DE1564012C - Brennstoffelement fur einen Impuls reaktor - Google Patents
Brennstoffelement fur einen Impuls reaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Impulsreaktor, das den Kernbrennstoff und
eine als Moderator dienende Zirkonverbindung als homogene Mischung enthält.
Bekanntgewordene Reaktoren dieses Typs (Hausner-Schumar,
»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°/o
für den einzelnen Impuls bereitzustellen. Die Notwendigkeit zur Verwendung des angereicherten
Kernbrennstoffs ergibt sich dabei aus den Brems- und Absorptions-Eigenschaften des angegebenen
Moderators sowie aus der Absorption im Uran 238, insbesondere der Resonanzabsorption.
. Es ist weiterhin ein Reaktor bekanntgeworden, bei dem der Metallhydridmoderator in Stäben eingesetzt
wird (deutsche Auslegeschrift 1 187 332). Auch dieser
Reaktor wird aber mit angereichertem Uran betrieben, ein Betrieb als Impulsreaktor ist wegen der
Kühlflüssigkeit (flüssiges Natrium) weder vorgesehen noch möglich.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Kernbrennstoff Natururan und als Moderator
Zirkondeuterid dienen.
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.
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.
Da für den Impulsbetrieb eines Reaktors eine Mindestreaktivitätsreserve zwischen 2 und lO°/o er-.
forderlich 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 Mischi}ngsverhältnisse
von schwerem Wasser und Natururan bei homogenen und heterogenen Reaktoren lassen Überschußreaktivitäten zwischen 20 und 30 %
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 Überkritikalifat
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.
2. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von der thermischen Ausdehnung
des Brennstoffmoderatorgemisches herrührt.
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.
.
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. .
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.
Claims (2)
1. Brennstoffelement für einen Impulsreaktor, das den Kernbrennstoff und eine als Moderator
dienende Zirkonverbindung in homogener Mischung enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß als Kernbrennstoff Natururan und als Moderator Zirkondeuterid dienen.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Hohl- oder
Zwischenräume enthält, in denen zusätzlich ein deuterium- und/oder berylliumhaltiger Moderator
angeordnet ist.
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