DE1213542B

DE1213542B - Kernreaktor-Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1213542B
Application number: DEG35596A
Authority: DE
Inventors: Stanley Lee Koutz; Richard Franklin Turner; Peter Fortescue
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1961-07-31
Filing date: 1962-07-30
Publication date: 1966-03-31
Also published as: US3135665A; BE620885A; NL281237A; GB948313A; CH411146A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. σ.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1213 542

Aktenzeichen: G 35596 VIII c/21 g

Anmeldetag: 30. Juli 1962

Auslegetag: 31. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einem Brennstoffbehälter aus Neutronen moderierendem Material mit niedriger Permeabilität für Spaltprodukte, der einen Spülgaseinlaß nächst seinem oberen Ende und einen Spülgasauslaß nächst seinem unteren Ende aufweist, die mit dem Inneren des Behälters in Verbindung stehen.

Es ist bereits ein Brennstoffelement für einen Atomreaktor bekannt, der mit einem aus Neutronen moderierenden Material mit niedriger Permeabilität für Spaltprodukte ausgekleidet ist. Der Kernbrennstoff ist im Inneren des Behälters angeordnet.

Dieser Brennstoffbehälter weist an seinem einen Ende einen Gaseinlaß und an seinem anderen Ende einen Gasauslaß auf, die beide mit dem Inneren des Behälters in Verbindung stehen und für die Durchleitung eines Kühlgases dienen, welches die im Inneren des Atomreaktors erzeugte Wärme aufnehmen soll.

Auch ist es bekannt, innerhalb des Brennstoffbehälters in Abstand zum Brennstoff eine Falle für die bei der Reaktion entstehenden gasförmigen Spaltprodukte derart anzuordnen, daß Durchlässe zwischen dem Brennstoff und der Falle entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernreaktor-Brennstoffelement für einen Neutronenreaktor anzugeben, welches bei einfachem Aufbau eine Vorrichtung enthält, die ermöglicht, daß die Auswanderung von Spaltprodukten während des Reaktorbetriebs einen minimalen Wert annimmt.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine als Einheit auswechselbare Spaltproduktfalle innerhalb des Brennstoffbehälters in Abstand von und unterhalb des Kernbrennstoffes angeordnet ist, daß die Spaltproduktfalle und der Brennstoff innerhalb des Brennstoffbehälters derart angeordnet sind, daß Durchlässe zwischen dem Brennstoff und der Falle verbleiben, die mit dem Einlaß und dem Auslaß in Verbindung stehen, so daß Spülgas von dem Einlaß aus nach unten an dem Brennstoff vorbei zu der Spaltproduktfalle und von dort zu dem Auslaß strömen kann und daß die Spaltproduktfalle mit einem Organ versehen ist, das zum Einsetzen und Herausziehen der Falle in den bzw. aus dem Brenn-Stoffbehälter dient.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffelement weist ein verbessertes System zur Überwachung der Abführung der Spaltprodukte in dem primären Kühlmittelstrom des Reaktorkerns auf; darüber hinaus ist in dem Brennstoffelement eine verbesserte Anordnung von Bauteilen vorgenommen, die das Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

General Dynamics Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann und Dr. K. Fincke,

Patentanwälte, München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Stanley Lee Koutz,

Richard Franklin Turner, San Diego, Calif.;

Peter Fortescue, Santa Fe, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31, Juli 1961 (128 275)

Zusammensetzen und das Auseinandernehmen des Brennstoffelementes und auch seine Ausrichtung im Reaktorkern erleichtern. Die Bauteile der Brennstoffkörper stellen sich der Auswanderung von Spaltprodukten entgegen. Sie befinden sich in einem Moderatormantel, der eine niedrige Permeabilität gegenüber dem Durchgang von Spaltprodukten hat. Das Brennstoffelement ist derart aufgebaut, daß ein reinigender Strom eines gasförmigen Kühlmittels durch ihn hindurchfließt, und zwar mit sehr hoher Geschwindigkeit, so daß Spaltprodukte, die aus den Brennstoffkompaktkörpern in die unteren Abschnitte des Brennstoffelements auswandern, fortgespült werden. Das im Innern des Brennstoffelementes vorgesehene wirksame Spaltproduktfallensystem kann während des Zusammenbaues des Brennstoffelementes leicht zur Seite getan und in das Brennstoffelement eingesetzt werden. Die Verbesserungen bei einem Kernbrennstoffelement nach der Erfindung wirken derart zusammen, daß sich insgesamt ein erhöhter Wirkungsgrad und eine erhöhte Betriebssicherheit des Brennstoffelementes bei hohen Temperaturen im wesentlichen oberhalb 1000° C über eine lange Zeitdauer ergeben. Ein Reaktorkern, in dem sich eine Mehrzahl dieser Brennstoffelemente befindet, weist einen erhöhten thermischen Wirkungsgrad und eine erhöhte Leistungsdichte auf.

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Das Brennstoffelement nach der Erfindung erfordert nicht die Verwendung des üblichen Metallmantels oder metallischer Rippen oder anderer ausgedehnter Oberflächenbereiche, um wirksam bei Temperaturen oberhalb 1000⁰C zu arbeiten. Es kann Graphit oder ein anderer Moderator für thermische Neutronen zum Aufbau des einwandigen Behälters für den Brennstoff benutzt werden, der eine niedrige Permeabiütät gegenüber dem Durchgang von Spaltprodukten hat.

Der Kernbrennstoff liegt in einem mittleren Teil des Brennstoffelementes.

Derjenige Anteil des Kühlgases, der als Spülgas oder Reinigungsgasstrom verwendet wird, tritt in das Brennstoffelement in wohldefinierter Weise ein und fließt durch ein System von Durchlässen, um fortlaufend Spaltprodukte, die aus dem Kernbrennstoff ausgewandert sind, fortzuspülen und sie mit gesteuerter Flußrate zu der Spaltproduktfalle zu bringen, die innerhalb des Brennstoffelementes liegt. Die beschriebene Anordnung muß nicht unbedingt alle Spaltprodukte von dem Brennstoffelement am Übertritt in das primäre Kühlmittelsystem des Reaktors hindern. Es ist vielmehr ausreichend, wenn die Anordnung einen großen Anteil der Spaltprodukte an der Zirkulation hindert und den Durchgang der Spaltprodukte so weit dämpft oder verlangsamt, daß eine Ansammlung der Spaltprodukte in dem primären Kühhnittelkreis innerhalb und außerhalb des Reaktorkerns in einem Maße verhindert wird, die die Inbetriebhaltung des Reaktors schwierig machen würde oder sein sicheres Laufen über lange Zeit unterbinden würde.

Nach der Erfindung kann das Brennstoffelement vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, daß der Kernbrennstoff in der Form mehrerer ringförmiger kompakter Brennstoffkörper vorliegt, die gestapelt rund um einen zentralen Dorn aus Neutronen moderierendem Material angeordnet sind, daß die Brennstoffkörper an ihrem Umfang mehrere Ausnehmungen aufweisen, die gegeneinander derart ausgerichtet sind, daß Spülgasdurchlässe in Längsrichtung des Stapels der Brennstoffkörper entstehen, daß eine Kappe aus Neutronen moderierendem Material mit niedriger Permeabilität gegenüber Spaltprodukten auf dem oberen Ende des Stapels der Brennstoffkörper sitzt, daß die Kappe mehrere Ausnehmungen aufweist, die den Ausnehmungen der Brennstoffkörper angepaßt sind, und daß oberhalb der Kappe ein Spülgasraum liegt, der mit dem Einlaß kommuniziert.

Die ringförmigen Brennstoffkörper können jedoch auch aus mindestens zwei Ringteilen zu einem.ringförmigen Körper derart zusammengesetzt sein, daß sich zwischen den einzelnen Ringteilen mindestens ein Spalt für ihre thermische Ausdehnung befindet.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die einzelnen Brennstoffkörper aus mindestens zwei zu einem ringförmigen Körper vereinigten Ringteilen, wobei zwischen den Ringteilen mindestens ein Spalt für ihre thermische Ausdehnung sich befindet; jeder Brennstoffkörper besteht aus einer Mischung von Brennstoffpartikeln und Partikeln aus Neutronen moderierendem Material, alle Brennstoffpartikeln haben einen Schutzüberzug aus Neutronen moderierendem Material der an ihnen haftet, und jeder der Brennstoffkörper hat abgeschrägte obere und untere Ränder um seinen Umfang, die bei Stapelung querliegende Spülgasdurchlässe bilden.

Es ist vorteilhaft, den Brennstoffbehälter so auszubilden, daß sein unteren Ende einen mittig liegenden vertikalen Hohlraum aufweist, der einen Teil des Auslasses bildet und einen vertikalen Stiel aufnimmt, mit dessen Hilfe das Brennstoffelement sich in Vertikalrichtung auf einer Gitterplatte des Reaktors abstützt.

Um sicherzugehen, daß die Spaltprodukte sicher von der Spaltproduktfalle aufgefangen werden, ist

ίο es zweckmäßig, daß die entfernbare Spaltproduktfalle eine Mehrzahl radialer, sich in Vertikalrichtung erstreckender Hohlräume aufweist, die in Verbindung mit den Ausnehmungen stehen, und daß jeder der Hohlräume ein partikelförmiges Mittel zum Einfangen von Spaltprodukten und darüberliegendes Packmaterial enthält.

Dieses Mittel zum Einfangen der Spaltprodukte besteht vorteilhafterweise aus partikelförmigem Kohlenstoff, der mit einem elektropositiven Element

ao beschichtet ist, und das untere Ende der Spaltproduktfalle hat einen mittig liegenden Spülgas-Sammeldurchlaß, der in Verbindung mit dem Gasauslaß steht und ein Schirm aus Metallpartikeln liegt zwischen dem Sammeldurchlaß und dem Gasauslaß.

Eine vorteilhafte Konstruktion des Brennstoffelementes kann so vorgenommen sein, daß die Spaltproduktfalle in Abstand von dem Kernbrennstoff durch dazwischenliegendes, Neutronen moderierendes Material gehalten wird, daß das Organ zum Einsetzen und Herausziehen der Falle ein mit dem oberen Ende der Falle verbundener Hubarm aus Neutronen moderierendem Material ist und daß eine an die obere Fläche der Spaltproduktfalle anstoßende und ein die Spaltprodukte aufnehmendes Mittel in der Falle festhaltende Mutter auf den Hubarm geschraubt ist.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der

nachstehenden Beschreibung an Hand der Figuren.

F i g. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht gewisser wesentlicher Merkmale eines bevorzugten Brennstoffelementes nach der Erfindung; Teile sind fortgebrochen, um den Innenaufbau des Brennstoffelementes bloßzulegen;

F i g. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch das Brennstoffelement nach der F i g. 1 längs der Schnittlinien 4-4 der Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch, das Brennstoffelement nach der Fig. 1 längs der Schnitthnien 5-5 der F i g. 1;

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schnittbild des Brennstoffelementes längs der Schnittlinien 6-6 der P

In der F i g. 1 ist ein langgestrecktes, im wesentlichen zylindrisches einwandiges Brennstoffelement 10 dargestellt. Teile sind fortgebrochen dargestellt, um den Innenaufbau des Brennstoffelementes bloßzulegen. Das Brennstoffelement weist, wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, mehrere Brennstoffkompaktkörper 52 in Form von Ringen auf. Die Größe und die Abmessungen der Ringe sind den Erfordernissen des Brennstoffelementes und dem Reaktorkern angepaßt. Die Brennstoffkompaktkörper sind aufeinander gestapelt und liegen um einen langgestreckten mittigen Abstützdorn 54, der innerhalb des Brennstoffelementes ,im wesentlichen vertikal liegt. Der Dorn ermöglicht ein leichtes Einsetzen der Kompaktkörper und gestattet ein genaues Ausrichten der Kompaktkörper in dem Stapel.

Ein oberer Reflektor des Brennstoffelementes liegt oberhalb des Dorns, ein unterer Reflektor liegt unterhalb des Dorns. Im unteren Reflektor befindet sich ein Spaltproduktfallensystem 60.

Jeder Brennstoffkompaktkörper hat die Form eines Ringes und enthält eine innige Mischung aus Kernbrennstoff und Neutronenmoderatormaterial. Vorzugsweise ist der Ring geschlitzt. Beispielsweise befindet sich ein Schlitz von 0,79 bis 3,18 mm zwischen den Ringhälften. Dadurch wird ein Zerbrechen der Ringbuchse verhütet, wenn sich die Buchse relativ zu den Kompaktkörpern zusammenzieht. Graphit ist das bevorzugte Moderatormaterial in der Mischung in den Kompaktkörpern. Es kann jedoch auch ein anderes Moderatormaterial, z. B. Beryllium, Berylliumoxyd, benutzt werden. Der Brennstoff kann aus spaltbarem Material allein oder aus einer Mischung aus Brutstoff und spaltbarem Material bestehen. Beispielsweise können Uran 235 oder Plutonium als spaltbare Materialien und Uran 238 und Thorium 232 als Brutstoff verwendet werden. Befindet sich Brutmaterial in dem spaltbaren Material, so entsteht zusätzliches Spaltmaterial durch Neutroneneinfang des Brutmaterials während der Spaltvorgänge, so daß die Brennstofflebensdauer erhöht wird.

Die relativen Anteile der Bestandteile des Brennstoffs und die Gesamtmenge der Bestandteile in jedem Brennstoffkompaktkörper und in dem Reaktorkern hängen von den jeweiligen Erfordernissen des Reaktors ab. Bevorzugt beträgt in jedem Kompaktkörper die Brennstoffkonzentration, d. h. beispielsweise die Konzentration von Uran 235 plus Thorium 232 nicht mehr als 30% des Gesamtgewichts des Brennstoffkompaktkörpers. Das Moderatormaterial nimmt den Rest ein. In jedem Fall soll die Gesamtbrennstoffmenge in den zusammengesetzten Brennstoffelementen im Reaktorkern hinreichend sein, um die gewünschte Spaltreaktion auszulösen und diese über die gewünschte Kernlebensdauer zu unterhalten. Die gewünschte Menge an Moderatormaterial in jedem Brennstoffkompaktkörper hängt ebenfalls von den Parametern des Reaktors ab.

Die Abmessung jedes Brennstoffkompaktkörpers, der das spaltbare Material und das Brutmaterial vereinigt mit dem Moderatormaterial enthält, wird vorzugsweise klein gehalten, um die Handhabung zu erleichtern. Beispielsweise kann der Brennstoffkompaktkörper ein Ring sein, vorzugsweise ein aufgeschlitzter Ring mit einem Spalt 61. Der Ring kann etwa 28,57 mm lang und etwa 9,5 mm dick sein und dabei einen Außendurchmesser von etwa 69,8 mm und einen Innendurchmesser von etwa 41,4 mm haben. Durch Konzentrierung des Brennstoffs in einem Ring wird die maximale Brennstofftemperatur im Gegensatz zu einer Anordnung abgesenkt, wo der Brennstoff homogen mit dem Moderator vermischt ist und in einem Volumen verteilt ist, das gleich demjenigen des Ringes plus dem Teil des mittleren Dorns ist, der von dem Ring umschlossen ist.

Die Brennstoffkompaktkörper sind vorzugsweise längs ihrer oberen oder unteren Ränder des Umfangs abgeschrägt, beispielsweise um 10°, so daß, wenn die Kompaktkörper auf dem zentralen Dorn aufeinander gestapelt werden, die abgeschrägten, aneinandergrenzenden Bereiche waagerecht liegende ringförmige Räume oder Durchlässe 62 frei lassen, in denen das gasförmige Kühlmittel zirkuliert und in innigen Kontakt mit den Kompaktkörpern geraten kann. Im einzelnen wird das noch später beschrieben.

Die ringförmigen Kompaktkörper können auf einen mittleren, vertikal liegenden zylindrischen Kompaktmoderatordorn 54 geschoben werden. Der Dorn 54 besteht vorzugsweise aus Graphit und hat einen Durchmesser, der etwa gleich dem Innendurchmesser der Kompaktkörper ist, also beispielsweise 44,4 mm beträgt. Der aktive Brennstoffbestandteil

ίο des Brennstoffelementes kann eine Länge von etwa 228,6 cm haben. Die Gesamtlänge des Brennstoffelementes, einschließlich der inneren Falle und des oberen und unteren Reflektors, kann eine Gesamtlänge von 365,76 cm haben.

In den Brennstoffkompaktkörpern liegt die Mischung aus Brutmaterial und Spaltmaterial vorzugsweise als Karbid in Form von Partikeln gewisser Größe vor. Beispielsweise liegen Thorium 232 und Uran 235 in Karbidform mit Partikelgrößen in der Regel zwischen etwa 200 und etwa 400 Mikron vor. Jede Partikel ist vorzugsweise durch Beschichtung mit einem geeigneten Moderator in irgendeiner geeigneten Weise vorbehandelt. Zur Beschichtung eignet sich vorzugsweise pyrolytischer Kohlenstoff. Es können aber auch andere Moderatoren, z.B.Beryllia, Graphit, benutzt werden. Die Partikelbeschichtung hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 50 bis 75 Mikron. Die Beschichtung kann z. B. aufgestrichen, aufgesprüht oder durch Eintauchen erzeugt werden.

Es können noch zusätzliche Schritte vorgesehen sein, um die Haftung der Beschichtung an einer Brennstoffpartikel zu erhöhen. Auch kann irgendein üblicher Beschickungsprozeß zur pyrolytischen Abscheidung von Kohlenstoff verwendet werden.

Die Beschichtung aus Moderatormaterial, insbesondere aus pyrolytischem Kohlenstoff um jede Brennstoffpartikel hat die Wirkung, die Auswanderungsrate der Spaltprodukte aus dem Brennstoff zu verringern. Dementsprechend wird die Auswanderung der Spaltprodukte im Brennstoffelement insgesamt noch zusätzlich gehemmt.

Wie vordem angedeutet, wird das Moderatormaterial für thermische Neutronen innig mit den Karbidpartikeln des spaltbaren Materials und des — wenn vorhanden — Brutmaterials zur Formung der Brennstoffkompaktkörper gemischt. Die Mikrongröße der Brennstoffpartikeln wird derart eingestellt, daß eine hinreichende Menge an Moderatormaterial zwischen den Brennstoffpartikeln liegt, um Strahlungsschäden des Moderatormaterials durch Rückstoß von Spaltprodukten zu verringern. Graphit ist das bevorzugte Moderatormaterial in den Brennstoffkompaktkörpern. Jedoch können auch andere Moderatormaterialien, z. B. Beryllium, Berylliumoxyd, zusätzlich oder anstatt Graphit benutzt werden. Die Formung der ringförmigen Kompaktkörper kann in irgendeiner geeigneten Weise vor sich gehen. Beispielsweise kann jeder Kompaktring durch KaItpressen geformt werden, worauf ein Warmpressen und eine Sinterbehandlung folgen. Der partikelförmige Brennstoff kann in einer geeigneten Mischung mit Graphit vermischt werden, mit einem Plastifikator, z. B. Äthylzellulose, mit einem Bindemittel, vorzugsweise Pech. Als Bindemittel sind aber auch Furfurylalkohol, Polyäthylen und Phenol-Formaldehydharze verwendbar, wie auch sonst noch andere Bindemittel. Ferner kann ein Bindemittelträger vor-

handen sein, um die Mischung zu erleichtern und die Verteilung des Bindemittels zu unterstützen. Beispielsweise kann Pech als Bindemittel zusammen mit Trichloräthylen oder Benzol als Träger verwendet werden.

Die Brennstoffpartikeln können bei diesem Vorgang zunächst beispielsweise als Uranoxyd oder Thoriumoxyd vorliegen. Das Verfahren wird nicht nur zur Formung der Kompaktkörper in gewünschten Abmessungen, sondern auch zur Umwandlung der Brennstoffoxyde in die entsprechenden Brennstoffkarbide ausgeführt. Das Graphitpulver und das Pechbindemittel können in einem geeigneten Verhältnis von beispielsweise 9:1 verwendet werden. Beispielsweise kann etwa 1 % an Plastifikator und etwa 7 cm³ Trichloräthylen pro Gramm Pech beigegeben werden.

Die Brennstoffpartikeln in Oxydform, Graphitmehl oder Graphitpulver und der Plastifikator können miteinander vermischt, getrocknet und in einem geeigneten Mischwerk granuliert werden. Dann kann die Bindemittel-Träger-Mischung zu der Mischung zugegeben werden. Ein Thorium-Uran-Gewichtsverhältnis zwischen etwa 2:1 und etwa 11:1 kann beispielsweise in der Mischung aufrechterhalten werden. Die derart erzeugten Granulate werden in einem Ofen bei etwa 65° C behandelt.

Nach dem Mischen werden die Kompaktkörper aus den geformten Granulaten durch Kaltpressen gebildet. Beim Kaltpreßvorgang werden Drücke von etwa 2812 bis 3515 kg/cm² auf die Mischung in einer Form angewandt. Nach dem Kaltpreßvorgang erfolgt in der Regel ein Warmpressen bei Temperaturen bis zu etwa 800° C, vorzugsweise bei etwa 750° C, und mit Drücken in der Regel oberhalb 140 kg/cm². Das Warmpressen kann in Graphitformen in einem Ofen ausgeführt werden, der z. B. durch Induktionsspulen erhitzt wird. Die Kompaktkörper können aber auch dadurch erhitzt werden, daß man Strom durch sie leitet. Ferner können auch noch andere Erhitzungsmethoden angewendet werden.

Die Kompaktkörper werden vorzugsweise so geformt, daß sie schon die endgültigen Abmessungen erhalten. Sie bedürfen also dann keiner Nachbearbeitung. Sie können, falls gewünscht, aufgespalten und gesintert werden. Die Sinterung erfolgt bei einer Temperatur von etwa 2000⁰C oder darüber, um die Oxyde in die Karbide umzuwandeln und damit die fertigen Kompaktkörper herzustellen.

Es wurde gefunden, daß, um die Unversehrtheit der Moderatorbeschichtung der Brennstoffpartikeln aufrechtzuerhalten — wenn eine solche Beschichtung vorliegt —, vorzugsweise die Brennstoffkompaktkörper in vorteilhafter Weise folgendermaßen zu formen sind: Die mit dem Moderatormaterial, etwa mit pyrolytischem Kohlenstoff, beschichteten Partikeln des Karbidbrennstoffs werden zunächst mit dem Plastifikator, dem Bindemittel, wie etwa Pech, dem Träger für das Bindemittel und dem Graphitmehl in beschriebener Weise vermischt. Dann wird die Mischung getrocknetTSEi in geeigneter Körnung granuliert. Statt eines Kaltpreßvorgangs, gefolgt von einer Sinterung, wie oben beschrieben, folgt aber nun ein Warmpreßvorgang, der zu dem fertigen Kompaktkörper führt.

