DE1275698B - Kernreaktor, insbesondere Versuchsreaktor, mit schnellen Neutronen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche KL: 21 g - 21/20

Nummer: 1275 698

Aktenzeichen: P 12 75 698.8-33 (K 47225)

Anmeldetag: 13. Juli 1962

Auslegetag: 22. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, insbesondere einen Versuchsreaktor, mit schnellen Neutronen, mit ringförmiger thermischer Mantelspaltzone, Wassermoderator und von der Mantelspaltzone umfaßter schneller Spaltzone, wobei zwisehen der thermischen und der schnellen Spaltzone sowohl ein Reflektor als auch eine für thermische Neutronen im wesentlichen undurchlässige, dagegen für schnelle Neutronen durchlässige (semipermeable) Schicht geschaltet ist.

Derartige Kernreaktoren sind unter dem Namen »Argonaut« als sogenannte thermische Ringreaktoren bekanntgeworden. Sie bestehen aus einem äußeren Graphitreflektor und einer inneren, ebenfalls aus Graphit bestehenden Zone, die gleichfalls als Reflektor wirkt. Zwischen beiden ist ringförmig die Reaktorspaltzone mit einem Leichtwassermoderator sowie Brennstoffelementen aus U₃O₈ und Aluminium angeordnet.

Vor allem für Forschungs-, Meß- und Versuchszwecke besteht die Aufgabe, schnelle Neutronen zu erzeugen, um an ihnen Erfahrungen über das Verhalten von Kernreaktoren mit schnellen Neutronen (schnelle Reaktoren) zu sammeln. Das Betriebsverhalten schneller Reaktoren, insbesondere deren schwierige Abschalteigenschaften, schränkt ihren Einsatz weitgehend ein bzw. erfordert einen erheblichen Aufwand, um jederzeit die notwendige Sicherheit aufrechterhalten zu können.

Aus der USA.-Patentschrift 2 992 982 ist ein Kernreaktor mit schnellen Neutronen und thermischer Mantelspaltzone bekannt, bei dem auch der innere Reflektor mantelförmig ausgebildet ist und eine in ihm angeordnete Spaltzone umfaßt. Aus der USA.-Patentschrift 2 852456 ist ferner ein Reaktor mit thermischer Mantelspaltzone bekannt, an die unmittelbar eine innere schnelle Spaltzone angeschlossen ist, die durch einen Reflektor in einen Bereich hoher Leistung (zentrale Zone) und einen Bereich wesentlich geringerer Leistung (Brutzone) unterteilt ist.

Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß zwischen der thermischen und der schnellen Spaltzone keine Einrichtung zum Steuern des Zusammenwirkens beider Spaltzonen vorgesehen ist.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1828184 ist auch ein Mehrzonenreaktor mit schnellen Neutronen, ringförmiger thermischer Mantelzone, Moderator und von der Mantelzone umfaßter schneller Spaltzone bekannt, wobei zwischen der thermischen und der schnellen Spaltzone ein Reflektor und eine für thermische Neutronen im wesentlichen undurch-Kernreaktor, insbesondere Versuchsreaktor,
mit schnellen Neutronen

Anmelder:

Gesellschaft für Kernforschung m. b. H.,

7500 Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt:

Dr. Karl-Heinz Beckurts, 7500 Karlsruhe;

Dr. Wolf Häfele, 7500 Karlsruhe-Rüppur;

Dr. Karl Ott, 7500 Karlsruhe;

Dr. Hermann Meister, 7500 Karlsruhe-Durlach

lässige, für schnelle Neutronen jedoch durchlässige Schicht geschaltet ist.

Hier wird jedoch das schnelle Teilsystem von einem Absorbermaterial wie Cadmium umschlossen, wodurch erhebliche Verluste in der Neutronenbilanz eintreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mehrzonenreaktor zu schaffen, der die Nachteile der bekannten, gekoppelten Reaktorsysteme vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reflektor in an sich bekannter Weise aus Graphit und die semipermeable Schicht, die gleichzeitig Brutschicht zur Erzeugung spaltbaren Materials ist, aus Natururan besteht. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, diese Schicht aus ab- oder angereichertem Uran aufzubauen.

Die beiden Brennstoffmassen sind notwendigerweise für sich im Sollzustand unterkritisch, so daß der Kernreaktor erst im Zusammenwirken der gekoppelten thermischen und schnellen Spaltzone

^; kritisch wird. Dabei ist zu beachten, daß das Verhältnis der Spaltraten in der schnellen Spaltzone und im thermischen Reaktorring die folgende Bedingung erfüllt:

S₄ ^ W,
Si W₁'

wobei bedeutet

S₁ — Spaltratendichte im thermischen Reaktorring (Zahl der Spaltungen pro Sekunde und Kubikzentimeter),

S₄ = Spaltratendichte in der schnellen Reaktorspaltzone,

809 597/362

3 4

W₁ = den Wärmeinhalt pro Kubikzentimeter bis Schicht 3 wird so gewählt, daß die Spaltdichten in zum Schmelzen des thermischen Reaktor- den Reaktorspaltzonen 1 und 4 so liegen, daß wähkernmaterials, rend einer Leistungsexkursion die inhärenten Ab-

„. , „... . . -. „ , ., ,. schalteigenschaften des ursprünglichen thermischen

W, = den Warmeinhalt pro Kubikzentimeter bis _{5 Kernreaktors mm Zuge ko}^_mel _{bevor die T}empezum Schmelzen des schnellen Reaktorkern- _{mturen k der schnel}f_{en Sp}altzone einen unzulässig materials, hohen Wert erreicht haben.

A T₁ = den Unterschied zwischen Arbeits- und ^Der Kernreaktor nach der Erfindung ist vor allem

Schmelztemperatur des thermischen Reak- ^für die Experimentiertechnik mit schnellen Neutorkernmaterials, ¹⁰ tronen geeignet, beispielsweise für die Eichung von

Spaltkammern, Untersuchungen zur Neutronen-

AT₁ = den Unterschied zwischen Arbeits- und spektroskopie mit Fotoplatten, Rückstoßzählern Schmelztemperatur des schnellen Reaktor- _usw>:i Folienaktivierungsmessungen und um Spektralkernmaterials, indizes bestimmen zu können. Schließlich ist er ge-

15 eignet, die Physik gekoppelter Reaktoren experi-Diese an sich bekannten Größen mentell zu erforschen.

Die Dicke der aus z. B. Natururan bestehenden

W₁ = C₁-Q₁-AT₁ semipermeablen Schicht 3 ist zweckmäßig so groß

und zu wählen, daß die durch langsame Neutronen be-

W_A = C₄ · ρ₄ · AT ^ 2o stimmte Spitze der Spaltleistungsdichte um den

äußeren Rand der Spaltzone soweit wie möglich abkennzeichnen jeweils die Wärmemenge, die erforder- gebaut wird. Bei einer Versuchsausführung bestand lieh ist, um 1 cm³ des Materials auf Schmelztempe- diese Schicht aus einem Mantel, dessen Mindestratur zu bringen, indem die Spaltungen der thermi- stärke 5 cm betrug. Der Mantel wurde dabei fugenschen bzw. der schnellen Reaktorspaltzone ausgelöst as los gehalten, d. h., er wies keinen z. B. radial durchwerden. Die Größe PF₄ errechnet sich z. B. für me- laufend geraden Spalt auf. Als Brennstoff für die tallisches Uran als Reaktorkernmaterial in der schnelle Spaltzone wurde Uran²³⁵ in Form von 20% schnellen Spaltzone zu 724cal/cm³, während sich angereicherten Uranmetallplättchen verwendet, die für Uranoxyd mit Aluminiumpulver als Re- mit der gleichen Menge Natururanplättchen geaktorkernmaterial in der thermischen Zone ein 30 mischt waren.

W₁ = 370 cal/cm³ ergibt; für diesen Fall gilt dann Die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind

für das Spaltratenverhältnis folgende Bedingung: nicht auf die dargestellten und beschriebenen Beispiele beschränkt. So wird es in der Regel sehr vor-

^ 95 teilhaft sein, die schnelle Spaltzone gegen Eindringen

' 35 von Flüssigkeit insbesondere der Moderatorflüssig

^s S₁ ' 35 von Flüssigkeit, insbesondere der Moderatorflüssig

keit der thermischen Zone, weitgehend abzuschirmen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Da meist die einzelnen Behälter der schnellen Spalt-Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert: zone für das spaltbare Material nicht fugenlos an-

In der Figur ist ein Querschnitt durch den Reak- einanderliegen, könnte bei starker Erhitzung der tor dargestellt, der aus einer ringförmigen thermi- 40 thermischen Spaltzone und damit verbundener Kühischen Mantelspaltzone 1 besteht und der außen von mittelexpansion Flüssigkeit in die verbliebenen Zwieinem nicht dargestellten Graphitreflektor umgeben schenräume gelangen, wodurch die Gefahr einer ist. Nach dem Vorschlag der Erfindung ist auch der Exkursion erheblich verstärkt wird. Diese Abschirinnere Graphitreflektor 2 nur mantelförmig — im mung kann im einfachsten Fall dadurch erreicht dargestellten Ausführungsbeispiel hohlzylinderför- 45 werden, daß zumindest an den oberen Enden der mig — ausgebildet und umfaßt eine in ihm ange- Brennstoffelemente Verstärkungen oder Dichtungsordnete schnelle Spaltzone 4. Die schnelle Spalt- lippen vorgesehen werden. Diese sind zweckmäßig zone 4 ist von einer semipermeablen Schicht 3, die aus relativ weichem Material herzustellen, damit sie z. B. aus Natururan bestehen kann, umgeben. Die gut abdichten. Man kann auch die Zwischenräume schnelle Spaltzone 4 setzt sich beispielsweise aus 50 mittels eines rostartigen Gebildes gut abdichten, einzelnen, nicht dargestellten Behältern für das spalt- Wichtig ist nur — vor allem bei Versuchsreaktoren bare Material zusammen, das sich in den Behältern — daß die gute Zugänglichkeit der Elemente voll in stückiger Form, vorzugsweise in Plättchenform erhalten bleibt und daß auch die Manipulationen, befindet. Bei einer Versuchsausführung wiesen diese insbesondere beim Umladen der Brennelemente, die die Größenordnung von Ve bis ¹Ae Zoll Stärke auf«. 55 Abschirmung der schnellen Spaltzone gegen das Ein-Die thermische Mantelspaltzone 1 ist mit einer _Wäs- dringen von Flüssigkeit bestehenbleibt, serfülhmg versehen, wobei es sich als besonders vor- Der Kernreaktor nach der Erfindung kann mit

teilhaft erwiesen hat, die Temperatur des Wassers allen bekannten Moderatoren betrieben werden. Beauf 80 bis 90° C zu halten. Man erreicht hiermit sonders zweckmäßig ist der Einsatz von flüssigen eine bedeutende Steigerung (um mehrere 100 °/o) des 60 Moderatoren wie Schwer- und Leichtwasser. Ebenso negativen Temperaturkoeffizienten. Zweckmäßig ist kann man an Stelle des Graphits beliebige andere es dabei, das als Kühlwasser dienende Leichtwasser Moderatormaterialien verwenden, nur etwa zwanzigmal pro Stunde umzuwälzen, d. h., Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen

es wird nur so oft umgewälzt, wie es für die Homo- insbesondere darin, daß praktisch das im schnellen genität der Temperaturverteilung notwendig ist, ohne 6g Reaktorkern vorliegende Spektrum dem eines daß vorteilhafterweise durch das Umwälzen eine schnellen Reaktors sehr ähnlich ist, wogegen während merkliche Abkühlung bewirkt wird. Die Stärke des einer möglichen Leistungsexkursion die inhärenten inneren Graphitreflektors 2 und der semipermeablen Abschalteigenschaften der bekannten thermischen

Kernreaktoren wirksam werden, bevor die Temperatur in der schnellen Reaktorspaltzone einen unzulässig hohen Wert erreichen kann.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor, insbesondere Versuchsreaktor, mit schnellen Neutronen, mit ringförmiger thermischer Mantelspaltzone, Wassermoderator und von der Mantelspaltzone umfaßter schneller Spaltzone, wobei zwischen der thermischen und der schnellen Spaltzone sowohl ein Reflektor als auch eine für thermische Neutronen im wesentlichen undurchlässige, dagegen für schnelle Neutronen durchlässige (semipermeable) Schicht geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (1) in an sich bekannter Weise aus Graphit und die semipermeable Schicht (3), die gleichzeitig Brutschicht zur Erzeugung spaltbaren Materials ist, aus Natururan besteht. ao

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Temperaturregeleinrichtung, welche die als Moderator dienende Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, auf Temperaturen über 60° C, vorzugsweise bei 85° C, hält.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die semipermeable Schicht (3) aus einem fugenlosen Mantel besteht.

4. Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors nach Anspruch 1 mit einer Umwälzanlage für die Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit nur etwa zwanzigmal pro Stunde umgewälzt wird.

5. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die obere Deckfläche der schnellen Spaltzone (4), insbesondere in der Ebene der Brennelementköpfe, gegen das Eindringen von Flüssigkeit abgeschirmt ist.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente zumindest an ihren Kopfenden mit Verstärkungen, insbesondere Dichtungslippen, versehen sind.

7. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Elementen verbleibenden Spalte usw. durch ein gitterartiges Gebilde abgedeckt sind.

8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der schnellen Spaltzone (4) in an sich bekannter Weise ein Abschaltelement vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1128 056;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 828 184;
USA.-Patentschriften Nr. 2 852 456, 2 992 982.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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