DE1238117B - Brennstoffelement fuer gasgekuehlte Kernreaktoren - Google Patents

Description

deutsches WTmW^ Patentamt

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1238117

Aktenzeichen: U 7465 VIII c/21 g

1238 117 Anmeldetag: 16. September 1960

Auslegetag: 6. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für gasgekühlte Kernreaktoren, mit einem Behälter aus Neutronen moderierendem Material von geringer Gasdurchlässigkeit, mit wenigstens einem in diesem Behälter untergebrachten -Brennstoffkörper, der mit der Innenwand des Behälters einen Spaltprodukte-Sammelraum begrenzt und mit einem mit diesem Sammelraum in Verbindung stehenden Gasauslaß am unteren Ende des Behälters (Brennstoffbehälters).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement für gasgekühlte Kernreaktoren zu schaffen, bei dem die beim Abbrand des Kernbrennstoffes entstehenden Spaltprodukte von einem Eindringen in den Kühlmittelstrom zurückgehalten werden.

Bei bekannten Kernbrennstoffelementen, in denen der Kernbrennstoff in dicht abgeschlossenen Graphitzylindern angeordnet ist, sammeln sich die Spaltprodukte beim Abbrand des Kernbrennstoffs in diesem Behälter an. Dies hat zur Folge, daß sie langsam durch die Behälter hindurch in den Kühlkreis diffundieren.

Anders bekannte Anordnungen verwenden sowohl gasförmige als auch flüssige Kühlmittel, um die Wärme, die bei der Kernspaltung frei wird, von den Brennstoffelementen abzuführen. Die Kühlmittelströme werden dabei nicht zur Reinigung der Brennstoffelemente von den entstehenden Spaltprodukten herangezogen, so daß auch bei diesen bekannten Kernreaktoren der Anfall von Spaltprodukten im Reaktorkern problematisch ist.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung hat der Spaltstoff die Form von Ringen, die lose in einem Behälter eingesetzt sind, so daß sich um diese Ringe ein ringförmiger Gasraum erstreckt, der den Abtransport der bei der Kernspaltung frei werdenden Wärme stark beeinträchtigt. Auch bei dieser bekannten Anordnung ist das Freihalten des Kühlmittelstroms von Spaltprodukten nicht gelöst.

Bei der Erzeugung von Leistung durch Kernreaktoren mittels eines Spaltprozesses ist Wirtschaftlichkeit wie bei anderen Arten von Leistungserzeugern von hoher Bedeutung. Es ist daher wichtig, einen möglichst hohen Wirkungsgrad beim Wärmeübergang vom Kernbrennstoff zum Kühlmittel zu erzielen. Ferner ist es vorteilhaft, eine hohe Leistungsdichte erreichen zu können, damit eine große Wärmemenge in einem verhältnismäßig kleinen Kern unter gesteuerten Bedingungen erzeugt werden kann.

Gasgekühlte Kernreaktoren geben die Möglichkeit zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Brennstoffelement für gasgekühlte
Kernreaktoren

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:
Peter Fortescue,

Lloyd Robert Zum wait, La Jolla, Calif.;

David Carlton Morse,

San Diego, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 7. März 1960 (13 406),
vom 19. April 1960 (23 341)

Wärmeübergangs vom Reaktorkern, da durch ihre Kühlmittel ihre Betriebstemperatur nicht beschränkt wird, wie dies bei flüssigkeitsgekühlten Systemen der Fall ist. Bei höheren Betriebstemperaturen, die bei gasgekühlten Kernreaktoren theoretisch erreicht werden können, ist der thermische Wirkungsgrad beim Wärmeübergang vom Reaktorkern zum Kühlmittel beträchtlich höher.

Die Erfindung löst diese Probleme bei einem gasgekühlten Kernreaktor dadurch, daß am oberen Ende des Brennstoffbehälters ein Spülgaseinlaß vorgesehen ist, daß auf der Umfangsoberflache des in direktem Wärmekontakt mit dem Brennstoffbehälter stehenden Brennstoffkörpers und/oder auf der Innenwand des Brennstoffbehälters mehrere Aussparungen zur Bildung von längs verlaufenden, vom oberen Spülgaseinlaß zum unteren Gasauslaß sich kontinuierlich erstreckende Kanäle vorgesehen sind und daß der Spaltprodukt-Sammelraum über den Spülgaseinlaß und -auslaß an einen vom Hauptkühlkreis des Reaktors getrennten Spülgaskreislauf angeschlossen ist.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Teilansicht von der Seite in schematischer Darstellung, welche bestimmte Merkmale einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausge-

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bildeten Brennstoffelements zeigt, wobei Teile weggebrochen sind, um die innere Ausbildung zu zeigen,

F i g. 2 eine Teilansicht von der Seite in schematischer Darstellung, welche bestimmte Merkmale einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffelements nach der Erfindung zeigt, wobei Teile weggebrochen sind, um die innere Ausbildung zu zeigen,

F i g. 3 eine teilweise Seitenansicht in schematischer Darstellung, welche bestimmte Merkmale einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffelements nach der Erfindung zeigt, wobei Teile weggebrochen sind, um die innere Ausbildung zu zeigen,

F i g. 4 eine Teilansicht von der Seite in schematischer Darstellung, welche bestimmte Merkmale einer vierten Ausführungsform eines Brennstoffelements nach der Erfindung zeigt, wobei Teile weggebrochen sind, um die innere Ausbildung zu zeigen,

F i g. 5 eine Teilansicht von der Seite in schematischer Darstellung, welche bestimmte Merkmale einer fünften Ausführungsform eines Brennstoffelements nach der Erfindung zeigt, wobei Teile weggebrochen sind, um die innere Ausbildung zu zeigen.

Es wurde festgestellt, daß die Brennstoffelemente gemäß der Erfindung zufriedenstellend in einem gasgekühlten Reaktorkern von gedrängter Bauart über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen, die wesentlich über 982° C liegen, betrieben werden können; damit kann ein Reaktorsystem geschaffen werden, dessen Wärmewirkungsgrad bis zu etwa 40 % erhöht ist und das eine erhöhte Leistungsdichte hat.

Das Brennstoffelement gemäß der Erfindung erfordert nicht die übliche metallische Hülle und Rippen, wie sie gewöhnlich in Brennstoffelementen des festen heterogenen Typs verwendet werden, und es kann bei höheren Temperaturen, die wesentlich über 982° C liegen, mit verbesserter Neutronenökonomie und verbessertem thermischem Wirkungsgrad betrieben werden.

Die Weglassung der metallischen Hülle führt zu einem Problem hinsichtlich der Zurückhaltung der radioaktiven flüchtigen Spaltprodukte, die während des Hochtemperaturbetriebs entstehen. Dieses Problem wird mindestens bis zu einem beträchtlichen Grade durch die Verwendung von Graphit oder eines anderen Moderators für thermische Neutronen als Hülle für den Brennstoff überwunden, wobei der Moderator so vorbehandelt ist, daß er eine geringe Durchlässigkeit für Spaltprodukte hat. Der Brennstoff kann in Form eines oder mehrerer Brennstoffkörper bestehen, die in einem Mittelteil des Brenn-Stoffelements zwischen dem oberen und dem unteren Reflektor angeordnet sind. Jeder Brennstoffkörper besteht vorzugsweise aus einem Gemisch von Brennstoff und Moderator, das um einen Moderatormittelkern herum angeordnet ist.

Das Brennstoffelement nach der Erfindung weist zusätzliche Mittel zur Behinderung des Austritts von Spaltprodukten aus diesem in das primäre Kühlmittel auf.

Ferner ist die Anordnung so getroffen, daß ein gesteuertes Entfernen von Spaltprodukten aus dem Brennstoffelement erfolgt, ohne daß diese in das primäre Kühlmittel eintreten. Für diesen Zweck erhält das gasförmige Kühlmittel Zutritt zum Brennstoffelement derart, daß es durch dieses hindurchtreten kann, um Spaltprodukte kontinuierlich herauszuspülen und diese dann geeigneten Spaltproduktfallen zuzuführen.

Spaltproduktfallen können innerhalb der Brennstoffelemente angeordnet werden, die z. B. mit außerhalb des Reaktorkerns angeordneten zusätzlichen Spaltproduktfallen verbunden sein können. Gegebenenfalls können Spaltproduktfallen völlig außerhalb der Brennstoffelemente angeordnet werden.

Das Brennstoffelement und das Spaltprodukt-Einfangsystem werden vorzugsweise zu einer Zone niedrigeren Druckes, d.h. zu einer Stelle im primären Kühlkreislauf entlüftet, an welcher der Druck zumindest geringfügig niedriger als der in den Kühlmitteldurchläufen zwischen den Brennstoffelementen ist. Diese Anordnung gewährleistet, daß der Kühlmitteltransport von der Zone höheren Druckes außerhalb des Brennstoffelements im Kern des Reaktors nach innen erfolgt. Der Rückfluß des gasförmigen Kühlmittels vom Brennstoffelement zum primären Kühlkreislauf wird im wesentlichen vermieden, so daß flüchtige Spaltprodukte nicht aus dem primären Kühlmittel herauslecken. Eine bevorzugte Stelle für eine solche Entlüftung besteht längs des Saugeinlasses zu den Umlaufeinrichtungen für das gasförmige Kühlmittel des primären Kühlkreislaufs. Die Kontinuität des Spülstroms des Kühlmittels durch die Brennstoffelemente kann noch weiter durch die Verwendung einer oder mehrerer nicht gezeigter Hilfsgasumlaufeinrichtungen sichergestellt werden, die in der Leitung angeordnet sind, welche den Spülstrom zum primären Kühlkreislauf zurückführt.

