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Aus einem oder mehreren Formkörpern bestehende
Brennstoffelemente für Kernreaktoren
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffelemente für Kernreaktoren, in denen das Brennstoffelement aus einem oder mehreren Formkörpern aufgebaut ist.
Als Brennstoffelemente für Kernreaktoren dienen im einfachsten Falle Stäbe aus spaltbaren Stoffen.
Jedoch ist auch schon vorgeschlagen worden, diese Stoffe nicht in metallischer Form, sondern in Form ihrer Verbindungen mit solchen Elementen, die den Neutronenhaushalt nicht nachteilig beeinflussen, anzuwenden. Dazu gehören vor allem die Oxyde, aber auch Karbide oder Silizide. Je nach der Art des Reaktors können neben Brennelementen aus spaltbaren Stoffen, deren Kerne unter Neutronenabgabe in einer Kettenreaktion zerfallen, auch sogenannte Brutstoffe eingesetzt werden, die selbst nicht spaltbar
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gegen als Brutstoffe U238 oder auch das dieses überwiegend enthaltende natürliche Uran in Betracht kommen. Aus U238 bildet sich bekanntlich PuZ3 9.
Auf Grund dieser Tatsachen sind bisher zwei Reaktortypen entwickelt worden : a) Der"one region breeder" mit einer einzigen einheitlichen Brennstoffregion, in der der Spaltstoff U233 in Mischung mit Th232in Form der üblichen Brennelemente zum Einsatz gelangen soll. Gleichzeitig muss noch das Brennelement umgebende Moderatorsubstanz zugegen sein. b) Vom üblichen Reaktor abweichend der "two region breeder", in dem um ein Zentrum aus U233 als Spaltstoff derBrutstoff Th als Hülle angeordnet ist. Sowohl Uran als auch Thorium sind dabei in üblicher Weise im Moderator eingebettet.
Die wirtschaftliche Herstellung von Spaltstoffen im Brutreaktor erfordert eine sorgfältige geometrische Berechnung für die Verteilung der Brut- und Spaltstoffelemente und des Moderators. Die Aufarbeitung der bestrahlten Brutstoffe auf das gewonnene Spaltmaterial kann nur ausserhalb des Reaktors nach Entnahme der verbrauchten Brutstoffelemente erfolgen. Der auf diese Weise erzeugte Spaltstoff kann erst nach der Verarbeitung zu neuen Brennstoffelementen in einem Reaktor wieder verwendet werden. Diese Aufarbeitung ist ein zeitraubender und wegen der Strahlungsgefährdung schwieriger, zumindest umständlicher Prozess.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden nun diese Schwierigkeiten umgangen und eine wirtschaftliche Gewinnung und Ausnutzung von Spaltstoffen aus Brutstoffen dadurch erreicht, dass die die Brennstoffelemente von schnellen Kernreaktoren bildenden Formkörper aus u, U , Pu einzeln oder zu mehreren als Spaltstoff, aus Uoder natürlichem Uran als Brutstoff und Barium oder Bariumverbindungen als Füllstoff bestehen.
Gegenüber den bekannten Brennstoffelementen unterscheiden sich die erfindungsgemäss ausgebildeten Formkörper dadurch, dass sie Spaltstoffe, Brutstoffe und Füllstoffe enthalten. Durch diese Anordnung wird eine höhere Leistungsdichte im Reaktor und eine wesentliche Betriebsvereinfachung erzielt, da man nun das verbrauchte Brennelement zusammen mit dem Füllstoff aus dem Reaktionsraum abziehen kann, ohne den Betrieb unterbrechen und den Reaktor demontieren zu müssen.
Die erfindungsgemäss aufgebauten Formkörper für Brennstoffelemente können zweckmässig so ausge-
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bildet sein, dass die Spaltstoffe und Brutstoffe nicht in metallischer Form, sondern als vorzugsweise hoch. schmelzende Verbindungen zur Anwendung gebracht werden. Hiefür kommen insbesondere Oxyde, aber auch Karbide oder Silizide in Betracht, die nach den aus der Keramik bekannten Methoden der Formgebung und Sinterung zu stabilen Formkörpern verarbeitet werden können. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt es vor allem, höhere Arbeitstemperaturen im Reaktor aufrechtzuerhalten, als dies bei der Benutzung metallischer Brennstoffelemente möglich ist.
Die Ausgestaltung der die Brennstoffelemente bildenden Formkörper richtet sich ganz nach der Arbeitsweise des betreffenden Reaktors. Im einfachsten Falle können die Gemische aus Spalt- und Brutstoffen bzw. deren Verbindungen zu Stäben verformt und durch Sinterung verfestigt werden. Man kann aber auch die Brennstoffelemente nach einem älteren Vorschlag aus Formkörpern kleiner Abmessungen mit möglichst grosser Oberfläche, z. B. aus Granulaten, Rohr-oder Stababschnitten, Ringen, Berlsätteln oder kugelförmigen Gebilden aufbauen, die, in loser Schüttung angewendet, gegebenenfalls auch durch eine das Brennstoffelement umschliessende Hülle im Masse ihres Verbrauches kontinuierlich hindurchbe- wegt werden können.
Schliesslich kann man derartige Formkörper auch nach an sich bekannten Verfahren porös gestalten, um die Abführung der zum Teil schädlichen gasförmigen Spaltprodukte aus dem Reaktor zu erleichtern.
Die gemäss der Erfindung in Kombination mit den, vorzugsweise in Form ihrer Verbindungen benützten Spaltstoffen und Brutstoffen zur Anwendung gelangenden kernphysikalisch indifferenten Füllstoffe müssen auf jeden Fall so ausgewählt werden, dass sie den Neutronenhaushalt des Reaktors nicht nachteilig beeinträchtigen. Man kann dabei Füllstoffe verwenden, die die Sinterung der Spalt- bzw. der Brutstoffe erleichtern oder auch die Oberfläche der Brennstoffelemente im Verhältnis zum Brennstoffgewicht vergrössern. Hiefür kommen besonders Verbindungen von Elementen mit schweren Kernen in Betracht, z. B.
Bariumoxyd, Bariumsilizid od. dgl.
Bei den erfindungsgemäss ausgebildeten Brennstoffelementen für schnelle Reaktoren entfällt der für thermische Reaktoren notwendige Zusatz von Moderatorsubstanzen. Statt dessen werden als Füllstoffkomponente der Brennstoffelemente bzw. der diese bildenden Formkörper, wie bereits erwähnt, Barium oder Bariumverbindungen eingesetzt. Für den Betrieb von schnellen Reaktoren eignen sich insbesondere die aus Pu239 als Spaltstoff aufgebauten Formkörper.
Wie schon erwähnt, erlauben die mit den Brennstoffelementen gemäss der Erfindung ausgestatteten Reaktoren eine wirtschaftliche Produktion von Atomenergie, da diese Brennstoffelemente in der bevorzugten Ausführungsform bei hohen Reaktortemperaturen arbeiten können. Ausserdem vereinfacht sich durch die Zusammenfassung von Spaltstoffen und Brutstoffen in ein und demselben Formkörper die Geometrie des Reaktors und die Aufarbeitung der gebrauchten Elemente wird wesentlich erleichtert. Wenn man die Brennstoffelemente in Formkörper kleiner Abmessungen aufteilt, ergibt sich ausserdem der Vorteil. dass nur kleine strahlende Stoffmengen jeweils bewältigt werden müssen, worin eine wünschenswerte Vereinfachung der Verarbeitung zu sehen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Aus einem oder mehreren Formkörpern bestehende Brennstoffelemente für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus U233, U235, Pu239 einzeln oder zu mehreren als Spaltstoff, Uoder natürlichem Uran als Brutstoff und Barium oder dessen Verbindungen als Füllstoff bestehen.