DE1083942B - Quasi homogener Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei den bis heute üblichen Konstruktionen für langsame, mittelschnelle und auch schnelle Reaktoren ist der Reaktorkern entweder vom homogenen oder vom heterogenen Typ. Im Falle des homogenen Reaktors befindet sich in einem Volumenbereich eine Lösung des Kernbrennstoffes in einer als Moderator und unter Umständen gleichzeitig als Kühlflüssigkeit dienenden Flüssigkeit, die nur innerhalb des Reaktorkernes die kritischen Dimensionen erreicht. Die Flüssigkeit tritt als solche durch den Reaktor hindurch und gibt im Wärmetauscher und geeigneten chemischen Bearbeitungsanlagen sowohl ihre Wärme wie auch einen Teil der in ihr anfallenden Radioaktivität ab.

Beim heterogenen Reaktor hingegen wird der Kernbrennstoff beispielsweise in Metallhüllen in Form der sogenannten Brennstoffelemente eingekleidet und in die Moderatorflüssigkeit eingetaucht. Hierbei erhitzen sich die Brennstoffelemente und teilen die in ihnen erzeugte Wärme dem Moderator mit, der unter Umständen zugleich als Kühlflüssigkeit verwendet wird.

Es ist bekannt, daß sowohl der Reaktor vom homogenen Typ wie auch der heterogene Reaktor jeder für sich gewisse Vorteile gegenüber dem anderen Typ besitzen, die jeden der beiden für bestimmte Anwendungsbereiche besonders geeignet erscheinen lassen. So besitzt der Homogenreaktor dem Heterogenreaktor gegenüber eine besonders große Anpassungsfähigkeit an einen variablen Leistungsbedarf. Auf der anderen Seite sind bis zum heutigen Tage die technologischen Schwierigkeiten des homogenen Reaktors noch nicht vollständig gelöst, so daß es zur Zeit noch keinen betriebssicher arbeitenden Leistungsreaktor dieses Typs gibt.

Neben den Reaktoren vom homogenen oder heterogenen Typ mit flüssigem Moderator und flüssigem Kühlmedium haben in den letzten Jahren auch die gasgekühlten Reaktoren steigend an Bedeutung gewonnen. Bei ihnen erfolgt die Wärmeentnahme, z. B. im Reaktor vom Calderhall-Typ, durch CO₂-GaS, das durch das Reaktorherz unter großem Druck und bei großen Durchströmungsgeschwindigkeiten hindurchgetrieben wird.

Um die beim Aufbau und Betrieb homogener Leistungsreaktoren auftretenden technologischen Schwierigkeiten zu umgehen, sind verschiedene Vorschläge für die »quasi homogene« Durchmischung von Brennstoff, Moderator und Kühlmittel gemacht worden. Es wurde zunächst vorgeschlagen, bei gasgekühlten Reaktoren die Durchmischung von Moderator und Kernbrennstoff durch Verwendung kugelförmiger massiver Gebilde aus Urankarbid oder anderen Uranverbindungen quasi homogen zu gestalten. Später wurde angeregt, eine innige Mischung aus Spaltstoff und Wärmeverteilungsmaterial in Form eines schwammartigen

Quasi homogener Kernreaktor

Anmelder:

Dr. Kurt Diebner,
Hamburg -Wandsbek, Hikeberg 14

Dr. Erich Bagge und Dr. Kurt Diebner,

Hamburg-Wandsbek,
sind als Erfinder genannt worden

keramischen Materials zu verwenden. Dieses keramische Material soll nach dem Vorschlag in Form von Füllkörpern — vorzugsweise hohlen sphärischen Körpern mit einer perforierten Wand—in den Reaktor eingebracht werden.

Zur Herstellung von quasi homogenen Mischungen aus sehr schweren Materialien, z. B. etwa Blei, und von sehr leichten Substanzen, z. B. Wasser, ist bereits vorgeschlagen worden, Raschigringe aus dem interessierenden Schwermetall in einem Hohlraum unterzubringen, der gleichzeitig in den zwischen den Raschigringen entstehenden Zwischenräumen und in den freien Volumenbereichen der Raschigringe mit den geeigneten Flüssigkeiten gefüllt ist. Dieser Gedanke, der zunächst nur im Hinblick auf die Herstellung geeigneter Abschirmungsschilder für Reaktoren ausgesprochen worden ist, soll nun erfindungsgemäß auf die Konstruktion von Reaktorkernen übertragen werden. Daher haben bei einem Kernreaktor, dessen metallische Kernbrennstoff- oder Kernbrennstoffoxydkörper und feste Moderatorbauteile die Gestalt offener Hohlkörper besitzen, erfindungsgemäß diese Hohlkörper die Gestalt kurzer offener Zylinder nach Art der Raschigringe — also ungefähr die Form kurzer, dünnwandiger Rohrstücke — die in einem vom Kühlmittel durchströmten Behälter strömungsdurchlässig aufgeschichtet sind, wodurch eine quasi homogene Durchmischung von Brennstoff, Moderator und Kühlmittel im Reaktor entsteht. Als solche kommen dabei korrosionsfeste Metalle in Frage. Die Raschigringe sollen in die als Kühlmittel dienende Flüssigkeit eingebettet sein. Sie können aber auch mit Raschigringen, die nur die Moderatorsubstanz enthalten, in einem geeigneten Verhältnis gemischt sein.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Anordnung ist, daß man für den Brennstoff allein oder für Brennstoff und Moderator, wenn der letztere auch in Form von Raschigringen eingebracht ist, ein verhältnismäßig großes Kernvolumen mit einem kleinen Strömungs-