In der F i g. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements gezeigt. Eine Vielzahl solcher Brennstoffelemente 11 werden mit gleichmäßigen Abständen und im wesentlichen senkrecht zu einem Reaktorkern vereinigt.

Die Kern- und Brennstoffelemente haben einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und sind im Kern mit gleichmäßigen Abständen in geometrischer Anordnung, beispielsweise in Form gleichseitiger Dreiecke, angeordnet derart, daß sich ein Brennstoffelement an jedem Ende jedes Dreiecks befindet.

Zwischen den Brennstoffelementen sind Räume vorgesehen, um das Hindurchströmen eines gasförmigen Kühlmittels (Helium oder ein anderes stabiles nicht korrodierend wirkendes inertes Medium) zu ermöglichen.

Nach der F i g. 1 weist das Brennstoffelement 11 eine Anzahl Brennstoffkörper 53 auf. Die Brennstoffkörper sind innerhalb eines Brennstoffbehälters 55 aus einem Neutronen moderierenden Material, vorzugsweise Graphit, gestapelt; der Graphit ist so behandelt worden, daß er eine sehr geringe Durchlässigkeit für Spaltprodukte hat. Der Brennstoffbehälter 55 ist wiederum innerhalb eines Außenbehälters 58 angeordnet.

Jeder Brennstoffkörper 53 weist einen Außenbereich 57 aus einem Gemisch von Brennstoff und Moderator und einen festen Mittelkern 59 aus Moderatormaterial auf. Beispielsweise haben die in der F i g. 1 dargestellten Brennstoffkörper die Form fester Zylinder. Natürlich können auch andere Brennstoff- und Moderatoranordnungen für die Brennstoffelementkörper vorgesehen werden.

Jeder Brennstoffkörper 53 kann einteilig sein, so daß er einen Moderator mit nur im äußeren Bereich 59 dispergiertem Brennstoff aufweist und der feste Mittelkern aus brennstofffreiem Moderator besteht. Gegebenenfalls kann der Brennstoffkörper aus zwei gesonderten Bauelementen gebildet werden, beispiels-

weise aus einem Außenring 57 aus in einer Moderatormatrix dispergiertem Brennstoff und einem inneren festen Moderatorkern 59, wobei beide Teile miteinander vereinigt sind. In jedem Falle ist Graphit der bevorzugte Moderator sowohl für den Bereich 57 als auch für den Kern 59.

Wenn ein Brutstoff, wie Uran-238 oder Thorium-232, im Brennstoff zusammen mit Uran-235 verwendet wird, entsteht zusätzliches spaltbares Material durch Neutroneneinfang durch den Brutstoff. Hierdurch wird die Brennstofflebensdauer verlängert.

Es ist vorzuziehen, daß in jedem Brennstoffkörper die Konzentration an spaltbarem Uran-235 plus Thorium-232 auf einem Wert von nicht mehr als 40 Gewichtsprozent gehalten wird. In jedem Fall soll die Menge der Brennstoffbestandteile in den zusammengebauten Brenstoffelementen im Reaktorkern ausreichend sein, die gewünschte Spaltkettenreaktion für die gewünschte Kernlebensdauer einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Die Menge des in jedem Brennstoffelement vorhandenen Moderators schwankt ebenfalls je nach den Parametern des Reaktors.

Die folgende Tabelle I gibt eine Zusammenstellung der Merkmale eines beispielsweisen Leistungsreaktors mit einer elektrischen Leistung von 40 Megawattvom gasgekühlten Hochtemperaturtyp, bei dem erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffelemente verwendet werden.

Tabelle I

Technische Daten
für einen gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor

Betriebsbedingungen:

Kühlmittel Helium

Druck 20 Atm

Eintrittstemperatur 349° C

Austrittstemperatur 749° C

Maximale Brennstoff oberflächentemperatur (annähernd) 1260° C

Dampftemperatur 538° C

Dampfdruck 102 ata

Nettowärmewirkungsgrad 34,8%

Reaktorwärmeleistung 115 Megawatt

Elektrische Nettoleistung 40 Megawatt

Reaktorparameter:

Spaltstoffeinsatz (U ²³S) 190 kg

TTioriumeinsatz 1,191

Kerndurchmesser 2,74 m

Kernlänge 2,285 m

Kernkühlmittelhohlraum 12,8%

Brennstoffelementdurchmesser .. 8,9 cm
Zahl der Brennstoffelemente

(annähernd) 810

Reflektordicke , 0,61 cm

Kerngraphitgewicht 19,51

Reflektorgraphitgewicht 47,7 t

Druckgefäßdurchmesser (innen) 4,26 m

Druckgefäßhöhe 10,36 m

Kerngraphit-Uranium-Verhältnis 1900

Abbrand

Spaltungen je ursprüngliches

spaltbares Atom 0,63

Megawatt-Tage (Wärme) je

metrische Tonne

von U²³⁵ + TH²³² 75000

Kernlebensdauer (bei einem Lastfaktor von 80 %) 3 Jahre

Die Größe jedes Brennstoffkörpers, der das spaltbare und brütbare, mit einem Moderator vereinigte Gemisch enthält, wird vorzugsweise klein gehalten, um die Herstellung und Handhabung zu erleichtern; so beträgt beispielsweise der Durchmesser des Brennstoffkörpers etwa 57,15 mm und seine Länge etwa 114,3 mm bei einem festen Mittelkern von 38,1 mm im Durchmesser. Der aktive Brennstoffteil des Brennstoffelements kann beispielsweise eine Länge von

ίο 20 Brennstoffkörpern, d. h. eine Länge von etwa 228,6 cm bei einer Gesamtbrennstoffelementlänge von etwa 365,76 cm haben.

Im Brennstoffkörper 53 sind das Thorium-232 und das Uran-235 vorzugsweise als Carbide in Form von verhältnismäßig großen Teilchen von beispielsweise 100 bis 300 Mikron, vorzugsweise etwa 150 Mikron, und Moderatorteilchen von etwa 150 Mikron im Gemisch vorhanden. Durch diese Verteilung werden Strahlenschäden im Moderator des Brennstoffkörpers

zo durch Rückstoßteilchen bei der Spaltung verringert. Ein im wesentlichen homogenes Mischen des Urans-235 und des Thoriums-232 mit dem Moderator kann leicht erzielt werden, wenn die Bestandteile die Form gesonderter Teilchen haben. Graphit wird als Moderator im Brennstoffgemisch bevorzugt, jedoch kann auch ein anderes geeignetes Bremsmittel, beispielsweise Beryllium oder Berylliumoxyd, in im wesentlichen gleichmäßiger Mischung mit dem Brennstoffgemisch verwendet werden.

Das Mischen der Moderatorteilchen mit den Brennstoffteilchen, kann in beliebiger geeigneter Weise durchgeführt werden, bis das Gemisch im wesentlichen homogen ist. Hierauf wird das erhaltene Gemisch unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen verfestigt und verdichtet, wozu an sich bekannte Metallbearbeitungs- oder pulvermetallurgische Verfahren zur Bildung eines kohäsiven stabilen Brennstoffkörpers von der gewünschten Größe und Form zur Anwendung kommen können.

Durch die Verfestigung und Verdichtung soll ein fertiger stabiler fester Brennstoffkörper mit wenigen Durchlässen zwischen den Hohlstellen, d. h, so dicht als leicht .erzielbar geschaffen werden. Dies wirkt sich in einer Herabsetzung der Durchtrittsrate der Spaltprodukte aus dem Brennstoffkörper aus. Ferner muß der fertige Brennstoffkörper Temperaturen von etwa 1649° C über längere Zeiträume während des Betriebs des Reaktors standhalten können.
Der Kern 59 und der Außenbereich 57 können zu dem einteiligen Körper 53 in beliebiger geeigneter Weise geformt und zusammengefügt werden. Beispielsweise können das Spaltmaterial (Uran-235), der Brutstoff (Thorium-232) und der Moderator (Graphit) zuerst zur Bildung eines hohlen Zylinders mit einem dem Mittelkern entsprechenden Loch kaltgepreßt werden. Das Kaltpressen kann durch die Verwendung eines Bindemittels, wie z. B. Pech, Petroleum im Gemisch erleichtert werden. Der Mittelkern aus Moderatormaterial (Graphit) kann in ähnlicher Weise getrennt geformt werden. Der kaltgepreßte hohle BrennstoffzyIinder und der feste Kern können dann ineinandergeschoben und unter Anwendung an sich bekannter Verfahren gepreßt werden, um einen zusammengesetzten Körper zu erhalten, der das gewünschte feine Korn und die gewünschte Festigkeit, Stabilität und Gleichmäßigkeit • aufweist. Gegebenenfalls kann der Mittelkern zuerst geformt und das Brennstoffgemisch um den Kern

herum kaltgepreßt und dann zur Bildung der fertigen Einheit warmgepreßt werden.

Es kann z. B. nach dem Warmpressen ein Heißsintern erfolgen. Außerdem können verschiedene Imprägnier- und Überzugsverfahren angewendet werden, um die Brennstoffkörper nach ihrer Bildung weiter zu verdichten, wodurch das Herausdiffundieren flüchtiger Spaltprodukte aus ihnen weiter verzögert wird.

Auf diese Weise wird ein Brennstoffkörper erhalten, bei welchem der feste Mittelkern aus Moderatormaterial haftend mit dem aus einem Gemisch von Brennstoff und Moderator bestehenden Ring verbunden ist. Wenn mehrere Brennstoffkörper innerhalb des Brennstoffelements, wie in der F i g. 1 dargestellt ist, gestapelt angeordnet werden, bilden sie einen hochwirksamen aktiven Teil.

