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Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren Um Corevolumen und spezifisches
Spaltstoffinventar in einem Reaktor niedrig zu halten, ist man an einer möglichst
großen spezifischen Volumenleistung im Brennstoff interessiert. Diese wird einerseits
begrenzt durch die maximalzulässige Zentraltemperatur des Brennstoffes und andererseits
unter anderem durch den Wärmeübertragungswiderstand des Spaltes zwischen Brennstoff
und seiner metallischen Umhüllungsowie durch die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffes
Gegenüber den heute üblichen Brennstoffen - Uran- und Plutoniumoxiden sinddaher
Karbide, Nitride und ähnliche Verbindungen wegen ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit
vonwesentlichem Interesse. Aufgrund ihres niedrigeren Schmelzpunktes sowie ihres
Bestrahlungsverhaltens muß bei ihnen aber die Zentraltemperatur im Brennstoff deutlich
niedriger gehalten werden als bei den Oxiden, was ihnen einen Teil des Vorteils
ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit wiederum nimmt. Außerdem kann die bessere Wärmeleitfähigkeit
nur dann voll genutzt werden, wenn der Wärmeübergangswiderstand im Spalt verringert
wird.
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Bei Verwendung von oxidischem Brennstoff wird der Spalt mit Helium
gefüllt wegen dessen im Vergleich zu Luft besseren Wärmeleitfähigkeit. Um die höhere
Wärmeleitfähigkeit von Nitriden und Karbiden nutzen zu können, ist schon vor längerer
Zeit vorgeschlagen worden, bei natriumgekühltenReaktoren in den Brennstäben den
Spalt zwischen Brennstoff und metallischer iTiille mit Natrium zu füllen. Die Natrbimfüllung
sollte sich lediglich im Spalt zwischen den üblicherweise verwendeten Tabletten
("Pellets") und der metallischen Umhüllung befinden.
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Erfindungsgemäß werden zwei entscheidende Fortschritte dadurch erzelt,
daß im Brennstab, und zwar im zentralen Bereich des Brenn- (bzw. Brut-)stoffvolumens
Hohlräume geschaffen werden, und zugleich soviel Wärmetransportmedium (z.B. Natrium)
in den Brenslstab eingefüllt wird, daß bei den noch unbestrahhen Elementen bei Temperaturen,
bei denen das Wärmeübertragungsmedium flüssig ist, dieses einen wesentlichen Teil
der Hohlräume im zentralen Brennstoffbereich ausfüllt. Die Hohlräume sollen insbesondere
in der-achznahen Hälfte des Brenn- bzw. Brutstoffvolumens gelegen und in Achsrichtung
durchgehend sein. Dabei können die in verschiedenen Höhen liegenden Hohlräume exakt
übereinander liegen, so daß ein oder mehrere geradlinige Kanäle entstehen; sie können
aber auch gegeneinander versetzt angeordnet sein, wobei jedoch jeder Hohlraum mit
ehem oder mehreren über und einem oder mehreren unter ihm liegenden Hohlräumen durch
einen Durchlaß verbunden ist, so daß ein oder mehrere gewundene Kanale entstehen.
Außerdem ist es zweckmäßig, weitere rad KanE)ß gleicher Art vorzusehen,
die
den oder die achsialen Kanäle mit dem Spalt zwischen Brennstoff und metallischer
Hülle verbinden.
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Die Größe der Kanäle wird gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung
so bemessen, daß die in dem achsnahen Volumen der Brenn-bzw. Brutstoffzone liegenden
Hohlräume bei dem im Reaktorcore eingesetzten Brenn- bzw. Brutelement mindestens
lilo des zur Wärmeübertragung in das Element eingebrachten Mediums enthalten.
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Auf diese Weise kann das Wärmeübertragungsmedium zweifach wirksam
werden Durch seine gegenüber oxidischen Brennstoffen bessere Wärmeleitfähigkeit
vermag das Wärmeübertragungsmedium zum radialen Wärmetransport wesentlich beizutragen,
wodurch die Zentraltemperaturen stark herabgesetzt werden. tberraschenderweise hat
sich gezeigt, daß darüberhinaus insbesondere bei solchen Brennelementen, die über
der Spaltstoffzone einen leeren Raum ("Spaltgasplenum'!) aufweisen, ein zweiter
Wärmetransportmechanismus sehr wirksam wird, wenn das AJärmeübertragungsmedium im
Zentralbereich des Brennstabes bei den dort herrschenden höheren Brennstofftemperaturen
verdampft Verwendet man beispielsweise als Wärmeübertragungsmedium Natrium, BO tritt
der Metalldampf in das zum Brennstoff hin offene, darüberliegende Spaltgasplenum
und kondensiert dort an den außen gekühltenWänden Das kondensierte Metall läuft
nach unten in den Spalt zwischen Brennstab und Hülle, tritt von dort wieder in den
inneren, heißeren Brennstoffbereich und verdampft von Neuem. Dieser Wärmetransportmechanismue
ist auch wirksam, wenn keine Kapillaren am
Brennhüllrohr vorhanden
sind, da das kondensierte Natrium der Schwerkraft folgend wieder in den Brennstoff
enthaltenden Teil des Brennstabes zurückfließt. Durch Einbringen von Kapillaren
in der Innenseite des Hüllrohres kann der Transport des kondensierten Natriums zurück
in den Brennstoff beschleunigt werden, was den Wärmetransport begünstigt.
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Wesentlich für das Funktionieren des Wärmetransportmechanismus ist
ein hinreichend großes, brennstoffreies Volumen für das Durchströmen des Natrium-dampfes.
Dies kann auf verschiedene Weise erzielt werden.
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Füllt man den Brennstoff in Form kleiner sphärischer Teilchen (Kernels)
mit einem Durchmesser von vorzugsweise o,1 bis l,o mm ein, so entsteht im gesamten
Brennstoff enthaltenden Teil des Brennstabes ein Porenvolumen, das in Abhängigkeit
davon, ob Teilchen nur eines Durchmessers oder zweier oder dreier verschiedener
Durchmesser verwandt werden, zwischen lo und 50 % liegt. Auf diese Weise kann das
an der Innenwand des Hüllrohres von oben nach unten fließende Natrium zwisden den
einzelnen Kernels in den Zentralbereich strömen, wo es verdampft und in das Spaltgasplenum
strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Natriumdampfes wird durch den Strömungswiderstand
im Porenvolumen und durch die Druckdifferenz zwischen Spaltgasplenum und Zentralbereich
des Brennstoffes bedingt.
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Eine andere Möglichkeit, das erforderliche Porenvolumen in den Zentralbereich
des Brennstoffes zu schaffen, besteht darin, Brennstofftabletten der üblichen zylindrischen
Form zu verwenden, die
jedoch entweder ein zentrales Loch oder im
Achsnähebereich 2 bis 4 Löcher aufweisen. Auf den Stirnflächen solcher Pellets können
Vertiefungen angebracht sein, die das Strömen des Natriums vom Außenbereich zur
Achse des Brennelements erleichtern. Im Falle der Verwendung eines einzigen zentralen
Loches kann, um das Hineinfallen größerer Teile der Brennstofftabletten zu verhindern5
ein neutronen-physikalisch unschädlicher Werkstoff aus Keramik oder Metall eingebracht
werden, der von dem für die Durchströmung des Natriumdampfes notwendigen Volumen
nur einen geringen Anteil wegnimmt.
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Durch den Wärmetransport aus dem Brennstoffbereich in das Spaltgasplenum
und die Kondensation des Natriumdampfes an der metallischen Umhüllung des Plenums
wird die zur Wärmeleitung zur Verfügung stehende Fläche gegenüber anderen Brennelementen,
bei denen dieses Prinzip nicht angewendet wird, wesentlich vergrößert, was wiederum
zu einer Steigerung der spezifischen Wärmeleistung im Brennstab führt. Die'Korrosionsprobleme
durch Verwendung flüssigen Metalls im Inneren des Brennstabes sind weder quantitativ
noch qualitativ schwieriger als im Falle der bekannten Verwendung von Natrium im
Spalt zwischen Brennstoff und Hülle Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bei
Verwendung von oxidischem Brennstoff die spezifische Wärmeleistung der Brennstäbe
auf gleiche Höhe zu bringen, die bei der Verwendung von karbidischen Brennstoffen
ohne die Erfindung erreicht wird. Im Falle der Verwendung der Erfindung bei Brennstäben
mit karbidischen oder nitridischen Brennstoffen wird die spezifische Wärmeleistung
weiter erhöht.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brenn- bzw. Brutelemente
ist die Verringerung der freigesetzten Spaltgasmenge durch die Senkung der Zentraltemperatur
des Brennstoffes.
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Das Spaltgasplenum befindet sich bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
zweckmäßigerweise nur über dem Brennstoffbereich, damit bei dem Transport des flüssigen
Metalls auf kapillare Kräfte verzichtet werden kann.
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Das Prinzip ist anwendbar für alle Arten von Brenn- und Brutstoffen
wie Oxide, Karbide, Nitride und für verschiedene Wärmetransportmaterialien wie Natrium,
Kalium.