DE948000C - Procedure for carrying out nuclear fission - Google Patents

Procedure for carrying out nuclear fission

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DE948000C DEST8296A DEST008296A DE948000C DE 948000 C DE948000 C DE 948000C DE ST8296 A DEST8296 A DE ST8296A DE ST008296 A DEST008296 A DE ST008296A DE 948000 C DE948000 C DE 948000C
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Description

AUSGEGEBEN AM 23. AUGUST 1956ISSUED AUGUST 23, 1956

St 8296 VIIIcIzigSt 8296 VIIIcIzig

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchführen von Kernspaltungen mittels Neutronen. Die Erfindung findet Anwendung bei der Durchführung beherrschter Kettenreaktionen in Kernreaktoren, wo als Kernbrennstoff z. B. natürliches Uran verwendet wird oder Uran, das an Isotopen, die durch langsame Neutronen gespalten werden können, angereichert ist.The invention relates to a method for carrying out nuclear fission by means of Neutrons. The invention finds application in the implementation of controlled chain reactions in nuclear reactors, where as nuclear fuel z. B. natural uranium is used or uranium that is enriched in isotopes that can be split by slow neutrons.

Ein solches angereichertes Uran kann beispielsweise natürliches Uran sein, dem eine Menge U235, Pu239 oder U233 zugesetzt worden ist.Such an enriched uranium can, for example, be natural uranium to which a quantity of U 235 , Pu 239 or U 233 has been added.

Insonderheit findet das Verfahren nach der Erfindung Anwendung bei den sogenannten thermischen Reaktoren und Energiereaktoren, in welchen der Neutronenstrom zu hohen Werten ansteigen kann.In particular, the method according to the invention is used in the so-called thermal Reactors and energy reactors in which the neutron flux increases to high values can.

Es ist bekannt, daß sich beim Spalten von Atomkernen durch Neutronen neue Kerne bilden, die mit großen Geschwindigkeiten fortgeschossen, aber schon bald völlig abgebremst werden. Die so, gebildeten Atomkerne und die daraus durch weitere Kernreaktionen anfallenden Kerne bleiben als Verunreinigungen in dem Kernbrennstoff zurück. Diese Verunreinigungen beeinträchtigen die Kettenreaktion, weil sie die Neutronen wegfangen.It is known that when atomic nuclei are cleaved by neutrons, new nuclei are formed, which with shot away at great speeds, but soon be braked completely. The so educated Atomic nuclei and the nuclei resulting from further nuclear reactions remain as impurities back in the nuclear fuel. These impurities affect the chain reaction, because they trap the neutrons.

So bilden sich z. B. beim Spalten von U235 über J135 (Halbwertszeit 6,7 Stunden) bzw. Pm149 (Halbwertszeit 47 Stunden), Xe135 und Sm1'49. Letztere Isotope haben einen sehr großen wirksamen Einfangquerschnitt für langsame Neutronen. Die Menge Xe135, die nach einiger Zeit vorhanden ist, wird durch den Neutronenstrom bedingt.So form z. E.g. when splitting U 235 through J 135 (half-life 6.7 hours) or Pm 149 (half-life 47 hours), Xe 135 and Sm 1 '49 . The latter isotopes have a very large effective capture cross-section for slow neutrons. The amount of Xe 135 that is present after some time is due to the neutron flow.

Bei einem starken Neutronenstrom, wie dieser bei Energiereaktoren notwendig ist, steigert sich die Konzentration der Verunreinigungen zu einem hohen Wert, wodurch die Neutronenabsorption schon bald sehr beträchtlich wird. Es ergab sich, daß bei einem Neutronenstiom von io14 NeutronenWith a strong neutron flux, as is necessary in energy reactors, the concentration of the impurities increases to a high value, whereby the neutron absorption soon becomes very considerable. It was found that with a neutron stiom of 10 14 neutrons

je cm2/Sek. soviel Xe135 und Sm149 vorhanden war, daß bereits 5,8°/o der vorhandenen Neutronen absorbiert wurde.per cm 2 / sec. so much Xe 135 and Sm 149 were present that 5.8 per cent of the neutrons present were already absorbed.

Bei den bekannten Reaktoren, in denen Stäbe von festem Uran oder Uranoxyd angewandt werden, können diese schädlichen Verunreinigungen nicht kontinuierlich entfernt werden. Dadurch entstehen in diesen Reaktoren, wenn sie. auf hoher Leistungsstufe arbeiten müssen, große Neutronenverluste. Außer besagten sich schnell bildenden Verunreinigungen häufen sich auch allmählich stabilere Spaltprodukte in dem Kernbrennstoff an. Weil auch diese Neutronen absorbieren, müssen sie nach einer gewissen Zeit entfernt werden. Die damit verbundenen Maßnahmen sind schwierig und kostspielig. In the known reactors in which rods of solid uranium or uranium oxide are used, these harmful contaminants cannot be continuously removed. This creates in these reactors when they. Have to work at a high power level, large neutron losses. In addition to the said rapidly forming impurities, gradually more stable impurities also accumulate Fission products in the nuclear fuel. Because these also absorb neutrons, they have to follow suit be removed after a certain period of time. The associated measures are difficult and costly.

Ähnliche Schwierigkeiten stellen sich ein bei den sogenannten homogenen Reaktoren, bei denen der Kernbrennstoff in aufgelöstem oder dispergiertem Zustand angewandt wird.Similar difficulties arise with the so-called homogeneous reactors, in which the Nuclear fuel is applied in a dissolved or dispersed state.

Nach der Erfindung lassen sich die oben angeführten Schwierigkeiten vermeiden und wird eine kontinuierliche Entfernung unerwünschter Verunreinigungen aus dem Kernbrennstoff ermöglicht, wenn man als Kernbrennstoff eine stabile Suspension von fester spaltbarer Materie in einer Trägerflüssigkeit anwendet, wobei im wesentlichen alle Teilchen der Suspension einen größten' Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als 15 μ. Unter »stabile Suspension« wird hier verstanden eine Dispersion von fester Materie in einer Flüssigkeit, in der die Erscheinung der Agglomeration grundsätzlich nicht auftritt. Es ist in dieser Hinsicht zu betonen, daß die Erscheinung der Sedimentation der Teilchen, deren Abwesenheit öfter als Stabilitätsmerkmal für Suspensionen betrachtet wird, bei der erfindungsgemäßen Suspension durchaus wohl zulässig ist.According to the invention, the above-mentioned difficulties can be avoided and a continuous removal of undesirable impurities from the nuclear fuel is made possible if a stable suspension of solid fissile matter in a carrier liquid is used as the nuclear fuel, with essentially all particles of the suspension having a largest 'diameter that is smaller than 15 μ. “Stable suspension” is understood here to mean a dispersion of solid matter in a liquid in which the phenomenon of agglomeration does not occur in principle. It should be emphasized in this regard that the phenomenon of sedimentation of the particles, the absence of which is often regarded as a stability feature for suspensions, is quite permissible in the case of the suspension according to the invention.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei der Anwendung einer Brennstoffsuspension wie oben gekennzeichnet die obenerwähnten Spaltprodukte grundsätzlich die suspendierten Teilchen verlassen können und darauf von der Trägerflüssigkeit abgebremst und in" diese Flüssigkeit aufgenommen werden.It has been found that when using a fuel suspension as above characterized the above-mentioned cleavage products basically leave the suspended particles can and then slowed down by the carrier liquid and absorbed into "this liquid will.

Die Erfindung ermöglicht die Entfernung der Spaltprodukte aus dem Kernbrennstoff in einer einfachen, gegebenenfalls kontinuierlichen Weise, wenn man wenigstens ein Teil der Trägerflüssigkeit von der Suspension abscheidet und anschließend die abgeschiedene Flüssigkeit mit geeigneten Mitteln, z. B. Ionenaustauschern oder Adsorptionsmitteln, von den darin enthaltenen Spaltprodukten befreit.The invention enables the removal of the fission products from the nuclear fuel in a simple, optionally in a continuous manner, if at least part of the carrier liquid separated from the suspension and then the separated liquid with suitable Means, e.g. B. ion exchangers or adsorbents, of the cleavage products contained therein freed.

Wenn erwünscht, können auch die Brennstoffteilchen nach einer etwaigen totalen Abscheidung der Trägerflüssigkeit einem Reinigungsverfahren unterworfen werden zwecks Entfernung der etwa an ihrer Oberfläche adsorbierten Spaltprodukte. Die gereinigte Trägerflüssigkeit kann der bei der -Abscheidung anfallenden eingedickten Suspension wieder zugefügt werden,'oder, falls alle Trägerflüssigkeit abgeschieden wurde, es können die abgeschiedenen BrennstofFteilchen wieder in der gereinigten Trägerflüssigkeit dispergiert werden. In dieser, Weise wird nach der Erfindung ein kontinuierliches Verfahren der beherrschten Kernspaltung ermöglicht, in dem Reaktionsperioden abwechseln mit Perioden, in denen außerhalb des Kernreaktors eine Reinigung der Brennstoffsuspension stattfindet. Dieses kontinuierliche Verfahren läßt sich vorteilhaft anwenden in den Fällen, wo man die Brennstoffsuspension schon für Wärmeabfuhrzwecke zirkulieren läßt.If desired, the fuel particles can also after any total separation the carrier liquid are subjected to a cleaning process for the purpose of removing the approximately Fission products adsorbed on their surface. The cleaned carrier liquid can be used in the -Deposition accumulating thickened suspension can be added again, 'or, if all carrier liquid has been deposited, the deposited fuel particles can be returned to the cleaned one Carrier liquid are dispersed. In this way, the invention becomes a continuous one The controlled nuclear fission process enables alternating reaction periods with periods in which the fuel suspension is cleaned outside the nuclear reactor. This continuous process can be used to advantage in those cases where one the fuel suspension can already circulate for heat dissipation purposes.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffsuspension hat man vorzugsweise" dafür zu sorgen, daß diejenigen Kerne, die sich durch Neutroneneinfang und darauffolgende /^-Emission aus dem Kernbrennstoff bilden, z. B. Pu239 oder U233, die Brennstoffteilchen nicht verlassen können. Es wird darum nach der Erfindung vorzugsweise eine Suspension gebraucht, in der wesentlich alle Teilchen einen kleinsten Durchmesser aufweisen, der größer ist als ο,οί μ. When using the fuel suspension according to the invention, it is preferable to "ensure that those nuclei which are formed by neutron capture and subsequent emission from the nuclear fuel, for example Pu 239 or U 233 , cannot leave the fuel particles. Es therefore, according to the invention, a suspension is preferably used in which essentially all the particles have a smallest diameter that is greater than ο, οί μ.

Als Beispiele geeigneter Suspensionen können genannt werden: Dispersionen von Oxyden natürlichen oder nur wenig angereicherten Urans in schwerem Wasser und Dispersionen von angereicherten Uranyloxyden in gewöhnlichem oder mit schwerem Wasser angereichertem Wasser. In die- go sen Fällen ist die Trägerflüssigkeit der Suspension gleichzeitig Moderator.Examples of suitable suspensions include: dispersions of natural oxides or poorly enriched uranium in heavy water and dispersions of enriched Uranyloxides in ordinary or heavy water. In die go In these cases, the carrier liquid of the suspension is also a moderator.

Die obenerwähnte totale oder teilweise Abscheidung der Trägerflüssigkeit .aus der Suspension läßt sich in bekannter Art und Weise durchführen. Jedoch muß man damit rechnen, daß ein bestimmtes bekanntes Abscheidungsverfahren zu umständlich sein könnte, namentlich in Hinsicht auf die für eine genügende Abscheidung erforderliche Zeit, um in der Praxis ein kontinuierliches Verfahren zu ermöglichen. Es wird in diesem Zusammenhang nach der Erfindung vorzugsweise eine Suspension gebraucht, in der der mittlere effektive Durchmesser der Teilchen gleich oder größer als ι μ ist. Es hat sich im allgemeinen erwiesen, daß sich aus dergleichen Suspensionen, insbesondere wenn Hydrozyklone für die Abscheidung benutzt werden, größere oder kleinere Mengen- Trägerflüssigkeit in praktisch nutzbaren Zeiten abscheiden lassen.The above-mentioned total or partial separation of the carrier liquid from the suspension can be carried out in a known manner. However, it must be taken into account that a certain known deposition process could be too cumbersome, particularly in view of the time required for sufficient deposition to enable a continuous process in practice. In this context, according to the invention, a suspension is preferably used in which the mean effective diameter of the particles is equal to or greater than ι μ . It has generally been found that larger or smaller amounts of carrier liquid can be separated from suspensions of this type, in particular when hydrocyclones are used for the separation, in times that can be used in practice.

In dem obenerwähnten kontinuierlichen Verfahren der beherrschten^ Kernreaktion nach der Erfindung wird z. B. wenigstens ein Teil der zirkulierendejti Suspension durch mindestens einen Hydrozyklon gepreßt, und die anfallende geklärte Trägerflüssigkeit wird darauf von Spaltprodukten befreit. Anschließend wird die gereinigte Flüssigkeit wieder mit der aus dem Hydrozyklon ausgetretenen eingedickten Suspension gemischt und die so erhaltene Suspension wieder in den Reaktor zurückgeführt. In the above-mentioned continuous process of controlled nuclear reaction according to the invention is z. B. at least part of the circulating jti Suspension pressed through at least one hydrocyclone, and the resulting clarified carrier liquid is then freed from fission products. Then the purified liquid mixed again with the thickened suspension that emerged from the hydrocyclone and the resulting The suspension is returned to the reactor.

In der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung dieses kontinuierlichen Verfahrens schematisch dargestellt.A system for carrying out this continuous process is shown schematically in the drawing shown.

In der Figur ist 3 eine Pumpe, mittels welcher die Brennstoffsuspension nach der Erfindung durch den eigentlichen Reaktor 1 und den Wärmeaustau-In the figure, 3 is a pump, by means of which the fuel suspension according to the invention through the actual reactor 1 and the heat exchange

scher 2 umgewälzt wird. Die infolge der Kernspaltung in dem Reaktor 1 entwickelte Wärme wird in dem Wärmeaustauscher 2 an eine Flüssigkeit abgetreten, beispielsweise Wasser, die dabei in Dampf übergeht. Dieser Dampf kann zu Heiz- oder Energiezwecken angewandt werden. Ein Teil der Suspension wird über die Pumpe 4 durch den Hydrozyklon oder eine Batterie von Hydrozyklonen 5* gepumpt, die in solcher Weise angeordnet ist, daß aus dem Überlauf 5a teilchenfreie Trägerflüssigkeit austritt, während aus dem Ablaß 5& eine einigermaßen eingedickte Suspension gewonnen wird. Die klare Flüssigkeit wird in einer Reinigungsanlage 6 von Spaltprodukten befreit und anschließend mit der eingedickten Suspension, gemischt und dem Kreislauf wieder zugeleitet.shear 2 is circulated. The heat developed in the reactor 1 as a result of the nuclear fission is transferred in the heat exchanger 2 to a liquid, for example water, which is converted into steam in the process. This steam can be used for heating or energy purposes. Part of the suspension is pumped through the hydrocyclone or a battery of hydrocyclones 5 * via the pump 4, which is arranged in such a way that particle-free carrier liquid emerges from the overflow 5 a , while a somewhat thickened suspension is obtained from the outlet 5 &. The clear liquid is freed from cleavage products in a cleaning system 6 and then mixed with the thickened suspension and fed back into the circuit.

Die Anlage ist weiterhin mit einem Reservebehälter 8 versehen, in den die Suspension im Notfall schnell abgelassen werden kann, indem die Pumpe 3 abgestellt und das Ventil 10 geöffnet wird. Mittels der Pumpe 9 kann die Suspension in den Kreislauf zurückbefördert werden.The system is also provided with a reserve container 8, in which the suspension in an emergency can be drained quickly by turning off the pump 3 and opening the valve 10. The suspension can be conveyed back into the circuit by means of the pump 9.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: i. Verfahren zur Durchführung von Kernspaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennstoff eine stabile Suspension von fester spaltbarer Materie in einer Trägerflüssigkeit benutzt wird, in der im wesentlichen alle Teilchen einen größten Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als 15 μ. i. Process for carrying out nuclear fission, characterized in that a stable suspension of solid fissile matter in a carrier liquid is used as nuclear fuel, in which essentially all the particles have a largest diameter which is smaller than 15 μ. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen alle Teilchen der Suspension einen kleinsten Durchmesser aufweisen, der größer ist als 0,01 μ. 2. The method according to claim 1, characterized in that essentially all the particles of the suspension have a smallest diameter which is greater than 0.01 μ. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere effektive Diameter der Teilchen der Suspension gleich oder größer als ι μ ist.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the mean effective diameter of the particles of the suspension is equal to or greater than ι μ . 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff von Spaltprodukten befreit wird durch Abscheidung wenigstens eines Teils der Trägerflüssigkeit aus wenigstens einem Teil der Suspension und anschließende Reinigung der abgeschiedenen Flüssigkeit.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the nuclear fuel of Fission products is freed by separating out at least part of the carrier liquid at least part of the suspension and subsequent cleaning of the deposited Liquid. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Hydrozyklon benutzt wird zur Abscheidung der Trägerflüssigkeit. 5. The method according to claim 4, characterized in that at least one hydrocyclone is used to separate the carrier liquid. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer totalen Abscheidung der Trägerflüssigkeit die Brennstoffteilchen einer Reinigung unterzogen werden zwecks Entfernung von Spaltprodukten, welche an ihrer Oberfläche adsorbiert sind.6. The method according to claim 4, characterized in that after a total deposition the fuel particles are subjected to a cleaning for the purpose of the carrier liquid Removal of fission products that are adsorbed on their surface. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 509 628/148 1. (609 589 8.56)© 509 628/148 1. (609 589 8.56)
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