DE1022568B - Verfahren zur Darstellung von Kohlenstoff mit starken Moderatoreigenschaften zur Verwendung in Kernreaktoren - Google Patents

Description

• Verfahren zur Darstellung von Kohlenstoff mit starken Moderatoreigenschaften zur Verwendung in Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer neuartigen Kohlens.toffsorte, die infolge der Anwesenheit eines geringen Deuteriumgehalts besonders gute Eigenschaften als Moderator, Reflektor oder Wärmeträger in Kernreaktoren aufweist.
• Bekanntlich liegen beim Betrieb von Kernreaktoren in der Reaktionszone, d. h. der Zone, in welcher die Kernreaktion stattfindet, zusätzlich zu dem spaltbaren .Material sogena.nnte Moderatoren vor, die man zur Verminderung der Geschwindigl<eit von in dem Spaltprozeß gebildeten schnellen Neutronen verwendet, so daß diese sich in langsame oder thermische Neutronen umwandeln. Darüber hinaus wirken diese Substanzen als Kühlmittel.
• Die Aktivität dieser Moderatoren, für die schweres Wasser, Beryllium und Berylliumverbindungen, insbesondere das Oxyd und das Carbid, und auch Kohlenstoff geeiignet sind, verändert sich beträchtlich je nach der verwendeten Substanz. Obwohl in dieser Hinsicht Kohlenstoff weniger wirksam ist als andere Moderatoren, wie beispielsweise Beryllium, Berylliumverbindungen und schweres Wasser, verwendet man trotzdem häufig Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstoff mit holher Dichte, z. B. Graphit, als Moderator in Kernreaktoren. Dies ist nicht nur auf die Tatsache zurückzuführen, daß Kohlenstoff im Vergleich zu Substanzen wie schweres Wasser und Berylliumverbindungen viel billiger ist, sondern auch, weil er im Gegensatz zu den Berylliumverbindungen nicht giftig und im Gegensatz zu schwerem Wasser eine feste Substanz mit äußerst geringem Dampfdruck ist. Infolgedessen ist es möglich., den Moderator zugleich als Baustoff zu verwenden, wobei in der Vorrichtung auch bei hohen Temperaturen ein normal niedriger Druck herrscht. Bei den hohen Temperaturen, bei denen energieliefernde Kernreaktoren betrieben werden, sind also die hohen Drücke, die bei flüssigen Moderatoren mit hohem Dampfdruck, z. B. schwerem Wasser, auftreten, unnötig, wenn man einen festen Moderator mit niedrigem Dampfdruck verwendet. Dies hat natürlich sehr beträchtliche Einsparungen an Apparaturkosten zur Folge und ermöglicht eine Ausschaltung der im Betrieb unter hohem Druck bei Kernreaktoren auftretenden Gefahren. Darüber hinaus ist Kohlenstoff gegen hohe Temperaturen und raidioaktive Strahlung gut beständig und kann leicht in feinverteilten Zustand gebracht werden, in welchem er »fließbar« ist, so daß seine Beförderung in dem Kernreaktor mittels der Fluidtechnik möglich ist.
• Erfindungsgemäß stellt man nun eine Kohlesorte her, deren Moderatorwirkung bedeutend größer ist als die des aktivsten Kohlenstoffmoderators, nämlich Graphit, der bisher zur Verfügung stand. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin., da,ß man deuterierte Produkte, die man durch Deuterierung von schweren, insbesondere polycyclischen aromatischen Koh.lentvasserstoffen erhält, durch Anwendung an sich bekannter Verfahren zur Darstellung von Kohlenstoff aus kohlenstoffreichem Material carbonisiert. Unter schweren Kohlenwasserstoffen, sind hier solche zu verstehen, deren Dampfdruck bei der Temperatur, bei welcher die Carbonisierung durchgeführt wird, wesentlich unter dem Arb,c@itsdruck bleibt.
• Das deuterierte, in dem Verfahren nach der Erfindung verwendete aromatische Ausgangsmaterial kann z. B. durch Deuterierung mittels des sogenannten »Ri.eselverfahrens« hergestellt werden, wobei normallerweise flüssige oder feste aromatische Kohlenwasse:rstoffe, insbesondere solche mit mehr als einem Ring, z. B. Anthracen, Phenantllren: und ihre höheren Homolgen u. dgl. oder Gemische, die ganz oder vorwiegend aus diesen bestehen, z. B. schwere raffinierte Teerölfraktionen, aromatische Auszüge von schweren Mineralölen u. dgl., erholtem. werden. Bei diesen Verfahren läßt man den Kohlenwasserstoff in flüssigem Zustand in Form einer dünnen Schicht bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck über einen fixierten, in der Reaktionszone angeordneten Katalysator herabfließen, der den Austausch von Wasserstoff mit Deuterium fördert, während man gleichzeitig nach oben Deuterium oder ein deuteriumhaltiges oder deuteriumzlieferndes Gas durchleitet.
• Es hat sich herausgestellt, daß es bei dem Verfahren nach der Erfindung ratsam ist, von deuter.iertein Ausgangsmaterial auszugehen, in dem das Atomverhältnis von Deuterium zu Kohlenstoff 1 : 1 bis 1 :5 beträgt. Wenn das ursprüngliche Ausgangsmaterial je aromatischem Ring eine oder mehrere kurze Seitenketten enthält, z. B. solche mit 1 oder 2 Kohlenstoffatomen, kann man vor der tatsächlichen Carbonisierung eine Vorbehandlung durchführen, durch welche diese Seitenketten vollständig oder teilweise abgespalten werden. Zu diesem Zweck erhitzt man, das Material in Gegenwart eines bekannten entalkvlierenden Katalysators auf eine Temperatur, die unter dem Zersetzungspunkt liegt, z. B. auf 200 bis 400°.
• Das deuterierte Ausgangsmaterial kann man in gleicher Weise carbonisi;eren, wie es beim Carbanisieren oder \-"erkoken von kohlenstoffreichem Material, z. B. schweren aromatischen Kohlenwasserstoffen, zur Herstellung von Kohlenstoff üblich ist. Prinzipiell kann man zu diesem Zweck jedes an sich bekannte Verfahren zur Herstellung von Ruß und von Kohlenstoffpulver, das sich für die Fluidtechnik eignet, anwenden. Obwohl sich für diesen Zweck auch solche Verfahren eignen, bei denen Kohlenstoff durch unvollkommene Verbrennung des Ausgangsmaterials gebildet wird, werden die rein thermischen Verfahren bevorzugt, bei denen die - Carbonisierung oder Verkokung durch Erhitzen des Ausgangsmaterials in Abwesenheit sauerstoffhaltiger Gase bei Temperaturen über dem Zersetzungspunkt des umzusetzenden Materials erzielt wird.
• Wie bei der Herstellung von Ruß kann die Carbonisnerungstemperatur bei dem Verfahren nach der Erfindung je nach der Art des umzuwandelnden Ausgangsmaterials, der Erhitzungsdauer und anderer Reaktionsbedingungen. z.` B. dem Druck, der An- oder Abwesenheit eines Trägergases. weitgehend verändert werden. Diese Temperaturen liegen im allgemeinen zwischen etwa 500 und 1000°.
• Bei der thermischen Behandlung, der das Ausgangsmaterial unterworfen wird, bilden sich außer dem erwünschten. Kohlenstoff- gasförmige Zersetzungsprodukte, die Deuterium und deuterierte leichte Kohlenwasserstoffe enthalten und bei ihrer Bildring aus der Reaktionszone abgezogen werden müssen.
• Diese Gase sind wertvolle Produkte, die man, wie sich herausgestellt hat; vorteilhaft als zusätzliche Deuteriumquelle bei der Darstellung des anfangs als Ausgangsmaterial bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendeten Materials gebrauchen kann.
• Die erfindungsgemäß dargestellten Kohlenstoffsorten weisen einen geringen Deuteriumgehalt auf, der so fest an den Kohlenstoff gebunden ist, daß er selbst bei langdauerndem Erhitzen auf hohe Temperaturen nicht oder kauen vermindert wird. Dieser Deuteriumgehalt, der je nach den bei der Carbonisierung angewendeten Reaktionsbedingungen schwanken kann, beispielsweise von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, ist im allgemeinen niedriger, je höher die Carbonisierungstemperatur war.
• Infolge dieses Deuteriumgehalts hat die erfindungsgemäß erhaltene Kohlenstoffsorte bei Verwendung in Kernreaktoren eine Moderato-nvirkung, die der von Kohlenstoff aus nichtdeuterierten Kohlenwas:erstoffen und sogar jener von äußerst dichtem Kohlenstoff, beispielsweise Graphit, überlegen ist.
• So hat sich herausgestellt, daß Kohlenstoff. der aus deuterierten schweren aromatischen Kohlenwasserstoffe,n durch Carbonisierung bei etwa 1000° hergestellt worden war und einen Deuteriumgehalt von etwa 1.4 Gewichtsprozent und eine Dichte von etwa 1,8 aufwies, eine Moderatorwirkung zeigte, die, auf die Volumei.nheit berechnet, 30% höher war als die eines aus nichtdeuteriertem Material unter den gleichen Bedingungen hergestellten Kohlenstoffs. Bei einem aus deuterierten aromatischen Kohlenwasserstoffen bei niedriger Temperatur (500 bis 600°) erhaltenen Kohlenstoff mit einem Deuteri.umgehalt von etwa 5 Gewichtsprozent überstieg die Moderatorwirkung sogar das doppelte der von Graphit.
• Im `"ergleich zu der Herstellung von graphitischem Kohlenstoff, ausgehend von weniger dichtem Kohlenstoff. wofür ein sehr langes Erhitzen auf hohe Temperatur. beispielsweise 1800 bis 2000°. erforderlich ist, weist das Verfahren nach der Erfindung außer den beträchtlich größeren Moderatoreigenschaften des hierdurch erhaltenen Kohlenstoffs den Vorteil auf. daß bedeutend geringere Temperaturen, die im allgemeinen 1000 nicht überschreiten, und eine kurze Erhitzungsdauer genügen.
• Der erfindungsgemäß hergestellte Kohlenstoff eignet sich sehr zur Verwendung in Kernreaktoren, in denen das spaltbare Material und der :Moderator in der Reaktionszone stationär angeordnet sind und die hier gebildete Wärme durch ein strömendes Gas, ein strömendes. feinverteiltes Pulver und/oder eine strömende Flüssigkeit abgeführt wird. Das spaltbare Material, beispielsweise Uranoxyd oder Urancarbid, der Kohlenstoff und gegebenenfalls Thoriumcarbid oder jede andere Substanz, welche durch Neutronen in spaltbares Material umgewandelt werden kann, kann in diesem Fall auch als homogenes oder so gut wie homogenes Gemisch in Gestalt eines keramischen Stoffes mit offener Porosität vorliegen.
• Die Kohlenstoffsorten gemäß der Erfindung kann man auch in solchen Kernreaktoren verwenden, in denen ein granuliertes Gemisch, bei dem sämtliche oder nahezu sämtliche Einzelteilchen spaltbares Material und einen Wärmeträger, der gleichzeitig als Moderator wirkt, enthalten und die vorzugsweise kugelförmig sind. eine offene Porosität und einen Durchmesser im Bereich von 50 bis 300 #t aufweisen, durch die Reaktionszone und eine außen gelegene Kühlvorrichtung umgewälzt wird, wobei die Beförderung des Gemisches zu der Kühlvorrichtung und durch dieselbe in fluidisiertem Zustand stattfindet.
• Der erfindungsgemäß dargestellte Kohlenstoff kann nicht nur als Moderator, sondern auch als Baustoff für den Reflektormantel verwendet werden, der bei Kernreaktoren um die Reaktionszone angeordnet ist, um einen Teil der die Reaktionszone verlassenden Neutronen zu reflektieren.

Claims (3)

1. PATE YTANSI'Itt'CIlr: 1.. Verfahren zur .Herstellung einer Kohlenstoffart insbesondere zur Verwendung als Moderator, Reflektor oder Kühlmittel in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Deuterieren schwerer aromatischer Kohlenwasserstoffe erhaltene Produkte unter Anwendung an sich bekannter Verfahren zur Herstellung vom Kohlenstoff aus kohlenstoffreichein Ausgangsmaterial carbonisiert.
2. 2. @Terfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man deuteri.erte polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe carbonisiert.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe ohne Seitenketten carbonisiert. %1. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man aromatische Kohlenwasserstoffe carbonisiert, bei denen das Atomverhältnis von Deuterium zu Kohlenstoff 1 :1 bis 1 :5 beträgt. 5. "erfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die während des Carbonisierungsverfahrens gebildeten Deuterium enthaltenden gasförmigen Produkte als zusätzliche Deuteriumquelle verwendet.