Diese Verfahrensweise bedarf weniger Schritte und führt allgemein zu einem besseren Produkt. Verwendet man Graphitmehl zusammen mit einem Minimum an Bindemittel für das Brennstoff-Matrixmaterial, so'müssen bei den Graphitierungstemperaturen nicht notwendig Kompaktkörper erzeugt werden, die beträchtliche Prozentsätze an Graphit enthalten. Nur etwa 10 Gewichtsprozent Pechbindemittel werden zunächst benötigt. Nach dem Warmpreßvorgang verbleiben nur etwa 5% des Pechbindemittels, so daß eine äußerst dichte Matrix mit 95 Volumprozent Graphit und nur 5% Kohlenstoff entsteht.

Für den Warmpreßvorgang werden vorzugsweise

' Graphitformen verwendet, und die Erhitzung erfolgt, wie oben erläutert. Bevorzugt wird die granulierte Brennstoffmischung zunächst in die Graphitformen eingebracht und dann ein Druck von etwa 70 kg/cm² auf die Mischung ausgeübt. Die Temperatur der Mischung wird um etwa 50° C pro Minute auf 250° C erhöht, worauf der Druck auf etwa 140 bis 173 kg/cm² gesteigert wird. Die Temperatur kann

ao danach auf 750° C um 50° C pro Minute gesteigert werden und 5 Minuten aufrechterhalten werden. Wird eine Metallunterlage in den Formen nicht verwendet, so ist eine zusätzliche Zeit für die Erhitzung erforderlich. Die aufzuteilenden Kompaktkörper können in aufgeteilter Form warm gepreßt werden, wenn dies gewünscht ist. Die Aufteilung kann aber auch danach erfolgen.

Nach dem Warmpreßvorgang werden die Kompaktkörper in der Regel einer stabilisierenden Wärmebehandlung unterworfen, um die Abführung flüchtiger Stoffe zu vervollständigen und um Abmessungsänderungen, die bei der folgenden Behandlung auftreten können, von vornherein auf ein Minimum beschränken. Diese Wärmebehandlung kann bei Graphitierungstemperaturen ausgeführt werden, beispielsweise bei 2000⁰C oder bei irgendeiner anderen geeigneten Temperatur, vorzugsweise bei einer solchen Temperatur, die die Kompaktkörper auch während ihres normalen Betriebs im Brennstoffelement im Reaktorkern annehmen.

Die fertigen Brennstoffkompaktkörper weisen wenige Durchlässe zwischen den Hohlstellen auf, d. h., sie sind so dicht, wie dies praktisch ist. Sie sind stabil, fest und abmessungsgenau. Sie können Temperaturen in der Größenordnung von 167O⁰C lange Zeit überstehen.

Der Mitteldorn 54 aus Graphit kann in irgendeiner geeigneten Weise derart hergestellt werden, daß sich ein dauerhaftes, festes Formstück geeigneter Größe und Abmessung, in der Regel zylindrisch, ergibt. Vorzugsweise wird ein Neutronengift, z.B. Rhodium 103, das geeignete Resonanzbanden aufweist, um zur Erzeugung eines negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität des Reaktors beizutragen, mit dem Graphit während der Herstellung des Dorns vermischt.

Die Ringkompaktkörper werden aufgeteilt oder nicht aufgeteilt auf den Mitteldorn aus Moderatormaterial aufgereiht und in den Außenbehälter 64 des

So Brennstoffelementes gesetzt. Werden aufgeteilte Kompaktkörper verwendet, so braucht keine vertikale Ausrichtung der Spalte 61 der Kompaktkörper erfolgen. Der äußere Behälter oder der Brennstoffmantel besteht im wesentlichen aus Moderatormaterial niederer Permeabilität. Seine Wand 66 ist hinreichend dick, so daß sich ein niedriger Durchlässigkeitskoeffizient ergibt, der im wesentlichen den Durchlaß von Spaltprodukten unterbindet. Das Moderator-

material hat beispielsweise eine Heliumpermeabilität von nicht mehr als etwa 5 · 10 ~⁴ cm²/sek bei Zimmertemperatur und weniger vorzugsweise als 1 ■ ΙΟ"⁵ cm²/sek. Die Wand 66 des Mantels 64 kann relativ dünn sein, beispielsweise etwa 0,912 cm, und sein Außendurchmesser kann etwa 8,9 cm, sein Innendurchmesser etwa 6,98 cm betragen. Trotz dieser geringen Dicken ist er als Behälter für den Brennstoff und zur Rückhaltung der Spaltprodukte ausgezeichnet geeignet.

Die Wand des Brennstoffbehälters ist bodenseitig mit einer Abstützkupplung 68 aus Moderatormaterial niederer Pennabilität, z. B. aus Graphit, verbunden. Oben ist der Brennstoffbehälter mit einem Reflektorblock 70 abgedichtet, der aus porösem Graphit oder anderem porösem Moderatormaterial besteht, das einerseits als oberer Reflektor, andererseits aber auch als Gaseinlaß in das Innere des Behälters dient. Graphit ist das bevorzugte Moderatormaterial für den Brennstoffbehälter wegen seiner vorteilhaften physikalischen Eigenschaften bei hoher Temperatur, insbesondere seiner mechanischen Eigenschaften, aber auch seiner Kerneigenschaften. Die üblichen Graphitsorten sind zur Verwendung in dem Behältnis der Spaltprodukte jedoch völlig ungeignet, da sie relativ permeabel oder porös sind und Spaltprodukte ohne weiteres durchlassen.

Dementsprechend ist es notwendig, den Graphit vordichtend zu behandeln, so daß sich seine Poren schließen oder füllen, oder ihn zu imprägnieren, so daß insgesamt seine Permeabilität wesentlich verringert wird. Eine Beschichtung, eine Imprägnierung, eine Dampfplattierung, eine Heißtauchbehandlung, Überziehen, Brennen und andere geeignete Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt. Durch solche Behandlungen kann ein Graphit gewonnen werden, der die angegebene niedrige Permeabilität gegenüber Spaltprodukten, selbst bei Temperaturen oberhalb 1100° C, hat.

Die auf den Graphit aufgebrachten Beschichtungen sollen gut auf ihm haften, mit ihm »integrieren«, so daß sie vom Graphit während der Benutzung nicht abspringen. Die Beschichtung soll also physikalisch und/oder chemisch auf dem Graphit gebunden werdne und vorzugsweise bis zu einer geeignet dicken Diffusionszone in den Graphit eindringen, um Schäden auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung bei der Hochtemperaturbehandlung auf ein Minimum zu beschränken.

Beim Zusammenbau des Behälters 64 wird die Wand 66 in die Bodenkupplung 68 eingeschraubt, und überdies wird die Kupplung mit dieser Wand vorzugsweise mittels Zirkonium hartgelötet, um sie so undurchdringlich gegenüber Spaltprodukten zu machen, wie das Kupplungsstück 68 und die Wand 66 selbst es sind.

Ein sich vertikal erstreckender metallischer Ständer 28, der mit der Reaktorgitterplatte verbunden ist, wird von einem Hohlraum 72 in der Kupplung aufgenommen, wie dies die F i g. 1 zeigt. Der Ständer besteht aus irgendeinem geeigneten Metall, z. B. nichtrostendem Stahl. Der Ständer und der Hohlraum and relativ lang, etwa 25,4 cm, so daß das Brennstoffelement, wenn es auf den Ständer gesetzt ist, allein vertikal im Reaktorkern steht. Bei Zimmertemperatur ruht der Sitz 74 der Kupplung 68 auf der Schulter 76 des Ständers oder kommt ihm jedenfalls sehr nahe.

