DE1077340B - Waessriger Kernreaktor-Brennstoff - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen wäßrigen Kernreaktor-Brennstoff mit einem Gehalt an Uranylsulfat.

Befindet sich ein Reaktor mit wäßrigem Brennstoff in Betrieb, dann entsteht infolge radiolytischer Zersetzung von Wasser Wasserstoffsuperoxyd. Dieses reagiert mit dem Uran unter Erzeugung von Uranylperoxvd, und wenn das Löslichkeitsprodukt der letzteren Verbindung überschritten ist, fällt es aus der Lösung aus. Demzufolge nimmt'die Urankonzentration in der Lösung ab, was den Spaltprozeß beeinträchtigt, mine andere Auswirkung der Peroxydabscheidung besteht darin, daß sich das Uranylperoxyd in Flecken als unlöslicher Niederschlag absetzen und somit neue Spaltprozeßplätze bilden kann, was zu Korrosionen Anlaß gibt.

- Die Geschwindigkeit der Wasserstoffsuperoxyd-Erzeugung wird in direkte Beziehung zur Energieleistung des Reaktors gebracht. Dies legt daher eine Höchstgrenze der Konzentration von Uran in der Lösung und der Energieleistung von homogenen Lösungsreaktoren auf. So wie die Reaktorenenergieleistung zunimmt, wird eine Rate der Wasserstoffsuperoxyd-Erzeugung erreicht, die genügt, eine ausreichend hohe Peroxydkonzentration für die Abscheidung des Urans als Uranylperoxyd aus der Lösung zu schaffen. Um eine maximale Energieleistung für eine bestimmte Urankonzentration in einer homogenen Lösung zu erzielen, ist es daher erforderlich, die Konzentration des gesamten Urans bei einem Minimum zu halten, während der ^23SU-Gehalt des Urans bei einem Maximum gehalten wird. Demzufolge waren, um höhe Leistungsdichten in Reaktoren mit wäßriger Brennstoff lösung zu erzielen, Brennstoffe erforderlich, die in hohem Maße mit ²3»U angereichert sind.

Eine Erhöhung' der zulässigen' (tragbaren) maximalen Konzentration von Uran kann durch Zugabe eines Peroxydzersetzungskatalysators zu dem wäßrigen Uranylsulfatsystem erreicht werden. In einem Bericht von M. D. Silverman und Mitarbeitern (Industrial and Engineering Chemistry, 48, S. 1238 Ms 1241, 1956) wird gezeigt, daß eine obere Grenze für die nützliche Konzentration eines Katalysators zur Unterstützung der Peroxydzersetzung besteht. So wird in diesem Bericht z. B. gezeigt, daß die Wirksamkeit von Eisen in Lösung hinsichtlich der Abscheidungsverhinderung von Uranylperoxyd bei einer Konzentration von ungefähr 4 Teilen pro Million (ppm) des Eisens abnimmt. Nach dem erwähnten Bericht muß die höchste katalytische Wirksamkeit für Eisen bei ungefähr 11 ppm erreicht werden. Ruthenium, ein anderer guter Katalysator in^: Form von Rutheniumsulfat, erreicht" seine Höchstwirksämkeit bei einer Konzentration von ungefähr 29 ppm. Das Cr+³-Ion Wäßriger Kernreaktor-Brennstoff

Anmelder:

North American Aviation, Inc.,
Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,
und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,
Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: . - .
V. St. v. Amerika vom 29. April 1957

Louis Silverman, Los Angeles, Calif.,

Robert A. Sallach, Canoga Park, Calif.,

und Rachel L. Seitz, Van Nuys, Calif. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

weist nur ungefähr 6^fl/o der Wirksamkeit vonFe⁺²-Ion auf und erreicht maximale Wirksamkeit bei ungefähr 24 ppm. In dem genannten Bericht wird als notwendige Schlußfolgerung angesehen, daß die aus einer wäßrigen Uranylsulfatlösung erhaltbare zulässige Leistungsdichte ungefähr 0,5 kW pro Liter ist. Daher bestand ein Problem in der Entwicklung eines Brennstoffsystems, das diese Begrenzungen nicht aufweist.

Daher ist es ein Ziel der Erfindung, einen bei relativ hohen Leistungspegeln arbeitenden wäßrigen Brennstoff zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines homogenen Kernreaktor-Brennstoffsystems, bei dem sich kein Niederschlagen von Uranylperoxyd ergibt. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines homogenen Brennstoffsystems, welches das Arbeiten von Reaktoren bei zufriedenstellenden Leistungspegeln gestattet, wobei man einen Uran-Brennstoff, der relativ geringe prozentuale Anteilmengen von Uran-235 enthält, benutzt.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß der wäßrige Kernreaktor-Brennstoff aus ungefähr 75 bis'75Qg Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat, aus ungefähr 17 bis 600 mg pro Liter von mindestens einem Metallion, das in mehr als einem Wertigkeitszustande existieren kann, in Form eines Metallsulfates, aus ungefähr 13 bis 150 g

' Schwefelsäure pro Liter' und im restlichen Ausgleich

909759/3143

im wesentlichen aus Wasser besteht, und daß die relativen Mengen von Uran, Metallion und Schwefelsäure derart gewählt sind, daß ungefähr 0,17 bis 2 mg des genannten Metallions pro g Uran und ungefähr 0,13 bis 0,5 g Schwefelsäure pro g Uran vorhanden sind. Die Schwefelsäuremenge in der Brennstoffzusammensetzung soll so sein, daß der p_H-Wert der Lösung immer unter 1 liegt.

Geeignete Metallsulfate sind die Sulfate der Metalle der Gruppe IB des Periodensystems wie Kupfersulfat, Sulfate der Metalle der Gruppe VB, wie Vanadinsulfat, die Sulfate der Übergangsmetalle der Gruppe VIII, wie Eisensulfät, Rutheniumsulfat, Palladiumsulfat, usw. Die genannten Sulfate können allein oder in Kombination mit einem oder mehreren benutzt werden. Es wurde z. B. festgestellt, daß Eisen in Form eines Sulfates für die Unterstützung der Peroxydzersetzung besonders wirksam ist und den Betrieb eines Kernreaktors bei höheren Leistungsdichten ohne Niederschlagen von Uranylperoxyd gestattet, was bei Benutzung anderer Katalysatoren nicht der Fall ist. Zusammensetzungen mit Eisensulfaten stellen daher eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Werden mehr als ein Metallsulfat verwendet, dann wird eine Kombination von Eisensulfat und Kupfersulfat bevorzugt. Kupfermengen von mehr als ungefähr 40 ppm erhöhen die Wirksamkeit des Katalysators nicht wesentlich. Daher stellt eine Katalysatorzusammensetzung aus ungefähr 16 bis 560 mg Eisen pro Liter zusammen mit ungefähr 1 bis 40 mg Kupfer pro Liter eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Wenn das benutzte Uran annähernd 90 °/o mit ²³³U angereichert ist, genügen, wie festgestellt wurde, 100 g Uran pro Liter in einem praktisch geometrisch sphärischen Gesamtvolumen von etwa 12,5 1, um eine Spaltungsreaktion zu unterstützen und eine kritische Leistungsbedingung von 0 zu schaffen. Diese Urankonzentration zusammen mit 0,13 Mol pro Liter Schwefelsäure plus 17 mg pro Liter, d. h. 17 ppm Eisen als Sulfat, ergibt keine Abscheidung von Uranylperoxyd, wenn ein Reaktor so, wie es in den nachstehend beschriebenen Beispielen angegeben wird, betrieben wird. Diese Brennstofflösung enthält im wesentlichen 0,17 mg Eisen und 0,13 g Schwefelsäure pro g Uran. Enthält das verwendete Uran ungefähr 10 Vo an ²³⁵U, und liegt der Uran-Gesamtgehalt 750 g pro Liter in Form von Uranylsulfat vor, in einem Gesamtvolumen von annähernd 301, dann reicht eine Menge von 1,0 Mol pro Liter Schwefelsäure und 128 ppm Eisen in Form von Eisensulfat aus, um das Niederschlagen von Uranylperoxyd bei Leistungspegeln von praktisch 3 kW pro Liter bei einer Temperatur von annähernd 80° C zu verhindern. In dem letzteren Brennstoff sind praktisch 0,13 g Schwefelsäure und 0,17 mg Eisen pro g Uran vorhanden.

Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einer wäßrigen Uranylsulfat-BrennstofFzusammensetzung, die Eisensulfat und Schwefelsäure enthält, in der die Menge an Schwefelsäure ungefähr 0,13 bis 0,24 g Säure pro g Uran äquivalent ist. Es wurde festgestellt, daß der Reaktor bei dieser Schwefelsäurekonzentration und bei verschiedenen Eisensulfatkonzentrationen ohne Abscheidung von Uranylperoxyd bei relativ höheren Leistungspegeln betrieben werden kann als dann, wenn die Schwefelsäurekonzentration außerhalb dieses Bereiches liegt.

Liegt der Metallkatalysator Eisen in Form von Ferrisulfat und/oder Ferrosulfat vor, dann können die Mengen von ungefähr 0,17 bis 2,0 mg Eisen pro g Uran schwanken. Eine bevorzugte Menge ist ungefähr 0,3 bis 0,8 mg Eisen pro g Uran. Die letztgenannte Menge ergibt eine höhere Rate von Peroxydzersetzung. Eine Konzentration von 75 g Uran, das ungefähr zu 90Vo mit ²³⁵U angereichert ist, genügt zur Aufrechterhaltung des Kernspaltungsprozesses, wenn das Brennstoff-Gesamtvolumen ungefähr 15 1 beträgt. Der Brennstoff soll in einem Kessel gehalten sein, der ein

ίο minimales Oberflächen-Volumen-Verhältnis vorsieht, so daß gewöhnlich ein Kessel sphärischer Gestalt benutzt wird. Sobald die prozentuale Anteilmenge von ²³⁵U-Anreicherung abnimmt, muß entweder die Urankonzentration erhöht oder das gesamte Brennstoff volumen erhöht werden. Wenn z. B. das Uran ungefähr zu 10 Vo mit ²³⁵U angereichert und die Konzentration ungefähr 750 g U pro Liter in Form von Uranylsulfat ist, genügt ein Reaktorkernvolumen von ungefähr 201, um den Kernspaltungsprozeß aufrechtzuerhalten. Andererseits, wenn die Konzentration des mit ²³⁵U angereicherten Urans ungefähr 350 g/l beträgt, genügt hierzu ein Volumen von ungefähr 40 1. Wenn aber andererseits der Brennstoff mehr als 750 g Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat enthält, kann es notwendig sein, den Brennstoff bei erhöhten Temperaturen zu halten, um alles Uranylsulfat in Lösung zu bringen.

Beträgt der ²³⁵U-Gehalt des Urans ungefähr 10 bis 60Vo, dann ist die bevorzugte Konzentration von Uran ungefähr 200 bis 350 g pro Liter, da in einem solchen Falle das Gesamtvolumen der Brennstoff lösung innerhalb praktischer und bequemer Grenzen gehalten werden kann.

Aus dem Obigen ist zu ersehen, daß eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem wäßrigen homogenen Kernreaktor-Brennstoff besteht, der ungefähr 200 bis 350 g Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat, ungefähr 60 bis 280 mg pro Liter von mindestens einem Metallion der oben beschriebenen Art, ungefähr 26 bis 84 g Schwefelsäure pro Liter und im Rest im wesentlichen Wasser enthält und in dem die relativen Mengen von Uran, Metallion und Schwefelsäure derart gewählt sind, daß ungefähr 0,3 bis 0,8 mg an Metallion pro g Uran und ungefähr 0,13 bis 0,24 g Schwefelsäure pro g Uran vorhanden sind.

Der homogene Kernreaktor-Brennstoff kann dadurch hergestellt werden, daß man die verschiedenen Komponenten in irgendeiner herkömmlichen Weise in den Behälter einbringt; z. B. kann man die erforderliche Wassermenge zuerst in den Behälter geben und anschließend der Reihe nach die Schwefelsäure, das Eisensulfat und das Uranylsulfat hinzufügen. Ebenso kann man das Uranylsulfat zuerst zum Wasser und dann anschließend die Schwefelsäure und das Eisensulfat geben. Eine andere Zugabeart besteht in dem Hinzufügen eines Teiles der Schwefelsäure zum Wasser vor dem Zugeben von Uranylsulfat; danach kann man den Rest der Schwefelsäure einführen. Das Uranylsulfat kann in fester Form oder in Form einer wäßrigen konzentrierten Form zugefügt werden.

Die folgenden Beispiele erläutern klar die erfindungsgemäßen Brennstoffe.

Beispiel 1

Die unten wiedergegebenen Reaktorkennzeichen sind solche eines 50-kW-Wasserkessel-Kernreaktors.

In einen sphärischen, aus rostfreiem Stahl bestehenden Reaktortank wird eine wäßrige Lösung aus

In ähnlicher Weise entsteht kein Niederschlag, wenn der Verfahrensgang von Beispiel 6 so wiederholt wird, daß man Ferrisulfat in einer Menge benutzt, die 1,8 mg Eisen pro g Uran äquivalent ist.

Beispiel 7

trieben, das 100 g Uran in Form von Uranylsulfat und 11 ppm Eisen als Sulfat enthält. Die Eisenkonzentration ist 0,11 mg pro g Uran. Das Uran ist zu ungefähr 90% mit ²³⁵U angereichert. Bei einer Leistungsdichte von im wesentlichen 0,7 kW pro Liter entsteht kein Uranylperoxydniederschlag.

Beispiel 11 gibt die nachteiligen Ergebnisse wieder, die man erhält, wenn man einen Reaktor mit einem homogenen Brennstoff der bisher bekannten Art be

Liter Uran in Form von Uranylsulfat enthält. Das Uran hat einen ²³5U-Gehalt von 25%. Der Brennstoff enthält 125 g pro Liter an Schwefelsäure und 400 ppm

Es bildet sich kein Niederschlag.

Beispiel 9

Es bildet sich kein Niederschlag, wenn ein Reaktor wie im Beispiel 8 mit einem wäßrigen Brennstoffsystem betrieben wird, das Uranylsulfat in einer

Ein Reaktor wird mit einem homogenen, wäßrigen Brennstoffsystem betrieben, das 200 g pro Liter Uran

in Form von Uranylsulfat, 60 mg Eisen pro Liter in io treibt. Andererseits erläutert Beispiel 2, daß bei Zu-Form von Ferrisulfat und 26 g Schwefelsäure pro gäbe einer Schwefelsäuremenge, die 0,13 g pro g Uran Liter enthält. Der Brennstoff enthält daher 0,3 mg äquivalent ist, und bei einer Eisenkonzentration von Eisen, 0,13 g Schwefelsäure pro g Uran. Das Uran ist 0,17 mg pro g Uran die Brennstoffzusammensetzung zu 60% mit ²³⁵U angereichert. Bei einem Arbeiten bei sich für ein Betreiben des Reaktors bei einer Leistungs-80° C und einer Leistungsdichte von 3 kW pro Liter 15 dichte von 3 kW pro Liter ohne Bildung eines Niederentsteht kein Niederschlag. Schlages eignet.

_ . -ίο Während es möglich sein kann, einen Reaktor mit

ß ei spie einem homogenen Brennstoff nach der Erfindung zu

Ein Reaktor wird wie im Beispiel 1 bei 80° C und betreiben, der weniger als die untere angegebene bei einer Leistungsdichte von 8 kW pro Liter mit 20 Grenze von 0,13 g Schwefelsäure pro g Uran enthält, einem wäßrigen Brennstoff betrieben, der 250 g pro wurde aber festgestellt, daß etwa 0,13 g Schwefelsäure

pro g Uran und ein Gesamtminimum von praktisch 0,13 Mol pro Liter Schwefelsäure erforderlich sind, um eine Brennstoffzusammensetzung zu schaffen, die

