DE1028249B

DE1028249B - Verfahren zur thermischen Bruetung von Plutonium

Info

Publication number: DE1028249B
Application number: DED23855A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Bagge; Dr Kurt Diebner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-09-19
Filing date: 1956-09-19
Publication date: 1958-04-17
Also published as: GB856054A; FR1226419A

Description

Nach dem bisher bekannten Stand der Reaktorentwicklung gilt es als nicht möglich, Kernreaktoren aufzubauen, die mit thermischen Neutronen Plutonium zu brüten vermögen. Das thermische Brüten ist vorläufig nur auf den Fall des Brütens von Uran 233 beschränkt, das wegen der besonders hohen Zahl von Spaltneutronen die Konstruktion thermischer Reaktoren erlaubt, die mehr Brennstoff erzeugen als sie verbrauchen.

Wenn im folgenden unter Brüterreaktoren ganz allgemein nur solche Reaktoren verstanden sein sollen, die im Nettoeffekt insgesamt mehr an Kernbrennstoff laufend erzeugen, als sie anderen Kernbrennstoff, gleich welcher Art, laufend verbrauchen, so besteht der Grundgedanke der im folgenden beschriebenen Erfindung darin, daß es möglich ist, in einem Zwei- oder Mehrstufenreaktor oder in einer dem Zweistufenreaktor verwandten Anordnung zu einer Plutoniumerzeugung zu kommen, die den Verbrauch an Kernbrennstoff im Reaktor erster Stufe (Zentralreaktor) und beispielsweise im Reaktorteil zweiter Stufe zusammen beträchtlich übertrifft. Wie dieses möglieh ist, soll im folgenden auseinandergesetzt werden.

Der Zweistufenreaktor z. B. besteht aus einem für sich schon überkritischen Zentralreaktor erster Stufe, der über eine gewisse Überschußreaktivität verfügt. Welcher Art der Zentralreaktor ist, spielt dabei keine Rolle. Der zentrale Kern wird mit einer Anordnung aus natürlichem Uran und z. B. leichtem Wasser umgeben, die so eingerichtet ist, daß der ihr zuzuordnende Vermehrungsfaktor K_x zwischen 0,5 und 1 liegt, im allgemeinen also kleiner als 1 ist. Natürlich sind auch Übergänge denkbar, bei denen der Zentralreaktor von dem ihn umgebenden äußeren Reaktor zweiter Stufe nicht so scharf abgegrenzt ist, sondern sich der Übergang von Bereichen mit K_x größer als 1 zu Außenbereichen mit K_x kleiner als 1 stufenweise oder kontinuierlich vollzieht.

Beim Betrieb z. B. eines Zweistufenreaktors wird nun jedes Neutron, das den Zentralreaktor verläßt, in dem ihn umgebenden Reaktor zweiter Stufe insgesamt 1/(1—-K₀₀) Spaltungen auslösen. Wenn nun das entsprechende K_x beispielsweise bei 0,99 im Reaktor zweiter Stufe liegt, so bedeutet das, daß jedes aus dem Zentralreaktor austretende Neutron insgesamt hundert Spaltungen im Reaktor zweiter Stufe auslöst. Das heißt aber, daß in einem solchen Zweistufenreaktor oder in einer verwandten Anordnung unter Umständen ein vielfaches der Leistung produziert wird, die der Zentralreaktor oder eine innere Stufe des Reaktors abgibt. Es ist z. B. denkbar, daß der Zentralreaktor so aufgebaut ist, daß beim Betrieb beispielsweise 20°/₀ der Neutronenzahl, die für Spaltungen verantwortlich ist, die Oberfläche des Zentralreaktors verlassen. In diesem speziellen Falle liegt dann die Leistungsproduktion der zweiten Stufe dieses Zweistufenreaktors bei 100 · ¹Z₅, also dem 20fachen der Leistungsproduktion des Zentralreaktors. Dies bedeutet, daß von Verfahren zur thermischen Brütung
von Plutonium

Anmelder:

Dr. Kurt Diebner,

Hamburg 39, Eppendorfer Stieg 8

Dr. Erich Bagge, Hamburg-Wandsbek,
und Dr. Kurt Diebner, Hamburg,
sind als Erfinder genannt worden

dem beispielsweise natürlichen Uran, welches sich im Reaktor zweiter Stufe befindet, auch genau 20mal so viel Uran 235 verbraucht wird, wie im Zentralreaktor, der z. B. U 235 als Brennstoff enthalten möge, vorher gespalten wurde.

Dieser Umstand ermöglicht es, zu einem thermischen Plutoniumbrüter zu kommen, der mehr an Plutonium erzeugt, als insgesamt Uran 235 verbraucht wird.

Um dies zu erläutern, sei auf die Zeichnung verwiesen, die den Konversionsfaktor C₀ eines Uran-Wasser-Gemisches bei Zylinderstäben als Brennstoffelemente (als Ausführungsbeispiel gedacht) — ihr Radius sei R₀ —· zeigt, wobei gestrichelt die Kurven für K_x als Parameter eingezeichnet sind, die sich für die verschiedenen Mischungsverhältnisse -= — ergeben. Aus diesen Kur-

^b Brennstoff ^ö

ven entnimmt man, daß für K_x-Werte gleich 1 der entsprechende Konversionsfaktor bei etwa 0,96 liegt. Wenn man sich hingegen auf den Kurven konstanter Koo-Werte, z. B. K — 0,98, bewegt, so zeigt sich, daß diese Kurven in Ordinatenbereiche hineinführen, für die der Konversionsfaktor C₀ größer ist als 1. Zum Beispiel ergibt sich

für ein Mischungsverhältnis -ψ- von Moderator zu Brenn-

"0

stoff bei K_x = 0,98 ein maximales C₀ von 1,104. Diese Zahl bedeutet im Prinzip folgendes: Wenn z. B. im Zentralreaktor unter den oben diskutierten Verhältnissen 1 kg Uran 235 verbraucht wird, so verbrennen im Außenbereich des Gesamtreaktors, also im Reaktor zweiter Stufe, insgesamt 20 kg Uran 235, während gleichzeitig 20 · 1,104 = 22,08 kg Plutonium neu entstehen. Da der Reaktor als Ganzes aber nur 20 + 1 = 21 kg Uran 235 an Brennstoff aufgebraucht hat, ist ein Nettogewinn von 1,08 kg an Bremsstoff in Form von Pu 239 zu verbuchen. Das Diagramm erlaubt natürlich über dieses Musterbeispiel hinaus, sich unter Umständen günstigere Be-

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dingungen auszusuchen, bei denen der entsprechende Brutgewinn größer ist als in dem angeführten Beispiel. Ganz ähnliche Verhältnisse wie die hier diskutierten ergeben sich, wenn man im Reaktor erster Stufe statt des Moderators Wasser andere Bremssubstanzen, wie Kohlenstoff (Graphit) und seine Verbindungen, schweres Wasser oder Be und seine Verbindungen oder andere Bremssubstanzen, verwendet. Die am Beispiel des Wassers dargelegten Verhältnisse sind dabei sinngemäß auf die anderen Bremssubstanzen zu übertragen, für die sich ganz ähnliche Bedingungen ergeben.

Es ist noch zu bemerken, daß es unter Umständen zweckmäßig sein kann, den Reaktor zweiter und/oder höherer Stufen ganz oder zum Teil auch mit einem K^- Wert größer als 1 zu betreiben, wenn es von Interesse ist, beispielsweise um die hemmenden Wirkungen der Reaktorgifte Xe und Sm bei hoher Leistungsproduktion zu bekämpfen.

Claims

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zur thermischen Brütung von Plutonium in einem Zwei- oder Mehrstufenreaktor oder in einem dem Zweistufenreaktor verwandten System, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem System der Zentralkern überkritisch arbeitet, während der Reaktor zweiter und/oder höherer Stufe mit einer unterkritischen Anordnung betrieben wird, wobei sich der Übergang vom überkritischen zum unterkritischen Bereich diskontiunierlich in einem oder mehreren Schritten oder sogar kontinuierlich vollziehen kann, in der Weise, daß der über 1 liegende Konversionsfaktor bei einer Uran-Bremssubstanz-Mischung ausgenutzt wird, wenn der zugehörige Vermehrungsfaktor Ji₀O kleiner als 1 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konversionsfaktor C₀ der Uran-Bremssubstanz-Mischung im Reaktor zweiter und/oder höherer Stufe ganz oder zum Teil unter 1 liegt, wenn das Brüten nicht direkt angestrebt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge~ kennzeichnet, daß der Vermehrungsfaktor K₀₀ der Uran-Bremssubstanz-Mischung im Reaktor zweiter oder/und höherer Stufe ganz oder zum Teil über 1 liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 MO/322 4.58