DE1057699B - Reflektor fuer Kernreaktoren sowie Verfahren zur Herstellung des Reflektors - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Reflektoren für Kernreaktoren oder andere Einrichtungen, bei denen Mittel zur Reflexion von Neutronen vorzusehen sind. Dabei betrifft die Erfindung insbesondere die Schaffung eines physikalisch wirksamen, technisch brauchbaren und wirtschaftlich wirkenden Reflektors sowie Bausteine zum Aufbau des Reflektors und Verfahren zur Herstellung solcher Bausteine.

Bei einer Kernreaktion im Reaktor werden außer den Energien, die wirtschaftlich genutzt werden können, auch noch Energien frei, die nach außen hin abgestrahlt werden und daher im wesentlichen nicht mehr wirtschaftlich nutzbar sind. Diese an sich nicht mehr nutzbaren Energien setzen sich aus Neutronen, Gammastrahlen und sonstigen Strahlen zusammen. Da insbesondere die abgestrahlten Neutronen und Gammastrahlen biologisch schädlich sind, wird im allgemeinen Vorsorge getroffen, daß wenigstens der über die biologisch noch eben zulässige Dosis hinausgehende Anteil der schädlichen Energien biologisch unschädlich gemacht wird. Zu diesem Zweck sieht man im allgemeinen eine Strahlenschutzwand vor. Aus wirtschaftlichen Gründen ist man aber daran interessiert, daß der Energieverlust, der sich durch Unschädlichmachen der an sich schädlichen Abstrahlung ergibt, möglichst gering ist. Zu diesem Zweck hat man bereits versucht, zwischen dem Teil, in dem der eigentliche Kernprozeß mit Neutronenemission stattfindet, und dem Strahlenschutzmantel des Reaktors einen Reflektor vorzusehen, der die nach außen abgehende Verluststrahlung wenigstens teilweise wieder reflektiert. Hierdurch wird die Neutronenökonomie der Anlage verbessert. Grundsätzlich hat jeder bekannte Werkstoff gewisse reflektierende Eigenschaften, ohne deswegen in der Kerntechnik brauchbar zu sein. Der bisher als am besten geeignet geltende Werkstoff ist Graphit. Es hat sich aber gezeigt, daß der Verwendung von Graphit als Reflektor enge Grenzen gesetzt sind, weil der Graphit unter dem Einfluß von Wärme und Neutronenbestrahlung erhebliche Festigkeitsschäden erleidet, die im Hinblick auf seine von Natur aus schon geringe Festigkeit dazu führen, daß er weder in einer thermodynamisch heißen noch in einer kernphysikalisch »heißen« Zone des Reaktors für eine längere Betriebsdauer mit Erfolg als Reflektor verwendet werden kann. Die anderen Werkstoffe, die man bisher als Reflektorbaustoffe verwendet hat, zeigen diese Nachteile in noch größerem Maße.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Reflektoren zu überwinden.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als reflektierendes Material Basalt ver-Reflektor für Kernreaktoren
sowie Verfahren zur Herstellung
des Reflektors

Anmelder:
Dolerit Basalt Aktiengesellschaft_r
Köln, Neumarkt 39

Werner Gottschalk, Köln-Marienburg,
ist als Erfinder genannt worden

wendet wird. Vorteilhaft ist dabei, den Reflektor aus Basaltbausteinen zusammenzusetzen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Reflektoren ergeben sich sowohl bei langsamen und intermediären als auch bei schnellen Reaktoren außer dem Vorteil eines auch unter Wärmebelastung widerstandsfähigen Reflektors zusätzlich noch weitere erhebliche Vorteile gegenüber den bekannten Reflektoren.