Da der Ständer 28 aus Metall besteht und da die Kupplung 58 aus einem niederpermeablem Moderatormaterial, vorzugsweise Graphit, besteht, dehnt sich, wenn die Temperatur des Ständers und der Kupplung in dem Reaktorkern ansteigt, der Durchmesser des Ständers rascher aus als die Kupplung, so daß der Spalt zwischen der Hohlraumwand und der Oberfläche des Ständers verringert wird. Dementsprechend wird das Auslecken von Helium herabgesetzt. Es beträgt dann nur noch etwa 10% des Reinigungsflusses in das Brennstoffelement. Ferner wird eine Rückdiffusion der Spaltprodukte aus dem Brennstoffelement in dem Kupplungs-Ständer-Bereich infolge der Länge des Hohlraums verringert.

Der Hohlraum erstreckt sich nach innen bis zu einem geeigneten Schirm, der aus einem geeigneten Metall, z. B. Zirkonium, besteht; das obere Ende 78 des Ständers 28 nähert sich, wenn das Brennstoffelement auf den Ständer gesetzt ist, dem Boden der inneren Spalt-

_ao produktfalle 60, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, so daß Spaltprodukte, die von der Falle in das Reinigungsgas übergehen, ohne weiteres in einen mittleren Durchlaß 80 im Ständer eintreten können und aus dem Brennstoffelement 10 austreten.

Der obere Reflektorblock des Brennstoffelementes, der den oberen Teil des Brennstoffbehälters bildet, besteht aus einem Moderatormaterial, das eine höhere Permeabilität hat als die niederpermeable Behälterwand 66 und die Kupplung 68. Ein solches

hochpermeables Material ist vorzugsweise normales Graphit. Der obere Reflektor ist auf das obere Ende der Wand 66, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, geschraubt. Die Verbindungsstelle ist z.B. durch kohlenstoffhaltiges Dichtungsmaterial ab-

„₅ gedichtet.

Der obere Reflektorblock 70 endet in einem zugespitzten Kopf 82. Unterhalb dieses Kopfes befindet sich ein verengter Hals 84. Kopf und Hals sind leicht durch geeignete Verankerungsmittel (nicht darge-

stellt) miteinander in Eingriff zu bringen, so daß das Brennstoffelement leicht aus dem Reaktorkern herausgezogen und in ihn hineingebracht werden kann. Der Durchmesser des Brennstoffelementes ist in dem Bereich 86 des oberen Reflektors vorzugsweise vergrößert. Diese Vergrößerung dient als Mittel zur seitlichen Abstandswahrung des Brennstoffelementes in dem Kern. Darüber hinaus können zusätzliche, nicht dargestellte Abstandsstücke vorgesehen sein, die in Abständen längs der Außenoberflächen der Wand 66 und/oder des oberen Reflektorblocks liegen und die seitliche Ausrichtung der Brennstoffelemente im Kern nach weiter unterstützen. Jeder Bereich vergrößerten Durchmessers hat einen Durchmesser, der nur etwas größer ist als der Durchmesser des nicht erweiterten Bereichs des Brennstoffelementes. Beispielsweise hat der erweiterte Bereich einen Durchmesser von etwa 8,61 cm statt 8,53 cm, den der Rest des Brennstoffelementes hat.
Wie aus der F i g. 1 ersichtlich ist, ist der mittlere Abschnitt des oberen Reflektorblocks 70 mit einem Hohlraum 88 versehen, der im wesentlichen von einem Stopfen 90 aus Moderatormaterial, z. B. Graphit, gebildet ist. Der Stopfen wird mittels eines Stiftes 92 in seiner Lage gehalten.

Der Durchmesser des Stopfens 90 ist etwas kleiner als der des Hohlraums 88, so daß ein mittlerer Reinigungsgas-Eingangsdurchlaß 94 entsteht, der sich nach unten durch den oberen Reflektorblock 70

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erstreckt. Dadurch kann das Helium-Kühlmittel nach der Brennstoffkörper ist äußerst wirksam zur innen durch den porösen oberen Reflektorblock Überwachung und Steuerung der Abführung der dringen und wird nach unten in die unteren Ab- in dem Brennstoffelement entstandenen Spaltschnitte des Brennstoffelements geleitet. Der Reini- produkte.

gungsgas-Eingangsdurchlaß 94 endet mit seinem 5 Der untere Reflektorblock 100 kann aus einem oberen Ende nächst der Oberseite des oberen Moderatormaterial gebildet sein, das die übliche Reflektorblocks 70. Sein unteres Ende mündet mit Permeabilität hat, z. B. aus normalem Graphit. Er ist einem ringförmigen Raum 96 zwischen dem Boden mit einem mittig liegenden Hohlraum 114 versehen, des oberen Reflektorblocks und dem Stopfen 90 und der sich von seinem Boden aus nach oben erstreckt der oberen Begrenzungsfläche einer zylindrischen ία und einen vertikal verlaufenden zylindrischen Hub-Kappe 98 aus niederpenneablem Moderatormaterial, arm 116 aufnimmt, der mit dem Hauptkörper 120 z. B. Graphit. Dadurch wird die Spaltproduktabwan- der Spaltproduktfalle 60 verbunden ist.
derung von dem Stapel der Brennstoffkompaktkörper Der Hubarm erleichtert das Einsetzen der Falle 52, die um den Dorn 54 herum angeordnet sind, ver- in den Behälter und auch ihr Herausnehmen. Der ringert. Auf dem Dorn 54 ruht der Stopfen 90 inner- 15 Hubarm 116 besteht aus Moderatormaterial, vorzugshalb des Behälters 64. Die Kappe 98 dient als ther- weise aus Graphit normaler Permeabilität. An seinem mische Abschirmung für die Verbindungsstelle zwi- unteren Ende weist er ein Gewinde auf, auf das eine sehen dem oberen Reflektorblock und der Behälter- Fallenmutter 118 geschraubt ist, die ebenfalls aus wandung 66. Moderatormaterial, vorzugsweise aus normal perme-

Der Stapel der vertikal ausgerichteten Brennstoff- ao ablem Graphit, besteht. Die Mutter ist derart bekompaktkörper 52, die um den vertikalen Dorn 54 messen, daß sie nach unten über den Kopf des hemm liegen, ist verschiebbar innerhalb des Behäl- Hauptkörpers 120 der Spaltproduktfalle 60 geters 64 auf einem unteren Reflektorblock 100 abge- schraubt werden kann, um nur den Hauptteil der stützt. Dieser ruht auf der Oberseite der Spaltpro- Kanäle 112 der Spaltproduktfalle abzudecken. Daduktfalle60. Der Boden der Falle ist verschiebbar 25 durch wird die Gefahr des Verlustes an Einfanginnerhalb des Behälters auf einem Partikelschirm 102 stoff 122 aus den Kanälen bei der Handhabung der abgestützt. Der Schirm 102 liegt verschiebbar auf der Falle 60 vermindert. Die Fallenmutter hat einen hinoberen Begrenzungsfläche der Abstützkupplung 68. reichend kleinen Durchmesser, so daß die äußeren Der Schirm 102, die-Falle 6Oj der-untete Reflektor- Teile der Fallenkanäle nicht abgedeckt werden und block 100, die Kompäktkörper 52, der Dorn 54 und 30 mit den Ausnehmungen im unteren Reflektorblock die Kappe 98 sind in vertikal aufeinandergestapelter 100 zusammenwirken können. Das untere Ende 124 Anordnung innerhalb des Behälters 64 verschiebbar des unteren Reflektorblocks 100 ist derart bemessen und sind allgemein von zylindrischer Form und an und geformt, daß es direkt auf die Fallenmutter 118 die Innenwand des Behälters angepaßt. aufzusetzen ist und sich um diese herum erstreckt,

An ihren oberen und unteren Rändern ihres Um- 35 wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist.

fangs ist die Kappe 98 verjüngt, so daß Ringkanäle Der Hauptkörper der Spaltproduktfalle ist im

104 für die Zirkulation des Reinigungsgases ent- wesentlichen zylindrisch. Er besteht aus normal

stehen. Die Kappe ist ferner ihres Ümfangs mit mitt- permeablem Moderatormaterial, vorzugsweise aus

leren vertikalen Ausnehmungen versehen, die in normal permeablem Graphit. Er ist beispielsweise

ihren Umfang eingeformt sind und mit mittleren 40 etwa 30 cm lang. Die Kanäle 112 erstrecken sich

ähnlichen vertikalen Ausnehmungen 108 zusammen- radial nach innen, so daß hinreichend Raum für das

passen, die in dem Umfang eines jeden Kompakt- Einfangmittel 122 bleibt, das sich in der Falle be-

körpers vorgesehen sind, wie aus der F i g. 2 ersieht- findet. Die Kanäle 112 erstrecken sich von der

lieh ist. Darüber hinaus ist der untere Reflektorblock oberen Begrenzungsfläche des Hauptkörpers 120

100 um seinen Umfang mit passenden vertikalen 45 nach unten bis kurz über den Boden des Körpers 120

Ausnehmungen 110 versehen. Die durch den Ring- (2,5 oder 5 cm Abstand davon). Ein mittig hegender

raum 96 sich nach unten durch die Vertikalausneh- Hohlraum 126 befindet sich im unteren Ende des

mungen der Kappe 98 erstreckenden vertikalen Rei- Hauptkörpers. Dieser Hohlraum ist derart bemessen,

nigungsdurchlässe führen zu der Spaltproduktfalle. daß. er sich wenigstens bis zu den unteren Enden der

Die angegebenen Ausnehmungen passen mit ent- 50 Kanäle 112 erstreckt.

sprechenden vertikalen Kanälen 112 in der Spalt- Ein Stopfen 128 aus porösem Graphit oder aus

produktfalle zusammen. Das Reinigungsgas kann einem anderen Moderatormaterial, der geeignet be-

Spaltprodukte, die aus Kompaktkörpern austreten, messen ist, füllt im wesentlichen den Hohlraum 126

nach unten direkt in die Spaltproduktfalle spülen, wo und wird durch einen Stift 127 an Ort und Stelle

sie festgehalten werden. 55 gehalten. Der Stopfen 128 weist einen mittigen

Wie vordem schon angedeutet, bewirken die ring- Durchlaß 130 auf, wie er aus F i g. 4 ersichtlich ist. förmigen Durchlässe 62, die durch die ineinander- Er erstreckt sich bis zum Partikelschirm 102, auf liegenden »verjüngten Ränder der gestapelten Korn- dem die Falle angeordnet ist, und zum Durchlaß 80 paktkörper gebildet werden, eine passende Vertei- in dem Ständer 28, wenn das Brennstoffelement 10 lung des Reinigungsgases über die Oberfläche der 60 auf den Ständer aufgesetzt ist. Dementsprechend Brennstoffkompaktkörper, so daß wirksam Spalt- fließt Reinigungsgas, das Spaltprodukte enthält, in produkte, die aus dem Brennstoff auswandern, abge- die Kanäle 112 und durch sie nach unten und tritt führt werden. Diese Durchlässe 62 schneiden die ver- aus den Kanälen aus, um durch den Stopfen 128 zu tikalen Durchlässe, die durch die vordem beschrie- fließen. Dann fließt das Gas in den Durchbenen vertikalen Ausnehmungen gebildet werden, so 65 laß 130, durch den Partikelschirm 102 und in daß die Spaltprodukte nach unten in die Falle ge- und durch den Durchlaß 80, der das Brennstofflangen können. Das gleichmäßige Netzwerk von element mit außerhalb gelegenen Spaltproduktfallen Reinigungsdurchlässen direkt auf der Oberfläche verbindet.

13 14

Das Partikelsieb 102 kann aus irgendeinem ge- 300° C gebacken, um das Kupfernitrat in Kupfereigneten hochtemperaturbeständigen Siebmaterial oxyd zu zersetzen. Anschließend erfolgt eine Behandbestehen, z. B. aus einem nichtrostenden Stahlnetz. lung mit Wasserstoff bei etwa 500° C, um das Dieses Sieb hält das partikelförmige Fallenmaterial Kupferoxyd in dem Mittel in seine metallische Form 122 zurück, das möglicherweise von dem Reinigungs- 5 durch Reduktion umzuwandeln. Ein zweites Eingas mitgerissen wurde. tauchen nach dem ersten Trocknen erhöht die

Das Einfangmittel der Spaltproduktfalle kann Kupferkonzentration um etwa 30 Gewichtsprozent irgendein geeignetes Mittel sein. Als solches Mittel auf etwa 50 Gewichtsprozent,
eignen sich beispielsweise poröse Graphitpartikeln, die Wenn Silber als elektropositives Metall für die mit einem elektropositiven Element oder sonstwie 10 aktivierte Tier- oder Holzkohle verwendet wird, so beschichtet sind, vorzugsweise mit Silber oder ist es bevorzugt, das Silber auf die Tier- oder Holz-Kupfer. Die oberen Enden der Kanäle können mit kohle aus einer ammoniakalischen Silberazetatlösung einem geeigneten Hochtemperatur-Packmaterial 132 niederzuschlagen und dann das Azetat zu Oxyd zu gefüllt sein, z. B. mit Quarzwolle, um einen Verlust wandeln. Schließlich erfolgt eine Reduktion zum des Einfangmittels aus den Kanälen während der 15 freien Metall in der Weise, wie dies für das Kupfer Handhabung der Falle zu verhüten. Die Fallenmutter beschrieben wurde. In dem fertigen Einfang- 118 ist nach unten geschraubt, um die Quarzwolle mittel der Spaltproduktfalle kann das Metall an Ort und Stelle zu halten und darüber hinaus das — sei es Kupfer oder Silber — in einer Menge Zurückhalten des Einfangmittels in den Kanälen 112 bis zu etwa 50 Gewichtsprozent des Reagens vorzu unterstützen. 20 liegen.

