DE2242234B2 - Verfahren zur Erzeugung von Neutronen-Impulsausbrüchen und Brennstoffelement zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

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Der Antrieb 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 befindet sich der Kernbrennstoff nur im Zeitpunkt der Erzeugung des Impulsausbruchs im Neutronenmoderator, die Kernspaltungswärme wird außerhalb des Behälters mit dem Neutronenmoderator abgeführt, und letzterer wird bedeutend weniger erwärmt. Das ermöglicht die Regelung der Moderatortemperalur und die Erhaltung von thermalisicrten Neutronenfeldern sowie infolge des fehlenden negativen Temperaturkoeffizienten die Erhaltung von hohen Neutronenströmen in einem Impuls.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung des obenerwähnten Verfahrens dar, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verringerung der Erwärmung des Neutronenmoderators ohne Einführung von irgendwelchen lokalen Kühlmitteln zu erreichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch An-Ordnung einer Zwischenschicht zwischen dem Kernbrennstoff und der äußeren Hülse der Brennstoffelemente aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vom Kernbrennstoff zu den Umfangsabschnitten der Elemente beim Durchgang der Brennstoffelemente durch die Neutronenmoderator-Zone um ein solches Zeitintervall verzögert wird, daß erst nach Austritt des Elements aus der Neutronenmoderator-Zone eine wirksame Wärmeabfuhr einsetzt und der we-tere Ausgleich der Temperaturen des Brennstoffs und der Umfangsabschnitt des Elements 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 Zwischenschicht aus wärmebeständigem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben ist, die ihrerseits in einer Neutronen schwach absorbierenden mechanisch festen äußeren Hülse eingeschlossen ist, wobei das wärmebeständige Material der Zwischenschicht für eine solche Verzögerung der Wärmeabfuhr bemessen ist, daß ein thermischer Bruch des Materials der äußeren Hülse bei Durchgang des Elements durch den Spaltraum verhindert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 das Gesamtschema eines Kernreaktors zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbrüchen und

F i g. 2 ein einzelnes Brennstoffelement für den gleichen Zweck.

Der dargestellte Kernreaktor für die Erzeugung von Neutronenimpulsausbrüchcn enthält einen Kernbrennstoff (Dran), der in einem Brennstoffelement 1 eingeschlossen ist, und eine Zone 2 mit einem Neutronen- ⁽'5 moderator, der zusammen mit dem Kernbrennstoff zu dem Zeilpunkt der Erzeugung des Neutronenimpuls· ausbruchs den Spaltraum bildet.

Das Brennstoffelement 1 befindet sich vor (Stellung A) und nach (Stellung B) der Erzeugung des Neutronenimpulsausbruchs außerhalb der Zone 2 mit dem Neuironenmoderalor. Die Zone 2 wird gebildet durch ein zylinderförmiges Metallgefäß, und ah .Neutronenmoderator wird flüssiges Deuterium verwendet.

In dem Metallgefäß mit den; Neutronenmoderator sind drei vertikale durchgehende Führungskanäle 3 in Form von Röhren tür das Brennstoffelement 1 vorgesehen, die beiderseits der Zone 2 heraustreten und aus paramagneiischem Material, im vorliegenden Fall aus Titan, hergestellt sind.

|e ein 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 sind als Mitte! zur Verstellung des Brennstoffelements 1 in den Kanäle 3 Erregerwicklungen 4 bis 7 vorgesehen, die in unmittelbarer Nähe der Kanäle 3 und längs dieser Kanäle in einer solchen Reihenfolge angeordnet sind, daß die gleichstromgespeisten Erregerwicklungen 4 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 eine Kühleinrichtung 8 zum Abkühlen des Brennstoffelements 1, die in bezug auf das Metallgefäß mit dem Neutronenmoderator derart angeordnet ist, daß das Brennstoffelement 1 in diesen nach der Erzeugung des Ncutronenimpulsausbruchs gelangt. In der vorliegenden Ausführung besitzt die Kühleinrichtung 8 ein zylindrisches Metallgefäß, in dem ein Kühlmittel zirkuliert und das in Richtung der Bewegung des Brennstoffelements 1 hinter dem Metallgefäß mit dem Neutronenmoderator angeordnet ist.

In dem hier behandelten Kernreaktor gibt es in der Kühleinrichtung 8 zum Anheben und F.iniauchen des Brennstoffelementes 1 Erregerwicklungen 9, die mit Wechselstrom gespeist werden, und durch je eine Feder 10 pbgc-federle Stangen 11.

Die Führungskanäle 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 aufgebaut:

Eingehüllt in eine Zwischenschicht 21 aus einem Material mil hoher Wärniebeständigkeit und niedriger Wärmeleitfähigkeit wie porösem Graphit ist ein Stab aus Kernbrennstoff 14 in einer Hülse 15 untergebracht, die aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit und geringem Neutronenabsorptionswert, z. B. Beryllium oder Zirkaloy, gefertigt ist. In der Hülse 15 sind Pfropfen 16 aus einem Material mit guten Reflexionseigcnschaften (Beryllium, Graphit) vorgesehen. Die Hülse 15 hat einen Kopfabschnitt 17 (das ist der Ziigteil des Brennstoffelementes I), der aus einem Stahlzylinder 18 und einer Kupferhülle 19 besieht. An der Hülse 15 sind Gk-itbunde 20 aus Phosphorbronze angebracht.

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

Um eine vorgegebene Impulsdauer zu erhalten, wird das Brennstoffelement 1 von dem Wanderfeld in den

Kanälen 3 des Reaktors mit Hilfe von dessen elektromagnetischem Teil (Erregerwicklungen 4 bis 7) auf die vorgegebenen Geschwindigkeiten beschleunigt. Passiert das Brennstoffelement 1 den Spaltraum, kommt es im Brennstoffstab 14 zur nuklearen Kettenreaktion.

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 Brennstoffelements 1 auf die vorgegebene Temperatur ist der Reaktor zum nächsten Zyklus, d. h. zur Erzeugung des nächsten Neutronenimpulsausbruchs. bereit.

Der dargestellte Kernreaktor zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbrüchen bietet die Möglichkeit, Moderatoren bei verschiedenen Temperaturen in einem sehr weiten Bereich von sehr niedrigen Heliumtemperaturen bis zu sehr hohen iu 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

is Impuls zum Neutronenuntergrund erfordern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbruchen durch kurzzeitiges Vereinigen des Kernbrennstoffes, der in Brennstoffelementen enthalten ist, mit dem Neutronenmoderator des Reaktorkerns, wobei die Brennstoffelemente in Führungsrohren von außerhalb der Neutronenmoderator-Zone durch dieselbe geschossen werden, dadurch den Impulsausbruch erzeugen und erst danach gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anordnung einer Zwischenschicht (21) zwischen dem Kernbrennstoff (14) und der äußeren Hülse (15) der Brennstoffelemente (1) aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vom Kernbrennstoff zu den Umfangsabschnitten der Elemente (1) beim Durchgang der Brennstoffelemente (1) durch die Neutronenmoderator-Zone (2) um ein solches Zeit-Intervall verzögert wird, daß erst nach Austritt des Elements (1) aus der Neutronenmoderator-Zone (2) eine wirksame Wärmeabfuhr einsetzt und der weitere Ausgleich der Temperaturen des Brennstoffs (14) und der Umfangsabschnitte des Elements (1) erfolgt.

2. 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 (14) von einer Zwischenschicht (21) bus wärmebeständigem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben ist, die ihrerseits in einer Neutronen schwach absorbierenden mechanisch fe-Sten äußeren Hülse (15) eingeschlossen ist, wobei das wärmebeständige Material der Zwischenschicht (21) für eine solche Verzögerung der Wärmeabfuhr bemessen ist, daß ein thermischer Bruch des Materials der äußeren Hülse (15) bei Durchgang des EIements (1) durch den Spaltraum verhindert wird.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige Zwischenschicht (21) aus porösem Graphit ausgeführt ist und an den Stirnflächen des Kernbrennstoffs in Richtung seiner Längsachse 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 äußere Hülse (15) ein Zylinder aus einer Zirkonlegierung ist.

6. Element nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfabschnitt (17) des EIements (der Patrone) aus einem Material besteht, an dem ein elektromagnetisches Wanderfeld für die Bewegung der Patrone in dem Führungskanal (3) anzugreifen vermag.

7. Element nach jedem der Ansprüche 2 bis 5, &⁰ dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Hülse (15) der Patrone Gleitbunde (20) aus Phosphorbronze angebracht sind, die mit dem Führungskanal (3) zusammenwirken.

6s Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung «on Neutronenimpulsausbruchen durch kurzzeitiges Vereinigen des Kernbrennstoffes, der in Brennstoffelementen enthalten ist, mit dem Neutronenmoderator des Reaktorkerns, wobei die Brennstoffelemente in Führungsrohren von außerhalb der Neuironenmoderator-Zone durch dieselbe geschossen werden, dadurch den !mpulsausbruch erzeugen und erst danach gekühlt werden sowie auf ein Brennstoffelement zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Aus 1. K u r t s c h a t ο w, S. F e i η b e r g et. al. »Impulsgraphitreaktor IGR« Verlag Atomenergie, B. 17, Ausgabe 6, 1964, sind ein Verfahren und ein Kernreaktor bekannt, bei denen die Erzeugung von Neuironenimpulsausbrüchen dadurch erreicht wird, daß die Absorptionsstäbe aus einer Aktivzone herausgefahren werden, die aus einem Gemisch aus Neuironenmoderator und Kernbrennstoff besteht.

Aus der DT-AS 11 26 037 ist weiter ein Verfahren nebst zugehörigem Reaktor bekannt, bei dem eine geringe Menge an Kernbrennstoff kurzzeitig mit einem Neutronenmoderator verbunden wird, der einen weitaus größeren Anteil an Kernbrennstoff in inniger Beimischung enthält, wodurch dann durch eine kurzzeitige Überschreitung der kritischen Masse ein Neutroncnimpulsausbruch erzeugt wird.

Der wesentliche Mangel dieser bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbruchen liegt darin, daß die Neutronen und die kernspaltungswärme in ein und demselben Volumen des Spaltraums im Kernreaktor erzeugt und abgegeben werden, was zu einer intensiven Erwärmung des Neutronenmoderators führt und die Aufrechterhaltung der vorgegebenen Moderatortemperatur und somit die Erhaltung von thermalisierten Neutronenfeldern unmöglich macht. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität führt darüber hinaus zur Selbstlöschung.

Die Erfinderin hat deshalb bereits ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronenimpulsausbruchen durch Vereinigung des Kernbrennstoffs mit dem Neutronenmoderator vorgeschlagen (DBP 21 03 013), bei dem der Kernbrennstoff vor und nach dem Impulsausbruch 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 zu kühlen.

Zur Durchführung dieses Verfahrens im Kernreaktor, der den Kernbrennstoff und einen Behälter mit dem Moderator enthält, in dem der Impulsausbruch der Neutronen erzeugt wird, wird im Behälter mit dem 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 Antriebs in Längsrichtung verstellen läßt.

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.