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Es ist bekannt, dass elektrisch neutrale Atom- teilchen, die sogenannten Neutronen, beim Durch- gang durch einen Stoff von demselben absorbiert werden. Bei dieser Absorption wird Energie frei, u. zw. in einer Menge, welche von der Art des absorbierenden Stoffes und der Geschwindigkeit der Neutronen abhängt.
Die schnellen Neutronen, deren Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 10.000 mls oder darüber liegt, werden nur wenig absorbiert.
Im Gegensatz hiezu werden jene sehr langsamen Neutronen im allgemeinen besonders stark absorbiert, deren Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 2500 m/s oder darunter liegt, also im Bereich der Geschwindigkeiten, die bei der thermischen Bewegung der Wasserstoffatome auftreten ; deshalb werden diese Neutronen auch als thermische Neutronen bezeichnet.
Anderseits gibt es bestimmte Elemente, welche Neutronen stark absorbieren, deren Geschwindigkeit zwischen engen Grenzen liegt. Diese Grenzen hängen von der Art des Elementes ab.
Man spricht in solchen Fällen von Neutronen, welche durch Resonanz absorbiert werden.
Es ist ferner bekannt, dass die thermischen bzw. die schnellen Neutronen bei Absorption in gewissen Stoffen, wie Uran oder Thorium, eine Spaltung des Atomkernes dieser Stoffe in grosse Stücke herbeiführen, wobei eine Kernenergie von etwa 0-00032 Erg frei wird und eine Reihe neuer Neutronen ausgestrahlt werden, deren Anzahl beim Uran im Durchschnitt höher ist, als die Einheit von drei Neutronen.
Um im Inneren einer begrenzten Masse von Uran bzw. Uranverbindungen oder einem uranhaltigen Gemenge eine bedeutende Menge Energie freizusetzen, die etwa in Form von Wärme verwertet werden könnte, würde es genügen, wenn im Durchschnitt mehr als ein Neutron von den drei neu ausgestrahlten Neutronen bei der Absorption durch den Urankern eine neue Umwandlung hervorriefe, die ihrerseits unter Ausstrahlung dreier neuer Neutronen erfolgt.
Die Hauptschwierigkeit, auf die man stösst, besteht darin, dass die bei jeder Spaltung neugebildeten Neutronen schnelle Neutronen sind und dass diese ein viel geringeres Spaltungsvermögen als die thermischen Neutronen haben.
Es ist bereits bekannt, dass man die schnellen Neutronen bis auf die Geschwindigkeit von thermischen Neutronen verlangsamen kann, wenn man sie durch Massen hindurchtreten lässt, welche leichte oder besonders leichte Atome enthalten. Man hat daher versucht, dieses
Verhalten zur Verzögerung der bei der Spaltung von Urankernen ausgesandten schnellen Neu- tronen zu benützen und die so verlangsamten
Neutronen zur Einleitung neuer Umwandlungen durch Zusammenstoss mit weiteren Urankernen zu befähigen.
Auf Grund der bei diesem Gegenstand ge- wonnenen Erfahrungen kamen bisher nur solche
Materialien zur Anwendung, die grundsätzlich
Wasserstoff-oder Kohlenstoffatome oder beide als Verzögerungselemente enthielten, z. B. in
Form von Wasser oder Paraffin.
Die Energieabnahme der Neutronen beim
Durchgang durch die genannten Stoffe war aber von einer solchen Absorption begleitet, dass man schliesslich feststellen musste, dass der Aufbau einer zur Erzielung von Kettenreaktionen geeigneten Anordnung aus solchen Verzögerungselementen und normalen Uranmassen praktisch unmöglich war ; mit anderen Worten, die Verzögerungsmassen absorbierten nahezu alle Neutronen, bevor diese noch in das Stadium der thermischen Neutronen gelangt waren.
Es wurde nun gefunden, dass sich bei der Spaltung von Urankernen, die unter der Einwirkung von Neutronen zur Aussendung von neuen Neutronen und Freisetzung der Spaltungsenergie befähigt sind, die Gewinnung von Energie verwirklichen lässt, wenn auf dem Wege der neu ausgesandten Neutronen als Verzögerungsmasse für die Neutronen Deuterium in freier oder gebundener Form bzw. Helium eingeschaltet wird.
Die primären Neutronen, welche auf die zur Energiefreisetzung verwendete Masse einwirken, können von einer Strahlenquelle stammen, die innerhalb oder ausserhalb der Masse angeordnet ist.
In der Zeichnung ist der Verlauf konvergierender bzw. divergierender Kettenreaktionen schematisch dargestellt. In den Fig. 1 und 2 bedeuten die schwarzen Kreise die Kernumwandlungen, wobei die Bildung neuer Neutronen durch die divergierenden Geraden dargestellt wird und die weissen Kreise irgendeine Ursache versinn- bildlichen, welche die Entwicklung der Ketten unterbindet. Werden nun bei diesem Verfahren
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infolge der Spaltung weiterer Urankerne neue
Neutronen gebildet, so entstehen gemäss Fig. 2 divergierende Reaktionen. Hiebei findet eine
Selbstregelung der Reaktion statt, d. h. die Bildung divergierender Ketten ins Grenzenlose, welche den ganzen Apparat durch Explosion zur Ver- nichtung brächte, wird automatisch verhindert.
Dies wird dadurch bewirkt, dass das Verzögerungsvermögen des in die Uranmasse eingeführten
Deuteriums bzw. Heliums bei Temperatur- erhöhung sinkt ; infolgedessen nimmt die Wahr- scheinlichkeit, wonach ein Neutron die Uranmasse verlassen kann, bevor es absorbiert wird, im gleichen Sinne wie die Temperatur zu, was wieder dazu führt, dass die Reaktionsketten im
Sinne der Fig. 1 konvergieren. Die Energiefreisetzung hört dann auf, die Temperatur sinkt und die Ketten werden hiedurch wieder divergierend usw.
Des weiteren gestattet das Verfahren die Verwirklichung der Bedingungen, bei welchen die durch die Freisetzung von Kernumwandlungsenergie bewirkte Temperatursteigerung eine rasche Veränderung der Konzentration bzw. der räumlichen Verteilung der an der Energiegewinnung beteiligten Elemente herbeifuhrt, wobei die Bildung der Ketten unterbrochen wird, so dass das Verfahren sich nunmehr im Sinne der Fig. 1 abwickelt.
Das Deuterium kann in flüssiger Form (z. B. als schweres Wasser) oder in Gasform eingeführt werden. Wenn das Verzögerungselement in gasförmigem oder dampfförmigem Zustande (z.
B. als Dampf von schwerem Wasser) vorliegt, so kann man es gegebenenfalls unter Druck einführen, insbesondere um die gewünschte Deuterium-bzw. Heliumkonzentration trotz der Temperaturerhöhung aufrechtzuerhalten.
Um die Sicherheit der Apparatur zu erhöhen und einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, kann man gegebenenfalls noch zusätzlich im Inneren der Uranmasse eine gewisse Menge eines Stoffes, wie z. B. Kadmium oder eine Kadmiumverbindung, anordnen, der einen Teil jener thermischen Neutronen zu absorbieren vermag, die durch die Verzögerung der bei der Urankemumwandlung sich ergebenden schnellen Neutronen gebildet werden, wobei der Ab- sorptionskoefnzient dieses Stoffes mit steigender Temperatur im Verhältnis zum Absorptionskoeffizienten des Urans immer grösser wird.
Die Auswahl dieser absorbierenden Elemente kann z. B. an Hand der" Tables Annuelles de Constantes et Données Numériques de Physique Nucléaire" (Hermann & Cie., Paris, 1938, Nr. 26, Kapitel Neutronen, Diffusionskoeffizienten, S. 44/89 und 44/95) erfolgen.
Die in die Uranmasse eingeführten verzögernden und absorbierenden Elemente dürfen jedoch die Bildung divergierender Ketten nicht gänzlich verhindern. Die einzuführenden Mengen können etwa in folgender Weise ermittelt werden :
Mit n wird die mittlere Anzahl der bei der Kernspaltung des Urans ausgestrahlten Neutronen bezeichnet. P bedeutet das Produkt aus der Urankonzentration (Anzahl der Atome im cm3) und dem Wirkungsquerschnitt des Urankernes bei der Spaltung mittels thermischer Neutronen. A ist die Summe aller analogen Produkte für sämtliche, in der Vorrichtung anwesenden Körper, wobei der wirksame Absorptionsquerschnitt für die thermischen Neutronen annähernd dem reziproken Wert ihrer Geschwindigkeit (im Uran, Deuterium usw. ) entspricht.
Unter C ist das- selbe Produkt für das Absorptionselement (Kadmium od. dgl. ) zu verstehen.
Aus der Formel
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ergeben sich dann die nicht zu überschreitenden Konzentrationsgrenzen der in die Mischung eingeführten Stoffe, wobei die Mischung hier als homogen angenommen ist.
Man sieht, dass eine Temperaturerhöhung den Wert n'zum Sinken bringt und dass es hiebei möglich ist, dass der Wert von grösser als Eins auf kleiner als Eins zurückgeht. Die Menge der zugeführten absorbierenden Elemente wird um so grösser sein, je niedriger die für die Stabilisierung erwünschte Temperatur ist.
Die Entwicklung der Kettenreaktionen wird auch von der Menge des zur Anwendung gelangenden Urans bzw. der Uranverbindungen beeinflusst. Tatsächlich kann je nach Diffusion durch die Uranmasse ein jedes Neutron die Vorrichtung verlassen und sich im Raum verlieren, ohne absorbiert zu werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Absorption der Neutronen durch das Uran kommt, wird daher durch die Erhöhung der verwendeten Uranmenge be- trächtlich gesteigert.
Bei sonst gleichen Verhältnissen gibt es demzufolge einen kritischen Wert der Uranmasse, unterhalb dessen die Verzweigung der Ketten nicht mehr unbegrenzt sein kann. Da die Wissenschaft heute schon über Apparate zur Messung der Vervielfachung der Neutronen verfügt, ist es nicht schwierig, durch progressive Experimente den Wert der kritischen Masse zu bestimmen.
Man kann diesen Wert dadurch heruntersetzen, dass man die Uranmasse mit einer mehr oder weniger starken Schicht diffundierender Körper umgibt, welche z. B. eine die Masse vollständig oder teilweise umgebende reflektierende Hülle bilden. Diese Hülle begünstigt die Kettenbildung, da sie einen Teil der Neutronen, die der Uranmasse entkommen sind bzw. die sich in der Hülle gebildet haben, zur Uranmasse rücksendet. Diese reflektierenden Körper können aus Eisen, Blei, Beryllium, Kalziumkarbonat bestehen und eine Stärke von z. B. mehreren Dezimetern erreichen.
Die kritische Masse lässt sich noch weiter vermindern durchErhöhung der Dichte der Substanz, aus der sie besteht. Für eine gegebene Verbindung ist die kritische Masse verkehrt proportional dem Quadrat der Dichte. Zur Erreichung hoher
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Dichten wird man daher Verbindungen hoher Dichte verwenden, z. B. metallisches Uran, gekohlt oder nicht, Urankarbid usw.
Aus dem gleichen Grund empfiehlt es sich, verzögernde Elemente hoher Dichte zu verwenden.
Man kann gleichfalls, um die Dichte zu erhöhen, Körner oder Pulver aus Uranverbindungen (z. B.
Oxyde) verwenden und dieselben stark komprimieren. Auch kann man solche Verbindungen zum Schmelzen bringen bzw. ihre Kristallisation in der Masse verursachen.
Gemäss der Erfindung lässt sich das oben geschilderte Verfahren mit Hilfe einer Apparatur verwirklichen, bestehend aus einer Masse von Uran oder Uranoxyd, welche in ihrem Inneren Deuterium in freier oder gebundener Form bzw. Helium enthält und aussen von Wandungen, z. B. aus Eisen, umgeben ist, welche die Neutronen zurückstrahlen, ohne sie praktisch zu absorbieren, sowie aus einer innerhalb oder neben der Masse liegenden Neutronenquelle und aus bekannten Mitteln zur Ableitung der freigesetzten Wärme, z. B. mittels einer zirkulierenden Flüssigkeit, welche mit den an der Reaktion beteiligten Elementen in Berührung steht.
Eine praktische Ausführungsform für das erfindungsgemässe Verfahren ist in der schweiz.
Patentschrift Nr. 233011 der Erfinderin beschrieben, bei welcher Apparatur reines schweres Wasser durch hohle Uranwürfel strömt und kadmiumplattierte Scheiben mehr oder weniger in das System eingreifen.
Die von der Quelle ausgestrahlten Neutronen werden, wie bereits oben erwähnt, von der Uranmasse absorbiert und verursachen die Spaltung der Uranatomkerne, wodurch Energie freigegeben wird und im Durchschnitt für jeden umgewandelten Kern drei neue schnelle Neutronen zur Ausstrahlung gelangen. Diese Neutronen werden durch den Verzögerungskörper in langsame oder thermische Neutronen umgewandelt und es kann mehr als ein Neutron von den drei aus der Kernumwandlung stammenden Neutronen neue Umwandlungen herbeiführen.
Unter den verzögerten Neutronen rufen jene, die vom Uran durch "Resonanz" absorbiert werden, praktisch keine neuen Kernumwandlungen mehr hervor. Es empfiehlt sich daher, den Verzögerer in diskontinuierlicher Weise zu verteilen, da man hiedurch die Bildung sogenannter Resonanz-Neutronen verhindert.
Man kann auch die maximale, in der Apparatur erreichbare Temperatur variieren, indem man in die Vorrichtung eine mehr oder minder grosse Menge eines solchen Stoffes wie Kadmium einführt, der die Neutronen zu absorbieren vermag.
Das Anspringen der Apparatur oder das Wiederanspringen derselben, falls die Temperatur unter die Stabilisierungsgrenze sinkt, kann erfolgen : Entweder unter der alleinigen Wirkung der kosmischen Strahlung oder unter der Wirkung einiger in der Apparatur zurückgebliebener Neutronen (Fall des Wiederanspringens) oder unter der Wirkung einer Neutronenquelle, welche in oder in der Nähe der Uranmasse angeordnet ist und z. B. aus einem Gemisch von Radium und Beryllium besteht, oder durch Einführung eines Elementes wie Beryllium in die Uranmasse, welches unter der Wirkung der Strahlung des Urans Neutronen auszusenden vermag, oder schliesslich durch Neutronen, welche nachträglich von solchen Stoffen ausgesandt werden, die bei früheren Umwandlungen entstanden sind.
Anderseits lässt sich die Energiegewinnungsvorrichtung in folgender Weise abstellen : Entweder durch eine Trennung der Uranmasse, die z. B. aus zwei Halbkugeln bestehen kann, welche man voneinander trennen und entfernen kann oder durch eine Erhöhung der Menge des eingeführten Verzögerungselementes bzw. durch die völlige Zurückziehung desselben, oder durch eine Erhöhung der Menge des absorbierenden Elementes, d. h. z. B. durch die Einführung neuer Kadmiumbleche in die Masse, oder durch Verwendung von neutronenabsorbierenden Elementen, sei es, dass diese in die Uranmasse eingeführt oder die Masse umgebend angeordnet werden, z.
B. als Wasserabschirmungen in der Masse oder als Wasserschicht rund um die Masse, oder durch Wegnahme der reflektierenden Elemente ausserhalb der Masse, wovon noch weiter unten gesprochen wird, oder schliesslich durch Entfernen der oberwähnten Neutronenquelle.
Bei Inbetriebsetzung der Apparatur durch Einleitung der Reaktion muss man die kritischen Werte in progressiver Weise verwirklichen, wobei man im umgekehrten Sinne vorgeht, wie dies für die Abstellung der Apparatur vorgeschrieben ist. Dies ist nötig, damit die Temperatur der Masse sich nur ganz allmählich steigert.
Da die bei der Kernumwandlung des Urans freigesetzte Energie sich nicht nur in der Bildung von Wärme äussert, sondern auch gleichzeitig durch verschiedene Strahlungen, die zum Teil lebensgefährlich sein können, muss dafür Sorge getragen werden, dass die Inbetriebsetzung, Einstellung und Abstellung der Apparatur aus der Ferne vorgenommen werden kann.
Die freiwerdende Energie kann in thermischer Form durch Wärmeleitung entnommen werden, indem z. B. zwischen der Masse und einer Wasserschicht Berührung hergestellt wird und die Wärme der Masse durch Leitung auf das Wasser übergeht, oder durch Konvektion, indem Wasser oder Gas durch die Vorrichtung durchgeleitet wird, oder durch Strahlung oder schliesslich durch endotherme chemische Reaktionen, beispielsweise im Inneren der Masse. Das gegebenenfalls zur thermischen Ableitung der in der Vorrichtung gebildeten Energie dienende Medium kann auch ausschliesslich oder zum Teil die Rolle des Verzögerers und bzw. oder der absorbierenden Masse spielen.
Die Vorrichtung gestattet gleichfalls die Erreichung sehr hoher Temperaturen, die für zahlreiche praktische Anwendungszwecke geeignet sind.
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Unter weiteren Anwendungsgebieten ist zu erwähnen, dass die Energieabgabe auch Ver- anlassung zu einer starken Ausstrahlung (z. B.
X-Strahlen, ;-Strahlen oder Neutronen) gibt.
Wenn auch diese Strahlen gefährlich sind und eine Wasserschutzhülle um den ganzen oder einen
Teil der Vorrichtung verlangen, so sind sie doch insbesondere auf medizinischem Gebiet, von grösstem Interesse.
Schliesslich sind noch die Nebenprodukte zu erwähnen, welche man in der Vorrichtung erhält und die dadurch entstehen, dass nach Massgabe des Betriebes neue Elemente (Jod, Kalium, radioaktive Elemente, seltene Isotopen oder
Gemische von Isotopen in abnormalen Ver- hältnissen usw. ) in der Masse sowie in den Abschirmungen und den Aussenhüllen erscheinen.
Die grundlegende Zusammensetzung der Masse ändert sich demnach langsam und im Augenblicke, wo die Vorrichtung nicht mehr funktionieren kann, muss diese geöffnet werden, um die einzelnen Teile auseinanderzunehmen und die oberwähnten Nebenprodukte zu gewinnen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Energiegewinnung durch Spaltung von Urankemen bei Beschiessung einer Uran-bzw. Uranoxydmasse mit Neutronen, wobei neue Neutronen ausgesandt werden und auf dem Wege der neu ausgesandten Neutronen ein Element angeordnet wird, welches die Geschwindigkeit dieser Neutronen unter den Bereich der Resonanzgeschwindigkeit von Uran herabzumindern vermag, dadurch gekennzeichnet, dass als Verzögerungselement Deuterium in freier oder gebundener Form bzw. Helium verwendet wird.