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Thermischer Kernreaktor mit organischem Moderator
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen der Kernreaktoren mit organischen Moderatoren.
Es ist bekannt, dass in den meisten Leistungsreaktoren die Energie durch eine kühlende Flüssigkeit aufgenommen wird und sodann durch einen geeigneten Wärmeaustauscher auf Wasser übertragen wird. Der entstehende Dampf wird gewöhnlich zur Elektrizitätserzeugung in üblicher Art verwendet, z. B. durch
Wechselstromturbogeneratoren. Der Wärmeaustauscher im Kernreaktor hat also die gleiche Funktion wie ein Durchlauferhitzer (Boiler).
Die mit einem organischen Moderator versehenen Reaktoren zeigen gegenüber den andersartigen Reaktoren den Vorteil, dass sie, obwohl mit flüssigem Wärmeaustauschmittel arbeitend, einen geringen Arbeitsdruck im primären Flüssigkeitskreis erlauben, wodurch es möglich wird, Konstruktionsteile einfacher und wirtschaftlicher zu gestalten.
Wie die in den USA erhaltenen experimentellen Ergebnisse zeigen, weist der Reaktor mit organischem Moderator ausser dem oben erwähnten niedrigen Flüssigkeitsdruck die weiteren Vorteile auf, dass die Kühlflüssigkeit chemisch inert ist und dass auf die Kühlflüssigkeit nur wenig Radioaktivität übertragen wird.
Eine unerwünschte Grenze in den mittels unter Druck stehendem Wasser arbeitenden Reaktoren stellt beispielsweise der beachtlich grosse Druck im Primärkreis dar. Dieser Druck ist für die relativ hohe Temperatur notwendig, durch welche eine wirtschaftlich annehmbare Dampfausbeute im Sekundärkreis ermöglicht wird.
Die Bedienung des hohen Druckes verursacht grosse Kosten und Schwierigkeiten in der Konstruktion des Primärkreises, speziell des Behälters der Kernreaktionsmasse.
Die Forschung nach einer Kühlflüssigkeit mit Moderatorwirkung, welche bei relativ hohen Temperaturen bedeutend niedrigere Dampfdrücke als Wasser zeigen, lag nahe.
Diese Forschung war auf Polyphenyle ausgerichtet und unter diesen speziell auf Diphenyle und Triphenyl.
Die Versuche zeigten ein sehr zufriedenstellendes Verhalten der erwähnten organischen Flüssigkeiten im Reaktor ; sie zeigten jedoch die unangenehme Eigenschaft, durch die radioaktive Strahlung verändert zu werden sowie durch die hohen Temperaturen zufolge der Bildung von Polymeren mit höherem Molekulargewicht und, in geringerem Umfang, durch Zerfall von Molekülen, was zu einer Gasbildung führt, wodurch eine fortwährende Reinigung und ferner eine Zufuhr der organischen Verbindung erforderlich wird.
Die vorherrschendenPolymerisationseffekte verschlechtern die Eigenschaften der Flüssigkeit als Wärmeaustauscher, da sie zu einer Zunahme der Viskosität und deshalb zur möglichen Bildung von Kohlenstoffablagerungen zufolge stellenweiser Überhitzung der Oberfläche des Wärmeaustauschers und hiedurch in der praktischen Anwendung zu einer Temperaturbegrenzung führen. Anderseits ergibt das Arbeiten mit einem Druck unter 10 atm einen beachtlichen Sicherheitsfaktor.
Ein Reaktor mit einem organischen Moderator, nach dem Stand der Technik, besteht im wesentlichen aus einem Behälter für die aktiven Materialien (Kernbrennstoff in Einzelstücken verschiedener Form), durch welchen die organische Verbindung in flüssigem Zustand hindurchströmt und als Moderator sowie kühlend und ganz oder teilweise als Reflektor wirkt.
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Der Kreislauf des organischen Stoffes ist mit einem Wärmeaustauscher verbunden, in welchem die im obgenannten Behälter erzeugte Energie an das Wasser im Sekundärkreis abgegeben wird. Mehrere Pum- pen fördern die Primärflüssigkeit und sorgen für die für den Transport der verlangten Wärmemenge not- wendigeDurchflussmenge. Wenn der kalte Reaktor in Betrieb genommen wird, sorgen einige Heizanlagen i für die nötige Dünnilüssigkeit der organischen Verbindung ; andere Vorrichtungen sorgen für die Reinigung der Primärflüssigkeit und wieder andere Einrichtungen, vollkommen gleichartig jenen von andern Reak- tortypen, sorgen für den glatten Arbeitsablauf in der Anlage bei den verschiedensten Arbeitsbedingun- gen.
Der Gebrauch der Polyphenyle als Moderator macht die Verwendung eines angereicherten Kernbrenn- stoffes notwendig.
Bei den Wärmereaktoren, die bisher gebaut wurden, ist eine Kettenreaktion mittels natürlichen Urans nur durch Verwendung schweren Wassers als Moderator möglich.
Es wurde nun gefunden, dass ein Reaktor mit organischem Moderator sogar mittels natürlichen Urans betrieben werden kann, wenn an Stelle der bekannten organischen Verbindung die analoge Deuteriumver- bindung, in welcher alle oder ein Teil der Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt sind, verwen- det wird.
'Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Kernreaktor mit organischem Modera- tor, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass er als Moderator eine schwere (Deuterium enthaltende) or- ganische Flüssigkeit, die in geeigneten Behältern zwischen den aus natürlichem Uran bestehenden Kern- brennstoffelementen fest angeordnet ist und als Kühlmittel eine analoge leichte (Deuterium nicht enthal- tende) organische Flüssigkeit, die den Primärkreislauf bildet und zwischen den aus natürlichem Uran be- stehenden Brennstoffelementen und der fest angeordneten, flüssigen, schweren organischen Deuteriumver- bindung zirkuliert, aufweist.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung bestehtinder Trennung der Funktionender orga- nischen Verbindung, d. h. die Funktionen des Kühlens und des Moderierens.
Die organische Deuteriumverbindung, die nur als Moderator verwendet wird, hat den Vorteil, in der
Neutronenstrahlung weniger Schaden zu nehmen, da ja die Neutronen durch die leichte Flüssigkeit, die in engem Kontakt mit der aktiven Masse steht, einigermassen abgebremst werden. Aber selbst eine grössere schädliche Einwirkung auf die schwere organische Verbindung kann zugelassen werden, da diese keine
Kühlwirkung ausübt und dadurch die Notwendigkeit einer Regeneration oder Erneuerung auf ein Minimum reduziert ist. Hieraus ergibt sich ein beachtlicher Vorteil für die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage..
Die zirkulierende Kühlflüssigkeit ist in der Kernbatterie auch deshalb erwünscht, weil die in der Ver- bindung enthaltenen Wasserstoffatome in ein Gebiet mit vielen schnellen Neutronen gebracht werden, so dass durch dieses Element eine gute Bremswirkung erreicht wird, ohne jedoch viele Neutronen einzufan- gen.
Die weitere Abbremsung der Neutronen auf thermische Geschwindigkeit geschieht durch die organi- sche Deuteriumverbindung, wobei nur wenige Neutronen eingefangen werden.
EMI2.1
1form eines Reaktors mit Uranstäben 3, Moderatorflüssigkeit 2 und leichter organischer Flüssigkeit 1.