DE1514970A1 - Kernreaktore mit langer Lebensdauer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich, allgemein gesagt, auf einen heterogenen Kernreaktor und insbesondere auf eine Kernreaktor-Anordnung, welche fähig ist, über eine lange Lebensdauer hinweg ohne die Notwendigkeit der Nachführung von Brennstoffen, gross© und vorbestimmbare Mengen an .Energie zu liefern.

Insbesondere bezieht sich vorliegende Erfindung auf heterogene Reaktor-Konstruktionen des sogenannten Brut-Reaktor-Typs, wobei' spaltbares Brennstoffaaterial und sogenanntes fruchtbares (brutfähiges) Kernbrennstoff-Material voneinander gesondert im Reaktorkern in vorbestimmter Weise angeordnet ist, wobei die relativen Konzentrationen an spaltbaren und fruchtbaren Materialien derart gewählt sind," dass eine kontrollierte Kettenreaktion im Reaktorkern,bei einem vorbestimmten Kraftniveau für eine wesentlich verlängerte Lebensdauer bewirkt wird.

Auf dem Gebiet der heterogenen Kernreaktoren ist der sogenannte ■Brut-Reaktor-Iyp als Kraft erzeugender Reaktor recht prominent. .

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In der Shippingport Atomic Power Station in Shippingport, Pennsylvanien/USA, wurde der erste zentrale Kraftstationsreaktion errichtet, der fähig istj grosse Mengen an Energie zu erzeugen und der einen sogenannten Keim (seed) aus stark angereichertem Uran (U ) und einen Mantel aus natürlichem Uran (U ) besitzt. Die Keim-Region besass im allgemeinen eine ringförmige Gestalt, während der natürliche Uran-Mantel sowohl einen Zentralkern als auch einen äusseren, den Keim umgebenden Ring aufwies.

Bei der Shippingport Atomic Power Station wird, wie bei jedem anderen Kernreaktor., die Begrenzung der Operationsmöglichkeit des Reaktors durch den sogenannten Reaktivitätsüberschuss (excess reactivity) des Reaktors zu jedem Zeitpunkt während der Lebensdauer des Reaktorkerns bestimmt.

Genauer, gesagt: Der innerhalb des Reaktors gebildete Reaktivitätsüberschuss darf die Kontrollfähigkeit der Reaktorkontrollsysteme nicht übersteigen. So besteht eine offenbare Begrenzung eines jeden Reaktors in der Grosse des Reaktivitätsüberschusses, der noch durch das Reaktorkontrollsystem unter Kontrolle gehalten werden kann.

Es darf darauf hingewiesen werden, dass die typischen Reaktiv!- · tätsüberschuss-Werte, welche bei einer oder mehreren Tageskontroll· Verfahren noch kontrollierbar sind, sich in der Grössenordnung von 0,10 bis Ο.,3Ο-ΔΚ_οί.~ bewegen (maximaler Reaktiv! tätsüberschuss bei Gleichgewichts-Bedingung). ·

In der-Shippingport Station wurde festgestellt, dass der maximale Reaktivitätaübarsehuss während der Lebensdauer des Keims zu Be ginn der Iiebensäauer vorhanden ist. Der Reaktivitätsüberschuss

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nimmt gleichmässig mit der lebensdauer ab (d.h.-je langer das Leben bereits gedauert hat, umso mehr verringert sich der Reaktivitätsüberschuss. Als Ergebnis ist festzustellen, dass die Keim-Lebensdauer des Shippingport Brut-Reaktors durch den Zeitraum bestimmt wird, in welchem der Reaktivitätsüberschuss des Reaktorkerns zwischen dem Maximum des kontrollierbaren Reaktivitätsüberschusses (Beginn der Lebensdauer) und Null (Ende der Lebensdauer) liegt.

Ein völlig anderer Kraftreaktor mit gemischtem Brennstoff stellt der dem Stand der Technik als "leicht angereicherter" Reaktor bekannte Typ dar. Ein leicht angereicherter Reaktor kann als ein Brut-Reaktor angesehen werden, dessen Keim eine Dicke von 0 besitzt, in anderen Worten, der leicht angereicherte Reaktor besitzt eine gleichförmige Verteilung von angereichertem Uran oder anderem spaltbaren Brennstoff (gewöhnlich in der Grössenordnung von 1 bis 6 $, bezogen auf den Gesamtbrennstoff) innerhalb des gesamten Reaktorkerns. Der leicht angereicherte Reaktor besitzt seinen maximalen Reaktivitätsüberschuss, ebenso zu Beginn der Lebensdauer, wobei dieser Reaktivitätsüberschuss gleichförmig mit der Lebenserwartung absinkt.

Bei dem Shippingport-Brut-Reaktor wurde ein relativ dicker, ringförmig geformter Keim benutzt, der maximale Reaktiyitätsüberschuss war zu Beginn der Lebensdauer vorhanden. Bei dem leicht angereicherten Reaktor, bei welchem praktisch ein Keim der Dicke Null zur Anwendung gelangt, liegt der maximale Reaktivitätsüberschuss (maximum excess reactivity) ebenfalls am Beginn der Lebensdauer. Der Effekt der Schaffung einer Reaktorkonstruktion, welche ihren maximalen Reaktivitätsüberschuss zu Beginn der Lebensdauer aufweist, liegt demnach sowohl bei einem

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Keim beträchtlicher Dicke als auch bei einem Keim der Dicke Null vor.

Gemäss vorliegender Erfindung ist der Grad eines solchen Reaktivitätsüberschusses zusammen mit dem Verhältnis von spaltbarem zu fruchtbarem Material, ferner die Positionierung solchen Brennstoffes und die Dicke des Keims von direkter bestimmender Bedeutung für die Lebensdauer des Reaktors.

Bei der praktischen Durchführung vorliegender Erfindung wird ersichtlich, dass es wünschenswert ist, die oben beschriebenen Quantitäten zu gewissen optimalen Bedingungen zu variieren, worin dann der Erfolg dieser.optimalen Bedingungen in der Schaffung eines funktionierenden und lang lebenden Reaktors besteht.

Beispielsweise ist es gewünscht, ein optimales Verhältnis von

spaltbarem zu fruchtbarem Brennstoff zu besitzen.- Ferner ist es notwendig, eine solche geometrische Anordnung zu treffen, bei welcher ein optimales Verhältnis an spaltbaren Keim-Kernen zu fruchtbaren Mantel-Kernen erreicht wird, wobei der Keim eine wirksame Dicke innerhalb vorbestimmbarer Werte besitzt.

Bei Befolgung der Grundsätze vorliegender Erfindung wird die Häufigkeit der Kontrollen, welche beim Reaktor notwendig sind, um eine Anpassung der maximalen Reaktivitätsschwingung zu erreichen, für jede gegebene cUrsprungsladung an spaltbarem Material reduziert. Es ist daher bei einer gegebenen Kontrollschwingung möglich und erlaubt, eine grössere Ursprungsladung an spaltbarem Material einzusetzen. Bezüglich jeder vorgegebenen Ladung an spaltbarem Material kann durch Befolgung der technischen Lehre vorliegender Erfindung die Lebensdauer des Reaktor-

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kerns maximal gehalten werden.

JBs ist daher ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung, die gewinnbare Energie bei einer gegebenen Ladung an spaltbarem Brennstoff in einem Brut-Reaktor auf einen Maximalwert zu bringen.

Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung besteht in der Schaffung eines Neutronen-Reaktors vom Brutreaktor-Iyp, bei dem die Dicke des Reaktorkerns derart bemessen ist, dass eine ausgedehnte lebensdauer des Reaktors erreicht wird.

Es ist ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung, einen neuen und verbesserten Neutronen-Reaktor vom Brutreaktor-Iyp zu schaffen, bei dem der spaltbare Brennstoff und der fruchtbare Brennstoff (- Brutmaterial) innerhalb des Reaktors derart in einer vorbestimmten V/eise ausgewählt und positioniert ist, dass eine verlängerte Lebensdauer des Kernreaktors erreicht wird. .

Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung besteht in der Schaffung eines Neutronenreaktors, der fähig ist, sich ai\ ein vorherbestimm'-tes Reaktivitäts-Schwingungsmaximum während seiner Lebensdauer anzugleichen, wobei diese Reaktor- Anordnung mit spaltbarem und fruchtbarem Brennstoffmaterial ausgewählter Natur beschickt ist, um die Lebensdauer des Reaktors maximal zu gestalten.

Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung besteht in der Schaffung eines Neutronen-Reaktors vom Brut-Reaktor-Typ, welcher eine verlängerte Lebensdauer besitzt, wobei der maximale Reaktivitätsüberschuss im Reaktor noch nioht zu Beginn der Lebensdauer vor-

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hand en zu sein braucht. Λ.

Es ist ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung, einen neuen und verbesserten Reaktor vom Brutreaktor-!Cyp zu schaffen, welcher von Anfang an sowohl spaltbares als auch fruchtbares Material enthält, wobei praktisch das gesamte spaltbare Material im Reaktorζentrum und praktisch das gesamte fruchtbare Material im Reaktormantel Vorhanden-ist, wobei das Reaktorzentrum eine vorbestimmte Dicke besitzt und ein vorbestimmtes Verhältnis von spaltbarem Material (im Zentrum angeordnet) zu Mantelmaterial ' vorhanden ist, wobei ein Reaktor mit einer verlängerten Lebensdauer geschaffen wird.

Bei der vorliegenden Erfindungsbeschreibung ist spaltbares Material als solches zu definieren, welches eine hohe Spaltungswahre oheinliohfceit bei der Abaorbierung von thermischen Neutronen besitzt. Der Ausdruck "fruchtbares Material" bezeichnet ein solches, welches eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweist, spaltbar zu werden, nachdem es thermische Neutronen absorbiert hat.

Kurz gesagt, erreicht die Erfindung die oben dargelegten Ziele durch die Schaffung eines Brut-Reaktors langer Kern-lebenszeit durch die genaue Auswahl der Sicke des Reaktorzentrums, sowie der Massenanteile von spaltbarem und fruchtbarem Material, sov/ie von dessen Beschaffenheit und ferner durch eine geeignete geometrische Anordnung des' spaltbaren und fruchtbaren Materials, so dass der Reaktivitätaübersohuss,der während der Reaktor-Iebenszeit auftritt, in einer solchen Grossenordnung liegt, die durch eine oder mehrere täglich ausgeführte Kontrollen beherrscht werden kann.

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Es wurdt gefunden» dass bezüglich eines Brut-Reaktors mit einem . gegebenen Verhältnis an spaltbarem, zu fruchtbarem Brennstoff ein optimaler Bereich bezüglich der Dioke des Keimzentrums für jedes Verhältnis spaltbarer Brennstoff zu fruchtbarem Brennstoff besteht» wodurch ein Reaktor geschaffen wird» der einen minimalen ReaktivitätsUberechuss besitzt und dessen Lebensdauer diejenige der bekannten B_rut-Reaktoren und der leicht angereicherten Reaktoren um ein Mehrfaches Übersteigt.

Weitere Ziele, Vorteile vorliegender Erfindung werden aus der nun folgenden Einzelbeschreibung des neuen Järfindungsgegenstandes dargelegt. Zum besseren Verständnis vorliegender Erfindung dienen die beiliegenden Figuren.

Die Figuren IA, IB und 10 zeigen jeweils einen Satz graphischer Darstellungen, welohe den Effekt des Keim-Radius.(seed radius) und den Effekt des Verhältnisses von spaltbarem Brennstoff zu dem Gesamtbrennstoff In einem Neutronenreaktor des Brutreaktor-Typs bezüglich der Lebensdauer und der Anzahl der Kontrollen, die für einen solchen Reaktor, bei dem Ihorium-232 als Mantel-Brennstoff verwendet wird, darlegen.

Figur 2 ist eine graphische Summendarstellung der Familie der graphischen Darstellungen'der Figuren IA, IB und IC und zeigt die Wirkungen des Wechsels der Brennstoff-Konzentration und der Keim-Dicke auf den maximalen Reaktivitätsüberschuss in einem Brut-Reaktor während der Reaktor-Lebensdauer.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung, welche die Effekte beim Wechsel der Brennstoff-Konzentration und der Dicke des Keims bezüglich des maximalen Reaktivitätsüberschusses zeigt, welcher in einem Brut-Reaktor in der Nähe des Beginns der Reaktor-Lebenszeit vorliegt.

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Figur 4 ist eine graphische Darstellung, welche den Einfluss dar Dicke des Keims und den Einfluss des Verhältnisses von spaltbarem Brennstoff zum Geeamtbrennstoff auf die Anzahl der notwendigen Kontrollen bei vereohiedenen Brut-Reaktoren, welche Thorium-232-Brennstoff-Mäntel besitzen,, zeigt.

Figur 5 zeigt nochmals die graphische Darstellung der Figur 4 mit darüber gezeichneten Angaben bezüglich der konstanten Lebensdauer der jeweiligen Reaktoren.

Figur 6 1st eine graphische Darstellung ähnlich wie die der Figur 5» wobei .das Mantelmaterial diesmal natürliches Uranium als Brennstoff enthält.

Figur 7 ist eine graphische Darstellung, ähnlich wie der Figur 5» wobei das Mantelmaterial diesmal erschöpftes Uranium als Brennstoff enthält.

Die Figuren 8, 9 und IO zeigen jeweils einen schematischen Querschnitt der Brut-Reaktoren, welche nach dem Vorschlag vorliegender Erfindung geschaffen wurden.

Brennstoff-Anordnungen

Bei der Betrachtung vorliegender Erfindung ist zu beachten, dass alle hler beschriebenen Materialien sich auf die Konstruktion eines Brut-Reaktors beziehen, in welchem zwei voneinander abgetrennte Regionen im Reaktorkern vorhanden sind, welche als Keim-Region und als Mantel-Region "bezeichnet werden»

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Der Brennstoff der Keim-Region ist fast gänzlich aus spaltbarem Material gebildet, beispielsweise aus stark angereichertem Uranium-235f der Brennstoff des Mantels ist fast vollständig aus sogenanntem fruchtbarem Material, wie beispielsweise Uran-23* oder Thorium-232 gebildet.

Bei der Betrachtung des Uran-238 ist zu beachten, dass das natürlich vorkommende. Uran aus Uran-238 besteht, welches etwa 0,7 i" an spaltbarem Material (U-235) enthält. Es werden jedoch grosse Mengen an natürlichem Uran in Diffusionsanlagen verarbeitst, zum Zwecke der iJntfernung des spaltbaren Materials. Das Nebenprodukt solcher Diffusionsanlagen besteht aus Uran-238, welches einen sehr niederen spaltbaren Anteil aufweist, d.h. dieses Nebenprodukt, welches als erschöpftes Uran bezeichnet wird, enthältetwa noch 0,22 $ an spaltbarem Material (U-235)·

So bestehen geeignete, fruchtbare Materialien, die in dem Mantel verwendet werden können, entweder aus Thorium, erschöpftem Uran oder aus natürlichem Uran.

Die in den Figuren 1 bis 5 dargelegten Berechnungen wurden unter Zugrundelegung der Tatsache gemacht,.dass die Mantel-Region aus natürlichem Thorium hergestellt wurde, welches hauptsächlich (d.h. fast au 100-$) aus Thorium-232 besteht; die graphischen Darstellungen der Piguren 6 und 7 dagegen beziehen sich auf die "Verwendung von Mäntel aus natürlichem_rUran, bzw, aus erschöpftem Uran. · ;

Reaktor-Kontroll-Betrachtungen.

In Verbindung mit vorliegender .Erfindung ist zu beachten, dass es verschiedene Verfahren zur Kontrolle des Reaktivitätsüber-

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Schusses in einem Kernreaktor gibt.

Zu diesen Kontrollmethoden gehört (1) die Verwendung von beweglichen "Giftstäben" (welche auch Kontrollstäbe genannt werden), (2) die Verwendung von festem, brennbarem "Gift", (3) die Hineinführung und Herausführung von Brennstoff aus dem Reaktorkern, (4) die Variation der Konzentration von schwerem Wasser in normalem Wasser (Verhältnis von DpO ^zu Hp^) ^ⁿ wassermoderierten Reaktoren und (5) die Kontrolle durch homogenes "Gift".

Bezüglich, der Kontrollfähigkeit.oder der Kontrollschwingung (control swing) darf in Verbindung mit vorliegender Erfindung auf den Unterschied von maximaler und minimaler Reaktivität eines Reaktorkerns bei voller Kraft hingewiesen werden. Es ist bekannt, dass bei d*er Verwendung der ersten vier obengenannten Kontrollmethoden praktisch Grenzen existieren bezüglich der Stärke der Reaktivitätsschwingung oder der Kontrollschwingung, welche bei einem vorgegebenen Reaktor zur Verfügung steht. .Sine Anzahl der vorhandenen· Reaktoren ist derart gestaltet, dass die maximale Kontrollschwingung (= der maximale verfügbare Reaktivitätsüberschuss bei vollem Kraftgleichgewicht zu jedem Zeitpunkt der Lebensdauer) in der Grossenordnung von 10 $ liegt (Ο,ΙοΔκ

Bei Verwendung einer oder mehrerer kombinierter, oben unter 1 bis 4 genannten Kontrollmethoden, können die Reaktoren derart gestaltet werden, dass sie eine Kontrollschwingung bis zu 50 fo '(0,20 A K ff.) aufweisen. Wenn man jedoch den Kontrolltyp, der durch die Verwendung von homogenem Gift gekennzeichnet ist, benutzt, wobei das Gift einen hohen Grad an Löslichkeit in einem Kühlmittel besitzt und in diesem Kühlmittel vermischt wird,

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können Kontrollschwingungen über 30 °/o (Ο,3θΔκ_Qff) erreicht werden. "

Ss ist jedoch zu betonen, dass gemäss der Lehre vorliegender Erfindung, die Erzielung einer Gift-Kontrolle mit einer zu grossen Kontrollschwingung, einen ungünstigen Einfluss auf die Lebensdauer des Reaktorkerns besitzt. Diese Tatsache liegt in dem Umstand begründet, dass die Giftkontrolle durch Neutronenabsorption letztere vergeudet, welche sonst in der Lage gewesen wären, fruchtbares Brennstoffmaterial in spaltbares Brennstoffmaterial überzuführen bzw. die'Spaltung des spaltbaren Brennstoff materials zu bewirken, unter Schaffung von Energie.

In Verbindung mit der graphischen Darstellung der Figuren 1 bis 7 wurde ein Kontrolltyp unter Verwendung eines beweglichen Giftstabes zugrunde gelegt (Fall -1- oben).

Wenn andere der oben genahnten Üjypen der Giftkontrolle durchgeführt werden oder wenn die Konzentration des schweren Wassers variiert wird, treten nur geringere Variationen bei den graphischen Darstellungen der Figuren 1 bis 5 auf. Wenn eine bewegliche Brennstoffkontrolle durchgeführt wird, muss die,Keimdicke als maximale Keimdicke verstanden werden (= maximum seed thickness). Mit beweglicher Brennstoffkontrolle ist es wieder möglich, eine maximale Keimdicke, sowie ein Massenverhältnis auszuwählen, welches zu, einem Reaktor führt, der einen minimalen Reaktivitätsüberschuss aufweist und gleichzeitig als Folge davon eine verlängerte Lebensdauer. In diesen Fällen ist die Lebensdauer vergleichsweise höher als in dem Falle, bei dem keine Neutronen an das Gift verloren werden.

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Geometrische- Betrachtungen«

Wie anhand der Figuren 8 bis 10 im einzelnen dargelegt ist, wird gemäss vorliegender Erfindung eine Brut-Reaktor-Geometrie angewendet, welche man als Mittelding zwischen der einzig vorhandenen Keimanordnung.des Shippingport-Reaktors und der Anordnung mit leicht angereichertem Keim oder Null-Keim ansehen kann.

Gemäss vorliegender Erfindung wird eine solche Geometrie geschafifen, bei der die Mantelregion als fruchtbare Region des Reaktors so gleichförmig wie möglich dem Keim (= seed) ausgesetzt ist, um eine verhältnismässig gleichmässige Bestrahlung dieses Mantels zu gewährleisten;, dabei sind die Keime und die Mäntel voneinander getrennt angeordnet, wobei lediglich die Keime der Kontrolle unterliegen, so dass die Kontrollvorteile eines Brut-Reaktors wahrgenommen werden. ■

Um eine gleichmässige Bestrahlung sicherzustellen, muss der Gipfelpunkt des durchschnittlichen Ausbrennens im Mantel minimal gehalten werden. Es ist ein Gipfel bezüglich des durchschnittlichen Aüsbrennens im Mantel von weniger als 2,5 notwendig; bei der Anordnung gemäss Figur 9 liegt der Gipfelpunkt des durchschnittlichen Ausbrennens im Mantel bei etwa 1,7.

Eine geeignete Geometrie zur Er-zielung einer solch gleichförmigen Bestrahlung des Mantels besteht in der Schaffung einer Anzahl von einander im Abstand angeordneten.Keime im Reaktorkern, wobei jeder eine Verbindung zu Kontrollmitteln besitzt und wobei ferner jeder Keim zum Zwecke der Bewirkung der Bestrahlung eine Mantelregion aufweist, welche in seiner Nachbarschaft angeordnet ist.

Bei der Schaffung einer Geometrie mit einer Anzahl von in Abstand angeordneten Keimen darf betont werden, dass dabei die Keime zahlreiche verschiedene Querschnitts-Formen aufweisen können, bei-

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spielsweise die Querschnittsform der Figur 8, die kreisförmige Quersehnittsform eier Figur 9 oder die ringförmige Querschnittsform der Figur Io. Solche geometrischen Variationen der Keimformen bzw. Keimkonfigurationen hat nur eine geringe Auswirkung auf die Lage der Kurven der Figuren 1 bis 5; alle diese Formen bzw. Konfigurationen liegen innerhalb vorliegender Erfindung und die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, welche weiter unten noch im einzelnen ausgeführt werden, sind gleiehermassen auf jede Querschnittsform anwendbar.

Bei .der Betrachtung der graphischen .Darstellungen der Figuren 1 bis 7 ist jedoch zu beachten, dass eine Keimanordnung mit einer kreisförmigen Querschnittskonfiguration (wie in Figur 9 gezeigt) verwendet wurde. Demgemäss sind alle Angaben bezüglich der Dicke des Keims derart, dass sie sich auf den Keimradius eines zentral angeordneten Keims mit kreisförmigem Querschnitt beziehen.

Bei der Betrachtung der Geometrie wird häufig die "Dicke" des Keims erwähnt. Bezüglich eines kreisförmigen Keims ist unter der Dicke der Eadius des Kreises zu verstehen. Bei einem Keim mit quadratischem Querschnitt ist unter der Keimdicke ein v/ert zu verstehen, der ähnlich mit dem Radius eines Kreises ist, jedoch äquivalent der mittleren Dicke des Keims gemessen vom Zentrum des Quadrats. Bei einem ringförmigen Keim ist unter der Keimdicke der Differenzwert zwischen dem Radius des grösseren Kreises und dem hadius des kleineren Kreises zu verstehen.

Die Ersetzung des kreisförmigen Keims, welcher in den Berechnungen der graphischen Darstellungen der Figuren 1 bis 5 verwendet wird, durch einen quadratischen Keim, bringt keine wesentlichen Variationen in den graphischen Darstellungen der figuren 1 bis 5> es

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finden also nur geringe Änderungen bezüglich der numerischen Werte von Massenverhältnis, Lebensdauer oder Kontrollschwingung. statt. - ■-...---.·.-·..

Bei der Durchführung der Berechnungen, als deren Ergebnis die graphischen Darstellungen der Figuren 1 bis 4 angegeben sind, wird der Ausdruck "Massenverhältnis'¹ verwendet. Das Massenverhältnis ist hierbei definiert als das Verhältnis von spaltbarem Brennstoff zu Gesamtbrennstoff, wobei der Gesamtbrennstoff sowohl aus spaltbarem als auch aus fruchtbarem Brennstoffmaterial besteht.' Alle Kurven der Figuren 1 bis 5 sind berechnet unter Zugrundelegung der Verwendung der gleichen Menge an spaltbarem Brennstoff. Um eine Variation des Massenverhältnisses zu bewirken, wurde stets eine Variation der Menge an fruchtbarem Brennstoff durchgeführt. · .. r

Es ist ferner zu beachten, dass die lebensdauer e::ines.Be;a:ktors ■-■·.: gleichförmig mit dem Gehalt an spaltbarem Brennstoff .variiert. Mit anderen yVorten: vVenn der Gehalt an spaltbarem. Brennstoff bei einem konstanten Massenverhältnis ansteigt, wird die lebensdauer des Reaktors bezüglich einer Operation bei vorgegebenem Kraftniveau verlängert. Bei den Berechnungen, welche in. den graphischen Darstellungen der Figuren 1 bis 5 niedergelegt sind, wurde eine maximale Kraft-Dichte (Kilowatt pro Liter) bezüglich, der Keime in allen Fällen angenommen. Der.Kraft-Ausstoss pro Ladungseinheit, an spaltbarem Material/ ,Megawatt .. λ . -_f

/Metrische Sonne tj235 j

ist in allen Beispielen vorliegender Beschreibung ausgewählt bei

Es ist also jeweils die berechnete Lebensdauer ein direktes Mass der pro Ladungseinheit an spaltbarem Material erhaltenen Energie.

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Keim-Parameter.

Die Berechnungen bezüglich der Figuren 1 bis 5 wurden im Hinblick auf die Erreichung einer maximalen Lebensdauer und deshalb mit einem maximalen Gehalt des Keims an'spaltbarem Brennstoff durchge-.führt. Es ist ferner vorteilhaft, das Atomverhältnis von Struktur-Material zu Brennstoff in den Keimregionen minimal zu halten. Deshalb wurde die Dichte an spaltbarem Brennstoff in den Keimelementen des Brennstoffes maximal gehalten. Diese Dichte ist derzeit durch metallurgische Betrachtungen begrenzt, und zwar derart, dass man etwa 3o x 10 Spaltungen/ccm. produzieren kann. Bezüglich eines Keims, der aus Uran-235 gebildet wird, entspricht das einer Atomdichte innerhalb der Elemente des Keimbrennstoffs von 37,5 χ Io²° Atomen/ccm.

Die Wirksamkeit des Keims bezüglich der Produktion·'von überschüssigen Neutronen (welche im Mantel verwendet werden) ist abhängig von dem Verhältnis .der Wasserstoffatome zu den spaltbaren Brennstoffatomen. Im Falle eines Keimbrennstoffs aus Uranium-235 liegt das , optimale Verhältnis von V/asserstoffatomen zu Uran-235-At omen bei 6o bis 75. Zur Erreichung der optimalen Lebensdauer sollte das durchschnittliche Verhältnis während der Lebensdauer in diesem Bereich liegen. ·

Bei den in den Figuren 1 bis 7 dargestellten, erläuternden Beispielen wurden 37,5 x Io Atome Uran-235/ccm.-innerhalb einer Brennstoffstange von o,28o Zoll Durchmesser verwendet. Das Verhältnis Wasserstoff zu Uran-235 wurde bei Beginn der Lebenszeit auf 3o,2 eingestellt. So .betrug unter Berücksichtigung der notwendigen Strukturliomponenten des Keims und der Wasserdichte das ' Verhältnis von Keimmetall zu Y/asservolumen o,75.

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Mantel-Parameter,

Bezüglich der Konstruktion des Mantel-Anteils des Reaktorkerns wurde darauf hingewiesen, dass natürliches Uran, welches o,7 % an.spaltbarem U-235 enthält, Thorium, welches kein spaltbares Material enthält oder erschöpftes natürliches Uran als fruchtbares Mantel-Brennstoff-Material verwendet werden kann. Insoweit als eine nachteilige Beeinflussung der lebensdauer und der Kont'rolerfordernisse durch die Verwendung von fruchtbarem Material, welches leicht angereichert ist mit spaltbarem Material, stattfindet, wurden die Berechnungen, welche den Kurven 1 bis 5 zugrundeliegen, auf der Basis von Thorium-232 als fruchtbares Material, welches im Mantel vorhanden ist, angestellt. Bezüglich der Kurven 6 "und 7 ist zu sagen, dass alle Variablen gleich waren wie bei den Figuren 1 bis 5 mit der Ausnahme, dass das Mantelmaterial bei Figur 6 aus natürlichem Uran und bei Figur 7 aus erschöpftem Uran bestand.

Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, muss der Mantel so viel Energie als möglich erzeugen, unter Verwendung der im Keim erzeugten Neutronen. Der Wirkungsgrad, mit welchem dies erreicht wird, ist abhängig von dem Verhältnis an Moderator-Atomen zu fruchtbaren Brennstoffatomen. " .

In den speziellen Beispielen der Figuren 1 bis 5» liegt die Bedeutung im Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Thoriumatomen im Mantel. In dem Fall, dass das Verhältnis Wasserstoff zu Thorium von einem sehr niedrigen Wert (z.B. o,5) beginnend ansteigt, ist das Verhältnis an produzierter Energie zu produziertem Ur an-233-Rückstand grosser werdend. Gleichzeitig nimmt die parasitische Absorption im Wasserstoff zu; für ein Verhältnis Wasserstoff zu Thorium grosser als 3 gilt, dass die Wirksamkeit, mit der der Mantel Neutronen aus dem Keim, verwendet, abnimmt. Für einen Uran-235-Keim wird man ein vVasserstoff/Thorium-Verhältnis bis zu 3,ο

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wählen, was jeweils von dem relativen Kräftwert (Energiewert) und" der Uran-235-Produktian abhängt. £ ine Wahl eines Verhältnisse von Wasserstoff zu Thoriumatom von oberhalb 4,ο ist nicht günstig

Bezüglich der illustrierenden Beispiele der Erfindung gemäss der figuren 1 bis 5 ist zu sagen, dass ein Verhältnis von Wasserstoff zu Thoriumatom von 3,ο eingehalten wurde. Beim iiiantel-Brennstoff-Element, welches aus einem Stab von o,674 Zoll Durchmesser mit Thoriumoxyd (ThOp) einer Eichte von 8o %_r wobei die Wasserdichte o,76 g/ccm. betrug, bestand, wurde ein Verhältnis von Metall zu Wasser in dem .Mantel von 1,29 eingehalten.

Es darf ferner betont werden, dass alle Berechnungen auf der Basis eines hochdruckdichten -Wasfjarre-ak'bors gemacht wurden, wobei leichtes Wasser (HpO) sowohl als Kühljjiictel als auch als Moderierungsmaterial verwendet wird. Der üfeutronenabschluss wurde bei dieser Reaktion zu 2 % angenommen, entsprechend einem (elektrischen) Reaktorwert in der Grössenordnung von 5Ö0 Mw.

Thorium-Mantel-Reaktoren.

In ü'igur 1 der beiliegenden Zeichnungen ist eine Reihe von graphischen Darstellungen angeführt, welche als Figuren IA, IB und IC bezeichnet sind, und die Auswirkungen einer Veränderung des Brennstoff-Verhältnisses (Verhältnis von spaltbarem Brennstoff zu Gesamtbrennstoff) angeben; diese figuren zeigen ferner die Wirkung einer Variation der Dicke des Keims auf den Reaktivitätsüberschuss (welcher in dieser Besehreibung auch als Kontrollschwingung, als erforderliche Kontrolle oder als A K ^ bezeichnet wird, sowie auf die Lebensdauer eines Brutreaktors.

Aus der folgenden Tabelle I sind, die durch die Kurven A, B und · C, D und E der Figur IA dargestellten Effekte bezüglich einer

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Keimdicke von Oj 5; Io; 15 und 2o Zentimeter, zu entnehmen.

TABELLE I

	Dicke des Ke ims	Brennstoff- Massen-Verhältnis ' Spaltbarer Brennstoff	■Erforderliche Kontrolle	Lebensdauer
Kurve	in cm.	G-esamtbrennstoff	(Maximum) K0.	„f in Stunden
A	O '	o,o75	o,4o	53.000
B	5	o,o75 -	o,.21	6I.500
C	Io	o,o75	o,17	66,0 00
L	15	o,o75	o,18	65.500
E	2o	o,o75	P,27	62.500
	0	o,o5o	0,29	50.000
G	5 .	o, o5o	+ ■"	+· -
H	10	o,o5o	+	H-
J"	15	o,o5o	o, Io	64.5OO
K	2o	o,o5o	o,25	58.000
L	0	o,o25	ο, ο 5	I6.000
M	5	o,o25	++	++
N	Io	o,o25	++	++
P	15	o,o25	o,o6	13.500
Q	2o	o,o25	o,24	40.000

+ Negativer Reaktivitätsüberschuss im frühen Lebens'stadium. ++ Negativer Keaktivitätsüberschuss während der ganzen Lebensdauer.

Wenn man sich die Kurve A ansieht, erkennt man, dass bei einer Dicke O des Keims (d.h. bei einem „leicht angereicherten Reaktor) der maximale Reaktivitätsüberschuss zu Beginn der Lebenszeit auftritt und ο,4οΔκ _ff beträgt. So sind für die Errichtung

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diesem durch Kurve A dargestellten Reaktors Kontrollmittel nötig, die fähig sind, eine Kontrollschwingung von ο,4οΔ K_eff zu absorbieren. In ähnlicher Weise tritt der Reaktivitätsüberschuss ebenfalls zu Beginn der Lebensdauer^ in einer Hohe von o,28ΔK^ auf, wenn die Dicke des Keims 2o Zentimeter beträgt, wie dies durch die Kurve E der Figur IA dargestellt ist.

Betrachtet man sieh die Kurven B, G und D, so wird man jedoch erkennen, dass, wenn die Keimdicke zwischen O und 20 Zentimeter variiert, der maximale Reaktivitätsüberschuss oder die für den Reaktor benötigte Kontrolle kleiner wird. Wenn man von einem Reaktor ausgeht, der fähig ist, sich an eine Kontrollschwingung von ο,2οΔΚ₆^ zu accommodieren, so sieht man aus den Kurven C und D, dass Reaktoren mit einer Keimdicke zwischen Io und 15 Zentimeter eine Lebensdauer-Wahrscheinlichkeit von etwa 65.ooo Stunden besitzen.

In der Figur IA verläuft die Kurve 12, die strichliert gezeichnet ist, durch die Punkte des maximalen Reaktivitätsüberschusses all der Kurven A,B,C,D und E. Aus der Kurve 12 kann entnommen werden,, dass ein optimaler Bereich der Keimdicke vorhanden ist, welcher bewirkt, dass für einen gegebenen Brutreaktor die benötigte Kontrolle auf ein Minimum gebracht wird. .Die Figuren IB und IC erläutern die wirkung einer Variation des Brennstoffverhältnisses auf die Menge an erforderlicher Kontrolle und auf die Lebensdauer eines Brutreaktors. In Figur IB ist das Brennstqffverhältnis bezüglich der Kurven F, G, H, J und K zu o,o5o ausgewählt. Bei der Figur IC ist ein Brennstoffverhältnis von o,o25 zugrunde gelegt, die Kurven L, M, N, P und Q bilden, dies . ab. Andere Parameter, welche sich auf die Kurven F, G, H, J und K, sowie auf die Kurven L, M, N, P und Q der Figuren IB und IC -beziehen, sind im Detail in Tabelle I angegeben.

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Die Kurve 14 der Figur IB ist durch die Punkte des maximalen Reaktivitätsüberschusses der Kurven 3?, G, H, J und K gezogen und ist deshalb der Kurve 12 der Figur IA ähnlich. Ferner ist die Kurve 16 durch die Punkte des maximalen Reaktivitätsüberschusses der Kurven L, M, N, P und Q gezogen. Aus den Kurven 12, 14 und 16 ist zu entnehmen, dass der uasiseffeKt des Kleinerwerdens des Brennstoffverhältnisses darin besteht, die für eine gegebene lebensdauer notwendige Kontrollmenge zu verringern. Bei der Betrachtung der Kurven G und H der Figur IB jedoch wird ersichtlich, dass die Verringerung des Brennstoffverhältnisses zuweilen einen nachteiligen Effekt auf den Reaktor ausübt. Man sieht, dass die Punkte 18 und 2o der Kurven G und H das Reaktivitätaüberschuss-Minimum der Reaktoren, welches durch die Kurven G und H beschrieben wird, in einem frühen Stadium der Lebensdauer abbilden. Ein solches Reaktivitätsüberschuss-Minimum fällt unter den Nullpunkt,· so dass Reaktoren, welche unter Befolgung der Parameter der Kurven G und H errichtet werden, zu einem gewissen Punkt in einem frühen Gebensstadium unfähig sind, kritisch zu werden. Als Folge ergibt sich, dass die.Reaktorkonstruktionen der Kurven G und H nicht verwendbar sind und dass solche Reaktoren im Effekt eine Lebensdauer von Null besitzen. Ähnlich ist bezüglich der Kurven M und N der .Figur IC zu sagen, dass es dort keinen Zeitpunkt des Lebens gibt, bei dem der Reaktor fähig ist,' kritisch zu werden, während für die Kurven L und P der Figur IC gilt, dass das Ende der brauchbaren Lebenszeit nach einem relativ kleinen Zeitintervall erreicht ist.

Es darf betont werden, dass die Energie-Lebensdauer von Reaktoren, welche gemäss dieser Kurven (z.B. Kurve J) konstruiert wurden,

in der Größenordnung von 25 x 10 MWD liegt. Die Energie-Mi _n235

Lebensdauer bis zur ersten Brennstoff-Nachlieferung der Brutreaktoren des Standes der Technik liegt in der Grössenordnung von

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,."■■-■' -21-

- Blatt 21 -

10 χ 10 MCD .■ Man kann aus den Kurven 12, 14 und 16 ent-

M! 25

nehmen, dass ein Kleinerwerden des Brennstoffverhältnisses ein Abnehmen des Kontrollerfordernisses bezüglich einer vorgegebenen Keimdicke hervorruft. Bei Betrachtung der Figuren IB und IC kann man jedoch weiterhin sehen, dass durch eine zu grosse Abnahme des Brennstoffverhältnisses eine Reaktoranordnung ents-teht, bei der für eine gewisse Keimdicke der Reaktor unfähig ist, zu einem gewissen frühen Zeitpunkt der lebensdauer kritisch zu v/erden. Man kann daraus entnehmen, dass ein ,optimaler Bereich bezüglich der Brennstoffverhältnisse und der Keimdicken existiert, wobei das optimale Brennstoffverhältnis derart mit der optimalen Keimdicke abgestimmt sein muss, dass eine lange lebensdauer und eine verringerte Kontrollschwingung für jede gegebene Brennstoffladung erreicht wird. ■

Die graphischen Darstellungen der Figuren 2 und 5 fassen die vorgenannten Schlussfolgerungen zusammen. Dabei zeigt die Figur 2 das Ergebnis der Auswertung der Kurven 12,-14 und 16 der Figuren IA, IB und IC, welche die Wirkung des Keimradius auf das Kontrollerfordernis oder die Kontrollschwingung bei verschiedenen Brennstoffverhältnissen angeben. Die Kurven 12, 14 und 16 der Figuren IA, IB und IC beziehen sich in gleicher Weise auf die Figur 2* Betrachtet man sich die Figur 2 und die Zusammenstellung der Daten bezüglich Figur 2 in der folgenden Tabelle II, so sieht man, wie oben bereits angeführt wurde, dass ein Kleinerwerden •den Brennstoffverhältnisses und eine optimale Wahl der Keimdicke zu einem Reaktor führt, bei dem die ^enge an erforderlicher Kontrolle auf ein Minimum gebracht wurde.

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	- Blatt 22 - . TABELLE II.	Ke im- \ dicke in cm. ,	Am Minimalpunkt . erforderliche Kontrolle
	Brennstoff- ■ "Massen-Verhältnis -^ /Spaltbarer Brennstoff	J am Mini mal punict	< KeffV
Kurve ITr.	( Gesamtbrennstoff	13 11 9 12	o,24 o,17 o,o8 Negativer Wert
22 12 14 16	o,Io o,o75 o,o5o o,o25

Bei der Kurve 16 existiert ein Bereich einer Keimdicke, in welchen der Reaktor niemals einen positiven Reaktivitätsüberschuss produziert.

Die hier gezeigte Pigur 3 dient zur Darstellung gewisser Reaktorkonstruktionen, die wegen des Auftretens eines negativen Reaktivitätsüberschusses zu einem gewissen frühen Lebenszeitpunkt ausgeschlossen sind. Bei Betrachtung der Kurven B, C, D, E, H, J und N der Figuren IA, IB und IG ist zu beachten, dass dort, wo die Geometrie derart gewählt ist, dass die Keimdicke in einem vorbestimmten optimalen Bereich sich befindet und das Brennstoffverhältnis in einem anderen vorbestimmten optimalen Bereich liegt, irgendwann zu Beginn des Lebens eine Einsenkung in der Reaktivitätskurve vorhanden ist, wie dies durch die Punkte 18 und 2o der Kurven G und H dargestellt ist.

Die Figur 3 zeigt die Auswertung der Niedrigpunkte oder Einsenkungen 18 und 2o für verschiedene Brennstoffverhältnisse und verschiedene-Keimdicken. Die Kurven 26, 28, 3o, 32 und 34 der Figur 3 stellen die Verhältnisse bei -Brutreaktoren dar, welche ein Brennstoffverhältnis von o,lo; o,o75; o,o5; o,o4 und o,o25 aufweisen. Die vertikale Skala der graphischen Darstellung der

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- Blatt 23 -

Figur 3 stellt die Kontrollschwingung oder den Wechsel in der Kern-Multiplikation t/dK_eff) zu Punkten innerhalb des frühen LebensStadiums dar.

"Die horizontale Skala zeigt einen Bereich der Keimdicken von 0 bis 20 Zentimeter.

Bei Betrachtung des Keaktoraufbaues ist es notwendig, zu bestimmen, ob die Kern-Multiplikation zu irgend einem Zeitpunkt im Stadium des frühen Lebens unter dem Nullpunkt. Falls letzteres der Fall ist, kann der Reaktor nicht länger eine Kontroll-Kettenreaktion aufrecht erhalten und wird inoperativ. Als Ergebnis dieses Phenomäns ist der Bereich der graphischen Darstellung der Figur 3 unterhalb der AK_eff - Linie gestrichelt ausgeführt, um die Tatsache zu illustrieren, dass Reaktoren, welche Keimdicken und Brennstoffverhältnisse besitzen, die zu Kontrollschwingungen unterhalb der Null-Linie führen, inoperatiy sind und deshalb als auszuschliessende Fälle angesehen werden müssen.

Die folgende Tabelle III gibt den Bereich der ausgeschlossenen Falle für die verschiedenen Brennstoffverhältnisse, die durch die Kurven 26, 28, 3o, 32 und 34 wiedergegeben werden, an.

Tabelle III

Brennstoff-Verhältnis ->,

(Menge an spaltbarem Brennstoff

Menge an G-e samtbrennst off ,

26 ο,ΐοο

28 "' o,o75

3o o,o5o

32 o,o4o

34 o,o25

Grössenordnung der ausgeschlossenen Keimdicke in cm.

keine

ke ine

4,4 - 12,8 cm. 2,6 - 13,8 cm. Weniger als 14,ο cm.

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- Blatt 24 -

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Wenn das Brennstoffverhältnis beispielsweise o,1q oder o,o75 ist, so gibt es keine Keimdicken, welche wegen einem negativen Keaktivitätsüberschuss in einem frühen Stadium des Lebens· ausgeschlossen sind. Aus der Kurve 3o ist jedoch zu sehen, dass bei einem Brennstoffverhältnis von o,o5 die Keimdicken, die zwischen 4,4 und 12,8 cm. variieren, ausgeschlossen werden müssen, da der Reaktivitätsüberschuss des Reaktors bei einem frühen lebenss.tadium negativ wird.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Kurven 2 und 3 Fälle darstellen, welche infolge eines zu grossen Kontrollerfordernisses unerwünscht sind oder welche infolge eines negativen Reaktivitätsüberschusses in einem frühen Lebensstadium auszuschliessen sind.

Kontroll-Betrachtunpen.

Die Ausschliessungsregionen und die. Gebiete der hohen Kontrollschwingungserforderniss'e sind in der graphischen Darstellung der Figur 4 zusammenge'stellt, welche eine kombinierte Darstellung bzw. Auswertung der graphischen Darstellungen der Figuren 2 und 3 enthält. Genauer gesagt: In Figur 4 ist auf' der vertikalen Achse das sich von 0 bis o,l verändernde Massenverhältnis angegeben. Auf der horizontalen Achse ist die stärke der Keimdicke aufgetragen, welche von 0 bis 2o Zentimeter'ansteigt.

Wie in Tabelle IV dargelegt, zeigt die Kurve 36 der Figur 4 die Punkte auf, an denen in einem frühen Lebensstadium der minimale Reaktivitätsüberschuss gleich Mull ist.

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TABELLE IV

Stelle an der während der Lebenszeit Kurve Ur. die erforderliche Kontrolle maximal ist

38 o,Io Δ K_eff

4o o,15 Δ

42 . "■■ o,2o Ä

44 o,25 Δ K_eff

46 · ' o,3o Δ K_eff

36 Stelle an der während eines früheren ·.

Lebensstadiums der minimale Reaktivitätsüberschuss Null ist.

Alle Punkte, die von der Kurve 36 eingeschlossen werden, sind schraffiert gezeichnet, um die Ausachliessungsfälle (ähnlich v/ie die Ausschliessungsfälle der Figur 3) bei Reaktoren zu kennzeichnen, welche Massenverhältnisse und· Keimdicken besitzen, die unter die Kurve 36 fallen und bei denen in einem frühen Lebensstadium ein negativer Reaktivitätsüberschuss vorliegt. Die Kurven 28, 4o, 42, 44 und 46 stellen Bereiche von Massenverhältnissen und Keimdicken dar, welche 0,lo; 0,15; o,2o; o,25 und o,3o Δ Kg-Pf erfordern.

So kann ein Reaktor-Erbauer, der die Höhe der gewünschten Kontrollschwingung kennt,.die nötig ist, um die Akkomodation an seinem Reaktor zu gewährleisten, unter Verwendung der Figur 4 ein Massenverhältnis und eine Keimdicke bestimmen, welche unter die Kontrollfähigkeit des Reaktor-Kontrollschemas fällt. Ferner wird der Reaktor-Erbauer sofort wissen, ob seine Wahl des Massenverhältnisses und der Keimdicken derart ist, dass zu einem frühen Lebensstadium ein negativer Reaktivitätsüberschuss produziert wird (wenn dem so ist, findet ein Abfall

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- Blatt 26 -

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unter die Kurve 36 statt). Aus der Kurve .38 kann entnommen werden, dass die Region einer Io folgen Kontrolle'bis zu einemgewissen Grad innerhalb dem Bereich, der ausgeschlossen Fällen gehört, weshalb die Kurve 38 in zwei getrennten Bereichen gezeichnet ist·. Es zeigt ferner die Kurve 46, dass dann, wenn Reaktoren verwendet werden, die der Angleichung an eine o,3oA ^Keff -^Kontrolle. fähig sind, ausserordentlich hohe Brennstoffverhältnisse (über o,lo hinaus) bei Schichtdicken von mehr als 7 cm. gewählt werden können.

Lebensdauer-Betrachtungen

Während die Kurven der Figur 4 für den Reaktor-Erbauer vom Standpunkt der Bestimmung der erforderlichen Kontrollmenge und bezüglich der Bestimmung solcher Konstruktionsarten, die ausgeschlossen werden müssen, hilfreich sind, geben diese Kurven jedoch keine Informationen bezüglich der Lebensdauer-Fähigkeit von Reaktoren, welche ausgewählte Keimdicken, Massenverhältnisse und Kontrollfähigkeit besitzen.· Die Kurven der Figur 5 stellen eine exakte Wiederholung der graphischen Darstellung gemäss Figur 4 dar, wobei diesmal eine überlagerung mit den Stellen konstanter Lebensdauer erfolgt ist. Die Kurven 48, 5o, 52, 54 und 56 bedeuten die Stellen konstanter Lebensdauer für Reaktorkerne, welche eine Lebensdauer von 67·-5οο; 65.ooo; 62.5oo; 60.000 und 50.000 Stunden besitzen. Die speziellen Werte bezüglich der Kurven der Figur 5 sind in der folgenden Tabelle V zusammengefasst.

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	.- Blatt 27 -	Erreichbare Kernlebensdauer in Stunden
	TABELLE V	67.500
Erforder liche Maximal- Kontrolle (ΔΚζ	>Ψι>) Kurve HiTr.	65.000
+	48	b2.t)oo
. o,Io	5o	60.000
0,15	52	50.000 ·
o,2o	54
, o,25	56
• o,3o	*

(Die Kurve 36 ist der Ort, unter welchem die Reaktoren im wesentlichen eine Lebensdauer von Null besitzen.) Bei der Betrachtung der Figur 5 ist zu erkennen, dass ein Bereich von möglichen iteaktorkonsTiruktionen existiert, bei denen Lebensdauerjüängen von mehr als 6?.5oo stunden mit einer vollen Kraftproduktion erreicht werden können, bolche Lebensdauer-Längen üDersteigen die maximal mögliche Lebensdauer der Kernreaktoren des Standes der Technik um einen sehr wesentlichen .betrag. Unter Verwendung der Figur 5 ist ein Reaktor-Erbauer in der Lage, bei gegebenen Dicken und Brennstoffverhältnissen die zu erwartende Lebensdauer der Reaktorkonstruktion zu bestimmen, er ist ferner in der Lage, die für den Reaktor notwendige Menge an Kontroll schwingung zu'ermitteln. Wenn beäspi eisweise der Reaktor-Erbauer eine Lebensdauer von mehr als 67.5oo Stunden mit voller Kraftproduktion wünscht und ferner nahe bei einer ο,ΙρΔκ ££-Kontrolle bleiben möchte, kann er die Keimdicken und das Massenverhältnis aus der Region aussuchen, welche in der ITähe der Kurven 36, 38 und 48 liegt. Der letztgenannte Bereich ist durch das Bezugszeichen 58 angegeben.

Im JFalle, dass der Reaktor-Erbauer (Reaktor-Entwerfer) eine

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Lebensdauer von 65.000 Stunden wünscht, wobei eine Kontrollfähigkeit bis hinauf zu ο,2οΔκ.-^ vorhanden sein soll, so •wird er eine Reaktorgeometrie wählen, welche ein Massenverhältnis und. eine Keimdicke besitzt, die in den Bereich zwischen den Kurven 5o und 36 fällt. in Abhängigkeit des speziellen Massenverhältnisses und der Keimdicken, kann die Höhe bzw. Menge der. Kontrolle zwischen einem Wert von unter ο,ΙοΔκ _f^ (zwischen den Kurven 38, 36 und 5o) bis zu einem W.ert von'etwa ο,ΙοΔ,Κ.^ variieren.

Die Kurven der Figur 5 zeigen, dass es wünschenswert ist, die Schichtdicke und das Massenverhältnis optimal zu gestalten, um die Kohtrollschwingung (d.h. den maximalen Reaktivitätsüberschuss während der Lebensdauer des Reaktors) minimal zu gestalten, unter gleichzeitiger Erreichung einer maximalen Reaktor-Lebensdauer. Beispielsweise kann aus den Kurven 48, 5o und 52 ersehen werden, dass dann, wenn die Reaictor-Lebensdauer abnimmt, die Menge an erforderlicher Kontrolle zunehmen kann. Es existieren daher optimale Werte bezüglich des Massenverhältnisses und der Keimdicken, welche nicht nur zu einer Verlängerung der Lebensdauer führen, sondern gleichzeitig die Mengen der erforderlichen Kontrollen herabsetzen. Gemäss Figur 5 ist eine-maximale Lebensdauer von 68.000 Stunden an dem Punkt möglich, der mit dem Bezugszeichen 60 versehen is.t, wobei die erforderliche Kontrolle 0,12,ΔΚ-_ff. beträgt und die Keimdicke 11,5 cm. bei einem Massenverhältnis von 0,058 beträgt.

" Natürliches Uran und erschöpfte Uran-Mäntel.

Wie weiter oben ausgeführt, wurde das Mantelmaterial, welches bei der Bildung der Kurven gemäss Figuren 4 und 5 verwendet wurde, aus Thorium-232 gefertigt, wobei eine Anreicherung an spaltbarem Material von Null vorlag. Wie man anhand der Figuren 6 und 7 erkennen kann, liegt im Falle der Verwendung von er-

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"■' schöpftem uran oder von natürlichem Uran bereits eine zwar kleine ν jedoch positive Anreichung an spaltbarem Material innerhalb des Mantels vor.'Die Wirkung des Vorhandenseins einer spaltbaren Anreichung im Bereich des Mantels des Reaktors führt zu einer, wesentlichen Reduzierung des Bereichs der ausgeschlossenen Fälle (des Bereichs, welcher durch die Kurve 36 gekennzeichnet ist) der Figur 5 und führt ferner zur Reduzierung der Kern-lebensdauer

Bezüglich der Figur 6 der Zeichnungen ist zu sagen, dass dort auf der horizontalen Achse die Schichtdicke und auf der vertikalei Achse das Massenverhältnis aufgetragen ist. Bei der graphischen Darstellung gemäss Figur 6 ist das Mantelmaterial aus natürlichem Uranium gefertigt. Mit dieser einen Ausnahme bleiben alle anderen Konstanten und Materialien, welche in Verbindung der graphischen Darstellungen der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurden, die gleicher

Die Kurve 9o der Figur 6 definiert einen Bereich, welcher eine Region ausgeschlossener Keimdicken und Massenverhältnisse angibt, welcher bei einem Reaktor, der während seiner gesamten Lebensdauer kritisch bleiben soll, nicht zulässig sind. Alle die Kurven 92, 94, 96,98, loo und Io2 geben die Menge an erforderlicher Kontrolle ( Z^K_8ff.) für verschiedene Massenverhältnisse und Keimdicken an. Die letztgenannten Kurven können daher als die Stellen verschiedener Kontrollerfor.dernisse angesehen werden, welche im einzelnen in der. Tabelle VI angegeben sind. In ähnlicher Weise zeigen die Kurven I08, llo, 112, 114 und 116 die Stellen konstanter Lebensdauer-Zeiten, welche gleichfalls in der folgenden Tabelle VI im einzelnen angegeben sind. .

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	- Blatt 3o -	I	■	Lebensdauer
	TABBLEE VI.		(in Stunden)
	Erforderliche Kontrolle	Kurve Nr.	45.000
Kurve Ur.	(A K6ff)	Io8 .	5o.ooo
9o		llo	55.000
92	o,Io	112	57-000
94	o,15	114	58.000
96	o,2o	116
98	o,25
loo	o,3Q
Io2	o,35

Kurve 90 zeigt die Punkte, bei denen der minimale Reaktivitätsüberschuss des Keims in einem frühen Lebensstadium UuIl ist.

JSs kann daher ein Reaktor-Erbauer'bei Verwendung der graphischen Darstellung der Figur 6 die gewünschte Lebensdauer,das Kontrollerforderni"s, das Massenverhältnis und die Keimdicke bestimmen, welche die Erfordernisse für eine gegebene Reaktorkonstruktion unter Verwendung eines Mantels aus natürlichem Uran befriedigen. Wenn beispielsweise der Reaktor-Erbauer sich an einen Δκ -^ Wert, von o,2o angleichen möchte, dann muss der zu entwerfende Reaktor eine Keimdicke und ein Massenverhältnis aufweisen, welches zwischen den Kurven 96 und 90 der Figur 6 liegt. Wenn der Reaktor-Erbauer eine Lebenszeit von zumindest 45.ooo Stunden wünscht,dann muss ein Massenverhältnis und müssen Keimdicken ausgewählt werden, welche zwischen die Kurven 96 und 108 der Figur 6 fallen. Wenn eine Lebensdauer von mehr als 50.ooo Stunden erwünscht ist, dann hat der Reaktor-Erbauer eine Keimdicke und ein Massenverhältnis ■zu wählen,welche in den Bereich fallen, der durch die Kurven 96 und 110 definiert wird.

Wenn man die Kurven der Figur 6 mit den Kurven der graphischen

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."-..-" T5U97.0

- Blatt 31 -

Darstellung gemäss Figur 5 vergleicht, so stellt man fest, dass der Bereich der ausgeschlossenen Reaktorfälle, wie er durch den schraffierten Bereich unterhalb der Kurve 90 angegeben wird, wesentlich kleiner ist als die entsprechende Region,welche durch die Kurve 36 der Figur 5 definiert wird. Wie bereits erklärt wurde,ist die Ausschliessungsregion bei einem Mantel aus natürlichem Uran kleiner infolge.des Gehalts des natürlichen Urans an spaltbarem. Material·. Ein Paralleleffekt bezüglich des Gehalts an spaltbarem Material im Mantelbereich ist auch dann festzustellen, wenn die Stellen konstanter Lebensdauer (Kurven 108, 110, 112, 114 und 116) betrachtet werden.. · '

Es ist ohne weiteres einzusehen, dass der Anstieg der Lebensdauer des Reafctorkerns mit einem Mantel aus natürlichem Uran einen Anstieg der Kontrollfähigkeit des Reaktors verlangt; aus der Figur 5 kann ersehen werden, dass eine erhöhte Lebensdauer bei einem wesentlich geringeren Anstieg der Kontrollfähigkeit erhältlich ist. Es ist ferner zu ersehen, dass, um eine Lebensdauer von 55.OOO Stunden zu erreichen, es notwendig ist, eine Kontrollfähigkeit von etwa 0,23AK_e£-.zu haben. Bei einem 'Mantel-· aus Thorium können Lebenszeiten von über 67·5οο Stunden bei weniger als Ο,ΙΟΔΚ ££ erreicht werden (siehe bitte den Bereich der von den Kurven 48,38 und 36 der Figuren 5 angezeigt wird).

Die Figur 7 ist eine graphische Darstellung ähnlich den Figuren 5 und 6, wobei diesmal das'Mantelmaterial aus erschöpftem Uran besteht (d.h. aus einem Uran, welcher etwa 0,22 ^U/O an spaltbarem Material enthält). Aus Figur 7 ist zu entnehmen, dass die Kurve 120 einen Bereich der ausgeschlossenen Falle definiert und dass die Kurven 122, 124, 126, 128, 130 und 132 jeweils eine Stelle angeben, welche sich auf die Kontrollerfordernisse für jeweils verschiedene Δ K jp£-Vrferte bezieht. Die Kurven 140, 142, 144 und

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, - Blatt 32 -

146 der Figur 7 bilden die Stellen der konstanten Lebensdauer-Zeiten für Reaktoren ab, die gemäss der Lehre zum technischen Handeln nach vorliegender Erfindung errichtet wurden. Zur weiteren detaillierten Erklärung der vorgenannten Kurven wird die folgende Tabelle VII angeführt.

TABELLE VII.

	Kurve Nr.	Mantel aus "erschöpftem" Uran.	Kurve Nr.	Lebensdauer
)	120	I Kontrollerfordernis	140	.in Stunden
	122	(Z\KQff)	142	45.000
	124		• 144	50.000
	126	0,10	146	55.000
	128	0,15		57.000
	130	0,20
	132	0,25
	0,30
	0,35

⁺ Die Kurve 120 zeigt die Punkte, bei denen der minimale Reaktivitätsüberschuss des Keims in einem frühen Lebensalter Null beträgt.

Aus figur 7 und der. Tabelle VII ist zu entnehmen, dass der Bereich der ausgeschlossenen Fälle bei einem Mantel aus 'erschöpftem" Uran grosser ist als der der Ausschliessungsfälle bei einem Mantel aus natürlichem Uran, jedoch dieser Bereich ist immer noch wesentlich kleiner als der d.er Ausschliessungsfälle bei einem Mantel aus Thorium.

Es kann ferner entnommen werden, dass die Stellen konstanter Lebensdauer-Zeiten gemäss Figur 7 angeben, dass bei einem Anstieg der

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- Blatt 33 - ' '

¹ Lebensdauer die Minimal-Kontrollfähigkeit des Reaktors gleichfalls ansteigen muss. Dieser Effekt existiert also bei einem Mantel aus erschöpftem Uran, aus natürlichem Uran und aus Ihorium; jedoch gilt für den Thorium-Mantel, dass bei einem Anstieg der Lebensdauer der Anstieg des Kontrollerfordernisses am geringsten ist.

y/enn ein. Mantel aus erschöpftem Uran verwendet wird,kann der Reaktor-Erbauer ein geeignetes Massenverhältnis und eine geeignete Keimdicke auswählen, welche in den Bereich der gewünschten Kontrol] fähigkeit bezüglich dieses Reaktor-Entwurfs fällt, wodurch auf diese Weise die Lebensdauer des Heaktors bestimmbar ist. Der Reaktor-Erbauer, der es wünscht, einen Reaktor zu errichten, welche eine Kontröllfähigkeit von Ο,2θΔκ ~_£ besitzt, wird ein Massen-■ verhältnis und eine Keimdicke wählen, welche zwischen die Kurven 126 und 120 der Pigur 7 fallen. Wenn beim Reaktor eine Lebensdauer von mehr als 50,ooo Stunden mit einer Kontrollfähigkeit von 0,20/\K „_f gewünscht wird, muss ein Massenverhältnis und eine Keimdicke gewählt werden, welche in den Bereich zwischen den Kurven 120 und 126 fallen und oberhalb der Kurve 142 liegen. Bs darf darauf hingewiesen werden, dass bei einer Lebensdauer von 55.000 Stunden bezüglich eines Mantels aus natürlichem Uran ein 0,23Λ K £.p-Wert erforderlich ist, dass jedoch die gleiche Lebensdauer mit einem Wert von nur 0,15Z\K ~~ bei Verwendung eines Mantels aus erschöpftem Uran erreichbar ist.

Auch hier ist zu beachten, dass in beiden Fällen der gleiche Gesamtgehalt an spaltbarem Material angenommen ist.

Ein direkter Vergleich zwischen dem Shippingport-Reaktor und den ■ Reaktoren,welche gemäss vorliegender Erfindung errichtet werden,, kann, aus einer grossen Anzahl von Gründen nicht gezogen werden. Bei dem ersten Reaktorkern in Shippingport wurde ein Mantel' aus

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• BADORlQiNAL

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natürlichem Uranium verwendet, wobei das Massenverhältnis von spaltbarem Material zu spaltbarem Material plus fruchtbarem Material 0,013 betrug. Die Keimdicke betrug bei Shippingport 14 cm, jedoch war die Reaktorkern-Geometrie (ein einziger ringförmiger Keim) bei Shippingport nicht der Art, dass die gemäss vorliegender Erfindung erzielbare bzw. erforderliche Gleichmässigkeit der Bestrahlung des Mantels durch den Keim erreichbar war. Die Verwendung einer geeigneten Geometrie kann am besten, wie bereits dargelegt, dadurch ausgedrückt werden, dass man von einer Keim-Mantel-Geometrie spricht, bei der der Gipfelpunkt des durchschnittlichen Aufbrennens (burnup) in dem Reaktormantel kleiner als 2,5 ist.

Ein anderer Faktor, welcher einen direkten Vergleich zwischen · dem Shippingport-Reaktor und den Reaktoren vorliegender Erfindung verhindert^ist die Geschwindigkeit, bei welcher der Reaktor betrieben wird. Diese Geschwindigkeit kann als Verhältnis der erzeugten Kraft zur Menge an spaltbarem Material ausgedrückt werden Γ Megawatt "*\ .

I Metrische Tonnen an _y235 J

Beim Shippingport-Reaktor war der Kern durch ein Verhältnis Kraft ( = .Energieerzeugung) zur Menge an spaltbarem Material

von 1390 Mw/' gekennzeichnet, während gemäss den Beispielen /Mt _D235

vorliegender Erfindung hier das Verhältnis 385 Mw/ ««"beträgt.

"it υ⁰⁵'

Wenn der Shippingport-Reaktor gemäss der Lehre vorliegender Erfindung zu errichten ware, so wäre eine Veränderung der Kerngeometrie notwendig,um eine genügend enge Kupplung zwischen dem Keim und dem

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- Blatt 35 -

Mantel zu bewirken. Dann würde das Massenverhältnis und die Keimdicke optimal gestaltet werden können, um eine verlängerte Kern-, lebensdauer bezüglich jeder vorgegebenen Energieerzeugung pro Einheit an spaltbarer Materialmenge zu erreichen.

Geeignete Keim-Mante1-Geometrie.

Unter Bezugnahme auf die schematisch gezeichneten Schnitte durch den Reaktorkern gemäss den Figuren 8, 9 und 10 wird ausgeführt, dass eine solche Reaktor-Geometrie gewählt werden muss, welche zu einem Mengenverhältnis zwischen dem spaltbaren und dem fruchtbaren Brennstoff innerhalb der gewünschten Bereiche führt, wobei der Gipfel des mittleren Ausbrennens in dem Mantel gleich oder weniger als 2,5 beträgt.

Es darf darauf hingewiesen werden, dass, solange eine Geometrie gewählt wird, bei der das Mengenverhältnis innerhalb des gewünschten Bereichs liegt, und wobei der Keim und der Mantel eng miteinander gekuppelt sind und ferner die Keimdicke innerhalb des gewünschten •Bereichs liegt, jede geometrische Anordnung sowohl der Keime als auch der Mäntel geeignet ist. Die Anordnungen gemäss den Figuren 8., 9 und Io zeigen lediglich eine Anzahl von Ausführungs formen der Querschnitte des Keim-Mantelkerns, wobei ein weiter Bereich von Mengenverhältnissen und Keimdicken erlaubt ist· und eine enge Kupplung zwischen Keimen und Mänteln vorhanden ist.

Bei der Anordnung gemäss Figur 8 ist eine Vielzahl von separaten Modellen, welche mit dem Bezugzeichen 62 versehen sind, gezeigt, wobei jedes Modell einen quadratischen Querschnitt aufweist und der Reaktorkern aus 45 solcher Modelle 62 besteht. Jedes Modell ' 62 beinhaltet einen zentralen Keim 64 von im allgemeinen gleich-

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- Blatt 36 -

falls quadrat is ehern Querschnitt,- in welchem sich das spaltbare Material befindet. Um jeden Keim 64 ist ein Mantelbereich 66 von im allgemeinen ringförmigem Querschnitt angeordnet, welcher das fruchtbare Material (Brutmaterial) enthält. In jeder Keimregion 66 ist ein geeignetes Reaktor-uontrollmittel, wie bei-; spielsweise ein beweglicher Kontrollstab 68, der hier durch ein Kreuz symbolisiert ist, angeordnet. Es darf darauf hingewiesen werden, dass die Keimdicke eines jeden Keims 64 derart ausgewählt ist, dass sie in den Bereich der Dicken fällt, welche die gewünschte Kontrollschwingung und die gewünschte Lebenszeit des Kerns erlauben. In ähnlicher Weise ist das Mengenverhältnis derart geeignet ausgewählt, dass das Verhältnis der Menge an spaltbarem Material im Keim zu der Menge an Gesamtbrennstoff pro Anordnung ■ 62 sich innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet. Bei der Anordnung gemäss Figur 9 sind alle Modelle bzw. Anordnungen wünschenswerterweiee derart gestaltet, dass ihr Querschnitt hexagonal ist, diese Modelle sind mit dem Bezugszeichen 7 ο versehen. Es bilden siebenunddreissig Modelle 7o den Reaktorkern gemäss'Ji'igur 9. Jedes der einen hexagonalen Querschnitt besitzenden Modelle 7o enthält eine zentrale Keimregion 72 von im allgemeinen kreisförmigem Querschnitt und einem durch ein Kreuz dargestellten Kontrollstab 74, der in jedem Keim 72 angeordnet ist. Der Eeaktorkern ist durch die Zusammensetzung der einzelnen hexagonalen Modelle 7o entstanden.

Es darf betont v/erden, dass die -Geometrie gemäss Figur 9, bei der kreisförmige Keime 72 von im allgemeinen ringförmigen Mänteln 76 umgeben sind und.eine hexagonal gestaltete Peripherie vorliegt, als beispielhafte Modell-Gestaltung der in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Formationen verwendet wurde. Bei sämtlichen Mantelregionen 76 wurde ein Gehalt an Thorium-232 in Form des Ihorium-

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' - Blatt 37 -

■ oxyds ausgewählt, wobei ein Gehalt an spaltbarer ürennstoffanreicherung von Null besteht.

Wieder eine andere Querschnittsform eines Reaktorkerns ist in Figur Io dargestellt, wobei siebenunddreissig hexägonale-, mit dem Bezugszeichen 8o versehene Modelle den .Reaktorkern bilden, im Beispiel der Figur Io besteht jeder der Keime aus einem ringförmigen Bereich 82, der an der seinem äu'ssereri Umfang von einer äusseren Mantelregion 84 umgeben ist. In den Hohlräumen der ringförmigen Keime 82 sind Zentralkerne 86 aus Mantelmaterial angeordnet. Die Kontrollmittel bestehen bei diesem Beispiel der vorliegenden Erfindung aus beweglichen Kontrollstäben 88, wobei jeder Kontrollstab aus einem Kreisabschnitt (Segment) besteht- und jeweils drei solcher Segmente 88 in jedem Keim 82 angeordnet sind.

Es darf betont werden, dass noch viele andere geometrische Anordnungsweisen, welche das gewünschte Massenverhältnis und die gewünschte Keimdicke besitzen bzw. produzieren, verwendbar sind und dass ferner viele verschiedene Kontrollarten und spaltbare und fruchtbare Materialien an die Stelle der hier näher beschriebenen, speziellen Beispiel treten können, ohne dass der Umfang vorliegender Erfindung verlassen wird. Es ist daher abschliessend zu betonen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen vorliegender Erfindung lediglich beispielhaften Charakter tragen und in keiner Weise eine Begrenzung des Erfindungsgedankens bedeuten sollen.

/ Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Brutreaktor mit zumindest einem Keimbereich, der aus spaltbarem* Brennstoff gebildet ist und zumindest einem Mantelbereich, der aus fruchtbarem Brennstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in den besagten Bereichen ein Mengenverhältnis von spaltbarem Brennstoff zu spaltbarem plus fruchtbarem Brennstoff zwischen 0,025/1 und 0,1/1 besteht, dass ferner der spaltbarem Brennstoff in besagtem Keimbereich in einer Geometrie.mit einer Keimdicke zwischen 2 und 2o Zentimeter angeordnet ist, wobei das Mengenverhältnis und die Keimdicke derart ausgewählt sind, dass in besagtem Reaktor der Minimalwert des Eeaktivitätsübersehusses in der Nähe des Beginns der Lebensdauer den Wert Null übersteigt und der Keimbereich und der Mantelbereich derart zu einander angeordnet sind, dass der Gipfelpunkt des durchschnittlichen Mantelaufbrennena kleiner als 2,5/ 1 ist.

   2.) Brutreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zumindest einem Keimbereich der aus spaltbarem Brennstoff gebildet ist und zumindest einem Mantelbereich, der aus fruchtbarem Brennstoff zusammengesetzt ist, besteht, wobei der fruchtbare und der spaltbare Brennstoff in den besagten Bereichen mit einem Massenverhältnis von spaltbarem Brennstoff zu spaltbarem plus fruchtbarem Brennstoff zwischen o,o25 und, o,l angeordnet ist, wobei ferner der spaltbare Brennstoff im Keimbereich in einer Geometrie mit einer Keimdicke zwischen 2 und 2ο Zentimeter angeordnet ist,unter einer derartigen Auswählung des Mengenverhältnisses und der Keimdieke, dass der Maximalwert des Eeaktivitätsübersehusses in besagtem Eeaktor in der Nähe des Beginns der lebensdauer

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   - Patentansprüche -

   den Wert Null übersteigt und besagter Keimbereich und besagter Mantelbereich derart zueinander angeordnet sind, dass" der Gipfelpunkt des durchschnittlichen Mantel-Aufbrennens niedriger als 2,5 liegt.

   3.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit zumindest einem Keimbereich und zumindest einem Mantelbereich, wobei der Mantelbereich mit einem fruchtbaren Brennstoffmaterial versehen ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus natürlichem Uran, erschöpftem Uran und. Ihorium-232 besteht und wobei ferner besagter Bereich mit einem spaltbaren Brennstoffmaterial versehen ist und besagte Keim- und Mantelregionen innerhalb des besagten Keims derart zueinander positioniert sind, dass der ü-ipfei des durchschnittlichen Aufbrennens in besagtem Mantelbereich unter 2,5 liegt und der .Reaktor mit einem Mengenverhältnis von spaltbarem zu spaltbarem plus fruchtbarem Material und ferner einer iveimdicke derart ausgestaltet ist, dass eine Reaktoranordnung mit erhöhter Lebensdauer geschaffen wird.

   4.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit erhöhter lebensdauer, wobei besagter Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist, wobei der Mantelbereich als Brennstoff 'Ihorium-232 und der Keimbereich als Brennstoff üran-235 ·aufweist und der neajctor eine Geometrie besitzt, in welcher das Mengenverhältnis von Uran-235 zu üran-235 plus Thorium-232 und die Keimdicke derart ausgewählt ist, dass die betreffenden Werte zwischen den Kurven 48 und 3"6 der Figur 5 liegt und wobei ferner die Keaktorgeometrie derartige Keim- und Mantelregionen schafft, bei denen der Gipfel des mittleren ·

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   - Patentansprüche - · " . .

   Mantelaufbrennens unter 2*5 liegt.

   5.). Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit langer Lebensdauer, wobei der Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist und der Mantelbereich mit natürlichem Uranium als Brennstoff und der Keimbereich mit Uran-235 als Brennstoff versehen ist und ferner der Reaktor eine Geometrie besitzt, in der das Mengenverhältnis von Uran-235 zu Uran-235 plus natürlichem Uran und ferner die Keimdicke derart ausgewählt ist, dass die betreffenden Werte zwischen den Kurven 98 und Io8 der Figur 6 liegen und dass die besagte Reaktor-Geometrie derartige Keim- und Mantelbereiche schafft, dass der Gipfelpunkt des mittleren Mantelaufbrennens unter 2,5 liegt.

   6.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit verlängerter Lebensdauer, wobei der Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist, und die Mantelregion mit erschöpftem Uran als Brennstoff und besagter Keimbereich mit Uran-235 als Brennstoff versehen ist, wobei der Reaktor eine Geometrie besitzt, in der das Mengenverhältnis ,von Uran-235 zu Uran-235 plus erschöpftem. Uran und die Keimdicke derart ausgewählt ist, dass die Werte zwischen den Kurven 126, 14o und 12o der Figur 7 liegen und dass besagte Reaktor-Geometrie Keim- und Mantelregionen schafft, bei denen der Gipfelpunkt des durchschnittlichen Mante1-Aufbrennens kleiner als 2,5 ist.

   7.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit verlängerter Lebensdauer, wobei besagter Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich' aufweist, der Mantelbereich mit Thorium-232 als Brennstoff und

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   - Patentansprüche -

   besagter Keimbereich mit üran-235 als Brennstoff versehen " ist, wobei ferner der Reaktor eine Geometrie besitzt, in ·" der das Mengenverhältnis von Uran-235 zu Uran-235 plus Ihorium-232 und die Keimdicke derart ausgewählt ist, dass die betreffenden Werte zwischen den Kurven 5o und 36 der Figur 5 liegen und dass besagte Reaktor-Geometrie besagte Keim- und Mantelbereiche schafft, wobei der Gipfelpunkt des mittleren Mantel-Aufbrennens'unter 2,5 liegt.

   8.) Brutreaktor, gekennzeichnet, durch die Kernanordnung mit verlängerter Lebensdauer, wobei der Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist, der Mantelbereich mit natürlichem Uran und der Keimbereich mit Uran-235 als Brennstoff versehen ist, wobei der Reaktor eine Geometrie aufweist, bei welcher das Mengenverhältnis. von üran-235 zu Uran-235 plus natürlichem Uran und die Keimdicke derart ausgewählt ist, dass die betreff enden '-Werte zwischen den Kurven 96 und So der Figur 6 liegt und die Reaktor-Geometrie solche Keim- und Mantelregionen schafft, in denen der Gipfelpunkt des mittleren Mantel-Aufbrennens unter 2,5 liegt.

   9.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit verlängerter Lebensdauer, wobei besagter Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist und der Mantelbereich mit erschöpftem Uran und der Keimbereich mit üran-235 als Brennstoff versehen ist und der Reaktor eine Geometrie besitzt, in der das Mengenverhältnis von Uran-235 zu Uran-235 plus erschöpftem Uran und die Keimdicke derart'ausgewählt ist, dass die betreffenden Werte zwischen den Kurven 126 und 12o der Figur 7 liegen und besagte Reaktor-Geometrie besagte Keim- und Mantelregionen schafft,- wobei der Gipfelwert des mittleren Mantelauf-

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   brennens kleiner als 2,5 ist. · "

   ■l'o.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit einem Maximalwert von A K ψψ während seiner Lebenszeit von weniger als o,2o, wobei besagter Reaktor zumindest, einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist und der Mantelbereich mit !Ehorium-232 und der Keimbereich mit Uran-235 als Brennstoff versehen ist, und besagter Reaktor- eine Geometrie hat, in der das Mengenverhältnis von- Uran-235 zu Uran-235 plus Thorium-232 und die Keimdicke derart ausgewählt ist, dass die betreffenden Werte zwischen den Kurven 42, 56 und 36 der Figur 5 liegen und besagte Reaktor-Geometrie besagte Keim- und Mantelbereiche schafft, wobei der Gipfelwert des mittleren Aufbrennens des Mantels unter 2,5 liegt.

   11.)· Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit einem Maximalwert von Zi K _ff während seiner Lebensdauer von weniger als o,2o, wobei besagter Reaktor zumindest eine Keimregion und zumindest eine Mantelregion aufweist und die Mantelregion mit natürlichem Uran und die Keimregion mit Uran-235 als Brennstoff versehen ist, dass besagter Reaktor eine Geometrie aufweist, bei der das Mengenverhältnis von Uran-235 zu Uran-235 plus natürlichem Uran und die Keimdicke derart ausgewählt sind, dass die betreffenden Werte zwischen den Kurven 98 und 9o der Figur 6 liegen und besagter Reaktor besagte Keim- und Mantelregionen schafft, wobei der Gipfelwert des mittleren Aufbrennens des Mantels kleiner als 2,5 ist.'

   12.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit einem Δ K_e ^-Maximalwert von weniger als o,2o, während

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   - Patentansprüche - ·

   seiner Lebensdauer, wobei besagter Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich auf-. weist und der Mantelbereieh mit erschöpftem Uran und der Teilbereich mit Uran-235 als· Brennstoff versehen ist, und dass besagter Reaktor eine Geometrie besitzt, in der das Mengenverhältnis von üran-235 zu Uran-235 plus erschöpftem uran und die Keimdicke derart ausgewählt sind, dass die entsprechenden Werte zwischen den Kurven 128 und 12o der Figur 7 liegen und die Reaktor-Geometrie besagte Keim- und Mantelbereiche schafft, wobei der .Gipfelpunkt des -mittleren Aufbrennens des Mantels kleiner als 2,5 ist.

   13·) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Keimanordnung mit verlängerter Lebensdauer', wobei der Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereieh aufweist und der Mantelbereieh mit Thorium-232 und der Keimbereich mit Uran-2.35 als Brennstoff versehen ist, dass ferner der Reaktor eine Geometrie besitzt, bei der das Mengenverhältnis von üran-235 zu Uran-235 plus Thorium-232 zwischen 0,062 und o,o75 liegt und ferner der Keimbereich eine Dicke aufweist, die zwischen 8 und 15 Zentimeter liegt und besagte Reaktor-Geometrie Keim- und Mantelbereiche schafft, wobei der Gipfelpunkt des mittleren Mantel-Aufbrennens unterhalb 2,5 liegt.

   14.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit erhöhter Lebensdauer, wobei der Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereieh.aufweist und der Mantelbereieh mit natürlichem Uran und der Keimbereich mit üran-235 als Erennstoff versehen ist und besagter Reaktor eine Geometrie besitzt, in der das üiengenverhältnis von Uran-235 zu üran-235 plus natürlichem Uran zwischen o,o25 und o,o35 liegt und besagte Keimregion eine Dicke

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   - Patentansprüche -

   zwischen 3 und 13 Zentimetern aufweist und besagte Reaktor-Geometrie Keim- und ManteIberreiche schafft, wobei ■der Gipfelwert des mittleren Mantel-sAufbrennens unterhalb" von 2,5 liegt.

   15.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Kernanordnung mit . verlängerter Lebensdauer, wobei der Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist und der Mantelbereich mit erschöpftem Uran und der Keimbereich mit üran-235 als Brennstoff versehen ist, und dass der Reaktor eine Geometrie besitzt, in welcher das Mengenverhältnis von Uran-235 zu Uran-235 plus erschöpftem .Uran zwischen o,o31 und o,o42 liegt und die Keimregion eine Dicke zwischen 2,5 und 16 Zentimeter besitzt, wobei ferner die besagte Reaktor-Geometrie besagte Keim- und Mantelregionen schafft, wobei der Gipfelwert des mittleren Mantel-Aufbrenneng unter 2,5 liegt.

   16.) Brutreaktor, gekennzeichnet durch eine Keimanordnung mit verlängerter Lebensdauer, wobei besagter Reaktor zumindest einen Keimbereich und zumindest einen Mantelbereich aufweist und der Mantelbereich mit Ihorium-232 als Brennstoff und der Keimbereich mit Uran-235 als Brennstoff ausgestattei ist, besagter Reaktor ferner eine Geometrie besitzt, in der das Mengenverhältnis von Uran-235 zu Uran-235 plus Thorium-232 etwa o,o58 beträgt und besagter Keimbereich eine Dicke von etwa 11,5 Zentimeter besitzt und ferner besagte Reaktor-Geometrie besagte Keim- und Mantelbereiche schafft, wobei der Gipfelwert des mittleren Mantel-Aufbrennens kleiner als 2,5-ist.

   17.) Kernreaktor des Brut-Reaktortyps (Keim-Mantel-Typ), gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Keimbereichen, welche

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   - Patentansprüche -

   im wesentlichen gänzlich aus spaltbarem Brennstoff bestehen, ferner durch einen Mantelbereich, der in Nachbarschaft jedes . üeimbereichs angeordnet ist und im wesentlichen gänzlich aus fruchtbarem Brennstoff besteht, wobei alle" &eimbereiche und alle in Nachbarschaft dazu angeordneten Mantelbereiqhe ein Mengenverhältnis von spaltbarem Brennstoff zu spaltbarem Brennstoff plus fruchtbarem Brennstoff aufweisen, welches zwischen vorbestimmten Grenzen liegt und alle besagte Keime in einer derartigen Dicke gehalten sind, dass sie in einem vorDestimmten Bereich liegen und dass ferner besagte Mengenverhältnis-ü-renzen und besagter Dickenbereich jeweils abhängig ist von der Zusammensetzung der Keim- und Mantelbereiche und jeweils derart ausgewählt sind, dass eine maximale lebensdauer des Reaktors und ein Minimalwert des maximalen Reaktivitätsüberschusses innerhalb der .gesamten Lebensdauer des besagten Reaktors gewährleistet ist und dass besagte üeim- und Mantelbereiche derart zueinander angeordnet sind, dass ein Gipfelpunkt des mittleren Mantel-Aufbrennens von weniger als 2,5 eingehalten wird. ·

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