DE1564010A1 - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

F.Weickmänn, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipi^Ing, H. Weickmann Dipl.-Phys. Dr.K. JFiNCKE Patentanwälte

8 MÜNCHEN 27, MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

GEHERAIi DYMMIOS CORPORATION OneRockefeller Plaza, New York, F. Y. USA

Brennelement für Kernreaktoren

Die vorliegende Erfindung bezieht aich auf Brennelemente für Kernreaktoren und inabesondere auf Brennelemente, welche sich für die Verwendung in gasgekühlten liochtemperatürkernreaktoren eignen.

In Kernreaktoren; welche bei hoher Energie betrieben werden und bei denen ein Kühlmittelatroiii zur Abführung der ilarrae von den in einem Reaktorkern ;j.nge ordne ton Brenneleme-nteri verwendet wird, iat es' wesentlich, einen wirksamen Werbeübergang vom Kernbrennmaberlal in den Brennelementen auf den Kühlmitteln brom üu realisieren. Die Brennelemente müssen

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aus diesem G-runde so hergestellt sein, daß ein Wärmeübergang vom Kernmaterial auf den Kühlmittelstrom vor sich gehen kann.

Bei Kernreaktoren dieser Art, welche in vielen-Fällen zur Erzeugung hoher Energie hergestellt werden, ist es wesentlich, daß die Betriebskosten des Heaktorsystems mit den Betriebskosten von anderen Systemen zurErzeugung hoher Energie vergleichbar sind. Ein wesentlicher Faktor für die Energiekosten sind die Ausgaben bei der Brennelementherstellung. Brennelemente sollen daher nicht nur einen wirksamen 7/ärmeübergang vom Kernbrennmaterial auf den Kühlmittelstrom aufweisen, sondern auoh relativ einfach und billig herzustellen sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement anzugeben, bei dem ein wirksamer Wärmeübergang vom Kernbrennmaterial auf den Kühlniittelstrom stattfindet und das einfach in seiner Herstellung ist. Das Brennelement soll sich insbesondere für die Verwendung' in gasgekühlten Hoohtemperaturreaktoren eignen und gute bauliche Festigkeit bei Betriebsbedingungen besitzen. Das Brennelement soll weiterhin insbesondere längliche Form besitzen, und einen iuihimitteljtrom in Achsrichtung ermöglichen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist'bei einem Brennelement der eingangs genannten Art vorgesehen, daß wenigstens ein Brennelement-Abschnitt Verwendung findet, der Brennkammern enthält, daß die Brennkammern mit Kernbrennmaterial in Form eines Gefüges aus Kernbrennpartikeln gefüllt sind und daß die Kernbrenn-, partikel mit einem Überzug aus dichtem Material versehen sind, das ein Austreten der im Kernbrennmaterial erzeugten Spaltprodukte während der Gesamtlebensdauer des Brennelementes verhindert.

,/eitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von AusfÜhrungs-; beispielen anhand der Figuren. Es.zeigt: .

Fig. 1 einen Aufriß eines Brennelements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein vergrößertes Teilsehnittbild des Brennelementes nach Fig. 1, wobei der Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 verläuft?

Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2; : -

Fig. 4 einen vergrößerten Teilscbnitt entlang der Linie 4-4 nach Fig.);

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Flg. 5 einen Teilschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. k; .'..--

Fig. 6 eine der in FIg.22 dargestellten entsprechenden Ansicht im Schnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 7» welche eine weitere Ausführungsform eines Brennelementes darstellt;

Fig. 7 ein Schnittbild entlang der Linie 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 ein der Flg. k entsprechendes Schnittbild des unteren Teils des Brennelementes nach Fig. 6» wobei der Schnitt entlang der Linie 8-8 in Fig. geführt ist;

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 In Fig. 8;

Fig.10 einen Teil-Yertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Brennelementes« welches dem in Fig. 1 dargestellten entspricht, wobei der Schnitt entlang der Linie 10-10 in Fi'g.ll geführt 1st;

Fig.11 einen Schnitt entlang der Linie 11-11 in Fig.10;

Fig.12 einen der Flg.11 entsprechenden Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform de» in den Flg. 10 und 11 dargestellten Brennelementes; und

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Fig.i3 einenden Fig.ll· und 12 entsprechenden Schnitt einer weiteren abgeänderten Ausführungsform des in den Fig.10 und 11 dargestellten Brennelementes . ·

Es hat sich gezeigt, daß ein Brennelement mit gμten Betriebseigenschaften wirtschaftlich hergestellt werden kann» indem ein dichtgepacktes Gefüge von mit einem Überzug versehenen Kernbrennpartikeln verwendet wird» dafl in Brennkammern von Körpern aus hitzebeständigem Material untergebracht ist. Da die Überzüge der einzelnen Kernbrennpartikeln die Spaltproduktgase aufnehmen, können die einzelnen Brennelemente und das Kernreaktorsystem ohne ein Spaltprodukt-Reinigungssystem hergestellt werden. Bei Verwendung eines dichtgepakcjten Gefüges eines derartigen Kernbrennmaterials ist es nicht erforderlich, die einzelnen Brennkammern so genau herzustellen, daß sie aufeinander passen; weiterhin wird das Kernbrennmaterial reduziert.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß derartige längliche Brennelemente einfach und wirtschaft aus einer Vielzahl von separaten längskörperabschnitten hergestellt werden können, welche zur Bildung eines zusammengesetzten Brennelementes leicht verbunden werden können. Derartige Brennelemente besitzen

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bei Hochtemperatur-Betriebsbedingungen eine ausgezeichnete bauliche Stabilität. Der beschriebene Aufbau macht die Verwendung von länglichen Brennelementen noch vorteilhafter, -während gleichzeitig eine teure Herstellung von langen einstückigen Körpern aus hitzebeständigem Material vermieden wird. Weiterhin kann bei Verwendung von getrennten Längskörperabschnitten die Beschickung mit Brennmaterial der einzelnen Längskörperabschnitte Mcht variiert werden» woraus sich die Vorteile ergeben» welche länglichen Brennelementen mit variierender Kernbrennmaterialbeschickung in Längszonen eigen sind.

In den Fig. 1 bis 5 ist ein Brennelement 21 für einen Kernreaktor dargestellt, das eine längliche Gestalt besitzt und in Richtung der Vertikalachse in den Kern eines Reaktors eingesetzt werden kann. Das Brennelement 21 ist zur Verwendung in einem Reaktor mit einem Kühlflüssigkeitsstrom bestimmt, wobei die Kühlflüssigkeit in Längsrichtung vom unteren zum oberen Teil des Brennelementes fließt. Aufgrund seiner Eigenschaften ist das Brennelement 21 jedoch auch zum Einbau in Brennelemente geeignet, welche zum Betrieb in Reaktoren mit anderen KUhlsystemen vorgesehen sind.

Das speziell dargestellte Brennelement 21 ist insbesondere zur Verwendung in gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktoren geeigneten, welche mit relativ hohen

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Leistungsdichten arbeiten« Obwohl das Brennelement 21 im folgenden im Zusammenhang mit einem gasgekühlten Reaktor beschrieben -wird, eignet es sich aber auch zur Verwendung in flüssigkeitsgekühlten Reaktoren.

Generell umfaßt das Brennelement einen oberen Reflektor 23β einen unteren Reflektor 25 und mehrere zwischen diesen Reflektoren liegende längliche Brennelementkörper-Abschnitte 27« Sowohl der obere Reflektor 23 als auch der untere Reflektor 25 bilden einen Teil des Gesamtreflektor des Kernreaktors und sind daher aus einem geeigneten baulich stabilen hitzebeständigen Material, wie beispielsweise Graphite hergestellt, das einen geringen Keutronen-Absorptionsquerschnitt und einen großem Streuquerschnitt besitzt» Die spezielle Gestalt des oberen und des unteren Reflektors werden generell voh! Reaktor bestimmt, intern si« zur Anwendung kommen_o Das dargestellte Brennelement 21 ist so ausgebildet, daß es durch eine Greifervorrichtung zum Manipulieren von Kernbrennmaterial in den Druckkessel eines Kernreaktors eingesetzt werden kann. Die Greifervorrichtung erfafit das Brennelement am oberen Reflektor 23 und am unteren Refelktor 25· Zu diesem Zweck besitzt der obere Reflektor 23 einen Angriffskopf 29 und der untere Reflektor 25 eine Querschnittsverengung 3^j diese Teile stellen die Angriffsflächen der Greiferanordnung dar.

Das Brennelement 21 wird sowohl innen als auch außen durch den flüssigen Kühlstrom gekühlt, welcher in Achsrichtung nach oben an ihm vorbeifließt,wenn es im Reaktorkern eingesetzt ist. Zu diesem Zweck sind im unteren Reflektor 25 ein Kühlfcitteleinlaß 33 im oberen Reflektor 23 ein Kühlmittelauslaß 35 und in den dazwischenliegenden Käperabschnitten 27 verbindende Kühlmitteldurchlässe 37 vorgesehen.

Der obere Reflektor 23, welcher aus einem zylindrischen Stück aus Reaktorgraphit hergestellt werden kann, weist ein abgesetztes unteres Ende auf. Dieses besitzt einen mittleren, mit Gewinde versehenen Teil 39, welcher äußere Schrauben trägt und einen Endteil *+l mit glatter Wandung und kreisförmigen Querschnitt geringeren Durchmessers als der des mit Gewinde versehenen Teils 39· Der Kühlmittelauslaß 35 umfaßt sechs Löcher ^3· welche von der Außenfläche des oberen Reflektors 23 schräg abwärts nach innen gebohrt sind. Unterhalb der unteren-Enden dieser Löcher ^3 ist eine zylindrische obere Füllkammer ^f5 vorgesehen.

Zur Aufrechterhaltung des gewünschten Abstandes zwischen benachbarten Brennelementen 21 im Kernreaktor^ kann am oberen Reflektor 23 ein Abstandsring 1+7 vorgesehen werden. Falls gewünscht, können zusätzliche nichtdargestellte Abstandsringe in vorgegebenen Verti-

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kaiabständen auf den Körperabschnitten 2? vorgesehen werden. Der Abs tandsr ing h? kann derart entstehen, daß der obere Reflektor 23aus einem Graphitstück hergestellt wird, das den gewünschten Durchmesser für den Abstandsring besitzt. Der Abstandsring k7 kann jedoch auch durch anderegeeignete Verfahren hergestellt werden, indem beispiels-weise durch Aufbringen von grünem Graphit ein vergrößerter Bereich geschaffen wird, der sodann angesintert wird.

Der das Gewicht des Brennelements 21 tragende untere Reflektor 25 sitzt auf einer unteren Gitterplatte im Reaktorkern auf, wodurch die relative räumliche Anordnung des Brennelementes im Reaktorkern festgelegt wird. Zu diesem Zweck besitzt der untere Reflektor 25 an seinem unteren Ende ein äußeres Gehäuse !+9· welches einen nicht dargestellten, sich von der unteren Gitterplatte nach oben erstreckenden Stift aufnimmt. Der Kühlmitteleinlaß 33 besteht aus sechs Einlaßlöchern 51 am Umfang des unteren Reflektors 25, welche von der Außenfläche schräg aufwärts nach innen weisen. Der abgesetzte Teil 31 des unteren Reflektors 25 bildet eine Schulter 53 unterhalb derer die Löcher 51 unmittelbar beginnen. Die Anordnung der Löcher 51 untbr der Schulter 53 gewährleistet günstige Strömungsbedirg ungen für das Kühlmittel in Achsrichtung nach oben in das Brennelement An ihren oberen Enden münden die Kühlmitteleinlaßlöcher 51 in eine untere Füllkammer 55« welche teilweise

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durch die Innenwand einer zentralen Bohrung 57 im unteren Reflektor 25 gebildet wird.

Die Brennelementkörper-Abschnitte 27 besitzen die Form einer Hülse mit kreisförmigem Querschnitt und einer konzentrischen inneren Bohrung 59« welche sich vollkommen durch sie erstreckt. Die Körperabschnitte 27 enthalten eine Brennkammer in die Kernbrennmaterial 6l vorzugsweise in Form eines dichten Gefüges von mit einem Überzug versehenen Kernbrennpartikeln eingebracht wird. Jeder der Körperabschnitte 2? besitzt eine getrennte Brennzone» da im dargestellten Ausführungsbeispiel keine Verbindung zwischen den Brennkammern in benachbarten Körperabschnitten besteht.

Das dargestellte Brennelement 21 besfcitzt fünf getrennte mittlere Körperabschnitte 27 von gleicher Länge. Das Brennelement 21 besitzt jedoch sechs in Längsrichtung voneinander getrennte Brennzonen. Statt eines zusätzlichen mittleren Körperabschnittes 27 ist beim dargestellten AusfUhrungsbeispiel eine einstückig mit dem unteren Reflektor 25 verbundene Brennkammer an dessen oberem Ende vorgesehen. Falls gewünscht, kann die untere Brennzone jedoch auch getrennt vom unteren Reflektor 25 ausgebildet sein.

Die Brennelementkörper-Abschnitte 27 bestehen aus einem

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geeigneten hitzebeständigem Material mit baulicher Festigkeit bei hohen Temperaturen mit hohem Durchstrahlungswert und mit einem geringen Neutronen-Absorptionsquerschnitt. Als Material kommt vorzugsweise Graphit in Frage, das zusätzlich.noch gute Neutrqnenbremselgenschaften besitzt und daher einen Teil des gesamten Moderators im Reaktorkern bildet. Die mittleren Körperabschnitte 27 sind mit ihren Enden zusammengeschraubte so daß sie koaxial zueinander ausgerichtet sind; sie bilden die bauliche Stütze des Brennelement 21 zwischen dem unteren Reflektor 25 und dem oberen Reflektor 23. . :

Zum Zwecke der Verbindung von benachbarten Korperabschnitten 27 besitzen diese an ihrem unteren Ende ein außen mit Gewinde .versehenes Teil 63 geringeren Durehmessers als ihr übriger Außendurchmessero Um sicher zu sein« daß die feststehendenTeile an den Verbindungsstellen stabil und richtig zueinander ausgerichtet sind, ist eine zweite Berührungsfläche 65 parallel sur Scnraubenfläehe 63 vorgesehen. Das untere Ende der zentralen Bohrung 59 der Körperabschnitte 27 ist aufgebohrt, so daS eine glatte Berührungswand 65 mit wenig größerem !Durchmesser als der Innendurchmesser der zentralen Bohrung gebildet wird.

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Das obere Ende der mittleren Körperabschnitte 27 ist in den unteren Teil des angrenzenden Abschnitts eingepaßt. Zu diesem Zweck ist am oberen Ende der Körperabsehnitte 27 ein ringförmiger Bereich ausgeschnitten, der nach oben durch eine Horizontalfläche begrenzt wird dieser ringförmige Bereich nimmt das mit Gewinde versehene Ende 63 des angrenzenden oberen Körperabschnitts 27 auf. Der ringförmige Bereich besitzt daher eine mit Gewinde versehene zylindrische Außenfläche 67 und eine glatte Innenfläche' 69· Werden angrenzende Körperabschnitte 27 miteinander verschraubt, so greift das mit Gewinde versehene Ende 63 in das Gewindejder Fläche 67 ein, so daß eine Bdichte Schraubverbindung geschaffen wird· Darüber hinaus kann die Verbindung noch verkittet werden. Gleichzeitig bildet die platte Fläche 69 eine Gleitverbindung mit der Fläche 65 der Aufbohrung. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, besitzt der obere Teil des unteren Reflektors 25« welcher als Brennkammer dient, die gleiche Form wie der obere Teil eines der Körperabschnitte 27·

In den konzentrischen zentralen Bohrungen 59 der zusammengeschraubten mittleren Körperabschnitte 27 ist ein zentraler Stab 71 aus Bremsmaterial, wie beispielsweise Graphit, angeordnet, welcher einen wesentlichen Teil des Moderators des Brennelementes 21 bildet.

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Der Stab 71 führt das Kühlgas an der inneren Zylinderfläche der zentralen Bohrung nach oben an der es die im Kernbrennmater-ial 6l erzeugte Wärme aufnimmt. Um das Kühlmittel gleichmäßig über die gesamte innere zylindrische Fläche der Bohrung 59 zu führen» besitzt er den Querschnitt eines regulären Polygons. Bei der dargestellten Ausführungsform des Brennelementes 21 besitzt der Stab 71 wie aus Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, den Querschnitt eines regulären Quadrats mit abgerundeten Ecken. Diese Gestalt des Stabeis gewährleistet näherungsweise einen gleichmäßigen Fluß des nach oben strömenden Kühlgases in jedem Sektor, d.h. zwischen einer flachen vertikalen Fläche des Stabes und der Innenfläche der zentralen Bohrung 59 · Darüber hiraus sind für den Stab 71 keine Eentrier-• mittel erforderlich, da zwischen seinen ebenen Flächen und der angrenzenden Wand der zentralen Bohrung 59 Räume etwa gleichen Volumens geschaffen werden. Diese Räume bilden den Kiihlmitteldurchlaß 37, in dem das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlaß 33 zum Kühlmittelauslaß 35 fließt. Durch Wahl der Zä£ der Polygonseitenflächen kann die Gesamtquerschnittsfläche der Sektoren festgelegt werden, woraus eine Regulierung der Kühlmittelmenge resultiert. '

Bei dem dargestellten Brennelement 21 bildet der Stab 71 in»sofern kein bauliches TeIl₄ da er außer

seinem Eigengewicht keine Last zu tragen hat. Er kann daher aus einem einzigen Graphitstück oder aus mehreren Stücken leicht hergestellt werden. Darüber hinaus sind, da der Stab 71 sich selbst zentriert« keine Hilfsjustier-VOrrichtungen erforderlich5 der Stab kann daher mit seiner Bodenfläche aufgrund der Schwerkraft auf der horizontalen Fläche am Boden der zentralen Bohrung 57 im unteren Reflektor 25 aufliegen. Der untere Teil des Stabes 71 ist im Durehmesser reduziert, so daß durch ein abgesetztes Stück 63 mit kreisförmigen Querschnitt die untere Füllkammer 55 im ringförmigen Raum zwischen der Außenfläche des Stücks 73 und der Innenfläche der zentralen Bohrung 57 gebildet wird. Die Füllkammer 55 stellt sicher, daß das durch die Löcher 51 eintretende Kühlmittel in jedem der dem Kühlmitteldurchlaß 37 . bildenden Sektoren den gleichen Durck aufweist.

Die verschiedenen Brennzonen des dargestellten Brennelements 21 besitzen Brennkammern unterschiedlicher Form. Die beiden unteren Brennzonen besitzen, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, ringförmige Brennkammern 75% während die oberen vier Brennzonen Brennkammern 77 in Form von Löchern besitzen. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, weisen die oberen vier Körperabschnitte 27 eine Vielzahl von Brennlöchern 77 auf, welche gleichen Abstand besitzen und deren Mittelpunkte auf einem Kreis

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vorgegebenen Durchmessers liegen,»

Wie oben ausgeführt» wird bei Ausbildung des Brenn -. elementes 21 mit mehreren getrennten Körperabschnitten 27 eine Variation 1 in der Beschickung mit Kernbrennmaterial in verschiedenen Längsbereichen des Brennelementes erleichtert. Das in Verbindung mit einem in Achsrichtung nach oben gerichteten Kühlmittelstrom zu verwendende Brennelement 21 wird in der untersten Brennzone am stärksten mit Brennmaterial beschickt. Da eine ringförmige Brennkammer ein größeres Volumen als ein vergleichbarer Satz von· Löchern aufweist* ist in

den unteren Zonen eine ringförmige Kammer 75 vorgesehen, "während in den oberen Brennzonen eine Vielzahl von Brennlöchern 77 angeordnet. Durch dieseAnordnung kann die Beschickung der Brennzonen leicht variiert "werden. Da die entsprechenden 7olumina der Brennkammern unterschiedlich ist» kann, falls erwünschte in einer speziellen Brennzone ein einziger lyp von nuklearem Brennmaterial 61 verwendet werden. Diese Anordnung zur Varl.ierung der Dichte oder der Zusammensetzung des Kernbrennmaterial ist aus mehreren Gründen» wie beispielsweise dor Wirtschaftlichkeit der Fabrikation vateilhaft.

Das Volumen der ringförmigen Brennkammern 75 kann durch Variier ung- der Ring stärke leicht reguliert werden,=

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Das Volumen der Brennkammern in den oberen Brennzonen kann durch Variierung der Durchmesser der Brennlöcher 77 leicht geändert werden. Die auf Ausführung der Brennzonen des speziell dargestellten Brennelementes 21 mit einer Vielzahl von Brennlöchern der oberen vier Zonen über ringförmigen Brennkammern der unteren zwei Zonen ist nicht zwingend. So kann beispielsweise auch ein einziges Brennelement Brennkammern gleicher Gestalt wie die ringförmigen Brennkammern 75 bilden.

Wie oben ausgeführt» besteht das Kernbrennmaterial vorzugsweise aus einem dichten Gefüge von mit Überzügen versehenen Kernbrennpartikeln. Die Form der Partikel ist dabei an sich beliebig; besonders geeignet sind jedoch Kernbrennpartikel mit Durchmessern im Bereich von etwa 2^0 /U bis 1000 yU. einschließlich des Überzuges. Als Kernbrennmaterial kommt ein geeigneter spaltbarer Stoff wie beispeilsweise Uran, Plutonium» oder Torium» in Frage. Die Überzüge sollen während der in Betracht gezogenen Lebensdauer, d.h. gewöhnlich für eine Periode von mehreren Jahren ihre Beschaffenheit behalten und die gasförmigen Spaltprodukte in ihrem Innneren gut speichern. Sie sollen so beschaffen sein, daß die Freigabe von Spaltproduktgasen etwa 10 ~^ der Gesamtmenge der während der Lebensdauer des Brennelementes erzeugten Edelgase nicht übersteigt.

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Für die Überzüge kommen alle geeigneten Materialien in Frage, welche die geanannten Bedingungen erfüllen. Beispiele solcher Materialien für Brennelemente mit Graphitmoderatoren sind pyrolitscher Kohlenstoff und Siliciumcarbid. Ein. Beispiel für mit überzügen versehne Brennpartikel - welche im folgenden als Triplexpartikel bezeichnet werden - sind in der US-Patentanmeldung Ser.No. 32¹+ 176 beschrieben. In dieser Patentanmeldung beschriebene Brennpartikel bestehen aus einem Kern einer Mischung von Urandicarbid und Torluödicarbid, einem inneren Überzug aus pyrolitischem Kohlenstoff von etwa 5 bis 50 /U Dicke, einem Zwischenüberzug aus dichtem, thermisch leitendem, flächigen pyrolytisehen Kohlenstoff von etwa 10 bis 80 /U Dicke sowie einem ausgeprägten und dicht kontinuierlichem .äußeren Überzug aus dichten thermisch leitenden stängligen pyrolytischen Kohlenstoff von etwa 10 bis 80 /U Dicke.

Die mittleren Brennelementkörper-Abschnitte 27 werden getrennt mit Kernbrennmaterial 6l gefüllt. Darauf werden sie unter Bildung des Brennelementes zusammengesetzt. Die gewünschte Menge an Kernbrennmaterial 6l wird beispielsweise mittels eines Vibrationsverdichters in die Brennkammern eingefüllt. Um sicherzustellen", daß kein Verlust an Kernbrennmateri.al zwischen Einfüllen und Zusammenbau entsteht, werden auf der Oberseite

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des Kernbrennmaterial 6l Kolben 79 eingesetzt. Diese Kolben sind in den oberen Teil der Brennkammern eingesetzt und nehmen praktisch den gesamten freien Raum oberhalb des Brennmaterials 61 ein.

Die Kolben 79 sind für die Brennlöcher 77 zylindrisch und für die ringförmigen Brennkammern 75 ringförmig ausgebildet. Sie bestehen vorzugsweise aus nicht-wärmebeständigem Material, wie beispielsweise Polystyren, das carbonisiert und verdampft wird, wenn das Brennelement 21 auf Reaktortemperatur gebracht wird. Durch Umsetzung der Kolben 79 "wird im oberen Bereich der Brennkammern ein freier Raum geschaffen, welcher die differenzielle relative Expansion oder Kontraktion zwischen den mittleren Körperabschnitten 27 und dem Kernbrennmaterial 6l aufnehmen kann. Die Kolben 79 dienen also zwei Zwecken: 1.) Erleichtern sie die Herstellung und den Zusammenbau des Brennelementes 21 und 2.) schaffen sie aufgrund ihrer Zersetzung einen freien Raum zur Aufnahme der Expansion des Brennmaterials.

Da immer die Gefahr besteht« daß das Brennelement beim Einfüllen oder Herausnehmen des Brennmaterials falsch behandelt wird oder daß das Brennelement im Kernreaktor brechen kann, ist es erforderlich, das dichte Gefüge des Kernbrennmaterials zusätzlich zu behandeln, um die Möglichkeit auszuschließen, daß Kernbrennpartikel in

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den im Reaktorkreis zirkulierenden Gasstrom gelangen können. Falls eine Sicherung gegen derartige Fehler in den Brennelementen selbst und nicht irgendwo anders im Reaktor vorgenommen werden soll» können die Kernbrennpartikel im dichten Gefüge in geeigneter Weise aneinander gebunden werden«. Dies kann beispielsweise mit Stbinkohlenpech oder einem anderen Kohlenstoffharz geschehen, das mit den Kernpartikeln feemischt wird, wenn diese in die Brennkammern eingefüllt werden. Nach der· Fertigstellung eines Körperabschnitts 27 kann dieser einfach auf eine genügend hohe Temperatur aufgeh^zt ■werden» um das Pech zu carbonisieren» so daß es die Partikel aneinanderbindet« Die überzogenen Kernbrennpartikel können jedoch auch vor Einfüllen in die Brennkammern mit einem geeigneten Binder besprüht werden_Q welcher darauf durch Waärme aktiviert -wird.

Zusätzlich zu seiner einfachen und wirtschaftlichen Herstellung bietet das Brennelement gemäß der Erfindung den weiteren Vorteil, daß ein Brennvorgang mit einem hohen Grad an struktureller Einheitlichkeit durch Verminderung von Temperaturgradienten im strukturellen Graphitmaterial, d.h. also durch eine Verminderung von Kontraktionsgradienten im Graphit infolge von schneller Neutronanzerstörung möglich ist. Eine ^nalyse der Kontraktionsdaten von

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Graphit zeigt, daß dieser Effekt reduziert werden kann, indem die mittlere Temperatur des Graphitstrukturkörpers reduziert und die Temperaturdifferenzen im mit Brennmaterial versehenen Graphitkörper bei Betrieb auf ein Minimum herabgedrückt werden. "Der Aufbau des Brennelementes 21 einer Vielzahl von getrennten Längsbrennzonen erleichtert die Verminderung der Temperaturunterschiede im strukturellen Graphit, da die Brennkammern mit unterschiedlichen Volumina eine Beschickung mit unterschiedlichen Brennmaterialmengen erleichtern. Obwohl die Temperatur des Kühlmittels auf seinem Weg in Längsrichtung nach oben durch das Brennelement 21 erhöht wird, ergibt sich daher dennoch eine gleichförmigere Temperaturverteilung im strukturellen Graphit des Brennelements«

Eine abgewandelte Ausführungsform des in den Fig. 1-5 dargestellten Brennelementes zeigen die Fig. 6 bis 9· In diesen Figuren ist ein Brennelement 91 dargestellt, daß dem oben beschriebenen Brennelement 21 in mehreren Aspekten gleichartig ist. Das Brennelement 8l besitzt einen oberen Reflektor 93 und einen unteren Reflektor 95, welche in ihrer Gestalt den oben beschriebenen Reflektoren vergleichbar sind. Zwischen dem oberen Reflektor 93 und dem unteren Reflektor 95 sind eine Vielzahl von mittleren Brennelement-Körperabschnitten 97 angeordnet. Die mittleren Körperabschnitte 97 tragen in baulicher Hinsicht nicht zur \ifnahme der Gesamtlast

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des Brennelementes 91 bei, wie dies die Körperabschnitte ■27 des Brennelementes 21 tun. Beim Brennelement 91 dient ein zwischen dem unteren Reflektor 95 und dem oberen Reflektor 93 angeordneter zentraler Stab 99 als baulicher Träger. Zur Herstellung der Komponenten des Brennelementes 91 können die gleichen hitzebeständigen Materialien mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit Verwendung finden, wie sie anhand der Komponenten des Brennelementes 21 beschrieben wurden.

Da der zentrale Stab 99 im wesentlichen als baulicher Träger dient und vorzugsweise einen wesentlichen Teil des Gesamtmoderators des Brennelementbs 91 bildet» besteht er aus einem Material, wie beispielsweise Graphit, das sowohl bauliche Festigkeit als auch gute Bremseigenschaften bei den in Betracht zu ziehenden Betriebsbedingung des Reaktors besitzt. Der zentrale Stab 99 kann aus einem einzigen Graphitstück oder aus mehreren Graphitteilen hergestellt werden, welche in geeigneter Wiese z.B. durch Verschraubung in Achsrichtung miteinander verbunden werden.

Wie aus den Fig. 7 und 9 zu ersehen is.t, besitzt der zentrale Stab 99 einen Querschnitt in Form eines regulären Polygons, daß bei der dargestellten Ausführungsform aus einem regulären Sechseck' mit wenig abgerundeten Ecken besteht« Die Körperabschnitte 97 besitzer/ebenso

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wie die des oben beschriebenen Brennelemöntes die Gestalt van Hülsen mit einer inneren Bohrung 105. welche konzentrisch zur äußeren Zylinderfläche der Hülsen verläuft. Der zentrale Stift 99 ist den Abmessungen der inneren Bohrung 105 angepaßt, so daß die mittleren Körperabschnitte 97 sich um diesen Stab selbst zentrieren.

Der zentrale Stab 99 besitzt ein mit Gewinde versehenes oberes Ende 101, das in ein in der Unterseite des oberen Reflektors 93 vorgesehenes Schraubenloch eingeschraubt werden kann. Weiterhin besitzt der Stab 99 ein mit Gewinde versehenes unteres 3nde 103» das in ein entsprechendes Schraubenloch im unteren Reflektor 95 eingeschraubt werden kann. Die Länge des Stabes 99 ist so gewählt, daß zwischen der oberen Fläche des höchsten mittleren Körperabschnittes 97 und der dieser gegenüberliegenden Fläche des oberen Reflektors 93 ein Spalt gebildet wird. Dieser Spalt ist aus Ausdehnungsund Kontraktionsgründen vorhanden.

Die Form des Kühlmittelstroms im Inneren des Brennelementes 91 entspricht generell der des Brennelementes 21. Das nach oben strömende Kühlmittel tritt durch mehrere schräg nach oben verlaufende Kühlmittel-Einlaßlöcher 107 In das Brennelement ein. Diese Löcher beginnen unmittelbar unter einer Schulter 109

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an der Außenfläche des unteren Reflektors 95. Sie ver-= laufen nach oben in eine im unteren Reflektor 95 vorgesehene zentrale Bohrung 111. Die sechs eektorartigen Räume zwischen den vertikalen Kaiitenflächen des Stabes 99 und der inneren Zylinderwandung der Bohrung 105 bilden einen Kühlmitteldurchlaß 113 in Aufwärtsrichtung durch die Brennzonen des Brennelementes 91· Nahe dem oberen Ende des Brennelementes tritt das nach oben fließende Kühlmittel in eine innere Bohrung 115 im oberen Reflektor 93 ein, deren Durchmesser wenig größer als die innere Bohrung 105 ist. Aus dieser Bohrung 115 tritt das Kühlmittel durch mehrere Kühlioittel-Auslaßlöcher 117 aus, welche schräg nach außen im oberen Reflektor verlaufene ·

Die Kernbrennmaterialfüllung des Brennelementes 91 entspricht der des Brennelementes 21. Das Brenelemsnt 91 besitzt sechs getrennte Längsbrennzonen, welche jeweils in einem der sechs mittleren Körperabschnitte 97 angeordnet sind. Bas vorzugsweise in einem dichten Gefüge von mit Überzügen versehenen Kernbrennpartikeln vorliegende Keriibrennmaterial 119 ist in den vier oberen Brennzonen in Brennkammern eingebracht, welche aus einer Yielzahl von Brennlöchern 121 bestehen, wie aus Pig. 7 zu ersehen ist, In den beiden unteren Körperabschnitten 97 sind, wie beim Brennelement 21,

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ringförmige Brennkammern 123 vorgesehen. Beispielsweise aus Graphit bestehende Kolben 125 schließen die offenen obe-ren Enden der Brennkammern. Die Kolben sind lüit einem dünnen Überzug aus Steinkohlenpech oder einem anderen Kohlenstoffharz überzogen. Das Steinkohlenpech bzw. das andere Kohlenstoffharz, das bei Aufheizen des Brennelementes carboniert wird, dient als Binder für lie Kolben an den Brennkammerwünden.

Beim Brennelement 91 sind die mittleren Körperabschuitte 97 in Achsrichtung relativ zum zentralen Stab 99 beweglich. Jüine derartige Anordnung erleichtert eine relative Bewegung dieser Komponenten gegeneinander, die beim Betrieb des üeaktors infolge von Sdifferenzieller Ausdehnung oder Kontraktion auftreten kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungen zwischen den benachbarten mittleren Körperabschnitten 97 sowie zwischen den entsprechenden Körperabscliuitten und dem oberen Reflektor 93 und dem unteren Reflektor 95 gleitende Verbindungen. Wie aus den Fig. 6 und ö au ersehen ist, besitzen die mittleren Körperabschnitte 97 an ihren oberen Enden röhrenförmige Ringe 127. Der obere Reflektor 95 und die oberen fünf Körperabschnitte 97 besitzen an ihrem unteren Ende einen abgesetzten Ieil 129. Die röhrenförmigen Ringe 127und die abgesetzten Teile 129 sind so ausgebildet, dai3 die äußere Zylinder fläche der abgesetzten OCeile in die

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Innenflüche der röhrenförmigen Hinge 127 eingepaßt ist. Der untere Körperabschnitt 97 weist einen nach unten verlaufenden -RiHg 1^1 auf, in dem ein oberen abgesetzter Teil 131 ties unteren Reflektors 95 eingepaßt ist. . ' - -

Die Verbindung zwischen benachbarten Körperabschnitten 97 kann, abgesehen von der beschriebenen Art, auch ,noch auf andere Weise vorgenommen werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, benachbarte Körperabschnitte 97 baulich miteinander zu verbinden. Zu diesem Zweck können die röhrenförmigen Ringe 127 und die abgesetzten Seile 129- mit Gewinde versehen werden« Anstelle der Lagerung der Körperabschnitte auf dem untersten .Körperabschnitt kann as auch vorteilhaft sein, die einzelnen Körperabschnitte 97 in Vertikalrichtung aneinanderzuiiängen. In diesem Fall kann der röhrenförmige Ring 127 des oberen Körperabschnittes 97 mit dem Oberen Reflektor · 93- verschraubt werden} dabei ist die Verbindung zwischen dem sich nach unten erstreckenden Ring 13.-1 und dem abgesetzten Teil 133 des unteren Reflektors 95 eine Gleitverbindung. Bei dieser Verbindung wird zwischen dem unteren KÖrperabaohnitt 97 und dem unteren Reflektor 95 ein Spalt gebildet, welcher veränderliche Kontraktiöns- und/oder Expansionsvorgänge aufnimmt.

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Ersichtlich treten bei dem im Vorstehenden beschriebenen Brennelemente 91 verschiedene Vorteile des oben beschriebenen Brennelementes 21 ebenso auf»

'Eine weitere Ausführungsform, eines Brennelementes gemäß der Erfindung ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Dieses Brennelement 141 besitzt einen oberen Reflektor 143> einen unteren reflektor 145 und mehrere, in Achsrichtung zueinander ausgerichtete, mittlere Brennelementkörper-Abschnitte 147. Die Reflektoren 143 und 145 können aus dem gleichen Material bestehen, und die gleiche äußere Gestalt besitzen, wie die entsprechenden Reflektoren des oben beschriebenen Brennelementes 21.

Die mittleren IvÖrperabschnitte 147 besitzen generell die G-esalt eines massiven Zylinders bzw. eines massiven Stabes aus hitzebestündigem Material mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit} in diesen Zylindern sind mehreresich in Längsrichtung durch sie erstreckende parallele Löcher vorgesehen,, Bei der dargestellten Au α führung s form sind die Körperabschnitte 147 miteinander sowie mit dem oberen Reflektor 143 und dem unteren Refelektor 145 verschraubt, so daß jeder Körperabschnitt einen baulichen Träger des Brennelementes 141 darstellt.

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Wie aus j?ig.. 10 zu ersehen ist, besitzt jeder Körperabüchnitt 147 ein nach unten weisendes Endstück 149. Entsprechend ist abgesehen vom obersten KÖrper- - abschnitt an jedem oberen Ende der Körperabschnitte 147 ein mit G-ewinde versehenes Loch 151 vorgesehen. Der untere Reflektor- 145 besitzt ein entsprechend geformtes, .' mit G-ev/inde versehenes Loch 153, durch das der untere Reflektor mit. dem unteren Körperabschnitt 147 verbunden ist. I>er obere Kölner ab schnitt 147 besitzt ein mit Q-ev/inde versehenes oberes Ende 155» dao den iiiit jewinüe ve'rsei:erieii oberen Endstücken 149 entspricht. Das obere Ende 155 sitzt in einem mit Gewinde versehenen Loch 157 cn der Unterseite.des oberen Reflektors 143. -Uas jre mel'-:;aoiit 141 umfaßt uvoh'j- jetrerir.te· vd t^J;~ Γ':::⁽.: L'örptrabschnitte 147, welche zwiachexi deüi oberen Koflektor 1.4 > und deia unteren Refloktor 145 getrennte Lüngsbrennzonen bilden.

'Die-in -Uli ^sric^tun^ durch die iörperab schnitte 147 verlauf enden Löciier dienen entweder als Brennakmmer- : oder KüIilmitteldurchläBse, Y/ie aus Fig. 11 zu er-Behen ist, enthält das Brennelement 141 einen äußeren Ring von zwölf Brennkammern 159 mit kreisförmigem Querschnitt und einen inneren Ring von sechs Brennkammern 161, deren Durchmesser wenig, kleiner als die Durchmesser der Brennkainmern 159 sind. Zusätzlicii entiial-. ten die iCÖrperabsohnitte 147 eine zentrale Kühlmittel-.

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bohrung 163 und eine Vielzahl von Kühlmi-jtelbohrungen 165 geringeren Durohmessers, welche in-einem Hing zwischen dem Ring der äußeren Brennkammern 149 und dem Hing der iixiieren Brennkammern 161 angeordnet sind. Die Zahl der Brennkammern in inneren und äußeren Brennkarniaerring kann größer oder kleiner als die Zahl der in Figo 11 dargestellten Brennkammern sein.

Bei zusammengebautem Brennelement 141 sind die mittleren Körperabschnitte 147 so angeordnet, daß die entsprechenden Kühlmittelbohrungen 165 (und daher die entsprechenden Brennkammern 159 und 161) in Achsrichtung zueinander ausgerichtet sind, die Kühlmittelbahrungen 165 bilden Jäher einen zu säumen: längend en Durchlaß i'ür das Kühlmittel vom unteren Reflektor 145 zum oberen Reflektor 143. Im unteren Heflektor 145 ist eine Vielzahl von ivühlmittel-Einlaßlöchern 167 vorgesehen, welche an der Außenseite unmittelbar unter einer Schulter 169 beginnen und schräg aufwärts nach innen verlaufen. An ihren oberen .enden münden sie in eine untere Füllkammer 171, welche un-

en mittelbar unter dem mit 3-ewinde versehen/Loch 153

aus dem unteren Heflektor 145 ausgeschnitten ist«

Die zentrale Kühlmittelbohrung. 163 und die Kühlmittelbohrungen 165 stehen mit ihren unteren Enden mit der Füllkammer 171 in Verbindung, so daß das Einströmen des Kühlmittels, wie in Fig. 10 durch Pfeile dargestellt,

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nach oben durch diese Bohrungen fließt. Im oberen ■Reflektor 143 ist eine obere Füllkammer 173 vorgesehen. Der obere Reflektor 143 besitat die notwendigen Durchlässe, um die Füllkammer 173 mit der zentralen Ivü-hlmittelbohrung 163 und den Kuhlmitteibohrungen 165 zu verbinden. Im oberen Reflektor 143 xiönnen (nicht dargeotellt) Auslaßöffnungen vorgesehen werden, welche, wie beim Brennelement 21, von der Füllkammer173 üchräg nach außen verlaufen; es können, jedoch auch vertikale Auslassöffnungen vorgesehen werden, welche durcn die Oberseite des oberen Reflektors direkt nach außen führen. ■

Die aus den Fig. 10 und 11 ersichtlichen mittleren Koroerabschnitte 147 sind in einer Form dargestellt, welche sich bei verstellung aus gepreßten Abschnitten aua nitzebestandigeu Material ergibt. Ersichtlich können die mit mehreren Löchern versehenen Körperabschnitte in geeigneter Weise durch Pressen hergestellt v/erden. Dabei ist keine weitere Bearbeitung der Kühlmittellöcher 163 und 165 vor dem Zusammenbau des Brennelementes 141 erforderlich. Darüber ninaüs erweisen sich die Toleranzen, welche sich beim Pressen ergeben, für die endgültige Form bei Verwendung eines Kernbrennmaterials 175 in den Brenaa*- kammern in Form eines dichten Gefüges von mit

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»ο emv 01 te ^_omihAL

en
Überzügen verseilen/diskreten Partikeln als annehmbar.

Daher ist auch eine weitere Bearbeitung der brennkammern 159 und 161 nicht erforderlich.

Da bei der dargestellten Ausflihrungsforia, v.elc-he durch Pressen entsteht, die Bremikammerlöcrier voxlkommen durch die mittleren Körperabschnitte 147 verlaufen, ist es notwendig, bestimmte Enden dieser Löcher zu verschließen, um. die gewünschten Brennkammern 153 und zu bilden. V/ie aus J?ig. 10 zu ersehen ist, sind die unteren Enden der inneren Brennkammern 161 des unteren Kör^erabschnitts mit langen zylindrische.! ioxben 177 aus hitsebeständigem Material verschlossenj das Material für die zylindrischen Kolben 177 kann das gleiche sein, aus dem die Körperabschnitte 147 hergestellt sind. Diedangen Kolben 177 bringen die untere Begrenzung der Brennkammern 161 auf die gleiche EÖhe wie die unteren Begrenzungen der äußeren Brennkammern 159. Die Kolben 177 sind eingeschraubt und/ oder eingekittet, wobei ein Kitt, wie beispielsweise Steinkohlenpech, verwendet wird. An den oberen binden der inneren Brennkammern 16 1 des oberen Körperabschnitts sind entsprechend lange Kolben'179 vorgesehen, um die oueren Enden dieser Brennkammern von der oberen Füllkammer 175 au trennen. An den unteren Enden aller äußeren Brennkammern 159 und an den unteren Enden der inneren Brennkammern 161

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der fünf oberen .Körperabschnitte 14-7 sind kurze Kolben 181 vorgesehen, weiche aus gleichartigem Material, wie die IZoIben 177, hergestellt sind und deren Form besitzen. ..

An den oberen bilden aller äußeren Brennkammern 159 und an den oberen Enden der inneren Brennkammern 161. in den fünf unteren Körperabschnitten 147 sind Kolben 183 vorgesehen. ^aIIs gewünscht, können diese Kolben 183 aus sich bei ¥ärme-_;zersetzendem Material bestehen, womit die oben schon beschriebenen Vorteile erreicht Werden. Palis es für bestimmte Anwendungsfälle wünschenswert ist, kontinuierliche Brennkammern zur Verfügung zu haben, welche sich in Längsrichtung über die gesamte Brennlänge der Brennelemente erstrecken, können die Kolben 181 ebenso aus sich bei Wärme zersetzendem Material bestehen« :

Die relative Aufteilung der Brennkammern 159 und 161 auf die Kahlmlttellöcher 163 und 165 im brennelement 141 eignet sich besonders für den Betrieb über lange Perioden in gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktoren. Die Verteilung des Kühlmittelflusses im Inneren des Brennelementes 14"' gewährleistet eine, wirksame Übertragung von \7ärme vom Kernbrennmaterial 175 in den Brennkammern auf das durch die Kühlmittellöcher I63 und 165 strömende Kühlmittel.

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Bei einer praktischen Ausführungsform eines Brennelementes 141, das sich für Keaktorbetrieb über längere Seiträume eignet, "besitzen die aus ö-raphit bestehenden Körperabschnitte 147 einen AuJendurcliniesser von 4,65 Zoll. Die gemäß Pig. 11 angeordneten Brennkammern 159 und 161 besitzen Durchmesser von 0,54 Zoll bzw. 0,45 Zoll. Der Durchmesser des zentralen Kühlmitteldurchlasses 163 beträgt 0,6 Zoxl, während der Durchmesser von zwölf Kühllöchern 165 0,25 Zoll beträgt. Die sechs für das Brennelement 141 verwendeten mittleren Körperabschnitte 147 besitzen eine Brennlänge von etwa 31 Zoll. Das in Form von diskreten Partikeln verwendete Kernbrennmaterial 175 besteht aus einer Llischung von Urancarbid und Torumcarbid, wobei das Atomverhältnis von Toriurn zu ^ran etwa 12:1 beträgt. Die Brennmaterialpartikel weisen einen Durchmesser von etwa 500 /U auf und besitzen einen Triplexüberaug von etwa 120 /u Dicke. Das Brennelement 141 mit derartigen Abmessungen arbeitet zufriedenstellend in . einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, in dem Helium als Kühlmittel verwendet wird. Eine abgeänderte Ausführungsform des Brennelementes 141 ist im Querschnitt in Fig. 12 dargestellt. Hin mittlerer Körperabschnitt 147' besitzt zwölf äußere Brennkammern 159' und sechs innere Brennkammern 161'. ■ Die Mittelpunkte der Brennkammern 159' und 161·' liegen auf zwei konzentrischen Kreisen. Die

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Mittelpunkte von sechs Kühlmittellöchern 165' liegen auf einem entsprechenden konzentrischen Kreis. Ein zentrales Iiühlmittelloch 163' mit größerem Durchmesser vervollständigt den Brennelementkörper-Abschnitt -147'c Die Brennkammern 159' und 161 ' sind vorzugsweise mit einem Kernbrennraaterial 175' in Form eines dichten Gefüges von überzogenen Partikeln gefüllte Sin derartiges Brennelement ist ersichtlich mit dem Brennelement 141 nach Tig. 10 und 11 vergleichbar.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel dieses Brennelementes besitzt Körperabschnitte 147' mit einem Durchmesser von 4,65 Zoll mit zwölf äußeren -brennkammern 159.' mit einem Durchmesser von 0,54 Zoll sowie mit sechs inneren Brennkainmruern 161' mit einem Durchmesser von 0,45 Zoll. Das zentrale iCühlmittelloch 163 besitzt einen Durchmesser von 0,6 Zoll, während die sechs Kühlmittellöcher 165 * einen Durchmesser von 0,35 Zoll besitzen. Die weiteren Abmessungen entsprechen denen des oben beschriebenen Brennelementes 141.

Eine weitere Modifikation des Brennelementes 141 ergibt sich aus Fig. 13, welche einen Querschnitt durch einen mittleren Brennelementkörper-Absohnitt 147" darstellt. Per KÖrperabsohnitt 147" besitzt zwölf äußere Brennkammern 159"' und sechs innere Brennkammern 161", deren Mittelpunkte auf konzentrischen

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Kreisen liegen. Diese Brennkammern werden Vorzugs-' weise mit einem Kernbrennmaterial 175" in ü^voria eines dichten Gefüges von überzogenen Partikeln gefüllt. Yfeiterhin wird ein einziges zentrales Kühlmittelloch 163" verwendet.

Bei einer praktischen Ausführungsform, eines derartigen Brennelementes besitzt ein Körperabschnitt 147" einen Durchmesser von 4,65 Zoll mit äußeren Brennkammern 159" mit einem Durchmesser von 0,54 Zoll, inneren Brennkammern 161" mit einem -Durchmesser von 0,45 Zoll und mit einem zentralen luihlmittelloch 163" von etwa 0,8 Zoll Durchmesser. Der übrige Aufbau des Brennelementes entspricht dem Aufbau des oben beschriebenen Brennelementes 141. Bei einem Brennelement mit Körperabschnitt 147" reicht eine geringere Kühlung aus, als bei den Brennelementen mit Körperabsohnitten 147 oder 147*j ein derartiges Brennelement eignet sich für verschiedene gasgekühlte iiochtemperaturkernreaktoren.

Im folgenden wird ein Beispiel für ein in den Fig. 1 bis 5 dargestelltes Brennelement gegeben.

Beispiel

Das Brennelement 21 besitzt einen Außendurchmesser von 4,67 Zoll. Dieses Brennelement eignet sich für

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einen Hochtemperaturreaktor mit Helium als Kühlmittel. Ein derartiger HDG-R-Eeaktor (high temperature, graphite moderated, gas-cooled reactor) ist im einzelnen in der Zeitschrift Nucleonics, Voume 18, No. 1, Januar 1960,. Seiten 86 - 90, beschrieben. Der obere Reflektor 23 und der untere Reflektor 25 werden aus zylindrischen Stücken aus Reaktorgraphit mit einer Dichte von etwa 1,8 g/ccm hergestellt„ Der Abstandsring 47 besitzt einen Durchmesser von etwa 4,70 Zoll. Der obere xi-eflektor 23 enthält sechs Kühlmittelauslaßlöcher mit einem Durchmesser von einem halben Zoll U|id einem Abstand von 60°. Der untere Reflektor 25 enthält sechs K/uhlmitteleinlaßlöcher 51 gleicher Abmessung und gleichen Abstandes. Die fünf mittleren Brennelementkörper-Abschnitte 27 werden aus iceaktorgrajjhit-hülsen mit. einer Dichte von etwa 1,8 g/ccm hergestellt und besitzen eine Wandstärke von 1,15 Zolle Die Abmessungen der mittleren Körperabschnitte 27 und des unteren Reflektors 25 reichen aus, um sechs in Längsrichtung voneinander getrennte Lrennzonen zu bilden, welche eine Vertikallänge von etwa 31 Zoll besitzen-. Die vier oberen mittleren Körperabschnitte 27 enthalten 16 Brennlöcher 77, deren Mittelpunkt auf einav zum kreisförmigen Außenquerschnitt der Körperabschnitte 27 konzentrischen Kreis liegen. Der unterste Körperabschnitt 27 und der untere Reflektor 25 enthalten Brennzonen in Form von ringförmigen Brennkammern 75. Die Brennlöcher 77 und die ringförmigen ^rennkaimnern 75 sind so angeordr¹^' daß ,üich. eine ·.

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Graphitwandstärke von etwa 0,4 Zoll, gerechnet vom äußersten Punkt in der Brennkammer, zur außenfläche des Köprerabschnittes 27 ergibt.

In diesem Brennelement variiert die Brennmaterialbeschickung zwischen den sechs getrennten Längsbreniizonen. Die Änderung der Brennmaterialbeschickung wird durch Minderung des gesamten BrennkammerVolumens in den verschiedenen Zonen erreicht. Da die Brennkammern in allen Zonen etwa gleich tief sind, ist ihr Gesamtquer-'schnitt ein Maß für ihr Volumen. In der Brennzone im unteren Reflektor 25 ist eine Brennkammer mit einer DicIce von 0,478 Zoll und einem Auiendurclnaesser von etwa 3»87 Zoll angeordnet. In der darüberliegenden

Brennkammer sind 16 Brennlöchei* 77 mit einen Durchmesser von 0,309 Zoll vorgesehen. Die nächsten beiden Brennzonen besitzen 16 Brennlocher 77 mit einem Durchmesser von 0,263 Zoll. Die oberste Breimzone weint 16 Brennlöcher 77 mit einem Durchmesser von 0,224 Zoll auf.

Alle Brennkammern sind mit einem dichten Gefüge von Kernbremipartikeln mit einem iriplexüberzug gefüllt. Die Partikel besitzen die Form von Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 500 /U. Diese Brennpartikel bestehen aus einem Brennmaterialkern in Form von

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kugeligen Partikeln aus Urancarbid und/oder Toriumcarbid \.d~b etwa 260 /U Durchmesser. Das Atomverhältnis von l'orium zu Uran in der gesamten Brennmaterialmischung beträgt etwa 12: 1. Das Uran ist auf etwa 93 ·^σβ> angereichert-. Der Breiinmaterialkern ist von einer ersten Schicht aus porösem pyrolytischem Kohlenstoff von etwa 20 /U Dicke umgeben. Eine Zwischenschicht aus dichtem flächigem pyrolytischem Kohlenstoff von etwa 50 /U Dicke umgibt die poröse innere Kohlenstoffschicht. Eine dritte Schicht aus stengeligem pyrolytischen Kohlenstoff von etwa 50 /u Dicke umgibt die Zwischenschicht vollkommen. Die Kernbrennpartikel können durch Yibra- ·■ bion in ein dichtes G-efüge innerhalb der Brennkammern gebracht werden.

Bei dieser ausführungsform enthält die unterste Brennzone etwa 0,23 kg Uran. Die darüberliegende enthält etwa 0,15 kg Uran. Die nächste darüberliegende Brennzone enthält etwa 0,11 kg Uran.' Die zwei nächstfolgenden Zonen darüber enthalten jeweils 0,09 kg Uran, während die oberste Zone etwa 0,085 kg Uran enthält.

lach Auffüllung der Brennkammern mit Kernbrennmaterial 61 werden die Brennkammern oben verschlossen, indem aua Polystyrol bestehende Kolben 79 von geeigneter Abmessung und einer Dicke von etwa 1 Zoll in die

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Brennkammern eingepre3t werden.

Beim Zusammenbau des Brennelementes wird der zentrale Stab 71 in die zentrale Bohrung 57 des unteren .Reflektors 25 eingesetzt. Der Stab 71 ist aus drei !'eilen aus -tieaktorgraphit mit einer Dichte von etwa 1,8 ^₁/ecm hergestellt, v/obei die Teile in _c;e eignet er ./ο1;.ϋ uiiteinander verbunden werden. Der Querschnitt de-; Stabes 61 bildet ein re.ailli.res Quadrat uit abgerundeten Ecken. Als Toleranz zwischen d-r ^ußenaomessung des Stabes und des Innendurchmessers der zsntralon Bohrung i..t etwa 0,01 Zoll zugelassen. iJtv/a die unteren 3,5 Zoll des Stabes 71 sind nach ΐη.·ϋΊ abgesetzt, uiii einen unter en abgesetzten Teil mit kreisförmigem Querschnitt zu bilden, dessen Durchmesser etwa 1,8 Zoll beträ^o.

Das mit Gewinde versehene Ende des unteren Breimeleiuentkö'rper-Abschili utes wird mit einem Überzug aus Steinkohlenpech oder einem anderen Kohlenstoffharz versehen und sodann über den Stab 71 geschoben und mit dem mit Gewinde versehenen oberen Teil des unteren Reflektors 25 verschraubt. Das Steinkohlenpech bzw. das andere ^Kohlenstoffharz, das bei Aufheizung des Brennelementes auf Betriebstemperatur carboniert wird, dient als Binder für die Schraubenverbindung. Die verbleibenden Kb'rperabsohnitte 27 werden in gleicher Weise verschraubt.

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Zur fertigstellung.des Brennelementes, wird der mit Gewinde versehene Teil 39 des oberen Reflektors 23 mit einer dünnen Schicht aus Steinkohlenpech überzogen und mit dem oberen liörperabsehnitt 27 verschraubt.

Eine kürzere .ausführungsform des zusammengesetzten Brennelementes wird unter simulierten Reaktorbedingungen für betrlchtliche Zeitperioden mit Volleistung be-¹ trieben. Y/ührend dieser Periode wird der Betrieb des Brennelementes zyklisch geändert, so daß es unter VoIlleistungsbedingungen mit normal nach oben strömendem Iielium-Xuhlinitΐel unter Betriebsunterbre chungsbe dingungen mit vorbeifließendem iTüssigkeitsmittel und unter Reiniehtungßbedingungen ohne Kühlmittel arbeitet. vVahrend dieser Betriebsbedingungen bleibt die Spaltproduktaktivität der aus den überzogenen Kernbrennpartikeln austretenden Spaltproduktgase unterhalb eines sehr geringen Wertes, welcher innerhalb zufriedenstellender Grenzen liegt.

Der simulierte Betrieb mit voller Leistung des in Form eines dichten Q-ef-üges vorliegenden Kernbrennmateriala wird bei einer betriebstemperatur von wenigstens T400°C während einer ausreichenden cumulativen Periode vorgenommen., um ein Ausbrennen von. etwa 21 °/o der spaltbaren tJranatöjne zu erreichen. Die unterschiedliche Besehiefeung mit Kernbrennmaterial in den sechs getrennten

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laiigsbrennzonen ermöglicht die gewünschte Verminderung von Temperaturunterschieden im Graphiticürper. Das brennelement arbeitet während des gesamten Betriebes zufriedenstellend und behält auch nach Abschluß der Betriebsdauer seine bauliche Festigkeit. Während des Versuchs gesammelte Daten zeigen, daß die Spaltproduktaustrittsrate von Xenonisotopen aus den überzogenen Kernbrennpartikeln weniger als etwa 1x10 des gesamten erzeugten Xenons beträgt. Die Austrittsrate von Kryptonisotopen ist kleiner als 1x10"^₀

Eine Untersuchung von representative!! Graphitproben des Brennelementes, welche einer hohen Dosis von schnellen Neutronen ausgesetzt sind, zeigt, dai. die Kontraktion des baulichen Graphitmaterials infolge der Bestrahlung ausreichend unterhalb der zulässigen Grenzen liegt. Das Brennelement gemäß der Erfindung eignet sich also zur Verwendung in einem gasgekühlten Hochteiaperaturkernreaktor mit hohen Leistungsdichten.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. P- a t e η t a n s ρ r ü c h e

   Brennelement für Kernreaktoren mit einem, insbesondere gasförmigen, Kühlmitteldtirchfluß, dadurch gekennzeichnet ,■ daß wenigstens ein Brennelement-Abschnitt (27,97, 147,147',147") vorgesehen-.ist, der Brennkammern (75,77i 121,123; · 1 59,161.; 159 * ,161' ; 159", 161») enthält, daß die -Brennkammern mit Kernbrennmaterial (61,119,175,175'> 175") in Form eines Gefüges aus KernbTennpar-tikeln gefüllt sind, und daß die Kernbrennpartikel mit einem Überzug aus dichtem 'Material versehen sind, da& ein Austreten der im Kernbrennmaterial erzeugten Spaltprodukte während der Geaamtlebensdauer des Brennelementes (21,91, 141) verhindert.

   2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementkörper-Abschnit (27,97,147,147',147") längliche £'orm besitzt und daß die lirermkaiamern (75,77; 121,123? 159,161; 159',161»; 159"»161") sich in Längsrichtung durch diesen lähgliohen Körper erstrecken.

   3. Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von länglichen Brennelementkörper-Abaohnitten (27,97,147,147',147") in Acha-

   00 9 8-46/0 1 ββ

   - 42 BAD ORiGfNAL

   richtung ausgerichtet miteinander verbunden sind.

   Brennelement nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder längliche Brenneleinentkörper-Abschnitt (27,97,147,147',147") wenigstens einen, sich in Längsrichtung durch ihn erstreckenden loihlmitteldurchlaß (37,113,163,163',163") besitzt, welcher mit den Kühlmitteldurchlässen in angrenzenden Körperabschnitten in Verbindung steht.

   5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelementkörper-Abschnitte (27,97) die Form von röhrenförmigen hülsen mit einer zentralen Bohrung (59,105) besitzen, wobei die Bohrungen von angrenzenden Brennelementkörper-Abschnitten miteinander in Verbindung stehen.

   6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den zentralen Bohrungen (59,105) ein Stab (71,99) aus Neutronen-bremsendem Material angeordnet ist und daß durch Formung des Stabes der Kühlmittelstrom im Raum zwischen seiner Außenfläche und der Innenfläche der miteinander verbunden Bohrungen regulierbar ist.

   7. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 "bis 6, da-

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   durch gekennzeichnet, daß der Stab (71,99) einen Querschnitt in Form eines regulären Polygons besitzt.

   8. Brennelement nach einem der Ansprüche T bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus röhrenförmigen hülsen bestehenden Brennelementkörper-Abschiiitte (27,97) fest miteinander verbunden sind und einen baulichen !'rager in Längsrichtung des Brennelementes (21,91) bilden. '

   S. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (71,99) als baulicher träger in Längsrichtung des Brennelementes (21, 91)· dient und die ürennelementkörper-Abschnitte (27,97) auf dem Stab-in Achsrichtung bewegbar sind«,

   10. Brennelement nach einem der Ansi^rüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (75,77;121,123; 159,161; 159',161'i 159",161«) eines Brennelementkörper-Abschnitts (27,97,147,147',147") jeweils von den Brennkammern in den -angrenzenden Brennelementkörper-Abschnitten getrennt sind, so daß eine Vielzahl von in Längsrichtung getrennten Brennzonen im Brennelement (21,91,141) 'gebildet sind.

   11. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ".da—

   ■'■■ ■/. ■■-";■■...- _ 44 _ -■ -

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   durch gekennzeichnet, daß die Volumina der Brennkammern (75,77; 121,123; 159,161; 159', 161·; 159",161") in den einzelnen Brennelementkörper-Abschnitten (27,97,147, 147»,147") unterschiedlich sind.

   12. 'Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der^vBreimakmmern (75,123) ringförmig ausgebildet ist.

   13. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in form von länglichen Hülsen ausgebildeten Brennelementkörper-Abschnitte (27,97) an ihrem oberen Ende geöffnete Brennkammern (75,77; 121^123;) besitzen, welche durch Kolben (79, 125) verschlossen sind.

   14· Brennelement nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Brennelementkörper-Abschnitte (27,97-, 147,147',147") Graphit Verwendung findet.

   15· Brennelement nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß kugelige Kernbrennmaterialpartikel Verwendung finden.

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