DE2242234A1

DE2242234A1 - Verfahren zur erzeugung von neutronenimpulsausbruechen und kernreaktor-brennstoffelement zu dessen durchfuehrung

Info

Publication number: DE2242234A1
Application number: DE2242234A
Authority: DE
Inventors: Georgij Nikol Garsewanischwili; Iran Alexandrowitsch Gassijew; Gennadij Iraklijewits Kiknadse
Original assignee: INST FIZ AN GSSR
Current assignee: INST FIZ AN GSSR
Priority date: 1971-11-02
Filing date: 1972-08-28
Publication date: 1973-06-20
Also published as: GB1411612A; DE2242234B2; ATA719772A; AT334472B; FR2158194A1; FR2158194B1

Description

Patentanwälte
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53O-19.3O8P ■ 28. 8. 1972

Institut fiziki Akademii Nauk Gruzinsko.1 SSR, Tbilisi (UdSSR)

Verfahren zur Erzeugung von Neutronen-Impulsausbrüchen und Kernreaktor-Brennstoffelement zu dessen Durchführung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronenströmen und auf eine Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens, insbesondere auf ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbrüchen sowie auf ein Brennstoffelement oder Brennelement zur Durchführung dieses Verfahrens, das in Kernreaktoren bei Forschungen, die mit der Anwendung von bei verschieden hohen Energien thermalisierten Neutronen zusammenhängen, sowie für die Lösung einer Reihe von Aufgaben angewandt wird, die ein maximales Verhältnis von Impulsneutronen zur Untergrundstrahlung erfordern.

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Bekannt ist ein Verfahren zur Erzeugung von Impulsausbrüchen von Neutronen durch Vereinigen des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator.

Bekannt ist auch ein Kernreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens, der Kernbrennstoff und einen Behälter mit einem Neutronenmoderator enthält, in dem der Impulsausbruch der Neutronen erzeugt wird.

In dem genannten Reaktor ist der Neutronenmoderator (Graphit) mit Kernbrennstoff (Uran) durchtränkt und in Form einzelner Blöcke ausgeführt, deren Mauerwerk den Reaktorkern oder Spaltraum bildet, wobei es zum Impulsausbruch durch schnelle Herausführung der Absorptionsstäbe aus dem Spaltraum kommt.

Der wesentliche Nachteil dieses Reaktors, der das genannte Verfahren durchführt, besteht darin, daß die Neutronen und die Kernspaltungswärme in ein und demselben Volumen des Spaltraums abgegeben werden, was zu einer intensiven Erwärmung des Neutronenmoderators führt und die Aufrechterhai tung der vorgegebenen Moderatortemperatur und somit die Erhaltung von thermalisierten Neutronenfeldern unmöglich macht. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität führt darüber hinaus zur Selbstlöschung.

Es war daher wünschenswert, ein Verfahren zur Erzeugung eines Neutronenimpulsausbruchs zu entwickeln, das die Übertragung der Kernspaltungswärme aus dem Spaltraum und die Schaffung eines Kernreaktors gewährleistet, dessen Konstruktion es ermöglicht, einen kalten Spaltraum zu haben und die Temperatur des Neutronenmoderators zu regeln.

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Die Anmelderin hat deshalb bereits ein Verfahren zur Erzeugung des Neu tronenimpul s.ausbruchs durch Vereinigung des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator entwickelt, bei dem der Kernbrennstoff vor und nach dem Impulsausbruch der Neutronen außerhalb des Neutronenmoderators angeordnet wird und die Vereinigung des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator durch Durchschießung des Kernbrennstoffs im Brennstoffelement über den Neutronenmoderator vorgenommen wird.

Es wurde angeregt, zur nochmaligen Verwendung des Kernbrennstoffs diesen nach der Erzeugung des Impulsausbruchs der Neutronen zu kühlen.

Zur Durchführung dieses Verfahrens im Kernreaktor, der den Kernbrennstoff und den Behälter mit Moderator enthält, in dem der Impulsausbruch der Neutronen erzeugt wird, wird im Behälter mit Moderator mindestens ein durchgängiger Führungskanal für das Brennstoffelement mit dem Kernbrennstoff ausgeführt, das Brennstoffelement wird dabei in.diesem Kanal derart angeordnet, daß es sich in diesem Kanal mit Hilfe eines entsprechenden Mittels in Längsrichtung verstellen kann.

Zur intensiven Abkühlung des Kernbrennstoffs und zu seiner nochmaligen Verwendung wurde angeregt, den Kernreaktor mit einem Mittel zur Abkühlung des Kernbrennstoffs zu versehen und dieses in bezug auf den Behälter mit dem Neutronenmoderator derart anzuordnen, daß der Kernbrennstoff in diesen nur nach der Erzeugung des Impulsausbruchs der Neutronen gelangt.

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Das Mittel zur Verstellung des Kernbrennstoffs in dem Führungskanal wird dabei in Form von Erregerwicklungen ausgeführt, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen und sich in unmittelbarer Nähe von dem Führungskanal und längs dieses Kanals in einer solchen Reihenfolge befinden, daß die Aufhängung, Beschleunigung und Abbremsung des Kernbrennstoffs gewährleistet werden.

Dank dieser Ausführung des bereits entwickelten Kernreaktors befindet sich der Kernbrennstoff in dem Neutronenmoderator nur im Zeitpunkt der Erzeugung des Impulsausbruchs der Neutronen, die Kernspaltungswärme wird außerhalb des Behälters mit dem Neutronenmoderator abgeführt, und letzterer wird bedeutend weniger erwärmt. Das ermöglicht die Regelung

der Moderatortemperatur und die Erhaltung von thermalisierten Neutronenfeldern sowie infolge des fehlenden negativen Temperaturkoeffizienten die Erhaltung von hohen Neutronenströmen in einem Impuls.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung der oben erwähnten Entwicklung dar. Der Erfindung liegt die ( Aufgabe der weiteren Verringerung der Erwärmung des Neutro- i nenmoderators ohne Einführung von irgendwelchen lokalen Kühlmitteln zugrunde.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Durchgang des Brennstoffelementes durch die Neutronenmoderator-Zone mittels Einführen einer Zwischenschicht aus Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vom Herzstück aus Kernbrennstoff zu den Umfangeabschnitten dos Elementes um ein solches Zeitintervall verzögert wird, daß nach Austritt des Elements aus der Neutronenmoderator-Zone eine

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wirksame Wärmeabfuhr einsetzt und der weitere Ausgleich der Temperaturen des Herzstücks und der Umfangsabschnitte des Elementes erfolgt.

Ein Brennstoffelement zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Patrone, die ihren Abmessungen und der Form nach zur Bewegung in einem Führungskanal geeignet ist} wobei in dem Element das Herzstück aus Kernbrennstoff von einer Hülle aus wärmebeständigem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben ist, die ihrerseits in einer Neutronen schwach absorbierenden mechanisch festen Hülse eingeschlossen ist, wobei das wärmebeständige Material der Hülle für eine solche Verzögerung der Wärmeabfuhr berechnet ist, daß ein thermischer Bruch des Materials der Hülse bei Durchgang des Elements durch den Spaltraum verhindert wird.

Zweckmäßigerweise wird die wärmebeständige Hülle aus porösem Graphit ausgeführt und werden an den Stirnflächen des Kernbrennstoffs in Richtung seiner Längsachse und der Bewegung im Kanal in der Patrone Pfropfen aus Material hoher Neutronenreflexion angeordnet.

Vorteilhafterweise werden die Pfropfen aus Beryllium ausgeführt.

Besonders zweckmäßig ist, daß die mechanisch feste Hülse ein Zylinder aus Zircaloy iat.

Vorzugsweise wird der Kopfabschnitt des Brennstoffelementes (der Patrone) aus einem Material ausgeführt, das mit dem Wanderfeld zur Fortbewegung der Patrone in dem Kanal gut zusammenwirkt.

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Es ist auch vorteilhaft, daß an dem Patronenzylinder Gleitbunde aus Phosphorbronze vorgesehen sind, die mit dem Führungskanal zusammenwirken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Gesamtschema des erfindungsgemäßen Kernreaktors, in dem das Verfahren zur Erzeugung von Impulsausbrüchen von Neutronen erfindungsgemäß durchgeführt wird; und

Fig. 2 ein erfindungsgemäß ausgeführtes Brennstoffelement.