Es hat sich gezeigt, daß Reflektoren aus Basalt — wahrscheinlich wegen ihrer Struktur und der im Basalt enthaltenen f einstverteilten, verschiedenen Verbindungen sowie der im Basalt vorherrschenden heteropolaren Bindungen — besonders widerstandsfähig gegen Temperaturbelastungen, gegen starke Bestrahlung mit thermischen und intermediären Neutronen, gegen IonisationsefEekte durch Gammastrahlen sowie gegen die Schäden aus dem sogenannten »Frenkel-Defekt« und dem sogenannten »Wigner-Effekt« sind. Der Basalt bleibt unter allen diesen Belastungen ein sehr guter Reflektor, vermutlich auf Grund seines hohen Sauerstoffgehalts, der in der Reflektorwirkung dem Kohlenstoff nahe kommt. Dabei hat sich weiter gezeigt, daß die Widerstandsfähigkeit des Basaltreflektors gegenüber WärmeeinfTüssen, durch intensive Neutronenbestrahlung noch verstärkt wird und daß der Streuquerschnitt des Basaltes durch höhere Temperaturen noch vergrößert wird. Aus alledem folgt, daß der Basalt ein idealer Reflektor gerade in thermodynamisch und kernphysikalisch heißen Zonen ist. Im Hinblick darauf, daß die Festigkeitsverluste infolge von »Frenkel-Defekten« und » Wigner-Effekten«, die unter ungünstigsten Umständen bis zu 80% betragen können, einer Ausgangsfestigkeit von etwa 3400 kg/cm² gegenüberstehen, bietet der Basalt immer noch Belastungsmöglichkeiten, die nicht nur

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den baupolizeilichen Vorschriften genügen — die für Beton z. B. 50 kg/cm² vorschreiben —, sondern die Belastungsmöglichkeiten der bekannten Werkstofre für Reflektoren bei weitem übertreffen.

Dadurch, daß es möglich wird, den Basaltreflektor in sogenannten heißen Zonen vorzusehen, ergibt sich nicht nur eine größere Freizügigkeit in der Konstruktion, sondern überhaupt erstmals die Möglichkeit, die bisher nur theoretisch als besonders vorteilhaft erkannten sehr schnellen Reaktoren auch tatsächlich wirtschaftlich und mit hinreichender Sicherheit zu verwirklichen.

Dadurch, daß der Basalt außer seinen ungewöhnlich guten Festigkeitseigenschaften aber auch ungewöhnlich gute Reflexionseigenschaften hat, ergibt sich die Möglichkeit, die Neutronenökonomie von Reaktoren, insbesondere von schnellen Reaktoren, bedeutend zu verbessern. Es ist auf diese Weise möglich, mit einem geringeren Aufwand von Spaltmaterial eine größere Leistung zu erzielen. Dabei ist es möglieh, sowohl eine größere Arbeitsleistung als auch eine größere Brutleistung des Reaktors zu erzielen. Die Ursache dafür liegt darin, daß Neutronen, die sonst als schädliche Verluststrahlung ohne Nutzen absorbiert werden müßten, in hohem Maße für eine Nutzung erhalten bleiben können, indem sie entweder in den Reaktorkern oder in ein Brutelement »hineingeleitet« werden. Das hat aber bekanntlich die weitere vorteilhafte Folge, daß der Strahlenschutz geringer dimensioniert werden kann, weil diejenigen Neutronen, die durch den Reflektor nutzbringend zurückgewonnen werden, nicht mehr im Strahlenschutz unschädlich gemacht werden müssen. Ein kleiner dimensionierter Strahlenschutz bedeutet aber auch kleinere Abmessungen und Gewichte für den ganzen Reaktor sowie eine Verringerung der Gesamtkosten, an denen der Strahlenschutz einen relativ hohen Anteil hat. Diese bekannten Vorteile ergeben sich zusätzlich zu den schon erwähnten Vorteilen größerer konstruktiver Freiheiten und Möglichkeiten.

Darüber hinaus ergeben sich schließlich noch besondere Vorteile hinsichtlich der Reflexion der thermischen Neutronen. Da der Basalt eine durch und durch kristalline Struktur hat, werden die thermischen Neutronen an den Netzebenen des Kristallgitters des Basaltes reflektiert. Es hat sich gezeigt, daß diese Reflexion der Neutronen dem Braggschen Gesetz gehorcht. Durch entsprechende Kristallorientierung zum 'Neutroneneinfall ist es möglich, Glanzwinkel von 10 bis 27° zu erreichen und Neutronenströme bis zu IO⁴ Neutronen/Sekunde · cm² zu reflektieren. Hierdurch wird eine weitere Verkleinerung der Dimensionen des Strahlenschutzes möglich.

Da aber infolge des verringerten Neutroneneinfangs im Strahlenschutz auch die sekundäre Gammastrahlung verringert wird, die normalerweise nur mit erheblichen Massen und Gewichten von Strahlenschutzwerkstoff unschädlich gemacht werden kann, ermöglicht der erfindungsgemäße Reflektor auch, entweder hochwertige Werkstoffe mit hohen Ordnungszahlen, wie z. B. Blei, im Strahlenschutz einzusparen oder erheblich billigere Werkstoffe mit niedrigeren Ordnungszahlen bei gleicher Dimensionierung des Strahlenschutzes zu verwenden. Hier sei auch noch vermerkt, daß man Vulkanitgestein (z.B. »Northumberland Whinstone«) wie auch andere Mineralien bereits zur Abschirmung von hochenergetischer Reaktorstrahlung verwendet hat, ohne jedoch die Reflektoreigenschaften dieser Stoffe für Neutronen zu nutzen.

Schließlich ermöglicht die wesentliche Neutronenreflexion gemäß der Erfindung eine wesentliche Verbesserung des Brutfaktors (z. B. beim Konvertieren von Th 232 in U 233), wobei die praktische Ausnutzung der Brutneutronen näher an den theoretischen Bestwert herangeführt wird. Im übrigen kann der Brutprozeß gemäß der Erfindung beim thermischen Brüten auch dadurch noch wirkungsvoller gestaltet werden, daß man durch geeignete Ausbildung der Brutkammern mit reflektierenden Wänden eine möglichst allseitige Bestrahlung des Brutelementes bewirkt.

Endlich ergibt sich ein weiterer Vorteil dadurch, daß die schwachen Neutronen in der Basaltoberfläche eine gewisse »Aufheizung« erfahren. Es kann nämlich angenommen werden, daß die Oberflächenschichten des Basaltreflektors durch Absorption von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen höher aufgeheizt werden, als der Kernreflektor oder das Brutblanket. Infolge der sich dadurch ergebenden Gittterschwingungen in den Kristalliten des Basalts erhalten die gerade im Kristallgitter befindlichen langsamen Neutronen eine Energiezufuhr, so daß sie mit einer größeren Energie aus dem Kristallgitter austreten werden. Diese Energieaufnahme im Gittergefüge ist um so größer, je langsamer die Neutronen auf das Gitter auftreffen, und kann ein Vielfaches der Auftreffenergie betragen.

Da zudem bei der erfindungsgemäß möglichen Anordnung des Reflektors in der heißen Zone infolge der hohen Temperaturen, z. B. 900° K und mehr, die mikroskopischen Absorptionsquerschnitte der Basaltkomponenten gemäß dem Temperaturgang um nahezu 50% absinken und das Moderationsverhältnis des Basaltreflektors in einem entsprechenden Maße besser wird, wird eine bessere Abbremsung der schnellen Neutronen auf thermische Energie erreicht.

Es ist zweckmäßig, den Reflektor aus Basaltbausteinen zusammenzusetzen. Die Form der Basaltbausteine hängt dabei einerseits von der konstruktiven Form des Reaktors und andererseits vom Typ des Reaktors ab. Als ganz besonders vorteilhaft bietet sich dabei der schnelle Reaktor zur Energieerzeugung und zum gleichzeitigen Brüten an.

Die Ausbildung der dem Reaktorkern zugewandten Fläche des Reflektors hängt im wesentlichen davon ab, ob schnelle oder langsame Neutronen reflektiert werden müssen. Nachdem schnelle Neutronen insbesondere an den Atomkernen des Reflektorwerkstoffes, langsame Neutronen aber insbesondere an Kristallgitter-Netzebenen des Reflektorwerkstoffes reflektiert werden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Reflektor für schnelle Neutronen so auszubilden, daß seine Innenfläche im wesentlichen senkrecht zu den auffallenden Strahlen steht, den Reflektor für langsame Neutronen aber so auszubilden, daß seine Innenfläche Brutkammern aufweist, die zum Reaktorkern hin offen sind, wobei die Flächen der Brutkammern unter Berücksichtigung des Braggschen Gesetzes schräg zum Strahleneinfall stehen.

