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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte
Kernbrennstabhülle zur Verwendung in Druckwasserreaktoren zur
Erzeugung elektrischer Energie durch Kernspaltung.
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Bei der Erzeugung elektrischer Energie aus
Druckwasserkernreaktorsystemen liefert der Reaktor Wärme zur Erzeugung von
Dampf, der zum Antrieb einer Turbine verwendet wird. Die im
Druckwasserreaktor vorhandenen Brennkörper bzw. Brennstäbe
weisen ein Behältnis- bzw. Hüllmaterial auf, das einen
Kernbrennstoff wie beispielsweise Urandioxid enthält, wobei der
Brennstoff in dem Behältnis eingeschlossen ist.
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Während verschiedene Arten von Hüllmaterialien zur Verwendung
bei der Herstellung der Umhüllung vorgeschlagen worden sind,
sind die am meisten vorherrschenden Materialien
Zikoniumbasislegierungen wegen der Festigkeit, der
Korrosionbeständigkeit und der niedrigen Neutronenabsorption dieser Legierungen
unter Betriebsbedingungen.
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Die Konstrukteure solcher Brennstäbe haben herkömmlicherweise
zweckgerichtet kleine Mengen an Legierungselementen und/oder
Zwischengitterelemente wie beispielsweise Sauerstoff oder
Kohlenstoff zum Zirkonium zugegeben, um die Festigkeit der
Zirkoniumbasis-Hüllmaterialien zu steigern. Typischerweise
geben gebräuchliche Spezifikationen einen Sauerstoffgehalt in
einem Zirkoniumlegierung-Hüllmaterial wie beispielsweise
einem Zirkaloy von zwischen etwa 1.000 bis 1.550
Gewichtsteilen pro Million an. Um solche Mengen zu erreichen, muß
Sauerstoff zweckgerichtet einem Zirkaloybarren zugegeben werden,
der zur Formung der Umhüllung verwendet wird.
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Während die Zugabe von Sauerstoff in dem angegebenen Bereich
die Festigkeit von Zirkaloy steigert, was eine wünschenswerte
Eigenschaft ist, führt eine solche Anwesenheit von Sauerstoff
allerdings auch zu einer Verringerung der
Widerstandsfähigkeit der Umhüllung gegen auf
Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung (PCI) zurückzuführende Schäden. Wie in meiner parallelen
Anmeldung Serial No. 919 943, angemeldet am 17. Oktober 1986,
beschrieben ist, verursachen freigesetzte spaltbare
Materialien aus dem Kernbrennstoff während des Betriebs eines
Kernreaktors ein Problem hinsichtlich Spannungskorrosion und
möglicher Schäden an der metallenen rohrförmigen Umhüllung.
Die chemische Reaktion des Zirkoniumlegierungsrohrs mit den
flüchtigen spaltbaren Materialien im Zusammenhang mit
betriebsbedingten Spannungen in der Umhüllung können
Spannungskorrosionsrißbildung des Zirkoniumlegierungshüllrohrs und
eine sich ergebende Druchdringung der Rohrwand hervorrufen.
Zur Verhinderung von Schäden durch
Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung ist es vorgeschlagen worden, an der Innenseite des
Hüllrohrs ein Auskleidungsrohr zu verwenden, beispielsweise
eine Zirkoniumauskleidung zwischen den Brennstofftabletten
und einem Zirkaloy-Hüllrohr. Solche rohrförmigen
Auskleidungen sind von der in der US 4 200 492 und der US 4 372 817
beschriebenen Bauart. Die US 4 200 492 beschreibt einen
Kernbrennstab mit einem Hüllrohr aus einer Zirkoniumlegierung
mit einer metallurgisch an die Innenoberfläche des
Legierungsrohrs gebundenen Sperre aus Zirkoniumschwamm. Die
Zirkoniumschwammsperre hat eine Dicke von 1 % bis 30 % der Dicke
des Legierungsrohrs, um das Legierungsrohr vor Einwirkungen
des darin enthaltenen Kernbrennstoffs zu schützen. Von der
Zirkoniumschwammauskleidung wird gesagt, daß sie während der
Bestrahlung weich bleibt und örtliche
Spannungsbeanspruchungen des Kernbrennstabs möglichst klein hält und das
Legierungsrohr gegen Spannungskorrosionsrißbildung oder
Flüssigmetallversprödung schützt. Die Zirkoniumschwammauskleidung
enthält 1.000 bis 5.000 ppm Verunreinigungen, wobei der
Sauerstoffgehalt der Verunreinigungen etwa 200 bis 1.200 ppm
ausmacht. Die US 4 372 817 stellt einen Parallelfall zur US
4 200 492 dar und beschreibt einen Kernbrennstab, der ähnlich
demjenigen des früheren Patents ist. Der dortige Anspruch
verlangt ein Zirkoniumlegierungsrohr, bei welchem andere
Bestandteile als Zirkonium mit einem Anteil von mehr als 1.000
ppm vorhanden sind, während die kontinuierliche Sperrschicht
aus Zirkoniummetall mit einem Verunreinigungsgehalt von
weniger als 500 ppm besteht, wovon der Sauerstoffgehalt
weniger
als etwa 200 ppm ausmacht. Solche Auskleidungen werden
als Sperrschichten beschrieben, die dazu dienen, ein
Zirkoniumlegierungshüllrohr gegen Probleme im Zusammenhang mit
Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung zu schützen.
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Die Verwendung einer hochreinen Zirkoniumauskleidung mit
niedrigem Sauerstoffgehalt auf der Innenseite eines Zircaloy-
Hüllrohrs schafft eine beträchtliche Zähigkeit, so daß, wenn
kleine Risse sich an der Innenoberfläche des
Zircaloy-Hüllrohrs infolge einer Wechselwirkung des Hüllrohrs mit dem
Brennstoff und Spaltprodukten bilden, die Auskleidung die
Fortpflanzung der Risse hemmt, so daß die Probleme im
Zusammenhang mit Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung verringert
werden. Eine solche Rohrauskleidung ist allerdings teuer und
führt für den Anwender zu zusätzlichen Kosten.
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Andere Versuche zur Lösung des Problems der
Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung sind auch schon vorgeschlagen worden.
Beispielsweise ist in der korrespondierenden Anmeldung
EP-A-155 168 ein zusammengesetztes Kernbrennstabhüllrohr
beschrieben, das gegen Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung
resistent ist und zwei konzentrische Schichten aus
metallurgisch aneinander gebundenen Zirkoniumbasislegierungen
aufweist. Das Außenrohr besteht aus einer herkömmlichen
Zirkoniumbasislegierung hoher Festigkeit und ausgezeichneter
Korrosionsbeständigkeit in Wasser, wie beispielsweise
Zircaloy-2 oder Zircaloy-4, während die Innenschicht aus einer
Zirkoniumlegierung mit etwa 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Zinn,
0,3 bis 0,11 Gewichtsprozent Eisen, und bis zu 350 Teilen
pro Million Sauerstoff besteht. Ein Brennstab mit diesem
zusammengesetzten Hüllrohr enthält ein unter Druck stehendes
Inertgas, wie beispielsweise Helium, unter einem Druck von
etwa 2 bis 5 Atmosphären (29,4 bis 73,5 Pfund pro Quadratzoll
bzw. 0,203 bis 0,507 MPa). Eine solche
Heliumdruckbeaufschlagung dient hauptsächlich dem Zweck der Schaffung eines
besseren Wärmeübergangs im Brennstab.
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Als weiteres Beispiel ist in der DE-A-36 35 025 ein Hüllrohr
beschrieben, das aus einer einzigen Zirkoniumbasislegierung
besteht, vorzugsweise mit durchgehender kaltverformter und
spannungsabbauend behandelter Mikrostruktur. Dieses Hüllrohr
hat sowohl eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in
Wasser wie auch eine ausgezeichnete Resistenz gegen
Tabletten-Hüllrohr-wechselwirkungsbedingte Rißausbreitung sowie
auch gute mechanische Eigenschaften aufgrund der
bestandteilmäßigen Zusammensetzung und des Vorhandenseins von nicht mehr
als 10 Volumenprozent an rekristallisiertem gleichachsigem
Korn in der Mikrostruktur, wobei vorzugsweise kein sichtbares
rekristallisiertes Korn vorhanden ist. Der
Verunreinigungsgehalt in der Zirkoniumbasislegierung beträgt weniger als 1.500
Teile pro Million nach Gewicht, wobei der Gehalt an
Sauerstoffverunreinigung weniger als 600 Teile pro Million
ausmacht und vorzugsweise bei weniger als 400 Teilen pro Million
liegt.
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Der vorliegedenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Kernbrennstab zu schaffen, bei welchem ein
einheitliches Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungs-Hüllrohrmaterial
Anwendung findet, ohne daß die Notwendigkeit einer
Auskleidung oder eines Überzugs oder einer speziellen Kornstruktur
für das Hüllrohr besteht.
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Die Erfindung besteht in einem
Druckwasserreaktor-Kernbrennstab, dessen Hüllrohrmaterial aus einer einzigen Schicht aus
Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht. Das
Zirkonium bzw. die Zirkoniumlegierung muß, nach Gewicht, weniger
als etwa 4 % Legierungsmaterialien und einen Sauerstoffgehalt
von weniger als 600 Teilen pro Million haben. Um den aus der
Verwendung einer solchen Legierung sich ergebenden
Festigkeitsverlust auszugleichen, wird das den Kernbrennstoff
enthaltende verschlossene Hüllrohr auf einen Druck von zwischen
150 und 500 Pfund pro Quadratzoll (1,03 bis 3,45 MPa) mit
einer Heliumatmosphäre druckbeaufschlagt.
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Die Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform deutlicher hervor, die lediglich
beispielsweise in den anliegenden Zeichnungen gezeigt ist, in
welchen zeigt:
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Fig. 1 in schematischer Darstellung einen
teilweisen Schnitt durch einen
Druckwasserreaktor-Brennstab nach
der vorliegenden Erfindung, und
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Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch
den in Fig. 1 dargestellten
Brennstab in einer diametralen
Längsebene desselben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird aufgrund der
Erkenntnis, daß erstens zur Verhinderung von Tabletten-Hüllrohr-
Wechselwirkungsschäden eine hohe Zähigkeit wichtiger als
Festigkeit ist, und daß zweitens ein Verlust an Festigkeit in
beträchtlichem Ausmaß durch innere Druckbeaufschlagung des
Brennstabs mit Helium, um so die wirksame Beanspruchung des
Hüllrohrs zu verringern, kompensiert werden kann, bei
Verwendung eines einzigen Zirkonium-Hüllrohrmaterials eine
wirksame Verhinderung von
Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsproblemen erreicht, die normalerweise bei einem
Zirkoniumlegierungshüllrohr auftreten. Die vorliegende Erfindung verwendet
ein niedriglegiertes Zirkonium-Hüllrohrmaterial mit niedrigem
Sauerstoffgehalt für einen Druckwasserreaktor-Brennstab,
wobei der sich normalerweise aus einem so niedrigen
Sauerstoffgehalt ergebende Festigkeitsverlust durch Verwendung einer
Innendruckbeaufschlagung mit Heliumgas kompensiert wird.
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Das verwendete metallene Hüllrohrmaterial ist Zirkonium oder
eine Zirkoniumlegierung mit weniger als 4 Gewichtsprozent
Legierungsbestandteilen einschließlich Sauerstoff, wobei der
Sauerstoffgehalt weniger als 600 Gewichtsteile pro Million
ausmacht. Solche Zirkoniumlegierungen können die Elemente
Niob, Zinn, Eisen, Chrom, Nickel, Molybden, Kupfer, Vanadium
und dergleichen, sowie Sauerstoff umfassen. Besonders
brauchbare Legierungen sind eine Zirkoniumlegierung mit etwa 1 bis
3 Gewichtsprozent und vorzugsweise 2,5 Gewichtsprozent Niob,
und Zirkoniumlegierungen, die etwa 1,2 bis 1,7 % Zinn, 0,07
bis 0,2 % Eisen, 0 bis 0,8 % Nickel und 0,05 bis 0,15 % Chrom
enthalten. Beispiele der letzteren sind als Zircaloy-2
bekannte Legierungen, die, nach Gewicht etwa 1,2 bis 1,7 %
Zinn, 0,07 bis 0,2 % Eisen, 0,05 bis 0,15 % Chrom und 0,03
bis 0,08 % Nickel enthalten, wobei der Rest Zirkonium ist,
sowie Zircaloy-4, das, nach Gewicht, etwa 1,2 bis 1,7 % Zinn,
0,12 bis 0,18 % Eisen, und 0,05 bis 0,15 % Chrom enthält,
wobei der Rest Zirkonium ist. Der Sauerstoffgehalt des
Zirkoniums bzw. der Zirkoniumlegierung muß jedoch unterhalb
von etwa 600 Teilen pro Million liegen, nämlich im Bereich
von 50 bis 600 ppm.
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Der Brennstab ist als Behälter aus dem oben beschriebenen
Hüllmaterial ausgebildet und enthält einen abgeschlossenen
Vorrat an Kernbrennstoff und unter Druck stehendes Helium.
Der Kernbrennstoff kann Urandioxid, ein
Urandioxid-Plutoniumdioxid-Gemisch oder mit dem U-235-Isotop angereichertes
Urandioxid sein und liegt im allgemeinen in Form von
scheibenartigen zylindrischen gesinterten Tabletten vor.
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Wie oben beschrieben, führt der niedrige Sauerstoffgehalt des
Zirkonium- bzw. Zirkoniumlegierung-Hüllrohrmaterials zu einem
Verlust an Zugfestigkeit der metallenen Hülle. Beispielsweise
hätte ein Hüllrohrmaterial mit etwa 1.200 ppm Sauerstoff eine
Streckgrenze von etwa 45.000 Pfund pro Quadratzoll (psi)
(310 MPa), während ein Material mit etwa 600 ppm
Sauerstoffgehalt eine Streckgrenze von etwa 36.000 psi (248 MPa) hätte,
und ein Material mit etwa 50 ppm Sauerstoffgehalt eine
Streckgrenze von nur etwa 25.000 psi (172 MPa) hätte. Gemäß
der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Minderung der
Streckgrenze des Hüllrohrmaterials durch Verwendung einer
Heliumdruckgasatmosphäre in dem abgeschlossenen metallenen
Behälter im wesentlichen kompensiert. Die in dem Hüllrohr
eingeschlossene Heliumatmosphäre muß unter einem Minimaldruck
von 150 Pfund pro Quadratzoll (10,2 Atmosphären bzw. 1,03
MPa) und einem Maximaldruck von 500 Pfund pro Quadratzoll (34
Atmosphären bzw. 3,45 MPa) bei Raumtemperatur (20ºC) stehen
und steht vorzugsweise unter einem Druck zwischen 200 und 500
psi (1,38 bis 3,45 MPa). Im Betrieb eines Druckwasserreaktors
nimmt der Druck innerhalb der Brennstäbe auf das etwa
2,5-fache des Drucks bei Umgebungs- bzw.
Nichtbetriebsbedingungen zu. Deshalb reicht ein Anfangsdruck von 150 psi (1,03
MPa) als Substitut für die Festigkeit eines Hüllrohrmaterials
aus, das sich aus dessen niedrigem Sauerstoffgehalt ergibt.
Ein Druck von etwa 500 psi (3,45 MPa) würde also im Betrieb
auf etwa 1.250 psi (8,62 MPa) ansteigen, und höhere Drücke
sollen vermieden werden, um unter Berücksichtigung des
Beitrags der während der Spaltreaktion erzeugten Gase zu den
Druckverhältnissen übermäßige Drücke bzw. ein Reißen der
Hüllrohrwand zu vermeiden.
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Als Illustration zeigt Tafel I den Ausgleich des
Streckgrenzenverlusts aufgrund der Verwendung eines Hüllrohrs mit
niedrigem Sauerstoffgehalt durch Anwendung einer inneren
Heliumdruckbeaufschlagung. Das System A stellt eine
herkömmliche, nicht druckbeaufschlagte Hülle mit einem hohen
Sauerstoffgehalt (etwa 1.200 ppm) und einer Streckgrenze (heiß)
von etwa 45.000 psi (310 MPa) dar, während die Systeme B und
C eine Hülle mit niedrigem Sauerstoffgehalt (etwa 600 ppm)
und einer Streckgrenze von etwa 36.000 psi (248 MPa)
darstellen. Der Festigkeitsverlust beträgt 9.000 psi (62 MPa) oder
etwa 20 %, wenn das Hüllrohrmaterial mit dem niedrigen
Sauerstoffgehalt verwendet wird.
Tafel 1
Hüllrohrmaterial
Steckgrenze heiß (psi) [MPa]
Innendruck (psi) [MPa]
Außendruck (psi)
[MPa]
Δ P heiß außen-innen (psi) [MPa]
kalt
heiß
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Wie dargestellt, beträgt bei A die Druckdifferenz (heiß) 2250
psi (15,5 MPa). Im System B jedoch beträgt bei Verwendung
eines Drucks von 200 psi (1,38 MPa) (kalt) die Druckdifferenz
(heiß) 500/2250 psi (3,45/15,5 MPa) bzw. eine Verbesserung um
etwa 22 %. Im System C beträgt unter Verwendung eines Drucks
von 500 psi (3,45 MPa) (kalt) die Druckdifferenz (heiß)
1250/2250 psi (8,62/15,5 MPa) bzw. eine Verbesserung um 55 %,
also mehr als nur eine Kompensation des
Streckgrenzenverlustes aufgrund der metallischen Zusammensetzung des Hüllrohrs
mit niedrigem Sauerstoffgehalt.
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Der Druck des Heliums in der rohrförmigen Hülle wird also zum
Ausgleich des Verlusts an Streckgrenze verwendet, die sich
aufgrund der Verwendung eines Hüllrohrmaterials mit
niedrigerem Sauerstoffgehalt ergibt. Der Innendruck sollte am
oberen Ende des 150 bis 500 psi (1,03 bis 3,45 MPa)
- Bereichs liegen, wenn im Hüllrohrmaterial ein niedrigerer
Sauerstoffgehalt vorhanden ist, während der Innendruck im
unteren Ende dieses Bereichs liegen kann, wenn der
Sauerstoffgehalt im oberen Bereich des 50 bis 600 ppm-Bereichs
liegt. Der Kern liegt darin, daß der sich durch Verwendung
des gegenüber dem herkömmlichen niedrigeren Sauerstoffgehalt
ergebende Strickgrenzenverlust des Hüllrohrmaterials durch
eine Heliumdruckgasatmosphäre innerhalb des Brennstabs im
wesentlichen kompensiert wird.
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Ein Druckwasserreaktor-Kernbrennstab nach der vorliegenden
Erfindung ist in den anliegenden Zeichnungen dargestellt. Wie
in Fig. 1 gezeigt ist, weist ein
Druckwasserreaktor-Kernbrennstab 1 ein metallenes Hüllrohr 3 auf, das einen
Kernbrennstoff 5 enthält. Der Kernbrennstoff 5 hat im allgemeinen
die Form gesinterter zylindrischer Tabletten 7 aus Urandioxid
oder anderem Kernbrennstoff und wird im Hüllrohr 3 durch eine
untere Endkappe 9, die aus Zirkonium oder einer
Zirkoniumlegierung hergestellt und mit dem Hüllrohr verschweißt ist, und
eine obere Endkappe 11 gehalten, die ebenfalls aus Zirkonium
oder einer Zirkoniumlegierung besteht und ebenfalls mit dem
Hüllrohr verschweißt ist. Zwischen der obersten
Brennstofftablette 5'
und der oberen Endkappe 11 ist ein leerer Raum bzw.
eine Kammer 13 vorgesehen, in welche ein Vorspannorgan wie
beispielsweise eine Feder 15 eingesetzt ist, die an der
oberen Endkappe und der obersten Tablette anliegt, um die
Tabletten im Hüllrohr zu fixieren.
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Zwischen den Kernbrennstofftabletten 7 und der
Innenoberfläche 19 des Hüllrohrmaterials ist ein Spielraum bzw. Spalt
17 vorgesehen. Dieser Spielraum ergibt sich dadurch, daß die
Kernbrennstofftabletten mit einem Außendurchmesser
hergestellt werden, der etwa 0,008 Zoll (0,020 Zentimeter) kleiner
als der Innendurchmesser des Hüllrohrs 3 ist. Die Stirnenden
21 der zylindrischen Kernbrennstofftabletten sind im
allgemeinen konkav ausgebildet, um die relative axiale Ausdehnung
des mittleren Teils der Brennstofftabletten im Betrieb
minimal zu halten. Außerdem sind die Enden 23 der Tabletten
jeweils abgeschrägt, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
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Nach dem Einsetzen der Kernbrennstofftabletten in die
rohrförmige Hülle und dem Einsetzen der Feder 15 wird das Innere
des Hüllrohrs mit Heliumgas unter einen Druck zwischen 150
und 500 Pfund pro Quadratzoll (1,03 bis 3,45 MPa) bei
Umgebungstemperatur gesetzt. wobei das Heliumgas sich durch den
gesamten Leerraum 17 und in der Kammer 13 verteilt, um einen
auswärts gerichteten Druck auf die Innenwand 19 des Hüllrohrs
3 auszuüben.
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Um einige Dickenabmessungen eines solchen Kernbrennstabs
anzugeben: der Außendurchmesser des Hüllrohrs 3 beträgt etwa
0,419 Zoll (1.06 cm), wobei die einfache Wandstärke des
Hüllrohrs etwa 0,022 Zoll (0,057 cm) beträgt. Dies ergibt
einen Innendurchmesser von etwa 0,374 Zoll (0,59 cm), und die
aufgenommenen Kernbrennstofftabletten haben eine zylindrische
Form mit einer Länge von etwa 0,4 bis 0,6 Zoll (1,02 bis 1,52
cm) und ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von weniger als
1,7:1 und vorzugsweise von etwa 1,2:1, mit der Maßgabe, daß
der Durchmesser der Tabletten um etwa 0,008 Zoll (0,020 cm)
kleiner als der Innendurchmesser des Hüllrohrs ist, um so den
Spalt 17 zwischen den Tabletten 7 und der Innenwandfläche 19
des Hüllrohrs freizulassen.