DE1100005B - Verfahren zur Herstellung eines zur Verwendung in Kernreaktoren als Moderator, Reflektor oder Kuehlmittel geeigneten Kohleprodukts - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung eines zur Verwendung in Kernreaktoren als Moderator, Reflektor oder Kühlmittel geeigneten Kohleprodukts Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohleprodukten, die wegen der Gegenwart kleiner Mengen Deuterium hervorragende Eigenschaften zur Verwendung in Kernreaktoren als Moderator, Reflektor oder Wärmeträger besitzen.
• Es ist bekannt, daß beim Betnieib von Kernreaktoren neben dem spaltbaren Materialgewöhnlich sogenannte Moderatoren bzw. Bremssubstanzen in der l#-ernrealctionszone vorhanden sind. Diese Substanzen .ollen die Geschwindigkeit der während des Spaltprozesses gebildeten schnellen Neutronen so vermindern, daß sie zu langsamen bzw. thermischen Neutronen werden. Darüber hinaus können diese Substanzen auch als Kühlmittel wirken.
• Die Aktivität dieser Moderatoren, für die schweres Wasser, Beryllium, Berylliumverbindungen und Kohlenstoff verwendet werden, schwankt stark je nach den verwendeten Substanzen.
• Obwohl Kohlenstoff einen geringeren Bremseffekt al-s andere Moderatoren, wie Beryllium, Beryiliumverbindungen und schweres Wasser, zeigt, so wird doch Kohlenstoff, insbesondere Kohle hoher Dichte, wie Graphit, häufig als Moderator in Kernreaktoren verwendet.
• Dies geschieht nacht nur weil Kohlenstoff leichter zugänglich ist, sondern auch ideswegen, weil Kohlenstoff im Gegensatz zu Berylliumverbindungen nicht giftig ist und im Gegensatz zu schwerem Wasser eine feste Substanz mit einem außerordentlich niedrigen Dampfdruck darstellt. Infolgedessen kann man die Moderatorsubstanz als Baumaterial für Kernreaktoren verwenden und sie hohen Temperaturen bei normalen niedrigen Drücken aussetzen. Besonders bei den hohen Temperaturen, bei denen Energie erzeugende Kernreaktoren, bekannt als Leistungsreaktoren, betrieben werden, treten hohe Drücke auf, wenn man (#inen flüssigen Bremsstoff mit einem hohen Dampfdruck verwendet; dies kann aber vermieden werden, wenn man eine Substanz mit einem niedrigen Dampfdruck als Moderator verwendet. Dadurch wird die Vorrichtung billiger, und es werden die Gefahren, die beim Betrieb von Kernreaktoren mit hohen Drücken auftreten, beseitigt. Ferner sind Kohlemoderatoren sehr widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen und radioaktiver Strahlung.
• In einem im Prioritätsintervall ibekanntgewordenen Vorschlag ist ein Verfahren zur Herstellung von nuklearreinen, Preß,lingen aus Natur- und/oder Kunstgraphitpräparaten enthalten, wobei diesen Präparaten vor dem Pressen Sulbstanzen zugegeben werden, die schweren Wasserstoff enthalten. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren werden aber die hierbei erhaltenen Preßlinge keiner Homogenisierungsibehandlungdurch energiereiche Strahlen unterworfen.
• In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentschrift 1022 568 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohleprodukten beschrieben, bei denen die Bremswirkung beträchtlich größer ist als -die von Graphit, welches der wirksamste, bis jetzt zur Verfügung stehende Moderator auf Kohlenstoffbasis ist.
• Nach diesen Verfahren werden deuterierte schwere, insbesondere polycyclische, aromatische Kohlenwasserstoffe für die Herstellung von Kohlenstoff aus kohlenstoffreichem Material durch Anwendung an sich bekannter Verfahren carbonisiert. Dabei bleibt nur ein kleiner Teil des im deuterierten Ausgangsmaterial vorhandenen Deuteriums im erhaltenen Kohleproduktgebunden, während der größere Teil sich in den bei der Carbonisation gleichfalls gebildeten Nebenprodukten wiederfindet. Das Deuterium kann aus diesen Gasen zurückgewannen werden, was aber sehr kostspielig ist.
• Es hat sich nun gezeigt, daß Kohleprodukte mit besonders günstigen Moderatoreigenschaften auf eine im folgenden beschriebene wirtschaftlichere Weise hergestellt werden können, wenn man als A.usgangssul>stanzen denterierte Kohlenwasserstoffe und Kohle verwendet, die unter den im Kernreaktor herrschenden Bedingungen wenig oder kein Gas entwickeln. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man Kohle, die unter den im Kernreaktor herrschenden Bedingungen wenig oder kein Gas entwickelt, durch. inniges Vermischen mit deuterierten schweren naphthenischen oder paraffinischen K oh.lenwasserstoffen .aufarbeitet, in denen- das Atomverhältnis von Deuterium zu Kohlenstoff wenigstens 1,3 : 1 beträgt, worauf man die Masse in Formstücke preßt, oder daß man die genannte Kohle zu Formstücken preßt, die anschließend mit den igenannten deuteräerten Kohlenwasserstoffei imprägniert werden, und daß man die erhaltenen Formstücke durch Einwirkung energiereicher Strahlen homogenisiert.
• Das Ziel der Homogenisierungs:behandlung ist es, die deuterierten Kohlenwasserstofft und die in den Formstücken vorhandene Kohle in eine nicht .graphitartige Kohle mit einem geringen Gehalt an fest gebundenem Deuterium überzuführen.
• Als energiereiche Strahlung kann man z. B. radioaktive Strahlen, schnelle Elektronen, Gammastrahlen, Neutronen u. dgl. verwenden, wobei man die Kohleprodukte vorzugsweise :erhöhten Temperaturen aussetzt, die etwa 300° C nicht überschreiten. Man kann für diesen Zweck vorteilhaft die bei Kernreaktionen erzeugte Strahlung -verwenden, indem man die Formstücke zur Behandlung in einen Kernreaktor einführt und indem man diesen Kernreaktor teilweise, z. B. mit einem Zehntel def normalen Belastung, eine beträchtliche Zeitspanne, z..B. 10 Tage oder mehr, betreibt, bis die Homogenisierung vollständig ist.
• Die Kohle, die eine der zwei Ausgangsmaterialien für das erfindungsgemäß hergestellte Kohleprodukt ausmacht, sollte derart sein, daß sie unter den in Kernreaktoren vorherrschenden Bedingungen wenig oder keine gasförmigen Substanzen abgibt. Kohlworten, wie Graphit, zu dessen Herstellung besonders hohe Temperaturen, z. B. 2000 bis 2500° C, angewendet wurden, erfüllen im allgemeinen diese Anforderung.
• Die deuterierten Kohlenwasserstoffee, mit denen die Kohle vermischt wird oder mit denen Formstücke imprägniert werden, die aus dieser Kohle durch Zusammenpressen erhalten. wurden, können hergestellt werden durch Deuterierung von schweren naphthenischen oder paraffinischen Kohlenwasserstoffei, d. h. von Kohlenwasserstoffei, deren Dampfdruck beträchtlich, nämlich etwa 20%, unter dem Arbeitsdruck bei der Temperatur bleibt, bei -der die Homogenisation anschließend bewirkt wird. Besonders geeignet dafür sind hochmolekulare naphthenisehe Kohlenwasserstofft mit zwei oder mehr Ringen, z. B. Polynaphthene, die sich ableiten von Anthracen, Phenanthren, Acenaphehen oder von ähnlichen mehrkernigen Aromaten. Geeignet sind auch Mischungen, die ganz oder hauptsächlich aus hochmolekularen Naphthenen, wie schwere naphthenische Ölfraktionen, bestehen, sowie hochmolekulare paraffimsche Kohlenwasserstofft, wie verzweigte oder urverzweigte Alkane mit 10 oder mehr Kohlenstoffatomen, und Mischungen, die solche Alkane enthalten, z. B. Paraffinwachse und schwere Mineralölfraktionen, die .hauptsächlich ,aus Paraffinwachs bestehen, sowie auch Alkenpolymere nach Art des Polyäthylens. Vorzugsweise wendet man einen Kohlenwasserstoff an, der bei normalen Temperaturen fest ist und dessen Schmelzpunkt normalerweise bei etwa 50° C liegt.
• Die Deuterierung kann mit Hilfe der sogenannten Tropf- bzw. Fließtechnik vorgenommen werden, wobei man den zu deuterierenden Kohlenwasserstoff in flüssiger Form und in dünner Schicht bei -erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck über einen Katalysator herabfließen läßt, der in einer Reaktionszone stationär .angeordnet ist. Dieser Katalysator begünstigt den Austausch von Wasserstoff mit Deuterium, uvährend ,gleichzeitig nach oben Deuterium oder ein Gas, welches Deuterium enthält oder ergibt, streicht.
• Das Verarbeiten dieser Kohle mit dem deuterierten Kohlenwasserstoff kann durchgeführt werden, indem man die Kohle in feinverteilter Form mit diesem Material vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb dessen Schmelzpunkt vermischt, um eine einheitliche oder praktisch :einheitliche Masse herzustellen, aus der man dann Formstücke, wie Stäbe, Platten u. dgl., von den erforderlichen Abmessungenpreßt.
• Es ist jedoch auch möglich, zuerst Formstücke aus der Kohle durch Zusammenpressen herzustellen und sie dann mit dem deuterierten Kohlenwasserstoff zu imprägnieren. Um eine gute Imprägenerung zu gewährleisten, sollte das Verfahren unter solchen Bedingungen durchgeführt werden, ,daß die deuterierten Kohlenwasserstofft in üinem dünnflüssigen Zustand vorliegen, wozu es häufig notwendig sein wird, erhöhte Temperaturen anzuwenden. Gegebenenfalls kann die Imprägnierung begünstigt werden, wenn man unter vermindertem Druck arbeitet.
• Das Gewichtsverhältnis, in dem die Kohle und der deuterierte Kohlenwasserstoff miteinander vereinigt werden, kann innerhalb sehr weiter Grenzen schwanken, -die von der Zusammensetzung des deuterierten Kohlenwasserstoffes und dem im Endprodukt gewünschten Deuteriumgehalt abhängen. Der bevorzugte Bereich liegt im allgemeinen so, @daß das Atomverhältnis von Deuterium zu Kohlenstoff im Endprodukt wenigstens 1 :5, z. B. 2 :7, beträgt.
• Die Homogenisierung unter. Verwendung energiereicher Strahlung kann bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, z. B. bei Temperaturen, bei denen Kernreaktoren iim .allgemeinen betrieben werden.
• Wenn sich während der Homogenisierung gasförmige Nebenprodukte bilden, die Deuterium .und deuterierte leichte Kohlenwasserstofft enthalten, so werden diese Gase aus der Zone entfernt, in der die Homogenisierung stattfindet; sie können als zusätzliche Quelle für Deuterium .bei der Herstellung des deuterierten Kohlenwasserstoffes verwendet werden, das eine der zwei Komponenten darstellt, die als Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung verwendet werden.
• Die auf Kohlebasis erfindungsgemäß erhaltenen Stäbe, Platten oder ähnliche Formstücke besitzen einen niedrigen Gehalt an Deuterium, z. B. einige wenige Gewichtsprozent, das chemisch an den Kohlenstoff ;gebunden isst und dessen Menge sogar bei langem Erhitzen nicht oder kaum vermindert wird.
• Infolgedessen- besitzen diese Produkte bei ihrer Verwendung in Kernreaktoren eine Bremswirkung, die größer ist als die von Kohle, die aus nicht d:euterierten Kohleewasserstoffen erhalten wunde, sogar dann, wenn es sich um Kohle hoher Dichte, z. B. um Graphit, handelt. Darüber hinaus besitzen sie eine sehr geringe Neutronenabsorptionskapazität und behalten ihre Formbesser bei als ein Gitter aus Graphitstäben.
• Die erfindungsgemäß hergestellten Kohlenstoffprodukte sind sehr gut geeignet zur Verwendung als Moderator in Kernreaktoren, in denen das spaltbare Material und der Moderator bzw. Bremsstoff in -der Reaktionszone stationär angeordnet sind und in dem die darin erzeugte Hitze mittels eines fluiden Stoffes abgezogen wird. Sie können auch -als Baumaterial für die Reaktionszone von Kernreaktoren verwendet werden, die geeignet sind für die Anwendung einer aktiven Flüssigkeit, die aus Wasser oder schwerem Wasser besteht, in dem sich das spaltbare Material natürlich in feinverteilter Form oder gelöst befindet.
• Diese Kohlepradukte können auch als Material für den Reflektormantel verwendet werden, der rings um die Reaktionszone in Kernreaktoren angeordnet ist, und dazu dient, die Neutronen zu reflektieren, welche die Reaktionszone verlassen.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines zur Verwendung in Kernreaktoren als Moderator, Reflektor oder Kühlmittel geeigneten Kohleprodukts, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohle, die unter den in einem Kernreaktor herrschenden Bedingungen wenig oder kein Gas entwickelt, durch inniges Vermischen mit deuterierten, schweren, naphthenischen oder paraffinischen Kohlenwasserstoffen aufarbeitet, in denen das Atomverhältnis von Deuterium zu Kohlenstoff wenigstens 1,3:1 beträgt, worauf man die Masse in Formstücke preßt, oder daß man die genannte Kohle zu Formstücken preßt, die anschließend mit den genannten deuterierten Kohlenwasserstoffen imprägniert werden, und daß man die erhaltenen Formstücke durch Einwirkung energiereicher Strahlung homogenisiert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als energiereiche Strahlung schnelle Elektronen verwendet.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als energiereiche Strahlung die bei Kernreaktionen erzeugte Strahlung verwendet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bestrahlung bei einer Temperatur unterhalb von 300° C durchführt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch. gekennzeichnet, daß man das Verhältnis von Kohle zu deuteriertem Kohlenwasserstoffmaterial so wählt, daß das Atomverhältnis von Deuterium zu Kohle im Endprodukt wenigstens 1 :5 beträgt. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1010 663.