DE1058643B

DE1058643B - Zweistufiger Kernreaktor

Info

Publication number: DE1058643B
Application number: DEB37196A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Bagge; Dr Kurt Diebner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-09-15
Filing date: 1955-09-15
Publication date: 1959-06-04

Description

Zweistufiger Kernreaktor Die notwendige Bedingung für den stationären Betrieb eines Kernreaktors ist, daß der Vermehrungsfaktor der Neutronen größer als 1 sein muß. Reaktoren, die dieser Bedingung genügen, heißen überkritisch, solche, bei denen diese Bedingung nicht erfüllt ist, werden als unterkritische Reaktoren bezeichnet.
Im allgemeinen besteht ein Reaktor im wesentlichen aus einem Reaktorkern, einer Reaktorhülle, die in den meisten Fällen als Neutronenreflektor arbeitet, und aus einem Strahlenschutzmantel. Der Reaktorkern stellt zusammen mit der Reaktorhülle eine überkritische Anordnung dar. Hierbei kann der Reaktorkern sowohl vom homogenen als auch vom heterogenen Typ sein.
Eine Weiterentwicklung bietet sich nun in der Möglichkeit an, zwei verschiedenartige Reaktoren derart zu kombinieren, daß ein überkritischer Reaktor (k oo > 1) von relativ kleinen Ausmaßen den inneren Kern eines größeren Gesamtreaktors bildet, wobei der Kern von einem zweiten Reaktor umgeben wird, der seinerseits unterkritisch arbeitet. Hierbei wird z. B. für die Plutoniumerzeugung der Umstand ausgenutzt, daß sich im zweiten Reaktor infolge des keff< 1 eine besonders große Konversionsrate einstellt. Eine solche Anordnung, bei der der Gesamtreaktor gewissermaßen aus zwei räumlich getrennten Reaktoren, unter Umständen von verschiedenem Typ, besteht - im folgenden als Zweistufenreaktor bezeichnet -, wird erfindungsgemäß so gestaltet, daß der den überkritischen Reaktorkern umgebende unterkritische Reaktorteil, der selbst noch ganz oder teilweise von einer Reflektorhülle umgeben ist, einen Vermehrungsfaktor keff nur wenig kleiner als 1, insbesondere 0,8<keff<1, aufweist. Die Kombination von zwei in der beschriebenen Weise angegebenen Reaktorteile zu einem Zweistufenreaktar führt zu einer Reihe von technischen Vorteilen., die im folgenden auseinandergesetzt werden.
Es ist möglich, die erste Stufe, die den zentralen Teil dieses Zweistufenreaktors bildet, mit hoch angegereichertem Kernbrennstoff und einer geeigneten Bremssubstanz räumlich so klein zu dimensionieren, daß sein Volumen nur ein Bruchteil des gesamten Zweistufenreaktors ausmacht. Dieser Reaktorkernteil kann dabei beispielsweise aus einem in schwerem Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gelösten Salz, das Uran 235, Plutonium 239 oder Uran 233 enthält, bestehen. Die erforderliche Brennstoffmenge braucht unter Umständen bei Verwendung von etwa 100,1 schwerem Wasser z. B. nur wenige 100 g zu betragen, wenn man eine der obigen Substanzen in reiner Form oder Mischungen von ihnen in metallischer Form oder in Form chemischer Verbindungen als Brennsubstanz verwendet. Dieser zentrale Teil kann dabei beispielsweise vom Typ des thermisch sich selbst stabilisierenden Homogenreaktors sein.
Er mag aber auch in anderer Weise aufgebaut sein und durch andere Hilfsmittel, z. B. durch Einführung von Absorptionsstäben, künstlich stabilisiert werden. Die Stabilisierung dieses Zentralreaktorteils bildet nach den heute schon bekanntgewordenen Methoden keine besondere Schwierigkeit und erfordert einen verhältnismäßig kleinen technischen Aufwand.
Umgibt man diesen zentralen Reaktor mit einem zweiten Reaktor, der beispielsweise von ganz anderem Typ, aber räumlich sehr viel größer und so dimensioniert ist, daß er ohne den zentralen Kern einen unterkritischen Reaktor mit einem effektiven Vermehrungsfaktor kleiner als 1, etwa zwischen 0,5 und 1,00, darstellen würde, dann ist die gesamte Anordnung nur so, lange überkritisch, wie der zentrale Reaktorkern für sich überkritisch betrieben wird. Der äußere Reaktor kann dabei beispielsweise bei Verwendung einer Kombination von natürlichem Uran, Graphit und Kühlflüssigkeit so bemessen sein, daß er auch ohne die letztere, wenn diese etwa einmal ausbleiben sollte, noch unterkritisch ist. Auch jeder andere Reaktortyp mag bei richtiger Dimensionierung verwendet werden.
Die Steuerung des zweistufigen Reaktors kann allein auf dem Wege über den Betrieb des zentralen Reaktorkerns erfolgen. Natürlich gibt es dabei gewisse Rückwirkungen von der zweiten Stufe des Reaktors auf die erste, die man beim Betrieb des Gesamtsystems berücksichtigen nnuß. Bei der so beschriebenen Anordnung wirkt der räumlich kleine zentrale Reaktorkern im Prinzip so, als ob er als Neutronenquelle für die Verbrennung des Brennstoffs in dem ihm umgebenden äußeren Reaktorteil dient. Seine Energieproduktion kann relativ klein, z. B. in der Gegend von 100 kW gehalten werden. Trotzdem kommt die gesamte zweistufige Anordnung zu einer Energieproduktion, die ein hohes Vielfaches der Energieproduktion des Zentralreaktors betragen kann, Wenn z. B. die unterkritisch betriebene zweite Stufe mit einem effektiven Vermehrungsfaktor - der Neutronen von 0,99 arbeitet, so bedeutet das, daß für jedes in diese Stufe eintretende Neutron insgesamt 100 weitere Neutronen gebildet werden. Die gesamte Anordnung läßt sich nun so einrichten, daß die Neutronen, die den überkritischen Zentralkern verlassen und die pro Sekunde in die zweite Stufe eintreten, größenordnungsmäßig von der gleichen Anzahl sind wie die Zahl der Spaltungen pro Sekunde, die im zentralen Reaktor ablaufen. Das bedeutet, daß in der zweistufigen Anordnung eine Energieproduktion zustande kommt, die insgesamt wiederum ein Vielfaches, in günstigen Fällen Zehnerpotenzen der Energieproduktion des zentralen Reaktorteils, ausmacht, was - wie eingangs bemerkt - unter geeigneten Betriebsbedingungen zu einer hohen Plutoniumproduktion bei Verwendung von natürlichem oder angereichertem Uran in der zweiten Stufe führen kann. Der äußere Reaktor kann verhältnismäßig lange betrieben werden, auch wenn von der unter 1 liegenden Vermehrungsfaktor der zweiten Stufe durch die sich ansammelnden Spaltprodukte erheblich abnimmt. Um die Spaltproduktvergiftung zu kompensieren, muß man dann die erste Stufe nur entsprechend stärker aussteuern.
So ist es möglich, daß durch Steuerung eines verhältnismäßig kleinen zentralen Reaktors ein großes Gebilde, das in seinem Außenteil überall unterkritisch und damit verhältnismäßig ungefährlich und betriebssicher ist, große Energiemengen erzeugt und gesteuert werden, die leicht unter Kontrolle zu halten sind. Die unterkritisch betriebene zweite Reaktorstufe kann dabei z. B. räumlich wesentlich kleiner gestaltet werden, als für einen selbsterregten Reaktor gleichen Typs erforderlich wäre, was einen wirtschaftlichen Vorteil bedeuten kann.
Wenn man nun die zweite unterkritisch betriebene Stufe dieses Reaktors z. B. mit natürlichem Uran als Brennsubstanz betreibt, so gewinnt man je nach den umgesetzten Energiebeträgen im Gesamtreaktor in der äußeren Reaktorzone Plutonium, das sich auf chemischem Wege abtrennen läßt.
Es ist natürlich von Interesse, z. B. im Hinblick auf die Verwertung der gewonnenen Energie für Schiffsantriebe ohne ähnliche Erfordernisse, auch noch die zweite Reaktorstufe räumlich verhältnismäßig klein zu gestalten. Das läßt sich erreichen, indem man beispielsweise die Brennsubstanz, die etwa natürliches oder auch leicht mit reiner Kernbrennsubstanz angereichertes Uran darstellen kann, in, Verbindung mit einer Bremssubstanz benutzt, die ihrerseits besonders günstige Bremseigenschaften besitzt. So ist es denkbar, die Brennsubstanz mit leichtem oder schwerem Wasser zu kombinieren oder auch mit einer Mischung von leichtem und schwerem Wasser; die gerade so eingerichtet ist, daß die Brennsubstanz zusammen mit dem Bremsmittel eine eben noch unterkritische Anordnung bildet.
Eine weitere Verwendung kann gerade diese Reaktorkombination, beispielsweise in der chemischen In, dustrie, finden, indem man mit ihrer Hilfe Heißluft und oder andere heiße Gase erzeugt, die auf thermischem Wege chemische Reaktionen auslösen. Als Beispiele seien Anwendungen bei Industrieöfen:, auf dem Gebiet der Tieftemperaturdestillation und bei Crackanlagen zur Benzingewinnung genannt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zur Freisetzung von Kernenergie und zur Herstellung von Plutonium in einer Zweistufenanordnung, die aus einem Zentralreaktor beliebigen Typs mit einem Vermehrungsfaktor _ k oo> 1 besteht, der ganz oder teilweise mit einem Mantel aus Natururan und Moderatormaterial umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mantel einen Vermehrungsfaktor keft nur wenig kleiner als 1, insbesondere 0,8<keff<l, aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Gesamtreaktors nur am Zentralreaktor erster Stufe erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Einstellung des Vermehrungsfaktors der Neutronen auf einen Wert, der nur wenig unter 1 liegt, in der unterkritischen zweiten Stufe des Reaktors dafür gesorgt wird, daß die Energieproduktion im wesentlichen in der räumlich größeren: zweiten Stufe erfolgt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plutoniumerzeugung nur oder im wesentlichen in der unterkritisch betriebenen zweiten Stufe, also im äußeren Reaktor, erfolgt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zunehmender Vergiftung der zweiten Stufe, etwa durch Spaltprodukte durch weitere Aussteuerung der ersten Stufe, die Gesamtanordnung überkritisch gehalten werden kann.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Außenteil des Reaktors durch Einsatz geeigneter Bremssubstanzen in Verbindung mit natürlichem oder leicht mit reiner Kernbrennsubstanz angereichertem Uran räumlich hinreichend klein gestaltet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralreaktor aus der Lösung eines Salzes, das Uran 235 oder Uran 233 oder Plutonium enthält, wobei das Lösungsmittel beispielsweise aus schwerem oder leichtem Wasser besteht. B. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralreaktor eine mit Gas oder Flüssigkeit (einschließlich flüssiger Metalle) als Kühlmittel arbeitende Beryllium-, Berylliumoxyd- oder Graphitanordnung mit Uran-oder Uranoxyd als Brennstoff darstellt. In Betracht gezogene Druckschriften: »Nucleonics«, 13, Nr. 9, S.44, 1955; »Angewandte Chemie«, 66, S. 101, 1954; G 1 a s s t o n e : »Principles of Nuclear Reactor Engineering«, 1956, S. 39, 43/44, 745 und 834; S t e p h e n s o n : »Introduction to Nuclear Engineering«, 1954, S. 92.