DE3113238A1

DE3113238A1 - Brueter

Info

Publication number: DE3113238A1
Application number: DE19813113238
Authority: DE
Inventors: Kazuo Mito Ibaragi Furukawa; Yasuaki Mito Ibaragi Nakahara; Toshihiko Ibaragi Ohmichi; Hideo Mito Ibaragi Ohno; Kineo Kashiwa Chiba Tsukada
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-04-15
Filing date: 1981-04-02
Publication date: 1982-06-09
Also published as: FR2480482A1; DE3113238C2; FR2480482B1; GB2073938B; GB2073938A; CA1183287A

Description

PATENTANWÄLTE

dr. V. SCHMIED-KOWARZIK · dr. P. WEINHOLD · München DiPL.-iNG. G. DANNENBERG · dr. D. GUDEL · dipl-ing. S. SCHUBERT· Frankfurt

CROSSE ESCHENHEIMER STR. 39 6OOO FRANKFURTAM MAIN 1

TELEFON : (0611) 281134 4 287014 TELEX: 4Ι3Π0

1. April 1901 Gu/lS

KAZUO FURUKAWA
214-10, Motoyoshidacho,
Mito-shi,
Ibaragi-ken, Japan

BRÜTER

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen mit einem einzigen Fluid mit geschmolzenem Salz und mit einem Beschleuniger arbeitenden Brüter. Mit einem solchen Brüter werden chemische Kernreaktionen durchgeführt. Hierbei werden schnelle Neutronen verwendet, die durch eine Spallationsreaktion eines schweren Kerns erzeugt werden, der von einem schnellen Teilchen, beispielsweise einem Proton,beschossen wird.

Ein mit geschmolzenem Salz arbeitender Reaktor ist ein, in dem ein flüssiger Brennstoff (geschmolzenes Salz) durch als Moderator wirkendes Graphit hindurchgeleitet wird, um eine Kernspaltung zu erzeugen. Ein solcher Brüter wurde in seinen Grundzügen von ORNL zwischen 1947 und 1976 entwickelt. Bei einem solchen Reaktor werden hohe Temperaturen unter niedrigerem Betriebsdruck erzeugt. Weil als Brennstoff geschmolzenes Salz verwendet wird, hat ein solcher Reaktor die folgenden Eigenschaften:

1. Man braucht keine Brennstäbe mit zugehörigen Bauteilen zu verwenden;

2. Es entstehen keine Strahlungsschäden und der Wärmetransport kann kombiniert werden;

3 Die Umsetzungsrate des Kernbrennstoffs ist gut, weil die Zeitdauer zum Wiederaufarbeiten des Brennstoffs sehr klein ist. Dies kann nämlich infeitu erfolgen;

4. Ein solcher Reaktor kann mit sehr geringer, überschüssiger Reaktivität betrieben werden, weil der Brennstoff während des Betriebs kontinuierlich ausgetauscht werden kann;

5. Der Reaktor kann außerdem als thermischer Spaltbrüter ausgebildet sein, weil Protoaztinium und Spaltprodukte kontinuierlich abgezogen werden können.

Diese Eigenschaften sind für den Brennstoffzyklus sehr wichtig, insbesondere bezüglich des Gesamtbetrages an notwendigem Natururan. Ein mit geschmolzenem Salz arbeitender Reaktor mit einer Brutrate von 1,08 kommt daher fast an einen Schnellbrüter mit einer Brutrat· von etwa 1,A heran.

In Bezug auf einen solchen Brüter wurden Untersuchungen ausgeführt, wobei der Brüter mit einem Beschleuniger kombiniert wurde, und zwar zwecks Herstellung von Spaltmaterialien zum Absorbieren der Neutronen im Spaltrohstoff, die von einer Spallatlonsreaktion des schweren Kerns ausgelöst werden, wobei die Reaktion von Protonen hervorgerufen wird und eine Größenordnung von 0,5 bis 1,5 GeV hat. Außerdem dient dies dazu, um die Transurane und andere radioaktive Abfallmaterialien zu verbrennen. Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung dieses Grundtyps dar.

Werden Neutronen durch eine Spallationsreaktion eines schweren Kerns freigesetzt, die durch ein schnelles Teilchen, beispielsweise ein Proton im Energiebereich von etwa 0,5 bis 1,5 GeV bewirkt wird, so kann diese Reaktion, wie die Erfinder dieser Erfindung festgestellt haben, ohne Strahlungsgefährdung beruhend auf den Teilchen erfolgen, wobei gleichzeitig die Wärme abgezogen wird und der Brennstoff umgewälzt wird. Dabei werden Neutronen vom Spaltrohstoff im geschmolzenen Salz absorbiert zur Erzeugung von Spaltmaterialien. Die Spallationsprodukte, beispielsweise Tritium, werden abgetrennt und die gleichzeitig erzeugte Wärme wird in elektrische Energie umgesetzt. Ein solcher Brüter ist in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 27178/78 beschrieben. Dort werden Protonen aus einem Beschleunigerrohr auf ein Auftreffmedium aus geschmolzenem Salz, beispielsweise KF-NaF-BeF₂-AnF,, aufgeschossen, und zwar in

einem entsprechenden Gefäß durch ein Fenster, um die Trans« urane zu verbrennen und um Neutronen zu erzeugen. Als Mantel

Q "Z O 0%Q

wird geschmolzenes Salz verwendet, das Th, U usw. in einem Mantelgefäß enthielt, das das Auftreffgefäß umgab. Diese werden dabei in Spaltmaterialien, beispielsweise in

U, -^Pu usw. umgewandelt, wobei sie die Neutronen absorbieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit einem einzigen Fluid mit geschmolzenem Salz und einem Beschleuniger arbeitenden Brüter vorzuschlagen, dessen Struktur verbessert ist, und der sich durch eine höhere Lebensdauer verbunden, mit höherer Betriebssicherheit und einem besseren Wirkungsgrad auszeichnet. Mit dem neuartiger Brüter sollen wirksam Spaltmaterialien und gegebenenfalls Tritium hergestellt werden können. Das gegebenenfalls hergestellte Tritium soll in ein Kühlsalz durch einen Wärmetauscher aus dem Kreislauf ausgeschleust werden können und dann abgetrennt werden können, wobei gleichzeitig die Wärme wiedergewonnen wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1.

Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung an.

Das Auftreffgefäß und das Mantolgefäß sind somit integriert. Es wird ein einphasiges geschmolzenes Fluorid verwendet, das ThF^ und/oder UF^ enthält, und das gleichzeitig als Auftreffmedium und Mantel dient. Dadurch wird das Problem der Strahlungsschäden des Reaktorgefäß gelös; und dessen konstruktiver Aufbau wird vereinfacht.

Bevorzugt wird ein aus zwei unter Abstand voneinander angeordneten, dünnen Platten bestehendes Fenster verwendet, wobei der Zwischenraum mit Heliungaa gefüllt iat. Wenn daa Fennler bricht, muß der Reaktor zum Ersetzen des Fensters üblicherweise abgeschaltet werden. Um auch dies Problem zu beseitigen, wird bevorzugt, wenn anstelle dieses Fensters eine Differentialpumpe mit sehr vielen öffnungen verwendet wird. Es wurde nämlich gefunden, daß aus dem geschmolzenem Salz nur in so geringem Maße Dampfe austreten, daß diese von der Differtialpumpe abgeeogen werden können. Die schnellen Teilchen, beispielsweise Protonen werden bei dieser bevorzugten Ausführungsform also durch die Öffnungen des Differentialpumpensystems auf die Oberfläche des geschmolzenen Salzes aufgeschossen, ohne daß ein Übliches Fenster dort vorgesehen sein muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von AusfUhrungsbeispielen näher erläutert, εus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Figur 1 schematisch eine Ansicht der wesentlichen Bauelemente des neuartigen Brüters in einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 eine ähnliche Schemaansicht zur Erläuterung des Brüters nach der Japanischen Patentanmeldung Nr. 27178/78;

Figur 3 eine weitere, teilweise geschnittene Schemaansicht einer zweiten Ausführungsform des Brüters nach der Erfindung.

