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Verfahren zur Wärmebehandlung von Stoffen zwecks Durchführung physikalischer oder chemischer Reaktionen mit Hilfe von Kernspaltungsenergie, Beider technischen Verwertung von Kemspaltungsenergie inkernreaktoren wird bei fast allen bekannten Reaktortypen die freiwerdende Reaktionsenergie in Form von Wärme einem umgewälzten flüssigen oder gasförmigen Medium mitgeteilt, das die Wärme aus der Reaktionszone heraus an den Ort der Verwendung führt, z. B. in einem Wärmetauscher einem Sekundärkreislauf mitteilt. Die Einschaltung des primären Kühlmediumkreislaufes erfolgt, weil dafür Sorge zu tragen ist, dass keine Aktivität durch ein durchströmende Medium aus dem Reaktor herausgetragen wird.
Ein zwischengeschalteter Kühlmediumkreislauf macht jedoch die Verwendung eines Kernreaktors zur Durchführung physikalischer und chemischer Reaktionen, die lediglich eine Wärmebehandlung des Reaktionsgutes benötigen, insbesondere bei Anwendung hoher Temperaturen mit bisher bekannten Mitteln unmöglich, da die vom Kühlmedium zu erwärmende Zone stets eine wesentlich niedrigere Temperatur aufweist als die Reaktionszone im Kernreaktor.
Gemäss der DAS Nr. 1, 016, 857 ist zwar auch schon einAtomkernreaktor vorgeschlagen worden, bei dem die erzeugte Wärmeenergie ausser für die bisher üblichen Zwecke gleichzeitig weitgehend zur Durchführung von insbesondere chemisch-metallurgischen Umsetzungen nutzbar gemacht werden soll, u. zw. ist bei diesem Reaktor ausser dem eigentlichen kernphysikalischen Reaktionsraum ein weiterer Reaktionsraum für die Durchführung der chemisch-metallurgischen Prozesse vorgesehen.
Es ist auch ein von der Nuclear Development Corporation of America errichteter Hochtemperatur-Testreaktor bekanntgeworden, dessen Reaktorkern in zwei Regionen eingeteilt ist, von denen die äussere bei üblichen Temperaturen (etwa 77 C) betrieben wird, während eine kleine innere Zone, die mit besonderen Brennstoffelementen beschickt und mit Heliumgas gekühlt wird, zur Durchführung verschiedenartiger Untersuchungen eine höhere Temperatur von 1370 bis maximal etwa 1650 C erreichen soll. In diesen beiden Fällen ist der zur Erzielung des angestrebten Effektes erforderliche Aufwand beträchtlich.
Die Erfindung betrifft demgegenüber ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stoffen zwecks Durchführung physikalischer oder chemischerReaktionen mitHilfe von Kernspaltungsenergie, bei dem der technische Aufwand in überraschend niedrigen Grenzen gehalten werden kann und wobei die physikalischen oder chemischen Reaktionen ohne Zwischenschaltung eines wärmeübertragenden. Primärkreislaufes durchgeführt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mit Bohrungen versehene Moderatorblock eines thermischen Kernreaktors, vorzugsweise ein Graphitblock, unmittelbar als Wärmespeicher benutzt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass einige Reaktionen, unbeschadet der im Core bestehenden Aktivität, un- mittelbar im Reaktorkern ausgeführt werden können und dass bei Unterbrechung der Kernreaktion für die Dauer der Wärmebehandlung des Reäktionsgutes eine radioaktive Verseuchung des Reaktionsgutes zumindest zulässig niedrig gehalten werden kann. Durch Verzicht auf das übliche Kühlmedium kann dabei die hohe Temperatur in der Reaktionszone unmittelbar, verlustarm und ohne grösseren Aufwand, ausgenutzt werden.
Der Reaktor ist in an sich bekannter Weise mit an sich bekannten hochtemperaturbeständigen Brenn-
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stoffelementen aufgebaut. Der Reaktortyp ist dabei zunächst völlig gleichgültig.
An Hand der in der Zeichnung dargestellten Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden bevorzugte Ausführungsformen und dazu verwendbare Anordnungen im folgenden erläutert.
Dabei stellt die Fig. 1 einen vertikalen Schnitt, Fig. 2 einen horizontalen Schnitt in Höhe des Moderatorblockes und Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1 an einer oberen Ecke des Moderatorblockes dar.
Der Reaktionsraum des dargestellten Reaktors ist mit einem Graphitblock 1 ausgefüllt, der in bekannter Weise aus einzelnen Lagen aufgebaut ist, die sich ihrerseits aus quaderförmigen Graphitsäulen zusammensetzen.
Zur unmittelbaren Ausnutzung der durch die Kernreaktion erzeugten und in den Graphitblock 1 abgegebenen Wärme gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Entweder man entfernt d'ie Brennstoffelemen- te aus den dafür vorgesehenen Bohrungen im Graphitblock l und füllt das zu erwärmende Reaktionsgut ein, u. zw. in gesonderte Bohrungen für das Reaktionsgut im Graphitblock 1. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Brennstoffelemente während des Betriebes in ihrer Position zu belassen. Letztere Möglichkeit ergibt wiederum zwei Varianten. Entweder lässt man den Reaktor kritisch oder man schaltet ihn durch Absorberhülsen od. dgl. ab. Das erstgenannte Verfahren wird immer dann anzuwenden sein, wenn das Verbleiben der Brennstoffelemente für das Reaktionsgut keine unzulässigen Bedingungen ergibt.
Eine solche
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Bedingungflusses gerechnet werden muss. Dieser Wechselbetrieb ist aber möglicherweise umständlicher als das letzt- genannte Verfahren, das man daher dort vorziehen wird, wo man es auf Grund der vorgegebenen chemi- schen und physikalischen Bedingungen anwenden kann.
Die geometrisch günstigste Anordnung erhält man, wenn man denGraphitblock 1 mit mindestens zwei
Gruppen aufeinander senkrecht stehender, vorzugsweise kreisförmiger Bohrungen versieht. Von diesen Boh- rungen dient eine Gruppe zur Aufnahme der Brennstoffelemente und mindestens eine der ändern Gruppen zur Aufnahme des zu erwärmenden Reaktionsgutes. Dieses Ausführungsbeispiel ist zeichnerisch dargestellt, u. zw. sind die Bohrungen 2 für die Brennstoffelemente horizontal und die Bohrungen 3 für das Reaktions- gut vertikal angeordnet, da das Reaktionsgut zweckmässig unter der Wirkung der Schwerkraft eingeführt wird, während die Schwerkraftwirkung für die Brennstoffelemente belanglos ist.
Die vertikalen Bohrungen 3 sind mit Rohren 4 aus Graphit oder Berylliumoxyd ausgekleidet, die zweckmässig als hochtemperaturbeständige und Neutronen moderierende Stoffe zu verwenden sind. Man kann die Rohre 4 auch mit andern für diesen Zweck geeigneten Stoffen auskleiden, die vorzugsweise in
Form ihrer Nitride, Carbide, Silizide oder Oxyde verwendet werden, es ist dabei durchaus möglich, die
Auskleidung so zu wählen, dass sie gleichzeitig als Schutz des Moderators, hier des Graphites, und der
Spaltprodukte dient. Die Rohre 4 sind zwecks Erleichterung der Einführung des Reaktionsgutes nach der Einführungsseite bis in einen freien Raum 5 über dem Reaktionsraum verlängertundamEndemittrich- terförmigen Erweiterungen 6 versehen.
Anstatt die Rohre 4 zu verlängern, kann man an der Einführungs- seite der Bohrungen 3 auch gesonderte Führungsrohre vorsehen ; desgleichen kann man bei gegebenen- falls anderer Anordnung der Bohrungen 2 für die Brennstoffelemente auch hier einführungsseitig Führungs- rohre vorsehen.
DieRohre 4 sind in einem denGraphitblock 1 umgebenden Reflektor 7, einer diesen einfassenden Ab- schirmung 8 und einer die letztere nach oben abdeckenden Stahlplatte 11 befestigt. Die Abschirmung 8 besteht üblicherweise aus einer Schüttung von Graphitstaub oder-granulat od. dgl. und soll sowohl die
Wärme als auch die Aktivität des Reaktorraumes abschirmen. Zum letztgenannten Zweck fügt man zweckmässig noch Neutronen-wie Gammastrahlung absorbierende Stoffe wie Bor, Borcarbid, Eisen-Baryt od. dgl. bei.
Die Abschirmung 8 ist mit einem zugleich als Schirm zum Abfangen von Gammastrahlen verwen- deten Stahlblechmantel 9 umgeben, auf den aussenHalbrohre 10 aufgeschweisst sind, die von einem Kühl- mittel zur Abführung der nach aussen dringenden Wärme durchströmt werden. (Dieser Kühlmittelstrom ist wohlverstanden zu unterscheiden von dem erfindungsgemäss eingesparten Kühlmittelstrom, der die be- triebsmässig zu verwendende Wärme transportiert.) Die ganze Anordnung befindet sich in einem äusseren, zur weiteren Abschirmung dienenden Betonmantel 18.
DasReaktionsgut wird durch eine obere Öffnung 26 im Betonmantel 18 zugeführt und gelangt dann in den freien Raum 5, in dem sich eine Einfüllvorrichtung für das Einführen des Reaktionsgutes in die Rohre 4 befindet. Diese Einfüllvorrichtung besteht aus unten offenen Rohren 19, die in einer Brücke 20 befestigt sind. Die Rohre 19 sind aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff wie BeO oder Graphit hergestellt. Da- bei kann dem Werkstoff ein Neutronen absorbierender Stoff wie Bor oder Cadmium, eventuell auch Hafnium
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zugeführt werden, um die kernphysikalische Reaktion während der chemischen bzw. physikalischen Reaktion zu unterbrechen und so die Aktivierung des Reaktionsgutes durch Photoneutronen zu verhindern.
Die Brücke 20 kann über vier am Umfang gleichmässig verteilte Spindeln 21 gehoben bzw. abgesenkt werden. Deshalb sind in der Brücke 20 Spindelmuttern 22 vorgesehen. Die Spindeln 21 selbst sind in Lagern 23 und 24 gelagert. Der Antrieb erfolgt über ein Ritzel 25, über eine alle vier Spindeln 21 verbindende Kette oder direkt auf die Spindeln. Statt durch Spindeln 21 können die Rohre 19 bzw. entsprechende zylindrische Gefässe auch mittels synchron gesteuerter Kolben od. dgl. parallel zu sich selbst verschiebbar sein.
Das Einfüllen des Reaktionsgutes auf die Brücke erfolgt in bekannter Weise durch die Beschickungs- öffnung 26, z. B. über eine Verteilerspinne. Die Art und Weise des Einfüllens ergibt sich dabei durch die Form, in welcher das Ausgangsgut verwendet wird (z. B. Granulat oder Stangen).
Der Abfluss des Reaktionsgutes erfolgt durch Rohre 12. Diese Rohre bestehen ebenfalls aus einem hochtemperaturfesten Stoff wie Graphit, BeO oder eventuell einem entsprechend legierten Stahl. Sie liegen in der Abschirmung 8 und sind in einer Abschluss-Stahlplatte 15 befestigt. Zwischen den beiden Rohren 4 und 12 befindet sich ein Verschluss 13 mit einem Antrieb 14. Der Verschluss 13 besteht aus einer ebenen Platte und liegt direkt unter dem Reflektor. Diese Platte ist mit Bohrungen versehen, die denselben Durchmesser und dieselbe Teilung wie die Rohre 12 haben. Der Antrieb 14 wirkt auf die Verschlussplatte nach dem Prinzip der Zahnstange. Im verschlossenen Zustand liegen die Bohrungen der Platte seitlich von den Rohren.
Um den Ausfluss des Reaktionsgutes freizugeben, werden durch den Antrieb 14 lediglich die Bohrungen in der Platte 13 mit den Rohren 4 bzw. 12 zur Deckung gebracht. Das Reaktionsgut fliesst dann aus den Kanälen 3 durch die Rohre 12 über einen Abflusstrichter 16 in Transportgefässe.
Auch die horizontalen Bohrungen 2 sind wie die Bohrungen 3 mit Rohren ausgekleidet und mit Flanschen und Stutzen 17 versehen. Die Stutzen 17 dienen zum Anschluss einer Auswechselvorrichtung in bekannter Bauart.
Der in den Zeichnungen dargestellte Aufbau ist nur als Beispiel gewählt. Bei diesem Beispiel wurde
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das Reaktionsgut vor auftretender induzierter Aktivität geschützt wird und dass die chemische Reaktion mittels der gespeicherten Energie durchgeführt wird. Dieses Verfahren hat besondere Bedeutung für Reaktionssubstanzen, bei denen eine höhere induzierte Aktivität infolge der auftretenden Photoneutronen zu erwarten ist.
Bei ändern Vorgängen physikalischer oder chemischer Art kann sich einAbschalten der Kettenreaktion gegebenenfalls erübrigen. In einem derartigen Falle vereinfacht sich die Anordnung erheblich. Es kann dann auf die Einfüllvorrichtung ganz verzichtet werden und das Aufgabegut direkt in die dafür vorgesehenen Bohrungen in den Graphitblock aufgegeben werden. Dabei kann der ganze Vorgang auch kontinuierlich ablaufen. Die Bedingungen für einen kontinuierlichen Betrieb ergeben sich aus der Reaktionsgleichung und der erforderlichen Verweilzeit des Reaktionsgutes im Reaktor. Wenn die Durchsatzzeit des Reaktionsgutes durch den Reaktor gleich der erforderlichen Verweilzeit ist, kann die Anlage kontinuierlich betrieben werden.
Der Raum über dem Graphitblock, in dem sich in der dargestellten Anordnung die Einfüllvorrichtung befindet, kann dann noch als Vorwärmeraum dienen.
Die beschriebene Anordnung kann bei unterbrochenem Betrieb, d. h. bei wechselweisem Einführen der Brennstoffelemente zum Aufheizen und des Reaktionsgutes zum Verbrauch der gespeicherten Wärme, auch zusammen mit einer zweiten, gleichartigen Anordnung im Wechselbetrieb benutzt werden. Hiefür ist nur ein SatzBrennstoffelemente nötig, der jeweils für eine bestimmte Zeit in den einen Reaktor eingeführt wird, während der andere Reaktor jeweils mit dem Reaktionsgut beschickt wird. Nach Ablauf dieser Zeit werden die Rollen der beiden Reaktoren miteinander vertauscht.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann der Reaktor vorteilhafterweise als Schmelzofen ausgebildet sein und für entsprechende chemische Reaktionen wie z. B. zur Gewinnung von Calciumcarbid oder Phosphor od. dgl. verwendet werden.
Es soll nun anHand eines Beispiels die Wirkungsweise des Schmelzofenreaktors näher beschrieben werden. Dabei stellen Abweichungen, die sich durch die Auslegung für andere chemische Vorgänge ergeben, keine Einschränkung des Erfindungsgedankens dar. So ist z. B. einleuchtend, dass an Stelle des gewählten Beispiels der Carbidherstellung auch ein anderes Verfahren, z. B. zur Phosphorgewinnung, beschrieben sein könnte. Die Herstellung von Carbid (CaC) geschieht nach der Reaktionsgleichung
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Diese Reaktion ist endotherm und verbraucht für die Bildung von 64 g = 1 Mol Carbid 112 kcal. Die Betriebstemperatur im Ofen liegt bei 2200 C. Nach Rothmund tritt die Carbidbildung bei Atmosphärendruck und 16200C ein. Die verwendeten Grossöfen haben eine Leistung von etwa 25 MW.
Der Schmelzofenreaktor soll für eine Produktion von 20000 Jahrestonnen caca ausgelegt werden. Es wird ein Reaktor mit angereichertem Uran benutzt, wobei das Verhältnis von Graphit zu Uran 235 so ist, dass auf 10 kgGraphit 1 g U 235 entfällt. Die Graphitasse beträgt-100 t, und die entsprechende Menge U 235 somit 10 kg.
Nach der Reaktionsgleichung werden pro kg Carbid 1, 75. 103cal benötigt. Der Graphitblock hat eine Speicherkapazität von Q = 0, 5. l05kg/oC. Für eine Temperaturdifferenz vonAt = 500 C ergibt diese Q = 2, 5. 101 kcal. Mit diesen Werten ergibt sich eine Produktionsrate von 14, 3 t/Charge.
Die Füllung ist in 200 Bohrungen von je 12 cm %'eingefüllt. Die Bohrungen haben somit ein Volumen von V = 7 ma = 15, 4 t CaC2. Da der Wärmeübergang durch Strahlung erfolgt, ergibt sich für die abgestrahlte Leistung nach dem Stefan-Boltzmann'schen Gesetz Q = 5. 108 kcal/h = 58 MW, für eine Temperatur von T = 2573oK. Es lassen sich also mit diesem 58 MW Reaktor in 5, 6 Stunden etwa 15 t CaC herstellen.
Es wäre ausserdem durchaus denkbar, einen derartigen Reaktor als schnellen Reaktor auszubilden.
Dabei müssten wegen der erforderlichen Geometrie die chemischen und physikalischen Produktionsprozesse in einem Blanket (Mantel) stattfinden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stoffen zwecks Durchführung physikalischer oder chemischer
Reaktionen mit Hilfe von Kernspaltungsenergie, wobei die physikalischen oder chemischen Reaktionen ohne Zwischenschaltung eines wärmeübertragenden Primärkreislaufes durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet. dass der mit Bohrungen versehene Moderatorblock eines thermischen Kernreaktors, vorzugsweise ein Graphitblock, unmittelbar als Wärmespeicher benutzt wird.