IT202300016707A1

IT202300016707A1 - FUEL ELEMENT FOR A NUCLEAR REACTOR

Info

Publication number: IT202300016707A1
Application number: IT102023000016707A
Authority: IT
Inventors: Luciano Cinotti; Luigi Vernetti; Andrea Barbensi; Peter James Cochran
Original assignee: Newcleo S R L
Priority date: 2023-08-04
Filing date: 2023-08-04
Publication date: 2025-02-04
Also published as: WO2025032459A1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:

"ELEMENTO DI COMBUSTIBILE PER UN REATTORE NUCLEARE" "FUEL ELEMENT FOR A NUCLEAR REACTOR"

CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD

La presente invenzione ? relativa ad un elemento di combustibile per un reattore nucleare, in particolare un reattore nucleare raffreddato a metallo liquido o sali fusi, dotato di un sistema di raffreddamento per raffreddare l'elemento di combustibile durante le operazioni di ricambio del combustibile. The present invention relates to a fuel element for a nuclear reactor, in particular a nuclear reactor cooled by liquid metal or molten salts, equipped with a cooling system for cooling the fuel element during fuel replacement operations.

CONTESTO CONTEXT

Durante il normale funzionamento di un reattore nucleare, per esempio un reattore nucleare raffreddato a metallo liquido o sali fusi, la parte attiva degli elementi di combustibile ? totalmente immersa nel fluido refrigerante primario all'interno del collettore caldo del reattore, con eventualmente solo le rispettive teste superiori degli elementi di combustibile, non attive, che emergono sopra il livello del fluido refrigerante nel collettore caldo. Al momento del ricambio del combustibile gli elementi di combustibile esauriti vengono trasferiti dal bagno di metallo liquido o sali fusi del reattore ad una piscina ausiliaria in acqua o ad un sistema di stoccaggio raffreddato ad aria. During normal operation of a nuclear reactor, such as a liquid metal or molten salt-cooled reactor, the active portion of the fuel elements is completely immersed in the primary coolant within the reactor's hot header, with only the upper, non-active heads of the fuel elements emerging above the coolant level in the hot header. During fuel exchange, the spent fuel elements are transferred from the reactor's liquid metal or molten salt bath to an auxiliary water pool or air-cooled storage system.

Quando un elemento di combustibile viene estratto dal nocciolo del reattore, venendo a mancare lo smaltimento del calore attraverso il fluido refrigerante primario, occorre mettere in atto accorgimenti per evitare che la temperatura delle guaine metalliche che racchiudono le pastiglie di combustibile non superi una temperatura prestabilita oltre la quale potrebbe essere soggetta a danneggiamento. When a fuel element is removed from the reactor core, given the lack of heat dissipation through the primary coolant, measures must be taken to ensure that the temperature of the metal sheaths enclosing the fuel pellets does not exceed a predetermined temperature beyond which they could be subject to damage.

Il raffreddamento deve essere sempre assicurato tenendo conto anche di eventuali imprevisti quali bloccaggio temporaneo dell'elemento di combustibile in ogni posizione sulla via del trasferimento. Cooling must always be ensured, taking into account any unforeseen circumstances such as temporary blockage of the fuel element in any position on the transfer path.

Situazione da considerare ? anche quella di un eventuale bloccaggio con la parte attiva dell'elemento di combustibile parzialmente o totalmente estratta dal fluido refrigerante primario. Another situation to consider is the possibility of a blockage with the active part of the fuel element partially or totally removed from the primary coolant.

L'elemento di combustibile contiene al proprio interno un certo numero di corone di barrette di combustibile e se viene trasferito in ambiente gas le barrette delle corone esterne sono facilmente raffreddate per irraggiamento verso la scatola di contenimento e da questa verso l'ambiente esterno alla scatola stessa che pu? trattarsi dell'ambiente reattore o del contenitore del sistema di trasferimento del combustibile. The fuel element contains a certain number of crowns of fuel rods inside it and if it is transferred to a gas environment, the rods of the outer crowns are easily cooled by radiation towards the containment box and from there towards the environment outside the box itself which could be the reactor environment or the container of the fuel transfer system.

Le barrette delle corone interne invece hanno pi? difficolt? di raffreddamento. The bars of the internal crowns, on the other hand, have more difficulty cooling.

La domanda di brevetto PCT/IB2017/052607 descrive una soluzione che risolve la problematica, ma richiede una ventilazione attiva effettuata dal sistema di trasferimento del combustibile con tutti i rischi associati relativi al rischio di mancanza di energia elettrica, ed arresto della soffiante. Patent application PCT/IB2017/052607 describes a solution that solves the problem, but requires active ventilation performed by the fuel transfer system with all the associated risks relating to the risk of power failure and blower shutdown.

SOMMARIO SUMMARY

? uno scopo della presente invenzione quello di fornire un elemento di combustibile per un reattore nucleare che superi gli inconvenienti evidenziati delle soluzioni note e presenti vantaggi costruttivi e di sicurezza. It is an object of the present invention to provide a fuel element for a nuclear reactor that overcomes the highlighted drawbacks of known solutions and presents constructional and safety advantages.

La presente invenzione ? dunque relativa ad un elemento di combustibile per un reattore nucleare come definito nell'annessa rivendicazione 1 e, per le sue caratteristiche ausiliare, nelle rivendicazioni dipendenti. The present invention therefore relates to a fuel element for a nuclear reactor as defined in the appended claim 1 and, for its auxiliary characteristics, in the dependent claims.

L'invenzione ? inoltre relativa a un reattore nucleare, in particolare un reattore nucleare raffreddato a metallo liquido o sali fusi, comprendente tale elemento di combustibile, come definito nella rivendicazione 10. The invention further relates to a nuclear reactor, in particular a nuclear reactor cooled by liquid metal or molten salts, comprising such a fuel element, as defined in claim 10.

In sostanza, l'elemento di combustibile dell'invenzione ? dotato di un sistema di raffreddamento per raffreddare l'elemento di combustibile durante le operazioni di ricambio del combustibile, in maniera semplice, efficiente e pienamente affidabile. In essence, the fuel element of the invention is equipped with a cooling system for cooling the fuel element during fuel replacement operations, in a simple, efficient and fully reliable manner.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

L'invenzione ? descritta nel seguente esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui: The invention is described in the following non-limiting example of implementation, with reference to the figures of the attached drawings, in which:

- la figura 1 ? una vista schematica d'insieme in sezione longitudinale di un elemento di combustibile per un reattore nucleare in accordo al trovato, mostrato in condizione di normale funzionamento del reattore; - Figure 1 is a schematic overall view in longitudinal section of a fuel element for a nuclear reactor according to the invention, shown in normal operating condition of the reactor;

le figure 2 e 3 sono rispettive viste in sezione trasversale secondo i piani di traccia II-II e III-III in figura 1; Figures 2 and 3 are respective cross-sectional views along the lines II-II and III-III in Figure 1;

le figura 4 e 5 sono viste ingrandite di rispettivi dettagli dell'elemento di combustibile di figura 1, mostrato in condizione di normale funzionamento del reattore; Figures 4 and 5 are enlarged views of respective details of the fuel element of Figure 1, shown in normal reactor operating condition;

le figure 6 e 7 rappresentano rispettivamente i dettagli delle figure 4 e 5 in condizione di estrazione dell'elemento di combustibile dal reattore; Figures 6 and 7 respectively represent the details of Figures 4 and 5 in the condition of extraction of the fuel element from the reactor;

la figura 8 mostra in scala ingrandita il dettaglio evidenziato in figura 6; Figure 8 shows on an enlarged scale the detail highlighted in Figure 6;

la figura 9 mostra una variante del dettaglio di figura 4; Figure 9 shows a variant of the detail in Figure 4;

le figure 10 e 11 illustrano un'ulteriore variante dei dettagli delle figure 4 e 5, mostrata in condizione di normale funzionamento del reattore; Figures 10 and 11 illustrate a further variation of the details of Figures 4 and 5, shown under normal reactor operating conditions;

- le figure 12 e 13 rappresentano rispettivamente i dettagli delle figure 10 e 11 in condizione di estrazione dell'elemento di combustibile dal reattore. - Figures 12 and 13 respectively represent the details of Figures 10 and 11 in the condition of extraction of the fuel element from the reactor.

DESCRIZIONE DI FORME DI ATTUAZIONE DESCRIPTION OF FORMS OF IMPLEMENTATION

In figura 1 ? indicato nel suo complesso con 1 un elemento di combustibile per un reattore nucleare, per esempio un reattore nucleare raffreddato a metallo liquido o sali fusi, dotato di un sistema di raffreddamento per raffreddare l'elemento di combustibile durante le operazioni di ricambio del combustibile. In Figure 1, the number 1 indicates as a whole a fuel element for a nuclear reactor, for example a nuclear reactor cooled by liquid metal or molten salt, equipped with a cooling system to cool the fuel element during fuel replacement operations.

La configurazione generale del reattore non ? di per s? parte dell'invenzione e non viene pertanto descritta o illustrata. In generale, il reattore comprende un nocciolo, formato da una pluralit? di elementi di combustibile e immerso in un fluido refrigerante primario circolante attraverso un collettore caldo e un collettore freddo, e uno o pi? scambiatori di calore che asportano calore dal fluido refrigerante primario tramite un fluido secondario. The general configuration of the reactor is not part of the invention and is therefore not described or illustrated. In general, the reactor comprises a core, consisting of a plurality of fuel elements and immersed in a primary coolant circulating through a hot collector and a cold collector, and one or more heat exchangers that remove heat from the primary coolant via a secondary coolant.

Per una migliore comprensione dell'invenzione, in figura 1 ? indicato il livello H del fluido refrigerante primario nel reattore in normali condizioni di funzionamento del reattore. For a better understanding of the invention, Figure 1 shows the level H of the primary coolant in the reactor under normal reactor operating conditions.

L'elemento di combustibile 1 si estende lungo un asse A longitudinale, verticale in uso e comprende in successione dal basso verso l'alto e lungo l'asse A un piede 2 inferiore, una struttura scatolare 3, un fusto 4 di collegamento e una testa 5 superiore, collegati in successione uno all'altro. The fuel element 1 extends along a longitudinal axis A, vertical in use and comprises in succession from bottom to top and along the axis A a lower foot 2, a box-like structure 3, a connecting shaft 4 and an upper head 5, connected in succession to each other.

La testa 5 ? dotata di almeno un alloggiamento 6 di presa, conformato per essere agganciato da una pinza di una macchina di carico e scarico del combustibile, nota e non rappresentata per semplicit?. The head 5 is equipped with at least one gripping housing 6, shaped to be hooked by a gripper of a fuel loading and unloading machine, known and not shown for simplicity.

Una pluralit? di elementi di combustibile 1 disposti affiancati e paralleli uno all'altro costituisce il nocciolo del reattore, non rappresentato in figura. A plurality of fuel elements 1 arranged side by side and parallel to each other constitutes the reactor core, not shown in the figure.

Con riferimento anche alle figure 2 e 3, la struttura scatolare 3 ? internamente cava e si estende lungo l'asse A, preferibilmente con sezione trasversale esagonale (come nell'esempio illustrato) o quadrata. With reference also to figures 2 and 3, the box-like structure 3 is internally hollow and extends along the axis A, preferably with a hexagonal (as in the example illustrated) or square cross-section.

Al centro della struttura scatolare 3 ? inserita una struttura scatolare 7 interna, anch'essa internamente cava e per esempio avente anch'essa sezione trasversale esagonale o quadrata; la struttura scatolare 3 e la struttura scatolare 7 interna sono collegate una all'altra tramite una coppia di elementi a raggiera 8, 9 collocati a rispettive estremit? assiali opposte delle strutture scatolari 3, 7. At the center of the box structure 3 is inserted an internal box structure 7, which is also internally hollow and, for example, also has a hexagonal or square cross-section; the box structure 3 and the internal box structure 7 are connected to each other by a pair of radial elements 8, 9 placed at respective opposite axial ends of the box structures 3, 7.

Nello spazio delimitato dalla struttura scatolare 3 e dalla struttura scatolare 7 interna ? contenuta una pluralit? di barrette di combustibile 10, parallele tra loro e all'asse A. The space delimited by the box-like structure 3 and the internal box-like structure 7 contains a plurality of fuel rods 10, parallel to each other and to the axis A.

Ciascuna barretta di combustibile 10 ha una porzione attiva 11 intermedia disposta tra una porzione 12 inferiore ed una porzione 13 superiore di contenimento dei gas di fissione. Each fuel rod 10 has an intermediate active portion 11 arranged between a lower portion 12 and an upper portion 13 containing the fission gases.

Con riferimento anche alle figure 4 e 5, l'elemento a raggiera 8 inferiore ? collegato ad una struttura 14 tubolare inferiore, per esempio cilindrica, tramite un elemento di raccordo 15. La struttura 14 si protende verso il basso dal piede 2 ed ? munita di una pluralit? di feritoie 16 radiali passanti. With reference also to figures 4 and 5, the lower radial element 8 is connected to a lower tubular structure 14, for example cylindrical, by means of a connecting element 15. The structure 14 protrudes downwards from the foot 2 and is provided with a plurality of radial through slots 16.

Il piede 2 ? cavo e provvisto di almeno un'apertura 2b inferiore, formata ad una estremit? assiale inferiore del piede 2, per permettere in uso l'ingresso di fluido refrigerante nel piede 2 e quindi nella struttura scatolare 3. The foot 2 is hollow and provided with at least one lower opening 2b, formed at a lower axial end of the foot 2, to allow in use the entry of refrigerant fluid into the foot 2 and therefore into the box-like structure 3.

All'interno della struttura scatolare 7 interna ? inserita un'asta di azionamento 17 che si estende lungo l'asse A e si protende in parte inferiore anche all'interno dell'elemento di raccordo 15 e della struttura 14 ed in parte superiore anche all'interno del fusto 4 e di una porzione inferiore 18 cava della testa 5. Inside the internal box-shaped structure 7 is inserted an actuation rod 17 which extends along the axis A and protrudes in its lower part also inside the connecting element 15 and the structure 14 and in its upper part also inside the shaft 4 and a lower hollow portion 18 of the head 5.

L'asta di azionamento 17 ? solidale in parte alta ad un elemento cavo 19 dotato di una cavit? interna 20 filettata e munito di almeno una porzione di riscontro 21 radialmente sporgente da una superficie laterale esterna dell'elemento cavo 19; la porzione di riscontro 21 ? assialmente scorrevole e angolarmente bloccata in una sede 21b formata all'interno della porzione inferiore 18 della testa 5. La porzione di riscontro 21 si appoggia normalmente (in normali condizioni di funzionamento del reattore) su uno spallamento interno inferiore della sede 21b. The actuating rod 17 is integral in its upper part with a hollow element 19 equipped with a threaded internal cavity 20 and provided with at least one abutment portion 21 radially protruding from an external lateral surface of the hollow element 19; the abutment portion 21 is axially slidable and angularly locked in a seat 21b formed inside the lower portion 18 of the head 5. The abutment portion 21 normally rests (in normal operating conditions of the reactor) on a lower internal shoulder of the seat 21b.

La testa 5 ha poi una porzione superiore 22 che alloggia un elemento di azionamento 23 che si estende verso il basso lungo l'asse A e comprende un albero filettato 24 che si impegna sulla filettatura della cavit? interna 20 dell'elemento cavo 19 ed interagisce con un elemento di fine corsa superiore 26 ed un elemento elastico di compensazione 27, a sua volta vincolato inferiormente da una restrizione su una cava 28 ricavata sulla porzione superiore 22 della testa 5. The head 5 then has an upper portion 22 which houses an actuation element 23 which extends downwards along the axis A and comprises a threaded shaft 24 which engages the thread of the internal cavity 20 of the hollow element 19 and interacts with an upper limit switch element 26 and an elastic compensation element 27, in turn constrained below by a restriction on a slot 28 obtained on the upper portion 22 of the head 5.

In parte superiore ed assialmente lungo l'asse A l'elemento di azionamento 23 presenta una cava di azionamento 29, in cui ? inseribile un utensile o altro organo di manovra per ruotare attorno all'asse A l'elemento di azionamento 23. At the top and axially along the axis A the actuating element 23 has an actuating slot 29, into which a tool or other operating element can be inserted to rotate the actuating element 23 around the axis A.

In parte inferiore, l'asta di azionamento 17 sostiene, all'interno della struttura 14, un organo otturatore 30, ad esempio tramite un prolungamento filettato 31 dell'asta di azionamento 17 che si impegna su un bullone di serraggio 32. L'organo otturatore 30 ? configurato in modo da selettivamente aprire e chiudere l'apertura 2b del piede 2, in modo da permettere la circolazione di fluido refrigerante all'interno della struttura scatolare 3 durante il funzionamento del reattore, e impedire la circolazione di fluido refrigerante e mantenere la struttura scatolare 3 ricolma di fluido refrigerante durante e dopo l'estrazione dell'elemento di combustibile dal nocciolo del reattore, anche in ambiente gas. At the bottom, the actuating rod 17 supports, inside the structure 14, a shutter member 30, for example via a threaded extension 31 of the actuating rod 17 which engages a clamping bolt 32. The shutter member 30 is configured so as to selectively open and close the opening 2b of the foot 2, so as to allow the circulation of coolant fluid inside the box-like structure 3 during the operation of the reactor, and to prevent the circulation of coolant fluid and keep the box-like structure 3 filled with coolant fluid during and after the extraction of the fuel element from the reactor core, even in a gas environment.

Secondo una soluzione preferita nell'ambito della presente invenzione, l'asta di azionamento 17 ? cava e sigillata in parte bassa (cio? ? chiusa ad una propria estremit? assiale inferiore da una parete di fondo 17b) ed ? munita di almeno un foro 33 radiale inferiore e di almeno un foro 34 radiale superiore formati passanti attraverso una parete laterale dell'asta di azionamento 17 e posti a un livello leggermente inferiore e, rispettivamente, a un livello superiore al livello H del pelo libero del fluido refrigerante del reattore (in normali condizioni di funzionamento del reattore). According to a preferred solution within the scope of the present invention, the drive rod 17 is hollow and sealed at the bottom (i.e. it is closed at its lower axial end by a bottom wall 17b) and is provided with at least one lower radial hole 33 and at least one upper radial hole 34 formed passing through a side wall of the drive rod 17 and positioned at a level slightly lower and, respectively, at a level higher than the level H of the free surface of the reactor coolant (under normal operating conditions of the reactor).

Tinche il fusto 4 ? preferibilmente dotato di fori 35 radiali passanti. Therefore the shaft 4 is preferably equipped with radial through holes 35.

Prima del caricamento dell'elemento di combustibile 1 nel reattore, la porzione di riscontro 21 dell'elemento cavo 19, collegato all'asta di azionamento 17, si trova in battuta sulla porzione inferiore 18 della testa 5 e corrispondentemente l'organo otturatore 30 si trova in una posizione di apertura, in cui l'organo otturatore 30 si trova all'interno della struttura 14 ad una estremit? inferiore della struttura 14 e spaziato assialmente al di sotto dell'apertura 2b. Before loading the fuel element 1 into the reactor, the abutment portion 21 of the hollow element 19, connected to the actuating rod 17, is located in abutment with the lower portion 18 of the head 5 and correspondingly the shutter member 30 is located in an open position, in which the shutter member 30 is located inside the structure 14 at a lower end of the structure 14 and spaced axially below the opening 2b.

Secondo una soluzione preferita nell'ambito della presente invenzione, la porzione della struttura 14 compresa tra l'organo otturatore 30 (quando questo ? nella posizione di apertura) ed un livello h sopra le feritoie 16 ? riempito di fluido refrigerante allo stato solido. According to a preferred solution within the scope of the present invention, the portion of the structure 14 between the shutter member 30 (when this is in the open position) and a level h above the slots 16 is filled with solid state refrigerant.

Durante poi la fase di caricamento dell'elemento di combustibile 1 nel reattore e della sua progressiva immersione nel fluido refrigerante primario, che ? liquido e caldo, il fluido refrigerante primario solido contenuto nella struttura 14 fonde e permette il progressivo riempimento della struttura scatolare 3 ed il progressivo bagnamento dell'elemento di combustibile 1 fino al livello H. Quando i fori 33 inferiori dell'asta di azionamento 17 si trovano a livello inferiore al livello H del fluido refrigerante primario del reattore, anche l'interno dell'asta di azionamento 17 si riempie di fluido refrigerante primario. Then, during the loading phase of the fuel element 1 into the reactor and its progressive immersion in the primary coolant fluid, which is liquid and hot, the solid primary coolant fluid contained in the structure 14 melts and allows the progressive filling of the box-like structure 3 and the progressive wetting of the fuel element 1 up to level H. When the lower holes 33 of the actuation rod 17 are at a level lower than level H of the primary coolant fluid of the reactor, the inside of the actuation rod 17 also fills with primary coolant fluid.

In condizioni di funzionamento del reattore le barrette di combustibile 10 sono completamente immerse nel fluido refrigerante primario che circola all'interno della struttura scatolare 3 e tra le barrette di combustibile 10 entrando dal piede 2 dell'elemento di combustibile 1. Under reactor operating conditions, the fuel rods 10 are completely immersed in the primary coolant fluid which circulates inside the box structure 3 and between the fuel rods 10 entering from the foot 2 of the fuel element 1.

Con riferimento anche alle figure 6-8, prima dell'estrazione dal nocciolo dell'elemento di combustibile 1 esaurito, con mezzi di attuazione, noti e non descritti nell'ambito della presente invenzione, che si impegnano per esempio nella cava di azionamento 29 dell'elemento di azionamento 23, l'albero filettato 24 ? portato in rotazione per innalzare l'asta di azionamento 17, impegnandosi sulla filettatura 25 dell'elemento cavo 19. La porzione di riscontro 21 impedisce la rotazione dell'elemento cavo 19 e pertanto provoca l'innalzamento dell'asta di azionamento 17 quando l'albero filettato 24 ? portato in rotazione. With reference also to figures 6-8, before the extraction of the spent fuel element 1 from the core, with actuation means, known and not described in the scope of the present invention, which engage for example in the actuation slot 29 of the actuation element 23, the threaded shaft 24 is rotated to raise the actuation rod 17, engaging the thread 25 of the hollow element 19. The abutment portion 21 prevents the rotation of the hollow element 19 and therefore causes the actuation rod 17 to be raised when the threaded shaft 24 is rotated.

La corsa dell'asta di azionamento 17 si arresta quando l'organo otturatore 30 arriva a contatto con una porzione a coltello 37 della struttura 14, provvista di un bordo perimetrale 37b che delimita l'apertura 2b. The stroke of the operating rod 17 stops when the shutter member 30 comes into contact with a knife-shaped portion 37 of the structure 14, provided with a perimeter edge 37b which delimits the opening 2b.

Preferibilmente, l'organo otturatore 30 ? provvisto di una guarnizione 38 anulare metallica, per esempio in oro, che coopera con la porzione a coltello 37. Preferably, the shutter organ 30 is provided with an annular metal gasket 38, for example made of gold, which cooperates with the knife portion 37.

Un'ulteriore rotazione dell'elemento di azionamento 23, fino ad una coppia di rotazione prestabilita, porta alla compressione dell'elemento elastico 27 di compensazione per assicurare il mantenimento di una forza di contatto tra la porzione a coltello 37 della struttura 14 e la guarnizione 38 posta sull'organo otturatore 30. A further rotation of the actuating element 23, up to a pre-set rotation torque, causes the elastic compensation element 27 to compress to ensure that a contact force is maintained between the knife portion 37 of the structure 14 and the gasket 38 located on the shutter member 30.

In questo modo, l'elemento di combustibile risulta munito di un sistema di raffreddamento 40, comprendente in particolare la struttura scatolare 3 cava, l'organo otturatore 30, l'apertura 2b formata nel piede 2 e comunicante con l'interno della struttura scatolare 3, l'asta di azionamento 17 che muove l'organo otturatore 30, nonch?, preferibilmente, gli altri componenti sopra descritti. In this way, the fuel element is equipped with a cooling system 40, comprising in particular the hollow box-like structure 3, the shutter member 30, the opening 2b formed in the foot 2 and communicating with the inside of the box-like structure 3, the actuating rod 17 which moves the shutter member 30, as well as, preferably, the other components described above.

Grazie al sistema di raffreddamento 40, a seguito delle operazioni sopra descritte, ? possibile estrarre l'elemento di combustibile 1 dal nocciolo del reattore assicurando la permanenza di fluido refrigerante all'interno della struttura scatolare 3 fino a un suo bordo 39 di estremit? superiore (aperto) ed all'interno dell'asta di azionamento 17 fino al livello dei suoi fori 33 inferiori. Thanks to the cooling system 40, following the operations described above, it is possible to extract the fuel element 1 from the reactor core, ensuring that the coolant remains inside the box-like structure 3 up to its upper (open) end edge 39 and inside the actuation rod 17 up to the level of its lower holes 33.

I moti convettivi e la conduzione del fluido refrigerante tra le barrette di combustibile 10 permette il trasferimento del calore di decadimento verso la struttura scatolare 3 e verso la struttura scatolare interna 7. La struttura scatolare 3 ? a sua volta raffreddata per convezione naturale del fluido in cui risulter? immerso ed anche per irraggiamento verso l'ambiente esterno quando questo sia in gas. Moti convettivi del fluido refrigerante e conduzione trasferiscono calore dalla struttura scatolare interna 7 all'asta di azionamento 17 e, per conduzione, al suo fluido refrigerante interno che per moti convettivi potr? trasferire parte del calore alla sua parte superiore al di sopra del bordo 39 della struttura scatolare 3 per poi trasferirlo all'ambiente esterno con modalit? analoghe a quelle della struttura scatolare 3. The convective motions and conduction of the refrigerant fluid between the fuel rods 10 allow the transfer of decay heat to the box-shaped structure 3 and to the internal box-shaped structure 7. The box-shaped structure 3 is in turn cooled by natural convection of the fluid in which it is immersed and also by radiation towards the external environment when this is in gas. Convective motions of the refrigerant fluid and conduction transfer heat from the internal box-shaped structure 7 to the actuation rod 17 and, by conduction, to its internal refrigerant fluid which, by convective motions, will be able to transfer part of the heat to its upper part above the edge 39 of the box-shaped structure 3 and then transfer it to the external environment in ways similar to those of the box-shaped structure 3.

Il raffreddamento del piede 2 dell'elemento di combustibile 1 provocher? il gelo del fluido refrigerante in esso contenuto impedendo ogni eventuale perdita. Cooling of foot 2 of fuel element 1 will cause the coolant contained therein to freeze, preventing any possible leaks.

La figura 9 mostra una variante in cui al piede 2 ? connessa nella sua parte inferiore una struttura scatolare 41 di prolungamento dell'elemento di combustibile 1; la struttura scatolare 41 si protende inferiormente dal piede 2 lungo l'asse A a prolungamento della struttura scatolare 3 e pu? avere varie funzioni, quale quella di allontanamento della regione di alimentazione nocciolo dalla parte attiva del nocciolo stesso. In questo caso, anche tutto il volume interno alla struttura scatolare 41 pu? essere riempito di fluido refrigerante prima del montaggio nel nocciolo. Figure 9 shows a variant in which a box-like structure 41 extending the fuel element 1 is connected to the foot 2 in its lower part; the box-like structure 41 protrudes downwards from the foot 2 along the axis A as an extension of the box-like structure 3 and can have various functions, such as separating the core feed region from the active part of the core itself. In this case, the entire internal volume of the box-like structure 41 can also be filled with coolant before installation in the core.

Le figure 10, 11 illustrano una variante dei componenti mostrati nelle figure 5 e 9, in cui l'organo otturatore 30 si trova durante il funzionamento normale del reattore in una posizione pi? alta rispetto alla condizione di estrazione dell'elemento di combustibile 1 dal nocciolo del reattore. Mentre nelle forme di attuazione precedentemente descritte l'organo otturatore 30 si muove verso l'alto per chiudere l'apertura 2b, in questa variante l'organo otturatore si muove verso il basso per chiudere l'apertura 2b. L'organo otturatore 30 coopera sempre con una porzione a coltello 37 della struttura 14 tubolare inferiore; la struttura 14 si protende anche in questo caso verso il basso dal piede 2 ma ? collocata al di sopra dell'apertura 2b (in altri termini, il bordo perimetrale 37b che delimita l'apertura 2b ? collocato a una estremit? inferiore della struttura 14); la porzione a coltello 37 ? definita da un restringimento interno della struttura 14. Figures 10, 11 illustrate a variant of the components shown in Figures 5 and 9, in which the shutter member 30 is located during normal operation of the reactor in a higher position than when the fuel element 1 is being removed from the reactor core. While in the previously described embodiments the shutter member 30 moves upwards to close the opening 2b, in this variant the shutter member moves downwards to close the opening 2b. The shutter member 30 always cooperates with a blade portion 37 of the lower tubular structure 14; in this case too, the structure 14 protrudes downwards from the foot 2 but is positioned above the opening 2b (in other words, the perimeter edge 37b that delimits the opening 2b is positioned at a lower end of the structure 14); the knife portion 37 ...). defined by an internal narrowing of the structure 14.

L'elemento a raggiera 8, in particolare una sua porzione centrale 42 interna, costituisce un riscontro superiore di sicurezza per il movimento assiale dell'organo otturatore 30. The radial element 8, in particular its internal central portion 42, constitutes an upper safety stop for the axial movement of the shutter organ 30.

Tinche in questa forma di attuazione al di sotto del piede 2 e in particolare al di sotto della struttura 14 dotata dell'apertura 2b pu? estendersi la struttura scatolare 41 di prolungamento. In this embodiment, the box-shaped extension structure 41 can extend below the foot 2 and in particular below the structure 14 equipped with the opening 2b.

In questa variante, in condizione di estrazione dell'elemento di combustibile l'asta di azionamento 17 ? caricata a compressione da un elemento elastico di compensazione 43 in maniera da poter esercitare una forza di compressione sulla porzione a coltello 37 tramite l'organo otturatore 30. In this variant, when the fuel element is being extracted, the drive rod 17 is compressed by an elastic compensation element 43 so that it can exert a compressive force on the knife portion 37 via the shutter member 30.

Dopo che l'elemento di combustibile 1 ? estratto dal reattore, la pressione esercitata dal fluido refrigerante contenuto nell'elemento di combustibile 1 contribuisce al serraggio tra l'organo otturatore 30 e la porzione a coltello 37. After the fuel element 1 is removed from the reactor, the pressure exerted by the coolant contained in the fuel element 1 contributes to the tightening between the shutter member 30 and the knife portion 37.

Da quanto esposto emergono evidenti i vantaggi della presente invenzione: From the above, the advantages of the present invention are clear:

il sistema di raffreddamento proposto ? completamente passivo; the proposed cooling system is completely passive;

i moti convettivi del fluido refrigerante liquido permettono di trasferire il calore alle superfici che scambiano con l'esterno (struttura scatolare 3 ed eventualmente parte superiore dell'asta di azionamento 17 con limitate differenze di temperatura rispetto alle barrette di combustibile 10); the convective motions of the liquid refrigerant fluid allow the heat to be transferred to the surfaces that exchange with the outside (box-like structure 3 and possibly the upper part of the actuation rod 17 with limited temperature differences with respect to the fuel rods 10);

la disponibilit? di un sistema di raffreddamento lungo tutto il profilo assiale della porzione attiva 11 delle barrette di combustibile 10 permette di raffreddare la parte attiva dell'elemento anche in una ipotetica situazione incidentale in cui l'elemento 1 di combustibile resti bloccato durante l'operazione di ricambio in una posizione in cui solo la porzione attiva 11 delle barrette di combustibile 10, o solo una sua porzione emerge sopra il livello H del fluido refrigerante; the availability of a cooling system along the entire axial profile of the active portion 11 of the fuel rods 10 allows the active part of the element to be cooled even in a hypothetical accidental situation in which the fuel element 1 remains blocked during the replacement operation in a position in which only the active portion 11 of the fuel rods 10, or only a portion thereof, emerges above the level H of the cooling fluid;

nel medio e lungo termine dopo l'estrazione dal reattore col diminuire della potenza di decadimento dell'elemento di combustibile 1, il fluido refrigerante in esso contenuto avr? la tendenza a solidificare contribuendo alla stabilit? strutturale dell'elemento stesso durante eventuali fasi di trasporto; in the medium and long term after extraction from the reactor, as the decay power of fuel element 1 decreases, the coolant contained in it will tend to solidify, contributing to the structural stability of the element itself during any transport phases;

- in fase di caricamento nel reattore, il ritardato ingresso di fluido refrigerante all'interno dell'elemento di combustibile 1, dovuto alla liquefazione del fluido refrigerante solido, impedisce l'ingresso all'interno del piede 2 di materiali eventualmente galleggianti sulla superficie del fluido refrigerante del reattore; - during loading into the reactor, the delayed entry of coolant into fuel element 1, due to the liquefaction of the solid coolant, prevents any materials floating on the surface of the reactor coolant from entering foot 2;

- nella variante con otturatore posto in parte bassa durante il refuelling, la pressione esercitata dal fluido refrigerante contenuto all'interno dell'elemento di combustibile contribuisce alla forza di serraggio tra otturatore e porzione a coltello. - in the variant with the shutter positioned at the bottom during refueling, the pressure exerted by the coolant contained inside the fuel element contributes to the clamping force between the shutter and the knife portion.

Resta infine inteso che all'elemento di combustibile qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito delle annesse rivendicazioni . Finally, it is understood that modifications and variations may be made to the fuel element described and illustrated herein which do not go beyond the scope of the attached claims.

Claims

1. Fuel element (1) for a nuclear reactor, comprising a box-like structure (3), containing fuel rods (10), and at least one foot (2) and a head (5) located at respective opposite longitudinal ends of the box-like structure (3); the foot (2) being provided with at least one opening (2b) to allow in use the entry of coolant fluid from the reactor core into the box-like structure (3); characterised in that the foot (2) is equipped with a shutter member (30) cooperating with a perimeter edge (37b) of the opening (2b) to selectively open and close the opening (2b), so as to allow the circulation of coolant fluid inside the box-like structure (3) during operation of the reactor, and to prevent the circulation of coolant fluid and to keep the box-like structure (3) filled with coolant fluid during and after the extraction of the fuel element from the reactor core, even in a gas environment.

2. Fuel element according to claim 1, wherein the shutter member (30) is controlled by an actuating rod (17) extending from the foot (2) to the head (5) of the fuel element (1) and is operable at the head (5) of the fuel element (1).

3. Fuel element according to claim 2, wherein the actuating rod (17) of the shutter member (30) is in turn actuated via a threaded coupling between a hollow element (19) integral with the actuating rod (17) and a threaded shaft (24) connected to an actuating element (23) which is rotated via an actuating slot (29).

4. Fuel element according to claim 2 or 3, wherein the drive rod (17) is internally hollow and is closed at its lower axial end and provided with one or more radial through holes (33) positioned in use below the level (H) of the reactor coolant, so as to allow the coolant to internally fill the drive rod (17) and contribute to the cooling of the fuel rods (10) positioned closest to the centre of the box-like structure (3), where an internal hollow box-like structure (7) is inserted, thanks to convective motions of the coolant contained inside the drive rod (17).

5. Fuel element according to any of the preceding claims, wherein the opening (2b) is formed in a lower tubular structure (14), for example cylindrical, of the foot (2); and the shutter member (30) is movable between an open position, which the shutter member (30) assumes during the operation of the reactor to allow the normal circulation of coolant fluid in the box-like structure (3) through the opening (2b) and in which the shutter member (30) is positioned below or above and axially spaced from the opening (2b); and a closed position, which the shutter member (30) assumes before the extraction of the fuel element (1) from the reactor to keep the coolant fluid trapped inside the box-like structure (3) and in which the shutter member (30) is in contact with a knife-shaped portion (37) of said lower tubular structure (14).

6. Fuel element according to claim 5, wherein the lower tubular structure (14) protrudes below the opening (2b) and is provided with radial through-holes (16); and in the open position the shutter member (30) is positioned below and axially spaced from said slots (16); and in the closed position the shutter member (30) is positioned above said slots (16).

7. Fuel element according to claim 5, wherein the lower tubular structure (14) is positioned above the opening (2b); and in the open position the shutter member (30) is positioned above and spaced from the knife portion (37) of the lower tubular structure (14), defined by an internal constriction of the lower tubular structure (14); and in the closed position the shutter member (30) is positioned above and in contact with the knife portion (37) on which the shutter member (30) is forced into compression by the operating rod (17).

8. Fuel element according to any of the preceding claims, wherein the shutter member (30) comprises an annular gasket (38) cooperating in contact with the peripheral edge (37b) of the opening (2b) to create a hydraulically sealed coupling; and wherein said hydraulically sealed coupling is subject to continuous pre-established tightening by means of an elastic compensating element (27) which maintains a pre-established contact force between the gasket (38) of the shutter member (30) and the peripheral edge (37b) of the opening (2b).

9. Fuel element according to claim 8, wherein the elastic compensation element (27) is compressed by further actuation of an operating element (23) which also actuates the shutter member (30) after the shutter member (30) has abutted against the perimeter edge (37b).

10. Nuclear reactor, in particular nuclear reactor cooled by liquid metal or molten salts, comprising at least one fuel element according to any of the preceding claims.