DE1071855B - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 071 ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGE S CHRI FT:

AUSGABE DER PATENTSCHRIFT:

DBP 1071855 kl. 21g 21/20

INTERNAT. KL. G 21 16.JULI 1956

24. DEZEMBER 1959 15. JUNI 1960

STIMMT OBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT 1 071 8SS (St 11419 VIII c / 21 g)

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in eine Energieform, die praktisch verwendet werden kann, insbesondere von Wärme, mit Hilfe eines Kernreaktors und auf einen hierfür geeigneten Kernreaktor.

Beim vorliegenden Verfahren wird von einer spaltbaren Substanz Gebrauch gemacht, die in einer Bremsflüssigkeit gelöst ist und bzw. oder in dieser in feinverteiltem Zustand vorliegt (aktive Flüssigkeit).

Das spaltbare Material kann z. B. U 235 in natürlichem Uran oder dessen Verbindungen sein. Vorzugsweise wird jedoch ein Gemisch aus einem aktiven spaltbaren Material und einem Brütmaterial mit einem höheren Gehalt an U 235 verwendet, als er in natürlichem Uran auftritt.

Unter »Brütmaterial« wird hier eine Substanz oder ein Gemisch von Substanzen verstanden, das in einem Kernreaktor durch Einwirkung von Neutronen in aktives spaltbares Material umgewandelt werden kann. Th232 und U238 sind z. B. hierfür geeignet. Als ao aktives Spaltmaterial können auch U 233 und bzw. oder Pu 239 verwendet werden. Besonders geeignete Spaltmaterialien sind zum Beispiel Uran oder eine Uranverbindung, wie Uranylnitrat oder Uranyloxalat, mit einem Gehalt an U235 von etwa 2 bis 4%. as

Wasser oder schweres Wasser sind besonders als Bremsflüssigkeit geeignet, aber es können im Prinzip auch andere Flüssigkeiten, wie Deuterium enthaltende aromatische Verbindungen oder Deuterium enthaltendes Ammoniak, verwendet werden. Die genannten Stickstoffverbindungen (Urany Ini trat, Ammoniak) werden bevorzugt unter Verwendung des Stickstoffisotops N15 hergestellt.

In der Reaktionszone des Kernreaktors, d. h. in der Zone, in der die Kernreaktion stattfindet, wird Wärme entwickelt, und diese Wärme muß aus dieser Zone abgeführt werden, was im Prinzip durch Kühlung der heißen Flüssigkeit außerhalb der Reaktionszone in einem Wärmeaustauscher und Rückführung der gekühlten Flüssigkeit im Kreislauf geschehen kann. Bei dieser Arbeitsweise befindet sich jedoch eine große Menge der teuren aktiven Flüssigkeit außerhalb der Reaktionszone. Überdies müssen hohe Drücke angewendet werden.

Es ist bekannt, schweres Wasser in heterogenen Reaktoren als Kühlmittel für die Stangen aus spaltbarem Material in der Reaktionszone zu verwenden. Das Wasser verdampft in dieser Zone, und der entstehende Dampf wird direkt zu einer Turbine geleitet, in der, er nutzbringend verwendet wird (vgl. »Scientific American«, Bd. 191, Heft 6, 1954, S. 33 ff., insbesondere die Figur auf S.35). In diesem Fall wirkt das schwere Wasser auch als Bremsstoff. Bei Kernreaktoren, in denen das Spaltmaterial in Wasser Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in eine andere Energieform mit Hilfe eines homogenen oder quasihomogenen Siedereaktors und Kernreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens

Patentiert für:

Stiditing Reactor Centrum Nederland, Den Haag

Beansprudite Priorität: Niederlande vom 18. Juli 1955

Dr. Willem Johanne^, Dominicus van Dijck, Den Haag, ist als Erfinder genannt worden

gelöst ist (homogener Reaktor), wurde auch bereits vorgeschlagen, die Wärme zu entfernen, indem man das Wässer verdampfen läßt (vgl. S. 37 der genannten Veröffentlichung, ferner »De Ingenieur«, Bd. 67, Heft 7, 1955, S.039). Solch ein Kernreaktor wurde jedoch noch nicht für, die Technik entwickelt.

Das Ziel der Erfindung ist es, einen homogenen Kernreaktor zu schaffen, dessen Leistung, bezogen auf die Einheit der teuren aktiven Flüssigkeit, soweit wie möglich erhöht ist, so daß mit Hilfe eines verhältnismäßig kleinen Reaktors relativ viel nutzbringende Kraft erzeugt werden kann.

Beim Verfahren nach der Erfindung tritt ebenfalls in der Reaktionszone ein Kochen und Verdampfen der Bremsflüssigkeit auf, aber das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meiige der in der Reaktionszone vorhandenen aktiven Flüssigkeit ganz oder mindestens in großem Umfange in den Dämpfen des Bremsstoffes dispergiert ist und außerdem der Dampf aus der Reaktionszone ganz oder praktisch ganz von spaltbarem Material befreit wird.

Dank der Tatsache, daß die Flüssigkeit in dem Dampf dispergiert ist, ist die Reaktionszone des Kern-

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reaktors nach der Erfindung demgemäß viel größer, z. B. zweimal so groß und bei einer bevorzugten Bauart mindestens viermal so groß wie das Volumen der verwendeten aktiven Flüssigkeit, bei der der Reaktor kritisch wird.

Bei den bekannten heterogenen Reaktoren, bei denen man das Wasser in der Reaktionszone verdampfen läßt, bildet die flüssige Phase die zusammenhängende Phase, in der Dampfblasen gebildet werden. In dem homogenen Reaktor nach der Erfindung bildet jedoch die Dampfphase die zusammenhängende Phase, die Tröpfchen der aktiven Flüssigkeit enthält.

Infolgedessen kann der aus der Reaktionszone abzuführende Dampf leichter von Flüssigkeit und bzw. oder festen Teilchen befreit werden und somit von Bremsflüssigkeit und spaltbarem Material, da Flüssigkeit und feste Teilchen von einem Dampf leichter als Dampf von einer Flüssigkeit abgetrennt werden können. Wenn nur oder praktisch nur Dampf des Bremsstoffes abgezogen wird, sind etwa auftretende Schwankungen der Energie viel geringer, als wenn Bremsflüssigkeit und spaltbares Material aus der Reaktionszone mit dem Dampf des Bremsstoffes mitgerissen werden, was in der Tat in weit größerem Maße stattfindet, wenn die Flüssigkeit die zusammenhängende Phase bildet. Ein weiteres Ergebnis der sehr guten Trennung von Dampf und Flüssigkeit ist die, daß die spezifische Leistung des Reaktors nach der Erfindung, berechnet sowohl je Volumeneinheit der Reaktionszone wie auch je Einheit der verwendeten aktiven Flüssigkeit, in sehr großem Maße erhöht werden kann.

Die Energie der abgezogenen Dämpfe wird im allgemeinen direkt in einer Turbine in mechanische Energie umgewandelt. Es ist aber natürlich auch möglich, einen intermediären Kreislauf über einen Wärmeaustauscher einzuschalten. Die mechanische Energie kann verwendet werden, um einen elektrischen Generator, eine Schraube oder einen Propeller od. dgl. anzutreiben. Die Umwandlung in mechanische Energie ist jedoch nicht immer notwendig, da der Dampf des Bremsstoffes auch als Wärmequelle für die Erhitzung anderer Stoffe, z. B. zur Durchführung chemischer Reaktionen, verwendet werden kann. Auf diese Weise wird Kernenergie in praktisch nutzbare Energie umgewandelt.

Der verbrauchte Dampf des Bremsstoffes wird gewöhnlich kondensiert, und die Bremsflüssigkeit kann dann im Kreislauf in die Reaktionszone zurückgeführt werden. Um zu verhindern, daß der aus der Reaktionszone abzuziehende Dampf spaltbares Material mitreißt, ist es vorteilhaft, wenigstens einen Teil der in die Reaktionszone zurückzuführenden Bremsflüssigkeit als Waschflüssigkeit für den abziehenden Dampf zu verwenden. Dies kann auf die gleiche Weise geschehen, wie die Kopfdämpfe in einer Destillationskolonne mit dem Rücklauf gewaschen werden. Zu diesem Zweck können am oberen Ende der Reaktionszöne Mittel angeordnet sein, um einen innigen Kontakt zwischen Waschflüssigkeit und Dampf zu bewirken, z.B. ein Verteilerboden, ein Rostboden oder Füllkörper od. dgl. Die Bildung von festen Ablagerungen kann ebenfalls durch Verwendung eines solchen Rücklaufs verhindert werden.

Ferner können im oberen Teil der Reaktionszone und bzw. oder in dem Reflektormantel Mittel vorgesehen sein, um die Trennung von Dampf und bzw. oder Gas von flüssigen und bzw. oder festen Teilchen zu begünstigen und diese, soweit notwendig, im Kreis-

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lauf in die Reaktionszone zurückzuführen, z. B. Prallplatten, Staubnetze, Zyklone für die Trennung von festen und bzw. oder flüssigen Teilchen von Gasen usw. Diese Mittel können auch dazu dienen, den .5 Dampf mit der Waschflüssigkeit in Berührung zu bringen. So kann die gesamte Waschflüssigkeit oder ein Teil davon in die erwähnten Zyklone eingeführt werden.

Da es gewöhnlich wünschenswert ist, den Reflektor-

mantel zu kühlen (dieser ist rund um'die Reaktionszone vorgesehen und reflektiert einen Teil der die Reaktionszone verlassenden Neutronen), ist es vorteilhaft, als Kühlmittel die der Reaktionszone zuzuführende Bremsflüssigkeit zu verwenden. Die Ge- samtmenge der zuzuführenden Bremsflüssigkeit kann zunächst als Kühlmittel und dann ganz oder teilweise als Rückfluß dienen. Es ist auch möglich, direkt einen Teil als Rückfluß und einen anderen Teil als Kühlmittel zu verwenden.

ao Beim vorliegenden Verfahren erscheint die aktive Flüssigkeit in der Reaktionszone wenigstens im wesentlichen in Form von Tröpfchen. Es bildet sich in der Reaktionszone ein ständiger Schauer aus aktiver Flüssigkeit. Die Bremsflüssigkeit verdampft aus

»5 diesen Tröpfchen, und der entstehende Dampf steigt nach oben. Der Dampf der Bremsflüssigkeit wird aus der Reaktionszone abgezogen, gegebenenfalls nach Passieren der obenerwähnten Mittel für die Inberührungbringung mit Waschflüssigkeit und für die

3» Abtrennung von festen und bzw. oder flüssigen Teilchen.

Die Dispergierung der aktiven Flüssigkeit in den Dämpfen des Bremsstoffes kann z. B. bewirkt werden, indem man die aktive Flüssigkeit in einer Reaktions zone frei sieden läßt, die wenigstens viermal so groß ist wie das Volumen der verwendeten aktiven Flüssigkeit, bei der der Reaktor kritisch wird.

Dies wird weiter durch das Folgende erläutert: Wenn man einen Kernreaktor der vorliegenden Art in Gang setzen will, wird eine Menge aktiver Flüssigkeit in die Reaktionszone eingeführt. Wenn eine gewisse kritische Menge in der Reaktionszone vorhanden ist, erreicht der Reaktor die theoretische Grenze, bei der die Kettenreaktion zu laufen beginnt. Wenn diese Menge überschritten wird, obgleich nur durch eine kleine Menge, wird die Grenze, bei der der Reaktor kritisch wird und die Kettenreaktion beginnt, ebenfalls überschritten. Die Intensität dieser Reaktion steigt exponential mit der Zeit, mindestens wenn Sekundärerscheinungen, z. B. der Temperatureffekt, vernachlässigt werden. In der Praxis wird zunächst so viel spaltbares Material in der Moderatorflüssigkeit gelöst oder suspendiert eingeführt, wie notwendig ist, damit der Reaktor schließlich kritisch wird, und dann wird Bremsstoff eingepumpt. Die aktive Flüssigkeit wird erhitzt und beginnt dann zu sieden. Als Folge des Siedens werden zunächst Dampfblasen in der Flüssigkeit gebildet, ein Vorgang, der bei stärkerem Sieden in die Bildung eines Schauers über geht, in dem dann die Flüssigkeit in einer dispersen Form in dem Dampf auftritt. Der Siedeprozeß selbst sichert die Dispergierung. EinebesondereZirkulierung der aktiven Flüssigkeit ist in diesem Falle nicht erforderlich.

Die Dispergierung der aktiven Flüssigkeit im Dampf wird in der gesamten Reaktionszone, mindestens in deren größerem Teil, verwirklicht. Die Dichte dieser Dispersion ist jedoch geringer als die der ursprünglichen flüssigen Phase. Deswegen soll das

Volumen der Reaktionszone größer sein als das

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Volumen der aktiven Flüssigkeit., bei dem der Reaktor die kritische Grenze überschreitet.

Das erforderliche Mindestvolumen der Reaktionszone hängt von der Art, in der die Dispersion erzeugt wird, und von der Art und Weise ab, in der der gebildete Dampf aus der Reaktionszone abgezogen wird. Wenn in einer weiter unten zu erläuternden Weise die aktive Flüssigkeit kontinuierlich am oberen Ende der Reaktionszone dispergiert wird, so daß ein dichter Schauer der Flüssigkeit gebildet wird, und die Dämpfe seitlich abgezogen werden, ist das Mindestvolumen der Reaktionszone theoretisch etwa zweimal so groß wie das kritische Volumen der aktiven Flüssigkeit. Wenn man die aktive Flüssigkeit in der Reaktionszone frei sieden läßt und die Dämpfe am oberen Ende der Reaktionszone abzieht, beträgt das Mindestvolumen der Reaktionszone theoretisch etwa das Vierfache des kritischen Volumens. In diesem Falle wird das Mindestvolumen der Reaktionszone hauptsächlich von dem Erfordernis bestimmt, daß die Tröpfchen der aktiven Flüssigkeit gegenüber den aufsteigenden Dämpfen fallen können. In der Praxis wird die Reaktionszone im allgemeinen größer gewählt als das theoretische Mindestmaß.

Die Dispersion von aktiver Flüssigkeit und Bremsstoff dampf kann auch in anderer Weise bewerkstelligt werden, als sie frei sieden zu lassen. So ist es möglich, aktive Flüssigkeit kontinuierlich aus der Reaktionszone abzuziehen und sie an einer oder mehreren Stellen im Kreislauf wieder in die Reaktionszone derart zurückzuführen, daß an diesen Stellen ein Schauer aktiver Flüssigkeit gebildet wird.

Dies kann z. B. erreicht werden, indem man aktive Flüssigkeit vom Boden der Reaktionszone, wo sich die teilweise verdampften Tropfen vereinigen, abzieht und sie dann auf einen in der Reaktionszone vorgesehenen Verteilerboden pumpt. Dieser Boden kann ein aus Destillationsverfahren bekannter Boden, z. B. ein Rostboden, ein Kapselboden usw., sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man die aktive Flüssigkeit mit Hilfe von einer oder mehreren Düsen zerstäubt, die an den verschiedenen Stellen der Reaktionszone, z. B. am Boden, am oberen Ende oder an den Seitenwänden, angeordnet werden können.

Ein Teil der Bremsflüssigkeit verdampft aus den Tropfen des Schauers der aktiven Flüssigkeit. Man sorge dafür, sicherzustellen, daß diese nicht zu weit verdampfen, da sonst die Gefahr eines Verlustes spaltbaren Materials besteht. Durch Anwenden des obenerwähnten Waschens mit Bremsflüssigkeit kann jedoch ein Verlust vermieden werden. Bei übermäßiger Verdampfung kann es ferner unter gewissen Umständen für die weitgehend verdampften Tröpfchen schwierig wer.den, wieder eine gute Suspension mit der im Kreislauf geführten Bremsflüssigkeit zu bilden. Es ist daher vorteilhaft, während der Dispergierung möglichst große Tropfen zu bilden. Einerseits dauert es länger, bevor große Tropfen ganz verdampfen, und andererseits fallen große Tropfen schneller und können sich daher schneller und leichter mit der im Kreislauf geführten Bremsflüssigkeit vereinigen.

Es ist für die Reaktionszone nicht notwendig, daß sie homogen mit Tröpfchen aktiver Flüssigkeit gefüllt ist. Im Interesse höchstmöglicher Leistung mag es sogar vorteilhaft sein, wenn die Schauerdichte nicht über den ganzen Querschnitt gleich ist. So kann z. B. die Dichte an der Peripherie größer sein als in der Mitte. Infolgedessen trennt sich der Dampf in der Mitte besser von der Flüssigkeit, so daß. eine höhere Reaktorleistung erhalten werden kann. Es ist jedoch

auch möglich, die Dichte an" der Peripherie kleiner als in der Mitte zu wählen.

Der Vorteil der frei siedenden Reaktionszone (ein Verteilerboden, z. B. ein Rostboden, kann trotzdem in einiger Höhe oberhalb des unteren Endes angeordnet sein) gegenüber einer Reaktionszone mit verstärkter Zirkulation liegt darin, daß man bei der ersten Ausführungsform keine Kreislaufpumpe für die aktive Flüssigkeit benötigt.

Neben dem bereits erwähnten Vorteil besitzt der Reaktor gemäß der Erfindung auch die günstige Eigenschaft, daß die -Reaktionszone, praktisch gesprochen, in seitlicher Richtung so groß sein kann, wie gewünscht wird, so daß die Energieerzeugung auch so groß gewählt werden kann, wie gewünscht wird.

Hinsichtlich der spezifischen Dampferzeugung je Einheitsfläche des Horizontalquerschnitts der Reaktionszone ist es gewöhnlich unnötig, daß die Höhe mehr als 1 oder 2 m beträgt, da eine Erhöhung der Reaktionszone in senkrechter Richtung über dieses Maß hinaus kaum zu einer vermehrten Dampferzeugung führt. Der entscheidende Faktor ist die zulässige Dampfhöchstgeschwindigkeit. Wenn diese zu hoch ist, können die Tropfen nicht mehr fallen, und der glatte Betrieb des Reaktors ist gestört.

Die Mindesthöhe der Reaktionszone wird von der Tatsache bestimmt, daß es noch möglich sein muß, für den Reaktor bei einer gegebenen Konzentration von spaltbarem Material in der aktiven Flüssigkeit kritisch zu werden.

Die Reaktionszone zusammen mit dem Reflektor soll in einem Stahldruckmantel untergebracht sein, um dem Dampfdruck des BremsstofFes standhalten zu können; im allgemeinen liegt dieser oberhalb des Atmosphärendruckes, z. B. bei 50 bis 90 at. Selbst für hohe Leistung (100 000 Kilowatt) ist das Volumen des Druckmantels noch so klein, daß er in sphärischer oder ellipsoider Form hergestellt werden kann. Die Reaktionszone kann praktisch z. B. 2 m Durchmesser aufweisen. Wenn als Annäherung ein Reflektormantel von 1 m Dicke verwendet wird, so ergibt sich eine Stahlkugel oder ein Ellipsoid mit einem Durchmesser von angenähert 4 m und einer Höhe von 3 bis 4 m. Für noch höhere Leistung müssen längliche Druckmäntel verwendet werden, da sie sonst den Druck nicht mehr aushalten. Wegen der begrenzten Höhe müssen diese Mäntel daher die Form von horizontalen Zylindern mit elliptischem Querschnitt haben.

Der Reflektormantel besteht gewöhnlich aus einer Graphitschicht. Diese Schicht kann zweckmäßig von einer Schicht aus Brütmaterial, z. B. Thorium, Uran 238 und bzw. oder Verbindungen dieser Elemente, umgeben sein.

Wenn in der Bremsflüssigkeit eine Suspension von spaltbarem Material verwendet wird, soll das spaltbare Material fein verteilt sein. Es ist bekannt (»Electrotechniek« vom 17. Juni 1954, S, 231 ff.), die Teilchengröße derart zu wählen, daß die Reichweite der Spaltstücke der Kernreaktion größer ist als der Teilchendurchmesser des spaltbaren Materials. Diese Spaltstücke dringen dann in die Flüssigkeit ein und können aus ihr durch Reinigung entfernt werden. Hierzu kann eine Menge aktiver Flüssigkeit fortlaufend oder mit Unterbrechung in an sich bekannter Weise aus dem System abgeführt und von unerwünschten Stoffen befreit werden.

Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen eine Anzahl von Ausführungsformen schematisch wiedergegeben sind.

Fig. 1 bezieht sich auf einen Reaktor mit einer Reaktionszone I_j in der die aktive Flüssigkeit 2 frei sieden kann. Der in der Reaktionszone gebildete Dampf des Bremsstoffes passiert eine Vorrichtung 3 zur Abtrennung von festen Teilchen von Flüssigkeitsteilchen, z. B. eine Prallplatte oder einen oder mehrere Zyklone, und verläßt die Reaktionszone trocken oder praktisch trocken über eine Leitung 4. Falls gewünscht, passiert der Dampf einen weiteren Abscheider 5 für Flüssigkeitsteilchen. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird im Kreislauf über die Leitung 6 in die Reaktionszone zurückgeleitet. Der Abscheider 5 ist im Reflektormantel angeordnet. Der Dampf des Bremsstoffes wird weiter durch eine Vorrichtung 7 geleitet, in der er überhitzt wird, und anschließend zu einer Turbinenanlege 8. Die Dampfenergie wird in dieser Anlage in mechanische Energie umgewandelt, die mit Hilfe einer Welle 9 aus der biologischen Abschirmung 10 herausgeführt werden kann. Der verbrauchte Dampf wird im Kondensator 11 kondensiert. Dieser wird mit Wasser gekühlt, das z. B. durch die Leitungen 12 und

13 zu- bzw. abgeleitet wird. Es ist auch möglich, den Kondensator mit Luft zu kühlen. Nichtkondensierbare Gase in dem Kondensator werden über die Leitung

14 entfernt. Das Kondensat (Bremsflüssigkeit) wird in einem Speicher 15 gesammelt, von wo es mit Hilfe der Pumpe 16 durch den Reflektormantel 17 zur Reaktionszorie 1 zurückgepumpt wird. Der Reflektormantel wird so durch die kalte Bremsflüssigkeit gekühlt.

Ein Teil der Bremsflüssigkeit wird direkt über die Leitung 18 zur Vorrichtung 3 abgezogen, um die Suspensionsteilchen aus den abzuziehenden Dämpfen auszuwaschen. Es ist auch möglich, diese Flüssigkeit zu einer gesonderten, nicht gezeigten Vorrichtung zu führen, z. B. einem Destillationsboden, um diese Wäsche vorzunehmen.

Gewöhnlich wird schweres Wasser als Bremsflüssigkeit verwendet. Das spaltbare Material kann Üranoxyd sein, das mit dem Uran-Isotop U235 angereichert ist und z. B. 2 bis 4% des Isotops enthält. In diesem Fall besteht der Dampf des Bremsstoffes aus Dampf von schwerem Wasser.

Während der Kernreaktion wird ein Teil des schweren Wassers kontinuierlich in Sauerstoff-Wasser stoff-Gas (Sauerstoff und Deuterium) umgewandelt. Dieses SauerstofF-Wasserstoff-Gas wird im Kühler 11 abgetrennt und durch die Leitung 14 zum Überhitzer 7 geleitet, in dem das Sauerstoff-Wasserstoff-Gas unter Bildung von schwerem Wasser verbrannt wird. Das kondensierte Wasser wird in einem Kessel 19 aufgefangen, aus dem es zum Speicher 15 fließt.

Beim Ingangsetzen des Reaktors wird zweckmäßig eine Menge konzentrierter aktiver Flüssigkeit, z. B. Uranoxyd, suspendiert in schwerem Wasser, in die Reaktionszone 1 eingeführt. Die Konzentration wird so gewählt, daß der Reaktor noch nicht kritisch ist, aber kritisch wird, sobald die Suspension hinreichend mit schwerem Wasser verdünnt wird. Dann wird schweres Wasser aus dem Behälter 15 in die Reaktionszone gepumpt, und der Reaktor überschreitet die kritische Grenze. Die Flüssigkeit in dem Reaktor wird heiß und beginnt zu sieden und Wasserdampf zu erzeugen. Der Reaktor kann z. B. für einen Höchstdruck von 4jO at gebaut sein, so daß die höchste Dampftemperatur etwa 250° C beträgt. Die Turbine wird dann für einen Vollastdruck von ebenfalls 40 at gebaut. Eine kleinere Belastung entspricht einem kleineren Druck.

Die Reaktionszone, die von einer Wand 20 umgeben ist, kann aus Aluminium bestehen oder, wenn man höhere Temperaturen benutzt, aus Zirkon und besitzt ein Volumen, das viel größer ist, zum mindesten viermal so groß wie das kritische Volumen der aktiven Flüssigkeit, bei dem der Reaktor kritisch wird. Der Reaktor kann jedoch auch mit einer noch größeren Reaktionszone ausgerüstet sein, wenn eine sehr große Dampferzeugung erforderlich ist.

ίο Infolge des Siedens der aktiven Flüssigkeit in dieser großen Zone wird sie in Tröpfchen zerteilt, so daß mindestens in dem größeren Teil der Reaktionszone der Dampf aus dem Bremsstoff die zusammenhängende Phase und die aktive Flüssigkeit die disperse Phase

»5 bilden. Die nach oben fliegenden Tröpfchen, verdampfen teilweise und fallen unter dem Einfluß der Schwerkraft in dem nichthomogenen turbulenten Strömungsgebiet des Dampfes der Bremsflüssigkeit (nämlich da, wo der nach oben gehende Strom des

a» Dampfes örtlich oder zeitlich geringer ist) in die flüssige Schicht am Boden der Reaktionszone zurück. Der Dampf passiert die Vorrichtung 3 und wird hier durch die Waschflüssigkeit aus schwerem Wasser von spaltbarem Material befreit und dann über die Lei-

^a5 tung 4 zur Turbine geleitet. Eine gleich große oder im Mittel gleich große Menge schweres Wasser wird über die Leitung 18 und den Verbindungskanal zwischen Reflektormantel 17 und der Reaktionszone (Bodenteil) in die Tieaktionszone 1 geleitet.

Die biologische Abschirmung 10 umgibt den gesamten radioaktiven Teil der Anlagen.

Die Verbrennung des Sauerstoff-Wasserstoff-Gases, das gebildet wird, wenn Wasser und bzw. oder schweres Wasser als Bremsstoff verwendet werden, kann katalytisch in bekannter Weise erfolgen, z. B. mit Hilfe eines platinhaltigen Katalysators. Um eine Vergiftung des Katalysators zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine Fangvorrichtung für radioaktives Jod (z. B. eine chemisch mit Silber arbeitende) vorzuschalten. Zum Beispiel können die Kondensatorrohre mit einer Silberschicht bedeckt sein.

Um die kleinstmögliche Menge schweres Wasser als Bremsstoff in dem Kernreaktor zu verwenden, kann man zweckmäßig einen relativ kleinen Kondensator verwenden, in dem eine relativ große Temperaturdifferenz, z. B. von 50 bis 70° C, auftritt.

Um den Kernreaktor zu sichern und zu regeln, sind zwei Ventile eingebaut, d. h. ein Sicherheitsventil 21, angeordnet vor der Pumpe, und ein Steuerventil 22, gesteuert durch die Anzahl der Umdrehungen der Turbine, die sich hinter der Pumpe befindet. Wenn die Turbine einen elektrischen Stromerzeuger betreibt, kann dieses Ventil zusätzlich mit Hilfe der Frequenz in den Hauptleitungen gesteuert werden, an die der Stromerzeuger angeschlossen ist. Diese Ventile sind beide im kalten Teil des Kreislaufes eingebaut. Sie führen daher zu weniger Komplikationen, als wenn sie in der Heißdampfleitung eingeschaltet wären.
Fig. 2 zeigt schematisch die Reaktionszone eines in ähnlicher Weise arbeitenden Kernreaktors. Der Unterschied gegenüber dem Kernreaktor nach Fig. 1 besteht hauptsächlich in der Art der Dispergierung der aktiven Flüssigkeit in der Verdampfungszone. Diese Dispersion wird hier erhalten, indem man aktive Flüssigkeit über die Leitung 23 aus der Reaktionszone abzieht und sie über Pumpe 24 und Leitung 25 zu einem Verteilerboden 3' pumpt und von dort sie schauerartig durch die Reaktionszone fallen läßt. Die Bremsflüssigkeit, die im Kreislauf geführt werden kann, aber nicht muß, wird zunächst mit der aktiven

Claims (10)

Flüssigkeit über Leitung 26 vermischt und kann dann auf den Verteilerboden 3' zusammen mit' dieser Flüssigkeit zugeführt werden. Es ist auch möglich, die Bremsflüssigkeit gesondert zum oberen Ende der Reaktionszone im Kreislauf zurückzuführen und mit dem Dampf in innige Berührung zu bringen, bevor dieser abgezogen wird. Der über die Leitung 4 abzuziehende Dampf des Bremsstoffes wird vorher, durch einen oder mehrere Zyklone 5 geleitet, in denen der Dampf von festen Teilchen und bzw. oder von flüssigen Teilchen befreit wird. Die beschriebenen Kernreaktoren werden auch mit bekanten nicht gezeigten Mitteln für die Reinigung der Flüssigkeit von Produkten der Spaltreaktion ausgerüstet, z. B. mit einem Reinigungskreislauf, in den z. B. ein Absorptionsfilter oder ein Ionenaustauscher eingeschaltet werden kann. Patentansprüche: ao

1. Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in praktisch verwendbare Energie mit Hilfe eines Kernreaktors, der mit einer aktiven Flüssigkeit arbeitet, die aus einer Bremsflüssigkeit, insbesondere aus Wasser oder schwerem Wasser, be- »5 steht,^- in der das spaltbare Material in feinverteilter Form oder in gelöstem Zustand vorliegt, bei welchem in der Reaktionszone ein Sieden der Bremsflüssigkeit eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Menge der in der Reaktionszone vorhandenen aktiven Flüssigkeit ganz oder mindestens zum großen Teil im Dampf der Bremsflüssigkeit dispergiert, den Dampf der Bremsflüssigkeit sodann ganz oder praktisch ganz von spaltbarem Material befreit und darauf aus der Reaktionszone abzieht sowie der Reaktionszone fortlaufend eine äquivalente Menge oder eine im Mittel äquivalente Menge Bremsflüssigkeit zuführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen Teil der in die Reaktionszone zurückzuführenden Bremsflüssigkeit als Waschflüssigkeit für den abziehenden Dampf verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen Teil der in die Reaktionszone zurückzuführenden

Bremsflüssigkeit zunächst als Kühlmittel für den Reflektormantel verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man fortlaufend aktive Flüssigkeit aus der Reaktionszone entfernt und der Reaktionszone an einer oder mehreren Stellenin der Weise wieder zuführt, daß an dieser oder diesen Stellen ein Sprühstrahl aus aktiver Flüssigkeit gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die aktive Flüssigkeit auf einen in der Reaktionszone eingebauten Verteilerboden pumpt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die aktive Flüssigkeit über eine oder mehrere Sprühdüsen in die Reaktionszone einspritzt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die aktive Flüssigkeit in einer Reaktionszone zum freien Sieden bringt, deren Volumen mindestens viermal so groß ist wie das Volumen, bei dem der Reaktor mit der angewendeten aktiven Flüssigkeit kritisch wird.

8. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor eine Reaktionszone aufweist, die mindestens zweimal, vorzugsweise viermal, so groß ist wie das Volumen, bei dem der Reaktor mit gewählter Menge der aktiven Flüssigkeit kritisch wird.

9. Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone und/oder der Reflektormantel insbesondere am oberen Ende Mittel zum Abtrennen fester und/oder flüssiger Teilchen von aus der Reaktionszone abzuführendem Dampf und, soweit nötig, Mittel zur wiederholten Zurückführung der Teilchen in die Reaktionszone enthält.

10. Kernreaktor nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone mit Mitteln zum innigen Durchmischen von Flüssigkeit mit dem aus der Reaktionszone abzuführenden Dampf, z. B. einem Verteilerboden, versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: »Scientific American«, Bd. 191, 1954, H. 6, S. 37.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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