DE1112791B

DE1112791B - Spaltstoff fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1112791B
Application number: DEU7128A
Authority: DE
Inventors: Stanley W Mayer
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1959-06-01
Filing date: 1960-05-12
Publication date: 1961-08-17
Also published as: BE591155A; CH415878A; GB938117A; US3063923A

Description

Die Erfindung betrifft neue Reaktorspaltstoffe. Insbesondere bezieht sie sich auf neue geschmolzene Spaltstoffe für Kernreaktoren.

Spaltstoffe für Kernreaktoren sind Stoffzusammensetzungen, die eines oder mehrere der spaltbaren EIemente Uran, Thorium und Plutonium enthalten. Man hat bereits die verschiedensten Stoffgemische als Spaltstoffe für Kernreaktoren vorgeschlagen und versucht. In dem »Flugzeugreaktorversuch« wurden als Spaltstoffe geschmolzene Salze, wie das System NaF-UF₄, verwendet. Der LMFR-Reaktor im Brookhaven National Laboratory verwendete einen Bi-²³³U-Spaltstoff mit einem Mantel aus Th₃Bi₅—Bi. Ein weiterer Typ ist der wäßrige homogene Reaktor, der als Spaltstoff beispielsweise eine wäßrige Uranylsulfatlösung verwendet. Jede dieser Arten von Reaktoren weist natürlich eine Anzahl von Nachteilen auf. Beim LMFR-Reaktor liegt eine geringe Löslichkeit des spaltbaren Urans im Wismut vor, so daß daher ein außergewöhnlich großes Reaktorkernvolumen erforderlich ist, um den kritischen Zustand zu erreichen. Ein anderer Nachteil des LMFR-Reaktors ist der, daß das geschmolzene Wismut an der Luft leicht vom Sauerstoff angegriffen wird. Die Fluoridsalze in den Salzschmelzeraktoren sind sehr korrosiv, so daß die Auswahl unter den Werkstoffen für den Behälter der Reaktorkernlösung klein ist. Mit wäßrigen homogenen Spaltstoffen arbeitende Reaktoren leiden unter dem Nachteil einer niedrigen Betriebstemperatur. Um eine größere Kraftausbeute zu erzielen, müssen diese Reaktoren bei hohen Drücken betrieben werden. Dies bedeutet wieder eine Beschränkung in der Art des Werkstoffs, aus welchem der Reaktorkern hergestellt werden kann, der in diesem Falle ein Hochdruckgefäß sein muß. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Reaktorspaltstoff von niedrigem Dampfdruck bei hohen Temperaturen, niedriger Verfestigungstemperatur und verhältnismäßig geringer Anfälligkeit für Beschädigung durch Strahlung.

Diesem Bedürfnis wird durch einen Spaltstoff in Form von Salzschmelzegemischen, die Schwefel und/ oder Halogen z. B. in Form von Metallsulfaten, Metallhalogeniden und/oder Metallhalogensulf onaten enthalten, Rechnung getragen. Die Gegenwart solcher Schwefel und/oder Halogenverbindungen verbessert die Löslichkeit der Salze der spaltbaren Metalle. Der Spaltstoff gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Gehalt an 1. mindestens einem der Elemente Uran, Thorium und Plutonium in Form der Oxyde, Halogenide und/oder Salze von sauerstoffhaltigen Anionen in einer Menge von etwa 0,01 bis 50 Gewichtsprozent der Gesamtmasse und 2. minde-SpaltstoS für Kernreaktoren

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. Juni 1959 (Nr. 817 087)

Stanley W. Mayer, Canoga Park, CaUf. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

stens einem Bestandteil der Gruppen: a) Schwefel in Form von Oxyden des Schwefels, Metallsulfaten, Metallsulfiten, Metallhalogensulfonaten und/oder Säuren des Schwefels, b) Halogen in Form von Metallhalogeniden, Metallhalogensulfonaten und/oder Metallhalogenphosphaten, c) Phosphor in Form von Oxyden des Phosphors, Metallphosphaten, Metallphosphiten und/oder Metallhalogenphosphaten und d) mindestens einem Oxyd eines Nichtmetalls und/oder eines anderen Metalls als der unter 1. genannten Metalle, wobei die Menge an Halogen und/oder Schwefel mindestens 1 Atomprozent der Summe an Schwefel-, Halogen- und Phosphoratomen in der Gesamtmasse ausmacht und die Menge der Bestandteile 2, a), 2, b) und 2, c) mindestens 60 Gewichtsprozent vom Gesamtgewicht aller Bestandteile der Masse beträgt, die frei von Uran, Thorium und Plutonium sind. Ein Beispiel für einen solchen Spaltstoff ist ein Gemisch von Natriummetaphosphat und Uranylsulf at in solchen Mengenverhältnissen, daß es 35,4 Gewichtsprozent Uran enthält. Diese Lösung besitzt eine Verfestigungstemperatur von 352° C. Sie eignet sich gut als Spaltstoff für Kernreaktoren. Ein anderes Spaltstoffgemisch gemäß der Erfindung enthält außer der oben angegebenen Natriummetaphosphat -Uranylsulf at- Lösung bis etwa 40 Gewichtsprozent an einem Metalloxyd, wie Natriumoxyd.

Wenn der Spaltstoff Uran enthält, so kann dieses in Form von Oxyden, Halogeniden, Salzen von sauer-

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stoffhaltigen Anionen oder Gemischen von zwei oder mehreren dieser Formen vorliegen. Liegt das Uran in Form des Oxyds vor, so kann es sich dabei um jedes der bekannten Oxyde des Urans, z. B. UO₂, U₃O₈ und UO₃, handeln. Als Halogenid kann das Uran ζ. B, in Form von UCl₄, UF₄ usw. vorliegen. UF₄ wird jedoch als Halogenid bevorzugt, weil Fluor einen niedrigeren Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnitt besitzt als die anderen Halogene. Wird das Uran in Form eines Salzes eines sauerstoffhaltigen Anions verwendet, so kann dies in Form von Salzen, wie UranylsulfatUO₂SO₄, UranylnitratUO₂(NO₃)₂, Uranylpyrosulfat UO₂S₂O₇, Uranylsulfit UO₂SO₃, Uranylchromat UO₂CrO₄, Uranylphosphaten UO₂(PO₃)₂, (UO₂)₂P₂O₇, Uranylfluorphosphat (UO₂)₃(FPO₃)₂, Uranylcarbonaten UO₂CO₃, Na₂UO.,(C0₃)₀, Uranylmolybdat UO₂MoO₄, Uranylsilicat UO₂SiO₃, U(SO₄)₂, UP₂O₇, U(PO₃)₄, U(PO₃)₃ usw., erfolgen.

Wenn einer der Spaltstoffe Thorium ist, so kann dieses in Form eines Oxydes, eines Halogenides, eines Salzes eines sauerstoffhaltigen Anions oder eines Gemisches von zwei oder mehreren dieser Formen, wie im Fall des Urans, angewandt werden. Zum Beispiel kann das Thorium in Form von Thoriumdioxyd Th O₂ vorliegen. Der Spaltstoff kann auch in Form eines oder mehrerer Halogenide, wie Thoriumfluorid ThF₄, Thoriumchlorid ThCl₄, ThBr₄ usw., vorliegen. Wenn Salze des Thoriums mit sauerstoffhaltigen Anionen verwendet werden, so kommen z.B. Th(SO₄)₂, ThO(SO₄), Th(S₂O₇),, Th(NO₃)₄, ThO(NO₃),, Thoriumcarbonat, Thoriumchromat, Thoriummolybdat, Thoriumfluorsulfonat usw. in Betracht.

Wenn Plutonium als Spaltstoff verwendet wird, so kann es ebenfalls in Form von Oxyden, Halogeniden und/oder Salzen des Plutoniums mit sauerstoffhaltigen Anionen vorliegen. So kann das Plutonium z. B. in Form eines oder mehrerer Oxyde, wie PuO₂, PuO₃, Pu₂O₃ und Pu₃O₈, verwendet werden. Als Halogenid kann das Plutonium in Form von PuF₃, PuF₄, PuBr₄, PuCl₃, PuCl₄, PuClF₃ usw. oder als Gemisch zweier oder mehrerer dieser Halogenide vorliegen. Wenn der Reaktorspaltstoff Halogenide von spaltbaren Elementen enthält, so werden hierfür vorzugsweise die Fluoride der Elemente verwendet, da diese beständiger sind als die anderen Halogenderivate und geringere Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnitte besitzen. Verwendet man Salze des Plutoniums mit sauerstoffhaltigen Anionen, so können hierfür die folgenden Salze verwendet werden: PuO₂SO₄, PuO₂S₂O₇, Plutoniumphosphate, wie PuP₂O₇, Plutoniummetaphosphate, wie PuO₂(PO₃)₂, Pu(PO₃)₄, Plutoniumnitrate, wie PuO₂(NO₃)₂, Plutoniumcarbonate, wie PuO₂CO₃, Plutoniumchromat Pu(CrO₄)₂, Plutoniummolybdat Pu O₂ Mo O₄ usw.

Der Schwefel kann in dem Spaltstoffgemisch in Form von Oxyden des Schwefels und metallhaltigen Schwefelverbindungen, wie Metallsulfaten, Metallsulfiten, Metallhalogensulfonaten, sowie von Säuren des Schwefels vorliegen. Beispiele für Oxyde des Schwefels sind Schwefeltrioxyd, SO₃ und S₂O₇. Wird der Schwefel in Form von metallhaltigen Schwefelverbindungen verwendet, so kann er in Form des Sulfates, Sulfites oder Halogensulfates eines jeden beliebigen Metalls vorliegen. Unter Sulfaten werden hier die verschiedenen Sulfate, wie z. B. Orthosulf ate, Pyrosulf ate, saure Sulfate, Persulfate usw., verstanden. Die Sulfate können z. B. Alkalisulfate der Gruppe IA des Periodischen Systems sein. Es wird hier auf das Periodische System der Elemente Bezug genommen, wie es in dem »Handbook of Chemistry and Physics«, herausgegeben von der Chemical Rubber Publishing Company, Cleveland, Ohio, V.St.A., 37. Auflage (1955—1956), auf S. 392 und 393 dargestellt ist. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für alkalimetallhaltige Schwefelverbindungen sind Lithiumsulfat, Lithiumbisulfat, Lithiumpyrosulfat, Lithiumfluorsulfonat, Natriumsulfat, Natriumbisulfat, Natriumpyrosulfat, Natriumpersulfat, Natriumsulfit, Natriumfluorsulfonat, Kaliumsulfat, Kaliumbisulfat, Kaliumpyrosulfat, Kaliumpersulfat, Rubidiumsulfat, Kanumfluorsulfonat, Rubidiumbisulfat, Rubidiumpyrosulfat, RubidiumfLuorsulfonat, Cäsiumsulfat, Cäsiumbisulfat, Cäsiumpyrosulfat usw. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe HA des Periodischen Systems sind Magnesiumsulfat, Calciumsulfat, Strontiumsulfat, Strontiumbisulfat, Bariumsulfat, Bariumpersulfat usw. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe IHB des Periodischen Systems sind Lanthansulfat, Cerisulfat. Cerosulfat, Samariumsulfat, Gadoliniumsulfat, Yttriumsulfat usw. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe IVB des Periodischen Systems sind Titansulfat und Zirkonsulfat. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe VB des Periodischen Systems sind Tantalsulfat und Niobsulfat. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Sulfate von Metallen der Gruppe VIB des Periodischen Systems sind die Sulfate des Chroms CrSO₄ und Cr₂(SO₄)₃, Chromsulfit Cr₂(SO₃)₃. Ein nicht beschränkend auszulegendes Beispiel für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe VIIB des Periodischen Systems ist Mangansulfat. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe VIII des Periodischen Systems sind Ferrisulfat, Ferrosulfat, Kobalt(III)-sulfat, Kobalt(II)-sulfat, Rhodiumsulfat, Nickelsulfat usw. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe IB des Periodischen Systems sind Cuprisulfat, Cuprosulfat und Silbersulfat. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe HB des Periodischen Systems sind Zinksulfat und Cadmiumsulfat. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe ΠΙΑ des Periodischen Systems sind Aluminiumsulfat, Galliumsulfat, Indiumsulfat, Thallisulfat und Thallosulfat. Nicht beschränkend auszulegende Beispiele für Schwefelverbindungen von Metallen der Gruppe IVA des Periodischen Systems sind Stannisulfat, Stannosulfat, Bleisulfat und basisches Bleisulfat.

Zu den Säuren des Schwefels gehören Schwefelsäure H₂SO₄ und Pyroschwefelsäure H₂S₀O₇. Schwefel kann auch in Form der Sulfate der spaltbaren Elemente, z. B. als Uranylsulfat, Uranylpyrosulfat, Thoriumsulfat, Plutoniumsulfat usw., vorliegen.

Wenn das erfindungsgemäße Spaltstoffgemisch aus spaltbarem Material zusammen mit dem Sulfat besteht, so enthält es 1. mindestens eines der Elemente Uran, Thorium und Plutonium in Form der Oxyde, Halogenide und/oder Salze von sauerstoffhaltigen Anionen in einer Menge von etwa 0,01 bis 50 Gewichtsprozent der Gesamtmasse und 2. mindestens

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einen Bestandteil der Gruppen: a) Schwefel in Form der das Uran in einer Menge von etwa 10 Gewichts-

von Oxyden des Schwefels, Metallsulfaten und/oder prozent in Form von Uranylsulfat in einer Lösung in

Säuren des Schwefels und b) Halogen in Form von Natriumsulfat und Zinksulfat vorliegt, bei der etwa

Metallhalogeniden, Metallhalogensulfonaten und/oder 25 Atomprozent des Schwefels in Form von Natrium-Metallhalogenphosphaten. 5 sulfat anwesend sind.

Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Spalt- Außerdem können die Gemische, bezogen auf die Stoffgemisches besteht darin, daß eine beträchtliche Gesamtgewichtsmenge aller anderen Komponenten Menge der der Kernspaltung unterliegenden Stoffe außer den Uran-, Thorium- und/oder Plutoniumbei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen in Lö- verbindungen, bis etwa 40 Gewichtsprozent an besung gebracht werden. Außerdem wird die Viskosität io liebigen Metalloxyden oder Gemischen von Metallder Schmelze beträchtlich herabgesetzt, wodurch das oxyden enthalten. Nicht einschränkend auszulegende Hindurchleiten der Masse durch Wärmeaustauscher Beispiele für derartige Metalloxyde sind Lithium- und die Entfernung der Spaltprodukte erleichtert oxyd in einer Menge von 1 Gewichtsprozent oder wird. Verwendet man andere schwefelhaltige Ver- Gadoliniumoxyd in einer Menge von 40 Gewichtsbindungen als diejenigen der spaltbaren Elemente, so 15 prozent. Nicht einschränkend auszulegende Beispiele soll, damit das Gemisch sich mit Sicherheit im ge- für andere Oxyde sind Natriumoxyd, Kaliumoxyd, schmolzenen Zustand befindet, die Menge des an- Cäsiumoxyd, Bariumoxyd, Zirkonoxyd, Vanadiumwesenden Schwefels vorzugsweise in Form von oxyd, Wolframoxyd, Manganoxyd, Ferrioxyd, Rho-Schwef elverbindungen der Alkalimetalle vorliegen und diumoxyd, Platinoxyd, Silberoxyd, Zinkoxyd, Thalliummindestens 10 Atomprozent betragen. Gemische, die 20 oxyd, Bleioxyd, Antimonoxyd, Selenoxyd, Wismut-Schwefel in Form von Schwefelverbindungen der oxyd usw. Das Oxyd ist also ein Oxyd eines Metalls Alkalimetalle in einem Mengenbereich von etwa 10 mit einer Atomzahl von 3 bis etwa 83.
bis 90 Atomprozent Schwefel enthalten, haben sich Wenn in dem Gemisch Halogen enthalten ist, so als gute Spaltstoffgemische erwiesen. Es wurde weiter liegt es in Form von Metallhalogeniden, Metallgefunden, daß im Falle der Verwendung von 25 halogensulfonaten und/oder Metallhalogenphosphona-Schwefelverbindungen anderer als der spaltbaren Me- ten vor, bei denen das Metall eine Atomzahl von 3 talle die Löslichkeit des Thoriums, Urans und PIu- bis 93 aufweist. Nicht einschränkend auszulegende toniums erhöht wird, wenn die Menge des Schwefels Beispiele für derartige Halogenverbindungen sind in dem Gesamtgemisch mindestens 25 Atomprozent Metallhalogenide, wie Lithiumfluorid, Natriumfluorid, beträgt. Schwefelkomponenten in dem Gesamt- 30 Kaliumfluorid, Rubidiumfluorid, Cäsiumfluorid, CaI-gemisch, bei denen der Schwefel in Form von ciumfluorid, Lanthanfluorid, Titanfluorid, Vanadium-Schwefelverbindungen der Alkalimetalle vorliegt und fluorid, Chromfluorid, Manganfluorid, Ferrifluorid, in einer Menge von etwa 25 bis 75 Atomprozent an- Thoriumfluorid, Uranfluorid, Plutoniumfluorid usw., wesend ist, haben sich in dieser Beziehung als vorteil- Metallhalogensulfonate, wie Lithiumfluorsulfönat, Nahaft erwiesen und stellen daher eine bevorzugte Zu- 35 triumfluorsulfonat, Kaliumfiuorsulfonat, Rubidiumsammensetzung derjenigen Gemische dar, die Schwefel- fluorsulfonat, Cäsiumfluorsulfonat, Calciumftuorsulverbindungen von Metallen enthalten. fonat, Uranylfluorsulfonat, Thoriumfluorsulfonat, die

