NO121445B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for drift av kjernereaktorer.

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for drift av kj ernereaktorer, hvor der i en lukket krets gjennom reaktor kjernen og gjennom en kjøler som er anordnet utenfor reaktorkjerinen, føres en blanding som inneholder det fisjonerbare stoff og en varmebærer (som eventuelt og-så kan være en moderator).

Det er allerede blitt foreslått å om-danne kjerneeneirgi til praktisk anvendelig energi ved hjelp av en kjernereaictoir i hvilken der anvendes en pulverformet masse som inneholder det fisjonerbare stoff. Denne masse føres i en lukket krets gjennom en reaktorkjerne hvor kjedereaksjonen fin-ner sted, og også gjennom en kjøler (var-meutveksler) hvor massen avgir sin varme til et annet medium, såsom vann som f. eks. etter fordampning kan produsere energi som kan anvendes til drift av en turbin. (Se Electerotechniek, 17. juni 1954, s. 231 ff.)

Det er allerede bllitt fremhevet at transporten av den pulverformede masse kan påskyndes ved at massen fluidiseres ved hjelp av en gass. Transporten av massen til og gjennom kjøleren utføres da av gass-oppdrift. Denne fremgangsmåte egner seg imidlertid ikke for transporten av massen gjennom reaktorkjernen. •Man har også foreslått som en sllik masse å anvende en blanding av partikler av uranoxyd og partikler av beryllumoxyd (som moderator).

Anvendelsen av en slik blanding vil

imidlertid være forbundet med vanskeligheter, da de enkelte partikler av uramoxyd og berylliumoxyd vil begynne å skille seg

ut som følge av deres forskjellige egenskaper.

For å unngå disse vanskeligheter går fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ut på at en kornet blanding, hvor alle eller praktisk talt alle enkelte partikler av blandingen hver for seg inneholder både det fisjonerbare stoff og varmebæreren bringes til å isirkulere gjennom reaktoren. Da i det minste en del av partikkeltran-sporten foregår i fluidisert tilstand, anvendes der fortrinnsvis kuleformede partikler. Av hensyn til fluidiseringen og var-meoverf øringen bør par tikk elstørrelsen lig-ge mellom 50 og 300 Det beste resultat oppnåes med en størrelse på omtrent 175 u.

Varmebæreren som er tilstede i tillegg til det fisjonerbare stoff, kan heit eller delvis være i form av indifferente elementer med et forholdsvis lite neutron-absorb-sjonstverrsnitt, f. eks. vismut, magnesium, bly, fosfoir, silikon, sirkon og/eller alumi-nium, eller i form av forbindelser av disse elementer, særlig deres oxyder. Disse stoffer skal fortrinnsvis ha et høyt smeltepunkt. Som eksempler på slike forbindelser kan nevnes Bi.,Os, MgO, MgSiO.,, ZrSiO., ogMm.2P207.

Varmebæreren kan også inneholde fertilt stoff, hvormed forståes et stoff som etter neutroninnfangntog kan omdannes til et fisjonerbart stoff. Uran-238 kan ved hjelp av hurtige neutroner omdannes til plutonium (239), mens torium ved hjelp av termiske (langsomme) neutroner kan omdannes til uran-233. Uran-238 og/eller torium og deres forbindelser, særlig deres oxyder og karbider, kan derfor brukes i varmebæreren.

Varmebæreren kan også inneholde eller bestå av stoffer med modererende ef-fekt. Som slike egner seg beryllium og beryllium-forbindelser, særlig oxyd og karbid, og dessuten kulllstoff.

Kombinasjoner av disse varimebærere kan også brukes, dog under forutsetning av at de ikke reagerer kjemisk med hverandre.

Det fisjonerbare stoff som anvendes her, kan være uran-235, uran 233 og plutonium eller deres forbindelser, særlig deres oxyder og karbider, og dessuten sammensetninger avdisse stoffer. I sistnevnte tilfelle må stof-fene velges slik at de ikke reagerer kjemisk med hverandre.

I prosessen i henhold til oppfinnelsen anvendes fortrinnsvis en granulert blanding, i hvilken moderatoren opptrer i tillegg til det fisjonerbare stoff (homogen reaktor) ; moderatoren kan imidlertid anord-nes slik at den helt eller delvis er stasjonær i reaktor kjernen (heterogen reaktor). I denne prosess er der vanligvis ,også tilstede et stoff, såsom uran-238 og/eller torium, i blandingen (eventuelt også i den stasjo-nære moderator), som etter neutironinn-fangning kan omdannes til et aktivt, fisjonerbart stoff.

Hvis den granulerte blanding i henhold til oppfinnelsen anvendes, foretrek-kes det å gl komene en størrelse på mindre enn 10 \ i for at man skai være i stand til hurtig å overføre de dislntegrasjonspro-dukter som dannes under kjernereaksjo-nen, til den gass som omgir de faste partikler. Som allerede nevnt, kreves der av hensyn til fluidiseringen at partiklene har et 'tverrsnitt på 50—300 \ i, fortrinnsvis om-klring 175 \ i.

Disse åpenbart uforenlige krav tilfreds-stilles imidlertid ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen ved anvendelse av svampaktige (eller koralllaktige), fortrinnsvis sintrede partikler med en diameter fra 50 til 300 |x, dvs. partikler med åpen porøsitet. Porøsiteten behøver ikke å være stor. Da der er åpne kanaler tilstede i partiklene, vil disintegrasjonsproduktene kunne fjernes tilstrekkelig hurtig. Disse porøse partikler har således de ønskede egenskaper, både i betraktning av kj ernereaksjonen og av flui-diserlngen. Sintrede partikler er dessuten mere motstandsdyktige, slik at slitasjen blir forholdsvis liten.

Følgende fremgangsmåte kan anvendes ved fremstilling av sintrede, porøse partikler av berylliumoxyd og fisjonerbart stoff (ved fremstilling av porøse partikler av andre stoffer, såsom kullstoff, kan gas frem på en lignende måte).

Som utgangsmateriale brukes en varmebærer, i dette tilfelle berylliumoxyd, i form av ytterst fine partikler (f. eks. fra 5 til 50 Av disse partikler fremstiltes sammensatte, stort sett kulelignende partikler (konglomeratpalrtikler). De sammensatte partikler kan fremstilles ved at en suspensjon av de ytterst fine partikler i en flyktig væskebærer (eventuelt sammen med et klebemiddel) drysses i en opphetet gass.

De således fremstilte småkuler bløtes opp i en oppløsning av en forbindelse av e,t fisjonerbart stoff, såsom en vandig oppløs-ning av uranoxalat. Oppløsningen inneholder f. eks. uran-235-oxalat, og foruten dette vil der vanligvis også være uran-238-oxalat tilstede. Der anvendes fortrinnsvis

uran som er anriket med (4—4,5 %) uran-235. Det kan også være ønskelig å tilsette

oppløsningen toriumoxalat (fertilt stoff) og beryllluimoxalat (av årsaker som skal angis nedenfor).

Etter at kulene er gjennombløtoet, opphetes de forsiktig inntil oxalatet destrue-res og klebemldlet forsvinner eller omdannes til kullstoff. Av hensyn til de tilstede-værende oxyder utføres opphetingen i dette tilfelle fortrinnsvis i en strøm av rent oxygen. Deretter sintres partiklene ved en temperatulr som ligger i området av smeltepunktet for berylllumoxydets og uranoxy-dets eutektikum, og som derfor er den laveste smeltetemperatur.

Ved oppheting til denne temperatur dannes en mere eller mindre flytende eutektisk smelte som virker som et bindemid-del for de opprinnelige fine partikler, i dette tilfelle berylliumoxyd. På den måte kan der fremstilles sintrede, porøse partikler med den ønskede sammensetning.

Årsaken til at berylliumoxalat også til-settes til oppløsningen, er at dette letter dannelsen av eutektikumet av berylliumoxyd og uranoxyd. Mengden av de to oxalater velges fortrinnsvis slik at man, i det minste tilnærmet, oppnår en eutektisk sammensetning. Hvis der anvendes fine partikler av berylliumoxyd, er det imidlertid ikke strengt tatt nødvendig å tilsette oppløsningen berylliumoxalat, idet muan selvfølgelig allerede har et overskudd av berylliumoxyd i de små kuler.

Det er heller ikke nødvendig å opphete blandingen nøyaktig til den temperatur som svarer til det eutektiske smeltepunkt. Hovedhensikten er at der dannes en blanding av uranoxyd og berylliumoxyd, som har et lavere smeltepunkt enn berylliumoxyd. Det tilsiktede er oppnådd så snart blandingen er blitt tilstrekkelig flytende til at de opprinnelig fine ytterst små partikler vil sammensintres til porøse småkuler.

Istedenfor oxalater kan også anvendes andre, fortrinnsvis organiske forbindelser. Forbindelsen velges slik at der etter opphetingen ikke blir igjen noen uønskede elementer i partiklene.

Porøse småkuler, skiver etc. av kullstoff og karbid av et fisjonerbart stoff kan fremstilles på lignende måte som ovenfor ved at der først lages sammensatte partikler (konglomeratpartikler) av ytterst fine kullstoffpartikler, f. eks. ved hjelp av et klebemiddel. Disse gjennombløtes i en vandig oppløsning av uranoxalat og opphetes forsiktig til oxalatet og klebemidlet de-strueres. Opphetingen utføres fortrinnsvis i en strøm av rent CO eller i vakuum. Under opphetingen limes de ytterst fine partikler sammen, bakes eller sintres for å danne faste, porøse småkuler, pellets eller lignende. Samtidig dannes det fisjonerbart karbidmateriale.

Det vil være mulig å oppnå sintring forholdsvis lett, særlig hvis oppløsningen av uranoxalat også inneholder andre stoffer, såsom toriumoxalat og/eller berylliumoxalat. Under oppheting dannes der forskjellige karbider som kan bidra til at blandingen har et lavere smeltepunkt enn hver enkelt av karbidene. Hvis opphetingen foretas ved en slik temperatur at blandingen blir flytende, vil der også i dette tilfelle finne sted sintring. Hvis bare fisjonerbart karbidmateriale er tilstede, må opphetingen generelt foretas for å oppnå høyere temperaturer, nærmere bestemt til i nærheten av karbidets smeltepunkt, for at sintring Skal oppnås.

Det er imidlertid ikke strengt nødven-dig å opphete til >en temperatur ved hvilken sintring oppstår, idet det er tilstrekkelig at temperaturen er så høy at de ytterst fine partikler limes sammen, eller bakes sammen til småpartikler, småkuler eller lignende.

Generelt sett skal opphetingstempera-turen være lavere enn smeltepunktet for varmebæreren. Det er ønskelig, men ikke nødvendig, å opphete utgangsmaterialet til omtrent den temperatur som partiklene vil bli utsatt for i kjemereaktoren.

Den totale mengde uran i partiklene, pakningsmaterialet såsom plater, blokker etc. velges fortrinnsvis slik at der for hvert atom uran, i dette tilfelle noe anriket uran, er tilstede omtrent 100—200 beryllium- eller kullstoffatomer.

Disintegrasjonsproduktene av kjerne-

reaksjonen er, blant andre, radioaktivt jod og xenon. Begge er gassformige stoffer som lett går over i gassfasen. Det er viktig å få disse gasser fjernet, da de har sterkt neutron-absorberende egenskaper. Dette kan ifølge oppfinnelsen lett gjøres ved anvendelse av de forholdsvis store, men også porøse småkuler, da disse gasser gjennom kanalene i kulene kan nå inn i gassfasen som omgir de små kuler og da fjernes sammen med gassen. Hvis de små kulepartikler anvendes med BeO som moderator, anvendes der fortrinnsvis også BeO som reaktor-kjernens reflektor. Hvis der anvendes kullstoff, vil grafitt brukes som reflektor.

Denne fremgangsmåte kan også anvendes ved hurtige reaktorer, hvor der ikke er noen moderator tilstede. I dette tilfelle består småkulene selvfølgelig av et fisjonerbart stoff og en varmebærer som ikke er i besittelse av sterkt neutnon-absorbe-rende egenskaper. På den annen side er der vanligvis stoffer tilstede som ved på-virkning av de hurtige neutroner kan omdannes til et aktivt, fisjonerbart stoff.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for drift av en kjer-nereaktor, 1 hvilken en tørr, komet blanding av fisjonerbart materiale og en varmebærer, som også kan være en moderator, holdes i sirkulasjon i en lukket krets gjennom reaktorkjernen og en utenfor reaktorkjernen anordnet varmeveksler, hvor transporten av blandingen til og gjennom varmeveksleren fortrinnsvis foregår ved hjelp av en gassløfter, karakterisert ved at den blanding av svamplignende, fortrinnsvis kulelignende partikler som bringes til å sirkulere i kretsen er slik fremstilt at alle eller i det vesentlige alle partikler inneholder både det fisjonerbare materiale og varmebæreren, og at partik-lenes diameter i det vesentlige ligger mellom 50 og 300 |x, fortrinnsvis omkring 175 u.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at de anvendte partikler i det vesentlige består av oxyd (eller kalrbid) av fisjonerbart stoff og berylliumoxyd (eller karbid) og at partiklene eventuelt kan inneholde et stoff såsom to-riumoxyd (eller karbid) som etter neutroninnfangning (neutron action) omdannes til et fisjonerbart stoff.

3. Fremgangsmåte ifølge påstand 1 eller 2, karakterisert ved at de anvendte partikler 1 det vesentlige består av karbid av et fisjonerbart stoff og kullstoff, og at de eventuelt kan inneholde et stoff såsom toriumkarbid som etter neutroninn-fangining kan omdannes til et fisjonerbart stoff.

4. Fremgangsmåte ved fremstilling av faste, svampaktige partikler med mere eller mindre kulelignende form med en mid-lene diameter på 50 \ i til 300 \ i av et fisjonerbart stoff og et varmebærende stoff, som er egnet til anvendelse ved fremgangsmåten ifølge påstand 1, karakterisert ved at der av ytterst fine partikler av en varmebærer fremstilles små, sammensatte, kulelignende partikler som bløtes opp i en ivæsfce, i hvilken! det fisjonerbare stoff er oppløst, hvoretter de kulelignende partikler opphetes til en bestemt temperatur for sementering eller sintring, hvorved de kulelignende partikler får fast, svamp-aktig struktur.

5. Fremgangsmåte ifølge påstand 4, karakterisert ved at der.i væsken også er oppløst varmebærende stoff i en mengde som fortrinnsvis er tilstrekkelig til at mengden av oppløst fisjonerbart stoff og varmebærende stoff opptrer i oppløs-ningen i deres eutektiske forhold, slik at smeltetemperaturen blir lavest mulig.

6. Fremgangsmåte Ifølge påstand 4 eller 5, karakterisert ved at væsken også inneholder en oppløsning av et stoff, såsom en tariumforbmdelse som etter neutroninnfangning omdannes til et fisjonerbart stoff.