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Vorrichtung zur technischen Energiegewinnung mit Hilfe von
Kernspaltungsreaktionen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur technischen Energiegewinnung mit Hilfe von Kernspaltungsreaktionen, wobei ausser den eigentlichen Spaltsubstanzen (Brennstoff) neutronenstreuende Substanzen (Moderator) und gegebenenfalls neutronenabsorbierende Substanzen (Absorber) verwendet sind.
In derartigen Vorrichtungen (Spaltungsreaktoren) wird die Aufrechterhaltung der energieproduzierenden, mit Hilfe der bei der Kernspaltung entstehenden Spaltneutronen (Sekundärneutionen) als Kettenreaktion ablaufenden Kernspaltungen dadurch bewirkt, dass die schnellen Spaltneutronen in den neutronenstreuenden Substanzen (Moderator) auf langsame Geschwindigkeiten gebremst (moderiert) werden. Dieser Vorgang erhöht die Häufigkeit der Kernspaltungen und damit auch der Neutronenproduktion, da Kernspal- tungen in überwiegendem Masse von langsamen Neutronen bewirkt werden. Die Neutronenbilanz wird gehoben, wodurch erhöhte Neutronenverluste, welche den Abbruch der Kettenreaktion zur Folge haben, kompensiert werden können.
Eine derartige Vorrichtung wurde von S. Flügge in der Zeitschrift Naturwissenschaften 27 [1939] im Heft 23/24 vom 9. 6. 1939, S. 402/410 beschrieben, wobei nach dem Vorschlag von S. Flügge die Spaltsubstanzen (Brennstoff) mit den neutronenstreuenden Substanzen (Moderator) homogen gemischt sind (homogener Spaltungsreaktor).
Die Neutronenökonomie ist jedoch infolge starken Neutroneneinfanges durch die Spaltsubstanzen bei einer homogenen Mischung von Spaltsubstanzen und neutronenstreuenden Substanzen nicht gut, so dass eine Kettenreaktion nur unter erschwerenden technischen Bedingungen in Gang gesetzt und aufrechterhalten werden kann.
Dieser Mangel wird durch die Erfindung dadurch behoben, dass die Spaltsubstanzen (Brennstoff) von den Neutronen streuenden Substanzen (Moderator) räumlich getrennt angeordnet sind (heterogener Spaltungsreaktor). Unter "räumlich getrennt" wird hier das Gegenteil einer homogenen Mischung verstanden, nämlich die "makroskopische" Eigenständlichkeit der Bereiche der Spaltsubstanzen (Brennstoffbereiche) und der Bereiche der neutronenstreuenden Substanzen (Moderatorbereiche).
Dadurch, dass auf diese Weise die Spaltneutronen in von der Spaltsubstanz hinreichend entfernten Bereichen auf thermische Geschwindigkeit abgebremst werden, entgehen sie leichter den Einfangprozessen, welche bei bestimmten mittleren Geschwindigkeiten (Resonanzbereichen) der Neutronen in besonderem Masse auftreten. Der Vermehrungsfaktor für die Spaltneutronen erreicht auf diese Weise - bedingt auch durch die geometrische Anordnung der Spaltsubstanzen und neutronenstreuenden Substanzen - den kritischen Wert 1 für stationären Reaktorbetrieb.
Vor dem Prioritätszeitpunkt der Erfindung hatte man lediglich in Experimentieranordnungen die von einem Ra-Be-Präparat ausgesandten Primärneutronen in räumlich von derSpaltsubstanz getrennt angeordneten neutronenstreuenden Substanzen gebremst (vgl. Comptes Rendus 208, [1939J. S. 898/900). Es ist jedoch vor dem Prioritätszeitpunkt der Erfindung nicht bekanntgeworden, eine derartige Anordnung auch zur Bremsung von in der Spaltsubstanz entstehenden Sekundärneutronen (Spaltneutronen) vorzusehen. Es
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lag eben nicht nahe, die in der Spaltsubstanz entstehenden Sekundärneutronen, welche zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion in eben dieser Spaltsubstanz für weitere Spaltungsreaktionen benötigt werden, ausserhalb der Spaltsubstanz abzubremsen (zu moderieren).
Eine weitere Möglichkeit, die Neutronenökonomie zu verbessern, besteht in der erfindungsgemässen Anwendung eines reinen Isotops der Spaltsubstanz mit grossem Spaltungswirkungsquerschnitt für Neutronen, vorzugsweise langsame (thermische) Neutronen bzw. einer mit einem solchen Isotop angereicherten Substanz. Es wurde zwar zum Prioritätszeitpunkt der Erfindung schon vermutet, dass z. B. das Uranisotop 235 das im wesentlichen spaltbare Isotop sei des Urans (vgl. Naturwissenschaften 27 [ 1939], S. 405), jedoch wurden daraus keinerlei technische- Massnahmen gefolgert, insbesondere nicht bei räumlicher Trennung von Spaltsubstanz und neutronenstreuenden Substanzen.
Die Kettenreaktion, welche in der erfindungsgemässen Vorrichtung abläuft, kann man auch steuern, sei es durch Nähern oder Entfernen des streuenden Materials (Moderator), sei es durch Beimengung neutronenabsorbierender (aber keine Neutronen liefernden) Substanzen (Absorber), schliesslich dadurch, dass man durch die spezielle geometrische Anordnung der reagierenden Substanzen denvermehrungsfaktor um ein geringes kleiner als 1 macht.
Beispiel : Eine dünne Platte aus. Uranisotop 235, beiderseits bedeckt von dickeren Paraffinplatten oder etwa gleich von dem Wasser eines zu heizenden Dampfkessels, bestrahlt mit Ra-Be-Neutronen, bil- det einen Heizkörper von ungeheurem Wärmevorrat. Der Gefahr der Explosion kann hier schon durch die Verwendung der langsamen Neutronen vorgebeugt werden, da bei entsprechender geometrischer Anordnung der oben. erwähnte Vermehrungsfaktor bei einer bestimmten Temperatur unter seinen kritischen Wert 1 sinkt, so dass man geradezu auf eine bestimmte Temperatur einstellen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur technischen Energiegewinnung mit Hilfe von Kernspaltungsreaktionen, wobei ausser den eigentlichen Spaltsubstanzen (Brennstoff) neutronenstreuende Substanzen (Moderator) und gegebenenfalls neutronenabsorbierende Substanzen (Absorber) verwendet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltsubstanzen (Brennstoff) von den neutronenstreuenden Substanzen (Moderator) räumlich getrennt angeordnet sind.