Zunächst sei der bereits vorgeschlagene Brüter anhand von Figur 2 erläutert. Dort iat an einem Ende eines Auftreffgefäßes 11 ein Rohr 12 eines Beschleunigers angebracht. Die Teilchen werden dort in Richtung des Pfeiles durch das Rohr

- ίο -

und ein Fenster 13 in ein Ziel 14 aus geschmolzenem Salz im Inneren des Gefäßes 11 eingeschossen. Das Ziel 14 wird durch einen Mantel 16 aus gesctunolzenem Salz gekühlt, der in einem Mantelgefäß 15 untergebracht ist, der das Gefäß 11 umgibt. Das Salz wird über eine Pumpe oder durch Naturumlauf zirkuliert. Der Mantel 16 aus geschmolzenem Salz enthält ²³²Th, ²³⁸U usw., so daß Spaltnaterialien durch die Absorption der im Ziel 14 erzeugten Neutronen hergestellt werden. Die dabei erzeugten elektrischen oder anderen Energien werden vom Mantel - oder Zielmaterial bei erhöhten Temperaturen wiedergewonnen.

Figur.1 zeigt den erfindungsgemäßen Brüter in einer ersten Ausführungsform. Diese 1st dadurch gekennzeichnet, daß das Zielgefäß und das Mantelgefäß zu einem einzigen Gefäß integriert sind, so daß ein einziges geschmolzenes Fluoridsalz enthaltend ThF. und/oder UF. eis Auftreffgegenstand und Mantel dient. Ein Teilchenstrahl von einem Beschleunigungsrohr 2, das an einem Ende eines Reaktcrgefäßes 1 angebracht ist, wird dort in das geschmolzene Salz 5 im Reaktorgefäß 1 über Fenster 3 und 4 injiziert. Das geschmolzene Salz 5 wird vom Reaktorgefäß 1 über einen Wärmetauscher 7 über eine Pumpe 6 dem Reaktorgefäß In einem Kreislauf wieder zugeführt.

Diese Konstruktion hat die folgenden Vorteile:

1. Ks gibt keine Probleme weg« η StrahlungaschHden am Auftreffgefäß;

2. Das Fenster kann sehr groß konstruiert werden und Probleme wegen Strahlungsschäden am Fenstermaterial können fühlbar verringert werden. Die Kernstruktur wird vereinfacht.

Der Brüter nach Figur 1 wird εη folgendem Beispiel weiter erläutert:

Ein Protonenstrahl von 1 GsV bei 300 ma wurde verwendet. Dieser Strahl hatte einen öffnungswinkel von etwa 5°, der von einem Magnetfeld erzeugt wurde. Er wurde fast gleichförmig über ein Fenster von 1.500 mm effektiven Durchmesser in das Gefäß eingegeben. Dieses Fenster bestand aus den beiden Fenstern 3 und 4. Das Fenster 3 bestand aus einer dünnen Platte aus Zircalloy. Das Fenster 4 bestand aus einer dünnen Platte aus Nb oder Mo. Eine thermische Abschirmungsplatte aus einer Aluminiumfolie wurde auf die Oberseite des Fensters gelegt. Gasförmiges Helium wurde in den Raum zwischen die Fenster 3 und 4 unter einem Druck von 0,1 bis 0,5 Atmosphären gegeben. Auch wenn das Fenster 3 bracht, so entstand lediglich ein Leck. Wenn das Fenster 4 brach , wurde dies nur entdeckt, bis Dämpfe des geschmolzenen Salzes unter einem Druck von etwa 1,2 Atmosphären neben dem Fenster in die Atmosphäre ausströmten. Wenn ein Leck vorlag, wurde der Betrieb des Brüters angehalten und das Fenster wurde ersetzt. Das gesamte Reaktorgefäß 1, die Pumpe 6, der Wärmetauscher 7, kleine Leitungen 8 und Leitungen 10 bestanden aus Hastelloy N (eine Ni-Mo-Cr Legierung). Als geschmolzenes Salz 5 wurde LiF-BeF₂-ThF₄ (72-16-12 Mol %; Schmelzpunkt 500⁰C) verwendet.

Li wurde in seiner natürlichen Zusammensetzung verwendet. Die Einlaßtemperatur war 55O⁰C und die Auslaßtemperatur 700° C. Das Reaktorgefäß hatte etwa 6 m Durchmesser und 6 m Höhe.

NaBF^ - 8 Mol % NaF wurden als Kühlmittelsalz verwendet. Ein sehr kleiner Anteil (etwa 300 ppm) von im Kühlmittel verbleibendes Wasser und das erzeugte Tritium erlitten eine Umwandlung in den kleinen Rohren 8 aus Hastelloy N und

verließen diese als THO, T₂O usw. und gelangten in das Rohrleitungssystem für das Kühlsalz als dieses überdeckendes Gas. Sie wurden abgedtrennt und zur Erzeugung von Tritium wiedergewonnen. Es ergab sich eine tägliche Tritiumerzeugung von

233 etwa 30 g. Außerdem wurden täglich etwa 300 g U erzeugt.

Dies wurde nicht aus dem System herausgenommen, weil ein Teil davon als Neutronenquelle für die Kernspaltung benötigt wurde.

Dieser Brüter hat die folgenden zusätzlichen Vorteile:

1. Die Konstruktion des Reaktors ist sehr einfach;

2. Obgleich etwa 800 t an geschmolzenem Salz nötig sind, ist dieses sehr preisgünstig, weil natürliches Li und Th verwendet werden;

3. Be kann in einer Neutronenvervielfältigungsreaktion (n, 2n) verwendet werden;

4. Das Graphit kann direkt in das geschmolzene Salz eingetaucht werden und mit dem Hastelloy N gibt es keine Probleme;

5. Die Eigenschaften von Tritium sind bekannt und dessen Abtrennung ist sehr einfach, so daß diesbezüglich keine neuen Techniken und Apparate entwickelt werden müssen;

6. Es gibt keinen Austritt von geschmolzenem Salz (Verseuchung des Beschleunigerrohres usw.) wenn die Fenster 3 und A nicht gleichzeitig brechen. Das geschmolzene Salz wird unter ausreichend niedrigem Druck gehalten;

7. Die Spaltmaterialien liegen in einer sehr niedrigen Konzentration vor und umfassen nur chemisch stabile Substanzen. Die Kontrolle von Tritium ist einfach. Wenn ein Austritt von Tritium aus dem Reaktorgefäß und den Rohrleitungen befürchtet wird, kann ein doppelter Behälter verwendet werden;

a. Wird das Mischen von H^O in T^O nicht bevorzugt, so kann H₂O im geschmolzenen Salz vorher mit T₂O ersetzt werden.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Brüters nach der Erfindung. Dieae 1st daduroh gekennzeichnet, daß ein Differential-Pumpensystem mit vielen Öffnungen für das Beschleunigerstrahlrohr anstelle des Fensters nach Figur 1 verwendet wird. Der Beschleunigerstrahl wird hierbei also direkt auf die Oberfläche des geschmolzenen Salzes aufgeschossen, ohne daß er ein Fenster vorher passieren muß.

