DE1058643B

DE1058643B - Two stage nuclear reactor

Info

Publication number: DE1058643B
Application number: DEB37196A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Bagge; Dr Kurt Diebner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-09-15
Filing date: 1955-09-15
Publication date: 1959-06-04

Description

Zweistufiger Kernreaktor Die notwendige Bedingung für den stationären Betrieb eines Kernreaktors ist, daß der Vermehrungsfaktor der Neutronen größer als 1 sein muß. Reaktoren, die dieser Bedingung genügen, heißen überkritisch, solche, bei denen diese Bedingung nicht erfüllt ist, werden als unterkritische Reaktoren bezeichnet.Two-stage nuclear reactor The necessary condition for the stationary Operation of a nuclear reactor is that the multiplication factor of neutrons is greater than 1 must be. Reactors that meet this condition are called supercritical, those in which this condition is not met are called subcritical reactors designated.

Im allgemeinen besteht ein Reaktor im wesentlichen aus einem Reaktorkern, einer Reaktorhülle, die in den meisten Fällen als Neutronenreflektor arbeitet, und aus einem Strahlenschutzmantel. Der Reaktorkern stellt zusammen mit der Reaktorhülle eine überkritische Anordnung dar. Hierbei kann der Reaktorkern sowohl vom homogenen als auch vom heterogenen Typ sein.In general, a reactor consists essentially of a reactor core, a reactor shell, which in most cases works as a neutron reflector, and from a radiation protection jacket. The reactor core together with the reactor shell a supercritical arrangement. Here, the reactor core can be of the homogeneous as well as of the heterogeneous type.

Eine Weiterentwicklung bietet sich nun in der Möglichkeit an, zwei verschiedenartige Reaktoren derart zu kombinieren, daß ein überkritischer Reaktor (k oo > 1) von relativ kleinen Ausmaßen den inneren Kern eines größeren Gesamtreaktors bildet, wobei der Kern von einem zweiten Reaktor umgeben wird, der seinerseits unterkritisch arbeitet. Hierbei wird z. B. für die Plutoniumerzeugung der Umstand ausgenutzt, daß sich im zweiten Reaktor infolge des keff< 1 eine besonders große Konversionsrate einstellt. Eine solche Anordnung, bei der der Gesamtreaktor gewissermaßen aus zwei räumlich getrennten Reaktoren, unter Umständen von verschiedenem Typ, besteht - im folgenden als Zweistufenreaktor bezeichnet -, wird erfindungsgemäß so gestaltet, daß der den überkritischen Reaktorkern umgebende unterkritische Reaktorteil, der selbst noch ganz oder teilweise von einer Reflektorhülle umgeben ist, einen Vermehrungsfaktor keff nur wenig kleiner als 1, insbesondere 0,8<keff<1, aufweist. Die Kombination von zwei in der beschriebenen Weise angegebenen Reaktorteile zu einem Zweistufenreaktar führt zu einer Reihe von technischen Vorteilen., die im folgenden auseinandergesetzt werden.A further development now offers the possibility of combining two different types of reactors in such a way that a supercritical reactor (k oo> 1) of relatively small dimensions forms the inner core of a larger overall reactor, the core being surrounded by a second reactor, the for his part works subcritically. Here z. B. for plutonium production exploited the fact that a particularly high conversion rate occurs in the second reactor as a result of the keff < 1. Such an arrangement, in which the overall reactor to a certain extent consists of two spatially separate reactors, possibly of different types - hereinafter referred to as a two-stage reactor - is designed according to the invention in such a way that the subcritical reactor part surrounding the supercritical reactor core, which itself is still completely or partially is surrounded by a reflector envelope, has a multiplication factor keff only slightly less than 1, in particular 0.8 <keff <1. The combination of two reactor parts specified in the manner described to form a two-stage reactor leads to a number of technical advantages, which are discussed below.

Es ist möglich, die erste Stufe, die den zentralen Teil dieses Zweistufenreaktors bildet, mit hoch angegereichertem Kernbrennstoff und einer geeigneten Bremssubstanz räumlich so klein zu dimensionieren, daß sein Volumen nur ein Bruchteil des gesamten Zweistufenreaktors ausmacht. Dieser Reaktorkernteil kann dabei beispielsweise aus einem in schwerem Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gelösten Salz, das Uran 235, Plutonium 239 oder Uran 233 enthält, bestehen. Die erforderliche Brennstoffmenge braucht unter Umständen bei Verwendung von etwa 100,1 schwerem Wasser z. B. nur wenige 100 g zu betragen, wenn man eine der obigen Substanzen in reiner Form oder Mischungen von ihnen in metallischer Form oder in Form chemischer Verbindungen als Brennsubstanz verwendet. Dieser zentrale Teil kann dabei beispielsweise vom Typ des thermisch sich selbst stabilisierenden Homogenreaktors sein.It is possible to use the first stage which is the central part of this two stage reactor forms, with highly enriched nuclear fuel and a suitable braking substance To be dimensioned spatially so small that its volume is only a fraction of the total Two-stage reactor. This reactor core part can, for example, consist of a salt dissolved in heavy water or another liquid, the uranium 235, plutonium 239 or uranium 233. The amount of fuel required may need when using about 100.1 heavy water z. B. only to be a few 100 g if one of the above substances in pure form or Mixtures of them in metallic form or in the form of chemical compounds as Burning substance used. This central part can, for example, be of the type of the thermally self-stabilizing homogeneous reactor.

Er mag aber auch in anderer Weise aufgebaut sein und durch andere Hilfsmittel, z. B. durch Einführung von Absorptionsstäben, künstlich stabilisiert werden. Die Stabilisierung dieses Zentralreaktorteils bildet nach den heute schon bekanntgewordenen Methoden keine besondere Schwierigkeit und erfordert einen verhältnismäßig kleinen technischen Aufwand.But it may also be built up in a different way and by others Aids, e.g. B. artificially stabilized by the introduction of absorption rods will. The stabilization of this central reactor part is already taking shape today methods that have become known do not present any particular difficulty and require a relatively high level of difficulty small technical effort.

Umgibt man diesen zentralen Reaktor mit einem zweiten Reaktor, der beispielsweise von ganz anderem Typ, aber räumlich sehr viel größer und so dimensioniert ist, daß er ohne den zentralen Kern einen unterkritischen Reaktor mit einem effektiven Vermehrungsfaktor kleiner als 1, etwa zwischen 0,5 und 1,00, darstellen würde, dann ist die gesamte Anordnung nur so, lange überkritisch, wie der zentrale Reaktorkern für sich überkritisch betrieben wird. Der äußere Reaktor kann dabei beispielsweise bei Verwendung einer Kombination von natürlichem Uran, Graphit und Kühlflüssigkeit so bemessen sein, daß er auch ohne die letztere, wenn diese etwa einmal ausbleiben sollte, noch unterkritisch ist. Auch jeder andere Reaktortyp mag bei richtiger Dimensionierung verwendet werden.If you surround this central reactor with a second reactor, the for example of a completely different type, but spatially much larger and so dimensioned is that he has a subcritical reactor with an effective without the central core Would represent a multiplication factor of less than 1, roughly between 0.5 and 1.00, then the entire arrangement is only as long as supercritical as the central reactor core is operated supercritically for itself. The outer reactor can, for example when using a combination of natural uranium, graphite and coolant be measured in such a way that it can also be used without the latter, if these fail to occur about once should, is still subcritical. Any other type of reactor may also work if dimensioned correctly be used.

Die Steuerung des zweistufigen Reaktors kann allein auf dem Wege über den Betrieb des zentralen Reaktorkerns erfolgen. Natürlich gibt es dabei gewisse Rückwirkungen von der zweiten Stufe des Reaktors auf die erste, die man beim Betrieb des Gesamtsystems berücksichtigen nnuß. Bei der so beschriebenen Anordnung wirkt der räumlich kleine zentrale Reaktorkern im Prinzip so, als ob er als Neutronenquelle für die Verbrennung des Brennstoffs in dem ihm umgebenden äußeren Reaktorteil dient. Seine Energieproduktion kann relativ klein, z. B. in der Gegend von 100 kW gehalten werden. Trotzdem kommt die gesamte zweistufige Anordnung zu einer Energieproduktion, die ein hohes Vielfaches der Energieproduktion des Zentralreaktors betragen kann, Wenn z. B. die unterkritisch betriebene zweite Stufe mit einem effektiven Vermehrungsfaktor - der Neutronen von 0,99 arbeitet, so bedeutet das, daß für jedes in diese Stufe eintretende Neutron insgesamt 100 weitere Neutronen gebildet werden. Die gesamte Anordnung läßt sich nun so einrichten, daß die Neutronen, die den überkritischen Zentralkern verlassen und die pro Sekunde in die zweite Stufe eintreten, größenordnungsmäßig von der gleichen Anzahl sind wie die Zahl der Spaltungen pro Sekunde, die im zentralen Reaktor ablaufen. Das bedeutet, daß in der zweistufigen Anordnung eine Energieproduktion zustande kommt, die insgesamt wiederum ein Vielfaches, in günstigen Fällen Zehnerpotenzen der Energieproduktion des zentralen Reaktorteils, ausmacht, was - wie eingangs bemerkt - unter geeigneten Betriebsbedingungen zu einer hohen Plutoniumproduktion bei Verwendung von natürlichem oder angereichertem Uran in der zweiten Stufe führen kann. Der äußere Reaktor kann verhältnismäßig lange betrieben werden, auch wenn von der unter 1 liegenden Vermehrungsfaktor der zweiten Stufe durch die sich ansammelnden Spaltprodukte erheblich abnimmt. Um die Spaltproduktvergiftung zu kompensieren, muß man dann die erste Stufe nur entsprechend stärker aussteuern.The control of the two-stage reactor can alone on the way over the operation of the central reactor core take place. Of course there are certain Reactions from the second stage of the reactor to the first, which one during operation of the overall system must be taken into account. Acts in the arrangement described above the spatially small central reactor core in principle as if it were acting as a neutron source serves for the combustion of the fuel in the outer reactor part surrounding it. Its energy production can be relatively small, e.g. B. held in the region of 100 kW will. Still comes the entire two-tier arrangement into one Energy production, which is a high multiple of the energy production of the central reactor can be, if z. B. the subcritically operated second stage with an effective one Multiplication factor - the neutrons of 0.99 works, so it means that for each neutrons entering this stage produce a total of 100 additional neutrons. The entire arrangement can now be set up in such a way that the neutrons, the supercritical Leave the central core and enter the second stage every second, in terms of magnitude are of the same number as the number of divisions per second occurring in the central Run off reactor. This means that in the two-stage arrangement there is an energy production comes about, which in turn is a multiple, in favorable cases, powers of ten the energy production of the central part of the reactor, determines what - as mentioned at the beginning - Under suitable operating conditions, to a high production of plutonium when used of natural or enriched uranium in the second stage. The outer one The reactor can be operated for a relatively long time, even if it is below 1 The multiplication factor of the second stage due to the accumulating fission products is considerable decreases. In order to compensate for the poisoning of the fission products, one then has to go through the first stage just steer accordingly more strongly.

So ist es möglich, daß durch Steuerung eines verhältnismäßig kleinen zentralen Reaktors ein großes Gebilde, das in seinem Außenteil überall unterkritisch und damit verhältnismäßig ungefährlich und betriebssicher ist, große Energiemengen erzeugt und gesteuert werden, die leicht unter Kontrolle zu halten sind. Die unterkritisch betriebene zweite Reaktorstufe kann dabei z. B. räumlich wesentlich kleiner gestaltet werden, als für einen selbsterregten Reaktor gleichen Typs erforderlich wäre, was einen wirtschaftlichen Vorteil bedeuten kann.So it is possible that by controlling a relatively small central reactor is a large structure that is subcritical everywhere in its outer part and is therefore relatively safe and reliable, large amounts of energy can be generated and controlled that are easy to keep under control. The subcritical operated second reactor stage can, for. B. designed spatially much smaller than would be required for a self-excited reactor of the same type, what can mean an economic advantage.

Wenn man nun die zweite unterkritisch betriebene Stufe dieses Reaktors z. B. mit natürlichem Uran als Brennsubstanz betreibt, so gewinnt man je nach den umgesetzten Energiebeträgen im Gesamtreaktor in der äußeren Reaktorzone Plutonium, das sich auf chemischem Wege abtrennen läßt.If you now consider the second subcritically operated stage of this reactor z. B. operates with natural uranium as fuel, you win depending on the converted amounts of energy in the overall reactor in the outer reactor zone plutonium, which can be separated chemically.

Es ist natürlich von Interesse, z. B. im Hinblick auf die Verwertung der gewonnenen Energie für Schiffsantriebe ohne ähnliche Erfordernisse, auch noch die zweite Reaktorstufe räumlich verhältnismäßig klein zu gestalten. Das läßt sich erreichen, indem man beispielsweise die Brennsubstanz, die etwa natürliches oder auch leicht mit reiner Kernbrennsubstanz angereichertes Uran darstellen kann, in, Verbindung mit einer Bremssubstanz benutzt, die ihrerseits besonders günstige Bremseigenschaften besitzt. So ist es denkbar, die Brennsubstanz mit leichtem oder schwerem Wasser zu kombinieren oder auch mit einer Mischung von leichtem und schwerem Wasser; die gerade so eingerichtet ist, daß die Brennsubstanz zusammen mit dem Bremsmittel eine eben noch unterkritische Anordnung bildet.It is of course of interest, e.g. B. with regard to recovery the energy gained for ship propulsion without similar requirements, too to make the second reactor stage spatially relatively small. That can be done Achieve by, for example, the fuel substance, which is about natural or can also easily represent uranium enriched with pure nuclear fuel, in, Used in connection with a braking substance, which in turn has particularly favorable braking properties owns. So it is conceivable that the fuel with light or heavy water to be combined or with a mixture of light and heavy water; the is just set up so that the fuel substance together with the braking means a just now forms a subcritical arrangement.

Eine weitere Verwendung kann gerade diese Reaktorkombination, beispielsweise in der chemischen In, dustrie, finden, indem man mit ihrer Hilfe Heißluft und oder andere heiße Gase erzeugt, die auf thermischem Wege chemische Reaktionen auslösen. Als Beispiele seien Anwendungen bei Industrieöfen:, auf dem Gebiet der Tieftemperaturdestillation und bei Crackanlagen zur Benzingewinnung genannt.This reactor combination can be used in particular, for example in the chemical industry, by using hot air and or creates other hot gases that thermally trigger chemical reactions. Examples are applications in industrial furnaces :, in the field of low-temperature distillation and in the case of cracking plants for gasoline production.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for the release of nuclear energy and for the production of plutonium in a two-stage arrangement from a central reactor of any type with a multiplication factor _ k oo> 1, wholly or partially is surrounded by a jacket made of natural uranium and moderator material, characterized in that that this coat has a multiplication factor just a little less than 1, in particular 0.8 <keff <l.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the control of the entire reactor takes place only at the central reactor of the first stage.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that by suitable Adjustment of the multiplication factor of the neutrons to a value which is only slightly below 1 is, it is ensured in the subcritical second stage of the reactor that the energy production takes place essentially in the spatially larger: second stage.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the plutonium production only or essentially in the subcritically operated second stage, i.e. in outer reactor, takes place.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that with increasing intoxication of the second stage, for example by fission products by further modulating the first stage, the overall arrangement was kept supercritical can be.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that that also the outer part of the reactor by using suitable braking substances in Combination with natural or slightly enriched with pure nuclear fuel Uranium is designed to be spatially sufficiently small.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the central reactor consists of the solution of a salt containing uranium 235 or uranium 233 or plutonium, the solvent consisting for example of heavy or light water. B. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the central reactor is a beryllium, beryllium oxide or graphite arrangement using gas or liquid (including liquid metals) as a coolant with uranium or uranium oxide as fuel. Considered publications: "Nucleonics", 13, No. 9, p.44, 1955; "Angewandte Chemie", 66, p. 101, 1954; G 1 asstone: "Principles of Nuclear Reactor Engineering", 1956, pp. 39, 43/44, 745 and 834; S tephenson: "Introduction to Nuclear Engineering", 1954, p. 92.