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Publication number: DEST009061MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 18. November 1954 Bekanntgemacht am 8. März 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf ein. Verfahren zum Durchführen von Kernspaltungen, in dem als Kernbrennstoff eine Suspension von fester spaltbarer Materie in einer Trägerflüssigkeit verwendet wird, welche Suspension zwecks Gewinnung von thermisdher Energie durch einen Kernreaktor und einen Wärmeaustauscher zirkuliert.

Die Suspension kann z. B. aus einer Verbindung (beispielsweise einem Oxyd) von natürlichem oder angereichertem Uran bestehen, die in gewöhnlichem oder schwerem Wasser suspendiert worden ist.

Dabei besteht die Möglichkeit, daß die Suspension der spaltbaren Materie in schwerem Wasser eine solche ist, daß der Reaktor keinen gesonderten Moderator zu enthalten braucht (homogene Reaktoren). Dies läßt sich verwirklichen, indem man eine Suspension verwendet, weldhe besteht aus einem Gemisch der spaltbaren Materie und eines festen Moderator«, wie BeO in schwerem Wasser. Bei anderen Reaktortypen, den sogenannten heterogenen Reaktoren, findet keine oder bloß eine teilweise Vermischung des Moderators mit der spaltbaren Materie statt. Ein gesonderter Moderator kann dann unbeweglich in dem Reaktor aufgestellt sein oder in einen gesonderten Elüssigkeitskreislauf aufgenommen werden. Letzteres ist der Fall, wenn

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eine Flüssigkeit, ζ. B. schweres Wasser, als Moderator angewandt wird.

Eine Schwierigkeit, die sich in vielen Fällen bei der Verwendung von Kernibrennstoffsuspensionen geltend macht,. ist, daß diese bei den Konzentrationen, wie sie innerhalb des Reaktors erwünscht sind, gewöhnlich eine so hohe Viskosität besitzen, daß sie sich nur schwer rundpumpen lassen·. Bed dieser Konzentration ist außerdem eine kontinuierliehe Abtrennung von; Spaltprodukten aus der Trägerflüssdgkeit beschwerlich durchzuführen.

Dies ist besonders dann der Fall, wenn man die Brennstoffsuspension unter der Wirkung der Schwerkraft durch den Reaktor strömen läßt, weil in diesen Fällen die Suspension überhaupt eine hohe Viskosität aufweist. \

Nach der Erfindung lassen sich die obenerwähnten Schwierigkeiten dadurch völlig beheben, daß man die Suspension außerhalb des .Kernreaktors vetrdünnt mit einer zusätzlichen Menge Trägerflüssigkeit, besagte zusätzliche Menge wieder von der verdünnten Suspension abscheidet bevor diese wieder in den Kernreaktor eintritt, und die Beförderung den: Suspension mit der verdünnten Sus-

pension durchführt. ■ ·

Mit Vorteil kann man die abgeschiedene Trägerflüssigkeit wenigstens teilweise von Spaltprodukten befreien und anschließend die gereinigte Flüssigkeit wieder für die Verdünnung der Suspension benutzen. In dieser Weise wird eine kontinuierliche Reinigung der Brennstoffsuspension erzielt.

Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung der zusätzlichen Menge Trägerflüssigkeit mit Hilfe von wenigstens einem Ei.ndkkhydrozyklon.

Hydrozyklone weisen nämlich den Vorteil auf, daß mechanisch bewegte Einzelteile völlig fehlen, so daß Instandhaltungsarbeiten, die infolge der auftretenden starken Strahlung sehr erschwert werden, fast ganz überflüssig sind. Außerdem ist die Kapazität pro Volumeneinheit im Vergleich zu anderen Eindickertypen sehr groß; hierdurch ist es möglich, die Gesamtmenge der zirkulierenden Suspension gering zu halten.:--

Vorzugsweise findet die Beförderung der verdünnten Suspensioiir-'mit Hilfe eines vorwiegend senkrecht angeordneten; Steigrohrs statt, in das ein Gas eingeblasen wird. Die verdünnte Suspension wird durch dieses Gas hinaufbefördert, worauf das Gas abgetrennt und auf Wunsch rezirkuliert werden kann. Das Gas hat dabei überdies noch eine Sonderfuniktion, und zwar die, daß etwa vorhandene, unter den herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen gasförmige Spaltprodukte wie J¹³⁵ und das daraus gebildete Xe¹³⁵ aus der Suspension gespült und aus dem Gas ausgeschieden werden können. Dies ist auch von besonderer Bedeutung für die D₂- und H₂-Mengen, die durch die Wirkung der Strahlung gebildet werden. Werden diese Gase nicht regelmäßig entfernt, so besteht die Möglichkeit, daß sie in der Vorrichtung zusammen mit O₂, das sich gleichfalls dord: entwickelt, gefährliche Mengen Knallgas bilden. Diese Stoffe können, ohne daß man sie von dem Gas zu trennen braucht, mit O₂ katalytisch verbrannt werden. Die Verdünnung der Suspension mit Trägerflüssigkeit kann gegebenenfalls bereits vor dem Eintritt in den Wärmeaustauscher stattfinden.

Da die Viskosität von'z. B. U O₂-Suspensionen in Wasser in starkem Maße durch die Konzentration bestimmt wird, kann man sich zu einer beträchtliehen Herabsetzung der Viskosität mit verhältnismäßig geringen Mengen Trägerflüssigkeit begnügen. Dadurch kann der Nachteil der Temperaturerniedrigung, die sich beim Mischen der heißen Suspension mit der abgekühlten Trägerflüssigkeit einstellt, verhältnismäßig gering sein. Wenn nötig, kann auch ein Teil der Trägerflüssigkeit vor dem Eintritt der Suspension in den Wärmeaustauscher und der Rest nach dem Austritt aus diesem Austauscher zugesetzt werden. ' . Die verdünnte Suspension kann gegebenenfalls einer Reinigung unterzogen werden zwecks Entfernung von in der Trägerflüssigkeit gelösten Spaltpirodukten. In dieser Weise bietet das Verfahren nach der Erfindung eine weitere Möglichkeit zur kontinuierlichen Reinigung des Kernbrennstoffs.

Zur Erläuterung der Erfindung und ohne dieselbe darauf beschränken zu wollen, sind in den Zeichnungen schematisch Vorrichtungen dargestellt worden, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.

Fig. ι zeigt sdhematisch einen heterogenen,

Fig. 2 einen homogenen Reaktor.

In Fig. ι besteht der Reaktor aus einem Raum 1 für die Kernbrennstoff suspension, um den herum ein Raum 2 für einen flüssigen Moderator vorgesehen ist. Der Reaktor ist von einem Reflektor 3 umgeben, der z. B. aus Wismut bestehen kann.

Der flüssige Moderator, z. B. schweres Wasser, zirkuliert mit Hilfe der Pumpe 4 durch den Reaktor und einen Wärmeaustauscher 5. Die aus dem Reaktor austretende konzentrierte Brennstoffsuspension fließt durch den Wärmeaustauscher 14 und wird anschließend mit in der Leitung 16 strömenden Trägerflüssigkeit verdünnt. Die verdünnte Suspension wird anschließend durch die Leitung 6 hinaufgepumpt, indem man in die Leitung 6 ein Gas wie Kohlensäure oder Helium leitet, welches Gas durch die Pumpe 7 herangeführt wird. In der Trennvorrichtung 8 wird das Gas von der Suspension getrennt. Das Gas strömt anschließend durch eine Vorrichtung 9^a, in der die durch die Wirkung der Strahlung gebildeten D₂- oder H₂-Mengen wieder in Wasser umgewandelt werden. Dieses Wasser und das etwaig im Gas vorhandene Wasser werden in der Vorrichtung o.^& aus dem Gas entfernt, z. B. durch Kühlung, und anschließend in den Trennungsapparat 8 zurückgeführt. Das Gas strömt dann über einen Reinigungsapparat 10, in dem gasförmige Spaltprodukte z. B. durdh Absorption entfernt werden, nach der Pumpe 7 zurück. Etwaige Gasverluste können mittels durch die Leitung 42 zugeführten Gases ergänzt werden.

Die Suspension fließt von der Trennvorrichtung 8 durch die Leitung 11 in einen Eindicker 12, der hier als ein Hydrozyklon ausgeführt ist. Die ein-

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gedickte Suspension strömt über die Leitung 13 dem Reaktor wieder zu. Wenn nötig, kann die Suspension, ehe diese in den Wärmeaustauscher 14 strömt, mit Trägerflüssigkeit verdünnt werden, die über die Leitung 19 herangeführt wird. Mit Hilfe eines Regelventils 20 kann die zugeführte Menge reguliert werden. In der Leitung 16 strömt die in dem Eindicker 12 abgetrennte Trägerflüssigkeit. Die Wirkung des Eindiiekers 12 ist mit Hilfe eines Regelventils 41 einstellbar.

In der Leitung 16 ist ein Reinigungsapparat 18 vorgesehen, in dem die abgeschiedene Trägerflüssigkeit von. gelösten Spaltprodukten befreit wird.
Das Absperrventil 17 dient dazu, die Suspension im Notfall aus dem Kreislauf abzuführen.

In dem Raum 21 des in der Fig. 2 dargestellten Reaktors wird die Kernspaltung mit Hilfe einer Suspension, von Kernbrennstoff, z. B. angereichertem U O₂, und gegebenenfalls von festen Moderatorteilchen aufrechterhalten, wobei als Trägerflüssigkeit schweres Wasser dienen kann. Eine ständige Mischung der Suspension, die eine hohe Viskosität besitzen kann, erreicht man durch Anwendung eines vibrierenden Rühirwerks 22. Die Suspension kann durch die Leitungen 23 und 24 in einen Wärmeaustauscher 25 abgeführt werden, worauf die Suspension in die Leitung 26 geführt wird, durch die auch Trägerflüssigkeiit strömt, so daß eine Verdünnung dieser Suspension stattfindet. Die jetzt verdünnte und leicht rund zu pumpende Suspension strömt anschließend in das Steigrohr 27 und wird mittels eines in dieses Rohr eingeblasenen Gases hinausbefördert, welches Gas durch die Pumpe 32 über die Leitung 28 herangeführt wird. An der oberen Seite des Steigrohrs wird in dem Trennungsapparat 29 das Gas wieder von der Suspension getrennt. Das Gas strömt anschließend durch eine Vorrichtung 30^s, ini der die durch Zersetzung des Wassers in dem Reaktor anfallenden D₉- und H₂-Mengen z. B. auf katalytischem Wege zu Wasser verbrannt werden; weiterhin durch einen Wasserabscheider 30^& und einen Reinigüngsapparat 31, wo die von dem Gas aus der Suspension mitgerissenen Spaltprodukte entfernt werden können.

Zum Schluß wird das Gas durch die Zirkulationspumpe 32 über das Rohr 28 wieder in das Steigrohr 27 eingespritzt. Etwaige Gasverluste können mittels durch die Leitung 39 zugeführten Gases ergänzt werden.

Die verdünnte Suspension strömt aus dem Trennungsapparat 29 über das Fallrohr 33 in einen Eindickhydrozyklon 34, wird dort zu der gewünschten Konzentration eingedickt und strömt anschließend wieder durch den Reaktor. Die abgetrennte Träger flüssigkeit bewegt sich über die Leitung 26 wieder zurück und passiert dabei einen Reinigungsapparat 35, in dem Spaltprodukte und etwaige Zersetzungsprodukte aus der Trägerflüssigkeit ausgeschieden werden können.

Die Konzentration der Suspeinsion in dem Reaktor läßt sich durch Einsitellung des Hydrozyklons 34 regeln. Die zirkulierende Suspensionsmenge kann weiterhin mit Hilfe der Absperrventile 36 und 37 reguliert werden.

Durch Öffnung des Absperrventils 38 kann die in dem Kreislauf vorhandene Suspension im Notfall abgelassen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Durchführen von Kernspaltungen, in dem als Kernbrennstoff eine Suspension fester spaltbarer Materie in einer Trägerflüssigkeit verwendet wird, welche Suspension durch einen Kernreaktor und einen Wärmeaustauscher zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension außerhalb des Kernreaktors verdünnt wird mit einer zusätz,-lichen Menge Trägerflüssigkeit, welche zusätzliche Menge wieder von der Suspension abgeschieden wird, bevor diese wieder in den Kernreaktor eintritt, während die Beförderung der Suspension durchgeführt wird mit der verdünnten Suspension.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene Trägerflüssigkeit wenigstens teilweise von Spaltprodukten befreit und anschließend wieder für die Verdünnung der Suspension benutzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der erforderlichen zusätzlichen Menge Trägerflüssigkeit der Suspension beigemischt wird, bevor diese in den Wärmeaustauscher eintritt. · -

.4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der zusätzlichen Menge Trägerflüssigkeit mit Hilfe von wenigstens einem Eindickliydrozyklon erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verdünnte Suspension einer Reinigung unterzogen wird zwecks Entfernung von Spaltprodukten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beförderung der Suspension in der Weise durchgeführt wird, daß man die verdünnte Suspension einem vorwiegend senkrecht angeordneten Steigrohr zuleitet, in das ein Gas eingeblasen wird, das an dem- oberen Ende des Steigrohrs wieder von der Suspension getrennt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen