DE1111746B

DE1111746B - Mixture of substances for moderators and reflectors of nuclear technology

Info

Publication number: DE1111746B
Application number: DEG18842A
Authority: DE
Inventors: Herbert Greiner
Original assignee: GRAPHITWERK KROPFMUEHL AG
Current assignee: GRAPHITWERK KROPFMUEHL AG
Priority date: 1956-01-24
Filing date: 1956-01-24
Publication date: 1961-07-27

Description

Stoffgemisch für Moderatoren und Reflektoren der Kerntechnik Die Erfindung bezieht sich auf ein Stoffgemisch für Moderatoren und Reflektoren der Kerntechnik, insbesondere für Kernreaktoren. Erfindungsgemäß besteht das Stoffgemisch aus Neutronen bremsenden und reflektierenden hochreinen Stoffen festen Aggregatzustandes und aus Neutronen bremsenden und reflektierenden hochreinen Stoffen flüssigen und gasförmigen Aggregatzustandes in Mengen, die über dem Adsorptionsgleichgewicht liegen.Mixture of substances for moderators and reflectors in nuclear technology The invention refers to a mixture of substances for moderators and reflectors of nuclear technology, especially for nuclear reactors. According to the invention, the mixture of substances consists of neutrons decelerating and reflective high-purity substances solid aggregate state and off Neutrons retarding and reflecting highly pure substances liquid and gaseous State of aggregation in amounts that are above the adsorption equilibrium.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Schwierigkeiten, die durch die Adsorption von leichtem Wasser an Graphit bedingt sind, dadurch zu umgehen, daß das Graphitpulver nach seiner endgültigen Reinigung mit einem sehr kleinen Prozentsatz von schwerem Wasser versetzt wird, wobei es unter Umständen schon genügt, die Graphitpräparate in eine Luftatmosphäre einzubringen, die zunächst getrocknet und dann mit schwerem Wasserdampf gesättigt oder zumindest versetzt wurde.It has already been suggested the difficulties caused by the adsorption of light water on graphite is caused by bypassing it, that the graphite powder after its final cleaning with a very small percentage heavy water is added, whereby it may be enough to add the graphite preparations to be introduced into an air atmosphere that is first dried and then with heavy Water vapor was saturated or at least added.

Während es sich hierbei um eine Verdrängungsadsorption des leichten Wassers durch schweres Wasser bzw. schweren Wasserstoff an einem homogenen Körper handelt, betrifft das Stoffgemisch gemäß der Erfindung einen zweiphasigen Körper, der aus einem hochreinen pulverförmigen Moderator- und Reflektorstoff festen Aggregatzustandes und einer hochreinen Moderator- und Reflektorsubstanzflüssigen oder gasförmigen Zustandes in solchen Mengen besteht, die größer sind als das Adsorptionsgleichgewicht.While this is a displacement adsorption of the light Water through heavy water or heavy hydrogen on a homogeneous body acts, the mixture of substances according to the invention relates to a two-phase body, the solid state of aggregation made from a highly pure powdery moderator and reflector substance and a high purity moderator and reflector substance liquid or gaseous State exists in such amounts that are greater than the adsorption equilibrium.

Es ist weiterhin Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, daß auch relativ locker gefügte, insbesondere pulverförmige Massen aus hochreinem Graphit, vorzugsweise kristallinem Schuppengraphit, sowie aus anderen Brems- oder Reflexionssubstanzen festen Aggregatzustandes, wie Beryllium, Berylliumoxyd u. dgl., für die gleichen Zwecke hervorragend geeib net sind, wenn die Zwischenräume zwischen den einzelnen Masseteilchen durch flüssige oder unter Umständen auch gasförmige Brems- oder Reflexionsmittel ausgefüllt werden.It is a further recognition of the present invention that also relative loosely assembled, in particular powdery masses of high-purity graphite, preferably crystalline flake graphite, as well as from other braking or reflective substances solid state such as beryllium, beryllium oxide and the like for the same Purposes are excellently suited if the spaces between the individual Mass particles due to liquid or, under certain circumstances, gaseous braking or reflection media fill out.

