DE1138169B

DE1138169B - Atomkernleistungsreaktor mit unterkritischem Kern und aeusserer Neutronenquelle

Info

Publication number: DE1138169B
Application number: DED31690A
Authority: DE
Inventors: Lyle B Borst
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1958-10-28
Filing date: 1959-10-16
Publication date: 1962-10-18
Also published as: GB919637A; BE584044A; US3197375A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

D31690Vfflc/21g

ANMELDETAG: 16. OKTOBER 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 18. OKTOBER 1962

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernleistungsreaktor, bestehend aus einem aus spaltbarem Stoff aufgebauten, für sich allein unterkritischen Reaktorkern und einer außerhalb des Kerns angeordneten, für sich allein ebenfalls unterkritischen Neutronenbeschickungseinrichtung, welche Neutronen in den Reaktorkern mindestens in einer derartigen Menge schickt, daß der Reaktor den kritischen Zustand einnimmt und darin verbleibt.

Es sind bereits unterkritische Reaktoren bekanntgeworden, welche durch eine Neutronenquelle kritisch gemacht werden. Hierbei handelt es sich um ein Ra-Be-Präparat oder ähnliche Anordnungen. Auch ist bekannt, daß die Neutronenquelle aus einem zweiten überkritischen Reaktor besteht. Auch Neutronenquellen mit Neutronenvervielfacherstufen sind an sich bekannt. Eine konstruktive Kombination von Neutronenvervielfacherstufen mit Atomkernleistungsreaktoren ist nicht bekanntgeworden, sondern es wurde nur allgemein geäußert, eineNeutronenvervielfacherstufe an einer beliebigen Stelle eines Reaktors anzuordnen. Würde dies geschehen, so würden sich notwendigerweise im Reaktor lokale, hohe Neutronenkonzentrationen ergeben, insbesondere Konzentrationen, die höher sind, als zum zufriedenstellenden Ablauf einer Kettenreaktion im Reaktorkern erforderlich sind. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Neutronenbeschickungseinrichtung derart anzuordnen, daß lokale Überkonzentrationen von Neutronen im Reaktorkern vermieden werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Neutronenbeschickungseinrichtung um den Reaktorkern herum angeordnet ist.

Die Konstruktion gemäß der Erfindung gestattet nicht nur lokale Überkonzentrationen von Neutronen im Reaktorkern zu vermeiden, sondern gestattet auch, den Reaktor auf hohem Leistungsniveau zu betreiben, also den Reaktor wirtschaftlicher auszunutzen. Dies ist, wenn die Gefahr hoher lokaler Neutronenüberkonzentrationen besteht, nicht möglich.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist eine Ausführungsform des Reaktors gemäß der Erfindung beschrieben.

Der Reaktor weist einen Kern 22 auf, welcher von einem Mantel 20 umgeben ist. Als Neutronenquelle des Reaktors wird ein Neutronenvervielfacher verwendet. Ein solcher Neutronenvervielfacher wird auch Convergatron genannt. Im vorliegenden Zusammenhang genügt es zu sagen, daß der Neutronenvervielfacher 10 eine steuerbare Neutronenquelle Atomkernleis tungsreaktor

mit unterkritischem Kern und

äußerer Neutronenquelle

Anmelder:

The Dow Chemical, Company,
Midland, Mich. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 5/7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Oktober 1958 (Nr. 770 144)

LyIe B. Borst, Ossining, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

11 umfaßt, welche in einer ersten von mehreren in Serie geschalteten Vervielfacherstufen liegt. Jede Stufe Nl bis N4 setzt sich aus drei Zonen zusammen:

1. Einer Eingangs- oder Moderatorzone 13,

2. einer Zwischen- oder Brennstoffzone 14,

3. einer Ausgangs- oder Abschirmzone für thermische Neutronen 15.

Die Eingangszone 13 ist aus an sich bekannten Stoffen hergestellt, z. B. aus Graphit, Wasser oder Beryllium, und bewirkt, daß schnelle (überthermische) Neutronen verlangsamt werden, d. h. auf thermisches Energieniveau gebracht werden. Die Zwischenzone 14 besteht aus spaltbarem Stoff, welcher auf Neutronen mit thermischem Energieniveau anspricht. Die Konzentration und die geometrische Anordnung des Brennstoffes in dieser Zwischenzone 14 sind so gewählt, daß durch Spaltung Neutronen in unterkritischem Ausmaß entstehen. Die Ausgangszone 15 besteht aus einem Stoff, welcher für thermische Neutronen im wesentlichen undurchlässig und für überthermische Neutronen im wesentlichen durchlässig ist. Diese Ausgangszone hat die Wirkung, daß jede Stufe von der auf sie folgenden Stufe hinsichtlich des thermischen Neutronenflusses entkoppelt ist

209 677/254

3 4

und daß ein gerüsteter Strom von überthermischen flüssiges Kühlmittel, etwa Natrium oder Wasser, Neutronen von der Ausgangszone in die Eingangs- geleitet wird. Das flüssige Kühlwasser dringt durch zone der nächsten Stufe stattfindet. Die Zonen in einen Zufluß 41 in den Wärmeaustauscher ein und den einzelnen Stufen sind in Serie geschaltet. Durch verläßt ihn durch einen Abfluß 42. Durch Kühl-Verwendung von rostfreien Stahl- oder Aluminium- 5 rohre 44 innerhalb des Reaktorherzes strömt ebenblechen wird verhindert, daß die StofiFe in einer Zone falls flüssiges Natrium. Die Strömung wird herbeidurch Stoffe der benachbarten Zone verunreinigt geführt durch eine Pumpe 43 und führt über eine werden. In dem in der Zeichnung dargestellten Zuflußleitung 45 in eine Kammer 46 im unteren Neutronenvervielfacher sind vier Stufen M, N2, N3, Bereich des Kerns 22. Die Kammer 46 steht in N4 dargestellt. io Verbindung mit den nach unten offenen Enden der Der aus dem Neutronenvervielfacher 10 aus- den Kern durchsetzenden Kühlrohre 44. Natrium tretende Neutronenfluß wird in einen Zylinder 20 wird durch diese Kühlrohre 44 nach einer Kammer eingespeist, der auch dynamische Wand genannt 47 im oberen Teil des Kerns gedrückt. Diese Kammer wird. Die dynamische Wand besteht aus einer 47 schließt an die offenen Enden der den Kern durchVielzahl von konzentrischen zylindrischen Schichten, 15 setzenden Kühlrohre 44 an. Durch eine Ausflußweiche zusätzliche Vervielfacherstufen bilden. Jede leitung 48 gelangt das flüssige Natrium zurück zu Stufe umfaßt eine äußere Eingangs- oder Moderator- dem Wärmeaustauscher 40. Die oberhalb und unterzonel3, eine Zwischen- oder Brennstoffzone 14 halb des eigentlichen Reaktorkerns 22 gelegenen, und eine innere als Abschirmung für thermische Kühlmittel-Na enthaltenden Kammern 46,47 dienen Neutronen wirkende Zone 15. Die einzelnen Stufen 20 als Reflektor. Der Kern 22 ist also von diesen der dynamischen Wand sind in der Zeichnung mit Reflektoren 46, 47 und von dem Reflektor 50 voll- N5, N6, N7 und NS bezeichnet und sind derart ständig eingeschlossen. Der gesamte Reaktor ist angeordnet, daß der Neutronenausfluß der Stufe N5 nach außen abgeschirmt, um den Austritt von in die Eingangszone 13 der Stufe iV6 gelangt usw. Strahlung zu verhindern. Die Abschirmung besteht Die Größenverhältnisse Stoffe und Konzentration 25 etwa aus Betonwänden, wie sie in dem USA.-Patent in jeder Stufe sind so ausgewählt, daß ein Neutronen- 2 726 339 beschrieben sind.

fluß entsteht, der nach dem Innenraum 21 der Im folgenden wird nun die Betriebsweise eines dynamischen Wand 20 hin gerichtet ist. Der Innen- Reaktors gemäß der Erfindung diskutiert. Dabei raum 21 nimmt einen Kern 22 aus spaltbarem wird die Bezeichnung Kinf für den Multiplikations-Brennstoff auf. Dieser Kern arbeitet als Endstufe N9. 30 faktor der Stoffe verwendet. Dieser Multiplikations-Der spaltbare Brennstoff in dem Kern 22 befindet faktor K^f entspricht der Annahme eines Systems sich in unterkritischer Anordnung, d. h., die Kon- ohne Neutronenleckverluste oder eines Systems zentration reicht nicht aus, um eine sich selbst mit unendlich großen Abmessungen. Mit K_eff erhaltende Kettenreaktion zu erzeugen, ganz gleich, dagegen wird der effektive Multiplikationsfaktor wie groß der Kern nun ist. Die Spaltung innerhalb 35 des Systems bezeichnet. Keff ergibt sich also aus des Kernes 22 wird gemäß der Erfindung durch die Kinf durch eine die Leckverluste berücksichtigende ständige Anregung aufrechterhalten, welche der Korrektur.

Brennstoff der Stufe N9 durch Neutronen aus der Um einen überkritischen Reaktor mit einer sich

dynamischen Wand und außerdem durch die an selbst erhaltenden Kettenreaktion scheinbar zu

einem Reflektor 50 zwischen der Stufe NS und dem 40 erzeugen und gleichzeitig in den Cenuß des Vorteiles

Kern 22 reflektierten Neutronen erleidet. eines unterkritischen Reaktors zu kommen, bei dem

Der Reflektor 50 ist eine zylindrische Schicht die für überkritische Reaktoren notwendigen Sicher-

innerhalb der Abschirmschicht 15 der Stufe NS heitsmaßnahmen nicht erforderlich sind, werden

und umgibt den Kern 22. Der Reflektor 50 hat die Neutronen in solcher Menge eingeführt, daß die

Aufgabe, aus dem Kern 22 kommende Neutronen 45 durch Leckverluste verlorengegangenen Neutronen

nach dem Kern zurückzureflektieren. Die Wand- ersetzt werden.

stärke des Reflektors 50 entspricht demjenigen An- Der Kern 22 des Reaktors ist so konstruiert, und teil der Neutronen, der notwendig reflektiert werden seine Bestandteile sind so gewählt, daß der Multimuß. Der reflektierte Neutronenfluß stellt eine plikationsfaktor Kinf = 1. Seine Größe ist so geErgänzung des aus der dynamischen Wand ein- 50 wählt, daß Keff = 0,95. Ein Reaktor, bei dem diese dringenden Neutronenflusses dar. Die gewünschte Voraussetzungen erfüllt sind, läßt sich durch AbReflexion ist deshalb bestimmt durch den gesamten änderung bekannter kritischer Reaktoren erzielen, zur Erregung und Aufrechterhaltung der Reaktivität Im allgemeinen besteht die ► Abänderung in einer des Herzes erforderlichen Neutronenfluß, bei dem Verringerung des Anteiles an spaltbarem Brennstoff, der theoretische Multiplikationsfaktor 1 wird, d. h., 55 so daß das System unterkritisch wird. Es ist dann der reflektierte Neutronenfluß, vermehrt um den erforderlich, dem Kern von einer äußeren Quelle von der dynamischen Wand her eintretenden Neu- her Neutronen zuzuführen, um die Spaltung in dem tronenfluß, muß gleich dem Leckverlustfluß sein. Kern aufrechtzuerhalten. Es ist bekannt, daß die Theoretisch kann für den Reflektor 50 jeder der in einem Kern gegebener Zusammensetzung erzeugte bekannten Moderatorstoffe verwendet werden, also 60 Leistung proportional der Größe des Kernes ist leichtes Wasser, schweres Wasser, Beryllium. Bevor- und daß die Leckverluste an Neutronen umgekehrt zugt wird jedoch Graphit auf Grund seiner hohen proportional der Kernoberfläche sind. Die Leistung Temperaturbeständigkeit. und die Leckverluste können auf Grund bekannter Innerhalb des Reaktorkernes 22 sind Wärmeaus- Konstruktionsdaten geschätzt und experimentell tauschrohre vorgesehen, welche die in Form von 65 genau bestimmt werden.

Wärme frei werdende Energie abführen. Zum Die Erfindung läßt sich bei bekannten Reaktoren

Beispiel kann ein Kühlkreislauf mit einem Wärme- anwenden. Man kann bei Reaktoren folgende all-

austauscher 40 vorgesehen sein, durch welchen ein gemeine Unterscheidung treffen:

1. Schnelle Reaktoren,

2. moderierte Reaktoren.

Im folgenden ist für jeden Reaktortyp ein Beispiel angegeben. Die Konstruktionsdaten sind dabei durch Abänderung der Konstruktionsdaten bekannter kritischer Reaktoren gewonnen.

In den Geneva Papers, Vol. 5, page 254, Table IV, column PBR, ist eine Gitteranordnung eines schnellen Brutreaktors beschrieben. Die Konstruktion stammt von der Power Reactor Development Co., genannt PRDC, und ist für einen Reaktor in der Nähe von Detroit, Michigan, bestimmt. Der Brennstoff dieses Reaktors besteht aus 10% (Atomgewicht) spaltbarem Plutonium (Pu²³⁹) und 90% nicht spaltbarem Uran (U²³⁸). Der Gitteraufbau entspricht einer kritischen Masse und liefert eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Der Multiplikationsfaktor Ki_n/ ist 1,3, und der Multiplikationsfaktor Keff ist 1,0. Diese Reaktorkonstruktion wird nun so abgewandelt, daß der Anteil des spaltbaren Plutoniums (Pu²³⁹) nur mehr 6% ausmacht und der Anteil des nicht spaltbaren Urans (U²³⁸) 94<>/₀. Der Multiplikationsfaktor Kinf ist dann 1,0, und der Multiplikationsfaktor Kef, ist kleiner als 1.

Wenn man eine Nennleistung von 1000 MW annimmt und von einem Kern 22 mit zylindrischer Form ausgeht, so erhält man nach bekannten Berechnungsarten einen Radius von 1 m und eine Höhe von 2 m. Die erforderliche Masse des Kühlmittels-Na ist halb so groß, wie sie bei der ursprünglichen Reaktorkonstruktion der PRDC erforderlich war. Die folgende Tabelle gibt die Anteile der verschiedenen, in dem Kern 22 verwendeten Stoffe volumenmäßig an.

Stoff	p_u239	Volumenmäßiger Anteil
U²³⁸	0,026 0,427 0,187 0,360 1,000
Fe, Cr, Ni usw. (Konstruktionsteile) Na (Kühlmittel) Insgesamt

45

Die Nutzleistung bestimmt das erforderliche Volumen des Kerns 22. Aus diesem Volumen kann unter Verwendung der obenstehenden Tabelle die Masse eines jeden der Bestandteile errechnet werden.

Der Neutronenfluß von der äußeren Neutronenquelle, d. h. der dynamischen Wand 20, der erforderlich ist, um in dem unterkritischen Reaktorkern die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten und eine Leistung von 1000 MW zu erzeugen, wird folgendermaßen bestimmt:

Aus Veröffentlichungen ist es bekannt, daß 3 · 1019 Kernspaltungen pro Sekunde 1000 MW Nutzleistung liefern. Nimmt man 2,5 Neutronen pro Spaltung an, so erzeugen diese Spaltungen 7,5 · 10¹⁹ Neutronen in der Sekunde. 5% dieser Neutronen entweichen schätzungsweise aus dem Reaktorkern. Um das Leistungsniveau in dem Reaktorkern aufrechtzuerhalten, müssen diese Neutronen ersetzt werden, d. h., es müssen 5% von 1,5 ■ 1019 Neutronen pro Sekunde, das sind 3,7 ·

Neutronen pro Sekunde, aus der dynamischen Wand 20 in den Reaktorkern eingeführt werden.

Auch wenn aus irgendeinem Grunde das Natrium-Kühlmittel in dem Reaktorkern verschwinden sollte, wird die Brennstoffmasse in dem Kern des Reaktors gemäß der Erfindung nicht kritisch. Der Grund dafür ist, daß das als Kühlmittel in den Kühlrohren 44 verwendete Natrium einen kleinen einfachen Einfangquerschnitt für schnelle Neutronen hat und Kinf daher nicht wesentlich verändert wird.

Ein ernstes Problem in der Reaktortechnik sind die Folgen einer Brennstoffzusammenschmelzung. Wenn bei dem Reaktor gemäß der Erfindung der Brennstoff in konzentriertester Form zusammenschmilzt, nämlich die Form einer Kugel und damit die für kritisches Verhalten optimale Geometrie annimmt, wird Keff schätzungsweise 0,98 nicht übersteigen. Selbst wenn die Temperatur auf hohem Wert bleibt, wird Plutonium, welches leichter flüchtig ist als Uran, aus der Masse herausverdampfen. Dadurch wird der Wert von K_eff weiter vermindert. Das System muß also derart aufgebaut werden, daß das Plutonium sich nicht in überkritischer Anordnung sammeln kann.

Der Reaktor gemäß der Erfindung hat einen Sicherheitsbereich zwischen dem Betriebszustand entsprechend K_eff = 0,95 und 1,0035, dem prompt kritischen Grenzwert für Plutonium. Dieser Sicherheitsbereich von der Größe 0,0535 ist 15mal größer als der Sicherheitsbereich der herkömmlichen, im kritischen Zustand mit einem Multiplikationsfaktor Keff von 1,0 arbeitenden Reaktoren. Wegen dieses verhältnismäßig großen Sicherheitsbereiches kann der schnelle Brutreaktor gemäß der Erfindung über verhältnismäßig lange Perioden und daher wirtschaftlich betrieben werden, bis das durch den Brutvorgang aus Uran (U²³⁸) entstehende Plutonium (Pu²³⁹) eine Anreicherung des Multiplikationsfaktors Keff an den Wert 1,0 bzw. an den prompt kritischen Grenzwert 1,0035 herbeiführt. Außerdem läßt es die Reaktorkonstruktion gemäß der Erfindung zu, daß der Wert von Kinf zwischen 0,99 und 1,01 liegt, ohne daß merkbare Stabilitätsänderungen eintreten.

Es wird ein inneres Brutumwandlungsverhältnis von Uran (U²³⁸) zu Plutonium (Pu²³⁹) von der Größe 1,6 erwartet. Leckneutronen, welche in der neutronenabschirmenden Schicht 15 der Stufe ./V 8 eingefangen werden, bewirken eine Vergrößerung des Brutumwandlungsverhältnisses auf 1,7. Thorium wird deshalb Cadmium als Baustoff für die neutronenabschirmende Schicht 15 der Stufe N 8 vorgezogen, da Thorium als Brutstoff wirkt, welcher die aus dem Reaktorkern kommenden Neutronen absorbiert.

Eine weitere Anwendung hat die Erfindung bei einem mit Wasser moderiertem und natürlichem Uran betriebenen Reaktor. Frühere Untersuchungen von Reaktoren, die mit natürlichem Uran und leichtem Wasser betrieben wurden, haben gezeigt, daß der optimale Wert für den Multiplikationsfaktor Kinf ungefähr = 1,0. Ein kritischer Reaktor, bei dem sich die Kettenreaktion selbst erhalten muß, würde natürlich bei einem Multiplikationsfaktor Κ·_ηί von 1,0 nicht funktionieren, da infolge der Neutronenleckverluste der Multiplikationsfaktor K_eff_ kleiner würde als 1,0, d. h., der Reaktor würde in einen Ruhezustand konvergieren. Bekannte Reaktoren dieser Bauart erfordern eine Anreicherung mit U²³⁵, um im kritischen Betriebszustand arbeiten zu können.

7 8

Auf Grund der vorliegenden Erfindung ist es je- Betrieb gesetzt wird, so liefert die dynamische Wand

doch möglich, natürliches Uran in Wasser zum Neutronen in die Endstufe JV 9, so daß ein wesent-

Betrieb eines Leistungsreaktors zu verwenden. Bei licher Teil des vergiftenden Xe¹³⁵ in ungiftiges Xe¹³⁶

den in Frage- kommenden Reaktortypen ist der umgewandelt wird. Während das giftige Xenon in

Brennstoff natürliches Uran (0,71% U²³⁵ und 99,29% 5 seine ungiftige Form übergeführt wird, steigt der

U²³⁸). Dieses Uran ist in Form von Blöcken oder Multiplikationsfaktor Keff von seinem unteren Wert

Stangen angeordnet. Die Stangen aus natürlichem von 0,80 nach und nach auf den Wert 0,95 an.

Uran sind in Form eines Gitters angeordnet, welches Die Verstärkung steigt dann wieder auf den dem

in leichtes Wasser eingehängt ist. Eine Berechnung Normalbetrieb entsprechenden Wert 20 an.

mit Hilfe bekannter Rechenmethoden führt zu einer io Die Betriebsweise dieses mit Wasser moderierten

zylindrischen Form des Reaktorkerns 22 mit einem Uranreaktors ist ähnlich der des vorher beschriebe-

Radius von 77 cm und einer Höhe von 150 cm. nen schnellen Brutreaktors. Der Reaktorkern arbeitet

Die Masse der Stangen ist 140 000 kg und die des mit einem Multiplikationsfaktor Kt_n/ von 1,0. Der

leichten Wassers 10 000 kg. Als Kühlmittel ver- Neutronenleckverlust wird durch einen aus der

wendet man hier zweckmäßiger Wasser als Natrium. 15 dynamischen Wand 20 kommenden Neutronenstrom

Es können auch noch weitere Änderungen gegenüber kompensiert. Der Reaktor arbeitet deshalb genauso,

dem zuvor beschriebenen schnellen Brutreaktor ver- als ob er unendliche Abmessungen hätte,

wendet werden, z. B. kann in dem Reflektor 50 Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung

Wasser an Stelle von Graphit verwendet werden. kann bei jedem Reaktor eine sich selbst erhaltende

Die neutronenabsorbierende Schicht 15 kann aus 20 Kettenreaktion im unterkritischen Betrieb auch durch

Thorium oder verbrauchtem Uran bestehen (natür- Verwendung einer Brennstoffrückkopplung von einer

lichem Uran, dessen U²³⁵-Gehalt verbraucht ist). Vervielfacherstufe höheren Neutronenflusses nach

Der Multiplikationsfaktor K_eff bei einem Kern dieser einer Vervielfacherstufe geringeren Neutronenflusses

Bauart ist 0,95. Der Multiplikationsfaktor Kinf ist herbeigeführt werden. Das Prinzip der Rückkopplung

1,0. Da Kin/ bereits ein Höchstwert ist, bewirken 25 beruht auf der Eigenschaft bestimmter spaltbarer

alle Änderungen in der Zusammensetzung des Stoffe, welche verzögerte Neutronen aussendende

Reaktorherzes höchstens eine Verringerung des Spaltprodukte enthalten und in beweglicher Form

Multiplikationsfaktors Kinf unter 1,0, so daß eine vorliegen.

überkritische Anordnung oder eine überkritische In der Figur ist schematisch eine Leitung 31 einKonzentration nicht erreicht werden kann. Wegen 3° gezeichnet. Diese Leitung 31 verbindet die Brennder starken Spaltung, welche schnelle Neutronen in Stoffzone 14 der Stufe JV 7 mit der Brennstoffzone 14 Uran (U²³⁵) hervorrufen, wird damit gerechnet, daß der Stufe JV 5. Eine Pumpe 30 in der Leitung fördert bei Anwendung der Erfindung auf die hier beschrie- flüssigen Brennstoff von der Stufe JV 7 nach der bene Reaktorform ein Umwandlungsbrutverhältnis Stufe JV 5. Eine weitere Pumpe in einer nicht einvon Plutonium (Pu²³⁹) in Uran (U²³⁵) von mehr 35 gezeichneten Leitung, vorzugsweise am oberen Ende als 1 erreicht wird. Berechnungen haben ergeben, der dynamischen Wand 20, fördert Brennstoff von daß das Umwandlungsbrutverhältnis ungefähr 1,2 der Stufe JV 5 weg, so daß ein Umlauf stattfindet, ist und somit größer als bei kritischen Reaktoren Der Brennstoff, welcher verzögerte Neutronen dieser Bauart. aussende Bestandteile enthält, wird also von der Das Brüten des Brennstoffes in dieser bei Reaktoren 40 Stufe JV 7 nach der Stufe JV 5 geleitet. Der Umlauf gemäß der Erfindung möglichen Weise erhöht die ist mit der Verzögerungszeit, innerhalb welcher bei Lebensdauer des Brennstoffes, so daß die Häufigkeit dem jeweils verwendeten Brennstoff die verzögerten der Beschickung verringert wird. Es tritt ein sehr Neutronen frei werden, synchronisiert. Die vergroßer Neutronenfluß auf, welcher eine Anhäufung zögerten Neutronen werden deshalb ausgesandt, vergiftender Spaltprodukte bewirkt. Diese vergiften- 45 während der sie tragende Brennstoff sich im Bereiche den Spaltprodukte fangen Neutronen ein und üben der Brennstoffzone der Stufe JV 5 befindet. Dadurch eine erhebliche Wirkung auf die Reaktorbetriebsweise werden die von den vorgeschalteten Stufen JV1 bis aus. Betrachtet man die Wirkung dieser vergiftenden JV 4 herkommenden Neutronen vermehrt. Wenn die Spaltprodukte bei einem Reaktor gemäß der Er- Brennstoffzirkulation richtig gewählt wird, so kann findung mit einem ursprünglichen Multiplikations- 50 auf die Neutronenquelle 11 des Systems verzichtet faktor Ki„f von 1,0 und einem Multiplikationsfaktor werden. In einem derartigen Umlauf kann in konti- Keff von 0,95, so stellt man fest, daß im Laufe des nuierlichem Betrieb eine sich selbst erhaltende Betriebes der Wert von Kinf auf 0,97 und von K_eff Kettenreaktion stattfinden. Auch auf die Vervielauf 0,92 abnimmt, und zwar infolge von Xenon- facherstufen JVl bis JV 4 kann verzichtet werden. Vergiftung. Die eigentliche Neutronenverstärkung in 55 Das vorstehend beschriebene Absorptions- und der Endstufe JV 9 wird von 20 auf 12 gedrückt. Kühlsystem schafft einen Neutronenfluß, welcher im Diese Abnahme der Verstärkung kann dadurch Zentralbereich des Reaktors größer ist als im oberen kompensiert werden, daß die dem System zugeführten und im unteren Teil. Die Neutronenflußverteilung Neutronen um einen Faktor 2 vermehrt werden. kann durch richtige Ausbildung des Reflektors 50 Dies wiederum läßt sich dadurch erreichen, daß man 60 annähernd eben gemacht werden. Da das Kühldie Neutronenausbeute der Neutronenquelle 11, mittel in den Reaktorkern 22 mit geringerer Tempewelche Neutronen in die Stufe JVl des Verviel- ratur eintritt, als es beim Verlassen des Reaktors fachers einschießt, vergrößert. besitzt, ist eine höhere Wärmeerzeugung in dem Wenn der Reaktor stillsteht, nimmt die Xenon- Brennstoff an der Eingangsseite des Reaktors möglich, konzentration zu infolge des Zerfalles von Jod¹³⁵ 65 Von dieser Tatsache macht man gemäß einer weiteren in Xe¹³⁵. Dadurch wird der Multiplikationsfaktor Ausbildung der Erfindung zweckmäßig dadurch Keff beeinflußt und etwa auf 0,80 herabgesetzt. Gebrauch, daß man eine auf verzögerten Neutronen Wenn der Reaktor zu einem späteren Zeitpunkt in beruhende Rückkopplung der oben beschriebenen

Art verwendet. Wenn man verzögerte Neutronen in den flüssigen Brennstoff dort einführt, wo das Kühlmittel eintritt, so erreicht man, daß der Neutronenfluß an dieser Stelle am größten ist. Man nennt diesen Vorgang in der Reaktortechnik »roof topping«. Die vorstehende Beschreibung war insbesondere auf Brutvorgänge bei Plutonium abgestellt. Die

Erfindung läßt sich aber auch bei Verwendung von Thorium und U²³³ anwenden.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Konstruktions- und Betriebsmerkmale zweier Formen unterkritischer Reaktoren nach der Erfindung den entsprechenden überkritischen Reaktoren gegenübergestellt.

Km}

Keff

Brennstoffeinsatz im Reaktorherz, kg Brennstoffkosten, Millionen Dollar ..

Gewicht def äußeren Wand, kg

Kosten der dynamischen Wand,

Millionen Dollar

Erzeugte Leistung, MW

Brutumwandlungsverhältnis

1,3 1,0 500 10 46,000

1,5 300 1,2 1,3

1,0

450

50,000

1,5
300
1,8*

1,0
0,95
1400
30
100

1000
1,6*

0,99 0,94 140,000 5,6 100

1000 1,2

Die Spalte 1 betrifft eine PRDC-Konstruktion eines überkritischen schnellen Brutreaktors, in dem zunächst Uran als spaltbarer Stoff verwendet wird (37<V₀ U255 und 63<>/₀ U238).

Spalte 2 bezieht sich auf eine PRDC-Konstruktion eines überkritischen schnellen Brutreaktors, in dem zunächst Plutonium als spaltbarer Stoff verwendet wird (10<V₀ P_U239 und 900/₀ U²³S).

Spalte 3 bezieht sich auf eine Konstruktion gemäß der Erfindung eines unterkritischen schnellen Brutreaktors, in dem Plutonium zunächst als spaltbarer Stoff verwendet wird (6% Plutonium Pu²³^ und 940/₀ u²³»).

Spalte 4 schließlich bezieht sich auf eine Konstruktion gemäß der Erfindung eines mit natürlichem Uran als spaltbaren Stoff und mit leichtem Wasser moderierten Reaktors, in welchem Plutonium aus 0,7% U²³⁵ gebildet wird und in dem der spaltbare Stoff zunächst aus 0,7<V₀ U²³⁵ und 99,30/₀ U²³» besteht.

Kurz gefaßt, läßt sich über die vier Reaktoren folgendes sagen: Die Multiplikationsfaktoren Kt_n/ und Keff sind oben angegeben. Der in Kilogramm angegebene Brennstoffeinsatz entspricht dem Gewicht an Brennstoff, das in den einzelnen Reaktoren benötigt wird. Die Brennstoffkosten, die in Millionen Dollar angegeben sind, basieren auf dem heutigen Brennstoffpreis. Das in Kilogramm angegebene Gewicht der äußeren Wand entspricht im Falle der kritischen Reaktoren nach Spalten 1 und 2 dem Gewicht der neutronenabsorbierenden Schirmwand und im Falle der unterkritischen Reaktoren der Spalten 3 und 4 dem Gewicht des Brennstoffes in den Stufen Nl bis NS. Die von den einzelnen Reaktoren in Form von Wärme erzeugte Leistung ist in MW angegeben. Ebenfalls angegeben ist das Brutumwandlungsverhältnis der einzelnen Reaktoren. Dabei sind die mit Sternchen versehenen Werte nur geschätzt. Wie man aus der Tabelle entnehmen kann, ist der wirtschaftlichste Reaktortyp der in Spalte 4 beschriebene, in welchem der Erfindungsvorschlag verwirklicht ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Atomkernleistungsreaktor, bestehend aus einem aus spaltbarem Stoff aufgebauten, für sich allein unterkritischen Reaktorkern und einer außerhalb des Kerns angeordneten, für sich allein ebenfalls unterkritischen Neutronenbeschickungseinrichtung, welche Neutronen in den Reaktorkern mindestens in einer derartigen Menge schickt, daß der Reaktor den kritischen Zustand einnimmt und darin verbleibt, dadurch gekenn zeichnet, daß die Neutronenbeschickungseinrichtung um den Reaktorkern herum angeordnet ist.

2. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronenbeschickungseinrichtung die Form eines den Reaktorkern umschließenden Mantels hat.

3. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von einem Reflektor aus moderierendem Stoff, z. B. Graphit oder Wasser, umgeben ist, welcher Neutronen von der äußeren Neutronenbeschickungseinrichtung nach dem Kern durchläßt.

4. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Multiplikationsfaktor (Keff) des Kerns 0,90 bis 0,98 beträgt.

5. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Multiplikationsfaktor (Aj_n/) des Kerns gleich 1,0 ist.

6. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Neutronenbeschickungseinrichtung mindestens drei Neutronenvervielfacherstufen umfaßt.

7. Leistungskernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlaufleitung zwischen verschiedenen Neutronenvervielfacherstufen vorhanden ist, durch welche ein Teil des spaltbaren Stoffes in Umlauf versetzt wird, daß der spaltbare Stoff Bestandteile enthält, welche Neutronen mit merklicher Zeitverzögerung nach

209 677/254

erfolgter Anregung durch Neutronen aussenden, und daß der Umlauf entsprechend der Verzögerungszeit derart eingestellt ist, daß nach erfolgter Anregung dieser Bestandteile in der einen Stufe die verzögerten Neutronen in der anderen Stufe ausgesandt werden.

8. Leistungskernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronenvervielfacher mindestens vier Stufen umfaßt, deren erste dem geringsten Neutronenfluß ausgesetzt ist, und daß die Umlaufleitung zwischen der ersten und der dritten Stufe vorgesehen ist.

9. Leistungskernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß von verzögerten Neutronen nach der ersten Stufe groß genug ist, um eine unterkritische Spaltung in der Brennstoffzone dieser Stufe bei fehlender äußerer Neutronenquelle aufrechtzuerhalten.

10. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus spaltbarem Plutonium (Pu²³⁹) und nichtspaltbarem Uran (U²³⁸) besteht, wobei das Gewichtsverhältnis von Plutonium zu Uran 0,06 beträgt.

11. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, da-

durch gekennzeichnet, daß der Kern von einem Gitter aus Stangen natürlichen Urans gebildet ist, welche in leichtes Wasser eingetaucht sind.

12. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern Kühlrohre für den Durchfluß eines Kühlmittels, z. B. flüssigen Natriums, aufweist, daß diese Kühlrohre an einen Kühhnittelumlauf angeschlossen sind und daß in diesem Kühhnittelumlauf ein Wärmeaustauscher liegt.

13. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor aus moderierendem Stoff, z. B. Graphit, Beryllium oder Wasser, den Kern umgibt, und daß eine neutronenabschirmende Wand, z. B. aus Thorium oder verbrauchtem Uran, den Reflektor umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1028 249;

Nuclear Science Abstracts, 11, Nr. 19, Abstract Nr. 10 961, 1957; 11, Nr. 17, Abstract Nr. 9831, 1957; Nr. 9, Abstract Nr. 6193, 1958;

Nature, 180, S. 1096, 1957;

Nucleonics, 15, Nr. 6, S. 116/117, 1957.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen