DE2103013A1 - Verfahren und Kernreaktor zur Erzeugung von Neutronenimpulsen - Google Patents

Description

Patentanwälte Dlpl.-lng. R. ΠΓΤΡϊΤΖ sen, DIpI-In^. K. LAMP.'-IISCHT

Dr.-lng. Fi. QElLiTZ jr. 8 Manchen 22, Steinsdorfstr. 10

530-16.511P · 22.1.1971

Institut fiziki Akaderaii Nauk Gruzinskoi SSR TBILISI (UdSSR)

Verfahren und Kernreaktor zur Erzeugung von Neutronenimpulsen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronenfluß und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, insbesondere auf ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsen und einen Kernreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens, der bei Unter- f suchungen, bei welchen Neutronen Verwendung finden, die bei verschiedenen Energien thermisoh gemacht wurden, sowie für eine Reihe von Zwecken benutzt wird, die ein maximales Verhältnis von Impulsneutronen zu Neutronenuntergrund erfordern.

Bekannt ist ein Verfahren zur Erzeugung von Neutroneninipulsen durch Zusammenführung von Kernbrennstoff mit dem Neutronenmoderator.

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Bekannt ist ferner ein Kernreaktor zur Ausführung dieses Verfahrens, der Kernbrennstoff und einen Tank mit einem Neutronenmoderator enthält, in dem der Neutronenimpuls erzeugt wird (vgl. z.B. den Impulsgraphitreaktor, der in der Zeitschrift "Atomenergie", Nr. 12, 1964, UdSSR, beschrieben ist).

In dem erwähnten Reaktor ist der Neutronenmoderator (Graphit) mit dem Kernbrennstoff (Uran) getränkt und aus einzelnen Blöcken ausgeführt, deren ZusammenfUgung die aktive Zone des Reaktors bildet, während der Neutronenimpuls infolge eines 'schnell erfolgenden Ausfahrens der Absorberstäbe aus der aktiven Zone erzeugt wird.

Der wesentliche Nachteil dieses Reaktors, der das erwähnte Verfahren durchführen läßt, besteht darin, daß die Neutronen und die Wärmeenergie der Kernspaltung in ein und demselben Volumen der aktiven Zone frei werden, was zu einer intensiver Erwärmung des Neutronenmoderators sowie dazu führt, daß es unmöglich wird, die im voraus vorgegebenen Moderatortemperaturen einzuhalten und somit auch thermisch gemachte Neutronenfelder zu erzeugen. Außerdem führt der negative Temperaturkoeffizient zur Selbstlöschung.

Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsen zu entwickeln, das die Abfuhr der Wärmeenergie der Kernspaltung aus der aktiven Zone ermöglicht, sowie einen Kernreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, dessen Konstruktion es gestattet, eine kalte aktive Zone zu haben und die Temperatur des

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Neutronenmoderators zu regeln.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsen durch Zusammenfuhren des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator daduroh gelöst, daB vor und nach der Erzeugung des Neutronenimpulses der Kernbrennstoff außerhalb des Neutronenmoderators angeordnet wird, und dafi das Zusammenführen des Kernbrennstoffe mit dem ,

Neutronenmoderator mittels Durohschieflen des Kernbrenn- i

Stoffs durch den Neutronenmoderator erzielt wird.

Zur wiederholten Verwendung des Kernbrennstoffs wird derselbe nach der Erzeugung des Neutronenimpulses zweckmäfligerweiße gekühlt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist* ein Kernreaktor, der Kernbrennstoff und einen Tank mit einem Neutronenmoderator enthält, in dem der Neutronenimpuls erzeugt wird, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Tank mit dem Neutronenmoderator mindestens ein durchgehender Leitkanal für den Kernbrennstoff vorgesehen ä ist, und daß der Kernbrennstoff im Leitkanal derart untergebracht 1st, daß er entlang des Leitkanals mittels einer Transporteinrichtung verschiebbar ist.

Zur intensiven Kühlung des Kernbrennstoffs zwecks einer wiederholten Verwendung desselben empfiehlt eich eine Einrichtung zur Kühlung des Kernbrennstoffs, die in Bezug auf den Tank mit dem Neutronenmoderator derart angeordnet ist, daß der Kernbrennstoff in die Kühleinrichtung nach der Erzeugung des Neutronenimpulses gelangt.

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Eine vorteilhafte Weiterbj "UV-tiig der. Erfindung besteht ferner darin, daß der durchgehende Leitkanal beiderseits vom Tank mit dem Neutronenmoderator heraustritt, daß die Transporteinrichtung zur Verschiebung des Kernbrennstoffs im Leitkanal durch Erregerwicklungen gebildet ist, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen und in unmittelbarer Nähe des Leitkanals und längs demselben in einer solchen Reihenfolge angebracht sind, daß Aufhängen, Beschleunigen und Bremsen des Kernbrennstoffs gewährleistet werden.

Dank dieses Aufbaus des erfindungsgemäßen Kernreaktors, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung des Neutronenimpulses durchgeführt werden kann, befindet sich der Kernbrennstoff in dem Neutronenmoderator nur im Augenblick der Erzeugung des Neutronenimpulses, und die Wärmeenergie der Kernspaltung wird nach außerhalb des Tanks mit dem Neutronenmoderator abgeführt, so daß sich der letztere nicht erwärmen kann. Dies gestattet, die Moderatortemperatur zu regeln und thermisch geraaohte Neutronenfelder zu erzeugen, sowie auch hohe Impulsneutronenflüsse zu haben, da der negative Temperaturkoeffizient so gut wie fehlt.

Die Erfindung wird anhand der Zeiohnung näher erläutert. Ss zeigen:

Fig. 1 eine sohematisohe Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungegemttßen Kernreaktors, mit dem das Verfahren gemäß der Irfindung zur Erzeugung von Neutronenimpulsen durchgeführt werden kann und

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Fig. 2 einen Schnitt II-II in Pig. I.

Der Kernreaktor, der das erfindungsgemäiie Verfahren zur Erzeugung des Neutronenimpulses durchführen läßt, enthält einen Kernbrennstoff 1 (Uran), der in metallische Zylinder eingeschlossen ist, einen Tank 2 mit dem Neutronenmoderator, der zusammen mit dem Kernbrennstoff 1 im Augen- J blick der Erzeugung des Neutronenimpulses die aktive Zone ™ bildet.

Der Kernbrennstoff 1 liegt vor (Lage A) und nach (Lage B) der Erzeugung des Neutronenimpulses außerhalb des Tanks 2 mit dem Neutronenmoderator. Der Tank 2 ist ein zylinder förmiges Metallgefäfl, als Moderator wird flüssiges Deuterium verwendet.

In dem Tank 2 mit dem Neutronenmoderator sind drei vertikale durchlaufende Leitkanäle 3> in Gestalt von Röhren für den Kernbrennstoff 1 ausgeführt, die beiderseits vom Tank heraustreten und aus einem paramagnetischen Stoff, im vor- ^ liegenden Fall Titan, hergestellt sind.

Der Kernbrennstoff 1 befindet sich in jedem der Kanäle 5 und kann längs jedem Kanal 2 mit Hilfe einer entsprechenden Einrichtung verschoben werden. Im hier beschriebenen Aueführungsbeispiel ist die Einrichtung zur Verschiebung des Kernbrennstoffs 1 in den Kanälen 3 in Gestalt von Erregerwicklungen 4-7 ausgeführt, die in unmittelbarer Nähe der Kanäle 3 und auf dessen Länge in einer solchen Reihenfolg· angebracht sind, dafi die Erregerwicklungen 4, die mit Gleichstrom gespeist werden, ein Aufhängen des

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Kernbrennstoffs 1, die Wicklungen 5, die mit Wechselstrom gespeist werden, ein Beschleunigen und die Wicklungen 6 und 7, die ebenfalls mit Wechselstrom gespeist werden, ein Bremsen des Kernbrennstoffs 1 gewährleisten.

Der Kernreakt or enthält ferner eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Kernbrennstoffs 1, die in Bezug auf den Tank 2 mit dem Neutronenmoderator derart angeordnet ist, daß der Kernbrennstoff 1 in die Einrichtung 8 nach der Erzeugung des Neutronenimpulses gelangt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kühleinrichtung 8 ein zylinderförmiges Metallgefäß, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, und liegt hinter dem Tank 2 mit dem Neutronenmoderator in Bewegungsrichtung des Kernbrennstoffs 1.

Zum Heben und Senken des Kernbrennstoffs 1 aus der bzw. in die Kühleinrichtung 8 sind im beschriebenen Kernreaktor Irregerwicklungen 9, die mit Wechselstrom gespeist werden, und jeweils durch eine Feder 10 abgefederte Stäbe 11 vorgesehen.

Die Kanäle 2 sind von oben und von unten jeweils durch eine Kappe 12 bzw. 15 abgedeckt und liegen zueinander in einem Abstand, der durch die physikalischen Parameter des Kernbrennstoffs und des Neutronenmoderators bestimmt ist. In Abhängigkeit von diesen Parametern kann die Anzahl der Kanäle verschieden sein. Die Kanäle sind voneinander um den gleichen Abstand getrennt, wie in Pig. dargestellt 1st.

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Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel des Kernreaktors zur Erzeugung von Neutronenimpulsen arbeitet folgendermaßen:

Die Arbeit des Reaktors während eines Zyklus, in dessen Verlauf ein Neutronenimpuls erzeugt wird, läßt sich in zwei Schritte einteilen. . J

Der erste Schritt ist das Anheben des Kernbrennstoffs aus der Kühleinrichtung 8, die außerhalb des Tanks 2 mit dem Neutronenmoderator angeordnet ist, naoh oben bis zu den Erregerwicklungen 4 (Lage A, Fig. 1). Dieser Schritt wird vereinbarungsgemäß als Leerschritt bezeichnet, da bei diesem Schritt kein Neutronenimpuls erzeugt wird. Der zweite Sehritt ist die Bewegung des Kernbrennstoffs 1 nach unten von den Erregerwicklungen 4 bis zur Kühleinrichtung 8. Dieser Schritt wird als Arbeitsschritt bezeichnet.

Beim Beladen des Reaktors werden die Kappen 12 von f den Leitkanälen j5 abgenommen, und in die Kanäle 3 werden der Kernbrennstoff 1, die Stäbe 11 und die Pedern 10 eingebracht. Hiernach werden die Kanäle J mit den Kappen IJ abgedeckt. Dabei nimmt der Kernbrennstoff 1 in der Kühleinrichtung 8 eine solche Lage (Lage B, Fig. 1) außerhalb des Neutronenmoderators ein, daß er auch bei weiterem Betrieb des Reaktors gekühlt wird.

Zur Torbereitung des Reaktors auf den Arbeitsschritt werden die Brregerwicklungen 9* 7 und 6 so eingeschaltet,

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daß sie elektromagnetische Wanderfelder bilden, die von unten naoh oben gerichtet sind. Die Kanäle 3 werden nicht gleichzeitig, sondern aufeinanderfolgend mit einer Zeitverzögerung in Tätigkeit gesetzt. Dies ist erforderlich, damit der Kernbrennstoff 1, der sich in den einzelnen Kanälen 5 befindet, nicht auf einmal in den Tank 2 mit dem Neutronenmoderator gelangt und eine Kettenreaktion auslöst.

Das Feld der Erregerwicklungen 9 hebt die Stäbe 11 zusammen mit dem Kernbrennstoff 1 in eine solche Lage an, in der der Kernbrennstoff 1 in die Wirkungszone der Erregerwicklung 7 gelangt. Hierbei werden die Wicklungen 9 abgeschaltet, und das elektromagnetische Wanderfeld der Wicklung J erfaßt den Kernbrennstoff 1 und erteilt ihm zusammen mit dem Feld der Erregerwicklung 6 eine Bewegung nach oben im Kanal 3 mit einer solchen Geschwindigkeit, daß bei weiterer Bewegung des Kernbrennstoffe 1 naoh oben dessen Geschwindigkeit beim Annähern an die Wirkungszone der Erregerwicklung 4 unter Einfluß der Schwerkraft nahezu Null wird.

Das Einschalten der Wicklungen 4 erfolgt naoh Austritt des Kernbrennstoffs 1 aus der Wirkungszone der Wicklung 6* Die Kraft, die von der Wicklung 4 entwickelt wird, ist so groß, daß der Kernbrennstoff 1 gebremst wird und im aufgehangenem Zustand (Lage A, Fig. 1) bleibt. Hierbei werden die Erregerwicklungen 6 und 7 abgeschaltet.

Wenn in allen Kanälen 3 der Kernbrennstoff 1 aufge-

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hangen ist, ist der Leerschritt zu Bnde, und der Reaktor ist zum Anfahren des Arbeitssehritts (Lage A, Fig. 1) bereit. Hierbei befindet sich der ganze Kernbrennstoff 1 außerhalb des Tanks 2 mit dem Neutronenmoderator.

Zum Anfahren des-Arbeitsschrits des Reaktors werden die Erregerwicklungen 4 aus- und die Erregerwicklungen 5 eingeschaltet. Der Kernbrennstoff 1 wird vom elektromagnetischen Wanderfeld der Wicklungen erfaßt und auf die vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt.

Nachdem der Kernbrennstoff 1 die Wirkungszone der Erregerwicklungen 5 verlassen hat, werden die letzteren abgeschaltet, und die ganze Masse des Kernbrennstoffs 1 wird durch den Tank 2 mit dem Neutronenmoderator durchgeschossen, wodurch in ihm ein Neutronenimpuls mit einer

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Dauer von etwa 10 see erzeugt wird. Größe und Dauer des erzeugten Neutronenflusses werden durch entsprechende Geräte (in der Zeichnung nicht abgebildet) registriert.

Nach Verlassen der aktiven Zone gelangt die ganze Masse des Kernbrennstoffs 1 in die WirkungsZonen der Erregerwicklungen 6 und 7, deren Feld den Kernbrennstoff 1 auf eine Geschwindigkeit abbremst, die nahe Null ist.

Gleichzeitig mit den Erregerwicklungen 6 und 7 werden die Wicklungen 9 eingeschaltet, so daß die Stäbe 11 in eine Lage angehoben werden, in der sich der Kernbrennstoff auf ihre Oberseite legt. Danach werden die Erregerwicklungen 6, 7 und 9 abgeschaltet, die Stäbe 13 senken sich auf die

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- ig -

Federn 10, und der Kernbrennstoff 1 nimmt in der Kühleinrichtung 8 eine Lage ein, in der er gekühlt wird.

Nach der Abkühlung des Kernbrennstoffs 1 auf die vorgegebenen Temperaturen ist der Reaktor für den nächsten Zyklus bereit, d.h. zur Erzeugung eines weiteren Neutronenimpulses.

Der erfindungsgemäße Kernreaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Neutronenimpulsen schafft die Möglichkeit, Moderatoren bei verschiedenen Temperaturen in einem umfassenden Bereich von niedrigen Temperaturen (Heliumtemperaturen) bis zu hohen Temperaturen zu haben. Außerdem fehlt im erfindungsgemäßen Reaktor der Neutronenuntergrund so gut wie ganz. Diese Besonderheiten können vorteilhaft bei Untersuchungen zur Verwendung gelangen, die Neutronen benutzen, welche bei verschiedenen Energien thermisch gemacht worden sind, sowie für Aufgaben ausgenutzt werden, zu deren Lösung ein maximales Verhältnis der Impulsneutronen zum Neutronenuntergrund erforderlich ist.

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Claims (5)

1. -u-

   Patentansprüohe

   { 1. /Verfahren zur,Erzeugung von Neutronenimpulsen durch Zusammenführen des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator, dadurch gekennzeioh- * net, daß vor und nach der Erzeugung des Neutronen- " impulses der Kernbrennstoff außerhalb des Neutronenmoderators angeordnet wird, und daß das Zusammenführen des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator mittels Durchschießen des Kernbrennstoffs durch den Neutronenmoderator erzielt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch I^ dadurch geker.;v?.,ei daß nach der Erzeugung des Neutronenimpulses der Kernbrennstoff gekühlt wird.
3. 5· Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Kernbrennstoff und mit einem einen Neutronen- ή moderator enthaltenden Tank, in_t dem der Neutronenimpuls erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Tank (2) mit dem Neutronenmoderator mindestens ein durchgehender Leitkanal (3) für den Kernbrennstoff (1) vorgesehen ist, und daß der Kernbrennstoff (1) im Leitkanal (j5) derart untergebraoht ist, daß er entlang des Leitkanals mittels einer Transporteinrichtung verschiebbar ist.
4. 4. Kernreaktor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (8) zur Kühlung des Kernbrennstoffs (l), die in Bezug auf den Tank (2) mit dem Neutronenmoderator

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   derart angeordnet ist, daß der Kernbrennstoff (1) in die Kühleinrichtung nach der Erzeugung -des Neutronenimpulses gelangt.
5. 5. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Leitkanal (3) beiderseits vom Tank (2) mit dem Neutronenmoderator heraustritt, daß die Transporteinrichtung zur Verschiebung des Kernbrennstoffs im Leitkanal (3) durch Erregerwicklungen (4-7) gebildet ist, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen und in unmittelbarer Nähe des Leitkanals (3) und längs demselben in einer solchen Reihenfolge angebracht sind, daß Aufhängen, Beschleunigen und Bremsen des Kernbrennstoffs (1) gewährleistet werden.

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