DE1414637A1 - Thermionischer Generator,insbesondere zur Verwendung in Kernreaktoren - Google Patents

Description

Thermionischer Generator, insbesondere zur Verwendung in Kernreaktoren

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial No. 34 410 vom 7.6.1960 beansprucht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf thermionische Generatoren, insbesondere auf solche zur Umwandlung der in einem Atomreaktor entstehenden thermischen Energie in elektrische Energie, Die Erfindung ist insbesondere für die Anwendung in verschiedenen Typen von heterogenen Atomreaktoren geeignet, in denen eine Kettenreaktion in einer Gruppe von ortsfesten Brennstoffelementen aufrechterhalten wird. In den Brennstoffelementen ist eines oder

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mehrere der spaltbaren Isotopen ü 233, U 235 und Pu 239 enthalten, und die Kettenreaktion geht auf Neutronen zurück, die in bekannter Weise während des Betriebs des Reaktors entstehen. Die Brennstoffelemente sind normalerweise in bestimmten Abständen voneinander im Reaktor angeordnet, so daß zwischen ihnen eine Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Druckwasser, Kohlendioxyd, Helium oder ein bei der Reaktorbetriebstemperatur flüssiges organisches Material, durchströmen kann. Wenn das Kühlmittel Wasser oder ein organisches Material ist, kann es auch als Moderator für die Verzögerung der schnellen Neutronen auf Geschwindigkeiten dienen, bei welchem die größte Wahrscheinlichkeit für das Einleiten von Kernspaltungen vorliegt. Der Reaktor wird durch Einsetzen von Kontrollstäben geateuert, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, um die Kettenreaktion durch Absorption von Überschußneutronen auf einem gegebenen Leistungspegel zu halten.

Im Gegensatz zur allgemeinen Auffassung ist ein Atomreaktor grundsätzlich nicht auf niedrige Betriebstemperaturen beschränkt, wenn sich auch in den konventionellen Bauformen diese Beschränkung durch die Eigenschaft der verwendeten Kühlmaterialien ergibt. Eine weitere Beschränkung leitet sich aus der Tatsache her, daß ohne besondere Vorkehrungen ein Atomreaktor nicht ohne weiteres dazu im Stande ist, eine Arbeitsflüssigkeit, wie beispieleweise Dampf, zu überhitzen. Von diesen Grundlagen ausgehend ergibt sich bei konventionellen thermodynamischen Generatoren, die üblicherweise mit Atomreaktoren in einem Atomkraftwerk zusammenarbeiten, ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad.

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Sie vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, einen Teil der gesamten thermischen Ausgangsleistung eines Atomreaktors direkt in elektrische. Energie umzuformen, wobei diese Umformung in Bereichen mit hohen Temperaturgradienten innerhalb des Reaktorkernes stattfindet, d.h. vor dem Übergang der durch Spaltung entstehenden Wärme in die Kühlflüssigkeit des Reaktors. Daher geht bei der Direktumwandlung keine Wärmeenergie verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neuartige thermionische Generatoren anzugeben, die für die Verwendung in einem Atomreaktor geeignet sind. Die Generatoren sollen die im Innern des Reaktors entstehende Wärme wenigstens teilweise in elektrische Energie, umsetzen. Hierzu soll eine verhältnismäßig große Anzahl solcher Generatoren im Reaktorkern angeordnet und in Serien- oder Serienparallelschaltung elektrisch miteinander verbunden werden, um auf ein verwertbares Leistungsniveau zu kommen.

Der Wirkungsgrad der thermischen Generatoren soll durch neuartige Mittel zur Kompensierung der Raumladung erhöht werden. Als Bestandteil eines Reaktorkernes sollen die Generatoren geeignetes spaltbares Material aufnehmen, so daß die Wirkungsweise des Atomreaktors und des thermicnischen Generators miteinander kombiniert sind.

Nähere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert

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•werden, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein gemäß der Erfindung aufgebautes Reaktorbrennstoffelement j

Figur 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Figur 1} Figur 3 einen teilgeschnittenen Aufriß einer Gruppe von Reaktorbrennstoffelementen, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist;

Figur 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Figur 3i Figur 5 einen Teilschnitt einer Form des heterogenen Reaktors, in dem die Gruppe von Brennstoffelementen nach der Erfindung angewendet wird, geschnitten längs der

Linie V-V der Figur 6;
Figur 6 einen Längsschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Reaktor längs der Linie VI-VI der Figur 5.

Gemäß der Erfindung wird ein thermionischer Generator, dessen

' grundsätzlicher Aufbau an anderer Stelle bereits vorgeschlagen wurde, für die Verwendung in einem Atomreaktor modifiziert.

Darüberhinaus werden besondere Maßnahmen zur Verringerung der Raumladungseffekte im Generator angegeben.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Möglichkeit zur Ausbildung eines als Reaktorbrennstoffelement dienenden thermionischen Generators. Der Generator 10 besitzt eine Außenhülle 11, die an ihren Enden mit abgesetzten Steckern 12 und 13 verbunden ist. Die Außenhülle

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ist mit dem Stecker 13 durch eine Ringnaht 14 dicht verschweißt. , Neben dem anderen Ende der Außenhülle ist ein ringförmiger Teil au3 elektrisch isolierendem Material 15 vorgesehen, wobei es sich beispielsweise um geschmolzenes Aluminiumoxyd handeln kann. Der isolierende Teil ist an beiden Seiten im Sinne einer hermetischen Abdichtung des Innenraumes mit dem Stecker 12 urid der Außenhülle 11 verbunden. Hierbei dient die' Außenhülle 11 als Anode des Generators 10, und die äußere Verbindung erfolgt über den Stecker 13» der in Figur 1 mit dem Zeichen für negatives Potential versehen ist; Aus später noch zu erläuternden Gründen ist der andere Stecker 12 von der Anode bzw. Außenhülle 11 durch den Isolierteil 15 elektrisch isoliert. Jeder der Stecker 12 und 13 ist mit. einer Ausnehmung 12a, 13a und einem ringförmigen Portsatz 12b, 13b versehen, um den Generator mit den isolierenden Indplatten 108 und

(vgl· Figur 3) mechanisch zu verbinden.

Konzentrisch zur Außenhülle 11 ist ein Hüllrohr Ί6 angeordnet, das ähnlich wie die Außenhülle mit abgesetzten Teilen der Steaker 12 und 13 verbunden ist. Beispielsweise ist das obere Ende des Hüllrohres 16 mit dem Stecker 12 durch eine Hingechweißnaht 17 dicht verbunden. Nahe am unteren Ende des Hüllrohres 16 ist ein ringförmiges Isolierteil 18 vorgesehen,, das mit einem abgesetzten Teil des Steckers 13 und dem unteren Ende dea Hüllrohres 16 verbunden ist. Das Isolierteii 18 ist ähnlich ausgebildet wie das Isolierteil 15 und hat auch eine entsprechende Punktion.

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In der vorliegenden Bauform der Erfindung hat das Hüllrohr 16 die Doppelfunktion einer Kathode für den Generator 10 und eines hermetisch verschlossenen Behälters für den Brennstoff, der mit 19 bezeichnet ist. Durch der· mit dem Zeichen für positives Potential bezeichneten Stecker 12 wird die Verbindung mit dem äußeren Stromkreis herbeigeführt. Der Abstand 21 zwischen dem Hüllrohr 16 und der Außenhülle 11 wird vorteilhaft in der Größenordnung von 1 mm oder weniger gewählt, um die Raumladung im Generator 10 von vornherein niedrig zu halten.

Der Brennstoff 19 besteht im Ausführungsbeispiel aus mehreren Tabletten, die auf bekannte Weise nacheinander in das Hüllrohr eingesetzt werden. Im Hüllrohr 16 ist ein Raum 23 zum Ausgleich verschiedener thermischer Längenänderungen des Brennstoffe 19 und des Hüllrohres 16 vorgesehen,-Aus dem gleichen Zweck 1st der innerste abgesetzte Teil des Steckers 12 hinterdreht, wie bei' 25 angedeutet. Falls erforderlich, kann man den unteren Stecker 13 in ähnlicher Weise ausbilden, was jedoch in figur 1 nicht dargestellt ist.

Der Brennstoff 19 besteht vorteilhaft im wesentlichen au© finer Verbindung oder Legierung von Uran oder Plutonium,, die die hohen Temperaturen ohne zu schmelzen verträgt. Die Oberflächunttaperatvr

der Kathode (Hüllrohr 16} sollte etwa 1000⁰C oder mehr Als Brennstoff eignet sich unter diesen Bedingungen oder Urankarbid, die mit Graphit vermischt werden kennen, wenn

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zusätzliche Moderatorwirkung erwünscht ist. Ferner können Uranoder Plutoniumoxyd, Zirkon-Uran-Legierungen und Cermetalle von Uran- oder Plutoniumverbindungen empfohlen werden. Der Raum kann evakuiert sein/ Vor dem Zusammenbau des Generators wird eine Quelle von Alkalimetall 27 in den Raum 21 eingesetzt. Biese Quelle 27 kann entwe'der das Alkalimetall selbst oder eine Alkalimetallverbindung sein, die mit einem geeigneten reduzierenden Stoff vermischt ist und bei der Erhitzung das Alkalimetall freigibt. Beim Anlauf des Reaktors auf die Arbeitstemperatur werden aus der Quelle 27 Alkalimetalldampfe frei, die wenigstens teilweise den Raum zwischen Kathode 16 und Anode 11 ausfüllen. Da der.Raum 21 vorher evakuiert wurde, ist unter der Bedingung einer hermetischen Abdichtung des Generators der Alkalimetalldampf der einzige gasförmige Stoff innerhalb des Raumes 21.

Die Alkalimetalle Lithium (5,36 V), Natrium (5,11 V), Kalium U*33 V), Rubidium (4,13 V) und Caesium (3,86 V) sind für die Anwendung beim Erfindungsgegenstand geeignet. Dabei bedeuten die Zahlenangaben in Klammern das Ionisierungspotential der Metalle· Das Hüllrohr 16 kann aus verschiedenen Materialien erzeugt werden, doch ist seine Widerstandsfähigkeit gegen die hohen Temperaturen 10 von Bedeutung, damit sie auf so hohe' Temperaturen erhitzt werden kann, daß ihre äußere Oberfläche nennenswerte thermionische Emission während des Betriebes des Generators liefert. Es ist erwünscht, die Emissionsfläche wenigstens auf 1000⁰C zu halten.

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Zweckmäßig sollte das Austrittspotential des Materials des Hüllrolires höher liegen als das Ionisierungspotential des verwendeten Alkalimetalls, um die Ionisierung der-Alkali-. atome sicherzustellen. Die Auswahl des Kathodenmaterials für ' diesen Zweck ist jedoch nicht kritisch, da gemäß der Erfindung die mit dem Betrieb eines Atomreaktors verbundene Gammastrahlung für die Isolierung der Alkalimetalldämpfe sorgt. Eine geeignete Kathode.. 16 kann aus folgenden Stoffen erzeugt werden? Niobium (2415⁰C, 4 V, 1,1 barns). Zirkonium (1857⁰C, 4,13 V, 0,18 barns), Molybdän (262O⁰G, 4,3 V, 2,5 barns), Paladium (1555°C, 5 V, 8 barns) und Platin (1773⁰C, 6,3 V, 8,1 barns). Die Zahlen- in den Klammern geben jeweils den Schmelzpunkt, das Austrittspotential und den Neutronenabsorptionsquerschnitt an. Pur die meisten Anwendungen sind die drei erstgenannten Materialien wegen ihres geringen Absorptionsquerschnittes vorzusehen. Wenn dieser keine besondere Holle spielt, kann man auch folgende Kathodenmaterialien verwenden: Osmium (2700⁰G, 4,7 V 14,7 barns), Wolfram (3395⁰C, 4,54 V, 19,2 barns) und Tantal (2996⁰C, 4,07 V, 21,3 barns). '

Auf Grund kernphysikalischer Erwägungen sind die Alkalimetalle Rubidium (4,13 V, 0,7 barns), Kalium (4,33 V, 1,97 barns) und , Natrium (5*11 V, 0,505 barns) für die meisten Anwendungen vorzuziehen. Wenn der Absorptionsquerschnitt keine Solle spielt _ψ kann man auch Caesium (3*86 V, 29 barns) und lithium {5,36 Y, 71 barns) verwenden. Die Zahlen in Klammern beziehen sich hier

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auf das Austrit^app^eiitial.^und den Neutyonenabsorptionsquerschnitt..

Die Anode oder Aufeniiülle 11 wird &^us einem Material hergestellt, das von dem,verwendeten Alkalimetall nicht angegriffen wird., Es muß .ebenfalls. hoGhhit zehe ständig,, sein, um die. Arbeitstemperaturen auszuhalten, die im allgemeinen .wenige.10.0° unter der Kathodentemperatur liegen., bekanntlich.muß zur Erzielung eines thermionischen ,Generatoreffektes zwischen Anode.und Kathode ein Tempefaturunterschied herrschen. In gewissen Grenzen ist der Wirkungsgrad des Generators, umso, großer, ^e größer die Temperaturdifferenz .zwischen Kathode und Anode ist, bis diese Differenz so groß wird, daß. andere unerwünschte Effekte auftreten. Man wird daher die Anode des Gen?rators 10 durch die Kühlflüssigkeit des Reaktors, die die Außenhülle 11 umfließt, in geeigneter Weise-kühlen. Dies wird.weiter unten noch näher erläutert. Bezüglich des AustrittspotentAala lie^t keine. Beschränkung in de.r Wahl des Anodenmaterials vor,, wid auf Wunsch kann die. Anode aus den gleiche^ bereits genannten Materialien wie die Kathode bestehen. Es ist allerdings zweQkmä|Bijg., das ,Austrittspotential· der Anode niedriger als das der Katiiode\zu halten* In diesem Sinne, wirkt αμοΐι ein Niederschlag des Alkali,met alldampf es auf der. Anodenoberf läch.e der Auß.enhülle H\n :JJnt,er schied .„im Austjrittspot ential ,yon Kathode und Anode erhQht ,,natürlich,.die Ausgangsleistung des .Generators 10. Man kann-.auch die,Quelle 27 .des Alkalimetalls waglassen und nach der Evakuierung des Raumes 21 ihn mit Helium füllen. Die Helium- "■ füllung wird im Betrieb des Reaktors durch Gammastrahlung . · ·

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ionisiert,-- um den Raumladungseffekten im Generator entgegen-; _mxy. zuwirken. · Die· positiven Heliumionen neutralisieren die . _{r r e} ;-omg Raumladung in gleicher Weise wie die. ionisierten Alkalimetall?·^? dämpfe· Bei der eben erwähnten Bauform kann das Austrittapotential des Käthödenmaterial& höher liegen, da/es nicht.,mehr nö.tig ist, Kontakt ionisierung eines Alkalimetalldampfes ,sicherzust eilen. Andererseits sollt© das Austritt spot enti al des .Anodenmäterials wesentlich niedriger als das der Kathode sein, um eine aus—. reichencb Aüsgangsspannüng zu erzielen,- * " ·: .. ■

Im Betrieb des -"Generators' wird die Kathode 16 auf eine aus- - '-. reichende Temperatür aufgeheizt, so daß aus der Oberfläche . Elektronen austreten und auf die Anode 11 zufliegen. Beim Anschluß einer äußeren Belastung bilden diese Elektronen·den durch den. Stecker 13 über geeignete äußere Verbindungen *ux Last und zurück zum Stecker 12 und zur Kathode 16 fließenden Strom·- Die Wanderung der" Blektronen von der Kathode 16 zur Anode Jl -i durch den Raum 2 T wird durch positive Ionen in diesem Raum .. erleichtert."Um die Elektronenwolke oder Raumladung zu kompensieren, die sich um die Kathode 16 zu bilden suqhtV ist eine relativ große'Zahl von Alkalimetall* oder-Heliümionen-not- ^. wendig^ Sifcse werden niönt nur durch die ionisierende' Strahlung im Reaktöf, sondern auch durch den Betrieb des Generators 1θ · in einlm Bereich relativ hoher ünigebüngs temperatur en erzeugte Befriedigende Resultate^ wurden bti"einen Druck der ÖasftüLluhg ·^t des;Öίsnera;tρr& 10 zwischen 0,01 und^! 0,2 m Queoksilbiratöl· er-

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zielt* Die hohe Umgebungstemperatur ergibt sich aus der Tatsache, daß die normale Temperatur der Kühlflüssigkeit eines Reaktors etwa 300⁰G oder mehr beträgt*

In den Figuren 3 und 4 ist «in Beispiel für einen Block 20 zur Aufnahme mehrerer als thermionische Generatoren wirkender Brennstoffelemente 10 dargestellt. Das Bündel der Brennstoffelemente ist mit 22 bezeichnet. Der Block trägt an jedem Ende ein Düsenaggregat 24 bzw. 26, das aus einer angeflanschten Düse 28 und einer Grundplatte 32 besteht· Die vorgenannten Teile sind durch Abstandhalter 34 voneinander getrennt, wobei jeder Düse vier solcher Abstandhalter zugeordnet sind.

Zwischen den Grundplatten 32, die gegenüber den Endplatten und 40 des Bündels 22 von Brennstoffelementen angeordnet sind, ist eine Anzahl von Buchsen 42 zur Aufnahme von Verbindungsstäben angeordnet, die durch das Bündel 22 durchlaufen und sich gegen die Grundplatten 32 abstützen· Zur elektrischen Isolation der Grundplatten 32 werdendie Buehaen «üb einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiurnoxyd hergestellt. Die Düsen 28 mit den zugehörigen Teilen und das Bündel 22 der Brennstoffelemente sind mit Hilfe von Yerbindungsatäben zusammengesetzt, die jeweils durch die isolierenden Buchsen durchgeführt und an ihren Enden mit Gewinden sun Aufsehrauben von Muttern 36 versehen sind, Die Grundplatten 32 und die übrigen Teile der Düsenaggregate sind auf diese Weise feet verbunden* Jede der Endplatten 38 und 40 ist auf den Buchsen 42 mehr oder

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weniger verschiebbar, da die Verbindungsstäbe durch eine geeigente Öffnung 46 in den Endplatten 38 und 40 durchgeführt sind.

Wie später noch näh.er erläutert, besteht das Bündel 22 aus mehreren Generatoren 10, welche eine bestimmte Menge eines oder mehrerer der erwähnten spaltbaren Isotopen enthalten. Dementsprechend werden sich die einzelnen Generatoren '10, die die Quelle für den' Wärmeausstoß des Reaktors bilden, entsprechend mehr ausdehnen als die übrigen Bauteile der Blöcke. Um diese Ausdehnung nicht zu behindern, sind zwischen den Endplatten 32 bzw. 38 und 40 Spalte 50 vorgesehen.

Jede der Düsen 28 weist eine verhältnismäßig große Öffnung 52 auf, durch die Kühlflüssigkeit ein- oder austritt. Die Kühlflüssigkeit passiert das Bündel 22 der Brennstoffelemente durch Kanäle 56, die im Bündel 22 zwischen benachbarten Generatoren 10 in noch zu erläuternder Weise angeordnet sind. Die Düsen 28 sind jeweils mittels eines Flansches 30 und der Muttern 36 an den Verbindungsstäben 44 befestigt, deren Enden in geeignete Öffnungen 60 der FIs 3che 30 eingeführt werden. Ferner besitzt jede Düse 28 einen ringförmigen Ansatz 64, der mit den inneren Oberflächen der oberen und unteren Stützglieder 97 und 98 (Figur 6) eines Reaktorkerns in Eingriff steht. Dadurch kann man die rohrförmigen Endteile der Düse 28 in entsprechend geformte Ausnehmungen der Stützglieder einsetzen, so daß der Block 20 im Reaktorkern sicher gehalten wird.

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Wie aus Figur 4 detailliert hervorgeht, wird das Bündel 22 der Brennstoffelemente mit angesetzten Teilen 51 , 53 ausgebildet. Dadurch werden Kanäle 55 und 57 zwischen benachbarten Blöcken 20 gebildet, durch die die Kontrollstäbe in den Reaktorkern eingeführt werden können. Am Ort der Ansätze sind weitere Generatoren 10* angeordnet, um unausgenützte Räume und,örtliche Überschüsse an Kühl- und Moderatorflüssigkeit zu vermeiden·

Die Düse mit dem Plansch 30 und der Grundplatte 32 ist von den Verbindungsstäben 44 durch Buchsen 6-2 isoliert, die aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem der oben genannten keramischen Stoffe,' bestehen. Der Plansch 63 der'Buchse

wirkt als Isolierung für die Mutter 36, die Beilagscheibe 58 und den Verbindungsstab 44 vom Düsenflansch 30. In ähnliaher Weise ist der'rohrförmige Teil 59 der Buchse 62, die gegebenenfalls •zwei- oder mehrteilig hergestellt werden kann, zur Isolierung der Grundplatte 32 von den durchlaufenden Verbindungsstäben 44 vorgesehen.

Jede Düse 28 wird dadurch räumlich zum Block 20. fixiert, daß die äußeren Enden 65 der Abstandshalter 34 in entsprechende Ausnehmungen 67 am Flansch 30 eingesetzt werden. Die Buchsen 42 sind dicker als die benachbarten Endteile der Buchsen 62, damit die Enden der Buchsen 42 die'innere Oberfläche der Grundplatte 32 zur Aufrechterhaltung des gewünschten Abstandes erfaasen* ■

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Wie bereits erwähnt, enthält jedes Bündel 22 des Blocks 20 mehrere Generatoren 10, beim Ausführungsbeispiel 105 Stück. Um die elektrischen Verbindungen im Bündel 22 herzustellen, werden benachbarte Generatoren jeweils umgedreht, wie im geschnittenen Teil der Figur 3 genauer erkennbar. Der positive Stecker 12 eines Generators 10 kann dann mit dem negativen Stecker 13 des benachbarten Generators verbunden werden.

Im Beispiel sind die Generatoren 10 zwischen den Endplatten und 40 des Blocks 20 mit Hilfe von Schrauben 100, die durch geeignete Öffnungen 102 in den Endplatten geführt sind, angeordnet. Zu diesem Zweck ist an den beiden Enden der Generatoren ein Gewindeloch 12a oder 12b vorgesehen. Um alle Generatoren genau zu positionieren, sind in den Endplatten Ausnehmungen zur Aufnahme der ringförmigen Portsätze 12b und 13b an den Steckern vorgesehen. Die Kanäle 56 für die Kühlflüssigkeit stehen mit den öffnungen 52 in den Düsen 28 durch eine Anzahl von Öffnungen 104 in Verbindung, die in jeder der Endplatten 38 und 40 und der öruj platten 32 vorgesehen sind. Die Anordnung dieser öffnungen geht aus Figur 4 hervor.

Um ein Herausragen der Schrauben 100 zu vermeiden, sind in den Endplatten Ausnehmungen 106 vorgesehen. Die Schrauben 100 und die leitenden Beatandteile des Generators 10 sind von den gleichen Teilen benachbarter Brennstoffelemente dadurch getrennt» daß 'die Endplatte- 38 bzw. 40 aus einem elektrisch isolierenden* beispielsweise einem keramischen Material besteht. Weiterain

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sind die Köpfe der Schrauben derart versenkt, daß elektrischer Kontakt mit der' Grundplatte 32 bei thermischer Ausdehnung des Bündels 22 vermieden wird. Die Generatoren sind somit elektrisch in Reihe geschaltet. Wie aus Figur 4 hervorgeht, dienen zur Verbindung Streifen 108. Diese Streifen sind in die äußere Oberfläche der Endplatten 38 und 40 des Bündels 22 in Ausnehmungen 112 und 114 eingelegt, die zwischen den Ausnehmungen 106 um die Schrauben 100 angeordnet sind. Die Streifen können mit den Schraubenköpfen auf beliebige geeignete Weise, etwa durch Punktschweißung, verbunden werde-n.

Die Länge der Generatoren kann beispielsweise etwa 2 1/2 Meter betragen, während der Durchmesser der Brennstoffsäule 19 etwa 75 mm betragen kann. Das Hüllrohr 16 und Außenhülle 1-.1 können eine Wandstärke von etwa 1 bis 3.mm aufweisen, abhängig von der Bearbeitbarkeit des verwendeten Materials und des Drucks im Reaktorkern. Wie bereits erwähnt, soll die Breite des Raumes 21 so klein wie möglich sein, wobei sich aus den üblichen Herstellungsmethoden ein Abstand von etwa 0,1 bis 0,5 mm ergibt. Sollen Generatoren geringerer als der angegebenen Länge verwendet werden, während Jedoch die Höhe des Reaktorkerns die gleiche bleibt, können zwei oder mehrere Generatoren innerhalb eines Bündels übereinander angeordnet werden. Die kürzeren Brennstoffelemente können ähnlich isoliert werden, wie in Figur 3 und dargestellt.

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Aus der obigen-Erläuterung geht hervor, daß die Erfindung eine kompakte Kombination eines Brennstoffelements und eines thermionischen Generators angibt. Die geringe Baugröße des Generators ermöglicht es, eine verhältnismäßig große Anzahl in Bündelform in jedem Block'20 unterzubringen. Statt der Reihenschaltung kann man selbstverständlich die Generatoren auch in Parallel- oder Serienparallelschaltung miteinander verbinden. Arbeiten sämtliche Generatoren parallel, so können die Endplatten 38 und 40 aus einem leitenden Material bestehen. Die Endgeneratoren einer Reihenschaltung werden mit den leitenden Grundplatten 32 beispielsweise dadurch verbunden, daß eine unter Federwirkung stehende Elektrode 116 zwischen den Schrauben und der benachbarten Grundplatte 32 eingesetzt wird, wie aus Figur 104 ersichtlich. 'Dabei wird auch bei thermisch bedingten Bewegungen der Endplatten 38 und 40 der elektrische Kontakt aufrechterhalten. Die Bestandteile der Düsen 24 und 26, die ebenfalls aus Ii tendem Material bestehen, dienen zur elektrischen Verbindung mit den in Reihe geschalteten Generatoren 10 des Bündels 22. Die Düsen sind von den Verbindungsstäben 44 und den anderen Bestandteilen des Blocks 20, somit auch voneinander durch Isolatoren 60 und 63 getrennt. Gemäß den Figuren 3 und 4 ist die obere Düse .24 als positive Klemme und die untere Düse 26 als negative Klemme verwendbar.

In den Figuren 5 und 6 ist dargestellt, wie mehrere Brennstoffelementblöcke 20 in einem Reaktorkern 96 angeordnet sein können· Der Kern enthält eine obere Stützplatte 97 und eine untere Stützplatte 98» die beide mit einem zylindrischen Gehäuse 99

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"verbunden sind. Der Kern 96 ist auf geeigente, nicht._adargestellte Weise in einem geschlossenen Reaktorgefäß befestigt, das allgemein mit 103 bezeichnet ist. Eine nähere Erläuterung des Aufbaues des Atomreaktors dürfte nicht erforderlich sein, da er für die Erfindung nicht von Bedeutung ist»

Die untere und obere Stützplatte ist mit mehreren Öffnungen versehen, in die eine keramische Isolierbuchse 105 eingesetzt ist. Die Isolierbuchse kann aus einem der vorerwähnten Materialien bestehen. Die Blöcke 20 sind in gewissem Abstand voneinander im Reaktorkern angeordnet, wobei die einzelnen Düsen 28 in die Öffnungen 101 eingesetzt werden und die Positionierung, in Längsrichtung durch die Buchsen 105 herbeigeführt wird. Eine-Anzahl von Kontrolletäben 113» vorzugsweise von kreuzförmigem Quer-. schnitt, werden zwischen den Blöcken 20 durch geeignete Öffnungen 109 (Figur 6) in der oberen Stützplatte 97 in die Kanäle 55 und neben den abgesetzten Teilen 51 und 53 (Figur 4) der Blöcke 20 eingeführt, um die Kettenreaktion im Reaktorkern zu steuern.

Die vorgenannten Isolierbuchsen 105 sorgen dafür, daß-die einzelnen Blöcke von den oberen und unteren Stützplatten elektrisch isoliert sind· Die Isolierstücke verhüten auch Kurzschlüsse d#r positiven und negativen Klemmen der Generatoren über das Kerngehäuse Bei dieser Anordnung können alle Blöcke des Reaktorkerns ent- weder in Seihe oder parallel geschaltet werden. Die Parallelschaltungist durch obere und untere Kontaktstreiftn T10 und den Figuren angedeutet. Die im. linken oberen Quadranten; der " -. ', ■■.·-■:. - . ORiC'.M;--- '.'.-iiriCTSD

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Figur 5 gezeichneten Verbindungen der einzelnen Blöcke können für den Rest des Reaktorkerns, entsprechend vorgenommen werden» Die elektrische Energie wird über Leitungen 115 und 118 abgeführt· Die Leitungen treten durch Isolierrohre 117 durch die Außenwand des Reaktorgefäßes 98. Die Isolierrohre 117 sind mit der Außenwand und den Leitungen 115 und 118 hermetisch abschließend · verbunden.

Bei der dargestellten Anordnung ist, abhängig von den Austrittspotentialen der Materialien von Kathode und Anode jedes Generators 10, eine Aus gangs spannung in der Größenordnung von bis 200 V zu erwarten. Diese Ausgangsspannung ist selbstverständlich auch von Art und Menge des ionisierten Gases bzw. Dampfes in den Räumen 21 der Generatoren 10 abhängig. Verwendet man. eine größere Anzahl von Blöcken 20, von denen zumindest ein Teil parallel geschaltet ist, kann man die angegebene Ausgangsspannung mit verhältnismäßig großen Strömen belasten. Statt dessen kann man, wenn höhere· Spannungen erwünscht sind, alle Blöcke imwesentlichen in Reihe schalten.

Wenn die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Bauform eines thermionis chen Generators auch vor allem für die Verwendung in Atomreaktoren, geeignet ist, so ergeben sich auch dann.Vorteile, wenn die Heizung der Kathode 16 durch eine heifle- Flüssigkeit oder dergl. anstelle des spaltbaren Materials 19 erfolgt·' Dieses Material 19 kann dann fortgelassen und das Hüllrohr t£ durch

den gesamten Generator geführt werden, der dadurch die Forst ·1η·β

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an beiden Enden abgeschlossenen, hohlwandigen Rohres erhält. Die Isolierung kann ähnlich der nach Figur 1 erfolgen. Statt Helium oder ein Alkalimetall zur Kompensation der Raumladung zu verwenden, kann man in an sich* bekannter Weise diesen Effekt auch durch sehr dichtes Aneinanderstellen von Kathode und Anode erzielen, sofern die Fabrikationstoleranzen dies zulassen.

Statt des Hüllrohres 16 zur Aufnahme von Tabletten kann ein Stab aus Brennstoff verwendet werden. Dieser Stab kann mit den Steckern 12 und 13 ähnlich wie das Hüllrohr 16 verbunden sein. Vorzugsweise wird der Stab aus einem Material hergestellt,' das hinreichend Elektronen emittiert, beispielsweise aus einer Mischung von Urankarbid und Zirkonkaxbid.

Weitere Abwandlungen der Ausführungsbeispiele ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird} insbesondere können Einzelheiten der Erfindung ohne Heranziehung anderer Einzelheiten für sich nutzbringend verwendet werden.

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Claims (7)

PLA 61/8247 Patentansprüche

1. Thermionischer Generator, insbesondere zur Verwendung in Atomreaktoren, gekennzeichnet durch eine stabförmige, elektrisch leitende Kathode, die wenigstens teilweise aus spaltbarem Material besteht, und eine rohrförmige elektrisch leitende Anode, die die Kathode in geringem Abstand umgibt und an beiden Seiten mit der Kathode dicht verbunden ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Hüllrohr (16) besteht, das mit spaltbarem Material (19) gefüllt ist.

3. Generator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum (21 ) zwischen Kathode und Anode ein durch Gammastrahlung ionisierbarer Stoff eingebracht ist.

4. Generator nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen Kathode und Anode- ein bei der Arbeitstemperatur des Atomreaktors dampfförmiger Stoff eingebracht ist.

5. Generator nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Anode an beiden Enden durch Stecker (12, 13) hermetisch abgeschlossen ist, wobei der eine leitend mit der Anode, der andere leitend mit der Kathode verbunden ist.

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6. Generator nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet» daß Ausgleichsglieder zur Berücksichtigung der verschiedenartigen thermischen Ausdehnung von Kathode und Anode vorgesehen sind.

7. Generator nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elemente konstruktiv zusammengefaßt sind und den Kern eines Atomreaktors bilden.

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