DE1614950A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abzug von Spaltprodukten aus Brennelementen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abzug von Spaltprodukten aus Brennelementen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abzug von gasförmigen Spaltprodukten aus den Brennelementen in Kernreaktoren, sowie eine Gasabzugsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens·

In Kernreaktoren entstehen aus dem Spaltstoff wie eine Reihe von radioaktiven Spaltprodukten, darunter solche in der Gasphase, wie z„B_c die Isotopen Xenon 133» Xenon 135» Krypton 85, Krypton 89 und so fort. Dies führt zu einem Druckaufbau im Brennelement, und schließlich zum Anschwellen der Brennelementhülse, bis die Gase abgelassen werden. Oft ist aber eine Beschädigung der Brennelementhülsen die Folge und radioaktives Material, z.B. Brennstoff oder kurzlebige Spaltprodukte gelangen in den Kühlkreislauf und setzen überdies das Brennelement dem Kühlmittel aus, das möglicherweise auch noch mit diesem chemisch reagiert. In bekannten Kernreaktoranlagen wird versucht, diese Gefahr dadurch zu vermeiden, daß entweder die gasförmigen oder flüchtigen Spaltprodukte direkt in einen Sammelraum außerhalb des Reaktors abgelassen werden, BADORIGINAL ' 009828/0504

oder in dem die Brennstoffhülse so stark atisgelegt wird, daß eine Beschädigung auch bei erheblichem Innendruck im Brennelement vermieden wird.

Im ersteren falle sind jedoch umfangreiche und aufwendige Rohrleitungen zur Verbindung des Sammelraums mit dem Brennelement notwendig oder der Sammelraum muß groß dimensioniert sein (etwa längengleich mit dem aktiven Brennelementteil) was beim Betrieb oder im Reparaturfalle durch Leckverluste radioaktiven Materials die Strahlungsgefährdung erhöht, während die starke Auslegung der Brennelementhülse den Reaktorwirkungsgrad beeinträchtigt. Außerdem wird bei starker Auslegung der Brennelementhülse der parasitäre Feutroneneinfang stark erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen, eine Beschädigung des Brennelements vermeidenden G-asabzug in einfacher V/eise und ohne schädlichen ITebenfolgen zu gewährleisten.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daC der Gasaustritt aus dem Brennelement solange verzögert wird, bis ein wesentlicher Teil zumindest der radioaktiven S^altprodukte mit relativ kurzer Hsilbwertszeit zu den nicht-gasförmigen, nicht-aktiven Elementen bzw. Isotopen zerfallen ist. Bereits hierdurch wird ein gefährlicher Druckaufbau im Brennelement weitgehend germieden. G-ünstigerweise können dann auch noch die verbleibenden gasförmigen aktiven Spaltprodukte nach Erreichen eines vorbestimmten Überdrucks aus dem Brennelement abgelassen werden.

Gemäß der Vorrichtung wird in einem an sich bekannten, mit 009828/0504

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einer der Spaltbrennstoff aufnehmenden und an einem Ende einen für die gasförmigen Spaltprodukte bestimmten Sammelraum aufweisenden Umhüllung versehenen Brennelement eine Leitung mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten, den Gaadurchfluß verzögernden porösen Scheiben angebracht, die an einem Hnde mit dem Sammelraum in Verbindung steht und in ihrem entgegengesetzten Ende mehrere gasdurchlässige Scheiben aufweist und die diese umschließende Leitungswand so ausgelegt ist, daß diese bis zu einem bestimmten Gasdruck abdichtend an den Scheiben anliegt und bei Überschreiten eines bestimmten Gasdrucks unter Ausweitung die angestauten Gase an: Umfang der Scheiben vorbeiläßt.

Durch die porösen Scheiben erfolgt der Gasdurchfluß, sowohl durch Diffusion wie auch in Folge des entstehenden Differentialdrucks. Tiff undurchlässigen Scheiben dienen bei dem unter Ausweitung der Hülsenwand ermöglichter. Gasfluß nach Erreichen eines bestimmten Überdrucke t*xs ein den Bückflufi von Kühlmittel und Kü#lmitteldempfen verhinderndes Ventil, se daß eir.e etwaige Umsetzung von Kühlmittel und Brennstoff oder eine Veränderung der Kennlinie durch Korrosion durch das Kühlmittel vermieden -.vird.

Die Zeichnung zeigt im Längsrchn-" tt die erfindung;sger.ä.?e Vorrichturg und deren Anordnung in einem Brennelement. Beim Betrieb von Kernreaktorer, entstehen neben weiteren flüchtiger, und nicht-flüchtiren Spaltrrodukten auch eine Reihe vcr radioaktiven Gasen. Die Zerfallsketten und Halbwert s sei ten einiger der ?.r. häufigsten auftretenden Gase sind in der Tabelle I aufeeführ⁴·.

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TAERIIE I-

Xenor. 133 5,3 Tage Zaeeium 133

Xenon 135 9,? Std. Zaesinm 135

Xenon 140 16 Sek.' Zaesium 140 66 Sek.

Barium

Krypton 85 10,4 Jahre ---Rubidium 85

Krypton 59 3,? Min. Rubidium.69 15 Min. ——

Strontium.

Die lirfirdung tcruht nun .auf der TCrv;^::rung, de2 durch Verzögerung dee G-asdruchlaufs vor Atzu" aus dem Brennelement eir, f~rci?er ^Φ4ί2 der aktiven Spaltprodukte zerfällt und dami-t unschädlich wird. Wird z.?. das in der Tabelle I verzeichnete Isctor Xenon 133 50 Tage lcng (1200 Std.) verncgert. und darr aus dem Brennelement abgelassen, so treter nur noch 1 «-ip der urspr'Jr glicher, !/-enge dieser Ts"tc^r!r ir der Fühlmittelkrei ?;] auf ein. Iir. Fa]Ie von X-ror. 135 ist die Hehtir.^cr."e rr^sr Ό3οε r.'':ch 1 . ΙΟ""""'. V-'eiterhin v.'ird durch öie Yerzögerur^ die· ^!>rg*2 des in da; 57"hlr: t^xH2 acgelsseenen Zaesiurr:?; 133 um 10 und . di e

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p:ck~i.'-oh nur T'^y'-^cr:" 65 » " mi t "einer rT^l·:". ortr-zeit vcr 1C,^- tTe.hr=ri. I%f :ε⁺ o&hor ir i-c-hor ^r¹ Ίο. vc'rto'i Ih^ft den

5IcFO .zur grc'rserer. Teil γί; -^ er. ri'c^^^^fr rr- 5er Isctr-er."^f " ■"^crf5l"I er. ur.i .öuror. Γ c r. den ε at i er., ;.'>1 ? ^ r-i +-. r r. oder Wir-'-" ''-■-''-""-

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:^^:^ ' ' ' ■ 16U950

setzung mit einem fetter in der Abzugsvorrichtung niedergeschlagen v/er rl en können. Die hierzu geeignete erfindunssgemäße Vorrichtung ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, günstigerweise am oberen Ende des Brennelements oder Brennstabs. 10 leckdicht befestigt und steht mit dem oberhalb dem Brennstoff, Brutstoff oder Moderator 12 vorgesehenen Sainmelraum 11 für die entstehenden gas- und dampffärmi^ev. .." Spaltprodukte in Verbindung. Diese Verbindung wird durch die konzentrisch in dem Mantel 20 angeordnete, an beiden Enden offene und mit dem unteren ?nde an den Sammelraum angeschlOssene Leitung hergestellt. In dem unteren Teil der Leitung 14- und dicht über dem Sammelraum 11 sind '■■., mehrere im gegenseitigen Abstand zueinander angeordnete poröse Planj?cheiben'i5a— 15g vorgesehen, die in den gestauchten. !Peilen 17 der Leitung 14, festgelegt und gehaltert sind,' Aus weiter unten näher erläuterten'Gründen dürfen die porösen Scheiben nicht an die Leitung angeschweißt oder angelötet werden; die Leitung soll sich nämlich bei allmählichem Druckanstieg oder Druckstößen bis zum Erreichen eines Druckausgleichs in dem' Brennelement elastisch ausdelasuaiu Unter normalen Betriebsbedingungen sind die porösen Scheiben oder Platten eng in die Leitung eingepaßt., so daS der Gasflußdie Scheiben durchströmen muß und nicht an ihnen vorbeigeleitet wird. .

Am oberen.! dem fammelraum 11 entgegengesetzten Ende der. Leitung iet ein Ventil angeordnet, das nach dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, z_oB. aus zwei, im gegenseitigen Abstand zueinander angeordneten» festen bzw> undurchlässigen in den Stauchstellen 19 der Leitung, festgelegten Planschedben'iä und 18a besteht.- Biese

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Planschej ben sind derart eng in die leitung 14 eingepaßt, dal? norm&lerv/eise eir;e Abdichtung besteht und nur nachdem eine vorgegebene kritische Pruckhöhe erreicht ist, ein Gasdurchflui? möglich ist. Durch die Steuchstellor rird gleichzeitig eine Längsverschiebung der Scheiber "ei Aufbau des Gasdrücke in der Leitung verhindert. Pic ZaJiI der Scheiben richtet sich n-sch der angestrebten leckdi r-hte ; unter Umständen 3ca..n also auch eine einzelne Planscheibe genüger.; durch, mehrere Scheiben v/ird aber eine grc'?ere Leckdichte erzielt.

Zwischen der Leitung 14 und den ar das untere Erde der Leitung angesclr,veii?ten, über die- Öffnungen ?2 rii t dem Kühlmittel des Brer-nslenents in Verbindung Btehr-nden Mantel 20 wird der obere Ss::.r.elrauir. ?1 gebildet, der eine doppelte Aufgabe hat. Einmal führt er die aus der: oberen Ende der Leitung 14 tretenden gasförmigen Snaltprcdukte nach außen ab. Vor aller; aber verhindert er den Eintritt des Kühlrrittel-s in die Leitung bzw. die Ventilteile, was iffiese verstopfen oder zumindest ihren ordnungsgemäßen Betrieb beeinträchtigen würd-i. Durch Eintritt von Kühlmittel in den SainmelrauH durch die öffnungen ?? würden die Spaltgase im oberen Teil des SammelrauEs eingeschlossen und dort fcoir.rrimi ext verden, bis d.er Druckausgleich mit den Äufiendruck Irr Klihlrrittelkrei slauf hergestellt wäre. Durch entsprechende Auslegung des Sammelraumvclumens- kam ein Anstieg des Kühlritteis über das obere Ende der Leitung 14 hinaus für jeden Betriebs— aufen-druck verhindert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen,-Die im Brennstoff erzeugten gasförnigen Spaltprodukte

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■treter: di»rcb da? Br.eiirieloiP^it- 1C■ .^'.r .-cf^:. S ;

Ie Laüfo der tebtiredauer ?ir->r P^i.n^l-rrsriuc erfVlgi ^: Infolge der V^'rmeauPöehrvnr ^r HeEtgtese und.dör^fort- --■ lauf fender; Zrtstehvin~ reuer ^ora2t?ase,;_c?r-_: Γγ-uc Irans t leg, der infolge des E\viaci^se^ der. seröser.' ^Irn^cbeiben. 15a - G frtstehfrd⁰.*: rrucl^ef^Itlps misr'tzli er- zur Diffusion; durch die Scheiber: einen allirahliohei" GasdurcitfluG durch diese fur PoIp hat« "..-■_- , ""'-■"_... . . "".":

■Ti Q" Porergröfe der Scheiten T5a" -15g liigt: zwischer wenirer als -1 >u■ *- 1C/U Burcrjiiesser, Äu.ierdein seilte ^ede Scheibe ein ^τ/ο1τ;Γ!βη von Eindrcter.s 2C$> des:

Ui^⁰TS ^wisch^ii ien ei nzelrer. Sche⁴rf?n . l^rate-fi.^:-.

i-! Ί " fii' <":-! T ⁺ Pr «-ι λ - "* τ·" iiaw To-? ■♦--ιτ^γι" ιΛ^! ιί-ιτ?'!ίτΐ:·νβί eic

iii der Foi^enfol^t·^ τ''"2γ*τΓ i-_"v·<■■-.^ Ii ^e.!? Γ "r^n^rC ^e anice— ordnet s^lr. _f xote: 4-s ".SeheiV^^ ."r^"t cen gr^Pten Pore; ir der K^Hrc ,öes Si:nirelrav:3:s '-ίγ- e:rcr':t wijc und snacLli e.'*erd die nroi^tkleirere Pci'?n~r" : "■- rr-3.u d=r . er. weitester - .-. vor, den. Baiir.elraur. 1' rentfeiTter, Ictrten Scheibe rit den kleinster. Porei . . ~5ρ~£~;2.^2$ί;-0 ce hut. die. .Scheite;' Ίί-a eine Por?^._:-r^2e von- IC/u im PurchTSFPer^ d ie: Schei te T? q eine ^" oreir^^" L ^!? e vj^ \ver.i-~eT" ^2.C I^ -m' urd die 15 "b, lpe _K t^K?"y 15e und 155 *t-r.ehs-i:ce torersrciiien von etwas κ!--τ>r ils TC \/u >ίε 2u.>l?iher al& .1" /U.;* -

Unter _::οχ~=:;1^Λ^ Betriebsbedinfunren. gelangt eine ausreichen^^ .Ken je der gasförjr.i-er. 'S^waltrrodulcte in den zwi.scheT 5er obersten ?ογογ-ρ er. ei te, 15^· xirid der undurch lässiger. Scheite 1 f-ΐ rebiidete:: H^c;;t. pss_:-flort äfige-Pa"**¹"*""¹1^c ^h? y'ird

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Wandungsteile der Leitung 14 sich elastisch ausdehnen, so da.? das Gas am Umfang der Scheiben vorbei in den Baum zwischen den Scheiben 18a und 18b fließt. Bei weiterem Druckanstieg dehnt sich, die Leitung 14 weiter aus unfi das (Jas fließt in den Sammelraum 21. Sobald der Druckausgleich erreicht ist, legt sich die Wandung der Leitung 14 wieder gasdicht an die Scheiben 18 an, bis nach erneutem Druckaufbau sich der Vorgang wiederholt. Der Druck bei dem das Ventil öffnet kann durch entsprechende Auslegung des Scheibenumfangs und damit Festlegung elneV bestimmten, auf den anliegenden Wandungsteil der Leitung 14 ausgeübten Spannungstelastung eingestellt werden. Das Ventil öffnet dann, sobald dieser Spar.nungsbelastung die von dem entsprechender.' Gasdruckanstieg erzeugte äußere Spannungsbelastung gleich ist. Beispielsweise wird durch einen G-asdurchfluß von 2 . 10" cc/Sek. bei gegebener Vorspannungsbelastung ein Druck von 7 kg/cm ausgeübt, was bei einem Leitungsrohr aus rostfreiem Stahl mit einem äußeren Durchmesrer von 4,6 mm und einer Wandstärke von 0,15 mm eine elastische Ausdehnung von 0,09 /U erzeugt. Auch die Scheiben 15a - g dürfen mit der Leitungswand nicht verschweigt oder verlötet sein, da sodann bei Drückstößen oder völliger oder teilweise Verstopfung der porösen Scheiben eine Entlüftung unmöglich würde ; diese wird dadurch gewährleistet, daß sich die die Scheiben 15 um- ' gebende Wandung der Leitung vorübergehend elastisch ausdehnt, eo da £ .ähnlich wie iir Felle der Scheiben 18 durch teilweise Entlüftung eine Beschädigung dee Brennelements vermieden wird. Die Scheiber 15 in Verbindung mit der elastischen Leitung bilden scir.it ein Ventil, das Ms

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;. 3 6..1- 4.9 50

zu einer bestimmten DruekhÖheden Gasfluß verzögert, "bei Erreichen der fcri/tiscÜLen Druckhöhe "bzw, Auftreten eines Überdrucks aber den Gasabzug freigibt.

Als Niederschlag, für- die Spaltprodukte fester Phase kann zwischen den Scheiben 15a - g und ISa und 18b eine Zwischenlage. 26 aus· Fasermaterial vorgesehen sein. Die Zwischenlagen können aus -beliebigen !fasern bestehen, die unter Eeaktorbedingungen temperaturfest sind und gegenüber den Spaltprodukten chemisch beständig sind. Anstelle von lasern kann jedes körnige Material mit einer im Vergleich zum'Volumen'großen Gesamtfläche ( C10" cm) und niedriger Dichte (> ,50$) mit einem den~Gasdurchfluß ermöglichenderi hohen Anteil an Zwischenräumen verwendet v,^rsröen. Als Fasermaterial kommt z.B» Glas-, Quartz- oder rostfreie" Stahlwol3.e oder" auch ein Gewebe aus rostfreiem. Stahl, Zirkon, Titan, Glas- oder Quartzfaden inFrage. Als zusammenfassende Bezeichnung für das einzusetzende ■ Material wird foraminösss , ä«,h. Diatomeen- oder Kiesel-' gurähnlichss Material vorgeschlagen, dessen gesamte offene Querschnittsfläche der geschlossenen Fläche zumindest gleichkommt; außerdem sollte der Faser- oder Drahtdurchmesser in der Regel -nicht mehr als 0,254 mm betragen.

Bej Verwendung von Brennelementen mit geringer Lebensdauer ist das foraminöse Material 26 entbehrlichj die festen Spaltprodukte haben hier in den porösen Scheiben 15a - geine ausreichende Wieäerschlagsflache« Bei langlebigen Brennelementen ist dagegen eine ödere mehrere Zwischen- lugen 26 empfehlenswert; außerdem kann zusätzlich noch ein Getter wie z.B. Silber, Kupfer und dergl. ,oder Kohle

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mit Spuren dieser Metalle oder anderer Verbindungen "ckLe eine r.i ohtfliichtzge Verbindung mit Iod eingehen, auf die Oberfläche der Zwischenlagen 26 aufgebracht, werden» Fei der Auslegung der erfindungsgeir.äPen "Vorrichtung iruP eine bestimmtes Volumenfjfekftl* verhältnis zum Spaltetoff des Reaktors eingehalten werden, Grünstigerwe: s-e·' sollte d?s offene Volumen des die porösen Scheiben 15a - ρ erthaltenden Teils O,1C - 0,20 # des Brenrstoffvolumers betragen. Oer Rauminhalt zwischen der pyorösen Schelte 15g und der undurchlässigen Scheibe 18a sollte günsti gerv/eise mindestens 0,25 deE Brennstoffs und das Oesair.tvolviren der Gasab^ugs somit mindestens 0,?5^ des die zu v^ßrzög°rrden Spaltprodukte erzeugenden Brerns-toffs betreten.

Das folgende Beispiel erlöutert aen zur Ye^z'^p-'irvv-' des Abzugs dee langlebigen IsotcpE Er:"^tor; 85 ¹¹H FC¹T als 50 Tage (1200 St 3.) erforderlicher; Rauminhalt?.

Gegeben sei ein Erzeugun{:swert von Krypten ^ ver 2 χ 10 ^ cc/Sek. bei durchschnittlichen Druck·- und Tempera-

2 ~

turverhältnisse von ^ kg/cm und 6SO" im Brenn et nt "bei einen Spalt stoff ve lumer, von 20 cc, einer· Volumen des Abzugs von ⁿ cc (0,55°'^ des Brennstoff Volumens) und einem Volumen des Sammelraums 11 von 4 cc (0,20$ des Brennstoffvolumens); es gilt nunmehr die Gieichung

V + V
cc 1 2

R (£,6 χ 1O⁴")

BADORfQlNAL 00 %_% 21 /0504

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Hierin bezeichnets

V. = Abzugsvolumen in cc V_? = Sammelraumvloumen in cc V

■■'"'·--■"-■ K-

R β Erzeugungswert von Krypton 85 = 2x10" cc/Seh D = Verzögerurig in Tagen

8,6 χ 10** - Zahl der Sekunden pro Tag

Werden die obigen Werte in die Gleichung eingesetzt, so ergibt sich eine Verzögerung von 64 Tagen, Die tatsächliche Verzögerung ist etwas kürzer, teils wegen der statt— findenden Gasdiffusion durch die porösen Scheibenj teils infolge von Temperatur— und Druckschwankungen des Brennstoffs im Reaktorbetrieb,

Ist somit der Srzeugungswert in Volumeneinheiten der langlebigen gasförmigen Spaltprodukte, sowie der Durchmesser des Brennelements bekannt, so kann die langedes Abzugssystems errechnet werden.

Die Tabelle II verzeichnet als Beispiel "Abmessungen. . und Parameter eines typischen erfindungsgeröäßen Abzugs.

TABELIE II

Innenleitung, innerer Durchmesser Innenleitung, Wandstärke

Mantel, Abdeckung, äußerer Durchmesser

Abzugslänge Sammelramminhalt Dicke der porösen Scheiben Abstand der porösen Scheiben Anzahl der porösen Scheiben

Material der -ccrösen Scheiben

Poraminöses Material

Faseröurchmesser

Abzussrauminhalt

Brennstoffvolumen

Emissionswert von Kr-85 Innendruck

Betriebstemperatur Durchschnittliche Verzögerung

009823/0504 A₉B mm
0,25 mm
1,25cm

1,65 m

4 cm
0,15 cm
20 cm

7 (durchschnittlich 1 - 8)

rostfreier Stahl, gesintertes Mikrometallpulver oder dergl.

rostfreie Stahlwolle oder-Ti oder Zr Drahtmatte

0,13 - 0,25 mm Drahtmattenwolle

31 cnr (DurChschni ttlicher Bereich 0,35 1,2 V_f)

•z

44 cm (durchschnittlicher Bereich 15-90 cc)

4,4 x 10~⁶cc/Sek

7 kg/cm (Nenn- leistung bei gleichm.Betr.)

42 Tage ' (509^ Wirkungsfaktor)

Claims (1)

1. V * ■:."■ - .■." 16U950

   Patentansprüche ■■-..-...

   1« Terfahren zum Abzug von gasförmigen radioaktiven Spaltprodukt en aus Brennelementen in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasaustritt aus dem Brennelement solange verzögert wird, biS₁ ein wesentlicher Teil zumindest der radioaktiven Spaltprodukte mit relativ kurzer Halbwertszeit zu den nicht-gasförmigen, nichtaktiven Elementen bzw. Isotopen zerfallen ist·

   2ο Verfahren gemäß Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibenden gasförmigen aktiven Spaltprodukte nach Erreichen eines bestimmten Überdrucks aus dem Brennelement abgelassen weiden.

   ο Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem an sich bekannten, mit einer den Spaltbrennstoff, aufnehmenden und an einem Ende einen für die gasförmigen ■-Spaltpradukte- bestimmten Sammelraum aufweisenden Umhüllung versehenen Brennelement eine Leistung (14) mit mehreren im Abstand zueinander, den Grasdurchfluß verzögernden porösen Seheiben (15) angebracht ist, die an einem Ende mit dem Sammelraum (11) in Verbindung steht und in ihrem entgegengesetzten Ende mehrere ■gasundurchlässige Seheiben (18)aufweist und die diese umschließende Leitungswand so ausgelegt ist, daß diese bis zu einem bestimmten Gasdruck abdichtend an den Scheiben anliegt und bei Überschreiten eines bestimmten Gasdrucks unter Ausweitung die angestauten Gase am Umfang der Scheiben vorbeiläßt_o
   00 98 2 8/0 50U

   . 16U950

   'tr-

   4-· Brennelement gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seinem unteren Teil.mit- Durchlässen versehener Behälter (20) die Leitung umschließt.

   5· Brennelement gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein foraminöses, die festen Spaltprodukte absorbierendes Material (26) zwischen den porösen Scheiben angeordnet ist.

   6ο Brennelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material mit den Spaltprodukten in Umsetzung tritt.

   BADORiGINAL
   009828/0504 ~