DE112017001303T5

DE112017001303T5 - Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie und Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE112017001303T5
Application number: DE112017001303.8T
Authority: DE
Inventors: Andrey Yurievich Bykov; Viacheslav Mikhailovich Mosiazh
Original assignee: "finansovyj Partner" LLC; Finansovyj Partner LLC
Current assignee: "finansovyj Partner" LLC; Finansovyj Partner LLC
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-11-22
Also published as: RU2624824C1; WO2017160184A1; SE1851249A1; SE544185C2

Abstract

Eine Methode zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmenergie und entsprechende Ausführungsformen einer Vorrichtung betreffen den Bereich der Kernenergie.Diese Erfindung ist für die Energieerzeugung mit gleichzeitiger Entsorgung des abgebrannten Kernbrennstoffs, der minoren Aktinide, der radioaktiven und chemischen Industrieabfällen bestimmt. Die Energieerzeugung wird dadurch ermöglicht, dass ein tief unterkritisches Target 04 auf der Basis von Aktiniden mit einem relativistischen Ionenstrahl bestrahlt wird (Fig. 1, 2). Zum technischen Effekt gehören die erhöhte Effektivität der Umwandlung der Kernenergie in Wärmeenergie, Selbstkostensenkung der Energieerzeugung, Erweiterung des Verzeichnis der energietechnischen Anwendungen, Steigerung der sozioökonomischen und ökologischen Bedeutsamkeit der Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie. Der angegebene technische Effekt wird durch die Einführung der Vorgänge der Ablenkung des Bündels der beschleunigten Ionen und der Durchmischung des Targets erreicht, was durch die Blöcke der Ablenkung 3 und der Durchmischung 5 umgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Kernenergie, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie und Wärmeenergie, einschließlich der Entsorgung von abgebranntem Kernbrennstoff, minoren Aktiniden, den Industrieabfällen inkl. radioaktiven und chemischen Abfällen.
In dem Patent RU 2 238 597 G21C1/30 „Methode zur Umwandlung von Atomenergie in Wärmeenergie“, ausgestellt 2003 in der Russischen Föderation, wird vorgeschlagen, ein tief unterkritisches Target aus den schweren chemischen Elementen (Blei, Wismut, Thorium und abgereichertes Uran sowie deren Kombinationen) mit relativistischen Ionen (Protonen) zu bestrahlen. Dabei wird der Targetinhalt zugleich sowohl als Brennelement als auch als Wärmeträger benutzt. Die Patentautoren operieren mit der früher festgestellten Tatsache, dass mit der Energieerhöhung von Urteilchen auch die tiefere Kernspaltung erreicht wird. Dieses technische Verfahren hat allerdings folgende Nachteile: niedrige Effektivität von Umwandlung der Kernenergie in Wärmeenergie, unzulässig hohes Risiko, radioaktive Materialien zu erzeugen, die für den Atomterrorismus benutzt werden können, sowie das Problem der Entsorgung von dem durch die beschleunigten Ausgangsteilchen produzierten Neutronenstrom.
In dem Patent RU 2 413 314 „Verfahren und System zur Umwandlung von Kernenergie in dWärmeenergie“, ausgestellt 2008 in der Russischen Föderation, besteht die technische Lösung darin, den Strahl bestehend aus den mehrfachionisierten Ionen der Uran-, Thorium-, Wismut- und Bleiisotopen bis zu einer Energie zu beschleunigen, die eine Nukleonenkaskade im tief unterkritischen Target erzeugt, wohin dieser Strahl gelenkt wird. Dabei wird vorgeschlagen, die aktive Targetzone teilweise oder vollständig aus dem abgebrannten Kernbrennstoff zu bilden - für die Erhöhung der Stromintensivität der Sekundärteilchen sowie mit dem Ziel, diesen Strom nachfolgend zu entsorgen. Zu den Nachteilen dieses Verfahrens gehört die niedrige Effektivität der Umwandlung der Kernenergie in Wärmeenergie.
