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Der Hochtemperaturreaktor wird mit Graphit moderiert und mit einem Gas gekühlt. Als Kühlmittel wird Helium unter hohem Druck von etwa 50bar verwendet. Helium ist ein Edelgas, es reagiert chemisch nicht mit anderen Materialien und zwar auch nicht bei der relativ hohen Betriebstemperatur von etwa 700°C. Dies ist in bezug auf die Korrosion der Materialien im Reaktorkreislauf vorteilhaft. Im weiteren absorbiert Helium keine Neutronen. Der Brennstoff, meistens angereichertes Uranoxid (UO2), wird in Form von sogenannten gebraucht.
Die Brennstoffteilchen bilden kleine Kügelchen, sie sind von Graphit umgeben und zusammen mit anderen solchen Partikel in Graphit eingebettet. Der Brennstoff liegt in Form von Kugeln oder Zylindern mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern vor; der Graphit dient auch dem Einschluss der Spaltprodukte. Graphit wird auf diese Weise gleichzeitig als Konstruktionsmaterial und als Moderator verwendet. Es zählt zu den Vorteilen des Hochtemperaturreaktors, dass sich im Reaktorkern keine Konstruktionsmaterialien befinden, die Neutronen absorbieren oder die hohe Betriebstemperatur nicht ertragen. Der Graphit selbst sublimiert bei etwa 3500°C. Bis zu dieser Temperatur bleibt die Kernstruktur also intakt und kühlfähig.
Das Uranoxid wird je nach Verwendung angereichert, einige Prozente oder etwa 90%. Im Falle der hohen Anreicherung mit U-235 besteht der Brennstoff aus einer Uranoxid-Thoriumoxid-Mischung (UO2-ThO2); als Spaltstoff dient U-235 und das aus Th-232 gebrütete U-233. Der Hochtemperaturreaktor kann als thermischer Brüter (THTR, Thorium-Hochtemperaturreaktor) ausgelegt werden. Die Vorteile des Hochtemperaturreaktors sind einerseits die hohe Betriebstemperatur, was einen entsprechend hohen thermischen Wirkungsgrad ermöglicht; andererseits die Möglichkeit, das verglichen mit Uran erheblich häufigere Thorium zu nutzen. Im weiteren ist der Hochtemperaturreaktor weniger Störanfällig als der Leichtwasserreaktor.
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