DE2918753A1 - Abschirmungsaufbau fuer einen kernreaktor - Google Patents

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H:3K!eickM'änn, EFiplv^Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing.'T. A'Weickmann," Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LiSKA —· f

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8000 MÜNCHEN 86, DEN ι Q POSTFACH 860820 ^[ *

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

SP/cb

RSPH/112 - G 1134 GEW

GENERAL ATOMIC COMPANY

10955 John Jay Hopkins Drive San Diego, Calif. / "V.St.A.

Abschirmungsaufbau für einen Kernreaktor.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abschirmungsaufbau für einen Kernreaktor, der während des Betriebs wesentliche Mengen an schneller Neutronenstrahlung erzeugt, und zwar betrifft die Erfindung insbesondere Abschirmungsmaterialien und -bauarten zur Verwendung in Kernreaktoren einer Art, wie sie beispielsweise bei der Erzeugung nutzbarer Leistung, insbesondere bei der Stromerzeugung, angewandt wird. Beim Aufbau von Kernreaktoren, in denen entweder Spaltungs- oder Fusionsreaktionen auftreten, muß dafür Sorge getragen werden, daß die austretende nukleare Strahlung mittels eines geeigneten Abschirmungsaufbaus abgeschwächt wird. Die Abschirmung muß in der Lage sein, die verschiedensten Strahlungsarten, die innerhalb des Reaktors erzeugt werden, .abzubremsen bzw. zu mildern und zu absorbieren. Normalerweise sind die wichtigsten Strahlungsarten, für die eine solche

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Abschirmung erforderlich ist, primäre Neutronen und Gammastrahlung, die innerhalb des Reaktorkerns erzeugt werden, sowie sekundäre Gaitima-Strahlung, die durch Wechselwirkung von Neutronen mit außerhalb des Reaktorkerns befindlichen Materialien, wie beispielsweise mit Reflektorkomponenten, Kühlmittel oder sogar Materialien innerhalb der Abschirmung selbst, erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der Begriff "Abschirmung", wie er hier verwendet wird, auch die Begriffe "Schild" und "Schirm" umfaßt, zumal die beiden letzteren Begriffe ebenfalls häufig zur Bezeichnung der Abschirmung des Reaktorkerns verwendet werden; und der Begriff "Aufbau" umfaßt im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch die Begriffe "Bauart", "Gefüge", "-Gestaltung", "Struktur ", "Konstruktion"„

Die Reaktorabschirmung muß natürlich einen Strahlungsschutz für das Personal in der Nähe des Reaktors gewährleisten. Jedoch ist die Abschirmung auch für verschiedene andere Funktionen notwendig. Beispielsweise kann Strahlung vom Reaktor zu einer Beeinträchtigung der zufriedenstellenden Funktion der Instrumente führen, die für die verschiedenen Betriebsweisen, Betätigungen und Steuerungen sowie Regelungen des Reaktors angewandt werden, und weiterhin kann die Strahlung vom Reaktor zu einer Beeinträchtigung der mit dem Reaktor verbundenen Komponenten, Bauteile , Anlagen o. dgl. wie beispielsweise von Dampferzeugern u. dgl. führen. Darüber hinaus kann die Strahlung, die auf die Abschirmmaterialien auftrifft, eine interne Erwärmung oder Erhitzung ' erzeugen/ und sie kann die Tendenz haben, Strahlungsschäden in verschiedenen Komponenten der Abschirmung zu bewirken.

Demgemäß hängen die Auswahl der Materialien und die Gestaltung des Aufbaus einer Reaktorabschirmung primär vom Zweck oder der Anwendung des Reaktors selbst ab. Beispielsweise kann ein Reaktor, der dazu angewandt wird, genügend Energie

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für den Betrieb eines Kraftwerks zu erzeugen, als ein stationäres System angesehen werden, wobei die Abschirmung ein stabiler bzw. standfester oder massiver Aufbau ist. Demgemäß müssen die Materialien und die Gestaltung des Aufbaus der Abschirmung so gewählt werden, daß sowohl Strahlung vom Reaktor gemildert und absorbiert als auch eine strukturelle Abschützung bzw. Halterung für die Abschirmung selbst und die diesbezüglichen Komponenten des Reaktors erzielt wird, wobei die Abschirmung außerdem so gestaltet sein muß, daß sie eine adäquate Wärmeübertragung ermöglicht, damit die Temperaturnxveaus der Abschirmung selbst innerhalb zufriedenstellender Grenzen gehalten werden können.

Die Auswahl des Materials und des Aufbaus der Abschirmung hängt außerdem in großem Ausmaß von der spezifischen Strahlungsart, die während des Betriebs von dem Reaktor erzeugt wird, ab. Die vorliegende Erfindung ist dazu vorgesehen, in Verbindung mit einem gasgekühlten und mit schnellen Neutronen betriebenen Reaktor, in denen in einem Spaltprozeß schnelle Neutronen erzeugt werden, verwendet zu werden. Jedoch läßt sich aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, daß die Erfindung in gleicher Weise auch in verschiedensten Reaktoren anwendbar ist, in denen in einem wesentlichen Ausmaß eine Erzeugung von schnellen Neutronen stattfindet, und zwar entweder durch Spaltungs- oder Fusionsprozesse.

