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Publication number: DEST008296MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 11. Juni 1954 Bekanntgemachi am 12. Januar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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.

Ein solches angereichertes Uran kann beispielsweise natürliches Uran sein, dem eine Menge U²³⁵, Pu²³⁹ oder U²³³ zugesetzt worden ist.

Insonderheit findet das Verfahren nach der Erfindung Anwendung bei den sogenannten thermischen Reaktoren und Energiereaktoren, in welchen der Neutronenstrom zu hohen Werten ansteigen kann.

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.

So bilden sich z. B. beim Spalten von U²³⁵ über j¹³⁵ (Halbwertszeit 6,7 Stunden) bzw. Pm¹⁴⁹ (Halbwertszeit 47 Stunden), Xe¹³⁵ und Sm¹⁴⁹. Letztere Isotope haben einen sehr großen wirksamen Eirifangquerschnitt für langsame Neutronen. Die Menge Xe¹⁸⁵, die nach einiger Zeit vorhanden ist, wird durch den Neutronenstrom bedingt.

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 Neutronenstrom von io¹⁴ Neutronen

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je cm²/Sek. soviel Xe¹³⁵ und Sm¹⁴⁹ vorhanden war, daß bereits 5,8% der vorhandenen Neutronen absorbiert wurde.

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 haufen 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.

Ähnliche Schwierigkeiten stellen sich ein bei den sogenannten homogenen Reaktoren, bei denen der Kernbrennstoff in aufgelöstem oder dispergiertem Zustand angewandt wird.

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.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei der Anwendung einer Brennstoff suspension wie oben gekennzeichnet die obenerwähnten Spaltprodukte grundsätzlich die suspendierten Teilchen verlassen können und darauf von der Trägerflüssigkeit abgebremst und in diese Flüssigkeit aufgenommen werden.

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.

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 ge-; ;, reinigten 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.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffsuspension 'hat man vorzugsweise dafür zu sorgen, daß diejenigen Kerrie, die sich durch Neutroneneinfang und darauffolgende /J-Emissioh aus dem Kernbrennstoff bilden, z. B. Pu²⁸⁹ 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 0,01 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.

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.

In dem obenerwähnten kontinuierlichen Verfahren der beherrschten Kernreaktion nach der Erfindung wird z. B. wenigstens ein Teil der zirkulierenden 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 der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung dieses kontinuierlichen Verfahrens schematisch dargestellt.

In der Figur ist 3 eine Pumpe, mittels welcher die Brennstoffsuspension nach der Erfindung durch den eigentlichen Reaktor 1 und den Wärmeaustau-

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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 karm 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 5_a 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.

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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

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.
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.
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.
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.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Hydrozyklon benutzt wird zur Abscheidung der Trägerflüssigkeit.
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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen