-
Atomkernreaktor mit in einem Kühlmedium dispergierten feinkörnigen
Spaltsubstanzen Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernreaktor mit in einem
Kühlmedium dispergierten feinkörnigen Spaltsubstanzen, die durch die Wirkung der
Kräfte, die in einer aus Potentialwirbel- und Rotationsströmung bestehenden Drehströmung
herrschen, in ringförmigen Anreicherungen in einem zylindrischen Reaktorgefäß in
der Schwebe gehalten werden.
-
Es ist bereits früher schon vorgeschlagen worden, zur Durchführung
und Beschleunigung chemischer Reaktionen die zu behandelnden Partikeln in einer
rotationssymmetrischen Wirbelkammer in Partikel ringen zu sammeln und für die Dauer
der Reaktion dort zu halten. Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung derartiger stabiler
rotierender Ringe wird eine Drehströmung verwendet, die aus einer äußeren wendelförmigen
Potentialwirbelströmung und einer inneren wendelförmigen, gleichsinnig umlaufenden
Rotationswirbelströmung besteht, wobei die axialen Strömungskomponenten des Rotations-
und des Potentialwirbels entgegengesetzte Richtungen haben. Durch entsprechende
Anregung dieser Drehströmung, z. B. mittels schräg-tangentialer Düsen für ein Hilfsgas
im Mantel der Wirbelkammer läßt sich eine derart stabile Strömung erzeugen und aufrechterhalten,
bei der die zugeführten Partikeln von höherer Dichte als der des Trägermediums in
ringförmigen Anreicherungen im übergangsgebiet zwischen der inneren Rotationsströmung
und der äußeren Potentialwirbelströmung gehalten werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zu schaffen,
in dem das beschriebene Prinzip auf spaltbare Substanzen angewendet werden kann.
Dabei werden für die zu behandelnden Partikeln spaltbare und fertile Substanzen
in feinkörnigem Zustand verwendet. Es eignen sich hierfür z. B. Uran-, Plutonium-
oder Thoriumoxyd oder -karbid bzw. die entsprechenden Nitride, Hydride, Sulfide,
Silizide usw. Da derartige Partikelringe mit der Gefäßwandung nicht in Berührung
kommen, können bei einem derartigen Reaktor viele Schwierigkeiten umgangen werden,
die bei den bisher bekannten Reaktortypen -auftraten.
-
Die gestellte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Reaktor dadurch
gelöst, daß erfindungsgemäß das Reaktorgefäß auf seiner einen Stirnseite einen axialen
Einlaß für die Spaltstoffe und das Kühlmedium sowie auf der gegenüberliegenden Stirnseite
einen axialen Auslaß für das aufgewärmte Kühlmedium und tangentiale, dem Kühlmittelstrom
schräg entgegengerichtete Hilfsgaseinlässe in seinem Mantel ; aufweist und daß im
Reaktorgefäß. axial ein rotationssymmetrischer Moderator angeordnet ist. Dieser
Moderator kann zur Regulierung der Reaktion axial verschiebbar angeordnet sein.
-
An Hand eines Ausführungsbeispiels sind in der schematischen Zeichnung
der Aufbau und die Wirkungsweise eines Reaktors nach der Erfindung näher dargestellt.
-
Nach F i g. 1 besteht der Kernreaktor aus einem rotationssymmetrischen
Reaktionsraum 1 mit schrägtangentialen Hilfsgaseinlässen 2 bis 6, die auch
zur Zuführung des Kühlmediums dienen können. Durch diese schräg-tangentialen Hilfgaseinlässe
wird in dem Reaktionsraum im wandnahen Bereich eine Potentialwirbelströmung 7 angeregt,
die über dem Boden 8 des Reaktionsraumes über eine Wirbelsenke zur Achse des Reaktionsraumes
1 strömt und von hier in Form einer Rotationsströmung 9 nach oben aufsteigt.
-
Im axialen Bereich des Reaktionsraumes 1 befindet sich der Moderator14,
der gleichzeitig als Strömungs-und Stabilisierungskörper für die Strömung dient.
Im Inneren des Moderators kann ein - in bekannter Weise aufgebautes - arbeitendes
Regelsystem 15 angeordnet sein. Außerdem kann das gesonderte Reaktorgefäß mit einem
Reflektor oder Brutmantel eingehüllt oder auch ausgekleidet sein, in dem sich gegebenenfalls
noch zusätzliche Regelelemente befinden.
-
über die Leitung 19 kann die spaltbare Substanz in feinkörniger Form
dem Reaktionsraum 1 zugeführt werden. Wird nun die Drehströmung über die Düsen 2
bis 6 angeregt, so wird die spaltbare Substanz vom Boden des Reaktionsraumes hochgehoben
und in ringförmigen Anreicherungen 17 im Bereich zwischen der Rotationsströmung
9 und der Potentialwirbelströmung 7 gehalten. Durch entsprechende Anregung
der
Strömung entsteht somit eine kritische Geometrie des Reaktors, so daß dieser dann
nach entsprechender Einregulierung des Moderators arbeiten und die entstehende Wärme
an das in diesem Ausführungsbeispiel durch die Düsen einströmende Kühlmedium abgeben
kann.
-
Die feinkörnige Spaltsubstanz weist die denkbar größte Wärmeüberiragungsfläche
auf und ist sehr hoch temperaturbelastbar, während die Behälterwände, die von den
Partikeln nicht berührt und außerdem durch das Kühlmittel ständig gekühlt werden,
einer nur sehr geringen Temperaturbelastung unterworfen sind. Wird der Kühlmittelfluß
abgeschaltet, so sinken die spaltbaren Partikeln, denen selbstverständlich auch
fertile oder Moderatorkörner beigemischt werden können, auf den Boden des Gefäßes
und lagern sich dort wieder in Form einer ringförmigen Anhäufung 16 ab. Da dabei
die Kettenreaktion erlischt, ist eine derartige Anlage auch inhärent sicher.
-
Durch die in dem Reaktionsgefäß herrschende Drehströmung wird gleichzeitig
verhindert, daß mit dem durch den axialen Auslaß 10 abströmenden Kühlmittel noch
aktive Spaltsubstanzen ausgetragen werden. Falls das jedoch durch Störung der Strömung
einmal der Fall sein sollte, kann sicherheitshalber dem Reaktionsgefäß ein bekannter
Drehströmungswirbler 11 zum Nachreinigen des Kühlmittels dem Reaktionsgefäß 1 nachgeschaltet
werden. Die in diesem Wirbler abgeschiedenen Partikeln werden über eine Rückführleitung
12 in den eigentlichen Reaktionsraum zurückgeführt.
-
Die gesamte Spaltsubstanz kann durch die Aus, blaseöffnung18 abgezogen
und auch wieder zugeführt werden. Wünscht man eine kontinuierliche Aufbereitung
der Spaltsubstanz, so kann man bei 18 ständig kleinere Mengen abziehen und bei 18
oder bei 19 diskontinuierlich bzw. kontinuierlich wieder zuführen.
-
Die Aufbereitungskosten einer derartigen Ablage sind - gemessen an
denjenigen bei heterogenen Reaktoren ähnlicher Bauart - sehr niedrig, da keine metallurgischen
Prozesse erforderlich sind und da jede Herstellung von Füllelementen oder von (komplizierten)
chemischen Verbindungen entfällt. Aus dem gleichen Grunde sind wegen des Fehlens
eines , dickwandigen Reaktorgefäßes und der konstruktiv und betrieblich einfachen
Konzeption auch die Anlagekosten sehr niedrig.
-
Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich
um eine Prinzipdarstellung einer Anwendung der Drehströmung zum Betrieb eines Leistungsreaktors.
Innerhalb eines als Reaktorgefäß dienenden Behälters 21 wird eine Drehströmung erzeugt.
Als Medium kann dabei ein flüssiges oder auch ein gasförmiges Medium Verwendung
finden. Wenn nicht Wasser oder schweres Wasser oder ein flüssiges Metall, wie beispielsweise
Natrium verwendet wird, kann mit Vorteil als gasförmiges Medium z. B. Kohlendioxyd
zugeführt werden. Durch die am äußeren Mantel des Reaktorgefäßes 21 zur Achsrichtung
des Gefäßes schräg-tangential verlaufenden düsenartigen Zuführungen 22, 23, 24,
25 und 26 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Kohlendioxyd, gegebenenfalls
zusammen mit einer am unteren Ende des Gefäßes stattfindenden Zuführung 27 eingebracht.
Durch die obere öffnung28 verläßt der Gasstrom den Behälter. Bei geeigneter Bemessung
der Anordnung und bestimmter Wahl der Stärke und Richtung der eingeleiteten Strömungen
bildet sich eine Drehströmung über einem festen Grund in dem Behälter 21 aus. Wenn
nun spaltbare Substanzen in das Innere des Gefäßes eingebracht sind, so bewirkt
die Drehströmung die Ausbildung eines im Gefäß frei schwebenden Staubringes 29.
Als spaltbare Substanz kann beispielsweise U02 oder U30$ unmittelbar ohne Aufbereitung
verwendet werden. Die spaltbaren Substanzen benötigen keine verfestigenden Zusätze
und müssen auch nicht, wie dies bei anderen Reaktortypen erforderlich, in eine geeignete
mechanisch feste Form gebracht werden. Die spaltbaren Substanzen können eine Korngröße
bis zu 10 #t oder gegebenenfalls auch größer aufweisen. In der Mitte des Gefäßes
1 befindet sich ein als Strömungskörper wirkender Moderator 30. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel dient ein Regelstab 31 als Teil des Moderators, der in Richtung
des Doppelpfeiles 32 auf und ab bewegt wird. An Stelle eines Regelstabes ist es
aber auch ohne weiteres möglich, eine Flüssigkeit zur Regelung zu verwenden. Die
Moderator- oder Absorberflüssigkeit wird dann von außen her mehr oder weniger weit
in das Innere des Strömungskörpers 30 getrieben.
-
Der bei 28 austretende Gasstrom 33 wird z. B. direkt einer Gasturbine
zugeführt, dort gibt er seine Wärme an einen Sekundärkreislauf ab. Zunächst beheizt
er z. B. einen Verdampfer 34 des Sekundärkreislaufes, danach durchströmt er z. B.,
wie durch 35 angedeutet ist, einen Wärmeaustauscher36, der als Vorwärmer für den
Sekundärkreislauf 37 dient. Der abgekühlte Gasstrom gelangt dann auf dem Wege 38
zu einem Gebläse oder einer Förderpumpe 39, um von da aus wieder in definierter
Weise in das Gefäß 21 geführt zu werden. Man kann die Druckverteilung nach Belieben
so vornehmen, daß der Reaktorbehälter unter keinem hohen Druck zu stehen braucht.
Es ist ohne weiteres möglich, die Anordnung so zu treffen, daß im Innern des Reaktors
etwa Atmosphärendruck oder ein geringer Wert darüber oder darunter herrscht. Die
Wandungen des Gefäßes 21 brauchen daher mechanisch nicht besonders widerstandsfähig
zu sein, vor allem, da der Staubring 29 die Innenwandung nicht berührt und daher
auch kein mechanischer Abrieb an der Wand entsteht. Hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit
werden keine allzu hohen Anforderungen an den Werkstoff der Gefäßwandungen gestellt,
da diese die kältesten Teile der gesamten Anordnung sind und keine Berührung mit
den spaltbaren Substanzen zustande kommt.
-
Entgiftungs- und Sicherheitsvorrichtungen lassen sich ebenfalls in
einfacher Weise anbringen. So ist z. B. ein Spaltproduktabzug an beliebiger Stelle
möglich. Wenn erforderlich, läßt sich im Gefahrenfall die spaltbare Substanz sofort
abscheiden und abziehen. Es kann im unteren Teil des Behälters 21- gegebenenfalls
über besondere Leitungen, wie z. B. über die Abführleitungen 40 - eine rasche
Beseitigung der spaltbaren Substanzen erfolgen. Im normalen Betrieb ist nicht zu
erwarten, daß allzu große Mengen der spaltbaren Substanzen den Staubring verlassen
und möglicherweise durch die Öffnung 28 in den Kreislauf entweichen. Aus den Körnern
treten vorwiegend Spaltprodukte wie Xenon, Jod, Tellur, Krypton usw. aus, die einen
verhältnismäßig hohen Diffusionskoeffizienten aufweisen (s. K. R. Schmidt, »Nutzenergie
aus Atomkernen«, Berlin, 1959/60, S. 311) sowie Rückstoßspaltprodukte.
Wegen
der hohen Dichte der spaltbaren Substanzen - verglichen mit derjenigen des Kohlendioxyds
oder einem anderen Gas - ist die Voraussetzung für eine wirksame Trennung der festen
und gasförmigen Medien gewährleistet. Wenn bei Verwendung anderer Medien, z. B.
flüssiger Metalle, der Dichteunterschied der Medien nicht mehr allzu groß sein sollte,
ist es ohne weiteres (s. 11 in F i g.1) möglich, anschließend an den Reaktorbehälter
eine Anordnung zur Abtrennung z. B. nach Art eines Drehströmungswirblers zum Entstauben
anzuordnen. Man kann dann von diesem Entstauber die abgeschiedene staubförmige Masse,
die sich in einem Austragraum sammelt, zum Behälter 21 zurückführen, um sie wiederum
dem Prozeß zuzuführen.
-
Bei flüssigen Kühlmedien kann man die Wärmezufuhr bei der Reaktion
gleichzeitig dazu verwenden, daß das Medium verdampft wird. Dies ist sowohl bei
Wasser als auch bei flüssigen Metallen möglich. Durch die düsenförmigen Einführungen
gelangt dann das Medium in flüssiger Foren in den Reaktorbehälter, umschließt den
Staubring 29 ebenfalls noch in flüssiger Form, wobei dann aber die Druckabsenkung
nach der Behälterachse und dem Behälterauslaß zu, wie sie bei der Drehströmung auftritt,
zur Verdampfung des Mediums führt. Die Temperaturen sind dabei so zu wählen, daß
bei den sich ausbildenden Drücken die Drehströmung in ihrem abwärts strömenden Verlauf
(Potentialströmung) mit Sicherheit noch aus der flüssigen Phase des. Mediums besteht,
während dann im in der Mitte aufsteigenden Teil der Strömung (Rotationsströmung)
- längs des Moderators 30 - die Druckabsenkung zum Übergang aus der flüssigen in
die gasförmige Phase des Mediums führt.
-
Bei einem Reaktor mit (relativ) hohen überschußreaktivitäten und bei
mittelschnellen bzw. schnellen Anlagen kommt die in F i g. 1 gezeigte Anhäufung
16 der spaltbaren Substanz nicht in Frage, da eine derartige Anlage auf diese Weise
nicht unterkritisch wird. In einem solchen Falle muß man die Spaltsubstanz - z.
B. durch eine verstärkte Luftzufuhr (z. B. durch die Düsen 13 und/oder durch zwei
hierfür anzubringende Spezialdüsen oder mit anderen bekannten Mitteln) - abscheiden
und z. B. durch das - gegebenenfalls auch tangential oder schräg seitlich, eventuell
mehrfach vorhandene - Rohr 18 in einen Behälter unterkritischer Geometrie austragen,
aus dem man sie zur Wiederinbetriebnahme wieder dem Reaktionssystem zuführen kann.
-
Um .eine die Staubkapazität des Ringes übersteigende Staubmenge im
Reaktor zu halten (z. B. zwecks Herabsetzung der Anreicherung, Vergrößerung der
Reaktivität oder Übersteuerung der Vergiftung), kann man kontinuierlich zusätzliche
Staubmengen (z. B. gesondert, aus dem Abscheider oder mit dem Kühlmittel) einführen
und in der Entstaubungsapparatur im oberen Teil des Behälters kontinuierlich wieder
abscheiden, um sie alsdann dem Reaktionssystem wieder zuzuführen.
-
Außerdem kann eine derartige Anlage sämtliche Lagen im Raum einnehmen
und - z. B. relativ zu den F i g. 1 und 2 - auf dem Kopf stehen oder waagerecht
liegen. Diese Möglichkeit kann für Fahrzeugantriebsreaktoren, z. B. in Schiffen
und/oder auf Flugzeugen, wichtig sein.
-
Bezüglich der Entgiftung der Anlage nach einer Außerbetriebsetzung
sei vermerkt, daß ein laufendes Ausspülen mit einer Säure oder Wasser dem Reaktorgefäß
und dem gesamten System einen beträchtlichen Teil der Aktivität entzieht.