In Figur 3 1st ein zylindrisches Reaktorgefäß 4a mit einem Durchmesser von 7 m und einer Höhe von 8 m gezeigt, der aus Hastelloy N (Ni-Mo-Cr-Legierung) besteht, und zwar in einer Dicke von 50 mm. Das Gefäß ist an seiner Oberseite und an seiner Unterseite geschlossen. Das Innere des Gefäßes 4a ist mit zwei Graphitschichten 5a und 6a ausgekleidet, die als Abschirmung dienen und die jeweils eine Dicke von etwa 50 cm haben. Diese Auskleidungen erstrecken sich über die gesamte Innenfläche des Reaktorgefäßes mit Ausnahme eines Teils der Öffnung. In der Mitte der Oberseite des Gefäßes 4a ist eine Öffnung 1a mit einem Durchmesser von etwa 5 cm vorgesehen, so daß ein Protonenstrom von 300 ma, der von einem Linearbeschleuniger von einem GeV erzeugt wird, über ein Beschleunigerrohr 17a durch die Öffnung 1a in das Gefäß eingeschossen werden kann. Der Protonenstrahl wird also direkt auf die Oberfläche des geschmolzenen Salzes aufgeschossen, das aus 'LiF-BeF₂-ThF^ (64-18-18 Mol#) besteht. Am oberen Ende der Seitenwand des Reaktorgefäßes 4a sind vier Einlasse 2a für das geschmolzene Salz mit jeweils einem Durchmesser von 60 cm in der Gefäßwand und in den Graphitabschirmungen 5a, 6a vorgesehen. Im unteren Teil des Gefäßes sind in der Seltenwand vier Auslässe 3a, ebenfalls mit einem Durchmesser von 60 cm, vorgesehen, die abgebogen sind, so daß dort keine Neutronen austreten können. Das geschmolzene Salz mit einer Temperatur von 580⁰C strömte in das Gefäß 4a mit einer

Strömungsrate von fünf Kubikmetern pro Sekunde durch die Einlasse 2a ein, wurde durch die Wärme, die durch die eingeschossenen Protonen erzeugt wurde, auf eine Temperatur von 680° C erwärmt und strömte durch die Auslässe 3a wieder aus. Es gelangte dann in einen Wärmetauscher 8a, und zwar durch eine Leitung 7a. Dort wurde die Wärme einem KUhlmittelsalz NaBF^-NaF (92-8 Mol %) übertragen, wobei die durch den Dampf erzeugte elektrische Energie abgeführt werden konnte. Der Wirkungsgrad lag bei 42 % und eine Erzeugung von etwa 800.000 kW elektrischer Energie ist möglich.

Eine Zentrifugalpumpe 9a vom Typ einer freien Flüssigkeitsoberfläche wurde verwendet, um das geschmolzene Salz umzupumpen. Oberhalb der Pumpe war eine Senke oder ein Abzug vorgesehen. Der Durchmesser des Abzugs ist klein, so daß er auf Schwankungen im Flüssigkeitsniveau reagiert und somit das Flüssigkeitsniveau im Druckgefäß 4a steuert. Ein Teil des umgepumpten geschmolzenen Salzes wurde dem System bei einer Geschwindigkeit von etwa zehn Meter pro Sekunde durch eine Leitung 18a wieder zugeführt, die sich in der Nähe der Öffnung 1a befand, so daß ein Wirbel auf der Flüssigkeitsoberfläche hierdurch erzeugt wurde. Die Protonen wurden in die.Mitte des Wirbels eingeschossen. Dadurch stagniert die Flüssigkeitsoberfläche des geschmolzenen Salzes nicht und die Neutronen wurden in einer tieferen Zone des Systems erzeugt und nicht direkt an der Oberfläche. Dadurch wurde die Absorption und die Abschirmung der Neutronen erleichtert. Die Steuerung der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt zum einen dadurch, daß die Differenz des Flüssigkeitsniveaus auf etwa drei Meter gehalten wurde und mit der Vakuumpumpe und dem abdeckenden Heliumgas mit einem Druck von 0,99 Atmosphären ausgeglichen wurde, sowie auch mit der Pumpenleistung. Hierzu ist ein Drosselventil 10a vorgesehen und es kann auch der Gasdruck in der

oberen Zone entsprechend eingestellt werden, bzw. andere entsprechende Maßnahmen sind vorgesehen, überschüssiges, geschmolzenes Salz wird in einen Speichertank 12a abgeleitet, und zwar durch ein Überlaufrohr 11a.

An der Oberseite des Reaktorgefäßes 4a ist eine Öffnung 13a, ein Verschluß 14a und ein Vakuumsystem 15a vorgesehen und das überschüssige Gas wird hierdurch abgesogen. Der Dampf des geschmolzenen Gases gelangt nicht nur an die Dampffalle 16a, sondern auch an die Platte mit der Öffnung 13 a und an die anderen Platten. Der Dampf, der sich bis zum unteren Teil des Verschlusses 14a und bis zur Dampffalle 16a erstreckt, kann aber dadurch abgewaschen werden, daß gegebenenfalls das Niveau des geschmolzenen Salzes entsprechend angehoben wird. Die Dampffalle 16a muß aber häufig ersetzt werden, weil dort die Spallationsprodukte gefangen werden. Der Verschluß 14a wird dann geschlossen, wobei Vorsorge getroffen ist, daß keine Teilchen durch das Rohr 17a eingeschossen werden, über dem Verschluß 14a ist ein Differential-Pumpensystem mit zahlreichen Platten mit Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 50 mm vorgesehen, um ein hohes Vakuum aufrechtzuerhalten.

Der Reaktor wurde ein halbes Jahr lang kontinuierlich betrieben. Dabei wurden etwa 800 kg -^U erzeugt, bezogen auf ein Jahr. Die Graphitschicht 6a wurde zu Absorptionszwecken und zum Entfernen eines Teils der Spallationsprodukte rillenförmig eingeschnitten. Das im geschmolzenen Salz erzeugte ²⁵³UP₄lag zwischen 0,1 Mol %, so daß bezüglich der Kritizität und anderer Parameter keine Befürchtungen bestanden. (Die Neutronenabsorption von U zur Kernspaltung ist im Gegenteil nützlich zum Brüten von Neutronen und es besteht daher

kein wesentlicher Verlust daran). Um das Abziehen zu beschleunigen, wurden aber nach dem dritten Monat etwa 30 t Salz chemisch abschnittweise für 400 t insgesamt be-

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handelt, um ^U und einen Teil der nuclearen Spallationsreaktionsprodukte zu entfernen. Auch wenn diese Entfernung ein Jahr lang nicht erfolgte,so ist der Gesamtbetrag an nuclearen Spallationsreaktionsprodukten in einem Jahr etwa 30 bis 40 kg, sowie Helium und andere Edelgaselemente, wie

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auch H, H, H und dergleichen. Diese Gase können leicht abgetrennt werden und es ist nicht schwierig, die verschiedenen Unreinheiten der Elemente unterhalb einer Konzentration von 1 ppm zu halten. Die erzeugten Edelgase können durch ein Vakuumsystem und durch ein Pumpensystem abgezogen werden. Das erzeugte Tritium kommt wasserförmig heraus im Gas-Abzugsystem des sekundären Kühlsalzes und wird gesammelt. Die Behandlung der Spaltprodukte ist bekannt.

Obgleich ⁷LlF-BeF₂-ThF₄ (64-18-18 Mol %) als geschmolzenes Salz bei dieser AusfUhrungsform verwendet wurde, können als geschmolzenes Salz auch die folgenden Mischungen von Fluoriden von Alkalimetall und/ oder alkalinem Erdmetall verwendet werden, worin wenigstens die Eltern-Kernmaterialien ThF₄ und UF. in ihrer Konzentration so hoch wie möglich sind und die einen niedrigen Schmelzpunkt und eine niedrige Viskosität haben. Diese Mischungen sind fernerhin sehr gut mit Hastelloy N verträglich:

⁷LiF-Be-F₂-ThF₄ 76-16-12 Mol %

67-18-15 Mol %

64-18-18 Mol %

71- 9-20 Mol 96 ⁷LiF-ThF₄ 71-29 Mol %

⁷LiF-NaP-ThF₄ 43.5-32.5-24 Mol %

54.5-13.5-32 Mol %

⁷LiF-UF₄ 71-19 Mol %

⁷LiF-NaF-UF₄ 43.5-24.3-32.3 Mol %

35.4-24.6-40 Mol %

⁷LiF-RbF-UF₄ 60-10-30 Mol 96

57-10-33 Mol %

NaF-KF-UF₄ 47-29-38 Mol %

NaF-RbF-UF₄ 47-31-22 Mol %

45-27-28 Mol %

ν Die vorstehend angegebenen geechmolzenen Salze LiF können teilweise durch LiF zwecks Erzeuglang von Tritium ersetzt werden.

Bei Verwendung eines wie vorstehend angegebenen geschmolzenen Salzes, beispielsweise von LiF-BeF₂-ThF₄ ternär geschmolzenem Salz, wird Tritium hergestellt und gleichzeitig ³⁵U, so daß nach und nach ein Brennstoff für einen Brüter mit geschmolzenem Salz gebildet wird. Bei dem Brüter mit geschmolzenem Salz und dem Beschleuniger nach der Erfindung werden Actinoide gebildet, obgleich nur in sehr geringen Anteilen.Dies kann jedoch als Auslöschen der Actinoide durch Ersetzen eines Teiles von ThF₄ in dem geschmolzenem Salz angesehen werden, nämlich eines Teiles von weniger als etwa 0,1 Mol %. Beispielsweise wird LiF-BeF₃-ThF₄ mit AnF, ersetzt, wobei An ein Actinoid-Element ist. Das bedeutet, daß bei dem Brüter nach der Erfindung das Brüten von "^U und die Erzeugung von Tritium, die im Vordergrund des Interesse dieses Brüters stehen, möglich sind und gleichzeitig können die Actinoide und die Spaltprodukte ausgelöscht werden, indem die Zusammensetzung des geschmolzenen Salzes geeignet geändert wird.

Der erfindungsgemäße Brüter hat also die folgenden Vorteile:

1. Spaltmaterialien können ohne Verwendung von Spaltmaterialien erzeugt werden. Etwa 800 kg -⁵⁵U (oder

Pu) können in einem Jahr mit diesem Reaktor erzeugt werden und gleichzeitig eine Energie von etwa 800.000 kW;

2. Das verwendete geschmolzene Salz kann als Brennelementensalz für einen Spaltbrüter oder Konverter mit geschmolzenem Salz verwendet werden, wie dies beim Einstellen von dessen Zusammensetzung der Fall ist. In diesem Fall kann dies erfolgen, ohne daß U oder angereichertes U oder Pu überhaupt eingesetzt werden. Das bedeutet, daß das System unabhängig von anderen Kerntechnologien ist;

3. Die erzeugte elektrische Energie übersteigt die verbrauchte Energie um etwa 200.000 kW. Es wird also elektrische Energie im Überschuß erzeugt;

4. Bezüglich der Sicherheit kann festgestellt werden, daß (a) das System sehr einfach ist und problemlos arbeitet; (b) es arbeitet ohne brennbare oder explosive Substanzen; (c) es handelt sich um ein unterkritisches System, so daß die Einstellung der chemischen Zusammensetzung für Steuerstäbe überhaupt nicht notwendig ist, um die nucleare Reaktivität zu steuern. Der Reaktor kann also ohne Einschränkungen konstruiert werden, so daß alle nucleare Parameter frei und optimal eingesetzt werden können;

5. Es kann die Technik der geschmolzenen Salze einschließlich der chemischen Behandlung weitestgehend verwendet werden. Die erzeugten nuclearen Spallatlonsprodukte liegen in geringer Konzentration vor, so daß auch diese ohne Probleme behandelt werden können.

Claims

-y-

Patent- und Schutzansprüche

Mit einem einzigen Fluid mit geschmolzenem Salz und einem Beschleuniger arbeitender Brüter, dadurch gekennzeichnet, daß ein System vorgesehen ist, das ein Reaktorgefäß (1; 4a) für das geschmolzene Salz vorsieht, einen Y/äremtauscher (7; 8a) und eine Pumpe (6; 9a) zum Umpumpen des geschmolzenen Salzes vom Reaktorgefäß (1; 4a) über den Wärmetauscher (7; 8a) und wieder zurück zum Reaktorgefäß (1; 4a), daß das Reaktorgefäß (1; 4a) zylinderförmig ist, oben und unten geschlossen ist und aus Hastelloy N für ein einphasiges, geschmolzenes Fluorid besteht, das Th F^ und/oder UF^ zusammen mit etwas Alkalifluorid und/oder Alkalinerde-Fluorid enthält und das als Auftreffmedium und Mantel dient, daß das Reaktorgefäß (1; 4a) mit einer Abschirmung (5a, 6a) aus Graphit ausgekleidet ist und oben eine öffnung (1a) hat, und daß mittels eines Linearbeschleunigerrohres (2; 17a) schnelle Teilchen, beispielsweise Protonen, über die öffnung (1a) direkt auf die Flüssigkeitsoberfläche aas dem geschmolzenen Salz (5) geschossen werden.
2. Brüter nach Anspruch 1,

dadurch gekennz eichnet, daß die Graphitabschirmung (5a, 6a) aus zwei Schichten besteht.
3. Brüter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß (1; 4a) wenigstens einen Einlaß (2a) für das geschmolzene Salz (5) im oberen Ende der Seiten wand des Zylinders hat sowie wenigsten einen Auslaß (3a)

der in der Graphitabschirmung (5a, 6a) in Bodennähe vorgesehen ist und abgebogen verläuft.
4. Brüter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (1a) mit einem Fenster versehen ist, das aus zwei Platten (3, 4) besteht, deren Zwischenraum mit Heliumgas gefüllt ist.
5. Brüter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß eine der Platten (3» 4) aus einer dünnen Platte aus Zircalloy besteht und die andere aus einer dünnen, mit einer Aluminium-Folie an der Oberseite bedeckte Platte aus Nb oder Mo.
6. Brüter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (1a) durch eine Differenzialpumpe (15a) mit vielen öffnungen ausgebildet ist.
7. Brüter nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der öffnung (1a) ein Strahl (Leitung 18a) ausgebildet ist, um einen Teil des umgepumpten, geschmolzenen Salzes (5) in das Reaktorgefäß (1; 4a) wirbeiförmig einzuleiten derart, daß ein Wirbel in der Mitte der FlUssigkeitsoberflache des geschmolzenen Salzes ausgebildet wird.
8. Brüter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmetauscher (7; 8a) Wärme und Tritium durch

das als Kühlmittel wirkendes Salz des Umpumpsystems gewonnen werden.
9. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Salz (5) LiF-BeF₂-ThF^ in einer Zusammensetzung derart ist, daß sie aus 76-16-12 Mol %, 67-18-15 Mol %, 64-18-18 Mol % und 71-9-20 Mol 96 besteht.
10. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als geschmolzenes Salz 'LiF-ThF^ in einer Zusammensetzung von 71-29 Mol % verwendet wird.
11. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als geschmolzenes Salz ^LIF-NaF-ThF^ in einer solchen Zusammensetzung verwendet wird, daß 43,5-32,5-24 Mol % und 54,5-13*5-32 Mol % verwendet werden.
12. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als geschmolzenes Salz 'LiF-UF. in einer Zusammensetzung von 7 1-19 Mol % verwendet wird.
13. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als geschmolzenes Salz 'LlF-NaF-UF^ in einer Zusammensetzung von 43,5-24,3-32,2 Mol % und 35,4-24,6-40 Mol % verwendet wird.

-i-f.
14. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß als geschmolzenes Salz LiF-RbF-UF^ in einer Zusammensetzung von 60-10-30 Mol % und 57-10-33 Mol % verwendet wird.
15. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet,

daß als geschmolzenes Salz NaF-KF-UF^ in einer Zusammensetzung von 47-29-38 Mol 96 verwendet wird.
16. Brüter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als geschmolzenes Salz NaF-RbF-UF^ in einer Zusammensetzung von 47-31-22 Mol 96 und 45-27-28 Mol % verwendet wird.
17. Brüter nach einem der Ansprüche 9 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, daß das 'LlF teilweise oder ganz d stellung von Tritium ersetzt wird.

daß das 'LlF teilweise oder ganz durch Lif zwecks Her-

Der Patentanwalt:

Dr. ö. Gudel