DE1271270B - Verfahren zum Betrieb eines homogenen Kernreaktors mit einer plutoniumhaltigen Schmelze als Brennstoff und Atomkernreaktor hierfuer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21c

Deutsche KL: 21 g - 21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 271 270
P 12 71 270.8-33
5. Dezember 1962
27. Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines homogenen Atomkernreaktors mit einer plutoniumhaltigen Schmelze als Brennstoff sowie auf einen für dieses Betriebsverfahren geeigneten Reaktoraufbau.

Aus verschiedenen Gründen, nicht zuletzt wegen der begrenzten Naturvorräte an spaltbarem U²³⁵, ist die Entwicklung der sogenannten »schnellen Reaktoren« auf der Basis von Plutonium als Brennstoff in der Reaktortechnik von besonderem Interesse.

Die Verwendung von Plutonium als Brennstoff für einen Leistungsreaktor weist gegenüber der Verwendung von Uran erhebliche Unterschiede auf. Die Toxizität des Plutoniums schließt Verfahren zur direkten Handhabung und Herstellung aus; der niedrige Schmelzpunkt, die komplizierte Metallurgie seiner Legierungen sowie das ausgeprägte Fließbestreben des Metalls führen zu sehr ungünstigen thermischen Eigenschaften metallischer Brennstoffelemente. Für einen festen Brennstoff käme am ehesten die Form als Keramikkörper in Frage; jedoch würden die erforderlichen Fernbedienungsverfahren die Herstellung eines derartigen Materials verteuern.

Aus diesem Grund wurde der Verwendung von Flüssig-Brennstoffsystemen bei der Entwicklung von Plutoniumreaktoren erhöhte Aufmerksamkeit gescheint. So dient beispielsweise bei dem in »Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Bd. 9, 1958, S. 411 ff., beschriebenen amerikanischen Versuchsreaktor LAMPREI eine Plutoniumlegierungsschmelze als Brennstoff und flüssiges Natrium als Kühlmittel. Das Kühlmittelnatrium wird dabei in bekannter Weise durch den Kern hindurchgeleitet, wobei jedoch die Brennstoffschmelze gegenüber dem Natriumkühlmittel gekapselt ist, derart, daß das Natrium nicht in direkte Berührung mit der im Kern befindlichen Brennstoffschmelze gelangt. Auf Maßnahmen und eingebaute Vorrichtungen zur Brennstoffauf bereitung und -regenerierung konnte dabei bei dem LAMPRE I-Reaktor infolge seiner Auslegung als Versuchsreaktor mit niedriger Leistung verzichtet werden.

Für Leistungsreaktoren muß jedoch zur Erzielung wirtschaftlicher Abbrandwerte in irgendeiner Form für eine Brennstoffaufbereitung, d. h. für eine Beseitigung der in der Brennstoffschmelze während des Betriebs anfallenden Spaltstoffe aus dem Brennstoff Sorge getragen werden.

Aus der französischen Patentschrift 1215419 ist bereits für einen homogenen Kernreaktor mit plutoniumhaltiger Brennstoffschmelze und flüssigem Verfahren zum Betrieb eines homogenen
Kernreaktors mit einer plutoniumhaltigen
Schmelze als Brennstoff
und Atomkernreaktor hierfür

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Dipl.-Ing. G. Koch
und Dr. T. Haibach, Patentanwälte,
8000 München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:
Roland Philip Hammond,
Harold McNeal Busey,
John Ross Humphreys jun.,
Los Alamos, N. Mex. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. Dezember 1961
(159 195)

Natrium als Kühlmittel ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem die Abfuhr der Spaltstoffe aus der Brennstoffschmelze kontinuierlich innerhalb des Reaktors und während des Betriebs vorgenommen wird. Zu diesem Zweck ist bei dem bekannten Reaktor ein besonderes Kreislaufsystem für eine gesonderte Spülflüssigkeit, beispielsweise eine Kalzium-Magnesium-Eutektikumsschmelze, vorgesehen. Dieser gesonderte Spülflüssigkeitskreislauf umfaßt einen Vorratsbehälter für die als Spülflüssigkeit dienende Metallschmelze, eine Spülmittelkreislaufpumpe, eine von der Austrittsseite der Kreislaufpumpe ausgehende Spülflüssigkeitszufuhrleitung, welche in eine aus dem Reaktorkern kommende Brennstoffaustrittsleitung mündet, eine gemeinsame Brennstoff- und Spülflüssigkeitsleitung zu einem Separator, in welchem das Brennstoffschmelzen- und Spülflüssigkeitsgemisch durch Absetzen wieder in seine beiden Komponenten getrennt wird, sowie eine die Spülflüssigkeitskammer des Absetzgefäßes mit dem Spülflüssigkeitsvorratsbehälter verbindende Leitung. Des weiteren ist eine Brennstoffrückleitung von der Brennstoffabsetzkammer des Separators zur Eingangsseite des Reaktor-

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kerns vorgesehen, durch welche der von der Spül- ein und desselben Mediums im Wege der direkten flüssigkeit wieder abgetrennte Brennstoffteil in den Vermengung des flüssigen Brennstoffs mit dem Kühl-Reaktorkern zugeführt wird. Daneben und unab- mittel ausgenutzt.

hängig davon ist bei der bekannten Anordnung noch Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der

ein Kühlmittelkreislauf üblicher Art mit flüssigem 5 Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß das Natrium vorgesehen. Das Kühhnittematrium kommt gleichzeitig als Spülflüssigkeit dienende Kühlmittel dabei mit dem im Reaktorkern stehenden Teil des durch die als Leitfläche ausgebildete Oberseite des Brennstoffs nicht in direkte, sondern nur in Wärme- Kerns tangential an in der Oberseite des Kerns voraustauschberührang. gesehenen, mit dem Kerninneren verbundenen Öff-

Die bekannte Vorrichtung gewährleistet zwar die io mangen entlanggeführt wird und hierbei durch laufende, während des Betriebs störungsfrei vor sich Düsenwirkung Brennstoff aus dem Kerninneren mitgehende Abfuhr der Spaltprodukte aus dem Brenn- reißt und daß die Abtrennung der mitgeführten stoff der Spaltzone, indem laufend eine Teilmenge Brennstoffmenge von dem Kühlmittel durch Zentrides geschmolzenen Brennstoffs aus dem Reaktorkern fugalwirkung erfolgt. Gemäß diesen Ausgestaltungsentfernt und mit der aus flüssigem Metall bestehen- 15 formen der Erfindung fließt somit das Kühlmittel den Spülflüssigkeit in direkte Berührung gebracht nicht durch den Reaktorkern hindurch, sondern an wird und hierbei die Spaltprodukte an das für die- dessen Oberseite entlang und reißt hierbei laufend selben eine höhere Affinität besitzende Spülmittel einen Teil des Brennstoffs aus dem Kern heraus, abgibt. Das bekannte Verfahren hat jedoch den unter vorübergehender Vermischung mit diesem Nachteil, daß für den gesonderten Spülkreislauf ein 20 Brennstoffteil, wodurch die laufende Wärmeabfuhr nicht unerheblicher zusätzlicher apparativer Aufwand und Spaltstoffabfuhr gewährleistet wird, während erforderlich ist, was nicht nur kostenmäßig ein Nach- gleichzeitig die nachfolgende Abtrennung der mitgeteil ist, sondern wegen der damit naturgemäß verbun- führten Brennstoffmenge von dem Kühlmittel ebendenen höheren Störanfälligkeit angesichts des bei falls praktisch selbsttätig durch Zentrifugieren erfolgt. Kernreaktoren allgemein und bei Plutoniumreaktoren 25 Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht wegen der hohen Toxizität des Plutoniums im beson- einen hinsichtlich Einfachheit und Betriebszuverderen so wesentlichen Gesichtspunktes der absoluten lässigkeit äußerst vorteilhaften Reaktoraufbau. Ge-Betriebszuverlässigkeit einen wesentlichen Nachteil maß einer Ausführungsform der Erfindung kennbedeutet, zeichnet sich der Reaktor durch einen im unteren,

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum 30 aktiven Bereich des Reaktorgefäßes angeordneten Betrieb eines homogenen Kernreaktors mit einer Reaktorkern, der von dem darüber befindlichen, im plutoniumhaltigen Schmelze als Brennstoff und wesentlichen mit dem Kühlmittel angefüllten Teil des flüssigem Natrium als Kühlmittel, das so im Kreislauf Reaktorgefäßes durch eine mit Kanälen versehene durch den Kernreaktor geleitet wird, daß es in Be- Wandung getrennt ist, durch eine in der Nähe des rührung mit dem die Brennstoffschmelze enthalten- 35 Kühlflüssigkeitsspiegels am oberen Ende des Reaktorden Kern gelangt, und bei welchem zur Beseitigung gefäßes angeordnete Kühlmittelkreislaufpumpe sowie der Spaltprodukte aus der Brennstoffschmelze eine ein mit der Austrittsseite der Pumpe verbundenes, Teilmenge des geschmolzenen Brennstoffs mit einer vertikal angeordnetes Standrohr, welches unmittelbar aus einem flüssigen Metall bestehenden Spülflüssigkeit oberhalb der Kerndecke mündet, derart, daß das vermischt wird, an welche der Brennstoff seine Spalt- 40 Kühlmittel im Kreislauf durch das Standrohr nach produkte abgibt, worauf der Spaltstoff von der Spül- unten auf die Kerndecke, an dieser und den Münflüssigkeit abgetrennt und wieder in den Kern zurück- düngen der darin vorgesehenen Kanäle entlang und geführt wird. von da im äußeren Ringraum zwischen dem Stand-

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, rohr und dem Reaktorgefäß nach oben geführt ist. ein Betriebsverfahren dieser Art und einen hierfür 45 Als zweckmäßige Ausgestaltungen können dabei geeigneten Reaktoraufbau zu schaffen, bei welchem vorgesehen sein, daß die Oberseite der Kerndecke als die obenerwähnten Nachteile des bekannten Ver- Leitfläche zur Umlenkung des aus dem Standrohr fahrens vermieden werden. Die Erfindung soll die nach unten austretenden Kühlmittels ausgebildet ist. kontinuierliche, während des Betriebs störungsfrei Die Separierung durch Zentrifugieren kann in einlaufend vor sich gehende Abfuhr der Spaltstoffe aus 50 fächer Weise praktisch selbsttätig dadurch bewerkdem Plutoniumbrennstoff durch Ausspülen der stelligt werden, daß im unteren Teil des Standrohrs Brennstoffe gewährleisten, ohne daß hierfür ein ge- Leitflächen vorgesehen sind, welche dem im Standsonderter Spülkreislauf erforderlich ist. rohr nach unten strömenden Kühlmittel eine starke

Dies wird bei dem obengenannten Betriebsverfah- Rotationsbewegung erteilen, welche sich nach dem ren dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß das 55 Austritt des Kühlmittels und der Umlenkung an der flüssige Natrium als Kühlmittel und als Spülflüssigkeit Kerndecke und der anschließenden Aufwärtsbewezur gleichzeitigen Wärmeabfuhr und Beseitigung der gung im unteren Teil des Ringraums fortsetzt, und Spaltprodukte aus der Brennstoffschmelze innerhalb daß die Vorrichtungen zur Abtrennung des mitgeeines einzigen Kreislaufs des flüssigen Metalls im führten Brennstoffs vom Kühlmittel miteinander zuKern dient und in einem Strom an der Oberseite des _6o sammenwirkende Leit- und Trennwände aufweisen, Kerns so entlang geleitet wird, daß der Natriumstrom welche die durch die Zentrifugalwirkung gebildeten jeweils eine Teilmenge der Brennstoffschmelze aus Schichten in dem aufwärts strömenden Kühlmittel dem Kern mitführt. voneinander separieren.

Bei der Erfindung wird somit die Unvermischbar- Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, daß im

keit von geschmolzenem Natrium mit einer PIu- 65 oberen Teil des Ringraums zwischen Standrohr und toniumlegierungsschmelze für die gleichzeitige teil- Reaktorgefäß ein Wärmeaustauscher angeordnet ist. weise Entfernung der Spaltprodukte einerseits und Das Kernreaktorbetriebsverfahren und der Kerndie Wärmeabfuhr andererseits aus dem Kern mittels reaktoraufbau gemäß der Erfindung, bei welcher ein

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und dieselbe, gleichzeitig als Kühlmittel und als Spül- vereinigen könnten, sowie auch kein Kühlmittel, das flüssigkeit dienende Flüssigmetallmenge in direkten verdrängt werden könnte. Der Neutronenschirm, Kontakt mit dem aus der Spaltzone kommenden welcher den Kern und die Strahlpumpe sowie den Brennstoff gelangt, hat neben den obenerwähnten Separator voneinander trennt, müßte gegen eine BeVorteilen noch die folgenden weiteren allgemeinen 5 wegung in beiden Richtungen unter allen Umständen Vorteile hinsichtlich des Betriebs Verhaltens und der starr gesichert sein.
Sicherheitseigenschaften: Der Temperatur-Sicherheitsabstand, welcher den

Da der Kern im wesentlichen nur flüssigen Brenn- normalen Betriebszustand eines festen Brennstoffele-

stofl enthält und stets gefüllt ist, bewirkt ein Tempe- ments von der Durchschmelztemperatur trennt, ist

raturanstieg, daß sowohl die Brennstoffdichte als io verhältnismäßig klein und beträgt häufig nur einige

auch Brennstoff aus dem Kern entfernt wird. Insge- wenige hundert Grad. Für den Reaktor besteht eine

samt ergibt sich dadurch ein rasch wirkender Tempe- Durchschmelzgefahr nicht, da der Brennstoff bereits

raturkoeffizient der Reaktivität von etwa — 5 · 10~⁵. geschmolzen ist, und der Temperatur-Sicherheitsab-

Dieser hohe Koeffizient gewährleistet ein hohes Maß stand zwischen der höchsten Betriebstemperatur und

an Stabilität und Selbstregelung wie an anderen 15 dem Schmelzpunkt von Tantal ist mit einem Betrag

Flüssig-Brennstoffreaktoren, wie beispielsweise dem von mehr als 2200° C größer als für irgendeinen an-

Los Alamos-Siedewasserreaktor, LAPREII (= Los deren Reaktor.

Alamos Power Reactor Experiment), LAMPREI Der hohe, rasch wirkende negative Temperatur-(= Los Alamos Molton Plutonium Reactor Experi- koeffizient der Reaktivität eines Flüssig-Brennstoffment) sowie dem Oak Ridge HRE (— Homogeneous no reaktors ist bekannt. Er stellt einen eingebauten Reactor Experiment) und HRT (= Homogeneous Drossel- bzw. Abschaltmechanismus dar, welcher ver-Reactor Test) gezeigt wurde. Bei Leistungsbetrieb hältnismäßig große und rasche Reaktivitätszufuhren sprechen derartige Reaktoren auf die Zufuhr bzw. ohne sonstige Nachwirkung außer einem Temperatur-Entnahme von Reaktivität hauptsächlich durch eine anstieg zu absorbieren vermag. Der berechnete Tem-Änderung der Betriebstemperatur an, wobei die 25 peraturkoeffizient der Reaktivität des Kerns beträgt Leistung die gleiche bleibt, bis sich der Bedarf des — 5 · 10~⁵ je Grad Celsius, d. h. den gleichen Wert, Wärme-Entnahme-Systems ändert. der für LAMPREI gemessen wurde.

Die Betriebskontrolle bzw. -steuerung eines der- Der direkte Kontakt des Natriums mit dem Brennartigen Reaktors kann daher in einfacher Weise über stoff ermöglicht die fortlaufende Entfernung von den Wärmebedarf erfolgen, und die Reaktivität wird 30 Spaltprodukten, derart, daß beim eventuellen Ablasnur zur Erreichung der gewünschten Betriebstempe- sen an die Umgebung nur eine kleinere Gesamtmenge ratur eingestellt. Bei dieser Regel- bzw. Steuerungs- in dem Kernsystem gespeichert ist.
weise gibt es keine in der Steuerungsvorrichtung Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der zurückgehaltene Uberschußreaktivität, wodurch eine Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben, deren Hauptgefahrenquelle ausgeschaltet ist. In dem Kern 35 einzige Figur in schematischer Darstellung einen Verkönnte die Temperaturregelung am besten über die tikalschnitt durch einen Reaktor gemäß der Erfin-Plutoniumkonzentration des Brennstoffs erfolgen. Die dung zeigt.
Einrichtung könnte so getroffen werden, daß mit

Brennstoff der geeigneten Konzentration der Kern im ^{Die Vomclltun}g

gefüllten Zustand stets heiß und kritisch ist, derart, 40 Die in der Figur dargestellte, bevorzugte Ausfüh-

daß eine zufällige Entfernung des Brennstoffs un- rungsform der Erfindung weist ein proberohrförmiges

möglich würde. Zur Drosselung bzw. Abschaltung Reaktorgefäß 1 auf, das vorzugsweise aus Tantal her-

des Kerns könnte der Brennstoff mittels einer kleinen " gestellt ist. An seiner Unterseite ist das Gefäß 1 ge-

Natriumstrahlpumpe in einen Speicherbehälter ge- schlossen. An seiner Oberseite endet es in einem

pumpt werden. Die in der Figur gezeigte Kernanord- 45 Flansch 2. An dem Flansch 2 ist ein hoher Tragzylin-

nung weist einen Brennstoffverdrängungskolben auf, der 3 für die in der Figur schematisch dargestellte

der jedoch nur in einem Gefahrenfall verwendet Pumpe 4 des Natrium-Primär-Kreislaufes eingehängt,

würde, wenn eine Entfernung des Brennstoffs er- Die Pumpe 4 steht über dem Gehäuse 39 mit den

wünscht oder bedeutungslos ist. außerhalb des Gefäßes 1 angeordneten notwendigen

Die inneren Sicherheitseigenschaften dieser Reak- 50 Zubehörteilen in Verbindung. An ihrer Oberseite ist

torbauart können sich sogar bedeutsamer als die Ge- die Pumpe 4 mit Natriumeinlaßöffnungen 5 versehen,

stehungskosten der erzeugten Leistung erweisen. Der Von der Pumpe 5 erstreckt sich die Natriumaustritts-

Kern des Reaktors weist im wesentlichen keine inne- röhre 11 abwärts, welche die Natriumaustrittsleitung

ren Bauteile auf. Er besteht aus einem geschlossenen, 10 begrenzt. Die Röhre 11 ist gegen seitliche Bewe-

vollständig mit Brennstoff gefüllten Behälter. Ein- 55 gung mittels mehrerer Flansche 12 gehaltert,

tritts- und Austrittsleitungen verbinden den Kern mit Unterhalb der Pumpe 4 und an der Wandung des

einer Strahlpumpe und mit einer Trenn- bzw. Sepa- Reaktorgefäßes 1 gehaltert ist ein symbolisch darge-

ratorvorrichtung, die bis zu einem gewissen Grad von stellter Wärmeaustauscher 6 vorgesehen, in dessen

dem Kern neutronisch isoliert sind. Um den Kern konzentrische Mittelöffnung7 die Röhreil eingepaßt

herum ist engsitzend ein zweiter Behälter und eine 60 ist. Das heiße Natrium tritt durch die Öffnung 13 in

Brutmantelzone vorgesehen. Beim Zubruchgehen den Wärmeaustauscher 6 ein und gibt dort seine

oder Leckwerden des Kerns wäre es praktisch unmög- Wärme an einen Natriumsekundärkreis ab, der zur

lieh, daß der flüssige Brennstoff eine Konfiguration Dampferzeugung dient. Das gekühlte Natrium ver-

von höherer Kritizität (größerer Flußwölbung), als er läßt den Wärmeaustauscher 6 durch die Öffnung 14,

in dem Kern hatte, einnehmen könnte. Das Brenn- 65 von wo es in die Kammer 15 des Natriumbehälters

Stoffsystem weist keine Leerräume auf, weiche sich fließt. Der Sekundär-Natrium-Kreislauf weist einen

mit Brennstoff füllen könnten, ebenso keine Brenn- ringförmigen Eintrittskanal 16 sowie einen ringförmi-

stoffelemente, die schmelzen und sich miteinander gen Austrittskanal 17 auf. Diese Kanäle werden von

dem Reaktorgefäß 1, einer zylindrischen Strömungsleitfläche 18 sowie dem Außenbehälter 19 begrenzt und gebildet. Die Pumpe des Sekundär-Natriurn-Systems und die Dampferzeugungsvorrichtung sind mit den Kanälen 16 und 17 an dem Anschluß 20 verbunden.

Durch die Oberseite des horizontalen Flansches des Tragzylinders 3 erstreckt sich eine Steuerleitung 21 abwärts. Die Leitung 21 ist mit der Betätigungs-

wird ein dicht abgeschlossenes Gasvolumen 38 oberhalb des Natriums in dem Behälter 15 gebildet. Zur Verbindung mit diesem Gasvolumen 38 können (nicht dargestellte) Eintrits- und Austrittsgasleitungen 5 vorgesehen sein.

In dem Behälter 40 außerhalb des Behälters 19 und unter dem Sekundär-Natrium-Kreislauf ist eine Brutmantelzone 41 vorgesehen. Derartige Brutzonen sind bekannt. Da der Brutmantel keinen Teil dei

Als Brennstoff ist für den Kern eine Legierung aus Plutonium, Zer und Kobalt vorgesehen. Die Legierung weist bei einer niedrigen Temperatur ein Eutektikumsminimum mit einem Schmelzpunkt in der Nähe von 420° C und einem mehr oder weniger kon-

vorrichtung 25 für den Verdrängungsstab verbunden, io vorliegenden Erfindung bildet, sind seine Einzelheiwelche innerhalb der Natriumaustrittsröhre ange- ten nicht näher dargestellt, ordnet und an dieser mittels mehrerer Halterungen

26 befestigt ist. Von der Betätigungsvorrichtung 25 Das Flüssig-Brennstoffsystem

abwärts bis zu einem Punkt in der Nähe der Oberseite des Kerns 27 erstreckt sich das Gehäuse 28 für 15
den Verdrängungsstab. In dem Gehäuse befindet sich
der vorzugsweise aus Tantal oder Wolfram hergestellte Verdrängungsstab 29. Das Gehäuse 28 endet
innerhalb der die Oberseite des Kerns 27 bildenden
Abschirmung 30. Die Abschirmung 30 besteht vor- 20 stanten Kobaltgehalt von etwa 25 Atomprozent auf. zugsweise aus Tantal oder Wolfram. Der Stab 29 Dies bedeutet, daß Plutonium und Zer mit innerhalb wird normalerweise in seiner eingezogenen Stellung eines weiten Bereiches veränderbaren Verhältnissen innerhalb des Gehäuses gehalten, und zwar durch bei nur geringer Änderung des Schmelzpunktes verden Druck eines Strömungsmittels in der Leitung 21, wendet werden können. Diese Besonderheit gestattet, welcher auf einen Kolben 2 (statt eines Kolbens kann 25 die Plutoniumanreicherung des Brennstoffs entspreauch ein Dehnbalgen vorgesehen sein) wirkt. Wird chend der Reaktorbauart anzupassen, ein Freiheitsder Strömungsmitteldruck unterbrochen, so tritt Pri- . grad, der für die Erzielung von Hochleistungskernmärnatrium aus dem Bereich 10 durch die Öffnung bauarten äußerst bedeutsam ist. 24 ein und drückt, die Schwerkraftwirkung unter- Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungs-

stützend, den Stab 29 abwärts. Die Verdrängung des 30 beispiel der Erfindung besteht der Brennstoff aus Brennstoffs durch den Stab 29 bringt die Kettenreak- 67,5 Atomprozent Zer, 25 Atomprozent Kobalt und tion zum Stillstand. 7,5 Atomprozent Plutonium.

In der Natriumauslaßleitung 11 sind an deren Es sind auch andere Brennstoffsysteme möglich,

unterem Ende eine Reihe spiralförmiger Strömungs- die jedoch nicht ähnlich vollständig untersucht sind. leitflächen 31 vorgesehen, welche sich zwischen der 35 Das System Plutonium, Zer, Kupfer ist zwar auf Wandung der Röhre 11 und einem oberen Fortsatz Plutoniumkonzentrationen innerhalb eines engen Beder Abschirmung 30 erstrecken. Diese Leitflächen reichs beschränkt, enthält jedoch die für die Anwendienen dazu, dem von der Pumpe 4 durch die Röhre dung in großem Maßstab interessierenden Werte. 10 strömenden Natrium eine schnelle Rotationsbe- Es gibt Anzeichen dafür, daß dieses System sich als wegung mitzuteilen. Die Röhre 11 reicht nach unten 4° weniger korrodierend als das Kobaltsystem erweisen bis in die Nähe der Abschirmung 30, von welcher sie könnte. Die Untersuchungen hierzu befinden sich gejedoch einen gewissen Abstand hält, wodurch ein
Bereich32 für die Umkehr des Natriumstroms ge-'
bildet wird. An ihrer Oberseite ist die Abschirmung
30 konkav ausgebildet, um eine glatte Natrium- 45
strömung statt einer Turbulenz zu erhalten. Sowohl
oberhalb als auch unterhalb der Abschirmung 30
erstreckt sich eine Strömungsleitfläche 33. Die Leitfläche 33 ist in Abstand von der Wandung des Reaktorgefäßes 1 angeordnet, um einen Brennstoffrück- 50
flußweg 42 von dem Zentrifugaltrennbereich 34 zu
dem Kern 27 zu schaffen. Die Abschirmung 30 ist an
ihrem Umfang mit in Abständen angeordneten Strömungsmittelverbindungsleitungen 35 versehen. Das
an diesen Öffnungen vorbeiströmende Natrium nimmt 55
laufend einen Teil des Brennstoffs aus dem Kern 27
auf Grund einer Düsenpumpwirkung mit. Am oberen
Ende der Leitfläche 33 ist in dem Trennbereich 34
ein ringförmiger Austrittsschlitz für die schweren

Bestandteile vorgesehen, und zwar mittels des kreis- 60 werden. Thermische Beanspruchungen bestehen nur ringförmigen Teils 36, das an der Wandung des Ge- während Zuständen mit sich verändernden Tempefäßesl befestigt ist und sich an dem oberen Ende raturen.

der Leitfläche 33 vorbei in dessen Nähe, jedoch in Wegen der dicken Wandungen und des kleinen

Abstand von ihm, einwärts und abwärts erstreckt. Oberfläche-Volumen-Verhältnisses können ziemlich An seinem oberen Ende ist das Gefäß 1 mittels 65 hohe Korrosionsgeschwindigkeiten zugelassen wereiner Abschirmung 37 abgedeckt und dicht verschlos- den. Kleine Brennstoff- oder Kühlmitteldurchlässe, sen. Die Abschirmung kann aus einer Betonabschir- welche sich verstopfen könnten, sind nicht vorhanmung in einem Stahlgehäuse bestehen. Hierdurch den.

rade im Anfangsstadium.

Behälter und Stoffe für die Bauteile

Die Erfordernisse für einen Kern gemäß der Erfindung sind von denen für einen Kern mit einem inneren Wärmeaustauscher in bedeutsamer Weise verschieden.

Der Kern besteht hauptsächlich aus einem Behältermantel. Es sind sehr wenige innere Bauteile vorgesehen, und diese brauchen nicht fiüssigkeitsdicht zu sein, da sie lediglich als Strömungsführungen wirken.

Eine Wärmeübertragung durch die Behälterwandungen ist nicht vorgesehen, diese können daher innerhalb der durch den Neutronenverlust bedingten Grenzen beliebig dick gemacht werden. Die Druckbeanspruchungen können ziemlich niedrig gehalten

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Hohe Temperaturgradienten und hohe Geschwin- Natriumströmung für eine gegebene Brennstoffströdigkeiten in dem Brennstoff bedeuten, daß ein Stoff- mung hängt von mehreren Faktoren ab. Für die vorübergang sowie Erosion erfolgreich vermieden wer- liegende Erfindung wird ein Volumenverhältnis in den müssen. der Nähe von 3 :1 gewählt.

Kleine Tröpfchen Brennstoff werden nach der 5 Der Temperaturanstieg des Brennstoffs überlagert

Phasentrennung in dem Natriumstrom mitgeführt sich dem des Natriums, da der Wärmeübergang

werden. Derartige Tröpfchen würden sich mit den gleichzeitig verläuft. Die niedrigste Temperatur in

Bestandteilen des rostfreien Stahls legieren. Das dem Natriumsystem muß über dem Schmelzpunkt

Natrium-Primär-System, die Pumpe und der Wärme- des Brennstoffs liegen, derart, daß irgendwelche mit-

austauscher müssen daher auf der Primärseite des io geführte Tropfen in den Kern zurückfließen, statt

Kühlmittelkreislaufes mit einem beständigen Metall sich an dem Wärmeaustauscher oder einer anderen

ausgekleidet oder aus solchem hergestellt sein. Oberfläche zu verfestigen. Das Natrium strömt so-

Bisher befaßten sich die Materialversuche vor dann durch die ringförmige Leitung 43 nach oben

allem mit dem im LAMPREI verwendeten hoch- und in den Wärmeaustauscher 6, von wo es in den

konzentrierten (15 g/cm³) Plutoniumbrennstoff. Die 15 Behälter 15 fließt,
bisherigen Versuchsergebnisse mit verdünntem

Brennstoff lassen erkennen, daß er leichter zu hand- Spaltproduktabfuhr
haben ist als der LAMPE I-Brennstoff. Hochreines

Tantal, Yttrium und Niobium sind nach diesen stati- Der ständige Kontakt der Brennstoff- und der

sehen Versuchen sämtlich vielversprechend. Sie sind 20 Natriumströme in dem Bereich 32 ermöglicht die

alle gegenüber Natrium beständig. Für nichttragende Abfuhr von Spaltprodukten der Alkali-, Erdalkali-,

Bauteile des Kerns, wie beispielsweise Auskleidun- Tellur- und Halogengruppe in das Natrium, zusam-

gen, Düsen und Strömungsleitflächen, käme ein men mit den gasförmigen Elementen. Die natrium-

Keramikkörper in Frage. Bei vorläufigen Versuchen löslichen Produkte können wegen ihrer vernachläs-

haben einige Keramikstoffe, wie beispielsweise Alu- 25 sigbaren Menge, die etwa nach einem ganzen Jahr

miniumoxyd, Berylliumoxyd und Yttriumoxyd, eine ein Teil auf tausend beträgt, in dem Natrium belas-

gute Widerstandsfähigkeit gegen verdünnten Brenn- sen werden. Der Aufbau radioaktiver Stoffe kann

stoff gezeigt. jedoch durch eine Aufbereitung des Natriums vermieden werden. Vorrichtungen hierfür können in der

Der Kreislauf des verdünnten Brennstoffs und des 3° Anlage vorgesehen werden.

Kühlmittels Die anderen Spaltprodukte sollen in der Brennstoffphase verbleiben. Eine Schätzung der Löslichkeit

Der in dem Reaktor gemäß der Erfindung verwen- und der Bildungsgeschwindigkeit derartiger Spaltdete flüssige Brennstoff wird mittels der Natrium- produkte in dem Brennstoff zeigt, daß nur gering-Strahlpumpe umgepumpt. Es ist ausreichend Natrium 35 fügige Änderungen der Zusammensetzung und des vorgesehen, um das in der Figur in dem Behälter 15 Schmelzpunktes zu erwarten wären, selbst wenn das gezeigte Natriumniveau aufrechtzuerhalten. Aus dem gesamte urspüngliche Plutonium gespalten würde und Behälter fließt das Natrium durch die Pumpenein- neues Plutonium zur Aufrechterhaltung der Reaktivilaßöffnungen 5, durch die Natriumpumpe 4 und tat zugeführt würde. Bei der für derartige Kerne erdurch die Eintrittsleitung 10 hinab in den Strömungs- 40 warteten Leistung würde dieser lOO^/oige Abbrandumkehrbereich 32. Bevor das Natrium den Bereich grad nach 6 oder 7 Jahren erreicht. In einem gewis-32 erreicht, wird ihm mittels der Spiralleitfiäche 31 sen Zeitpunkt würde die Löslichkeitsgrenze von Zireine Rotationsbewegung erteilt. Infolge der Strahl- konium und Molybdän erreicht und diese Elemente pumpwirkung des über die in der Abschirmung 30 sich als eine feste Phase abscheiden. Es ist noch nicht am Umfangsrand in Abständen angeordneten Öff- 45 bekannt, wo dies tatsächlich einträte, man darf jenungen 35 fließenden Natriums wird flüssiger Brenn- doch annehmen, daß die geringe Menge des anfalstoff durch diese Öffnungen 35 nach oben gesaugt lenden Materials keinerlei Probleme bereitet,
und in den Strömungsumkehrbereich 32 hineinge- Man darf annehmen, daß ein großer Kern auf tragen, wo sich der Brennstoff innig mit dem Na- lange Zeitdauern keinerlei Spaltproduktentnahme ertrium mischt. An dieser Stelle werden die Wärme 50 fordert. Die einzige notwendige Kernbehandlung sowie Spaltprodukte aus dem Brennstoff auf das würde in der Zugabe von Plutonium zum Ersatz des Natrium übertragen. Bei der Aufwärtsbewegung des verbrauchten Plutoniums bestehen.
Gemisches in den Trennbereich 34 bewegt sich der Es besteht jedoch ein einfacher Mechanismus zur schwerere Brennstoff infolge der sich aus der Rota- zusätzlichen Brennstoffbehandlung, falls dies erfortionsbewegung des Gemisches ergebenden Zentri- 55 derlich werden sollte: Die Zugabe einer geringen fugalkraft nach außen. In dem Zeitpunkt, in welchem Menge (0,1 Vo) Natriumchlorid zu der Natriumphase das Gemisch den von dem Ring 36 gebildeten Aus- bewirkt eine erhebliche Löslichkeit vieler zusätzlicher trittsschlitz für die schweren Bestandteile erreicht hat, Spaltprodukte in der Natriumphase, welche sodann hat in dem Gemisch eine Schichtbildung mit einer nach herkömmlichen Verfahren kontinuierlich aufäußeren Brennstoffschicht und einer inneren Na- 60 bereitet werden könnte,
triumschicht stattgefunden.

Die genannte innige Vermischung bildet den Weg Betrieb
für die Wärmeabfuhr aus dem Kern. Wie bei jedem

Reaktor mit Brennstoffzirkulation wird die Wärme- Zum Anfahren werden die Natrium-Primär- und

abfuhr durch die Strömungsgeschwindigkeit und den 65 -Sekundärsysteme angewärmt, mit Natrium beschickt

Temperaturanstieg bestimmt. Die Volumen-Wärme- und die Temperatur sämtlicher Systeme mittels elek-

kapazität des Brennstoffs wird auf etwa 0,47 cal/- trischer Heizung auf etwa 450° C erhöht. Beispiels-

cm³ ° C geschätzt. Der jeweils optimale Wert der weise kann eine elektrische Heizvorrichtung außer-

halb des Behälters 40 vorgesehen sein. Der Reaktor enthält zu diesem Zeitpunkt keinen Brennstoff und ist mit Primärnatrium gefüllt. Sodann wird der in einer (nicht dargestellten) Brennstoffvorratszelle gespeicherte Brennstoff mittels einer kleinen Natriumstrahlpumpe dem Gefäß 1 zugeführt, wobei der schwere Brennstoff das Natrium in dem Kern verdrängt. Die Pumpkapazität dieser Pumpe ist so klein, daß sich eine sichere Annäherung an den kritischen Punkt ergibt. Die Überführung des Brennstoffs kann mehrere Stunden erfordern. Sobald etwa zwei Drittel des Brennstoffs für den ersten Kern übergeführt sind, ist der eigentliche Kern nahezu voll, und die Kritizität ist erreicht. Eine Verriegelung stellt sicher, daß dem Kern Brennstoff nur zugeführt wird, wenn die Pumpe des Natrium-Primär-Kreislaufes für diesen Kern ausgeschaltet ist, derart, daß an einen noch nicht vollständig gefüllten Kern kein Wärmebedarf gestellt wird. Nach Erreichen der Kritizität dient die weitere Brennstoffzufuhr zur Erhöhung der Temperatur des Kerns derart, daß dann, wenn der gesamte Brennstoff eingefüllt ist, sich der Kern auf der heißen Abschalttemperatur von etwa 525° C befindet. Eine gewisse Wärmemenge wird durch natürliche Konvektion auf das Natrium und auf den inneren Brutmantel übertragen, sobald die Kerntemperatur die Temperatur des Systems übersteigt. In dem Zeitpunkt, in welchem die Brennstoffzugabe beendet ist, erzeugt der Kern möglicherweise 50 Kilowatt. Die langsam eingeleitete Natriumströmung bewirkt zuerst einen Temperaturausgleich zwischen Brennstoff und Natrium und schließlich zwangsweise die Brennstoffzirkulation. Die Lastentnahme von dem Kern erfolgt in der Weise, daß man den Wärmebedarf am Dampfgenerator bzw. an der Turbine herabsetzt. In diesem Zustand arbeitet der Kern mit Leerlaufleistung bei voller Brennstoffzirkulation und kann einen plötzlichen Wärmebedarf aufnehmen. Eine weitergehende Drosselung besteht darin, daß man die Natriumströmung unterbricht, wodurch auch die Brennstoffzirkulation bis auf die natürliche Konvektion angehalten wird. Der Kern bleibt kritisch, und die Kernflüssigkeit verfestigt sich nicht und kann unbegrenzt so gelassen werden.

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Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines homogenen Atomkernreaktors mit einer plutoniumhaltigen Schmelze als Brennstoff und flüssigem Natrium als Kühlmittel, das so im Kreislauf durch den Kernreaktor geleitet wird, daß es in Berührung mit dem die. Brennstoffschmelze enthaltenden Reaktorkern gelangt, und bei welchem zur Beseitigung der Spaltprodukte aus der Brennstoffschmelze eine Teilmenge des geschmolzenen Brennstoffs mit einer aus einem flüssigen Metall bestehenden Spülflüssigkeit vermischt wird, an welche der Brennstoff seine Spaltprodukte abgibt, worauf der Spaltstoff von der Spülflüssigkeit abgetrennt und wieder in den Reaktorkern zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Natrium als Kühlmittel und als Spülflüssigkeit zur gleichzeitigen Wärmeabfuhr und Beseitigung der Spaltprodukte aus der Brennstoffschmelze innerhalb eines einzigen Kreislaufs des flüssigen Metalls im Kern dient und in einem Strom an der Oberseite (32) des Kerns (27, 30) so entlang geleitet wird, daß der Natriumstrom jeweils eine Teilmenge der Brennstoffschmelze aus dem Kern (27) mitführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichzeitig als Spülflüssigkeit dienende Kühlmittel durch die als Leitfläche ausgebildete Oberseite (30) des Kerns (27) tangential an in der Oberseite (30) des Kerns vorgesehenen, mit dem Kerninneren verbundenen Öffnungen (35) entlanggeführt wird und hierbei durch Düsenwirkung Brennstoff aus dem Kerninneren mitreißt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung der mitgeführten Brennstoffmenge von dem Kühlmittel durch Zentrifugalwirkung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem von oben auf die Kernoberseite auftreffenden und an dieser umgelenkten Kühlmittelstrahl vor dem Auftreffen auf die Kernoberseite (30) eine Rotationsbewegung erteilt wird, welche sich in dem unmittelbar anschließenden Teil des Kühlmittelkreislaufs fortsetzt und die Trennung der mitgeführten Brennstoffmenge von dem Kühlmittelstrom durch Zentrifugalwirkung bewirkt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Kreislauf innerhalb des Kerns einen Primärwärmeaustauscher (6) durchströmt und daß die Abtrennung der mitgeführten Brennstoffmenge von dem Kühlmittel vor dem Eintritt des Kühlmittelstroms in den Wärmeaustauscher (6) erfolgt.

6. Homogener Atomkernreaktor zum Betrieb nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im unteren, aktiven Bereich des Reaktorgefäßes (1) angeordneten Reaktorkern (27), der von dem darüber befindlichen, im wesentlichen mit dem Kühlmittel angefüllten Teil (32, 34, 43, 10, 15) des Reaktorgefäßes durch eine mit Kanälen (35) versehene Wandung (30) getrennt ist, durch eine in der Nähe des Kühlflüssigkeitsspiegels (38) am oberen Ende des Reaktorgefäßes (1) angeordnete Kühlmittelkreislaufpumpe (4) sowie ein mit der Austrittsseite der Pumpe (4) verbundenes, vertikal angeordnetes Standrohr (11), welches unmittelbar oberhalb der Decke des Reaktorkerns (30) mündet, derart, daß das Kühlmittel im Kreislauf durch das Standrohr (11) nach unten auf die Oberseite der Kerndecke (30), an dieser und den Mündungen der darin vorgesehenen Kanäle (35) entlang und von da im äußeren Ringraum zwischen dem Standrohr (11) und dem Reaktorgefäß (1) nach oben geführt ist.

7. Atomkernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Kerndecke (30) als Leitfläche zur Umlenkung (bei 32) des aus dem Standrohr (11) nach unten austretenden Kühlmittels ausgebildet ist.

8. Atomkernreaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem unteren Teil (32, 34) des Ringraums zwischen dem Standrohr (11) und dem Reaktorgefäß (1) Vorrichtungen (33, 36) zur Trennung der mitgeführten

Brennstoffmenge von dem Kühlmittelstrom vorgesehen sind.

9. Atomkernreaktor nach Anspruchs in Verbindung mit den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Standrohrs (11) Leitflächen (31) vorgesehen sind, welche dem im Standrohr nach unten strömender. Kühlmittel eine starke Rotationsbewegung erteilen, welche sich nach dem Austritt des Kühlmittels und der Umlenkung an der Kerndecke (30) und der anschließenden Aufwärtsbewegung im unteren Teil (34) des Ringraums fortsetzt, und daß die Vorrichtungen zur Abtrennung des mitgefühlten Brennstoffs vom Kühlmittel miteinander zusammenwirkende Leit- und Trennwände (33, 36) aufweisen, welche die durch die Zentrifugalwirkung gebildeten Schichten in dem aufwärts strömenden Kühlmittel voneinander trennen.

10. Atomkernreaktor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, da-

durch gekennzeichnet, daß im oberen Teil (43) des Ringraums zwischen Standrohr (11) und Reaktorgefäß (1) ein Wärmeaustauscher (6) angeordnet ist.

11. Atomkernreaktor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch einen in der Kerndecke (30) gleitend geführten, sich nach oben konzentrisch in das Standrohr (11) erstreckenden und an einer in dem Standrohr gehalterten (26), vorzugsweise an einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung (25, 22) aufgehängten Verdrängungsstab (29) zur Reaktivitätsregelung bzw. Schnellabschaltung des Reaktors.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 215 419;
Atompraxis, Mai 1959, S. 73;
Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Vol. 9, 1958, S. 411 bis 414.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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