DE1033807B

DE1033807B - Uranbrennstoff fuer heterogene oder homogene Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1033807B
Application number: DES52564A
Authority: DE
Inventors: Dr Sc Nat Walter Haenlein; Dr Rer Nat Werner Oldekop
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-03-02
Filing date: 1957-03-02
Publication date: 1958-07-10

Description

DEUTSCHES

Als Brennstoff für Kernspaltungsreaktoren wird im allgemeinen metallisches Uran verwendet. Die hieraus hergestellten Brennstoffelemente haben bekanntlich den Nachteil, daß ihre Herstellung kostspielig, ihre chemische und thermische Widerstandsfähigkeit verhältnismäßig gering und ihre mechanische Formbeständigkeit unter Neutronenbeschuß unbefriedigend ist. Man ist daher bestrebt, an Stelle von metallischem Uran Uranverbindungen, wie Urankarbid oder uranoxydhaltige Massen zu verwenden, die eine größere chemische und physikalische Widerstandsfähigkeit besitzen und die darüber hinaus einen körnigen Aufbau aufweisen und daher gegen Neutronenbeschuß hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften weniger empfindlich sind. Als besonders aussichtsreich erscheinen solche uranhaltige Stoffe, die neben großer chemischer und physikalischer Widerstandsfähigkeit und hinreichend geringen Absorptionsquerschnitten der neben dem Uran vorliegenden Komponenten keine geordnete Gitterstruktur besitzen und darüber hinaus mechanisch bequem verarbeitet werden können.

Gegenstand der Erfindung ist ein Uranbrennstoff für heterogene oder homogene Kernspaltungsreaktoren; er besteht aus einem an U²³⁵ angereicherten Uranglas. Bevorzugt werden solche Urangläser, die uranox}-dreich sind und deren übrige Komponenten einen möglichst kleinen Absorptionsquerschnitt für Neutronen aufweisen.

Der Uranbrennstoff gemäß der Erfindung entspricht den eingangs genannten Forderungen in hohem Maße. Dies beruht darauf, daß Gläser als unterkühlte Flüssigkeiten eine ungeordnete Netzwerkstruktur besitzen, deren Ordnungszustand durch Neutronenbeschuß nur unwesentlich verändert wird. Hinzu kommt die verhältnismäßig bequeme mechanische Bearbeitbarkeit von Gläsern. So ist z. B. die Herstellung stab- oder röhrenförmiger Brennstoffelemente für heterogene Kernspaltungsreaktoren einfach und ohne kostspieligen Aufwand nach den bekannten Verfahren der Glastechnik durchführbar. Auch die Wiedergewinnung des Urans aus verbrauchten Elementen kann nach der Auflösung des Glases in Flußsäure ohne Schwierigkeit durchgeführt werden.

Uranoxydhaltige Gläser sind seit langem bekannt. Es sind z. B. SiO₂-Na₂O-U₃O₈-Gläser mit einem U₃O₈-Gehalt von 16 Gewichtsprozent für optische Zwecke angegeben worden. Die Steigerung des U₃O₈-Gehaltes ist ohne weiteres möglich. Die Neutronenabsorption der neben dem Uran vorliegenden Komponenten ist bei Ver-Uranbrennstoff für heterogene
oder homogene Kernreaktoren

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. se. nat. Walter Hänlein, Erlangen,

und Dr. rer. nat. Werner Oldekop, Nürnberg,

sind als Erfinder genannt worden

Wendung von Uran, das an U²³⁶ angereichert ist, durchaus tragbar. Dies soll an Hand des kritischen Multiplikationsfaktors A₀₀ für ein derartiges Uranglas bei einem homogenen, D₂O-moderierten Reaktor gezeigt werden. Zugrunde gelegt wird ein Glas folgender Zusammensetzung: 5 Molprozent U₃O₈, 10 Molprozent Na₂O, 85 Molprozent SiO₂.

Bei dieser Zusammensetzung entfallen auf 1 U-Atom 14,67 O-Atome, 1,33 Na-Atome und 5,67 Si-Atome. Die atomaren Absorptionsquerschnitte in barn betragen:

Ca₁Na ⁼ 0,505;
σ_α,₀ =0,2 -ΙΟ³;
ο», si = 0,13;

F Oa, ν — 687 · -

+ 2,75 · 1 -

N₀,

Nr

σ_α,Ό₂ο = 1,824-10 ³.

Hierbei bedeutet IV₂₃₆ die Zahl der U²³⁵-Atome und N_v die Zahl der U²³⁵- und U²³⁸-Atome.

Hieraus ergibt sich der gesamte Absorptionsquerschnitt at zu

_σ+ ₌ 687 ·

+ 2,75 · (1 \

+ 1,41 + 1,824 · 10 ³ -

Nd,,

K,-Na, O, Si = 1,41),

809 560/391

Unter Zugrundelegung eines Spaltquerschnittes pro U-Atom von ^y

a_f =580-

und pro Spaltung im Mittel frei werdender Neutronen von ν = 2,46 ergibt sich für den thermischen Anteil η · /"des Multiplikationsfaktors k = ε η ff:

2,46-580--

Vf =

Nu

687·^ + 2,75il -^** 1,41 +1.824-10-⁸

Die atomaren Streuquerschnitte für die in Frage Hieraus erhält man für den gesamten Streuquerkommenden Stoffe betragen in barn: schnitt σ£ pro Uranatom:

_N

(Ts, Na = 3,8; _σ+ ₌ 8,2 + 9,97 · —5*°. + 79,6 .

(Ts₁O ==4,2;

(Ts, si = 2,3;

(Ts, π = 8,2;

as, D₂o =9,97.

1428.^55-

4,16+684

Hieraus berechnet sich in bekannter Weise die für die Resonanzentkommwahrscheinlichkeit ρ benötigte Größe £·σ£ zu

ξ ■ at = 5,01 · ^2- +8,79

und hieraus der kritische Multiplikationsfaktor

Nd₂o

,4(87,8 + 9,97-

N₁

+1,824-10-3 • exp —

8,79 + 5,01 · -

Nv

Hierin bedeutet A das numerisch bekannte effektive Resonanzintegral.

In dem Diagramm der Zeichnung ist der kritische Multiplikationsfaktor für ein Glas der oben bezeichneten Zusammensetzung in Abhängigkeit vom Verhältnis Nd₂O : Nu für die folgenden drei Anreicherungsgrade angegeben:

Λ^τ ₂₃₅: Nu = 7,2 · 10 ³ (natürliches Uran),

Λ^τ ₂₃₅ :Nu = 3 · 10^² (an U²³⁵ angereichertes Uran),

Λ^Γ ₂₃₅: Nu = 6 · 10-² (an U²³⁵ angereichertes Uran).

Zum Vergleich ist für ein reines Uran-D₂O-System gestrichelt die Multiplikationsfaktor-Kurve für den Anreicherungsgrad AZ₂₃₅: Nu — 3 ■ 10~² angegeben.

Auf der Abszisse ist das Verhältnis Nd₂O ·' Nu und auf der Ordinate der Multiplikationsfaktor I₀₀ aufgetragen.

Das Diagramm zeigt, daß sich bereits mit verhältnismäßig geringer U²³⁵-Anreicherung A₀₀-Werte von über 1 erzielen lassen, so daß mit derartigen Systemen eine fortlaufende Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann. Bereits bei einer Anreicherung von 3% fallen die übrigen Glaskomponenten kaum noch ins Gewicht. Bei heterogenen Reaktoren sowie bei Gläsern mit höherem U₃O₈- und niedrigerem Na₂O-Gehalt liegen die Verhältnisse noch günstiger.

Claims

Patentansprüche=

1. Uranbrennstoff für heterogene oder homogene Kernspaltungsreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff aus einem an U²³⁵ angereicherten Uranglas besteht.

2. Uranbrennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem uranoxydreichen Glas besteht.

3. Uranbrennstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die neben dem Uran vorliegenden Komponenten möglichst kleine Absorptionsquerschnitte für Neutronen aufweisen.

4. Uranbrennstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Glas folgender Zusammensetzung besteht: 5 Molprozent U₃O₈, 10 Molprozent Na₂O und 85 Molprozent SiO₂.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen