DE1033810B - Nuclear reactor with ceramic fuel material - Google Patents

Nuclear reactor with ceramic fuel material

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DE1033810B
DE1033810B DEST11418A DEST011418A DE1033810B DE 1033810 B DE1033810 B DE 1033810B DE ST11418 A DEST11418 A DE ST11418A DE ST011418 A DEST011418 A DE ST011418A DE 1033810 B DE1033810 B DE 1033810B
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, in dem das spaltbare Material und gegebenenfalls der Bremsstoff in innigem Gemisch mit einem keramischen Material vorliegen und so angeordnet sind, daß sie stationär in der Reaktionszone bleiben, und bei 5 dem die durch die Kernreaktionen erzeugte Wärme mit Hilfe eines Kühlmittels, das durch die Reaktionszone geleitet wird, abgeführt wird. Das Kühlmittel, welches ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, wird im Kreislauf geführt. Die Wärme wird in der Reaktionszone aufgenommen und außerhalb von dieser abgegeben, z. B. in einen Kühler oder Wärmeaustauscher. Die Wärme wird im allgemeinen verwendet, um Dampf zu erzeugen, mit dem man nutzbringende Arbeit in einer Turbine leisten kann. Es ist jedoch auch möglich, ein gasförmiges Fluidum direkt Arbeit leisten zu lassen, z. B. in einer Gasturbine oder einem Gasmotor. Die Wärme des Fluidums kann auch direkt für andere Zwecke verwendet werden, z. B. für die Durchführung von chemischen Reaktionen.The invention relates to a nuclear reactor in which the fissile material and optionally the Brake material are intimately mixed with a ceramic material and are arranged in such a way that that they remain stationary in the reaction zone, and at which the heat generated by the nuclear reactions is removed with the aid of a coolant which is passed through the reaction zone. The coolant, which can be a gas or a liquid, is circulated. The heat is in the reaction zone recorded and released outside of this, z. B. in a cooler or heat exchanger. The heat is generally used to generate steam, with which one is beneficial Work in a turbine can do. However, it is also possible to work a gaseous fluid directly to make such. B. in a gas turbine or a gas engine. The heat of the fluid can also be direct used for other purposes, e.g. B. for carrying out chemical reactions.

Bei heterogenen Reaktoren, in denen das Spaltmaterial in der Reaktionszone in Form von Stangen und der Bremsstoff z. B. in Form von Graphitblöcken vorgesehen ist, ist es bekannt, die erzeugte Wärme abzuführen, indem man gasförmiges Kohlendioxyd unter Druck hindurchleitet. Hierbei hat man angenommen, daß man in diesem Fall von konzentrierter Wärmeerzeugung, z. B. in den Stangen von spaltbarem Material, einen guten Wärmetransport nur erhalten kann, ohne daß in dem Spaltmaterial unzulässig hohe Temperaturen auftreten, wenn man dem Spaltmaterial eine die Wärme gut leitende Struktur, z. B. eine Metallstruktur, gibt und wenn man das zu kühlende spaltbare Material direkt mit dem Kühlmittel in Berührung bringt, gegebenenfalls unter Einschaltung einer die Stangen umgebenden Schutzschicht aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften, z. B. aus Aluminium. Es ist auch schon bekannt, Reaktorbetriebsstoffgemische auf keramischem Wege herzustellen, doch waren die daraus hergestellten Körper mit einer Schutzschicht versehen, um Korrosionserscheinungen zu verhindern und das Hindurchtreten der Spaltprodukte zu vermeiden.In heterogeneous reactors in which the fissile material in the reaction zone is in the form of rods and the brake fluid z. B. is provided in the form of graphite blocks, it is known, the heat generated remove by passing gaseous carbon dioxide through under pressure. Here it has been assumed that in this case of concentrated heat generation, z. B. in the rods of fissile Material, good heat transport can only be obtained without inadmissibly high levels in the gap material Temperatures occur when the gap material has a structure that conducts heat well, e.g. Legs Metal structure, there and when the fissile material to be cooled is in direct contact with the coolant brings out, optionally with the inclusion of a protective layer surrounding the rods a material with good thermal conductivity properties, e.g. B. made of aluminum. It is already known Producing reactor fuel mixtures by ceramic means, but those made from them were Body provided with a protective layer to prevent corrosion and penetration to avoid the fission products.

Die Erfindung ist nun unter anderem auf die Ansicht gegründet, daß diese Betrachtungen nicht all ■ gemein richtig sind, so daß Kernreaktoren gebaut werden können, die den genannten Anforderungen der Wärmeerzeugung und der direkten Berührung nicht genügen und trotzdem mit Hilfe eines Fluidums, das durch die Reaktionszone fließt, sehr erfolgreich gekühlt werden können.The invention is based, inter alia, on the view that these considerations do not apply to all are common correct, so that nuclear reactors can be built that meet the stated requirements of the Heat generation and direct contact are not sufficient and still with the help of a fluid that flows through the reaction zone, can be cooled very successfully.

Gemäß der Erfindung wird ein homogenes oder praktisch homogenes Gemisch aus Spaltmaterial und Wärmeverteilungsmaterial, das auch ein Brennstoff Kernreaktor
mit keramischem BrennstoffmaterialAccording to the invention, a homogeneous or practically homogeneous mixture of fissile material and heat distribution material, which is also a fuel nuclear reactor
with ceramic fuel material

Anmelder:Applicant:

Stichting Reactor Centrum Nederland,
Den HaagStichting Reactor Centrum Nederland,
The hague

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. PulsRepresentative: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Pulse

und Dipl.-Chem, Dr. rer. nat. E. Frhr. v, Pechmann,and Dipl.-Chem, Dr. rer. nat. E. Frhr. v, Pechmann,

Patentanwälte, München 9, Sctiweigerstr. 2Patent Attorneys, Munich 9, Sctiweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 18. Juli 19S5Claimed priority:
Netherlands 18 July 19S5

Dr. Willem Johannes Dominicus van Dijck, Den Haag, ist als Erfinder genannt wordenDr. Willem Johannes Dominicus van Dijck, The Hague, has been named as the inventor

sein kann, in der Reaktionszone in Form eines schwammartigen keramischen Materials verwendet.can be used in the reaction zone in the form of a sponge-like ceramic material.

