DE1764195A1 - Verfahren und Reaktor zur Erzeugung schneller Neutronenstoesse - Google Patents
Verfahren und Reaktor zur Erzeugung schneller NeutronenstoesseInfo
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Description
Ana.: United Stat·· Atomic Energy Commie«ion
Verfahren una Reaktor zur Urzeugung schneller Neutronenstöße
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen Reaktor zu*
Erzeugung von starken Impulsstoßen schneller Neutronen,
insbesondere zur Materialprüfung.
Für die Materialprüfung ist es von besonderem Vorteil, kurze
Impulsstöße schneller Neutronen zur Verfügung zu haben. Die
Dauer der Neutronenstöße kann und soll kurz sein, da so die bei ständigem Neutronenfluß auftretenden Kühlprubleme vermieden werden können.
Aufgabe der Sri indune 1st «β» ein Verfahren und einen zu dessen
Durchführung geeigneten Reaktor zu schaffen, mit dem intensive aber kurze, eine einfache Kühlung in den Impulspausen
ermöglichende Neutronenimpulsstöß« erzielt werden« die insbesondere zur Materialprüfung geeignet sind.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daii eine auf einem flüssigen Metalikühlmittel, z.B. einer Bleischmelze schwimmende
Brennstoffsalzschmelze in den Aktiven Corebereich eines Reaktor β gedruckt und nach Abgabe eines kurzen, intensiven Neutronenstoßee in eine Wärmeauetauschzone überführt und dort
durch unmittelbare Berührung mit dem flüssigen Metall abge-
109823/057* badoriQINAL
kühlt und in seine Ausgangelage unterhalb dam Core zurück«
geiührt wird.
Zur weiteren Kennzeichnung dea Verfahrene und besondere daa
seiner Durchführung dienenden Reaktors sei auf die folgende Beschreibung der Zeichnungen verwiesen. Xa seigern
Die figur 1 schematisch im Längsschnitt einen
erfindungagemäß mit einer Salzschmelze als Brennstoff impulsweise arbeitenden Kernreaktorj
die Figur 2 einen vergrößerten Querschnitt und die figur 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch den aktiven
Coreteil des Reaktors der Figur 1.
Wie in der Figur 1 dargestellt ist, ist der obere Reaktorteil 1
mit dem unteren Teil 2 durch ein zentral gelagertes rohrförmiges Stück 3 verbunden. Das Oberteil 1 umschließt den aktiven
Corebereich 4 und den diesen umgebenden und dessen äußere
Grenze festlegenden Graphitreflektor 5 und Behälterreflektor
(6). Der untere Teil 2 dient hauptaächlich als Reservoir sur Aufnahme der Brennatoffsalzschmelze 7 und dea flüssigen Metallkühliaittels 8 zwischen den einseinen Neutronenlmpulsstößen.
Die Salzschmelze schwimmt auf dam Kühlmittel, da sie leichter
als das flüssige Metall und mit diesem nicht miachbar 1st. Der Brennstoff beateht günstigerweia· z.B. aua einer Mischung
von LithiumfluorId und Tetraflupruran, flüssiges Blei wird ale
Kühlmittel bevorzugt. In dam duroh den radial gesehen äußersten Wandteil dea Behältereeflektors 6 und den Oberteil 1 des
Reaktorbehälters begrenzten ringförmigen Wärmeauatauschraum 9
eind die Sammelleitungen 10 und 11 angeordnet, durch die Kühlmittel, z.B. eine Bleischmelze in die Brennstoffschmelze nach
deren Durchfluß durch den Core 4 und überlauf in den Wärmeβuatauschraum bzw. die Wärmeauetauachkammer 9 gesprüht wird.
Durch die unmittelbar oberhalb dem Core angeordneten Leitbleche
12 wird die aua dem Core austretende, aufwärtsströmende Brenn-
109823/0574' "bad ORIGINAL
stoffschmelze radial nach außen in den Warmeauatauechbereich
der Kaamei* 9 geleitet. Die Leitbleche bestehen aus einem oder
enthalten ein Materiel mit großen Neutronenabaorptionequerschnitt,
um die Kettenreaktion in ddr aus dem Core tretenden Brennstoffschmelze
schneller zu unterdrücken. Weitere, ebenfalls aus Material mit hoher üteutronenabaorptloii beetehnüda Leifbleche 13
sind ia oberen Teil des rohrförmigen Stücke ? unmittelbar unter
dein aktiven Corebereich 4 augeordnet und verhindern das vorzeitige
Einsetzen der Kettenreaktion vor Eintritt dee Brennstoffs 7
in den Core. Die im Gore vorgesehenen Stützen 14- tragen mehrere
Scjgalen 15, aeren Funktion weiter unten erläutert iB.t (Figur 2).
