DE1032432B

DE1032432B - Verfahren zur Durchfuehrung von Kernreaktionen in einem Brutreaktor

Info

Publication number: DE1032432B
Application number: DEB40265A
Authority: DE
Inventors: Dr Rudolf Schulten
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1956-05-17
Filing date: 1956-05-17
Publication date: 1958-06-19
Also published as: NL269758A; FR1175347A; BE557325A; GB839392A; CH347583A; NL216875A

Description

DEUTSCHES

Die bisher verwendeten. Brutreaktoren haben im allgemeinen den Nachteil, daß das neu gewonnene spaltbare Material aus den bestrahlten Brutstoff-Brennstoff-Elementeti durch chemische Prozesse herausgeholt werden muß und dann erst in Brennstoffelementen des Brutreaktors benutzt werden, kann. Die chemische Aufbereitung des radioaktiven Materials verursacht erhebliche Kosten und außerdem eine gewisse Verzögerung- für den Gebrauch des neu erzeugten spaltbaren Materials. Eine Herabsetzung der Kosten und eine Verkürzung der Wartezeit würde deswegen zu außerordentlichen Vorteilen für ein Brutreaktorsystem führen.

Um diese Vorteile zu erreichen, wird vorgeschlagen, einen Brutreaktor, insbesondere zur Erzielung hoher Leistungen, erfindungsgemäß in der Weise zu betreiben, daß der Brutreaktor nach Herstellung stationärer Betriebsbedingungen nur noch mit spaltstofffreien Brutstoffelementen beschickt wird und diese Brutstoffelemente, nachdem in ihnen durch Bestrahlung mit Neutronen eine Konzentration von 1 bis 10 Teilen Spaltstoff auf 100 Teile Brutstoff (Sättigungsverhältnis) erzeugt worden ist, in dem gleichen Reaktor ohne vorherige Entnahme oder sonstige Aufbereitung als Spaltstoffelemente weiterbenutzt werden.

Das Hauptgewicht der Erfindung liegt also darin, daß die Brutelemente, die in die Reaktoren eingefüllt werden, ohne eine Wiederaufbereitung in. dem Reaktor verbleiben können, um als Brennstoffelemente benutzt zu werden.

Dieser Vorgang ist keineswegs selbstverständlich, denn er setzt unter anderem voraus, daß in einem Reaktor die gleiche Form für die Brennstoff- und Brutstoffelemente benutzt werden kann. Dieses Problem erschien bisher besonders schwierig im Hinblick auf die Wärmeübertragungseigenschaften, da in den Brennstoffelementen eine wesentlich höhere Leistung frei wird als in den Brutstoffelementen. Außerdem war nicht ohne weiteres vorauszusehen, ob ein solcher Prozeß wegen der Neutronenökonomie eines Brutreaktors überhaupt durchgeführt werden kann.

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß dieses Verfahren durchführbar ist, wenn die Brutstoff elemente und die Brennstoffelemente aus einer Mischung von U 233 und Th 232 bzw. U 238 und Pu 239 bestehen. Dabei sind U 233 bzw. Pu 239 die Spaltstoffe und Th 232 bzw. U 238 die nicht spaltbaren Brutstoffe.

Bei Bestrahlung mit Neutronen stellt sich nach einiger Zeit zwischen der Konzentration des Brut- und des Brennstoffes die angeführte Konzentration als Sättigungsverhältnis ein. Dieses ist von den ent-Verfahren zur Durchführung von Kernreaktionen in einem Brutreaktor

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22

Dr. Rudolf Schulten, Mannheim, ist als Erfinder genannt worden

sprechenden Absorptionsquerschnitten für Spaltung und für Neutroneneinfang abhängig, deren Größe wiederum von der Energie der Neutronen abhängt. Es ist bekannt, daß der Th-U-B rutkreislauf am besten mit langsamen, dagegen der U-Pu-Kreislauf am besten mit schnellen Neutronen durchgeführt wird.

Geht man also von einer mittleren Neutronenenergie aus und berücksichtigt, daß die Sättigungskonzentration des Spaltstoffes in einem Spaltstoff-Brutstoff-Gemisch den Reaktor überkritisch macht und daß mehr als zwei Neutronen pro Spaltung zur Fortführung der Kettenreaktion und zum Brüten zur Verfügung stehen, so herrschen beim Betrieb des Reaktors mit den vorgeschlagenen Brutstoff-Brennstoff-Elementen folgende Verhältnisse:

Der Reaktor ist im Gleichgewichtszustand nur mit Brutstoff-Brennstoff-Elementen beschickt, in denen das Sättigungsverhältnis zwischen Brenn- und Brutstoff vorliegt, und ist damit überkritisch (beim Th-U-Kreislauf verwendet man langsame Neutronen und eine Moderatorsubstanz; beim U-Pu-Kreislauf schnelle Neutronen ohne Moderatoren).

Der Reaktor wird außerdem mit reinen Brutstoffelementen beschickt, die in ihrem Aufbau den Brutstoff-Brennstoff-Elementen gleichartig sind bis auf die Besonderheit, daß sie keinen Brennstoff, sondern nur Brutstoffe enthalten.

Das Verhältnis der Anzahl der Brutstoff-Brennstoff-Elemente zu der Anzahl der Brutstoff elemente ist so zu wählen, daß von dem bei der Spaltung entstehenden Neutronen im Mittel möglichst zwei in den Brutstoff-Brennstoff-Elementen eingefangen werden; davon wird ein Neutron für die Fortführung der Kettenreaktion benötigt, ein weiteres Neutron wird für den Ersatz des verbrauchten Brennstoffkerns verwendet, das aus dem anwesenden Brutstoff durch Anlagerung

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eines Neutrons gewonnen, werden kann; eventuell muß wegen der Verluste durch weitere Neutronenfanger die Anzahl der Neutronen etwas größer als zwei sein.

Das Verhältnis der Konzentration des Brennstoffes zu der des Brutstoffes bleibt, im ganzen gesehen, während des Reaktorprozesses konstant und entspricht dem Sättigungsverhältnis. Dagegen stellt sich in den einzelnen Brutelementen erst nach und nach das Sättigungsverhältnis ein.

Durch Anreicherung von Spaltprodukten altern und verschlacken die Brutstoff-Brennstoff-Elemente und müssen beseitigt werden. An ihre Stelle tritt ein Brutstoff element, das mittlerweile durch die Bestrahlung mit Neutronen und durch die damit verbundenen Kernumwandlungen zum Brutstoff-Brennstoff-Element geworden ist.

Der drei- bis fünffache Umsatz der in der Sättigungskonzentration anfangs vorliegenden Spaltstoffmenge ist erforderlich, um auch in den neueingeführten Brutelementen die Sättigungskonzentration an Spaltstoff zu erreichen.

Insbesondere können die vorgeschlagenen Brutstoff-Brennstoff-Elemente in Form von Stäben verwendet werden.

Auch Brutstoff-Brennstoff-Elemente in Form von kleinen Kugeln, Zylindern u. dgl. können, sich als günstig erweisen, vor allem, wenn angestrebt wird, eine gewisse Kontinuität des Reaktorprozesses zu erreichen, und zwar dadurch, daß die Geschwindigkeit der Durchschleusung durch die Bestrahlungskanäle des Reaktors so· geregelt wird, daß der Reaktorprozeß stabil bleibt und die Menge der gealterten und verschlackten Brutstoff-Brennstoff-Elemente laufend durch die eingeschleusten und bestrahlten Brutstoffelemente ersetzt wird.

Der besondere Vorteil dieser Reaktorsysteme ist, daß sie keine Spaltstoffzufuhr von außen benötigen, wenn sie einmal kritisch geworden sind; auch in den gealterten, nur mäßig versehlackten und nicht mehr genügend Spaltstoffe enthaltenden Elementen kann, wenn sie wieder erneut durch die Bestrahlungskanäle geführt werden, die für den Reaktorprozeß erforderliche Sättigungskonzentration erzielt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Durchführen von Kernreaktionen in einem Brutreaktor, insbesondere zur Erzielung hoher Leistungen:, dadurch gekennzeichnet, daß der Brutreaktor nach Herstellung stationärer Betriebsbedingungen nur noch mit spaltstofffreien Brutstoffelementen beschickt wird und diese Brutstoffelemente, nachdem in ihnen durch Bestrahlung mit Neutronen eine Konzentration von 1 bis 10 Teilen Spaltstoff auf 100 Teile Brutstoff (Sättigungsverhältnis) erzeugt worden ist, in demselben Reaktor ohne vorherige Entnahme oder sonstige Aufbereitung als Spaltstoffelemente weiter benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Mischung von U 233 (Spaltstoff) und Th 232 (Brutstoff) im Brutstoff-Brennstoff-Element.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Mischung· von U 238 (Brutstoff) und Pu 239 (Spaltstoff) im Brutstoff-Brennstoff-Element.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von stabförmigen Brutstoff-Brennstoff-Elementen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kugeln, Zylindern, Hohlzylindern oder anderen Formkörpern als Brutstoff-Brennstoff-Elemente, deren Größe klein gegen die Größe des Reaktors ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilität des Reaktorprozesses durch die Geschwindigkeit der durch die Bestrahlungskanäle des Reaktors hindurchgeführten Brutstoff-Brennstoff-Elemente geregelt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Buch von S. Gl as st one, »Principles of Nuclear

Reactor Engineering«, London 1956, S. 738 ff.;

Buch von R. Stephens on, »Introduction to

Nuclear Engineering«, London 1954, S. 91.