DE6606917U - Thermionischer generator insbesondere zur verwendung in kernreaktoren - Google Patents

Description

Thermionischer Generator, insbesondere zur Verwendung in Kernreaktoren

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial No. 34 410 vom 7,6-1960 beansprucht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf thermionische Generatoren, insbesondere auf solche zur Umwandlung der in einem Atomreaktor entstehenden thermischen Energie in elektrische Energie Die Erfindung i£t insbesondere für die Anwendung In verschiedenen^,

Typen von heterogenen Atomreaktoren geeignet, in denen eine Kettenreaktion in einer Gruppe von ortsfesten Brennstoffelementen aufrechterhalten wird. In den Brennstoffelementen ist eines oder

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mehrere der spaltbaren Isotopen U 233, U 235 und Pu 239 enthalten, und die Kettenreaktion geht auf Neutronen zurück, die in bekannter Weise während des Betriebs deo Reaktors entstehen. Die Brennstoffelemente sind normalerweise in bestimmten Abständen voneinander im Reaktor angeordnet, so daß zwischen ihnen eine Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Druokwasser, Kohlendioxyd, Helium oder ein bei der Reaktorbetriebstemperatur flüssiges organisches Material, durchströmen kann. Wenn das Kühlmittel Wasser oder ein organisches Material ist, kann es auch als Moderator für die Verzögerung der schnellen Neutronen auf Geschwindigkeiten dienen, bei welchem die größte Wahrscheinlichkeit für das Einleiten von Kernspaltungen vorliegt. Der Reaktor wird durch Einsetzen von Kontrollstäben gesteuert, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, um die Kettenreaktion durch Absorption von Überschußneutronen auf einem gegebenen ,Leistungspegel zu halten.

':.jlm Gegensatz zur allgemeinen Auffassung ist ein Atomreaktor jpgrundsätzlich nicht auf niedrige Betriebstemperaturen be- ' 'Jp schränkt, v/enn sich auch m den konventionellen Bauformen ·*)■ " diese Beschränkung durch die Eigenschaft der verwendeten Kühlmaterialien ergibt. Eine v/eitere Beschränkung leitet sich aus der Tatsache her, daß ohne besondere Vorkehrungen ein Atomreaktor nicht ohne weiteres dazu im Stande ist, eine Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Dampf, zu überhitzen. Von diesen Grundlagen ausgehend ergibt sich bei konventionellen thermoaynaaisclien Generatoren, die üblicherweise mit Atomreaktoren in einem Atomkraftwerk zusammenarbeiten, ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad.

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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, einen Teil der gesamten thermischen Ausgangsleistung eines Atomreaktors direkt in elektrische Energie umzuformen, wobei ■ diese Umformung in Bereichen mit hohen Temperaturgradienten innerhalb des Reaktorkernes stattfindet, d.h. vor dem Übergang der durch Spaltung entotehenden Wärme in die Kühlflüssigkeit UG3 Reaktors. Daher geht bei der Direktumwandlung keine Wärmeenergie verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neuartige thermionische Generatoren anzugeben, die für die Verwendung in einem Atomreaktor geeignet sind. Die Generatoren sollen die im Innern des Reaktors entstehende Wärme wenigstens teilweise in elektrische Energie, umsetzen. Hierzu soll eine verhältnismäßig große Anzahl solcher ^Generatoren im Reaktorkern angeordnet und in Serien- oder Serienparallelschaltung elektrisch miteinander verbunden werden, um auf ein verwertbares leistungsniveau zu kommen'.

Der Wirkungsgrad der thermischen Generatoren soll durch neuartige Mittel zur Kompensierung der Raumladung erhöht werden. Als Bestandteil eines Reaktorkernes sollen die Generatoren geeignetes spaltbares Material aufnehmen, so daß die V/irkungsweise des Atomreaktors und des thermionischen Generators miteinander kombiniert sind.

Nähere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden an Hand der Beschreibung von Ausführungsbiäispielen erläutert

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werden, die in der Zeichnung sehematisoh dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein gemäß der Erfindung aufgebautes Reaktorbrennstoffelement;

Figur 2 einen Schnitt längs der Linie H-II der Figur 1; ^igur 5 einen teilgeschnittenen Aufriß einer Gruppe von Reaktorbrennstoffelementen, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist;

Figur 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Figur 3;

Figur 5 einen Teilschnitt einer Form des heterogenen Reaktors, in dem die Gruppe von Brennstoffelementen 'nach der Erfindung angewendet wird, geschnitten längs der Linie V-V der Figur 6;

Figur 6 einen Längsschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Reaktor längs der· Linie VI-VI der Figur 5.

Gemäß der Erfindung wird ein thermionischer Generator, dessen ■grundsätzlicher Aufbau an anderer Stelle bereits vorgeschlagen _:!V wurde, für die Verwendung in einem Atomreaktor modifiziert.

Darüberhinaus werden besondere Maßnahmen zur Verringerung der Raumladungseffekte im Generator angegeben.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Möglichkeit zur Ausbildung eines als Reaktorbrennstoffelement dienenden thermionische!! Generatorsc Der Generator 10 besitzt eine Außenhülle 11, iie an ihren Enden mit abgesetzten Steckern 12 und 13 verbunden ist. Die Außenhülle

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ist mit dem Stecker 13 durch eine Ringnaht 14 dicht verschweißt. Neben dem anderen Enae der Außenhülle ist ein ringförmiger Teil aus elektrisch isolierendem Material 15 vorgesehen, wobei es sich beispielsweise um geschmolzenes Aluminiumoxyd handeln kann. Der isolierende Teil ist an beiden Seiten im Sinne einer hermetischen Abdichtung des Innenraurnes mit dem Stecker 12 und der Außenhiille 11 verbunden,. Hierbei dient die Außenhülle 11 als Anode des Generators 10, und die äußere Verbindung erfolgt über den Stecker der in Figur 1 mit dem Zeichen für negatives Potential versehen ist. Aus später noch zu erläuternden Gründen ist der andere Stecker 12 von der Anode bzw. Außenhülle 11 durch den Isolierteil 15 elektrisch isoliert. Jeder der Stecker 12 und 15 ist mit einer Ausnehmung 12a, 13a und einem ringförmigen Portsatz 12b, 15b versehen, um den Generator mit den isolierenden Endplatten 108 und (vgl. Figur 3) mechanisch zu verbinden.

Konzentrisch zur Außenhülle 11 ist ein Hüllrohr 16 angeordnet, das ähnlich wie die Außenhülle mit abgesetzten Teilen der Stecker 12 und 13 verbunden ist. Beispielsweise ist das obere Ende des Hüllrohres 16 mit dem Stecker 12 durch eine Ringschweißnaht 17 dicht verbunden. Nahe am unteren Ende des Hüllrohres 16 ist ein ringförmiges Isolierteil 18 vorgesehen, das mit einem abgesetzten Teil des Steckers 13 und dem unteren Ende des Hüllrohres 16 verbunden ist. Das Isolierteil 18 ist ähnlich ausgebildet wie daa Isolierteil 15 und hat auch eine entsprechende Funktion.

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In aer vorliegenden Bauform der Erfir.a-itg hat aas Hüllrohr 16 die Doppelfunktion einer Kathode fur jen Generator 10 und eines hermetisch verschlossenen Benalters für den Brennstoff, der mit 19 bezeichnet ist. Lurch aen sit aem Zeichen für positives Potential bezeichneten S'ecker i< w;ra cie Verbinaung mit dem äußeren Stromkreis herbeigeführt. Der Abstand 21 zwischen dem Hüllrohr 16 und der Außeniiülle 11 wird vorteilhaft in der Größenordnung von 1 mm oder weniger gewählt» um die Raumladung im Generator 10 von vornherein niedrig zu halten.

Der Brennstoff 19 besteht im Ausführungsbeispiel aus mehreren Tabletten, die auf bekannte Weise nacheinander in das Hüllrohr eingesetzt werden. Im Hüllrohr 16 ist ein Raum 23 zum Ausgleich verschiedener thermischer Längenänderungen des Brennstoffs 19 und des Hüllrohres 16 vorgesehen. Aus dem gleichen Zweck ist der innerste abgesetzte Teil des Steckers 12 hinterdreht, wie bei' 25 angedeutet« Falls erforderlich, kann man den unseren Stecker 13 in ähnlicher Weise ausbilden, was jedoch in Figur 1 nicht dargestellt ist.

Der Brennstoff iy besteht vorteilhaft im wesentlichen aus einer Verbindung oder Legierung von Uran oder Plutonium, die die Lohen Temperaturen ohne zu schmelzen verträgt. Die Oberflächentemperatur der Kathode (Hüllrohr 16) sollte etwa 1000⁰C oder mehr betragen. Als Brennstoff eignet sich unter diesen Bedingungen Plutonium« oder Urankarbid, die mit Graphit vermischt v/erden können, wenn

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zusätzliche Moderatorwirkung erwünscht ist. Ferner können Uranoder Plutoniumoxyd, Zirkon-Uran-Legierungen und Cermetalle von Uran- oder Plutoniumverbindungen empfohlen werden. Der Raum 21 kann evakuiert sein,- Vor dem Zusammenbau des Generators wird eine Quelüs von Alkalimetall 27 in den Raum 21 eingesetzt. Diese Quelle 27 kann entweder das Alkalimetall selbst oder eine Alkalimetallvfärbindung sein, die mit einem geeigneten reduzierenden Stoff vermischt ist und bei der Erhitzung das Alkalimetall freigibt. Beim Anlauf des Reaktors auf die Arbeitstemperatur werden aus der Quelle 27 Alkalimetalldämpfe frei, die wenigstens teilweise den Raum zwischen Kathode 16 und Anode 11 ausfüllen. Da der Raum 21 vorher evakuiert wurde, ist unter der Bedingung einer hermetischen Abdichtung d?s Generators der Alkalimetalldampf der einzige gasförmige Stoff innerhalb des Raumes 21.

Die Alkalimetalle Lithium (5;36 V), Natrium (5,11 V), Kalium (4,33 V), Rubidium (4,13 V) und Caesium (3,86 V) sind für die Anwendung beim Erfindungsgegenstand geeignet. Dabei bedeuten die Zahlenangaben in Klammern das lo/iisierungspotential der Metalle. Das Hüllrohr 16 kann aus verschiedenen Materialien erzeugt werden, dooh ist seine Widerstandsfähigkeit gegen die hohen Temperaturen 10 von Bedeutung, damit sie auf so hohe Temperaturen erhitzt werden kann, daß ihre äußere Oberfläche nennenswerte thermionische Emission während des Betriebes des Generators liefert. Es ist erwünscht, die Emissionsfläche wenigstens auf 1000⁰C zu halten.

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Zweckmäßig sollte das Austrittspotential des Materials des Hüllrohres höher liegen als das Ionisierungspotential des verwendeten Alkalimetalls, um die Ionisierung der Alkaliatome sicherzustellen. Die Auswahl des Kathodenmaterials für diesen Zweck ist jedoch nicht kritisch, da gemäß der Erfindung die mit dem Betrieb eines Atomreaktors verbundene Gammastrahlung für die Isolierung der Alkalimetalldämpfe sorgt. Eine geeignete Kathode 16 kann aus folgenden Stoffen erzeugt, werden: Niobium (2415°C, 4 V, 1,t barns), Zirkonium (1857⁰C, 4,13 V, 0,18 barns), Molybdän (2620⁰C, 4,3 V, 2,S barns), Paiadium (1555°C, 5 V, 8 barns) und Platin (1773°G* 6*3 V, 8,1 barns). Die Zahlen in den Klammern geben jeweils den Schmelzpunkt, das Austrittspotential und den Neutronenabsorptionsquerschnitt an. Pur die meisten Anwendungen sind die drei erstgenannten Materialien wegen ihres geringen Absorptionsquerschnittes vorzusehen. Wenn dieser keine besondere Rolle spielt, kann man auch folgende Kathodenmaterialien verwenden: Osmium (270O⁰C, 4,7 V 14,7 barns), Wolfram (3395°C, 4,54 V, 19,2 barns) und Tantal (2996⁰C, 4,07 Y, 21,3 barns).

Auf Grund kernphysikalischer Erwägungen sind die Alkalimetalle Rubidium (4,13 V, 0,7 barns), Kalium (4.33 V, 1,97 barns) und Natrium (5,11 V, 0,505 barns) für die meisten Anwendungen vorzuziehen, hierin der Absorptionsquerschnitt keine Rolle spielt, kann man auch Caesium (3,86 V, 29 barns) und Lithium (5,36 V, 71 barns) verwenden. Die Zahlen in Klammern beziehen sich hier

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auf das Austrittspotential und den Neutronenabsorptionsquerschnitt.

Die Anode oder Außenhülle 11 wird auo einem Material hergestellt, das von dem verwendeten Alkalimetall nicht angegriffen wird, Es muß ebenfalls hochhitzebeständig sein, um die Arbeitstomperaturen auszuhalten, die im allgemeinen wenige 100° unter der Kathodentemperatur liegen. Bekanntlich muß zur Erzielung eines thermionische Generatoreffektes zwischen Anode und Kathode ein Temperaturunterschied herrschen. In gewissen Grenzen ist der Wirkungsgrad des Generators umso größer, je größer die Tenperaturdifferenz zwischen Kathode und Anode ist, bis diese Differenz so groß wird, daß andere unerwünschte Effekte auftreten. Man wird daher die Anode des Generators 10 durch die Kühlflüssigkeit des Reaktors, die die Außenhülle 11 umfließt, in geeigneter Weise kühlen. Dies wird weiter unten noch näher erläutert« Bezüglich des Austrittspotentials liegt keine Beschränkung in der Wahl des Anodenmaterials vor, und auf Wunsch kann die Anode aus den gleichen bereits genannten Materialien wie die Kathode bestehen. Es ist allerdings *"-' : zweckmäßig, das Austrittspotential der Anode niedriger als das der £ Kathode zu halten. In diesem Sinne wirkt auch ein Niederschlag des Alkalimetalldampfes auf der Anodenoberfläche der Außenhülle Ein Unterschied im Austrittspotential von Kathode und Anode erhöht natürlich die Ausgangsleistung des Generators 10. Man kann auch die Quelle 27 des Alkalimetalls weglassen und nach der Evakuierung des Raumes 21 ihn mit Helium füllen. Die Heliumfüllung wird im Betrieb des Reaktors durch Gammastrahlung

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ionisiert, um den Raumladungseffekten im Generator entgegenzuwirken. Die positiven Heliumionen neutralisieren die Raumladung in gleicher Weise wie die ionisierten Alkalimetalldampf e· Bei der eben erwähnten Bauform kann das Austrittspotemtial des Kathodenmaterials höher liegen, da es nicht mehr nötig ist, Kontaiktionisierung eines Alkalimetalldampfes sicherzustellen. Andererseits sollte das Austrittspotential des Anodenmaterials wesentlich niedriger als das der Kathode sein,, um eine ausreichend Ausgangsspannung zu erzielen.

Im Betrieb des Generators wird die Kathode 16 auf eine ausreichende Temperatur aufgeheizt, so daß aus der Oberfläche Elektronen austreten und auf die Anode 11 zufliegen. Beim Anschluß einer äußeren Belastung bilden diese Elektronen den durch den Stecker 13 über geeignete äußere Verbindungen zur Last und zurück zum Stecker 12 und zur Kathode 16 fließenden Strom·.·

Jpie Wanderung der Elektronen von der Kathode 16 zur Anode 11 , ■j* --/

fdurch den Raum 21 wird durch positive Ionen in diesem Raum **&<

._:~ (erleichtert. Um die Elektsronenwolke oder Raumladung zu kompen- ^ ''-sieren, die sich am die Kathode 16 zu bilden sucht, ist eine relativ große Zahl von Alkalimetall- oder Heliumionen notwendig. Diese werden nicht nur durch die ionisierende Strahlung im Reaktor, sondern auch durch den Betrieb des Generators 10 in einem Bereich relativ hoher Umgebungstemperaturen erzeugt. Befriedigende Resultate wurden bei einem Druck der Gasfüllung des Generators 10 zwischen 0,01 und 0,2 mm Quecksilbersäule er-

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zielt. Die hohe Umgebungstemperatur ergibt sich aus der Tatsache, daß die normale Temperatur der Kühlflüssigkeit eines Reaktors etwa 500⁰C oder mehr beträgt.

In den Figuren 3 und 4 ist ein Beispiel für einen Block 20 »ηv» ^ufjjsiiBis Hishrsrer als "thermionische Generatoren wirkender Brennstoffelemente 10 dargestellt. Das Bündel der Brennstoffelemente ist mit 22 bezeichnet. Der Block trägt an jedem Ende ein UUsenaggregat 24 bzw. 26, das aus einer angeflanschten Düse 28 und einer Grundplatte 52 besteht. Die vorgenannten Teile sind durch Abstandhalter 34 voneinander getrennt, wobei jeder Düse vier solcher Abstandhalter zugeordnet sind.

Zwischen den Grundplatten 32, die gegenüber den Endplatten 38 ,und 40 des Bündels 22 von Brennst of felemei/t en angeordnet sind, ist eine Anzahl von Buchsen 42 zur Aufnahme von Verbindungsstäben angeordnet, die durch das Bündel 22 durchlaufen und sich gegen die Grundplatten 32 abstützen. Zur elektrischen Isolation der Grundplatten 32 werden die Buchsen aus einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumoxyd hergestellt. Die Düsen 28 mit den zugehörigen Teilen und das Bündel 22 der Brennstoffelemente sind mit Hilfe von Verbindungsstäben zusammengesetzt, die jeweils durch die isolierenden Buchsen durchgeführt und an ihren Enden mit Gewinden zum Aufschrauben von Muttern 36 versehen sind. Die Grundplatten 32 und die übrigen Teile der Düsenaggregate sind auf diese V/eise fest verbunden. Jede der Endplatten 38 und 40 ist auf den Buchsen 42 mehr oder

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weniger verschiebbar, da die Verbindungsst&'oe durch eine geeigente öffnung 46 in den Endplatten 38 und 40 durchgeführt

Wie später noch näher erläutert, besteht das Bündel 22 aus mehreren Generatoren 10, welche eine bestimmte Menge eines oder mehrerer der erwähnten spaltbaren Isotopen enthalten. Dementsprechend v/erden sich die einzelnen Generatoren 10, die die Quelle für den Wärmeausstoß des Reaktors bilden, entsprechend mehr ausdehnen als die übrigen Bauteile der Blöcke. Um diese 'Ausdehnung nicht zu behindern, sind zwischen den Endplatten 32 bzw. 38 und 40 Spalte 50 vorgesehen.

Jede der Düsen 28 weist eine verhältnismäßig große Öffnußg 52 auf, durch die Kühlflüssigkeit ein- oder austritt. Die Kühlflüssigkeit passiert das Bündel 22 der Brennstoffelemente durch Kanäle 56» die im Bündel 22 zwischen benachbarten Generatoren 10 in noch zu erläuternder Weise angeordnet sind. Die Düsen 28 sind jeweils .mittels eines Flansches 30 und der Muttern 36 an den Verbindungsstäben 44 befestigt, deren Enden in geeignete Öffnungen riO der llari- ;sche 30 eingeführt werden. Ferner besitzt jede Düse 28 einen ring-: % förmigen Ansatz 64, der mit den inneren Oberflächen der oberen und unteren Stützglieder 97 und 98 (Figur 6) eines Reaktorkerns in Eingriff steht. Dadurch kann man die rohrförmigen Endteile 66 der Düse 28 in entsprechend geformte Ausnehmungen der Stützglieder einsetzen, so daß der Block 20 im Reaktorkern sicher gehalten wird.

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Wie aus Figur 4 detailliert hervorgeht, wird das Bündel 22 der |

I Brennstoffelemente mit angesetzten Teilen 51» 53 ausgebildet. i

I Dadurch werden Eanäle 55 und 57 zwischen benachbarten Blöcken ? 20 gebildet, durch die die Kontrollstäbe in den Reaktorkern eingeführt werden können. Am Ort der Ansätze sind weitere Ssneratoren 10' angeordnet, um unausgenützte Räume und örtliche Überschüsse an Kühl- und Moderatorflüssigkeit zu vermeiden. §

Die Düse mit dem Plansch 30 und der Grundplatte 32 ist von den Verbindungsstäben 44 durch Buchsen 62 isoliert, die aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem der oben genannten keramischen Stoffe, bestehen. Der Plansch 63 der Buchse wirkt als Isolierung für die Mutter 36, die Beilagscheibe 58 und den Verbjndungsstab 44 vom Düsenflansch 30« In ähnlicher Weise ist der rohrförmige Teil 59 der Buchse 62, die gegebenenfalls zv/ei- oder mehrteilig hergestellt werden kann, zur Isolierung der Grundplatte 32 von der. durchlaufenden Verbindungsstäben 44 vorgesehen.

Jede Düse 28 wird dadurch räumlich zum Block 20 fixiert, daß die äußeren Enden 65 der Abstandshalter 34 in entsprechende Ausnehmungen 67 am Plansch 30 eingssetzt v/erden. Die Büchsen 42 sind dicker als die benachbarten Endteile der Buchsen 62, damit die Enden der Buchsen 42 die innere Oberfläche der Grundplatte 32 zur Aufrechterhaltung des gewünschten Abstandes erfaosen.

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Wie bereits erwähnt, enthält jedes Bündel 22 des Blocks 20 mehrere Generatoren 10, beim Ausführungsbeispiel 105 Stück. Um die elektrischen Verbindungen im Bündel 22 herzustellen, werden benachbarte Generatoren jeweils umgedreht, wie im geschnittenen Teil der Figur 3 genauer erkennbar. Der positive Stecker 12 eines Generators 10 kann dann mit dem negativen Stecker 13 des benachbarten Generators verbunden werden.

Im Beispiel sind die Generatoren·10 zwischen den Endplatten und 40 des Blocks 20 mit Hilfe von Schrauben 100, die durch geeignete Öffnungen 102 in den Endplatten geführt sind, angeordnet. Zu diesem Zweck ist an den beiden Enden der Generatoren ein Gewindeloch 12a oder 12b vorgesehen. Um alle Generatoren genau zu positionieren, sind in den Endplatten Ausnehmungen zur Aufnahme der ringförmigen Fortsätze 12b und 13b an den Steckern vorgesehen. Die Kanäle 56 für die Kühlflüssigkeit stehen mit den Öffnungen 52 in den Düsen 28 durch eine Anzahl von Öffnungen 104 in Verbindung, die in jeder der Endplatten 38 und 40 und der Grunä platten 32 vorgesehen sind« Die Anordnung dieser Öffnungen geht aus Figur 4 hervor.

Um ein Herausragen der Schrauben 1OC zu vermeiden, sind in den Endplatten Ausnehmungen 106 vorgesehen. Die Schrauben 100 und clie leitenden Bestandteile des Generators 10 sind von den gleichen Teilen benachbarter Brennstoffelemente dadurch getrennt, daß die Endplatte 38 bzw. 40 aus einem elektrisch isolierenden, beispielsweise einem keramischen Material besteht. V/eiterhin

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sind die Köpfe der Schrauben derart versenkt, daß elektrischer Kontakt mit der Grundplatte 32 bei thermischer Ausdehnung des Bündels 22 vermieden wird. Die Generatoren sind somit elektrisch in Reihe geschaltet. Wie aus Figur 4 hervorgeht, dienen zur Verbindung Streifer 108. Diese Streifen sind in die äußere Oberfläche der Endplatten 38 und 40 des Bündels 22 in Ausnehmungen 112 und 114 eingelegt, die zwischen den Ausnehmungen 106 um die Schrauben 100 angeordnet sind. Die Streifen können mit den Schraubenköpfen auf beliebige geeignete Weise, etwa durch Punktschweibung, verbunden werden.

Die Länge der Generatoren kann beispielsweise etwa 2 1/2 Meter betragen, während der Durchmesser der Brennstoffsäule 19 etwa 75 mm betragen ';ann. Das Hüllrohr 16 und Außenhülle 11 können eine Wandstärke von etwa 1 bis 3 mm aufweisen, abhängig von der Bearbeitbarkeit des verwendeten Materials und doo Drucks im Reaktorkern. V/ie bereits erwähnt, soll die Breite des Raumes 21 so klein wie möglich sein, wobei sich aus den üblichen Herstellungsmethoden ein Abstand von etwa 0,1 bis 0,5 mm ergibt. Sollen Generatoren geringerer als der angegebenen Länge verwendet v/erden, während jedoch die Höhe des Reaktorkerns die gleiche bleibt, können zwei oder mehrere Generatoren innerhalb eines Bündels übereinander angeordnet werden. Die kursieren Brennstoffelemente können ähnlich isoliert werden, v/ie in Figur 3 und 4 dargestellt.

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Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß die Erfindung

\ eine kompakte Kombination eines Brennstoffelements und eines

thermionischen Generators angibt. Die geringe Baugröße dec,

Generators ermöglicht es, eine verhältnismäßig große Anzahl

: in Bündelform in jedem Block 20 unterzubringen. Statt der

^: Reihenschaltung kann man selbstverständlich die Generatoren

auch in Parallel- oder Serienparallelschalv.ung miteinander

verbinden. Arbeiten sämtliche Generatoren parallel, so können die Endplatten 38 ug.fl ^O aus einem lei iema&a M-a Serial bestehen* Die Endgeneratoren einer Reihenschaltung werden mit den leitenden Grundplatten 32 beispielsweise dadurch verbunden, daß eine unter Federwirkung stehende Elektrode 116 zwischen den Schrauben und der benachbarten Grundplatte 32 eingesetzt wird, wie aus Figur 104 ersichtlich. Dabei wird auch bei thermisch bedingten Bewegungen der Endplatten 38 und 40 der elektrische Kontakt aufreoht^ erhalten. Die Bestandteile der Düsen 24 und 26, dje ebenfalls aus leitendem Material bestehen, dienen zur elektrischen Verbindung mit den in Reihe geschalteten Generatoren 10 des Bündele 22* Die Düsen sind von den Verbindungsstäben 44 und den anderen Bestandteilen des Blooks 20, somit auch voneinander durch Isolatoren 60 und 63 getrennt. Gemäß den Figuren 3 und 4 ist die obere Düse 24 als positive Klemme und die untere Düse 26 als negative Klemme verwendbar.

In den Figuren 5 und 6 ist dargestellt, wie mehrere Brennstoffelementblöcke 20 in einem Reaktorkern 96 angeordnet sein können» Der Kern enthält eine obere Stützplatte 97 und eine untere
Stützplf/tte 98, die beide mit einem zylindrischen Gehäuse 99

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verbunden sind. Der Kern 96 ist auf geeigente, nicht dargestellte Y/eise in einem geschlossenen Reaktorgefäß befestigt, das allgemein mit 103 bezeichnet ist. Eine nähere Erläuterung des Aufbaues des Atomreaktors dürfte nicht erforderlich sein, da er für die Erfindung nicht von Bedeutung ist.

Die untere und obere Stützpiafcte ist mit mehreren Öffnungen versehen, in die eine keramische Isolierbuchse 105 eingesetzt ist. Die Isolierbuchse kann aus einem der vorerwähnten Materialien bestehen. Die Blöcke 20 sind in gewissem Abstand voneinander im Reaktorkern angeordnet, wobei die einzelnen Düsen 28 in die Öffnungen 101 eingesetzt werden und die Positionierung in Längsrichtung durch die Buchsen 105 herbeigeführt wird. Eine Anzahl von Kontrollstäben 113» vorzugsweise von kreuzförmigem Querschnitt, werden zwischen den Blöcken 20 durch geeignete Öffnungen 109 (Figur 6) in der oberen Stützplatte 97 in die Kanäle 55 und 57 _s neben den abgesetzten Teilen 51 und 53 (Figur 4) der Blöcke 20 Ί eingeführt, um d.ie Kettenreaktion im Reaktorkern zu steuern. ^rS

Die vorgenannten Isolierbuchsen 105 sorgen dafür, daii die einzexJ3"eni|

Blöcke von den oberen und unteren Stützplatten elektrisch isoliert sind. Die Isolierstücke verhüten auch Kurzschlüsse der positiven und negativen Klemmen der Generatoren über das Kerngehäuse 99· Bei dieser Anordnung können alle Blöcke des Reaktorkerns entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die Parallelschaltung ist durch obere und untere Kontaktstreifen 110 und in den Figuren angedeutet. Die im linken oberen Quadranten der

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Figur 5 gezeichneten Verbindungen der einzelnen Blöcke können für den Rest des Reaktorkerns entsprechend vorgenommen werdeno Die elektrische Energie wird über Leitungen 115 und 118 abgeführt. Die Leitungen treten durch Isolierrohre 117 durch die Außenwand des Reaktorgefäßes 98. Die Isolierrohre 117 sind mit der Außenwand und den Leitungen 115 und 118 hermetisch abschließend verbunden.

Bei der dargestellten Anordnung ist, abhängig von den Austrittspotentialen der Materialien von Kathode und Anode jedes Generators 10, eine Ausgangsspannung in der Größenordnung von 100 " bis 200 V zu erwarten. Diese Ausgangsspannung ist selbstverständlich auch von Art und Menge des ionisierten Gases bzw. Dampfes in den Räumen 21 der Generatoren 10 abhängig* Verwendet man eine größere Anzahl von Blöcken 20, von denen zumindest ein G?eil parallel geschaltet ist, kann man die angegebene Ausgangsspannung „mit verhältnismäßig großen Strömen belasten. Statt dessen kann man, wenn höhere Spannungen erwünscht sind, alle Blöcke im · wesentlichen in Reihe schalten.

Wenn die in den Figuren 1 and 2 dargestellte Bauform eines thermionischen Generators auch vor allem für die Verwendung in Atomreaktorenj geeignet ist, so ergeben sich auch dann Verteile, wenn die Heizung der Kathode 16 durch eine heiße Flüssigkeil oder dergl. anstelle des spaltbaren Materials 19 erfolgt. Dieses Material 19 kann dann fortgelassen und das Hüllrohr 16 durch den gesamten Generator geführt werden, der dadurch die Form eines

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an beiden Enden abgeschlossenen, hohlwandigen Rohres erhält. Die Isolierung kann ähnlich der nach Figur 1 erfolgen. Statt Helium oder ein Alkalimetall zur Kompensation der Raumladung zu verwenden, kann man in an sich bekannter Weise diesen Effekt auch durch sehr dichtes Aneinanderstellen von Kathode und Anode erzielen, sofern die Pabrikationstoleranzen dies zulassen.

Statt des Hüllrohres 16 zur Aufnahme von Tabletten kann ein Stab aus Brennstoff verwendet werden. Dieser Stab kann mit den Steckern 12 und 13 ähnlich wie das Hüllrohr 16 verbunden sein. Vorzugsweise wird der Stab aus einem Material hergestellt, das hinreichend Elektronen emittiert, beispielsweise aus einer Mischung von Urankarbid und Zirkonkarbid.

Weitere 4bwandlungen der Ausführungsbeispiele ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres, ohne daß der Rahmen der Erfindung ■verlassen wird; insbesondere können Einzelheiten der Erfindung ohne Heranziehung anderer Einzelheiten für sich nutzbringend ver- * wendet werden.

Claims (6)

22 RA 352 440-6.6.G1 PLA 61/8247 ns prüche

1. Thermionischer Generator, insbesondere zur Verwendung in Atomreaktoren, gekennzeichnet durch eine stabförmige, elektrisch leitende Kathode, die wenigstens teilweise aus spaltbarem Material besteht, und eine rohrförmige elektrisch leitende Anode, die die Kathode in geringem Abstand umgibt und an beiden Seiten mit der Kathode dicht verbunden, ist,

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Hüllrohr (16) besteht, das mit spaltbarem Material (19) gefüllt ist.

3. Generator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum (21) zwischen Kathode und Anode ein durch Gammastrahlung ionisierbarer Stoff eingebracht ist.

4. Generator nach Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen Kathode und Anode ein bei der Arbeitstemperatur des Atomreaktors dampfförmiger Stoff eingebracht ist.

5. Generator nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrfürmige Anode an beiden Enden durch Stecker (12, 13) hermetisch abgeschlossen ist, wobei der Qino leitend mit der Anode, der andere leitend mit der Kathode verbunden ist.

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6. Generator nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgleichsglieder zur Berücksichtigung der verschiedenartigen thermischen Ausdehnung von Kathode und Anode vorgesehen sind.

1, Generator nach Ansprüchen 1 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elemente konstruktiv zusammengefaßt sind und
den Kern eines Atomreaktors bilden.

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