Es hat sich gezeigt, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn die Basaltbausteine mit einer Diamantscheibe geritzt werden, deren Körnung zwischen 0,1 und 0,001 mm liegt. Die sich beim Ritzen ergebenden Riefen, die etwa zwischen 0,0005 und 0,05 mm tief sind, machen die Oberfläche besonders geeignet zur Reflexion bei kleinen Glanzwinkeln, insbesondere solchen von 2,5 bis 7,5°. Für größere Reflexionswinkel, insbesondere Streuwinkel über 30°, empfiehlt sich eine Nacharbeitung der Oberfläche auf Karussellbänken, Räumbänken oder Hobelbänken mit Werkzeugen, die

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Zahn- oder Gewindeprofile von einer Breite und Tiefe von etwa 1 bis 20 mm aus der Oberfläche ausnehmen. Die Reflektoren können als starre Reflektoren oder auch als verstellbare Reflektoren ausgebildet werden. Es empfiehlt sich, den Basaltbausteinen die Form von Scheiben oder Kacheln zu geben. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen kompakten, kristallinen (vorzugsweise holokristallinen) Basalt mit einer der nachfolgend mit I bzw. II bezeichneten Zusammensetzungen oder einer ähnlichen Zusammensetzung zu verwenden: I II Glühverlust 2,71% 1,39% Siliziumdioxyd(SiO2) 40,10% 42,13% Eisenoxyd(Fe2O3) 17,65% 12,27% Aluminiumoxyd (Al2O3) 15,84% 17,25% Titanoxyd (TiO2) 2,41% 2,75% Calciumoxyd (CaO) 8,39% 10,71% Magnesiumoxyd(MgO) 8,35% 12,85% Manganoxyd (MnO) 0,19% 0,30% Die Erfindung ist nachfolgend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in den Figuren dargestellt sind. Fig. 1 zeigt einen Reflektor zur Reflexion von schnellen Neutronen; Fig. 2 zeigt einen Reflektor zur Reflexion von langsamen Neutronen. In Fig. 1 ist mit 1 der Reaktorkern bezeichnet, der insbesondere schnelle Neutronen aussendet. Mit 2 ist die Strahlenschutzwand bezeichnet, die in an sich bekannter Weise aus Beton besteht, der gegen übermäßige Erhitzung an der Innenseite durch einen Stahlmantel 3 als Wärmeschutz gesichert ist. Gemäß der Erfindung ist es infolge der hohen Wärmebelastung des Basaltes möglich, den Reflektor vor dem Wärmeschutz, d. h zwischen dem Reaktorkern 1 und der Wärmeschutzwand 3, vorzusehen. Der Reflektor ist aus Basaltbausteinen gebildet. Wegen der zylinderförmigen Ausbildung des Reaktorkerns 1 sind die Basaltbausteine 4 als Zylindersegmente gestaltet, die so zusammengebaut sind, daß sich insgesamt ein zylinderförmiger Basaltmantel ergibt, der als Reflektor für Neutronen, insbesondere schnelle Neutronen dient. In einzelne oder alle Basaltbausteine 4 sind Brutkanäle 5 eingearbeitet, z. B. eingebohrt. Die Brutkanäle dienen zur Aufnahme von Brutmaterial, das im Reaktor in spaltbares Material umgewandelt werden soll. Infolge der vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Reflektors wird nicht nur die Brutwirkung verbessert, sondern auch der ganze Strahlenschutz kleiner, leichter und billiger. Wenn man an Stelle der bisher allgemein üblichen Strahlenschutzbaustoffe, z. B. Beton, in bekannter Weise auch Basalt verwendet, ergibt sich eine weitere Verbesserung insofern, als man infolge der hohen Wärmebelastbarkeit des Basaltes auf einen besonderen Wärmeschutz verzichten kann. In diesem Falle übernimmt der Basalt dann sowohl die Aufgabe eines Reflektors als auch die eines Wärmeschutzes und eines Strahlungsschutzes. Eine solche Bauweise ist ideal im Hinblick auf bisher noch nicht wirtschaftlich herstellbare Kleinreaktoren für mobile Anlagen, für die kleinste Abmessungen und Gewichte, aber höchste Leistungsfähigkeit gefordert wird. In Fig. 2 ist der Reaktorkern mit 6 bezeichnet, der insbesondere langsame Neutronen aussendet. Zwischen diesem Reaktorkern 6 und dem Strahlenschutz 7, der vorteilhafterweise aus Basalt bestehen mag, ist der Reflektor angeordnet. Der Reflektor ist aus Bau- steinen 8 zusammengesetzt, deren vordere Flächen derart schräg zum Strahleneinfall verlaufen, daß sich zum Reaktorkern 6 hin offene Brutkammern 9 ergeben. An den vorderen Flächen der Bausteine 8 werden die langsamen Neutronen so reflektiert, daß sie in der Masse in die Brutkammern 9 eintreten. In die Brütkammern 9 werden geeignete Brutelemente 10 eingesetzt, an denen die reflektierten Neutronen Brutarbeit leisten. Zweckmäßig befinden sich die Brutelemente 10 in einem Brutkasten Ilj durch den hindurch ein gasförmiges Kühlmittel geleitet werden kann. Das Kühlmittel kann durch Kanäle 12, die zwischen den Brutkästen 11 und den Graphitsegmenten 13 vorgesehen sind, zurückgeleitet werden. Dabei kann es sich um einen selbständigen Kühlkreislauf oder um einen an einen anderen Kreislauf angeschlossenen Kühlkreislauf handeln. Wenigstens die vorderen Flächen der Bausteine 8 sind mit Diamantscheiben geritzt haben und eine Rauhigkeit, die die Reflexion von langsamen Neutronen begünstigt. Die Wahl der Rauhigkeit und der Schräglage der vorderen Flächen wird zweckmäßig unter Berücksichtigung des für gegebene Neutronenart gültigen Glanzwinkels nach dem Braggschen Gesetz getroffen. Um im übrigen mit Sicherheit zu gewährleisten, daß die in die Brutkammern 9 hineingeworfenen Neutronen mit großer Wahrscheinlichkeit eine Umwandlung bewirken, sind die Brutelemente 10 blechartig ausgebildet und mit gewissem Abstand voneinander im Brutkasten 11 angeordnet. Dabei sind die einzelnen Bleche gekrümmt ausgebildet, so daß kein reflektiertes Neutron einen gradlinigen Weg vorfindet, der nicht auf Brutmaterial führen würde. Dabei kann aber das Kühlmittel ungehindert zwischen den Blechen hindurchstreichen. Patentansprüche:

1. Reflektor für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Material aus Basalt besteht.

2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor aus Basaltbausteinen zusammengesetzt ist.

3. Reflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine wenigstens auf der dem Reaktorkern zugewandten Seite Zylindersegmente darstellen.

4. Reflektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Brutkanäle oder Brutkammern im Werkstoff der Zylindersegmente vorgesehen sind, in die Brutmaterial zum Zwecke der Umwandlung in SpaltstofF eingesetzt werden kann.

5. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, für einen langsamen oder intermediären Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor in seiner Gesamtheit eine in bekannter Weise den Reaktorkern im wesentlichen umgebende Hülle darstellt, deren innere Reflektorfläche jedoch mit zum Reaktorkern hin offenen Brutkammern versehen ist, in die Brutmaterial zum Zwecke der Umwandlung in Spaltstoff eingesetzt werden kann.

6. Reflektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brutkammern durch ebene Wände begrenzt sind, die schräg zur Richtung der auftreffenden Neutronenstrahlung liegen und die Neutronen vorzugsweise nach der Braggschen Glanzwinkelbedingung reflektieren.

7. Verfahren zur Herstellung von Bausteinen für einen Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektor-