CH393555A - Kernbrennstoff - Google Patents

Description

      Kernbrennstoff       Das Hauptpatent     betrifft    einen     Kernbrennstoff     für Reaktoren, welcher eine Legierung eines Spalt  stoffes enthält, wobei in der Legierung eine Kom  ponente gleichmässig verteilt ist, welche sich durch  Neutronenabsorption derart verändert, dass der Wir  kungsquerschnitt der durch     Neutronenabsorption        ver-          änderderten        Komponente    für Neutronen geringer ist,  als der Wirkungsquerschnitt der unveränderten Kom  ponente.  



  Weiterhin betrifft das Hauptpatent das Verfahren  zur Herstellung dieses     Kernbrennstoffes,    wobei durch  ein geschmolzenes Metall, das einen geringen Wir  kungsquerschnitt für Neutronen besitzt, solange gas  förmiges     Borhalogenid    unter Bildung von gleichmä  ssig und fein in der     Schmelze        verteiltem    natürlichem,  elementarem Bor geleitet wird, bis das Bor 0,115  bis 0,65     Gew.    % des     Metalles    ausmacht, wonach die  Schmelze mit einer solchen Menge Uran legiert wird,

    dass ein     zwischen    15 und 23     Gew.    %     Uran-235    ent  haltender     Kernbrennstoff    entsteht.  



  Die     vorliegende        Erfindung        betrifft    eine Verbes  serung. Dieses wird im folgenden näher     ausgeführt:     Wie bereits im Hauptpatent angeführt, tritt bei       Neutronenbeschuss    eines spaltbaren Uranisotops     eine     sich selbst aufrechterhaltende Kettenreaktion auf,  wobei das Verhältnis der Zahl von Neutronen, welche  in einer Generation durch Spaltung erzeugt werden,  zu der Zahl der die Spaltung auslösenden Neutro  nen auch dann noch grösser als 1 ist, wenn die Neu  tronenverluste abgezogen sind.

   Dieses Verhältnis,  welches     mit    k bezeichnet werden     sbll,    wird vorzugs  weise auf einem Wert zwischen 1,00 und 1,10 ge  halten. Die Steuerung dieses Verhältnisses     kann    bei  spielsweise durch Vergrösserung und     Verkleinerung     der Zahl der der Reaktion verlorengehenden Neu  tronen durchgeführt werden.

   Dies     kann    dadurch er  reicht werden, dass die     Uranisotopmasse    in mehrere    diskrete Brennstoffgruppen aufgeteilt     wird,    welche  gitterartig in dem Reaktor verteilt werden, wobei  eine steuerbare Menge eines Materials mit einer  grossen     Neutronenabsorptionsfähigkeit        in    die Zwi  schenräume zwischen einige oder alle Brennstoffgrup  pen eingeschoben wird.

       Wenn    das neutronenabsor  bierende Material langsam aus dem Reaktor heraus  gezogen wird, wird auch die Zahl der die Reaktion       beeinflussenden,    freien Neutronen grösser, so dass ein  Punkt erreicht wird, an welchem sich die Reaktion  von selbst     aufrechthält.    An diesem Punkt wird die  Verhältniszahl k grösser als 1.

   Wenn das     Entfernen     des neutronenabsorbierenden Materials bei einem       Wert    von k beendet wird, welcher nur wenig grö  sser als 1 ist, erhält sich die Reaktion von selbst auf  recht; dies jedoch nur für eine begrenzte Zeitspanne,  da sich mit dem     Fortschreiten    der Reaktion das Uran  langsam verbraucht und die Spaltprodukte des Reak  tionsprozesses als neutronenabsorbierendes Material  wirken. Dies führt jedoch zu einer langsamen Ver  kleinerung der     Verhältniszahl    k, bis die Reaktion  aufhört.

   Hieraus ist zu ersehen, dass bei einem ge  gebenen Reaktor dieses     Typs    mit einer gegebenen  Menge     Urankernbrennstoff    eine dauernde Regulie  rung     mit    der neutroneneinfangenden Steuersubstanz       erforderlich    ist, um die Kettenreaktion in den ge  wünschten Grenzen zu halten.  



  Zur     Regulierung    der Reaktionsgeschwindigkeit,  unter     Vermeidung    von     komplizierten        Steuereinrich-          tungen    wird gemäss dem Hauptpatent, gegebenenfalls  neben einem weiteren Metall, vorzugsweise Alu  minium und/oder     Zirkonium,    der spaltbaren Legie  rung, ein weiterer Stoff, z. B. Bor, beigegeben, wel  cher durch     Neutronenbeschuss        in    einen Stoff gerin  geren     Einfangsquerschnitts    für Neutronen übergeht.

    Wenn ein     Brennstoff    dieser Art in     einzelne    Grup  pen aufgeteilt bei einer     Kernreaktion    verbraucht wird,           wird    z. B. das Bor, welches     einen    sehr     grossen    Wir  kungsquerschnitt bezüglich des     Neutroneneinfangs     aufweist, das heisst eine sehr     grosse        Neutronenabsorp-          tionsfähigkeit    besitzt, langsam     in        Lithium        überführt,

       welches einen weitaus geringeren     Neutronenabsorp-          tions-Wirkungsquerschnitt    hat.     Diese    Reaktion folgt  der folgenden Reaktionsgleichung:         B1         -h        n---)        Li7        -f-        He4        -f-    Q.

      In der oben     abgezeigten    Reaktionsgleichung be  deutet     Blo    das     Borisotop        mit    dem Atomgewicht 10,  <I>n</I> ein Neutron,     Li7    das     Lithiumisotop    mit dem Atom  gewicht 7,     He4    Helium und Q die frei werdende  Energie, welche im     vorliegenden    Fall 3,0     MeV    be  trägt.

   Wie bekannt, liegt der     Wirkungsquerschnitt    für  den     Neutroneneinfang    von     natürlichem    Bor ungefähr  bei 750     Barn,    derjenige von Bor 10 etwa bei 3990       Barg,        während    der     Neutroneneinfang-Wirkungsquer-          schnitt    von     Lithium    7 etwa 33     Millibarn    beträgt.  Da die Menge des zu     Lithium    umgewandelten Bors  10 proportional     zu    der.

   Reaktionsgeschwindigkeit der       Spaltungsreaktion    verläuft, nimmt die Zahl der von  der Reaktion durch das Bor ferngehaltenen Neutro  nen ebenfalls proportional ab.  



  Es wurde nun gefunden, dass     in    dem im Haupt  patent Nr. 373 478 beschriebenen Kernbrennstoff als  spaltbarer Stoff mit     Vorteil    mindestens teilweise das  Uranisotop<B>U233</B> sich verwenden     lässt,    wobei der  gleiche Steuereffekt durch Stoffe wie z. B.     das        Bor-          Isotop    10 erzielt werden kann.  



       Ein        derartiger        Kernbrennstoff    kann mit     Vorteil     dadurch hergestellt werden, dass in-die Schmelze bis  0,2     Gew.    % des     Borisotops    eingebracht und die  Schmelze     mit    einer solchen     mindestens    teilweise aus  <B>U233</B> bestehenden Menge Uran legiert wird, dass  eine     insgesamt    zwischen 5 und 23     Gew.    %<B>U233</B>  oder<B>U233</B> und<B>U235</B> enthaltende Legierung ent  steht.  



  Es sei erwähnt, dass bei dem Kernbrennstoff der       vorliegenden        Erfindung    neben dem Uranisotop 233  auch das Uranisotop 235 der     Legierung    beigegeben  werden kann. Der     Kernbrennstoff    kann aus geeignet  geformten und     dimensionierten    Körpern bestehen,  welche z. B. zwischen 5 und 23     Gew.    % spaltbaren  Urans der Isotope 233 und 235, bis     zu.    0;2 % und  vorzugsweise zwischen 0,002 und 0,13 % Bor 10 und  eines der     Metalle        Aluminium    oder     Zirkonium    ent  halten.

   Da natürliches Bor etwa 18,8 % Gewicht  Bor 10     enthält,        kann    die Beimengung von Bor 10  auch durch die Beigabe von     natürlichem    Bor erreicht  werden, welches mit Bor 10     angereichert    wurde oder  welches einen geringeren Anteil an Bor 10     aufweist.     Da das andere hauptsächliche     Borisotop,    das Bor 11,  einen     Neutroneneinfangquerschnitt    von weniger als  0;

  05     Barn    aufweist, kann die Verwendung von     mit     Bor 11 angereichertem     natürlichem    Bor     vorteilhaft          sein,    da nun der Gehalt an Bor 10 genau bestimmt  werden kann. Die     Anreicherung    des     natürlichen    Bors       mit    Bor -11 ist     somit    dann vorteilhaft, wenn Legie-         rungen    mit nur einem geringen Gehalt an Bor 10  hergestellt werden sollen, da die Bestimmung von  geringem     Borgehalt    bei Legierungen der genannten  Art sehr schwierig ist.  



  Für ein Beispiel des     erwähnten    Verfahrens sei  angenommen, dass ein 1 kg schweres     Gussstück    20  Uran, 0,3 % natürliches Bor enthalten und im übrigen  aus praktisch reinem     Aluminium    bestehen soll. Zur  Herstellung werden ungefähr 805 g praktisch reines  Aluminium in einem Induktionsofen geschmolzen.  Die Temperatur der Schmelze wird auf ungefähr  800  C gehalten und     Bortrichloridgas    durch die  Aluminiumschmelze geschickt.     Stöchiometrisch    wür  den 6,2 Liter     Bortrichlorid    bei einem Druck von  760 mm     Hg    und einer Temperatur von 20  C aus  reichen, um mit etwa 7,5g Aluminium zu reagie  ren und hierbei 3 g Bor zu erzeugen.

   Es hat sich  jedoch herausgestellt, dass die tatsächlich gewonnene       Bormenge    bei den erwähnten Bedingungen gewöhn  lich kleiner als 10 % ist. Es sind daher 125 Liter von       Bortrichlorid    bei den oben erwähnten     Standardbedin-          gungen    bezüglich des Druckes und der Temperatur       erforderlich.    Nachdem     das        Bortrichlorid    durch das  Bad     hindurchgepresst    wurde, werden ungefähr 200  g Uran zu dem geschmolzenen Aluminium hinzuge  geben, wobei die Temperatur der     Schmelze    auf 900  bis 1100  C erhöht wird,

   so dass das Uran mit dem       Aluminium-Bor    die gewünschte Legierung     bildet.    Die  Schmelze kann dann in eine gebräuchliche Graphit  gussform gegossen werden, in welcher sie erstarrt.  Der hierdurch gewonnene     Gusskörper    kann dann mit  tels     gebräuchlicher        Verformungsverfahren    wie Schmie  den oder Drehen zu     Kraftstoffgruppen    in die ge  wünschte Form gebracht und im Bedarfsfalle mit  einem Aluminiumüberzug versehen werden.

      Statt Aluminium kann auch     Zirkonium    bei ent  sprechender Angleichung der Schmelztemperatur  verwendet werden,     wobei    statt des     Bortrichlorids        Bor-          tribromid    -bei entsprechender     stöchiornetrischer    An  gleichung verwendet wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, dass er als Spaltstoff mindestens teilweise das Uranisotop 233 enthält. II. Verfahren zur Herstellung des Kernbrennstof fes nach Patentanspruch I, wobei durch ein ge schmolzenes Metall, das einen geringen Wirkungs querschnitt für Neutronen besitzt, gasförmiges Bor halogenid unter Bildung von gleichmässig und fein in der Schmelze verteiltem Bor geleitet wird, wonach die Schmelze mit\Uran legiert wird, dadurch gekenn zeichnet, dass in die Schmelze bis 0,

   2 Gew. % des Borisotops 10 eingebracht und die Schmelze mit einer solchen mindestens teilweise aus U 233 bestehenden Menge Uran legiert wird, dass eine insgesamt zwi schen 5 und 23 Gew. % U 233 oder U 233 und U 235 enthaltende Legierung entsteht.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er mindestens 5 Gew. des Uranisotops 233 enthält. 2. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er ausserdem mindestens 10 Gew. % des Uranisotops. 235 enthält.

   3. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er zwischen 0,002 und 0,13 Gew. % des Borisotops 10 enthält. 4. Kernbrennstoff gemäss Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium in ihm enthalten ist. 5. Kernbrennstoff gemäss Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Metall Zirkonium in ihm enthalten ist. 6.

   Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass er ausserdem zwischen 5 und 23 Gew. % Uran 235 enthält. 7. Kernbrennstoff nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass der Gehalt an spaltbarem Uran zwischen 10 und 23 Gew. % ausmacht. B. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortrichlorid ver wendet wird. 9.

   Verfahren nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortribromid ver wendet wird. 10. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Zirkonium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortrichlorid ver wendet wird. 11.

   Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Zirkonium und als Halogen-Borverbindung natürliches Bortribromid ver wendet wird.