DE977151C - Verfahren zum Durchfuehren von Kernspaltungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBENAM 15. APRIL 1965

St 9083 VIII c/ 2ig

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchführen von Kernspaltungen in einem thermischen Kernreaktor unter Aufrechterhaltung eines hohen Konversionsfaktors.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren der erwähnten Gattung, bei dem der Kernbrennstoff in Gestalt einer Lösung oder Suspension spaltbarer Materie in einer Flüssigkeit, z. B. schwerem Wasser, vorliegt, welche Lösung ίο bzw. Suspension durch den Kernreaktor und durch einen Wärmeaustauscher zirkuliert.

In der bekannten Technik der Durchführung von Kernspaltungen zur Gewinnung von Wärmeenergie ist es ein wesentliches Erfordernis, den unwirtschaftlichen Neutronenverlust möglichst gering zu halten, indem der Reproduktionsfaktor der Neutronen gleich Eins gehalten wird.

Es wäre nun zweckmäßig, einen Kernreaktor in der Weise zu betreiben, daß auch der Konversionsfaktor gleich oder größer als Eins bleibt, d. h., daß ao während des Betriebs des Reaktors wenigstens ebensoviel durch langsame Neutronen spaltbare Atome gebildet wie gleichzeitig gespalten werden. Ein solcher Betrieb des Reaktors würde die Möglichkeit einer länger dauernden Ausnutzung des Kernbrennstoffs mit sich bringen.

Die Aufrechterhaltung eines hohen Konversionsfaktors macht jedoch bei der bekannten Technik

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die immer zunehmende Absorption von Neutronen, z. B. mittels eingeschobener Kadmiumstäbe, notwendig, da sonst der Reproduktionsfaktor zu sehr ansteigen würde.

Diese Erscheinung läßt sich wie folgt für den Fall, daß mit U²³⁵ angereichertes Uran als Spaltmaterial angewandt wird, erörtern.

Bei der Spaltung eines Atoms U²³⁵ bilden sich durchschnittlich 2,5 Neutronen. Davon ist 1 zur Instandhaltung der Kettenreaktion erforderlich, während etwa 0,2 durch die nicht produktive Absorption in U²³⁵ verlorengeht. Von den verbleibenden 1,3 Neutronen verschwindet ein Teil durch Absorption in dem Moderator, dem Reflektor, dem Konstruktionsmaterial des Reaktors und den gebildeten Spaltprodukten und weiterhin durch Austritt aus dem Reaktor. Der Rest steht für die Erzeugung von Pu²³⁹ aus U²³⁸ zur Verfügung.

Wenn nun während des Betriebs des Reaktors eine wesentliche Erzeugung von Pu²³⁹ aus U²³⁸ oder, mit anderen Worten, eine wesentliche Konversion von U²³⁵ in Pu²³⁹ stattfindet, so -wird die Neutronenproduktion immer mehr durch die Spaltung von Atomen Pu²³⁹ bedingt.

Bei der Spaltung eines Atoms Pu²³⁹ bilden sich durchschnittlich 3 Neutronen, wovon 1 zur Instandhaltung der Kettenreaktion erforderlich ist, während 0,5 durch die nicht produktive Absorption in Pu²³⁹ verlorengeht. Es verbleiben also 1,5 Neutronen pro Spaltung, und es entstehen also nach Abzug der weiterhin absorbierten Neutronen, wie oben erwähnt, relativ mehr Neutronen. Bei fortschreitender Konversion sind also immer mehr . Neutronen mittels Absorption zu beseitigen, wenn wenigstens der Reproduktionsfaktor gleich Eins zu halten ist.

Eine weitere Schwierigkeit, welche insbesondere in den Fällen auftritt, wo als Kernbrennstoff eine Suspension spaltbarer Materie in einer moderierenden Flüssigkeit Anwendung findet, ist, daß die Wirksamkeit des Reaktors unter Umständen stark durch Variationen des Mengenverhältnisses zwischen Moderator und spaltbarer Materie beeinträchtigt wird. Selbst kleine Variationen, z. B. örtliehe Schwankungen dieses Verhältnisses, können eine weitgehende Entfesselung des Kernprozesses herbeiführen.

Die Erfindung bezweckt die völlige Beseitigung dieser Schwierigkeiten.

Nach der Erfindung wird das anfängliche Mengenverhältnis zwischen Moderator und spaltbarer Materie derart gewählt, daß die Empfindlichkeit der Kernreaktion für Schwankungen dieses Verhältnisses minimal ist, und weiterhin wird der Reaktor während des Betriebs dadurch kritisch gehalten, daß man das Mengenverhältnis zwischen Moderator und spaltbarer Materie allmählich ändert, d. h. allmählich vergrößert oder verringert.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung läßt sich eine beträchtliche Konversion der spaltbaren Atome erzielen, ohne daß eine unwirtschaftliche absichtliche Absorption von Neutronen stattzufinden braucht.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens findet während des Betriebs des Reaktors eine allmähliche Zunahme der Empfindlichkeit der Kernreaktion für Schwankungen des Mengenverhältnisses zwischen Moderator und spaltbarer Materie statt.

Obwohl der absolute Wert der Empfindlichkeit immerhin gering ist, gerade weil die Reaktion bei möglichst geringer Empfindlichkeit angefangen wird, wäre es unter Umständen vorteilhaft, in der Weise zu arbeiten, daß diese Empfindlichkeit während der ganzen Dauer der Reaktion sehr gering bleibt. Dies trifft insbesondere zu in den Fällen, wo Kernbrennstoffsuspensionen Anwendung finden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß man während des Betriebs des Reaktors die spaltbare Materie allmählich mit einem Stoff verdünnt, welcher Atome enthält, die unter dem Einfluß langsamer Neutronen in von langsamen Neutronen leicht spaltbare Atome übergehen können, wobei dieser Verdünnungsstoff eine geringere Menge von Atomen enthält, die von langsamen Neutronen gespalten werden können, als die spaltbare Materie, während der Reaktor dadurch kritisch gehalten wird, daß man das Mengenverhältnis zwischen Moderator und spaltbarer Materie allmählich vergrößert.

Während des Betriebs eines Kernreaktors nimmt die Menge der Spaltprodukte und damit auch die unerwünschte Absorption der Neutronen allmählich zu. Das Maß der anzuwendenden Änderung des Mengenverhältnisses zwischen Moderator und spaltbarer Materie wird von dieser Erscheinung mitbestimmt.

Weiterhin folgt aus dieser Betrachtung, daß das Verfahren nach der Erfindung besonders auch von Bedeutung ist in den Fällen, wo während des Betriebs des Reaktors eine kontinuierliche Reinigung des Kernbrennstoffs stattfindet zur Entfernung von Spaltprodukten, wie dies z. B. bei zirkulierenden flüssigen Kernbrennstoffen leicht durchführbar ist. Ohne die Erfindung darauf beschränken zu wollen, wird sie an Hand des folgenden Beispiels verdeutlicht.

Es handelt sich um einen homogenen Kernreaktor, in dem eine Suspension von Uranoxyd als Kernbrennstoff in schwerem Wasser Anwendung findet. Die Menge schweren Wassers ist so gewählt, daß der Reaktor als thermischer Reaktor arbeiten kann. Geht man von einer betimmten Zusammensetzung des Urans aus, so ist für verschiedene Verhältnisse zwischen den Mengen schweren Wassers und Uranoxyds der Radius eines kugelförmigen Reaktors zu berechnen, der noch gerade kritisch sein kann. Es wurde gefunden, daß, wenn man eine Änderung des Verhältnisses vornimmt, für den Reaktor ein gewisser Minimalradius anzugeben ist, bei dem der Reaktor überhaupt noch kritisch sein kann. Zu diesem Minimalradius gehört ein bestimmtes Verhältnis von schwerem Wasser zu Uranoxyd, während überdies bei diesem bestimmten Verhältnis die Empfindlichkeit der Kernreaktion für Schwankungen in dem besagten Verhältnis minimal ist.

In der in der Zeichnung wiedergegebenen graphischen Darstellung ist auf der Abszisse das Verhältnis von schwerem Wasser zu Uranoxyd in logarithmischer Skala eingetragen und auf der Ordinate der kritische Reaktorradius R^. Die Kurve ι bezieht sich auf natürliches Uran mit 0,71% U²³⁵. Diese Kurve weist das Minimum 4 auf, zu dem der minimale kritische Radius 7 gehört. Für eine spaltbare Materie, die aus U²³⁸ mit 0,71 % Pu²³⁹ besteht, welche Materie mit natürlichem Uran übereinstimmt, in dem während des Betriebs des Reaktors eine vollkommene Konversion des U²³³ in Pu²³⁹ stattgefunden hat, läßt sich die Kurve 2 errechnen.

Für U²³⁸, das U²³⁵ und Pu²³⁹ in wechselnden Verhältnissen enthält, d. h. für die spaltbaren Materien, die nacheinander in einem Reaktor auftreten, wo eine allmähliche Konversion von U²³⁵ in Pu²³⁹ stattfindet, erhält man eine Kurvenschar zwischen den Kurven 1 und 2.

Wenn nun ein Reaktor in Gang gesetzt wird unter Anwendung von natürlichem Uran, während der Reproduktionsfaktor gleich Eins gehalten wird, was bedeutet, daß auf irgendeinem Punkt der Kurve ι angefangen wird, so würde, wenn wesentliche Konversion stattfinden würde, der Reaktor immer mehr überkritisch werden, weil der Reaktorradius dann relativ zu groß sein würde. Nach der bekannten Technik müßte man dann immer mehr Neutronen wegfangen, was, ganz abgesehen von dem unwirtschaftlichen Neutronenverlust, die Unmöglichkeit der Aufrechterhaltung eines hohen Konversionsfaktors herbeiführen würde.

Nach der Erfindung wird nunmehr der Reaktor kritisch gehalten, d. h., der Reproduktionsfaktor der Neutronen wird gleich Eins gehalten, dadurch, daß man das Verhältnis von schwerem Wasser zu Uranoxyd allmählich vergrößert oder verkleinert, während von einem Reaktor mit dem obenerwähnten minimalen kritischen Radius ausgegangen wird.

Man geht z. B. von einem Reaktor mit Radius 7

und natürlichem Uran als spaltbarer Materie aus und vergrößert allmählich das Verhältnis D₂ O: U O₂, je nachdem die Konversion fortschreitet. Dies bedeutet, daß das Verhältnis schließlich einen Wert erreicht, welcher mit dem Punkt 5 auf der Kurve 2 übereinstimmt, nämlich wenn die Konversion gleich Eins ist. Weil bei dem Verfahren der Reaktor immer kritisch bleibt, ist eine absichtliche Neutronenabsorption völlig unnötig, so daß von den Neutronen ein möglichst wirtschaftlicher Gebrauch gemacht wird.

Die allmähliche Änderung des Verhältnisses D₂O:UO₂ kann z. B. dadurch verwirklicht werden, daß man außerhalb des Reaktors aus der zur Energiegewinnung durch den Reaktor und durch einen Wärmeaustauscher zirkulierenden Suspension Uranoxyd abscheidet oder in ähnlicher Weise der Suspension Uranoxyd beimischt.

Wie aus der Figur ersichtlich, nimmt während der Änderung des Verhältnisses D₂O:UO₂ die Empfindlichkeit der Reaktion für Schwankungen des Verhältnisses D₀OiUO., allmählich zu. Dieser Effekt ist aber minimal, gerade weil die Reaktion bei möglichst kleiner Empfindlichkeit angefangen wird (Punkt 4 auf Kurve 1).

Vorzugsweise wird nach der Erfindung die Empfindlichkeit der Reaktion bezüglich der erwähnten Schwankungen ständig auf minimalem Wert gehalten, und zwar dadurch, daß man während des Betriebs des Reaktors das Uranoxyd allmählich mit einem Stoff verdünnt, der Atome enthält, die unter dem Einfluß langsamer Neutronen in Atome übergehen können, die von langsamen Neutronen leicht spaltbar sind, jedoch eine geringere Menge von Atomen enthält, die von langsamen Neutronen gespalten werden können, als das vorhandene Uranoxyd, während der Reaktor durch allmähliche Vergrößerung des Verhältnisses D₂OiUO₂ kritisch gehalten wird.

Zu einer allmählichen Verdünnung des Uranoxyds geeignet sind z. B. Th²³² und U²³⁸. Praktisch sehr geeignet ist das Abfallprodukt der Fabriken, die durch Diffusion reines U²³³ herstellen, welches Produkt aus U²³⁸ mit einem geringeren Gehalt an U²³³, als das natürliche Uran aufweist, besteht.

Die Kurve 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis D₂OiUO₂ und dem kritischen Reaktorradius für spaltbare Materie, die aus U²³⁸ mit 0,55% Pu²³⁹ besteht, was mit der Endzusam- go mensetzung natürlichen Urans übereinstimmt, das bei vollkommener Konversion des U²³⁵ gleichzeitig allmählich mit einer Gesamtmenge U²³⁸ verdünnt worden ist, welche etwa 30% der ursprünglichen Menge"U²³⁸ bildet. Das Minimum 6 dieser Kurve tritt auf bei praktisch gleichem kritischem Radius 7 wie das Minimum 4 in der Kurve 1.

Die Erfindung ermöglicht deshalb die Aufrechterhaltung einer ständig minimalen Empfindlichkeit der Reaktion unter gleichzeitiger wesentlicher Konversion durch allmähliche Vergrößerung des Verhältnisses D₂OiUO₂ von 4 bis 6, wobei gleichzeitig das Uranoxyd mit U²³⁸, wie oben erwähnt, von 40 auf 60 verdünnt wird.

In letzterem Falle ist die Größe der anzuwendenden Änderung des Verhältnisses D₂OiUO₂ (von 4 bis 6) wesentlich kleiner als in dem vorherbeschriebenen Falle, wo eine Verdünnung des Uranoxyds nicht stattfindet (von 4 bis 5).

In der Praxis wird eine allmähliche Verdünnung der spaltbaren Materie nicht immer möglich sein. Geringe Abweichungen von der obenerwähnten Verfahrensweise sind jedoch gestattet, ohne daß der Effekt der Erfindung verlorengeht. Es ist z. B. als praktisch zu bezeichnen, wenn man Th²³² oder U²³⁸ nicht kontinuierlich, sondern periodisch zusetzt.

Es wird einleuchten, daß das, was hier an Hand eines einfachen Beispiels dargelegt worden ist, in gleichem Maße auch für kompliziertere Fälle zutrifft, z. B. bei Anwendung eines heterogenen Kernreaktors.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zum Durchführen von Kernspaltungen in einem thermischen Reaktor unter Aufrechterhaltung eines hohen Konversions-

   faktors, dadurch gekennzeichnet, daß das anfängliche Mengenverhältnis zwischen Moderator und spaltbarer Materie derart gewählt wird, daß die Empfindlichkeit der Kernreaktion für Schwankungen dieses Verhältnisses minimal ist, und daß der Reaktor während des Betriebs dadurch kritisch gehalten wird, daß man das Mengenverhältnis zwischen Moderator und spaltbarer Materie allmählich ändert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, bei dem der Kernbrennstoff in Gestalt einer Lösung oder Suspension spaltbarer Materie in einer Flüssigkeit vorliegt, welche Lösung bzw. Suspension durch den Kernreaktor und durch einen Wärmeaustauscher zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß die allmähliche Änderung des Mengenverhältnisses zwischen Moderator und spaltbarer Materie in der Weise durchgeführt wird, daß man außerhalb des Reaktors spaltbare Materie aus der Lösung bzw. Suspension abscheidet oder der Lösung bzw. Suspension beimischt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennstoff eine Suspension eines Uranoxyds in schwerem Wasser Anwendung findet.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Reaktor während des Betriebs mittels allmählicher Vergrößerung des Mengenverhältnisses zwischen Moderator und spaltbarer Materie kritisch gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß man während des Betriebs des Reaktors die spaltbare Materie allmählich mit einem Stoff verdünnt, der Atome enthält, die unter dem Einfluß langsamer Neutronen in von langsamen Neutronen leicht spaltbare Atome übergehen können, wobei dieser Verdünnungsstoff eine geringere Menge von Atomen enthält, die von langsamen Neutronen gespalten werden können, als die spaltbare Materie.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff während des Betriebs des Reaktors einer kontinuierlichen Reinigung unterzogen wird, und zwar zwecks Entfernung von Spaltprodukten.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Buch: »The Elements of Nuclear Reaktor Theroy«, von Glasstone und Edlund, 1952, S. 192, 222, 224, 257, 289;

   Zeitschrift »The Review of Scientific Instruments«, Bd. 22, Juli 1951, S. 489 bis 499;

   AECD-Report, Nr. 3063, S. 17 bis 32, freigegeben am 21. 2. 1951.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 546/402 6,56 (509 541/3 4.65)