DE1439843B2

DE1439843B2 - Atomkernreaktor

Info

Publication number: DE1439843B2
Application number: DE19641439843
Authority: DE
Inventors: L D Percival Santa Fe NMex King (VStA)
Original assignee: United States Atomic Energy Commis sion, Germantown, Md (V St A)
Priority date: 1963-10-16
Filing date: 1964-10-14
Publication date: 1973-04-19
Also published as: BE654245A; GB1056305A; DE1439843A1; DE1439843C3; US3268410A

Description

Eine bekannte Entwicklungsrichtung des Atomkernreaktors ist die Schaffung einer Reaktortype, die mit sehr hohen Temperaturen arbeitet. Schon vor Jahren hat man geglaubt, die thermische Ausbeute eines Reaktors erhöhen zu können, wenn man die im Kern frei werdende Wärme nicht durch Wärmeleitung oder Konvektion, sondern durch Strahlung überträgt (französische Patentschrift 1 227 647). Man glaubte, mit der in dieser Patentschrift beschriebenen Konstruktion Temperaturen von 700° C erreichen zu können, und zwar durch Anwendung eines Graphitkernes, der mit spaltbarem Material imprägniert ist, oder mit einem Graphitkern mit Ausnehmungen zur Aufnahme von Kernbrennstoff in flüssiger Form.

Eine Oberflächentemperatur der Brennstoffelemente von 700°C ist durch die inzwischen vorangetriebene Weiterentwicklung überholt. Sie wäre auch nicht wirtschaftlich, da die je cm² übertragbare Wärmemenge viel zu gering wäre, um einen Strahlungsreaktor mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu erreichen. Wenn man die Strahlung zur Wärmeübertragungheranziehen will, muß man mit wesentlich höheren Oberflächentemperaturen arbeiten. Mit diesem Problem

ίο beschäftigt sich die Erfindung.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein an sich bekannter Aufbau eines Atomkernreaktors mit einem von einem Graphitreflektor umgebenen Graphitkern, der spaltbares Material enthält und mit einem Wärmeaustauscher zum Abführen der im Kern frei werdenden Energie (vgl. die französische Patentschrift 1 227 647).

Die Aufgabe der Erfindung, einen mit so hohen

Temperaturen arbeitenden Reaktor zu entwicklen, daß ein Teil der Wärme durch Strahlung übertragen wird, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Graphitkern aus einem aus dichtem Graphit gebildeten Hohlzylinder besteht, dessen äußere Oberflächenschicht spaltbares Material enthält und dessen Oberflächentemperatur 2000°C übersteigt, daß der Graphitkern in an sich bekannter Weise im Abstand von einem konzentrisch zum Kern angeordneten Reflektor umgeben ist, daß die Temperatur des Reflektors mindestens 1000°C unter der Oberflächentemperatur des Kernes gehalten ist, daß der Wärmeaustauscher in dem Reflektor eingesetzt ist und daß im Zwischenraum zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Graphitkern kontinuierlich ein inertes Gas umläuft.

Das Merkmal, daß der Graphitkern im Abstand von einem konzentrisch zum Kern angeordneten Reflektor umgeben ist, ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 859 714 und aus der französischen Patentschrift 1 223 197 an sich bekannt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist in den Hohlraum des Graphitzylinders konzentrisch zu ihm und mit Abstand von ihm ein weiterer Wärmetauscher eingesetzt, und die innere Oberflächenschicht des Graphitzylinders enthält ebenfalls spaltbares Material.

Es wird also der Wärmetransport vom Kern zum Wärmetauscher gewissermaßen aufgeteilt; ein Teil der frei werdenden Wärme wird über den Spalt zwischen Kern und Reflektor durch Strahlung übertragen, ein weiterer Teil durch Konvektion, d. h. durch das kontinuierlich umlaufende inerte Gas. Da Graphit bis etwa 2700°C selbst in oxydierender Atmosphäre als Baustoff verwendbar ist, stehen einem Reflektor gemäß der Erfindung von der Werkstoffseite her keine Bedenken entgegen. Der Atomkernreaktor gemäß der Erfindung ermöglicht eine hohe Leistung (W/cm²), die bei gleichen Abmessungen von einem Reaktor mit niedriger Arbeitstemperatur schwerlich erreichbar sein wird.

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 sie Mittelschale den eigentlichen Reaktorkern, während die zu ihren beiden Seiten befindlichen Schalen die Reflektoren sind. Die Kernschale oder Kernumhüllung, wie sie häufig genannt wird, kann dabei in zwei verschiedenen Typen

vorliegen. Beim einen Typ handelt es sich um einen 10 bis 15 cm dicken Graphitzylinder, dessen Innen- und Außenflächen bis 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 Γ) 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.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung seien nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors und

F i g. 2 eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors zur maßstabgerechten Darstellung der inneren Bauteile desselben teilweise im Schnitt gesehen.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist der aus dichtem Graphit bestehende, spaltbares Material enthaltende Hohlzylinder mit 2 bezeichnet. Mit dem spaltbaren Material ist jedoch nicht der gesamte Graphitkern imprägniert wie bei einer bekannten Ausführung eines Strahlungsreaktors (französische Patentschrift 1 227 647), sondern nur der Mantelbereich 3 von etwa - 2 bis 1,5 cm. Das spaltbare Material sind Verbindungen von Uranium oder Plutonium. Der Hohlraum 1 dieses Ausführungsbeispieles dient als Testbereich hohen Flusses und hoher Temperaturen, wobei die Arbeitswerte 4 ■ 10¹² Neutronen/cc und mehr als 2700⁰C betragen. Durch einen Spalt 4 vom Graphitzylinder 2, 3 getrennt ist ein weiterer Graphitzylinder angeordnet, in den ein Wärmetauscher 5eingebettet ist, der schematisch durch in Richtung des Graphitzylinders verlaufende Rohre angedeutet ist. Das Ganze ist von einem Graphitmantel 6 als Reflektor mit Strahlungsauslässen umschlossen.

Dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 liegt das gleiche Bauprinzip zugrunde, ein Graphithohlzylinder 24 mit einer Mantelschicht 25 aus spaltbarem Material, ein in Graphit eingebetteter Wärmeaustauscher 27, ein Strahlungsspalt 26 zwischen Kern und Wärmetauscher und ein Graphitreflektor 28. Unterschiedlich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist, daß in den Hohlraum 1 ein weiterer in Graphit eingebetteter Wärmetauscher 21 eingesetzt und die Innenwandung des Hohlzylinders 24 ebenfalls mit einer Schicht 23 aus spaltbarem Material imprägniert ist, die mit dem Wärmetauscher 21 einen Spalt 22 bildet.

Auslegung eines Reaktors nach F i g. 1
Tabelle 1

Bereich	Material	Radiale Breite	Außen radius
			(cm)
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 Oralloy
4	Strahlungsspalt (inertes Gas) Graphit + Kühlmittel-	1,2	23,20
5	ausnehmungen (mitt	5,0	28,20
	lere Dichte 0,8 g/cc)
	Graphit- Reflektor
6	(1,6 g/cc) und For	100,0	128,20
	schungskammern

Auslegung eines Reaktors 2 nach F i g. 2
Tabelle 2

Bereich	Material	Radiale Breite	Außen radius
			(cm)
1	Graphit + Wärme	12,80	12,80
	austauscher (mittlere
	Dichte 0,8 g (cc)
2	Spalt mit einem inerten	1,20	14,0
	Gas
3	0,78 g/cc Oralloy in	1,5	15,5
	1,6 g/cc Graphit
4	Graphit voller Dichte	6,0	21,5
	(1,6 g/cc)
5	0,78 g/cc Oralloy in	1,5	23,0
	1,6 g/cc Graphit
6	Spalt mit einem inerten	1,20	24,20
	Gas
7	Graphit + Wärmeaus	5,0	29,20
	tauscher (mittlere
	Dichte 0,8 g/cc)
8	Graphit (1,6 g/cc) Re	100,0	129,20
	flektor und For
	schungskammern

Es hat sich gezeigt, daß bei einer Temperatur von 2600° C 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 F i g. 1 als auch nach F i g. 2 ist im Kern eine Temperaturverteilung gegeben, welche annähernd symmetrisch mit einer maximalen Temperaturdifferenz von 700⁰C zwischen der Außenfläche und dem Innenrand der imprägnierten Bereiche ist. Ist also im Wärmeaustauscher eine Temperatur von 1000°C und an der Oberfläche des Brennstoffes eine Temperatur von 2400⁰C gegeben, so würde ein entsprechender Strahlungsreaktor mit einer spezifischen Leistung von 305 Watt pro Gramm Brennstoff insgesamt 17 Megawatt erzeugen.

Als als Hochtemperaturbrennstoffe geeignete spalt-

bare Verbindungen kommen UC,UC₂ und Karbide und Oxyde von Plutonium in Frage. Sowohl bei der Ausgestaltung eines Reaktors gemäß F i g. 1 als auch gemäß F i g. 2 sind zur Bildung einer kritischen Masse etwa 7 Kilogramm Pu²³⁹ oder U²³⁵ erforderlich. Werden Plutonium- oder Urankarbidbrennstoffe verwendet, so kann sich ein großer Anteil der Spaltprodukte verflüchtigen und damit aus der Brennstoffschicht in den zwischen dem Kern und dem Graphitreflektor befindlichen Strahlungsspalt gelangen, womit im wesentlichen die Notwendigkeit einer dauernden Brennstoffaufarbeitung ausgeschaltet wird.

Nach einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Erfindung kann U²³⁸ dem Graphit im Reflektorbereich des Reaktors zugegeben werden, so daß damit eine Brutzone für die Bildung von Pu²³⁹ gebildet wird. Das würde sozusagen einen sich selbst unterhaltenden Reaktor ergeben, der im wesentlichen U²³⁸ verbrennt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor mit einem von einem Graphitreflektor umgebenen Graphitkern, der spaltbares Material enthält und mit einem Wärmetauscher zum Abführen der im Kern frei werdenden Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkern aus einem aus dichten Graphit gebildeten Hohlzylinder (2, 24) besteht, dessen äußere Oberflächenschicht (3) spaltbares Material enthält und dessen Oberflächentemperatur 2000° C übersteigt, daß der Graphitkern (2, 24) in an sich bekannter Weise im Abstand von einem konzentrisch zum Kern angeordneten Reflektor (6,28) umgeben ist, daß die Temperatur des Reflektors mindestens 1000°C unter der Oberflächentemperatur des Kernes (2, 24) gehalten ist, daß der Wärmeaustauscher (5) in dem Reflektor (6, 28) eingesetzt ist und daß im Zwischenraum (4, 26) zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Graphitkern (2, 24) kontinuierlich ein inertes Gas umläuft.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlraum des Graphitzylinders (24) konzentrisch zu ihm und mit Abstand von ihm ein weiterer Wärmetauscher (21) eingesetzt ist und daß die innere Oberflächenschicht des Graphitzylinders ebenfalls spaltbares Material (23) enthält.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das spaltbare Material enthaltende^) Oberflächenschicht(en) (3, 23) des Graphitkernes (24) mit einer Verbindung aus der Klasse der Karbide von Uranium und Plutonium imprägniert ist (sind).

4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (4, 22, 26) zwischen Kern und Reflektor etwa 1,2 cm beträgt.

5. Kernreaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Reflektor (6, 28) spaltbares Material in wesentlich geringerer Menge als im Kern (2, 24) vorhanden ist.

6. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Reflektor (6,28) Ausnehmungen für die Einführung von Proben in den Bereich des hohen Neutronenflusses und hoher Temperatur vorgesehen sind.