Eisen in Form von Ferrisulfat. Das Restliche besteht 25 bei wesentlichen Leistungsdichten nicht zu einem im wesentlichen aus Wasser. Daher enthält der Brenn- Niederschlag führt. Aus gleichen Gründen liegt die stoff 0,5 g Schwefelsäure und 2,0 mg Eisen pro· g Uran. untere Grenze an der Metallmenge, wie von Eisen, bei

0,17 mg pro g Uran. Bei den oberen Grenzen ist in den Brennstoffkennzeichen kein besonderer Vorteil zu erreichen, wenn man über etwa 0,5 g Schwefelsäure und 2,0 mg Metall, wie Eisen, pro g Uran im Brennstoff hinausgeht.

Aus den Beispielen ist zu ersehen, daß die Temperatur, bei der der Reaktor mit dem erfindungsgemäßen

Menge äquivalent zu 300 g pro Liter Uran, das zu 35 Brennstoff betrieben werden kann, ungefähr 23 bis Falle enthält der Brennstoff 0,53 mg Vanadin und 95° C oder höher sein kann. Indessen ist die Peroxyd-0,54 Mol pro Liter Schwefelsäure enthält. In diesem Zersetzungsgeschwindigkeit sehr niedrig bei Tempe-Falle enthält der Brennstoff 0,35 mg Vanadin und raturen unter 60° C. Daher stellt 60° C eine bevor-0,18 g Schwefelsäure pro g Uran, und der Reaktor zugte untere Temperatur dar. Um nicht zu nahe an wird bei einer Leistungsdichte von praktisch 1,2 kg 40 die Siedepunkte der Zusammensetzung heranzukompro Liter betrieben. men, ist die obere bevorzugte Temperatur 90° C. Da-

Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn man in dem her stellt ein Arbeitstemperaturbereich von etwa 60 Verfahrensgang von Beispiel 9 an Stelle von Vanadin bis etwa 90° C eine bevorzugte Ausführungsform Palladium einsetzt und die Temperatur 95° C beträgt, beim Betreiben des Reaktors mit der erfmdungsge-Auf diese Weise wird, wenn der Katalysator aus 45 mäßen Brennstoffzusammensetzung dar. Eine andere 16 mg Eisen und 1 mg Kupfer pro Liter in Form ihrer Ausführungsform besteht in einem Temperaturbereich

von etwa 70 bis etwa 90° C, der einen praktischeren Bereich von Arbeitsbedingungen für das Unterstützen der Zersetzung irgendwelchen gebildeten Peroxyds umfaßt. Eine besonders bevorzugte Temperatur ist 80° C, die tatsächlich eine Durchschnittszahl zwischen den Grenzen von 70 und 90° C in dem bevorzugten Bereich ist. Es muß aber beachtet werden, daß die Temperatur, bei der der Reaktor betrieben wird, nicht

von Uran, das zu 20% an ²³⁵U angereichert ist, in 55 das Verhältnis ungünstig beeinflußt, in dem die verForm von Uranylsulfat, 280 ppm Eisen in Form von schiedenen Komponenten der Brennstoffzusammen-Ferrisulfat und 84 g pro Liter Schwefelsäure enthält, Setzung nach der Erfindung anders als oben angegeben wobei der ausgleichende Rest im wesentlichen Wasser kombiniert werden können.

ist. In diesem Falle enthält der Brennstoff 0,8 mg Die Leistungsdichte; bei der der Reaktor betrieben

Eisen und 0,24 g Schwefelsäure pro g Uran in Lösung. 60 werden kann, hängt weitgehend von der Wirksamkeit Das Gesamtvolumen beträgt praktisch 20 1. Es bildet des Kühlsystems ab. Die obere Grenze an der Betriebsleistungsdichte, die früher auf Grund der Peroxydbildung und des entstandenen Niederschlages bestand, wird durch Verwendung des erfindungsgemäßen Brenn-65 stoffes heraufgesetzt. '

Die gegebenen Beispiele dienen nur zur Erläuterung, aber nicht zur Abgrenzung der Erfindung.

Wie oben dargelegt wurde, sind die Komponenten des Brennstoffsystems im. "wesentlichen. Wasser,

Sulfate besteht, kein Uranylperoxydniederschlag erzeugt. In ähnlicher Weise erfüllen 560 mg Eisen und 40 mg Kupfer pro Liter den gleichen Zweck.

Beispiel 10

Ein Reaktor wird wie im Beispiel 8 mit einem wäßrigen Brennstoffsystem betrieben, das 350 g pro Liter

sich kein Niederschlag.

In gleicher Weise wird ein guter Verfahrensgang erreicht, wenn der ²³³U-Gehalt des Urans 10% und das Gesamtvolumen praktisch 401 beträgt.

Beispiel 11

Ein Reaktor von dem im Beispiel 1 beschriebenen
Typ wird mit einem wäßrigen Brennstoffsystem be- 70 Uranylsulfat, Schwefelsäure und ein Metallsulfat. Die

Schwefelsäure, Eisensulfat und konzentrierter Uranylsulfatlösung hergestellt, die 112 g pro Liter Uran, 19 ppm Eisen in Form von Ferrisulfat, 19 ppm Kupfer in Form von Kupfersulfat, 0,26 Mol pro Liter Schwefelsäure und als Ausgleich im wesentlichen Wasser enthält. Das Uran enthält zu annähernd 90 % ²³⁵U. Die Kennzeichen des Reaktors sind folgende:

Planleistung 5OkW

Kritische Masse bei Nullleistung 120Og²³⁵U

Maximaler Fluß

thermischer Neutronen 1,7 · 10¹²n/cm²-sec

Massen-Reaktivitätskoeffizient 0,024% pro g

Reaktivitäts-Temperatur-

koeffizient _; 0,25% pro ⁰C

Leistungskoeffizient der

Reaktivität 0,006% pro kW

B rennstoff lösungstemperatur bei 50 kW 80° C

Überschuß reaktivität bei

20° C, Nulleistung 3%

In Kontroll- und Sicherheitsstäben gehaltene

Reaktivität 7,2% (1,8% jeder

Stab)

H: ²³⁵U-Atom-Verhältnis 300

²³⁵U-Konzentration 105 g pro Liter

Leistungsdichte, Maximum 5,5 Watt pro cm³

Leistungsdichte, Durchschnitt 3,85 Watt pro cm³

Die Konzentration von Metallion und Schwefelsäure soll eine solche sein, daß 0,17 mg Fe, 0,17 mg Kupfer und 0,24 g Schwefelsäure pro g Uran vorliegen.

Beispiel 2

Wenn ein Reaktor wie aus Beispiel 1 mit einer Lösung betrieben wird, die pro Liter 100 g Uran, in der das Uran mit etwa 90 % ²³⁵U angereichert ist, 0,13 Mol pro Liter Schwefelsäure und 17 ppm Eisen als Ferrisulfat enthält, dann bildet sich bei einer Temperatur von 80° C und einer Leistungsdichte von 3 kW pro Liter kein Niederschlag. In diesem Brennstoff sind tatsächlich 0,17 mg Eisen und 0,13 g Schwefelsäure pro g Uran vorhanden.

Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn die Urankonzentration 75 g/l gemäß dem Verfahren nach Beispiel 2 beträgt.

Beispiel 3

Ein Reaktor wird wie im Beispiel 1 mit einer wäßrigen Lösung betrieben, die ungefähr 300 g pro Liter Uran, 180 ppm Eisen in Form seines Sulfates und Schwefelsäure bei einer Konzentration von 0,54 Mol pro Liter enthält. Das Uran ist zu 20% an ²³⁵U angereichert, und die Gesamtmenge von Uran ist 9000 g. In diesem Brennstoff befinden sich 0,6 mg Eisen und 0,18 g Schwefelsäure pro g Uran. Wird der dieses Brennstoffsystem enthaltende Reaktor bei 80° C so betrieben, daß eine Leistungsdichte von ungefähr 15 kW pro Liter resultiert, dann bildet sich kein Peroxydniederschlag.

In ähnlicher Weise ergibt sich keinerlei Uranylperoxydabscheidung, wenn der Verfahrensgang von Beispiel 3 wiederholt wird mit der Abweichung, daß die Schwefelsäurekonzentration in aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen bis 0,40, 0,45, 0,72, 0,74, 1,08 und 1,5 Mol pro Liter geändert wird, während die Leistungsdichte 7, 11, 22, 22,5 22 bzw. 19 kW pro Liter ist. Es wird in diesen einzelnen Brennstofflösungen bei den gegebenen Leistungsdichten ein Dauerwert von

ίο Peroxydkonzentration erhalten, so daß die Löslichkeit des Uranylperoxyds nicht überschritten wird. In den obigen Versuchen beträgt die Eisenmenge 0,6 mg pro g Uran, während die Menge von Schwefelsäure 0,13, 0,15, 0,25, 0,35 bzw. 0,5 g pro g Uran beträgt.

Wird der Reaktor unter Beibehaltung der Eisenkonzentration bei 90 ppm, bei Schwefelsäurekonzentrationen von 0,45, 0,54, 0,72 und 1,08 Mol pro Liter betrieben, dann erfolgt keine Uranylperoxydniederschlagung, wenn die Leistungsdichten 5, 9, 12 bzw. 11 kW pro Liter betragen. Die hierbei erforderliche Eisenmenge beträgt 0,3 mg pro g Uran, während die Menge an Schwefelsäure 0,15, 0_;18, 0,24 bzw. 0,35 g pro g Uran äquivalent ist.

Beispiel 4

Ein Reaktor wird wie im Beispiel 1 mit einen Brennstoff, der 750 g Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat enthält, bei 90° C betrieben. Der ²³⁵U-Gehalt beträgt 15% und die Uran-Gesamtmenge 22 500 g. Die Schwefelsäuremenge in dieser Lösung ist 1,5 Mol pro Liter, und die Menge an Eisen, in Form von Ferrisulfat, beträgt 600 ppm. In diesem Falle wird der Reaktor bei einer Leistungsdichte von praktisch 7 kW pro Liter betrieben. Es bildet sich kein Peroxydniederschlag. Die Eisenkonzentration in dieser Lösung ist äquivalent 0,8 mg pro g Uran, während die Schwefelsäuremenge äquivalent 0,2 g pro g Uran ist.

Beispiel 5

Wie im Beispiel 1 wird ein Reaktor mit einer wäßrigen Uranylsulfatlösung betrieben, die 300 g pro Liter Uran, 30 ppm von Eisen in Form von Ferrisulfat und 0,54 Mol pro Liter Schwefelsäure enthält. Das Uran ist zu 20% an ²³⁵U angereichert, Uran-Gesamtmenge beträgt 8400 g. Der Reaktor wird bei einer Temperatur von 80° C und bei einer Leistungsdichte von praktisch 3 kW pro Liter betrieben. Bei Abziehen einer Probe in jeder Minute, wobei man unmittelbar nach dem Startbeginn anfängt, wurde festgestellt, daß die Bildungsrate von Wasserstoffsuperoxyd 0,5 g pro Liter pro Minute und die stetige Konzentration des Wasserstoffsuperoxyds im stationären Zustande 2,5 g pro Liter ist. Es bildet sich kein Uranylperoxydniederschlag. Die Menge an Eisen in diesem Brennstoff entspricht 0,1 mg pro g Uran, und die Schwefelsäuremenge entspricht einem Wert von 0,18 g pro g Uran.

Beispiel 6

Ein Reaktor wird mit einem homogenen, wäßrigen Uranylsulfatbrennstoffsystem "betrieben, das 300 g pro Liter Uran, das mit 20% ²³⁵U angereichert ist, Ferrisulfat in einer Menge von 2,0 mg Eisen pro g Uran, d.h. 600ppm Eisen und 0,18g Schwefelsäure pro g Uran enthält. Der Reaktor wird bei einer Leistungsdichte von 0,025 kW pro Liter bei einer Temperatur von im wesentlichen 23° C betrieben. Es bildet sich kein Niederschlag.

beschriebenen wäßrigen Brennstoffsysteme können in verschiedenen Reaktoren mit homogenen Brennstoffen benutzt werden.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Wäßriger Kernreaktor-Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus ungefähr 75 bis 750 g Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat, aus ungefähr 17 bis 600 mg pro· Liter von mindestens einem Metallion, das in mehr als einem Wertigkeitszustand existieren kann, in Form eines Metallsulfates, aus ungefähr 13 bis 150 g Schwefelsäure pro Liter und im restlichen Ausgleich im wesentlichen aus Wasser besteht, und daß die relativen Mengen von Uran, Metallion und Schwefelsäure derart gewählt sind, daß ungefähr 0,17 bis 2 mg des genannten Metallions pro g Uran und ungefähr 0,13 bis 0,5 g Schwefelsäure pro g Uran vorliegen.

2. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus ungefähr 16 bis 560 mg Eisen pro Liter und aus ungefähr 1 bis 4,0 mg Kupfer pro Liter besteht, wobei die Metalle in Form von Sulfaten vorliegen.

3. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er vorzugsweise aus ungefähr 200 bis 350 g Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat, aus ungefähr 60 bis 280 mg pro Liter von mindestens einem Metallion, das in mehr als einem Valenzzustande existieren kann, in Form eines Metallsulfates, aus ungefähr 26 bis 84 g pro Liter Schwefelsäure und im ausgleichenden Rest im wesentlichen aus Wasser besteht, und daß die relativen Mengen von Uran, Metallion und Schwefelsäure derart gewählt sind, daß ungefähr 0,3 bis 0,8 mg vom Metallion pro g Uran und ungefähr 0,13 bis 0,24 g von Schwefelsäure pro g Uran vorliegen.

4. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfat ein Eisensulfat ist.

5. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfat Ferrisulfat ist.

6. Kernreaktor-Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer wäßrigen Lösung besteht, die im wesentlichen 300 g pro Liter Uran in Form von Uranylsulfat, 0,18 g Schwefelsäure pro g Uran und Ferrisulfat in einer Menge äquivalent

zu 0,6 mg Eisen pro g Uran, wobei der restliche-Ausgleich im wesentlichen Wasser ist, enthält.

7. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran einen ²³⁵U-Gehalt von 20% aufweist.

8. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran einen ²³⁵U-Gehalt von ungefähr 10 bis 90% hat und die Metallsulfate aus den Sulfaten der Metalle der Gruppe IB, VB und VIII des Periodensystems bestehen.

9. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus 112 g Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat, im wesentlichen aus 19 mg Eisen und 19 mg Kupfer pro Liter, wobei Eisen und Kupfer in Form ihrer Sulfate zugegen sind, im wesentlichen aus 26 g Schwefelsäure pro Liter und im restlichen Ausgleich aus Wasser besteht und daß die relativen Mengen von Uran, Eisen, Kupfer und Schwefelsäure derart gewählt sind, daß im wesentlichen 0,17 mg Eisen und 0,17 mg Kupfer bzw. 0,24 mg Schwefelsäure pro g Uran vorliegen.

10. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran einen 235U-Gehalt von ungefähr 90% hat.

11. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallsulfate aus Sulfaten von Eisen bestehen.

12. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran einen ²³⁵U-Gehalt von etwa 10 bis 60% hat.

13. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus 35Og Uran pro Liter in Form von Uranylsulfat, im wesentlichen aus 280 mg pro Liter von Ionen von Eisen in Form von Eisensulfat und im wesentlichen aus 84 g pro Liter Schwefelsäure besteht und daß die relativen Mengen von Uran, Ionen von Eisen und Schwefelsäure derart gewählt sind, daß im wesentlichen 0,8 mg Eisenionen pro g Uran und im wesentlichen 0,24 g Schwefelsäure pro g Uran vorliegen.

14. Kernreaktor-Brennstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran einen ²³⁵U-Gehalt von im wesentlichen 20% hat.

15. Kernreaktor-Brennstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung einen p_H-Wert unter 1 aufweist.

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