DE1514961C3

DE1514961C3 - Brennelement für gasgekühlte Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1514961C3
Application number: DE1514961A
Authority: DE
Inventors: Richard Franklin Turner; Ernest Orval Winkler
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1964-05-05
Filing date: 1965-05-05
Publication date: 1974-07-25
Also published as: US3224944A; GB1043033A; CH432665A; DE1514961A1; DE1514961B2

Description

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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 μπι 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 30¹Vo 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

Fig. 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,

F i g. 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 Dornes 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 her^ gestellt, 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 Dornes 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 Reäktör-Core. zu 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 Brennstoffkörpers 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.

Brennstoff ρ artikeln 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 μπα 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 Brennstoffkörper 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-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.

Beispiel

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 Verbindungsstück27 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 (3V2 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 μΐη 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 1800⁰C 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 Brennstoffkörper 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 erfmdungsgemäßen Brennelement die gleiche Wärmemenge bei einer durchschnittlichen Brennstofftemperatur 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

Patentansprüche:

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 μηι 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.