DE1439843A1

DE1439843A1 - Strahlungsreaktor

Info

Publication number: DE1439843A1
Application number: DE19641439843
Authority: DE
Inventors: King L D Percival
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1963-10-16
Filing date: 1964-10-14
Publication date: 1969-02-20
Also published as: DE1439843C3; BE654245A; US3268410A; GB1056305A; DE1439843B2

Description

United States Atomic Energy Commission, Germantown, Maryland/USA

Strahlungsreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren,und zwar auf einen Reaktor, bei dem die Strahlung als Hauptwärmeübertrager zwischen dem Reaktorkern und dem Wärmeaustauscher eingesetzt wird.

Die Verwendungsmöglichkeiten eines Strahlungsreaktors bestehen insbesondere in seinem Einsatz für die wirksame Erzeugung von Wärmeenergie, die dann mit Hilfe allgemein bekannter Mittel in elektrische Energie umgewandelt werden kann; außerdem kann er gegebenenfalls auch zu 3?orschungszwecken zur Erzeugung eines hohen Neutronenflusses und gleichzeitig sehr hoher Temperaturen verwendet werden, und schließlich kann er auch als eine in gedrungener Bauweise ausgeführte Kraftanlage für Satelliten oder interplanetare Beförderungsmittel eingesetzt werden.

Die "Übertragung von Wärmeenergie von einer Stelle zur 909S08/0260

anderen läßt sich, hauptsächlich auf drei verschiedene Weisen durchführen-, nämlich, durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Die bisher üblichen Kernreaktoren arbeiteten im allgemeinen nach dem Prinzip der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung oder Konvektion oder aber mit einer Verbindung von beiden, um aus einem spaltbaren Brennstoff Energie zu gewinnen. Der erfindungsgemäße Strahlungsreaktor dagegen arbeitet im wesentlichen unter Zunutzemachung der. Strahlung zum Zwecke des Energie ent züge s aus dem Brennstoff zum Wärmeaustauscher. Die wesentlichste Voraussetzung zur wirksamen Ausnutzung einer Strahlung zur Energieübertragung besteht darin, daß die Oberflächentemperatur des Brennstoffes außerordentlich hoch sein muß. Zweckmäßigerweise liegen diese Temperaturen zwischen 2300 und 2800⁰O und müssen auf jeden Fall mehr als 2000⁰O betragen.

In seiner einfachsten Ausführungsform besteht ein Strahlungsreaktor aus einer Anzahl von konzentrischen Zylindern, wobei im Mittelbereich entweder ein Hohlraum mit einem Hochtemperatur-Wärmefluß oder aber ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist» Eine weitere Konstruktion besteht in drei zueinander konzentrischen Graphitschalen. Dabei bildet die Mittelschale den eigentlichen Reaktorkern, während die zu^ihren beiden Seiten befindlichen . Schalen die Heflektoren sind. Die Kernschale oder Kernumhüllung, wie sie häufig genannt wird, kann dabei in

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zwei verschiedenen Typen vorliegen. Beim einen Typ handelt es sich um einen 10 bis 15 cm dicken Graphitzylinder, dessen Innen- und Außenflächen Ms zu einer Tiefe von etwa 2 cm mit einem spaltbaren Material imprägniert sind. Bei der zweiten Type kommt ein im Querschnitt 1 bis 2 cm messender zylindrischer Behälter zur Aufnahme spaltbaren Materials zur Anwendung. Das spaltbare Material besteht dabei aus Uran- oder Plutoniumoxyd mit einem Karbid wie beispielsweise Zirkoniumkarbid oder Plutonium- und Uranoxyd in einem aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehenden Behälter. Die beiden Reflektorschalen bestehen aus Graphit, und die Wärmeaustauscher sind innerhalb der beiden Reflektoren untergebracht. Die Wärmeaustauscher können dabei aus in den Graphitreflektoren befindlichen Rohren bestehen und als Wärmeentzugsmedium entweder ein gasförmiges oder ein flüssiges Kühlmittel verwenden. Ein wesentliches Merkmal eines Strahlungsreaktors ist ein Zwischenraum oder Spalt zwischen dem Kern und der Reflektorschale, der mit einem inerten Gas, beispielsweise Helium, gefüllt ist, um den Wärmeentzug aus den Brennstoffoberflächen zu unterstützen, die Verdampfung des Brennstoffes herabzusetzen, die Reflektorflächen gegen einen Niederschlag von Spaltdämpfen und Spaltprodukten zu schützen und, was am wichtigsten ist, die Spaltprodukte aus dem Bereich des Reaktorkerns zu entfernen.

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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zu schaffen, in dem der Wärmeaustauscher und andere Bauelemente aus dem Brennstoff bereich herausgenommen sind, wodurch sich ein einfacherer Reaktorkernbereich ergibt·

!Fach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll ein Kernreaktor geschaffen werden, der infolge der Wirksamkeit des Strahlungsprozesses bei Temperaturen oberhalb-2000°0 einen hohen G-rad des Wärmeentzuges aus dem Brennstoff aufweist.

Weiter soll mit der Erfindung ein Reaktor geschaffen werden, bei dem die Oberfläche des Wärmeaustauschers auf einen Größtwert gebracht ist, so daß Wärmeleitungs- und Konvektionserscheinungen leichter am Reflektor als im Brennstoffbereich nutzbar gemacht werden können.

Weiter sieht die Erfindung einen Reaktor vor, bei dem die Beseitigung eines großen Anteiles der Spaltanteile im Wege einer Verdampfung und Diffusion erfolgt, womit sich die Notwendigkeit einer Aufarbeitung des Brennstoffes weitgehend verringert und außerdem ein Reaktor mit hohem Brennstoffausbrand erzielt wird.

Des weiteren sieht die Erfindung auch die Möglichkeit vor, Bestrahlungen bei außerordentlich hohen Temperaturen zu erzielen.

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Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung seien nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors un-d

Figur 2 eine Perspektivansicht einer anderen Ausfüv rungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors zur maßstabgerechten Darstellung der inneren M Bauteile desselben teilweise im Schnitt gesehen.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist der innerste Reaktorbereich durch einen Hohlraum 1 gebildet, der als Testbereich hohen Flusses und hoher Temperatur dient, wobei die Arbeitswerte etwa 4 χ 10 Neutronen/cc und mehr als 2700°0 betragene Diesen Hohlraum umschließt unmittelbar ein kompakter Graphitzylinder 2, dessen äußerer Mantelbereich in einer Tiefe von etwa 2 cm mit einer μ

spaltbaren Verbindung von Uran oder Plutonium 3 imprägniert ist. Ein von dem imprägnierten Zylinder durch einen Strahlungszwischenraum oder -spalt 4- getrennter weiterer Graphitzylinder enthält einen Wärmeaustauscher 5, der schematisch als aus einer Anzahl von durch den Graphitzylinder hindurch verlaufenden Rohren dargestellt ist. Der äußerste Graphitmantel bildet den weiteren Reflektor 6 mit Strahlungsauslässen·

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Auslegung eines Eeaktors nach Figur 1

Tabelle 1

Bereich Material B^St^om)

1 Leerraum (Forschungs- 5,0 5,0 kammer)

2 Graphit (1,6 g/cc) 15,0 20,0

3 Graphit (1,6 g/cc + 2,0 22,0 0,156 g/cc OyJ

4 Strahlungspalt (iner- 1,2 23,20 tes Gas)

5 Graphit + Kühlmittel- 5,0 28,20 ausnehmungen (mittl.

Dichte 0,8 g/cc)

6 Graphit-Reflektor 100,0 128,20 (1,6 g/cc) u. Forschungskammern

Bei der Ausführungsform nach Figur 2 ist anstelle der Hochflußkammer ein Wärmeaustauscher vorgesehen. Außerdem besitzt dieser Reaktor zwei imprägnierte Flächen oder Hülsen aus spaltbarem Brennmaterial. Insbesondere enthält der Mittelkern einen in einem Graphitzylinder 1 eingebetteten Wärmeaustauscher. Der Spalt oder Strahlungsraum 2 trennt den Behälter des spaltbaren Materials 3 oder den imprägnierten Uran- oder Plutoniumgraphitzylinder 4 vom Wärmeaustauscher. In ähnlicher Weise ist ein imprägniertes spaltbares Material oder eine Hülse am Graphitzylinder von einem zweiten Wärmeaustauscher durch den Zwischenraum 6 getrennt, wobei der zweite

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Wärmeaustauscher graphisch, durch in einer Graphitmasse 7 "befindliche Rohre dargestellt ist. Diesen Graphitzylinder umschließt ein Reflektor 8.

Auslegung eines Reaktors nach Figur 2

	Tabelle 2	Radxale Breit (cm)	radius (cm)
Bereich	Material	12,80	12,00
1	Graphit + Wärmeaus tauscher (mittl. Dichte 0,8 g/cc)	1,20	14,0
2	Spalt mit einem iner ten Gas	1,5	15,5
3	0,78 g/cc Oralloy in 1,6 g/cc Graphit	6,0	21,5
4	Graphit voller Dichte (1,6 g/cc)	1,5	23,0
5	0,78 g/cc Oralloy in 1,6 g/cc Graphit	1,20	24,20
6	Spalt mit einem iner ten Gas	5,0	29*20
7	Graphit + Wärmeaus-

tauscher (mittl.
Dichte 0,8 g/cc)

8 Graphit (1,6 g/cc) 100,0 129,20 Reflektor u. IOrschungskammem

Die Neuheit des erfindungsgemäßen Reaktors besteht im wesentlichen darin, daß eine Oberflächentemperatur von 230O⁰O eines geeigneten spaltbaren Brennstoffes den größten Teil des Uran- oder Plutoniumgehaltes zurückhält und gleichzeitig von der Strahlung als wirksames

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Mittel der Wärmeübertragung Gebrauch macht» Dabei hat sich gezeigt, daß bei einer Temperatur von 260O⁰O 60% der Spaltprodukte in einem imprägnierten Graphitmantel verbleiben. Dadurch ist eine ausreichende verzögerte Neutronensteuerung gegeben. Jod 135 entweicht rasch aus der Brennstoffschicht, so daß damit eine geringe Konzentration von Xenon 135 im Brennstoffbereich gewährleistet ist. Infolge der Geometrie der Ausgestaltung sowohl nach Figur 1 als auch nach Figur 2 ist im Kern eine Temperaturverteilung gegeben, welche annähernd symmetrisch mit einer maximalen Temperaturdifferenz · von 700⁰O zwischen der Außenfläche und dem Innenrand der imprägnierten Bereiche ist. Ist also im Wärmeaustauscher eine Temperatur von 1000⁰O und an der Oberfläche des Brennstoffes eine Temperatur von 2400⁰O gegeben, so würde ein entsprechender Strahlungsreaktor mit einer spezifischen Leistung von 305 Watt pro Gramm Brennstoff insgesamt 17 Megawatt erzeugen.

Als als Hochtemperaturbrennstoffe geeignete spaltbare j Verbindungen kommen UO, U02 und Karbide und Oxyde von Plutonium in Frage. Sowohl bei der Ausgestaltung eines Reaktors gemäß Figur 1 als auch gemäß Figur 2 sind zur ! Bildung einer kritischen Masse etwa 7 Kilogramm Pu ^" ! 235

! oder U ■" erforderlich. Werden Plutonium- oder Urankarbidbrennstoffe verwendet, so kann sich ein großer Anteil der Spaltprodukte verflüchtigen und damit aus

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der Brennstoffschicht in den zwischen dem Kern und dem G-raphitreflektor "befindlichen Strahlungsspalt gelangen, womit im wesentlichen die Notwendigkeit einer dauernden Brennstoffaufarbeitung ausgeschaltet wird»

Nach einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Erfindung kann U -^ dem Graphit im Reflektorbereich des Reaktors zugegeben werden, so daß damit eine Brutzone für

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die Bildung von Pu ^ ^J gebildet wird. Das würde sozuaegen einen sich selbst unterhaltenden Reaktor ergeben, der im wesentlichen U^ verbrennt.

Die Erfindung sieht also eine neuartige Anordnung und Zusammenstellung von Teilen vor, aufgrund deren ein Kernreaktor erhalten wird, der gegenüber den bisher bekannten Reaktoren ganz erhebliche Vorteile aufweist. Es wurden zwar vorzugsweise Ausführnngsbeispiele der Erfindung beschrieben, jedoch können selbstverständlich ohne weiteres noch zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird. So können beispielsweise kompliziertere Gitter- oder Zylinderanordnungen für große Kraftanlagen zweckmäßiger sein. Die Erfindung soll sich also keinesfalls nur auf die in den Unterlagen beschriebenen Ausführungsformen beschränken.

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Claims

Patentansprüche

1. Kernreaktor mit einem Graphitkern und einer Anzahl von Graphitreflektoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernteil aus einem dichten Graphitzylinder besteht, dessen Innen- und Außenflächen bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 cm mit einer spaltbaren Verbindung imprägniert sind und der eine Oberflächentemperatur von mehr als 2000⁰O besitzt, daß zwei mehr oder weniger dichte Reflektoren zu beiden Seiten des Kerns konzentrisch zu ihm in einem Abstand von etwa Jeweils Λ cm von ihm angeordnet sind und eine Oberflächentemperatur aufweisen, die mindestens 1000⁰O niedriger ist als die Oberflächentemperatur des Kerns, daß die Reflektoren eine Wärmeaustauschereinrichtung enthalten und daß ein inertes Gas in den durch die Trennung zwischen Kern und Reflektoren gebildeten Zwischenräumen kontinuierlich in Umlauf gesetzt ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kernteil und dem Reflektor ein Abstand von etwa 1,2 cm besteht und der Reflektor den Wärmeaustauscher enthält.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernteil aus einem dichten Grgjiitzylinder besteht, dessen äußerer Randbereich mit einer spaltbaren

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Verbindung aus der Klasse der Karbide von Uran und Plutonium imprägniert ist.

4. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem zwischen dem Kern und dem Reflektor vorgesehenen Zwischenraum in Umlauf ein inertes Gas kontinuierlich befindet.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorteil im Vergleich zum Kernteil nur verhältnismäßig geringe Mengen spaltbarer Verbindungen enthält.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorteil Ausnehmungen aufweist, in denen Proben der Einwirkung eines hohen Neutronenflusses und Temperaturen bis zu 2700⁰O ausgesetzt werden können.

7. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernteil aus Urankarbid und Graphit besteht und die Oberflächentemperatur des Kerns etwa 2400⁰O beträgt.

8. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernteil aus einem dichten Graphitzylinder besteht, dessen Außen- und Innenflächen bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 cm mit einer spaltbaren Verbindung aus der Klasse der Karbide von Uran und Plutonium imprägniert sind.

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9. Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wärmeaustauscher vorgesehen sind, von denen der eine in dem Mittelteil des Reaktors angeordnet ist, während der zweite Wärmeaustauscher der Außenfläche des imprägnierten Kerns benachbart, aber von dieser getrennt ist«

10. Kernreaktor nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorteil Ausnehmungen für lorsohungszwecke aufweist, in denen zu untersuchende Proben der Einwirkung eines hohen Neutronenflusses und Temperaturen von mehr als 2000°0 ausgesetzt werden können.

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