DE1489918B2 - Brennstoffelemente fuer einen gasgekuehlten kernreaktor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein ten durch Abtransport eines viel höheren Prozent-Brennstoffelement für einen gasgekühlten Kernre- satzes dieser giftigen Spaltprodukte zu verbessern, aktor, mit einem langgestreckten, einen axialen Es ist weiterhin aus der USA.-Patentschrift Hohlraum aufweisenden Körper, dessen Wandung 3111477 ein Brennelement für einen gasgekühlten feuerfest und gasdurchlässig ist und einen Kern- 5 Kernreaktors bekanntgeworden, dessen langgestreckbrennstoff enthält, sowie auf ein Verfahren zur Her- ter Körper Moderatorblöcke mit einer gewissen Gasstellung eines solchen Brennstoffelementes. . durchlässigkeit umfaßt. Auch sind in diesem Körper

Bei Hochleistungs-Kernreaktoren mit fließendem sich in seiner Längsrichtung erstreckende Brennkam-Kühlmittel zur Abfuhr der Wärme aus den Brenn- mern' für Kernbrennstoff vorgesehen,
elementen im Reaktorinneren ist es wichtig, einen io Die deutsche Auslegeschrift 1051422 offenbart wirksamen Wärmeübergang vom Brennstoff der einen Kernreaktor mit einem Brennstoffelement, Brennelemente auf den Kühlstrom zu erreichen. Je durch dessen Inneres ein Reinigungsstrom fließen wirksamer die Wärmeübergangs-Charakteristiken kann. Bei diesem Brennstoffelement sind jedoch in eines Brennelementes sind, um so niedriger kann die seiner Wandung keine sich in Längsrichtung er-Brennstofftemperatur dieses Elementes beim Über- 15 streckende, mit Kernbrennstoff gefüllte Brennkamgang einer bestimmten Wärmemenge pro Zeiteinheit mern vorgesehen.

auf den Kühlstrom gehalten werden. Niedrigere Bei einem aus der französischen Patentschrift Brennstofftemperaturen bedeuten größere Lebens- 1 336 371 bekanntgewordenen Brennstoffelement ist dauer der Brennstoffelemente und folglich niedrigere zwar auch eine Reinigung über einen Kühlmittel-Betriebskosten des Reaktors. 20 strom möglich. Dabei werden jedoch verschiedene

Zusätzlich zu guten Wärmeübergangs-Charakte- Abschnitte aus Graphit mit unterschiedlichen Poro-

ristiken sollten die Brennelemente so ausgelegt sein, sitäten verwendet, was zu einem sehr komplizierten

daß sie bei Betriebstemperatur über längere Zeit im Aufbau führt.

Inneren eines Kernreaktors stabil arbeiten. Darüber Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zuhinaus stellen die Kosten wie bei jeder Anlage zur 25 gründe, ein relativ einfach aufgebautes Brennstoff-Erzeugung von Nutzenergie ebenfalls einen bedeuten- element anzugeben, bei dem eine im wesentlichen den Faktor dar. Daher sollte also die Auslegung der vollständige Abführung von flüchtigen Spaltpro-Brennelemente die gewünschte Stabilität ohne hohe dukten und gleichzeitig eine wirksame Neutronen-Herstellungskosten erreichen. Die Konstruktion der bremsung gegeben ist.

Brennelemente sollte also ziemlich unkompliziert 30 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem

sein, um schwierige Bearbeitungs- oder Herstellungs- Brennstoffelement der eingangs genannten Art da-

verfahren unnötig zu machen. durch gelöst, daß der Körper aus Moderatormaterial

Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Auslegung von besteht, innerhalb seiner Wandung wenigstens eine Hochleistungs-Kernreaktoren ist das Niedrighalten sich in seiner Längsrichtung erstreckende, Brennstoff der inneren Verluste im Reaktorkern, die die effek- 35 enthaltende Kammer aufweist und daß in dem Hohltive Leistung des Reaktors herabsetzen. Viele der raum des Körpers in Abstand von der Wandung des Spaltprodukte, die beim Spalten des Kernbrennstoffes Hohlraumes ein innerer Körper aus Moderatormateentstehen, sind »giftig«; dabei handelt es sich um rial angeordnet ist.

Isotope mit einem relativ großen Neutroneneinfangs- Bei diesem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennquerschnitt in dem Leistungsbereich, in dem der Re- 40 stoffelement wird durch den Hohlraum in vorteilaktor arbeitet. Diese giftigen Spaltprodukte setzen hafter Weise der Weg der flüchtigen Spaltprodukte die Neutronendichte des Reaktorkerns herab. Um von den Brennkammern zum Reinigungsstrom vereine bestimmte Neutronendichte im Kern beizube- kürzt, andererseits die Bremsung der Neutronen halten, müssen diese Neutronenverluste durch höhere nicht gemindert. Dies ergibt sich daraus, daß im Ab-Ausbrandgeschwindigkeiten des Brennstoffes korn- 45 stand von der Innenwandung des Hohlraumes ein pensiert werden, was die Betriebsleistung herabsetzt. Körper aus Moderatormaterial vorgesehen ist. Dieser Es ist wünschenswert, diese Verluste durch Frei- Körper kann auf Grund seines einfachen Aufbaus machen des Kerns von giftigen Spaltprodukten zu aus einem Material aufgebaut werden, das im Ververmindern, gleich zu Graphit besser Neutronen bremst. Als

Es ist bekannt, bei gasgekühlten Reaktoren einen 50 solche Materialien kommen gemäß einer Weiterbil-

kleineren Teil des Gasstromes vom Hauptkühlstrom dung der Erfindung Beryllium oder Berylliumver-

abzuzweigen und dieses Reinigungsgas über den bindungen in Betracht.

Brennstoff zu leiten. Dieser Reinigungsstrom soll Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich

Spaltprodukte, die vom Kernbrennstoff stammen, in aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh-

einen »heißen« Abscheider innerhalb des Brennele- 55 rungsbeispielen an Hand der Figuren,

mentes und/oder in eine Rohrleitung tragen, die aus Es zeigt

den Brennelementen in einen oder mehrere äußere F i g. 1 die teilweise gebrochene und teilweise geAbscheider führen. Diese Reinigungsgassysteme sol- schnittene Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebaulen jedoch nur verhindern, daß radioaktive Spalt- ten Brennelementes,

produkte, die aus dem Brennstoff stammen, den 60 Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene 2-2 in Fig. 1,

Hauptkühlstrom erreichen und verseuchen. Bei F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils

Brennelementen dieser Art besteht die erste Auf- von F i g. 2,

fangeinrichtung für die Spaltprodukte aus dem Kern- F i g. 4 einen vergrößerten Ausschnitt einer ande-

brennstoff selbst, wobei oft beschichtete Teilchen ren Ausführungsform des Brennelementes,

Verwendung finden. In solchen Fällen transportieren 65 F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren

die Reinigungsgassysteme nur wenige Prozent der auf- Ausführungsform eines Brennelementes,

fallenden Spaltprodukte ab. Es ist jedoch wünschens- Fig. 6 das vergrößerte Bild des Schnittes in der

wert, die Betriebscharakteristiken von Brennelemen- geschnitten dargestellten Ebene in F i g. 5, und die

3 _. 4

F i g. 7 eine Ansicht entsprechend F i g. 6 einer märer Aufstützpunkt durch das untere Verbindungsweiteren Ausführungsform eines Brennelementes. teil 23 gebildet wird. Da es in einem gasgekühlten

Eine Ausführungsform eines Brennstoffelementes, Kernreaktor verwendet werden soll, bezieht sich die die für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren nachfolgende Beschreibung auf diesen Anwendungsmit hoher Leistung sehr geeignet ist, ist in F i g. 1 5 fall. Es wird jedoch ausdrücklich bemerkt, daß die bis 3 dargestellt. Das Brennelement 11 besteht aus Eigenschaften dieses Brennstoffelementes es auch einem langgestreckten Körper 13, der eine zen- für andere Reaktoren geeignet erscheinen lassen. Der trische Längsbohrung 15 besitzt. Im Körper 13 ist bekannte HTGR (high temperature, graphite modeeine Vielzahl von Kammern 17 vorgesehen, von rated, gas-cooled reaktor) ist ein Bespiel eines Redenen jede einen Körper 19 aus Brennstoff enthält. io aktors dieses allgemeinen Typs (Nucleonics, Vol. 18, Die Kammern 17 verlaufen parallel zur Bohrung 15. No. 1, Seiten 86 bis 90, Januar 1960).
Im Rahmen der Erfindung sollen unter dem Begriff Der Körper 13 besteht aus einer moderierenden »Kernbrennstoff« sowohl spaltbare Stoffe wie Substanz, wie Graphit, das stabil ist, eine gute Uran 233, Uran 235, Plutonium 239 usw. oder Ver- Wärmeleitfähigkeit besitzt und bei Reaktorarbeitsbindungen davon, als auch Brutstoffe wie Thori- 15 bedingungen strukturell fest ist. Die zentrale Bohrung um 232, Uran 238, usw. oder Verbindungen davon, 15 und die Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenverstanden werden. Der Körper 13 besteht aus einem den voneinander getrennten Brennkammern 17 kön-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. dich- nen, z. B. ausgehend von einem Zylinder, in an sich tem Graphit, um guten Wärmetransport von den bekannter Weise hergestellt werden. Eine bevorzugte Brennkammern 17 zur Außenfläche des Körpers 20 Herstellungsmöglichkeit besteht darin, den zylindrisicherzustellen, an der die Wärme auf einen Kühl- sehen Körper 13 mit den Brennkammern 17 und der mittelstrom übertragen wird. zentralen Bohrung 15 strangzupressen. Das Strang-

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von pressen macht aufwendige Bearbeitungsschritte unBrennkammern 17 mit nicht. kreisförmigem Quer- nötig und ist geeignet, Brennkammern jeden geschnitt die Wärmeübertragungs-Charakteristik des 25 wünschten Querschnitts herzustellen.
Brennelementes 11 besser ist als bei kreisförmigem Um die Außenseite des Körpers 13 auf gleichför-Querschnitt. Da der Körper 19 aus Kernbrennmate- miger Temperatur zu halten, liegen die geometririal eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als das ihn um- sehen Mittelpunkte der Brennkammern 17 auf einem gebende Graphit besitzt, treten im Graphit kleinere zum Außenumfang des zylindrischen Körpers 13 kon-Wärmeverluste als im Kernbrennmaterial auf. 3° zentrischen Kreis. An seinem oberen und unteren

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Wärmeüber- Teil sind innere Gewinde 25, 27 vorgesehen, um ihn tragungs-Charakteristik des Brennelementes 11 weiter mit dem Kopfreflektor 21 und dem unteren Ververbessert werden kann, wenn die Wärmeleitfähig- bindungsteil 23 zu verbinden.

keit des Körpers 19 aus Kernbrennmaterial, das die Am Brennstoffelement 11 existiert von der geBrennkammern 17 ausfüllt, vergrößert wird. Die 35 samten äußeren Seitenfläche radial nach innen ein Verwendung von schichtenförmig gepackten Brenn- Strom eines reinen, gasförmigen Kühlmittels. Die material-Partikeln in einem Brennstoffelement dieser Porosität des Körpers 13 wird genau kontrolliert, Art bietet Vorteile, jedoch werden damit bei kuge- um den gewünschten reinen Gaseinfluß aufrechtzuligen Partikeln mit gleichem Durchmesser etwa 3O°/o erhalten, wie im folgenden beschrieben wird,
des Volumens nicht ausgefüllt. Beim Mischen der 4° Die Bohrung 15 des Bauelementes 11 dient so-Brennmaterial-Partikeln mit einer Substanz hoher wohl als Durchlaß des reinen Gasstroms als auch Wärmeleitfähigkeit in einer Paste wird der leere als Gehäuse für einen zentralen Moderator 28. In Raum zwischen den Partikeln ausgefüllt, wobei eine der dargestellten Ausführungsform besitzt der zen-Wärmeübertragung vom Brennmaterial 19 auf dem trale Moderator 28 Blockform aus einer Vielzahl Körper 13 stattfindet. 45 von zylindrischen Längsstäben eines geeigneten Mo-

Es wurde weiter gefunden, daß ein guter Wärme- deratormaterials, wie Berylliumoxyd, Berylliumkarübergang im Brennmaterial auf den Körper 13 auch "bid, usw.; Berylliumoxyd ist besonders vorteilhaft, bei einem Körper aus Kernbrennmaterial 19 erhalten Die Längsstäbe haben einen Durchmesser, der 0,2 cm wird, wenn dieser einen wesentlichen Prozentsatz kleiner als der innere Durchmesser der Bohrung 15 von darin erzeugten Spaltprodukten freigibt. Zu- 5° ist, so daß ein ringförmiger Gasdurchlaß 29 von sammen mit der Freigabe von Spaltprodukten be- etwa 0,1 cm Breite zwischen dem zentralen Modesteht eine Rückstoßbeschädigung beim Material, in rator 28 und dem Körper 13 über dessen ganze das die Spaltprodukte zurückprallen. Durch Herstel- Länge gebildet wird.

ien von kleinen Packungen mit darin verteilten Brenn- Der Kopfreflektor 21 besteht aus Graphit und ist material-Partikeln und durch Einbringen dieser 55 so ausgebildet, daß er einen Verankerungsknopf 30 Packungen in eine stützende Grundmasse können die aufweist, an dem eine (nicht dargestellte) Brennele-Zerstörungen, welche aus den Rückstößen der Spalt- menttragevorrichtung angreifen kann. Ein Abstandsprodukte im Gebiete außerhalb der Partikeln selbst ring 31 befindet sich zwischen den Enden des. Kopfresultieren, auf die Packungen beschränkt werden. reflektors 21. Dieser Abstandsring stößt seitlich an die Die stützende Grundmasse bleibt daher strukturell 60 Abitandsringe angrenzender Brennelemente 11, ..wenn fest und dimensionsmäßig stabil, so daß eine gute diese in die aktive Reaktorzone eingebracht werden. Wärmeübertragung vom Körper 19 aus Kernbrenn- Diese Ringe 31 gewährleisten den kieinstmöglichen material auf den Körper 13 aufrechterhalten wird. Abstand zwischen den Brennelementen und dienen

Im einzelnen besteht das Brennstoffelement 11 aus zu ihrer seitlichen Stützung. Um .ein Verbiegen des

dem Körper 13 zwischen einem Kopfreflektor 21 und 65 Körpers 13 bei den hohen Betriebstemperaturen zu

einem unteren. .Verbindungsteil 23. Das Brennele- vermeiden,, können zusätzliche (nicht, dargestellte)

ment H ist so hergestellt, daß es vertikal in einen Abstandsringe zwischen, .den Enden des Körpers 13

Kernreaktor gebracht werden kann und sein pri- angebracht sein. Das untere Ende des Kopfreflek-

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tors 21 weist äußere Gewinde auf, welche in die dukte kleiner als der Druck des Kühlmittelstromes

inneren Bohrungen 25 am oberen Ende des Körpers in der aktiven Reaktorzone ist, ein kontinuierlicher

13 passen. Eine dünne Graphitscheibe 33 schließt die Strom des Kühlgases aufrechterhalten,

oberen Enden der Bohrung 15 und der Brennkam- Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besitzen die Brenn-

mern 17 ab und wirkt als Abdichtung zwischen dem 5 kammern 17 einen nicht kreisförmigen, sondern

Kopfreflektor 21 und dem Körper 13. . einen mehr oder weniger keilförmigen, radial aus-

Das untere Verbindungsteil 23 enthält ein Ver- gerichteten Querschnitt. Jede Brennkammer 17 bebindungselement 35, durch das es mit dem unteren sitzt den gleichen Abstand von der Außenfläche des Ende des Körpers 13 verbunden ist. Dieses Verbin- Körpers 13. Das Graphit, aus dem der Körper 13 dungselement ermöglicht den Einbau einer Auf- io hergestellt ist, besitzt für das Gas eine bestimmte fangvorrichtung 37 im unteren Verbindungsteil 23; Porosität. Der Abstand der Brennkammern 17 von dieses Verbindungselement enthält eine Vielzahl von der Außenfläche des Körpers 13 und die Gasstrom-Durchlässen 39, welche auf den Durchlaß 29 passen menge sind voneinander abhängig. Dabei ist die und eine Verbindung zwischen der Bohrung 15 und Gasstrommenge von mehreren Faktoren, wie Porosider Auffangvorrichtung 37 bilden. Äußere Gewinde 15 tat des Graphits, Wanddicke des Körpers 13 und an beiden Enden des Verbindungselementes 35 grei- Druckgradient abhängig.

fen in die inneren Bohrungen 27 am unteren Teil Bei einem Abstand der Kammer 17 von der des Körpers 13 und in die inneren Bohrungen 41 des Außenfläche von etwa 0,7 cm kann die minimale oberen Stücks des unteren Verbindungsteils 23 ein. Gasstrommenge zur Begrenzung der Verseuchung Eine poröse Graphitscheibe 43 ist. zwischen dem 20 des Hauptgasstroms mit Spaltprodukten auf ein geKörper 13 und dem Verbindungselement 35 angeord- fordertes Minimum bestimmt werden. Für einen net und verschließt die unteren Enden der Brenn- zylindrischen Körper 13 mit einer Länge von etwa kammern 17. Eine Vielzahl von in die Scheibe 43 5,25 m und einem Durchmesser von etwa 12,4 cm gebohrten Löchern 45 stehen mit dem kreisförmigen bei Verwendung von Helium als Kühlmittel ergibt Durchlaß 29 in der Bohrung in Verbindung. Eine 25 einen Strom von 116 bis 340 Gramm Helium pro Ringnut 47 im oberen Teil des Verbindungsele- Stunde im Brennstoffelement die geforderte nach mentes 35 macht die Ausfluchtung der Scheibe 43 mit innen strömende Menge. Generell ist eine Strömungsden Durchlässen 39 im Verbindungselement unnötig. menge zwischen 2,1 und 0,7 Gramm Helium pro

Das untere Ende des unteren. Verbindungsteiles cm² Oberfläche und Stunde der geeignete Wert. Für 23 enthält ein neutrales Loch 49, welches einen 30 einen Druckabfall von 0,35 kg/cm² über einer Wand-(nicht dargestellten) hohlen, aufrecht stehenden Stift stärke von 3,81 cm soll das dichte Graphit, gemessen aufnehmen kann, um das Brennelement 11 in der mit Helium bei Raumtemperatur und einer halben aktiven Reaktorzone in seiner Lage zu halten. Das Atmosphäre Druck, eine Porosität von etwa untere Ende des Loches 49 ist erweitert, um das Ein- 7,5 · 10~² bis 1 · 10²~ cm²/sec besitzen. Darüber hinlassen des Stiftes in das untere Verbindungsteil 23 35 aus soll das Graphit so viele Poren wie möglich vom zu erleichtern. Eine zylindrische Höhlung 51, welche Mittelwert und so wenig wie möglich sehr kleine einen größeren Durchmesser als das Loch 49 besitzt, Poren aufweisen.

ist über diesem angeordnet und steht mit diesem in Der nicht kreisförmige Querschnitt der Brennkam-Verbindung. In der Höhlung 51, die zu dem Ver- mer 17 verbessert die Wärmeübertragungseigenschafbindungsstück 35 hin mit einem Graphitstück 63 40 ten des Brennelementes 11. Die Wärmeleitfähigabgeschlossen ist, ist die Spaltprodukt-Falle 37 un- keit (k) von Graphit ist 27,25 cal/cm sec ⁰C. Kerntergebracht. Sie besteht aus Schlitzen 61, die über brennmaterial in Füllkörperform hat ein k von etwa die ganze Länge der Falle 37 reichen und mit Holz- 0,57 cal/cm sec ⁰C, wogegen ein Preßling mit kohle gefüllt sind. _; . Graphit-Stückmasse ein k von etwa 4,3 cal/cm . Ein umgekehrtes topfförmiges Filter 53, welches 45 sec ⁰C besitzt. Daher werden die Wärmeübertraeinen Teil der Spaltprodukt-Falle 37 darstellt, ist gungseigenschaften des Brennelementes 11 verbesüber der Verbindung zwischen der Höhlung 51 und sert, wenn die mittlere Strecke, welche die Wärme dem Loch 49 angebracht. Das Filter 53 liegt auf von den Brennpartikeln in einer Brennkammer zur einer Graphitabdeckung 55 und einem Sieb 57 aus Außenfläche (wo die Übertragung auf den Kühlrostfreiem Stahl auf. Das Sieb 57 und die. Abdeckung 50 mittelstrom stattfindet) des Brennelementes über-55 sind mit Schrauben 59 am Boden der Falle 37 winden muß, zum größten Teil vom Graphitkörper befestigt. Das Filter 53 ist beispielsweise aus porö- 13 und zum kleinsten Teil vom Kernbrennmaterial sem Graphit hergestellt, wobei die Porosität so ge- 19 gebildet wird. Durch Ausbildung der Brennkamwählt ist, daß keine festen Partikel, mit dem aus- mern 17 mit nicht kreisförmigen Querschnitten ist strömenden reinen Gas nach außen ,getragen werden 55 der mittlere Abstand von einem Punkt im Brennkönnen. ■ , .... . .-,>■■ materialkörper 19 zur Graphitkammerwand kleiner,

.,Im Brennelement 11 strömt das reine Gas von der als bei einer zylindrischen Brennkammer und daher äußeren Seitenfläche des Körpers 13 zur Bohrung 15 die Wärmeübertragung besser.
nach innen, durch den kreisförmigen Durchlaß 29 Die Brennkammern 17 können mit jeder geeignezum unteren Verbindungsteil nach unten, dann durch 60 ten Art von Kernbrennmaterial 19 gefüllt werden, die Spaltprodukt-Falle 37 und schließlich durch das wie z. B. mit eingebetteten Kernbrennpartikeln. Alier-Filter 53 wieder nach außen. Vom Filter 53 strömt dings hat sich gezeigt, daß die Wärmeübertragung das Gas durch den nicht dargestellten hohlen, auf- vom Brennmaterial zum Brennelementkörper 13, recht stehenden Stift zu einem Leitungssystem in der d. h. zur Wand, welche die Brennkammer 17 bildet, Trägerplatte für die aktive Reaktorzone (nicht dar- 65 verbessert werden kann, wenn die leeren Zwischengestelit) und dann zu einem Auffangsystem für Spalt- räume bei schichtförmig gepackten Partikeln mit produkte außerhalb, des Reaktors. Ersichtlich wird, einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt solange der Druck im Äuffangsystem für Spaltpro- werden.

Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1, 2 und 3 besteht der Körper 19 aus Kernbrennmaterial aus einer pastenähnlichen Zusammensetzung von Kernbrennstoffpartikeln und einer viskosen Flüssigkeit mit guter Wärmeleitfähigkeit. Die Kernbrenn-Stoffpartikel 65 können sowohl geschichtet als auch nicht geschichtet sein. Jede geeignete viskose Flüssigkeit kann Verwendung finden, jedoch ist eine Mischung aus Graphit und Steinkohlenpastete besonders günstig. Die Paste wird unter Druck mit einer geeigneten Vorrichtung in die Brennkammern gepreßt. Die amorphe Natur der Paste gewährleistet einen ausgezeichneten Kontakt zwischen dem Körper 19 aus Kernbrennmaterial und der inneren Wand der Brennkammer 17.

Nachdem 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 über etwa 20 Stunden aufzuheizen.

Obwohl an sich keine kritischen Grenzen im Hinblick auf das von den Partikeln in der Paste auszufüllende Volumen jeder Brennkammer 17 besteht, ist ein Wert von 70 °/o des Volumens der Kammer 17 günstig, wobei die restlichen 30 %> mit einer Pech-Graphit-Mischung aufgefüllt werden.

Das folgende Beispiel zeigt ein Verfahren auf, ein oben beschriebenes Bauelement 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 konventionelle Strangziehtechniken für Graphit angewendet werden. Die Strangzieh-Charge besteht aus 90 Gewichtsprozent Graphitmehl, wie National Carbon GP 38, mit 10 Gewichtsprozent Steinkohlenpech. Das Graphitmehl und das Pech werden zu einer Textur durchgemischt und dann bei 15 000 psi und 300⁰C stranggepreßt. 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 17 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 2600° C erhöht wird, um Graphitbildung zu erzielen.

Das Strangpreßprodukt hat bei Raumtemperatur eine Gasdurchlässigkeit für Helium von etwa 5 · 1O^-1 cm²/sec. Um die Porosität auf den gewünschten Wert von 5 · 10~² cm²/sec zu verringern, wird das Strangpreßprodukt mit einer Mischung aus Furfuryl-Alkohol und Malonsäureanhydrid im Verhältnis von 10:1 Mol getränkt. Der Mischung werden etwa 13 Gewichtsprozent Äthylcellulose hinzugefügt, um ihre Viskosität auf einen Wert von 10 000 cp 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 einer Heliumatmosphäre langsam gebrannt, um das Imprägniermittel zu karbonisieren. Das Brennen wird durch langsames Erhöhen der Temperatur auf 1000⁰C über 2 Tage abgeschlossen. Darauf wird die Graphitbildung herbeigeführt, indem das Strangpreßprodukt durch einen Ofen mit einer 60 cm langen Temperaturzone von 2800° C geführt wird. Die Geschwindigkeit ist dabei derart, daß jeder Bereich des Strangpreßproduktes für 30 Minuten in der Temperaturzone verbleibt. Darauf werden die inneren Gewinde 25, 27 hergestellt.

Aus Brennmaterialpartikeln 65, Graphit und Steinkohlenpech wird eine Paste hergestellt. Die Brennmaterialpartikeln bestehen aus Thoriumdicarbid und angereichertem Urandicarbid (mit einem Thorium-Uran-Verhältnis von 10:1) mit einem mittleren Durchmesser von 700 μ und einem 100 μ dicken Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff. Als Graphit wird Speer Carbon No. 780 S mit einer Partikelgröße von nicht mehr als etwa 40 μ verwendet. Die Komponenten der Paste werden im folgenden Gewichtsverhältnis gemischt:

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

Die Brennkammern 17 werden mit der Paste gefüllt, worauf der Körper 13 durch Erhitzung auf etwa 1800⁰C über 20 Stunden gebrannt wird, um flüchtige Komponenten des Steinkohlenpechs auszutreiben. Darauf ist der Körperl3 für den Zusammenbau mit den übrigen Teilen fertig, welche durch Standardtechniken hergestellt, werden.

Die Spaltproduktfalle 37 wird in das untere Verbindungsteil 23 eingepaßt und das Verbindungselement 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 35 geschraubt und der Moderator 28 eingesetzt. Zylindrische Teile aus gesintertem BeO mit einer Dichte von etwa 2,9 Gramm pro Kubikzentimeter und einer Länge von etwa 26 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 Brennstoffelement 11.

Der Vergleich des Brennstoffelementes 11 mit einem Brennelement der gleichen Größe und Gestalt, dem gleichen Brennmaterial und den gleichen Herstellungsmaterialien, jedoch mit schichtenförmig gepackten Brennmaterialpartikeln in zylindrischen Brennkammern, zeigt, daß das Brennstoffelement 11 überlegen ist. Um eine bestimmte Wärmemenge durch einen Heliumgaskühlstrom zu übertragen, benötigt das Vergleichselement eine Betriebstemperatur von etwa 1600⁰C, während das Brennelement 11 nur etwa eine Betriebstemperatur von etwa 1500⁰C benötigt. Diese verbesserte Wärmeübertragungscharakteristik, welche eine Brennmaterialersparnis bewirkt, ist als sehr vorteilhaft zu betrachten.

Obwohl die Verwendung von Brennkammern mit nicht kreisförmigem Querschnitt wegen der erhöhten

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Wärmeübertragungscharakteristik vorzuziehen ist, kann ein Brennelement mit ausreichender Wärmeübertragungscharakteristik mit kreisförmigen Brennkammern ausgeführt werden. Ein Brennstoffelement dieser Art ist in den F i g. 5 und 6 dargestellt.

Das Brennstoffelement 81 besitzt einen Kopfreflektor 83 und ein unteres Verbindungsteil 85 der gleichen Art wie beim oben beschriebenen Brennstoffelement 11. Ein Körper 87 ist zwischen dem Kopf reflektor 83 und dem unteren Verbindungsteil 85 angeordnet; dieser Körper ist verschieden von dem des Brennstoffelementes 11. Er ist einfach im Aufbau und enthält einen größeren Volumenprozentsatz eines Berylliummoderators als der Körper 13 des Brennstoffelementes 11.

Der Körper 87 hat die Form eines Kreiszylinders 89 aus Moderatormaterial, vorzugsweise Graphit, dessen Wand eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden, zylindrischen Brennkammern 91 ausgebildet sind. Der Zylinder 89 hat eine relativ weite zentrale Bohrung 93, in der sich ein zentraler Stift 95 aus Beryllium befindet; der Stift ist so ausgelegt, daß ein ringförmiger Gasdurchlaß 97 gebildet wird. Der Zylinder 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. dem oben beschriebenen in den Brennkammern 17, gefüllt werden. Jedoch werden die dargestellten Brennkammern 91 vorzugsweise mit schichtenförmig gepackten kugeligen Brennmaterialpartikeln 99 gefüllt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffelementes 81 besitzt eine Gesamtlänge von 6 m. 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 cm. Wie oben schon ausgeführt, sind der Kopfreflektor 83 und das untere Verbindungsteil 85 im wesentlichen die gleichen wie jene des Brennstoffelementes 11. Der innere Durchmesser der zentralen Bohrung 93 beträgt 6,35 cm, so daß der Zylinder 89 etwa 2,54 cm 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 Brennstoffelementes 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/cm² beträgt. Der Graphitzylinder 89 hat daher bei Raumtemperatur und einer halben Atmosphäre Druck eine Porosität von 5 ■ 10~² cm²/sec für Helium. Das Porenspektrum des Zylinders 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 cm und bilden daher einen Gasdurchlaß 97 von etwa 0,16 cm Weite. Jede der zwölf Brennkammern 91 ist mit schichtenförmig gepackten, kugeligen Brennmaterialpartikeln 99 aus Urancarbid und Thoriumcarbid gefüllt, deren Durchmesser zwischen etwa 350 und 700 μ liegen und die mit einem Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff von etwa 100 μ Stärke versehen sind. Die schichtenförmig gepackten Partikeln nehmen etwa 3O°/o des Volumens der Brennkammern 91 ein. Das Verhältnis zwischen Thorium- und Uranpartikel beträgt etwa 10:1.

Das oben beschriebene Brennstoffelement vereint einfache Herstellung mit zweckentsprechender 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 Wärmeübertragungscharakteristik gegeben ist. Die Verwendung von schichtenförmig gepackten Brennmaterialpartikeln erleichtert das Füllen des Brennelementes 81 und das Auffrischen des Brennmaterials.

Es hat sich gezeigt, daß etwas anders ausgelegte Brennstoffelemente in gewisser Hinsicht besser arbeiten, wenn Brennmaterialien hohe Prozentsätze von Spaltprodukten freigeben. Jedoch wird darauf hingewiesen, daß auch die oben beschriebenen Brennelemente für solche Brennmaterialien geeignet sind, z. B. können die. Brennkammern 91 des Brennelementes 81 mit sehr kleinen Kernbrennstoffpartikeln gefüllt werden, welche mit feinen Partikeln eines Moderators, wie etwa Graphit, gemischt sind, um ein geeignetes Brennelement für Brennmaterialien mit einem hohen Prozentsatz am Spaltprodukten zu erzielen.

In F i g. 4 ist eine solche Ausführungsform des Brennstoffelementes 11 (Fig. 1 und 2) 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, daß er dicht mit der Brennkammer 17 abschließt. Der Preßling 19' enthält Pakete aus Brennmaterialkörnern und einer geeigneten feuerfesten Substanz, wie Graphit, wobei die Pakete in einer Stützmasse 69 aus moderierendem 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 μ bei einer mittleren Größe von 2 μ. Wegen der Rückstöße werden Spaltprodukte im porösen Graphit der Pakete 67 außerhalb der Kernbrennmaterialkörner abgelagert. Diese Spaltprodukte wandern in die Stützmasse 69, in der sie vom Gasstrom aufgenommen werden und in das Spaltproduktauffangsystem gebracht werden.

Die Pakete 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 Kernbrennmaterialkörper, 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 geeigneten Verfahren vorgenommen werden.

Da es wichtig ist, daß der 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, feuerfestem Material, vorzugsweise Graphit, gemischt. Die Mischung wird mit geeigneten Verfahren zur Einbringung von Kernbrennmaterial in eine Stützmasse zu Preßlingen verarbeitet; z. B. können die Preßlinge heiß- oder kaltgepreßt oder stranggepreßt 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% 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 den porösen 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. Die vorgesehene Segregation von Kernbrennmaterialkörnern zu Paketen verhindert diesen möglichen Verlust an Wärmeübertragung.

Beispiel II

Der Herstellungsgang vom Beispiel I wird zur Herstellung eines ähnlichen Körpers 13 wiederholt. Anstatt die Brennkammer 17 mit Paste auszufüllen, werden Preßlinge 19' aus hochzerfallendem Kernbrennstoff verwendet. Es finden kugelförmige Pakete 67 von 0,475 cm Durchmesser Verwendung. Die Pakete 67 sind aus Körnern aus angereicherten Uran- und Thorium-Oxyden hergestellt, die eine mittlere Partikelgröße von 5 μ und eine maximale Partikelgröße von 10 μ haben. Graphit-Partikeln (Speer Carbon No. 780 S) in ähnlicher Größenordnung finden Verwendung. Diese Stoffe werden trocken mit Äthylcellulose-Binder im folgenden Verhältnis gemischt:

10 Gramm angespeichertes Uran-Oxyd, 200 Gramm Thorium-Oxyd, 60 Gramm Graphit und 20 Gramm Äthylcellulose. Diese Mischung wird ausreichend mit Trichloräthylen zum Lösen der Äthylcellulose und zum Herstellen eines Breis zugesetzt (ca.20 ml/Gramm Äthylcellulose). Beim langsamen Verflüchtigen des Lösungsmittels werden die Kugeln durch den Brei zusammengebacken. Der Zusammenballungsprozeß zur Herstellung von Kugeln mit einem Durchmesser von 0,475 cm wird unter Verwendung von bekannten Techniken durchgeführt. Diese Kugeln werden ca. zwei Stunden bei 200⁰C getrocknet. Es entstehen die harten kugelförmigen Pakete 67.

Die Pakete 67 werden trocken mit Graphit und einem Binder gemischt, um Preßlinge zu erhalten, deren Volumen zu 30 % aus Paketen 67 besteht. Eine Mischung aus folgenden Gewichtsverhältnissen

ίο wird verwendet:

55 Gramm Brennstoffteilchen, 40 Gramm Graphit und 5 Gramm Äthylcellulose. Nach dem trockenen Mischen wird ausreichend Lösungsmittel — etwa zwei ml Trichloräthylen pro Gramm Äthylcellulose — zur Herstellung eine Paste zugesetzt. Die Paste wird leicht vorgepreßt, getrocknet und dann bei einem Druck von etwa 140 kg/cm² zu Keilen gepreßt, die in die Brennkammern 17 passen. Nach dem kalten Pressen werden die Preßlinge zehn Stunden lang bei 1800° C gesintert, um sie für das Einsetzen in den Körper fertigzumachen.

Die gesinterten Preßlinge werden sorgfältig in die Brennkammern 17 eingepaßt. Alle zwölf Kammern werden gefüllt. Der übrige Teil des Brennelements ist wie im Beispiel I aufgebaut.

Dieses Brennstoffelement wird mit einem bis auf die Brennstoffkörper physikalisch ähnlichen Brennstoffelement verglichen. Das Vergleichselement weist die gleiche Menge Kernbrennstoff in Form eines Preßlings mit unüberzogenen Kernbrennstoffcarbid-Teilchen von einem durchschnittlichen Durchmesser von 20O₁U in einer Graphit-Stützmasse auf. Beide Brennstoffelemente werden unter den gleichen Strahlungsbedingungen für eine gleiche Zeitdauer bei einem Heliumdurchsatz von etwa 227 Gramm Helium pro Brennelement und Stunde betrieben.

Beim Vergleich der äußeren Abscheider, durch die der Reinigungsgasstrom bei jedem Brennelement geführt wird, zeigen sich bedeutende Unterschiede. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den Edelgasen Xenon und Krypton, die Isotope mit sehr hohem Neutronen-Einfangquerschnitt besitzen. Untersuchungen zeigen, daß der Reinigungsstrom durch das Vergleichselement nur ungefähr 5 % der gasförmigen Schaltprodukte von dem Brennstoffkörper abführt, während der Reinigungsstrom durch das Brennelement nach Beispiel II ungefähr 50% der anfallenden gasförmigen Spaltprodukte abführt.

Eine Untersuchung des Körpers 13 zeigt, daß die Brennstoff-Preßlinge ihre ursprünglichen Abmessungen beibehalten und einen guten Wärmeübergang zu den Innenwänden der Brennkammern 17 aufrechterhalten. Die beschriebenen Brennstoffelemente erscheinen für den Gebrauch in gasgekühlten Kernreaktoren hervorragend geeignet.

Eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffelementes, das besonders für Kernbrennstoffe mit einem hohen Anfall an Spaltprodukten entworfen wurde, ist in F i g. 7 dargestellt. Dieses Brennstoffelement besitzt einen Kopfreflektor und ein unteres Verbindungsteil, die in der Ausführung denen der vorbeschriebenen Brennstoffelemente ähnlich sind.

Jedoch bestehen ersichtlich Unterschiede in den

Körpern zwischen diesem Element und den vorher beschriebenen Elementen.

In F i g. 7 ist ein Brennstoffelement 131 dargestellt. Dieses Element ist für den Einsatz in einem gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktor hoher Leistung

ausgelegt. Es besitzt einen äußeren Mantel aus porösem Graphit, durch den ein gasförmiges Kühlmittel in einen zentralen Reinigungskanal im Inneren des Körpers eintreten kann. Außerdem besitzt es eine ringförmige Brennzone. Dabei besteht die Brennzone aus einem vollständigen Zylinderkörper.

Im einzelnen besteht bei dem Brennstoffelement 131 nach F i g. 7 der Körper 133 aus zwei konzentrischen Röhren oder Hülsen 134 und 135 aus Graphit. Die äußere Hülse 134 ist an einem Kopfreflektor und einem unteren Verbindungsteil wie der Körper 13 des Brennelementes 11 befestigt. Die innere Hülse 135 ist in passender Weise konzentrisch innerhalb der äußeren Hülse 134 befestigt, um dazwischen einer ringförmigen Brennzone in Form einer Ringbrennkammer 136 Platz zu bieten. Ein zentraler moderierender Stift 137 ist innerhalb der inneren Hülse 135 angeordnet. Er besteht vorzugsweise aus einem Material mit guten Moderator-Eigenschaften, wie Beryllium-Oxyd.

Der Außendurchmesser des Stiftes 137 ist so bemessen, daß ein ringförmiger Reinigungsgasdurchlaß 138 zwischen seiner Außenwand und der Innenwand der Hülse 135 entsteht. Bei Betrieb geht der Reinigungsgasstrom radial nach innen durch die ganze Mantelfläche der äußeren Hülse 134, durch diese hindurch, durch die Brennkammer 136, durch die innere Hülse 135 und dann in den Ringdurchlaß 138 nach unten in einen unteren Abscheider für die Spaltprodukte im unteren Verbindungsteil des Brennstoffelementes 131. Die innere Hülse ist poröser als die äußere, um die Diffusion der Spaltprodukte aus der Brennkammer 136 in den Reinigungsgasdurchlaß 138 zu begünstigen..

Bei dem dargestellten Brennstoffelement 131 ist die Brennkammer 136 vorzugsweise mit vier Brennstoff-Preßlingen 139 bestückt, die die Form von Zylindersegmenten haben und ziemlich genau passen, um den Spalt zwischen den Wänden der Hülsen 134 und 135 auszufüllen, wobei der Spalt die Ringbrennkammer 136 darstellt. Die Brennstoff-Preßlinge 139 können aus einem geeigneten hochspaltbaren Kernbrennmaterial bestehen. Vorzugsweise sind die Preßlinge 139 nach Art der Brennmaterialkörper 19' nach F i g. 4 hergestellt, wobei Teilchen, die hochspaltbare Kernbrennstoff-Partikeln enthalten, in eine tragende Packung eingebettet sind.

Claims (15)

Patentansprüche: s°

1. Brennstoffelement für einen gasgekühlten Kernreaktor, mit einem langgestreckten, einen axialen Hohlraum aufweisenden Körper, dessen Wandung feuerfest und gasdurchlässig ist und einen Kernbrennstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (13; 89; 134, 135) aus Moderatormaterial besteht, innerhalb seiner Wandung wenigstens eine sich in seiner Längsrichtung erstreckende, Brennstoff (19; 19'; 99; 139) enthaltende Kammer (17; 91; 136) aufweist und daß in dem Hohlraum (15; 93; 138) des Körpers (13; 89; 134,135) in Abstand (29, 97,138) von der Wandung des Hohlraums (15; 93; 138) ein innerer Körper (28; 95; 137) aus Moderatormaterial angeordnet ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, da-

durch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (13; 89; 134,135) aus Graphit besteht.

3. Brennstoffelement nach einem der vorste- ' henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß '' der innere Körper (28; 95; 137) aus Beryllium oder einer Berylliumverbindung besteht.

4. Brennstoffelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper (13; 89; 134,135) den Querschnitt eines hohlen Kreiszylinders aufweist.

5. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper von einem äußeren Mantel aus einem feuerfesten Material umgeben ist, dessen Gasdurchlässigkeit kleiner ist als diejenige des äußeren Körpers.

6. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (17) mit in einem Material (19) guter Wärmeleitfähigkeit eingebetteten Partikeln (65) aus Kernbrennstoff gefüllt sind.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln (65) in ( Steinkohlenpech eingebettet sind.

8. Brennstoffelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln in Packungskörpern (67) aus feuerfestem Material eingebettet sind und diese Packungskörper (67) ihrerseits in feuerfestem Material (69) eingebettet sind.

9. Brennstoffelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungskörper (67) aus einer Mischung von Graphitmehl und Kernbrennstoffoxyd-Partikeln ohne Überzug mit einer Partikelgröße von weniger als 10 μ bestehen.

10. Brennstoffelement nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungskörper (67) die Form von Kugeln mit einem Durchmesser von 0,32 bis 0,64 cm aufweisen.

11. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wandung des äußeren Körpers (134, 135) eine einzige ringförmige Kammer vorgesehen ist.

12. Brennstoffelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff in mehreren ringsegmentförmigen Preßlingen (139) enthalten ist.

13. Verfahren zur Füllung einer Kammer in einem Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kernbrennstoff-Partikeln mit einer viskosen Flüssigkeit zur Bildung einer Paste gemischt werden und daß die Paste unter Druck in die Kammer gepreßt wird, bis die Paste die Kammer vollkommen ausfüllt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste in der Kammer zum Austreiben in ihr enthaltener flüchtiger Stoffe und zum Aushärten aufgeheizt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste aus einer Mischung von Steinkohlenpech und mit Graphit .überzogenen Kernbrennmaterial-Partikeln gebildet wird, wobei die Kernbrennmaterial-Partikeln nicht mehr als 70 Volumenprozent der Paste ausmachen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen