DE1815384A1 - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT τ.««.,ροτηsmw

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68 110 Kü/Schm

. 17. Dez. 1

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Gharles II Street, London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der "britischen Patentanmeldung Kr. 57972/67 vom 20. Dez. 1967 beansprucht,

Kernreaktor-Brennstoffelement

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennstoffelemen-te und insbesondere auf solche Brennstoffelemente-, die allgemein — auch nachstehend — als Brennstoffstift be- . zeichnet werden und die eine innere und eine äußere Hülle aufweisen, wobei Brennstoffmaterial sich im ^ingraum zwischen den beiden Hüllen befindet.

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Ein Brennstoffstift dieses Typs ist in der Fachwelt als rohrförmiger Brennstoffstift bekannt. Er ist von besonderem Vorteil, weil er es ermöglicht, daß Kühlmittel sowohl innen als auch außen entlang dem Stift strömen kann, und behebt in gewissem Ausmaß die Schwierigkeiten sowohl einer schlechten Wärmeleitfähigkeit von keramischem Kernbrennstoff, wie beispielsweise Urandioxyd, oder von einem Gemisch aus Uran- und Plutoniumdioxyd, als auch des zentralen Schmelzens /centre melting/, welches bei hoohbeanspruchtem Brennstoff in vollzylindrischer Form vorkommen kann. Sein Hauptnachteil ist in dem Umstand zu sehen, daß in einem gewissen Grad eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen Innen- und Außenhülle während des Betriebs ermöglicht werden muß. Wenn es auch möglich ist, in solcher Weise zu entwickeln bzw. zu konstruieren, daß die Mittelwandtemperaturen der Innen- und Außenhülle während des Normalbetriebs sich nur um wenige Grad voneinander unterscheiden, so kann man doch davon ausgehen, daß die folgenden beiden Faktoren eine unterschiedliche Ausdehnung hervorrufen: Erstens dehnt sich der Brennstoff sowohl in Längsrichtung als auch radial während des Betriebs aus, und es ist sehr wahrscheinlich, daß der Brennstoff gleichsam fester an die eine Hülle als an die andere angekuppelt wird, so daß diese somit in einem größeren Ausmaß beansprucht wird. Zweitens sind höchstwahrscheinlich vorübergehende Effekte von Ins Gewicht fallender Bedeutung; und beim Abschalten des Reaktors wird der keramische Brennstoff das Bestreben haben, "sich schneller zusammenzuziehen als die Hüllen, und es wird sich aller Wahrscheinlichkeit' nach zwischen dem Brennstoff und der äußeren Hülle ein Spalt öffnen. Dieser wird als Wärmeisolierung wirksam, und bei Erhöhung der Leistung wird dann der Wärmeausgleich gestört. Der gleiche Effekt kann bei Reduzierung der Leistung auftreten. Der Verlust des Wärmeausgleichs führt zu unterschiedlichen Innen- und Außenhüllentemperaturen und somit zu einer unterschiedlichen Ausdehnung.

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Beide. Faktoren sind äußerst komplex; und folglich findet sich hier die Lehrmeinung /philosophy adopted/ damit ab, daß eine unterschiedliche Ausdehnung vorhanden ist und diesem Umstand bei der Konstruktion bzw. beim Entwurf Rechnung getragen werden muß» Es ist Aufgabe der Erfindung, hierfür geeignete Maßnahmen vorzuschlagen.

Ein langgestreckter rohrförmiger Brennstoffstift, bei welchem die äußere und die innere Hülle am einen Ende des Brennstoffstiftes abgedichtet aneinander oder miteinander befestigt sind, setzt sich erfindungsgemäß zusammen aus einer ersten Abdichtungsvorrichtung zum Abdichten der anderen Enden der Hüllen bei Zulassung einer relativen längsbewegung zwischen diesen, wodurch ein abgedichteter Abschluß zwischen den Hüllen geschaffen wird, aus einer zweiten Abdichtungsvorrichtung zum Abdichten der Hüllen ' bei Zulassung einer relativen Längsbewegung zwischen diesen, wobei diese zweite Abdichtvorrichtung in abständlicher benachbarter Beziehung zur ersten. Abdichtvorrichtung angeordnet ist, sowie aus einer Vorrichtung, die eine Leitung bildet, welche nach der Außenseite des Brennstoffstiftes hin den Raum zwischen den Hüllen, der durch die erste und zweite Abdichtvorrichtung begrenzt ist, entlüftet.

Die erste und zweite Abdichtvorrichtung werden vorzugsweise je durch eine Balgdichtung gebildet.

Die vorangegebene Leitung erstreckt sich vorzugsweise dicht am Brennstoffstift entlang und nach einer Stelle, die dem Bereich der ersten und zweiten Abdichtvorrichtung abgelegen ist. Die Leitung bildet vorzugsweise einen Lüftungsweg, der länger als die Längsabmessung des Brennstoffstiftes ist«

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Die vorgenannte Leitung ist vorzugsweise ein Kapillarrohr, welches am einen Ende mit dem genannten Raum an einer Stelle zwischen den beiden Abdichtvorrichtungen in Verbindung steht, schraubenlinienförmig um die äußere Hülle herum gewickelt ist und offen an demjenigen Ende des Brennstoffstiftes endet, das der ersten und zweiten Abdichtvorrichtung abgelegen ist. Das schraubenlinienförmig gewundene Rohr dient — in Verbindung mit den entsprechenden Rohren benachbarter Stifte — als Abstandshalter für die Stifte und begünstigt das Mischen des Kühlmittels, welches über die Stifte hinwegströmt. Das schraubenlinienförmig gewundene Rohr ergibt außerdem eine Kapillarlänge von mehr als der Brennstofflänge zur Abschwächung der Spaltprodukte durch Zerfall der kurzlebigen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert und zwar zeigt

Pig. 1 eine fragmentarische Seitenansicht- im

Mittelschnitt durch einen Kernbrennstoffstift nach der Erfindung, die

Fign. 2, 5 -und 4 Draufsichten, jeweils im Schnitt nach den Linien H-IL, IH-III und IV-IY, während

Fig. 5 in kleinerem Maßstab als dem der Fig. 1

eine fragmentarische Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffstiftes wiedergibt.

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Bei äer in der Zeichnung dargestellten Konstruktion, wie sie beispielsweise für einen Kernreaktor-Brennstoffstift verwendet wird, der mit einer Vielzahl von ähnlichen Brennstoff stiften, in einer Brennstoff-Untergruppe verwendet wird, die wiederum mit einer Vielzahl ähnlicher Untergruppen, nahe "beieinander angeordnet, Verwendung findet, um den Kern eines Schnellbrüter-Kernreaktors zu bilden, der durch Flüssigmetall, wie beispielsweise Natrium, gekühlt wird, wird eine längliche innere rohrförmige Hülle 1 aus Edelstahl vorgesehen, an welcher durch Ringkanten-Schweißung bei 2 ein oberes Endfitting 3, ebenfalls aus Edelstahl, befestigt ist und an welcher außerdem durch Stumpfschweißung bei 4 eine langgestreckte äußere rohrförmige Hülle 5 aus Edelstahl befestigt ist, die sich koaxial zur Hülle 1 erstreckt, um so einen langgestreckten Brennstoffstift 6 zu bilden, der zwischen seinen Hüllen 1 und 5 einen Eingraum aufweist, dessen oberes Teilstück allgemein Kernbrennstoff und Brutmaterial enthält und dessen unteres Teilstück allgemein als Hohlraum anzusprechen ist, der dazu dient, gasförmige Spaltprodukte aufzunehmen, die sich aus der Bestrahlung des Kernbrennstoffs in dem auf hohe Nennleistung ausgelegten bzw. hochbeanspruchten Kernbereich des Kernreaktors ergeben.

Am Sndfitting 3 liegt ein ringförmiges Distanzstück (dieses könnte eine IPeder oder ein Wirk- oder Strickmaschenelement für die Brennstoff-Niederhaltung sein) aus Edelstahl an, welches zwischen — und in Berührung mit — den Hüllen 1 und 5 angeordnet ist. Eine Säule von gestapelten Hingpellets 8 aus Brüterbrennstoff ist zwischen dem Distanzstück 7 und einem ringförmigen Edelstahlseparator 9 angeordnet. Unter dem Separator 9 befindet sich der Spaltbrennstoff 10, der mit gleichartigen Bereichen der anderen

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Brennstoffstifte, die in einer Brennstoff-Untergruppe sitzen, und mit den anderen Brennstoffgruppen, wie vor erwähnt, den Kernbereich des Kernreaktors bildet. Der spaltbare Brennstoff 10 besteht in Form von vibrationsverdichteten Teilchen aus gemischtem UO₂ und PuO₂» die den Ringraum zwischen dem Separator 9 und einer durchbohrten Plattform 11 aus Molybdän einnehmen. Der spaltbare Brennstoff 10 weist fünf Abstandsstücke 12 aus Edelstahl auf (von denen nur zwei in Pig. 1 dargestellt sind), die in gleichem Abstand auf der Länge dieses Bereiches angeordnet sind. Die Abstandsstücke 12 haben die in Fig. 3 dargestellte Form und sind so angeordnet, daß benachbarte Abstandsstücke 12 mit ihren drei Vorsprüngen 13 relativ zueinander gestaffelt bzw. versetzt angeordnet sind. Die Abstandsstücke 12 sind eine Maßnahme zur Verhinderung eines plötzlichen Absackens bzw. Abslnkens des Brennstoffs nach unbeabsichtigter Überhitzung, indem sie als Kühloder Abschreckungsstücke /chills/ wirken. Sie stellen außerdem die Konzentrizität der Innen- und Außenhülle im Hauptbrennstoffbereich sicher.

Zwischen der Plattform 11 und einer ähnlichen, aber umgekehrten Plattform H, die von ersterer im Abstand angeordnet ist, befindet sich ein Körper 13 aus einem Molybdän-Strickmaschenwerk /molybdenum knitmesh/. Die Durchbohrungen bzw« Aussparungen in den Plattformen 11, H ermöglichen es, daß gasförmige Spaltprodukte, die im Brennstoff durch Be-. sträiung erzeugt werden, aus diesem herausgelangen können; der Strickmaschenkörper 15 wirkt sowohl als Sperre gegen Verlust von Brennstoffteilchen während der Vibrationsverdichtung und der Vorbetriebsbehandlung als auch als Rückhalt für jegliche festen Spaltprodukte oder Brennstoffpartikel,

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die von der Masse des Brennstoffs IO getrennt und in einer Strömung von gasförmigen Spaltprodukten von der Masse des Brennstoffs 10 her eingefangen werden können. Die äußere Hülle 5 ist nach innen drückverformt oder auf andere Weise nach innen deformiert, und zwar bei 16, um die Plattform 11 zu lokalisieren, bei 17i um den Strickmaschenkörper 15 zu fixieren, und bei 18, um die Plattform H in ihrer Lage festzulegen.

Abstandsringe 19, 20 sind jeweils in der Nähe der Plattformen 11, 14 angeordnet. Der Abstarrsring 19 erstreckt sich in die Masse des Brennstoffs 10 hinein und dient dazu, die Plattform 11 während .der Montage zu lokalisieren, während der Abstandsring 20 dazu dient, das obere Ende einer Säule von ringförmigen Brüter-Brennstoffpellets 21 in ihrer Lage zu halten, deren unteres Ende durch einen durchlöcherten bzw. ausgesparten Haltering abgestützt wird, der durch Heftschweißung bei 23 an der inneren Hülle 1 befestigt ist. Der Hing 22 schließt das brennstoffhaltige Teilstück des Brennstoffstiftes ab.

Der übrige Teil des Brennstoffstiftes dient weitgehend als Reservoir 27 für gasförmige Spaltprodukte und enthält ebenfalls Abdichtungs- und Lüftungsvorrichtungen. Das untere Endteilstück 24 der inneren Hülle 1 ist. dicker als das obere Ende 25 und wird getrennt von diesem hergestellt und mit diesem bei 26 stumpfrerschweißt; dies ist hauptsächlich deshalb so, weil das obere Ende 25 eine Druck-Haltekomponente ist und geschwächt würde, wenn an ihm Körper befestigt würden, wie dies beim Teilstück 24 der Fall ist; dies erleichtert außerdem die Montage. Darüber hinaus wird das untere Endteilstück der äußeren Hülle 5 in drei Teilen 29, 30 und 31 hergestellt} der Hauptgrund dafür ist die Erleichterung der Montage. Es sei

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darauf hingewiesen, daß die Hauptlänge 28 der äußeren Hülle 5 sich nach unten weit über die Schweißstelle 26 der inneren Hüllenteile erstreckt. Das untere Ende der Hauptlänge 28 der äußeren Hülle 5 ist bei 32 an einen Flansch 33 des Teils 29 stumpfgeschweißtβ letzterer hat außerdem einen Hülsenteil 34, der mit Spiel auf dem Teil 24 der inneren Hülle 1 sitzt. Der Plansch 33 ist bei 35 an das obere Ende des Teils 30 der äußeren Hülle 5 stumpfgeschweißt. Das untere Ende des Teils 30 ist bei an den Teil 31 der äußeren Hülle 5 stumpfgeschweißt, wobei der Teil 31 ebenfalls einen Hülsenteil 37 aufweist, der mit Spiel auf dem Teil 24 der inneren Hülle 1 sitzt. Der Teil ist bis zum Teil 24 massiv bzw. vollwandig ujid bildet einen Endanschluß für das untere Teilstück des Ringraumes zwischen den Hüllen 1 und 5· In diesem vollwandigen Teilstück befindet sich eine einzige Längsbohrung 38, mit der das eine Ende eines langen Kapillarrohres 29 über eine Schrägaussparung 40 in Verbindung steht, in welcher das Ende "des Rohres 39 durch Hartlot befestigt ist. Auf das Rohr 39 wird im Nachfolgenden noch näher eingegangen.

Der Teil 24 der inneren Hülle 1 sitzt mit seinem unteren Ende mit Spiel innerhalb des Hülsenteils 37 des äußeren Hüllenteilstücks 31, wie vorerwähnt. Auf diese Weise kann eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen der inneren Hülle 1 und der äußeren Hülle 5 bei einer relativen Gleitbewegung zwischen den Teilen 24 und 37 stattfinden. Bei der Auslegung dieses Brennstoffstiftes wird jedoch zu berücksichtigen sein, daß das Reservoir 27 für gasförmige Spaltprodukte, die sich aus der Masse des Brennstoffs 10 ergeben, abgedichtet werden muß, um die Spaltprodukte im Reservoir 27 zurückzuhalten. Um diese Abdichtung zu bewirken _t wobei man die Wahrscheinlichkeit einer Relativbewegung zwischen der inneren Hülle 1 und

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der äußeren Hülle 5 im Auge zu behalten hat, ist eine Balgdichtung 41 vorgesehen, die aus beabstandeten koaxialen Hülsentellen 42 und 43 besteht, die an den Teil 24 der inneren Hülle 1 unmittelbar unterhalb der Schweißstelle angeschweißt sind und zwischen sich den oberen zylindrischen Teil 44 des Balges 45 einfangen, dessen unterer zylindrischer Teil 46 zwischen einem Hülsenteil 47 eingefangen ist, der am Hülsenteil 54 des äußeren Hüllenteils 29 angeschweißt ist. Während die Balgdichtung 41 wirksam bleibt, bleibt das Reservoir 27 abgedichtet, und der Brennstoffstift ist eine Art abgedichteter, voll ausgefüllter Raum /sealed plenum type/.

"Sollte die Balgdichtung 41 versagen, dann kann Gas .aus dem Reservoir 27 in den Hohlraum einsickern, der unterhalb der Dichtung 41 vorhanden ist und durch den Ringraum zwischen dem Innatfiüllenteil 24 und dem Außenhüllenteil 30 in diesem Bereich gebildet wird. TJm sicherzustellen, daß Spaltproduktgas, welches diesen Raum 48 erreicht, nicht aus dem Brennstoffstift am unteren Ende auf dem Weg zwischen dem Innehüllenteil 24 und dem Hülsenteil 57 des äußeren Hüllenteils- 31, wobei diese Teile eine Passung mit Spiel bilden, auslecken kann, ist eine weitere Balgdichtung 49 vorgesehen, die in ähnlicher Weise wie die Dichtung 41 gebildet wird, nämlich durch koaxiale Hülsenteile 50, 51, die am Innenhüllenteil 24 befestigt sind und zwischen sich ™ den oberen zylindrischen Teil 52 eines Balges 53 einfangen, dessen unterer zylindrischer Teil 54 zwischen einem Hülsenteil 55 eingefangen ist, der am Hülsenteil 37 des Teils der äußeren Hülle 5 befestigt ist.

Das untere Ende des Brennstoffstiftes 6 wird durch ein rohrförmiges Endfitting 56 gebildet, welches bei 57 in einer Aussparung 58 im Teil 31 stumpfgeschweißt ist. Eine Öffnungsplatte 59 ist in der Bohrung des Fittings 56 angeordnet,

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wobei die öffnungs- bzw. Bohrungsfläche so gewählt ist, daß ■ sie die Strömung des Kühlmittels kontrolliert bzw. steuert, welches innerhalb der inneren Hülle 1 strömen kann. Beispielsweise könnten Brennstoffstifte im äußeren Bereich des Bündels von Brennstoffstiften in einer Brennstoff-Untergruppe eine größere Öffnung als die der Brennstoffstifte im zentralen Bereich dieses Bündels haben. Das Endfitting 56 weist gegenüberliegende Schlitze 60 in seiner rohrförmigen Wand auf, um einen gesonderten Zugang für Kühlmittel vorzusehen, damit dieses das innere der inneren Hülle 1 erreicht.

Es ist unerwünscht, daß gasförmige Spaltprodukte nach dem umgebenden Kühlmittel am unteren Ende des Brennstoffstiftes ausgestoßen werden, und zwar aus einer Reihe von Gründen, wobei der wichtigste Grund in dem Umstand zu sehen ist, daß am unteren Ende des Brennstoffstiftes der Druckpegel des Kühlmittels höher ist als am oberen Ende (da die Kühlmittelströmung aufwärts gerichtet ist), und es besteht daher eine größere Wahrscheinlichkeit, insbesondere während des Anfangsbetriebs, daß Kühlmittel in den Brennstoffstift eindringt und den Brennstoff eher erMcht als gasförmige Spaltprodukte, die ihren Weg nach außen erzwingen. Es ist außerdem wichtig, Blasen von Spaltproduktgas in dem über den Kern fließenden Kühlmittel zu vermeiden. Das vorher erwähnte Lüftungsrohr 39 sorgt dafür, daß gasförmige Spaltprodukte nach dem Kühlmittel hin am oberen Ende des Brennstoffstiftes ausgestoßen werden. Dieses Rohr ist schraubenlinienförmig um das Äußere der äußeren Hülle 5 gewunden und endet an einer Öffnung, die nach oben gerichtet ist und schräg in Richtung auf die Achse des Brennstoffstiftes zeigt, wobei dies dadurch erreicht wird, daß daj3 obere Ende des Rohres 39 in einer Aussparung 62 in einem schräg nach innen geneigten Teil 63 des oberen Endfittings 3 des Brennstoff stiftes 6 befestigt wird. Am wesentlichsten ist, daß das schraubenlinienförmig gewundene Rohr 39 in Wirkverbindung

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mit den äußeren Hüllen von vereinigten Brennstoffstiften dazu dient, die Brennstoffstifte auf Abstand zu halten. Seine große länge dient auch dazu, die Spaltproduktaktivität abzuschwächen, indem es einen langen Kapillarweg für den Zerfall kurzlebiger Spaltprodukte bildet. Das schraubenlinienförmig gewundene Rohr 39 geht am besten aus I¹Ig₀ 5 hervor und ist auch in den Fign. 2, 3 und 4 erkennbar, während Fig. 1 nur seinen Anfang und sein Ende zeigt.

Anstatt daß die Masse von Brennstoff 10 durch vibrationsverdichteten Brennstoff gebildet wird, kann sie alternativ auch durch eine Säule von aufeinandergestapelten ringförmigen Brennstoffpellets gebildet werden, denen vorzugsweise eine Anzahl von in Abstand angeordneten ringförmigen Bauteilen zwischengelagert sind, um die Konzentrizität zwischen Innen- und Außenhülle im Brennstoffbereich sicherzustellen.

Ein bedeutsamer Vorteil des im vorangehenden beschriebenen Brennstoffstiftes ist der Umstand, daß es durch das Vorsehen des schraubenförmigen Lüftungsrohres ermöglicht wird, ein Spaltprodukt-Gasplenum am "kühlen" Ende des Brennstoffstiftes vorzusehen, wo eine größere Gasmasse pro Volumeneinheit bei einem gegebenen Druck gespeichert v/erden kann, während die Möglichkeit besteht, beim Versagen des Balges aus den angegebenen erwünschten Gründen nach dem Ausströmende des Brennstoffstiftes hin zu entlüften.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem-auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. DIPL-ING. ERICH SCHUBERT . ^{Telefon!(0271}>³²⁴⁰⁹

   Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen 203 «2 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

   Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

   Postfach 325

   68 110 Kü/Schm

   17. Dez. 1968

   Patentansprüche

   1.In einem Kernreaktor sitzender oder für diesen bestimmter langgestreckter rohrförmiger Brennstoffstift mit einer Innen- und einer Außenhülle, die am einen Ende des Brennstoffstiftes abgedichtet aneinander befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abdichtvorrichtung vorgesehen ist, welche die anderen Enden der Hüllen bei Zulassung einer relativen Längsbewegung zwischen diesen gegeneinander abdichtet, um dadurch einen abgedichteten Einschluß bzw. Hohlraum zwischen den Hüllen zu bilden, daß eine zweite Abdichtvorrichtung vorgesehen ist,· welche die Hüllen bei Zulassung einer relativen Längsbewegung zwischen ihnen gegeneinander abdichtet, wobei diese zweite Abdichtvorrichtung in Abstand zur ersten Abdichtvorrichtung angeordnet ist, und daß eine Leitung vorgesehen ist, welche nach der Außenseite des Brennstoffstiftes hin den Raum zwischen den Hüllen, der durch die erste und zweite Abdichtvorrichtung begrenzt ist, entlüftet.

   2. Brennstoffstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Abdichtvorrichtung je aus einer Balgdichtung bestehen.

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   3 ο Brennstoff stift nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die leitung dicht am Brennstoff-? stift entlang bis zu einer Stelle erstreckt, die dem Bereich der ersten und zweiten Abdichtvorrichtung abgelegen ist.

   4. Brennstoffstift nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die leitung einen Entlüftungsweg bildet _r der langer als die länge des Brennstoffstiftes ist.

   5. Brennstoffstift nach Anspruch .1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß die leitung ein Kapillarrohr ist,, von dem sich das eine Ende durch die äußere Hülle hindurch, in Verbindung mit dem Zwischenraum stehend, erstreckt, wobei das Rohr schraubenlinienförmig um die äußere Hülle gewunden ist und mit offenem Ende an demjenigen Ende des Brennstoffstiftes endet, welches der ersten und zweiten Abdichtvorrichtung abgelegen-isto -

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