DE1105076B - Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Wegen der bekannten Vorteile des elektrischen Stromes hinsichtlich der Verteilbarkeit und Übertragbarkeit werden Leistungsreaktoren überwiegend zur Gewinnung elektrischer Energie verwendet. Dies geschieht bei allen bisher bekannten Reaktoren mittelbar, indem ein gasförmiges oder flüssiges Medium im Kreislauf geführt wird, wobei es durch die Kernreaktion erhitzt, danach in einer einen elektrischen Generator treibenden Wärmekraftmaschine arbeitsleistend entspannt, darauf einem Kühler zugeführt und schließlich wieder dem Kernreaktor zügeführt wird.

Neben dem erforderlichen technischen Aufwand hat die mittelbare Gewinnung der elektrischen Energie über den Umweg der Wärmeerzeugung und die Wärmekraftmaschine den Nachteil, daß der erzielbare Gesamt- '5 wirkungsgrad begrenzt ist. Dies gilt um so mehr, wenn mit Rücksicht auf die Aktivierung des primär durch das Reaktorinnere geführten Mediums noch ein Wärmetauscher und ein sekundärer Kreislauf zwischen Reaktorinnerem und Wärmekraftmaschine geschaltet werdenmuß.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades hat man bereits Kernreaktoren entwickelt, die mit hohen Betriebstemperaturen arbeiten, da bekanntlich nur so nach den Gesetzen der Thermodynamik der theoretisch maximal erzielbare Wirkungsgrad groß sein kann.

Im Rahmen dieser Entwicklung sind Brennstoffelemente bekanntgeworden, mit denen sich Temperaturen in der Größenordnung von 1500 bis 2000⁰C an ihrer Oberfläche erreichen lassen. Dabei sind für derartige Brennstoffelemente schon die verschiedenartigsten Ausführungsformen beschrieben worden, z. B. liegen sie bereits in Stangenform oder als Formkörper beliebiger Gestalt, z. B. Kugeln, Perlsättel u. a. m., vor.

Es ist weiterhin aus theoretischen Überlegungen zwar grundsätzlich bekannt, daß eine unmittelbare Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen neben einer Einsparung an technischem Aufwand eine Erhöhung des gesamten Wirkungsgrades erwarten läßt; jedoch sind die bestehenden Schwierigkeiten in der Praxis noch nicht überwunden worden, so daß eine funktionsfähige Anordnung mit diesen Eigenschaften bisher noch nicht bekannt ist.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in geschlossenen, außen von einem Kühlmedium gekühlten Hüllen in einen Moderatorblock eingeführt wird, die die genannten Schwierigkeiten überwindet, d. h. einen größeren Gesamtwirkungsgrad erzielen läßt und hierfür einen geringeren technischen Aufwand voraussetzt als die bekannten Anordnungen.

Erfindungsgemäß ist zwischen der äußeren gekühlten Hülle und dem mit Brennstoff gefüllten Raum ein evakuierter Zwischenraum vorgesehen, dessen Breite mit Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung

elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22

Dr. Rudolf Schulten, Lützelsachsen (a. d. Bergstraße); ist als Erfinder genannt worden

Rücksicht auf das jeweils aufrechtzuerhaltende Vakuum kleiner als die mittlere freie Weglänge der von der Innenseite des Zwischenraumes durch Glühen emittierten Elektronen ist, und die elektrisch leitend ausgebildete Oberfläche der Innenseite von der elektrisch leitenden äußeren, gekühlten Hülle elektrisch isoliert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise Brennstoffelemente verwendet, die Arbeitstemperaturen von etwa 1500 bis 2000⁰C haben. Die Zweckmäßigkeit dieser Arbeitstemperaturen sei zunächst einmal an Hand der folgenden theoretischen Betrachtungen erörtert.

Die theoretische Grundlage für die erfindungsgemäße Anlage bildet das Richardsonsche Gesetz über Glühelektronenemission. Dieses bekannte Gesetz lautet

C ψ

; = a · Γ² ·

In dieser Formel bedeutet

j = Elektronen-Stromdichte in Ampere/cm², a = Konstante = (60 — 120) Amp./cm² Grad², e' = Elementarladung = 1,602 · 10-¹⁹C, φ = Austrittsarbeit in eV,

k = Boltzmannsche Konstante = 1,38 · 10-²³J/grad, T = Temperatur in ⁰K und

e = die Basis des natürlichen Logarithmus.

Das Gesetz beschreibt die Aussendung von Elektronen aus heißen Wänden, d. h., daß sich aus einer Wand, wenn sie entsprechend aufgeheizt ist, Elektronen lösen. Hierbei wird durch die Wärmeenergie (z. B. aus Kernspaltungsprozessen) eine hohe Temperatur aufrechterhalten und eine Ladungstrennung erzielt. Zwischen der heißen und der kalten Elektrode baut sich eine Potentialdifferenz auf, die die direkte Entnahme elektrischer Energie gestattet.

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Wie die Formel zeigt, sind dabei die Temperatur sowie Das geschieht z. B. durch Beeinflussung des Potentials

das Verhältnis von der Temperatur zu der für das ge- zwischen den beiden Elektroden mittels des äußeren

wählte Material charakteristischen Austrittsarbeit die Widerstandes, gegebenenfalls durch eine selbsttätige

bestimmenden Größen. Dabei muß das Verhältnis φ : T Regelung. Dabei ist es ratsam, ein Potential zwischen 1

möglichst klein sein, um eine hohe Ausbeute zu erhalten. 5 und 3 Volt zu wählen. Dadurch tritt zwar nach dem

Für die vorliegende Erfindung bedeutet dies, daß ein Richardsonschen Gesetz eine zum Teil erhebliche Verrin-

Wandmaterial gewählt werden muß, das bei höchsten gerung an der Elektronenausbeute ein, da nur wenige der

Temperaturen eine möglichst geringe Austritts- oder Elektronen ein solches Potential durchlaufen können,

Ablösearbeit für die Elektronen hat. doch erhöht sich der Wirkungsgrad für die direkte Um-

Es ist bekannt, daß von den in Frage kommenden io Wandlung von Wärme in elektrische Energie durch diese

Stoffen die Ablösearbeit sehr unterschiedlich ist. Sie liegt Maßnahme erheblich. Der Wirkungsgrad ist dabei ge-

am niedrigsten bei den Alkalimetallen, und zwar zwischen geben durch die Formel

etwa 1 und 3 Volt. Besondere Vorteile jedoch bieten die γ

Oxyde, bei denen die Austrittsarbeit erheblich erniedrigt ^
A

y g

ist. Bei den Alkalioxyden liegen die Austrittsarbeiten 15 V_e-\-Ejc-\-aF\[^

ζ. B. zwischen 0,75 und etwa 2 Volt. V ^1UU

Ferner wird an die Anordnung die Forderung gestellt, Hierin bedeutet

daß zwischen der heißen und der kalten Elektrode ein V_e — Nutzenergie,

Vakuum herrscht, wobei erreicht werden muß, daß in £_fc = kinetische Energie der Elektronen,

diesem Vakuum die mittlere freie Weglänge der Elek- 20 _r\(T, \* /T₂ViI „, ,, . , , ._D „_r ,

..„·,,·. A-UiJj -u-j -!-ir·· j T\ oF\\-^r\ —hr^Tr = Strahlungsenergie der heißenWand.

tronen großer ist als der Abstand der beiden Wände. Da {\wo} UOO/J ^{& b}

die Geschwindigkeits- und somit auch die Energiever- Eine andere Möglichkeit bietet die geeignete Wahl des

teilung der Elektronen entsprechend einer bekannten Abstandes der beiden Platten, wie bereits beschrieben

Verteilung ist, läßt sich durch geeignete Wahl des Ab- wurde. Es soll nun eine auf Grand vorstehend darge-

standes zwischen der heißen und der kalten Wand eine 25 stellter Theorie entwickelte Anlage beschrieben werden

Auswahl von Elektronen einer ganz bestimmten Mindest- und einige Ausführungsbeispiele von Brennstoffelementen

energie erreichen, was für die Erhöhung des Wirkungs- vereinfacht und schematisch dargestellt werden. Dabei

grades von Bedeutung ist. Gegebenenfalls wird man also sollen zwei verschiedene Möglichkeiten betrachtet werden:

den Elektrodenabstand bzw. das Vakuum veränderbar ^_π ^ m , ^ j·· ■ ι_ι·ι_· u

oder sogar regelbar machen. 30 ^L Brennstoffelemente, die in einem beliebigen, be-

Neben dieser Energieübertragung durch die Glüh- kannten Hochtemperaturreaktor verwendet werden

emission der Elektronen findet noch eine für den vor- könne*, ^um ^? ^den Wirkungsgrad eines solchen

Hegenden Fall nutzlose Übertragung durch die Wärme- Reaktors zu erhohen, und

strahlung statt. Um diese unerwünschte Wärmestrahlung ²· ^eine Hochtemperaturreaktoranlage, die insbesondere

in ihrer Wirkung zu mindern, ist es ratsam, die kalte 35 ^{für die} Verwirklichung der direkten Umwandlung

Wand mit einem Spiegel für Wärmestrahlen zu versehen. geschaffen werden kann.

Dabei läßt sich mit den heute bekannten Mitteln ein Um die erste Möglichkeit zu verwirklichen, sind Brenn-

Spiegelfaktor von 50% erreichen, d. h., daß die Hälfte stoffelemente erforderlich, die eine »doppelte Umhüllung«

der Wärmestrahlung reflektiert wird. Dabei beeinflußt besitzen, von denen die erste als »Glühkathodenfläche«

der Wärmespiegel den Glühelektroneneffekt nicht. 40 wirkt und durch die bei der Kernspaltung auftretende

Zur Auslegung der erfindungsgemäßen Brennstoff- Wärme aufgeheizt wird, während die durch ein Vakuum

elemente ist es nach der Formel (1) erforderlich, das _Von dieser heißen Fläche getrennte zweite Umhüllung als

Potential zwischen den beiden Wänden mit zu berück- Anode wirkt und von außen gekühlt wird. Außerdem ist

sichtigen. Um das Maximum für dieses Potential zu hierbei eine besondere Einrichtung zur Abnahme der

erhalten, ist es zweckmäßig, das Richardsonsche Gesetz 45 erzeugten Spannung erforderlich.

folgendermaßen zu schreiben: Bei einem in dieser Art aufgebauten Element kann

ε ₊ γ außerdem in einer aus anderem Zusammenhang be-

j = aT² · e *■ τ η\ kannten Weise eine Vorrichtung zum Abziehen der gasförmigen Spaltprodukte, die das Vakuum zerstören

wobei ₅o würden, vorgesehen werden. Ein solches Element hat

E ~ Austrittsarbeit oder Ablöseenergie in Volt, ^{dann die} erheblichen Vorteile, daß erstens die Spalt-

Y _ Potential in Volt produkte in einem besonderen Kreislauf abgezogen

werden und daß zweitens das Vakuum nicht durch eine

bedeutet. besondere Vakuumpumpe aufrechterhalten zu werden

Die sich ergebende elektrische Leistung Q erhält man 55 braucht, sondern direkt bei der Herstellung der Elemente

durch Multiplikation von j mit dem Betrag des Poten- vorgesehen wird. Ein derartiges Element ließe sich auch

tials F. Dabei ergibt sich Q in Watt/cm². Differenziert ohne besonderen Aufwand so auslegen, daß es in flüssig-

man diese neue Gleichung nach V und sucht das Maximum keitsmoderierten Reaktoren verwendet werden kann,

für Q, so erhält man die Beziehung Eine andere Ausführungsform, die jedoch eine Vakuum-

Y -JiX ^6o pumpe zwecks Erhaltung des Vakuums erfordert, ist

dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Fläche von dem

als günstigsten Wert des erforderlichen Potentials im Brennstoff selbst gebildet wird und nur die kalte Fläche

Hinblick auf die Elektronenausbeute. Außerdem ist noch als Umhüllung erforderlich ist. Bei einem derartigen

das Verhältnis der durch ein Elektron übertragenen elek- Element würden die gasförmigen Spaltprodukte durch

irischen Energie zu der pro Elektron übertragenen 65 die erforderliche Vakuumpumpe abgepumpt werden.

Wärmeenergie für den Wirkungsgrad der Anlage zu Soll die zweite der aufgezeigten Möglichkeiten realisiert

beachten. Um dieses Verhältnis am günstigsten zu ge- werden, so erscheint eine konzentrische Anordnung der

stalten, ist es erforderlich, den Anteil an Elektronen, beiden Flächen zweckmäßig. Bei dieser Anordnung

deren Wärmeenergieübertragung gegenüber der Über- würde der Brennstoff in konzentrischen Ringen, z. B.

tragung von elektrischer Energie zu groß ist, auszusieben. 7° homogen mit dem Moderator vermengt, angeordnet sein.

Die beiden letztgenannten Möglichkeiten werden unter anderem im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein Brennstoffelement dargestellt, wie es auch in bekannten Reaktoren verwendet werden kann. Das Brennstoffelement besteht aus einem z. B. zylinderförmigen Stab 1 aus Spaltstoff (gegebenenfalls auch Spaltstoff mit Moderator bzw. mit zusätzlichem Brutstoff), um den eine als Glühkathode wirkende Umhüllung 2 angeordnet ist. An den Werkstoff für diese Elektronen emittierende Schicht sind die Forderungen gestellt, daß sie hochtemperaturbeständig ist (bis etwa 2000° C) und einen niedrigen Wert für die Ablösearbeit der Elektronen aufweist. Als Werkstoff kommen z. B. Thorium auf Wolfram, mit Wolfram imprägniertes Barium, Kalzium auf Wolfram oder auch Karbide wie TiC (oder ZrC, Oxyde wie ThO₂, BaO/SrO oder auch Suizide) in Frage, wie es von den Glühkathoden in Vakuumröhren bekannt ist. Von dieser Wand durch ein Vakuum (in der Größenordnung von z. B. 10~² Torr) getrennt, befindet sich eine Anodenwand 3. Der Abstand der Wände 2 und 3 richtet sich nach der Reichweite der Elektronen, die an der Wand 3 gesammelt werden sollen. Diese Anodenwand 3 wird durch das einen Ringspalt 19 durchströmende Kühlmittel, z. B. ein Edelgas, gekühlt und auf einer Temperatur von etwa 600 bis 1000° C gehalten ; sie ist auf der Innenseite an der Oberfläche poliert, so daß eine Spiegelung der Wärmestrahlen eintritt. Der als Kühlkanal wirkende Ringspalt 19 ist von einem Moderator 4 durch eine Wand 7 getrennt. Die untere Begrenzung des Reaktorinneren ist durch einen Tragrost 6 gebildet, der obere Abschluß durch eine Platte 5. In den unteren Tragrost 6 ist ein Isolationsring 17 eingesetzt, der einerseits die Wand 7 hält und andererseits den Tragrost abisoliert.

In den aus den Elementen 5, 7, 17 und dem Stromabnehmer 15 gebildeten Kanal wird das erfindungsgemäße Brennstoffelement mit einer bekannten Ladevorrichtung eingesetzt. Dabei setzt sich dann das Brennstoffelement mit einer Bodenplatte 14, die aus dem gleichen Material wie die Umhüllung 2 gefertigt ist, auf den Stromabnehmer 15 auf; den Abstand zum Ringspalt 19 gewährt ein Isolationsring 16, der gleichzeitig als Distanzring zwischen den Wänden 1 und 2 dient. Der Kopf des auswechselbaren Brennstoffelementes wird durch einen Stromabnehmer 9 gebildet, in den ein Isolatorang 18 eingesetzt ist. Mit diesem Ring, dessen Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist, Hegt das Element an der oberen, den Abschluß des Reaktorinneren bildenden Platte 5 an.

Um das erforderliche Vakuum zwischen den Wänden 2 und 3 zu halten, ist ein Anschluß an eine Vakuumpumpe erforderlich. Dieser Anschluß erfolgt über einen Kopf 11. An diesem Kopf 11 ist ein Metallring 9 zwecks Verstärkung der Stromabnahme von der Wand 3 vorgesehen. Der Kopf 11 ist von diesem stromabführenden Ring 9 durch den Isolationsring 10 getrennt.

In dem Element selbst ist eine Hintereinanderschaltung vorgenommen. Die Anzahl der elektrischen Zellen je Element ist dabei beliebig und von der Länge des Elementes abhängig. Die Wärmeleitung innerhalb der bei Hintereinanderschaltung gekreuzten Elektroden ist zu berücksichtigen. In Fig. 1 ist eine der Schaltungen unterhalb des Schnittes B-B zu erkennen. Dabei dient der Isolationsring 12 zum Abisolieren der Wand 2 gegen die Wand 3 und gleichzeitig als Distanzring für den Abstand der Hüllen 2 und 3. Der Isolationsring 13 dient als Isolator an der Schaltungsstelle und als Distanzring zwischen den Hüllen 3 und 7 und 2 und 3. Die Fig. 3 gibt einen Querschnitt an der Stelle B-B an und läßt die Ausbildung der Ringe 12 und 13 erkennen. Schließlich zeigt noch Fig. 4 einen Querschnitt an der Stelle C-C und läßt den Kühlgaseintritt erkennen.

Zur näheren Erläuterung sei ein Zahlenbeispiel zu diesem dargestellten Element gegeben:

Länge des Elementes Z = 3 m

Hierbei sollen das Element in drei Abschnitte I₁ = I₂ ίο =lj=lm unterteilt und diese Abschnitte hintereinandergeschaltet sein.

Durchmesser:

Glühkathodenwand (I₁ = 6 cm

j. Anodenwand d₂ = 6,1 cm

Die Temperatur sei in allen drei Abschnitten gleich, was zwar nicht exakt stimmt, aber für diese Überschlagrechnung angenommen werden kann, zumal die angenommene Temperatur gemittelt ist.

T₁ = 1800⁰K

T₂ = 1000°K
E₁ =2 V
F=IV
a = 120 Amp./cm² Grad²

Dann ist nach Formel (1)
ε+ ν

= 120 · 1,8² · 10" · e ¹^^{: 10}~^23:1·⁸ · ¹⁰" j = 11,5 Amp./cm²
Für jeden Abschnitt ergibt dies

I_ges = F -j = π ■ 6 · 100 · 11,5 = 2,17 · 10^s Amp.
Dieser Wert entspricht einer Wärmeleistung von
\}ges ⁼ ί ges ' V " O

= 6,51 · 10⁵ Watt
Q_ges = 0,651 MW/Stab

Bei dem Reaktor möge die Anzahl der Stäbe in der Größenordnung von 140 Stäben liegen. Da infolge der Temperaturverteilung jedoch nicht alle Stäbe die gleiche Temperatur besitzen und hier sogar das Maximum zugründe gelegt wurde, werde mit 100 Stäben gerechnet. Das ergibt eine Leistung von

Qaeauor = 100 · 0,651 MW ,
Q Reaktor= 65,1 MW.

Da diese elektrische Leistung zusätzlich zu der thermischen Leistung auftritt, welche mit dem Kühlmittel entnommen wird und mit bekanntem Wirkungsgrad ebenfalls in elektrische Leistung verwandelt werden kann, bedeutet dies eine erhebliche Vergrößerung des Wirkungsgrades der Anlage. Der Wirkungsgrad für die direkte Energieumsetzung allein ergibt sich dabei, wenn mit einem Spiegelfaktor von 50% für die Wärmestrahlung gerechnet wird, zu:

τ/·

η =

lOO

100

=

0,651 · 10⁶

0,651 · 10" + 4,34 · 10⁵ + 0,5 · 1 · 89 ■ 10* (1,8* — I⁴) ' 17 = 48,3%.

Dieser Wirkungsgrad läßt sich jedoch durch OptimaH-sierung des Potentials bzw. des Vakuums noch erhöhen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt. Dabei stellt Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Element gemäß der Erfindung dar und Fig. 6 die Draufsicht auf dieses Element. Dieses Element ist für einen Reaktor vorgesehen, dessen Brennstoffelemente in an sich bekannter Weise in Kugelform oder als Granulat vorliegen. Abweichend von dem zuvor beschriebenen Element ist hierbei die Ausbildung des Kopfes. Bei diesem Beispiel ist das »Glühkathodenelement« fest eingebaut; es ergeben sich die bekannten Vorteile, die durch die Verwendung von Brennstoffkugeln bedingt sind (einfaches Beschicken, kontinuierlicher Betrieb).

Hierbei ist der Tragring 18 nach Fig. 1 ersetzt durch vier fest eingebaute Isoliersegmente 22, die gesondert in Fig. 7 dargestellt sind. Auf diesen vier Isoliersegmenten 22 liegt ein Stromabnehmer 21. Der eigentliche Kopf 20 des Elementes besteht aus Isolierstoff, auf dem oder in dem ein Anschlußstutzen 23 für die Vakuumleitung vorgesehen ist.

Die Hintereinanderschaltung der einzelnen Teile des Elementes ist analog der Fig. 1 ausgeführt, ebenso der Fuß.

An Hand dieser beiden Beispiele sollte insbesondere gezeigt werden, daß beispielsweise die Verwirklichung der Erfindung in jedem der bekannten Hochtemperaturreaktoren und darüber hinaus auch noch in flüssigkeits- S5 gekühlten, z. B. mit Na gekühlten Reaktoren möglich ist, daß sich die typischen Abmessungen, wie Gitterkonstante u. a. m., nicht zu ändern brauchen und daß sich eine echte Erhöhung des Wirkungsgrades ergibt. Es sei noch darauf hingewiesen, daß diese direkt stromerzeugende Anordnung von besonderem Vorteil ist, da sie als besonders zuverlässige Stromquelle für die Speisung der Sicherheitseinrichtungen des Reaktors verwendet werden kann, da sie nur vom Reaktor abhängig ist.

In den Fig. 8, 9 und 10 ist das Innere eines Reaktors dargestellt, der zur direkten Erzeugung elektrischer Energie dient. Außerdem wird aber auch die durch das Kühlmedium übertragene Wärmeenergie in bekannter Weise ausgenutzt. Die Fig. 8 stellt einen Längsschnitt durch das konzentrisch zur Längsachse M-M aufgebaute Innere dar, Fig. 9 einen Querschnitt an der Stelle D-D und Fig. 10 einen Querschnitt an der Stelle E-E. Verglichen mit den Fig. 1 bis 7 sind gleiche Positionsnummern gleichen Positionen zugeordnet. Konzentrisch zu der Längsachse M-M sind die einzelnen Kathodenflächen 2 und die von diesen Flächen 2 durch ein Vakuum getrennten Anodenfiächen 3 angeordnet. Die Anodenflächen 3 werden durch das Kühlmedium gekühlt, das die beiderseits von den Anodenflächen 3 begrenzten Ringspalte 19 durchströmt. Bei dieser Anordnung liegt der heifeste Stab im Zentrum, also mit seiner Längsachse in der Achse M-M. Die konzentrischen Ringe, die zur Aufnahme der Brennstoffelemente dienen, können, wie in Fig. 9 zu sehen ist, auch so weit mit Moderatorsubstanz4 angefüllt werden, daß für die Brennstoffelemente 1 ein entsprechender Raum verbleibt. Durch sinnvolle Vergrößerung des Brennstoffanteiles in den Kanälen entsprechend ihres Abstandes von der Längsachse M-M läßt sich außerdem bei dieser Anordnung eine gleichmäßige Verteilung des Neutronenflusses und der Temperaturen erreichen.

Der durch Glühemission in den hintereinandergeschalteten Ringen erzeugte Strom läßt sich durch die Stromabnehmerö bzw. 25 abführen. Dabei ist an der oberen Seite der Elemente eine Isolation 24 zwischen der heißen und der kalten Wand vorgesehen. Dabei soll diese Isolation 24 gleichzeitig den Vakuumraum zwischen Fläche 2 und 3 dicht nach oben hin abschließen. Die Hintereinanderschaltung ist analog der Fig. 1 durchgeführt.

Der Stromabnehmer 25 ist so ausgebildet, daß durch den Raum 27 über den Anschlußstutzen 28 mittels einer Vakuumanlage das erforderliche Vakuum zwischen den Flächen 2 und 3 aufrechterhalten werden kann.

Die Stromabnehmer 25 sind untereinander durch die Isolationsringe 26 bzw. 29 getrennt. Dabei wird durch die Öffnungen der mit Segmenten versehenen Ringe des Isolationsringes das Kühlmedium in die Spalte 19 geleitet. Das Kühlmedium verläßt die Spalte durch die ebenfalls mit Segmenten versehenen Stromabnehmer 5.

Die Isolationsringe 26 bzw. 29 sind außerdem so ausgebildet, daß sie die Flächen 2 und 3 an ihrem unteren Ende elektrisch trennen und den Abstand halten. Die Form der Ringe ist ebenfalls aus Fig. 10 zu ersehen.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen nur drei der sehr zahlreichen Möglichkeiten dar und sollen nur dazu dienen, in vereinfachter Darstellung einige grundsätzliche Lösungsmöglichkeiten zu zeigen und um außerdem die erfindungsgemäße Aufgabenstellung klarzustellen.

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in geschlossenen, außen von einem Kühlmedium gekühlten Hüllen in einen Moderatorblock eingeführt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der äußeren, gekühlten Hülle und dem mit Brennstoff gefüllten Raum ein evakuierter Zwischenraum vorgesehen ist, dessen Breite mit Rücksicht auf das jeweils aufrechtzuerhaltende Vakuum kleiner als die mittlere freie Weglänge der von der Innenseite des Zwischenraumes durch Glühen emittierten Elektronen ist, und die elektrisch leitend ausgebildete Oberfläche der Innenseite von der elektrisch leitenden äußeren, gekühlten Hülle elektrisch isoliert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere, leitende Oberfläche durch eine weitere Hülle um den Brennstoff gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mit einer an sich bekannten Vorrichtung zum Abziehen der Spaltprodukte verbunden ist, wobei das Vakuum bereits bei der Herstellung der Brennstoffelemente erzeugt sein kann.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Brennstoffes die Innenseite des evakuierten Zwischenraumes bildet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in konzentrischen Ringen, gegebenenfalls homogen mit einem Moderator vermengt, angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einen Hochtemperaturreaktor.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, gekühlte Hülle innen für Wärmestrahlung spiegelnd ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, gekühlte Hülle innen poliert ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Zwischenraumes verstellbar bzw. regelbar ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Vakuums verstellbar bzw. regelbar ist.

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11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Potential differenz zwischen der äußeren Hülle und der leitenden inneren Oberfläche verstellbar bzw. regelbar ist, beispielsweise durch Veränderung eines äußeren Widerstandes, vorzugsweise auf Werte zwischen 1 und 3 Volt pro Element.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Oberfläche der Innenseite des evakuierten Zwischenraumes und die äußere, gekühlte Hülle in mehrere jeweils elektrisch voneinander getrennte Zonen eingeteilt sind, wobei bei je zwei einander benachbarten Zonen die leitende Oberfläche der Innenseite bei einer Zone mit der äußeren Hülle bei der Nachbarzone elektrisch leitend verbunden ist, so daß sich eine elektrische Reihenschaltung aller Zonen ergibt.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff und die ihn umschließende äußere Hülle in an sich bekannter Weise zu einem zweckmäßig zylindrischen Brennstoffelement zusammengebaut sind.

14. Anordnung nach Anspruch 2 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Hüllen

fest im Moderatorblock angeordnet sind und die innere Hülle in an sich bekannter Weise mit Brennstoff, der beispielsweise in Kugelform oder als Granulat vorliegt, vorzugsweise kontinuierlich zu beschicken ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Innenseite des evakuierten Zwischenraumes eine emittierende Schicht angebracht ist, z. B. wie für Glühkathoden von Vakuumröhren bekannt ist, aus Wolfram, Wolfram mit Barium, Thorium oder Calcium, Erdalkalioxyden oder -karbiden.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdichte in den Hüllen eine derartige Verteilung im Reaktorinneren aufweist, daß eine über das Reaktorinnere vergleichmäßigte Verteilung der Neutronendichte bzw. der Temperatur gegeben ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch die Verwendung als Stromquelle für die Sicherheitseinrichtungen der Kernreaktors.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 797 872;
Zeitschrift: »Nucleonics«, 1959, S. 49 bis 53.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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