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widerstand versehen kann, wobei zugleich viel Oberfläche für die Wärmeentnahme aus dem Brennstoff geschaffen wird. Sie erlaubt es, die im Brennstoff entstehende Wärme hinreichend rasch abzuführen. Die Vorteile einer solchen Anordnung bestehen weiter darin, daß neben den etwa metallischen Überzügen (Canning-Material) des eigentlichen Kernbrennstoffs kein weiteres Halterungsmaterial im Innern des Kernes verwendet zu werden braucht.

Weiterhin ist der Austausch benutzter Raschigringe, die als Brennstoffträger dienen, verhältnismäßig leicht möglich, indem die Entnahme dieser Ringe beispielsweise durch trichterförmige Auslaßvorrichtungen auf der Unterseite des Reaktors unter Verwendung etwa geeigneter Schiebevorrichtungen erfolgen kann, wobei der Reaktor von oben mit neuen unbenutzten Raschigringen wieder aufgefüllt werden kann.

Der Vorteil der hier vorgeschlagenen Anordnung besteht dabei vor allem darin, daß die Durchströmung des aus Raschigringen aufgebauten Reaktorkernes dem Kühlmittel einen viel geringeren Durchlaßwiderstand entgegensetzt als im Falle einer Kugelschichtung. Außerdem aber wird die Kontaktoberfläche zwischen Kühlmittel und dem Brennstoffträger gegenüber dem vorgenannten Fall um ein mehrfaches erhöht, was für die Frage des Wärmeüberganges vom Brennstoff zum Kühlmittel von ganz entscheidender Bedeutung ist.

Selbstverständlich müssen die Raschigringe, die als Kernbrennstoffträger verwandt werden sollen, den Spaltstoff nicht unbedingt in Form eines Metalls enthalten. So ist z. B. die Verwendung des Spaltstoffes als Metalloxyd, Karbid oder einer in der Reaktorphysik gebräuchlichen chemischen Verbindung durchaus möglich. Es muß erwähnt werden, daß selbstverständlich Variationen in der Form der Raschigringe, die aber an den wesentlichen Grundgedanken im Aufbau dieser Elemente festhalten, in Betracht gezogen werden müssen. So können auch Raschigringe etwa in Form verlängerter oder verkürzter Zylinder oder aber Hohlkörper jeder geeigneten geometrischen Form, die dem Erfindungsgedanken, nicht entgegenstehen, verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor, dessen metallische Kernbrennstoff- oder Kernbrennstoffoxydkörper und feste Moderatorbauteile die Gestalt offener Hohlkörper besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlkörper die Gestalt kurzer offener Zylinder nach Art der Raschigringe haben — also ungefähr die Form kurzer dünnwandiger Rohrstücke besitzen — und in einem vom Kühlmittel durchströmten Behälter strömungsdurchlässig aufgeschichtet sind, wodurch eine quasi homogene Durchmischung von Brennstoff, Moderator und Kühlmittel im Reaktor entsteht.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff- und Moderatoriiohlkörper mit einer Metallhaut als Korrosionsschutz umgeben ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kernbrennstoff enthaltenden Hohlkörper aus Urankarbid gebildet werden.

4. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus Kernbrennstoff- und Moderatorhohlkörpern für sich schon eine überkritische Anordnung darstellt, der durch das hindurchtretende Kühlgas oder die Kühlflüssigkeit die entstehende Wärmeenergie entzogen wird.

5. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Raschigringen die Form derselben Veränderungen unterworfen sein kann, bei der das Verhältnis von Zylinderachsenlänge und Zylinderdurchmesser von Eins verschieden ist, bzw. daß unter Beibehaltung der offenen Hohlkörperform der ringförmigen Gebilde von der Zylinderform zur prismatischen Form oder jeder sonst geeigneten geometrischen Form übergegangen wird.

Tn Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 014 240;

USA.-Patentschrift Nr. 2 798 848;

»Nuclear Engineering«, I₁ 1956, Heft 7, S. 304;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1955, Bd. 9, S. 184.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 033 810.

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