DE1057700B - Moderator fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

bundesrepublik deutscklaitd

DEUTSCHES $,¥^fk PATENTA

MT

PATENTSCHRIFT 1 057

I! E K Λ N N T ,M Λ C II U X G DER ANMELDUNG UND AUSGABE DEIt AU SLEGES CHRI FT:

AUSGABE DER PATENTSCHRIFT:

DBP 1057700
kl. 21g 21/20

INTERNAT. KL. G 21
29. januar 1958

21. m a i 19 5 9

12. november 1959

STIMMT ÜBEREIN MIT AUS L E C ESCH UI FT I 037 "Od (D 27289 VIIlc/21 _E)

Moderator für Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Moderator für

Kernreaktoren und betrifft dabei insbesondere den ■

Moderatorwerkstoff sowie Bausteine zum Aufbau des
Moderators und Verfahren zur Herstellung solcher
Bausteine.

Moderatoren werden bei Kernreaktoren verwendet,
um die schnellen Neutronen, die z. B. bei der Kernspaltung des Urans und Plutoniums entstehen, möglichst schnell abzubremsen und dadurch auf wesentlich
niedrigere Energien zu bringen. Bei den bisher be- 10
kanntgewordcnen Moderatoren wurde als Werkstoff
vornehmlich Wasser, schweres Wasser, Beryllium,
Berylliumoxyd sowie Graphit verwendet. Die aus
diesen Werkstoffen gebildeten Moderatoren weisen erhebliche Nachteile auf. So z. B. zersetzt sich Wasser 15
infolge der Strahlungseinflüsse in Wasserstoff und
Sauerstoff und bildet dadurch Knallgas, dessen Explosionsgefahr die Sicherheit eines Reaktores beein- 2 trächtigt. Auch schweres Wasser zersetzt sich in

Deuterium und Sauerstoff. a° teile herkömmlicher Moderatoren nicht im gleichen

Im übrigen ist schweres Wasser außerordentlich Maße wie diesen an. Der erfindungsgemäße Moderator teuer. Beryllium und Berylliumoxyd sind nicht nur ist sowohl für thermische Reaktoren als auch für inäußerst giftig, sondern auch schwierig zu verarbeiten. termediäre Reaktoren, besonders gerade für die

Darüber hinaus ist es gegen Strahlungsschäden sehr letzteren geeignet. Die genannten Reaktoren haben

empfindlich. Die mechanische Festigkeit von Beryl- »5 gegenüber den thermischen Reaktoren den Vorteil, daß Iium und Berylliumoxyd ist sehr gering, so daß ein mit besonderem Nutzen Moderatorwerkstoffe verwendaraus gebildeter Moderator nicht hoch beansprucht det werden können, die in thermischen Reaktoren werden kann. Im übrigen ist auch Beryllium oder Be- wegen des hohen Neutroneneinfangwirkungsquerrylliumoxyd außerordentlich teuer. Am häufigsten ver- schnittes nur mit größeren Neutronenverlusten bewendet wird Graphit. Bei Graphit bewirken aber die 3° nutzt werden könnten. Da aber die Einfangwirkungs-Strahlungseinflusse eine sehr wesentliche Dichteände- querschnitte mit steigender Neutronenenergie abfallen, rung des Werkstoffes, was zu empfindlichen Änderun- können die erfindungsgemäßen Moderatoren bei epigen in den Betriebsbedingungen des Reaktors führen thermischen und intermediären Reaktoren mit besonkann. Darüber hinaus ist Graphit im Hinblick auf die derem Vorteil verwendet werden, ohne daß wesentheute gestellten Forderungen nicht hoch genug belast- 35 liehe Neutronenverluste in Kauf genommen werden bar und hat den Nachteil, daß er bei Temperaturen müßten. Dabei ist dann das Ausmaß der auftretenden

Patentiert tür:

Dolerit Basalt Aktiengesellschaft, Köln

Werner Gottschalk₁ Köln-Marienburg,
ist als Erfinder genannt worden

von über 800° C bei Sauerstoffzutritt brennen kann. Allgemein haben die genannten Moderatorwerkstoffe den Nachteil, daß ihre Lebensdauer im Reaktorbetrieb

»Vergiftung« des Moderators auch erheblich kleiner als bei den bisher bekannten thermischen Reaktoren. Da im übrigen die allgemeine Entwicklung des Reak-

verhältnismäßig kurz ist. Es wird auch als Nachteil 40 tprbaues auf möglichst kleine Baueinheiten hinzielt,

empfunden, daß die bekannten Moderatorwerkstoffe primäre Gammastrahlen nur wenig absorbieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden.

bei denen der heterogene Charakter der thermischen Reaktoren wegen der verhältnismäßig leichten Regelbarkeit dieser Bauart beibehalten werden soll, ist die Entwicklung von epithermischen oder intermediären

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch ge- 45 Reaktoren im Hinblick auf die künftige Entwicklung

löst, daß der Moderator aus Vulkanitgestein gebildet wird, so z. B. aus Trachyt, Alkalidiabas, Diorit, Nadeldiorit, Gabbro, Syenit, Periodit, Kuselit, Pikrit, Pikritphorphyrit oder Basalt. Es hat sich gezeigt, daß Vulkanitgestein und insbesondere die vorgenannten Gesteinsarten eine sehr gute moderierende Wirkung haben, die in kernphysikalischer Hinsicht mit der moderierenden Wirkung des Graphits vergleichbar isst. Darüber hinaus haften ihnen die obengenannten Nach-

von besonderer Bedeutung. Aus diesem Grunde erscheint der erfindungsgemäße Moderator wegen seiner besonders guten Verwendbarkeit bei intermediären Reaktoren als besonders fortschrittlich.

Es muß angenommen werden, daß die günstigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Moderators sich aus folgenden Gründen ergeben: Die Komponenten des crnrtriUnjjiPgRfnftß VefWpildeteh VaikanitgeBt^iris haben Absorptionswirkungsquerschnitte, die bis auf die-

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jenigen des Eisens unter 1 barn liegen, während die Streuwirkungsquerschnitte in der Größenordnung von 4,2 bis 30,4 harn liegen. Infolge des hohen spezifischen Gewichtes des Vulkanitgesteins erreicht der makroskopische S treu wirkungsquerschnitt über dem Breitenbereich von 0,03 eV bis zu 0,5 MeV den absoluten Betrag von 0,32 cm-¹. Dagegen beträgt der makroskopische Absorptionswirkungsquerschnitt bei 0,03 eV nur 0,0148 cm-¹; er fällt mit steigender Neutronenenergie. Dies ist die Ursache dafür, daß das Vulkanitgestein hinsichtlich seiner Eignung als Moderatorvvcrkstoff mit zunehmender Neutronenenergie besser wird. Schließlich wirkt sich bei Reaktoren, die mit hohen Temperaturen betrieben werden, günstig aus, daß die Absorptionswirkungsnuerschnitte bei höheren Temperaturen bis zu 50% kleiner werden können. Die wesentliche Streukomponente im Vulkanitgestein ist der Sauerstoff, der infolge seiner semipolaren bis heteropolaren Bindung an ein Metall besonders wirksam ist. Hierbei gilt das Silicium auch als Metall. Der Sauerstoff hat air. Vulkanitgestein einen Gewichtsanteil von etwa 25 bis 30%. Dabei ist der Sauerstoff jedem anderen Atom unmittelbar benachbart und im übrigen gleichmäßig über das ganze Volumen des Gesteins verteilt. Die Verbindung des Sauerstoffs mit einem anderen Element, z. B. Eisen, ergibt eine besonders starke Streuwirkung, die der des Kohlenstoffes mindestens gleichzusetzen ist. Im Hinblick auf die wesentlich größere Wärmeausdehnung des Graphits beim um die für den Reaktorbetrieb erforderliche Bruchsicherheit zu gewährleisten. Bei einer Temperatur von etwa 800° C sinkt die Bruch estigkeit des Vuikanitgestc'ins nur um etwa 25 bis 30%. Infolge der hohen Ursprungsbruchfestigkeit liegt die Höchstbelastung des Moderators daher auch bei SOO⁰C noch im Bereich der zulässigen Beanspruchung. Schließlich ermöglicht die niedrige Wärmeleitung des Vulkanitgesteins in Verbin dung mit der hohen Hitzebeständigkeit eine besonders gute Wärmeausnutzung dadurch, daß der Wärmeübergang in das Primärkühlmittel ein Optimum erreicht und die Wärme nicht über den Moderator in den Reflektor und von da in die Strahlenschutzwand abfließt. Dadurch wird es möglich, größere KubJkanak· vorzusehen, um ein Maximum an Wärmeenergie der wirtschaftlich-technischen N^rUtzung zuzuführen.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Moderator aus Vulkanitgestein herzustellen, dessen Gehalt an Titanoxyd einige 0,01 g/cm³ und an Manganoxyd 0,01 g/cm³ nicht überschreitet. Weiter ist es naturgemäß vorteilhaft, Vulkanitgestciti zu verwenden, dessen Gehalt an Kadmium 0,005 g/cm³ nicht überschreitet und an seltenen Erden, wie z. B. Gd, nicht oder nur spektrographisch nachgewiesen werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in dem Moderator rohrartige Kanäle zur Aufnahme von Brennstoffelementen vorgesehen, wobei diese Kanälegleichzeitig Kühlkanäle sein können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Moderator aus Bausteinen zu-

