CH286658A - Verfahren zum Nutzbarmachen von Atomenergie und Atomreaktor zum Durchführen des Verfahrens. - Google Patents

Description

  Verfahren zum     Nutzbarmachen    von Atomenergie und Atomreaktor zum     Durcbführen     des Verfahrens.    Die Erfindung bezieht sieh auf ein Ver  fahren zum     Nutzbarmachen    von Atomenergie  mittels der durch Kettenreaktion     erzeugbaren     Wärme, bei welchem Stücke eines reagieren  den Stoffes, durch einen Moderator vonein  ander getrennt, in einer für eine Kettenreak  tion ausreichenden Menge zu einem     Atoni.          reaktor        vereinigt    werden und die Stärke der       Kettenreaktion    im Atomreaktor mittels Ein  bringens eines Neutronen absorbierenden Stof  fes geregelt wird.  



  Unter  reagierender Stoff  wird hier ein  Stoff verstanden, welcher unter bestimmten  Umständen einer atomaren Kettenreaktion  fähig ist. Dies trifft z. B. für Uran zu.  



  Unter  Moderator  wird hier ein Stoff.  verstanden, welcher Neutronen derart bremst,       class    diese, wenn sie ein Atom reagierenden  Stoffes treffen, dasselbe aufzuspalten     vermö--          gen.    Dies trifft z. B. für reinen Graphit sowie  für schweres Wasser zu.  



  Soll Atomenergie mittels der durch Ketten  reaktion     er#eugbaren        NVärme    nutzbar gemacht  werden, so muss diese Wärme, mit Rücksicht  auf den Wirkungsgrad ihrer Weiterverwen  dung, insbesondere zur Erzeugung von Arbeit.  bei einer z. B. für eine Gasturbine oder eine       Hochdruck-Dampfmaschine    passenden und so  mit erheblichen Temperaturhöhe gewonnen  werden. Es darf dann nicht mehr, wie das bei  solchen Atomreaktoren gebräuchlich ist, welche  ausschliesslich zum Gewinnen stärker reagie  render Stoffe aus einem reagierenden Stoff    bestimmt. sind, das Innere des Atomreaktors  mittels reichlicher Mengen von     Kühlwasser     auf niedriger Temperatur gehalten werden.  Daher ist es auch nicht mehr zulässig, den  reagierenden Stoff in Hüllen, z.

   B. aus Alu  minium, also aus einem wenig Neutronen ab  sorbierenden Stoff einzuschliessen und ihn so  gegen chemische Einflüsse zu schützen, denn  die Hülle würde bei den hier erforderlichen  hohen Temperaturen zerstört werden.  



  Es treten somit wesentliche neue Probleme  auf.  



  Zur Lösung dieser Probleme wird gemäss  der Erfindung vorgeschlagen, dass man die  erzeugte Wärme mittels eines     Fluids,    welches  man zwecks Verbesserung seiner Wärmeauf  nahme unter erhöhten Druck setzt, im Innern  des Atomreaktors aufnimmt und sie zwecks  Weiterverwendung nach aussen transportiert  und hierzu den Atomreaktor aus einer Anzahl  im wesentlichen zylindrischer Elemente     zu-          sammensetzt,    durch welche man das unter  Druck stehende     Fluid        hindurchleitet    und in  deren Achse man den     reagierenden    Stoff an  ordnet, wobei man den Mantel des Elementes  aus einem Neutronen durchlassenden Stoff  bildet und ihn,

   um ausreichend hohe Festig  keit gegenüber dem in seinem Innern herr  schenden     Fluiddruck    zu erzielen, dadurch auf  niedriger Temperatur hält, dass man ihn auf  seiner Aussenfläche von einem Kühlmedium  berühren lässt und ihn auf seiner Innenfläche  mit einem     Wärinesehiitz    auskleidet..      Durch Verwendung eines besonderen       Fluids    zum Aufnehmen der im Innern des  Atomreaktors erzeugten Wärme kann erreicht       werden,    dass das     Fluid    mit den Erzeugungs  stellen der Wärme, insbesondere mit dem rea  gierenden Stoff, ohne chemische Schädigung  des letzteren unmittelbar in Berührung ge  bracht     werden    darf.

   Es empfiehlt sich, als       Fluid    ein Gas, z. B. ein     inertes    Gas, zu wäh  len. Zwecks     Verbesserung    seiner Wärmeauf  nahme, die von seiner     Wärmeübergangszahl     und seiner spezifischen Wärme abhängt, emp  fiehlt es sich, das     Fluid    unter einen erhöhten  Druck von z. B. etwa 10 bis 30     at    zu setzen.  



  Die Durchführbarkeit dieser Lösung ist  somit davon abhängig, ob man den Atom  reaktor hinreichend     druckfest    bauen kann.  



  Eine naheliegende Lösung dieses weiteren  Problems würde darin bestehen, dass man die       durch    den Atomreaktor führenden     Fluid-          kanäle        entsprechend    druckfest ausbilden  würde. Dies ist aber nicht ohne weiteres mög  lich, da diese Kanäle aus einem wenig Neu  tronen absorbierenden Stoff bestehen müssen  und     für    sie daher nur ganz wenige Stoffe in  Frage     kommen,    und     zwar    vor allem Alumi  nium und Beryllium. Beryllium hat sehr  schlechte mechanische     Eigenschaften    und ist  auch sehr schwierig zu verarbeiten.

   Als Werk  stoff für die Mäntel der Kanäle muss also  insbesondere Aluminium in Betracht gezogen  werden. Aluminium verliert aber bei den hier  in Betracht kommenden Temperaturen einen  grossen Teil seiner Festigkeit, so dass es un  möglich ist, diese heissen Kanäle durch den  Druck des     Fluids    zu beanspruchen.  



  Eine andere naheliegende Lösung würde  darin bestehen, dass man den Atomreaktor als  Ganzes Letter den Druck des     Fluids    setzen  würde. Eine genauere Untersuchung zeigt  aber, dass auch diese Lösung, insbesondere  wegen der für einen solchen Atomreaktor er  forderlichen Mindestgrösse, auf ernste Schwie  rigkeiten stösst. Man stelle sich hierzu etwa.  vor; dass man dann ein Gefäss von etwa 10 in       Durchmesser    unter einen Druck von etwa 10  bis 30     at    setzen müsste.  



  Der gemäss der Erfindung weiter vorge-         schlagene    neuartige Weg beseitigt. diese  Schwierigkeiten, indem der Mantel jedes ein  zelnen der im wesentlichen zylindrischen Ele  mente, aus denen der Atomreaktor zusammen  gesetzt wird, auf seiner Aussenfläche durch  ein Kühlmedium gekühlt wird und auf seiner  Innenfläche, auf der er sonst durch die vom  reagierenden Stoff ausgehende Wärmestrah  lung getroffen und ausserdem durch das heisse  Fluidum erhitzt werden     würde,    mit einem  Wärmeschutz ausgekleidet wird.

   Hierdurch  wird erzielt, dass dieser Mantel hinreichend  kühl bleibt und dass daher, obwohl er mit  Rücksicht auf die Kettenreaktion aus einem  wenig Neutronen absorbierenden Stoff beste  hen muss, doch eine hinreichende Festigkeit  aufweist, um den     in    seinem Innern herrschen  den     Fluiddruck    ertragen zu können.  



  Die Erfindung bezieht sich ferner auf  einen Atomreaktor zum Durchführen des Ver  fahrens nach der Erfindung, der dadurch ge  kennzeichnet ist, dass er aus einer Anzahl im  wesentlichen     zylinderförmiger    Elemente zu  sammengesetzt ist, in deren Achse der reagie  rende Stoff angeordnet ist und deren     rohr-          förmiger    Mantel aus einem wenig Neutronen  absorbierenden Stoff besteht und in den Ele  menten Kanäle vorhanden sind, welche ein  unter erhöhtem Druck stehendes,

   zur Auf  nahme der im Innern der Elemente erzeug  ten Wärme dienendes     Fluid        weiterleiten    und  das     Fluid    alsdann     zwecks    Weiterverwendung  der von ihm aufgenommenen Wärme nach  aussen führen, wobei jedes Element in einem  Raum angeordnet ist, welcher ein die Aussen  fläche des Mantels kühlendes Medium enthält,  und die Innenfläche des Mantels mit einem  Wärmeschutz     ausgekleidet    ist.  



  An Hand der Zeichnung soll mit Hilfe von  Ausführungsbeispielen nachstehend das Ver  fahren nach der Erfindung und der Atom  reaktor zum Durchführen des Verfahrens  nach der Erfindung näher erläutert werden:       Fig.        1.    zeigt schematisch den Atomreaktor  im Vertikalschnitt;       Fig.    2 zeigt schematisch den Atomreaktor  im     Horizontalschnitt;              Fig.    3 zeigt schematisch im Vertikalschnitt  ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein     Ele-          inent    des Atomreaktors.  



  Zugunsten klarer Darstellung von Ein  zelheiten ist der Atomreaktor in     Fig.    1 und 2  als aus nur neun Elementen zusammengesetzt  gezeichnet, während in Wirklichkeit zum Ein  leiten und Aufrechterhalten einer Kettenreak  tion eine weitaus grössere Anzahl von Elemen  ten erforderlich ist,.  



  Der Uranstab 1 ist in der Achse des Ele  mentes angeordnet. Koaxial zu ihm liegt das  Rohr 2. Zwischen dem Uranstab 1. und dem  Rohr 2 bleibt ein Kanal von ringförmigem  Querschnitt offen, durch welchen das unter  Druck stehende     Fluid    das Element in axialer       Rielitung    durchströmt. Das Rohr 2 besteht  entweder aus einem Neutronen wenig absor  bierenden Stoff oder aber aus kompaktem  Graphit, wobei dasselbe somit auch als Mo  derator zur Wirkung kommt. Das Rohr 2 ist.  z. B. mittels kleiner Bohrungen durchlässig  gemacht, so dass der in seinem Innern herr  schende     Fluiddruck    auch auf seiner Aussen  seite wirkt und das Rohr somit keiner Bean  spruchung durch den     Fluiddruck    unterliegt.

    Der Raum 3 ist mit körnigem oder porösem  Graphit gefüllt, welcher einerseits als     1@To-          derator    und anderseits als Wärmeschutz für  den Mantel 4 des Elementes zur Wirkung  kommt und welcher mittels des Rohres 2 nach  dem Innern hin gestützt ist, so dass keine       Graphitstüeke    in den erwähnten, zwischen dem  Uranstab 1 und dem Rohr 2 offenen Strö  mungskanal für das     Fluid    gelangen können.

    Der in dieser Weise nach innen hin gegen  Wärme geschützte Mantel 4 besteht aus Alu  minium und wird durch das die Mäntel  sämtlicher Elemente umströmende Kühl  medium 5 von aussen gekühlt und auf so nied  riger Temperatur gehalten, dass er imstande  ist, dem in seinem Innern herrschenden     Fluid-          druck    zu widerstehen. Das Kühlmedium 5  wird mittels einer     Umwälzpunipe    6 umge  wälzt und gibt die aufgenommene Wärme in  einem     Wärmeaustauseher    7 an ein     sekundäres          Kühlmedium,    z.

   B. an Wasser, ab, welches die  Wärme aus dein Atomreaktor     hinausleitet.    Ein    solcher     Wärmeaustauscher    7, welcher sich  innerhalb des Schutzmantels befindet, welcher  den gesamten Atomreaktor zwecks Absorption.  radioaktiver Ausstrahlungen umgibt, erweist  sich auch dann als notwendig, wenn für das  Kühlmedium 5     gewöhnliches    Wasser gewählt  wird.

   Denn auch dieses Wasser wird im In  nern des     Atomreaktors    radioaktiv und würde  daher, wenn es direkt aus dem Atomreaktor  hinausgeleitet würde, physiologische Gefahren       verusachen.    Als Kühlmedium 5 empfiehlt. es  sich, schweres Wasser zu verwenden, da als  dann auch die vom Kühlmedium 5 erfüllten       Zwischenräume    zwischen den einzelnen Ele  menten, aus denen der Atomreaktor zusam  mengesetzt ist, als Moderator zur Wirkung  kommen und somit an dem im Raum 3 als Mo  derator vorgesehenen Graphit und damit zu  gleich an Platz gespart werden kann.

