DE1564012C - Brennstoffelement fur einen Impuls reaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Impulsreaktor, das den Kernbrennstoff und eine als Moderator dienende Zirkonverbindung als homogene Mischung enthält.

Bekanntgewordene Reaktoren dieses Typs (Hausner-Schumar, »Nuclear Fuel Elements«, 1959, S. 79 bis 93) weisen allerdings den Nachteil auf, daß sie als Kernbrennstoff angereichertes Uran benötigen, um die erforderliche Reaktivitätsreserve von 2—10°/o für den einzelnen Impuls bereitzustellen. Die Notwendigkeit zur Verwendung des angereicherten Kernbrennstoffs ergibt sich dabei aus den Brems- und Absorptions-Eigenschaften des angegebenen Moderators sowie aus der Absorption im Uran 238, insbesondere der Resonanzabsorption.

. Es ist weiterhin ein Reaktor bekanntgeworden, bei dem der Metallhydridmoderator in Stäben eingesetzt wird (deutsche Auslegeschrift 1 187 332). Auch dieser Reaktor wird aber mit angereichertem Uran betrieben, ein Betrieb als Impulsreaktor ist wegen der Kühlflüssigkeit (flüssiges Natrium) weder vorgesehen noch möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffelement für einen Impulsreaktor zu schaffen, der ausschließlich mit Natururan betrieben werden kann und der auch unter Verwendung von Natururan noch eine genügende Reaktivitätsreserve aufweist sowie ein zufriedenstellendes Impulsverhalten zeigt. Das Brennstoffelement soll weiterhin betriebssicher und wirtschaftlich herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Kernbrennstoff Natururan und als Moderator Zirkondeuterid dienen.

Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Brennstoffelement weiterhin zur Erhöhung der Reaktivitätsreserve Hohl- oder Zwischenräume enthalten, in denen zusätzlich ein deuterium- und/oder berylliumhaltiger Moderator angeordnet ist.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus folgender Beschreibung:

Zur Herstellung von Brennelementen nach der Erfindung wird Zirkondeuterid mit chemisch in unabhängiger Form gebundenem Natururan homogen vermischt. Als chemische Bindungspartner des Urans kommen neben Deuterium auch Kohlenstoff und Sauerstoff in Betracht.

Da für den Impulsbetrieb eines Reaktors eine Mindestreaktivitätsreserve zwischen 2 und lO°/o er-. forderlich ist, ist wegen der absorbierenden Eigenschaften des Zirkons die verwendbare Menge dieses Metalls begrenzt. Da jeder Reaktor andererseits aus Kritikalitätsgründen eine bestimmte Mindestmenge an Uran enthalten muß, können sich bei einem bestimmten Mischungsverhältnis Schwierigkeiten für die Vereinigung beider Forderungen ergeben. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein, den Kernbrennstoff und das mit ihm vermischte Zirkondeuterid zumindest in einem Teilbereich des Reaktorkerns in Form von Platten oder Hohlkörpern zu verwenden, zwischen bzw. in denen schweres Wasser oder deutero-organische Verbindungen eingebracht sind, unter Umständen auch Verbindungen, die neben dem Deuterium noch Beryllium enthalten. Optimale Mischi}ngsverhältnisse von schwerem Wasser und Natururan bei homogenen und heterogenen Reaktoren lassen Überschußreaktivitäten zwischen 20 und 30 % herstellen. Der von den Deuteriumsubstanzen ohne Zirkondeuterid ausgelöste Moderationseffekt muß jedoch so begrenzt sein, daß er allein mit dem Natururan nicht eine selbsterregte Kettenreaktion auslösen kann. Anders ausgedrückt heißt dies, daß der mit dem Kernbrennstoff nicht homogen vermischte Moderatoranteil ohne die moderierenden Wirkungen des Zirkondeuterids den Reaktor unterkritisch lassen muß. Es muß aber andererseits soviel Zirkondeuterid im Reaktorkern vorhanden sein, daß der von diesem Material bewirkte Moderationseffekt der Neutronen im Falle einer Temperaturerhöhung die für die Unterbrechung der Kettenreaktion notwendige Reaktivitätsverminderung zustande bringen kann. Der Vorgang der Impulserzeugung mit einem in der beschriebenen Weise mit Brennstoffelementen nach der Erfindung beschickten Reaktor läuft dann folgendermaßen ab:

Der mit mehreren Prozent Überschußreaktivität ausgestattete Kernreaktor wird durch plötzliches Herausnehmen der Steuerstäbe, die ihn unterkritisch gemacht haben, in den Zustand der Überkritikalifat versetzt. Die sich aufbauende und in ihrer Intensität ansteigende Kettenreaktion führt zu einer Aufheizung des Moderators. Hierbei wird das Zirkondeuterid schneller auf hohe Temperaturen gebracht,- als der in den Hohlräumen zwischen dem Brennstoff oder im Reflektor untergebrachte Moderatoranteil. Es gibt nun eine Reihe von unabhängigen Ursachen für die Begrenzung und den anschließenden Zusammenbruch der Kettenreaktion:

1. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von der Dopplerverbreiterung der Resonanzlinien des Urans herrührt.

2. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von der thermischen Ausdehnung des Brennstoffmoderatorgemisches herrührt.

3. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von der Ausdehnung des Moderators in den Zwischenstäben bzw. in den Hohlräumen der Brennstäbe bzw. Platten herrührt. .

4. Der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität, soweit er von einer Blasenbildung in dem sich erhitzenden Moderator herrührt, wobei diese Blasenbildung bis zum Fortschleudern des Moderators aus diesen Räumen bzw. zu seinem Verdampfen führen kann. .

In welcher Weise die aufgeführten Reaktivitätseinflüsse dazu ausgenützt werden, die Höhe des Neutronenimpulses bei einem solchen Reaktor zu begrenzen, hängt von der Aufgabenstellung und von der Wahl der Materialien in entscheidender Weise ab.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen Impulsreaktor, das den Kernbrennstoff und eine als Moderator dienende Zirkonverbindung in homogener Mischung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennstoff Natururan und als Moderator Zirkondeuterid dienen.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Hohl- oder Zwischenräume enthält, in denen zusätzlich ein deuterium- und/oder berylliumhaltiger Moderator angeordnet ist.