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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Impulsreaktor,
das den Kernbrennstoff und eine als Moderator dienende Zirkonverbindung als homogene
Mischung enthält.
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Bekanntgewordene Reaktoren dieses Typs (Hausner-Schumer, »Nuclear
Fuel Elements« 1959, S. 79 bis 93) weisen allerdings den Nachteil auf, daß sie als
Kernbrennstoff angereichertes Uran benötigen, um die erforderliche Reaktivitätsreserve
von 2-10 % für den einzelnen Impuls bereitzustellen. Die Notwendigkeit zur Verwendung
des angereicherten Kernbrennstoffs ergibt sich dabei aus .den Breis-und Absorptions-Eigenschaften
des angegebenen Moderators sowie aus der Absorption im Uran 238, insbesondere der
Resonanzabsorption.
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Es ist weiterhin ein Reaktor bekanntgeworden, bei dem der Metallhydridmoderator
in Stäben eingesetzt wird (deutsche Auslegeschrift 1187 332). Auch dieser
Reaktor wird aber mit angereichertem Uran betrieben, ein Betrieb als Impulsreaktor
ist wegen der Kühlflüssigkeit (flüssiges Natrium) weder vorgesehen noch möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffelement für einen Impulsreaktor
zu schaffen, der ausschließlich mit Natururan betrieben werden kann und der auch
unter Verwendung von Natururan noch eine genügende Reaktivitätsreserve aufweist
sowie ein zufriedenstellendes Impulsverhalten zeigt. Das Brennstoffelement soll
weiterhin betriebssicher und wirtschaftlich herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Kernbrennstoff
Natururan und als Moderator Zirkondeuterid dienen.
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Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Brennstoffelement weiterhin
zur Erhöhung der Reaktivitätsreserve Hohl- oder Zwischenräume enthalten, in denen
zusätzlich ein deuterium- und/oder berylliumhaltiger Moderator angeordnet ist.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus folgender Beschreibung:
, Zur Herstellung von Brennelementen nach der Erfindung wird Zirkondeuterid mit
chemisch in unabhängiger Form gebundenem Natururan homogen vermischt. Als chemische
Bindungspartner des Urans kommen neben Deuterium auch Kohlenstoff und Sauerstoff
in Betracht.
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Da für den Impulsbetrieb eines Reaktors eine Mindestreaktivitätsreserve
zwischen 2 und 10 % erforderlich ist, ist wegen der absorbierenden Eigenschaften
des Zirkons die verwendbare Menge dieses Metalls begrenzt. Da jeder Reaktor andererseits
aus Kritikalitätsgründen eine bestimmte Mindestmenge an Uran enthalten muß, können
sich bei einem bestimmten Mischungsverhältnis Schwierigkeiten für die Vereinigung
beider Forderungen ergeben. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein, den Kernbrennstoff
und das mit ihm vermischte Zirkondeuterid zumindest in einem Teilbereich des Reaktorkerns
in Form von Platten oder Hohlkörpern zu verwenden, zwischen bzw. in denen schweres
Wasser oder deutero-organische Verbindungen eingebracht sind, unter Umständen auch
Verbindungen, die neben dem Deuterium noch Beryllium enthalten. Optimale Mischungsverhältnisse
von schwerem Wasser und Natururan bei homogenen und heterogenen Reaktoren lassen
überschußreaktivitäten zwischen 20 und 30 0/0 herstellen. Der von den Deuteriumsubstanzen
ohne Zirkondeuterid ausgelöste Moderationseffekt muß jedoch so begrenzt sein, daß
er allein mit dem Natururan nicht eine selbsterregte Kettenreaktion auslösen kann.
Anders ausgedrückt heißt dies, daß der mit dem Kernbrennstoff nicht homogen vermischte
Moderatoranteil ohne die moderierenden Wirkungen des Zirkondeuterids den Reaktor
unterkritisch lassen muß. Es muß aber andererseits soviel Zirkondeuterid im Reaktorkern
vorhanden sein, daß der von diesem Material bewirkte Moderationseffekt der Neutronen
im Falle einer Temperaturerhöhung die für die Unterbrechung der Kettenreaktion notwendige
Reaktivitätsverminderung zustande bringen kann. Der Vorgang der Impulserzeugung
mit einem in der beschriebenen Weise mit Brennstoffelementen nach der Erfindung
beschickten Reaktor läuft dann folgendermaßen ab: Der mit mehreren Prozent überschußreaktivität
ausgestattete Kernreaktor wird durch plötzliches Herausnehmen der Steuerstäbe, die
ihn unterkritisch gemacht haben, in den Zustand der überkritikalität versetzt. Die
sich aufbauende und in ihrer Intensität ansteigende Kettenreaktion führt zu einer
Aufheizung--des Moderators. Hierbei wird das Zirkondeuterid schneller auf hohe Temperaturen
gebracht, als der in den Hohlräumen zwischen dem Brennstoff oder im Reflektor untergebrachte
Moderatoranteil. Es gibt nun eine Reihe von unabhängigen Ursachen für die Begrenzung
und den anschließenden Zusammenbruch der Kettenreaktion: 1. Der negative Temperaturkoeffizient
der Reaktivität, soweit er von der Dopplerverbreiterung der Resonanzlinien des Urans
herrührt.
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2.- Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er
von der thermischen Ausdehnung des Brenustoffmoderatorgemisches herrührt.
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3. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von
der Ausdehnung des Moderators in den Zwischenstäben bzw. in den Hohlräumen der Brennstäbe
bzw. Platten herrührt.
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4. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von
einer Blasenbildung in dem sich erhitzenden Moderator herrührt, wobei diese Blasenbildung
bis zum Fortschleudern des Moderators aus diesen Räumen bzw. zu seinem Verdampfen
führen kann.
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In welcher Weise die aufgeführten Reaktivitätseinflüsse dazu ausgenützt
werden, die Höhe des Neutronenimpulses bei einem solchen Reaktor zu begrenzen, hängt
von der Aufgabenstellung und von der Wahl der Materialien in entscheidender Weise
ab.