      Der Mantel 4 ist sowohl mit seinem obern  wie auch mit seinem untern Ende druckdicht  in Kanälen befestigt, wobei der untere Kanal  das     Fluid    dem Element mittels der     Umwälz-          pumpe    8 zuführt und der obere Kanal das  aus dem Element austretende     Fluid    einem  W     ärmeaustauscher    9 zuleitet, welcher eben  falls im Innern des     Strahlungsschutzmantels     des Atomreaktors angeordnet ist, und welcher  die vom     Fluid    im Innern der Elemente  aufgenommene Wärme z. B. an ein Gas zur  Weiterverwendung in einer Gasturbine oder  an Wasser zur Weiterverwendung in einer  Dampfmaschine überträgt.  



  Um zu verhüten, dass an den Enden, an  denen die Elemente in den     Fluidkanälen    be  festigt sind, Wärme vom     Fluid    an das Kühl  medium 5 übergeht, sind die     Fluidkanäle    an  diesen Stellen mit. Auskleidungen 10 und 11.  aus wärmeisolierendem Stoff verkleidet. Zu  folge dieser Massnahmen kann die Wärme  menge, welche mittels des     Wärmeaustauschers     7 nach aussen abzuführen ist, sehr klein ge  halten werden. Sie darf als Verlustwärme zu  gelassen werden, da sie nur einen kleinen Pro  zentsatz der im Reaktor erzeugten W     ärme    aus  macht. Auch sie kann aber z. B. für     Heizungs=     zwecke weiter verwendet werden.

        Die wärmeisolierenden     Auskleidungen    10  und 11 der     Fluidkanäle    können zugleich dazu  benutzt werden, um den     Fluiddurchfluss    in  denjenigen Elementen     zu    drosseln, welche  weiter entfernt vom Zentrum des Atomreak  tors liegen, und damit den     Fluiddurchfluss    in  den einzelnen Elementen der in letzteren er  zeugten, je nach ihrer Lage im Atomreaktor  verschiedenen Wärmemenge anzupassen.  



  Die     zur    Regelung der Kettenreaktion die  nenden, aus einem Neutronen absorbierenden  Stoff, z. B. aus Kadmium oder aus     Borstahl     bestehenden     Stäbe-12    sind, wie insbesondere  aus     Fig.    2 ersichtlich, zwischen den Elemen  ten im Kühlmedium 5 angeordnet und kön  nen je nach Bedarf hineingeschoben oder her  ausgezogen werden. Das Gefäss 13, welches  die Elemente des Atomreaktors umgibt, be  steht aus einem Neutronen reflektierenden Ma  terial, z. B. aus Eisen.  



  Als     Fluid    wird in diesem Atomreaktor ein       inertes    Gas, z. B. Helium, welches zudem den  Vorteil besitzt, zusätzlich als Moderator zu  wirken, verwendet, welches     zwecks    Verbesse  rung seiner Wärmeaufnahme auf einen Druck  von etwa 10 bis 30     at    gesetzt ist. Als     Fluid     kann auch eine unter Druck verdampfende  Flüssigkeit verwendet werden, wofür die er  zielte Lösung des Problems, den Atomreaktor  druckfest zu gestalten, in genau der gleichen  Weise wichtig ist.  



  In der     Fig.3,    welche ein weiteres Aus  führungsbeispiel für das Element des Atom  reaktors darstellt, ist der Uranstab 1 koaxial  von dem rohrförmigen Stück 2 umgeben.       Durch    den zwischen beiden gelassenen Zwi  schenraum von ringförmigem Querschnitt  strömt das     Fluid.    Das     rohrförmige    Stück 2  besteht aus einem Neutronen durchlassenden  Stoff und ist, wie aus der Figur ersichtlich,  mit  Gasspalten  versehen, welche dasselbe als  Teil des Wärmeschutzes zur Wirkung kom  men lassen. Der Teil 3 des Wärmeschutzes be  steht aus kompaktem Graphit und     kommt     daher hauptsächlich als Moderator zur Wir- .

         kimg,    während er zufolge der hohen Wärme  leitfähigkeit kompakten Graphits an     und    für  sich leinen     erheblichen    Beitrag zum Wärme-    Schutz zu liefern vermag. Zwischen dem Teil 3  und dem aus Aluminium bestehenden Mantel.

    des Elementes ist jedoch ein  Gasspalt  7.5  angeordnet, welcher zusammen mit den im  rohrförmigen Stück 2 angeordneten  Gasspal  ten  eine ausreichende     Wärmeschutzwirkung     ergibt.     Um-    zu verhüten, dass der Teil 3 durch  den     Fluiddruck    beansprucht wird, sind Boh  rungen 16 vorgesehen, welche den  Gasspalt   15 mit dem     Fluidstrom    verbinden und für  Druckausgleich     zwischen    der Aussen- und der  Innenseite des Teils 3 sorgen.

   Auch das     rohr-          förmige    Stück 2 ist wiederum, wie schon bei       Fig.1    und 2 beschrieben, für das     Fluid    durch  lässig gemacht, so dass weder der Teil 3 noch  das rohrförmige Stück 2 durch den     Fluid-          druck        beansprucht    werden können.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zum Nutzbarmachen von Atomenergie mittels der durch Kettenreaktion erzeugbaren Wärme, bei welchem Stücke eines reagierenden Stoffes, durch einen Moderator voneinander getrennt, in einer für eine Ket tenreaktion ausreichenden Menge zu einem Atomreaktor vereinigt werden und die Stärke der Kettenreaktion im Atomreaktor mittels Einbringens eines Neutronen absorbierenden Stoffes geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man die erzeugte Wärme mittels eines Fluids, welches man zwecks Verbesserung sei ner Wärmeaufnahme unter erhöhten Druck setzt,

   im Innern des Atomreaktors aufnimmt und sie zwecks Weiterverwendung nach aussen transportiert und hierzu den Atomreaktor aus einer Anzahl im wesentlichen zylindrischer Elemente zusammensetzt, durch welche man das unter Druck stehende Fluid hindurchleitet und in deren Achse man den reagierenden Stoff anordnet, wobei man den Mantel des Elementes aus einem wenig Neutronen absor bierenden Stoff bildet und ihn, um ausrei chend hohe Festigkeit gegenüber dem in sei nem Innern herrschenden Fluiddruck zu er zielen, dadurch auf niedriger Temperatur hält,

   dass man ihn auf seiner Aussenfläche von einem Kühlluedium berühren lässt und ihn auf seiner Innenfläche mit einem Wärmeseliutz auskleidet. II. Atomreaktor zum Durchführen des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Atomreaktor aus einer Anzahl im wesentlichen zylinderförmiger Elemente zusammengesetzt ist, in deren Achse der reagierende Stoff angeordnet.

   ist und deren rohrförmiger Mantel aus einem wenig Neutronen absorbierenden Stoff besteht und in den Elementen Kanäle vorhanden sind, welche ein unter erhöhtem Druck stehendes, zur Aufnahme der im Innern des Elementes erzeugten Wärme dienendes Fluid weiterleiten und das Fluid alsdann zwecks Weiterverwen dung der von ihm aufgenommenen Wärme nach aussen führen, wobei jedes Element in einem Raum angeordnet ist, welcher ein die Aussenfläche des Mantels kühlendes Medium enthält, und die Innenfläche des Mantels mit einem Wärmeschutz ausgekleidet ist. UNTEU, ANSPRZICIIE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Werkstoff min destens .für Teile des Wärmeschutzes ein fester Moderator gewählt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium ein flüssiger Moderator gewählt wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass, gegenüber den im Zentrum des Atomreaktors angeordneten Ele menten, in den *eiter aussen im Atomreaktor angeordneten Elementen die Fluidströmung derart gedrosselt wird, dass das Fluid alle Ele mente mit ungefähr der gleichen Temperatur verlässt. 4.

   Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass als fester Mode rator Graphit gewählt wird. 5. Verfahren nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass als flüssiger Mo derator schweres Wasser gewählt wird.