DE1014672B - Vorrichtung zur Kernspaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor unter Verwendung bestimmter Isotope als Brennstoff.

Zweck der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu. schaffen, mit deren Hilfe: sich, die aus Kernen eines bestimmten. Aufbaues freigesetzte S ρ al tongs energie gewinnen und nutzbar machen läßt.

Gemäß der Hauptpatentanmeldung ist ein, Verfahren, zur Durchführung' von Atomkernspaltung-Kettenreaktionen durch Neiutronenstoß, Einfall von, Strahlungen oder andere bekannte Mittel dadurch, gekennzeichnet, daß an. Stelle von, oder zusammen mit bekannten spaltbaren Isotopen, natürliche stabile 1 sctcpe (mit Ausnahme der Spaltung vom Tantal durch α-Strahlen) oder aus stabilen Isotopen erhaltene künstliche unstabile Isotope gespalten werden, deren Kern als aus in, erster Näherung kubisch raumzentrierten Gitterzellen aufgebaute, in, einer Erstreckungsrichtung mindestens acht Gitterzellenischichten aufweisende, von Würfel- und Oktaederflächien begrenzte,, gegebenenfalls in. mehreren Iscmerieformem auftretende Kristallform darstellbar ist, deren, Beigrenzungsflächen j eweils in. der Ebene von Gitterzelleneckpunkten liegen, wobei sämtliche Gitterzelleneckpunkte mit Posigra.visomcn und sämtliche Gitterzellenmittelpunkte mit Ncgasomen besetzt sind und Isomerieiformen durch verschiedenartige Anordnung der Kristallbegrenzungsflächen bei gleichbleibender Anzahl von Poeigravisomeni und Negasomen der Kristallform bestimmt sind; dabei bedeutet »Posigravisoin« ein neu postuliertes Elementarteilchen, das, wenn es sich außerhalb eines schwereren Kernes befindet und einen Zustand gequantolter Rotation angenommen hat, der sich, als Spin Vz äußert, das klassische Proton darstellt, und »Xegasom« ein neu postuliertes Elementarteilchen,, das, wenn, es sich außerhalb eines schwererein. Kernes befindet und einen Zustand, gequantelter Rotation angenommen, hat, der sich als Spin Vz äußert, das klassische Elektron darstellt.

Die Erfindung besteht in vorteilhaften Formen der Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Anwendung dies Verfahrens nach der Hauptpatentanmeldung.

Was speziell das Isotop 144 des Samariums anbelangt, so- beträgt — auf Grund seines ermittelten Atomgewichtes — die durch, den Spaltungsprozeß freigesetzte Energie schätzungsweise zwischen 0,065 und 0,075 Masseneinheiten; das entspricht, in, Energie umgerechnet, einem Wert von ungefähr 9,75 bis ungefähr 11,5 Milliarden Kalorien pro Kilogramm Samarium 144. Das wiederum entspricht etwa, der Hälfte der Energie, die durch Uran 235 freigesetzt wird,, nämlich ungefähr 20· Milliarden. Kalorien pro Kilogramm, das ist ungefähr das Millionenfache des Kalorien-wertes der hochwertigeren, bekannten Brennstoffe.

Vorrichtung zur Kernspaltung

Zusatz zur Patentanmeldung T 10127 VIIIc/21g
(Auslegeschrift 1 006 085)

Anmelder:

Giovanni Battista Tommasi,
Mailand (Italien)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:

Italien vom 16. Oktober 1954 und ¹M. August 1955

Giovanni Battista Tommasi, Mailand (Italien),
ist als Erfinder genannt worden

Nachdem die Häufigkeitsschätzungen für Samarium 144 einerseits und Uran 235 andererseits ergeben,, daß die Atome des Samariums 144 zahlenmäßig fünfzehnmal häufiger als die des Urans 235 sind, und nachdem derzeit, das Samarium als Nebenprodukt bei dar Raffination des Urans anfällt und, statt irgendwie verwertet zu werden,, als Abfall beiseite geräumt wird, ist es klar, daß die Verwendung von Samarium 144 an Stelle, von und/oder zusätzlich zu Uran, 235 auf jeden Fall von. Vorteil ist, auch wenn die gewonnene Energie nur ungefähr die Hälfte pro. Gewichtseinheit ausmacht.

Es ist bekannt, daß andere nicht radioaktive Mineralien Samarium enthalten, und es hat ■— zumindest nach dem augenblicklichen Stand der Kenntnis — den Anschein,, daß das Samarium nicht spontan zerfällt bzw. modifiziert wird; demnach könnte es in praktisch unbegrenzten Mengen gelagert und. konserviert werden, ohne daß es denjenigen, kritischen Zustand erreicht, bei dem spontan, die Zündung einer atomaren Kernspaltungs-Kettenreaktion erfolgt, wobei man, allerdings berücksichtigen muß, daß die Zündung durch einen kosmischen Strahl nicht absolut ausgeschlossen, ist.

Mithin, wird die Spaltung des Samariums 144 allgemein durch eine geeignete Neutronenquelle ausgelöst, und die Vorrichtung, mit. deren. Hilfe sich die aus dem Samarium 144 erhältliche Energie nutzbar machen läßt, kann im Prinzip auf zweierlei Weise ausgeführt sein,; im einen Falle wird das Samarium 144, entweder allein, oder mit Uran oder anderen Substanzen ver-

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mischt, in einen Uran- oder Plutoniumreaktor oder in eine Uran- oder Plutoniumbombe eingebaut, wobei die durch die Spaltung des Samariums 144 freigesetzte Energie in derselben: Weise, wie sie für die mit Uran oder Plutonium beschriebenen Vorrichtungen vorgesehen ist, verwertet und in diesem Falle zu der vom Uran oder Plutonium stammenden. Energie hinzugefügt wird; im zweiten Falle besteht die Vorrichtung allgemein, aus einer Quelle von, Neutronen geeigneter

Plutonium, konstruiert und bestimmt ist, eingeführt wird.

In dem Blockd.iagra.mm bezeichnet die Nummer 11 eine bestimmte Menge spaltbaren. Urans oder Plutoniums und. die Nummer 1 die Einrichtung zum Einschieben, bzw. Ausziehen des spaltbaren Produktes, und zwar mit Hilfe der Einrichtung 6, die verschieden ausgebildet sein kann, je nachdem, ob das Einschieben und Ausziehen, lediglich zu Beginn, und am Ende der

Energie, und Intensität sowie aus einer Einrichtung, io Reaktion oder aber während der Reaktion erfolgen

durch die das Samarium 144 in das Wirkungsfeld der von, dar Quelle emittierten Neutronen, gebracht wird, und, einer Substanz, die geeignet ist, die durch den Spaltungsprc'zeß entwickelte Energie in. Form von.

soll, und je nachdem, ob das spaltbare Produkt beim Einschieben bzw. Einführen, sich in festem oder verflüssigtem Zustand, befindet.

Die Nummer 24 bezeichnet das durch den Spaltungs-

Wärme oder Elektrizität oder Druck aufzunehmen und 15 Vorgang erzeugte Material, dessen Vorhandensein an dia zu ihrer Verwertung bestimmten Organe entweder durch die Einrichtung 1 und 6 oder durch weiterzuleitesn. Natürlich kann in. Fällen, wo das Auftreffen, eines kosmischen, Strahles zu erwarten: ist,

geeignete Einrichtungen, modifiziert

dieser seinerseits die Entstehung der den Zünder

anderweitige

werden kann.

Selbstverständlich kanu die Vorrichtung mit je bildenden Neutronenquelle veranlassen; unter dieser 20 einer oder aber auch mit je mehreren Einheiten; 1,6,11 Voraussetzung ist es möglich, einen gewöhnlichen. und 24 ausgerüstet sein, wenn man etwa eine größere Atommeiler, der lediglich mit Samarium 144 beschickt
wird, oder eine lediglich aus Samarium 144 bestehende
Bombe ohne eigene Neutronenquelle zu konstruieren
und zu betreiben.

In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden,, daß in der Natur eine Menge andere Elemente;, die Isotope mit einer oder mehreren im Sinne der Erfindung kristallinen. Kernformen! aufweisen, vorkommen, und

Ausbaute zu erhalten oder die Kernspaltung auf eine andere Weise durchzuführen wünscht.

Ferner können in der Vorrichtung ein oder mehrere mechanische oder chemische Mittel vorhanden sein, welche den. Neutronennuß, dar die Aufgabe hat, die Kettenreaktion in Gang zu halten, beeinflussen.

Diese Mittel sind schematisch durch eine Regeleinrichtung 2 und durch eine Einrichtung 7 zum Ein,-

zwar sowohl in stabiler als auch in unstabiler Form 30 schieben oder Ausziehen der Einrichtung 12, die

sowie mit neun oder mehr Schichten, von Po'sigravisomen.

Nach der Erfindung sind alle dieise Elemente auf Grund der länglichen Form ihrer »Kristallkernkörper« als spaltbare Objekte anzusehen..

Wenn daher im folgenden von Samarium 144 die Rede, ist, so ist dabei auch an sämtliche anderweitigen, Isotope nach der Hauptpatenta.nmeld.ung zu, denken.

Im folgenden ist an Hand von schema.tischen. Blockspeziell zur Beeinflussung des Neutronenflusses dient, angedeutet. Der Neutronenfluß ist schematisch durch die a,us der Einheit 11 austretenden Pfeile 16 und 17 angedeutet, und zwar je nachdem, ob der Fl|§| nach

dem Austreten aus 11 durch das Element 12 auf- ;■

gefangen oder aber weniger beeinflußt wird. ^:

Beim augenblicklichen. Stand der Technik besteht ,

die Einrichtung 12 aus neutronenreflektieirendeö Sub- ., stanzen!, neutroneneinfangenden, Substanzen, als

diagrammen die grundsätzliche Wirkungsweise der 40 Moderatoren bezeichneten Substanzen, die befähigt

Vorrichtung beschrieben, mit deren Hilfe sich erfm- sind, die Energie der Neutronen zu beeinflussen, und

dungsgemäß die Spaltungsenergie von Kernen des schließlich Substanzen, die für eine Vervielfachung

erwähnten. Strukturmcdells freisetzen und verwerten des Neutronenflusses sorgen; einige dieser Substanzen,

läßt. In der Zeichnung, bedeutet werden während der Reaktion durch die Einrich-

Abb. 1 ein Blcekdiagramm einer bekannten. Aus- 45 tungen 2 und 7 bewegt, während andere dieser Sub- ,

führungsform einer Vorrichtung zur Spaltung von stanzen, lediglich zu Beginn und am Ende der Reak-

Elementen wie Uran, oder Plutonium, wobei zusätzlich tion, bewegt werden.

das Element der erörterten, Kernstruktur, insbesondere Die Art und Weise, in der die; Einwirkung dieser

Samarium 144, eingeführt wird, Substanzen mit Hilfe: der im Blockdiagramm bei 2

Abb¹. 2 ein Blcckdiagramm analog dem nach Abb. 1, 50 und 7 angedeuteten Einrichtungen geregelt wird, kann

jedoch speziell für den Fall, daß nur Elemente der verschieden sein, je nachdem, ob die Substanzen der _;

erörterten. Kernstruktur gespalten werden., und Einrichtung 12 gesondert oder in Mischung mit den in

Abb. 3 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, bei der der Einheit 11 enthaltenen Substanzen vorhanden,

die durch, die Spaltung freigesetzte Energie so gelenkt sind; d.h., die Regelung kann entweder mit redn.

wird, daß sie normalen. Verwendungszwecken dienst- 55 mechanischen,Mitteln oder auf physikalisch chemischem

ba,r gemacht werden kann. Wege erfolgen.

In den, Abbildungen ist schematisch die Beschaffen- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen, zu heit eimer Vorrichtung gezeigt, wie sie zur Frei- den verschiedenen Teilen und. Einheiten, die im vorsetzung und Nutzbarmachung der Spaltungsenergie stehenden, aufgeführt und zusammenfassend beschriedes Samariums 144 vorzusehen wäre. In diesen Ab- 60 hen worden sind, ein; oder mehrere bei 13 und 15

bildungen sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsnummern, versehen, wodurch, angedeutet werden soll, daß bei den verschiedenen. Ausführungsformen der Vorrichtung der Anordnungsschematismus der einzelnen Einheiten im
bleibt.

Abb. 1 bezieht sich auf den Fall, wo das Samarium 144 in eine Vorrichtung bekannter Bauart bzw. in eine Vorrichtung, die in. irgendeiner Weise für die Spal-

angedeutete mechanische oder physikalisch chemische Mittel, in denen das Samarium 144 plaziert wird, hinzu.

Mindestens eines dieser Mittel, und zwar dia Ein-

wesentlichen unverändert 65 richtung 15, muß mit Hilfe der Einschiebevorriclv·

tungen, 3 und 8 in eine solche Lage gebracht werden,, daß es von dem aus der Einheit 11 stammenden Neutronenfluß 16 und 17 getroffen wird. :

Das in 13 enthaltene Element, d. h. das Samarium

tang von bekannten Produkten,, wie z.B. Uran und 70 144, erzeugt wiederum einen Neutronenfluß, der-·i

· > iiS

Blockdiagramm durch die Pfeile 18, 19, 20 und 21 angedeutet ist. Der Fluß 19 trifft unmittelbar auf die in 11 oder einer anderen analogen. Einheit enthaltenen Substanzen,, während, der bei 18 angedeutete Teil des Flußes zunächst bei 12 modifiziert wird und dann erst die erwähnten Substanzen trifft. Ein weiterer durch den, Pfeil 21 angedeuteter Teil des Flusses kann so gelenkt werden,, daß er unmittelbar eine mechanische oder physikalisch chemische Einrichtung 15, welche der Einheit 13 weitgehend ähnlich ist, trifft. Ein. weiterer Teil des aus der Einheit 13 stammenden Flusses wird zunächst durch die der bereits erwähnten Einrichtung 12 analoge Einrichtung 14 modifiziert und trifft dann auf die Einrichtung 15.

Die Wirkung der Einheit 14 wird durch die Einrichtungen 4 und 9, die den. Einrichtungen 2 bzw. 7 analog sind, bestimmt und beeinflußt. Die Einheit 15 wird durch die Einrichtungen 5 und 10, die in ihrer Beschaffenheit und Wirkungsweise den vorerwähntem Einrichtungspaaren 3 und 8 bzw. 1 und 6 ähnlich sind, eingeschoben oder ausgezogen.

Natürlich fallen, während des Betriebes, d. h. während der Kernspaltungsreaktion, auch in den Einr hei ten 13 und 15 Spaltungsprodukte an, die mit 25 angedeutet sind und entweder während der Reaktion oder am Ende derselben entfernt werden können. In analoger Weise sind bei 24 die Spaltungsprodukte der in dar Einheit 11 enthaltenen Substanzen angedeutet; diese Produkte können ebenfalls entweder während der Reaktion oder am Ende derselben, entfernt werden.

In die schematisch bei 13 und 15 angedeuteten Einheiten,, deren Anzahl jedoch, nicht auf eins oder ζ wed beschränkt ist, können zusätzlich zum Samarium 144 oder an, dessen, Stelle auch diejenigen spaltbaren Produkte, deren- Eigenschaften, bereits angeführt worden sind, eingebracht werden,, auch wenn dies hier nicht besonders angegeben ist.

Abb. 2, die der Abb. 1 hinsichtlich, der· blcekdiiagrammatischen Darstellungsweise entspricht, bezieht sich auf den, Fall, wo· die Spaltung von, Kernen entweder natürlicher stabiler Isotope oder aus stabilen Isotopen erhaltener künstlicher unstabiler Isotope, deren, Kern jedoch, auf jeden Fall eine oder mehrere Kristallformen, im Sinne der Erfindung, gebildet aus mindestens neun Schichten von. Posigravisomen, wie das Samarium 144, aufweisen muß, nicht gleichzeitig mit der Spaltung irgendwelcher bisher als spaltbar bekannter Kerne stattfindet.

Das heißt, die Abb. 2 bezieht sich auf den Fall, daß keine der Einheiten in der Reaktionskatte, Kerne; entweder des Urans oder des Plutoniums oder irgendwelcher anderer Transurane enthält, wohingegen sämtliche Einheiten, der Kette durch Samarium 144 oder durch anderweitige Kerne von, Isotopen, welche die erwähnte kristalline Struktur besitzen, gebildet werden.

Da auch in diesiem Falle die Reaktionskette¹ ihren Ausgang von, einer Neutronenquelle nehmen muß. ist diese Quelle in, Abb. 2 mit 11a bezeichnet.

Die Einheit 11a arbeitet genau: wie die entsprechende Einheit 11 in Abb. 1 und liefert den durch die Pfeile 16 und 17 angedeuteten Fluß, welcher mit Ausnahme: seiner Herkunft genau dem mit den gleichen, Bezugsnummern bezeichneten Fluß in Abb. 1 entspricht.

Mit Ausnahme dar in Abb. 2 mit la, 6a, lla und a bezeichneten Einheiten, welche sich speziell auf das als Neutronenquelle verwendete Material bzw. Medium beziehen, zeigen sämtliche anderen Vorrichtungsteile, welche in den beiden Abbildungen mit den gleichen Bezugsnummern bezeichnet sind, dieselbe zuvor beschriebene Wirkungsweise; trotzdem können diese Teile, ohne daß es über den Rahmen, der vorliegenden Erfindung hinausgeht, je nach den· besonderen, Umständen und der durch den Stand der Technik gewiesenen Konstruktionsweise verschieden. ausgebildet sein, insofern nämlich, als es erfindungsgemäß lediglich darauf ankommt, daß diese Teile zu einer Vorrichtung gehören, die zur Verwertung der betreffenden, speziellen Kerne dient.

In Abb. 2 sind mit la und 6a Einrichtungen bezeichnet, welche befähigt sind, die Lage oder die Wirkungsweise der Neutronenquelle 11 α zu beeinflussen; die Nummer 24α bezeichnet hier denjenigen Teil der Neutroneinquelle, der während des Prozesses, welcher den Fluß der batreffenden' Neutronen entstehen läßt, verändert worden, ist.

Auch, hier¹ kann die Qualle 11 α dem Neutronenfluß, welcher von der in dein, Einheiten. 13 und 15 stattfindenden Kettenreaktion herrührt, ausgesetzt werden, wie es durch die Pfeile 18 und 19 angedeutet ist.

Im Falle der Abb. 2 könnte die Einrichtung 6 a durch einen kosmischen Strahl vertreten werden, der in der Einheit 11 α irgendeinen Kern, oder einen spaltbaren Kern entweder eines bekannten Typs oder eines durch die erfindungsgemäßen. Vorschläge eingeführten, Typs oder aber einen für diesen Zweck eingerichtetem Kern trifft und dadurch die Erstausstoßung von Neutronen in der Spaltungskeitte, zu deren, Gliedern, die Einheiten, 13 und 15 gehören, bewirkt. Auch, in diesem Falle können; die Einheiten 11, 13 und. 15 in größerer Anzahl vorhanden, sein, als es in, dem Blockdiagramm schematisch angedeutet ist.

Abb. 3 schließlich zeigt eine Vorrichtung, in der die Spaltung erfmdungsgemäßer Produkte stattfindet, wobei jedoch die Mittel vorgesehen, sind, mit deren Hilfe die durch die Spaltung freigesetzte Energie einem gewöhnlichen. Verwendungszweck zugeführt wird.

In Abb. 3 haben die Bestandteile 1 bis 24 die gleiche Aufgabe und die gleiche: Wirkungsweise; wie diei entsprechendein Teile in, Abb. 1 und 2, unter Berücksichtigung der vorerwähnten möglichen Abweichungen.

In, Abb. 3 deuten ferner die Pfeile 26, 27, 28, 29 und 30 den Energiefluß an, welcher durch die Spaltung, durch den Abbau der Spaltprodukte oder durch mit der Spaltungskette parallel laufende Sekundärreakticnen freigesetzt wird.

Dieser Fluß wird ganz oder teilweise einem System 32 zugeleitet, welches befähigt ist, die nach bekannten Verfahren den. üblichen Umwandlungen, zwischen Wärmeenergie, mechanischer Energie, elektrischer oder Lichtenergie zu unterziehende Energie aufzunehmen und weiterzuleiten. Selbstverständlich, ist diese Wandlungsreihe hier nur als Beispiel angeführt, wobei es. ganz auf die Beschaffenheit der Fluida ankommt, welche in der schematisch bei 32 angedeuteten. Vorrichtung wirksam sind; die Vorrichtung 32 ist mit einem Einlaß 31 für das wirksame Fluidum sowie mit einem Auslaß 33 für dieses Fluidum versehen.

Der Zustand des durch den Einlaß 31 eintretenden Fluidums wird innerhalb des Elementes 32 modifiziert und ist daher am Auslaß 33 anders als am Einlaß.

Wird, dieses Fluidum lediglich durch Elektronen gebildet, so- ist der Unterschied zwischen 31 und 33 durch das Potential, die Geschwindigkeit und die Dichte des Fluidums gegeben. Besteht dagegen, das

Fluidum aus Atomen und, Molekülen,, so drückt sich der Unterschied zwischen 31 und 33 im physikalisch chemischen Zustand des Fluidums aus; handelt es sich, schließlich um einen Fluß von Strahlungsenergie, wie er nach der derzeitigen Terminologie als Quantenfluß :bezeichnet 'wird, so drückt sich der Unterschied zwischen, dem Einlaß 31 und dem Auslaß 33 in der Intensität sowie in der Frequenz aus, wobei diese Werte, am Einlaß 31 auch Null beitragen, können:.

Claims (4)

Patentansprüche IO

1. Vorrichtung zur Kernspaltung gemäß dem Verfahren nach Patentanmeldung T 10127 VIIIc/21g unter Verwendung der bei Atommeilern üblichen Regeleinrichtungen,, Moderatoren, Energieerzeugern. usw., dadurch gekennzeichnet, daß der Meiler als Kernbrennstoff an Stelle von oder zusammen mit bekannten spaltbaren Isotopen natürliche Isotope oder aus stabilen Isotopen erhaltene, künstliche unstabile Isotope enthält, deren Kern als aus in erster Näherung kubisch raumzentrierten, Gitterzellen aufgebaute, in einer Erstreckungsrichtung mindestens acht Gitterzellenschichten aufweisende, von Würfel- und Oktaederflächen begrenzte, gegebenenfalls in mehreren Isomerieformeni auftretende Kristall-

form darstellbar ist, deren Begrenzungsfläehen jeweils in der Ebene von Gitterzelleneckpunkten liegen, wobei sämtliche Gitterzelleneckpunkte mit Pcsigravisomen, und sämtliche Gitterzellenmittelpunkte mit Negasomen besetzt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausschließlicher Verwendung der Isotopen nach der Hauptpatentanmeldung eine fremde Neutronenquelle vorgesehen, ist.

3. Verrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Neutronenquelle, eine geeignete Menge des in, einer Zuführeinrichtung befindlichen Kernbrennstoffes, eine Einrichtung zur Beeinflussung des den Kernbrennstoff treffenden Neutronenflusses und. ein Organ, welches befähigt ist, den. bei der Spaltung des Brennstoffes, beim Abbau der Spaltprodukte oder durch mit der Spaltungskette parallel laufende Sekundärreakticwien freigesetzten Energiefluß aufzunehmen, und weiterzuleiten zu dem Zwecke, diese Energie nach bekannten Verfahren, den üblichen wechselseitigen Umwandlungen zwischen Wärmeenergie, mechanischer Energie, elektrischer Energie und Strahlungsenergie zu unterziehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ί bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbretrul· stcff Samarium 144 enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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