DE1110334B - Mit Uranhexafluorid als Kernbrennstoff betriebener Reaktor zur Energieerzeugung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

M35857Vmc/21g

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT;

8. NOVEMBER 1957

6. JULI 1961

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Uranhexafluorid als Kernbrennstoff betriebenen Reaktor zur Energieerzeugung. Erfindungsgemäß ist die Reaktionszone des Kernreaktors als Turbine ausgebildet, zu deren Antrieb das Uranhexafluorid dient. Es ist zwar bekannt, gasförmiges Uranhexafluorid in der Weise zum Antrieb einer Turbine zu verwenden, daß es zunächst in einem Reaktor zur Kernreaktion gebracht und von dort einer räumlich getrennten Turbine zugeführt wird, in der es die im Reaktor aufgenommene Energie durch Expansion abgibt. Hierbei ist aber die Energie- und Raumausnutzung nicht in gleichem Maße möglich wie bei der Zusammenfassung von Reaktor und Turbine in einer Einheit gemäß der Erfindung.

Gemäß der Erfindung wird z. B. eine Expansionsturbine weitgehend aus Beryllium gebaut und komprimiertes Uranhexafluorid eingeleitet, wobei in der Turbine eine fortdauernde Kettenreaktion stattfindet, falls die Turbine und die UF₆-Dichte groß genug sind. Die Turbine ist zweckmäßigerweise so gebaut, daß sich der Durchmesser in Strömungsrichtung erweitert, und deshalb wird auch in Turbinenbereichen, die bereits unter niedrigem Druck stehen, mit zunehmender Expansion noch Kernspaltwärme erzeugt, solange der Neutronenverlust durch die Oberfläche mehr herabgesetzt wird, als die Absorption in der vergrößerten Turbine steigt.

Mit einer solchen Turbine läßt sich stetig Wärme erzeugen und insbesondere eine isotherme Expansion erzielen.

Mit dieser Kernreaktorturbine und einer anschließenden Turbine für adiabatische Expansion sowie zwei weiteren Turbokompressoren für die Rückkompression, die erstere gekühlt und isotherm, die zweite adiabatisch arbeitend, läßt sich insbesondere der Carnotsche Kreisprozeß und damit eine Wärmekraftmaschine besten thermischen Wirkungsgrades verwirklichen.

Dadurch wird die UF₆-Kernreaktorturbine zu einer kontinuierlich arbeitenden Expansionsmaschine gemacht. Dabei wird jede Überhitzung des Reaktors vermieden und eine besonders einfache und wirksame Kraftanlage geschaffen.

Da Wärmeerzeugung durch Kernspaltung und Wärmeverbrauch durch Expansion gleichzeitig und in demselben Arbeitsmittel erfolgen, tritt nirgends eine gefährliche Wärmespeicherung auf.

Als Baustoffe für die Reaktorturbine kommen außer Beryllium auch andere Stoffe in Betracht, die

a) Moderatoreigenschaften aufweisen, d. h. die Spaltneutronen auf thermische Geschwindig-Mit Uranhexafluorid als Kernbrennstoff betriebener Reaktor zur Energieerzeugung

Anmelder:

Metallgesellschaft Aktiengesellschaft, Frankfurt/M., Reuterweg 14

Dipl.-Chem. Dr. Hermann Clasen,

Falkenstein (Taunus), ist als Erfinder genannt worden

keiten schnell abbremsen und selbst wenig Neutronen absorbieren;

b) die notwendige Festigkeit aufweisen;

c) gegen UF₆ unter den Arbeitsbedingungen resistent sind oder mit resistenten Überzügen gegen Angriff durch das UF₆ abgedeckt werden können;

d) die strahlungsfest sind, z. B. nicht die unter b) und c) aufgeführten Eigenschaften unter Neutroneneinwirkung verlieren.

Gesintertes Berylliumoxyd, Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd oder deren Kombinationen untereinander oder mit den entsprechenden Metallen sind geeignet, die Erosions- und Korrosionsprobleme zu lösen.
Wird ²³⁵UF₆ oder ²³³UF₆ verwendet, das wenig

²³⁸UF₆ enthält, so ist die Be-Be O-Reaktorturbine gemäß der Erfindung nur klein in Durchmesser und Volumen. UF₆ ist an sich wegen des großen Molekulargewichts ein günstiges Treibmittel für Turbinen, da die mittlere Molekulargeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Masse des Moleküls ist und da die Impulsübertragung vom Molekül auf die Schaufeln des Turbinenrotors daher schon bei einer im Vergleich zum Wasser niedriger Schaufelgeschwindigkeit günstig vonstatten geht.

Die Kernreaktorturbine wird mit fluidem UF₆ betrieben. Temperaturen unter 64° C, dem Festpunkt des UF₆, werden vermieden. Vorzugsweise wird mit

dampfförmigem UF₆ außerhalb des Sättigungsgebiets gefahren.

Durch die Turbine gemäß der Erfindung wird also eine dauernde Nacherhitzung während der Expansion ermöglicht. Dies kann in dieser einfachen Weise nur

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1 HO

bei Verwendung von Hexafluorid erreicht werden, da dies die einzige flüchtige und stabile Verbindung eines spaltbaren Stoffes ist. Im Falle der Wasserdampfturbine muß man komplizierte und kostspielige Schaltungen mit Nacherhitzungen des Dampfes nach Teilexpansionen in Wärmeaustauschern usw. anwenden, um einen gleich guten Wirkungsgrad erzielen zu können. Die Einsparung komplizierter Schaltungen, des Kessels und des konventionellen Kernreaktors, ferner die einfache und sichere Wirkungsweise sowie die Leichtigkeit der UF_e-Aufarbeitung durch Destillation und Sedimentation lassen erkennen, daß die Erfindung überraschend große Vorteile mit sich bringt.

Bemerkt sei, daß sich die Kernreaktorturbine auch als Reaktor auslegen läßt, in dem die Kernspaltungen hauptsächlicht durch schnellere Neutronen erfolgen. Auf die oben unter a) verzeichnete Werkstoffeigenschaft kann dann verzichtet werden und die Turbine beispielsweise aus Ni-Cu-Legierung gebaut werden. Sie kann dann von ²³⁰UF₆ zum Brüten von Plutonium umgeben werden, aus dem PuF₄ aussedimentiert.

Beispiel

Abb. 1 stellt das Schaltbild und Abb. 2 den thermodynamischen Kreisprozeß schematisch und nur beispielsweise dar.

AB in Abb. 1 ist eine gutgekühlte Turbine, die die Kompression entlang AB in Abb. 2 besorgt mit dem Arbeitsmittel ²³⁵UF₆.

BC in Abb. 1 ist eine nichtgekühlte, isolierte Turbine, die die weitere Kompression BC in Abb. 2 durchführt.

DE in Abb. 1 ist die Kernreaktorturbine gemäß der Erfindung. Sie ist aus Berylliummetall hergestellt mit Ausnahme der Seele der Achse, die alle Turbinen gemeinsam haben. Die Bemessung der Turbine im einzelnen erfolgt unter Berücksichtigung bekannter Prinzipien aus dem Kernreaktor- und Turbinenbau. Die Kernreaktorturbine stellt in der Ausdrucksweise des Reaktortechnikers einen thermischen, heterogenen, mit Beryllium moderierten, mit ²³⁵U in Form des UF_G als Kernbrennstoff betriebenen Kernreaktor dar. Das UF₆ ist gleichzeitig Spaltstoff und Arbeitsmittel. Die Abkühlung des Arbeitsmittels erfolgt durch Expansionsarbeit. Das Turbinengehäuse von DE (Abb. 1) ist von 50 cm Graphit umgeben zur Reflexion und Moderation von Neutronen und zur Isolation.

EF in Abb. 1 ist eine weitere Expansionsturbine, die adiabatisch arbeitet.

Die Turbinen haben eine gemeinsame Achse, die nicht nach außen durchgeführt und mit Fluorkohlenstofföl geschmiert ist. Die Kraftübertragung zu einem Elektrogenerator α erfolgt über eine elektromagnetische Kupplung b (Abb. 1). Die Turbinen AB, BC und EF sind aus einer Legierung mit 67,85% Ni, 29,75% Cu, 1,04% Mn, 0,98% Fe (Monel) hergestellt. Generatorseitig besteht der Rotor der Türbine AB aus Nickel oder mit der obenerwähnten Legierung plattiertem Eisen.

Die mit ²³⁵UF₆ gefüllte Anlage wird gestartet, indem der Elektrogenerator α als Elektromotor in Betrieb gesetzt wird und die Turbinen antreibt. Bei einer bestimmten Umdrehungszahl der Kompressionsturbinen wird der Kernreaktorturbine genügend verdichtetes Uranhexafluoridgas zugeführt, so daß die Kernspaltreaktion einsetzt und die Anlage zu einer Kraftanlage wird, die Elektrizität in α erzeugt. Die Anlage hat selbstregulierende Eigenschaften.

ίο Die Tourenzahl und somit Leistung der Kompressionsturbinen kann nicht beliebig zunehmen, weil die Leistungsaufnahme des Generators ebenfalls und in stärkerem Maße zunehmen würde und die Leistung der Reaktorturbine erst nach größerer Leistung der Kompressionsturbinen ansteigen könnte.

Abschalten der Anlage erfolgt durch die zu hohe Belastung bei a, wodurch die Tourenzahl für eine Verdichtung zu gering wird, die für die Kernreaktion in CD notwendig ist (Mindestdichte spaltbaren Ma-

20 terials).

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mit Uranhexafluorid als Kernbrennstoff betriebener Reaktor zur Energieerzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone des Kernreaktors als Turbine ausgebildet ist, zu deren Antrieb das Uranhexafluorid dient.

2. Kernreaktorturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die Turbine und als Moderator Beryllium dient.

3. Kernreaktorturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit einer oder mehreren anderen Turbinen im Kreisprozeß arbeitet.

4. Kernreaktorturbine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Turbine konstant ist.

5. Kernreaktorturbine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier Turbinenstufen im Carnotschen Kreisprozeß arbeiten.

6. Kernreaktorturbine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerhalb des Sättigungsgebietes des Kernbrennstoffes arbeitet.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschriften Nr. 749 064, 754559;

»Journal of Nuclear Energy«, 5, 1957, S. 129 bis 131;

»Reactor Handbook, Engineering« der Reihe »Selected Reference Material on Atomic Energy«, London, 1955, S. 746;

»Journal of Applied Physics«, 24, 1953, S. 815, 816;

»Nucleonics«, 15, Nr. 8, 1957, S. 50 bis 55;

G. V. E. Thompson: »The Adventure of Space Travel«, London, 1953, S. 68;

Clark Goodman: »Introduction to Pile Theory«, Cambridge, 42, Mass. 1952, S. 279.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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