Brennelemente! Kugeln! Stäbe!
- Aufbau einer Brennelementkugel
In den unterschiedlichen Kernkraftwerkstypen werden auch verschiedenartige Brennelemente eingesetzt. So arbeiten Druck- und Siedewasserreaktoren mit Rohren von ca. 4 m Länge, in denen der Brennstoff Urandioxid in Tabletten von ca. 1 cm Durchmesser enthalten ist. Jeweils mehrere solcher Brenn- "Stäbe" bilden ein Brennelement, etwa 200 Brennelemente bilden den Kern (das Core) eines großen Reaktorblocks mit ungefähr 1300 MW elektrischer Leistung (zum Vergleich: Ein Windkraftwerk neuerer Bauart erzeugt etwa 1 MW, der zurzeit noch überwiegende Teil lediglich ~100 kW - 150 kW).
Die Brennelemente des AVR waren neuartig. Je nach eingesetztem Brennelementtyp enthalten sie etwa 20.000 - 40.000 einzelne Brennstoff-Partikel mit einem Durchmesser von ~0,4 mm, die von mehreren Schutzschichten umhüllt sind. Diese Partikel werden mit Matrixgraphit vermischt zu Kugeln gepresst, die ihrerseits von einer mindestens 0,5 cm dicken, brennstofffreien Graphitzone umhüllt sind. Etwa 100.000 dieser Kugeln bildeten das Herz des Reaktors, ihre lose Schüttung prägte seinen Namen: Kugelhaufenreaktor.
Die Umhüllung der Brennstoff-Partikel löste das Problem der Spaltproduktrückhaltung. In Ihrer ursprünglichen Form waren solche "Beschichteten Partikel" (coated particles) mit einem Durchmesser < 1 mm zweifach mit pyrolythisch abgeschiedenem Kohlenstoff umhüllt. Zuerst von einer Schicht geringerer Dichte zur Adsorption der Spaltprodukte, danach von einer Schicht höherer Dichte zur Rückhaltung dieser Produkte. Brennelemente mit solchen Partikeln wurden in der Vergangenheit in großer Zahl erfolgreich beim DRAGON - Reaktor in England, PEACH BOTTOM in USA, beim AVR sowie dem THTR 300 in Hamm - Uentrop eingesetzt.
- Zugabebox der Brennelementkugeln
Stand der Technik sind dreifach umhüllte Partikel, die zur noch besseren Rückhaltung der Spaltprodukte bei hohen Temperaturen eine zusätzliche Schicht Siliziumkarbid, eingebettet zwischen zwei Pyrokohlenstoffschichten, enthalten.
Dieser Partikeltyp wurde im AVR - Reaktor in großen Mengen getestet und im FORT ST. VRAIN Reaktor in Colorado eingesetzt. Gegenwärtig werden mit solcherart beschichteten Brennstoffpartikeln der Test-Reaktor HTTR (30 MW) in Japan und der HTR 10 (10 MW) in China betrieben.
Der Einsatz beschichteter Brennstoffpartikel ist allen HTR - Brennelementen gemein. Lediglich die äußere Form, in die die Elemente gepresst werden, ist unterschiedlich. Im Kugelhaufen - HTR sind diese Elemente als Graphitkugeln von 6 cm Durchmesser ausgebildet, die in Form einer ungeordneten Schüttung den Reaktorkern bilden (AVR, THTR 300, HTR 10). Im Gegensatz hierzu werden im Block - HTR mit Kühlgaszügen versehene blockförmige Brennelemente regelmäßig angeordnet. Die Ausführung der verschiedenen Reaktortypen ist somit unterschiedlich.
Die Sicherheit des Hochtemperaturreaktors gründet sich auf drei Ursachen:
- einer mechanisch / physikalisch robusten Umhüllung der Brennstoffpartikel, die auch hohen Temperaturen standhält (=> Rückhaltevermögen der Spaltprodukte)
- einer Leistungsdichte, die mit ca. 2,5 - 3 MW/m³ im Vergleich zu einem Druck- oder Siedewasserreaktor (~100 MW/m³) eher gering ausfällt
- der inhärenten Sicherheit, d. h. Sicherheit aufgrund der dem System innewohnenden physikalischen Eigenschaften, bei entsprechender Begrenzung der Reaktorleistungsgröße (modulare Reaktoreinheiten, Spaltproduktrückhaltung auch im Kühlmittelverluststörfall)
Das günstige Sicherheitsverhalten konnte in der Praxis am AVR - Reaktor durch diesbezüglich durchgeführte Versuche belegt werden.
Die Geschichte der HTR - Entwicklung geht, zumindest außerhalb Deutschlands, weiter. So werden kleine Test - HTR in China und Japan betrieben. Ein echter Kugelhaufenleistungsreaktor mit 400 MW thermisch (~180 MW elektrisch) wird zurzeit in Südafrika geplant, China plant den Bau eines großen Reaktors mit ringförmigem Core und ~2000 MW thermischer Leistung.
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