DE1514081C - Atomic nuclear reactor with fuel and / or breeding material in spherical shape - Google Patents

Description

messer der kugelförmigen Elemente, war zwar die Störanfälligkeit herabgesetzt, doch blieb der Wärmeübergang an die Kanalwandungen unbefriedigend.knife of the spherical elements, the susceptibility to failure was reduced, but the heat transfer remained unsatisfactory on the canal walls.

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 absorbierendenAn atomic nuclear reactor is also known in which carbon or another suitable reactor is used Coated fuel and / or breeding material in a spherical shape together with a Only slightly absorbing neutrons

sische Patentschrift 1 274 265). Die Größe der dabei verwendeten kugelförmigen Elemente liegt etwa bei 10 mm. Nachteilig bei diesem Atomkernrcaklor istsian patent specification 1,274,265). The size of the spherical elements used is about 10 mm. A disadvantage of this atomic nucleus is

chen, deren Durchmesser einige 100 μ beträgt, mit io Wandung der zur Führung mit Graphit oder derdünnen Graphit-, Karbid- oder Oxidschichten um- gleichen beschichteter kugelförmiger Brennelemente hüllt im Reaktorkern eingesetzt sind. Dabei wurden mit einem Durchmesser von etwa 10 mm im Reaktordie beschichteten Teilchen, die unter der Bezcich- kern angeordneten Kanäle von außen umströmt nung »coated particles« bekannt sind, bisher ent- (französische Patentschrift 1 272 972).- Da bei diesem weder unmittelbar in Graphit oder in Karbid cinge- 15 Verfahren der Durchmesser der Führungskanäle für bettet oder auch in Formkörper anschließend gas- die Brennelemente etwas größer war als der Durchdicht 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 20
von den Elementen abgeführt. Nachteilig war dabei
jedoch, daß die Aufarbeitung des Brenn- und/oder
Brutstoffs nach dem jeweils erreichten maximalen
Abbrand große Schwierigkeilen bereitete, da die
Brennstoffe oder die Brutstoffe von dem jeweils sehr 25 Fallstoff vermischt, mit geringer Geschwindigkeit viel größeren Volumen des mit ihnen verbundenen durch von außen gekühlte Kanäle wandert (franzö-Graphits abgetrennt werden mußten. Auch in den
Fällen, in denen die Brenn- oder Brutstoffteilchen
nur lose in eine Umhüllung eingefüllt waren, waren
die Vorbercitungsmaßnahmen zur Aufarbeitung um- 30 jedoch, daß der Brennstoff oder der Brutstoff dabei ständlich, weil vor der Herausnahme des'Brennstoffs ein feststehendes Gerüst von Röhren durchwandert, oder des Brutstoffs die Umhüllung durch Manipulie- Nachteilig ist ferner, daß beim Betreiben dieses ren geöffnet werden mußte. Erhebliche Schwierigkei- Atomkernreaktors die Brennelemente nicht austen bereitete auch die Neuhcrstellung solcher Eic- wechselbar sind. Ebenfalls bekannt ist auch ein gasmente aus nur teilweise dekontaminiertem, aufge- 35 gekühlter Atomkernreaktor, der mit Brennelementen arbeitetem Material. mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm betriebensurfaces, the diameter of which is a few 100 μ, with the wall of the coated spherical fuel elements wrapped in graphite or thin graphite, carbide or oxide layers for guidance are inserted in the reactor core. With a diameter of about 10 mm in the reactor, the coated particles, which are known to be known as "coated particles", are known to flow around the channels below the core, so far in graphite or in carbide, the diameter of the guide channels for beds or in molded bodies subsequently gas- the fuel assemblies were somewhat larger than the sealed seal. Depending on the type of nuclear reactor
were these elements spherical or rod-shaped
educated. The heat generated after it was introduced into the reactor core was cooled by gas 20
dissipated by the elements. That was a disadvantage
However, that the work-up of the fuel and / or
Brutstoffs according to the maximum reached
Burning caused great difficulties, since the
Fuels or the breeding material mixed with the very high falling material, migrates at low speed a much larger volume of the connected with them through externally cooled channels (French graphite had to be separated. Also in the
Cases in which the fuel or debris
were only loosely packed in an envelope
The preparatory measures for reprocessing, however, mean that the fuel or the breeding material must be used because a fixed structure of tubes passes through before the removal of the fuel, or the covering by manipulation had to become. The atomic nuclear reactor, which did not remove the fuel elements, also created considerable difficulties for the production of such elements, which are exchangeable. Also known is a gas duck made of only partially decontaminated, cooled-down atomic nuclear reactor, the material that works with fuel elements. operated with a diameter of about 0.2 mm

Das trifft insbesondere für Zweizonenreaktoren wird (Energia Nucleare, Februar 1964, S. 92 bis 100). zu, bei denen eine innere — im allgemeinen als Schließlich ist auch schon ein Atomkernreaktor be-Spaltzone bezeichnete — Zone vorhanden ist. Bei kannt, der aus Graphit bestehende Kanäle für den einem solchen Atomkernreaktor wird also inderinne- 40 Brennstoff aufweist und daß die Kanäle zugleich mit ren Zone überwiegend Spaltstoff eingesetzt, während dem Brennstoff von pulverförmigeni Graphit durchdic Brutstoffc im äußeren Mantel konzentriert sind. strömt werden (»Nuclear Science and Engineering« 1, Durch diese Anordnung ergibt sich, daß die Verweil- 1956, S. 387). Nachteilig bei diesen bekannten Atomzeit des Brennstoffs in der inneren Zone nur kurz kernreaktortypen ist jedoch, daß das den Reaktorist, so daß eine häufige Wiederaufarbeiliing und eine 45 kern durchströmende Kühlmittel unmittelbar mit den entsprechende Neuhcrstellung von Brennelementen Brennstoffkugcln in Berührung kommt.This is particularly true for two-zone reactors (Energia Nucleare, February 1964, pp. 92 to 100). to, where an inner - generally as finally an atomic nuclear reactor is already be-fission zone designated - zone is present. When you know the graphite channels for the an atomic nuclear reactor of this kind is thus inderinne- 40 has fuel and that the channels at the same time with Ren zone mainly used fissile material, while the fuel of powdery graphite throughdic Brutstoffc are concentrated in the outer mantle. flow ("Nuclear Science and Engineering" 1, This arrangement results in the residence 1956, p. 387). A disadvantage with this known atomic time of the fuel in the inner zone only briefly nuclear reactor type is, however, that this is the reactor, so that a frequent rehabilitation and a 45 core flowing coolant directly with the Corresponding new production of fuel elements comes into contact with fuel balls.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Atomkernreaktor zu schaffen, bei dem Brenn- und/oder Baustoff in fester Form störungsfrei durch im Reaklor-50 kern 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 Wiederaufarbeiluiig des verwendedas Kühlgas zum Teil /ur direkten Umspiilung der 55 ten Brenn- und/oder Brutstoffs auf einfache und kugelförmigen Brennstoffkörper in die für sie vor- wirtschaftliche Weise durchführbar sein, gesehenen Fülmingskaniile und /um anderen Teil von
außen an den Kanälen entlang geführt wird (deutsche
Patentschrift 1031439). Dies ist jedoch deshalbThe object of the invention is to create an atomic nuclear reactor in which solid fuel and / or building material can be conducted without interference through channels arranged in the reactor core, with good heat transfer to the channel walls and from these to the channels from coolant flowing around the outside should be guaranteed. In addition, the regeneration of the cooling gas used should in part / for direct circulation around the 55th fuel and / or breeding material in a simple and spherical fuel body in the way that is economical for you, as seen in the Fülmingskaniile and / around the other part of
is guided outside along the canals (German
Patent 1031439). However, this is why

nachteilig, weil aus solchen Kugeln Spaltprodukt, 60 die Spallstoffkugeln einen Durchmesser zwischen insbesondere lulelga.se, aber auch leichter flüchtige 0,1 und 2 mm aufweisen, daß der Füllstoff aus geandere Hlemenle wie Barium, Cäsium usw. in den perllem Ruß und/oder in an sich bekannter Weise Kühlgasstrom eintreten und /u dessen nachhaltiger aus Graphit bestellI und daß in ebenfalls bekannter Verunreinigung führen. Diese Schwierigkeiten kön- Weise die Wandungen der Kanäle aus Graphit genen nur bei welchen Alomkernreakloreii in Kauf ge- 65 bildet sind. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen,disadvantageous because from such balls fission product, 60 the Spallstoffkugel have a diameter between in particular lulelga.se, but also more volatile 0.1 and 2 mm that the filler consists of other Hlemenle such as barium, cesium, etc. in the pearl soot and / or in a manner known per se Cooling gas flow enter and / and its sustainable order from graphite and that in also known Lead to contamination. These difficulties can be caused by the walls of the graphite channels only with which Alomkernreakloreii are educated. It has proven to be advantageous

erforderlich ist. Daher treten die oben bezeichneten Schwierigkeiten insbesondere bei diesen Atomkernreaktoren auf. Sie sind sehr nachteilig für die Wirtschaftlichkeit des Reaktorbetriebes.is required. Therefore, the above-mentioned difficulties arise particularly in these atomic nuclear reactors on. They are very disadvantageous for the economy of the reactor operation.

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, wobeiThe prior art also includes spherical bodies made of uranium carbide with a diameter of a few centimeters through channels arranged in the reactor core, wherein

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Atomkernreaklor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in an sich bekannter WeiseIn the case of an atomic nuclear reactor, the object on which the invention is based is the one mentioned at the beginning Kind of solved that in a known manner

nommen werden, bei denen die Elemente lange /eil im Reaktorkern verbleiben, wenn also nur seilen eine WiederaiifarbdiiinL! Iv.w. Nciiherslelluiit: von I Ic-where the elements remain in the reactor core for a long time, if only one Repeat color diiinL! Iv.w. Nciiherslelluiit: from I Ic-

daß der gepeilte Ruß und/oder Graphit mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff überzogen ist.that the measured soot and / or graphite with pyrolytic deposited carbon is coated.

Die lii'imischuMu von Füllstoff zu den Brenn- und/The lii'imischuMu of filler to the fuel and /

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.or brood particles has the advantage that it is possible to use different To achieve uranium or thorium densities in the reactor core. In doing so, the neutrons will be useful only slightly absorbent material in a manner similar to the fuel and / or breeding material particles designed in the form of small spheres. By this measure, inhomogeneities of the Neutron flux, as in the previously used method for operating an atomic nuclear reactor always occurred in the reactor core, largely compensated. These advantages arise in particular when when the carbon black or graphite used as filler is coated with pyrolytically deposited carbon is.

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.There is a very useful embodiment of the atomic nuclear reactor according to the invention in that an inert gas such as helium or in the channels for guiding the fuel and / or breeding material Helium noble gas mixtures is included. This gas serves as a filling gas to improve the process conditions. So it is not used for cooling, rather the ducts are cooled from the outside.

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.If the fuel or breeding material - as is expedient - passes through the channels from top to bottom, If necessary, it may be desirable to have mechanical or pneumatic devices known per se are provided for one more pass, possibly through another Enable channel. The fuel is expediently depending on what has been achieved. Burn-off guided through areas of increasing neutron flux.

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.As soon as the desired burnout is achieved, the particles are discharged from the reactor core and brought for reprocessing; this is particularly easy because of the volume ratio of fuel and carbon or carbide used for coating is several orders of magnitude cheaper than in the fuel or breeding elements generally used up to now. The re-manufacture of coated Particles can be directly connected to the reprocessing process without further ado. Through this the costs to be expended for the new production are reduced. A considerable advantage of the nuclear reactor According to the invention, finally, is that the proportion of fuel that is in the frame of the overall cycle is outside the reactor core is relatively low. this leads to compared to the low desired for atomic nuclear reactors with a conversation rate above 1 Doubling time.

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.As an advantage for a trouble-free process flow and for a good heat transfer it has It turned out that the channels for guiding the fuel and / or breeding material in the reactor core are rectangular Cross-section, the length of the small side of the rectangle at least four times the Diameter of the fuel and / or debris particles is. This ensures that the heat conduction is short, but it is ensured that the smallest dimensions of these channels still so are large that an undisturbed flow of the particles is guaranteed.

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 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 geHldet sind.1. Atomic nuclear reactor, which is coated with carbon or another suitable substance Fuel and / or breeding material in spherical shape, together with a neutron only in low absorbent filler mixed at low speed through of externally cooled channels flows, characterized in that the fissile material balls have a diameter in a manner known per se between 0.1 and 2 mm that the filler is made of pearled carbon black and / or known per se Way consists of graphite and that in a known manner, the walls of the Channels made of graphite are treated. 2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geperlte Ruß und/oder Graphit mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff überzogen ist.2. Atomic nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the beaded soot and / or Graphite is coated with pyrolytically deposited carbon. 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.3. Atomic nuclear reactor according to claims 1 and 2, characterized in that in the channels an inert gas such as helium or helium noble gas mixtures to guide the fuel and / or breeding material is included. 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.4. Atomic nuclear reactor according to claims 1 to 3, characterized in that known per se mechanical or pneumatic devices for guiding the fuel and / or breeding material depending on the burn-up achieved through areas of increasing neutron flux are provided. 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.5. Atomic nuclear reactor according to claim 4, characterized in that the channels for guiding the Fuel and / or breeding material have a rectangular cross-section, the length of the small Rectangular side at least four times the diameter of the fuel and / or debris particles amounts to.