Solche Füllmittel sind beispielsweise: schweres Wasser, Lösungen von Berylliumverbindungen, schwerer Wasserstoff, Helium usw.Such fillers are, for example: heavy water, solutions of Beryllium compounds, heavy hydrogen, helium, etc.

Besondere Vorteile bietet die Verwendung einer pulverförmigen Masse aus hinreichend großen Graphitschuppen in paralleler Orientierung, die mit schwerem Wasser als Hohlraumfüller und Bremsmittel durchtränkt ist und in geeigneten Abständen das aktive Material, z. B. in einem abgeschlossenen Röhrensystem, enthält (z. B. in von einem Kühlmittel durchflossenen Rohren). Diese Mehrstoffkombination profitiert 1. von der besonders starken Bremswirkung des schweren Wassers, 2. von der Mitverwendung von Graphit als Bremsmittel, welche im Vergleich zu den nur schweres Wasser enthaltenden Bremsanordnungen beträchtliche Mengen dieses letzteren, sehr kostspieligen Materials einspart, und 3. von der Parallelorientierung der Graphitschuppen und der daraus resultierenden Nutzbarmachung einer »anisotropen« Bremswirkung auf die Neutronen, die mit schwerem Wasser allein nicht zu erreichen wäre.The use of a powdery mass offers particular advantages of sufficiently large graphite flakes in parallel orientation, those with heavy Water as a cavity filler and braking agent is soaked and at suitable intervals the active material, e.g. B. in a closed pipe system (e.g. in tubes through which a coolant flows). This multi-substance combination benefits 1. from the particularly strong braking effect of heavy water, 2. from its use of graphite as a braking agent, which compared to those containing only heavy water Brake assemblies take up considerable amounts of this latter, very expensive material saves, and 3. from the parallel orientation of the graphite scales and the resulting resulting utilization of an »anisotropic« braking effect on the neutrons, which could not be achieved with heavy water alone.

Infolge der extremen Struktur-Anisotropie des Graphitgitters (Massenanhäufung in den Gitterebenen, Massenleere zwischen den weit voneinander entfernten Gitterebenen) wirkt nämlich der kristalline Graphit in verschiedenen Richtungen verschieden stark bremsend auf die bei der Kernspaltung (z. B. des Urans) frei werdenden Neutronen. Die in der Bremsmasse parallel gelagerten kristallinen Graphitschuppen, von denen jede trotz vieler Störstellen eine deutliche Richtungsorientierung im Sinne eines Einkristallgitters aufweist, bringen einen Richteffekt auch in ihrer Gesamtheit zustande. Von den unvermeidlichen Verlusten abgesehen, treffen also nach einer gewissen Anzahl von Kollisionen stark gebremste (thermische) und weniger stark gebremste (epithermische) Neutronen gleichzeitig auf die aktive Masse, die beispielsweise aus Uran oder Uranverbindungen in natürlichem oder angereichertem Isotopenverhältnis (U235, U238) bestehen und in festem, flüssigem oder gelöstem bzw. suspendiertem Zustand vorliegen kann. Die langsamen Neutronen spalten dabei die U-235-Atome und erhalten die Kettenreaktion aufrecht, die schnelleren Neutronen dagegen verwandeln in der Hauptsache die U-238-Atome in Plutonium, d. h. also in anderes spaltbares Material. Somit läßt sich der Umwandlungs- bzw. Brutprozeß in der Betriebsweise und mit allen technischen Vorteilen eines thermischen Reaktors durchführen, insbesondere wenn die vergiftenden Spaltprodukte ständig beseitigt werden.As a result of the extreme structural anisotropy of the graphite lattice (mass accumulation in the lattice planes, mass void between the lattice planes that are far apart from one another), the crystalline graphite has a different braking effect on the neutrons released during nuclear fission (e.g. uranium) in different directions. The crystalline graphite flakes stored in parallel in the braking compound, each of which has a clear directional orientation in the sense of a single crystal lattice despite many imperfections, also bring about a directional effect in their entirety. Apart from the inevitable losses, after a certain number of collisions strongly decelerated (thermal) and less strongly decelerated (epithermal) neutrons simultaneously hit the active mass, which for example consists of uranium or uranium compounds in a natural or enriched isotope ratio (U235, U238) and can be in a solid, liquid, or dissolved or suspended state. The slow neutrons split the U-235 atoms and maintain the chain reaction, while the faster neutrons mainly convert the U-238 atoms into plutonium, ie into other fissile material. Thus, the conversion or incubation process can be carried out in the mode of operation and with all the technical advantages of a thermal reactor, especially if the poisoning fission products are constantly removed.

Die beschriebene Schwerwasser-Graphit-Masse mit parallel gelagerten Graphitschuppen ist fernerhin zur Ausübung von Richteffekten auf Neutronen, etwa bei der Verwendung als Reflektor, hervorragend geeignet. Sie ermöglicht (durch gespiegelte Reflexion an den Gitterebenen) die Zurücklenkung vieler schräg auftreffender langsamer Neutronen in den Reaktorkern und erzielt damit eine Verringerung der Diffusionsverluste und folglich eine beträchtliche Verbesserung der Neutronenökonomie, mit der eine Erhöhung des effektiven Wirkungsgrades des Reaktors einhergeht.The heavy water graphite mass described with parallel bearings Graphite scales are also used to exert directional effects on neutrons, for example when used as a reflector, excellently suited. It enables (through mirrored Reflection on the lattice levels) the redirection of many inclined hitting more slowly Neutrons in the reactor core and thus achieves a reduction in diffusion losses and consequently a considerable improvement in neutron economy, with the one Increase in the effective efficiency of the reactor is associated.

Für die Verwirklichung der Erfindung, insbesondere für die Parallellagerung der hinreichend großen Graphitschuppen innerhalb des Stoffgemisches und für die Ausfüllung der Hohlräume mit Füllmitteln, lassen sich verschiedene Wege einschlagen. So kann beispielsweise der pulverförmige Schuppengraphit mit schwerem Wasser zu einer dünnflüssigen Suspension angerührt und chargenweise in den für das Bremsmittel vorgesehenen Raum innerhalb des Atombrenners eingebracht werden, wobei sich die Graphitschuppen in waagerecht-paralleler Orientierung absetzen. Das überstehende Wasser der einzelnen Chargen wird sodann bis zum jeweiligen Graphitniveau abgelassen und das ganze Verfahren bis zur Füllung des Bremsraumes mit Graphit wiederholt. Mitunter ist auch eine primäre Parallellagerung des trockenen Schuppengraphits in dem vorgesehenen Bremsraum des Reaktors durch ganz allmähliches Einrieselnlassen des Graphitpulvers aus geeigneter Fallhöhe mit anschließender Evakuierung des Behälters zweckmäßig, worauf das flüssige oder gasförmige Füllmittel nachgesaugt werden kann.For the implementation of the invention, in particular for parallel storage the sufficiently large graphite flakes within the substance mixture and for the Filling the cavities with fillers can be taken in different ways. For example, the powdery flake graphite can be mixed with heavy water mixed with a thin liquid suspension and added in batches to the brake fluid provided space within the atomic burner, whereby the Set down graphite flakes in a horizontal-parallel orientation. The protruding The water of the individual batches is then drained off to the respective graphite level and repeat the whole process until the brake chamber is filled with graphite. Sometimes there is also a primary parallel storage of the dry flake graphite in the intended braking space of the reactor by allowing it to trickle in very gradually of the graphite powder from a suitable drop height with subsequent evacuation of the container expedient, whereupon the liquid or gaseous filler can be sucked up.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Mixture of substances for moderators and reflectors of the Nuclear technology, especially for nuclear reactors, characterized in that it consists of Neutron-retarding and reflective high-purity substances in solid aggregate state and from neutrons retarding and reflecting highly pure substances liquid or gaseous physical state in amounts that are above the adsorption equilibrium, consists.

2. Mixture of substances according to claim 1, characterized in that the components solid aggregate state in powdery state.

3. Mixture of substances according to one or both of the preceding claims, characterized in that the Solid aggregate components consist of graphite, beryllium, beryllium oxide.

4. Mixture of substances according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the components are liquid or gaseous aggregate from heavy water, heavy hydrogen, helium.

5. Mixture of substances according to any one of the claims 1 to 4, characterized in that the solid state of aggregation is used as the braking or reflection substance find crystalline graphite flakes parallel orientation use. Into consideration Older patents drawn: German Patent No. 1010 663.