Am ähnlichsten zu dem vorgeschlagenen Verfahren ist das Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie, welches in dem Patent RU 2 557 616 / Internationale Patentklassifikation G21C1/30 vom 26.06.2015, ausgestellt in der Russischen Föderation, vorgestellt wird.
Am ähnlichsten zu der vorgeschlagenen technischen Lösung ist die Lösung der ersten Vorrichtung, welche in dem Patent „Methode zur Umwandlung von Kernenergie in die Wärmeenergie und Vorrichtung dafür (Varianten)“ RU 2 557 616/ Internationale Patentklassifikation G21C1/30 vom 26.06.2015, ausgestellt in der Russischen Föderation, beschrieben wird.
Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist die niedrige Effizienz der Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie infolge ungleichmäßiger Energieumwandlung im Targetvolumen.
Zu den Nachteilen dieser bekannten technischen Lösung zählt die Notwendigkeit, das Target bei der längeren Nutzung zu ersetzen, da die Energieerzeugung aufgrund des unvermeidbaren Spaltstoffverlustes in der aktiven Targetzone nachlässt.
Der technische Effekt bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist die erhöhte Effizienz der Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie sowie die Selbstkostensenkung der Energieerzeugung.
Der technischer Effekt bei der Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung ist die Selbstkostensenkung der Energieerzeugung sowie eine Erhöhung der Leistungsverfügbarkeit.
Das technische Ergebnis dieser Methode zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie wird dadurch erreicht, dass ein Ionenstrahl erzeugt und beschleunigt wird, damit das Material in dem tief unterkritischen Target bestrahlt wird; es wird dadurch ein Strom von Sekundärteilchen mit zwei und mehr Generationen von Atomfragmenten erzeugt und die Atomenergie in dem Target in der Größe freigesetzt, dass ihm die Bewegungsenergie von Strahl und Sekundärteilchenstrom zugeleitet werden kann,; so wird der Verlust des Targetmaterials reduziert, bei der Targetbestrahlung wird der Ionenstrahl auf der Targetfläche im Raumwinkel solange verschoben, bis das Target den Strom von Sekundärteilchen komplett absorbiert; gleichzeitig wird der Targetinhalt vermischt.
Das technische Ergebnis in der Vorrichtung zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie wird dadurch erreicht, dass in der ersten Ausführungsform der nacheinander und fluchtend angeordnete Ionenstrahl-Beschleuniger und die Strahl-Transporteinheit, sowie ein senkrecht orientiertes tief unterkritisches Target aus flüssiger Schmelze mit schweren Elementen in einem wärmefesten, strahlenresistenten und korrosionsbeständigen Gehäuse mit einer offenen oberen Stirnseite, eine Wärmewandlereinheit und eine Reserveeinheit enthalten sind, und die Einrichtung zusätzlich mit einem elektromagnetischen, in zwei zueinander senkrechten Flächen funktionierenden Strahlscanner und einer Einheit zur Durchmischung des Target-Inhalts ausgestattet ist, wobei der Strahlscanner fluchtend zwischen der Strahl-Transporteinheit und dem Target angeordnet ist und die Einheit zur Durchmischung des Target-Inhalts eine Möglichkeit eines elektromagnetischen Kontaktes zu dem Targetmaterial hat.
Die zweite Ausführungsform umfasst einen nacheinander und fluchtend angeordneten Ionenstrahl-Beschleuniger und eine Strahl-Transporteinheit, sowie ein senkrecht orientiertes tief unterkritisches Target mit schweren Elementen in einem wärmefesten, strahlenresistenten und korrosionsbeständigen Gehäuse mit einer offenen oberen Stirnseite und einer mit dem Target verbundenen Wärmewandlereinheit und Reserveeinheit; das Target besteht aus Schüttgut (Grundmaterial) und die Einrichtung ist zusätzlich mit einem elektromagnetischen, in zwei zueinander senkrechten Flächen funktionierenden Strahlscanner und einer Einheit zur Durchmischung des Target-Materials ausgestattet, im unteren Teil des Target-Gehäuses ist eine Bohrung ausgeführt, wobei der Strahlscanner fluchtend zwischen der Strahl-Transporteinheit und dem Target angeordnet ist und die Einheit zur Durchmischung des Target-Materials mit der Möglichkeit eines elektromagnetischen Kontaktes zu dem Targetmaterial durch beide Bohrungen im Target-Gehäuse ausgebildet ist.
Dabei kann das Schüttgut als Brennstoffelement in der Strömungsform geformt werden.
Unter dem Raumwinkel, in welchem das komplette Absorbieren von Sekundärteilchen stattfindet, wird in dem vorgeschlagenen Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie ein Winkel verstanden, in welchem der Primärstrahl von beschleunigten Ionen mithilfe eines Strahlscanners verschoben wird, damit der dadurch erzeugte Strahl von Sekundärteilchen nicht das Volumen des Targetinhalts übersteigt. Die Charakteristika des Raumwinkels, über dessen Grenzen der Strahl von Sekundärteilchen nicht hinausgeht, welcher im Targetmaterial bei dem fixierten Lenken des Primärstrahls zu der Targetaußenfläche erzeugt wird, wurden bereits experimentell erforscht und veröffentlicht, z.B. bei Barašenkov, V.S.; Toneev, V.D. „Vzaimodejstvie vysokoėnergetičeskich častic i atomnych jader s jadrami.“ M.:, Atomizdat, 1972, Kар. З. (В.C. Барашенков, B.Д. Tонеев, Bзaимодействиe высокоэнергетических частиц и aтомных ядер c ядрами, M.:, Aтомиздат, 1972, гл. З). Das erlaubt rechnerisch den Raumwinkel der Primärstrahlbewegung zu ermitteln, in welchem der Strahl von Sekundärteilchen noch von dem Targetmaterial absorbiert wird.
Gemeinsame und gleichzeitige Verwendung von dem Strahlscanner und der Einheit zur Durchmischung des Targetmaterials sowie deren Realisierungsmittel sind eine notwendige und hinreichende Voraussetzung, um den beschriebenen technischen Effekt zu erreichen. Der Strahlscanner und die kontinuierliche Durchmischung des Targetmaterials fördern die Effektivitätserhöhung bei Veränderung der Nuklidzusammensetzung unter dem Strahl und in dem Strom von Sekundärteilchen, zur Verringerung der Schwingungsamplitude der Werte der Energieerzeugung mit entsprechender Senkung der Energiestärke bei regulärer Kompensierung des Targetmaterialverlustes (mithilfe der Reserveeinheit). Das garantiert einen stationären Betrieb der Energieerzeugung durch die Vorrichtung und deren prinzipiell unbegrenzt lange Produktion.
Das vorgeschlagene Verfahren die Vorrichtung werden in den 1-3 veranschaulicht.

1 zeigt die Gesamteinsicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie.
2 zeigt die Gesamteinsicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Realisierung des vorgeschlagenen Verfahrens.
3 zeigt den Ablaufplan von beiden Ausführungsformen der Vorrichtung in dem stationären Betrieb.

Die Bezugsziffern in den Figuren bedeuten:

1: - Ionenstrahl-Beschleuniger,
2: - Strahl-Transporteinheit,
3: - Strahlscanner,
4: - tief unterkritisches Target,
5: - Einheit zur Durchmischung des Target-Inhalts,
6: - Reserveeinheit,
7: - Wärmewandlereinheit,
8: - Absperrorgan,
9: - Zuführungsleitung für das Target,
10, 11, 12, 13: - Kühlstoffleitungen,
14: - offene obere Stirnseite des Targets,
15: - eine Bohrung im unteren Teil des Target-Gehäuses

In den beiden Ausführungsformen der Vorrichtung (s. 1 und 2) wird der Austritt des Rückwärtswellen-Linearbeschleunigers 1 (s. Bogomolov, A.S.; Bakirov, T.S. „Ionnye uskoriteli dlja ispol'zovanija v industrii.“ M.Duna, 2012, S. 87; СМ. A.C. Богомолов, T.C. Бакиров «Ионные ускорители для исполъзования в индустрии», M. Дуна, 2012, 87 c.) fluchtend mit dem Austritt der Strahl-Transporteinheit 2 gekoppelt. Zu dem Austritt der Strahl-Transporteinheit 2 wird auch fluchtend der Eintritt des Strahlscanners 3 gekoppelt. Das senkrecht ausgerichtete Target 4 wird fluchtend unter dem Austritt des Strahlscanners 3 in einer Entfernung platziert, welche für die Verringerung der negativen Einwirkung der ionisierenden Strahlung auf das Target nötig ist.
Die Auswahl der Form und Platzierung des Targets 4 erfolgt unter der Voraussetzung, dass der ausgedehnte Primärstrahl und der Strom von Sekundärteilchen in dem Targetinhalt für die ursprünglich angegebenen Parameter für das Erzeugen und Gewinnen von dort entstandener überschüssiger Wärme komplett absorbiert werden können.
Der Unterschied zwischen den Ausführungsformen der Vorrichtung liegt in deren Anwendung sowie in Konstruktion und Inhalt des Targets 4, der Einheit zur Durchmischung 5, der Reserveeinheit 6 und der Wärmewandlereinheit 7.
Die erste Ausführungsform der Vorrichtung (s. 1) beinhaltet das Target 4 mit dem flüssigen Schmelzeinhalt mit beinhalteten Aktinidenelementen und orientiert sich auf die Entsorgung von abgebranntem Kernbrennstoff, minoren Aktiniden, weiteren langlebigen Radionukliden sowie anderer industrielle, radioaktiver und chemischer Abfälle und auf die damit verbundene Strom- und Wärmeenergieerzeugung, darunter auch für die externen Wärmeabnehmer.
Für die Homogenisierung der leichtflüssigen Schmelze mit den schweren chemischen Elementen wird die Einheit zur Durchmischung 5 mit der Möglichkeit zu einem elektromagnetischen Kontakt zuem Targetmaterial 4 genutzt. Als Beispiel für die Konstruktion solcher Einheiten können die Vorrichtungen dienen, die z.B. in den Patenten RU 2 571 971 , RU 2 567 970 , RU 2 453 395 , ausgestellt in der Russischen Föderation, vorgestellt sind.
Die zweite Ausführungsform der Vorrichtung (s. 2), welche das Target 4 mit dem flüssigen Schmelzeinhalt beinhaltet, wird vorwiegend für die großangelegte industrielle Wärme- und Stromerzeugung benutzt, darunter auch in den Atomtechnologie-Komplexen mit der breiten chemischen Nomenklatur und mit dem ebenmäßigen Abbrennen von abgebranntem Kernbrennstoff und minorer Aktiniden, deren Einbringen in den Targetmaterial 4 zur Energieerzeugung beiträgt.
Die Durchmischung des Targetinhalts 4 wird mithilfe von einer entsprechenden Einheit durchgeführt, die einen mechanischen Kontakt zum Targetinhalt 4 durch obere und untere Bohrung in seinem Gehäuse hat. Als ein Beispiel für die Konstruktion solcher Einheiten dient die Vorrichtung, welche in der Monographie von Stoljarevskij, A. J. Jaderno-technologiceskie kompleksy na osnove vysokotemperaturnych reaktorov“, M.: Energoatomizdat, 1988, S. 36 (А.Я. Столяревский, «Ядернотехнологичекие комплесы на ocнове высокотемпературных реакторов», M.: Знаргоатомиздат, 1988 г., c.36.) vorgestellt ist.
In den beiden Ausführungsformen der Vorrichtung (s. 1 und 2) haben die Reserveeinheit 6 und die Wärmewandlereinheit 7 einen mechanischen Kontakt zum Targetmaterial 4.
Dabei wird die Reserveeinheit 06 über das Target 4 platziert, damit sein Material bei dem offenen Absperrorgan 8 für das Kompensieren des Verlusts des Targetinhaltes 4 naturgegeben zufließt. Zu bemerken ist, dass der Normalzustand des Absperrorgans 8 „geschlossen“ ist.
Der Aggregatzustand des Materials in der Reserveeinheit entspricht dem Zustand des Materials im Target in beiden Ausführungsformen der Vorrichtung (in der ersten Variante - flüssige Schmelze, in der zweiten - Schüttgut). Dementsprechend wird auch die Abfuhr der überschüssigen Wärme aus dem Target durch die Kühlstoffleitungen 10 - 13 durchgeführt. In der ersten Ausführungsform der Vorrichtung wird die Wärmeabfuhr mittels des Flüssigmetallkühlmittels, für welches der Targetinhalt in dem Primärkühlmittelkreislauf 7 verwendet werden kann, gesichert. In der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung wird der Primär-Helium-Kreislauf für die Wärmeabfuhr bevorzugt.
Das vorgeschlagene Verfahren wird in den beiden Ausführungsformen folgendermaßen realisiert.
In der ersten Ausführungsform (s. 1) wird der relativistische Ionenstrahl aus dem Beschleuniger 1 über die Strahl-Transporteinheiten 2 und dem Strahlscanner 3 durch die offene obere Stirnseite 14 in das Target gelenkt.
Ionen des Strahls initiieren Kaskadenprozesse von Ionenzerstörung in den Atomkernen im Targetinhalt 4, welche mit dazu gehöriger Atomenergieabgabe verbunden sind. Dadurch erzeugter Strom von Sekundärteilchen sorgt für die Hauptenergieerzeugung im Target 4 mittels der Kernspaltung von Aktinidenelementen. Beim Erlöschen dieses Stroms, in welchem sich größtenteils Neutronen befinden, wird ein Teil von den Aktinidenkernen absorbiert, was den Heizwert des TargetInhaltes bis zu einem gewissen Grad erhöht. Das andere Teil dieses Stroms wird durch die Aktinidenkernbruchstücke mit deren späterer Transmutation neutralisiert. Dann verlagert sich ein Teil von ursprünglichen und transmutierten Spaltproduktenkernen (bestehend aus dem Aktinidengemisch) mittels der Einheit zur Durchmischung des Target-Inhalts 5 in den oberen Targetteil, wo es in den Primärstrahl und in den Strom der Sekundärteilchen (im Regelfall auch mit Energieabgabe) zerfällt. Dank des regelmäßigen Kompensierens des Verlusts des Targetinhalts 4 mittels der Reserveeinheit 6 wird in dem Target prinzipiell unbegrenzt lang ein gleichgewichtiges Verhältnis von Atomkernzerfallprodukten und Aktiniden beibehalten.
Der in dem Target erzeugte Wärmeüberschuss wird mittels der Zirkulationsschleifen bestehend aus den Kühlstoffleitungen 10 - 13 und der Wärmewandlereinheit 7 abgeleitet und dann entweder vollständig in elektrische Energie für die externen Energieabnehmer umgewandelt oder für weitere technologische Zwecke als Hoch- und Niedrigtemperaturwärme benutzt.
In der zweiten Ausführungsform (s. 2) funktioniert die Umwandlung der Kernenergie in Wärmeenergie in ähnlicher Weise.
Die Vorrichtung wird gemäß dem Ablaufplan betrieben (s. 3) .
Im Rahmen des Normalbetriebs der ersten Anlagevariante wird das Herauslösen des Inhalts aus dem Target 4 in Form von flüssigen und/oder festen radioaktiven Abfällen komplett ausgeschlossen. Radioaktive Abfälle, die in Form von rieselfähigem Targetmaterial 4, welcher seine mechanische Festigkeit ausgeschöpft hat, und die bei dem Betrieb der zweiten Ausführungsform entstehen, werden entweder zum Recycling (späteres Einlegen in ein ähnliches Target) benutzt oder zur flüssigen Schmelze (für spätere Nutzung als Targetmaterial für die erste Ausführungsform) verarbeitet.
Nach dem Beenden des Einsatzes beider Ausführungsformen der Vorrichtung oder nach der vorzeitigen Außerbetriebnahme aufgrund anderer Ursachen können die radioaktiven Materialen aus den Einheiten 4 - 7 und Infrastrukturen 8 - 13 als Brennstoff für ähnliche Vorrichtungen, einschließlich Vorrichtungen anderer Generation, genutzt werden.
Demzufolge erlaubt die Verwendung der vorgeschlagenen Erfindung eine Kernenergiewirtschaft anzulegen und auszubauen, die den Anforderungen der Internationalen Atomenergieorganisation entspricht, solchen, wie die praktische Unbegrenztheit der Vorräte der nuklearen Brennstoffe, die natürliche Sicherheit der nuklearen Energieerzeugungsanlagen, die Gewährleistung des Regimes der Nichtverbreitung, die Unveränderlichkeit der Hintergrundstrahlung der Erde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

RU 2238597 [0002]
RU 2413314 [0003]
RU 2557616 [0004]
RU 2571971 [0022]
RU 2567970 [0022]
RU 2453395 [0022]

Claims

Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ionenstrahl erzeugt und beschleunigt wird; um Material in einem tief unterkritischen Target zu bestrahlen, um einen Strom von Sekundärteilchen mit zwei und mehr Generationen von Atomfragmenten zu erzeugen und Atomenergie in dem Target in einer Menge freizusetzen, dass an dieses Material die Bewegungsenergie des Stroms von Sekundärteilchen abgegeben werden kann, wodurch der Verlust des Targetmaterials reduziert wird; wobei bei der Targetbestrahlung der Ionenstrahl auf der Targetfläche im Raumwinkel solange verschoben wird, bis das Target den Strom von Sekundärteilchen komplett absorbiert; und wobei gleichzeitig der Targetinhalt vermischt wird.
Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, folgende Elemente umfassend: nacheinander und fluchtend angeordnet einen Ionenstrahl-Beschleuniger und eine Strahl-Transporteinheit; ein senkrecht orientiertes tief unterkritisches Target aus flüssiger Schmelze mit schweren chemischen Elementen in einem wärmefesten, strahlenresistenten und korrosionsbeständigen Gehäuse mit einer offenen oberen Stirnseite; eine Wärmewandlereinheit und eine Reserveeinheit, dadurch gekennzeichnet, , dass die Vorrichtung zusätzlich mit einem elektromagnetischen, in zwei zueinander senkrechten Flächen funktionierenden Strahlscanner und einer Einheit zur Durchmischung des Targetmaterials ausgestattet ist, wobei der Strahlscanner fluchtend zwischen der Strahl-Transporteinheit und dem Target angeordnet ist und die Einheit zur Durchmischung des Targetmaterials mit der Möglichkeit eines elektromagnetischen Kontaktes zum Targetmaterial ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, umfassend: nacheinander und fluchtend angeordnete einen Ionenstrahl-Beschleuniger und eine Strahl-Transporteinheit, sowie ein senkrecht orientiertes tief unterkritisches Target mit schweren Elementen in einem wärmefesten, strahlenresistenten und korrosionsbeständigen Gehäuse mit einer offenen oberen Stirnseite und mit einer mit dem Target verbundene Wärmewandlereinheit und eine Reserveeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Target aus Schüttgur besteht; wobei die Vorrichtung zusätzlich mit einem elektromagnetischen, in zwei zueinander senkrechten Flächen funktionierenden Strahlscanner und einer Einheit zur Durchmischung des Targetmaterials ausgestattet ist, wobei im unteren Teil des Target-Gehäuses eine Bohrung ausgeführt ist, wobei der Strahlscanner fluchtend zwischen der Strahl-Transporteinheit und dem Target angeordnet ist und die Einheit zur Durchmischung des Targetmaterials mit der Möglichkeit eines elektromagnetischen Kontaktes zu dem Targetmaterial durch beide Bohrungen im Target-Gehäuse ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut aus den Brennelementen in einer Strömungsform besteht.