Die Menge an Uran, Thorium und/oder Plutonium Fluorsulfonate von Plutonium usw., Metallhalogenin der Masse kann im Bereich von etwa 0,01 bis phosphate, wie LitMumfluorphosphat, Natriummono-50 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmasse, 40 fluorphosphat, Natriumhexafluorphosphat, Kaliumvariieren. Natürliches Uran, welches etwa 0,71 Ge- fluorphosphat, Rubidiumfiuorphosphat, Cäsiumfluorwichtsprozent ²³⁵U enthält, kann ebenso verwendet phosphat, Strontiumfluorphosphat, Ferrifiuorphosphat, werden wie an dem Isotop ²³⁵U angereichertes Uran. Thoriumfluorphosphat, Uranfluorphosphat, Uranyl-Das Isotop ²³⁵U kann auch für sich allein verwendet fluorphosphat, Plutoniumfluorphosphat usw.
werden ebenso wie das Isotop ²³³U. Uran, welches 45 Die Spaltstoff gemische gemäß der Erfindung werden weniger als 0,71 Gewichtsprozent ²³⁵U enthält, kann hergestellt, indem man die Komponenten in einem gleichfalls verwendet werden sowie auch Kombi- aus einem geeigneten Werkstoff, wie z. B. Inconel, nationen der verschiedenen Uranisotopen. Da man korrosionsbeständigem Stahl, Borsilieatglas, Quarz vorzugsweise mit einer möglichst hohen Konzentration usw., bestehenden Gefäß erhitzt. Zur Erzielung einer an spaltbaren Stoffen, d. h. Uran, Thorium und/oder 50 praktisch homogenen Lösung wird die Masse während Plutonium, arbeitet, soll das Gesamtgemisch Vorzugs- des Schmelzens und nach dem Schmelzen gerührt weise etwa 0,1 bis 50 Gewichtsprozent an diesen oder anderweitig in Bewegung gehalten. Die Kom-Elementen enthalten. Eine andere bevorzugte Aus- ponenten können in jeder beliebigen Reihenfolge in führungsform der Erfindung sind Gemische, die etwa 1 das Schmelzgefäß eingeführt werden. Zum Beispiel bis 50 Gewichtsprozent an den Elementen Thorium, 55 kann man das Gefäß mit sämtlichen Komponenten Uran und/oder Plutonium enthalten, da der Spalt- beschicken, bevor man mit dem Erhitzen beginnt, stoff um so wirtschaftlicher für die Verwendung in Andernfalls können die Komponenten auch in pulver-Kernreaktoren ist, je konzentrierter er an den letzt- förmigem Zustand gemischt werden, bevor sie zum genannten drei Elementen ist. Besonders bevorzugt Zwecke des Erhitzens in das Gefäß eingegeben werden Stoffgemische, die etwa 10 bis 36 Gewichts- 60 werden. Eine andere Möglichkeit ist die, daß man die prozent an einem oder mehreren der Elemente Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt Thorium, Uran und Plutonium enthalten, da Ge- zuerst in das Gefäß einbringt. Dann wird Wärme zumische mit diesem Konzentrationsbereich die am geführt, um diese Komponente, z. B. Natriummetaleichtesten herstellbaren Gemische zur Verwendung phosphat, zu schmelzen. Das geschmolzene Natriumin mit homogenen Salzschmelzen bei verhältnismäßig 65 metaphosphat wird dann unter fortgesetztem Erhitzen niedrigen Temperaturen bei höchstem Wirkungsgrad des Gefäßes mit den anderen Komponenten, wie Naarbeitenden Reaktoren darstellen. Eines der bevor- triumsulfat und Uranylsulfat, versetzt, bis die ganze zugten Gemische ist z. B. eine uranhaltige Lösung, in Masse geschmolzen ist.

Nicht einschränkend auszulegende Beispiele für besondere Gemische nach der Erfindung, die ein spaltbares Material, verschiedene Schwefel- und Halogenverbindungen sowie Oxyde enthalten, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle I

Nr.	Komponente	Gewichtsteile	Gewichtsprozent U, Th oder Pu	Bemerkungen
1	UO₂SO₄	0,3	0,01
	Na₂SO₄	1410	(235U)
	ZnSO₄	940
2	UO₂S₂O₇	4,4	0,1
	K₂S₂O₄	782	(235U)
	CuSO₄	1564
3	U₃O₈	2,8	1	40 Gewichtsprozent Oxyde von
	LiHSO₄	138	(20% ²³³U)	anderen als den spaltbaren
	Na₂O	60		Metallen, bezogen auf das Ge
	MoO	26		samtgewicht aller Komponenten
	Fe₂O₃	7		außer U₃ O₈.
4	UO₂SO₄	36	10	1 Gewichtsprozent CuO, bezogen
	H₂SO₄	4	(10% 235U)	auf alle Komponenten außer
	SO₃	2		UO₂SO₄.
	Rb₂SO₄	78
	ZrSO₄	116
	CuO	2
5	UO₃	72	25	10 Atomprozent des Schwefels
	SO₃	20	(natürliches U)	liegen in Form von Alkali
	NaSO₃F	3		sulfaten vor.
	Na₂SO₄	15
	MgSO₄	96
	SrSO₄	20
	Sm₂(SO₄),	11
6	UF₄	32,3	25	90 Atomprozent des Schwefels
	ThCl₄	13	8	liegen in Form von Alkali
	Pu(NO₃),	3,6	2	sulfaten vor.
	Li₂SO₄	42
	CaSO₄	3
	PbSO₄	2
	ZnSO₄	3
7	UO,	60	50	75 Atomprozent des Schwefels
	Li₂SO₄	27		liegen in Form von Alkalisulfat
	Zn(SO₄)	13		vor.
8	UO₃	60	50	25 Atomprozent des Schwefels
	LiSO₄	8		liegen in Form von Alkalisulfat
	ZnSO₄	32		vor.
9	Th(SO₄),	0,4	0,01
	Na₂SO₄	1400
	ZnSO₄	930
10	ThSiO₄	3,2	0,1
	K₂S₂O₄	773
	Ag₂SO₄	1544
11	Th(SO₄),	4,2	1	40 Gewichtsprozent Oxyde von
	NaHSO₄	137		anderen als den spaltbaren
	SiO,	60		Metallen, bezogen auf die Ge
	WO,	25		wichtsmenge aller Komponenten
	Ni₂O₃	6		außerTh(SO₄)₂.
12	Th(SO₄)₂	42	10	1 Gewichtsprozent Metalloxyd,
	H, S O₄	4		bezogen auf die Gewichtsmenge
	SO₃	2		aller Komponenten außer
	CsSO₃F	73		Th(SO₄)₂.
	MnSO₄	109
	B₂O₃	2

Tabelle I (Fortsetzung)

Nr.	Komponente	Gewichtsteile	Gewichtsprozent U, Th oder Pu	Bemerkungen
13	ThO₂	66	25	10 Atomprozent des Schwefels
	SO,	40		liegen in Form von Alkali
	K₂S₂O₇	12		sulfaten vor.
	MgSO₄	50
	PbSO₄	50
	CaSO₄	14
14	ThF₄	20	15	90 Atomprozent des Schwefels
	UO₂(NO₃),	35	21	liegen in Form von Alkali
	RbHSO₄	40		sulfaten vor.
	CdSO₄	2
	MnSO₄	2
	CrSO₄	1
15	ThO₂	57	50	25 Atomprozent des Schwefels
	Na₂SO₄	10		liegen in Form von Alkali
	ZnSO₄	30		sulfat vor.
	H₂S₂O₇	3
16	PuO₂SO₄	0,3	0,01
	Na₂SO₄	1460
	' ZnSO₄	970
17	PuO₂S₂O₇	4,4	04
	K₂S₂O₄	782
	CuSO₄	1564
18	Pu₂O₃	2,6	1	40 Gewichtsprozent Oxyde von
	K₂SO₄	142		anderen als den spaltbaren
	CaO	40		Metallen, bezogen auf die Ge
	As₂O₅	40		samtmenge aller Komponenten
	NaF	14		außer Pu₂ O₃.
19	PuO,	29	10	1 Gewichtsprozent Oxyde von
	H₂SO₄	5		anderen als den spaltbaren
	SO₃	3		Metallen, bezogen auf die Ge
	LiS₂O₄	80		wichtsmenge aller Komponenten
	ZnSO₄	120		außer PuO₃.
	Al₂O₃	2,4
20	PuO₂SO₄	92	25	10 Atomprozent Schwefel liegen
	K₂SO	15		in Form von Schwefelverbindun
	Tl₀SO₄	50		gen von Alkalimetallen vor.
	CeSO₄	33
	BaSO₄	50
21	PuO.	135	50	75 Atomprozent des Schwefels
	K₂SO₄	75		liegen in Form von Alkali
	ZnSO₄	25		sulfaten vor.
	H₂SO₄	4
22	Th(COj)₈	20
	U(CrO₄),	25
	Pu(SiO₄),	10
	RbHS₂O₇	45
	CdSO₄	2
	MnSO₄	2
	CrSO₄	1

Bei einem anderen Spaltstoff gemisch gemäß der Erfindung enthält die Masse außer dem spaltbaren Uran, Thorium und/oder Plutonium und den Schwefelverbindungen außerdem noch Phosphorverbindungen, und zwar in Form von Oxyden des Phosphors, Metallphosphiten, Metallphosphaten und/oderMetallhalogen-

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phosphaten. In diesen Gemischen ist der Schwefel in Dinatriumphosphat, Mononatriumphosphat, Natriumeiner Menge von mindestens 1 Atomprozent, be- pyrophosphat, Natriummetaphosphat, Natriumtrizogen auf die Summe der Schwefel- und Phosphor- polyphosphat, Na₅P₃O₁₀, Natriummonofluorphosatome in dem Gesamtgemisch, enthalten. Der Anteil phat, Natriumhexafluorphosphat, Kaliumorthophosvon Schwefel und/oder Halogen in dem Gemisch, be- 5 phat, Dikaliumphosphat, Monokaliumphosphat, Kazogen auf die Gesamtmenge der Schwefel-, Halogen- hummetaphosphat, Kaüumhexafluorphosphat, Rubi- und Phosphoratome, kann dabei im Bereich von diummetaphosphat, Cäsiummetaphosphat, die Phosetwa 1 bis 100 Atomprozent variieren. Mindestens phate der Gruppe IIA des Periodischen Systems, wie etwa 1 Atomprozent an Schwefel oder Halogen ist in Berylliumphosphat, Magnesiumphosphat, sekundäres dem Gemisch erforderlich, um die Viskosität der io Magnesiumphosphat, Magnesiummetaphosphat, CaI-Lösung herabzusetzen und eine SpaltstofEschmelze zu ciumphosphat, sekundäres Calciumphosphat, primäres erhalten, die sowohl als Spaltstoff im kritischen Be- Calciumphosphat, Calciummetaphosphat, Strontiumreich des Reaktorkerns als auch als Kühlmittel durch phosphat, saures Strontiumphosphat, Bariumphosphat, Kreislaufführung der Lösung durch einen äußeren sekundäres Bariumphosphat, Phosphate von Metallen Wärmeaustauscher verwendet werden kann. 15 der Gruppe DIB des Periodischen Systems, wie

Bei einem weiteren Spaltstoffgemisch gemäß der Lanthanphosphat, Phosphate von Metallen der Erfindung beträgt der Anteil des Schwefels, bezogen Gruppe IVB des Periodischen Systems, wie Zirkonauf die Gesamtmenge von Schwefel und Phosphor, phosphat, Phosphate von Metallen der Gruppe VB etwa 1 bis 99 Atomprozent. Ein solches Spaltstoff- des Periodischen Systems, wie Vanadiumphosphat, gemisch besitzt eine geeignete Viskosität für Salz- 20 Phosphate der Gruppe VIB des Periodischen Systems, Schmelzereaktoren. Ein anderes Spaltstoff gemisch nach wie Chromphosphat, Molybdänphosphat, Phosphate der Erfindung weist mindestens 10 Atomprozent des der Gruppe VIIB des Periodischen Systems, wie Schwefels in Form einer schwefelhaltigen Alkali- Manganorthophosphat, sekundäres Manganorthophosmetallverbindung auf, wodurch man in diesem Falle phat, primäres Manganorthophosphat, tertiäres Mannicht nur eine niedrige Viskosität, sondern auch einen 25 gan(III)-orthophosphat, Manganpyrophosphat, Manniedrigeren Schmelzpunkt der Lösung erzielt, was gan(III)-metaphosphat, Phosphate von Metallen der den Wert der Lösung als Spaltstoff für Kernreaktoren Gruppe VIII des Periodischen Systems, wieFerriorthoerhöht. Während vorzugsweise mindestens 10 Atom- phosphat, Ferripyrophosphat Kobaltorthophosphat, prozent des Schwefels in Form von Alkalisulfaten Nickelorthophosphat, Nickelpyrophosphat, Platinvorliegen, wird bei einem anderen Spaltstoffgemisch 30 pyrophosphat, die Phosphate der Metalle der gemäß der Erfindung Schwefel in einer Menge von Gruppe IB des Periodischen Systems, wie Cupriorthoetwa 25 bis 75 Atomprozent, bezogen auf die Menge phosphat, Silberorthophosphat, sekundäres Silberdes Schwefels in dem Gemisch, in Form von Alkali- orthophosphat, Silbermethaphosphat, die Phosphate sulfalen oder Alkalipyrosulfaten verwendet, da in der Metalle der Gruppe IIB des Periodischen Systems, diesem Falle die der Spaltung unterliegenden Stoffe 35 wie Zinkorthophosphat, primäres Zinkorthophosphat, eine höhere Löslichkeit bei niedrigeren Temperaturen Zinkpyrophosphat, Cadmiumorthophosphat, primäres und niedrigeren Viskositäten der Schmelze auf- Cadmiumphosphat, Mercuriorthophosphat, die Phosweisen. phate der Metalle der Gruppe IHA des Periodischen

Wie bereits erwähnt, kann der Anteil der spaltbaren Systems, wie Aluminiumorthophosphat, Thallium-Stoffe im Bereich von etwa 0,01 bis 50 Gewichts- 40 orthophosphat, primäres Thalliumorthophosphat, die prozent, bezogen auf die Gesamtmenge der Masse, Phosphate der Metalle der Gruppe IVA des Perivariieren. Gemische, die etwa 0,1 bis 50 Gewichts- odischen Systems, wie Stannoorthophosphat, sekunprozent an dem spaltbaren Stoff enthalten, werden däres Stannoorthophosphat, primäres Stannoorthojedoch bevorzugt, weil man mit ihnen leichter zu der phosphat, Stannopyrophosphat, Stannometaphosphat, kritischen Masse in dem Reaktorkern gelangt. Im 45 Bleiorthophosphat, Bleidiorthophosphat, Bleimonointeresse einer noch besseren Leistungsfähigkeit orthophosphat, Bleimetaphosphat, die Phosphate der werden Spaltstoffgemische bevorzugt, die etwa 1 bis Metalle der Gruppe VA des Periodischen Systems, 50 Gewichtsprozent an spaltbaren Stoffen enthalten. wie Wismutorthophosphate, die Phosphate der seltenen Da es jedoch wünschenswert ist, daß die Konzen- Erdmetalle, wie Ceroorthophosphat, Cerometaphostration an spaltbaren Stoffen in dem Reaktorspalt- 50 phat, Samariumphosphat, Gadoliniumphosphat usw. stoffgemisch so hoch wie möglich ist, um einen hohen Um eine möglichst niedrige Viskosität der Spalteffektiven Abbrand des Spaltstoffes und eine größere stoffschmelze zu erreichen, sollen mindestens 60 Atom-Wirtschaftlichkeit bei der Krafterzeugung zu erzielen, prozent des Phosphors, soweit er nicht in Form von sind Konzentrationen an dem spaltbaren Material Verbindungen mit spaltbaren Elementen vorliegt, in von etwa 10 bis 36% außergewöhnlich günstig. Des- 55 Form von Phosphorverbindungen der Alkalimetalle halb werden Gemische, in denen das Uran, Thorium oder von Oxyden des Phosphors, wie P₂O₅, vorliegen, und/oder Plutonium in dem letztgenannten Konzen- Dies ist eine bevorzugte Spaltstoffmischung nach der trationsbereich vorliegt, im Rahmen der Erfindung Erfindung. Insbesondere sollen mindestens 60 Atombevorzugt, prozent des Phosphors, soweit er nicht in Form von

Der in den Spaltstoffgemischen nach der Erfindung 60 Verbindungen mit den spaltbaren Elementen vorliegt, verwendete Phosphor liegt in Form von Oxyden des in Form von Alkahmetaphosphat oder P₂O₅ vorPhosphors und/oder Metallphosphaten vor. Ein nicht handen sein, weil dadurch eine stärkere Herabsetzung einschränkend auszulegendes Beispiel für Oxyde des der Viskosität der Salzschmelze erreicht wird.
Phosphors ist P₂O₅. Nicht einschränkend auszu- Nicht einschränkend auszulegende Beispiele für

legende Beispiele für Metallphosphate sind Phosphate 65 verschiedene Spaltstoffzusammensetzungen gemäß der von Metallen der Gruppe I des Periodischen Systems, Erfindung, die sowohl Phosphor- als auch Schwefelwie Lithiumorthophosphat, Monohthiumphosphat, und/oder Halogenatome enthalten, sind in Tabelle II Mononatriumhypophosphat, Natriumorthophosphat, zusammengestellt.

Tabelle II

Nr.	Komponenten	Gewichtsteile	Gewichts prozent	Atom prozent S, bezogen	Atom prozent P, bezogen	Bemerkungen
			U, Th oder Pu	auf S + P	auf S + P
1	UO,	0,03	0,01			60 Atomprozent des Phosphors liegen
	NaPO,	140			99	in Form von Alkalimetaphos
	Ca(PÖ₃)₂	92				phat vor.
	Na₂SO₄	3		1
2	UF₄	0,3	0,1
	NaPO,	1,7		1
	Na₂SO₄	233			99
3	U₃O₈	2,8	1			Die Oxyde anderer Metalle als des
	KPO,	119			95	Urans machen 40 Gewichtspro
	Cs₂SO₄	20		5		zent, bezogen auf die Gesamt
	Na₂O	45				menge abzüglich des U₃ O₈, aus.
	MoO	45
	Fe₂O₃	3
4	UO₂SO₄	36	10			1 Gewichtsprozent Metalloxyd, be
	RbPO,	188			85	zogen auf das Gesamtgewicht der
	NaHSO₄	12		15		Masse abzüglich des UO₂SO₄.
	ZnO	2
5	UO₃	72	25			10 Afomprozent des Schwefels liegen
	NaPO,	112				in Form von Alkalisulfaten vor.
	CrPO₄	18			90
	SO,	4,4				90 Atomprozent des Phosphors liegen
	NaHSO₄	0,3				in Form von Alkalimetaphos
	Na₂SO₄	3,5				phat vor.
	MgSO₄	21,7
	SrSO₄	4,4
	Sm₂(SO₄),	2,5		10
6	UF₄	32,3	25			90 Atomprozent des Schwefels liegen
	ThCl₄	13	8			in Form von Alkalisulfat vor.
	Pu(NO₃),	3,6	2
		19,7			50
	Li₂SO₄	27,3
	ZnSO₄	5,1		50
7	UO₂	58	50
	K₃PO₄	y 18			92
	H₂S₂O₇	15		8
8	UO₃	41	34
	P Or	13			74
	Na₂S₂O₇	7		26
	Na₂O	13
9	ThO₂	0,3	0,01			60 Atomprozent des Phosphors liegen
	P₂O₅	1192				in Form von Oxyden des Phos
	Ca(PO₃),	1113			99	phors vor.
	ZnSO₄	45		1
10	ThF₄	0,3	0,1
	NaPO,	1,7			1
	Na₂SO₄	233		99
11	ThO₂	2,6	1			Die Metall- und Nichtmetalloxyde
	KPO₃	126			96	außer Thoriumoxyd machen
	Rb₂SO₄	13		4		40 Gewichtsprozent der Gesamt
	SiO₂	45				masse abzüglich des ThO₂ aus.
	WO₃	45
	Ni₂O,	9

Tabellen (Fortsetzung)

Nr.	Komponenten	Gewichtsteile	Gewichts prozent U, Th oder Pu	Atom prozent S, bezogen auf S + P	Atom prozent P, bezogen auf S + P	Bemerkungen
12	ThO(SO₄₁) CsPO₃ RbHSO, FeCl₃	36 188 12 2	10	3	97	1 GewichtsprozentMetallchlorid, be zogen auf die Gesamtgewichts menge der Masse abzüglich des ThO(SO₄).
13	ThO₂ KPO₃ K₃PO, SO₃ Na₂SO, MgSO, SrSO, Sm₂(SO,)₃	66 61 67 5 4 22 4 3	25	26,5	73,5	60 Atomprozent des Alkaliphosphats liegen in Form von Alkalimeta phosphaten vor.
14	ThF, UO₂(NO₃), PuBr₃ P₂O₅' AlPO, Pb (PO,)₂ Cd₃(PO₄), LiSO₄ CdSO, MnSO, CrSO,	32 14 7 11 2 1 1 29 2 1 2	24 8,5 3,5	63	37	86 Atomprozent des Phosphors liegen inForm von P₂O₅ vor. 93 Atom prozent des Schwefels liegen in Form von Alkalisulfaten vor.
15	ThO₂ P₂O₅ H₂S₂O₇	57 30 13	50	25
16	ThO, P₂O₅ Na₂S₂O₇ SiO₂	41 23 12,4 23,6	36	26	74	40 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmasse abzüglich des ThO₂, bestehen aus dem Nicht- metafioxyd SiO₂.
17	Pu₂O₃ P₂O₅ Ca(PO₃), ZnSO,	0,3 1192 1113 45	0,01	1	99	oOAtomprozent des Phosphors liegen in Form von Oxyden des Phos phors vor.
18	PuBr, NaPO₃ Na₂SO,	0,3 2 237	0,1	99	1
19	PuO₂ KPO₃ Cs₀SO, CaO Sb₂O₅ K₂O	3 126 18 45 45 6	1	5	95,-	40 Gewichtsprozent, bezogen auf die GesamtmasseabzüglichdesPuO,, bestehen aus Oxyden anderer Metalle als PuO₂.
20	PuO₂SO, RbPO₃ CsHSÖ, CdO	36 188 12 2	10	12	88	Etwa 1 Gewichtsprozent Metall oxyde, bezogen auf die Gesamt gewichtsmenge der Masse ab züglich des PuO₂SO,.
21	Pu₃O₈ Na₂HPO, Fe,(P₂O₇)₃ SO₃ Na₂SO, MgSO₄ SrSO, Gd₂(SO₄),	70 125 5 5 4 22 4 3	25		75	16 Atomprozent des Schwefels liegen in Form von Schwefelverbindun gen von Alkalimetall vor.

Tabelle!! (Fortsetzung) 18

Nr.	Komponenten	Gewichtsteile	Gewichts prozent	Atom prozent S, bezogen	Atom prozent P, bezogen	Bemerkungen
			U, Th oder Pu	auf S + P	auf S + P
22	ThF₄	32	24			60 Atomprozent des Phosphors liegen
	Na₂UO₄	14	10			in Form von Alkalimetaphos
	Na₂Pu₂O.	3	2,3			phat vor.
	NaPO₃	7,6
	Ca(PO₃)₂	3,5				Etwa 90 Atomprozent des Schwefels
	Cu₃(PO₄),	3			28	liegen in Form von Schwefel
	Li₂SO₄	32				verbindungen von Alkalimetall
	CdSO₄	2				vor.
	Cr₂(SO₄)₃	3		72
23	Pu₂O₃	57	52
	P₂O₅ ³	30			75
	H₂S₂O₇	13		25
24	Pu₂(COj)₈	40	29			33 Gewichtsprozent, bezogen auf
	P₂O₅	33			90	die Gesamtmasse abzüglich des
	K₂S₂O₇	7		10		Pu₂(COg)₃, liegen in Form des
	SiO₂	20				Nichtmetalloxyds SiO₂ vor.

Wie aus den vorhergehenden Beispielen ersichtlich ist, können die Spaltstoffgemische nach der Erfindung 25 ein oder mehrere Metall- oder Nichtmetalloxyde in einer Menge enthalten, die etwa 40 Gewichtsprozent der Summe von Schwefel, Phosphor und Metalloxydverbindungen mit Ausnahme der Verbindungen von Uran, Thorium und/oder Plutonium äquivalent ist. 30

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Spaltstoffe verwendeten Verbindungen sind vorzugsweise wasserfrei. Man kann jedoch zur Herstellung der Schmelzen auch hydratisierte Bestandteile verwenden, da diese nur für eine ausreichende Zeitdauer auf eine 35 ausreichende Temperatur erhitzt zu werden brauchen, um das Hydratwasser auszutreiben und die wasserfreie Verbindung zu hinterlassen.

Weitere, nicht einschränkend auszulegende Beispiele von Spaltstoffgemischen nach der Erfindung 40 sind in Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Nr. Zusammensetzung

Ver-

festigungs-

temperatur,

⁰C

Stoffgemische mit UO₂SO₄ und UO₂S₂O₇

Zusammensetzung

Ver-

festigungstemperatur, 45

⁰C

UO₅

UOg

UO,

UO₅

UO,

Stoffgemische mit UO₃ + 2 P₂ O₅+ 2 H₂ S₂ O₇
+ 2P₂O₅ + 2NaHSO₄
+ 3 NaPO₃+ 2H₂S₂O₇ + 4NaPO₃+ 2H₂S₂O₇ + 2 P₂O₅ + 3 NaPO₃
+ 2K₂S₂O₇
+ P₂O₅+ 3 NaPO₃
+ 2K₂S₂O₇
+ 1,5 P₂O₅+ 2 NaPO₃
+ K₂S₂O₇

+ 4 P₂O₅+ 6 NaPO₃

+ 6Na₂SO₄

+ 2P₂O₅+ 3 NaPO₃

+ 2Na₂S₂O₇

(18 Gewichtsprozent U)

UO₃+ V₆ Na₂SO₄
UO,+ P₉O,+ 3NaPO,

₂O₅

250 250 200 200

225

200

275 300

225

55

60

13

14 15 16 17

18 19

20 21

22 23 24

25 26 27 28 UO₂SO₄+ 3 NaPO₃

(35,4 Gewichtsprozent U) UO₂SO₄+ H₂SO₄+2NaPO₃ UO₂SO₄+ 7 NaHSO₄ UO₂S₂O₇+ 3,5Na₂SO₄ UO₂SO₄

12NaPOo

18 UO₂SO₄ + 75 NaPO₃

+ 4Na₂S₂O₇ + 75 NaP + 7Na₂SO₄

UO₂SO₄+ 3 NaPO₃ + Na₂S₂O₇ 27 UO₂SO₄ + 73 NaPO₃

UO₂SO₄+ 12NaPO₃ + 4Na₂S₂O₇

4,16UO₂SO₄ + 12NaPO₃ + 4Na₂S₂O₇ UO₂SO₄ +HZnSO₄ + 9Na₂SO₄ 10 UO₂SO₄+ 7 NaPO₃

+ 3 Na₄P₂O₇+ 14Na₂SO₄ UO₂SO₄+ 3 NaPO₃ 9 UO₂SO₄+ 91 Na₂S₂O₇ 3 UO₂SO₄ + 97K₂S₂O₇ 14 U O₂ S O₄ + 37,5 Na₂ S₂ O₇ + 62,5 NaP O„

350

350 310 535

Stoff gemische mit UO₂

	65	29
600		30
535		31
550	32

UO₂
UO₂

UO₂
UO₉

2P₂O₅ H	350
2P₂O₅H	350

2P₀O₅H	550
2P₂O₅H	550
	109 678/180
-2K₂S₂O₇
h3NaPO„
l· 2K₂S₂O₇
h 4,5 NaPO₀
-3NaPO₃ '

Tabelle III (Fortsetzung)

Zusammensetzung

Verfestigungstemperatur,

⁰C

Stoffgemische mit UF₄

UF₄ + 2 P₂ O₅ + 3 NaP O₃ 250

' +2K₂S₂O₇

UF₄ + 3 P₂ O₅ + 4 NaP O₃ 250

' +3K₂S₂O₇

Stoffgemische mit Thoriumverbindungen

Th (N O₃)₄ + 3 H₂ S₂ O₇ 300

+ 2Na₂S₂O₇+ 3 NaPO
Th(SO₄),+ 5Na₂SO₄ 390

+ 7,5Na₂S₂O₇

Th (S O₄)₂ + 3,3 Na₂ S O₄ 450

+ 5Na₂S₂O₇

Th (S O₄)₂ + 3,5 Na₂ S O₄ 585

Th(SO₄)₂ + HZnSO₄
+ Na₂SO₄

Th O₂+ 3 NaP O₃+ 5 Na₂ S₂ O₇ 300
(14 Gewichtsprozent Th)'

Die Spaltstoffgemische gemäß der Erfindung werden in Reaktorkernen und Reaktoren der gleichen Art verwendet, wie sie als Salzschmelzereaktoren und als Reaktoren mit Spaltmaterial aus verflüssigtem Metall bekannt sind, wobei keine Abänderungen, mit Ausnahme einer möglichen Änderung der Kernabmessungen, erforderlich sind, um die notwendige kritische Masse unterzubringen. (Diese Reaktoren sind in dem Buch »Fluid Fuel Reactors« von Lane, MacPherson und Maslan, Teil II und Teil III, S. 567ff., 1958, sowie in den darin angegebenen Literaturstellen beschrieben.) So wird z. B. das Gemisch Nr. 4 in Tabelle I als Spaltstoff für den Flugzeugversuchsreaktor verwendet, der in »Nuclear Science and Engineering«, 1957, Bd. 2, S. 804 bis 853, beschrieben ist. Wenn dieser Spaltstoff in dem Flugzeugversuchsreaktor verwendet wird, so wird der kritische Zustand leicht erreicht und die überschüssige Reaktivität durch Regelstangen gesteuert. Man erzielt einen guten Betrieb im Verlaufe von langen Zeiträumen.

Die folgenden, nicht einschränkend auszulegenden Beispiele erläutern Reaktorkernbeschickungen für Salzschmelzereaktoren, wie sie in dem obenerwähnten Buch »Fluid Fuel Reactors«, S. 681 bis 696, beschrieben sind. Allgemein arbeitet der Reaktor mit dem im geschmolzenen Zustande befindlichen Spaltstoff im Reaktorkern, und wenn man den Spaltstoff umlaufen läßt, findet im Kern des Reaktors ein Temperaturanstieg der Spaltstoffschmelze um etwa 55 bis 330⁰C statt; es sind jedoch auch geringere und größere Temperaturanstiege zulässig. Als Uran wird in den folgenden Beispielen ²³³U verwendet. Wenn andere Isotope des Urans anwesend sind, ist die kritische Masse als ²³³U-Gehalt angegeben. Bei dem Zweibereichssystem enthält der Reaktorkern ein uranhaltiges Gemisch, und um dasselbe herum ist ein 61 cm dicker Mantel aus dem angegebenen thoriumhaltigen Gemisch angeordnet. Der Reaktorkern besteht aus Inconel. Weitere Einzelheiten sind aus den folgenden Beispielen zu entnehmen, in denen die Zusammensetzungen in Gewichtsteilen angegeben sind.

Beispiel 1

Ein Zweibereichsreaktor mit einem Kerndurchmesser von 97,5 cm wird mit einer Kernzusammensetzung von 4,2 Gewichtsteilen U O₂ S₂ O₇,75,5 Teilen RbHSO₄, 14,4 Teilen CaS O₄ und 5,9 Teilen Tl₂SO₄ betrieben. Die Uranmenge in diesem Gemisch, welche in Form von ²³³U vorliegt, beträgt 2,2 Gewichtsprozent. Von dem Schwefel liegen 75 Atomprozent in Form eines Alkalisulf ates, und zwar im vorliegenden Falle von Rubidiumbisulfat, vor. Zur Erzielung der kritischen Masse an ²³³U wird eine Stoffmenge von 31 kg verwendet. Der den Reaktorkern umgebende Mantel von 61 cm Dicke besteht aus 11,5 Teilen Th O₂,3,5 Teilen SO₃, 9 Teilen Na₄P₂O₇,

75,1 Teilen Na₂S₂O₇ und 0,9 Teilen Na₂O. Die Stoffmenge im Mantel reicht aus, um 1445 kg Thorium zu ergeben. Das Gemisch enthält 10,1 Gewichtsprozent Thorium und enthält 90 Atomprozent des Schwefels, bezogen auf die Gesamtmenge von

ao Schwefel und Phosphor, sowie 1 Gewichtsprozent des Metalloxydes Na₂O, bezogen auf die Gewichtsmenge der Komponenten abzüglich des Thoriumoxyds. Der Reaktor arbeitet zufriedenstellend bei Temperaturen im Bereich vom Schmelzpunkt des Gemisches bis etwa 900° C.

Beispiel 2

Ein Zweibereichsreaktor mit einem Reaktorkern von 91,4 cm Durchmesser wird mit dem im Beispiel 1 beschriebenen Lösungsgemisch für den Reaktorkern in einer solchen Menge betrieben, daß die kritische ²³³U-Masse 25 kg beträgt. Die den Kern umgebende Mantelzone ist mit einem Gemisch gefüllt, welches im wesentlichen aus 54 Gewichtsteilen ThOSO₄, 59 Tei-

len KPO₃, 69 Teilen K₃PO₄, 5 Teilen SO₃, 4 Teilen

- Na₂SO₄, 16 Teilen NaHSO₄, 4 Teilen SrSO₄ und 3 Teilen Sm₂(SO₄)₃ besteht. Die Menge der Mantellösung entspricht 2238 kg Thorium. Die Menge des Thoriums beträgt 17 Gewichtsprozent der Gesamtmenge des Gemisches, und das Atomverhältnis von Phosphor zu Schwefel beträgt 2:1, entsprechend 66 Atomprozent Phosphor, bezogen auf die Gesamtmenge von Phosphor und Schwefel. Von dem Schwefel in dem Gemisch liegen 39 Atomprozent in Form von Alkalisulfaten vor. Der Reaktor arbeitet zufriedenstellend bei Temperaturen oberhalb der Schmelzpunkte der Gemische.

Beispiel 3

Ein Zweibereichsreaktor mit einem Kerndurchmesser von 51,8 cm wird mit einer Reaktorkernlösung von 36 Gewichtsteilen UO₂SO₄, 57 Teilen NaPO₃, 20 Teilen Na₂O, 10 Teilen MoO und 8 Teilen Fe₂O₃ betrieben. Die Menge der Reaktorkernlösung reicht aus, um eine kritische ²³³U-Masse von 37 kg zu ergeben. Die Konzentration des Urans beträgt 17,7 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge der Lösung, und die Menge des Schwefels beträgt etwa 15,2 Atomprozent der Gesamtanzahl von Schwefel- und Phosphoratomen. Die Menge an Metalloxyden beträgt etwa 40 Gewichtsprozent der Summe aus Metalloxyden und Natriummetaphosphat. Die Mantellösung ist die gleiche wie im Beispiel 1 und entspricht einer Menge von 761 kg Thorium.

Beispiel 4

Ein Zweibereichsreaktor mit einem Kern von 54,9 cm Durchmesser wird mit einer Reaktorkern-

lösung von 36 Gewichtsteilen UO₂SO₄, 64 Teilen NaPO₃ und 31 Teilen P₂O₅ betrieben. Die Menge an Uran beträgt 17,7 Gewichtsprozent des Gesamtgemisches. Die Menge an Schwefel, bezogen auf die Summe an Phosphor- und Schwefelatomen, beträgt 9,1 Atomprozent. Die Menge der Kernlösung reicht aus, um eine kritische ²³³U-Masse von 44 kg zu ergeben. Die Mantelzone ist mit einer Lösung gefüllt,

zent und die Menge des Thoriums 7,2 Gewichtsprozent der Gesamtmasse. 90 Atomprozent des Schwefels in der Lösung liegen in Form von Alkalisulfat vor.

die aus 34 Gewichtsteilen ThOSO,, 64 Teilen

Beispiel 7

Ein Einbereichsreaktor wird mit einem Kern von 57,9 cm Durchmesser betrieben, der mit einer Spaltstofflösung aus 10,8 Gewichtsteilen UO₂, 6,6 Teilen Na₂PO₃ und 38 Teilen P₂O₅ besteht. Die Menge des io ThSO₄, 5,8 Teilen Na₂S₂O₇ und 76,8 Teilen CuSO₄ Thoriums beträgt 17 Gewichtsprozent der Gesamt- gefüllt ist. Die Menge der Lösung reicht aus, um eine

kritische ²³³U-Masse von 27 kg und einen Thoriumgehalt von 14 kg zu ergeben. Die Konzentration an ²³³U beträgt 9,5 Gewichtsprozent und diejenige an Thorium 4,7 Gewichtsprozent des Gesamtgemisches. 10 Atomprozent des gesamten Schwefels in dem Ge

menge der Mantellösung. Die Menge des Schwefels, bezogen auf die Summe aus Schwefel- und Phosphoratomen, beträgt 8,1 Atomprozent. Die Menge der Mantellösung entspricht 1378 kg Thorium.

Der Reaktor dieses Beispiels arbeitet ebenfalls zufriedenstellend mit dem Spaltstofigemisch Nr. 13 gemäß Tabelle III.

Beispiel 5

Ein Zweibereichsreaktor wird mit einem Kern von 48,8 cm Durchmesser betrieben. Der Kern enthält

misch liegen in Form von Alkalisulfaten vor.

Beispiel 8

Ein Einbereichsreaktor wird mit einem Kern von 64 cm Durchmesser betrieben, der eine Lösung enthält, die im wesentlichen aus 10,4 Gewichtsteilen

eine Lösung aus 56 Gewichtsteilen UO₃, 31 Teilen UO₃, 10,2 Teilen ThO₂, 32,2 Teilen NaPO₃, NaPO₃, 28 Teilen P₂O₅ und 44 Teilen Na₂S₂O₇. 40,8 Teilen Zn₃(P O₄)₂, 0,65 Teilen Li₂SO₄ und Die Urankonzentration beträgt 29,2 Gewichtsprozent 25 5,75 Teilen CaS₂O₇ besteht. Die Menge der Lösung der Gesamtmenge der Lösung, die ausreicht, um eine reicht aus, um eine kritische ²³³U-Masse von 36 kg kritische ²³³U-Masse von 50 kg zu ergeben. Die und einen Thoriumgehalt von 36 kg zu ergeben. Die Menge des Schwefels in dem Gemisch, bezogen auf Konzentration an ²³³U beträgt 9 Gewichtsprozent und die Summe aus Schwefel- und Phosphoratomen, be- diejenige an Thorium ebenfalls 9 Gewichtsprozent trägt etwa 36,4 Atomprozent. Die Mantellösung hat 3° des Gesamtgemisches. Die Schwefelmenge in der einen Thoriumgehalt von 10,1 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge der Thoriumlösung, und
besteht im wesentlichen aus 13,5 Gewichtsteilen
ThO.,, 30,6 Teilen NaPO₃, 28,4 Teilen P₂O₅ und

44,4 Teilen Na₃S₂O₇. Die Menge der Thoriumlösung 35 dem in der Lösung enthaltenen Phosphor liegen etwa entspricht 729 kg Thorium. Die Menge an Schwefel 60 Atomprozent in Form von Alkaliphosphaten vor. in der Lösung beträgt, bezogen auf die Summe aus
Schwefel- und Phosphoratomen, etwa 36,4 Atomprozent.

Der Reaktor dieses Beispiels kann ebenso mit dem Gemisch Nr. 7 gemäß Tabelle I als Reaktorkernlösung und dem Gemisch Nr. 15 gemäß Tabelle I als Mantellösung betrieben werden.

In gleicher Weise kann ein Zweibereichsreaktor

Spaltstofflösung entspricht 10 Atomprozent der Summe aus Schwefel- und Phosphoratomen. Von dem in der Lösung vorhandenen Schwefel liegen 10 Atomprozent in Form von Akalisulfaten vor. Von

Beispiel 9

Der Reaktor gemäß Beispiel 8 wird mit einer Kernlösung aus 10,4 Gewichtsteilen UO₃, 10,2 Teilen ThO₂, 78,2 Teilen KPO₃ und 1,2 Teilen Rb₂S₂O₇

betrieben. Die kritische Masse an ²³³U beträgt 36 kg und der Thoriumgehalt ebenfalls 36 kg. Der Schwefel-

mit einem eine kritische Masse von ²³³U in Form der 45 gehalt beträgt 1 Atomprozent, bezogen auf die Summe Lösung Nr. 2 gemäß Tabelle I enthaltenden Kern an Schwefel- und Phosphoratomen.

als

Beispiel 10

Ein Einbereichsreaktor mit einem Kern von 48,8 cm Durchmesser wird mit einer Lösung aus 26,4 Ge-

und mit dem Gemisch Nr. 10 gemäß Tabelle I Mantellösung betrieben werden. Ferner kann ein Zweibereichsreaktor auch mit einem eine kritische Masse von ²³³U in Form der Lösung Nr. 1 gemäß Tabelle I enthaltenden Kern und dem Gemisch Nr. 9 gemäß Tabelle I als Mantellösung betrieben werden. Die folgenden Beispiele erläutern einen Einbereichs-Salzschmelzereaktor, wobei der Reaktor im wesent-

wichtsteilen

UO₂SO₄,

4,8 Teilen ThO₂, 0,3 Teilen

LiPO₃, 59,6 Teilen K₂SO₄ und 8,9 Teilen BaSO₄

betrieben. Die Menge der Lösung reicht aus, um eine kritische ²³³U-Masse von 29 kg und einen Thoriumlichen der gleiche ist wie im Falle des Zweibereichs- 55 gehalt von 7 kg zu ergeben. Die Konzentration an reaktors mit dem Unterschied, daß der Reaktorkern ²³³U beträgt 17 Gewichtsprozent und diejenige an

Thorium 4,2 Gewichtsprozent des gesamten Gemisches. Der Schwefelgehalt der Lösung beträgt 99 Atomprozent der Summe aus Schwefel- und Phos-60 phoratomen. Von dem in der Lösung befindlichen Schwefel liegen 90 Atomprozent in Form von Alkali-Ein Einbereichsreaktor mit einem Kerndurchmesser sulfat vor.

von 158,5 cm wird mit einer Reaktorkernlösung aus Wie im Beispiel 10 wird ein Einbereichsreaktor mit

1,2 GewichtsteilenUO₂, 8,2TeilenThO₂, 80,6 Teilen der Lösung Nr. 22 gemäß Tabellen betrieben. Na₂SO₄ und 10 Teilen ZnSO₄ betrieben. Die Menge 65 Ebenso wird ein Einbereichsreaktor mit dem Gemisch der Lösung reicht aus, um eine kritische ²³³U-Masse Nr. 12 gemäß Tabelle I betrieben, welches außerdem von 63 kg und einen Thoriumgehalt von 431 kg zu 1 Gewichtsprozent Natriumfluorsulfonat und 1 Geergeben. Die Menge, des ²³³U beträgt 1 Gewichtspro- wichtsprozent Natriummonofluorphosphat enthält.

keinen Mantel hat. Das bedeutet, der ganze Spaltstoff befindet sich in einem einzigen Bereich.

Beispiel 6 Beispiel 11

Ein Reaktor von der Art der mit verflüssigtem Metall als Spaltstoff betriebenen Reaktoren (LMFR), wie er in dem obengenannten Buch »Fluid Fuel Reactors«, S. 887, beschrieben ist, wird mit einem Reaktorkern betrieben, der 0,1 Gewichtsprozent ²³³U in Form von UO₂SO₄ zusammen mit Na₂SO₄ und ZnSO₄ im Molverhältnis 3:2 enthält. Der Mantel enthält ein Gemisch von 10 Gewichtsprozent Thorium in Form von ThO₂ zusammen mit NaPO₃ und Na₂S₂O₇ im Molverhältnis 3:5. Die Masse an ²³³U in dein System beträgt etwa 330 kg und diejenige des Thoriums etwa 28 000 kg. Der Reaktor arbeitet zufriedenstellend bei einer Reaktorkerntemperarur von etwa 500° C.

Die Spaltstoffgemische nach der Erfindung stellen einen wertvollen Spaltstoff für homogene Reaktoren dar, wodurch die kostspielige Herstellung von Spaltstoffelementen vermieden und ein höherer effektiver Spaltstoffabbrand sowie die Entfernung eines Teiles der Spaltstoffproduktgifte während des Betriebes des Reaktors ermöglicht wird, wie es in dem Buch »Fluid Fuel Reactors« beschrieben ist. Die Reaktoren arbeiten bei niedrigen Drücken und günstigen Temperaturen. So ist z.B. aus TabelleIII ersichtlich, daß die Spaltstoffgemische noch bei einer Temperatur von 225°C im geschmolzenen Zustand bleiben. Die Spaltstoffgemische bleiben bei Temperaturen oberhalb 400° C ohne weiteres flüssig. Die Lösungen sind äußerst widerstandsfähig gegen Schädigung durch Bestrahlung und sind nicht sonderlich korrosiv gegenüber Behältern aus Inconel und Stahl. Legierungen, wie Zircalloy 2, Hastelloy und Zirkoncarbid, werden von diesen Gemischen nicht merklich angegriffen.

Wenn man den Spaltstoff zwecks Abführung von Wärme umlaufen läßt, erhält man mit einem Reaktorkern von 122 bis 152 cm Durchmesser einen Einbereichsreaktor mit einer Leistung von 500Megawatt.

Der Zweibereichsreaktor mit stationärer Schmelze wird mit einer Schmelze, die 10 Gewichtsprozent oder mehr Uran in einem Reaktorkern von 61 cm Durchmesser enthält, als schneller Reaktor mit einer Leistung von 100 bis 200 Megawatt betrieben. Wenn der Reaktor als epithermer Reaktor von hoher Leistung in der Größenordnung von 500 Megawatt oder mehr betrieben wird, beträgt die Urankonzentration des Spaltstoffes etwa 2 Gewichtsprozent oder weniger, und der Spaltstoff läuft durch den Reaktorkern um, welcher einen Durchmesser von etwa 152 cm hat.

Unter »spaltbaren Stoffen« werden hier Uran, Thorium oder Plutonium verstanden. Der Ausdruck schließt natürliches Uran ein. Es wird also kein Unterschied zwischen den verschiedenen Isotopen des Urans, Thoriums oder Plutoniums gemacht. Unter Uran wird natürliches Uran verstanden, falls nichts anderes angegeben ist. Zu den hier beschriebenen Phosphatverbindungen gehören auch Polyphosphate, wie Na₄P₀O₇. Die Salze sauerstoffhaltiger Anionen umfassen " z. B. UO₂SO₄, Na₂UO₄, Na₂U₂O₇, Na₂Pu₂O₇ usw. Der Ausdruck »Metalloxyde« schließt in der vorliegendenBeschreibung auchNichtmetalloxyde, wie SiO₂ usw., ein.

Die obigen Beispiele für besondere Spaltstoffzusammensetzungen in Salzschmelzereaktoren und in Reaktoren von der Art der mit verflüssigten Metallen als Spaltstoff betriebenen Reaktoren dienen nur der Erläuterung der Erfindung, sind jedoch nicht einschränkend auszulegen. Reaktoren können mit sämtlichen in den Tabellen I, II und III und an sonstigen Stellen der Beschreibung offenbarten Spaltstoffen betrieben werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Spaltstoff für Kernreaktoren, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 1. mindestens einem der Elemente Uran, Thorium und Plutonium in Form der Oxyde, Halogenide und/oder Salze von sauerstoffhaltigen Anionen in einer Menge von etwa 0,01 bis 50 Gewichtsprozent der Gesamtmasse und 2. mindestens einem Bestandteil der Gruppen: a) Schwefel in Form von Oxyden des Schwefels, Metallsulfaten, Metallsuhlten, Metallhalogensulfonaten und/oder Säuren des Schwefels, b) Halogen in Form von Metallhalogeniden, Metallhalogensulfonaten und/oder Metallhalogenphosphaten, c) Phosphor in Form von Oxyden des Phosphors, Metallphosphaten, Metallphosphiten und/ oder Metallhalogenphosphaten und d) mindestens einem Oxyd eines Nichtmetalls und/oder eines anderen Metalls als der unter 1. genannten Metalle, wobei die Menge an Halogen und/oder Schwefel mindestens 1 Atomprozent der Summe an Schwefel-, Halogen- und Phosphoratomen in der Gesamtmasse ausmacht und die Menge der Bestandteile 2, a), 2, b) und 2, c) mindestens 60 Gewichtsprozent vom Gesamtgewicht aller Bestandteile der Masse beträgt, die frei von Uran, Thorium und Plutonium sind.

2. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 10 bis 90 Atomprozent des Schwefels in Form alkalimetallhaltiger Schwefelverbindungen vorliegen.

3. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Komponente 1 etwa 0,1 bis 50 Gewichtsprozent der Gesamtmasse beträgt und etwa 25 bis 75% des Schwefels in Form von alkalimetallhaltigen Schwefelverbindungen vorliegen.

4. Spaltstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Komponente 1 etwa 10 bis 36 Gewichtsprozent beträgt.

5. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran als Uranylsulfat vorliegt.

6. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unter 1. genannten Elemente in Form von Schwefel und Sauerstoff enthaltenden Anionen vorliegen.

7. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Schwefel etwa 1 bis 99 Atomprozent der Summe an Schwefel- und Phosphoratomen in der Gesamtmasse beträgt.

8. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 60 Atomprozent des Phosphors in Form von Oxyden des Phosphors, Alkaliphosphaten, Alkaliphosphiten und/oder Alkalihalogenphosphaten vorliegen.

9. Spaltstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 60 Atomprozent des Phosphors in Form von Oxyden des Phosphors und/oder Alkalimetaphosphaten vorliegen.