Das Spaltmaterial tritt daher nicht in Fo>rm eines Metalls, sondern in Form eines keramischen Materials auf. Unter keramischem Material wird hier eine Substanz verstanden, die nach vorausgehender Formung und Erhitzung eines feinverteilten Ausgangsmaterials ihre letzte feste Form erhält. Das vorausgehende Formen kann z. B. mit Hilfe von Pressen bewirkt werden, und das Erhitzen kann nach diesem oder mit diesem zugleich vorgenommen werden. Das Erhitzen kann so hoch sein, daß ein Sintern auftritt. Ein Sintern ist jedoch nicht absolut notwendig. Die Behandlung soll jedoch in einer solchen Weise erfolgen, daß ein schwammartiges Material erhalten wird, d. h. ein Material mit offenen Poren.The fissile material therefore does not occur in the form of one Metal, but in the form of a ceramic material. Ceramic material is used here as a Understood substance that after prior shaping and heating of a finely divided starting material receives its last fixed form. The foregoing shaping can e.g. B. effected with the help of presses and the heating can be carried out after this or at the same time. That Heating can be so high that sintering occurs. However, sintering is not absolutely necessary. the However, treatment should be carried out in such a way that a sponge-like material is obtained will, d. H. a material with open pores.

Das Wrärmeverteilungsmaterial darf nur in kleinem Ausmaß neutroneneinfangende Eigenschaften aufweisen, soll eine gute spezifische Wärmeleitfähigkeit haben und imstande sein, hohe Temperaturen zu vertragen. Das Wärmeverteilungsmaterial dient dazu, die Wärme, die hauptsächlich in dem spaltbaren Material erzeugt wird, abzuleiten und über eine große Fläche zu verteilen, so daß das Kühlmittel die Wärme wirksam übernehmen kann. Die als solches verwendete Substanz ist im allgemeinen eine, die als Bremsstoff wirkt. Gelegentlich ist das verwendete wärmeverteilende Material ein Gemisch von Stoffen, von denen nur ein Teil eine Bremswirkung besitzt. Berylliumoxyd, Berylliumcarbid oder Kohlenstoff werden be-The W r ärmeverteilungsmaterial may have only a small extent neutroneneinfangende properties, to have a good specific thermal conductivity and be able to withstand high temperatures. The heat distribution material serves to dissipate the heat that is mainly generated in the fissile material and to distribute it over a large area so that the coolant can take over the heat effectively. The substance used as such is generally one that acts as a braking agent. Occasionally the heat-dissipating material used is a mixture of substances, only some of which have a braking effect. Beryllium oxide, beryllium carbide or carbon are used

809 560/394809 560/394

vorzugt als wärmeverteilendes Material und auch als Bremsstoff verwendet. Wärmeverteilungsstoffe, die nicht zur gleichen Zeit Bremsstoffe sind, sind z. B. Verbindungen von Wismut, Magnesium, Blei, Phosphor, Silicium, Zirkon und bzw. oder Aluminium, MgO, SiO2, MgSiO3, ZrSiO undpreferably used as a heat-distributing material and also as a brake fluid. Heat distribution substances that are not at the same time braking substances are e.g. B. compounds of bismuth, magnesium, lead, phosphorus, silicon, zirconium and or or aluminum, MgO, SiO 2 , MgSiO 3 , ZrSiO and

Bi2O3,Bi 2 O 3 ,

Die Reaktionszone, d. h. das keramische Material, wird gekühlt, indem man ein Fluidum, z. B. unter Druck, hindurchleitet. Vorzugsweise wird ein Gas hindurchgepumpt. Die Füllung aus den Füllkörpern soll hinreichend großen freien Raum geben, ungefähr 501Vo oder mehr, um zu große Druckverluste des Kühlmediums in der Reaktionszone zu vermeiden.The reaction zone, ie the ceramic material, is cooled by applying a fluid, e.g. B. under pressure, passes through. A gas is preferably pumped through. The filling of the packing should be sufficiently large free space, about 50 1 Vo or more in order to avoid excessive pressure loss of the cooling medium in the reaction zone.

Wenn das keramische Material Oxyde, z. B. bei Verwendung von Berylliumoxyd als Brennstoff, enthl k KhdiWhen the ceramic material is oxides, e.g. B. when using beryllium oxide as fuel, enthl k Khdi

ζ. Β.ζ. Β.

Mg2p2o;Mg 2 p 2 o;

In der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Kernreaktors ist in der Reaktionszone ein Bremsstoff in. festem Zustand vorgesehen. Es kann die ganze 10 hält, kann Kohlendioxyd mit einem geringen Gehalt Menge des Bremsstoffes in dem schwammartigen an Sauerstoff (z.B. 5%) verwendet werden. Wenn keramischen Material angeordnet sein (homogener Carbide oder Graphit in dem keramischen Material Reaktor); der Bremsstoff kann aber auch ganz oder vorliegen, kann Kohlenmonoxyd verwendet werden, teilweise gesondert davon in der Reaktionszone an- gegebenenfalls im Gemisch mit einem kleinen Prozentgeordnet sein, z. B. in Form von Blöcken oder Platten 15 gehalt an Kohlendioxyd, Helium, Wasserstoff oder (heterogener Reaktor). Ferner ist es möglich, als Deuterium können unter gewissen Umständen eben-Kühlflüssigkeit eine Substanz mit Bremswirkungen zu falls geeignete Kühlmittel sein.In the preferred embodiment of the present nuclear reactor, there is a braking material in the reaction zone in. solid state provided. It can hold the whole 10, can carbon dioxide with a low content Amount of braking material in which spongy oxygen (e.g. 5%) can be used. if ceramic material (homogeneous carbide or graphite in the ceramic material Reactor); the braking agent can also be present in its entirety or, carbon monoxide can be used, in some cases separately in the reaction zone - optionally in a mixture with a small percentage, z. B. in the form of blocks or plates 15 content of carbon dioxide, helium, hydrogen or (heterogeneous reactor). It is also possible, under certain circumstances, as deuterium, even-cooling liquid a substance with braking effects if suitable coolants are used.

verwenden. Es ist jedoch nicht absolut notwendig, Es ist auch möglich, als Kühlmittel eine Dispersionuse. However, it is not absolutely necessary, it is also possible to use a dispersion as a coolant

einen Bremsstoff in der Reaktionszone zu verwenden. einer Flüssigkeit in einem Gas, z. B. schweres Wasser Das Wärmeverteilungsmaterial und gegebenenfalls 20 in schwerem Wasserdampf, oder eine Flüssigkeit, wie irgendwelche gesondert davon angeordnete Brems- schweres Wasser, zu verwenden. Beim Passieren der stoffe können ein sogenanntes Brütmaterial enthalten, Reaktionszone kann die Flüssigkeit ganz oder teild. h. ein Material, das durch Einwirkung von Neu- weise verdampfen. Andere flüssige Kühlmittel, deren tronen in spaltbares Material umgewandelt werden Verwendung bei Kernreaktoren bekannt ist, sind kann, z.B. Uranium 238 und bzw. oder Thorium, 25 flüssiges Natrium, NaOH, NaOD oder Wismut. Das insbesondere deren Oxyde oder Carbide. gewählte Kühlmittel soll unveränderlich sein, alsoto use a braking agent in the reaction zone. a liquid in a gas, e.g. B. heavy water The heat spreading material and optionally 20 in heavy steam, or a liquid such as to use any separately arranged heavy water for braking. When passing the Substances can contain what is known as breeding material, the reaction zone can contain all or part of the liquid. H. a material that evaporates when exposed to Neuweise. Other liquid coolants whose Trons to be converted into fissile material are known to be used in nuclear reactors can, e.g. uranium 238 and / or thorium, 25 liquid sodium, NaOH, NaOD or bismuth. That in particular their oxides or carbides. chosen coolant should be immutable, so

eines, das keine chemischen Reaktionen mit dem keramischen Material ergibt.one that does not result in chemical reactions with the ceramic material.

Das spaltbare Material und das Wärmeverteilungsmaterial werden homogen oder praktisch homogen miteinander gemischt und durch Erhitzen in eine schwammartige oder korallenartige feste Substanz, d. h. in eine feste Substanz mit offenen Poren, umgewandelt. Diese Porosität ist sehr wünschenswert im Hinblick auf die Freigabe der Spaltprodukte aus den Kernreaktionen, insbesondere von radioaktivem Jod und Xenon in Gasform. Die festen Teilchen, aus denen das keramische Material aufgebaut ist, sollen von der Größenordnung von 20 μ sein, da die Reichweite derThe fissile material and the heat distribution material are mixed homogeneously or practically homogeneously with one another and converted into a sponge-like or coral-like solid substance, ie into a solid substance with open pores, by heating. This porosity is very desirable with a view to releasing the fission products from the nuclear reactions, especially radioactive iodine and xenon in gaseous form. The solid particles from which the ceramic material is built up should be of the order of 20 μ , since the range of the

tration der Komponenten, insbesondere die Konzen- 40 Bruchstücke der Kernreaktionen größer sein soll als tration des spaltbaren Materials, überall in dem kera- der Durchmesser dieser feinsten Teilchen, SO' daß die mischen Material die gleiche sein muß. Spaltprodukte imstande sind, die im schwammartigenThe concentration of the components, in particular the concentration of fragments of the nuclear reactions, should be greater than tration of the fissile material, everywhere in the ker- the diameter of these finest particles, so that the mix material must be the same. Fission products are capable of forming in the spongy

Es ist sogar vorteilhaft, die Konzentration des Material vorhandenen Kanäle zu erreichen. Auf Grund spaltbaren Materials, im Mittel genommen, von der dieser Kanäle können die Spaltprodukte in das Kühl-Oberfläche des keramischen Materials aus bis in das 45 mittel übergehen und hernach daraus entfernt werden. Innere hinein abnehmen zu lassen. Wenn der Reaktor Wie bekannt ist, haben die genannten Spaltprodukte eine gleichmäßige Belastung erfährt, ist die Temperatur im Inneren des Materials niedriger, als wenn
dort eine konstante Konzentration von spaltbarem
Material vorhanden ist, oder mit anderen Worten, der 5°
Reaktor kann bei der gleichen maximalen Temperatur
im Material höher belastet werden.It is even advantageous to achieve the concentration of the channels present in the material. Due to the fissile material, taken on average from these channels, the fission products can pass into the cooling surface of the ceramic material from up to the medium and then be removed therefrom. To have the inside removed. As is known, if the reactor has experienced a uniform load, the temperature inside the material is lower than when the above-mentioned fission products
there a constant concentration of fissile
Material is present, or in other words, the 5 °
Reactor can operate at the same maximum temperature
are subject to higher loads in the material.