Das Brennstoffgemisch wird vorzugsweise, wie beschrieben, im Ring konzentriert, um die maximale Brennstofftemperatur gegenüber der Temperatur in einem homogenen festen zylindrischen Brennstoffkörper herabzusetzen. Hierbei ist zu erwähnen, daß die letztgenannte Art des Brennstoffkörpers, wenn gewünscht, auch in dem Brennstoffelement nach der Erfindung verwendet werden kann.

Die Brennstoffkörper 53 sind in dem Brennstoffbehälter 55 aus einem Neutronenbremsmittel eingeschlossen, das eine geringe Durchlässigkeit hat und als Diffusionssperre für flüchtige Spaltprodukte wirkt.

Graphit ist das bevorzugte Moderatormaterial für die Brennstoffschutzhülle 55 wegen seiner günstigen physikalischen, mechanischen, thermischen und Kerneigenschaften bei hohen Temperaturen. Normaler Graphit, d. h. die handelsüblichen Graphitarten sind als solche für die Zwecke der Erfindung unbefriedigend, da sie in ihrer unbehandelten Form verhältnismäßig porös sind und Spaltprodukte leicht hindurchtreten lassen.

Bei der Anwendung geeigneter an sich bekannter Verdichtungs- oder Porenfüllungsbehandlungen, z. B. durch Aufbringen eines Überzugs und/oder Imprägnieren, Heißtauchen, Aufdampfen, Aufspritzen und Auftrennen kann ein behandelter Graphit hergestellt werden, der eine geringere Durchlässigkeit für Spaltprodukte, selbst bei Temperaturen über 1093° C, während längerer Zeiträume hat. Für die Zwecke der Erfindung ist es vorzuziehen, daß die behandelte Graphitbrennstoffhülle einen Durchlässigkeitskoeffizienten von etwa 1 · IO^-5 bis 1 · IO^-7 cm²/Sek., gemessen für das Lecken von Helium bei Raumtemperatur, hat.

Überzüge, die auf das Graphithüllenmaterial aufgebracht werden, um dessen Durchlässigkeit herabzuzetzen, sollten mit dem Grundmaterial fest verbunden werden, damit sie im Gebrauch dauerhaft sind. Dies bedeutet, daß die Überzüge mit dem Grundmaterial physikalisch und chemisch während oder nach dem Aufbringen verbunden werden sollen. Es ist vorzuziehen, daß der Überzug durch den Graphit in einer Diffusionszone hindurchdringt, die mehrere 10~³ cm dick ist, um die Gefahr einer Beschädigung infolge unterschiedlicher Wärmedehnung zwischen dem Überzug und dem Graphit auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Siliciumcarbid und Zirkoncarbide haben eine ausgezeichnete Stabilität bei hoher Temperatur und ausreichend niedrige Einfangquerschnitte für thermische Neutronen, so daß sie ohne weiteres für solche Überzüge verwendet werden können.

Die Größe und die Form des Brennstoffbehälters 55 kann natürlich schwanken. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Brennstoffelement mit einer Gesamtlänge des Außenbehälters 365,76 cm kann die Länge des Brennstoffbehälters beispielsweise 292,1 cm betragen. Die Wanddicke schwankt ebenfalls und ist z. B. abhängig von der jeweiligen Festigkeit des Behältermaterials und seiner Durchlässigkeit. Beispielsweise ist Graphit mit der beschriebenen geringen

ίο Durchlässigkeit und einer Dichte von etwa 1,85 g/cm^:i zur Verwendung als Behältermaterial bei Temperaturen bis zu etwa 1538° C geeignet, selbst wenn die Behälterwand nur eine Dicke von etwa 6,35 mm hat, wie nachstehend beschrieben.

Der Brennstoffbehälter 55 weist eine Seitenwand 61 auf, die an ihrem unteren Ende durch eine Stützkupplung 63 abgedichtet und mit dieser haftend verbunden ist; diese Stützkupplung besteht aus einem Moderator von geringer Durchlässigkeit, vorzugsweise aus Graphit, der, wie vorhergehend für den Brennstoffbehälter 55 beschrieben, behandelt worden ist, um seine Durchlässigkeit herabzusetzen. Die Abdichtung und haftende Verbindung kann z. B. durch Zirkonhartlösung erzielt und ebenso undurchlässig für Spaltprodukte wie die Kupplung und die Seitenwand gemacht werden. Die Brennstoffkörper 53 sind innerhalb des Brennstoffbehälters 55 durch einen oberen Brennstoffbehälterverschluß 65 abgedichtet, der ebenfalls aus einem Moderator von geringer Durchlässigkeit besteht und mit dem oberen Ende der Seitenwand 61 in der vorangehend beschriebenen Weise abgedichtet und haftend verbunden ist. Ein kleiner Stopfen 67 aus einem für das gasförmige Kühlmittel porösen Moderator ist, wie in der F i g. 1 dargestellt ist, im oberen Verschluß 65 angeordnet und bildet einen für Gas porösen Einlaßbereich für den Brennstoffbehälter.

Innerhalb des Brennstoffbehälters 55 trennen ein oder mehrere Blöcke 69 aus porösem Graphit oder einem anderen Moderator die Brennstoffkörper 53 von einer Spaltproduktfalle 71, die im unteren Ende des Brennstoffbehälters unterhalb der Brennstoffkörper angeordnet ist. Der Block 69 stellt einen Teil des im Brennstoffbehälter vorgesehenen unteren Reflektors dar. Ein oder mehrere ähnliche poröse Moderatorblöcke 73 trennen die Brennstoffkörper vom oberen Ende des Brennstoffbehälters. Beim Füllen des Brennstoffbehälters kann die Kupplung 63 zuerst mit der Seitenwand 61 verbunden werden, dann die Spaltproduktfalle 71 eingesetzt werden, auf die nacheinander der Block 69, die Brennstoffkörper 53 und der Block 73 folgen, worauf der obere Verschluß 65 aufgebracht wird. Der Spielraum zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter wird vorzugsweise ziemlich eng gehalten, so daß kein großer Spalt zwischen diesen Teilen besteht.

Der Moderatorblock 73 ist so bemessen, daß zwischen ihm und dem oberen Verschluß 65 ein Raum 75 vorhanden ist, der mit dem porösen Stopfen 67 im Verschluß 65 und mit einem Raum 77 zwischen den Brennstoffkörpern 53 und des Brennstoffbehälters 55 in Verbindung steht. Der Raum 77 kann ein Reinigungsraum sein und eine Anzahl (z. B. 8 bis 24) Kanäle 79 zwischen der Seitenwand 61 und dem anschließenden Umfang der Brennstoffkörper 53 aufweisen, die durch Längsnuten 81 in der Innenwand des Brennstoffbehälters und/oder in der Außenwand der Brennstoffkörper gebildet werden.

Die Kanäle 79 können beispielsweise halbkreisförmig sein und je einen Durchmesser von etwa 1,6 mm haben und erstrecken sich zwischen dem Raum 75 und der Spaltproduktfalle 71, so daß aus den Brennstoffkörpern austretende Spaltprodukte durch das Gas zur Spaltproduktfalle mitgenommen werden, das in den Brennstoffbehälter durch den porösen Stopfen 67 eindringt.

Der Brennstoffbehälter 55 ist dichtend und völlig innerhalb eines Außenbehälters 58 angeordnet, der ebenfalls hauptsächlich aus einem Neutronenbremsmittel mit einer geringen Durchlässigkeit für Spaltprodukte hergestellt ist. Der Außenbehälter 58 besteht aus einer Hülse 83 aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit, vorzugsweise behandeltem Graphit, die an ihrem oberen Ende in einen oberen Reflektorblock 85 eingeschraubt und mit diesem beispielsweise durch Hartlöten haftend verbunden ist; dieser Reflektorblock 85 besteht aus einem Moderatormaterial, vozugsweise Graphit. Das untere Ende der Hülse 83 ist an einem unteren Einsatzstück 87 aus korrosionsbeständigem Stahl oder einem anderen dauerhaften Material befestigt, das einen Teil der Stützkupplung 63 bildet.

Der untere Teil 89 des oberen Reflektorblockes besteht aus einem Moderator mit einer geringen Durchlässigkeit, vorzugsweise aus behandeltem Graphit, und ist vom oberen Verschluß 65 durch einen Raum 91 getrennt. Die doppelwandige Einschließung von geringer Durchlässigkeit des Brennstoffkörpers wird daher durch den Brennstoffbehälter 55 und den Außenbehälter 58 gebildet. Der Durchlässigkeitskoeffizient für den Außenbehälter entspricht annähernd demjenigen, der für den Brennstoffbehälter 55 empfohlen wurde, und begrenzt das Lecken von Spaltprodukten durch die beiden Behälter auf etwa ein Millionstel der sich innerhalb des Brennstoffbehälters bildenden gasförmigen Spaltprodukte.

Der obere Reilektorblock 85, der obere Verschluß 65, der Moderatorblock 73, die benachbarte Brennstoffbehälterwandung 61 und der obere Teil der Hülse 83 bilden den oberen Reflektor des Brennstoffelementes 11, während die Stützkupplung 63, die Spaltproduktfalle 71, der Block 69, die benachbarte Brennstoffbehälterwandung 61 und der untere Teil der Hülse 83 den unteren Reflektor des Brennstoffelementes bilden.

Obwohl die beiden Behälter eng ineinandergepaßt sind, sind eine Anzahl, beispielsweise 8 bis 24 Reinigungskanäle 93, vorzugsweise von halbkreisförmigem Querschnitt und mit einem Durchmesser von etwa 1,6 mm zwischen dem Brennstoffbehälter 55 und dem Außenbehälter 58 vorgesehen. Diese Kanäle 93 werden durch Längsnuten 95 in der Außenfläche der Seitenwand 61 und/oder in der Innenfläche der Hülse 83 gebildet und erstrecken sich zwischen dem Raum 91 und dem Ringraum 97. Der Raum 97 wird durch eine Eintiefung in der Innenfläche der Hülse 83 im Bereich zwischen dem unteren Ende der Reinigungskanäle 93 und einem Gaseinlaßkanal 99, der in der Stützkupplung 63 benachbart derem unteren Ende ausgebildet ist, gebildet. Es besteht daher eine Verbindung zwischen dem Gaseinlaßkanal 99 und dem Brennstoffbehälter 55, so daß gasförmiges Kühlmittel nach oben zwischen den beiden Behältern und nach unten inner-

halb des Brennstoffbehälters 55 im Gegenstrom fließen kann.

Es ist ferner wünschenswert, daß Spaltprodukte, die durch den Brennstoffbehälter hindurchtreten, unmittelbar zu den in Längsrichtung ausgefluchteten Kanälen 93 geleitet werden. Für diesen Zweck ist gewöhnlich ein Netzwerk verhältnismäßig enger Nuten, KratzerlOl an der Außenfläche der Brennstoffbehälterwand und an der Innenfläche der Hülse ίο 83 als Folge der üblichen Bearbeitungsvorgänge bei der Herstellung der Abmessung der beiden Behälter vorhanden. Diese KratzerlOl erstrecken sich zwischen den Kanälen 93 und bilden Verbindungskanäle 103.

Der Einlaßlcanal99 ist, wie in der Fig. 1 gezeigt ist, vorzugsweise ein kurzes Stück die Wand 105 nach oben angeordnet, welche einen becherförmigen Hohlraum in der Kupplung 63 begrenzt. Der Einlaßkanal 99 ist mit einem nicht gezeigten porösen Stopfen u. dgl. versehen, um die Geschwindigkeit der Reinigungsgasströmung in das Brennstoffelement zu regeln.

Bei einem gasgekühlten Reaktor mit den in der Tabelle I angegebenen Parametern und bei Verwendung von 810 Brennstoffelementen, die im wesentlichen gemäß der Fig. 1 ausgebildet sind, kann die Gesamtheliumgasströmung durch den primären Kühlmittelkreislauf etwa 217720 kg/h betragen. Aus den primären Kreislauf können etwa 93 kg/h des Reinigungsheliums in die 810 Brennstoffelemente durch den Einlaßkanal 99 in jedem Brennstoffelement mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,113 kg/h je Brennstoffelement gesaugt werden. Es ist daher ein Reinigungsgassystem für jedes Brennstoffelement 11 zur Mitnahme von aus den Brennstoffkörpern austretenden Spaltprodukten zu einer inneren Spaltproduktfalle vorgesehen. Der Kreislauf des Kühlmittel-Reinigungsgases im Brennstoffelement 11 ist folgendermaßen: das Reinigungsgas tritt innerhalb des Hohlraumes 107 zwischen der Hohlraumwand 105 und dem Ständer 14 nach oben in den Gaseinlaßkanal 99 ein, strömt von diesem weiter nach oben in den Ringraum 97 und in die Reinigungskanäle 93, passiert den Raum 91, fließt dann durch den Stopfen 67 nach unten, durch den Raum 75 nach außen, in den Kanälen 79 nach unten und in die Spaltproduktfalle; dabei werden die Spaltprodukte aus den Räumen zwischen den beiden Behältern und zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter herausgespült. Ferner ist, wie nachstehend näher beschrieben wird, die Anordnung so getroffen, daß der Reinigungsstrom aus der Spaltproduktfalle zum Ständer geleitet und aus dem Brennstoffelement zu äußeren Spaltproduktfallen herausgeführt wird.

Die in der Fig. 1 dargestellte Spaltproduktfalle wird durch einen Moderatorblock 109, vorzugsweise aus Graphit, gebildet, der eine Anzahl von in Abstand voneinander befindlichen Kanälen 111 aufweist, die in Längsrichtung durch den Block gebohrt sind. Das körnige Spaltprodukt-Einfangmaterial ist in diesen Längskanälen durch den porösen Block 69 und einen ähnlichen Block 115 eingeschlossen. Der untere Endblock 115 der Spaltproduktfalle steht mit einem mittigen, in der Kupplung 63 vorgesehenen Längskanal 117 in Verbindung, der sich zum Hohlraum 107 erstreckt und so ausgefluchtet ist, daß er mit einem ähnlichen Längskanal 119 im Ständer 14

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übereinstimmt. Das durch die Spaltproduktfalle hindurchtretende Reinigungsgas wird durch das poröse untere Ende 115 gefiltert und tritt in den Kanal 117 ein, aus welchem es in den Kanal 119 zur Ableitung aus dem Brennstoffelement, beispielsweise zu äußeren Spaltproduktfallen gelangt.

Die Längskanäle 111 in der Spaltproduktfalle können in beliebiger geeigneter Zahl, beispielsweise sechs, und von beliebiger geeigneter Größe, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 15,9 mm und mit einem Abstand von einem Kreisdurchmesser von 34,9 mm vorgesehen werden. Die Längskanäle müssen eine angemessene Menge Spaltprodukt-Einfangsmaterial aufnehmen können und die Wärmeabgabe zur Außenfläche des Brennstoffelements gewährleisten. Die Kanäle 111 können mit einem beliebigen geeigneten Material zum Einfangen der im Reinigungsstrom enthaltenen Spaltprodukte gefüllt werden. Es ist vorzuziehen, in der Spaltproduktfalle ein inertes, temperaturstabiles und adsorptionsfähi- so ges Material, beispielsweise Holzkohle, in feinverteilter Form zu verwenden. Ferner ist es vorzuziehen, mindestens ein elektropositives Element, beispielsweise Kupfer, Silber oder ein ähnliches Metall, zu verwenden, das in dem adsorptionsfähigen Material so verteilt ist, daß es einen großen Gesamtflächenbereich aufweist.

Die Spaltproduktfalle kann dazu verwendet werden, gewisse flüchtige Spaltprodukte in weniger flüchtige Formen, beispielsweise in Feststoffe, feste Lösungen, Flüssigkeiten oder in chemische Verbindungen umzuwandeln. Da die innere Spaltproduktfalle 71 im kühleren unteren Reflektorteil des Brennstoffelements angeordnet ist, kann sie bei einer geeignet niedrigen Temperatur von beispielsweise etwa 427° C arbeiten.

Der Brennstoffbehälter selbst hält im wesentlichen diejenigen Spaltprodukte zurück, welche nicht wesentlich aus den Brennstoffkörpern herauswandern. Zu den flüchtigeren Spaltprodukten, welche die innere Spaltproduktfalle in wesentlichen Mengen erreichen, gehören die folgenden: Selen, Brom, Rubidium, Strontium, Cadmium, Antimon, Tellur, Jod, Caesium, Barium, Samarium und Europium. Arsen, Germanium, Silber und Indium sind weniger flüchtig und verhältnismäßig unbedeutend wegen ihrer geringen Ausbeute als Spaltproduktelemente. Ferner haben Arsen, Germanium, Silber und Indium die Neigung in den Reinigungskanälen 79 zu kondensieren, bevor sie die Spaltproduktfalle 71 erreichen.

Bis zu 90 % oder mehr aller Spaltprodukte, welche Halbwertzeiten von weniger als einer Stunde haben, werden in den Brennstoffkörpern 53 zurückgehalten. Von den Spaltprodukten, die Halbwertzeiten von etwa einem Tag haben, werden 50% oder mehr in den Brennstoffkörpern zurückgehalten.

Eine geeignete innere Spaltproduktfalle zur Verwendung in dem in der F i g. 1 dargestellten Brennstoffelement besteht aus porösem Graphit und hat eine im wesentlichen zylindrische Form sowie eine Länge von etwa 30,5 cm und einen Durchmesser von etwa 57,2 cm. Die Spaltproduktfalle hat sechs Kanäle, von denen jeder eine Länge von etwa 28 cm hat und die sich in Längsrichtung vom oberen Ende der Falle nach unten erstrecken; dabei hat jeder Kanal einen Durchmesser von 15,9 mm, und die sechs Kanäle liegen im Abstand voneinander auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 34,9 mm.

Die Kanäle sind mit 300 cm³ eines Reagens gefüllt, das aus 150 g adsorptionsfähiger aktivierter Holzkohle in feinverteilter Form besteht, so daß es einen spezifischen Oberflächenbereich von etwa 1500 m²/g hat, und ist mit etwa 50 g metallischem Kupfer imprägniert. Das Kupfer befindet sich ebenfalls in feinverteilter Form. Es ist an den Außenflächen der Holzkohle in Form von Flocken vorhanden und in den Poren der Holzkohle abgelagert.

Das Reagens wird dadurch in die angegebene Form gebracht, daß die angegebene Menge aktivierter Holzkohle in einer alkoholischen Lösung etwa 2 bis 3 Tage eingeweicht wird, die eine ausreichende Menge Kupfernitrat enthält, so daß die angegebene Kupfermenge im fertigen Reagens erhalten wird. Die Lösung wird, wenn sie im Überschuß vorhanden ist, dann aus der Holzkohle abgeleitet und diese bei einer Temperatur zwischen etwa 400 und etwa 500° C in einer Sauerstoffatmosphäre wärmebehandelt, um das Nitrat in Oxyd umzuwandeln. Die Wärmebehandlung geschieht in der Weise, daß zuerst langsam erhitzt wird, um die Feuchtigkeit auszutreiben, und dann die Temperatur auf den angegebenen Bereich erhöht wird. Das im Reagens enthaltene Kupferoxyd wird dann durch Reduktion in die metallische Form umgewandelt, d. h. durch Erhitzen in einem Wasserstoffstrom von etwa 500° C

Wenn Silber als elektropositives Metall mit der aktivierten Holzkohle verwendet wird, kann es auf der Holzkohle aus einer wäßrigen Silbernitratlösung niedergeschlagen werden, worauf das Nitrat in Oxyd umgewandelt und dieses in der für Kupfer beschriebenen Weise zu freiem Metall reduziert wird. Im fertigen Reagens für die Spaltproduktfalle soll das Metall, unabhängig davon, ob es Kupfer oder Silber oder ein anderes Metall ist, in einer Menge von etwa 15 bis etwa 30% des Gesamtgewichtes des Reagens vorhanden sein.

Hierbei ist zu erwähnen, daß das in der Spaltproduktfalle verwendete Adsorptionsmittel ein anderes als aktivierte Holzkohle sein oder dieses zusätzlich zu aktivierter Holzkohle verwendet werden kann. Beispielsweise kann aktiviertes Aluminiumoxyd verwendet werden.

Hinsichtlich der Wirkung des Reagens in der Spaltproduktfalle auf diejenigen Spaltprodukte, welche die Spaltproduktfalle erreichen, haben im Reinigungsstrom Selen, Brom, Tellur und Jod die Neigung mit dem metallischen Kupfer zu reagieren, wobei Kupferselenit, Kupferbromid usw. von geringer Flüchtigkeit entstehen. Caesium und Rubidium reagieren stark mit aktivierter Holzkohle, so daß sie chemisorbiert oder in anderer Weise chemisch durch die Holzkohle gebunden werden. Dies führt zu einem sehr niedrigen Dampfdruck für diese Elemente über die aktivierte Holzkohle. Beispielsweise tritt bei 427° C ein Gleichgewichtscaesiumdampfdruck von etwa IO^-8 Atmosphären bei Caesiumbeladungen von einem halben Gramm je Gramm Holzkohle auf. Daher besteht bei Caesium- und Rubidiumspaltprodukten eine geringe Wahrscheinlichkeit, daß sie durch die innere Spaltproduktfalle hindurchtreten. Kupferjodid und Kupferbromid sind etwas flüchtig und zeigen eine gewisse Neigung, durch die Spaltproduktfalle hindurchzutreten, nachdem sie aus dem Spaltproduktjod und -brom gebildet worden sind. Solche Durchtrittszeiten sind jedoch lang und be-

tragen etwa 100 Stunden oder mehr. Silberjodid und Silberbromid sind weniger flüchtig als die entsprechenden Kupfersalze und es besteht in diesem Falle die Neigung, daß sie in der Spaltproduktfalle sogar noch länger verzögert werden.

Cadmium tritt durch die Spaltproduktfalle mit einiger Verzögerung hindurch. Da Cadmium nur in geringen Mengen anfällt, trägt es nicht wesentlich zur Gesamtspaltproduktaktivität bei.

Elementares Barium, Strontium, Samarium und Europium haben die Neigung in den Reinigungskanälen 79 und in der Spaltproduktfalle zu kondensieren. Barium, Strontium, Samarium und Europium, welche in der gasförmigen Phase mit dem restlichen Kohlenmonoxyd reagieren, das in geringen Mengen (etwa mit 10 mg/1) im Heliumreinigungsgas vorhanden sein kann, haben die Neigung, Oxydaerosole zu bilden, die nicht leicht eingefangen werden können.

Barium, Strontium, Samarium und Europium haben jedoch auch die Neigung, mit chemisorbiertem Sauerstoff auf den Oberflächen des Graphits oder der aktivierten Holzkohle der Spaltproduktfalle zu reagieren, so daß sie die Neigung haben, an solchen Oberflächen zu haften.

Bei Antimon besteht die Neigung, daß es leicht in der Falle kondensiert, wenn es nicht schon früher, d. h. in den Reinigungskanälen 79 kondensiert. In jedem Fall ist Antimon nicht sehr wichtig, was durch seine verhältnismäßig geringe Anreicherung mit Bezug auf die Gesamtspaltproduktausbeute bedingt ist..

Die innere Spaltproduktfalle 71 verzögert daher die Wanderung eines wesentlichen Anteils der Spaltprodukte für einen wesentlichen Zeitraum. Hierbei ist zu erwähnen, daß das BrennstoffeIementll mit anders aufgebauten inneren Spaltproduktfallen ausgerüstet werden kann. Außerdem kann gegebenenfalls die innere Spaltproduktfalle weggelassen werden. Die Verwendung einer inneren Spaltproduktfalle, beispielsweise der Falle 71, ist jedoch bevorzugt.

Spaltprodukte, die schließlich aus der Spaltproduktfalle 71 austreten, gelangen in die Kanäle 117 und 119 und können, wie erwähnt, zu zusätzlichen außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Spaltproduktfallen ohne wesentliches Lecken von Reinigungsgas in den Hauptkühlmittelkreislauf angeordnet werden.

Solche äußeren Spaltproduktfalien können beispielsweise eine oder mehrere chemische und/oder physikalische Spaltproduktfallen sein. Die chemischen Spaltproduktfallen können der vorangehend beschriebenen Spaltproduktfalle 71 im allgemeinen ähnlich sein und adso>rptionsfähige Stoffe und Reagenzien enthalten, welche mit bestimmten Spaltprodukten reagieren. Es können gegebenenfalls elektropositive und/oder elektronegative Elemente in den Reagenzien verwendet werden.

Die physikalischen Spaltproduktfallen können vom kühlen und/oder kalten Typ sein, welche für das Einfangen von Xenon und Krypton durch Adsorption besonders geeignet sind. Die kühle Spaltproduktfalle kann beispielsweise von etwa 343° C ab betrieben werden, während die kalte Spaltproduktfalle beispielsweise bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff oder niedriger, vorzugsweise in Gegenwart eines Adsorptionsmittels, wie Holzkohle, betrieben werden kann.

In den kühlen und kalten Spaltproduktfallen werden im wesentlichen alle übrigen Spaltprodukte ein-

gefangen, und das gereinigte Kühlmittelgas kann dann zum primären Kreislauf zur Wiederverwendung zurückgeleitet werden.

Zur Handhabung des Brennstoffelements 11 ist der obere Reflektorblock 85 mit einem spitzen Kopf 121 und einem Hals 123 versehen, an welchem leicht eine nicht gezeigte Greifvorrichtung angesetzt werden kann. Ferner ist der Durchmesser des Brennstoffelements in einem Bereich 125 unmittelbar oberhalb des aktiven Teils des Brennstoffelements geringfügig vergrößert, wobei die dadurch gebildete Erweiterung als Abstandselement 33 für das Brennstoffelement dienen kann. So kann z. B. der Durchmesser des Brennstoffelements 11 88,9 mm betragen, während der Bereich 125 einen Durchmesser von 89,789 mm haben kann.

Der sich senkrecht erstreckende Ständer 14, welcher mit der Reaktorgitterplatte verbunden ist, wird von dem Hohlraum 107 des Brennstoffelements aufgenommen. Wie in der F i g. 1 dargestellt ist, ist der Hohlraum 107 des Brennstoffelements 11 verhältnismäßig lang, so daß das Brennstoffelement allein im Reaktorkern stehen kann und sonst radial nicht gerichtet zu werden braucht. Der Hohlraum 107 ist im wesentlichen konisch geformt. Bei Raumtemperatur ruht der konische Sitz 185 der Kupplung 63 auf dem Ständer 14 auf und bildet eine gute Abdichtung, um das Zurücklecken von Helium zu verhindern.

Da der Ständer metallisch ist und die Kupplung vorzugsweise aus Graphit besteht, nimmt mit zunehmender Temperatur im Reaktorkern der Durchmesser des Ständers schneller zu als der der Kupplung, so daß der Spalt zwischen der Hohlraumwandung und dem Ständer abnimmt. Das Lecken von Helium aus dem Brennstoffelement wird auf ein zulässiges Maß von etwa 10% des Gesamtreinigungsstroms herabgesetzt. Eine Rückdiffusion von Spaltprodukten wird durch die Länge des Hohlraumes 107 auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

Die Spaltprodukte im Reinigungsgas treten daher leicht aus dem Brennstoffelement durch den Ständerkanal aus und werden zur beschriebenen äußeren Spaltproduktfalle unter geringstmöglichen Leckverlusten gefördert.

Das Brennstoffelementll kann beispielsweise die folgenden Abmessungen haben:

Tabelle II

Brennstoffblöcke

Kerndurchmesser 38,1 mm

Blockdurchmesser 57,15 mm

Blocklänge 114,3 mm

Gesamtlänge der Brennstoffblöcke .. 228,6 cm

Wanddicke des Brennstoffbehälters.. 6,35 mm

Wanddicke des Außenbehälters .... 9,525 mm

Brennstoffelementdurchmesser .... 88,9 mm

Brennstoffelementlänge 365,76 cm

Länge des oberen Reflektors 68,58 cm

Länge des unteren Reflektors 68,58 cm

Länge der Spaltproduktfalle 30,48 cm

Kanallänge in der Spaltproduktfalle 27,94 cm
Kanaldurchmesser

in der Spaltproduktfalle 15,87 mm

Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements ist in der

F i g. 2 dargestellt. F i g. 2 zeigt ein Brennstoffelement 127, das in seinen Bauteilen und Parametern dem in der F i g. 1 dargestellten Brennstoffelement 11 im wesentlichen ähnlich ist. Das Brennstoffelement 127 ist jedoch so ausgebildet, daß durch dieses eine parallele Strömung an Reinigungsgas stattfindet, wie nachstehend näher beschrieben wird. Für die nachfolgende Beschreibung der in der F i g. 2 dargestellten Ausführungsform sowie der Ausführungsformen nach den F i g. 3, 4 und 5 ist zu erwähnen, daß, sofern nicht anders angegeben, diejenigen Bauelemente, die denjenigen der Ausführungsform nach der Fig. 1 im wesentlichen ähnlich sind, aus ähnlichen Materialien und in ähnlicher Weise hergestellt sind.

Das in der Fig. 2 gezeigte Brennstoffelement 127 *5 enthält eine Anzahl Brennstoffkörper 129, welche in gestapelter Anordnung gehalten werden und innerhalb des Brennstoffbehälters 131 abgedichtet sind. Der Brennstoffbehälter 131 besteht aus einem Moderator von geringer Durchlässigkeit und ist mit seiner Seitenwand 133 mit dem oberen Ende eines oberen Verschlusses 137 abgedichtet und z. B. durch Hartlöten festhaftend mit diesem verbunden. Die Brennstoffkörper, die Seitenwand, die Stützkupplung und der obere Verschluß sind im wesentlichen dieselben wie beim Brennstoffelement 11 beschrieben, mit der Ausnahme, daß die Stützkupplung 135 einen sich quer erstreckenden Raum 139 aufweist, welcher mit den unteren Enden einer Anzahl von Reinigungskanälen 141 zwischen dem Brennstoffbehälter 131 und dem Außenbehälter 143 und mit dem sich in Längsrichtung erstreckenden Kanal 145 in Verbindung steht. Die Kanäle 141 werden durch Längsnuten 146 in der Außenwand des Brennstoffbehälters 131 und/oder in der Innenwand des Außenbehälters 143 gebildet,welche durch ein Netzwerk von z. B. Kratzern 148 in der Außenwand des Brennstoffbehälters und/oder in der Innenwand des Außenbehälters miteinander verbunden sind.

Ein Kanal 145 erstreckt sich zwischen dem Hohlraum 147 in der Kupplung 135 des Brennstoffelements 127 und einer Spaltproduktfalle 149, die innerhalb des Brennstoffbehälters 131 unterhalb der Brennstoffkörper 129 angeordnet und von diesen durch einen porösen Moderatorblock 151 getrennt ist. Die Spaltproduktfalle 149 ist, wie in der F i g. 2 dargestellt ist, in ähnlicher Weise wie die Spaltproduktfalle 71 in der F i g. 1 ausgebildet. In dem Brennstoffbehälter 131 befindet sich ferner ein poröser Block 153 aus Moderatormaterial, welcher die Brenn-Stoffkörper vom oberen Ende des Brennstoffbehälters trennt.

Der obere Verschluß 137 weist einen Spülgaseinlaß 155 in Gestalt eines porösen Stopfens. 157 auf. Der obere Verschluß 137 ist vom Moderatorblock 153 durch einen Raum 159 getrennt, der mit einer Anzahl von Kanälen 161 in Verbindung steht, die sich zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter 131 nach unten erstrecken. Die Kanäle 161 werden durch eine Anzahl von Längsnuten in der Innenwand 163 des Brennstoffbehälters gebildet und erstrecken sich zwischen dem Raum 159 und der Spaltproduktfalle 149.

Der Brennstoffbehälter ist dichtend innerhalb des Außenbehälters 143 angeordnet, der ebenfalls in der Hauptsache aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit besteht. Der Außenbehälter besteht aus einer Hülse 165, die am oberen Ende mit

einem oberen Reflektorblock 167 und am unteren Ende mit einem unteren Halterungsteil 169 der Stützkupplung 135 z. B. durch Hartlötung fest verbunden ist. Die Endhalterung und die Hülse 165 sind den entsprechenden Teilen des Brennstoffelementes 11 ähnlich. Dies trifft auch für den oberen Reflektorblock einschließlich des Abstandselementes 168, des Kopfes 170 und des Halses 172 sowie einschließlich des unteren Endes 171 aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit zu mit der Ausnahme, daß ein im wesentlichen mittiger Kanal 173 im oberen Reflektorblock vorgesehen ist, der sich durch das untere Ende 171 des Blockes in Verbindung mit einem Raum 175 oberhalb des oberen Verschlusses 137 sowie nach oben in den oberen porösen Moderatorteil 177 des Blockes 167 erstreckt. Das Kühlmittelreinigungsgas fließt innerhalb des Brennstoffelements 127 durch den gasporösen Teil 177 und in den Kanal 173, dann nach unten in den Raum 175, der mit den Kanälen 141 sowie mit den porösen Stopfen 157 in Verbindung steht. Das Reinigungsgas fließt gleichzeitig zwischen dem Brennstoffbehälter und dem Außenbehälter sowie zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter nach unten, wobei die letztere Strömung über den Stopfen 157, den Raum 159 und die Kanäle 161 verläuft. Diese parallele Strömung des Reinigungsgases trägt wirksam zur Dämpfung der Spaltprodukte im Brennstoffelement bei.

Der durch die Kanäle 141 zwischen dem Brennstoffbehälter und dem Außenbehälter nach unten fließende Reinigungsstrom nimmt Spaltprodukte in diesem Bereich zum Querraum 139 und durch diesen zum Kanal 145 mit. Der durch die Kanäle 161 zwischen den Brennstoff körpern und dem Brennstoffbehälter fließende Reinigungsstrom nimmt Spaltprodukte in diesem Bereich zur Spaltproduktfalle 145 mit. Diejenigen Spaltprodukte, die schließlich aus der Spaltproduktfalle heraustreten, treten durch das poröse untere Ende 179 derselben hindurch in den Kanal 145. Der kombinierte Reinigungsstrom fließt durch den Kanal 147 in den Kanal 181 des Ständers 183, der innerhalb des Hohlraums 147 angeordnet ist, und darin aus dem Brennstoffelement zu äußeren Spaltproduktfallen.

Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements ist in der Fig. 3 dargestellt, welche ein Brennstoffelement 185 zeigt, das dem Brennstoffelement 127 in der F i g. 2 hinsichtlich der meisten Bauteile, Parameter und Herstellungsverfahren im wesentlichen identisch ist. Das Brennstoffelement 185 weist jedoch am oberen Ende des Brennstoffbehälters 195 keinen Gaseinlaß auf, so daß keine nach unten gerichtete Strömung von Reinigungsgas zwischen den Brennstoffkörpern 187 und dem Brennstoffbehälter vorhanden ist. Die Spaltproduktgase fließen jedoch zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter zur inneren Spaltproduktfalle nach unten.

Wie die F i g. 3 zeigt, sind die Brennstoffkörper 187 zwischen porösen Moderatorblöcken 189 und 191 und oberhalb einer Spaltproduktfalle 193 von der vorangehend beschriebenen Art in dem Brennstoffbehälter 195 aus ModeratonnateriaI von niedriger Durchlässigkeit angeordnet. Der Brennstoffbehälter 195 wird durch eine Seitenwand 197, eine Stützkupplung 199 und einen oberen Verschluß 201 gebildet, welch letzterer keinen Gaseinlaß enthält. Die

Kupplung 199 ist mit einem Längskanal 203 versehen, der sich zwischen einem Ständeraufnahmehohlraum 205 und der Spaltproduktfalle erstreckt, während sich zwischen dem unteren Ende der Reinigungskanäle 207 (welche zwischen dem Brennstoffbehälter und einem Außenbehälter 209 von enger Passung und aus einem Moderatormaterial geringer Durchlässigkeit angeordnet sind) und einem Kanal 203 ein Querraum 206 erstreckt.

Ein Raum 211 oberhalb des Moderatorblockes 191 und unter dem Verschluß 201 steht mit Kanälen 213 in Verbindung, die sich zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter erstrecken und etwa in der Höhe der Spaltproduktfalle 193 enden. Der Behälter 209 besteht aus einer Hülse 215, einer unteren Endhalterung 216 und einem oberen Reflektorblock 217, die aneinander befestigt sind. Der obere Reflektorblock weist einen Kopf 219, einen Hals 221, ein Abstandselement 223 und einen mittigen Reinigungsmitteleintrittskanal 225 auf. Dieser Kanal 225 erstreckt sich vom unteren Ende 227 des Reflektorblocks bis in den oberen porösen Teil 229 desselben. Ein Abstandselement 231 unterhalb des Endes 227 des oberen Reflektorblockes und oberhalb des Verschlusses 201 steht mit den Reinigungskanälen 207 in Verbindung.

Das Kühlmittelreinigungsgas tritt daher in das Brennstoffelement 185 durch den Teil 229 ein und fließt durch den Kanal 225 nach unten in den Raum 231 und dann in die Kanäle 207 zwischen dem Brennstoffbehälter und dem Außenbehälter. Der Reinigungsstrom nimmt die Spaltprodukte in diesem Bereich nach unten zum Raum 206 mit, wo die Spaltprodukte zum Kanal 203 gelangen und aus dem Brennstoffelement durch einen entsprechenden Kanal 233 in einem Ständer 235 austreten, der im Hohlraum 205 angeordnet ist.

Spaltproduktgase fließen ferner durch Kanäle 213 nach unten zu der Spaltproduktfalle 193 und durch diese hindurch, so daß sie aus dem Brennstoffbehälter durch das untere Ende 237 der Spaltproduktfalle austreten und in den Kanal 203 zur Herausfimrung aus dem Brennstoffelement gelangen. Auf diese Weise wird eine wirksame doppelwandige Einschließung der Brennstoffkörper erzielt, wobei jedoch für eine wirksame Entfernung von Spaltprodukten aus dem Brennstoffelement Sorge getragen ist, welche durch den Brennstoffbehälter hindurch in die Kanäle 207 wandern, sowie für die Spaltprodukte, die nach unten durch die Spaltproduktfalle hindurchfließen.

Eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements' ist in der Fig. 4 dargestellt. Das in der Fig. 4 gezeigte Brennstoffelement 239 ist hinsichtlich der in den F i g. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen der meisten Bauteile, des Aufbaus und der Parameter ähnlich aufgebaut. Das Brennstoffelement 239 ist jedoch einwandig. Im besonderen weist das Brennstoffelement 239 einen Brennstoffbehälter 241 auf, der aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit besteht und eine ausreichend dicke Seitenwand 243 besitzt. Die Seitenwand 243 kann beispielsweise eine Dicke von etwa 9,525 mm oder annähernd so dick sein, wie die Wandstärken der beiden Behälter der vorangehend beschriebenen drei Ausführungsformen zusammen ausmachen. Der Brennstoffbehälter 241 ist am unteren Ende durch eine Stützkupplung 245 und am oberen Ende durch einen Verschluß 247 abgeschlossen, der einen porösen Stopfen 249 als Gaseinlaß enthält. Die Kupplung 245 weist einen Ständeraufnahmehohlraum 251 sowie einen Längskanal 253 auf, der mit diesem Hohlraum und mit dem unteren Ende 255 einer Spaltproduktfalle 257 in Verbindung steht. Es besteht keine Notwendigkeit für einen Querraum, wie beispielsweise der Raum 206 beim Brennstoffelement 127 nach der F i g. 3, da nur ein einziger Reinigungsstrom durch ίο das Brennstoffelement 239 hindurchtritt.

Innerhalb der Brermstoffschutzhülle 241 sind Brennstoffkörper 259 angeordnet, welche durch poröse Moderatorblöcke 261 und 263 von der unterhalb der Brennstoffkörper angeordneten Spaltproduktfalle 257 und von dem oberhalb der Brennstoffkörper angeordneten Verschluß 247 getrennt sind. Zwischen dem Verschluß 247 und dem Block 263 ist ein Raum 265 vorgesehen, der mit dem Stopfen 249 und mit zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter angeordneten Kanälen 267 in Verbindung steht. Die Kanäle 267 erstrecken sich nach unten zur Spaltproduktfalle 257. Am oberen Ende der Seitenwand 243 und an der Oberseite des Verschlusses 247 ist ©in oberer Reflektorblock 269 aus einem Moderatormaterial, beispielsweise durch Hartlötung, befestigt. Der obere Reflektorblock ist mit einem Kopf 271, einem Hals 273 und einem Abstandselement 275 versehen, welche den entsprechenden Teilen der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sind, und enthält ferner einen mittig angeordneten Reinigungsmitteleintrittskanal 277, der sich nach unten durch einen Boden 279 von geringer Durchlässigkeit des Blockes 269 zum Stopfen 249 erstreckt und an seinem oberen Ende in einem porösen Moderatorteil 281 des Blockes endet. Es ist daher ein wirksames Reinigungsstromsystem vorgesehen, bei welchem Kühlmittelreinigungsgas in das Brennstoffelement 239 durch den porösen Teil 281 eintritt, in den Kanal 277 gelangt und in diesem nach unten zu einem Stopfen 249 und durch diesen hindurch in einen Raum 265 fließt, in welchem es auf die Kanäle 267 verteilt wird.

In den Kanälen 267 fließt das Gas als Reinigungsstrom nach unten, wobei es Spaltprodukte zur Spaltproduktfalle 257 mitnimmt. Der Reinigungsstrom verläßt die Spaltproduktfalle an ihrer Unterseite 255 und tritt in den Kanal 253 ein, von dem aus er zu einem entsprechenden Kanal 283 eines Ständers 285 zur Wegführung aus dem Brennstoffelement geleitet wird. Hierbei ist zu erwähnen, daß die in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen sowie die Ausführungsform nach der F i g. 1 so ausgebildet werden können, daß sie mit Erfolg auch ohne eine innere Spaltproduktfalle betrieben werden können.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements zeigt die Fig. 5. Das in der Fig. 5 dargestellte Brennstoffelement 287 ist ähnlich den in den F i g. 1 bis 4 beschrdebenen Ausführungsformen aufgebaut. Das Brennstoffelement 287 weist jedoch einen geschlossenen Brennstoffbehälter auf, welcher alle Brennstoffkörper einschließt, d. h., es ist kein Gaseinlaß und -auslaß an ihm vorgesehen. Jeder der Brennstoffkörper weist ein sich in seiner Längsrichtung erstrekkendes Loch auf, so daß die einzelnen übereinandergestapelten Brennstoffkörper einen mittigen Längskanal bilden. Ferner weist das in der F i g. 5 darge-

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stellte Brennstoffelement 287 keine innere Spaltproduktfalle auf, obwohl, wenn gewünscht, eine solche vorgesehen werden kann.

Bei der in der F i g. 5 gezeigten Ausführungsform sind Brennstoffkörper 289 zwischen porösen Moderatorblöcken 291 und 293 innerhalb eines geschlossenen Brennstoffbehälters 295 aus einem Moderator von geringer Durchlässigkeit angeordnet. Die Brennstoffkörper sind jeweils im wesentlichen die gleichen wie bei den vorangehend besdhriebenen Ausführungsformen und weisen einen Ring 297 aus einem verdichteten Brennstoff- und Moderatorgemisch sowie einen Mittelkern 299 aus Moderatormaterial auf, wobei jedoch in diesem Falle der das Mittelloch 301 enthaltende Kern sich in Längsrichtung durch diesen erstreckt. Das Loch ist so bemessen, daß der Gesamthohlraumprozentsatz innerhalb des Brennstoffbehälters, einschließlich des Hohlraums im Graphit, vorzugsweise 25 % beträgt. Die Blöcke 291 und 293 sind ebenfalls mit mittigen, sich in Längsrichtung erstrekkenden Löchern 303 versehen, welche mit den Löchern 301 der Brennstoff körper ausgefluchtet sind, um Spaltprodukte innerhalb des Brennstoffbehälters zu einem unteren Teil desselben zur leichteren Zurückhaltung zu leiten, d. h., sie haben die Neigung zu kondensieren (z. B. Rubidium, Strontium, Technetium, Caesium und Barium).

Der Brennstoffbehälter 295 aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit weist eine ringförmige Seitenwand 305 auf, die um die Brennstoffkörper und Blöcke herum angeordnet ist; sie ist mit einem unteren Verschluß 307 sowie mit einem oberen Verschluß 309, z. B. durch Zirkonhartlösung, abgedichtet.

Die Toleranzen zwischen den Brennstoffkörpern und dem Brennstoffbehälter werden vorzugsweise ziemlich eng gehalten, so daß kein großer Spalt zwischen diesen Teilen vorhanden ist.

Der gefüllte und abgedichtete Brennstoffbehälter ist innerhalb eines Außenbehälters 311 von enger Passung angeordnet, der aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit hergestellt ist; Der Außenbehälter wird durch eine Hülse 313 gebildet, die an ihrem oberen Ende mit einem oberen Reflektorblock 315 z. B. verschraubt und an ihrem unteren Ende mit einer Stützkupplung 317 verbunden ist; diese Stützkuppklung weist einen oberen Teil 319 und ein unteres Endstück 321 auf, wobei letzteres z.B. aus korrosionsbeständigem Stahl besteht. Der Außenbehälter kann z. B. durch eine Zirkonschweißung abgedichtet werden.

Die Hülse 313, der obere Teil 319 der Stützkupplung und der untere Engteil 323 des oberen Reflektorblockes können aus einem Moderatormaterial von geringer Durchlässigkeit hergestellt werden, um mit dem Brennstoffbehälter eine doppelwandige Einschließung von geringer Durchlässigkeit zu bilden. Der obere Reflektorblock ist jedoch, mit Ausnahme seines unteren Endes 323, aus einem für das Kühlmittelgas porösen Graphit hergestellt und weist einen mittig angeordneten Reinigungsgas-Eintrittskanal 325 auf, der sich nach unten durch das untere Ende 323 in Verbindung mit einem Raum 327 zwischen dem oberen Verschluß und dem unteren Ende 323 erstreckt. Dieser Gas-Eintrittskanal ist so bemessen, daß eine Rückdiffusion von Spaltprodukten im wesentlichen ausgeschaltet ist. Der Raum 327 steht mit dem oberen Ende von Reinigungskanälen 329 in

Verbindung, die durch Längsnuten in der Außenwand des Brennstoffbehälters und/oder in der Innenwand des Außenbehälters vorgesehen sind. Kratzer bilden enge Kanäle, enge Nuten, welche die Reinigungskanäle 329 miteinander verbinden. Die Kanäle

329 stehen an ihrem unteren Ende mit einem Raum 331 zwischen dem unteren Verschluß 307 und dem Teil 319 der Stützkupplung in Verbindung. Hierbei ist zu erwähnen, daß der eine oder beide Räume 327

ίο und 331 gegebenenfalls durch geeignete Nuten in der Außenfläche der jeweiligen Verschlüsse und/oder des anschließenden Reflektors bzw. der anschließenden Stützkupplung ersetzt werden, sofern sie mit den Kanälen 329, mit dem Reinigungsgas-Eintrittskanal 325 und mit einem mittigen Längskanal 333 in Verbindung stehen, wobei der Kanal 333 sich nach unten durch die Stützkupplung zu einem Ständeraufnahmehohlraum 335 in dieser erstreckt. Der Kanal 333 ist so angeordnet, daß er sich mit einem ähnlichen Kanal 337 in einem Ständer 339 in Ausfluchtung befindet, auf dessen oberem Ende 340 das Brennstoffelement aufsitzt, wenn es in den Reaktorkern eingesetzt ist.

Kühlmittelreinigungsgas tritt in das Brennstoffelement 287 durch den oberen porösen Abschnitt des oberen Reflektors ein, fließt in den Reinigungsgas-Eintrittskanal 325 und durch diesen nach unten in den Raum 327, worauf es durch die Kanäle 329 und

330 in den Raum 333 fließt und dabei Spaltprodukte mitnimmt, die aus dem Brennstoffbehälter ausgetreten sind. Das Reinigungsgas tritt aus dem Brennstoffelement durch den Kanal 333 aus, welcher mit dem Kanal 337 im Ständer 339 in Verbindung steht, worauf es, wie vorangehend erläutert, zu äußeren Spaltproduktenfallen zur Entfernung von Spältprodukten vor der Rückführung zum primären Kühlkreislauf geleitet wird.

Auf diese Weise werden Spaltprodukte in gesteuerter Weise aus dem Brennstoffelement durch das Reinigungsgas wirksam entfernt.

Zwischen dem Außenbehälter und dem Brennstoffbehälter kann ein Edelschiebesitz oder eine Preßpassung bestehen; dadurch können diese Bauelemente gegenseitig die Druckbelastung aufnehmen, die sich in dem Brennstoffbehälter aufbaut, selbst wenn die Wanddicke des Brennstoffbehälters z. B. nur 6,35 mm und diejenige des Außenbehälters z.B. nur etwa 9,525 mm betragen kann. Die Druckbelastungen durch die Spaltproduktgase und das Kühlmittelgas kann bis zu 30 Atmosphären betragen.

Das obere Ende des oberen Reflektors 315 ist in Form eines Kopfes 341 ausgebildet, der jede gewünschte Größe haben kann, um das Einsetzen des Brennstoffelementes in seine Lage im Reaktorkern bzw. die Entnahme des Brennstoffelementes, z.B. durch nicht gezeigte ferngesteuerte Organe, zu erleichtern. Ferner kann ein enger Hals 343 im Bereich des Kopfes für das leichte Ansetzen einer nicht gezeigten Greifvorrichtung vorgesehen werden.

Für das Brennstoffelement 287 ist eine Schwalbenschwanzverriegelung 345 vorgesehen. Diese Verriegelung weist einen Graphitring 347 auf, der um den oberen Reflektor des Brennstoffelementes in einem Bereich 349 von verringertem Durchmesser benachbart dem Kopf und dem Hals angeordnet ist und durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Stifte 351, in seiner Lage gehalten wird.

Claims (4)

Der Außenbehälter des Brennstoffelementes ist, wie in der F i g. 5 gezeigt ist, an seiner Außenfläche mit einer Anzahl von Abstandskissen 359 aus einem geeigneten Material, wie Graphit, versehen, welche mit Bezug auf die Schwalbenschwanzverriegelung so bemessen ist, daß die Seitenbelastungen der Brennstoffelemente im Kern durch die Kissen aufgenommen werden und nicht durch die Schwalbenschwanzverriegelung, da die letztere in ihrer Konstruktion empfindlicher ist. Dadurch, daß die einzelnen Brennstoffelemente im Reaktorkern durch die verschiedenen Abstandselemente in Abstand voneinander gehalten werden, sind zwischen ihnen Zwischenräume für den Umlauf des Kühlmittels vorhanden. Die Spaltproduktgase, welche innerhalb des geschlossenen Brennstoffbehälters 295 während des Betriebs des Brennstoffelementes 287 bleiben, verursachen das allmähliche Aufbauen eines Druckes, der nach einem Reaktorbetrieb von 3 Jahren ungefähr 10 Atmosphären beträgt. Etwa die Hälfte der Spaltprodukte sind nicht flüchtig oder bilden stabile Karbide, weiche in den Brennstoffkörpern verbleiben. Wie erwähnt, sind einige Spaltprodukte, wie Rubidium, Strontium, Technetium, Caesium und Barium, bei den Temperaturen der heißeren Bereiche des Kernes flüchtig, wandern jedoch zum unteren Reflektor, wo sie kondensieren. Die Elemente Xenon und Krypton sind jedoch bei allen Temperaturen völlig flüchtig und tragen in wesentlichem Maße zum Druckaufbau in dem geschlossenen Brennstoffbehälter bei. Das Helium des primären Kreislaufs hat die Neigung, über einen langen Zeitraum durch den Brennstoffbehälter zu diffundieren und einen Gleichgewichtsdruck von 20 Atmosphären innerhalb des Brennstoffbehälters zu erreichen. Der Gesamtdruck im abgeschlossenen Brennstoffbehälter beträgt daher nach 3 Jahren Betriebsdauer etwa 30 Atmospären. Wie beschrieben, sind Hohlräume innerhalb des abgeschlossenen Brennstoffbehälters vorhanden, welche ein Volumen für eine gewisse Ansammlung von Spaltproduktgasen bilden. In diesem Zusammenhang sind Porenräume notwendigerweise innerhalb der Graphitelemente in dem Brennstoffbehälter vorhanden. Außerdem bilden die Löcher 301 in den mittigen Graphitkernen 299 einen zusätzlichen Hohlraum für die Ansammlung von Spaltprodukten sowie einen Weg für eine kovektive Schleife, welche Spaltprodukte zum unteren kühleren Reflektorbereich innerhalb des abgeschlossenen Brennstoffbehälters führen kann. Die Gase fließen hierbei im Spalt zwischen dem Umfang der gestapelten Brennstoffkörper und der Innenfläche des Brennstoffbehälters nach unten und dann durch die Mittellöcher 301 und 303 nach oben (konvektive Schleife). Da die absolute Temperatur im unteren Reflektor etwa ein Drittel der mittleren Brennstofftemperatur beträgt, ist das Hohlvolumen im unteren Teil des Brennstoffbehälters etwa dreimal so wirksam bei der Herabsetzung des Druckes innerhalb des Brennstoffbehälters v/ie das gleiche Volumen im aktiven Kernbereich des Brennstoffelementes. Da im Brennstoffelement angereicherter Brennstoff verwendet wird, kann der Reaktorkern verhältnismäßig klein gehalten werden. Der Kern kann in an- 5g gemessener Weise bei einem sehr befriedigenden Wärmeübergang gekühlt werden, wenn das gasförmige Kühlmittel, vorzugsweise Helium, mit einem mäßigen Druck von etwa 20 Atmosphären verwendet wird. Da ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffelement mit hohen Temperaturen von beispielsweise 1093° C oder höher beschrieben v/erden kann, geschieht der Wärmeübergang vom Brennstoffelement auf das umgebende gasförmige Kühlmittel in stark verbesserter Weise. Ein weiterer Vorteil des Betriebs bei hohen Temperaturen mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelement besteht darin, daß der Wignersche Energiespeichereffekt und die Wachstumsprobleme im Graphit vermieden werden können. Die Überwindung dieser Probleme ist dadurch möglich, daß bei den üblichen Betriebstemperaturen für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffelement die Strahlenwirkungen des Brennstoffes auf dem Graphit ständig aufgehoben werden. Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für gasgekühlte Kernreaktoren, mit einem Behälter aus Neutronen moderierendem Material von geringer Gasdurchlässigkeit, mit wenigstens einem in diesem Behälter untergebrachten Brennstoffkörper, der mit der Innenwand des Behälters einen Spaltprodukte-Sammelraum begrenzt, und mit einem mit diesem Sammelraum in Verbindung stehenden Gasauslaß am unteren Ende des Behälters (Brennstoffbehälters), dadurchgekennzeichnet, daß am oberen Ende des Brennstoffbehälters (55) ein Spülgaseinlaß (67) vorgesehen ist, daß auf der Umfangsoberfläche des in direktem Wärmekontakt mit dem Brennstoffbehälter (55) stehenden Brennstoffkörpers (53) und/oder auf der Innenwand des Brennstoff behälters (55) mehrere Aussparungen (81) zur Bildung von längs verlaufenden, vom oberen Spülgaseinlaß (67) zum unteren Gasauslaß (119) sich kontinuierlich erstreckende Kanäle (79) vorgesehen sind, und daß der Spaltprodukte-Sammelraum (77) über den Spülgaseinlaß und -auslaß an einen vom Hauptkühlkreis des Reaktors getrennten Spülgaskreislauf angeschlossen ist (s. Fig. 1).

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Außenbehälter (58, 165) den Brennstoffbehälter (55, 131), der dicht in dem Außenbehälter angeordnet ist, umschließt und daß auf der inneren Wand des Außenbehälters und/oder auf der äußeren Wand des Innenbehälters eine Vielzahl von Aussparungen (93,146) vorgesehen sind, die sich von einem mit dem Spülgaseinlaß (67, 155) in Verbindung stehenden Raum (91, 175) bis zu dem unteren Ende des Außenbehälters, wo sie mit dem Spülgasauslaß (119, 145) in Verbindung stehen, erstrecken (s. Fig. 1 und 4).

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektorblock (167) am oberen Ende des Behälters (165) fest angeordnet ist und daß dieser Reflektorblock einen porösen Teil (177) aufweist, der die Verbindung zwischen dem Äußeren des Brennstoffelementes und dem Spülgaseinlaß (155) ermöglicht (s. Fig. 4).

4. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spaltprodukte-Sammelraum (77)