DE1514961B2 - Brennelement für gasgekühlte Kernreaktoren - Google Patents
Brennelement für gasgekühlte KernreaktorenInfo
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Description
50
Die Erfindung bezieht sich auf Brennelemente für gasgekühlte Kernreaktoren und betrifft ein Brennelement
mit einem langgestreckten, hohlzylindrischen Brennstoffkörper, der in einer Matrix fein verteilte,
gegen den Austritt von Spaltprodukten mit Überzügen versehene Brennstoffpartikeln enthält und
dessen äußere Mantelfläche in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht (französische Patentschrift
235 235).
In Reaktoren mit hoher Leistungsdichte, in denen die Wärme mit Hilfe eines strömenden Kühlmittels
von den im Reaktor-Core angeordneten Brennelementen abgeführt wird, ist es wichtig, für eine
gute Wärmeübertragung von den Brennelementen auf das Kühlmittel zu sorgen. Je besser die Wärmeübertragung
eines Brennelementes ist, um so niedriger kann die Brennstofftemperatur gehalten werden,
um eine geforderte Wärmemenge in der Zeiteinheit auf das Kühlmittel zu übertragen. Niedrige Brennstofftemperaturen
erhöhen die Lebensdauer des ' Brennstoffes. Eine wirksamere Wärmeübertragung ermöglicht
auf der ,anderen Seite den Einsatz kleinerer Brennelemente, wenn eine bestimmte Wärmemenge
pro Brennelement auf das Kühlmittel übertragen werden soll.
In Reaktoren mit hoher Leistungsdichte fallen rerativ hohe Mengen an Spaltprodukten an, die möglichst
nicht in den Hauptkreislauf des Kühlmittels gelangen sollten. Wegen der Vorkehrungen zur Abriegelung
der. Spaltprodukte in gasgekühlten Leistungsreaktoren sind die Wärmeübertragungseigenschaften
der Brennelemente nicht ideal. Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, den Wärmeübergang
aus den Brennelementen auf das Kühlmittel zu verbessern, um mit niedrigeren Temperaturen arbeiten
zu können, ohne an Sicherheit einzubüßen (Bruchgefahr, Austritt von Spaltprodukten) oder die
Herstellkosten zu erhöhen.
Hierzu schlägt die Erfindung vor, daß die Brennstoffpartikeln einen Überzug aus pyrolitischem Kohlenstoff
und einen mittleren Durchmesser von etwa 700 μΐη aufweisen und in einem Mischungsverhältnis
von etwas 30 Volumprozent in einer den Brennstoffkörper bildenden Graphitmatrix fein verteilt sind.
Der Prozentgehalt hängt von der Charakteristik ab, die für die Gesamtheit aller Brennelemente eines
Reaktors angestrebt wird. Es können natürlich auch Brennelemente mit einem niedrigeren Gehalt an
Brennstoffpartikeln hergestellt werden. Wenn der Volumengehalt über 30% ansteigt, muß der mechanischen
Festigkeit der Matrix Beachtung geschenkt werden.
Da Brennstoffpartikeln verwandt werden, die einen sehr hohen Widerstand gegenüber gasförmigen Spaltprodukten
haben, ist es nicht notwendig, daß die Graphitmatrix, in der sie eingelagert sind, den Austritt
von gasförmigen Spaltprodukten in den Kühlkreislauf verhindert. Daher müssen weder die brennstofftragende
Graphitmatrix noch irgendwelche anderen Graphitbehälter einer Behandlung unterzogen
werden, die die Gasdurchlässigkeit herabsetzt, um als Sperre für den Austritt von Spaltprodukten in den
Kühlkreislauf zu wirken. Der Wegfall von imprägniertem Graphit in den Brennelementen verringert
die Herstellungskosten.
Obwohl die brennstofftragende Graphitmatrix in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel einen ausgezeichneten
Wärmeübergang schafft, hat es sich gezeigt, daß der Wärmeübergang durch ein Aufrauhen
der äußeren Mantelfläche des Brennstoffkörpers noch verbessert werden kann. Die aufgerauhte Mantelfläche
erzeugt eine örtliche Turbulenz im Kühlmittelstrom in der Nähe der Oberfläche, wobei die Grenzschichtverluste
herabgesetzt werden und der Gesamtwirkungsgrad des Wärmeüberganges verbessert wird.
Die Erfindung wird im einzelnen in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung erläutert; in dieser
zeigt
F i g. 1 die Ansicht eines Brennelementes, in dem verschiedene Kennzeichen der Erfindung verwirklicht
sind,
F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht des Brennelementes und hauptsächlich den Schnitt 2-2 aus Fig. 1,
F i g. 3 den Schnitt 3-3 aus F i g. 2 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3,
der den Randbezirk der Oberfläche des Brennelementes zeigt, und ■
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, die eine abweichende
Ausführung der Erfindung zeigt.
Die Zeichnung zeigt ein Brennelement 11 für einen Kernreaktor, das aus einem langgestreckten Brennstoffkörper
13 aus Graphit mit darin fein verteilten Partikeln des Kernbrennstoffes und einer Haltevorrichtung
15, um den Brennstoffkörper im Core des Kernreaktors zu befestigen, besteht. Der Brennstoffkörper
13 ist so angeordnet, daß seine äußere Oberfläche in direktem Kontakt mit dem Kühlmittelstrom
des Reaktors steht, welches den Temperaturabfall bis zur Wärmeübertragungsfläche herabsetzt. Der
Brennstoff ist partikelförmig in einer Trägermatrix verteilt. Die Partikeln haben die Eigenschaft, daß sie
die Spaltprodukte ausgezeichnet abriegeln, so daß eine Verunreinigung des Kühlkreislaufes durch letztere
nicht eintritt. Eine Behandlung der äußeren Oberfläche des Brennstoffkörpers 13, um diese gleichmäßig
aufzurauhen, verbessert den Wärmeübergang zwischen dem Brennelement und dem vorbeiströmenden
Kühlmittel und außerdem den Wirkungsgrad. Da in einem Brennelement dieser Bauart, das für den
Einsatz in gasförmigem Kühlmittel vorgesehen ist, kein Reinigungssystem eingebaut werden muß, kann
es relativ kostensparend hergestellt werden.
Die in F i g. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform des Brennelementes 11 ist für den Einsatz in gasgekühlten
Hochtemperaturreaktoren vorgesehen, die unter der Bezeichnung HTGR (high temperature graphite
reactor) bekannt sind. Dieser Reaktor ist in der Zeitschrift Nucleonics, Bd. 18, Nr. 1 (Januar 1960),
auf den S. 86 bis 90 beschrieben. Das Brennelement hat einen äußeren ringförmigen Brennstoffkörper 13,
der auf einem Dorn 17 sitzt. Der Dorn besteht aus einem Tragrohr 19, das das tragende Element des
Brennelementes 11 darstellt. Das Tragrohr hat Gewinde 21 und 23 am oberen bzw. am unteren Ende,
durch die es mit einem Reflektor 25 am Kopf und einem Verbindungsstück 27 am Fuß verbunden wird,
die Teile der Haltevorrichtung 15 sind.
Der Dorn bildet einen Teil des Moderators für das Brennelement und kann aus einem geeigneten Material
hergestellt werden, wie z. B. Graphit, das seine Form und Festigkeit unter dem Einfluß von hohen
Temperaturen und von Neutronenbestrahlung beibehält. Das Tragrohr 19 bildet, wie in F i g. 2 und 3
dargestellt, einen zentralen Hohlraum 29, der mit einem Moderator 31 gefüllt werden kann.
In der dargestellten Ausführung besteht der Moderator 31 aus Berylliumoxydpulver. Statt dessen
können auch Pellets oder eine kompakte Masse aus Berylliumoxyd oder einem anderen geeigneten Material
verwandt werden. Ein Kern aus Berylliumoxyd ist speziell in Brennelementen, die spaltbares Thoriummaterial
enthalten, angebracht. Um das Pulver im Tragrohr 19 zu halten, sind Deckel 33 aus geeignetem
Material wie Graphitgewebe an beiden Enden des Rohres vorgesehen.
Davon abweichend kann, wie in F i g. 5 dargestellt, ein Brennelement 11' unter Verwendung eines
massiven zylindrischen Domes 17' aus festem, moderierendem
Material, wie Reaktorgraphit, hergestellt werden. Der Dorn 17' kann ohne großen Aufwand
angefertigt werden, indem lediglich geeignete Gewinde an die Enden eines Zylinders aus Reaktorgraphit
geschnitten werden.
Der Reflektor 25 am Köpf und das Verbindungsstück 27 am Fuß wirken als Teile des Reaktorreflektors
und sind deshalb aus einem festen Material hergestellt, das einen niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt
und einen hohen Streuquerschnitt hat, wie z. B. Graphit. Der Reflektor kann jede geeignete
Form haben. Das dargestellte Brennelement 11 ist für eine Lademaschine konstruiert, die eine Greifvorrichtung
hat, um das Brennelement in ein Reaktordruckgefäß einführen zu können. Der Reflektor
hat einen Kopf 35, an dem die Greifvorrichtung angreift. Er kann aus einem Zylinder aus Reaktorgraphit
gedreht werden und hat an seinem unteren Ende eine Muffe 37. Diese ist mit einem Innengewinde versehen,
in das das Außengewinde 21 am oberen Ende des Domes 17 eingreift. Der Deckel 33, der den pulverförmigen
Moderator 31 im Hohlraum 29 hält, dient ebenfalls als Dichtung zwischen der Planfläche
39 des Tragrohres 19 und der angrenzenden inneren Planfläche 39 der oberen Aufnahmemuffe 37.
Um das Einhalten eines bestimmten Abstandes zwischen den Brennelementen im ReaktofTCoreiZii
gewährleisten, ist der Reflektor 25 mit einem Distanzring 43 versehen, der für einen Mindestabstand zwischen
benachbarten Brennelementen im Core sorgt. Der Distanzring kann so hergestellt werden, daß man
den Reflektor 25 aus einem Graphitrohling dreht, der den Durchmesser des Distanzringes hat. Es kann
aber auch ein Bund in der Weise angebracht werden, daß man ungebrannten Graphit aufträgt und dann
einbrennt. Andere geeignete Methoden sind ebenfalls möglich. Wenn nötig, können zusätzliche Distanzringe
entlang des Brennstoff körpers angebracht werden.
Das Verbindungsstück 27 am Fuß enthält eine Bohrung 45 am unteren und eine Muffe 47 am oberen
Ende. Die Muffe ist ähnlich aufgebaut wie die Muffe 37 und mit einem Innengewinde versehen, in
das das Außengewinde 23 am unteren Ende des Rohres 19 eingeschraubt wird. Die Bohrung ist zur Aufnahme
eines nicht gezeichneten Führungsstiftes ausgebildet, auf dem das Brennelement 11 im Reaktor-Core
ruht.
Der dargestellte Brennstoffkörper 13 ist kreiszylindrisch ausgebildet und umfaßt eine Graphitmatrix,
in der Partikeln 53 aus Kernbrennstoff gleichmäßig verteilt sind (F i g. 4). Die Partikeln enthalten
Kerne 55 aus spaltbarem oder spaltbarem und brutfähigem Material, wie z. B. Uranoxyden, Urankarbiden,
Thoriumoxyden, Thoriumkarbiden, Mischungen aus Uran- und Thoriumoxyden oder -karbiden
usw. Es können auch andere geeignete Kernbrennstoffe verwandt werden. Die Kerne sind vorzugsweise
kugelförmig und einzeln von geschlossenen Hüllen oder Überzügen 57 umgeben, die ein
Austreten der Spaltprodukte verhindern. Die Überzüge haben einen hohen Widerstand gegen das Hindurchwandern
von Spaltprodukten und verhindern so die Verunreinigung des Kühlkreislaufes durch
radioaktive Spaltprodukte, die sich im Dampferzeugungsteil des Reaktors niederschlagen würden. Um
die Kühlmittelverunreinigung innerhalb erträglicher Grenzen zu halten, sollten die Überzüge mindestens
99% — erstrebenswert sind 99,999% — der vom Spaltmaterial erzeugten Spaltprodukte innerhalb der
Hüllen der Brennstoffpartikeln 53 halten können.
Brennstoffpartikeln mit Überzügen aus geeigneten keramischen Werkstoffen, wie z. B. pyrolitischem
Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Aluminiumoxyd, Zirkonkarbid usw., die die obengenannten Bedingungen
erfüllen, können zur Herstellung des ringförmigen Brennstoffkörpers 13 benutzt werden. Die Überzüge
haben vorzugsweise eine Dicke von mindestens 10 μΐη, um die Gefahr von Rückstoßschädigungen
der Graphitmatrix, in der die Partikeln 53 verteilt sind, auszuschließen.
Partikeln, die als besonders geeignet zum Einsatz im Brennstoffkörper 13 erscheinen, werden unter der
Bezeichnung »Triplex coated«-Partikeln in dem USAEC-Report GA-4695, »Graphit-Matrix Fuel
Development for the AVR«, Chin et. al., General Atomic Division of General Dynamics Corporation,
Oktober 1963, beschrieben. Diese Brennstoffpartikeln haben drei getrennte Schichten aus pyrolitischem
Kohlenstoff, die gemeinsam den Überzug 57 bilden, der die Kerne 55 aus spaltbarem und/oder brutfähigem
Material umschließt. Diese Überzüge umfassen eine innere Schicht aus porösem Kohlenstoff und
äußere Schichten aus dichtem Kohlenstoff. Diese Schichten können durch pyrolitische Abscheidung
des Kohlenstoffes aus einer Atmosphäre, die gasförmigen Kohlenwasserstoff enthält, mit Hilfe des Wirbelschicht-Verfahrens
oder anderer geeigneter Verfahren erzeugt werden. Die innere Schicht aus porösem
Kohlenstoff ist etwa 25 μΐη stark und kann durch Erhitzen eines Wirbelbades von Partikeln auf
11500C in einer Helium-Azethylen-Atmosphäre
aufgebracht werden. Eine Schicht aus laminarem und eine Schicht aus dendritischem Kohlenstoff vervollständigen
den Überzug des Brennstoffpartikel, wobei es gleichgültig ist, welche der beiden Schichten
ganz außen liegt. Der laminare Kohlenstoff kann z.B. bei einer Temperatur von 17000C aus einer Mischung
von Helium und Methan, der dendritische Kohlenstoff z. B. bei einer Temperatur von 1850° C
aus einer Methangas-Mischung im Wirbelschicht-Verfahren abgeschieden werden.
Der zylindrische Brennstoff körper 13 ist an der Außenseite des Brennelementes 11 angeordnet und
steht in direktem Kontakt mit dem Kühlmittelstrom. Diese Anordnung bewirkt einen ausgezeichneten
Wärmeübergang vom Brennelement auf das Kühlmittel. In älteren Brennelementen, in denen der
Kernbrennstoff in einer Graphitmatrix eingebettet war, wurden die Brennstoffkörper in einem dichten
Behälter angeordnet, wodurch der Brennstoffkörper durch die Wandstärke des Behälters von dem Kühlmittel
getrennt wurde. Darüber hinaus entstand durch diese Anordnung ein Spalt zwischen der Außenfläche
des Brennstoffkörpers und der angrenzenden Behälterinnenwand, die den Wärmeübergang stark beeinträchtigte.
Der Brennstoffkörper kann auf jede Art hergestellt werden, die geeignet ist, einen Graphitkörper mit eingelagertem
Kernbrennstoff anzufertigen. Vorzugsweise wird er durch Extrudieren einer Mischung aus
Graphit und Brennstoffpartikeln hergestellt. Durch diesen Fabrikationsprozeß ist es möglich, hohlzylindrische
Graphitkörper beliebiger Länge anzufertigen und den gesamten Brennstoffkörper in einem Stück
herzustellen. Ein Brennstoffkörper aus einem Stück ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Wenn es aus
Gründen der Herstellung oder der Handhabung günstiger erscheint, ihn aus einer Vielzahl von Einzelelementen
zusammenzusetzen, ist solch eine Konstruktion ebenfalls geeignet, zumal diese Einzelteile
dann leicht auf den Dorn 17 aufgeschoben werden können. Eine Vielzahl von gepreßten Ringen ist
ebenfalls möglich, obwohl hierbei die Herstellungskosten wesentlich höher sind. Darüber hinaus ist es
nicht notwendig, die Maßtoleranz zwischen dem Innendurchmesser des Brennstoffkörpers und dem
Außendurchmesser des Domes genau einzuhalten, da der Wärmefluß auf die Außenfläche des Brennstoffkörpers
hin gerichtet ist.
ίο Es kann irgendeine geeignete Methode zum Aufrauhen
der äußeren Oberfläche des Brennstoffkörpers angewandt werden. Um eine gleichmäßige verbesserte
Wärmeübergangszahl über der Gesamtlänge des Brennelementes 11 zu gewährleisten, wird die
Außenfläche am besten gleichmäßig aufgerauht. Es wurde gefunden, daß man durch eine Umhüllung 59,
die aus einem temperaturbeständigen Gewebe, z. B. Graphitgewebe, besteht und auf der Mantelfläche des
Brennstoffkörpers so befestigt wird, daß sie fest damit verbunden ist, eine gleichmäßig gerauhte Oberfläche
erhält, die bei den Arbeitstemperaturen des Kühlmittels in einem gasgekühlten Hochtemperatur- ι
Reaktor im Bereich von 500 bis 12000C bestän- '
dig ist.
Zum Befestigen des Gewebes auf dem Brennstoffkörper 13 wird ein geeigneter Klebstoff 61 mit guter
Wärmeleitfähigkeit verwendet. Dabei wird einem karbonisierbaren Klebstoff, wie z. B. Steinkohlenteerpech,
der Vorzug gegeben.
Die Umhüllung 59 ist, soweit dies mit dem gewünschten Turbulenzgrad zu vereinbaren ist, so dünn
wie möglich, so daß kein nennenswerter Wärmeleitverlust durch die Umhüllung entsteht. Es hat sich
gezeigt, daß ein Graphitgewebe mit einer Stärke von etwa 0,8 mm den erforderlichen Turbulenzgrad erzeugt.
Während ein höherer Turbulenzgrad in gewissem Maße den Wärmeübergang verbessert, führt
dies aber zu einem höheren Druckabfall im Kühlmittelstrom, der die Wirtschaftlichkeit der Reaktorkonstruktion
nachteilig beeinflußt. Wenn man diese Kriterien gegeneinander abwägt, erhält man als optimale
Stärke des Gewebes etwa 0,8 mm.
Obwohl das Gewebe auf der Graphitmatrix 51 beliebig ausgerichtet sein kann, solange die Mantel- (
fläche vollständig davon bedeckt ist, so kann doch das Gewebe am zweckmäßigsten so aufgebracht werden,
daß eine Fadenrichtung in Umfangsrichtung des Brennelementes 11 liegt und die andere Fadenrichtung
in dessen Längsrichtung. Wenn eine Fadenrichtung parallel zum Kühlmittelstrom ausgerichtet wird
(im HTGR fließt der Kühlmittelstrom durch den Core in axialer Richtung), trägt die Fadenrichtung
quer zum Kühlmittelstrom mehr zur Turbulenzerzeugung bei. Um die erforderliche Turbulenz zu erzeugen,
wird ein Gewebe eingesetzt, das quer zum Kühlmittelstrom 8 bis 12 Fäden/cm aufweist. Wenn das
Gewebe beliebig auf dem Brennstoffkörper ausgerichtet wird, verwendet man ein Gewebe mit 8 bis
12 Fäden/cm in beiden Fadenrichtungen.
Obwohl auch andere Verfahren angewendet werden können, ist es zweckmäßig, einen Brennstoffkörper
mit aufgerauhter Oberfläche so herzustellen, daß man die Mantelfläche der Graphitmatrix 51 mit einer
dünnen Schicht Steinkohlenteerpech 61 bestreicht und dann das Graphitgewebe 59 darüber wickelt. Abschließend
wird dann eine zweite Schicht Steinkohlenteerpech aufgebracht, die eine feste und glatte
Verbindung zwischen den Fäden und der Graphit-
matrix gewährleistet. Der Brennstoffkörper 13 wird dann geglüht, um das Steinkohlenteerpech 61 zu karbonisieren
und fest mit der Graphitmatrix 51 des Brennstoffkörpers 13 zu verbinden.
Neben einer Aufrauhung der Oberfläche des Brennstoffkörpers bewirkt die Graphitgewebe-Umhüllung
einen Schutz der Überzüge 55 der Brennstoffpartikeln 53. Die Überzüge der an der Außenfläche
des Brennstoffkörpers liegenden Brennstoffpartikeln sind anfällig gegen Abrieb, Anrisse, Bruch usw. während
des Ein- und Ausbaues der Brennelemente. Die Umhüllung bedeckt und schützt diese Partikeln vor
mechanischer Beschädigung. Weiterhin besteht die Gefahr des chemischen Angriffes dieser außenliegenden
Partikeln durch Verunreinigungen im Kühlmittelkreislauf, wie z. B. Dämpfe, die durch ein Leck im
Dampferzeugungsteil des Reaktors in den Kühlkreislauf gelangen können. Die Umhüllung 59 schützt die
Partikeln auch gegen chemischen Angriff.
An Hand des folgenden Beispieles wird eine Methode zur Herstellung von Brennelementen dargestellt,
in denen verschiedene Kennzeichen der Erfindung verwirklicht sind.
Ein im allgemeinen zylindrisches Brennelement 11 einer Bauart, die für den Einsatz in einem HTGR
mit Helium als Kühlmittel geeignet ist, hat einen Durchmesser von 127 mm, gemessen am Brennstoffkörper.
Der Reflektor 25 am Kopf und das Verbindungsstück 27 am Fuß werden aus zylindrischen
Rohlingen aus Reaktorgraphit gedreht. Der Distanzring 43 hat einen Durchmesser von etwa 128 mm,
so daß, wenn die Brennelemente in den Reaktor-Core eingesetzt sind, die Außenflächen der Brenn-Stoffkörper
benachbarter Brennelemente niemals einen kleineren Abstand als 2,5 mm voneinander
haben. Das Tragrohr 19 wird aus einem Rohr aus Reaktorgraphit mit einem Außendurchmesser von
etwa 95 mm gedreht und hat eine Wandstärke von etwa 15 mm. Auf jedes Ende des Graphitrohres wird
ein Gewinde (31A bis 12 UNC) mit einer Länge von
etwa 19 mm geschnitten. Dazu passende Innengewinde werden in die Buchsen 41 und 47 des Reflektors
und des Verbindungsstückes geschnitten.
Der Brennstoffkörper 13 wird mit den bekannten Methoden des Graphit-Extrudierens hergestellt. Die
Extrudermasse besteht aus Brennstoffpartikeln 53, Graphit, Steinkohlenteerpech und Äthylzellulosepulver.
Die Brennstoffpartikeln enthalten etwa 1 Teil Uran(II)-Karbid und 15 Teile Thorium(II)-Karbid
und sind mit dem obenerwähnten Dreischichten-Überzug 57 aus pyrolitischem Kohlenstoff umhüllt.
Die Partikeln haben einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 700 μΐη, worin die Stärke des Überzuges
von etwa 100 μπι enthalten ist. Es werden Reaktorgraphit
mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 200 μπι und Äthylzellulose verwandt.
Die Stoffe werden in folgendem Mischungsverhältnis miteinander gemischt: 30 Anteile überzogene
Brennstoffpartikeln, 60 Anteile Graphitpulver, 9 Anteile Steinkohlenteerpech und 1 Anteil Äthylzellulosepulver.
Eine Gesamtmenge von 500 kg wird etwa 10 Minuten lang in einem Mischer mit entsprechendem
Fassungsvermögen gemischt, bis die Brennstoffpartikeln gleichmäßig im Graphit verteilt sind.
Dann wird der Mischung eine Menge von 1 ml/kg Trichloräthylen beigegeben und weitergemischt, bis
auch das Lösungsmittel gut verteilt ist und die Masse eine gleichmäßige Konsistenz hat. Die feuchte Masse
wird dann in eine Strangpresse gefüllt und bei einer Formtemperatur von etwa 300° C und einem Druck
von 1050 kp/cm2 extrudiert. Die Form ist so ausgebildet,
daß sie einen Hohlzylinder aus Graphit mit eingelagertem Brennstoff mit einem Innendurchmesser
von 93 mm und einem Außendurchmesser von 125 mm erzeugt.
Nach dem Extrudieren wird der Brennstoffkörper in einer Helium-Atmosphäre bei etwa 9000C
10 Stunden lang gesintert, um die flüchtigen Bestandteile auszutreiben und den Äthylzellulosebinder zu
karbonisieren. Der Brennstoffkörper wird dann durch 2stündiges Erhitzen bei 1800° C graphitisiert.
Nach der Graphitisierung wird der Hohlzylinder langsam auf Raumtemperatur abgekühlt und dann
mit einer dünnen Schicht von Steinkohlenteerpech bestrichen. Die so bestrichene Oberfläche wird mit
WCB-Graphitgewebe, einem Produkt der National Carbon Company, das eine Stärke von etwa 0,6 mm
und eine Fadenzahl von etwa 9 Fäden/cm in der Kette und etwa 11 Fäden/cm im Schuß hat, umwikkelt.
Nach dem Umwickeln mit den Kettfäden parallel zur Achse wird eine weitere dünne Schicht von
Steinkohlenteerpech über das Graphitgewebe gestrichen und das so erhaltene Teil eine Stunde lang
bei 1500° C geglüht. Der Brennstoffkörper wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt und ist zum Einbau
fertig.
Ein kreisförmiges Stück Graphitgewebe wird an der Bodenfläche des Tragrohres 19 befestigt und der
Hohlraum 29 mit Berylliumoxydpulver angefüllt. Durch Vibrationsverdichtung wird eine vollständige
Füllung des Hohlraumes erzielt. Ein weiteres kreisförmiges Stück Graphitgewebe wird auf der Kopffläche
des Tragrohres 19 befestigt. Dann wird das Verbindungsstück 27 auf das Tragrohr 19 geschraubt
und der Brenn stoff körper 13 vorsichtig über das Tragrohr geschoben, bis er auf der Oberkante des
Verbindungsstückes aufliegt. Zuletzt wird der Reflektor 25 aufgesetzt, und das Brennelement ist fertig
zum Einbau in den Reaktor.
Vorläufige Vergleichsversuche zwischen diesem Brennelement und einem Brennelement entsprechender
Größe und Form, das eine entsprechende Menge von Kernbrennstoff in einem ringförmigen Brennstoffkörper
kleineren Durchmessers enthält, der aber in einer äußeren gasdichten Graphithülle, die eine
Stärke von etwa 9,5 mm hat, angeordnet ist, ergaben, daß von dem erfindungsgemäßen Brennelement die
gleiche Wärmemenge bei einer durchschnittlichen Brennstoff temperatur von nur 1275° C auf das Kühlmittel
übertragen wird wie von dem anderen Brennelement bei einer durchschnittlichen Brennstofftemperatur
von 1460° C. Dieser Vergleich zeigt, daß das Brennelement nach der Erfindung wesentlich bessere
Wärmeübergangseigenschaften hat und sehr gut in gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren mit
Helium als Kühlmittel eingesetzt werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309 581/121
Claims (5)
1. Brennelement für gasgekühlte Kernreaktoren mit einem langgestreckten, hohlzylindrischen
Brennstoffkörper, der in einer Matrix fein verteilte, gegen den Austritt von Spaltprodukten mit
Überzügen versehene Brennstoffpartikeln enthält, und dessen äußere Mantelfläche in direktem
Kontakt mit dem Kühlmittel steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpartikeln
(55) einen Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff und einen mittleren Durchmesser von
etwa 700 μπι aufweisen und in einem Mischungsverhältnis
von etwa 30 Volumprozent in einer den Brennstoffkörper (13) bildenden Graphitmatrix
(51) fein verteilt sind.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine äußere Mantelfläche
gleichmäßig aufgerauht ist, so daß eine örtliche Turbulenz im Kühlmittelstrom in der Nähe der
Oberfläche entsteht.
3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Brennstoffkörpers
(13) ein Graphitgewebe (59) trägt, das auf der Mantelfläche der Graphitmatrix befestigt
ist und aus gekreuzten Fäden besteht, die zum einen Teil in Längsrichtung des Brennelementes,
zum anderen Teil in Umfangsrichtung verlaufen, und daß das Gewebe in Umfangsrichtung
und damit quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels eine Fadenzahl von 8 bis 12 Fäden/cm
hat.
4. Brennelement nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitgewebe
insbesondere bei beliebiger Ausrichtung zur Richtung des Kühlmittelstromes in beiden Richtungen
eine Fadenzahl von 8 bis 12 Fäden/cm hat.
5. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch einen Distanzring (43), der den zylindrischen Brennstoffkörper so im Core des Kernreaktors
fixiert, daß die Mantelfläche der Graphitmatrix allseitig in direktem Kontakt mit dem
Reaktorkühlmittel steht.
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