DE1021962B

DE1021962B - Verfahren und Reaktor zur Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE1021962B
Application number: DES50005A
Authority: DE
Inventors: Dr Otto Haxel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-08-18
Filing date: 1956-08-18
Publication date: 1958-01-02

Description

Verfahren und Reaktor zur Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie, das darin besteht, daß die Kernenergie zur unmittelbaren Erwärmung der im Innern des Reaktionsrauines eines Kernreaktors untergebrachten einen Hälfte der Kontaktstellen der Elemente einer thermoelektrischen Anordnung ausgenutzt wird. Bei der bevorzugten Ausführung wird von diesem Verfahren in einem Kernr°aktor in der Weise Gebrauch gemacht, daß mindestens eine der thermoelektrischen Komponenten einer therrnoelektrischen Anordnung, z. B. einer Thermoisäule, einen den Ablauf der Kernreaktion beeinflussenden Teil des Kernreaktors bildet. Die Ausführung kann z. B. so gewählt sein, daß die th°rnioelektrischcn Komponenten oder eine davon als Moderator- und/oder Kühlmittel und/oder ILernbrennsubstanz des Kernreaktors wirksam sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Gegentandes der Erfindung ist mindestens eine der thermoelektrisch:en Komponenten als Maderatorsubstanz wirksam, und der Kernbrennstoff ist zwischen jede zweite Kontaktstelle eingelagert. Der Wirkungsgrad des Reaktors wird durch .eine intensive Kühlung der nicht aufgeheizten Hälfte der Kontaktstellen erheblich gesteigert. Zur Durchführung dieser Kühlung können die betreffenden Kontaktstellen finit Kühlfahnen versehen sein; diese werden vorzugsweise zwischen die thernioelektrischen Komponenten eingelagert. Eine andere vorteilhafte Ausführung der Kühleinrichtung besteht darin, :daß die zu kühlenden Kontaktstellen durch elektrisch leitende Kühlrohre überbrückt sind; als Kühlmittel dient eine der bekannten, -Neutronen schwach absorbierenden Flüssigkeiten oder ein entsprechendes Gas.
Eine weitere Ausführungsform des Kernreaktor gLniä ß der Erfindung besteht darin. daß als eine thermoelektrische Komponente eine Moderatorsubstanz und als andere thermoelektrische Komponente eine Kernbrennsubstanzvorgesehen isst und dieKernbrennsubstanz an jeder zweiten Kontaktstelle eine Schicht größerer Spaltbarkeit aufweist, d. h., daß diese Schicht z. B. mit einem Kernbrennstoff größerer Spaltbarkeit angereichert ist. Die geoinetnische Dimensionierung der beiden therinoelektrischen Komponenten wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Wärmeverluste möglichst gering sind. Dieser Dimensionierung ist die Dimensionierung der Schicht der angereicherten Kernbrennsubstanz anzupassen.
Als yloderatorsubstanz kommen z. B. Kohlenstoff (Graphit) oder Beryllium, als Isernhrennsubstanz L'ran oder Thorium und als Substanz größerer Spaltbarkeit ein niit U=33, U235 oder Pu233 angereicherter Stoff in Frage. An Stelle der genannten Elemente hii:ineii auch Verbindungen dieser Stoffe oder diese Stoffe enthaltende Mischungen vorgesehen werden. Unter den Begriff »@lisclrung« fallen hier auch SinteT-Werkstoffe, .die aus sich nicht legierendem Komponenten bestehen und unter der Bezeichnung »Verbundwerkstoff « bekamitgeworden sind. Die Verbindungen bzw. die Zusammensetzung der Legierungen oder Mischungen werden so gewählt. daß die als 'Moderator- und/oder Kernbrennsubstanz dienenden Komponenten der thermoelektrischen Anordnung eine möglichst große Therinospannung ergeben.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen; es zeigen Fig. 1 und 2 schematisch den Aufbau zweier Ausführungsbeispiele einer Thermosäule gemäß der Erfädung, Fig. 3 einen z' I.usschnitt aus der Gesamtanordnung der Therinasäule mit Kühlsystem.
In der in Fig. 1 angedeuteten Thermosäu.le sind die thernioelehtrischen Komponenten mit 1 und 2 bezeichnet. Sie können z. B. aus Graphit und Wismut oder aus Graphit und Beryllium oder aus Verbindungen, Legierungen oder Mischungen dieser Stoffe bestehen. Beim Übergang von der Komponente 1 nach 2 (wenn man von links nach rechts geht) ist jeweils eine mit 3 bezeichnete Schicht aus einerKernbrennsubstanz eingelagert. An jeder Übergangsstelle 2 nach 1 ist eine finit 4 bezeichnete Kühlfahne eingebaut; sie besteht aus einem elektrisch und thermisch guten Leiter. An Stelle der Kühlfahnen können die Kontaktstellen 2/1 auch durch elektrisch leitende Kühlrohre überbrückt sein; als Küh linittel dient eine der bekannten, -Neutronen schwach absorlinerenden l#-lüssigheit-en oder ein entsprechendes Gas.
In der Therinosäule der Fig. 2 sind die tli:ermoelektrischen Komponenten wiederum mit 1 und 2 bezeichnet. Für .die eine Komponente 1 wird eine Kermbrennsubstanz verwendet, die an den Kontaktstellen mit .der anderen Komponente 2 eine Schicht größerer Spaltbarken aufweist; diese ist bei 5 angedeutet. Die Komponente 1 kann z. B. aus natürlichem Uran oder aus einer Verbindung, Legierung oder Mischung von natürlichem Uran bestehen und an der Kontaktstelle der Komponenten 1/2 mit U235 angereichert sein; als Komponente 2 wird eine Möderators:ubstanz, z. B. Graphit oder Bervl.lium oder eine Verbindung, Legierung oder Mischung dieser Stoffe verwendet. Die Kernbrennsubstanzschicht größerer Spaltbarkeit kann z. B. durch Aufdampfen oder durch Aufsintern oder durch Aufwalzen auf die Übrige Kernbrennsubstanz angebracht werden.
In Fig. 3 sind die thermoelektrischen Komponenten wiederum mit 1 und 2, die aufgeheizten Kontaktstellen mit 6 und das Kühlsvstem mit 4 bezeichnet. Dieses besteht aus einem Rohrsystem, das von Reihe zu Reihe ein nichtleitendes Zwischenstück enthält; dies wird durch die Punktierung angedeutet. Das nichtleitende Zwischenstück kann z. B. au; einem Kunststoff bestehen, dessen H-Atome durch D-Atome ersetzt sind. Sämtliche Thermoelementenreihen sind elektrisch hi.ntereinandergeschaltet. Die Anordnung der Elemente der Thermosäule erfolgt zweckmäßigerweise dreidimensional, und die Kühlrohre können mindestens zum Teil parallel geschaltet sein. Die einzelnen Elemente der Thermosäule können z. B. gemäß Fig. 1 oder 2 ausgeführt sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Umwandlung von Bernenergie in elektrische Energie mittels einer thermoelektrischen Anordnung, z. B. einer Thermosäule, dadurch gekennzeichnet, d-aß die Thermoelemen.te im Innern des Kernbrennstoffraumes des Reaktors angeordnet sind und die freigesetzte Kernenergie zur unmittelbaren Erwärmung der einen Hälfte der Kontaktstellen der thermoelektrischen Anordnung ausgenutzt wird.
2. Kernreaktor, bei dem von dem Verfahren nach Anspruch 1 Gehrauch gemacht ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der thermoelektrischen Komponenten der thermoelektrischen Anordnung einen den Ablauf der Kernreaktion beeinflussenden Teil des Kernreaktors bildet.
3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Komponenten oder eine davon als Moderator- und/oder Kühlmittel und/oder Kern@brennsubstanz des Kernreaktors wirksam sind.
4. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der thermoelektrischen Komponenten als Moderatorsubstanz wirksam ist und daß die Kernbrennsubstanz zwischen jeder zweiten Kontaktstelle eingelagert ist.
5. Kernreaktor nach einem :der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht aufgeheizte Hälfte der Kontaktstellen mit einer Kühlvorrichtung versehen ist.
6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Kontaktstellen mit Kühlfahnen versehen und diese vorzugsweise zwischen die thermoelektrischenKomponentemeingelagert sind.
7. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Kontaktstellen durch elektrisch leitende Kühlrohre überbrückt sind und daß als Kühlmittel eine der bekannten, Neutronen schwach absorbierenden Flüssigkeiten oder ein entsprechendes Gas dient. B.
Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 oder 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als eine thermoelektrischeKomponente eineModeratorsubstanz und als andere thermoeilektrische Komponente eine Kernbrennsubstanz vorgesehen ist und daß die Kernbrennsubstanz an jeder zweiten Kontaktstelle eine Schicht größerer Spaltbarkeit aufweist.
9. Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennsubstanz an jeder zweitenKontaktstelle miteinerKernbrenmsubstanz höherer Spaltbarkeit angereichert ist.
10. Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennsubstanz natürliches Uran oder Thorium und als Substanz größerer Spaltbarkeit ein mit U233, U235 oder Pu239 angereicherter Stoff vorgesehen ist.
11. Kernreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennsubstanz natürliches Uran, das an jeder zweiten Kontaktstelle mit U235 angereichert ist, vorgesehen ist.
12. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als ModeratorsubstanzKohlenstoff (Graphit) oder Beryllium vorgesehen ist.
13. Kernreaktor nach einem der Ansprüche S bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Dimensionierung der beiden thermoelektrischen Komponenten so gewählt ist, daß die Wärmeverluste möglichst gering sind, und daß dieser Dimensionierung die Dimensionierung der Schicht mit einer Kernbrennsubstanz größerer Spaltbarkeit angepaßt ist.
14. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als Moderator- und/oder Kernbrennsubstanz dienenden Komponenten der Thermoelemente in Form von therinoelektrisch günstigen Legierungen, Verbindungen oder Mischungen vorgesehen sind.
15. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, :daß die Elemente der t'hermoelektrischen Anordnung elektrisch. hintereinander und hinsichtlich der Kühlung mindestens zum Teil parallel geschaltet sind.
16. Kernreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der thermoe!lektrischen Anordnung dreidimensional angeordnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2671817.