CH393555A - Kernbrennstoff - Google Patents
KernbrennstoffInfo
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- CH393555A CH393555A CH5336957A CH5336957A CH393555A CH 393555 A CH393555 A CH 393555A CH 5336957 A CH5336957 A CH 5336957A CH 5336957 A CH5336957 A CH 5336957A CH 393555 A CH393555 A CH 393555A
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Description
Kernbrennstoff Das Hauptpatent betrifft einen Kernbrennstoff für Reaktoren, welcher eine Legierung eines Spalt stoffes enthält, wobei in der Legierung eine Kom ponente gleichmässig verteilt ist, welche sich durch Neutronenabsorption derart verändert, dass der Wir kungsquerschnitt der durch Neutronenabsorption ver- änderderten Komponente für Neutronen geringer ist, als der Wirkungsquerschnitt der unveränderten Kom ponente. Weiterhin betrifft das Hauptpatent das Verfahren zur Herstellung dieses Kernbrennstoffes, wobei durch ein geschmolzenes Metall, das einen geringen Wir kungsquerschnitt für Neutronen besitzt, solange gas förmiges Borhalogenid unter Bildung von gleichmä ssig und fein in der Schmelze verteiltem natürlichem, elementarem Bor geleitet wird, bis das Bor 0,115 bis 0,65 Gew. % des Metalles ausmacht, wonach die Schmelze mit einer solchen Menge Uran legiert wird, dass ein zwischen 15 und 23 Gew. % Uran-235 ent haltender Kernbrennstoff entsteht. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbes serung. Dieses wird im folgenden näher ausgeführt: Wie bereits im Hauptpatent angeführt, tritt bei Neutronenbeschuss eines spaltbaren Uranisotops eine sich selbst aufrechterhaltende Kettenreaktion auf, wobei das Verhältnis der Zahl von Neutronen, welche in einer Generation durch Spaltung erzeugt werden, zu der Zahl der die Spaltung auslösenden Neutro nen auch dann noch grösser als 1 ist, wenn die Neu tronenverluste abgezogen sind. Dieses Verhältnis, welches mit k bezeichnet werden sbll, wird vorzugs weise auf einem Wert zwischen 1,00 und 1,10 ge halten. Die Steuerung dieses Verhältnisses kann bei spielsweise durch Vergrösserung und Verkleinerung der Zahl der der Reaktion verlorengehenden Neu tronen durchgeführt werden. Dies kann dadurch er reicht werden, dass die Uranisotopmasse in mehrere diskrete Brennstoffgruppen aufgeteilt wird, welche gitterartig in dem Reaktor verteilt werden, wobei eine steuerbare Menge eines Materials mit einer grossen Neutronenabsorptionsfähigkeit in die Zwi schenräume zwischen einige oder alle Brennstoffgrup pen eingeschoben wird. Wenn das neutronenabsor bierende Material langsam aus dem Reaktor heraus gezogen wird, wird auch die Zahl der die Reaktion beeinflussenden, freien Neutronen grösser, so dass ein Punkt erreicht wird, an welchem sich die Reaktion von selbst aufrechthält. An diesem Punkt wird die Verhältniszahl k grösser als 1. Wenn das Entfernen des neutronenabsorbierenden Materials bei einem Wert von k beendet wird, welcher nur wenig grö sser als 1 ist, erhält sich die Reaktion von selbst auf recht; dies jedoch nur für eine begrenzte Zeitspanne, da sich mit dem Fortschreiten der Reaktion das Uran langsam verbraucht und die Spaltprodukte des Reak tionsprozesses als neutronenabsorbierendes Material wirken. Dies führt jedoch zu einer langsamen Ver kleinerung der Verhältniszahl k, bis die Reaktion aufhört. Hieraus ist zu ersehen, dass bei einem ge gebenen Reaktor dieses Typs mit einer gegebenen Menge Urankernbrennstoff eine dauernde Regulie rung mit der neutroneneinfangenden Steuersubstanz erforderlich ist, um die Kettenreaktion in den ge wünschten Grenzen zu halten. Zur Regulierung der Reaktionsgeschwindigkeit, unter Vermeidung von komplizierten Steuereinrich- tungen wird gemäss dem Hauptpatent, gegebenenfalls neben einem weiteren Metall, vorzugsweise Alu minium und/oder Zirkonium, der spaltbaren Legie rung, ein weiterer Stoff, z. B. Bor, beigegeben, wel cher durch Neutronenbeschuss in einen Stoff gerin geren Einfangsquerschnitts für Neutronen übergeht. Wenn ein Brennstoff dieser Art in einzelne Grup pen aufgeteilt bei einer Kernreaktion verbraucht wird, wird z. B. das Bor, welches einen sehr grossen Wir kungsquerschnitt bezüglich des Neutroneneinfangs aufweist, das heisst eine sehr grosse Neutronenabsorp- tionsfähigkeit besitzt, langsam in Lithium überführt, welches einen weitaus geringeren Neutronenabsorp- tions-Wirkungsquerschnitt hat. Diese Reaktion folgt der folgenden Reaktionsgleichung: B1 -h n---) Li7 -f- He4 -f- Q. In der oben abgezeigten Reaktionsgleichung be deutet Blo das Borisotop mit dem Atomgewicht 10, <I>n</I> ein Neutron, Li7 das Lithiumisotop mit dem Atom gewicht 7, He4 Helium und Q die frei werdende Energie, welche im vorliegenden Fall 3,0 MeV be trägt. Wie bekannt, liegt der Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang von natürlichem Bor ungefähr bei 750 Barn, derjenige von Bor 10 etwa bei 3990 Barg, während der Neutroneneinfang-Wirkungsquer- schnitt von Lithium 7 etwa 33 Millibarn beträgt. Da die Menge des zu Lithium umgewandelten Bors 10 proportional zu der. Reaktionsgeschwindigkeit der Spaltungsreaktion verläuft, nimmt die Zahl der von der Reaktion durch das Bor ferngehaltenen Neutro nen ebenfalls proportional ab. Es wurde nun gefunden, dass in dem im Haupt patent Nr. 373 478 beschriebenen Kernbrennstoff als spaltbarer Stoff mit Vorteil mindestens teilweise das Uranisotop<B>U233</B> sich verwenden lässt, wobei der gleiche Steuereffekt durch Stoffe wie z. B. das Bor- Isotop 10 erzielt werden kann. Ein derartiger Kernbrennstoff kann mit Vorteil dadurch hergestellt werden, dass in-die Schmelze bis 0,2 Gew. % des Borisotops eingebracht und die Schmelze mit einer solchen mindestens teilweise aus <B>U233</B> bestehenden Menge Uran legiert wird, dass eine insgesamt zwischen 5 und 23 Gew. %<B>U233</B> oder<B>U233</B> und<B>U235</B> enthaltende Legierung ent steht. Es sei erwähnt, dass bei dem Kernbrennstoff der vorliegenden Erfindung neben dem Uranisotop 233 auch das Uranisotop 235 der Legierung beigegeben werden kann. Der Kernbrennstoff kann aus geeignet geformten und dimensionierten Körpern bestehen, welche z. B. zwischen 5 und 23 Gew. % spaltbaren Urans der Isotope 233 und 235, bis zu. 0;2 % und vorzugsweise zwischen 0,002 und 0,13 % Bor 10 und eines der Metalle Aluminium oder Zirkonium ent halten. Da natürliches Bor etwa 18,8 % Gewicht Bor 10 enthält, kann die Beimengung von Bor 10 auch durch die Beigabe von natürlichem Bor erreicht werden, welches mit Bor 10 angereichert wurde oder welches einen geringeren Anteil an Bor 10 aufweist. Da das andere hauptsächliche Borisotop, das Bor 11, einen Neutroneneinfangquerschnitt von weniger als 0; 05 Barn aufweist, kann die Verwendung von mit Bor 11 angereichertem natürlichem Bor vorteilhaft sein, da nun der Gehalt an Bor 10 genau bestimmt werden kann. Die Anreicherung des natürlichen Bors mit Bor -11 ist somit dann vorteilhaft, wenn Legie- rungen mit nur einem geringen Gehalt an Bor 10 hergestellt werden sollen, da die Bestimmung von geringem Borgehalt bei Legierungen der genannten Art sehr schwierig ist. Für ein Beispiel des erwähnten Verfahrens sei angenommen, dass ein 1 kg schweres Gussstück 20 Uran, 0,3 % natürliches Bor enthalten und im übrigen aus praktisch reinem Aluminium bestehen soll. Zur Herstellung werden ungefähr 805 g praktisch reines Aluminium in einem Induktionsofen geschmolzen. Die Temperatur der Schmelze wird auf ungefähr 800 C gehalten und Bortrichloridgas durch die Aluminiumschmelze geschickt. Stöchiometrisch wür den 6,2 Liter Bortrichlorid bei einem Druck von 760 mm Hg und einer Temperatur von 20 C aus reichen, um mit etwa 7,5g Aluminium zu reagie ren und hierbei 3 g Bor zu erzeugen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die tatsächlich gewonnene Bormenge bei den erwähnten Bedingungen gewöhn lich kleiner als 10 % ist. Es sind daher 125 Liter von Bortrichlorid bei den oben erwähnten Standardbedin- gungen bezüglich des Druckes und der Temperatur erforderlich. Nachdem das Bortrichlorid durch das Bad hindurchgepresst wurde, werden ungefähr 200 g Uran zu dem geschmolzenen Aluminium hinzuge geben, wobei die Temperatur der Schmelze auf 900 bis 1100 C erhöht wird, so dass das Uran mit dem Aluminium-Bor die gewünschte Legierung bildet. Die Schmelze kann dann in eine gebräuchliche Graphit gussform gegossen werden, in welcher sie erstarrt. Der hierdurch gewonnene Gusskörper kann dann mit tels gebräuchlicher Verformungsverfahren wie Schmie den oder Drehen zu Kraftstoffgruppen in die ge wünschte Form gebracht und im Bedarfsfalle mit einem Aluminiumüberzug versehen werden. Statt Aluminium kann auch Zirkonium bei ent sprechender Angleichung der Schmelztemperatur verwendet werden, wobei statt des Bortrichlorids Bor- tribromid -bei entsprechender stöchiornetrischer An gleichung verwendet wird.
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE I. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, dass er als Spaltstoff mindestens teilweise das Uranisotop 233 enthält. II. Verfahren zur Herstellung des Kernbrennstof fes nach Patentanspruch I, wobei durch ein ge schmolzenes Metall, das einen geringen Wirkungs querschnitt für Neutronen besitzt, gasförmiges Bor halogenid unter Bildung von gleichmässig und fein in der Schmelze verteiltem Bor geleitet wird, wonach die Schmelze mit\Uran legiert wird, dadurch gekenn zeichnet, dass in die Schmelze bis 0,2 Gew. % des Borisotops 10 eingebracht und die Schmelze mit einer solchen mindestens teilweise aus U 233 bestehenden Menge Uran legiert wird, dass eine insgesamt zwi schen 5 und 23 Gew. % U 233 oder U 233 und U 235 enthaltende Legierung entsteht.UNTERANSPRÜCHE 1. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er mindestens 5 Gew. des Uranisotops 233 enthält. 2. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er ausserdem mindestens 10 Gew. % des Uranisotops. 235 enthält.3. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er zwischen 0,002 und 0,13 Gew. % des Borisotops 10 enthält. 4. Kernbrennstoff gemäss Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium in ihm enthalten ist. 5. Kernbrennstoff gemäss Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Metall Zirkonium in ihm enthalten ist. 6.Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er ausserdem zwischen 5 und 23 Gew. % Uran 235 enthält. 7. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass der Gehalt an spaltbarem Uran zwischen 10 und 23 Gew. % ausmacht. B. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortrichlorid ver wendet wird. 9.Verfahren nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortribromid ver wendet wird. 10. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Zirkonium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortrichlorid ver wendet wird. 11.Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Zirkonium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortribromid ver wendet wird.
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