<Desc/Clms Page number 1>
PERFECTIONNEMENT DU REACTEUR A NEUTRONS HETEROGENE.
La présente invention se rapporte aux réacteurs nucléaires, et plus spécialement aux moyens de transmission de châleur de la matière fissile à un convertisseur de châleuro L'invention comprend des moyens pour faire circuler la matière fissile dans un circuit fermé; la matière passe, alternativement, par une région à l'intérieur d'une pile où la fission s'ef- féctue. et par un échangeur de chaleur, où la matière est refroidie avant de retourner dans la pile.
C'est une des caractéristiques de l'invention, dans un de ses aspects, d'utiliser la matière fissile sous la forme d'un câble, d'une chatne, ou d'un grand nombre de bandes minces, formant un câble, une chaîne sans fin. Au lieu d'un câble sans fin nous envisageons aussi tout tuble flexible sans fin, contenant la matière fissionnable sous une fozme quelconque, comme une poudre métallique p.e. Dans une autre fozme de l'invention, on utilise un grand nombre de bandes minces qui consistent alternativement de matière fissionnable, et d'un matériel tolérable du point de vue nucléaire et thermique, comme le glucinium métallique p.e.
Dans une autre forme de l'invention, la matière fissionnable est utilisée comme une poudre libre, sous une forme telle qu'elle peut ruisseler, de façon à ce qu'elle peut accomplir un circuit fermé. Dans une autre forme de l'invention, la matière fissionnable poudrée est entraînée par un courant d'un gaz inerte.
Nous décrirons maintenant quelques formes de réalisation de la présent invention, à l'aide des schémas adjoints, dans lesquels Fig. 1 représente un réacteur à neutrons hétérogène utilisant de la matié- re fissionnable sous forme de chaînes métalliques sans fin; Fig. 2 représente un réacteur à neutrons hétérogène utilisant de la matiè- re fissionnable sous la forme d'une poudre.
<Desc/Clms Page number 2>
Nous référant à la figo 1, un grand nombre de chaînes sans fin 1, fabriquées d'uranium métallique se trouvent à l'intérieur d'un conduit sans fin 2. à section carrée, dont les parois sont indiquées par 3. Les chaînes 1 sont guidées et supportées par des roues dentées 4; ces roues sont mises en train par des moyens non-indiqués; elles induisent les chai- nes à circuler.,
Les chaînes 1 sont dispersées en fonction de leur taux de l'iso- tope d'uranium 235 que le système au dehors de la pile est au dessous de la limite critique de la réaction à chaîne nucléaire.
La pile qui se trouve dans le circuit se compose d'un modéra- teur 5. comme le graphite dans lequel se trouvent des conduits 6, par les- quels passent les chaînes la La plus grande partie de la fission nucléaire et du développement de chaleur se passe à l'intérieur de la pile.
Des conduits 7 et 8 pour l'entrée et la sortie du gaz de re- froidissement, p.e. le hélium,,, l'hydrogène ou le dioxyde de carbone., sont réunis au conduit sans fin 2 des deux côtés de la pile 5 ; celle-ci a l'effet d'un tampon par rapport à la circulation du gaz ; ainsi une circulation de gaz est obtenue, suivant les points indiqués 7, 2, 8. Les chaînes 1 cir- culent en sens opposé à celui du gaz.
Dans l'arrangement que nous décrivons à titre d'exemple, la chaleur est transmise de la partie du système à l'intérieur de la pile vers la partie à l'extérieur de la pile, mais à l'intérieur du conduit 2, par le métal en mouvement lui-même; comme celui-ci se trouve à une température élevée à l'intérieur de la pile,et comme sa capacité de chaleur est consi- dérable, cette transmission de chaleur sera considérableo Ensuite la cha- leur est transmise de la très grande superficie des chaînes dans la partie 2 du conduit au gaz de refroidissement, comme le hélium,, 1-'hydrogène, ou le dioxyde de carbone. Ensuite, ce gaz à température élevée peut être utili- sé dans un circuit fermé extérieur (non dessiné) à actionner un turbo-gé- nérateur p.e.
Dans un réacteur industriel basé sur le diagramme de la fig. 1 et construit pour fonctionner à 500.000 kilowatts, p.e., 30 x 30 conduits 6 dans le modérateur 5 logeront 900 chaînes ou câbles d'un diamètre d'environ 4 cm. Si les chaînes ont une vitesse d'un mètre par seconde , 10 6cm de métal passeront par la pile par seconde,, dont la capacité de chaleur se monte à 6 x 105 calo/sec degréo Pour une élévation de température de 400 C, une quantité de chaleur de 24 x 107 cal/sec ou 106 kilowatts peut être en- levée de la piles et transformée en travail utileo Si le cycle extérieur est opéré à une température d'entrée des gaz de 5000 C, et une température de sortie de 100 C, l'efficacité thermodynamique est égale à 0,5, et nous pouvons nous attendre à une puissance de 5000000 kilowatts.
Il semble bien possible d'obtenir une puissance quelques fois plus grande, en utilisant une vitesse des chaînes ou une température à l'intérieur de la pile plus élevées.
Nous considérons maintenant la figure 2. Le réacteur se compo- se d'un modérateur 28 de graphite p.e., percé par des canaux verticaux; dans ces canaux, il y a des tubes.,en aluminium p.e., 27o Le modérateur 28 repose sur un grand échangeur de chaleur 250
Au-dessus du modérateur 28 il y a un grand réservoir 34, auquel le matériel fissionnable 26 en poudre est amené; ensuite ce matériel 26 ruisselle en bas par les tubes 27, passe ensuite par les allongements 29 de ces tubes à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 25 ; ces allongements por- tent des ailettes de refroidissement 30 ; après avoir quitté les allongements 29, le matériel fissionnable est transporté au réservoir 34, où il peut recommencer son cycle.
Quand le matériel fissionnable est à l'intérieur des tubes 27 à l'intérieur du modérateur, il subit la fission nucléaire,
<Desc/Clms Page number 3>
la température du matériel fissionnable s'élève, à 500 C. p.e. Quand le matériel fissionnable se trouve à l'intérieur des allongements 29 à l'in- térieur de l'échangeur de chaleur, il est refroidi, disons à 100 C. L'é- changeur de chaleur 25 porte une entrée 32 et une sortie 33 pour le gaz re- froidissant 31. La chaleur emportée par ce gaz peut être transformée en énergie utileo
Si le matériel fissionnable dans les tubes 27 et dans les al- longements 29 à une vitesse de 1 mètre par seconde, nous pouvons répéter notre calcul de la puissance, et nous arrivons au même résultat, c.à.d.
500.000 kilowatts pour une pile de dimensions normales.
Les dispositifs de la figure 1 et 2 sont donnés à titre d'exemple ; l'invention présentée ici se rapporte à tout réacteur dans lequel le matériel fissionnable se meut à travers les canaux à l'intérieur du réacteur.
Tout réacteur construit en accord avec l'invention a nécessairement besoin d'une quantité de matériel fissionnable dans le circuit hors de la pile; mais ceci implique l'avantage d'une période plus longue durant laquelle le réacteur pourra fonctionner avant d'être empoisonné. En outre, la circulation de la matière fissionnable facilite le remplacement du matériel fissionnable et l'extraction des produits de fission.
<Desc / Clms Page number 1>
IMPROVEMENT OF THE HETEROGENOUS NEUTRON REACTOR.
The present invention relates to nuclear reactors, and more especially to means for transmitting heat from the fissile material to a heat converter. The invention comprises means for circulating the fissile material in a closed circuit; the material passes, alternately, through a region within a cell where fission takes place. and by a heat exchanger, where the material is cooled before returning to the stack.
It is one of the characteristics of the invention, in one of its aspects, to use the fissile material in the form of a cable, a chain, or a large number of thin strips, forming a cable, an endless chain. Instead of an endless cable we also envision any endless flexible tube, containing the fissionable material in any form, such as a metal powder. In another form of the invention, a large number of thin strips are used which consist alternatively of fissionable material, and of a tolerable material from the nuclear and thermal point of view, such as metallic glucinium pe
In another form of the invention, the fissionable material is used as a loose powder, in a form such that it can trickle off, so that it can accomplish a closed circuit. In another form of the invention, the powdered fissionable material is entrained by a stream of an inert gas.
We will now describe some embodiments of the present invention, with the aid of the accompanying diagrams, in which FIG. 1 shows a heterogeneous neutron reactor using fissionable material in the form of endless metal chains; Fig. 2 shows a heterogeneous neutron reactor using fissionable material in powder form.
<Desc / Clms Page number 2>
Referring to figo 1, a large number of endless chains 1, made of metallic uranium are inside an endless duct 2. with a square section, the walls of which are indicated by 3. The chains 1 are guided and supported by toothed wheels 4; these wheels are started by means not indicated; they induce the chains to circulate.,
The 1-chains are dispersed according to their rate of the uranium-235 isotope that the system outside the stack is below the critical limit of the nuclear chain reaction.
The battery in the circuit consists of a moderator 5.like graphite, in which there are conduits 6, through which the chains pass. The greater part of nuclear fission and heat development happens inside the stack.
Ducts 7 and 8 for the inlet and outlet of the cooling gas, eg helium ,,, hydrogen or carbon dioxide., Are joined to the endless pipe 2 on both sides of the cell 5; this has the effect of a buffer with respect to the gas circulation; thus a circulation of gas is obtained, according to the points indicated 7, 2, 8. The chains 1 circulate in the direction opposite to that of the gas.
In the arrangement that we describe as an example, the heat is transmitted from the part of the system inside the cell to the part outside the cell, but inside the duct 2, by the moving metal itself; as this is at a high temperature inside the cell, and as its heat capacity is considerable, this heat transmission will be considerable o Then the heat is transmitted from the very large surface of the chains in part 2 of the duct for cooling gas, such as helium, 1-hydrogen, or carbon dioxide. Then, this high temperature gas can be used in an external closed circuit (not shown) to actuate a turbo-generator eg.
In an industrial reactor based on the diagram of fig. 1 and built to operate at 500,000 kilowatts, e.g., 30 x 30 conduits 6 in moderator 5 will house 900 chains or cables with a diameter of approximately 4 cm. If the chains have a speed of one meter per second, 10 6cm of metal will pass through the battery per second, the heat capacity of which amounts to 6 x 105 calo / sec degreeo For a temperature rise of 400 C, a quantity of heat of 24 x 107 cal / sec or 106 kilowatts can be removed from the batteries and transformed into useful work If the external cycle is operated at a gas inlet temperature of 5000 C, and an outlet temperature of 100 C, the thermodynamic efficiency is 0.5, and we can expect a power of 5,000,000 kilowatts.
It seems possible to obtain a power a few times greater, by using a higher speed of the chains or a temperature inside the pile.
We now consider FIG. 2. The reactor consists of a moderator 28 of e.p. graphite, pierced by vertical channels; in these channels there are tubes., aluminum e.g., 27o The moderator 28 is based on a large heat exchanger 250
Above the moderator 28 there is a large reservoir 34, to which the powdered fissionable material 26 is fed; then this material 26 trickles down through the tubes 27, then passes through the extensions 29 of these tubes inside the heat exchanger 25; these extensions carry cooling fins 30; after leaving the extensions 29, the fissionable material is transported to the reservoir 34, where it can start its cycle again.
When the fissionable material is inside the tubes 27 inside the moderator, it undergoes nuclear fission,
<Desc / Clms Page number 3>
the temperature of the fissionable material is 500 C. pe When the fissionable material is inside the extensions 29 inside the heat exchanger, it is cooled, say to 100 C. L The heat exchanger 25 carries an inlet 32 and an outlet 33 for the cooling gas 31. The heat carried away by this gas can be transformed into useful energy.
If the fissionable material in the tubes 27 and in the extensions 29 at a speed of 1 meter per second, we can repeat our calculation of the power, and we arrive at the same result, i.e.
500,000 kilowatts for a battery of normal dimensions.
The devices of FIG. 1 and 2 are given by way of example; the invention presented here relates to any reactor in which the fissionable material moves through the channels inside the reactor.
Any reactor constructed in accordance with the invention necessarily needs a quantity of material which can be cracked in the circuit outside the cell; but this implies the advantage of a longer period during which the reactor will be able to operate before being poisoned. In addition, the circulation of the fissionable material facilitates the replacement of the fissionable material and the extraction of the fission products.