DE1090786B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einem Kern, der nicht an die Wärmeübertragungsfläche des Brennstoffelements grenzt und der einen Brutstoff und ursprünglich im wesentlichen keinen Spaltstoff enthält, und aus einem an den Kern angrenzenden äußeren Teil, der an die Wärmeübertragungsfläche grenzt und der ursprünglich im wesentlichen den gesamten Spaltstoff enthält.

Ein solches Element bildet den Gegenstand eines älteren Patentes, das indessen nicht veröffentlicht ist.

Erfindungsgemäß beträgt das \^olumen des äußeren Teiles 1,0 bis 40% des Gesamtvolumens des Brennstoffes (ohne Umhüllung).

Die Atome gewisser Elemente, z. B. U²³³, U²³⁵ und Pu²³⁹, werden bekanntlich zerspalten, wenn Neutronen ihren Kern treffen. Es entstehen zwei oder mehr Spaltungsprodukte von geringerem Molekulargewicht, und es werden Neutronen freigesetzt.

Die Spaltungsprodukte teilen ihre hohe Bewegungsenergie den Molekülen und Atomen der Umgebung mit, wodurch diese erwärmt werden. Die Bildung von Neutronen ist die Grundlage für die Kettenreaktion. Alle Arten von Reaktoren bestehen aus einem Spaltstoff als »Brennstoff« des Reaktors, einem Kühl- oder Wärmeübertragungsmittel, das der Kühlung dient, und einem Leistungsregler. Im Laufe der Zeit werden die Spaltstoffe »verbraucht« und müssen ausgewechselt werden.

Das Auswechseln der Spaltstoffe kann verzögert und in einigen Fällen sogar vermieden werden, wenn die Kernreaktion aus einem Brutstoff ein neues spaltbares Atom für jedes bei der Reaktion verbrauchte Atom liefert. Th²³² und U²³⁸ sind solche Brutstoffe. Th²³² geht durch Abfangen von Neutronen und Abgabe von Beta-Teilchen in U²³³ über, das spaltbar ist. U²³⁸ wird auf die gleiche Weise in Pu²³⁹, das ebenfalls spaltbar ist, verwandelt. Die Anwesenheit solcher Brutstoffe im Kernbrennstoff gestattet die Umwandlung von nichtspaltbaren in spaltbare Atome. Auf diese Weise regeneriert sich der Spaltstoff, während er »verbraucht« wird.

Die Erfindung löst nun die Aufgabe, ein Kernreaktor-Brennstoffelement zu schaffen, das sowohl spaltbare als auch Brutstoff-Atome enthält.

In schnellen Brutreaktoren, in denen die Kettenreaktion durch schnelle Neutronen, deren Anfangsgeschwindigkeit nicht wesentlich gebremst worden ist, ausgelöst wird, ist ein Verhältnis von spaltbaren zu Brutstoff-Atomen von 1 : 5 erwünscht.

Für thermische Reaktoren, in denen die Kettenreaktion durch sehr langsame Neutronen mit geringen thermischen Energien verursacht wird, liegt das günstige Verhältnis bei 1 :100. In jedem Fall ist es wünschenswert, den Reaktor mit der entsprechenden

Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht, München 2, Sendlinger StT. 55,
und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal), Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Februar 1958

Karl Paley Cohen, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Höchstleistung zu betreiben, damit nur ein Mindestmaß des kostspieligen Spaltmaterials benötigt wird. Dadurch wird jedoch die Schwierigkeit der Wärmeübertragung vergrößert, d. h. der Wärme, die während der Reaktion frei wird, da die Wärmeleitfähigkeit der meisten Brutstoffe gering ist. Das gilt besonders für ThO₂ und in geringerem Maße für UO₂. Bei hohen Leistungen übersteigt die Höchsttemperatur im Innern der Brennstoffelemente, die erforderlich ist, um die frei werdende Wärme an das Kühlmittel abzuführen, oft den Schmelzpunkt des Spaltstoffes. ThO₂ schmilzt oberhalb von 2816° C und UO₂ bei etwa 2482° C. Die Schwierigkeiten bei der Zusammensetzung des Spaltstoffes sind daher einleuchtend.

Die verschiedenen Versuche, die zur Überwindung dieser Schwierigkeiten bereits unternommen wurden, erwiesen sich als nicht erfolgreich. Eines der Verfahren sieht die Herstellung von Brennstoffelementen vor, die entweder spaltbare oder Brutstoff-Elemente enthalten. Dieses Verfahren macht aber nicht den denkbar besten Gebrauch von der Wärmeübertragungsfläche. Zu Beginn des Betriebes liefern die Elemente aus Brutstoff einen wesentlich kleineren Anteil der Gesamtleistung als später, wenn sie mit spaltbaren Stoffen angereichert sind. Ein anderes Verfahren verwendet sehr dünne Spaltstoffstäbe, die eine große Wärmeübertragungsfläche im Verhältnis zum Volumen liefern und auf diese Weise die erforderliche Höchsttemperatur bei gegebener Leistung und gegebener Wärmeübertragung herabsetzen. Derartige Spaltstoffstäbe sind aber außerordentlich kostspielig.

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Ihre hohen Kosten beruhen zum Teil auf den mit der Herstellung verbundenen Schwierigkeiten und zum Teil auf der Tatsache, daß der Umfang der Verkleidung, die zum Schutz des Spaltstoffes notwendig ist, mit der Wärmeübertragungsfläche wächst. Ein drittes Verfahren, die erwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, verwendet Drähte aus Materialien mit großer Leitfähigkeit in den Spaltstoffeinheiten. Auch dieser Versuch bringt ein verwickeltes Herstellungsverfahren mit sich und verringert notwendigerweise den Anteil von spaltbaren Stoffen und Brutstoffen je Volumeinheit des Elementes.

Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung wird ein längerer Stab aus elementarem U²³⁸ oder Th²³² oder aus einer Verbindung dieser Elemente, z. B. deren Oxyden, als Brutstoff mit einer entsprechend dicken Schicht aus einem spaltbaren Element, z. B. U²³⁵, versehen. Die Stärke der umgebenden spaltbaren Schicht hängt von der Menge des Brutstoffes im Stab und dem gewünschten Verhältnis von spaltbarem Stoff zu Brutstoff ab. Die Brutstoffe können, wenn gewünscht, die Form einer Röhre haben, durch deren Mitte das Kühlmittel fließt. Sowohl die innere wie die äußere Fläche der Röhre wird mit einer Schicht aus spaltbarem Material versehen. Die Brennstoffelemente können ebenso einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wenn dies vorzuziehen ist. Außerdem soll noch eine Umhüllung vorgesehen sein, die die Wärmeübertragungsfläche des Brennstoffelementes nach der Erfindung vor Korrosion durch das Kühlmittel oder den flüssigen Moderator bewahrt.

Während des Betriebes erzeugt ein derartiges Brennstoffelement beinahe die gesamte Wärme in der äußeren Schicht aus spaltbarem Material, die unmittelbar an die Wärmeübertragungsfläche grenzt. Hohe Innentemperaturen werden also nicht benötigt und auch nicht erzeugt. Selbst nach längerer Strahlung liegt die Innentemperatur des Spaltstoffes um 300% unterhalb der Temperatur, die ein Spaltstoff aus einer homogenen Mischung aus spaltbarem Stoff und Brutstoff besitzt, und dessen Masse einem Brennstoffelement nach der Erfindung entspricht und mit der gleichen Leistung betrieben wird. Außerdem enthält ein homogenes Th 0.,-U²³⁵O₀-Brennstoffelement nach 10 000 Megawatt-Tagen je" Tonne etwa 3% U²³³O₂, während der Th O₂-Brutstoffkern des geschichteten Brennstoffelementes nach der Erfindung nur etwa 1% U²³³O₂ enthält.

Die höchstzulässige thermische Leistung ist bei dem geschichteten Spaltstoff nach der Erfindung anfänglich 60mal so groß wie bei dem üblichen homogenen und angereicherten Th O₀-Brutstoff, und sogar nach längerem Betrieb ist sie immer noch annähernd dreimal so groß. Die höchstzulässige thermische Leistung wird durch den Schmelzpunkt des Stoffes im Innern des Brennstoffelementes bestimmt. Bei dem neuartigen Spaltstoff nach der Erfindung bleibt die Wärmeübertragungsnutzung, d. h. die Wärmeübertragung je Flächeneinheit, die gleiche. Im Gegensatz hierzu weisen Brutstoffe ohne die eine Schicht aus einem spaltbaren Element eine Veränderung der Wärmeübertragungsnutzung in Abhängigkeit von der Zeit auf, und der Fluß des Wärmeübertragungs- oder Kühlmittels muß also veränderlich oder regulierbar sein, damit die größte Wärmeübertragungsnutzung gesichert ist.

Die Vorteile der Erfindung werden in einem etwas abgeschwächten Maße verwirklicht, obwohl das spaltbare Material nicht vollständig von dem Brutstoff getrennt und in der den B rutstoff kern umgebenden Schicht enthalten ist, weil die erreichbare Leistung durch die Verteilung des spaltbaren Materials am Ende des Betriebes begrenzt ist. Erfindungsgemäß ergibt sich dadurch der beste Wirkungsgrad, daß der äußere Teil 1 bis 40% des Gesamtvolumens des Brennstoffes (ohne Umhüllung) enthält. Dadurch wird eine leichtere Herstellung ermöglicht, und die örtlichen Strahlungswirkungen werden herabgesetzt. Die spaltbaren Elemente können beispielsweise mit gutem

ίο Erfolg 20 Volumprozent des Gesamtvolumens (ohne Umhüllung) als äußere Schicht betragen.

Obgleich die vorangegangene Beschreibung sich mit der Verwendung von Th²³² und U²³³ befaßt, lassen sich ebenso U²³⁸ und Pu²³⁹ für die Erfindung benutzen.

Bei der ersten Einbringung von Spaltstoffen entsteht eine vorübergehende Schwierigkeit dadurch, daß das stark angereicherte U²³⁵ von der natürlichen Uranisotopenmischung getrennt und zur Inbetriebnahme des Reaktors verwendet werden muß. Es ist billiger, die Uranisotopenmischung durch Diffusion von Gasen in die entsprechende homogene Konzentration zu fraktionieren. Bei größerer anfänglicher Anreicherung sind die Einsätze geringer. Außerdem ist Pu²³⁰ nach längerem Betrieb das endgültige, spaltbare Element des Systems in der äußeren oder spaltbaren Schicht, das sehr leicht und billig auf chemischem Wege von U²³⁸ getrennt werden kann.

Die Erkenntnisse der Erfindung gestatten in Brutreaktoren die Durchführung der chemischen Trennung von U²³⁸ und Pu²³⁹ über metallurgische Entseuchung der Spaltmaterialien, z. B. durch Verschlacken mit Hilfe der Oxydation.

Die Erkenntnisse der Erfindung können leicht auf röhren- oder ringförmige Brennstoffelemente übertragen werden, die von innen und außen gekühlt werden. Es wird sowohl innen als auch außen eine Schicht aufgetragen, in der die spaltbaren Stoffe konzentriert sind. Auf diese Weise ist etwas weniger als die Hälfte des spaltbaren Stoffes in der inneren Schicht von 0,5 bis 20 Volumprozent der Röhre und etwas mehr als die Hälfte in der äußeren Schicht von 0,5 bis 20 Volumprozent des röhren- oder ringförmigen Brennstoffelementes konzentriert, wodurch ein fast gleichmäßiger Wärmefluß an der inneren wie an der äußeren Wärmeübertragungsfläche erhalten wird.

Darüber hinaus sind die erläuterten Grundzüge der Erfindung auch auf flache oder gekrümmte Brennstoffelemente anwendbar, und auch in diesem Fall sollen beide Seiten der Platte mit je der Hälfte der spaltbaren Elemente versehen werden, die je in den oberflächlichen 0,5 bis 20 Volumprozent der Platte konzentriert sind.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich auch für die Festsetzung der notwendigen Anzahl von Brenn-Stoffelementen im Reaktor anwenden, so daß sich das gewünschte dynamische Verhalten ergibt. Die Konzentration des spaltbaren Materials an der Oberfläche des Brennstoffelementes führt dazu, daß die im Spaltstoff erzeugte Wärme viel schneller auf das Kühlmittel übertragen wird als bei Verwendung von homogenen Spaltstoffen. Die geometrischen Gegebenheiten können so ausgerichtet werden, daß die Verzögerung bei der Übertragung der vom Spaltstoff erzeugten Wärme auf das Kühlmittel veränderlich ist.

Außerdem verringert das geschichtete Brennstoffelement nach der Erfindung die Menge an spaltbarem Material, die für das Kritischwerden des Reaktors erforderlich ist, da dieses in dem Brennstoffelement in den Gebieten mit größerem Neutronenfluß als die Brutstoffe konzentriert ist.

Schließlich sind auch die thermischen Spannungen, die innerhalb des Brennstoffelementes nach der Erfindung erzeugt werden, wesentlich geringer als bei einem homogenen Spaltstoff.

Die Einzelheiten der Anordnung der verschiedenen Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden durch die Zeichnungen leicht verständlich. Die Zeichnungen stellen dar in

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kernreaktors mit Brennstoffelementen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht eines zum Teil im Schnitt gezeigten zylindrischen Brennstoffelementes nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht eines zum Teil im Schnitt gezeigten röhren- oder ringförmigen Brennstoffelementes nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch Fig .4, Fig. 6 eine Ansicht eines zum Teil im Schnitt ge-Fig. 5 einen Querschnitt durch Fig. 4, Fig. 7 einen Querschnitt durch Fig. 6,

Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt durch ein plattenförmiges Brennstoffelement,

Fig. 9 eine genaue Ansicht einer der üblichen An-Ordnungen von Brennstoffelementen für die Verwendung in einem Reaktor mit einem flüssigen Metall als Kühlmittel und Graphit als Moderator.

In Fig. 1 ist einer der üblichen Kernreaktoren (in vereinfachter Darstellung) mit dem Kopf 12, der durch die Randstücke 14 und 16 befestigt ist, gezeigt. 18 und 20 sind die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen für das' Kühlmittel. Von der Innenwandung des Reaktors ΙΟ, durch nicht abgebildete Vorrichtungen, werden die obere und untere Halterung 22 bzw. 24, zwisehen denen die Brennstoffelemente 26 angebracht sind, die als zylindrische Stäbe dargestellt sind, getragen. Die Brennstoffelemente sind in einem gewissen Abstand voneinander entfernt, damit das Kühlmittel zwischen ihnen hindurchfließen kann. Das Gehäuse 28 für die beweglichen Kontrollstäbe 30 ist an den Reaktor 10 angeschlossen und enthält das Mittel zu deren Betätigung.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Schnitte durch einen zylindrischen Spaltstoffstab 26 nach der Erfindung. Der Kern 32 besteht aus einem Brutstoff, entweder Th²³² oder U²³⁸. Die angrenzende äußere Schicht 34 besteht aus einem spaltbaren Material, das von einer Um- . hüllung 36 aus Zirkonium oder nichtrostendem Stahl oder ähnlichem umgeben wird.

Fig. 4 und 5 zeigen ring- oder röhrenförmige Brennstoffelemente nach der Erfindung. Ein solches Brennstoffelement besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und in der Mitte eine Durchlaßöffnung 38 für das Kühlmittel. Es ist eine innere und eine äußere Umhüllung 40 bzw. 42 vorgesehen. Der Kern 44 besteht aus Brutstoff; an ihn grenzen die Schichten 46 und 48 aus dem spaltbaren Stoff, die ihrerseits an die Umhüllung grenzen. Die Schichten 46 und 48 aus spaltbarem Material betragen je 0,5 bis 20% des Gesamtvolumens des Brennstoffes ohne Umhüllung. Vorzugsweise sollen diese Schichten je 10% des Volumens des gesamten Brennstoffes ohne Umhüllung betragen.

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die verschiedenen Formen der Brennstoffelemente nach der Erfindung.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die Platten 50 parallel nebeneinander, deren Enden an den Seitenplatten 52 und 54 befestigt sind. Die Spaltstoffplatten können, wie Fig. 7 darstellt, leicht gekrümmt oder auch eben sein. Die Öffnungen 56 für das Kühlmittel sind die Zwischenräume zwischen den Platten 50.

Fig. 8 zeigt den inneren Aufbau der Spaltstoffplatte im einzelnen. Der Kern 58 besteht aus Brutstoff und beträgt 60 bis 99 Volumprozent des Brennstoffes. Die Schichten 60 und 62 aus einem spaltbaren Element nehmen die restlichen 1 bis 40 Volumprozent ein. Die Oberflächen der Spaltstoffeinheit sind von den Schiehten 64 und 66 umhüllt. Auch die Stelle, an der die Spaltstoffplatte an der Seitenplatte 52 befestigt ist, ist veranschaulicht. Der seitliche Teil 68 des bei der Herstellung von Spaltstoffplatten durch Warmwalzen verwendeten Rahmens ist ebenfalls abgebildet. Das Ende der Spaltstoffplatte ist an die Seitenplatte festgelötet oder auf andere Weise damit verbunden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung der Brennstoffelemente nach der Erfindung, die von der gewünschten, oben beschriebenen und abgebildeten Ausführungsform abhängen.

Der zylindrische Stab gemäß den Fig. 2 und 3 kann durch ein besonderes Preßverfahren hergestellt werden. Gepreßte Kügelchen aus THO₂ und UO₂ können unter Verwendung einer Spezialgußform und Stanzmatrize angefertigt werden, die so ausgebildet sind, daß die pulverisierten Verbindungen getrennt und nacheinander in die Höhlung der Form gegossen werden können. Das ermöglicht die Anordnung einer Muffe um das Kernstück. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Füllen des Kernstückes mit ThO₂, Kaltpressen des ThO₂, Entfernen der Muffe, Auffüllen des äußeren Ringes mit UO₂ und abschließend das Pressen des gesamten Kügelchens. Nachfolgend wird das Kügelchen gesintert.

Die Umhüllung wird mit Hilfe eines der hierfür bekannten Verfahren aufgetragen.

Der ring- oder röhrenförmige Spaltstoff der Fig. 4 und 5 kann durch Spritzguß und nachfolgendes Überziehen des Gußstückes hergestellt werden. Dieses Verfahren besteht in der Herstellung eines ringförmigen Stabes aus Brutstoff, z.B. ThO₂ durch Pressen oder Strangpressen mit einem geeigneten Bindemittel. Die Röhre wird dann getrocknet und vorgesintert, so daß man sie handhaben kann. Nachfolgend wird die Röhre in eine Aufschwemmung aus spaltbarem Material, z. B. UO₂, getaucht, das als dünner Überzug auf dem Th O₂ trocknet. Diese Röhre wird dann bei hohen Temperaturen gesintert. Die Umhüllung für die innere und äußere Wärmeübertragungsfläche wird nach einem der bekannten Verfahren aufgetragen.

Der plattenförmige Spaltstoff der Fig. 6, 7 und 8 wird unter Anwendung der hierfür bekannten Verfahren hergestellt. Die Spaltstoffplatten selbst mit ihren mit einem spaltbaren- Element angereicherten Außenflächen können entweder durch das oben beschriebene Preß- oder das Gußverfahren mit nachfolgendem Überziehen hergestellt werden. Der geschichtete Spaltstoff mit den äußeren Schichten aus spaltbarem Material kann in den Rahmen, der die Innenschicht des Brennstoffelementes bildet, eingesetzt und dann zwischen den beiden umhüllenden Schichten warmgewalzt werden. Dieser Vorgang verdichtet das Spaltmaterial zusätzlich und verbindet die Umhüllung dauerhaft mit dem Rahmen, der eine flüssigkeitsfeste und korrosionsbeständige Abgrenzung bildet.

Die anderen üblichen Verfahren, die den Fachleuten bekannt sind, können an Stelle der beschriebenen benutzt werden, um das Brennstoffelement nach der Erfindung zur Verwendung in einem Kernreaktor herzustellen.

Abschließend soll auf Fig. 9 eingegangen werden. Fig. 9 stellt eine in senkrechter Richtung verkürzte

Ansicht einer der üblichen Anordnungen von Brennstoffelementen nach der Erfindung dar. Diese Anordnung von Brennstoffelementen ist für den Betrieb bei hohen Temperaturen zwischen 538 und 593° C mit einem flüssigen Metall, z. B. Natrium, Natrium-Kalium-Eutektikum (NaK), Quecksilber usw., als Kühlmittel und Graphit als Moderator bestimmt. Es sind Teile der oberen und der unteren Halteplatten 80 bzw. 82 dieses Systems gezeigt. Der Graphitmoderator 84, der Spaltstoffkanal 86 und die Umhüllung 88 umgeben die Brennstoffelementeinheit, die senkrecht im Gehäuse angeordnet ist. Weiterhin sind eine untere Muffe 90 für den Kühlmitteleinlaß, eine Öffnung 92 in der unteren Gitterplatte 82, eine Röhre 94, die als Strömungskanal die Brennstoffelemente umgibt, ein abhebbarer Teil 96 mit einer Feststellschraube 98, ein unterer und ein oberer Trennblock 100 bzw. 102 und sieben Brennstoffelemente, die zu sechs gebündelt eine mittlere Einheit umgeben, vorgesehen. Das Kühlmittel tritt durch den Einlaß 104 in der Muffe 90 ein, fließt durch die Öffnungen 106 in dem unteren Trennblock 100 aufwärts um die Spaltstoffröhren und durch die Öffnung 108 in der Röhre 94 und weiter durch die Öffnungen 110 im abhebbaren Teil 96 nach außen ab.

Die Brennstoffelemente dieser Ausführungsform sind etwa 4,58 m lang und zwischen der unteren und oberen Halterung 112 bzw. 114 befestigt. Der untere aktive Spaltstoffteil 116 ist 3,05 m lang und ring- oder röhrenförmig mit einer Öffnung oder Aussparung 118 in der Mitte, durch die keine Flüssigkeit fließt und die deshalb nicht umhüllt ist. Diese Aussparung 118 dient zur Sammlung der gasförmigen Spaltungsprodukte und setzt die thermischen Spannungen im Spaltstoff erheblich herab. Die äußere Wärmeübertragungsfläche jedoch ist mit einer Umhüllung aus nichtrostendem Stahl 120 umgeben, welche sich zwischen der unteren und der oberen Halterung 112 bzw. 114 erstreckt.

Der ringförmige Teil 122 aus Brutstoff ist eine 4,1275 mm starke (radiale) Röhre aus gesintertem Th²³²O₂ mit einem äußeren Durchmesser von 14,86 mm und einer mittleren Öffnung 118, deren Durchmesser 6,6 mm beträgt. Die Röhre wird von einer 0,8265 mm starken (radialen) Schicht aus ThO₂-UO₂ umgeben, die etwa 3°/o U²³⁵O₂ enthält Diese Schicht nimmt die äußeren 22 Volumprozent des Brennstoffes ein und wird von einer 17,018 mm starken (radialen) Schicht 120 aus nichtrostendem Stahl umhüllt. Der äußere Durchmesser des geschichteten Brennstoffelementes beträgt 17,018 mm. Der Abstand zwischen der Mitte eines Brennstoffelementes und der Mitte des nächsten beträgt bei dieser Anordnung 20,47 mm, und der äußere Durchmesser des Kanals 94, der dieses System umgibt, ist etwa 63,5 mm breit.

510 solcher Systeme bilden einen Reaktorkern. Sie sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet, dessen gegenüberliegende Teile einen Abstand von 24,13 cm haben und in dem der Abstand von Mitte zu Mitte der Systeme etwa 14 cm beträgt. Der Moderator und Reflektor besteht aus 270 hexagonalen Graphitblöcken, deren Flächen 25,4 cm breit sind und die halbkreisförmige Vertiefungen an den Kanten für das Einsetzen der Brennstoffelemente besitzen. Der mittlere Durchmesser des Reaktionskernes beträgt 4,64 m, die Höhe 4,27 m; der Reflektor ist etwa 61 cm dick und der mittlere äußere Durchmesser der Reaktorkern-Reflektor-Anordnung ist 5,68 m. Die Brennstoffladung beträgt insgesamt 20,589 kg, die so verteilt sind, daß jede Anordnung von je sieben Brennstoffelementen 40,27 kg und jede Einheit 5,76 kg Brennstoff enthält. Flüssiges Natrium fließt als Kühlmittel durch diesen Reaktor und tritt bei einer Temperatur von 371° C ein und verläßt ihn bei etwa 538° C. Die elektrische Reaktorleistung beträgt 200 MW.

Die Brutstoffe, die als Kern der Brennstoffelemente nach der Erfindung verwendet werden, sind U²³⁸ oder Th²³² oder deren Mischungen oder Verbindungen, z. B. Oxyde oder Karbide, oder Legierungen des Urans mit Al, Be, Cr, Fe, Pb, Mn, Ni, Si, Sn, Ti, Zr.

Das spaltbare Material ist anfänglich elementares U²³³, bei Verwendung von U²³⁸ ebenso wie bei Verwendung von Th²³² (als Brutstoff kern). Wenn der Reaktor läuft, sollte man entweder Pu²³⁹ oder U²³³ als endgültige spaltbare Elemente benutzen. Verbindungen von U²³⁵, z. B, Oxyde oder Karbide, sowie Legierungen von U²³⁵ mit einem oder mehreren der oben aufgeführten metallischen Elemente können in gleicher Weise angewendet werden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einem Kern, der nicht an die Wärmeübertragungsfläche des Brennstoffelementes grenzt und der einen Brutstoff und ursprünglich im wesentlichen keinen Spaltstoff enthält, und aus einem an den Kern angrenzenden äußeren Teil, der an die Wärmeübertragungsfläche grenzt und der ursprünglich im wesentlichen den gesamten Spaltstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des äußeren Teiles 1,0 bis 40% des Gesamtvolumens des Brennstoffes (ohne Umhüllung) beträgt.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brutstoff aus den Elementen U²³⁸, Th²³² oder deren Verbindungen besteht.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Stabes oder einer verhältnismäßig dünnen Platte hat.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 037 609.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 627/339 10.60