In einem Neutronenreaktor der oben genannten Art können Neutronen, die innerhalb des Reaktorkerns erzeugt worden sind, Streukollisionen unterliegen, die hauptsächlich elastischer Art sind und als deren Ergebnis die Energie der Neutronen vermindert wird. Danach können sie von verschiedenen Materialien innerhalb des Reaktorkerns absorbiert werden, oder sie können entkommen. In Abhängigkeit von der Gestaltung des Reaktors hat das Einfangen von Neutronen, das zu Spaltungsreaktionen innerhalb des Reaktors führt, die Tendenz,

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innerhalb spezifischer Energiebereiche aufzutreten. Wenn die meisten Spaltungen aus dem Einfang von thermischen Neutronen oder Neutronen eines Zwischenenergiebereichs resultieren, dann kann das System als thermischer Reaktor oder im Zwischenenergiebereich arbeitender Reaktor bezeichnet werden. Wenn jedoch die Spaltprozesse primär aus dem Einfang von schnellen Neutronen resultieren, dann wird das System allgemein als schneller Reaktor bezeichnet.

Einzelheiten, welche diese verschiedenen Reaktortypen betreffen, sind an sich bekannt. Zum Zwecke der Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist es insofern infolgedessen ausreichend, wie oben angedeutet wurde, darauf hinzuweisen, daß sich die Erfindung speziell auf Kernreaktoren bezieht, welche eine Erzeugung von schnellen Neutronen in wesentlichem Ausmaß umfassen, die durch geeignete Abschirmung eingeschlossen werden müssen. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß ein solcher Reaktor auch andere Strahlungsarten, wie beispielsweise thermische Neutronen und Gamma-Strahlen, erzeugen kann.

Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung seien schnelle Neutro nen dahingehend definiert, daß sie einen Fluß oder eine Energie von etwa 7o KeV oder mehr haben.

Bei der Auswahl der Materialien und der aufbaumäßigen Gestaltung zum Zwecke einer geeigneten Abschirmung in derartigen Reaktoren sollte auch daran gedacht werden, daß die Abschirmung ein wesentliches Volumen des gesamten Reaktors umfaßt. Aus diesem Grund und wegen der Notwendigkeit, eine adäquate Einschließung bzw. -dämmung sicherzustellen, während übermäßige Temperaturen oder Strahlungsschäden über längere Betriebsdauern hinweg vermieden werden sollen, können die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit eines Reaktors zu einem großen Teil auf den Aufbau und die

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Materialkomponenten der Abschirmung zurückzuführen sein bzw. hiervon abhängen.

Demgemäß wurde gefunden, daß noch ein Bedarf an Kernreaktorabschirmungen geblieben ist, welche geeignete Materialien und einen geeigneten Aufbau umfassen, die eine leistungsfähige Einschließung von Reaktorkernen ermöglichen, welche wesentliche Mengen an schnellen Neutronen erzeugen.

Daher soll mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kernreaktorabschirmung zur Verfügung gestellt werden, die in der Lage ist, eine leistungsfähige Einschließung bzw. -dämmung für Strahlungsquellen von schnellen Neutronen oder Strahlungsquellen, die ein wesentliches Ausmaß an Erzeugung von schnellen Neutronen haben, zu erbringen. Gemäß der Erfindung wird ein Abschirmungsaufbau für einen Kernreaktor, der sich durch eine wesentliche Strahlung an schnellen Neutronen oberhalb eines Energieniveaus von etwa 7o KeV auszeichnet, zur Verfügung gestellt, und dieser Abschirmungsaufbau umfaßt eine Einrichtung, welche eine aufbaumäßige bzw." strukturelle Integrität bzw. Vollständigkeit, eine Neutronenabsorptionsfähigkeit und wenigstens eine beschränkte Neutronenabbremsfähigkeit erbringt, wobei eine wesentliche Dicke an Neutronen-Moderatormaterial in der Nähe eines inneren Randes des Abschirmaufbaus in unmittelbarer bzw. nächster Nähe der Quelle von schnellen Neutronen innerhalb des Reaktors angeordnet ist; wobei die Verbesserung die Verwendung von Magnesiumoxid als wenigstens eine wesentliche Komponente des Moderatormaterials des Abschirmungsaufbaus umfaßt.

Die Erfindung ist insbesondere für die Verwendung in großen Reaktoren eines Typs geeignet, wie er beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Leistung bzw. zur Erzeugung von elektrischem Strom angewandt wird.

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Innerhalb solcher Reaktoren ist die Abschirmung notwendigerweise ein massiver Aufbau, wobei die Materialien und die Gesamtgestaltung der Abschirmung geeignet sind, eine aufbaumäßige Abstützung bzw. Halterung für sich selbst und die diesbezüglichen Reaktorkomponenten zu erbringen. Darüber hinaus muß die Abschirmung geeignete Komponenten zum Abbremsen und Absorbieren verschiedener Strahlungsarten von einer Spalt- oder Fusionsquelle zusätzlich zu den vorherrschenden schnellen Neutronen aufweisen. Schließlich müssen die Materialien und der Aufbau der Abschirmung so ausgewählt sein, daß sie eine adäquate Wärmeübertragung von der Abschirmung ermöglichen, damit übermäßige Temperaturen vermieden werden, und die Materialien sowie der gesamte Abschirmungsaufbau sind weiterhin so gewählt, daß sie auch einer Schädigung aufgrund von darin stattfindenden Strahlungswirkungen widerstehen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß ein besonders leistungsfähiger und ökonomischer Reaktorabschirmungsaufbau für die Benutzung in Anwendungsfällen ausgebildet werden kann, welche eine wesentliche Strahlung von schnellen Neutronen.beinhalten. Für solche Anwendungsfälle wird mit der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Magnesiumoxid als Abbrems- bzw. Moderatormaterial vorgeschlagen. Das Magnesiumoxid kann allein oder in Kombination mit anderen Abbrems- bzw. Moderatormaterialien, wie beispielsweise Graphit und/oder Eisen, angewandt werden.

Nach dem Stande der Technik wurde Magnesium oder Magnesiumoxid nicht als besonders wirksames Moderatormaterial angesehen. Jedoch ist der gesamte makroskopische Querschnitt für- Magnesium zwischen etwa 7o KeV und 1 MeV wesentlich größer als derjenige von Kohlenstoff oder Graphit, wie in näheren Einzelheiten weiter unten erörtert werden wird. Unterhalb dieses Energiebereichs ist der Gesamtquerschnitt

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für Magnesium nur etwas kleiner als derjenige von Kohlenstoff oder Graphit, während oberhalb des genannten Energiebereichs die Querschnitte für diese Materialien etwa gleich sind.

Infolgedessen wird durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen, Magnesium, vorzugsweise in der Form von Magnesiumoxid, selbst als ein Moderatormaterial in Anwendungsfällen anzuwenden, welche Neutronenstrahlung mit Energieniveaus von etwa 7o KeV oder größer beinhalten. Andererseits kann in Anwendungsfällen, die einen breiten Energiebereich von Neutronenstrahlung beinhalten, eine leistungsfähige und ökonomische Abschirmung dadurch aufgebaut werden, daß man wenigstens einen Teil an Magnesiumoxid zusammen mit anderen Moderatormaterialien, wie beispielsweise Graphit und/ oder Eisen, anwendet. Innerhalb einer solchen Kombination sorgt das Magnesium für eine leistungsfähige Abbremsung des schnellen Neutronenflusses oberhalb eines Energieniveaus von etwa 7o KeV. Das andere Moderatormaterial, mit dem Magnesium kombiniert wird, kann so ausgewählt werden, daß eine speziell leistungsfähige bzw. wirksame Abbremsung innerhalb der gleichen Energiebereiche wie durch Magnesium und/ oder in Energiebereichen unterhalb von 7o KeV erzeugt wird.

Es ist außerdem bekannt, daß Graphit und Eisen in der Vergangenheit als Moderatormaterialien in Reaktorabschirmungen angewandt worden sind, und zwar aufgrund von physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise aufgrund der mechanischen Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Verschlechterung durch hohe Temperaturen oder Wechselwirkung mit Strahlung. Allgemein haben Magnesiummaterialien, wie beispielsweise Magnesiumoxid, keine so große mechanische Festigkeit wie andere Moderatormaterialien einschließlich Graphit. Jedoch können die Magnesiummaterialien, beispielsweise Magnesiumoxid, angewandt werden, wo große mechanische Festigkeit

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nicht wesentlich ist. Außerdem kann Magnesiumoxid mit anderen Moderatormaterialien kombiniert werden, um eine wesentliche mechanische Festigkeit in der gesamten Abschirmung zu entwickeln bzw.hervorzubringen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise schematische Darstellung eines Abschirmungsaufbaus im Schnitt, und zwar zur Anwendung in einem Kernreaktor, der durch eine wesentliche Strahlung von schnellen Neutronen charakterisiert ist;

Fig. 2 eine gleichartige bzw. ähnliche Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Abschirmungsaufbaus nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine gleichartige bzw, ähnliche Ansicht eines noch anderen Ausführungsbeispiels eines Abschirmungsaufbaus der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine Kurvendarstellung des makroskopischen Querschnitts von Magnesiumoxid wie auch von konventionellen Abbremsmaterialien, und zwar einschließlich Graphit und rostfreiem Stahl.

Wie bereits oben erwähnt, wird mit der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Abschirmaufbau zur Verwendung in einem Kernreaktor vorgeschlagen, Der Reaktor kann entweder vom Spaltoder Fusionstyp sein, charakterisiert durch eine wesentliche Strahlung in der Form eines Flusses "schneller Neutronen, die einen Energiewert oberhalb von etwa 7o KeV haben. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung insbesondere auf Reaktoren, die eine wesentliche Wärmeerzeugungskapazität haben, wie sie für Anwendungsfälle, wie es Kraftwerke sind, brauchbar ist.

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Ein typischer Reaktor, der für solche Anwendungsfälle brauchbar ist, kann beispielsweise ein gasgekühlter schneller Reaktor sein. Jedoch ist die spezielle Form und der spezielle Aufbau des gesamten Reaktor kein kritisches Merkmal in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung. Demgemäß ist der Abschirmungsaufbau in den Figuren der Zeichnung im Querschnitt veranschaulicht, wobei die Stelle der Strahlungsquelle des Reaktors nur schematisch angedeutet ist.

Allgemein ist die Abschirmung für solche Kernreaktoren aufbaumäßig selbsttragend, wobei ein wesentlicher Teil der Abschirmung Beton ist, und zwar vorzugsweise in der Form von vorgespanntem Beton unter Einschluß von Eisensehnen bzw. -betonspannteilen, welche dem Beton Festigkeit verleihen. Darüber hinaus wirken sowohl der Beton als auch das Eisen als Moderatormaterialien innerhalb des Abschirmungsaufbaus.

Allgemein wird zu einer Mehrzahl von Zwecken eine Eisenauskleidung unmittelbar benachbart dem Betonteil des Abschirmungsaufbaus angewandt. Anfänglich bildet die Eisenauskleidung eine Form für den Beton. Gleichzeitig wirkt die Eisenauskleidung als eine Membrane, welche die Wanderung von Heliumatomen in den Beton verhindert, von wo die Atome aus der Reaktorumgebung entkommen können. Wegen dieser Funktion ist es außerdem allgemeine Praxis, einen Gaskühlmitteldurchgang unmittelbar innerhalb der Eisenauskleidung und der Wärmeisolierung auszubilden, um eine Umwälzung, beispielsweise von Helium, zwischen dem Kühlmitteldurchgang und einem Dampferzeuger zu ermöglichen.

Rostfreier Stahl ist ein gutes Baumaterial wie auch ein gutes Moderatormaterial, insbesondere für- Neutronen niedriger Energie in einem Energiebereich unterhalb von etwa 2o KeV. Rostfreier Stahl wird auch allgemein dazu angewandt, die Wärmeisolierung benachbart der Eisenauskleidung abzu-

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decken.

Schließlich umfaßt der Abschirmungsaufbau sowohl Moderatorais auch Absorptionskomponenten für verschiedene Strahlungsarten von der Strahlungsquelle innerhalb des Reaktors. Beispielsweise ist Borcarbid (B.C) ein besonders wirksames Absorptionsmaterial für Neutronen mit einer Energie, die gut oberhalb der thermischen Energieschwelle liegt, sowie für thermische Neutronen» Andere Absorptionsmaterialien, wie Europiumhexaborid, können auch verwendet werden und sind sogar bessere Absorptionsmaterialien als Bor. Jedoch sind solche Materialien allgemein teurer als Borcarbid und führen demgemäß selbst nicht so gut zur Ausbildung eines leistungsfähigen und ökonomischen Abschirmungsaufbaus.

Endlich wird, wie oben angegeben, mit der vorliegenden Erfindung insbesondere die Verwendung von Magnesiumoxid als Moderatormaterial für schnelle Neutronen vorgeschlagen. Das Magnesiumoxid kann auch mit anderen Moderatormaterialien, wie Graphit und/oder Eisen, kombiniert werden.

Verschiedene Kombinationen dieser Materialien innerhalb unterschiedlicher Abschirmungsaufbauweisen bzw. -strukturen sind in den Fig, I bis 3 veranschaulicht.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, 'in der ein mit

11 bezeichneter Abschirmungsaufbau so angeordnet ist, daß er Strahlung von einer Quelle 12 einschließt. Wie oben dargelegt, ist die Quelle 12 insbesondere durch die Erzeugung von schnellen Neutronen charakterisiert. Der Abschirmungsaufbau 11 kann vorzugsweise die Form einer ringförmigen oder zylindrischen Kammer haben, so daß er für die Quelle

12 eine Umfassung bzw. Einschließung in allen Richtungen bildet. Jedoch stellt die Form des Abschirmungsaufbaus keine spezielle Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar.

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In jedem Falle weist der Abschirmungsaufbau 11 als wesentlichen Teil eine Betonkomponeate 13 auf, die vorzugsweise die Form eines vorgespannten Betonreaktorbehälters hat. Der Beton 13 ist üblicherweise um eine Eisenauskleidung herum ausgebildet, die bei 14 angedeutet ist. Die thermische Isolierung ist üblicherweise in Kontakt mit der Auskleidung angeordnet, aber sie ist in der Zeichnung weggelassen, da sie nur eine vernachlässigbare Wirkung auf den Neutronentransport hat. Bei einem gasgekühlten schnellen Reaktor ist ein Kühlmittelspalt, der bei 16 angedeutet ist, unmittelbar auf der Innenseite der Eisenauskleidung ausgebildet, so daß dadurch erhitztes Heliumgas zum Dampferzeu-. ger geleitet werden kann.

Die Innenseite des Kühlmittelspalts 16 wird üblicherweise von einem guten Struktur- bzw. Baumaterial gebildet, wie beispielsweise von einer rostfreien Stahlhülle bzw. -schale, die bei 17 dargestellt ist. Die vorgenannten Komponenten unter Einschluß des Betons 13, der Eisenauskleidung 14, des Kühlmittelspalts 16 und der Schale 17 aus rostfreiem Stahl bilden normalerweise den äußeren Umfang eines Abschirmungsaufbaus für einen Reaktor. Zusätzlich werden Moderator- und Absorptionsmaterialien normalerweise auf der Innenseite bzw. innerhalb dieser Komponenten angeordnet, damit diese Materialien zunächst in Wechselwirkung mit der Strahlung von der Quelle 12 treten. Beispielsweise ist das bei 18 angedeutete Borcarbid ein speziell wirksames Absorptionsmaterial für thermische Neutronen. Das Borcarbid kann in Graphit dispergiert sein. Vorzugsweise sind stückige Borcarbidkörper, z. B. Kugeln, Kügelchen, Würfel o.dgl.., in einer Graphitmatrix angeordnet, wobei die stückigen Borcarbidkörper ungefähr 3o Vol.-% des Matrixmaterials 18 umfassen.

Der Abschirmungsaufbau 11 der Fig. 1 ist speziell zur Verwendung in einem Reaktor gedacht, in dem die Strahlung vor-

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wiegend schnelle Neutronen oberhalb des Energiebereichs von etwa 7o KeV umfaßt. Demgemäß wird Magnesiumoxid selbst als das Moderatormaterial angewandt, und die Magnesiumoxidkomponente ist bei 19 dargestellt. Längs der inneren Oberfläche des Abschirmungsaufbaus ist eine innere Hülle bzw. Schale aus rostfreiem Stahl angeordnet, und zwar zum Aufrechterhalten der strukturellen bzw. baulichen Integrität. Die aus rostfreiem Stahl bestehende innere Auskleidung ist bei 21 angedeutet.

Die Abmessungen des gesamten Abschirmungsaufbaus 11 und insbesondere die Abmessungen jeder der oben beschriebenen Komponenten lassen sich nicht ohne weiteres definieren, da sie von den speziellen Charakteristika des Reaktors und der Anwendung, innerhalb deren der Reaktor benutzt werden soll, sehr stark abhängen. Jedoch sind typische Abmessungen für die verschiedenen Komponenten (ausgenommen den Beton 13 und den Kühldurchgang 16) in Fig. 1 veranschaulicht. Die Art und Weise, in der die Magnesiumoxidkomponente 19 als ein sehr wirksamer Moderator für schnelle Neutronen oberhalb eines Energieniveaus von etwa 7o KeV dient, ist in Fig. 4 veranschaulicht und wird weiter unten in näheren Einzelheiten erörtert.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein zweiter Abschirmungsaufbau 111 viele Komponenten aufweist, die ähnlich bzw. gleichartig wie diejenigen sind, die oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurden. Im einzelnen sind die Anordnung der Quelle 112, das vorgespannte Betonelement 113, die Eisenauskleidung 114 und der Kühlmittelspalt 116 im wesentlichen gleichartig bzw. ähnlich wie die entsprechenden Komponenten in Fig. 1.

Innerhalb des Abschirmungsaufbaus der Fig. 2 ist eine kombinierte Komponente 117 aus einer Schale bzw. Hülle aus rost-

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freiem Stahl und Moderator im Abstand von der Eisenauskleidung 114 vorgesehen, so daß der Kühlmittelspalt 116 ausgebildet wird. Die Borcarbidabsorptionskomponente 118 ist-im wesentlichen gleichartig bzw. ähnlich sowie gleichartig bzw. ähnlich angeordnet wie die Absorptionskomponente 18 in Fig. 1. Jedoch ist in Fig. 2 ein Teil der Magnesiumoxidstruktur, die in Fig. 1 bei 19 angedeutet ist, durch Graphit ersetzt. Demgemäß weist der Abschirmungsaufbau 111 der Fig. 2 eine Graphitkomponente 119 und eine Magensiumoxidkomponente 12o auf. Die Magnesiumoxidkomponente 12o ist zwischen der Graphitkomponente 119 und der Strahlungsquelle 112 angeordnet. Diese Anordnung wird durch die größere Fähigkeit des Magnesiums, schnelle Neutronen hoher Energie abzubremsen, erzwungen. Wenn die schnellen Neutronen von der Quelle 112 abgestrahlt werden, werden sie erst einer Streuung innerhalb der Magnesiumoxidkomponente ausgesetzt. Die niedrigeren Energieniveaus der Neutronen, die aus den Streuungskollisionen innerhalb des Magnesiumoxids resultieren, können dann einer wirksameren Moderation durch die Graphitkomponente 119 unterworfen werden.

Die anderen Komponenten des Abschirmungsaufbaus 111 der Fig. 2 erfüllen allgemein die gleichen Funktionen, wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist. Jedoch ist der Abschirmungsaufbau der Fig. 2 wegen der Kombination von Graphit u'nd Magnesiumoxid als Moderatormaterialien, die anfänglich in Wechselwirkung mit der Strahlung und der Strahlungsquelle 112 treten, besser dazu geeignet, Neutronen innerhalb eines weiten Energiebereichs und andere Strahlungsarten einzuschließen. Innerhalb des Abschirmungsaufbaus 111 ist außerdem eine innere Auskleidung 121 aus rostfreiem Stahl vorgesehen.

Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der ein noch anderer Abschirmungsaufbau 211 dargestellt ist, der im wesentli-

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- -ur-

chen die gleichen Komponenten aufweist, wie sie oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind. Jedochist in der Ausführungsform der Fig. 2 der grundsätzliche Moderatorteil des Abschirmungsaufbaus so ausgebildet, daß eine überragende Moderationsfähigkeit des Magnesiumoxids für schnelle Neutronen angewandt wird, während dem Moderatorteil des Abschirmungsaufbaus außerdem verbesserte physische bzw. physikalische Eigenschaften, wie strukturelle Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, verliehen werden. Demgemäß umfaßt der Moderatorteil des Abschirmungsaufbaus 211 der Fig. 3 eine Matrix 222, in der eine andere Moderatorkomponente 223 dispergiert bzw. verteilt ist. Spezifische Beispiele dieser Kombination sind unmittelbar nachfolgend beschrieben. Beispielsweise kann die Matrix 222 zur Erzielung einer strukturellen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus Graphit ausgebildet sein. Eine geeignete, entsprechende dispergierte bzw. verteilte Moderatorkomponente ist Magnesiumoxid, vorzugsweise in der Form von Stangen bzw. Stäben, die sich durch das Graphit in einer Anordnung erstrecken, die so ausgewählt ist, daß eine gleichförmige Wechselwirkungdes Magnesiumoxids mit der Strahlung von der Strahlungsquelle 212 sichergestellt wird.

Andererseits kann die Moderatormatrix 222 Magnesiumoxid sein, während die dispergierte bzw. verteilte Moderatorkomponente 223 eine Anordnung von in gleichförmigem Abstand voneinander vorgesehenen Eisenstangen bzw. -stäben ist, um wiederum strukturelle Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.·

Die Anordnung der Eisenstangen bzw. -.-stäbe innerhalb einer Matrix von Magnesiumoxid ist nur als ein spezielles Ausführungsbeispiel dargestellt. Darüber hinaus wäre es beispielsweise möglich, die beiden Moderatorkomponenten innig miteinander zu mischen. Die Moderatormatrix 222, welche die disper-

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gierte bzw. verteilte Moderatorkomponente 223 enthält, kann auch aus einer Mischung von Eisenoxidpulver und Magnesiumoxidpulver ausgebildet werden, durch die Wasserstoff bei einer hohen Temperatur hindurchgeleitet wird, so daß das Eisenoxid reduziert und eine gesinterte Dispersion von Eisen und Magnesiumoxid gebildet wird.

Die innere Auskleidung 221 aus rostfreiem Stahl, der Beton 213, die Eisenauskleidung 214 und der Kühlmittelspalt 216 erfüllen wiederum die gleiche Funktion wie oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Jedoch ist in der Ausführungsform der Fig. 3 nur eine dünne Schale bzw. Hülle aus rostfreiem Stahl benachbart dem Küh'lmittelspalt 216 ausgebildet. Die dünne Hülle bzw. Schale 217 aus rostfreiem Stahl soll nur die Funktion haben, den Kühlmittelspalt 216 auszubilden. Ein Element 224 aus rostfreiem Stahl ist auf der Innenseite bzw. innerhalb der Borcarbidabsorptionskomponente 218 vorgesehen.

Die obige Anordnung wird in gewissen Anwendungsfällen für schnelle Neutronenreaktoren bevorzugt. In solchen Reaktoren tritt eine wesentliche Herabsetzung der Energie der Neutronen durch Streuung innerhalb des Betons 213 und der Eisenauskleidung 214.auf. Einige der durch diese Energieherabsetzung durch Streuung erzeugten Produkte innerhalb des Betons der Eisenauskleidung werden umgekehrt nach der Strahlungsquelle 212 hin zurückgestrahlt. Demgemäß ist das Borcarbidabsorptionselement 218 außerhalb bzw. auf der Außenseite des Elements 224 aus rostfreiem Stahl angeordnet, damit die Absorption eines größeren Prozentsatzes an diesen Produkten, die durch Energieverlust-der Neutronen infolge von Streuung entstanden sind, innerhalb des Borcarbids sichergestellt wird. Die Neutronenstrahlung. die durch die Moderatormatrix 222 hindurchgeht, hat allgemein ein höheres Energieniveau, so daß die Tendenz besteht, daß ein geringerer

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Grad an Absorption innerhalb des rostfreien Stahls stattfindet, wenn die Neutronen durch dieses nach auswärts hindurchgehen.

Demgemäß hat die Umkehr bzw. das Vertauschen des rostfreien Stahls und des Borcarbidabsorptionsmaterials die Tendenz, die Entwicklung von übermäßigen Temperaturen und von übermäßigen Strahlenschäden innerhalb der Komponente 224 aus rostfreiem Stahl aufgrund der Wechselwirkung mit Neutronen niedriger Energie zu verhindern.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die umgekehrte Anordnung des rostfreien Stahls und des B'orcarbidabsorptionsmaterials bei jeder Kombination von Moderatormaterialien, die zwischen diesen Elementen und der Strahlungsquelle angeordnet ist, angewandt werden kann. Beispielsweise ist die Umkehr bzw. die umgekehrte Anordnung des Elements aus rostfreiem Stahl und des Borcarbidabsorptionselements in gleicher Weise in einer Abschirmungsanordnung wünschenswert, in der nur Graphit sowie die neuartige Abschirmung der vorliegenden Erfindung, die Magnesiumoxid umfaßt bzw. aufweist, angewandt werden.

Die relative Wirksamkeit der verschiedenen ■Moderatormaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 veranschaulicht. Der makroskopische Querschnitt des Magnesiumoxids ist zusammen mit dem Querschnitt für typische Moderatormaterialien, einschließlich Graphit und rostfreiem Stahl, veranschaulicht. Wie man sehen kann, bewirkt Magnesiumoxid eine viel bessere Moderation bzw. Abbremsung oberhalb von Energieniveaus von ungefähr 7o KeV. -Rostfreier Stahl bildet einen speziell wirksamen Moderator für Neutronen niedriger Energie, während Graphit bei niedrigen Energieniveaus angenähert gleich wie Magnesiumoxid ist, jedoch ist es bei höheren Energieniveaus, wie oben erläutert, wesentlich schlechter

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als Magnesiumoxid, Graphit kann in der oben beschriebenen Art und Weise angewandt werden, um einem Abschirmungsaufbau für einen Kernreaktor andere wichtige Charakteristika, wie beispielsweise strukturelle Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, zu verleihen.

Der makroskopische Querschnitt, der in Fig. 4 für Magnesium dargestellt ist, basiert auf einer Dichte von 3,7 g/cm . Das ist allgemein die wirksamste Dichte von Magnesiumoxid, und zwar sowohl für seine Anwendung als Moderatormaterial als auch im Hinblick auf die strukturelle Integrität. Jedoch läßt sich Magnesiumoxid mit dieser Dichte relativ schwierig herstellen, und es ist infolgedessen in* dieser Dichte ziemlich teuer. Demgemäß ist es auch möglich, niedrigere Dichten von Magnesiumoxid anzuwenden, während man allgemein gleichartige bzw. ähnliche Absorptionscharakteristika erzielt. In jedem Falle ist die Auswahl der Dichte des_v Magnesiumoxids ein weiterer Faktor, der in Verbindung mit der spezifischen Anwendung für jede einzelne Reaktorauslegung in Betracht zu ziehen ist.

Andere Kombinationen von Moderatormaterialien können auch angewandt werden, ebenso wie die hier beschriebenen spezi^ fischen Kombinationen. Darüber hinaus sind innerhalb des Gegenstandes der Erfindung, wie er sich aus den Patentansprüchen ergibt, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens verschiedenste andere Abwandlungen und Änderungen möglich.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Γΐ.J Abschirmungsaufbau für einen Kernreaktor, der durch eine wesentliche Strahlung von schnellen Neutronen oberhalb eines Energieniveaus von etwa 7o KeV charakterisiert ist, wobei der Abschirmungsaufbau eine Einrichtung zum Hervorbringen struktureller Integrität, Neutronenabsorptionsfähigkeit und wenigstens beschränkter Neutronenmoderationsfähigkeit aufweist, und wobei ferner eine wesentliche Dicke des Neutronenmoderatormaterials benachbart einem inneren Rand des Abschirmungsaufbaus, der der Quelle von schnellen Neutronen innerhalb des Reaktors am nächsten ist, angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Verwendung von Magnesiumoxid (19; 12o; 222 oder 223) als wenigstens eine wesentliche Komponente des Moderatormaterials (19; 119, 12o; 222, 223) des Abschirmungsaufbaus (11, 111, 211).

   2, Abschirmungsaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Moderatorkomponenten (119, 12o) Magnesiumoxid (12o) benachbart der Quelle (112) von schnellen Neutronen innerhalb des Reaktors aufweist, und ein anderes Moderatormaterial (119) , das aus der aus Graphit und Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und eine Komponente des Abschirmungsaufbaus (111) bildet, die auf der der Quelle

   (112) von schnellen Neutronen entgegengesetzten Seite des Magnesiumoxids (12o) angeordnet ist.

   3. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Moderatormaterial (19; 119, 12o; 222, 223) Graphit (222) zürn Erzeugen von struktureller Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit umfaßt, wobei Magnesiumoxid (223) gleichförmig im Graphit (222) dispergiert bzw. verteilt ist.

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   4. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnesiumoxid (223) die Form von Stangen bzw. Stäben hat, die in gleichförmigen Abständen voneinander in dem Graphit (222) angeordnet sind.

   5. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß das Moderatormaterial Magnesiumoxid (223) ist, wobei ein anderes Moderatormaterial (222) zum Erzeugen von struktureller Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit darin dispergiert bzw. verteilt ist.

   6. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das andere Moderatormaterial

   (222) vorzugsweise die Form von Eisenstangen bzw. -stäben hat, die in gleichförmigen Abständen voneinander in dem Magnesiumoxid (223) angeordnet sind.

   7. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Moderatormaterial (222, 223) eine Mischung von Magnesiumoxid und Eisen ist.

   8. Abschirmungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein Neutronenabsorptionsmaterial (18, 118, 218) bezüglich der Quelle (12, 112, 212) auf der Außenseite bzw. außerhalb des Moderatormaterials (19; 119, 12o; 222, 223) angeordnet ist.

   9. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet „ daß eine Eisenauskleidung (214) und ein Betonbehälter (213) in bezug auf die Quelle (212) auswärts von dem Absorptionsmaterial (218) angeordnet sind, wobei eine strukturelle Hülle bzw. Schale (224) aus rostfreiem Stahl zwischen dem Absorbermaterial (218) und dem Moderatormaterial (222, 223) angeordnet ist, um dem Abschirmungsaufbau (211) strukturelle Integrität zu verleihen, und

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   wobei ferner das Absorptionsmaterial (218) zwischen dem Beton (213) und der Hülle bzw. Schale (224) aus rostfreiem Stahl angeordnet ist, um einen wesentlichen Teil an Rückstreuung vom Beton (213) in die Hülle bzw. Schale (224) aus rostfreiem Stahl zu verhindern.

   10. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Neutronenabsorptionsmaterial (218) Bor aufweist oder ist.

   11. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial (18, 118) Bor aufweist oder ist.

   12. Abschirmungsaufbau, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, für einen Kernreaktor, der durch eine wesentliche Strahlung schneller Neutronen charakterisiert ist; wobei der Abschirmungsaufbau eine Einrichtung zum Erzielen von struktureller Integrität, Neutronenabsorptionsfähigkeit und wenigstens beschränkter Neutronenmoderationsfähigkeit aufweist, wobei weiter eine wesentliche Dicke des Neutronenmoderationsmaterials benachbart einem inneren Rand des Absckirmungsaufbaus, der der Quelle von schnellen Neutronen innerhalb des Reaktors am nächsten ist, angeordnet ist, wobei außerdem eine Eisenauskleidung und ein Betonbehälter in bezug auf die Quelle auswärts vom Absorptionsmaterial angeordnet ist, und wobei schließlich eine strukturelle Hülle bzw. Schale aus rostfreiem Stahl zwischen dem Absorbermaterial und dem Moderatormaterial angeordnet ist, so daß sie dem Abschirmungsaufbau strukturelle Integrität verleiht, dadurch g e k e η η ζ e i c_.h η e t , daß das Absorptionsmaterial (218) zwischen dem Beton (213) und der Hülle bzw. Schale (224) aus rostfreiem Stahl angeordnet ist, um einen wesentlichen Anteil von Rückstreuung in die Hülle bzw. Schale (224) aus rostfreiem Stahl zu verhindern.

   §O9846/Ol901

   13. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daE er Magnesiumoxid (222 oder 223) als wenigstens eine wesentliche Komponente des Moderatormaterials (222, 223) des Abschirmungsaufbaus (212) aufweist.

   14. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß er Graphit (223 oder 222) als wenigstens eine wesentliche Komponente des Moderatormaterials (222, 223) des Abschirmungsaufbaus (212) aufweist.

   15. Abschirmungsaufbau, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, in einem Reaktor, der eine Strahlungsquelle umfaßt oder ist, die durch die Erzeugung von wesentlichen Mengen an schnellen Neutronen charakterisiert ist, welche ein Energieniveau oberhalb von etwa 7o .KeV haben, wobei der Reaktor weiter durch die Fähigkeit von wesentlicher Wärmeexzeugung charakterisiert ist, wie sie für die Verwendung in Kraftwerken geeignet ist, und wobei der Reaktor außerdem einen Abschirmungsaufbau zum Einschließen der Strahlungsquelle aufweist, der seinerseits eine Eisenauskleidung besitzt, die eine Heliummembran wie auch einen Grundaufbau des Abschirmungsaufbaus bildet, und wobei weiterhin vorgespannter Beton außerhalb bzw. auf der Außenseite der Eisenauskleidung als Reaktorbehälter ausgebildet ist, wobei schließlich ein Kühlmittelspalt unmittelbar auf der Innenseite bzw. innerhalb der Eisenauskleidung ausgebildet ist, welcher die Abführung von Wärme aus dem Abschirmungsaufbau ermöglicht, und wobei Neutronenabsorptions- und Neutronenmoderatormaterialien auf der Innenseite bzw. einwärts vom Kühlmittelspalt zum Zwecke der Wechselwirkung mit schnellen Neutronen von der Strahlungsquelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß das Moderatormaterial (19; 119, 12o; 222, 223) Magnesiumoxid (19; 12o; 222 oder 223) umfaßt oder ist, das allgemein benachbart einem inneren Teil

   §09846/0-901

   (21, 121, 221) des Abschirmungsaufbaus (11, 111, 211) zur anfänglichen Wechselwirkung mit den schnellen Neutronen von der Quelle (12, 112, 212) angeordnet ist, wobei außerdem ein Neutronenabsorptionsmaterial (18, 118, 218> zwischen dem Magnesiumoxid (19; 12o; 222 oder 223) und dem Kühlmittelspalt (16, 116, 216) angeordnet ist.

   16. Abschirmungsaufbau nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß er außerdem eine Hülle bzw. Schale (224) aus rostfreiem Stahl aufweist, die zwischen dem Kühlmittelspalt (216) und dem Neutronenabsorptionsmaterial (218) angeordnet ist, so daß sie als Neutronenmoderator wirkt und baulich bzw. strukturell"in Kombination mit der Eisenauskleidung (214) den Kühlmittelspalt (224) bildet.

   §09846/0-901