DE966850C - Verfahren und Vorrichtung zum Durchfuehren von Kernreaktionen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 12. SEPTEMBER 1957

St 9060 VIII c 12ig

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchföhren von Kernreaktionen in einem Kernreaktor, wobei der Kernbrennstoff in flüssigem Zustand durch den Reaktor und durch einen Wärmeaustauscher zirkuliert. Der Kernbrennstoff kann dabei z. B. aus einer Lösung spaltbarer Materie in schwerem oder gewöhnlichem Wasser bestehen oder aber aus einer Suspension fester spaltbarer Materie in einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem geschmolzenen Metall.

Vor allem kommen Suspensionen von Uranoxyd in schwerem Wasser in Betracht.

Eins der schwierigsten Probleme, die sich bei Verwendung dieser flüssigen Kernbrennstoffe geltend machen, ist das Rundpumpen dieser Flüssigkeiten.

Die ziu verwendenden Pumpsysteme haben nämlich sehr hohen Anforderungen zu genügen, da die rund zu pumpenden Flüssigkeiten stark radioaktiv sind, wodurch eine regelmäßige Pflege und besonders das Erledigen von Reparaturarbeiten mit sehr großen praktischen Schwierigkeiten verbunden ist. Es ist außerdem unbedingt notwendig, daß die zu verwendenden Pumpenanlagen keine undichten Stellen aufweisen, so daß keine gefährlichen radioaktiven Produkte und, falls schweres Wasser Anwendung findet, kein kostbares schweres Wasser hinaussickern kann. Weiterhin ist jede Verunreinigung der rufld zu pumpenden Flüssigkeiten, unter anderem mit Schmiermitteln, zu vermeiden.

Um eine hohe thermische Ausbeute beizubehalten, ist der Reaktor außerdem vorzugsweise bei

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hoher Temperatur zu 'betreiben, -was besonders bei Anwendung von schwerem oder gewöhnlichem Wasser in der Brennstoffflüssigkeit und/oder al Moderator zur Folge hat, daß das Ganze unter einem gesteigerten Druck gehalten werden muß.

Es wurde gefunden, daß diese und weitere Schwie'rigkeiten ganz beseitigt werden können, indem man erfindungsgemäß die zu verwendende Lösung oder Suspension durch Schwerkraftwirkung durch den Kernreaktor und gegebenenfalls durch den Wärmeaustauscher strömen läßt, worauf die Flüssigkeit unter Anwendung eines vorwiegend senkrecht angeordneten Steigrohrs, in welches in der Nähe des unteren Endes ein Gas eingespritzt wird, bis über den Reaktor emporgeführt wird. Das eingespritzte Gas wird im höchsten Punkt des Kreislaufsystems wieder von der Flüssigkeit getrennt, worauf die Flüssigkeit wieder nach dem Reaktor "zurückströmen kann.

Die Art und Weise, wie der flüssige Kernbrennstoff erfindungsgemäß zirkuliert, hat vor den üblichen Pumpensystemen besonders auch dies voraus, daß die Flüssigkeit während jeder Runde mit Gas gespült wird, wodurch wenigstens ein Teil der im Reaktor gebildeten und unter den vorliegenden' Temperatur- und Druckverhältnissen flüchtigen Spaltungs- und Zersetzungsprodukte wenigstens teilweise kontinuierlich aus der Flüssigkeit entfernt werden; dadurch ist es möglich, die Konzentration dieser Produkte unter einem bestimmten Maximalwert zu halten. Einige dieser Spaltungsprodukte oder der daraus anfallenden Produkte, wie Xe¹³⁵, weisen nämlich einen großen Absorptionsquerschnitt für Neutronen auf, wodurch die Kettenreaktion sehr beeinträchtigt wird.

Verwendet man gewöhnliches oder schweres Wasser in der Brennstoff flüsigkeit, so kann, besonders wenn mit einem hohen Neutronenfluß gearbeitet wird, die Zersetzung des Wassers einen ziemlich großen Umfang erreichen. Die anfallenden Gase H₂, D₂ und O₂ werden gleichfalls mit Hilfe des Einspritzgases beseitigt; eine Bildung leicht explodierender Gemische wird dadurch vermieden.

Als Einspritzgas kann jedes unter den vorliegenden Umständen indifferente Gas Anwendung finden. Vorzugsweise wird man sich zu einem Gas entschließen, das durch die Wirkung der starken Strahlung der zirlculierenden Flüssigkeit oder der in dieser Flüssigkeit noch frei werdenden Neutronen möglichst wenig radioaktive Produkte liefert. Aus diesem Grunde sind geeignet z. B. O₂, He, CO, CO₂ und in gewissem Sinne auch N₂. Wiewohl das in der Luft befindliche Argon stark radioaktive Produkte ergibt, kann dennoch in besonderen Fällen Luft verwendet werden.

Falls schweres Wasser in der Brennstoffflüssigkeit verwendet wird, ist immer der gebildete schwere Wasserstoff und das schwere Wasser aus dem zum Rundpumpen benutzten Gas zurückzugewinnen. Das D₂ kann am einfachsten mit O₂ in bekannter Weise rekombiniert werden, z. B. durch eine katalytische Verbrennung mit SauerstofFüberschuß.

Das anfallende Wasser kann darauf zugleich mit dem aus der Flüssigkeit mitgerissenen Wasserdampf unter anderem durch Auskühlung abgetrennt werden.

Nach der Abtrennung des Wassers und der anschließenden Abtrennung wenigstens eines Teils der anwesenden gasförmigen Spaltprodukte kann" das verwendete Gas rezirkuliert werden, z. B. mit Hilfe einer Zirkulationspumpe. Diese' Pumpe kann in ziemlich willkürlicher Weise ausgebildet sein, da die Einzelteile derselben keiner starken Strahlung ausgesetzt zu werden brauchen. Die Ab- 7j trennung der Verunreinigungen aus dem Einspritzgas kann unter anderem durch Adsorption oder durch Auskühlung erfolgen.

Verwendet man ein kostbares Gas, wie He, so ist das Gas jedenfalls zu rezirkulieren, und man hat 8c dafür Sorge zu tragen, daß das Gaskreislaufsystem keine undichten Stellen aufweist.

Wird Luft oder ein anderes im Überfluß zur Verfugung stehendes Gas als Einspritzgas angewandt, so kann dieses in die atmosphärische Luft 8j abgeführt werden, falls man wenigstens dafür Sorge trägt, daß dieses Gas, wenn nötig, zureichend verdünnt wird, um die Radioaktivität unter einem gewissen Wert zu halten. Falls schweres Wasser in der Brennstoffflüssigkeit vorhanden 9c ist, ist aus dem frischen Gas sämtlicher Wasserdampf auszuscheiden, um eine Verdünnung des schweren Wassers mit gewöhnlichem Wasser zu vermeiden.

Zur Erläuterung der Erfindung und ohne sie darauf beschränken zu wollen, ist in der Zeichnung eine erfmdungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt worden.

In dieser Vorrichtung strömt der flüssige Kernbrennstoff —1 z. B. eine Suspension von Uranoxyd ιοί in schwerem Wasser — durch Schwerkraftwirkung durch den Kernreaktor 1 und den Wärmeaustauscher 2. In dem Wärmeaustauscher wird die in dem Reaktor entwickelte thermische Energie abgeführt. Die abgekühlte Flüssigkeit strömt an- ioj schließend in das Steigrohr 3, in dem sie durch die Wirkung von Gas, das durch die Pumpe 5 über die Leitung 4 in dieses Rohr eingespritzt wird, hinaufbefördert wird.

Das Gas und die Flüssigkeit werden in einer 11c Trennvorrichtung 6 getrennt. Von dieser Vorrichtung aus wird die Flüssigkeit dem Reaktor 1 wieder zugeleitet, wobei sie zuerst noch durch einen Reinigungsapparat 11 hindurchströmt zwecks Entfernung von Spaltprodukten.

Das abgetrennte Gas wird durch eine Vorrichtung 8 geleitet, in der der (das) in dem Gas vorhandene Wasserstoff bzw. Deuterium oxydiert wird, und weiterhin durch eine Vorrichtung 9, in der das im Gas vorhandene gewöhnliche oder iao schwere Wasser abgetrennt wird, z. B. durch Auskühlung. Das gewonnene Wasser wird dem Abscheider 6 wieder zugeleitet.

Das Gas strömt anschließend durch die Leitung 7 nach der Zirkulationspumpe 5 zurück, wobei es zuerst noch durch einen Reinigungsapparat 10 hin-

durchströmt. In diesem Reinigungsapparat io. wird wenigstens ein Teil der gasförmigen Spaltungsprodukte entfernt. Gasverluste können mittels Zufuhr von frischem Gas durch die Leitung 13 ausgeglichen werden.

Das Absperrventil 12 dient im Notfall zur Entfernung der angewandten Lösung oder Suspension aus der Vorrichtung.

Claims (4)

1. P ATENTAN S P KÜCHE:

   ι. Verfahren zum Durchführen von Kernreaktionen in einem Kernreaktor, wobei der Kernbrennstoff als Lösung oder Suspension spaltbarer Materie durch den Reaktor und durch einen Wärmeaustauscher zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung bzw. Suspension durch Schwerkraftwirkung durch den Reaktor strömt und anschließend in einem vorwiegend senkrecht !angeordneten Steigrohr emporgeführt wird, und zwar durch die Wirkung eines in das untere Ende dieses Rohres eingespritzten Gases, welches Gas im höchsten Punkt des Kreislaufsystems wieder von der Lösung bzw. Suspension getrennt wird, während aus dem abgetrennten Gase die darin aufgenommenen Spalt- und Zersetzungsprodukte wenigstens teilweise entfernt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzgas rezirkuliert wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei der Kernbrennstoff als Suspension oder Lösung in gewöhnlichem oder schwerem Wasser vorliegt und weiterhin eine Rekombination der Zersetzungsprodu'kte des Wassers stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Rekombinationsverfahren mit dem abgetrennten Finsprkzgas durchgeführt wird und das danach in diesem Gas vorhandene Wasser abgetrennt und der zirkulierenden Suspension oder Lösung wieder zugeführt wird.

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4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Einspritzgas Helium Anwendung findet.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 687 564;
   Zeitschrift »Nucleonics« 11, Nr. 1, S. 67, 1953; Nr. 9, S. 25 bis 29, 1953.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   Ö 509 696/391 2.56 (709 67Ί/26 9.57)