Der Kernreaktor, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Impulsausbrüchen von Neutronen durchgeführt wird, enthält einen Kernbrennstoff (Uran), der in einem Brennstoffelement 1 eingeschlossen ist, und einen Behälter 2 mit einem Neutronenmoderator, der zusammen mit dem Kernbrennstoff zu dem Zeitpunkt der Erzeugung des Neutronenimpulsausbruchs den Spaltraum bildet.

Das Brennstoffelement 1 befindet sich vor (Stellung A) und nach (Stellung B) der Erzeugung des Neutronenimpulsausbruchs außerhalb des Behälters 2 mit dem Neutronenmoderator. Der Behälter 2 stellt einen zylinderförmigen Metallgefäß dar, als Moderator wird flüssiges Deuterium verwendet.

In dem Behälter 2 mit dem Neutronenmoderator sind drei vertikale durchgehende Führungskanale 3 in Form von Röhren

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für das Brennstoffelement 1 ausgeführt, die beiderseits des Behälters 2 heraustreten und aus paramagne ti schein Material, in dem vorliegenden Fall aus Titan, hergestellt sind*

Das Brennstoffelement 1 ist in jedem dieser Kanäle 3 untergebracht und kann mit Hilfe des entsprechenden Mittels In jedem Kanal in Längsrichtung verstellt werden. Im hier behandelten Ausführungsbeispiel ist das Mittel zur Verstellung des Kernbrennstoffs 1 in den Kanälen 3 als Erregerwicklungen h bis 7 ausgeführt, die in unmittelbarer Nähe von Kanälen 3 und längs dieser Kanäle in einer solchen Reihenfolge angeordnet sind, daß die gleichstromgespeisten Erregerwicklungen h die Aufhängung des Brennstoffelementes 1, die wechselstromgespeisten Wicklungen 5 die Beschleunigung und die ebenfalls mit Wechselstrom gespeisten Wicklungen 6 und 7 die Abbremsung gewährleisten.

Der Kernreaktor enthält auch ein Mittel 8 zur Abkühlung des Brennstoffelementes 1, welches in bezug auf <ien Behälter mit dem Neutronenmoderator derart angeordnet ist, daß der Kernbrennstoff 1 in diesen nach der Erzeugung des Neutronenimpulsausbruchs gelangt. In der vorliegenden Ausführung stellt das Mittel 8 ein zylindrisches Metallgefäß dar, in dem das Kühlmittel zirkuliert und das hinter dem Behälter 2 mit dem Neutronenmoderator in der Richtung der Bewegung des Brennstoffelementes 1 angeordnet ist.

In dem hier behandelten Kernreaktor gibt es in dem Mittel 8 zum Anheben und Eintauchen des Brennstoffelementes Erregerwicklungen 9» die mit Wechselstrom gespeist werden, und durch je eine Feder 10 abgefederte Stangen 11.

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Die Kanäle 3 sind von oben und von unten jeweils mit Kappen 12 und 13 verschlossen und in einem Abstand voneinander angeordnet, der durch physikalische Parameter des Kernbrennstoffs und des Neutronenmoderators bestimmt wird. In Abhängigkeit von diesen Parametern kann die Anzahl der Kanäle verschieden sein. Die Kanäle sind in gleichem Abstand voneinander angeordnet.

Das Brennstoffelement 1 ist folgendermaßen ausgeführt:

Ein Brennstoffstab (Kernbrennstoff) 14 ist in der Mitte einer Patronenhülse 15 untergebracht, die aus Material mit hoher mechanischen Festigkeit und geringem Neutronenabsorptionswert, z. B. Beryllium oder Zircaloy, gefertigt ist. In der Patrone sind Pfropfen 16 aus Material mit guten Reflexionseigenschaften (Beryllium, Graphit) vorgesehen. Die Patrone hat einen Kopfabschnitt 17 (das ist der Zugteil des Brennstoffelementes 1), der aus einem Stahlzylinder 18 und einer Kupferhülle 19 besteht. An der Patrone sind Gleitbunde 10 aus Phosphorbronze angebracht.

Zum Neutronenimpulsauebruch kommt es im Kernreaktor vom Durchschußtyp bei der Bewegung des Kernbrennstoffs durch den Spaltraum des Reaktors.

Um die vorgegebene Impulsdauer zu erhalten, wird das Brennstoffelement 1 von dem Wanderfeld in den Kanälen 3 des Reaktors mit Hilfe seines elektromagnetischen Teils (k - 7) auf die vorgegebenen Geschwindigkeiten beschleunigt. Passiert das Brennstoffelement 1 den Spaltraum, kommt es im Brennstoff stab Ik zur nuklearen Kettenreaktion.

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Der Verlust an Neutronen über die Kanäle 3 im oberen und unteren Teil des Spaltraums wird während der Bildung des Impulses praktisch durch die reflektierenden Pfropfen 16 aufgehoben, die bei der Erzeugung des Impulses die Öffnungen des Kanals 3 am Eingang und am Ausgang des Spaltraums versperren.

Ein Verlust von Neutronen infolge Absorption durch das Material des Zugteils ist ebenfalls ausgeschlossen, da sich bei der Erzeugung des Impulses der Zugteil außerhalb des Spaltraums befindet.

Nach der Abkühlung des Kernbrennstoffs 1 auf die vorgegebene Temperatur ist der Reaktor zum nächsten Zyklus, das heißt zur Erzeugung des fälligen Neutronenimpulsausbruchs, bereit.

Der erfindungsgemäße Kernreaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung des Neutio nenimpulsausbruchs bietet die Möglichkeit, Moderatoren bei verschiedenen Temperaturen in einem sehr weiten Bereich von sehr niedrigen Heliumtemperaturen bis zu sehr hohen zu haben. In diesem Reaktor fehlt darüber hinaus faktisch der Neutronenuntergrund. Diese Besonderheiten können bei Untersuchungen effektiv ausgenutzt werden, die mit Neutronen zusammenhängen, die bei verschiedenen Energien thermalisiert werden, sowie für die Lösung von Aufgaben, die ein maximales Verhältnis der Neutronen im Impuls zum Neutronenuntergrund erfordern.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbrüchen durch Vereinigen eines Brennstoffelementes, das in sich den Kernbrennstoff trägt, mit dem Neutronenmoderator des Kernreaktors, bei dem man das Brennstoffelement von außen durch die Neutronenmoderator-Zone schießt, den Impulsausbruch erhält und dann das Brennstoffelement abkühlt, dadurch gekennzeichnet , daß beim Durchgang des Brennstoffelementes (i) durch die Neutronenmoderator-Zone mittels Einführen einer Zwischenschicht aus Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vom Herzstück aus Kernbrennstoff zu den Umfangsabschnitten des Elementes (i) um ein solches Zeitintervall verzögert wird, daß nach Austritt des Elements (i) aus der Neutronenmoderator-Zone eine wirksame Wärmeabfuhr einsetzt und der weitere Ausgleich der Temperaturen des Herzstücks und der Umfangsabschnitte des Elementes (i) erfolgt.

f 2.J Brennstoffelement zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Patrone, die ihren Abmessungen und der Form nach zur Bewegung in einem Führungskanal (3) geeignet ist, wobei in dem Element das Herzstück aus Kernbrennstoff von einer Hülle aus wärmebeständigem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben ist, die ihrerseits in einer Neutronen schwach absorbierenden mechanisch festen Hülse (15) eingeschlossen ist, wobei das wärmebeständige Material der Hülle für eine solche Verzögerung der Wärmeabfuhr berechnet ist, daß ein thermischer Bruch des Materials der Hülse (15) bei Durchgang des Elements (1) durch den Spaltraum verhindert wird.

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3* Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige Hülle aus porösem Graphit ausgeführt ist und an den Stirnflächen des Kernbrennstoffs in Richtung seiner Längsachse und der Bewegung durch den Führungskanal (3) in der Patrone Pfropfen (16) aus Material mit hoher Neutronenreflexion angeordnet sind.

4. Element nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Pfropfen (16) aus Beryllium gefertigt sind.

5» Element nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch feste Hülse (15) ein Zylinder aus Zircaloy ist.

6. Element nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfabschnitt (17) des Elementes (der Patrone) aus einem Material besteht, das mit dem Wanderfeld für die Bewegung der Patrone in dem Führungskanal (3) gut zusammenwirkt.

7. Element nach jedem der Ansprüche 2-5» dadurch gekennzeichnet, daß es am Zylinder der Patrone Gleitbande (19) aus Phosphorbronze gibt, die mit dem Führungskanal (3) zusammenwirken.

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