DE1514081B2 - Atomkernreaktor mit brenn und oder brutstoff in kugel foermigen gestalt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernreaktor, bei dem mit Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Stoff beschichteter Brenn- und/oder Brutstoff in kugelförmiger Gestalt, zusammen mit einem Neutronen nur in geringem Maße absorbierenden Füllstoff vermischt, mit geringer Geschwindigkeit durch von außen gekühlte Kanäle strömt.

Es sind bereits Atomkernreaktoren bekannt, bei denen kugelförmige Brenn- und/oder Brutstoffteilchen, deren Durchmesser einige 100 μ beträgt, mit dünnen Graphit-, Karbid- oder Oxidschichten umhüllt im Reaktorkern eingesetzt sind. Dabei wurden die beschichteten Teilchen, die unter der Bezeichnung »coated particles« bekannt sind, bisher entweder unmittelbar in Graphit oder in Karbid eingebettet oder auch in Formkörper anschließend gasdicht verschlossen. Je nach Art des Atomkernreaktors waren diese Elemente kugelförmig oder stabförmig ausgebildet. Die nach dem Einführen in den Reaktorkern entstehende Wärme wurde durch Gaskühlung von den Elementen abgeführt. Nachteilig war dabei jedoch, daß die Aufarbeitung des Brenn- und/oder Brutstoffs nach dem jeweils erreichten maximalen Abbrand große Schwierigkeiten bereitete, da die Brennstoffe oder die Brutstoffe von dem jeweils sehr viel größeren Volumen des mit ihnen verbundenen Graphits abgetrennt werden mußten. Auch in den Fällen, in denen die Brenn- oder Brutstoffteilchen nur lose in eine Umhüllung eingefüllt waren, waren die Vorbereitungsmaßnahmen zur Aufarbeitung umständlich, weil vor der Herausnahme des Brennstoffs oder des Brutstoffs die Umhüllung durch Manipulieren geöffnet werden mußte. Erhebliche Schwierigkeiten bereitete auch die Neu herstellu ng solcher Elemente aus nur teilweise dekontaminiertem, aufgearbeitetem Material.

Das trifft insbesondere für Zweizonenreaktoren zu, bei denen eine innere — im allgemeinen als Spaltzone bezeichnete — Zone vorhanden ist. Bei einem solchen Atomkernreaktor wird also in der inneren Zone überwiegend Spaltstoff eingesetzt, während die Brutstoffe im äußeren Mantel konzentriert sind. Durch diese Anordnung ergibt sich, daß die Verweilzeit des Brennstoffs in der inneren Zone nur kurz ist, so daß eine häufige Wiederaufarbeitung und eine entsprechende Neuherstellung von Brennelementen erforderlich ist. Daher treten die oben bezeichneten Schwierigkeiten insbesondere bei diesen Atomkernreaktoren auf. Sie sind sehr nachteilig für die Wirtschaftlichkeit des Reaktorbetriebes.

Zum Stande der Technik gehört es auch, kugelförmige Körper aus Urankarbid mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern durch im Reaktorkern angeordnete Kanäle wandern zu lassen, wobei das Kühlgas zum Teil· zur direkten Umspülung der kugelförmigen Brennstoffkörper in die für sie vorgesehenen Führungskanäle und zum anderen Teil von außen an den Kanälen entlang geführt wird (deutsche Patentschrift 1031439). Dies ist jedoch deshalb nachteilig, weil aus solchen Kugeln Spaltprodukte, insbesondere Edelgase, aber auch leichter flüchtige andere Elemente wie Barium, Cäsium usw. in den Kühlgasstroin eintreten und zu dessen nachhaltiger Verunreinigung führen. Diese Schwierigkeiten können nur bei welchen Atomkernreaktoren in Kauf genommen werden, bei denen die Elemente lange Zeit im Reaktorkern verbleiben, wenn also nur selten eine Wiederaufarbeitung bzw. Neuherstellung von Elementen erforderlich ist. Dabei sind im Reaktorkern Kanäle mit quadratischem Querschnitt vorgesehen, wobei die Seitenlänge der Querschnittflächen so groß ist, daß die kugelförmigen Brennelemente während der Durchwanderung des Reaktorkerns in Berührung mit den Seitenflächen der Kanäle stehen. Dies führte zu häufigen Störungen des Reaktorbetriebs.

Es ist auch schon bekanntgeworden, einen Atomkernreaktor zu betreiben, bei dem das Kühlmittel die

ίο Wandung der zur Führung mit Graphit oder dergleichen beschichteter kugelförmiger Brennelemente mit einem Durchmesser von etwa 10 mm im Reaktorkern angeordneten Kanäle von außen umströmt (französische Patentschrift 1 272 972). Da bei diesem Verfahren der Durchmesser der Führungskanäle für die Brennelemente etwas größer war als der Durchmesser der kugelförmigen Elemente, war zwar die Störanfälligkeit herabgesetzt, doch blieb der Wärmeübergang an die Kanalwandungen unbefriedigend.

Es ist auch schon ein Atomkernreaktor bekannt, bei dem mit Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Stoff beschichteter Brenn- und/oder Brutstoff in kugelförmiger Gestalt zusammen mit einem Neutronen nur in geringem Maße absorbierenden Fallstoff vermischt, mit geringer Geschwindigkeit durch von außen gekühlte Kanäle wandert (französische Patentschrift 1 274 265). Die Größe der dabei verwendeten kugelförmigen Elemente liegt etwa bei 10 mm. Nachteilig bei diesem Atomkernreaktor ist jedoch, daß der Brennstoff oder der Brutstoff dabei ein feststehendes Gerüst von Röhren durchwandert. Nachteilig ist ferner, daß beim Betreiben dieses Atomkernreaktors die Brennelemente nicht auswechselbar sind. Ebenfalls bekannt ist auch ein gasgekühlter Atomkernreaktor, der mit Brennelementen mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm betrieben wird (Energia Nucleare, Februar 1964, S. 92 bis 100). Schließlich ist auch schon ein Atomkernreaktor bekannt, der aus Graphit bestehende Kanäle für den Brennstoff aufweist und daß die Kanäle zugleich mit dem Brennstoff von pulverförmigem Graphit durchströmt werden (»Nuclear Science and Engineering« 1, 1956, S. 387). Nachteilig bei diesen bekannten Atomkernreaktortypen ist jedoch, daß das den Reaktorkern durchströmende Kühlmittel unmittelbar mit den Brennstoffkugeln in Berührung kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Atomkernreaktor zu schaffen, bei dem Brenn- und/oder Brutstoff in fester Form störungsfrei durch im Reaktorkern angeordnete Kanäle geleitet werden kann, wobei ein guter Wärmeübergang zu den Kanalwandungen und von diesen an das die Kanäle von außen umströmende Kühlmittel gewährleistet sein soll. Außerdem soll die Wiederaufarbeitung des verwendeten Brenn- und/oder Brutstoffs auf einfache und wirtschaftliche Weise durchführbar sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Atomkernreaktor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise die Spaltstoffkugeln einen Durchmesser zwischen 0,1 und 2 mm aufweisen, daß der Füllstoff aus geperltem Ruß und/oder in an sich bekannter Weise aus Graphit besteht und daß in ebenfalls bekannter Weise die Wandungen der Kanäle aus Graphit gebildet sind. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß der geperlte Ruß und/oder Graphit mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff überzogen ist.
Die Beimischung von Füllstoff zu den Brenn- und,

oder Brutstoffpartikeln hat den Vorteil, daß es möglich ist, dem jeweiligen Bedarfsfall entsprechend verschiedene Uran- oder Thoriumdichten im Reaktorkern zu erzielen. Dabei wird zweckmäßig der Neutronen nur in geringem Maße absorbierende Stoff in ähnlicher Weise wie die Brennstoff- und/oder Brutstoffpartikeln in Gestalt kleiner Kugeln ausgebildet. Durch diese Maßnahme werden Inhomogenitäten des Neutronenflusses, wie sie bei den bisher angewendeten Verfahren zum Betreiben eines Atomkernreaktors im Reaktorkern stets auftraten, weitgehend kompensiert. Diese Vorteile ergeben sich insbesondere dann, wenn der als Füllstoff verwendete Ruß oder Graphit mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff überzogen ist.

Eine sehr zweckmäßige Ausführungsform des Atomkernreaktors gemäß der Erfindung besteht darin, daß in den Kanälen zur Führung des Brenn- und/oder Brutstoffs ein inertes Gas wie Helium oder Heliumedelgasgemische enthalten ist. Dieses Gas dient als Füllgas zur Verbesserung der Verfahrensbedingungen. Es dient also nicht zur Kühlung, vielmehr werden die Kanäle von außen gekühlt.

Wenn der Brenn- oder Brutstoff — wie dies zweckmäßig ist — die Kanäle von oben nach unten durchläuft, kann es im Bedarfsfall erwünscht sein, daß an sich bekannte mechanische oder pneumatische Einrichtungen vorgesehen sind, um einen weiteren Durchlauf, gegebenenfalls durch einen anderen Kanal zu ermöglichen. Zweckmäßig wird dabei der Brennstoff in Abhängigkeit von dem erreichten, Abbrand durch Bereiche zunehmenden Neutronenflusses geführt.

Sobald der erstrebte Ausbrand erzielt ist, werden die Partikeln aus dem Reaktorkern ausgeschleust und zur Wiederaufarbeitung gebracht; dies ist besonders einfach, weil das Volumenverhältnis von Brennstoff und zur Beschichtung verwendetem Kohlenstoff oder Karbid um einige Größenordnungen günstiger ist als bei den im allgemeinen bisher verwendeten Brenn- oder Brutelementen. Die Neuherstellung beschichteter Partikeln läßt sich ohne weiteres unmittelbar an den Wiederauf arbeitungsprozeß anschließen. Dadurch verringern sich die für die Neuherstellung aufzuwendenden Kosten. Ein beachtlicher Vorzug des Atomkernreaktors gemäß der Erfindung besteht schließlich darin, daß der Anteil des Brennstoffs, der im Rahmen des Gesamtzyklus sich außerhalb des Reaktorkerns befindet, verhältnismäßig niedrig ist. Dies führt zu der bei Atomkernreaktoren mit einer oberhalb 1 liegenden Konversationsrate angestrebten geringen Verdoppelungszeit.

Als vorteilhaft für einen störungsfreien Verfahrensablauf und für einen guten Wärmeübergang hat es sich erwiesen, den Kanälen zur Führung des Brenn- und/oder Brutstoffs im Reaktorkern einen rechteckigen Querschnitt zu erteilen, wobei die Länge der kleinen Rechteckseite mindestens das Vierfache des Durchmessers der Brenn- und/oder Brutstoffteilchen beträgt. Dadurch wird erreicht, daß der Wärmeleitweg kurz wird, wobei jedoch sichergestellt ist, daß die kleinsten Abmessungen dieser Kanäle noch so groß sind, daß noch ein ungestörter Fluß der Partikeln gewährleistet ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor, bei dem mit Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Stoff beschichteter Brenn- und/oder Brutstoff in kugelförmiger Gestalt, zusammen mit einem Neutronen nur in geringem Maße absorbierenden Füllstoff vermischt, mit geringer Geschwindigkeit durch von außen gekühlte Kanäle strömt, dadurchgekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Spaltstoffkugeln einen Durchmesser zwischen 0,1 und 2 mm aufweisen, daß der Füllstoff aus geperltem Ruß und/oder in an sich bekannter Weise aus Graphit besteht und daß in ebenfalls bekannter Weise die Wandungen der Kanäle aus Graphit gebildet sind.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geperlte Ruß und/oder Graphit mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff überzogen ist.

3. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen zur Führung des Brenn- und/oder Brutstoffs ein inertes Gas wie Helium oder Heliumedelgasgemische enthalten ist.

4. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte mechanische oder pneumatische Einrichtungen zur Führung des Brenn- und/oder Brutstoffs in Abhängigkeit von dem erreichten Abbrand durch Bereiche zunehmenden Neutronenflusses vorgesehen sind.

5. Atomkernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zur Führung des Brenn- und/oder Brutstoffs einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Länge der kleinen Rechteckseite mindestens das Vierfache des Durchmessers der Brenn- und/oder Brutstoffteilchen beträgt.