DE1299773B

DE1299773B - Brennelementanordnung fuer einen mit fluessigem Metall gekuehlten schnellen Brutreaktor

Info

Publication number: DE1299773B
Application number: DEU11772A
Authority: DE
Inventors: Mcnelly Malcolm John
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1964-06-03
Filing date: 1965-06-02
Publication date: 1969-07-24
Also published as: NL6507055A; BE664802A; US3238105A; SE306117B; FR1444307A; GB1042543A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft eine Brennelementanord- kühlten schnellen Brutreaktor zu schaffen, deren nung für einen mit flüssigem Metall gekühlten schnei- Neutronenwirtschaftlichkeit hoch ist, die ein Entlen Brutreaktor, mit einem zentral angeordneten, lüftungssystem für die gasförmigen Spaltprodukte hat, Neutronen absorbierenden Regelstab, mit einer An- das so beschaffen ist, daß die radioaktiven Spaltgase zahl achsparallel angeordneter Kühlmitteldurchfluß- 5 sicher aus dem Reaktor abgezogen werden, und die rohre, mit zwischen den Kühlmitteldurchflußrohren verbesserte Sicherheitseigenschaften im Betrieb hat. achsparallel angeordneten, einen Spaltstoffbereich Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

bildenden Spaltstoffkörpern, mit einem oberhalb und gelöst, daß eine Abführleitung für Spaltgase zwiunterhalb des Spaltstoffbereichs vorgesehenen Brut- sehen dem oberen Ende des Spaltstoffbereichs und Stoffbereich und mit einer das Ganze umschließenden io einen sich unterhalb des unteren Brutstoffbereichs Hülle. befindenden Lüftungssystem angeordnet ist, das mit

Dadurch, daß die Brutmantelabteilungen sich un- einer Spaltgasabführrohrverzweigung des Reaktors mittelbar an den Enden der Brennelementabteilung unterhalb der Brennelementanordnung Strömungsbefinden, wird — neben der Strahlungsschutzwir- mäßig verbunden ist, daß mehrere Schichten aus kung — eine bessere Ausnutzung der schnellen Neu- 15 wärmeleitenden, praktisch keine Wärme erzeugentronen bei der Produktion neuen Brennstoffs aus den Materialien voneinander beabstandet den Spalt-Brutstoff erzielt. Da ein großes Kühlmittelvolumen Stoffbereich senkrecht zur Brennelementachse durchin dem Kern dazu führt, daß die Neutronen ab- setzen, die Schichten mit den Kühlmitteldurchflußgebremst werden, so verstärkt der Gebrauch von rohren wärmeleitend verbunden sind, um ein Schmel-Kühlmittelrohren, die das Verhältnis von Kühlmittel ao zen des Zentralbereichs der Spaltstoffkörper zu verzu Brennstoff reduzieren, nicht nur den Fluß schnei- hindern, und daß zum Verhindern des Zusammenler Neutronen, sondern vergrößert auch die Be- Sinkens der übereinandergeschichteten Spaltstoffkörtriebssicherheit. Diese Vergrößerung der Sicherheit per eine große Zahl plattenförmiger Metallsperren wird dadurch erzielt, daß ein Anwachsen der Reakti- mit hohem Schmelzpunkt voneinander und den vität infolge Kühlmittelentleerung oder Kühlmittel- 25 Schichten beabstandet und parallel zu diesen im Spaltverlust bei hoher Arbeitstemperatur herabgesetzt Stoffbereich angeordnet sind.

wird, da ein kleinerer Anteil der zur Verfügung Bei der Ausführung eines Entlüftungssystems

stehenden schnellen Neutronen von dem Kühlmittel für die gasförmigen Spaltprodukte kann eine dünnere abgebremst oder absorbiert wird. Die anteilige Brennelementhülle verwendet werden, die eine ge-Schwankung des schnellen Neutronenflusses in dem 3° ringere Neutronenabsorption hat. Reaktorkern ist deshalb geringer. Die Aufrecht- Ein Ausführungsbeispiel der oben beschriebenen

erhaltung vereinfachter Verfahren der Brennstoff- Brennelementeinheit wird an Hand der Zeichnung aufnahme zur Reduzierung der Reaktorbaukosten näher erläutert; in dieser ist

und zur Verhinderung der Entwicklung gefährlicher F i g. 1 ein Längsteilschnitt durch die Brenn-

Reaktivitätsbedingungen während der Brennstoff- 35 elementanordnung,

aufnahme wird durch die Verwendung eines zentralen F i g. 2 ein durch die Linie 2-2 gelegter Schnitt

Regelstabes erreicht, der zu dem Ganzen der Brenn- durch die Brennelementanordnung, elementanordnung als Teil gehört. Einer oder meh- F i g. 3 eine Ansicht einiger typischer Brennstoff-

rere Regelstäbe können verwendet werden, um die tabletten,

Neutronen zu absorbieren, was die Konstruktion 40 F i g. 4 ein Teilschnitt durch das Entlüftungssystem noch größerer einzelner Brennelementanordnungen, für das gasförmige Spaltungsprodukt am Bodengestell als sie bis dahin normalerweise ausführbar waren, der Brennelementanordnung,

erlaubt. Deshalb kann die Anzahl der Brennelement- F i g. 5 ein Längsschnitt durch das obere Stück

anordnungen, die für einen Reaktorkern erforderlich der Brennelementanordnung, der den oberen Teil des sind, reduziert werden, was Ersparnisse bei der Hand- 45 Entlüftungssystems für das Spaltungsprodukt zeigt, habung der Elemente bewirkt und automatische Ver- F i g. 6 ein Schnitt durch die Abteilung für den

fahren der Fertigung und des Zusammenbaus der spaltbaren Brennstoff, der Mittel zur Verhinderung Teile jeder Brennelementanordnung zuläßt. Überdies von Zentralschmelzen und Zusammensinken des wird, da jede Brennelementanordnung mit einem Brennstoffs zeigt, eigenen Regelstab oder eigenen Regelstäben aus- 5° Fig. 7a, 7b und 7c Längsschnitte durch typische gestattet ist, ein gefährliches Anwachsen der Reak- Kühlmitteldurchflußrohre,

tivität infolge zu schnellen Einsetzens einer Brenn- Fig. 8 ein Teilschnitt, der eine typische Brutelementanordnung in einem Reaktorkern im Laufe mantelkonstruktion zeigt, einer Brennstoff aufnahme herabgesetzt. F i g. 9 ein Schnitt durch einen typischen mit

Zu den Problemen bei der Entwicklung von mit 55 flüssigem Metall gekühlten Schnellbrutreaktor, der flüssigem Metall gekühlten Schnellbrutreaktoren ge- den Ort und die Einordnung einer Brennelementhört die Erhaltung hoher Neutronenwirtschaftlich- anordnung zeigt.

keit trotz derleistungsreduzierenden,neutronenabsor- Entsprechend Fig. 1 umfaßt die Brennelementbierenden dicken Metallverkleidung, die notwendig anordnung allgemein eine äußere sechseckige, röhist wegen des Drucks der radioaktiven Spaltprodukt- 60 renförmige Hülle 11, die einen Spaltstoffbereich 12 gase, die während des Abbrandes spaltbaren Brenn- für den spaltbaren Brennstoff enthält, den oberen Stoffs erzeugt werden. Ein weiteres Problem ist die Brutstoffbereich 13, den unteren Brutstoffbereich 14, Aufrechterhaltung sicherer Betriebseigenschaften im an dessen unterem Ende das Entlüftungssystem 50, Hinblick auf ein Schmelzen des Zentralbereichs der eine große Anzahl von Kühlmitteldurchflußrohren Spaltstoffkörper und Zusammensinken des spalt- 65 17, die der Länge nach hindurchgehen, und den baren Brennstoffs. zentral angeordneten Regelstab 25. Das Entlüftungs-

Es ist also Aufgabe dieser Erfindung, eine Brenn- system 50 für die gasförmigen Spaltprodukte, das elementanordnung für einen mit flüssigem Metall ge- ganz unten an der Brennelementanordnung liegt, ist

I 299 773

3 4

an eine Abführleitung 51 für die Spaltgase an- tungsprodukt-Entlüftungssystem fließt, während die geschlossen, die die ganze Länge des Spaltstoff- Brennelementanordnung an ihrem Platz ist. bereichs 12 und des unteren .Brutstoffbereichs 14 Entsprechend F i g. 5 ist ein Gasspeicherbereich

durchsetzt, innen an der Hülle 11 anliegt und in 58 nahe dem oberen Ende des Spaltstoffbereichs 12 ihrem oberen Teil mit Öffnungen 57 (F i g. 5) und an 5 zwischen der Scheibe 40 an seinem oberen Ende ihrem oberen Ende mit einem Verschlußzapfen 59 und dem spaltbaren Brennstoff 19 vorgesehen, der (F i g. 5) versehen ist. Unten endet die Abführleitung mit den Öffnungen 57 der Abführleitung 51 in Ver-51 mit einem Kugelrückschlagventil als ein in einer bindung steht. In der bevorzugten Ausführung ist Richtung wirkendes Durchlaßventil 52 in dem Spalt- der besagte Gasspeicherbereich 58 mit Berylliumgassammelraum 53, der durch eine Trennplatte 22 it> körnerisolierung od. dgl. gefüllt. Im Betrieb diffunbegrenzt ist, die z. B. durch Schweißung dicht an die dieren die Spaltgase, die durch die Spaltung des Wände des konischen Stücks der Hülle 11 angeschlos- spaltbaren Brennstoffs im Spaltstoffbereich 12 ersen ist, das ebenfalls durch Schweißung an die zeugt werden, durch besagten Brennstoff und werzylindrische Endführung 15 am unteren Ende der den in dem Gasspeicher 58 gesammelt, wo sie in-Brennelementanordnung dicht angeschlossen ist. In 15 folge des zunehmenden Gasdrucks bei der Entwickden Spaltgassammelraum 53 reicht von unten durch lung der Spaltungsprodukte durch die Öffnungen 57 die Endführung 15 das umgekehrte U-Rohr 54 hin- in dem oberen Teil der Abführleitung 51 gehen, diese ein, dessen Öffnung 56 am oberen, kurzen Sehen- Abführleitung 51 hinunterströmen, das Kugelventil kelende unter der Oberfläche des im Spaltgassammel- 52 zum Öffnen zwingen und dann in den Spaltgasraum 53 befindlichen Kühlmittels 16 (flüssiges Metall) ao sammelraum 53 eintreten. Der Verschlußzapfen 59 liegt. Dieses Kühlmittel ist vorzugsweise flüssiges im oberen Ende der Abführleitung 51 dient lediglich Natrium. Der längere Schenkel des U-Rohres 54, dazu, die Fabrikation zu erleichtern und zu verhinder über die Endführung 15 hinausragt, endet in dem, daß die Gase aus dem Brennelement aus- und einem erweiterten Schenkelendteil 55. in das Kühlelement (flüssiges Metall) hineinströmen.

Als ein Teil des Entlüftungssystems für die Spalt- 25 Das Kugelrückschlagventil 52 dient dazu, den Rückgase ist außerhalb der Brennelementanordnung ein strom von Spaltgasen oder Kühlmittel (flüssiges unteres Gestell 75 vorgesehen, das die Zentralleitung Metall) aus Raum 53 in die Abführleitung 51 zu ver-77 einschließt, die ein Klappenventil 78 hat, das die hindern. Wenn der Gasdruck in Raum 53 einen Wert öffnung an ihrem oberen Ende bedeckt. An ihrem erreicht, der genügt, die Kraft zu überwinden, die unteren Ende öffnet sich die Leitung 77 in eine 30 erforderlich ist, um das Kühlmittel (flüssiges Metall) Spaltgasabführrohrverzweigung 76 des Reaktors, 16 durch das umgekehrte U-Rohr 54 hinauszutreiben, deren Durchbildung später eingehender beschrieben d. h., wenn der Spitzendruck überschritten wird, der wird. Das Klappenventil 78 ist mit der oberen Öff- bestimmt ist durch die Dichte des Kühlmittels und nung in einer eingesenkten Bohrung 80 unter den er- die Höhe des »U«-Teiles über der Öffnung 56, dann weiternden Führungsflächen 81 des Gestells 75 an- 35 gehen die Spaltgase samt einer kleinen Menge von gebracht, um den Zufluß von Kühlmitteln (flüssiges Kühlmittel (flüssiges Metall) 16 durch das U-Rohr Metall) von dem Kernbereich in die Spaltgasabführ- 54, über das Klappenventil 78, durch die Zentralrohrverzweigung 76, während eine Brennelement- leitung 77 in die Spaltgasabführrohrverzweigung 76. anordnung sich nicht in dem Kern befindet, zu ver- Aus der Rohrverzweigung 76 werden die Spaltgase hindern. Im einzelnen sind ferner der erweiterte 40 abgezogen zu (nicht gezeigten) Verfahrens- und Schenkelendteil 55 des U-Rohres 54 und das Klap- Speichermitteln außerhalb des Reaktors, penventil 78 so koordiniert, daß die Ventilklappe 78 Weitere die Konstruktion der vorliegenden Brenn-

zum Öffnen veranlaßt wird, wenn der erweiterte elementanordnung betreffende Einzelheiten sind aus Schenkelendteil 55 in den oberen Teil der Leitung 77 F i g. 2 zu ersehen, in der der Spaltstoffbereich 12 in niedergeht. Dadurch, daß das Klappenventil 78 so 45 eine sechseckige Hülle 11 eingeschlossen ist, die an eingebaut ist, daß es um eine horizontale Achse ihrer Außenfläche Distanzmittel 18 hat, welche schwenkt, und daß ein Teil der Ventilklappe auf der Blöcke, Laschen, vorstehende Teile od. dgl. sein Seite des Drehpunktes gegenüber dem Klappteil können, und einen Raum schaffen zwischen den herausragt, kann der erweiterte Schenkelendteil 55 einen Reaktor bildenden Brennelementanordnungen besagten vorspringenden Teil angreifen und dadurch, 50 mit Rücksicht auf die Ausdehnung und als andaß er ihn niederdrückt, die Klappe veranlassen, sich gemessenen Zwischenraum zur Erleichterung des darin zu heben. Man beachte, daß der Innendurch- Einbaus der Anordnung in den Kern. Zur Verhinmesser der Bohrung 80 im Gestell 75 und der Außen- derung des Zusammenstoßens benachbarter Brenndurchmesser des erweiterten Schenkelendteils 55 so elementanordnungen sollten vorzugsweise mindestens eingerichtet sind, daß sie ein kleines Spiel haben. 55 drei Distanzstücke je Seite verwendet werden, die an Wegen des kleinen Spiels kann, wenn der erweiterte auf verschiedene Ebenen über die Oberfläche ver-Schenkelendteil 55 niedergeht, den vorstehenden Teil teilten Stellen anzubringen sind. Der Länge nach den des Klappenventils 78 angreift und das Klappenventil Spaltstoffbereich 12 durchziehend, ist eine große öffnet, bevor die Fläche des unteren Endes der End- Anzahl Kühlmitteldurchflußrohre 17 in regelmäßiger führung 15 die Sitzfläche 79 überdeckt, etwas Kühl- 60 Anordnung und von dem spaltbaren Brennstoff 19 mittel (flüssiges Metall) in die Rohrverzweigung 76 umgeben vorgesehen. Zentral angeordnet und mit der hereinlaufen. Die Sitzfläche 79, ausgebildet als ein- Längsachse der Brennelementanordnung zusammenspringender Absatz unter der oberen sich erweitern- fallend ist der Regelstab 25, der in dem Regelstabden Führungsfläche 81 des Gestells 75, ist so ein- rohr 26 mit ausreichendem Spiel gleitet, um leicht gerichtet, daß sie auf die untere Fläche der unteren 65 herausgezogen und eingesetzt werden zu können, wie Endführung 15 paßt und mit ihr einen dichten Ver- es für die Regelung der Reaktivität mit dem Reaktorschluß bildet. So wird verhindert, daß Kühlmittel kern erforderlich ist. Die Konstruktion und das (flüssiges Metall) von dem Reaktorkern in das Spal- Material des besagten Regelstabes 25 können mit

5 6

auf dem Gebiet wohlbekannten Verfahren und Mate- gebenen Tablette beschränkt. Die unterbrochene rialien übereinstimmen. Außerdem ist der Regelstab Linie 112 der F i g. 6 veranschaulicht ein solches Ge-25 eingerichtet, ein Teil der Brennelementanordnung biet, wie es während normalem Reaktorbetrieb aufzu sein. Er bleibt während der Brennstoffaufnahme treten könnte.

an seinem Platz in dem Brennelement, um Neutronen 5 Um ein Zusammensinken des Brennstoffs zu verzu absorbieren und zu verhindern, daß ein kritisches hindern, sind mehrere Metallsperren 111 mit hohem Verhalten erreicht wird, falls eine Brennelement- Schmelzpunkt und geringem Neutronenabsorptionsanordnung während der Brennstoffaufnahme in den querschnitt, vorzugsweise aus Wolframplatten od. dgl., Kern des Reaktors unter Umständen eingesetzt wer- quer durch den Spaltstoffbereich 12 angeordnet. Die den sollte, aus denen ein überkritisches Verhalten io Metallsperren 111 können mechanisch, etwa durch entstehen könnte. Hartlötung od. dgl., von den Kühlmitteldurchflußroh-

Der spaltbare Brennstoff 19, der die Kühlmittel- ren 17 gehalten werden. Sollte Zusammensinken des durchflußrohre 17 umgibt, kann entweder ein vibra- Brennstoffs eintreten, wird es so auf ein kleines Getionsverdichtetes Gemisch von spaltbarem Brenn- biet zwischen den Metallsperren 111 und den Schichstoff und Moderatormaterial oder spaltbarem Brenn- 15 ten 110 beschränkt.

stoff, Brutstoff und Moderatormaterial sein, das Die Kühlmitteldurchflußrohre 17 sind in dem

gleichmäßig über den Spaltstoffbereich 12 verteilt ist, bevorzugten Ausführungsbeispiel von besonderer oder es kann eine verdichtete Brennstofftablette 101 Konstruktion, nicht nur um die Turbulenz zu ver-(F i g. 3) sein in Gestalt eines gepreßten Briketts, das großem und die Wärmeübertragung von dem spaltso geformt ist, daß es zwischen die Kühlmitteldurch- 20 baren Brennstoff zu dem durch den Kern fließenden flußrohre 17 paßt. Auch hier kann die Tablette 101 Kühlmittel zu erleichtern, sondern auch um das entweder ein Gemisch von spaltbarem Brennstoff und Volumen des Kühlmittels in dem Kern weiterzuredu-Moderatormaterial sein oder von spaltbarem Brenn- " zieren. Diese Reduzierung des Kühlmittelvolumens stoff, Brutstoff und Moderatormaterial. Ferner kön- reduziert weiter die Gefahr einer schnellen Zunahme nen auch getrennte Tabletten allein aus spaltbarem 25 an Reaktivität, falls Entleerung oder Verlust des Brennstoff, Brutstoff oder Moderatormaterial ver- Kühlmittels eintreten sollte. Die F i g. 7 a, 7 b und 7 c wendet werden. Diese getrennten Tabletten würden veranschaulichen drei Gestaltungen von Kühlmittelim Spaltstoffbereich 12 in regelmäßiger Anordnung durchflußrohren, die für den Gebrauch in der Brennverteilt werden, damit alle Materialien gleichmäßig elementanordnung dieser Erfindung geeignet sind, den durch die Spaltung des spaltbaren Materials er- 30 Alle drei Gestaltungen haben Durchmesserschwanzeugten Neutronen ausgesetzt werden. Bogenförmige kungen der Rohre, die in einem Abstand von einem Ausschnitte 102 sind an der Brennstofftablette 101 so Mehrfachen des Maximaldurchmessers des Rohres angebracht, daß sie sich genau den Konturen der entlang der Länge des Rohres regelmäßig wieder-Kühlmitteldurchflußrohre 17 anpassen, um eine hohe kehren. Diese Schwankungen sind im besonderen Wärmeableitung aus den Tabletten zu gewährleisten. 35 vorgesehen, um das Kühlmittel in dem Kern weiter-Die Anwendung der bogenförmigen Ausschnitte 102 zureduzieren gegenüber einer geraden Rohrgestaltung hat zweifachen Vorteil, erstens wird eine größere ohne diese Schwankungen. In F i g. 7 a bleibt der Oberfläche für die Wärmeübertragung geschaffen Außendurchmesser des Rohres konstant, während und zweitens ein kürzerer Abstand zur Mitte der der Innendurchmesser sich ändert. In F i g. 7 b bleibt Tablette gegenüber zylindrischer Gestaltung erreicht, 4° die Rohrwanddicke konstant, während sowohl Inder die Wärmeableitung vergrößert und damit die nen- wie Außendurchmesser sich ändern. Im Gegen-Möglichkeit des Schmelzern der Mitte der Tablette satz dazu veranschaulicht F i g. 7 c ein Kühlmittelverringert, durchflußrohr, bei dem das Kanalprofil durch stufen-Um die Phänomene zu verhindern, die mit dem weise fortschreitende und partielle Abflachung des Schmelzen des Zentralbereichs des spaltbaren Brenn- 45 Rohres verändert ist. Das abgeflachte Stück kann Stoffs 19 einhergehen, und ferner die Gefahren des entweder an derselben Fläche entlang dem Rohr an-Zusammensinkens des Brennstoffs zu reduzieren, geordnet sein oder, um die Längsachse gedreht, an welche die durch Schmelzung oder Überhitzung ver- verschiedenen Flächen des Rohres. Die Kühlmittelursachte Reaktivität vergrößern können, sind Mittel durchflußrohre 17 sind an ihrem unteren Ende gegen das Zusammensinken und die Zentralschmel- 50 (Fig. 8) z.B. durch Schweißung an der Bodenzung vorgesehen, die in F i g. 6 veranschaulicht sind. platte 41 befestigt und dicht angeschlossen, ebenso Wie darin gezeigt ist, ist eine große Zahl von Schich- auch an ihrem oberen Ende (F i g. 5) an die Deckten 110 von einer Dicke etwa gleich dem Abstand platte 40.

zwischen den Rohren 17, mit Zwischenräumen senk- Der obere Brutstoffbereich 13 und der untere Brutrecht zur Brennelementachse durch den Spaltstoff- 55 Stoffbereich 14 gleichen einander in Konstruktion bereich 12 laufend, vorgesehen. Diese Schichten 110 und Zweck, sie dienen als Neutronenabsorber sosollten vorzugsweise aus weniger angereichertem oder wohl für die Abschirmung wie für die Produktion geringere Wärme erzeugendem UO₂ oder anderem (Brüten) neuen Brennstoffs. Der untere Brutstoffwiderstandsfähigen Material bestehen, um als bereich 14 weist gelochte Endplatten 30 auf, die eine leitende, nichtschmelzende Sperre zu dienen. Die be- 60 große Zahl von Löchern oder Öffnungen 34 für den sagten Schichten 110 führen, als nichtwärmeerzeu- Durchtritt des Kühlmittelstroms durch den Brutgende Sperre dienend, dazu, die Brennstoffarbeits- Stoffbereich haben, der in einer vorgegebenen Antemperatur in der Nähe besagter Schicht 110 unter Ordnung mittels der Stifte 35 gehalten ist und eine den Schmelzpunkt herabzusetzen, und leiten die be- große Zahl von Behältern 31 für Brutmaterial hat. sagte Wärme zu dem Kühlmittel 16, das durch die 65 Die Behälter 31, um die außen das Reaktorkühlmit-Kühlmitteldurchflußrohre 17 fließt. Wo Zentral- tel strömt, haben ein äußeres, dicht verschlossenes Schmelzung eintritt, bleibt ihr Gebiet auf den Zen- Behälterrohr 32, das den Bezirk für Brutmaterial tralbereich der von ungeschmolzenem Brennstoff um- abgrenzt. Das Brutmaterial 33 kann die Form von

Claims

7 8

gepreßten Tabletten, Scheiben, Prägungen, Stangen Schnellbrutreaktor den Ort und die Einordnung der od. dgl. haben und aus einem Material bestehen, das oben beschriebenen Brennelementanordnung, später beschrieben werden soll. Während der obere Als typisches Ausführungsbeispiel sind die Para-Brutstoffbereich 13 so eingerichtet ist, daß er als meter für ein Brennelement mit einer Spitzenleistung Ganzes von oben in das Brennelement eingebaut 5 von 40MW (thermisch) in der folgenden Tabelle wird, ist der untere Brutstoffbereich 14 dafür ein- aufgeführt, gerichtet, von der Seite durch das abnehmbare Hüllenstück 23 im unteren Teil der Hülle 11 in das Dimensionen: Brennelement als Ganzes eingebaut zu werden, um

die Unversehrtheit des Entlüftungssystems für das io Gesamtlänge 167,64 cm

Spaltgas zu erhalten und Störung des Spaltstoff- Aktive Länge 122,0 cm

bereichs 12 zu vermeiden. Der obere und der untere wt~+^ a^ -b^^^^^+o _in nc ~~,

τ,,.™, · -u -ti JtA a ... , . Weite der Brennelemente ... 19,05 cm

Brutstoffbereich 13 und 14 werden vermittels emer _e l_v-_c._{aU rai1}._a

a 1.1 TN-J. j.·· ι ι/· ■ au * j j acnlusselweite

Anzahl von Distanzstucken 36 im Abstand von den n;_cke der Verkleidung

Enden des Spaltstoffbereichs 12 gehalten. Die besag- 15 (äußere Hülle) 0 381 cm

ten Distanzstücke sind, um eine Blockierung des _ ' '

Kühlmittelstroms zu vermeiden, zwischen den Dicke der Endplatte 1,27 cm

Strömungswegen für den Kühlmittelstrom angeordnet Innendurchmesser der Kühl-

und sind hoch genug, um den Speicherraum 37 zu mitteldurchflußrohre 0,762 cm

bilden, damit ein gleichmäßiges Strömen sowohl 20

durch den Spaltstoffbereich 12, d. h. durch die Abstand zwischen den Kühl-Kühlmitteldurchflußrohre 17, als auch durch den mitteldurchflußrohren .... 1,27 cm oberen und den unteren Brutstoffbereich 13 und 14 Wanddicke der Kühlmittelstattrinden kann. Die ganze Anordnung aus Brenn- durchflußrohre 0,0762 cm

Stoffbereich 12 und den Brutstoffbereichen 13 und 14 25 _{Innendurchmesser des Regel}.

hegt rn der Hülle 11 auf emer gelochten Stutz- _stabrohres .. 1,524 cm

platte 21 auf.

Während des Betriebs fließt das Reaktorkühlmittel Gewicht 340 kg

16 entweder durch Konvektion oder durch Druck

durch die nahe dem Boden der Brennelementanord- 30 Verhältnis der Bestandteile des Kerns (Volumprozent):

nung in der Hülle 11 befindlichen Kühlmittelöffnun- Spaltbarer Brennstoff

^%ΤΪ\Τ*Α ^geht ₊ ^hinai trlu ^die· Ä^Chj^{e S}c^tÜtZ" (12°/° angereichertes U»b) 40 platte 21, den unteren Brutstoffbereich 14, den Spei-

cherraum 37 in die Kühlmitteldurchflußrohre 17. Leerer Raum u. a 5

Nachdem sich seine Temperatur durch Wärmeüber- 35 Kühlmittel (flüssiges Natrium) 35

traeung von dem spaltbaren Brennstoff 19 durch die _A „ , . , ,„,«„„

Wände der Rohre 17, unterstützt durch die in den ^Aufbau (nichtrostender Stahl) 20

Fig. 7a, 7b oder 7c dargestellten Turbulenz her- .

vorrufenden Mittel, erhöht hat, geht das Kühlmittel Leistung:

16 dann durch den oberen Brutstoffbereich 13 in 40 Kühlmittelstrom etwa 0,34 · 10⁶ kg/hr

einen (nicht gezeigten) Speicherraum und mischt sich .

mit anderem Kühlmittel, das durch andere gleiche Kuhlmitteltemperatur-

Brennelemente in dem Kern erwärmt ist. differential 333 C

In der Brennelementanordnung umschließt der Spezifische Leistung 200 kw/kg gesamtes

Brutprozeß sowohl die Produktion neuen Brennstoffs 45 spaltbares und

zur späteren Entnahme durch chemische Mittel für Brutmaterial

den Gebrauch in anderen Reaktoren wie auch die Brennelementleistung .. etwa 40MW

Produktion neuen Brennstoffs m dem Brennelement ⁶ (thermisch)

für den Verbrauch darin an Ort und Stelle. Ein ^ '

typischer Prozeß zur Produktion neuen Brennstoffs 50 Patentansprüche* wie Pu-239 vollzieht sich bekannterweise nach dei

folgenden Reaktion: 1. Brennelementanordnung für einen mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Brutreaktor,

U238(_M «λ U239 _> Np²³⁹ _;, Pu²³⁹. ™* einem zentral angeordneten, Neutronen ab-

ß~ β 55 sorbierenden Regelstab, mit einer Anzahl achsparallel angeordneter Kühlmitteldurchflußrohre,

In der gleichen Weise kann, wie ebenfalls bekannt mit zwischen den Kühlmitteldurchflußrohren achsist, U²³³ hergestellt werden, indem Th²³² als Brutstoff parallel angeordneten, einen Spaltstoffbereich bilgebraucht wird. So kann, indem Brut- und spaltbares denden Spaltstoffkörpern, mit einem oberhalb Material im Spaltstoffbereich 12 kombiniert werden, 60 und unterhalb des Spaltstoffbereichs vorgesehenen der produzierte Brennstoff Pu²³⁹ oder U²³³ verbraucht Brutstoffbereich und mit einer das Ganze umwerfen, um höheren Abbrand zu erreichen. Baut schließenden Hülle, dadurch gekennman die Brutstoffbereiche 13 und 14 aus der Brenn- zeichnet, daß eine Abführleitung (51) für elementanordnung aus, so kann das Pu²³⁹ oder das Spaltgase zwischen dem oberen Ende des Spalt-U²³³ für den Gebrauch in anderen Reaktoren 65 Stoffbereichs (12) und einem sich unterhalb des chemisch getrennt werden. unteren Brutstoffbereichs (14) befindenden Ent-

F i g. 9 veranschaulicht in einem Schnitt durch lüftungssystem (50) angeordnet ist, das mit einer

einen typischen mit flüssigem Metall gekühlten Spaltgasabführrohrverzweigung (76) des Reaktors

909530/123

unterhalb der Brennelementanordnung strömungsmäßig verbunden ist, daß mehrere Schichten (110) aus wärmeleitenden, praktisch keine Wärme erzeugenden Materialien voneinander beabstandet den Spaltstoffbereich (12) senkrecht zur Brennelementachse durchsetzen, die Schichten (110) mit den Kühlmitteldurchflußrohren (17) wärmeleitend verbunden sind, um ein Schmelzen des Zentralbereiches der Spaltstoffkörper zu verhindern, und daß zum Verhindern des Zusammensinkens der übereinandergeschichteten Spaltstoffkörper eine große Zahl plattenförmiger Metallsperren (111) mit hohem Schmelzpunkt voneinander und den Schichten (110) beabstandet und parallel zu diesen im Spaltstoffbereich (12) angeordnet ist.
2. Brennelementanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Metallsperren (111) aus Wolfram oder einem anderen hochschmelzenden Werkstoff bestehen.
3. Brennelementanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spaltstoffbereich (12) bildenden Körper in der Form von gepreßten Tabletten (101) vorliegen, die flache Seiten aufweisen, die mit entsprechenden Seiten benachbarter Tabletten in Berührung stehen, und daß die gepreßten Tabletten ferner bogenförmige Ausschnitte (102) besitzen, die so geformt sind, daß sie an den Kühlmitteldurchflußrohren (17) wärmeübertragend anliegen.
4. Brennelementanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffbereich (12) eine große Zahl gepreßter Tabletten (101) aus einem Gemisch von spaltbarem Brennstoff und Moderatormaterial enthält.
5. Brennelementanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffbereich (12) eine große Zahl gepreßter Tabletten (101) aus einem Gemisch von spaltbarem Brennstoff, Moderatormaterial und Brutstoff enthält.
6. Brennelementanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffbereich (12) eine große Anzahl gepreßter Tabletten (101) aus spaltbarem Brennstoff enthält, die in regelmäßiger Verteilung mit einer großen Zahl gepreßter Tabletten (101) aus Moderatormaterial angeordnet sind.
7. Brennelementanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Spaltstoffbereich (12) die zueinander regelmäßig angeordneten gepreßten Tabletten (101) aus spaltbarem Brennstoff und aus Moderatormaterial in regelmäßiger Verteilung mit einer großen Zahl gepreßter Tabletten aus Brutstoff angeordnet sind.
8. Brennelementanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (110) aus U238 und/oder Th²³² bestehen.
9. Brennelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der spaltbare Brennstoff (29) aus U²³⁵ und/oder Pu²³⁹ und/oder U²³³ besteht.
10. Brennelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brutstoffbereiche (13, 14) eine große Zahl in regelmäßiger Verteilung angeordnete Behälterrohre (32) enthalten, die Mittel zur Aufnahme von U²³⁸ und/oder Th²³² aufweisen.
11. Brennelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Entlüftungssystem (50) ein in einer Richtung wirkendes Differentialdruck-Stromregelungsmittel vorgesehen ist.
12. Brennelementanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialdruck-Stromregelungsmittel einen sich nahe dem unteren Ende der Brennelementanordnung befindenden Spaltgassammelraum (53), ein im Spaltgassammelraum (53) angeordnetes, in einer Richtung arbeitendes Durchlaßventil (52), das das untere Ende der Abführleitung (51) abschließt, sowie ein umgekehrtes U-Rohr (54) aufweist, dessen oberes, kurzes Schenkelende mit seiner Öffnung (56) unter die Oberfläche von im Spaltgassammelraum (53) enthaltenem flüssigem Metall taucht und dessen unteres, langes, erweitertes Schenkelende (55) zum Anschluß des Entlüftungssystems der Brennelementanordnung an die Spaltgasabführrohrverzweigung (76) des Reaktors dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen