DE1026452B - Verfahren zur Durchfuehrung von Kernspaltungsreaktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Kernspaltungsreaktionen, bei dem der Kernbrennstoff in Form einer sich schnell absetzenden Suspension von Uranoxyd oder einem ähnlichen spaltbaren Material in einer moderierenden Trägerflüssigkeit, wie gewöhnlichem oder schwerem Wasser, durch einen Kernreaktor zikuliert, mit der Wirkung, daß die im Kernreaktor entwickelte Wärme abgeführt und gegebenenfalls eine kontinuierliche Reinigung des Kernbrennstoffs während des Betriebes des Kernreaktors ermöglicht wird.

Bei einem Suspensionskernreaktor ist es für eine gute Wirkung erforderlich, die richtige Konzentrationsverteilung des spaltbaren Materials in dem Raum, wo die Kernspaltungsreaktion erfolgt — weiterhin Reaktorgefäß genannt —, aufrechtzuerhalten.

Hauptsächlich soll die Konzentration des spaltbaren Materials in dem Reaktorgefäß überall gleich groß sein. Der Verwirklichung einer solchen homogenen Verteilung stellen sich jedoch Schwierigkeiten entgegen, die sich aus dem Umstand ergeben, daß die Teilchen des spaltbaren Materials infolge ihres hohen spezifischen Gewichtes die Tendenz aufweisen, sich schnell abzusetzen. Dies ist besonders der Fall wegen der in dem Reaktorgefäß vorherrschenden hohen Temperaturen, welche ja die Viskosität der Trägerflüssigkeit herabsetzen.

Die auf der Hand liegende Anwendung von Rührern oder ähnlichen Mitteln mit bewegten Teilen in dem Reaktorgefäß ergibt in der Praxis große Schwierigkeiten, da eine regelmäßig und kurzfristig wiederholte Pflege und Ausbesserung infolge der starken Strahlung im Innern des Kernreaktors beschwerlich oder gar unmöglich ist.

Bei einem bekannten Verfahren findet zwecks Beseitigung der erwähnten und sonstigen Schwierigkeiten ein Reaktorgefäß mit senkrechten Wänden Anwendung und wird die Kernbrennstoffsuspension in solcher Weise kontinuierlich abwärts durch das Reaktorgefäß geleitet, daß Wirbelungen in der Trägerflüssigkeit möglichst vermieden werden und die suspendierten Teilchen sich frei hinsichtlich der Trägerflüssigkeit absetzen können.

Vorzugsweise fließt hierbei die Suspension von einem oberhalb des Reaktorgefäßes befindlichen Speiseraum, dessen Querschnitt an der Unterseite dem des Reaktorgefäßes im wesentlichen gleichkommt, und tritt anschließend nach Aufspaltung in eine Anzahl senkrechter Teilströme in das Reaktorgefäß hinein.

Bei dem besagten Verfahren sinkt die Trägerflüssigkeit mit einer über den ganzen Horizontalquerschnitt des Reaktorgefäßes gleichen Geschwindigkeit hinunter, während die suspendierten Teilchen fast gleich, nach-Verfahren zur Durchführung
von Kernspaltungsreaktionen

Anmelder:

Stichting Reactor Centrum Nederland,
Den Haag

Vertreter: Dr. F. Zumstein
und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 25. Juni 1955

Bernard Louis Anton van der Scb.ee,

Arnhem (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

dem die Suspension in das Reaktorgefäß hineingetreten ist, eine konstante Absetzgeschwindigkeit hinsichtlich der Trägerflüssigkeit aufweisen. Dies hat zur Folge, daß sich bei konstanter Zusammensetzung der zugeführten Suspension und konstanter Zu- und Abführung der Suspension im Innern des Reaktorgefäßes ein stationärer Zustand entwickelt, bei dem die Konzentration der Suspension im Reaktorgefäß überall gleich groß ist.

Es wurde nunmehr gefunden, daß wesentlich bessere Ergebnisse erzielt werden können mit einem Verfahren, bei dem gleichfalls unter Verwendung eines Reaktorgefäßes mit senkrechten Wänden der Kernbrennstoff kontinuierlich aufwärts durch das Reaktorgefäß geleitet wird, und zwar wiederum in solcher Weise, daß Wirbelungen in der Trägerflüssigkeit möglichst vermieden werden und sich die suspendierten Teilchen frei hinsichtlich der Trägerflüssigkeit absetzen können. Auch in diesem Falle entwickelt sich innerhalb des Reaktorgefäßes ein stationärer Zustand, wie oben angedeutet.

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Das erfindungsgemäße Verfahren gewährt im Ver- Der Speiseraum kann dabei zur Förderung einer

gleich zu dem obenerwähnten bekannten Verfahren guten Verteilung der hereinströmenden Suspension einige wichtige Vorteile. über die verschiedenen Teilströme mit Verteilern aus-

Dadurch, daß die Suspension in Aufwärtsrichtung gestattet sein.

durch das Reaktorgefäß geleitet wird, werden zwei 5 Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Ursachen der Bildung von Inhomogenitäten innerhalb kann es vorkommen, daß sich infolge einer gewissen des Reaktorgefäßes wesentlich beseitigt. Labilität der aufwärts strömenden Suspension in

Zunächst einmal vermeidet man Konvektionsströme senkrechter Ebene und über den ganzen vertikalen infolge des senkrecht über das Reaktorgefäß verlaufen- Querschnitt des Reaktorgefäßes eine langsame Zirkuden Temperaturabfalls, weil die Tendenz zum Hinauf- io lationsströmung bildet. Es ist möglich, dieser Ersteigen der beim Durchströmen des Reaktorgefäßes scheinung Einhalt zu tun, indem man unter Animmer heißer werdenden Trägerflüssigkeit nicht dem wendung eines zylindrischen Reaktorgefäßes der in Hauptstrom entgegengerichtet ist, wie dies bei Ab- das Reaktorgefäß hineinströmenden Suspension eine wärtsströmung der Kernbrennstoffsuspension wohl der leichte Rotationsbewegung um die senkrechte Achse Fall ist, sondern mit dem Hauptstrom zusammenwirkt. 15 des Reaktorgefäßes erteilt. Dies läßt sich z. B. durch Ferner aber vermeidet man bei dem erfindungs- Verwendung eines Satzes in einer gemeinsamen waagegemäßen Verfahren auch die Bildung von Inhomogeni- rechten Ebene befindlicher konzentrischer Schaufeltäten infolge der mit der Kernspaltungsreaktion ver- kränze, deren Schaufeln zweckmäßig·geneigt sind, verbundenen Gasentwicklung. wirklichen, wobei das Ganze, auch mit Rücksicht auf Etwaige Gasblasen, welche aus den Zersetzungs- 20 die Zuteitungsgeschwindigkeit der Suspension, in produkten der moderierenden Trägerflüssigkeit, gege- solcher Weise ausgebildet ist, daß die Bewegung der benenfalls mit gasförmigen Spaltprodukten gemischt, hineinströmenden Suspension hauptsächlich senkrecht bestehen, werden von der aufsteigenden Flüssigkeit bleibt.

mitgeführt, wodurch im Gegensatz zu dem Verfahren, Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Suspension,

bei dem ein abwärts gerichteter Suspensionsstrom 25 der beim Zuleiten in das Reaktorgefäß eine leichte vorliegt, die Gasblasen nicht zurückbleiben können. Rotationsbewegung erteilt wird, noch bessere Ergeb-Das erfindungsgemäße Verfahren gewährt weiter- nisse erzielt werden, wenn man dafür Sorge trägt, daß hin einen wichtigen zusätzlichen Vorteil. Weil näm- der Widerstand, den die Suspension beim Hineinlich die mittlere Konzentration der Kernbrennstoff- strömen in das Reaktorgefäß erfährt, bei Verringerung suspension innerhalb des Reaktorgefäßes größer ist als 30 des Abstandes von der Achse des Reaktorgefäßes die mittlere Konzentration der Suspension im übrigen etwas ansteigt.

Teil des Suspensionskreislaufs, ist die Menge spalt- Dies kann z. B. bei Verwendung eines Satzes waagebaren Materials, die sich während des Reaktorbetriebs rechter konzentrischer Schaufelkränze dadurch erin dem Abschnitt des Kreislaufsystems außerhalb des reicht werden, daß man bei gleicher Neigung sämt-Reaktorgefäßes befindet, geringer als bei dem Ver- 35 Hcher Schaufeln wenigstens einen Teil dieser Schaufahren mit abwärts gerichtetem Suspensionsstrom, da fein mit Öffnungen versieht, und zwar in solcher in diesem Falle die mittlere Konzentration der Kern- Weise, daß die mittlere Zahl der öffnungen je Schaubrennstoffsuspenisio'n innerhalb des Reaktorgefäßes fei von außen nach innen zunimmt. Je größer die Aneben geringer ist als die mittlere Konzentration der zahl der öffnungen in einer Schaufel ist, desto größer Suspension im übrigen Teil des Suspensionskreds- 40 ist die Turbulenz in der durchströmenden Trägerlaufs, vorausgesetzt, daß keine Verdünnung dieser flüssigkeit der Suspension und desto größer auch der Suspension stattfindet. Strömungswiderstand.

Dadurch ist, bei gegebenen Abmessungen des Re- Die Abfuhr der Kernbrennstoffsuspension aus dem

aktorgefäßes und des übrigen Suspensionskreislaufs, Reaktorgefäß hat in gleichmäßiger Weise zu erfolgen, die Menge spaltbaren Materials, welche sich jeweils 45 und zwar derart, daß induzierte Zirkulationsaußerhalb des Reaktorgefäßes befindet und somit zeit- strömungen innerhalb des Reaktorgefäßes vermieden weise nicht an der Kernspaltungsreaktion beteiligt ist, werden. In der einfachsten Form kann dies zustande möglichst gering. gebracht werden, indem man das obere Ende des Re-

Auch wenn bei dem bekannten Verfahren mit ab- aktorgefäßes konisch ausbildet, gegebenenfalls unter wärts gerichtetem Suspensionsstrom außerhalb des 50 Verwendung von Leitflächen oder Leitkörpern. Es ist Reaktors eine Verdünnung der zirkulierenden Suspen- gleichfalls möglich, die Abfuhr durch eine Anzahl sion stattfindet, gilt der erwähnte Vorteil der Erfin- konzentrischer ringförmiger Abflußführungen oder dung, weil dann der übrige Teil des Suspensionskreis- eine Anzahl wie eine Honigwabe aneinanderschließenlaufs gedanklich ersetzt werden kann durch einen der pyramidenförmiger Abflußführungen erfolgen zu kleineren Kreislauf, in dem die Suspension die Kon- 55 lassen.

zentration der unmittelbar aus dem Reaktor tretenden Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher

Suspension besitzt. erläutert.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- Fig. 1 zeigt schematisch einen homogenen Kern-

fahrens soll der Art und Weise der Zu- und Abfuhr reaktor mit Hilfsanlagen.

der Kernbrennstoffsuspension an das bzw. aus dem 60 Innerhalb des Neutronenreflektors 1 befindet sich Reaktorgefäß besondere Aufmerksamkeit entgegen- das Reaktorgefäß, das aus einem zylindrischen Teil 2 gebracht werden. Insbesondere ist hierbei die Zufuhr mit senkrechter Innenwand und einem darüber geals kritisch anzusehen. lagerten konischen Teil 3 zusammengesetzt ist. Unter-

Vorzugsweise wird die Suspension von einem unter- halb des Reaktorgefäßes befindet sich ein konzenhalb des Reaktorgefäßes befindlichen Speiseraum aus, 65 irischer konischer Speiseraum 4, welcher durch ein der an der oberen Seite den gleichen Querschnitt auf- siebartiges System von senkrechten Trennungsweist wie das Reaktorgefäß, in einer Anzahl vor- wänden 5 von dem Reaktorgefäß getrennt ist. wiegend senkrechter Teilströme in das Reaktorgefäß Unter der Wirkung einer Pumpe 6 zirkuliert nun

geleitet, z. B. mittels eines siebartigen Systems von eine Suspension von Uranoxyd oder einem ähnlichen vorwiegend senkrecht angeordneten Trennungswänden. 70 spaltbaren Material in einer moderierenden Träger-

flüssigkeit, wie gewöhnlichem oder schwerem Wasser, der Reihe nach durch das Reaktorgefäß, eine Abflußleitung 7, einen Wärmeaustauscher 8, eine Leitung 9, einen Zentrifugal-Gasabscheider 10, eine Zuflußleitung 11, den Speiseraum 4 und das System von Trennungswänden 5, und zwar in solcher Weise, daß innerhalb des Reaktors die Mengen spaltbaren Materials und Moderatorflüssigkeit als kritisch anzusehen sind, die Trägerflüssigkeit wirbelfrei hinaufströmt und die suspendierten Teilchen sich frei hinsichtlich der Trägerflüssigkeit absetzen können.

In dem Wärmeaustauscher 8 führt die zirkulierende Suspension die durch Kernspaltungen entwickelte Wärme an ein durch die Leitung 12 herangeführtes und durch die Leitung 13 abgeführtes Fluidum ab, welches zur Verwertung der gewonnenen Energie durch eine dazu geeignete Anlage zirkuliert (nicht in der Zeichnung vorhanden).

In dem Gasabscheider 10 werden die im Reaktorgefäß gebildeten Zersetzungsprodukte des gewöhnliehen bzw. schweren Wassers von der zirkulierenden Suspension getrennt und durch eine Leitung 14 einer Vorrichtung 15 zugeleitet, wo sie z. B. mit Hilfe eines Katalysators rekombiniert werden. Der anfallende gewöhnliche bzw. schwere Wasserdampf wird anschließend durch die Leitung 16 einem Kondensor 17 zugeführt, worauf das so erhaltene gewöhnliche bzw. schwere Wasser durch die mit Regelhahn 19 ausgestattete Leitung 18 wieder nach dem Suspensionskreislauf befördert wird.

Mittels einer mit Regelhahn 21 versehenen Leitung 20 kann ein Teil der zirkulierenden Suspension in den Hydrozyklon-Eindicker 22 geleitet werden. Hier wird der größte Teil der Trägerflüssigkeit von der zugeführten Suspension getrennt und durch die Leitung 23 der Reinigungsanlage 24 zugeleitet, wo die gelösten Spaltungsprodukte aus der abgetrennten Trägerflüssigkeit entfernt werden, z. B. mittels eines Adsorbers. Die eingedickte Suspension, welche den Hydrozyklon 22 verläßt, geht durch die Leitung 25 und wird anschließend in der Mischvorrichtung 26 mit der von der Reinigungsanlage 24 herrührenden gereinigten Trägerflüssigkeit vereint. Eine Suspension der ursprünglichen Konzentration fließt anschließend durch die Leitung 27 dem Suspensionskreislauf wieder zu.

Durch öffnung des Absperrventils 29 auf der Leitung28 kann die Kernbrennstoffsuspension im Notfall aus dem Kreislaufsystem abgelassen werden.

Fig. 2 zeigt einen Teil des Kernreaktors nach Fig. 1, der mit Mitteln versehen ist, mit deren Hilfe eine gute Verteilung der hineinströmenden Suspension über das System von senkrechten Trennungswänden 5 erzielt wird.

Dazu ist in dem Speiseraum 4 ein rotationssymmetrischer Leitkörper 40 vorgesehen, der durch Stützen fixiert ist, welche derart ausgebildet sind, daß sich ein peripherischer Raum 42 sowie eine Zentralröhre 43 bilden. An der oberen Seite ist das Ganze an eine Zentralstütze 44 und eine Anzahl sekundärer Führungswände 45 angeschlossen.

Fig. 3 zeigt einen anderen Teil des Kernreaktors nach Fig. 1, wo solche Mittel vorgesehen sind, daß die Abfuhr der Kernbrennstoffsuspension aus dem Reaktorgefäß in gleichmäßiger Weise erfolgen kann.

Hierbei ist in dem konischen Oberteil 3 des Reaktorgefäßes koaxial ein rotationssymmetrischer Leitkörper 50 in Form eines Doppelkegels aufgestellt, der durch Stützen 51 fixiert ist.

In den Fig. 4 a, 4 b und 4 c sind zwei Ausführungsformen eines Reaktorteils dargestellt, der statt des Systems von Trennungswänden 5 aus Fig. 1 benutzt wird, damit der Kernbrennstoffsuspension beim Hineinströmen in das Reaktorgefäß eine leichte Rotationsbewegung erteilt wird, was eine bessere Stabilität der Kernbrennstoffsuspension innerhalb des Reaktorgefäßes herbeiführt.

In seiner einfachsten Form, wie in Fig. 4a in Draufsicht und in Fig. 4 b in Abwicklung dargestellt ist, besteht dieser Einzelteil aus einem Satz konzentrischer, in einer gemeinsamen waagerechten Ebene befindlicher Schaufelkränze 61, 62, 63 und 64, welche an der oberen Seite zur Erzielung eines ausreichenden Durchströmungswiderstandes mit durchlöcherten Blechen 65, 66, 67 und 68 versehen sind.

Bessere Ergebnisse können erzielt werden, indem man einen Satz konzentrischer Schaufelkränze anwendet, wie sie in Fig. 4c in Abwicklung dargestellt sind. Hier sind die Schaufeln der inneren Kränze mit öffnungen versehen, deren Zahl ansteigt, je kleiner der Kranz wird, so daß die mittlere Zahl der öffnungen je Schaufel von außen nach innen zunimmt, wodurch der Widerstand, den die Suspension beim" Hineinströmen in das Reaktorgefäß erfährt, bei Verringerung des Abstandes von der Achse des Reaktorgefäßes allmählich ansteigt.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Durchführung von Kernspaltungsreaktionen, bei dem der Kernbrennstoff in Form einer sich schnell absetzenden Suspension von Uranoxyd oder einem ähnlichen spaltbaren Material in einer moderierenden Trägerflüssigkeit durch einen Kernreaktor zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension kontinuierlich aufwärts durch ein Reaktorgefäß mit senkrechten Wänden geleitet wird, und zwar in solcher Weise, daß Wirbelungen in der Trägerflüssigkeit möglischt vermieden werden und die suspendierten Teilchen sich frei hinsichtlich, der Trägerflüssigkeit absetzen können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension von einem unterhalt) des Reaktorgefäßes befindlichen Speiseraum aus, dessen Querschnitt an der oberen Seite dem des Reaktorgefäßes im wesentlichen gleichkommt, in einer Anzahl vorwiegend senkrechter Teilströme in das Reaktorgefäß strömt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Reaktorgefäß angewandt wird und der Suspension beim Hineinströmen in das Reaktorgefäß eine leichte Rotationsbewegung um die Achse des Reaktorgefäßes erteilt wird, z. B. durch Verwendung eines Satzes in einer gemeinsamen waagerechten Ebene befindlicher konzentrischer Schaufelkränze, in denen wenigstens ein Teil der Schaufeln einen Winkel mit der Senkrechten bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand, den die Suspension beim Hineinströmen in das Reaktorgefäß erfährt, bei Verringerung des Abstandes von der Achse des Reaktorgefäßes allmählich ansteigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Widerstandsverlauf durch Anwendung eines Satzes waagerechter Schaufelkränze mit geneigten Schaufeln erreicht wird, von denen wenigstens ein Teil mit öffnungen versehen ist, und zwar derart, daß die mittlere

Zahl der öffnungen je Schaufel von außen nach innen zunimmt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension aus dem Reaktorgefäß in gleichmäßiger Weise abgeführt wird, und zwar derart, daß induzierte Zirkula-

tionsströmungen innerhalb vermieden werden.

des Reaktorgefäßes

In Betracht gezogene Druckschriften: »Chemical Engineering Progress Symporium Series«, Bd. 50, Nr. 12, 1954, S. 120 bis 126.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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