DE2010400A1

DE2010400A1 - Nuclear fuel rod

Info

Publication number: DE2010400A1
Application number: DE19702010400
Authority: DE
Inventors: Hubert; Aerts Louis; MoJ; Chermanne Jean-Marie Brüssel;(Belgien) Bairiot
Original assignee: Belgonucleaire SA
Current assignee: Belgonucleaire SA
Priority date: 1969-03-11
Filing date: 1970-03-05
Publication date: 1970-10-29
Also published as: NL7003343A

Abstract

Nuclear fuel rod is produced by adding to the interior of the sleeve a compound which is not volatile at normal temp. but which is volatile under the operating conditions of a reactor and which is gradually consumed with the radiation of the element in the reactor. Specif. the added material is water.

Description

Verfahren für das Herstellen von Kernbrennstoffstäben. Process for the manufacture of nuclear fuel rods.

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffstäbe, wie sie in Kernreaktoren benutzt werden, und im be sonderen auf ein Verfahren zum Herstellen solcher Stäbe. The invention relates to fuel rods such as those used in nuclear reactors be used, and in particular a method for making such rods.

Diese Stäbe sind im allgemeinen aus einer metallischen Hülle gebildet, die den keramischen Brennstoff enthält. Infolge der Funktion und der Betriebsbedingungen des Reaktors unterliegt die Hülle dem äußeren Druck des Kühlmittels und wird demzufolge gegen den Brennstoff angedrückt (eine Art Preß- oder Quetschwirkung). These bars are generally formed from a metallic shell, which contains the ceramic fuel. As a result of the function and the operating conditions of the reactor, the shell is subject to the external pressure of the coolant and is consequently pressed against the fuel (a kind of pressing or squeezing effect).

Infolge der hieraus möglicherweise resultierenden Deformationen besteht die Gefahr, daß der Brennstoffstab keine ausreichende und befriedigendv mechanische Stabilität unter Bestrahlung mehr bietet, Um diese Deformatiorlerl zu vermeiden, hnt nian , schen vorgeschlagen, den Stab winter einen Innendruck zu setzen, und zwar dadurch, daß man ihn flÄi t einer unter Druck stehenden Gasmischung füllt. Aber diese Lösung des genannten Problems zieht andere Unzuträgtichkeiten nach sich. Tatsächlich werden nämlich vliese Stäbe während der Bestrahlung im Inneren des Reaktors einem in konstanter Weise wachsenden Innendruck ausgesetzt 1 der sich aus der Bildung von Spaltgas oder Spaltgasen ergibt, und dies tritt um so mehr ein, wie die Brenngeschwindigkeit bzw. Verbronnungsrate des Brennstoffs im Reaktor erhöht wird, und hieraus ergibt sich dann die Erscheinung eines Aufblähen dieser Stäbe. As a result of the deformations that may result from this the danger that the fuel rod will not be sufficient and satisfactory mechanical Provides more stability under irradiation, To this deformatiorlerl To avoid this, Nian ,schen suggested that the rod be subjected to internal pressure in winter set by flowing it into a pressurized gas mixture fills. But this solution to the problem mentioned draws other inconveniences after himself. In fact, fleece rods become inside during the irradiation of the reactor exposed to a constantly increasing internal pressure 1 of the itself results from the formation of fission gas or fission gases, and this occurs all the more, how the burning rate or burn rate of the fuel in the reactor increases becomes, and this then results in the appearance of a swelling of these rods.

Die vorliegende Legende Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein verbessertes Herstellungsverfahren zu schaffen und ebenso einen verbesserten Brennstoffstab, der die vorbeschriebenen Unzuträglichkeiten bei der Bestrahlung im Reaktor vermeidet. The present legend has the object of providing an improved To create manufacturing processes and also an improved fuel rod, which avoids the above-described inconveniences during irradiation in the reactor.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung des Stabes bzw. im Augenblick von dessen herstellung in d.ss Innere von dessen Hülle eine chemische Verbindung einführt bzw. einsetzt, welche bei normaler Temperatur nicht flüchtig ist, welche aber unter den Betriebsbedingungen des Reaktors flüchtig ist bzw. wird, und welche in progressiver Weise während der Bestrahlung des Stabes im Reaktor verbraucht wird, Diese Verbindung kann gebildet sein durch Wasser, Ammoniak, Kohlenwasserstoffverbindungen, Alkohole oder andere organische Verbindungen oder dgl. Die Verbindung oder Verbindungsmischung wird im Hinblick auf die Hülle bzw. auf die Beschaffenheit und Zusammensetzung des Hüllenwerkstoffs, auf den verwendeten Brennstoff und auf die Betriebsbedingungen des Reaktors gewählt. The method according to the invention is characterized in that one in the manufacture of the rod or at the moment of its manufacture in d.ss inside of its shell introduces or uses a chemical compound which is not volatile at normal temperature, but which is under the operating conditions of the reactor is or is volatile, and which progressively during the Irradiation of the rod in the reactor is consumed, this compound can be formed be through water, ammonia, hydrocarbon compounds, alcohols or others organic compounds or the like. The compound or compound mixture is im With regard to the shell or the nature and composition of the Shell material, on the fuel used and on the operating conditions of the reactor.

Der Verbrauch der Verbindung kann durch verschiedene Mittel bewirkt werden: Er -beginnt generell durch die radiolytische Zersetzung der Verbindung, und es fo-lgt entweder ein, Diffundieren durch die Hülle (Brennstoffstab-Mantel) hindurch oder ein (chemisches) Reagieren mit der Hülle bzw. dem Hüllenwerkstoff, mit dem Brennstoff oder mit einem (sonstigen) Material, welches zu diesem Zweck in den Stab eingebracht wurde. The consumption of the compound can be effected by various means become: Er -generally begins through the radiolytic decomposition of the compound, and it follows either, diffusing through the sheath (fuel rod sheath) through or a (chemical) reaction with the shell or shell material, with the fuel or with any (other) material that is used for this purpose was introduced into the rod.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines die Erfindung nicht beschränkenden Beispiels näher erläutert. The invention does not become the invention in the following on the basis of one limiting example explained in more detail.

Es wird ein Brennstoffstab für gasgekühlte Kernreaktoren mit schnellen Neutronen in Betracht gezogen, wobei der Brennstoffstab einem Druck von 70 Atmosphären (atü) bei Betriebstemperaturen des Ileal<.tors standhalten soll. Dieser Brennstoffstab wird von einer Hülle aus Stahl gebildet, und zwar hat diese Hülle einen Innendurchmesser von 7 mm und eine Länge von 2,5 m, und die Hülle ist in ihrem Inneren mit Brennstofftabletten aus Uranoxyd gefüllt. Damit eine Verbrennungsratej von 100.000 MWj/t (mégawatt iour par tonne; dies ist eine allgemein übliche Einheit zum Ausdrücken der Verbrennungsrate, also der gesamten Energie, die durch die Masseneinheit eines Kernbrennstoffes freigesetzt wird ) erreicht wird, ist die Füllungsrate oder das Füllungsverhältnis des Stabes 80 % auf eine Länge von 2 m, und der Stab ist außerdem versehen mit einer Gas-Sammelkammer von 50 cm Länge, so daß der Innendruck im Hinblick auf die Lebensdauer des Stabes begrenzt ist. It becomes a fuel rod for gas-cooled nuclear reactors with fast Neutrons are considered with the fuel rod at a pressure of 70 atmospheres (atü) should withstand operating temperatures of the Ileal <.tors. This fuel rod is formed by a shell made of steel, and this shell has an inner diameter of 7 mm and a length of 2.5 m, and the envelope is inside with fuel tablets Filled with uranium oxide. Thus a combustion rate of 100,000 MWj / t (mégawatt iour par ton; this is a commonly used unit for expressing the rate of combustion, that is, the total energy released by the unit of mass of a nuclear fuel is the fill rate or fill ratio of the rod 80% over a length of 2 m, and the rod is also provided with a gas collection chamber of 50 cm in length, so that the internal pressure in terms of the life of the rod is limited.

Gemäß dem Verfahren gemäß der Erfindung fügt man dem Inneren der Hülle 400 mm3 Wasser zu, bevor man sie durch Verschweißen der Endstopfen dichtet. Nachdem der Stab im Reaktor an seine Stelle gebracht wurde, ist dann während des Betriebes des Reaktors die Temperatur des Stabes so, daß das Wasser verdampft, wobei es den gewünschten Innendruck von 70 Atmosphären (atü) hervorruft. Unter Bestrahlung erleidet dieser Wasserdampf eine radiolytische Zersetzung in Wasserstoff und Sauerstoff. According to the method according to the invention, the interior is added Cover 400 mm3 of water before sealing it by welding the end plugs. After the rod has been put in place in the reactor, then during the Operation of the reactor, the temperature of the rod so that the water evaporates, whereby it creates the desired internal pressure of 70 atmospheres (atg). Under irradiation This water vapor undergoes radiolytic decomposition into hydrogen and oxygen.

Der Wasserstoff neigt dazu, durch die Hülle (den Mantel des Stabes) hindurch zu diffundieren, während der Sauerstoff den Brennstoff und ebenso die Innenwand der Hülle (das Mantelmaterial) oxydiert. Dennoch wird der Innendruck im Stab aufrechterhalten, nämlich durch die Bildung von Spaltgas während des Eletri ebes des Reaktors.The hydrogen tends to pass through the sheath (the sheath of the rod) to diffuse through it, while the oxygen diffuses the fuel and so does the inner wall the shell (the jacket material) is oxidized. Nevertheless, the internal pressure in the rod is maintained, namely by the formation of cracked gas during the Eletri ebes of the reactor.

Es ist klar, daß die Anwendung der Erfindung, so wie in diesem Beispiel beschrieben, keineswegs beschränkend ist, und daß verschiedene Modifikationen statthaben können. So kann beispielsweise im Falle der Unverträglichkeit von Wasser oder einer seiner Komponenten oder im Falle einer aii raschen Diffusion des Wasserstoffs durch die Hülle hindurch das i'lüclit;j.ge Material durch eine andere Verbindung gebildet werden. It is clear that the application of the invention, as in this example described, is in no way limiting, and that various modifications are possible can. For example, in the case of intolerance to water or a its components or in the case of a rapid diffusion of hydrogen through the shell through the i'lüclit; j.ge material formed by another connection will.

Die nach der Erfindung hergestellten Stäbe können ehellso in thermischen Reaktoren wie in schnellen Iteaktoren verwendet werden, und das Kühlmittel kann ein beliebiges sein. Es ist klar, daß die hülle nicht notwen digerweise aus Stahl gebildet sein muß wie im Beispiel beschrieben, sondern sie kann auch aus Zirkaioy (Zirkonium-Verbindung oder Zirkonium-Legierung), aus Legierungen mit Vanadium, Niobium usw. bestehen. Ebenso kann der Brennstoff, welcher in der Form von Tabletten oder von Pulver vorhanden oder nngewendet sein mag, ganz oder teilweise aus Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindungen des Uraniuins, des Plutoniums, des Thoriums oder anderer transuranis cher Elemente bestehen. The rods produced according to the invention can ehellso in thermal Reactors can be used as in fast iteactors, and the coolant can be any. It is clear that the shell is not necessarily made of steel must be formed as described in the example, but it can also consist of zircaioy (Zirconium compound or zirconium alloy), from alloys with vanadium, niobium etc. exist. Likewise, the fuel, which is in the form of tablets or of powder may be present or used, wholly or partly made of carbon or nitrogen compounds of uranium, of plutonium, of thorium or other transuranic elements.

Erwähnenswert ist als Merkmal der Erfindung, daß dafür Sorge getragen ist bzw. wird, daß der in die Hülle des Brennstoffstabes eingeführte oder zugegebene Zusatz seiner Qualität und/oder seiner Quantität nach so gewählt ist, daß die Bedingung erfüllt wird, daß der Innendruck in der Hülle bei der Bestrahlung des Stabes niemals unterhalb eines vorbestimmten Wertes absinken kann; es ist also Sorge dafür zu tragen, daß derjenige Teil oder diejenige Komponente, weiche durch die Hülle des Stabes nach außen diffundierend austritt oder z.B. durch einen Oxydiervorgang 11verschwindet'1,, in ausreichendem Maße von Spaltgasen ersetzt wird. Mit anderen Worten: Der durch die und nach der Dekomposition des Zusatzes im Stabinneren entstehende Druckabfall wird ganz oder teilweise kompensiert oder ggfs. auch in geringem (ein "Aufblähen" des Stabes nicht verursachendem) Maße überkompensiert durch die im Betriebe entstehenden Spaltgase. It is worth mentioning as a feature of the invention that care is taken is or is that the introduced or added into the shell of the fuel rod Addition of its quality and / or its quantity is chosen so that the condition it is fulfilled that the internal pressure in the envelope never occurs when the rod is irradiated can drop below a predetermined value; so care must be taken that that part or that component, soft through the sheath of the rod emerges diffusing to the outside or e.g. disappears through an oxidation process is sufficiently replaced by fission gases. In other words: the one through the pressure drop occurring inside the rod after the decomposition of the additive is fully or partially compensated or, if necessary, also to a small extent (an "inflation" of the staff, which is not the cause, is overcompensated for by those occurring in the company Fission gases.

- Patentansprüche -- patent claims -

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Method for producing a Fuel in a clad fuel rod for nuclear reactors, thereby G e k e n n n z e i c Ii -n e t that one in the interior of the rod cover as an addition Compound (chemical compound) which does not exist at normal temperature is volatile, but which is volatile or volatile under Ileactor operating conditions. will be, and which by the resp.

progressively consumed during irradiation of the rod in the reactor 2. The method according to claim 1, characterized in that the g e k e n n -z e i c h n e t Compound or the addition is water.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that g e -k e n n z e i c Ii n e t that the addition in terms of its quality and / or in terms of its The quantity and / or its composition is selected from several compounds in such a way that that the consumption of the generated during the irradiation of the fuel rod Ztisatzes or one or more components of the additive by the irradiation resulting fission gases is replaced in such a way that a preselected or does not fall below a predetermined internal pressure in the rod, this internal pressure etwn can be equal to the external pressure acting on the rod

4. fuel stnb, horgesteLlt according to one or more of claims 1 to 3,