Die Spaltproduktfalle arbeitet in dem Sinne, daß Es sei hier bemerkt, daß das Absorbens, das in sie gewisse flüchtige Spaltprodukte in eine weniger dem Fallenmittel verwendet wird, falls gewünscht, flüchtige Form umwandelt. Da sie im unteren küh- ein anderes sein kann, als aktivierte Tier- oder Holzleren Bereich des Brennstoffelementes angeordnet ist, kohle oder zusätzlich zu dieser Kohle vorgesehen ist sie in dieser Hinsicht besonders wirksam. Sie as sein kann. Beispielsweise kann aktivierte Tonerde kann bei einer geeigneten Temperatur von beispiels- verwendet werden.

weise 445° C betrieben werden, um unter anderem Im Hinblick auf die Wirkung des Mittels in der

Selenium, Brom, Rubidium, Strontium, Kadmium, Spaltproduktfalle auf die Spaltprodukte, die die

Antimon, Tellur, Jod, Caesium, Barium, Samarium Falle in dem Reinigungsgasstrom erreichen, wäre zu

und Europium zu beseitigen. Arsen, Silber und 30 bemerken, daß Selen, Brom, Tellur und Jod dazu

Indium haben die Neigung, in den Reinigungskanälen neigen, mit dem metallischen Kupfer zu reagieren,

zu kondensieren, bevor sie die Falle erreichen. 90% und schwach flüchtiges Kupferselenid, Kupferbromid

oder mehr der Spaltprodukte, die Halbwertszeiten usw. bilden. Caesium und Rubidium reagieren heftig

von weniger als 1 Stunde haben, werden in den mit aktivierter Tier- oder Holzkohle, wobei sie von

Brennstoffkompaktkörpern zurückgehalten. Diejeni- 35 dieser chemisorbiert werden oder in anderer Weise

gen Spaltprodukte, die Halbwertszeiten von etwa von der Tier- oder Holzkohle chemisch gebunden

ITag haben, werden zu 50 «/0 oder mehr in den werden. Es ergibt sich ein sehr niedriger Dampf-

Kompaktkörpem zurückgehalten. Die Spaltprodukt- druck für diese Elemente über aktivierte Tier- oder

falle vermindert mit hohem Wirkungsgrad den Rest- Holzkohle. Beispielsweise bildet sich bei 445° C

teil der Spaltprodukte. 40 ein Gleichgewichts-Caesiumdampfdruck von etwa

Die Spaltproduktfalle weist nach einem Ausfüh- 10~⁸ Atmosphären bei Caesiumbeladungen von rungsbeispiel einen Zylinder von etwa 30 cm Länge 0,5 g pro Gramm Tier- oder Holzkohle. Dementauf, dessen Durchmesser etwa dem Innendurch- sprechend haben die Caesium- und Rubidium-Spaltmesser des Behälters 64 entspricht. Die Falle hat produkte wenig Neigung, durch die innere Spaltsechzehn Ausnehmungen, die sich von ihrem Außen- 45 produktfalle hindurchgespült zu werden,
umfang radial nach innen erstrecken und, wie oben Kupferiodid und Kupferbromid sind etwas flüchbeschrieben, mit entsprechenden vertikalen Ausneh- tiger und haben einige Neigung, durch die Falle zu mungen in dem unteren Reflektorblock 100 zusam- gelangen, nachdem sie aus dem Spaltprodukt Jod menpassen. Die vertikalen Ausnehmungen in der und Brom gebildet wurden. Jedoch sind die Durch-Spaltproduktfalle sind mit einem geeigneten Mittel 50 laßzeiten lang, in der Größenordnung von 100 Stungefüllt, das aktivierte Holzkohle oder Tierkohle den oder mehr. Silberjodid und -bromid ist weniger (etwa 150 g) in feinunterteilter Form enthält, so daß flüchtig als die entsprechenden Kupfersalze und es eine spezifische Oberfläche von 1500 qm/g erhält. neigen daher dazu, noch länger in der Falle zurück-Die Holz- oder Tierkohle ist mit etwa 50 g metalli- gehalten zu werden.

schein Kupfer oder Silber in feinunterteilter Form 55 Kadmium durchsetzt die Falle mit einiger Verimprägniert. Das Metall liegt auf der Außenober- zögerung. In Anbetracht seines niedrigen Anteils fläche der Tier- oder Holzkohle in Füttern oder in den Spaltprodukten trägt Kadmium jedoch Flocken vor und ist in den Poren niedergeschlagen. nicht wesentlich zur Gesamtaktivität der Spalt-

Mit Kupfer imprägnierte aktivierte Tierkohle als produkte bei.

Einfangmittel kann dadurch hergestellt werden, daß 60 Elementares Barium, Strontium, Samarium und man die angegebene Menge Tier- oder Holzkohle Europium neigen in den Reinigungskanälen und in etwa 2 bis 3 Tage lang in eine alkoholische Lösung der Falle dazu, zu kondensieren. Barium, Strontium, eintaucht, die eine hinreichende Menge Kupfernitrat Samarium und Europium, die in der Gasphase mit enthält, um die angegebene Menge an Kupfer in dem restlichem Kohlenstoffmonoxyd reagieren, das in fertigen Mittel zu erhalten. Die Lösung wird, falls 65 geringen Mengen in dem Helium-Reinigungsgas vorein Überschuß besteht, von der Tier- oder Holzkohle handen sein kann, neigen zur Bildung von Oxydabgetropft, und dann wird die Tier- oder Holzkohle aerosolen, die nicht ohne weiteres eingefangen bei 100° C im Vakuum getrocknet und dann bei werden.

Jedoch neigen Barium, Strontium, Samarium und Europium zur Reaktion mit auf Graphit und auf den Oberflächen aktivierter Tier- oder Holzkohle chemisch absorbiertem Sauerstoff. In diesem Fall bleiben sie an den genannten Oberflächen haften.

Antimon neigt zur Kondensation in der Falle, wenn es nicht zuvor schon z. B. in den Reinigungskanälen kondensiert. In jedem Fall ist Antimon nicht sehr wichtig wegen seiner relativ niedrigen Konzentration im Verhältnis zur Gesamtausbeute an Spaltprodukten.

Die innere Spaltproduktfalle 60 hemmt das Austreten eines wesentlichen Anteils der Spaltprodukte und verzögert es über eine beachtliche Zeit. Das Brennstoffelement 10 kann übrigens auch mit anderen Spaltproduktfallen versehen sein.

Beim Zusammenbau des Brennstoffelementes kann der Behälter 64 zunächst mit der Abstützkupplung 68 verbünden werden, dann kann das Partikelsieb 102 eingebaut werden. Danach kann das Gebilde auf die Seite gedreht werden, und die Spaltproduktfalle eingesetzt werden, so daß das Einfangmittel 122 im wesentlichen die Kanäle 112 füllt und das Packmaterial 132 das obere Ende eines jeden Kanals füllt; dann wird die Fallenmutter 118 nach unten auf den Hubarm geschraubt. Sie kann auf diese Weise an ihren Ort nächst des Partikelsiebes gebracht werden. Dies geschieht mittels des Hubarms 116. Der Hubarm dient also als Mittel zur Sicherung der Fallenmutter an ihrer Stelle und auch als Mittel zur leichten Handhabung der Spaltproduktfalle, d. h. zum Einsetzen der Falle und zum Herausziehen der Falle aus dem Brennstoffelement. Die Spaltproduktfalle kann später, wenn dies nötig ist, ohne weiteres herausgenommen und ersetzt werden.

Der untere Reflektorblock 100 wird dann auf den Hubarm und die Fallenmutter aufgesetzt. Danach wird der Mitteldorn 54 mit mehreren Kompaktkörpern 52, die um ihn herum angeordnet sind, auf das obere Ende des unteren Reflektorblocks gesetzt. Die Kappe 98 wird dann auf das obere Ende des Dorns und des obersten Kompaktkörpers gesetzt, und der obere Reflektorblock 70, der mittig den Stopfen 90 aufnimmt, wird an dem oberen Ende des Behälters 64 etwa durch Anschrauben und zusätzliches Verzementieren befestigt, um den Zusammenbau des Brennstoffelementes zu vervollständigen. Das Brennstoffelement wird dann auf den Ständer im Reaktorkern gesteckt.

