DE1222595B - Brutreaktor mit schnellem Reaktorkern - Google Patents
Brutreaktor mit schnellem ReaktorkernInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
Int. Cl.:
G21c
Deutsche Kl.: 21g-21/20
Nummer: 1222595
Aktenzeichen: U10859 VIII c/21 g
Anmeldetag: 1. Juli 1964
Auslegetag; 11. August 1966
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brutreaktor mit leichtmetallgekühltem schnellem Reaktorkern,
der aus mehreren einzeln subkritischen Spaltstoffbereichen besteht und Brutbereiche enthält.
Relativ kleinen schnellen Reaktoren sind negative Kühlmittelblasenkoeffizienten eigen. Das heißt die
Reaktivität nimmt bei Kühlmittelverlusten ab. Ein Umstand oder ein Gefahrenmoment, das die Konstruktion
von großen, schnellen Reaktoren schwierig macht, besteht in der Möglichkeit, daß diese Reaktoren
einen positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweisen können. Das heißt, die Reaktivität würde
bei Kühlmittelverlust zunehmen.
Die Tatsache, daß große Reaktoren einen positiven, hingegen kleine Reaktoren einen negativen
Kühlmittelblasenkoeffizienten haben können, ist dadurch begründet, daß die beobachtete Wirkung der
Reaktoren das Resultat von zwei entgegengesetzt gerichteten Effekten ist. Wenn ein schneller Reaktor
Kühlmittel verliert, führt der zunehmende Neutronenverlust zu einer Abnahme der Reaktivität des
Reaktors. Ebenfalls führt jedoch die Zunahme der mittleren Neutronenenergie der in dem Kern vorhandenen
Neutronen zu einer Vergrößerung der Reaktivität. In einem kleinen Reaktorkern überwiegt
bei der Summierung der Wirkungen die Reaktivitätsabnahme, da der Reaktivitätsverlust infolge
des zunehmenden Neutronenverlustes dominiert. Ein solcher Reaktor weist einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten
auf und kann ohne Gefahr betrieben werden, daß der Kühlmittelverlust zu einem schnelleren Aufbrauchen des Spaltstoffes oder zu
einem Durchgehen des Reaktors führt.
Wenn die Größe des Kerns zunimmt, nimmt in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung des
Reaktorkerns der Neutronenverlust relativ an Bedeutung bis zu einem Punkt ab, an dem die Zunahme
der Reaktivität infolge der Zunahme der mittleren Neutronenenergie überwiegt und der Blasenkoeffizient
des Reaktors einen positiven Wert annimmt.
Eine solche Situation muß selbstverständlich vermieden werden, und es wurden deshalb bereits Lösungen
zur Vermeidung solcher Situationen gemacht. Eine dieser Lösungen besteht darin, das Volumen
des Kühlmittels in dem Reaktorkern zu vergrößern, um auf diese Weise die Wirkung des Neutronenverlustes
zu begünstigen. Diese Maßnahme führt jedoch zu einer geringen Ausgleichsmöglichkeit und resultiert
in einer abnehmenden Energiedichte.
Bei dem eingangs genannten Reaktor werden hingegen zur Vermeidung dieses Nachteils erfindungsgemäß
die Brutstoffbereiche zwischen den Spalt-Brutreaktor mit schnellem Reaktorkern
Anmelder:
United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. W. Abitz und Dr. D. Mori,
Patentanwälte, München 27, Pienzenauer Str. 28
Als Erfinder benannt:
Walter Bernard Loewenstein, Elmhurst, JU.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. Oktober 1963 (316784)
Stoffbereichen angeordnet, um diese Spaltstoffbereiche lose miteinander zu koppeln, und das Gesamtvolumen
der Spaltstoffbereiche größer als 8001 gewählt.
