SUR 100 WFHH

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Spaltzone

Die Spaltzone (auch "Reaktorkern") war eine homogene Mischung aus Uranoxid U₃O₈ und Polyethylen (CH₂)_n

Spaltstoff: m_U-235 = 676,3 g U²³⁵ in einer Anreicherung von 20%, bezogen auf das Gesamturan (m_Uges ca 3.400 g).

Bei der Polymerisation der Brennstoff / Moderator-Mischung wurden Platten mit dem Durchmesser d = 240 mm, aber in unterschiedlichen Dicken hergestellt. Im WFHH befanden sich 11 Platten.

Da es mehrere Reaktoren gleicher Bauart (auch heute noch) gibt, standen für das kritische Experiment eines jeden SUR mehr Platten zur Verfügung als benötigt. So war es möglich, durch Zulegen und Fortnehmen von Platten unterschiedlicher Dicke genau die kritische Masse des Reaktors einzustellen.

Der Bereich der Spaltzone unterhalb des Bestrahlungsrohres (= "untere Kernhälfte") konnte 5 cm nach unten fallen. Damit wurde die Gesamtoberfläche der Spaltzone vergrößert. Die dadurch bedingten größeren Verluste von Neutronen durch die Oberfläche reichten schon aus, den Reaktor unterkritisch zu machen.

Kunststoff versprödet leicht bei Bestrahlung mit Neutronen- und Gamma-Strahlen. Die Verwendung von Polyethylen war im SUR 100 aber kein Problem, da die Strahlendosis während der Gesamtbetriebszeit klein genug war, so dass keine nachweisbaren Schäden entstanden.

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2

Innerer und äußerer Grafitreflektor

Die frei im Raum aufeinander gestapelten Brennstoff/Moderator-Platten bildeten für sich allein noch keine kritische Masse, da die Verluste an schnellen und thermischen (= langsamen) Neutronen durch die Oberfläche zu groß gewesen wären. Deshalb war die Spaltzone allseitig von Grafit (200 mm) eingeschlossen.

Grafit streut die schnellen und die thermischen Neutronen. Dabei werden die schnellen Neutronen auch abgebremst. Bei einem Teil dieser Streuungen werden Neutronen wieder in die Spaltzone zurückgestoßen. Dies genügt für eine ausgeglichene Neutronenbilanz.

Unterschieden wird zwischen einem "inneren" und einem "äußeren" Reflektor. Der innere Reflektor und die Spaltzone waren in einem gasdichten Behälter eingeschlossen. Die Fachbezeichnung "Reaktorkessel" war etwas irreführend, da kein Druck vorhanden war.

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3

Regelplatten

Jede Regelplatte bestand aus einem Cadmium-Blech, das auf auf das Ende einer langen Blattfeder genietet war. Cd ist ein sehr starker Absorber für thermische Neutronen. Es genügte bereits eine voll eingefahrene Regelplatte zur Abschaltung des Reaktors.

Die Regelung erfolgte durch Ausfahren nach unten bzw. durch Einfahren nach oben. Der Regelplattenantrieb (7) war unterhalb des Reaktors. Im abgeschalteten Zustand waren die Regelplatten voll in den Reaktor eingefahren. Beim Anfahren konnten sie erst bewegt werden, wenn die untere Häfte der Spaltzone ("untere Kernhälfte") nach oben in die Betriebsposition gefahren war.

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4

Bleiabschirmung

Die Spaltzone und der Reflektor waren mit einer 100 mm dicken Bleischicht als Abschirmung umgeben (m_Pb = 2.700 kg). Das Blei diente vor allem als Abschirmung gegen Gammastrahlen. Als Abschirmung gegen Neutronen ist Blei, vor allem wegen seiner hohen Massenzahl, weniger geeignet.

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5

Thermische Säule

Oberhalb des Reaktors befand sich ein großer Grafitzylinder. In ihm sollten die Neutronen so weit abgebremst werden, dass man in Bestrahlungskanälen, die von oben in diese "thermische Säule" hineinreichten, Versuche mit vorwiegend thermischen Neutronen durchführen konnte.

Nach oben war die thermische Säule mit einem Kunststoffdeckel abgeschschirmt, der Borcarbid (B₄C) enthielt. Bor ist ein starker Neutronenabsorber für thermische Neutronen.

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6

Borsäurelösung zur Abschirmung

In einem Ringbehälter befand sich Wasser mit gelöster Borsäure (5%) als Abschirmung.

• Als leichtester Atomkern ist der Wasserstoffkern (H¹) besonders geeignet zur Abbremsung von schnellen Neutronen
• Leichter Wasserstoff (H¹) fängt auch in geringem Umfang thermische Neutronen ein
• Bor mit seinem Isotop B¹⁰ ist ein starker Absorber für thermische Neutronen
• Die Wasserschicht war gleichzeitig eine weitere Abschirmung gegen Gammastrahlen

Die höchste Ortsdosisleistung an der Reaktoraußenwand aus Neutronen- und Gammastrahlung betrug bei Nennleistung 45 µSv h^-1.

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7

Regelplattenantrieb

Sollte eine Regelplatte ganz oder ein wenig aus dem Reflektor herausgefahren werden, so wickelte der Antrieb das Federstahlband auf, auf das an seinem oberen Ende ein Cadmiumblech (Cd = Neutronenabsorber) genietet war (3). Durch Umkehrung der Drehrichtung wurde die Regelplatte wieder eingefahren.

Bei Schnellschluss oder Stromausfall öffnete sich die elektrisch geschaltete Kupplung des Antriebs, die Stahlfeder entspannte sich und schoss in den Reaktor. Im abgeschalteten Zustand waren die Regelplatten immer voll eingefahren.

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8

Kernhubwerk, Antrieb für die Neutronenquelle

Im abgeschalteten Zustand war die untere Hälfte der Spaltzone ("untere Kernhälfte") 5 cm nach unten abgesenkt. Zum Anfahren des Reaktors musste das Kernhubwerk die untere Kernhälfte nach oben fahren. Dies geschah mit einer so niedrigen Geschwindigkeit (1 cm min^-1), dass die Messgeräte in jedem Fall den Anstieg der Spaltrate sicher erfassten.

Bei Stromausfall oder Schnellschluss öffnete sich eine elektrisch geschaltete Kupplung, die untere Kernhälfte fiel 5 cm nach unten, der Reaktor war abgeschaltet.

Theoretisch hätte man den Reaktor dadurch starten können, dass man gewartet hätte, bis Neutronen aus Spontanspaltungen im Uran (U²³⁸) freigesetzt wurden und die Kettenreaktion einleiteten. Die dabei gemessenen Zählraten der Messgeräte wären anfänglich dann aber so klein gewesen, dass das Erreichen der Kritikalität nicht hätte erkannt werden können.

Aus diesem Grunde befand sich innerhalb des Kernhubwerks eine Ra-Be-Quelle mit einem eigenen Antrieb, die vor dem Anfahren an die Spaltzone herangefahren werden musste.

Ra (Radium) sendet u.a. Alphastrahlen aus, die in Be (Beryllium) zu einer Be⁹(Alpha, n)C¹²-Reaktion führen. Die dabei frei werdenden Neutronen führen zu einer gut messbaren Zählrate.

Natürlich konnte die Neutronenquelle wieder herausgefahren werden, wenn der Reaktor kritisch war.

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9

Neutronendetektoren

Als Neutronendetektoren wurden verwendet

• BF₃-Zählrohre für die niedrigen Zählraten in der Anfahrtphase
• Ionisationskammern für die höheren Neutronenflussdichten im Betrieb

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