Die 'Erfindung schafft also Mittel zum leichten Auseinandernehmen und Zusammenfügen von Bauteilen eines Brennstoffelementes. Überdies schafft die Erfindung Mittel zur kanalmäßigen Leitung von Spaltprodukt enthaltendem Reinigungsgas aus einem aktiven Bereich in dem Brennstoffelement zu einer wirksamen inneren Spaltproduktfalle, die die Spaltprodukte zurückhält. Die -verjüngten oberen und unteren Kanten eines jeden Brennstoffkompaktkörpers bilden seitliche Ausnehmungen, die mit den vertikalen Ausnehmungen zusammenarbeiten, um das Reinigungsgas in kontrollierter Weise durch ein Kanalsystem zu leiten, das wirksam die Oberflächen der Brennstoffkompaktkörper überzieht, so daß mit höchstem Wirkungsgrad Spaltprodukte entfernt werden.

Spaltprodukte, die in dem Reinigungsgas verbleiben, fließen mit ihm durch den Stiel der Ständer aus dem Brennstoffelement heraus und in geeignete äußere Spaltproduktfallen. Das Reinigungsgas entfernt wirksam Spaltprodukte, die aus den Brennstoffkompaktkörpern ausgewandert sind, insbesondere wegen seiner großen Flußrate durch das Brennstoffelement, die etwa 0,55 kg pro Stunde beträgt. In einem typischen Reaktor können 804 Brennstoffelemente vorgesehen sein, durch die 450 kg Helium pro Stunde des Reinigungsgases gezogen werden. Spaltprodukte, die aus den inneren Spaltproduktfallenkanälen 112 austreten, gelangen zu äußeren Spaltproduktfallen. Die Fallen können beispielsweise chemische und/oder physikalische Fallen sein. Die äußeren Spaltproduktfallen können durch eine Mehrzahl physikalischer Fallen in Form von Hemmungsbetten aus aktivierter Tier- oder Holzkohle sein, die bei verschiedenen niedrigen Temperaturen bis herunter zur Temperatur des flüssigen Stickstoffs arbeiten, um die verbleibenden Spaltprodukte im Helium-Reinigungsgasstrom zu verzögern, einzufangen, zu kondensieren und zu beseitigen. Der gereinigte Heiiumgasstrom oder allgemein der gasförmige Kühlmittelstrom kann dann in den Hauptkühlkreis zur Wiederverwendung zurückgeführt werden. In der Tabelle sind die wesentlichen Daten eines typischen Brennstoffelementes nach der Erfindung zusammengestellt:

Typische Abmessungen eines Brennstoffelementes

Äußerer Durchmesser eines Brennstoffkompaktkörpers 6,99 cm

Innerer Durchmesser eines Brennstoffkompaktkörpers 4,44 cm

3g Dorndurchmesser 4,44 cm

Länge eines Brennstoffkompaktkörpers 2,86 cm

Gesamtlänge der Brennstoffkompaktkörper 228 cm

Dicke der Wand des Behälters 0,95 cm

Durchmesser eines Brennstoffelementes 8,88 cm Länge eines Brennstoffelementes 366 cm

Länge des oberen Reflektors 68,5 cm

Länge des unteren Reflektors 68,5 cm

Länge der inneren Falle 30,5 cm

Kanallänge der inneren Falle 27,8 cm

Kanalweite der inneren Falle 0,3.17 cm

Kanaltiefe der inneren Falle 2,06 cm

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einem Brennstoffbehälter aus Neutronen moderierendem Material mit niedriger Permeabilität für Spaltprodukte, der einen Spülgaseinlaß nächst seinem oberen Ende und einen Spülgasauslaß nächst seinem unteren Ende aufweist, die mit dem Inneren des Behälters in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Einheit auswechselbare Spaltproduktfalle (60) innerhalb des Brennstoffbehälters (64) im Abstand von und unterhalb des Kernbrennstoffes (52) angeordnet ist, daß die Spaltproduktfalle und der Brennstoff innerhalb des Brennstoff-

behälters derart angeordnet sind, daß Durchlässe (110) zwischen dem Brennstoff und der Falle verbleiben, die mit dem Einlaß (94) und dem Auslaß (80) in Verbindung stehen, so daß Spülgas von dem Einlaß aus nach unten an dem Brennstoff vorbei zu der Spaltproduktfalle und von dort zu dem Auslaß strömen kann, und daß die Spaltproduktfalle mit einem Organ versehen ist, das zum Einsetzen und Herausziehen der Falle in den bzw. aus dem Brennstoffbehälter dient.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff in der Form mehrerer ringförmiger kompakter Brennstoffkörper (52) vorliegt, die gestapelt rund um einen zentralen Dorn (54) aus Neutronen moderierendem Material angeordnet sind, daß die Brennstoffkörper an ihrem Umfang mehrere Ausnehmungen (108) aufweisen, die gegeneinander derart ausgerichtet sind, daß Spülgasdurchlasse in Längsrichtung des Stapels der Brennstoffkörper entstehen, daß eine Kappe (98) aus Neutronen moderierendem Material mit niedriger Permeabilität gegenüber Spaltprodukten auf dem oberen Ende des Stapels der Brennstoffkörper sitzt, daß die Kappe mehrere Ausnehmungen (104) aufweist, die den Ausnehmungen der Brennstoffkörper angepaßt sind, und daß oberhalb der Kappe ein Spülgasraum (96) liegt, der mit dem Einlaß (94) kommuniziert.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoffkörper (52) aus mindestens zwei zu einem ringförmigen Körper vereinigten Ringteilen bestehen und sich zwischen den Ringteilen mindestens ein Spalt (61) für ihre thermische Ausdehnung befindet, daß jeder Brennstoffkörper aus einer Mischung von Brennstoffpartikeln und Partikeln aus Neutronen moderierendem Material besteht, daß alle Brennstoffpartikeln einen Schutzüberzug aus Neutronen moderierendem Material haben, der an ihnen haftet, und daß jeder der Brennstoffkörper abgeschrägte obere und untere Ränder um seinen Umfang hat, die bei Stapelung querliegende Spülgasdurchlässe bilden.

4. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Brennstoffbehälters einen mittig liegenden vertikalen Hohlraum (72) aufweist, der einen Teil des Auslasses bildet und einen vertikalen Stiel (28) aufnimmt, mit dessen Hilfe das Brennstoffelement sich in Vertikalrichtung auf einer Gitterplatte des Reaktors abstützt.

5. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die entfernbare Spaltproduktfalle (60) eine Mehrzahl radialer, sich in Vertikalrichtung erstreckender Hohlräume (112) aufweist, die in Verbindung mit den Ausnehmungen (108) stehen, und daß jeder der Hohlräume ein partikelförmiges Mittel zum Einfangen von Spaltprodukten und darüberliegendes Packmaterial (132) enthält.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfangmittel für die Spaltprodukte aus partikelförmigem Kohlenstoff besteht, der mit einem elektropositiven Element beschichtet ist, und daß das untere Ende der Spaltproduktfalle (60) einen mittig liegenden Spülgas-Sammeldurchlaß (130) hat, der in Verbindung mit dem Gasauslaß (80) steht, und daß ein Schirm (102) aus Metallpartikeln zwischen dem Sammeldurchlaß und dem Gasauslaß liegt.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltproduktfalle (60) in Abstand von dem Kernbrennstoff durch dazwischenliegendes Neutronen moderierendes Material (100) gehalten wird, daß das Organ zum Einsetzen und Herausziehen der Falle ein mit dem oberen Ende der Falle verbundener Hubarm (116) aus Neutronen moderierendem Material ist und daß eine an die obere Fläche der Spaltproduktfalle anstoßende und ein die Spaltprodukte aufnehmendes Mittel in der Falle festhaltende Mutter (118) auf den Hubarm geschraubt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1028705;
schweizerische Patentschrift Nr. 286 658;
französische Patentschriften Nr. 1187 405,
1224478, 1262 687.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen