DE1489918A1

DE1489918A1 - Reaktor-Brennelemente

Info

Publication number: DE1489918A1
Application number: DE19651489918
Authority: DE
Inventors: Turner Richard Franklin; Koutz Stanley Lee
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1964-05-05
Filing date: 1965-05-05
Publication date: 1970-09-10
Also published as: CH452715A; US3274068A; DE1489918B2; GB1076549A; GB1076550A

Description

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GENERAL DYlTAMCIS CORPORATION One Rockefeller Plaza, New York, N.Y., V.St.A.

Reaktor-Brennelemente

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennelemente für Kernreaktoren und besonders auf verbesserte Brennelemente für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren mit hoher Leistung.

Bei Hochleistungs-Kernreaktoren mit fließendem Kühlmittel zur

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Abfuhr der Wärme aus den Bauelementen im Reaktorinneren iut es wichtig, einen wirksamen Wärmeübergang vom Brennstoff der Brennelemente auf den Kühlstrom zu erreichen. Je wirksamer die '»Yärmeübergangs-Charakteristiken eines Brennelementes sind, um so niedriger kann die Brennstofftemperatur dieses Elementes beim Übergang einer bestimmten Wärmemenge pro Zeiteinheit auf den Kiihlstrom gehalten ;verden. Niedrigere Brennstofftemperaturen bedeuten größere Lebensdauer der Brennstoff und folglich niedrigere Betriebskosten des Reaktors.

Zusätzlich zu guten Wärmeübergangs-Charakteristiken solxten die Brennelemente so ausgelegt sein, daß sie bei Betriebstemperatur über längere Zeit im Inneren eines Kernreaktors stabil arbeiten. Darüberhinaus stellen die Kosten wie bei jeder Anlage zur Erzeugung von Nutzenergie ebenfalls einen bedeutenden Faktor dar. Daher sollte also die Auslegung der Brennelemente die gewünschte Stabilität ohne hohe Herstellungskosten erreichen. Die Koisbruktion der Brennelemente sollte also ziemlich kompliziert sein, um schwierige Bearbeitungsoder Herstellungsverfahren unnötig zu machen.

Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Auslegung von Hochleistungs-Kernreaktoren ist das Ifiedrighälten der inneren Verluste im Reaktorkern, die die effektive Leistung des Reaktors herabsetzen. Viele der Spalteprodukte, die beim Spalten des Kernbrennstoffes entstehen sind "giftig", d.h. Isotopen mit einem relativ großen Neutroneneinfangsquerschniüt in dem Lejstungsbereieh, in dem der Reaktor arbeitet. Diese

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giftigen Spaltprodukte setzen die Neutronendichte dec Reaktorkerns herab. Um eine bestirnte Neutronendichte im Kerrybeizubehalten müssen diese Neutronenverluste durch höhere Ausbrandgeschwindigkeiten des Brennstoffs kompensiert werden, was die Betriebsleistung herabsetzt. Es ist wünschenswert, diese Verluste durch Freimachen des Kerns von giftigen Spaltprodukten zu vermindern.

Es ist ein bekanntes Verfahren, bei gasgekühlten Reaktoren einen kleineren Teil des Gasstromes vom Hauptkühlstrom abzuzweigen und dieses Reinigungsgas über den Brennstoff zu leiten. Dieser Reinigungsstrom'soll Spaltprodukte, die vom Kernbrennstoff stammen, in einen "heißen". Abscheider innerhalb des Brennelementes und/oder in eine Rohrleitung tragen, die aus den Brennelementen in einen oder mehrere äußere Abscheider führen. Diese Reinigungsgassysteme sollen jedoch nur verhindern, daß radioaktive Spaltprodukte, die aus dem Brennstoff stammen, den Hauptkühlstrom erreichen und verseuchen. Bei Brennelementen dieser Art besteht die erste Auffangeinrichtung für die Spaltprodukte aus dem Kernbrennstoff selbst, wobei oft beschichtete Teilchen Verwendung finden. In solchen Fällen transportieren die Reinigungsgassyateme nur wenige Prozent der auffallenden Spaltprodukte at, Es ict -.vünochensT.-ert die Betriebscharakteristiken von Brennelementen durch Abtransport eines viel höheren Prozentsatzes dieser giftigen Spaltprodukte zu verbessern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, neuartige Brenn-

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elemente mit verbesserten Betriebsoharakteristiken vorzusehen.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Brennelemente, die verbesserte Charakteristiken für den Wärmeübergang vom Brennstoff zu Reaktor-Kühlmittel besitzen, und ein Verfahren zum Herstellen dieser Elemente vorzusehen.

Darüberhinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung Brennelemente für gasgekühlte Hochleistungs-Kernreaktoren vorzusehen, die den Abtransport einen relativ hohen Prozentsatzes der in ihnen auffallenden giftigen Spaltprodukte ermöglichen.

Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Brennelemente vorzusehen, die bei Betriebstemperatur stabil arbeiten und nicht aufwendig in der Herstellung sind.

Bei einem Brennelement für einen gasgekühlten Kernreaktor, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß din länglicher Körner aus feuerfestem Material alt vorgegebener Gasdurchläseigkeit vorgesehen ist, daß der längliche Körper eine Vielzahl von sich in seiner Längsrichtung erstreckenden Brennkammern mit darin enthaltenem Kernbrennmaterial aufweist, daß ein Durchlaß für reines Gas von der Außenseite des Körpers ins Innere der Brennkammern vorgesehen ist, daß bei Einbringung des Brennelementes in einen Kernreaktor und bei einem Druck des kühlenden Gases in aentralem Gasdurchlaß, welcher kleiner als der Druck

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an der Außenfläche des Körpers ist, ein radial von der Außenfläche des Körpers nach innen strömender Gasstrom jede Brennkammer durchsetzt und in den Gasdurchlaß eintritt, um die gasförmigen Spaltprodukte des Kernbrennmaterials in den Gasdurchlaß zu bringen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren, von denen

Figur 1 die teilweise gebrochene und teilweise geschnittene Ansicht eines Brennelementes, die verschiedene der Merkmale der Erfindung wiedergibt,

Figur 2 einen Schnitt durch Figur 1 in der Ebene 2-2, Figur 3 einen Schnitt durch Figur 1 in der Ebene 3-3, Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils von Figur 2, Figur 5 einen vergrößerten Ausschnitt einer anderen Ausführungsform des Brennelementes,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Brennelementes, das verschiedene Merkmale der Erfindung verkörpert, Figur 7 das vergrößerte Bild eines Schnittes von Figur 6 in der Ebene 7-7, und

die Figuren 8 bis 11 Ansichten entsprechend Figur 7 von anderen Ausführungsformen von Brennelementen,
zeigen.

Eine Art von Brennelementen, die für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren mit hoher Leistung sehr geeignet ist, ist in

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Figur 1 bis 4 dargestellt. Das Brennelement 11 besteht aus einem länglichen Körper 13» der eine zentrische Längsbohrung 15 besitzt. Im Körper 13 ist eine Vielzahl von Löchern oder Kammern 17 vorgesehen, von denen jeder einen Körper 19 aus Kernbrennstoff enthält. Die Löcher 17 verlaufen parallel zur Bohrung 15. Im» Rahmen dieser Anmeldung sollen unter dem Begriff "Kernbrennstoff¹¹ sowohl spaltbare Stoffe wie Uran 233, Uran 235, Plutonium 239 usw. oder Verbindungen davon, als auch Brutstoffe wie Thorium 232, Uran 238, usw. oder Verbindungen davon, verstanden werden. Das Körper 13 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. dichtem Graphit, im guten Wärmetransport von den Brennkammern 17 zur Außenfläche des Körpers sicherzustellen, an der die Wärme auf einen Kühlmittelstrom übertragen wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Brennkammern 17 mit nicht kreisförmigem Querschnitt die Wärmeübertragungsflharakteristik de3 Brennelementes 11 besser ist, als bei kreisförmigem Querschnitt. Das der Körper 19 aus Kernbrennmaterial eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als das ihn umgebende Graphit besitzt, treten im Graphit kleinere Wärmeverluste als im Kernbrennmaterial auf.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Wärmeübertragungs-Charakteristik des Brennelementes 11 weiter verbessert v/erden kann, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Körpers 19 aus Kernbrennmaterial, das die Brennkammern 17 ausfüllt, vergrößert wird. Die Verwendung von schichtenförmig gepackten Brennmaterial-

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Partikeln in einem Brennstoffelement dieser Art bietet Vorteile, jedoch werden damit bei kugeligen Partikeln mit gleichen Durchmesser etwa 30 i» des Volumens nicht ausgefüllt. Ss wurde gefunden, daß beim Mischen der Brennmaterial-Partikeln mit einer Substanz hoher Wärmeleitfähigkeit in einer Paste der leere Raum zwischen den Partiekeln ausgefüllt wird, um eine Wärmeübertragung vom Brennmaterial 19 auf dem Körper 13 stattfindet.

Ee wurde weiter gefunden, daß ein guter Wärmeübergang im Brennmaterial auf den Körper 13 auch bei einem Körper aus Kernbrennmaterial 19 erhalten wird, wenn dieser einen wesentlichen Prozentsatz von darin erzeugten Spaltprodukten freigibt. Zusammen mit der Freigabe von Spaltprodukten besteht eine Rücketoßbeschädigung beim Material, in das die Spaltprodukte zurückprallen. Durch Herstellen von kleinen Packungen mit darin verteilten Brennmaterial-Partikeln und durch Einbringen dieser Packungen in eine stützende Grundmasse, können die Zerstörungen, welche aus den Rückstößen der Spaltprodukte im 'Gebiete außerhalb des Partikels selbst resultieren, auf die Packungen beschränkt werden. Die stützende Grundmasse bleibt daher strukturell fest und dimensionsmäßig stabil, so daß eine gute Wärmeübertragung vom Körper 19 aus Kernbrennmaterial auf den Körper 13 aufrechterhalten wird.

Im einzelnen besteht das Brennelement 11 aus dem Körper 13 zwischen einem Kopf reflektor 21 und einem unteren Verbindungsteil 23. Das Brennelement 11 ist so hergestellt, daß es vertikal

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in einen Kernreaktor gebracht werden kann und sein primärer Aufstützpunkt durch das untere Verbindungsteil 23 gebildet wird. Da es in einem gasgekühlten Kernreaktor verwendet werden soll, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung auf diesen Anwendungsfall. Es wird jedoch ausdrücklich bemerkt, daß Jene Eigenschaften dieses Bauelement auch für andere Reaktoren geeignet erscheinen lassen. Der HTGR (high temperature, graphite moderated, gas-cooled reaktor) ist ein Beispiel eines Reaktors dieses allgemeinen Typs; eine Beschreibung davon findet sich im Nudeonics, Vol..18, No. 1, Seiten 86 bis 90, Januar 1960.

Der Körper 13 besteht vorzugaeise aus einer moderierenden Substanz, wie Graphit, das stabil ist, eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und bei Reaktorarbeitsbedingungen strukturell fest ist. Die zentrale Bohrung 15 und die Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden voneinander getrennten Brennkammern 17 können z.B. ausgehend voneinem Zylinder in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Eine bevorzugte Herstellungmöglichkeit besteht darin, den zylindrischen Körper 13 mit den Brennkammern 17 und de? zentralen Bohrung 15 strangzupressen. Das Strangpressen macht aufwenige Bearbeitungsschritte unnötig und ist geeignet Brennkammern jeden gewünschten Querschnitts herzustellen.

Um die Außenseite des Körpers 13 auf gleichförmiger Temperatur zu halten, liegen die geometrischen Mittelpunkte der Brennkammern 17 auf einem zum Außenumfang des zylindrischen Körpers

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konzentrischen, Kreis. An seinem oberen und unteren Teil sind innere Gewinde 25,27 vorgesehen, um ihn mit dem Kopfreflektor 21 und dem unteren V_erbindungsteil 23 zu verbinden.

Am Brennelement 11 existiert von der gesamten äußeren Seitenfläche radial nach innen ein Strom eines reinen, gasförmigen Kühlmittels. DieEörosität des Körpers 13 wird genau kontrolliert, um den gewünschten reinen Gaseinfluß aufrechtzuerhalten, wie im folgenden beschrieben wird.

Die Bohrung 15 des Bauelementes 11 dient sowohl als Durchlaß des reinen Gasstroms als auch als Gehäuse für einen zentralen Moderator 28. In der dargestelltenÄtaführungsform besitzt der zentrale Moderator 28 Blockform aus einer Vielzahl vom zylindrischen Längsstäben eines geeigneten Moderatormaterials, wie Berylliumoxid, Berylliumkarbid, usw. Berylliumoxid ist besonders vorteilhaft; die Längsstäbe haben einen Durchmesser, der 0,2 cm kleiner als der innere Durchmesser der Bohrung ist, so daß ein ringförmiger Gasdurchlaß 29 von etwa 0,1 cm Breite zwischen den zentralen Moderator 28 und dem Körper über dessen ganze Länge gebildet wird. Palis ein Moderator ganz aus Graphit anstelle von Berylliumoxid erwünscht ist, kann die Bohrung 15 auf ein zentrales Loch mit wesentlich kleinerem Durchmesser verkleinert werden, so daß das zusätzliche Graphit auf der Innenseite des Körpers an die Stelle des Moderators 18 aus Berylliumgraphit tritt.

Der Kopfreflektor 21 besteht aus Graphit und ist so ausge-

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bildet, daß es einen Verankerungsknopf aufweist, an dem eine (nicht dargestellte) Brennelementtragevorrichtung angreifen kann. Ein Abstandsring 31 befindet sich zwischen den Enden des Kopfreflektors 21. Dieser Abstandsring stößt seitlich an die Abstandsringe angrenzenden Brennelemente 11, wenn diese in die aktive Reaktorzone eingebracht werden. Diese Ringe gewährleisten den lcleinstmöglichen Abstand zwischen den Brennelementen und diesen zu ihrer seitlichen Stützung. Um ein Verbiegen des Körpers 13 bei den hohen Betriebstemperaturen zu vermeiden, können zusätzliche (nicht dargestellte) Abstandsringe zwischen den Enden des Körpers 13 angebracht sein. Diese Abstandsringe können in an sich bekannter, geeigneter Weise ausgebildet sein; z.B. können sie aus auf stranggepresster Graphitstücke aufgebrachtem und ausgehärtetem teergetränktem Graphitgewebe bestehen. Das untere Ende des Kopfreflektors 21 weist äußere Gewinde auf, welche in die inneren Bohrungen 25 am oberen Ende des Körpers 13 passen. Eine dünne Graphitscheibe 33 schließt die oberen Enden der Bohrung 15 und der Brennkammern 17 ab und wirkt als Abdichtung zwischen dem Kopfreflektor 21 und dem Körper 13.

Das untere Verbindungsteil 23 enthält ein Verbindungselement 35, durch das es mit dem weiteren Ende des Körpers 13 verbunden ist. Dieses Verbindungselement ermöglicht den Einbau einer Auffangvorrichtung 37 im unteren Verbindungsteil 23; diese Auffangvorrichtung enthält eine Vielzahl von Durchlässen 39» welche auf dein Durchlaß 29 passen und eine Ver-

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bindung zwischen der Bohrung 15 und der Auffangvorrichtung 37 bilden. Äußere Gewinde an beiden Enden des Verbindungselementes 35 greifen in die inneren Bohrungen 27 am unteren Teil des Körpers 13 und in die inneren Bohrungen 41 des unteren Stücks des unteren Verbindungsteiles 23 ein. Eine poröse Graphitscheibe 43 ist zwischen dem Körper 13 und dem Verbindungselement 35 angeordnet und verschließt die unteren Enden der Brennkammern 17. Eine Vielzahl von in die Scheibe gebohrten Löchern 49 stehen mit dem kreisförmigen Durchlaß in der Bohrung in Verbindung. Eine Ringnut 47 im oberen Teil des Verbindungselementes 35 macht, die Ausfluchtung der Scheibe 43 mit den Durchlässen 39 im Verbindungselement unnötig.

Das untere Ende des unteren Verbindungsteiles 23 enthält ein neutrales Loch 49, welches einen (nicht dargestellten) hohlen, aufrechtstehenden Stift enthält, um das Brennelement 11 in der aktiven Reaktorzone in seiner Lage zu halten. Das untere Ende des Loches 49 ist erweitert, um das Einlassen des Stiftes in das untere Verbindungsteil 23 zu erleichtern. Eine zylindrische Höhlung 51* welcher einen größeren Durchmesser als das Loch besitzt, ist über diesem angeordnet und steht mit diesem in Verbindung. In der Höhlung 51 ist die Spaltprodukt-Falle 37 untergebracht.

Ein umgekehrtes topfförmigee Filter 53, welches einen Teil der Spaltprodukt-Falle 37 darstellt, ist über der Verbindung zwischen der Höhlung 51 und dem Loch 49 angebracht. Das Filter 53 liegt

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auf einer Graphitabdeckung 55 und einem Sieb 57 aus rostfreiem Stahl auf. Das Sieb 57 und die Abdeckung 55 sind mit Schrauben 59 am Boden der Pa]Le 37 befestigt. Das Filter 53 ist beispielsweise aus porösem Graphit hergestellt, wobei die Porosität so gewählt ist, daß keine festen Partikel mit dem ausströmenden reinen Gas nach außen getragen werden können.

Die Spaltprodukt-Falle 37 besteht (wie am bestehen aus

Figur 3 zu ersehen) aus einem zylindrischen Graphitstück, das in die Höhlung 51 paßt und eine Aussparung in seiner Bodenfläche besitzt, um das Filter 53 aufzunehmen. Eine Vielzahl von radial nach innen ragenden Schlitzen 61 an der Außenseite erstrecken sich über die gesamte Länge der Falle 37. Die Schlitze 61 sind mit Holzkohle gefüllt, welche Spaltprodukte wie Jod, Brom, Telluc, Caesium und Barium absorbiert. Das obere Ende der Falle 37 ist mit einem Graphitstück 63 abgeschlossen, das aus als Abdichtung zwischen dem Verbindungselement 35 und dem unteren Teil des unteren Verbindungsteils 23 dient.

Im Brennelement 11 strömt das reine Gas von der äußeren Seitenfläche des Körpers 13 zur Bohrung 15 nach innen, durch den kreisförmigen Durchlaß 29 zum unteren Verbindungsteil nach unten, dann durch die Spaltprodukt-Falle 37 mit Holzkohle und schließlich durch das Filter 53 wieder nach außen. Vom Filter 53 strömt das Gas durch den hohlen, aufrechtstehenden Stift (nicht dargestellt) zu einem Leitungssystem

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in der Trägerplatte für die aktive Eeaktorzone (nicht dargestellt) und dann zu einem Auffangsystem für Spaltprodukte außerhal des Reaktors. Ersichtlich wird, solange der Druck im Auffangsystem für Spaltprodukte kleiner als der Druck des KühlmittelStroms in der aktiven Reaktorzone ist, ein kontinuierlicher Strom des Kühlgases aufrechterhalten.

Wie aus Figur 2 ersichtlich, besitzen die Brennkammern 17 einen nicht kreisförmigen, sondern einen mehr oder weniger keilförmigen, radial ausgerichtetai Querschnitt. Jede Brennkammer 17 besitzt den gleichen Abstand von der Außenfläche des Körpers 13· Das Graphit, aus dem der Körper 13 hergestellt ist, besitzt für das Gas eine bestimmte Porosität. Der Abstand der Brennkammern 17 von der Außenfläche des Körpers 13 und die Gasstrommenge sind voneinander abhängig. Dabei ist die Gasstrommenge von mehreren Paktoren, wie Porosität des Graphits, Wanddicke des Körpers 13 und Druckgradient abhängig.

Bei einem Abstand der Kammer 17 von der Außenfläche von etwa 0,67 m kann die minimale Gasstrommenge zur Begrenzung der Verseuchung des Hauptgasstroms mit Spaltprodukten auf ein gefordertes Minimum wie folgt, bestimmt werden. Für einen zylindrischen Körper 13 mit einer Länge von etwa 5»25 m und einem Durchmesser von etwa 12,43 cm bei Verwendung von Helium als Kühlmittel ergibt einen Strom von 1/4 bis 3/4 Pfund Helium pro Stunde und Brennelement die geforderte nach innen

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strömende Menge. Generell ist eine Strömungsmenge zwischen 3.1O"⁴ und 1.10"⁵ Pfund Helium pro Quadratzoll Oberfläche und Stunde der geeignete Wert. Für einen Druckabfall von 0,35 kg/cm über einer Wandstärke von 3,81 cm soll das dichte Graphit, gemessen mit Helium bei Raumtemperatur und einer halben Atmosphäre Druck, eine ürosität von etwa

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7,5· 10 bis 1.10 cm /see besitzen. Darüberhinaua soll das Graphit so viele Poren wie möglich vom Mittelwert und so wenig wie möglich sehr kleine Poren aufweisen.

Der nicht kreisförmige Querschnitt der Brennkammer 17 verbessert die Wärmeübertragungseigenschaften des Brennelementes 11. Die Warme1eitfähigeit (k) von Graphit ist gemessen in britischen Handelsamtseinheiten (BTh) (hour) (sg.ft.) (°F/ft.) etwa 95· Kernbrennmaterial in Füllkörperform hat ein K von etwa 2, wogegen ein Pressling mit Graphit-Stückmasse ein K von etwa 15 besitzt. Daher werden die ffärmeübertragungseigenschaften des Brennelementes 11 verbessert, wenn die mittlere Strecke, welche die Wärme vom Brennpartikel in einer Brennkammer zur Außenfläche (wo die Übertragung auf den Kühlmittelstrom stattfindet) des Brennelementes überwinden muß, zum größten Teil vom Graphitkörper 13 und zum kleinsten Teil vom Kernbrennmaterial 19 gebildet wird. Durch Ausbildung der Brennkammern 17 mit nicht kreisförmigen Querschnitten, ist der mittlere Abstand von einem Punkt ia B^enmaaterialkörper zur Graphitkammerwnad kleiner, als bei einer zylindrischen Brennkammer und daher die Wärmeübertragung besser.

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Die Brennkammern 17 können alt jeder geeigneten Art von Kernbrennmaterial 19 gefüllt werden, wie z.B. mit eingebetteten Kernbrennpartikeln. Allerdings hat sich gezeigt, daß die Wärmeübertragung vom Brennmaterial zum Bfennelementkörper 13, d.h. zur Wand, welche die Brennkammer 17 bildet, verbessert v/erden kann, wenn die leeren Zwischenräume bei schichtenförmig gepackten Partikeln mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt werden.

Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1,2 und 4, besteht der Körper 19 aus Kernbrennmaterial aus einer pastenähnlichen Zusammensetzung von Kernbrennstoffpartikeln und einer viskosen Flüssigkeit mit guter Wärmeleitfähigkeit. Die Kernbrennstoffpartikel 65 können sowohl geschichtet als auch nicht geschichtet sein. Jede geeignete viskose Flüssigkeit kann Verwendung finden, jedoch ist eine Mischung aus Graphit und Steinkohlenpaste besonders günstig. Die Paste wird unter Druck mit einer geeigneten Vorrichtung in die Brennkammern gepreßt. Die amorphe Hatur der Paßte gewährleistet einen ausgezeichneten Kontakt zwischen der Körper 19 aus Kernbrennmaterial und'der inneren Wand der Brennkammer 17·

Kachdem alle Brennkammern 17 im Körper 13 gefüllt sind, wird dieser besonders behandelt? um das Pech zu karbonisieren und alle darin enthaltenen flüchtigen Substanzen zu entfernen, bevor es in den Kernreaktor gelangt. Eine geeignete Behandlung besteht darin, den Körper 13 auf eine Temperatur von 1800⁰C

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über etwa 20 Stunden aufzuheizen.

Obwohl an sich keine kritischen Grenzen im Hinblick auf das von den Partikeln in der Paste auszufüllende Volunen jeder Brennkammer 17 besteht, ist ein Wert von 70 i> des Volumens der Kammer 17 günstig, wobei die restlichen JtO^ mit einer Pech-Graphit-rMischung aufgefüllt werden.

Das folgende Beispiel zeigt ein Verfahren auf, ein oben beschriebenes Brennelement herzustellen.

Beispiel I

Ein zylindrisches Brennelement 11 für einen Hochtemperatur-Reaktor mit Helium als Kühlmittel, z.B. ein HTGR, besitzt einen Durchmesser von 11,43 cm. Der Kopfreflektor 21 und das untere Verbindungsteil 23 sind aus zylindrischen Reaktorgraphit-Teilen hergestellt. Der Abstandsring 31 besitzt einen Durchmesser von 11,94 cm.

Der Graphitkörper 13 ist stranggezogen, wobei konventioneller Strangziehtechniken für Graphit angewendet werden. Die Strangzieh-Charge besteht aus 90 Gewichtsprozenten Graphitaehl, wie National Carbon GP 38, mit 10 Gewichtsprozenten Steinkohlenpech. Das Graphitmehl und das Pech werden zu einer Textur durchgemischt und dann bei 15 000 psi und 300⁰C straiggepreßt. Der stranggepreßte kreisförmige Körper 13 hat einen Außendurchmesser von 11,43 cm, eine innere Bohrung von 3,81 cm Durchmesser und eine Länge von 475,4 cm. Zwölf Brennkammern

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sind auf zentralen Strahlen unter einem Winkel von 30° radial angeordnet. Sie haben keilförmigen Querschnitt und sind in der Längsrichtung 1,9 cm und in der größten Querabmessung 0,95 cm breit. Das Strangpreßprodukt wird bei 900⁰C 25 Stunden gebrannt, worauf die Temperatur langsam über eine Zeitspanne von etwa 10 Stunden auf 2600⁰C erhöht wird, um Graphitbildung zu erzielen.

Das Strangpreßprodukt hat bei Raumtemperatur eine Gas-

-1 2 durchlässigkeit für Helium von etwa 5.. 10 cm /see, um die Porosität auf den gewünschten Wert von 5 · 10 cm /see zu verringern, wird das Strangpreßprodukt mit einer Mischung aus Purfuryl-Alkohol und Malonsäureanhydrid im Verhältnis von 10 zu 1 Mol getränkt. Der Mischung werden etwa 13 Gewichtsprozente Ethylcellulose hinzugefügt, um die Viskosität der erhaltenen Mischung auf eine chemische Reinheit von 10 000 zu bringen. Das Strangpreßprodukt wird in 5 Stunden ausgegast und dann für 24 Stunden unter etwa 10 Atmosphären Heliumdruck in das Imprägniermittel getaucht.

Das imprägnierte Strangpreßprodukt wird eingeschliffen und dann in eine Heliumatmosphäre langsam gebrannt, um das Imprägniermittel zu karbonisieren. Das Brennen wird durch langsames Erhöhen der Temperatur auf 100O⁰C über 2 Tage abgeschlossen. Darauf wird die Graphitbildung herbeigeführt, indem das Strangpreßprodukt durch einen Ofen mit einer 60 cm langen Temperaturzone von 2800⁰C geführt wird. Die Geschwindigkeit ist dabei derart, daß jeder Bereich des Strangpreß-

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Produktes für 30 Minuten in der Temperaturzone verbleibt. Darauf werden die inneren Gewinde 25, 21 hergestellt.

Aus Brennmaterialpartikeln 65, Graphit und Steinkohlenpech wird eine Paste hergestellt. Die Brennmaterialpartikffl bestehen aus Thoriumdicarbid und angereichertem Urandicarbid (mit einem Thorium-Uran-Verhältnis von 10:1) mit einem mittleren Durchmesser 700/U und einem 100/u dicken Überzug aus pyrolytischer Kohle. AIo Graphit wird Speer Carbon No. 780 S mit einer Partikelgröße von nicht mehr als etwa· 40/U. Die Komponenten der Paste v/erden im folgenden Gewicht3-verhältnia gemischt:

85 Teile überzogener Brennmaterialpartikel, 5 Teile Graphit und 10 Teile Steinkohlenpech. Die Brennstoffpartikel 65 machen etwa 70 Volumenprozente der Paste aus.

Die Brennkammern 17 v/erden mix der Paste gefüllt, worauf der Körper 13 durch Erhitzung auf etv/a '800° über 20 Stunden gebrannt wird, um flüchtige Komponenten dea Steinkohlenpechs auszutreiben. Darauf ist der Körper 13 für den Zusammenbau mit den übrigen Teilen fertig, welche durch Standardtechniken hergestellt v/erden.

Die Spaltproduktfalle 37 wird in das untere Yerbindungsteil 23 eingepaßt und das Verbindungsteil 35 und zugehörige Teile damit verbunden. Alle Gewinde sind mit einem dünnen Graphitzementüberzug versehen, um dichte Verbindungen herzustellen. Der Körper 13 wird auf das Verbindungselement 13 geschraubt

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und der Moderator 28 eingesetzt. Zylindrische Teile aus gesintertem BeO Bit einer Dichte von etwa 2,9 Gramm pro Kubikzentimeter und einer Länge von etwa 26,07 cm werden dafür verwendet. Die Durchmesser der BeO-Teile betragen 3,6 cm, wodurch ein ringförmiger Durchlaß 29 von etwa 0,1 cm Weite gebildet wird. Das Einsetzen der Scheibe 33 und das Anbringen des Kopfreflektors 21 vollenden das Brennelement

Der Vergleich des Brennelementes 11 mit einem Brennelement der gleichen Größe und Gestalt, dem gleichen Brennmaterial und den gleichen Herstellungsmaterialien, jedoch mit schichten· förmig gepackten Brennmaterialpartikeln in zylindrischen Brennkammern, zeigt, daß das Brennelement 11 überlegen ist. Um eine bestimmte Wärmemenge durch einen Heliumgaskühlstrom zu übertragen, benötigt das Vergleichselement eine Brenntemperatur von etwa 1600 C, während das Brennelement 11 nur etwa eine Brenntemperatur von etwa 1300⁰C benötigt. Diese verbesserten Wärmeübertragungscharakteristik, welche eine Brennmaterialersparnis bewirkt, ist als sehr vorteilhaft zu betrachten.

Obwohl die Verwendung von Brennkammern mit nicht kreisförmigen Querschnitt wegen der erhöhten Wärmeübertragungscharakteristik vorzuziehen ist. Kann ein Brennelement mit ausreichender Wärmeübertragungscharakteristik mit kreisförmigen Brennkammern ausgeführt werden. Solch ein Brennelement kann einen eingebauten Stift aus Moderatormaterial besitzen.

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Ein Brennelement dieser Art ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt.

Das Brennelement 81 besitzt einen Kopfreflektor 83 und ein unteres Verbindung st eil 85 der gleichen Art wie beim oben beschriebenen Brennelement 11. Ein Körper 87 ist zwischen dem Kopfreflektor 83 und dem unteren Verbindungsteil 85 angeordbet; dieser Körper ist verschieden von dem des Brennelemente β 11. Er ist einfach im Aufbau und erfhält einen größeren Volumenprozentsatz eines Berylliummoderators als der Körper 13 des Brennelementes 11.

Der Körper 87 enthält einen Ring 89 auf Moderatormaterial, vorzugsweise Graphit, worin eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden, zylindrischen Brennkammern 91 ausgebildet sind. Der Ring89 hat eine relativ weite zentrale Bohrung 93, in der sich ein zentraler Stift 95 aus Beryllium befindet; der S-fcift ist so ausgelegt, daß ein ringförmiger Gasdurchlaß 97 ausgebildet wird. Der Ring 89 ist ersichtlich von einfacher Konstruktion, z.B. kann er mit den Brennkammern und der Bohrung 93 stranggepreßt werden oder aus einem Graphit-Zylinder hergestellt werden.

Die Brennkammern 91 können mit jedem geeigneten Kernbrennmaterial, wie z.B. die oben beschriebenen in den Brennkammern 17, gefüllt werden. Jedoch werden die dargestellten Brennkammern 91, vorzugsweise mit schichtenförmig gepackten kugeligen Brennmaterialpartikeln 99, gefüllt.

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Eine bevorzugte Ausführungsform des Brennelementes 81 besitzt eine Gesamtlänge von 600 cm. Der Körper 87 ist 532,5 cm lang, hat einen Durchmesser von 11,43 cm und enthält ein Paar (nicht dargestellte) Abstandsringe mit einem äußeren Durchmesser von etwa 25,33 cm. Wie oben schon ausgeführt, sind der Kopfreflektor 83 und das untere Verbindungsteil 85 im wesentlichen die gleichen wie jene des Brennelementes 11. Der innere Durchmesser der zentralen Bohrung 93 beträgt 6,35 cm, so daß der Ring 89 etwa 2,54cm dick ist.

Zwölf Brennkammern 91 mit einem Durchmesser von 1,27 cm sind in Abständen von 30° auf zentralen Strahlen mit einem Durchmesser von 8,89 cm angeordnet. Die Verwendung des Brennelementes 81 ist für Kernreaktoren vorgesehen, in denen der Druckabfall des Kühlmittels zwischen der Außenfläche des Ringes 89 und der Bohrung 93 etwa 0,37 kg/cm beträgt. Der Graphitring 89 hat daher bei Raumtemperatur und einer halben Atmosphäre Druck eine Porosität von 5.10" cm /see für Helium. Das Porenspektrum des Ringes ist wie oben beschrieben beschaffen, wobei die Mehrzahl eine dem Mittelwert entsprechende Größe besitzt.

Der Stift 95 besteht aus geschichteten zylindrischen Blöcken aus Berylliumoxyd mit einer Dichte von 2,9 Gramm pro Kubikzentimeter; diese Blöcke sind kaltgepreßt und dann gesintert. Die Durchmesser betragen etwa 6,15 cm und bilden daher einen Gasdurchlaß 97 von 0,16 cm Weite. Jedd der zwölf Brennkammern

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ist mit schichtenförmig gepackten, kugeligen Brennmaterialpartikeln 99 aus Urancarbid und Thoriumcarbid gefüllt, deren Durchmesser zwischen etwa 350 und 700/U liegen und die mit einem Überzug aus pyrolytischer Kohle von etwa 100/U Stärke versehen sind. Die schichtenförmig gepackten Partikel nehmen etwa 30 $> des Volumens der Brennkammern 91 ein. Das Verhältnis zwischen Thorium- und Uranpartikel beträgt etwa 10 zu 1.

Das obe beschriebene Brennelement vereint einfache Herstellung mit zvBdcentsprechender Wirkungsweise. Es kann in gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktoren mit hoher Leistungsdichte und bei Betriebsbedingungen, die nahe dem Brutpunkt liegen, Verwendung finden. Das Brennelement hat einen Durchmesser von 11,43 cm bei einem entsprechend hohen Betrag von Kernbrennmaterial und einem relativ hohen Prozentsatz eines Berylliummoderators, wobei eine annehmbar hohe Wärmeübertragungs-r charakteristik gegeben ist. Die Verwendung von schichtenförmig gepackten Erennmaterialpartikeln erleichtert das Pullen des Brennelementes 81 und das Auffrischen des Brennmaterials.

Es hat sich gezeigt, daß etwa abgewandelte Brennelemente in gewisser Hinsicht besser arbeiten, wenn Brennmaterialien hohe Prozentsätze von Spaltprodukten freigeben. Jedoch v/ird darauf , hingewieen, daß auch die oben beschriebenen Brennelemente für solche Brennmaterialien geeignet sind, z.B. können die Brennkammern 91 des Brennelementes 81 mit sehr kleinen Kern-

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brennstoffpartikeln gefüllt werden, welche mit feinen Partikeln eines Moderators, wie etwa Graphit, gemischt sind, um ein geeignetes Brennelement für Brennmaterialien mit einem hohen Prozentsatz an Spaltprodukten zu erzielen.

In Figur 5 ist eine andere Ausführungsform des Brennelementes 11 dargestellt, das aus einem Körper 19' aus Kernbrennmaterial besteht, der einen hohen Prozentsatz an Spaltprodukten liefert. Der Körper 19' aus Kernbrennmaterial besteht aus einem Preßling, der so geformt ist, dai er dicht mit der Brennkammer 17 abschließt. Der Preßling 19' enthält Pakete (packets) aus Brennmaterialkörnern und einer geeigneten feuerfesten Substanz, wie Graphit, wobei die Palete in einer Stützeasse 69 aus moderrierendem Material eingebettet sind. Obwohl irgendein feuerfestes Material mit guten Moderatoreigenschaften verwendet werden kann, hat Graphit den Vorzug. In der dargestellten Ausführungsform sind die Pakete 67 als kugelige Bälle oder Erbsen ausgebildet} jedoch können auch andere Formen, wie Stäbchen, usw. verwendet werden.

Die Kernbrennmaterialkörner sind sehr klein; ihre größte Ausdehnung beträgt 10 ax bei einer mittleren Größe von 2/u. Wegen der Rückstöße werden Spaltprodukte im porösen Graphit der Pafefce 67 außerhalb der Kernbrennmaterialkörner abgelagert. Diese Spaltprodukte wandern in die Stützmasse 69t ia der sie vom Gasstrom aufgenommen werden und in das Spaltproduktauffangsystem gebracht werden.

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Die Patete 67 können in jeder geeigneten Weise hergestellt werden. Ebenso kann jedes geeignete Brennmaterial verwendet werden. Körner aus Spalt- und Brutmaterialien können sich im gleichen Paket befinden. Die Prozentsätze der Komponenten können in gewünschter Weise variieren, wobei das Brennmaterial bis zu 50 Gewichtsprozenten des fertigen Pakets ausmachen kann. Vorzugsweise wird folgendes Verhältnis gewählt: 30 Gewichtsprozente Kernbrennmaterialkörner, 60 Gewichtsprozente Graphit und 10 Gewichtsprozente Binder. Die Materialien werden zusammengemischt und ein ausreichender Betrag eines Lösungsmittels für den Binder hinzugefügt, um einen flüssigen Brei zu erzeugen. Es kann jeder geeignete karbonisierbare Binder, wie Äthylcellulose, Polyvinylalkohol, usw. verwendet werden. Die Zusammenballung zu kugeligen Bällen aus dem flüssigen Brei kann nach geeignetem Verfahren vorgenommen werden.

Da es wichtig ist, daß das Graphit in den Paketen 67 nicht durch Rückstöße zerstört wird und die Stützmasse fest und dimensionsmäßig stabil bleibt, müssen die Pakete 67 eine bestimmte minimale* Abmessung haben. Um die gleichförmige Verteilung der Pakete im Körper 19' aus Kernbrennmaterial zu fördern und um die strukturelle Festigkeit der Stützmasse zu erhalten, sollen die kugeligen Pakete nicht zu große Abmessungen haben. Sie sollen einen Durchmesser von 0,16 bis 0,64 cm besser 0,32 bis 0,64 cm haben,

Die Pakete 67 werden mit geeignetem, die Stützmasse bildenden,

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feuerfestem Material, vorzugsweise Graphit, gemischt. Die Mischung wird mit geeignetem Verfahren zur Einbringung von Kernbrennmaterial in eine Stützmasse zu Presslingen verarbeitet, z.B. können die Presslinge heiß- oder kaltgepreßt oder stranggepreöt und dann gesintert werden. Obwohl natürlich keine untere Grenze für den Volumenprozentsatz der Presslinge in den Paketen 67 besteht, soll der Prozentsatz weniger als 50 io und vorzugsweise nicht mehr als 30 # betragen, um sicherzustellen, daß der Preßling die gewünschte strukturelle Festigkeit besitzt. Die Zerstörung der Kernbrennmaterialkörner durch Rückstöße der Spaltprodukte ist im wesentlichen auf das poröse Graphit beschränkt, wobei die Stützmasse 69 frei von merklichen Zerstörungen dieser Art bleibt. Eine wesentliche Beschädigung der Stützmasse 69 infolge der Rückstöße kommt durch Schrumpfen des Graphits zustande, wodurch sich ein Spalt zwischen der Außenfläche des Preßlings und der Innenfläche der Brennkammer 17 bildet. Je größer so ein Spalt ist, um so größer ist der Verlust an Wärmeübertragung durch ihn. Me vorgesehene AusseLgerung von Kerbrennmaterialkörnern mit hohen Prozentsätzen an Spaltprodukten verhindert diesen möglichen Verlust an Wärmeübertragung.

Beispiel II

Dur Herstellungsgang von Beispiel I wird zur Herstellung eines ähnlichen Körpers 13 wiederholt. Anscatt die Brennkammern 17 -^it Paste auszufüllen, werden Preßlinge Ij¹ aus hochzorfullendem Kernbrennstoff verwendet.

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Es finaen kugelförmige Pakte 67 von 0,4/5 cm Durchmesser verwendung. Die Pakete 67 sind aus Körnern aus angereicnerfcen Uran- und Thorium-Oxyden hergestellt, die eine mittlere Partikelgröße von 5/U und eine maximale Partikelgr^ße von IO ,u hauen. Grapnit-Partikel (.,peer Garbon imo. 7öO S) in ähnlicner Größenordnung finaen Verwendung. Diese Stoffe werden brocken mit Äthylcellulose-Binder i^ folgenden vernaltnis _feemischt: IO Gramm angereicnertes Uran-Oxyd, 200 Gramm iho-iumoxyd, 60 Gramm uraphit und 20 üramm Äthylcellulose. jüiese mischung wird ausreichend n:iü i'richlorätnylen zum Lösen eier Äthylcellulose una zum Herstellen eines ^reis zugesetzt (ca. 20 ml/Gramm iithylcellulose). Beim langsamen Verflüchben des .Lösungsmittels werden die Kugeln durch den Brei aBammengebacken. uer Zusammenballun^bprozeii zur Herstellung von Äugeln mit einem Durchmesser von 0,475 cm wird' unber Verwendung von bekannten xechniken durchgeführt. Diese Kugeln werden ca. zwei Stunden bei 200⁰C getrocknet. J^s entstehen uie harten kugelförmigen Pakete 67.

Die Pakete 67 werden trocken mit uraphiu und einem Binder gemischt, um Preßlinge zu erhalten, deren Volumen zu 30% aus Pakten 67 bestehen. Mne Mischung aus folgenden Gewicht sverhältnissen wird genommen:

55 Gramm Brennstoffteilchen, 40 Gramm uraphit und 5 Gramm Äthylcellulose. Nach dem trockenen Mischen wird ausreichend - ca. zwei ml Tricnloräthylen pro Gramm Ithylcellulose τ zur Herstellung einer Jfaste zugesetzt. Me Paste wird leicht

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vorgepreßt, getrocknet und d.nn bei einem Druck /on ca. I'iO kg/cm zu keilen gepreßt, die in die Brennkammern 17 passen, wach dem kalten iressen, „«„erden die ire:.linge zehn iitunden lang Dei IbOO⁰C ge sin
in en Körper fertigzumachen.

otunden lang Dei 1800 C gesintert, um sie für das einsetzen

Die gesinterten Preßlinge werden sorgfältig in die r.rennkammern I/ eingepaßt, .ulie zwölf Kammern ,veraen gefüllt. Der ^ Dr i ^t? .eil des hsrennelemeiiLs ist *ie Im neicspiel I aufgebaut.

Dieses i-rennelement wird mit/ einem bis auf uie .örennstoff-Köi-^er pti,/siK:alisch ähnlichen trennt χ en:ent verglichen.· Uas Verßleichs-Brennelement ,veisi aie tjloicne i^a^^e Kernbrennstoff in Form eines ±re:-linrs miu unübei'zo^enen Kernort-nnstoffcarbid-.eiichen von einem durchschhiLtiicnen Durciiaiesser von ii; einer Grapnit-i3tützm:,ssc auf. eid· ^reuntleiiienue v unter den gleichen Stratirangsbedingungen f-r due gleiche ae at.ue:.· uci einem Heliumdurchsatz von cu. de/ .jr.3arju Heliaiii pro Brennelement unü Stunde O

uei;i. . erziel ca'der äußeren .-.D^ci.eider, durcL. aie der ricini_eu g, sstrom bei jeue... isrennelemenv ^ef-nru ,-.ird, ü-ti ~n sie . ü. aeu.aiae unter;icniede. Besondere ...uf^trKst^ikeiu _zil-'c aacei .:en r.delfcusen xenon und Krypton, it isotope :.;i „ seur uonem neutronen—i.infiin_L;..uerschnitt besitzen, w-berlegungen zfci_;en, daß der s.ei:ii ran^tiotrom eLes? uurce aas .ergieicascreiineleiüent nur an^ef ihr y .o der gasföi-iui e:: Spalt^rcdukte \⁷oa aeji jSrenn

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stoff körper abführt, während der iieinigungsstrom durcn das Brennelement nach Beispiel II ungefähr $0% der anfallenden • gasfdrmigen Spaltprodukt abführt.

Jiine Untersuchung des Körpers J.j> zeigt, daj. die brennstoff-Preßiinge ihre ursprünglichen Abmessungen beibehalten und einen j,uten «ärmeübergan. zu aen Innenwänden der .brennkammern 17 aufrechterhalien. Die beschrieDenen Brennelemente erscheinen für aen uebrauch in gasgekühlten Kernreaktoren hervorragend geeignet.

verscniedene andere Brennelemente, die' besonders für Kernbrennstoff*; mil, einem hohen .,jifall an .opaltjjroauköen fent.vorfen ,vui'den, ain, ix. cen 'i.jui-en ο Dis II u-^r^osuellt. jedes diener , rerinelemeriotr cojic-zt üine;· üopfrcflektor und ein unteres Verbiiidun-_O3oeil, die· iu ...er Auei'uuruiy uerien _er . rennfc II und öl ährieln.

dedoca besueuen ersichtlich Uncerscuiede in deii Körpern zwischen jedeL. jieser Elemente una dem ürennelemen-υ II.

In ΛβΏ. jiguren b bis II sind Brennelemen ·.-, 101, III, 121 und 1^51 aargestellt. Jedes aieser Brennelemente ist für den Einsatz in einem gasgekühlfcen üochLeiaperatur-Kernreaktor honer Leistung ausgelegt. Jedes diener Brennelemente hat einen äußeren Iv.antel aus porösem Graphit, uurch den ein gasfonaigeB Künlaittel in einen zentralen im Inneren der ßrennelementekörper eintreten kann.

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höt jedes der x,rennelemenbe eine ringförmige licennzone. In uen Brennelementen 121, I3I besteht die Brennzone aus einem vollständigen Ringkörper, während in den .brennelernenLen 101 und III wie bei den oben beschriebenen Brennelementen II und 81 die Brennzone aus einer Vielzahl von Eiiizelkammem besteht, die innerhalb eines Hingkörpers räumlicn getrennt angeordnet sind.

Im einzelnen besitzt das Brennelement 101 nach i'igur 8 einen zylindrischen Graphitkörper 105. Ein Teil des zylindrischen Körpers IO3 wird dux'ch fünf Brennkammern miu kreisförmigem Querschnitt gebildet. Konzentrisch zur ^uuenwand des zylindrischen Körpers 103 verläuft ein zentraler ßeinigungsgasdurchlaß IO7.

Der Graphitkörper 103 besitzt, wie oben beschrieben, eine bestimmte Durchlässigkeit für das Kühlgas, so dai. nach Jüinbau α es .Brennelementes 101 in einen arbeitenden Kernreaktor ein Keinigungsgasstrom durca die ganze Mantelfläche des Körpers 103 radial in den Durchlas 107 geht, von wo de.· Reinigungsstrom in den inneren Abscheider für die bpaltprodukte im unteren Verbindungsteil geführt wird, i'alls gevmnscht, kann uer Jirennelementkörper 103 stranggepresst una dann, wie anhana von Beispiel I bescarieben, imprägniert werden, um ihm die gewünschte basdurcnlässigkeit zu geben.

Die fünf zylindrischen Brennkammern IO5 können mit Brennstoff-

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'körpern in ._L'orm von irrei.linvjc.-n b. sbückt vve.den, bei denen, .-ie ooen beschrieu·η, kugelförmige takete o7 Verwendung, finden. Die fünf npennkamroern 105 von großem Durchmesser verursachen einen xüistieg der Brennstoff temperatur; dadurch «vird der Anfall an Spaltprodukt, en aus dem Brennstoff größer, andererseits können aie Brennkammern 105 des brennelementes 101 vorzugsweise mit einer· mischung Von 'inoriumoxjd- una υranoxyd-jrartikeln gefüllt sein, die kleiner als 1 Ai und in mikrofeinem uraphit, mir einex· Jrartikelgröi.e von ca. 0,5 /U verteilt sind, Ditse mischung wird vorzugü/zeise iiu folgenden verhältnis angewandt; Ungefähr IO Gewichtsteile Ihorium, I Gewichts$eil Uran una kO üewichts"ceiie braphit. wei ^n.veridun^ eine, χ ackung 10·^ aus feinen Kernbrennstoffpartikeln, aie in üiikrofeinmal Grapnit eingebettet sind, verringern sicn die Spaltprodukt um einen hohen r-reozentsatz.

Das Brennelement HI ie& naca iigur 9 J-öC im allgemeinen .e.ii .brennelement ΙΟΙ ähnlich und hau einen vexnältnismäi^ig kleineren zylindrischen Graphitkörper 1I3> in eiern eine ringförmige ürennzone aus fünf Brennkammern 115 von Kreisq_uerscnnitt ang ordnet ist. Der Körper 113 besitzt einen zentralen Eeini^ungsgasdurchlaß 117 durch den der durcn die Mantelfläche eintretende xteinigungsstrom in einem abscheider für die opalt^rodukte im unteren Verbindungsteil gesöjnmexc //ird..

um die .lUi.enfläche des Körpers 113 ist eine gut passende uraphithülse 118 angeordnet. Diese hat eine bestimmte G-asau cnläosigkeit. Die .anwendung diesex- üülse 118 macht die Behandlung des

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Körpers 115 zur verringerung der Porosität auf einen gewünschten ,<ert überflüssig. Daher kann der .Körper Up eine relativ hohe ü-asdurchlässigkeit besitzen, während die hülse 118 zuverlässig aen Durchfluß an iteinigungsgas reguliert und weitgehend verhindert, duE> Spaltprodukte in oen Kühlutrom gelangen. Uiesu- relativ hohe Gasdurcnlässigkeit begünstigt dass üinströmen von üpaltprodukten in den xteinigungsgasäurchlcJi 117· Die; brennkammern 115 sind varzugs weise mit in mikrofeinem Graphit eingebetteten feinen .kernbrennstoff-Partikeln bestückt, wie im Zusammenhang mit dem brennelement 101 beschrieben wurde.

in dem Brennelement 121 nacn ligur IO besteht der Körper 12;> aus zwei getrennten urup.iit stucken, einem inneren ,ut'ift L.-A und einer äuueren uraphithülse 125· Die äußere nülse IdS iso an einem Kopf reflektor un>. einem unteren verbin .mn^s^tück ähnlicQ wie der Körper H^ ai.ü i-renneleiiiuiiu^ · xil lh, r'eatigt. Ker oraptiitstift 1^4 iot in geeigneter »ieis. Konz^iiLi-iüca in aer Hülse befestigt, um dciZ.vischen eine ringförmige rennzone in jjorm einer Kintcbrennkammer i26 unterzubrin ^n. ver ötift 12^ α.Λ zylindrische Poi'm unu einen konzentri^caen inneren Keinit^ungsfasdurciilaß 127, so daß oer Kühlgasstrom radial durch die ganze &.antelfläcne der äuüeren Hülse 125 cturcn cie xir"ennzone und dun Dorn 124 in den iteinigungsgasdurchlui. 127 nach inn^n strömt, der zu einem inneren Abscheider für axe Spaltprodukt e ira unteren verbindun^stück des Brennelementes i2I führt.

uraphifcstift 124 ist aus relativ porösem, billigem graphit gefertigt, dv\s eine csUsreichende fliehte ctsitst, uiu einen nuten

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Moderator darzustellen, aber dennoch porös genug ist, um euer eine gute Diffussion der spaltprodukte radial in aen Durchlcdä 127 zu begünstigen als eine nach auben dui'ch die Hülse 125· -uie ringförmige Brennkammer 126 ist mit einem pa.risenu.en nochspaltbaren Kernbrennstoff bestückt· Vorzugsweise ist die .Brennkammer 1^6 miL einer Vielzahl Von in eiue urapuit,masse eingebetteten Ringen 129 ^us Kernbrennstoff, ähnlich //ie in uen .freiilingen 19* bestückt. Die .ulnge 129 sind je 15»25 cm noch unu hauen einen AuLenaurchmesaer der .veniger als 0,254- mm kleiner ist als der Innendurchmesser der Hülse 125» um einen·entsprechenden iVärmeüDertjiJig zu gewährleisten, ebenso können Partikel aus KernDrennm.ioei'ialox/den von weniger als lo/U Grö;.e eingebettet in eine Paste, wie die oben im Zusammenhang mit aem brennmaterialkörper 19 beschriebene, Verwendung finden.

In dem brennelement L'jl nach ι igur II oesteht der Körper auo zwei konzentrischen Köhren odei· nülsen 134- und 135 «*us uraphiü. Lie aui.ere Hülse 13^- ist an einem Kopfreflektor und einem unteren /erbinaungsteil wie der Körpcj; I^ des Brenneleiuentes ll oefc-stigt. Die innere nülse 135 is^ in passender Weist; konzentrisch innerhalb der äußeren tiülse Ij>4 uefestigt, um dazv/ischen einer ringförmigen ürennzone in j?orm einer xvingbrennkammer 136 Platz zu bieten, jbin zentraler moueritrenaer otift 137 is"C innei'halb dei- inneren Hülse 135 angeordnet. l,lbcsüeht vorzugsweist; aus einem jnateri^.l ^iu guten iuoaerator-Ligenscnaften, wie c

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Der iiußendurchmesser des Stifte 137 isü so Demessen, cUb ein ringförmiger Heinigunysgadurchlai., I38 zwischen seiner Außenwand unu der Innen-vand der mil se 1^5 entsteht, nei Betrieb geht der tteinigungsgas strom radial nach innen durch die ganze Mantelfläche der äußeren Hülse J.34-, durca diese

hindurch, durch die Brennkammer 136, durch die innere Hülse ±35 und dann in den jxingdurchlak ±38 nach unten in einen unteren abscheider Tür die Spaltprodukte im unteren ver-_v bindungstv.il des Brennelements IpI. Die innere nülse ist poröser als die äubere, um die Diffussion der Spaltprodukt aus der .brennkammer lpö in den üeinigun^sgasaurcnla^ 138 zu begeünstigen.

»Vie bei dem dargestellten brennelement 131 ist die Brennkammer 136 vorzugsweise mit vier ßrennstoff-Preülin^en 139 bestückt, die die Form von Hingelementen haben und ziemlich genau passen, um den spalt zwischen den bänden der nülsen ±34- und 1^5 auszufüllen, wobei der opalt die ningbrennkammer 136 darstellt. Die Brennstoff-Preßlinge 1^9 können aus einem geeigneten hochspaltbaren Kerbrennmateriai besceüen. vorzugsweise sind die .Preßlinge ±39 nach .art der lirennmaterialkörper ±9' nacn. i'lgur 5 hergestellt, wobei Teilcnen axe hochspalt bare

Kern^toff-Partikel enthalten, in eine tragende Packung eingebettet sind, .andererseits könnte die King brennkammer, falls gewünscht, mit einer Packung bestückt werden, die hochspaltbare .Kernbrennstoffe enthält, ähnlich .,ie bei den brennelementen ±01, III und ±21.

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Claims

r .. w u χ. - a ix sp r ii c h. β

I. Brennelement; fur einen, gas^ek^nloen. Kernreaktor, d-durch gekennzeichnet, d ß ein länglicher Körper (.13» 87» 103» 123, 133) ά-Uo feuerfestem Material iu vorgegebener u^sciurchlädsi keit/ vor ^e seilen ist, dau der längiicn ftörper eine /ielzanl von sicn in seiner j-.-angsrien.Lung ersbrechenden

( 17,91, IO5, 115> 126, 1^6; iiai at.rin encjvernbrennmaterial (19, 99, 109,129, 139; ufweist, daii ein .uurchla.. U5, 93, IO7,1I7,j.27,I38; für reines ub.s von der ^.Ui^enseite des körpers ins innere der lji-ennkammer vorget.eh.en ist, a^ß bei Einbringung aes Brennelementes (.11,81,101,111,121,131) in. einen ß.fcrnreaktor und oei einem

des Gases im zenor^len j^adurcnla., .«eicn.er Kleiner der υ tuck an der _ui.enfläcrie des ü.örpers ist, ein radial von aer aUö.. enfiäcn^ aes üörpers nacti innen strömender aasstrom jede brennkammer aurcuaetzt und in den üascLurchlaß eintritt, um die gasfw-riii^eji opaltproauküe d^ü ü in den u-ctsdurcal·^ zu Dx^in^tn.

2. Brennelement nach ^nspruch I, a^aurcn .^fckennzei ruiet, a; aer üörper v.13, 87, 103, J-2^, 133) einen genau kreisf .,uersciinitt besitzt una eine in inm -/orh-ndene, zeiiurde Längsbonrung (15, 1Ο7, 117, 127) ^Is Gasdu^chla.. aient.

p. Brennelement ndch Anspruch 2, Q-Ciurcu ^ekennzeicnneü, d.^-. ein Stift (.28, 95, 124, 137) aus IvioaeratorDiaueriul entnält, v.odurch ein rin^5rmi_;er jjurchldi^ (29, 97, 138) ^usgebilaet ist.

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4. i.i'üxiiielfci.'iient nach uen vorhergehenden .jisprüchen, ...i urch gekeiinz lehnet, «,.,..lie .körpei^ CIIJ) /on einem äußeren ^. λv-el (,lld) aus feuerfestem ltataial u,iu vorgeg JcJ einen r Gasdurchläüsigkeit als jeiit-r des ivörpas umgeben ist.

5· brennelement nach den vorhergehenden Ansprüchen, α-.euren ekcnn^'iciint. ι, ü-i. die brennkammern (17) nicnb kieisf Jriui_t.en uerschnitt besitzen.

. brennelement nach aen vorhergehenaeii nric-pi-ü-ohen, acurch tjokennzt. ichnet, da,, die Hi-ennk^jnmern einen vorgehe Denen Linimalaüi7tand von der ^Ui.eni'l ehe des körpers bto'iczen.

7. M'ennelement nach den vorhergchenat;ii .axtiprüchen, d.uurch gekcnnZ'ichn«. ., κ ti de Körpui· (17) .Ua Kernbrennmaterial aus Partikeln (65) doL- Kernoreiinm.to i-,lis bc^teut, .excne in «. inem Material mi^ £Uter „ära;elt.itfähi_Ljkeit eingcDettet sind, ..oülx dt.·χ· Körper (L7) die iTreiinkammer volj/ausfüllt.

8. Brennelement nach xxnsp uch 7» d.,aurch gekennzeichnet, da. der Körpt-r' aus ürenninataial aus in oteinkohlenpech eingebett/%eten ^artikeln des nernbrennmatei-ials oestetit.

9. Brennelement n:cii .oispimch 7·» aac.urch aekennzt-ichnet, di.id«s Kernbrennmaterial durcn tine vielzanl von Paketen (b7) auc einer Mischung von Kernbrennmaterialkornern unu einer feuerfesten oubstanz gebildet ist, wobei die rakete nicht mehr als 50 Volumenprozente des iiernbrennmateialkdrpers (.I9¹) auemajht-n.

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Ιο. Brennelement nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dals die Pakete (.67) aus einer mischung von Graphitmehl und Körnern aus Kernbrennstoffox,yden ohne Überzug mit einer Partikelgröße von weniger als IO/U bauteilen.

11. Brennelement nach Anspruch 9 una 10, dadurch gekennzeichnet, ciaiü die Pakete (67) aus Kugeln miC einem durchmesser von 0,^2 bis U,64 cm bestehen.

12. Brennelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dab der Körper (123, 153) eine einzige ringförmige brennkammer , I36) enthält.

13· Brennelement n^cn ^jaspruch 12, cuuurch gekennzeichnet, deft eine äubere niilse (125 J iuit einem inneren Durchmesser welcher gröber ..Is die ^uuenabmessung ues längii .uien Körpers (124) ist, ciies η Körpe,.· umgibt, wobei eine ringförmige .brennkammer (1<ί6) z.vischen dei^v ilülse ana dem Körper ausgebildet ist.

14. rrennelement nach ^jaspnuch 1^, d.uurch gekennzeichnet, daß d=s Kernbrenruttate·ial aus mehreren ringförmigen oegmenten von Prei.lin^en (1^9) besteht.

15« Brennelement nach den vorhergehenden .jasprü ,iien, cr.uurch gekennz-.icnner, daß ein Brennmaterial Verwendung findet, welcn.es //eni^stens 50 % der darin gebildeten gasförmigen Spaltprodukt freigibt.

16. Brennelement nach den vorhergehenden .Ansprüchen, duüurch

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gekennzeichnet;, dab das feuerfeste material o.us üraphit besteht.

17· verfahren zur Herstellung eines Brennelementes nach u^n Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dab &ernbrennmaterial-Partikel mit einer viskosen Flüssigkeit zur bildung einer Paste gemischt wird, dab die .taste unter uruck in eine Hammer in einem feuerfesten material üiit noher wärmeleitfähigkeit gepreßt »vird, so daß die raste die üammer vollkommen ausfüllt, wooei ein Brennelement entsteht, das ausgezeichnete Wärmeleitung z.viscnen den Brennmaterial-Partikeln und dem die üammex* bildenden feuerfesten Material besitzt.

18. Verfahren nach Anspruch 171 dadurch gekennzeichnet, daß die Paste in der Kammer aufgeheizt wird, um darin enthaltene flüchtige otoffe auszutreiben und die .Faste auszuhärten.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oaer 18, daaurch gekennzeichnet, daii die raste aus einer mischung von mit Steinkohlenpech und graphit überzogenen Kernbrennmaterial-Partikeln gebildet wird, wobei die üernbrennmatei-ial-Partikel nicht mehr ^Is 7^ Volumenprozente der raäse ausmachen.

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