Mit diesen Maßnahmen gemäß der Erfindung kann jeder schnelle Reaktor, der einen positiven Blasenkoeffizienten
aufweist, so ausgelegt werden, daß er einen negativen Blasenkoeffizienten erhält. Bei einigen
Kernzusammensetzungen hat die Erfindung keine praktische Bedeutung, da jeder Reaktor mit praktisch
brauchbarer Kerngröße an und für sich einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweist. Bei
anderen Kernzusammensetzungen hat die Erfindung wegen der großen Kernabmessungen, bei denen der
Kühlmittelblasenkoeffizient positiv werden würde, nur eine begrenzte Anwendbarkeit. Zum Beispiel
wird die Erfindung wahrscheinlich niemals auf einen schwermetallgekühlten Reaktor angewendet werden
können, da ein solcher Reaktor bis zu mehreren tausend Litern Kerngröße einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten
aufweist. In gleicher Weise weist die Erfindung vergleichsweise wenig Bedeutung auf für solche Reaktoren, in denen U-235 als Brennstoff
verwendet wird, da diese Reaktoren bis zu einem Inhalt von 1500 bis 20001 einen negativen
Blasenkoeffizienten aufweisen. Andererseits ist die Erfindung auf leichtmetallgekühlte, mit Plutonium-239
beschickte Reaktoren, die eine Kerngröße von über etwa 8001 aufweisen, bereits anwendbar. Eine
Gefahr aus dem Kühlmittelverlust resultiert in mit Plutonium-239 beschickten Reaktoren bei kleineren
Kernabmessungen als in mit Uran-235 beschickten
609 603/300
Reaktoren aus der starken Abhängigkeit des Verhältnisses von Neutroneneinfang zu Spaltung bei dem
Pu-239-Isotop. In einem Reaktor mit Pu-239 als Spaltstoff vermindert eine leichte Erhöhung der Neutronenenergie,
die durch einen Kühlmittelverlust bedingt ist, das Verhältnis der'Neutroneneinfänge zu
den Kernspaltungen, wodurch die .Reaktivität zunimmt.
Auf diese Weise führt die Zunahme der mittleren Neutronenenergie zu einer merklichen Vergrößerung
der Reaktivität in einem Pur239-Reaktor, jedoch zu einer wesentlich geringeren Vergrößerung
der Reaktivität als in einem U-235-Reaktor, da die Abnahme des Neutroneneinfang-Kernspaltungs-Verhältnisses
bei zunehmender Neutronenenergie in Pu-239 wesentlich stärker zum Ausdruck kommt, als
in U-235. Deshalb Weist ein U-235-Reaktor einen negativen Kühhnittelblasenkoeffizienten erst bei sehr
viel größeren Abmessungen auf.
Es wird betont, daß die Erfindung nur auf sehr große Reaktoren Anwendung findet. Die kleinsten
Reaktoren mit positiven Kühhnittelblasenkoeffizienten weisen eine Kerngröße von etwa 8001 auf. Um von
dieser Größe einen Begriff zu geben, .wird hervorgehoben, daß der EBR-Π eine Kerngröße von 651
aufweist. Die Zukunft der Atomenergie scheint jedoch in großen Schnellbrütern zu Hegen, da nur in
solchen Reaktoren die Uranreserven wirtschaftlich voll ausgeschöpft werden können.
Die Erfindung bezweckt deshalb, einen sehr großen, schnellen Reaktor zu entwickeln mit negativem
Künlmittelblasenkoeffizienten.
Weiter bezweckt die Erfindung, einen sehr großen natriumgekühlten, mit Plutonium beschickten schnellen
Reaktor zu schaffen, der einen negativen Natriumblasenkoeffizienten besitzt.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem natriumgekühlten,
mit Plutonium 239 beschickten schnellen Reaktor beschrieben, bei dem der Kern zu 50 %
aus Natrium besteht und die Kerngröße 15001 beträgt. In einem Reaktor dieser Art und Größe ist die
aus einem Kühlmittelverlust resultierende Katastrophengefahr sehr groß, da der Blasenkoeffizient im
wesentlichen positiv ist.
Ein Reaktor dieser Art und Größe, der gemäß
dieser Erfindung ausgelegt ist,- weist einen negativen Blasenkoeffizienten auf, ohne daß ein Brutgewinnverlust
in Kauf genommen werden muß, wobei die Ausgaben für den Spaltstoff in vernünftigen Grenzen
bleiben. ..-...-
Um die angestrebte Wirkung zu erreichen, besteht gemäß der Erfindung der Reaktorkern aus mehreren
sübkritischen Kernen, die durch Brutmäntel aus
ίο brütbarem Material gekoppelt sind, die zwischen den
subkritischen Kernen angeordnet sind. Vorzugsweise weist der Reaktorkern mehrere Platten auf, die das
spaltbare Material enthalten und die durch Platten, die das brütbare Material enthalten, voneinander
getrennt sind. Die Erfindung ist zwar auch auf Reaktorkerne mit zylindrischer oder sphärischer Geometrie
anwendbar, eine wirtschaftlichere Ausnutzung des Spaltstoffs ist jedoch in solchen Kernen möglich,
die sich in einem Reaktor mit kubischer Geometrie befinden.
Die Erfindung wird zunächst an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert, die schematisch einen
Reaktorkern gemäß der Erfindung zeigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach dieser Erfindung werden drei plattenförmige Kernbereiche 10 durch Mantelbereiche 12 voneinander getrennt, um den aktiven Teil 14 eines Kernreaktors zu bilden. Der aktive Teil 14 ist an allen Seiten von einem Reflektor 16 umgeben. Jeder Kernbereich 10 ist 48 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit und enthält 25 Volumprozent Plutonium, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium. Das Gesamtvolumen aller Kernbereiche 10 beträgt 15001. Jeder Mantelbereich 12 ist 20 cm stark, 100 cm breit und 100 cm hoch und enthält 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium. Der Reflektor 16 ist 45 cm stark und enthält ebenfalls 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach dieser Erfindung werden drei plattenförmige Kernbereiche 10 durch Mantelbereiche 12 voneinander getrennt, um den aktiven Teil 14 eines Kernreaktors zu bilden. Der aktive Teil 14 ist an allen Seiten von einem Reflektor 16 umgeben. Jeder Kernbereich 10 ist 48 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit und enthält 25 Volumprozent Plutonium, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium. Das Gesamtvolumen aller Kernbereiche 10 beträgt 15001. Jeder Mantelbereich 12 ist 20 cm stark, 100 cm breit und 100 cm hoch und enthält 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium. Der Reflektor 16 ist 45 cm stark und enthält ebenfalls 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium.
Die nachfolgende Tabelle gibt das Ergebnis der Berechnungen wieder, die die Wirksamkeit der Erfindung
beweisen.
Anzahle | er Bereiche | Stärke jedes Bereiches in axialer Richtung (cm) |
Brutmantelc) | Kritische Anreicherung von Spaltstoff r NP« ι |
nach Entfernung | Reaktivitätsänderung bei Abzug von 30 % Natrium aus dem Kern |
Größe |
-C | I (NP" + NU238) J | von 30 °/o Nad) | (Vo A K/K) | ||||
Reflektor *) | Kern | 10 | 0,08763 | Vorzeichen | 0,033 | ||
Kern» | 2 | 142 | 10 e) | Bezugswert | 0,10405 | positiv | 0,143 |
1 | 3 | 71 | 5 | 0,08776 | 0,10350 | negativ | 0,130 |
2 | 3 | 71 | 15 | 0,10376 | 0,09842 | negativ | 0,0188 |
2 | 3 | 71 | 20 | 0,10323 | 0,10645 | positiv | 0,264 |
2 | 3 | 71 | 10 | 0,09846 | 0,10742 | negativ | — |
2 | 3 | 71 | 15 | 0,10595 | 0,10708 | negativ | 0,074 |
2 | 4 | 48 | 20 | 0,10681 | 0,11445 | positiv | 0,024 |
3 | 4 | 48 | 25 | 0,10717 | 0,12013 | negativ | 0,187 |
3 | 4 | 48 | 10 | 0,11441 | 0,12408 | negativ | — |
3 | 4 | 48 | 20 | 0,11972 | 0,12397 | negativ | 0,16 |
3 | 6 | 28 | 0,12340 | 0,15289 | positiv | — | |
5 | 6 | 28 | 0,12422 | negativ | |||
5 | 0,15245 |
a) Kern enthält 25 Volumprozent Pu-U-Metall, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium.
t>) Brutmantel enthält 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium.
°) Nur die zwischen den Kernbereichen angeordneten Brutmantelbereiche. Der äußere Reflektor ist an jeder Stelle etwa
45 cm stark.
d) Lediglich aus den Kernbereichen.
: e) Brutmantelbereich enthält natürliches Uran.
: e) Brutmantelbereich enthält natürliches Uran.
Die Tabelle gibt die Reaktivitätsänderung bei 30 °/o Verlust an Kühlmittel wieder. Da der Zweck
dieser Erfindung die Vermeidung einer positiven Reaktivitätsänderung ist, um die Sicherheit des Reaktors
zu gewährleisten, sind im allgemeinen diejenigen Reaktorkerne, die die höchste negative Reaktivitätsänderung
bei Änderung des Kühhnittelinhalts zeigen, die besten. In einigen Fällen ist die
Größe der Reaktivitätsänderung nicht dargestellt, da das Berechnungsverfahren nicht angewandt werden
konnte, um brauchbare Ergebnisse zu erhalten.
Aus der Tabelle kann ersehen werden, daß der Charakter der Reaktivitätsänderung sich merklich
ändert, wenn mehrere lose gekoppelte Platten kleinerer Stärke vergleichsweise zu einem großen plattenförmigen
Kern angeordnet werden. Außerdem kann ersehen werden, daß lediglich die Maßnahme,
zwei oder mehrere Platten durch einen Brutmantel aus abgereichertem Uran voneinander zu trennen,
nicht immer zu den erwünschten Ergebnissen führt. Aus der Tabelle geht jedoch klar hervor, daß die Reaktivitätsänderung
für einen Reaktorkern mit zwei 71 cm starken Platten, die entweder von einem 10 cm
oder einem 15 cm starken Brutmantel voneinander getrennt werden, ebenso wie die Reaktivitätsänderung
für einen Kern mit drei 48 cm starken Platten, die von 15 cm oder 20 cm starken Brutmantelschichten
voneinander getrennt werden, negativ ist. Da die Reaktivitätsänderung einer einzelnen 142 cm starken
Platte positiv ist, ist die Wirkung der Erfindung an Hand der Tabelle nachgewiesen.
Es ist schwierig, genaue und reproduzierbare Kriterien für die Geometrie eines Reaktorkerns anzugeben,
die die optimalen Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung zeigt. Die optimale Anzahl der
Kernbereiche und die Größe der Brutbereiche, die die Kernbereiche voneinander trennen, hängen von
den Parametern des besonderen Reaktors unter Betriebsbedingungen ab, und sogar bei einem ganz
bestimmten Reaktor sind Abhängigkeiten von der Konstruktion oder dem Kernhaushalt möglich, die
nicht durch die Vorberechnung des Reaktors erfaßt werden können.
Die Brutmantelbereiche müssen stark genug sein, um den gewünschten Effekt zu erhalten, d. h. um
einen hinreichenden Neutronenausfluß zu erhalten, so daß eine negative Reaktivitätsänderung zu verzeichnen
ist. Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist ein 5 cm starker Brutmantel für einen 15001 großen
Reaktorkern der beschriebenen Zusammensetzung ungenügend. Außerdem muß daran erinnert werden,
daß eine Zunahme der Stärke des Brutmantels notwendigerweise die Spaltstoffmenge vergrößert und
daß bei bestimmten Stärken des Brutmantels die voneinander getrennten Kernbereiche entkoppelt werden,
wodurch die Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung verlorengehen. Da jeder Kernbereich eines
Reaktors gemäß der Erfindung für sich allein im wesentlichen nicht kritisch ist, würde eine vollständige
Entkopplung in einem Verlust des kritischen Zustande überhaupt resultieren. Es wird angenommen,
daß die Entkopplung beginnt, wenn der Brutmantel über etwa 25 cm stark ist.
Wie aus der Tabelle zu sehen ist, ist die Anzahl der Kernbereiche nicht wesentlich und kann zwei,
drei oder möglicherweise noch größer für den beschriebenen Reaktor sein. Keine bestimmte Angabe
einer optimalen Anzahl konnte gefunden werden, jedoch bei zunehmender Anzahl und konstantem
Kernvolumen erhöht sich die Spaltstoffbeschickung, die für den Betrieb des Reaktors erforderlich ist.
Um beste Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, das Bedürfnis nach einem erhöhten Neutronenverlust,
um eine negative Reaktivitätsänderung bei Kühlmittelverlust zu erzeugen, mit dem vergrößerten
Spaltstoffbedarf, der durch diesen Neutronenverlust erforderlich ist, auszugleichen. Die bevorzugte Ausführungsform
nach dieser Erfindung wurde ausgewählt, da sie einen geeigneten Ausgleich dieser Erfordernisse
schafft und ebenfalls weil diese Ausführungsform auf größere Reaktoren ohne größere
Schwierigkeiten übertragen werden kann.
ig Es wird hervorgehoben, daß eine Änderung des Brutmantelmaterials von abgereichertem Uran zu
Natururan die Änderung der negativen Reaktivität vermindert, was beweist, daß es erforderlich ist, abgereichertes
Uran in den Brutmänteln zu verwenden.
ao In jedem Fall ist eine Änderung der Reaktivität nach der negativen Seite hin mit einem vergrößerten
Spaltstoffbedarf verbunden. Dieser Nachteil wiegt jedoch nicht annähernd so schwer wie der Aufwand,
der nötig ist, um mehrere verschiedene Reaktoren zu bauen, von denen jeder klein genug ist, um einen
negativen Blasenkoeffizienten zu erzeugen und die alle zusammen dieselbe Leistung erzeugen.
Das Brutverhältnis eines Reaktors gemäß der Erfindung ist wenigstens ebensogut und vielleicht sogar
besser als eines Reaktors derselben Größe, der einen einteiligen Kern aufweist. Der Grund hierfür besteht
darin, daß die mittlere Neutronenenergie in dem Reaktor durch die zusätzlichen Brutmantelbereiche
zunimmt, weil der Brutmantel die Neutronen mit geringerer Energie, die in dem Reaktor vorhanden
sind, herausfiltert.
Außerdem ist die Konzentration von Plutonium, das in den Zwischenbrutbereichen gebildet wird,
größer als in einem in üblicher Weise verwendeten äußeren Mantel, da die Neutronen den zwischengeschalteten
Mantelbereich von zwei Richtungen erreichen. Deshalb ist die Konzentration von Plutonium,
die erhalten wird, fast zweimal so groß wie diejenige, die in einem an der Peripherie des Reaktorkerns
angeordneten Brutmantel erzeugt wird.
Claims (6)
1. Brutreaktor mit leichtmetallgekühltem, go schnellem Reaktorkern, der aus mehreren einzelnen
subkritischen Spaltstoffbereichen besteht und Brutstoffbereiche enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß die Brutstoffbereiche zwischen den Spaltstoffbereichen angeordnet sind, um diese Spaltstoffbereiche lose miteinander zu
koppeln, und daß das Gesamtvolumen der Spaltstoffbereiche größer als 8001 ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffbereiche Plutonium-239
enthalten.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffbereiche und
die Brutstoffbereiche zwischen den Spaltstoffbereichen aus rechteckigen Platten bestehen.
4. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei plattenförmige
Spaltstoffbereiche, die jeweils Tl cm stark, 100 cm breit und 100 cm hoch sind und
25 Volumprozent Plutonium, 25 Volumprozent
Stahl und 50 Volumprozent Natrium enthalten, und durch einen Brutstoflbereich zwischen den
Reaktorbereichen, welcher 10 bis 15 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit ist und 60 Volumprozent
abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium enthält, und
durch einen 45 cm starken Reflektor, der abgereichertes
Uran enthält und den Spaltstoff und den Brutstoflbereich umgibt.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch drei plattenförmige Spaltstoffzonen, die jeweils 48 cm stark, 100 cm hoch
und 100 cm breit sind und 25 Volumprozent Plutonium-239, 25 Volumprozent Stahl und
50 Volumprozent Natrium enthalten, durch je
eine Brutstoffzone zwischen jeweils zwei Kernbrennstoffzonen, die zwischen 15 und 20 cm stark,
100 cm hoch und 100 cm breit ist und 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent
Stahl und 20 Volumprozent Natrium enthält, und durch eine 45 cm starke Reflektorschicht, die
abgereichertes Uran enthält und die den Spaltstoff und den Brutstoff umgibt.
ίο In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1322 563;
USA.-Patentschriften Nr. 2 870 076, 2 961 393,
2982709;
2982709;
»Nuclear Engineering«, September 1962, S. 356 und 357;
»Umschau«, 1962, H.
6, S. 161 bis 164.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US316784A US3140234A (en) | 1963-10-16 | 1963-10-16 | Fast reactor core |
Publications (1)
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DE1222595B true DE1222595B (de) | 1966-08-11 |
Family
ID=23230674
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEU10859A Pending DE1222595B (de) | 1963-10-16 | 1964-07-01 | Brutreaktor mit schnellem Reaktorkern |
Country Status (6)
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