Das spaltbare Material soll jedoch homogen verteilt
über dieses Wärmeverteilungsmaterial sein, so daß in
der Regel keine Teilchen aus spaltbarem Material auf- 55 Stoffen, aus denen das endgültige Gemisch bestehen treten, die größer sind als etwa 50 μ, da die Gegen- soll, einen Teig zu bereiten, den Teig mit einer Strangwart von größeren Teilchen aus spaltbarem Material presse zu verpressen, den erhaltenen Strang zu zer-Anlaß dazu gibt, daß örtlich unzulässig hohe Tempe- teilen und die so erhaltenen Teilchen zu erhitzen. Bei raturen auftreten. diesem Erhitzen verdampft die Flüssigkeit aus demThe fissile material should, however, be distributed homogeneously
be over this heat spreading material so that in
As a rule, there are no particles of fissile material that make up the final mixture that are larger than about 50 μ, since the objective of preparing a dough is to make the dough with a string of larger particles of fissile material Press to press, the resulting strand to zer-gives rise to that locally inadmissibly high temperatures and to heat the particles obtained in this way. Occur at ratures. this heating evaporates the liquid from the

Der Reaktionsraum kann mit einer Füllung aus 60 Teig, oder eine Komponente des Gemisches verschwammartigem keramischem Material in der Form schwindet.The reaction space can be filled with a filling of 60 dough, or a component of the mixture spongy ceramic material in the mold disappears.

von Füllkörpern ausgerüstet werden. Diese Füllkörper Wenn z. B. ein Gemisch aus spaltbarem Materia]can be equipped with random packings. This packing If z. B. a mixture of fissile material]

können Granulate, Berl-Sattel, Raschig-Ringe usw. und Kohlenstoff verwendet wird, wird ein Klebstoff sein, vorzugsweise hohle sphärische Körper mit einer zugesetzt. Der Klebstoff zersetzt sich beim Erhitzen, perforierten Wand. Die Wanddicke beträgt gewöhn- 65 und das Gemisch wird unter Bildung eines festen, lieh nicht mehr als wenige Millimeter. Das Material
kann auch in Form von perforierten Blöcken, Platten,
Stangen oder Röhren vorgesehen sein. Diese haben
vorzugsweise ebenfalls eine Wandstärke von wenigen,granules, Berl saddles, Raschig rings, etc. and carbon is used, an adhesive will be used, preferably hollow spherical bodies with an added. The glue decomposes when heated, perforated wall. The wall thickness is usually 65 and the mixture is borrowed to form a solid, not more than a few millimeters. The material
can also be in the form of perforated blocks, plates,
Rods or tubes may be provided. Have this
preferably also a wall thickness of a few,

Das spaltbare Material kann, aus Uran 235, Uran 233 und bzw. oder Plutonium oder ihren Verbindungen, insbesondere ihren Oxyden oder Carbiden, bestehen. The fissile material can, from uranium 235, uranium 233 and / or plutonium or their compounds, in particular their oxides or carbides, exist.

Die Komponenten des Gemisches aus spaltbarem Material und wärmeverteilendem Material sollen so gewählt werden, daß sie chemisch nicht miteinander reagieren; so sollen z. B. Oxyde und Carbide nicht zusammen in einem Gemisch verwendet werden.The components of the mixture of fissile material and heat-distributing material should be like this be chosen so that they do not chemically react with one another; so should z. B. Oxides and carbides not can be used together in a mixture.

Das keramische Material wird gebildet aus einem homogenen oder praktisch homogenen Gemisch aus dem spaltbarem Material und dem Wärmeverteilungsmaterial. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die Konzen-The ceramic material is formed from a homogeneous or practically homogeneous mixture of the fissile material and the heat dissipation material. However, this does not mean that the

starke Neutronenfangeigenschaften, und ihre Gegenwart in der Reaktionszone würde einen störenden Effekt auf die Kettenreaktionen ausüben.strong neutron trapping properties, and their presence in the reaction zone would be a nuisance Have an effect on the chain reactions.

Für die Herstellung der porösen Teilchen und Füllkörper, Stangen, Platten, Blöcke oder Rohre können im allgemeinen die verschiedenen Verfahren, die für die Herstellung von Katalysatoren bekannt sind, angewendet werden. Zum Beispiel ist es möglich, aus denFor the production of porous particles and packing, rods, plates, blocks or tubes can be used generally the various processes known for the preparation of catalysts are used will. For example, it is possible from the

z. B. 5 mm.z. B. 5 mm.

porösen Materials zusammengekittet.porous material cemented together.

Wenn ein Gemisch aus spaltbarem Material und Berylliumoxyd verwendet und in Form von größeren Körpern benutzt wird, z. B. von Füllkörpern, Platten usw., kann das Erhitzen unter Druck ausgeführt wer-When a mixture of fissile material and beryllium oxide is used and in the form of larger ones Bodies is used, e.g. B. of packing, plates, etc., the heating can be carried out under pressure

den, wobei man gewöhnlich eine solche Temperatur erreicht, daß eine teilweise Sinterung eintritt.usually at a temperature such that partial sintering occurs.

Für kleinere Teilchen, z. B. mit einem mittleren Durchmesser von nur einigen Millimetern oder mehr, die nicht unter Druck gesintert werden können, kann das folgende Verfahren angewendet werden, das jedoch auch bei der Herstellung größerer Teilchen, angewendet werden kann. Es sei dabei angenommen, daß die gesinterten porösen Materialien hergestellt werden sollen aus Berylliumoxyd und spaltbarem Material in Oxydform; für die Herstellung von porösen Teilchen aus anderen Substanzen, wie Kohlenstoff, gilt Ähnliches. For smaller particles, e.g. B. with a mean diameter of only a few millimeters or more, which cannot be sintered under pressure, the following procedure can be used, but it can also be used to produce larger particles can be. It is assumed here that the sintered porous materials are produced should be made of beryllium oxide and fissile material in oxide form; for the production of porous particles the same applies to other substances such as carbon.

Es werden zunächst Konglomerate, z. B. Kügelchen oder Scheiben aus feinen Teilchen des wärmeverteilenden Materials, in diesem Falle Berylliumoxyd, hergestellt. Dies kann geschehen durch Vermischen der feinen Teilchen mit einem Klebstoff und Vorpressen zu Kügelchen oder Scheibchen. Es ist auch möglich, eine Suspension aus feinen Teilchen und einer flüchtigen Trägerflüssigkeit, gegebenenfalls zusammen mit einem Klebstoff, in einen heißen Gasstrom zu versprühen. There are first conglomerates, z. B. spheres or discs of fine particles of the heat-dissipating Material, in this case beryllium oxide. This can be done by mixing the fine particles with an adhesive and pre-pressing into spheres or disks. It is also possible, a suspension of fine particles and a volatile carrier liquid, optionally together with an adhesive to be sprayed into a hot gas stream.

Die erhaltenen Kügelchen werden dann mit einer Lösung einer Verbindung des spaltbaren Materials, z. B. einer wäßrigen Uranoxalatlösung, getränkt.The spheres obtained are then treated with a solution of a compound of the fissile material, z. B. an aqueous uranium oxalate solution soaked.

Diese Lösung enthält z. B. Uran 235-Oxala,t, und daneben ist im allgemeinen Uran 238-Oxalat zugegen. Ein Uran, das bis auf einige Prozent Uran 235 angereichert ist, wird vorzugsweise verwendet. Es kann auch wünschenswert sein, Thoriumoxala,t (als Brütmaterial) und Berylliumoxalat (aus den unten angegebenen Gründen) der Lösung zuzugeben.This solution contains z. B. uranium 235-oxala, t, and next to it, uranium 238-oxalate is generally present. A uranium enriched to a few percent uranium 235 is preferably used. It can also be desirable thorium oxala, t (as breeding material) and adding beryllium oxalate (for the reasons given below) to the solution.

Wenn es gewünscht wird, daß die Konzentration des spaltbaren Materials auf der Außenseite der Kugelchen höher sein soll als in der Mitte, sollen die Kügelchen nicht zu lange in die Flüssigkeit eingetaucht werden.If it is desired that the concentration of the fissile material be on the outside of the spheres should be higher than in the middle, the beads should not be immersed in the liquid for too long will.

Nachdem die Kügelchen getränkt sind, werden sie sorgsam erhitzt, bis das Oxalat sich zersetzt und der Klebstoff verschwindet oder sich zu Kohlenstoff zersetzt. Dies Erhitzen wird vorzugsweise in vorliegendem Fall, da die Oxyde davon betroffen sind, in einem Strom von reinem Sauerstoff vorgenommen. Die Teilchen werden dann gesintert, indem man sie auf eine Temperatur erhitzt, die in dem Bereich des Schmelzpunktes des Eutektikums von Berylliumoxyd und Uranoxyd liegt.After the beads are soaked, they are carefully heated until the oxalate decomposes and the Adhesive disappears or decomposes to carbon. This heating is preferred in the present Case, as the oxides are affected, made in a stream of pure oxygen. The particles are then sintered by heating them to a temperature which is in the range of the melting point of the eutectic of beryllium oxide and uranium oxide.

Durch Erhitzen auf diese Temperatur wird ein mehr oder minder flüssiges Eutektikum gebildet, das als Bindemittel für die ursprünglich feinen Teilchen wirkt, in diesem Fall von Berylliumoxyd. Auf diese Weise können gesinterte poröse Teilchen der gewünschten Zusammensetzung hergestellt werden.By heating to this temperature, a more or less liquid eutectic is formed, which is called The binding agent for the originally fine particles acts, in this case beryllium oxide. To this Sintered porous particles of the desired composition can be produced.

Der Grund, warum Berylliumoxyd ebenfalls der 5i Lösung zugesetzt wird, ist der, daß die Bildung des Eutektikum aus Berylliumoxyd und Uranoxyd hierdurch erleichtert wird. Die Mengen der beiden. Oxa,-late werden vorzugsweise so gewählt, daß die Zusammensetzung zumindestens angenähert der des Eutektikums entspricht. Bei Verwendung von feinen Teilchen aus Berylliumoxyd ist es jedoch nicht absolut notwendig, Berylliumoxalat der Lösung zuzugeben, da ein Überschuß von Berylliumoxyd naturgemäß bereits in den Kügelchen enthalten ist.The reason beryllium oxide is also added to the 5i solution is that the formation of the Eutectic from beryllium oxide and uranium oxide is hereby facilitated. The quantities of the two. Oxa, -late are preferably chosen so that the composition at least approximates that of the eutectic is equivalent to. However, when using fine particles of beryllium oxide, it is not absolute necessary to add beryllium oxalate to the solution, since an excess of beryllium oxide is naturally already present is contained in the beads.

Auch ist es nicht notwendig, daß das Erhitzen genau auf die Temperatur des eutektischen Schmelzpunktes erfolgt. Das Haupterfordernis ist, daß ein Gemisch aus Uranoxyd und Berylliumoxyd gebildet wird, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als Berylliumoxyd besitzt. Sobald aber das Gemisch hinreichend flüssig wird, daß sich die ursprünglichen feinen Teilchen unter Bildung eines porösen, gesinterten Kügelchens oder Scheibchens usw. verkitten können, ist das Ziel des Verfahrens erreicht.It is also not necessary for the heating to be exactly at the temperature of the eutectic melting point he follows. The main requirement is that a mixture of uranium oxide and beryllium oxide is formed that has a lower melting point than beryllium oxide. But as soon as the mixture is sufficiently liquid will cause the original fine particles to separate to form a porous, sintered bead or slices, etc., the aim of the process has been achieved.

An Stelle von Oxalaten können auch andere Verbindungen, vorzugsweise organische Verbindungen, verwendet werden. Die Verbindung ist so zu wählen, daß nach dem Erhitzen keine unerwünschten Elemente in den Teilchen zurückbleiben.Instead of oxalates, other compounds, preferably organic compounds, be used. The connection is to be chosen so that no undesired elements after heating remain in the particles.

Poröse Kügelchen, Scheibchen usw. aus Kohlenstoff und spaltbarem Carbid werden hergestellt, indem man zunächst Konglomerate aus feinen Kohlenteilchen herstellt, z. B. mit Hilfe eines Klebstoffes. Diese werden mit einer wäßrigen Uranoxalatlösung getränkt und dann sorgsam erhitzt, bis das Oxalat und der Klebstoff sich zersetzen. Dieses Erhitzen wird vorzugsweise in einem Strom aus reinem Kohlenmonoxyd oder im Vakuum vorgenommen. Während dieses Erhitzens werden die ursprünglich feinen Teilchen zusammengekittet, miteinander verklebt oder gesintert unter Bildung von festen porösen Kügelchen. Zur gleichen Zeit wird das spaltbare Carbid gebildet.Porous spheres, discs, etc. made of carbon and fissile carbide are produced by one first produces conglomerates from fine coal particles, z. B. with the help of an adhesive. These will soaked with an aqueous uranium oxalate solution and then carefully heated until the oxalate and the The glue will decompose. This heating is preferably carried out in a stream of pure carbon monoxide or made in a vacuum. During this heating process, the originally fine particles are cemented together, glued or sintered together to form solid porous spheres. To the at the same time the fissile carbide is formed.

Die Sinterung kann auch relativ leicht eintreten, wenn die Uranoxalatlösung auch andere Stoffe, wie Thoriumoxalat und bzw. oder Berylliumoxalat, enthält. Beim Erhitzen werden dann mehrere Carbide gebildet, die Anlaß zur Bildung eines Gemisches mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der einzelnen Carbide geben können. Wenn das Erhitzen bis auf eine solche Temperatur ausgeführt wird, daß ein solches Gemisch flüssig wird, kann in diesem Fall ebenfalls ein. Sintern auftreten. Wenn nur spaltbares Carbidmaterial vorliegt, soll das Erhitzen im allgemeinen auf eine höhere Temperatur durchgeführt werden, d. h. bis in die Nähe des Schmelzpunktes dieses Carbides, um ein Sintern zu erzielen.Sintering can also occur relatively easily if the uranium oxalate solution also contains other substances, such as Thorium oxalate and / or beryllium oxalate. When heated, several carbides are then formed, giving rise to the formation of a mixture with a lower melting point than that of the individual Carbides can give. If the heating is carried out to such a temperature that such a Mixture becomes liquid, can also be a in this case. Sintering occur. If only fissile carbide material is present, the heating should generally be carried out at a higher temperature, i. H. up to the vicinity of the melting point of this carbide in order to achieve sintering.

Es ist jedoch nicht absolut notwendig, bis auf eine solche Temperatur zu erhitzen, daß ein Sintern stattfindet, sondern notwendig ist nur, daß die ursprünglich feinen Teilchen miteinander verkittet oder zu einer festen Masse (Kügelchen oder Scheibchen) zusammengebacken werden.However, it is not absolutely necessary to heat to such a temperature that sintering takes place, All that is necessary is that the originally fine particles should be cemented together or closed a solid mass (balls or slices) are baked together.

Im allgemeinen soll die Temperatur, bis auf die das Erhitzen durchgeführt wird, niedriger sein als der Schmelzpunkt des wärmeverteilenden Materials. Es ist wünschenswert, aber nicht notwendig, bis angenähert auf die Temperatur zu erhitzen, die die Teilchen in dem Reaktor erlangen.In general, the temperature to which the heating is carried out should be lower than that Melting point of the heat dissipating material. It is desirable but not necessary until approximated to the temperature that the particles reach in the reactor.

Die Gesamtmenge Uran in den Teilchen, Füllkörper^ Platten usw. wird vorzugsweise so: gewählt, daß angenähert 100 bis 200 Atome Beryllium oder Kohlenstoff auf 1 Atom Uran 235 treffen.The total amount of uranium in the particles, packing elements, plates etc. is preferably chosen as follows: that approximately 100 to 200 atoms of beryllium or carbon meet 1 atom of uranium 235.

Die höchstzulässige Temperatur in der Reaktionszone wird hauptsächlich durch den mechanischen Widerstand des keramischen Materials bestimmt. Übermäßige Temperaturdifferenzen in dem keramischen Material sollen ebenfalls vermieden werden, anderenfalls übermäßige Beanspruchungen auftreten.The maximum permissible temperature in the reaction zone is mainly determined by the mechanical Resistance of the ceramic material is determined. Excessive temperature differences in the Ceramic material should also be avoided, otherwise excessive loads appear.

Der Vorteil des vorliegenden Reaktors gegenüber bekannten Reaktoren, die mit metallischen Uranstangen oder -platten, eingehüllt in Aluminium, arbeiten, liegt hauptsächlich in der Tatsache, daß in der vorliegenden Reaktionszone viel höhere Temperaturen möglich sind, z. B. von 600 bis 15000C, während bei bekannten Reaktoren eine Temperatur von angenähert 300° C nicht überschritten werden darf. Die Herstellung der Oxyde (Carbide) ist auch viel leichter als die der Metalle selbst.The advantage of the present reactor over known reactors which work with metallic uranium rods or plates encased in aluminum lies mainly in the fact that much higher temperatures are possible in the present reaction zone, e.g. B. from 600 to 1500 0 C, while in known reactors a temperature of approximately 300 ° C must not be exceeded. The manufacture of the oxides (carbides) is also much easier than that of the metals themselves.

Der Kernreaktor gemäß der Erfindung ist leicht zu regulieren. Eine grobe Steuerung kann erhalten werden, indem man die Füllung des keramischen Materials je Volumeinheit in der Reaktionszone ändert. Die genaue Einstellung kann bewirkt werden, indem man den Druck des Kühlmittels in der Reaktionszone regelt, wenn das Kühlmittel auch bremsende Eigenschaften aufweist.The nuclear reactor according to the invention is easy to regulate. A rough control can be obtained by changing the filling of the ceramic material per unit volume in the reaction zone changes. The precise adjustment can be effected by adjusting the pressure of the coolant in the reaction zone regulates when the coolant also has braking properties.

Eine bessere Feineinstellung ist zu erreichen, indem man in das Kühlgas ein Produkt einführt, das unter den Reaktionsbedingungen gasförmig ist, Neutronen absorbiert und leicht wieder aus dem Kühlgas entfernt werden kann, z. B. Wasserdampf.Better fine-tuning can be achieved by introducing a product into the cooling gas that is under is gaseous under the reaction conditions, absorbs neutrons and easily removes them from the cooling gas can be, e.g. B. water vapor.

Das Kühlmittel muß kontinuierlich von Substanzen (Spaltprodukten) gereinigt werden, die neutronenfangende Eigenschaften aufweisen. Eine Regelung kann auch durch eine Reinigungsanlage bewirkt werden; wenn diese abgeschaltet wird, wird der Reaktor abgestoppt.The coolant must be continuously cleaned of substances (fission products) that trap neutrons Have properties. Regulation can also be effected by a cleaning system; if this is switched off, the reactor is stopped.

Wenn der Kernreaktor eine, gewisse Zeit lang gearbeitet hat, ist es notwendig, den Reaktor abzustellen und zu kühlen, um das in der Reaktionszone vorhandene keramische Material ganz oder teilweise durch neues zu ersetzen. Wenn das Material in der Reaktionszone in Form eines Stapels von Blöcken, Stangen od. dgl. vorliegt, werden vorzugsweise nur die mittleren Blöcke aus der Reaktionszone entfernt, die äußeren Blöcke werden in die Mitte verbracht, und eine äußere Randzone von neuen Blöcken wird zugegeben. Das Verfahren kann auch in mehr als zwei Stufen durchgeführt werden. Wenn dies z. B. in drei Stufen geschieht, können ein Kern und zwei Schichten konzentrisch um den Kern voneinander unterschieden werden. Der Kern wird entfernt, die innere Lage nimmt den Platz des Kerns ein, die Außenschicht wird an die Stelle der inneren Schicht verbracht, und eine neue Außenschicht wird vorgesehen. DeT Reaktor kann dann erneut in Gang gesetzt werden.If the nuclear reactor has worked for a certain period of time it is necessary to shut down and cool the reactor in order to avoid that which is present in the reaction zone to replace all or part of the ceramic material with a new one. When the material is in the reaction zone In the form of a stack of blocks, rods or the like. Is present, preferably only the middle Blocks removed from the reaction zone, the outer blocks moved to the center, and an outer edge zone of new blocks is added. The procedure can also be in more than two Stages are carried out. If this z. B. happens in three stages, one core and two layers can can be distinguished from one another concentrically around the core. The core is removed, the inner layer takes the place of the core, the outer layer takes the place of the inner layer, and a new outer layer is provided. DeT reactor can then be started again.

Das dargelegte Verfahren beruht auf der Tatsache, daß das keramische Material in der Kernzone schneller an Aktivität abnimmt als das Material in der Randzone. Durch Verlagerung der Blöcke in der oben angegebenen Weise wird ein gleichmäßigerer Neutronenfluß und eine gleichmäßigere Belastung erzielt. Darüber hinaus kann jedoch eine größere Anreicherung von Spaltprodukten in den Blöcken zugelassen werden, als wenn alle Blöcke zur gleichen Zeit erneuert werden.The method presented is based on the fact that the ceramic material in the core zone is faster decreases in activity than the material in the edge zone. By relocating the blocks in the above In this way, a more even neutron flux and a more even load is achieved. In addition, however, a greater accumulation of fission products in the blocks can be permitted as if all the blocks were renewed at the same time.

Um das Verfahren wirksam durchführen zu können, ist es wünschenswert, eine Anzahl von Reaktoren parallel zu betreiben, die mit Unterbrechung arbeiten. Einer der Reaktoren ist dann außer Betrieb. Man läßt ihn zunächst abkühlen. Dieses Kühlen bedeutet nicht nur die Erreichung einer bestimmten tieferen Temperatur, sondern auch das Absinken der Radioaktivität. Die Blöcke werden dann entfernt, in der oben beschriebenen Weise wieder aufgeschichtet und ergänzt. Der Reaktor wird dann erneut in Gang gesetzt. Die verschiedenen Reaktoren kommen einzeln zur Behandlung in einem Kreislaufwechsel.In order to operate the process effectively, it is desirable to have a number of reactors operate in parallel that work with interruption. One of the reactors is then out of order. One lets cool it down first. This cooling not only means reaching a certain lower temperature, but also the decrease in radioactivity. The blocks are then removed in the manner described above Way backed up and supplemented. The reactor is then started again. the different reactors come individually for treatment in a cycle change.

Claims (14)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Kernreaktor, bei dem das Spaltmaterial sowie gegebenenfalls der Bremsstoff in innigem Gemisch mit einem keramischen Material vorliegen und ständig in der Reaktionszone bleiben und bei dem die erzeugte Wärme mit einem Kühlmittel abgeführt wird, gekennzeichnet durch ein schwamm artiges keramisches Material in der Reaktionszone, das aus einem homogenen oder praktisch homogenen Gemisch aus spaltbarem Material und wärmeverteilender Substanz, die auch ein Bremsstoff sein kann, besteht.1. Nuclear reactor in which the fissile material and optionally the braking material in an intimate mixture present with a ceramic material and constantly remain in the reaction zone and with the the generated heat is dissipated with a coolant, characterized by a sponge-like ceramic material in the reaction zone, which consists of a homogeneous or practical homogeneous mixture of fissile material and heat-distributing substance, which is also a braking material can be, exists. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Füllung aus schwammartigem keramischem Material in Form von Füllkörpern, die einen freien Raum von etwa 50% oder mehr aufweist.2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized by a filling made of spongy ceramic material in the form of packing, which has a free space of about 50% or more having. 3. Kernreaktor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch hohle kugelförmige Füllkörper mit einer perforierten Wand.3. Nuclear reactor according to claim 2, characterized by hollow spherical packing with a perforated wall. 4. Kernreaktor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Füllkörper in Form von perforierten. Blökken, Platten, Stangen oder Rohren, vorzugsweise mit einer Wanddicke von einigen Millimetern.4. Nuclear reactor according to claim 2, characterized by packing in the form of perforated. Bleating, Plates, rods or tubes, preferably with a wall thickness of a few millimeters. 5. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material hauptsächlich aus dem Oxyd oder Carbid eines Spaltstoffs und aus Berylliumoxyd oder -carbid und gegebenenfalls aus einer Substanz, wie Thoriumoxyd oder Thoriumcarbid, besteht, die durch Einwirkung von Neutronen in aktives spaltbares Material umgewandelt werden kann.5. Nuclear reactor according to claim 1 to 4, characterized in that the ceramic material mainly from the oxide or carbide of fissile material and from beryllium oxide or carbide and optionally of a substance such as thorium oxide or thorium carbide, which by Exposure to neutrons can be converted into active fissile material. 6. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material hauptsächlich aus dem Carbid eines Spaltstoffs, aus Kohlenetoff und gegebenenfalls aus einer Substanz, wie Thoriumcarbid, besteht, die durch Einwirkung von Neutronen in aktives spaltbares Material umgewandelt werden kann.6. Nuclear reactor according to claim 1 to 4, characterized in that the ceramic material mainly from the carbide of a fission material, from carbon and possibly from one Substance, like thorium carbide, is made up of active fissile by the action of neutrons Material can be converted. 7. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des spaltbaren Materials in dem keramischen Material im wesentlichen von außen nach innen abnimmt.7. Nuclear reactor according to claim 1 to 6, characterized in that the concentration of the fissile Material in the ceramic material decreases essentially from the outside inwards. 8. Verfahren zur Herstellung eines Gemisches für die Verwendung in Kernreaktoren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man ein schwammartiges keramisches Material aus einem spaltbaren Material und aus einem wärmeverteilenden Material in der Weise herstellt, wie es in der Katalysatortechnik bekannt ist.8. A process for the preparation of a mixture for use in nuclear reactors according to claim 1 to 7, characterized in that one consists of a sponge-like ceramic material a fissile material and from a heat dissipating material in the way it is made is known in catalyst technology. 9. Verfahren zur Herstellung fester schwammartiger Körper mit einem mittleren Durchmesser von mehr als einigen Millimetern aus spaltbarem und wärmeverteilendem Material zur Verwendung in Kernreaktoren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst die Körper im wesentlichen aus feinen Teilchen eines wärmeverteilenden Materials herstellt, sie dann mit einer Lösung des spaltbaren Materials tränkt und dann die so erhaltenen Körper auf eine Temperatur erhitzt, bei der die feinen Teilchen zusammensintern.9. Process for the production of solid sponge-like bodies with a mean diameter of more than a few millimeters of fissile and heat dissipating material for use in nuclear reactors according to claim 1 to 7, characterized in that the body is first in essentially made of fine particles of a heat dissipating material, then with a Solution of the fissile material soaks and then the bodies obtained in this way are heated to a temperature, in which the fine particles sinter together. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Lösung von wärmeverteilendem und spaltbarem Material verwendet, in der die beiden Stoffe in solchen Mengen gelöst sind, daß sie vorzugsweise in dem Verhältnis ihrer Eutektika vorliegen.10. The method according to claim 9, characterized in that a solution of heat-distributing and fissile material is used, in which the two substances are dissolved in such quantities that they are preferably in the ratio of their Eutectics are present. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man der Lösung noch eine Substanz, z. B. eine Thoriumverbindung, zugibt, die durch Einwirkung von Neutronen in aktives spaltbares Material umgewandelt werden kann.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the solution is still one Substance, e.g. B. a thorium compound, which by the action of neutrons in active fissile material can be converted. 12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Körper nur so lange mit der Flüssigkeit tränkt, daß die Konzentration des Spaltmaterials im wesentlichen von außen nach innen abnimmt.12. The method according to claim 9 to 11, characterized in that the body is only so long soaked with the liquid that the concentration of the gap material essentially from the outside decreases inwards. 13. Verfahren zur genauen Einstellung des Kernreaktors nach Anspruch 1 bis 7, dadurch ge-13. A method for the precise setting of the nuclear reactor according to claim 1 to 7, characterized in that 9 109 10 kennzeichnet, daß man einen Neutronenabsorber, kennzeichnet, daß man den Grad der Reinigungindicates that one has a neutron absorber, that one indicates the degree of purification aus dem sich die Neutronen wieder entfernen las- des Kühlmittels reguliert.from which the neutrons can be removed again by regulating the coolant. sen und der unter den Reaktionsbedingungen1 gas- sen and the under the reaction conditions 1 gas förmig ist, z. B. Wasserdampf, in das Kühlmittel In Betracht gezogene Druckschriften:is shaped, e.g. B. Water vapor, publications considered in the coolant: einführt. 5 Hausner und Roboff, »Materials for Nuclearintroduces. 5 Hausner and Roboff, “Materials for Nuclear 14. Verfahren zur genauen Einstellung des Power Reactors«, 1955, S. 103 bis 105;14. 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