Reaktorbetrieb und im Hinbück auf die durch Strahlungsschäden verursachte Dichteänderung des Graphits ist die moderierende Wirkung des Vulkanitgesteins in der Praxis trotz des theoretisch um 22% größeren Streuwirkungsquerschnittes des Graphits diesem nahezu gleichwertig. Beim erfindungsgemäßen Moderator ist es weiterhin günstig, daß die relativ großen Absorptionswirkungsquerschnitte im hocherhitzten Zustand, z. B. 1000° K. bis auf etwa die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes absinken, während die Absorp-■ti©niw4T4fttR3*s^tters«hn-rtte--bettTi- Graphit --kawn— ab—40-sinken.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Moderators ergeben sich sehr wesentliche Vorteile. Infolge der hohen Eestigkeit des Vulkanitgesteins hat der Moderator auch nach der Strahleneinwirkung noch eine größere Eestigkeit als die meisten bekannten festen Moderatoren, so daß der erfindungsgemäße Moderator als konstruktives Bauelement der Reaktors verwendet werden kann. Der erfindungsgemäße Moderator hat einen kleinen, fast vernachlässigbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten und damit auch einen etwa konstanten makroskopischen Streuwirkungsquerschnitt. Die Wirkung von Strahlungsschäden auf den crfindungsgemäßen Moderator ist so gering, daß dessen Lebensdauer größer als die der bekannten Mor'eratoren ist. Wegen des gegenüber bekannten Modenuorwerkstoffen höheren spezifischen Gewichtes des Vulkanitgesteiiis bietet dieses auch eine größere Schwächung für primäre Gammastrahlen als die bekannten Modc-.-.torwerkstofTo. Schließlich wird auch die infolge des Xeutroiieneinianges im Moderator induzierte sekundäre Gammastrahlung, .sogleich im Moderator, (1. h. also noch im Reaktorkern, unmittelbar am ICnlstehungsort und nicht erst im biologischen Schutz zum grollen Teil wieder unschädlich, gemacht. Das Vulkanitgestein ist im übrigen ein Martgestein und verleiht dem Vioderator die Eigeiischatten eines zusätzlichen Panzers, wodurch sieh die Sicheriieit der gesamten Reaktoranlage vergrößert. Auch die Hitze-ISTach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Bausteine zum Aufbau eines crfindungsgemäßen Moderators mit Nuten versehen, die so angeordnet und profiliert sind, daß beim Zusammenbau eines Moderators aus den Bausteinen jeweils wenigstens eine Nut eines Bausteines einer Nut von wenigstens einem benachbarten Baustein so gegenüberliegt bzw. daran angrenzt, daß die einander gegenüberliegenden bzw. aneinander angrenzenden Nuten von wenigstens -zwtf Bausteinen:-je-wirits^-CTiren"rohrartrgcn ΚτηταΤ zur' Aufnahme eines Brennstoffelementes bilden, der gegebenenfalls gleichzeitig Kühlkanal sein kann.

Schließlich wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Bausteinen zum Aufbau eines Moderators vorgeschlagen, wonach das Rohgestein im Steinbruch durch Sprengung od. dgl., jedoch unter Vermeidung der Anwendung mechanischer Schlagwerkzcugc oder ähnlich wirkender Werkzeuge gebrochen wird und zwecks Formgebung mit spanabhebenden bzw. werkstoffablösenden Werkzeugen, wie z. B. Schleifmaschinen oder Sägen mit Diamantscheiben, bearbeitet wird- Es ist zweckmäßig, die Bausteine nach der Eormgebung einer T¹Cmperatur von wenigstens etwa 400° C auszusetzen und dann erkalten zu lassen. Besonders vorteilhaft ist es. die Bausteine langsam auf wenigstens etwa 400° C zu erhitzen, dann etwa 30 Minuten auf dieser Temperatur zu ha'ten und dann erkalten zu lassen, was zweckmäßig langsam erfolgt. Durch die Anwendung dieses crfindungsgemäßen

besländigkcit der Vulkanitgesteine liegt hoch genug, Verfahrens erreicht man, daß die Bausteine y.

bau des Vioderators frei von Rissen oder Sprüngen sind. Diejenigen Bausteine, die schon vom Rohgestein her oder infolge des Brechens oder der mechanischen Ikarbeitung Risse oder Sprünge haben oder die Tendenz zeigen, unter Wärmcbelastiing zu spnnge:;, zerspringen während der Wärmebehandlung und werden Ausschuß. Die während der Wärmebehandlung nicht gesprungeneu Bausteine bieten dann die Gewähr, daß sie auch im ReaSitorbetricb₁ d. h. bei höheren Temperaturen, nicht Miringe¹.!.

Claims (11)

Xiichfolgcnd sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Fig. 1 zeigt einen teilweise aufgebrochenen Reaktor mit dem erlindungsgemäßen Moderator in perspektivischer Darstellung, und Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Bausteines zusammen mit den einen rohrartigen Kanal bildenden Teilen benachbarter Bausteine. In' Fig. 1 ist mit 1 die Hülse eines Spaltstoffdementes bezeichnet, die. in dem rohrartigen Kanal 2 sitzt, der an der Stoßstelle von jeweils vier einander benachbarten Bausteinen 3 gebildet ist. Die rohrartigen Kanäle3 dienen gleichzeitig als Kühlkanäle, wobei die IIinzelheiten der Kühleinrichtung nicht gezeichnet sind. Der aus den einzelnen Blöcken 3 gebildete Moderatoraufbau ist von der Strahlenschutzwand 4 umgeben. In Fig. 2 ist ein Baustein 3 erkennbar, der quer zu seiner Längsrichtung einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt hat, wobei an denjenigen Kanten 5 des Bausteines 3, mit denen er nach dem Zusammenbau an drei benachbarte Biiusteine 3', 3" und 3"' angrenzt, in Längsrichtung der Kanten 5 nach auIien hin offene V-förmige Xuten 6 vorgesehen sind, bei denen die Winkelhalbierenden 7 der V-Profilc in Richtung einer Diagonalen 8 des quadratischen Querschnittes liegen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausiührungsbeispiel hat das V-Proiil der Xuten 6 einen Öffnungswinkel von 135°. Dadurch erhält der rohrartige Kanal 2 nach dem Zusammenbau der Bausteine 3, 3', 3" und 3'" einen achteckigen Querschnitt. In den rohrartigen Kanal 2 ist die Hülse 1 mit dem Spalistoff eingesetzt, wobei der Raum zwischen der Außenwand der Hülse 1 und der innenwand des rohrartigen Kanals 2 als Kühlkanal dient. Für den Werkstoff, aus dein die Bausteine 3, 3', 3" und 3"' hergestellt sind, sind nachfolgend drei Beispiele angegeben: I i 1BeispieliI jII IIiii Frachyt IIΔ 1 L--"l 1, A '1 ~ l-in C ' /\itf.aiiui<iuas jt\ : — _* fI^fIOi itHarzKaut'-Ti Rf !"htWh 1 riWesterwald ' jnordnordöstOdenwaldliches HessenSpezifisches Gewicht (g/cms) ....2,5 bis 2,82,8 bis 3,02,8 bis 3,0Druckfestigkeit (kg/cm2) SOObis 7001400 bis 18001500 bis 1800Schmelzpunkt (0C) 1175 bis 126012561325 bis 1375Analyse (Gewichtsprozent)SiO2 61,2543,5054,90 .TiO, . .'. 0,05. 0,15SpurenAUÖ, 17.7014,0817,86F^2O3 2,956,866,33FeO 1,407,54• 3,16MnO SpuierrSpuren- 0,01 m«o 0,076,802,98CaO 3,1011,076,16Xa2O : 3,403,384,52K.,0 8,081,501,82h.,0+ 1,353,831,39H2O- 0,00,00,0P2O5 1,100,90,54 Patenta nsPR ö CH Et

1. Moderator für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Vulkanitgestein gebildet ist, z. B. aus Trachyt, Alkalidiabas, Diorit, Nadeldiorit, Gabbro, Syenit, Periodit, Kuselit, Pikrit, Pikritporphyrit oder Basalt, bei dem der Gehalt an neutronenabsorbierenden Substanzen hinreichend klein ist.

2. Moderator nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß in dem Moderator rohrartige Kanäle zur Aufnahme von Brennstoffelementen vorgesehen sind, wobei diese Kanäle gleichzeitig Kühlkanäle sein können.

3. Moderator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator aus Bausteinen zusammengesetzt ist.

4. Bausteine zum Aufheben eines Moderators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine mit Xuten versehen sind, die so angeordnet und profiliert sind, daß beim Zusammenbau eines Moderators aus den Bausteinen jeweils wenigstens eine Nut eines Bausteines einer Nut von wenigstens einem benachbarten Baustein so gegenüberliegt bzw. daran angrenzt, daß die einander gegenüberliegenden bzw. aneinandergrenzenden Nuten von wenigstens zwei Bausteinen jeweils einen rohrartigen Kanal zur Aufnahme eines Brennstoffelementes bilden.

5. Baustein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er quer zu seiner Längsrichtung einen im wesentlichen quadratischen Qucrsclinitt hat, wobei an denjenigen Kanten des Bausteines, mit denen er nach dem Zusammenbau an drei benachbarte Bausteine angrenzt, in Längsrichtung der Kanten nach außen hin offene V-förmige Nuten vorgesehen sind, bei denen die Winkelhalbierenden

der V-Profile in Richtung einer Diagonalen des quadratischen Querschnitts liegen.

6. Baustein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die V-ProfiIe der Nuten einen öffnungswinkel von 135° haben.

7. Baustein nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er frei von Rissen oder Sprüngen ist.

8. Verfahren zur Herstellung von Bausteinen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohgestein im Steinbruch durch Sprengung od", dgl., jedoch unter Vermeidung der Anwendung mechanischer Schlagwerkzeuge oder ähnlich wirkender Werkzeuge, gebrochen wird und zwecks Formgebung mit spanabhebenden bzw. werkstoff-

ablösenden Werkzeugen, z. B. Schleifmaschinen oder Sägen mit Diamantscheiben, bearbeitet wird.

9. Verfahren zur Herstellung von Bausteinen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine nach der Formgebung einer Temperatur von wenigstens etwa 400° C ausgesetzt werden und danach erkalten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine langsam auf wenigstens etwa 400° C erhitzt, daß sie dann etwa 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten und dann abgekühlt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Bausteine langsam erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 909 527/346 5.59 (909 6*3/270 11.59)