Das mit Neutronen zu bestrahlende Prüimaterial beiindet eich in
dem zentral im Core angeordneten Prüfraua 1b, der z.B. durch
das in der Abdeckung, 1Θ des oberen Reaktorteils hängend angeordnete
fiohrstück 1? begrenzt wird.
Im Betrieb der beschriebenen Anordnung wird ein l<eutronenstoß
d&durch erzielt, daß eine gegebene Menge der tsrennstoff schmelze
in den innerhalb des Graphitrellektors 5 *M§ des Behälterreflektors
ο liegenden aktiven Corebereich getrieben wii^d. Dies geschieht
z.B. uurch Injektion einer Gaeaenge durch die Leitung 20
in die Kämmerl9· Durch den Gasdruckatoß wird der in dem Ringraum
zwischen dem Rohrstück J und dem unteren Seaktorbehälterteil 2
beiindliche Teil des Kühlmittels, i.h. einer Blelechmelze, nach
unten gedrückt, und damit der übrige Teil der Bleiechmelze
mitsamt der auf dieser schwimmenden Brennstoffschmelze durch
das Rohrbtück 3 nach oben in den aktiven Corebereich 4 getrieben.
Sobald der Brennstoffspiegel ein« etwa 7,6 cm unterhalb der
Graphlttfeilektorspitz· liegende Höhe erreicht hat, wird der
Reaktor mit schnellen Neutronen kritisch. Im Zuge der weiteren Auffüllung des Reaktorcorea wird durch linlührung zusätzlicher
Aktivität der Reaktor überkritisch und der Neutronen!luß steigt
rasch weiter an, bis ein iatpulsförmiger Neutronenstoß auftritt
und das Prüfmaterial in dem Prüfraum 16 bestrahlt. Im weiteren
Verlauf der Kettenreaktion steigt die Brennstoiitemperatur rasch
an und führt InIoI^e des negativen kritischen Temperaturkoeffl-
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zienten der Brennstottschmelze den Reaktor auf den unterkritischen
Zustand zurück. Das durch den Gasdruckstoß im Baum 19 beaufschlagte Blei 8 steigt dabei weiter im Core an und drückt die Brenn-,
stofischmelze in den Wärmeaustauschbereich 9* Sie gesamte Durchlauizeit des Brennstoifbade durch den aktiven Corebereich beträgt
nur etwa 1/2 Sei.
Die infolge der Kettenreaktion im Brennstoffbad erzeugte Wärmeenergie wird in der Wärmeaustauschzone 9 durch das z.B. aus
flüssigem Blei bestehende Kühlmittel entzogen. Hierzu wird die
kühlere Bleischmelze durch die an ihrem Saugende in das im unteren Reaktorteii befindliche Kühlmittel θ reichende Pumpe
über die Leitungen ZeLx 10 und 11 in die Kammer 9 gepumpt. Die
kühlere Bleischmelze tritt mit dem Brennstoff also in direkte Berührung, und das thermische Gleichgewicht wird rasch erreicht.
Hieraui Hießt das erhitzte Blei bei offenem Ventil 24 in den
1uitgekühlten Wärmeaustauscher 23. Durch linsteilen der Pumpleistung aui einen dem Durchfluß durch das Yentil 24 entsprechenden Wert wird der Flüssigkeitsspiegel der Bleiechmelze in
der Wärmeaustauschkauuaer 9 konstant gehalten. Sobald der gesamte Brennstott auf die Ausgangetemperatür von
etwa >00° abgekühlt ist, wird das Ventil 24 geschlossen, während
die Pumpe 21 weiterhin Kühlmittel in die Kammer 9 pumpt, sodaß der oben schwimmende Brennstoff über den Reflektor nach unten
durch den Core 4 fließt und eich unterhalb desselben im Rührstück aui aem Metallbad 8 schwimmend sammelt. Sobald der gesamte
Brennstott auf diese Weise zurückgepumpt ist, wird der Pumpenbetrieb eingestellt und das Yentil 24 geöffnet, aodaß das in der
Kammer 9 befindlicne überschüssige Blei in den unteren Reaktorteil 2 zurückfließt. Damit ist der Aua&angszustand wiederhergestellt und der Reaktor für einen neuen Neutronenstoß bereit.
Gemäß den Figuren 2 und 3 sind auf den Trägern 14 im Core 4
11 Sektionen mit einer Reihe von umgestülpten Schalen 15 angeordnet. Das Fassungsvermögen der einzelnen Schale beträgt etwa
2d,3 ecm. Zweck dieser Schalen ist, wahrend der Kettenreaktion
- 5 -109823/0574 BADORtQiNAL
einen Teil der sich, ausdehnenden Brennstoffschmelze im Core
zurückzuhalten, uia den sehr hohen, negativen kritischen Wärmereaktivitatskoeifizienten
des Brennstoff wenigstens teilweise auszugleichen. Die Schalen können in beliebiger lohe durch
Einstellung eines entsprechenden Vakuums vor Anstieg des Brenn-βtolls
in den Core gefüllt werden. Befindet sich der Eeaktor bei Auffüllen des Core mit Brennstoff auf Norme1druek, so wird
in den Schalen vor Auftreten des Neutronenstoßes lediglich 2,85
ecm der Salzschmelze zurückgehalten; es entstehen also eine Reihe
von Hohlräumen im aktiven Corebereich. Durch den Druck des NeutronenaCG-ßee
wird der Brennstoff jedoch in die Schalen gedrückt und eine Volumenverrinterung der Honlräume ist die Folge.
Der soiüit gegebene negative Hohlraumkoeffizient der Reaktivität
im Beaktor kompensiert teilweise den hohen negativen Temperaturkoeffizienten
der Reaktivität. Durch entsprechende Wahl von Zahl und Volumen der Schalen 15 sowie der Druckverhältuieae von !Einsetzen
des Neutronenstoßes kann der negative Temperaturkoeffizient
und damit der quantitative Wert des Neutronenstoßes geregelt werden.
Die folgende Tabelle enthält die Daten eines Auafüni"angebeispiels
des erfindungegemäßen Neutronenatoßreaktors.
TABELIiS
Brennet of !"zusammensetzung 75 Mo 1% LIf - 2? %
SchmeUpunkfc der "
Stellen, die mit dem Brennstoff
in Berührung kommen.
| 490° | ecm |
| 396 | , 5,38 cbm |
| Β1·1 | - 1500° |
| 500 | |
109823/0574 badoriQINAL
Claims (1)
- Patentanspruch·1. Verfahren zur Erzeugung von impulsartigen, sonneIlen Heutronenstößen,daduroh gekennzeichnet, daß tint auf eine» flustigen Metallkühlmittel schwimmende Brennetoffaalsachmelst in den aktiven Corebereich einea Eeaktorβ gedrückt und nach Abgabe eines kurzen, intensiven Neutronenstoßes in eine Värmeaustauschzone überführt und dort durch unmittelbare Berührung alt dem flüssigen Metall abgekühlt und in seine Ausgangalage unterhalb dem Gore zurückgeführt wird.2. Reaktor zur Durchführung dee Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein senkrecht angeordnetes Rohrstück (5) mit seinem unteren Ende in das aus flüssigem Metall bestehende Kühlmittel in einem Reservoir (2) eintaucht und die auf dem Kühlmittel schwimmende Brennmitte!salzschmelze (7) aufnimmt, solange diese sich in ihrer Auegangslage befindet, und an seinem oberen Ende von einem Reflektor (6) umgeben wird, Mittel (20) zur Einführung eines Druckmittels in das Reservoir vorgesehen sind, durch die das Kühlmittel und der Brennstoff durch das Rohrstück nach oben in den Core (4) gedrückt wird, und oberhalb des Reservoire ein Behälterteil (1) den Reflektor umgibt und mit diesem eine Wärmeaustauechkammer (9) bildet, die Kühlmittel und Brennstoff nach Durchgang durch den Core aufnimmt, und weiterhin eine Pumpe (21) oder dergl. vorgesehen ist, durch die Kühlmittel aus dem Reservoir in die Kammer (9) gepumpt wird.3· Reaktor gemäß Anspruch 2,gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher (25) zur Kühlung des Kühlmittels.4. Reaktor gemäß Anspruch 2,daduroh gekennzeichnet, daß oberhalb des Rohretücke Leitbleche (12 zur überführung des aus dem Core tretenden Brennstoffs in dieKammer (9) angeordnet sind.BADOfUQiNAU109823/0574 "Patentansprüche - Bl. 25. Beaktor gemäß Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche aus Material mit hoher Neutronenabsorption bestehen.6. Reaktor gemäß einem der Anspruch 2,3,4 oder 5»dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Rohrstücke (3) eine Hehrzahl von umgestülpten Schalen (15) vorgesehen 1st.7. leaktor gemäß einem der Anspruch 2-6,dadurch gekennzeichnet, daß aittig im oberen Teil des Hohrstücks ein Prülraum (16) vorgesehen ist.8. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 2 -6 ,dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus flüssigem Blei und die Brennstoilschmelze aus einer Mischung von Lithiumfluorid und Tetrai'luoruran besteht.109823/0574 BAD ORIGINAL
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