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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kernbrennstoff für
Suspensionsreaktoren, bestehend aus einer Trägerflüssigkeit suspendierten Brennstoffteilchen
mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 10 u. Erfindungsgemäß sind die Brennstoffteilchen
mit einer die Spaltprodukte absorbierenden wasserunlöslichen, jedoch in Salpetersäure
löslichen Hülle aus anorganischem Material umgeben.
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Es ist bekannt, größere kugel- bzw. stabförmige Brennstoffkörper oder
-elemente mit einer äußeren Umhüllung zu versehen, die für eine Aufarbeitung des
Brennstoffes auf mechanischem bzw. chemischem Weg wieder entfernt werden kann. Derartig
große Brennstoffkörper können aber niemals in Suspensionsreaktoren verwendet werden.
Bei einem solchen Reaktor ist zu erwarten, daß die Masse der Spaltprodukte entweder
in der wäßrigen Phase oder auf der Oberfläche der suspendierten Teilchen gefunden
wird. Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die Trägerflüssigkeit während des
Betriebes einer stetigen Reinigung zu unterziehen. Diese Entfernung der Spaltprodukte
wird noch ergänzt durch die Reinigung der nackten Brennstoffteilchen von weiteren,
etwa an ihrer Oberfläche adsorbierten Spaltprodukten (deutsche Patentschrift 948
000).
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Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, die winzigen Brennstoffteilchen eines Suspensionsreaktors mit einer solchen
Umhüllung zu versehen, die entstehende Spaltprodukte absorbiert und die durch einen
einfachen bekannten Prozeß, nämlich durch Behandeln mit Salpetersäure, wieder abgelöst
werden kann. Damit werden die Brennstoffteilchen von Spaltprodukten befreit, und
sie können für den erneuten Einsatz im Reaktor wieder mit einer Hülle nach der Erfindung
versehen werden. Auf diese Weise ergibt sich ein wesentlich sicherer und einfacherer
Betrieb von Suspensionsreaktoren, da die Reinigung der Trägerflüssigkeit einen gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich geringeren Umfang annimmt und vor allen Dingen
die Aufbereitung des verbrauchten Brennstoffes für den erneuten Einsatz im Reaktor
sehr vereinfacht wird und in der Kraftwerksanlage selbst vorgenommen werden kann.
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Die F i g.1 dient der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Sie
stellt einen schematischen Querschnitt durch einen Suspensionreaktor und den zugehörigen
Brennstoffkreislauf dar. Dabei ist das Reaktorgefäß mit 24, die darin befindliche
Suspension mit 22 und die Kreislaufleitung der Brennstoffsuspension mit 26 ; bezeichnet.
Die Richtung des Kreislaufes ist durch entsprechende Pfeile angedeutet. Die erwärmte
Suspension, die gleichzeitig das Wärmeübertragungsmittel darstellt, gibt ihre Wärmeenergie
in den Wärmetauscher 28 an das Arbeitsmittel 30 ab. Der Dampf dieses Arbeitsmittels
entweicht durch die Rohrleitung 32 zum Verbraucher, z. B. einer Turbine, und gelangt
als Kondensat über die Leitung 34 wieder in den Wärmetauscher zurück. Die Pumpe
38 sorgt für den stetigen Kreislauf der Suspension, die Abzweigleitungen 40 und
36 führen zu einer Aufbereitungsanlage.
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Die Brennstoffteilchen, die z. B. aus Thorium- und Uranoxyd bestehen
können und einen mittleren Durchmesser von 0,1 bis 10 [, besitzen, sind mit einer
enganliegenden, dichten Umhüllung gemäß der Erfindung, die die Spaltprodukte am
Austritt in das wäßrige Beförderungsmittel hindert, versehen. Es wurde gefunden,
daß für solche Umhüllungen speziell die Verbindungen Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd,
Aluminiumhydroxyd und Magnesiumhydroxyd geeignet sind.
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Jedes Oxydteilchen der Suspension enthält dabei spaltbares Material
in Gestalt von Uran 235 und Brutmaterial Thorium 232 oder U 238. Die Umhüllung der
Reaktorbrennstoffteilchen wird vorzugsweise unter Erhitzung und erhöhtem Druck in
einer geeigneten Kammer, z. B. einem Autoklav, durchgeführt. Zu diesem Zweck wird
die gewünschte Menge der Brennstoffteilchen mit Wasser und dem Umhüllungsmittel,
das eine der genannten Verbindungen enthält, in eine derartige Kammer gegeben. Nach
mehreren Stunden umhüllt eine dünne Lage dieses Umhüllungsmittels die Oberfläche
der Teilchen. Diese werden dann durch geeignete Methoden, wie Filtration oder Zentrifugieren,
von dem flüssigen Medium getrennt und schließlich getrocknet. Dadurch wird jede
Feuchtigkeit ausgetrieben und die aufgebrachte Umhüllung ausgehärtet.
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Ein anderes Verfahren zur Umhüllung der Brennstoffteilchen arbeitet
mit einer Aluminium enthaltenden Verbindung. Aus einer Lösung von Aluminiumnitrat
wird das Aluminiumnitrat durch die darin aufgeschwemmten Spaltstoffteilchen adsorbiert.
Diese dadurch mit einer Aluminiumnitratumhüllung versehenen Teilchen werden wie
oben unter Druck in einer geeigneten Kammer erhitzt. Anschließend werden die Teilchen
mit einer Lauge wie z. B. Natriumhydroxyd gewaschen, so daß sich aus dem Aluminiumnitrat
Aluminiumhydroxyd bildet. Die Teilchen werden dann zur Entfernung der überschüssigen
Lauge gewaschen und abschließend wieder erhitzt, um jede Restfeuchtigkeit auszutreiben
und die Umhüllung der Teilchen zu härten.
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Andererseits kann aber auch die Aufschwernmung der Brennstoffteilchen
in der Aluminiumnitratlösung bei höheren Temperaturen und Drücken behandelt werden.
Dadurch werden die Nitrationen zerlegt und die Aluminiumoxyd- oder Aluminiumhydroxydummantelung
gebildet.
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Auch können die mit einem Film aus Aluminiumnitraten versehenen Teilchen
von der Lösung und durch Erhitzen in einem Ofen entwässert werden. Dadurch zersetzt
sich gleichfalls das Nitration, so daß ein Film aus Aluminiumoxyd auf den Brennstoffteilchen
niedergeschlagen wird.
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Die z. B. durch diese Verfahren umhüllten Brennstoffteilchen werden
zum Betrieb des Kernreaktorsystems 21 nach der Figur in einem Beförderungsmittel
z. B. aus schwerem Wasser (D20) suspendiert und über die Einlaßleitung 36 zugeführt.
Wie bereits kurz beschrieben, läuft diese Suspension 22 durch den Kreislauf 26 mit
Hilfe der Pumpe 38 um. Durch Erhöhung der Konzentration der Suspension wird die
kritische Masse, die zu einer Kernreaktion notwendig ist, im Reaktionskessel 24,
der ein großes Volumen besitzt, eingestellt. Die Spaltprodukte werden fast vollständig
in den Suspensionsteilchen, die sich jeweils innerhalb des Reaktorkessels selbst
befinden, entstehen und nur eine verhältnismäßig kurze Strecke in der Größenordnung
von 0,1 [., von der Reaktionsstelle in jedem Teilchen aus gemessen, wandern. Dann
werden sie innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeit durch die Umhüllung der Brennstoffteilchen
absorbiert. Als Folge der Kernreaktion wird die Suspension auf hohe Temperaturen
erhitzt. Der
heiße Suspensionsstrom verläßt den Reaktorkessel
24
über die Leitung 26 und gelangt in einen Wärmetauscher 28, in dem durch
Verdampfung der darin enthaltenen Flüssigkeit 30 Arbeitsdampf entwickelt wird.
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Durch den ständigen Kreislauf der Brennstoffsuspension bildet sich
nach einiger Zeit eine nennenswerte Spaltproduktkonzentration, wobei ein hoher Prozentsatz
der Spaltprodukte von der Umhüllung der Brennstoffteilchen absorbiert wird. Zu diesem
Zeitpunkt wird ein kleiner Teil der verseuchten Brennstoffsuspension über die Leitung
40 vorzugsweise mehr oder weniger kontinuierlich entnommen, aufgearbeitet
und anschließend dem Kreislauf über die Leitung 36 wieder zugeführt.
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Die für die Absorbierung der Spaltprodukte notwendige Umhüllung der
Brennstoffteilchen kann auch noch auf eine andere Art und Weise erzielt werden:
die nicht umhüllten Brennstoffteilchen werden durch das Reaktorwärmetauschersystem
gepumpt, das aus rostfreiem Stahl aufgebaut ist. Vor dem eigentlichen Anfahren des
Reaktors werden auf diese Weise Korrosionsprodukte aus den metallischen Wänden des
Systems gebildet, die teilweise die Brennstoffteilchen einhüllen. Nach dem Einschalten
des Reaktors werden sowohl Spaltprodukte als auch mehr metallische Korrosionsprodukte
erzeugt. Dabei werden die Spaltprodukte in einer verhältnismäßig kurzen Zeit von
der Korrosionsproduktschicht der Brennstoffteilchen absorbiert.
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Da die Korrosion des Metalls innerhalb des ganzen Kreislaufsystems
stattfindet und ein großer Teil dieses Systems außerhalb des Reaktors liegt, haben
die kleinen Brennstoffteilchen die Möglichkeit, sich rasch genug mit Korrosionsprodukten
zu umhüllen, so daß die innerhalb des Reaktorgefäßes gebildeten Spaltprodukte sofort
nach ihrer Entstehung aufgefangen werden können.
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Eine andere Möglichkeit zur Umhüllung der Teilchen besteht darin,
dieses Verfahren mit dem erstgenannten zu kombinieren, also die Spaltstoffsuspension,
die noch nicht die kritische Konzentration besitzt, z. B. für mehrere hundert Stunden
im Reaktorkreislauf oder in einem diesem entsprechenden Kreislauf (hinsichtlich
der Abgabe der Korrosionsprodukte) mit metallischen Korrosionsprodukten zu ummanteln
und anschließend nochmals mit einer Hülle aus Aluminium- oder Magnesiumoxyd bzw.
Hydroxyd wie vorbeschrieben zu umgeben.
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Die folgenden Beispiele zeigen, welche Wirksamkeit verschiedene Umhüllungen
nach der Erfindung hinsichtlich der Möglichkeit zur Ablösung der Spaltprodukte besitzen,
wobei zur Simulierung des nicht durchgeführten kritischen Reaktorbetriebes bestimmte
Konzentrationen von Zerium (als Spaltpro-Bukt) in die Umhüllung mit eingebracht
wurden.
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Zerium wurde gewählt, da es eines der am schwierigsten aus Oxydbrennstoff
herauslösbaren Spaltprodukte aus der Reihe der Ordnungszahlen zwischen 37 und 63
ist. Die folgenden Untersuchungen zeigen daher mit großer Deutlichkeit die Wirksamkeit
der vorliegenden Erfindung.
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Beispiel 1 Eine bestimmte Menge einer Thorium-Uraniumoxyd-Suspension,
deren Teilchen eine mittlere Größe zwischen 0,1 und 1 [, besaßen, wurde zur Erzeugung
einer Zeriumkonzentration von 0,004 m mit einer entsprechenden Menge von Zeriumnitrat
[Ce(N03)3], die mit radioaktivem Zerium 144 versetzt war, zusammengegeben. Die Teilchen
wurden dann im Autoklav 12 bis 15 Stunden lang bei etwa 320° C behandelt, dadurch
wurde das Zerium auf den Teilchen adsorbiert und das Nitrat (N03) durch Pyrolyse
zersetzt. Anschließend wurden die zeriumumhüllten Teilchen etwa 6 Stunden lang in
5 n-Salpetersäure gekocht und dadurch 45% des adsorbierten Zeriums herausgelöst.
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Beispiel 2 Proben von Thorium-Uraniumoxyd-Suspensionen wurden in einem
Kreislauf aus rostfreiem Stahl, der dem Kreislauf in einem Reaktor-Wärmetauschersystem
(s. Figur) nachgebildet war, für mehrere hundert Stunden umgepumpt. Mehrere Suspensionsproben
mit Konzentrationen bis zu 300 g Oxyd (285 g Th0, und 15 g U03) pro Liter Wasser
wurden damit hergestellt. Danach wurde eine Zeriumnitratlösung mit radioaktiven
Zerium 144 angesetzt und jeder der Suspensionsproben zugegeben, so daß die Proben
schließlich eine Zeriumkonzentration von 0,004 m hatten. Jede Probe wurde dann im
Autoklav 10 bis 1,5 Stunden lang bei etwa 320° C behandelt. Dadurch wurde
das Zerium von den Brennstoffteilchen adsorbiert und das Nitrat durch Pyrolyse zersetzt.
Aus a11 den genannten Proben wurden nahezu 75 % des Zeriums durch annähernd 6stündiges
Kochen in 5 n-Salpetersäure zurückerhalten.
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Beispiel 3 Eine Suspensionsprobe, die wie im Beispiel 2 vorumgepumpt
wurde, wurde mit genügend frisch gefälltem Aluminiumhydroxyd [Al(OH)3] gemischt.
Dadurch wurde eine Aluminiumkonzentration von 0,003molar erzeugt. Die Probe wurde
dann wieder im Autoklav bis zu 15 Stunden lang bei etwa 320° C behandelt und anschließend
die festen Teilchen von der Flüssigkeit getrennt und getrocknet. Anschließend wurde
eine Zeriumnitratlösung mit radioaktivem Zerium 144 versetzt und dieser Probe zugegeben,
so daß wiederum eine Zeriumkonzentration von 0,004molar erreicht wurde. Nach der
bekannten Behandlung im Autoklav wurden die Teilchen 6 Stunden lang in kochender
5 n-Salpetersäure behandelt und dabei 75 % des Zeriums abgelöst.
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Beispiel 4 Zur Erzielung einer Aluminiumkonzentration von O,lmolar
wurde eine Probe einer frischen Suspension entsprechend Beispiel 1 mit Aluminiumhydroxyd
gemischt und im Autoklav unter den üblichen vorbeschriebenen Bedingungen behandelt.
Anschließend wurde die Zeriumlösung zugegeben und die Behandlung im Autoklav wiederholt.
Durch Kochen der so behandelten Suspension über etwa 6 Stunden in 5 n-Salpetersäure
kann nahezu 70% des Zeriums wieder herausgelöst werden.
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Beispiel 5 Eine Suspension wurde nach demselben Verfahren wie im Beispiel
3 behandelt mit der Ausnahme, daß die Aluminiumkonzentration 0,03molar betrug. Durch
etwa 6stündiges Kochen der behandelten Suspension in 5 n-Salpetersäure wurden nahezu
95 % des Zeriums
wiedergewonnen, wobei bereits etwa 50% des Zeriums
durch Untertauchen in Salpetersäure bei Raumtemperatur erhalten wurden.
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Beispiel 6 Es wurde das gleiche Verfahren wie im Beispiel 3 wiederholt,
jedoch an Stelle von Aluminiumhydroxyd Magnesiumhydroxyd Mg (OH), beigemischt, so
daß sich eine Magnesiumkonzentration von 0,3molar einstellte. Auch hier wurden fast
95% des Zeriums durch etwa 6stündiges Kochen in 5 n-Salpetersäure wiedergewonnen
bzw. 50 % bereits durch Eintauchen in Salpetersäure bei Raumtemperatur erhalten.
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Aus den genannten Beispielen geht hervor, daß aus Suspensionsteilchen,
die in einem dem Reaktorsystem nachgebildeten Kreislauf aus rostfreiem Stahl etwa
1000 Stunden vor der eigentlichen Ummantelung umgepumpt wurden, das Zerium in wesentlich
höheren Beträgen wieder herausgelöst werden kann gegenüber Suspensionsteilchen,
die vorher nicht umgepumpt wurden.
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Dieser Unterschied ist den adsorbierten metallischen Korrosionsprodukten
zu verdanken. Aus der Tatsache, daß bis zu 951/o des Zeriums, das unmittelbar aus
einer 0,004molaren Zeriumlösung adsorbiert wurde, durch eine Behandlung mit heißer
Salpetersäure wieder herausgelöst werden kann, ist zu folgern, daß alle während
des Reaktorbetriebes von der Hülle der Brennstoffteilchen aufgenommenen Elemente
zwischen den Ordnungszahlen 37 und 63 in wenigstens dem gleichen Ausmaße wiedergewonnen
werden können. Diese Elemente stellen nun etwa 70 0% der zu erwartenden Gleichgewichtskonzentration
der Spaltprodukte dar. Die verbleibenden 301/o bestehen aus den Elementen Zirkon,
Niob und Molybdän. Auch wenn diese zuletzt genannten Elemente nicht in nennenswertem
Maße zurückgewonnen werden können, so ist ihre Wirkung als Neutrongift verhältnismäßig
gering, da der Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen bei diesen drei Elementen
nicht groß ist.