Konventionelle Kernkraftwerke benutzen als Kernbrennstoff im Regelfall die Elemente Uran (vorzugsweise U235), Plutonium (vorzugsweise Pu239) und ggf. Thorium (Th232). Grundsätzlich ist es auch möglich Energie aus der Kernspaltung von leichten Elementen zu gewinnen. So beträgt der Energiegewinn bei der neutroneninduzierten Spaltung von Lithium 6 ca. 4,8 MeV. Diese Energiemenge entspricht in etwa der Energiemenge die bei der Kernfusion zweier Deuteriumkerne entsteht. Bei der Spaltung von Lithium 6 entstehen jedoch keine Neutronen, so dass es zu keiner Kettenreaktion kommt, die für die Aufrechterhaltung des Kernspaltungsprozesses erforderlich wäre.Conventional nuclear power plants generally use the elements uranium (preferably U235), plutonium (preferably Pu239) and possibly thorium (Th232) as the nuclear fuel. In principle, it is also possible to obtain energy from the fission of light elements. The energy gain in the neutron-induced fission of lithium 6 is approximately 4.8 MeV. This amount of energy corresponds approximately to the amount of energy that arises during the fusion of two deuterium nuclei. However, no neutrons are formed when lithium 6 is split, so that there is no chain reaction that would be necessary to maintain the nuclear fission process.
Bei der hier beschriebenen Erfindung werden jedoch mehrere Elemente so kombiniert, dass die für die Kernspaltung erforderlichen Neutronen aus anderen Kernreaktionen generiert werden. Dies geschieht u.a. dadurch, dass ein Teil des Spaltmaterials aus Beryllium besteht. Die Heliumkerne aus der Kernreaktion von Lithium 6 (n + 6Li → 4He + 3H + 4,78 MeV) werden von den Beryllium Kernen eingefangen und es wird dabei ein Neutron erzeugt (4He + 9Be → 12C + n). Dieses Neutron ist nun wiederum in der Lage ein Lithium Atom zu spalten. Unter idealen Bedingungen weist diese Reaktionskette max. einen Neutronenvermehrungsfaktor von 1 auf. Durch Verluste liegt dieser jedoch in der Praxis unter 1, so dass auch so keine Kettenreaktion herbeizuführen ist. Hier greift jedoch ein weiterer Mechanismus der Neutronenvermehrung durch Beryllium. Gemäß der Reaktion 9Be +n → 2 4He + 2n - 1,57 MeV kann ein Neutron verdoppelt werden. Dabei handelt es sich um eine endotherme Reaktion, die Energie verbraucht. Die resultierenden Neutronen werden in der Regel langsam sein, also wenig kinetische Energie aufweisen. Da jedoch gerade Lithium 6 einen hohen Wirkungsquerschnitt für langsame (thermische) Neutronen hat, ist dies für weitere Kernspaltungen eher förderlich. Zudem haben die beiden frei werdenden Heliumkerne das Potential weitere Neutronen über die o.g. 9Be-4He Reaktion zu erzeugen. Im Ergebnis kann so die Neutronenvermehrung über den kritischen Wert von 1 gesteigert werden, so dass eine selbst erhaltende Kettenreaktion möglich wird. Befördert würde dies weiterhin wenn, neben Lithium und Beryllium Deuterium in dem Kernbrennstoff enthalten ist. Die Tritiumkerne aus der Reaktion n + 6Li → 4He + 3H + 4,78 MeV könnten dann mit den im Kernbrennstoff enthaltenen Deuteriumkernen verschmelzen. Durch die relativ hohe Energie welche die Tritiumkerne bei o.g. Spaltungsreaktion mitnehmen und unter Berücksichtigung des Tunneleffekts können die Tritiumkerne mit den Deuteriumkernen in folgender Reaktion verschmelzen:
- 3H' + 2H → 4He + n + 17 MeV. Neben der erheblichen freigesetzten Energie wird auch ein Neutron mit hoher Energie freigesetzt, welches ein Großteil der Energie als Bewegungsenergie mitnimmt. Dieses schnelle Neutron kann nun wiederum über die o.g. Neutronenvermehrungsmechanismen weitere Neutronen erzeugen die dann wiederum Lithiumkerne spalten. Der große Wirkungsquerschnitt der Tritium-Deuterium Fusion macht deren Eintrittswahrscheinlichkeit relativ groß.
Der gesamte Ablauf der beschriebenen Reaktionskette wird in veranschaulicht.
In the invention described here, however, several elements are combined in such a way that the neutrons required for nuclear fission are generated from other nuclear reactions. This happens, among other things, because part of the fissile material consists of beryllium. The helium nuclei from the nuclear reaction of lithium 6 (n + 6 Li → 4 He + 3 H + 4.78 MeV) are captured by the beryllium nuclei and a neutron is generated ( 4 He + 9 Be → 12 C + n) . This neutron is in turn able to split a lithium atom. Under ideal conditions, this reaction chain has max. a neutron augmentation factor of 1. In practice, however, this is less than 1 due to losses, so that no chain reaction can be brought about in this way either. Here, however, another mechanism of neutron augmentation by beryllium comes into play. According to the reaction 9 Be + n → 2 4 He + 2n - 1.57 MeV, a neutron can be doubled. It is an endothermic reaction that uses energy. The resulting neutrons will usually be slow, which means that they have little kinetic energy. However, since lithium 6 in particular has a high cross section for slow (thermal) neutrons, this is more conducive to further fission. In addition, the two released helium nuclei have the potential to generate further neutrons via the 9 Be 4 He reaction mentioned above. As a result, the neutron multiplication can be increased above the critical value of 1, so that a self-sustaining chain reaction is possible. This would be further promoted if, in addition to lithium and beryllium, deuterium is contained in the nuclear fuel. The tritium nuclei from the reaction n + 6 Li → 4 He + 3 H + 4.78 MeV could then fuse with the deuterium nuclei contained in the nuclear fuel. Due to the relatively high energy which the tritium nuclei take with them in the above-mentioned cleavage reaction and taking into account the tunnel effect, the tritium nuclei can fuse with the deuterium nuclei in the following reaction: - 3 H '+ 2 H → 4 He + n + 17 MeV. In addition to the considerable energy released, a neutron with high energy is released, which takes away a large part of the energy as kinetic energy. This fast neutron can in turn generate further neutrons via the neutron multiplication mechanisms mentioned above, which in turn split lithium nuclei. The large cross section of the tritium-deuterium fusion makes its probability of occurrence relatively large. The entire sequence of the reaction chain described is in illustrated.
Nutzt man als Spaltstoff Lithium 7 kann die Neutronendichte nochmals erhöht werden, da bei der Reaktion 7Li + n → 4He + 3H + n - 2,46 MeV das spaltende Neutron quasi erhalten bleibt. Der Nachteil dabei ist, dass es sich um eine endotherme Reaktion handelt. Praktisch bedeutet dies, dass sich Lithium 7 nur durch schnelle Neutronen spalten lässt.
Der entsprechende Ablauf für die Lithium 7 Reaktion wird in veranschaulicht:If lithium 7 is used as the fission material, the neutron density can be increased again, since in the reaction 7 Li + n → 4 He + 3 H + n - 2.46 MeV the splitting neutron is virtually preserved. The disadvantage is that it is an endothermic reaction. In practical terms, this means that lithium 7 can only be split by fast neutrons.
The corresponding procedure for the lithium 7 reaction is in illustrates:
Im Ergebnis handelt es sich bei der Kernreaktion die in einem Kernbrennstoff bestehend aus den Elementen Lithium, Beryllium und Deuterium abläuft um eine Kombination von Kernspaltung und Kernfusion. Wesentlich dabei ist die homogene Verteilung der Elemente in dem Kernbrennstoff. Dies ist wesentlich da die Gewinnung von Neutronen aus positiv geladenen Heliumkernen, als auch die Kernfusion mittels geladener Tritiumkerne in einer nicht plasmatischen Umgebung stattfinden, in der diese Kerne durch elektrostatische Wechselwirkungen nur eine geringe Reichweite haben und potentielle Reaktionspartner sich in enger, räumlicher Nähe befinden müssen. Die Mischung der Elemente kann in einer Verbindung von Lithium, Beryllium und Deuterium vorliegen, z.B. als Lithium-Beryllium-Deuterid (Li2BeD4), oder als Lösung der Elemente oder deren Verbindungen in einem geeigneten Lösungsmittel.
Durch die Variation des Anteils der jeweiligen Elemente im Kernbrennstoff lässt sich die Kernreaktion in weiten Teilen steuern. Der Vorteil dieses Kernbrennstoffs liegt darin, dass dieser im Ruhezustand keinerlei eigene Radioaktivität aufweist und die Reaktionsprodukte ebenfalls keine Radioaktivität aufweisen. Radioaktive Zwischenprodukte der Kernreaktion (z.B. Tritium) gehen selbst wieder in den Reaktionsprozess ein. Im Idealfall bestehen die Reaktionsendprodukte lediglich aus Helium und Kohlenstoff.
Dieser Kernbrennstoff lässt sich analog zu den bisher üblichen Kernbrennstoffen in Kernkraftwerken nutzen. Die o.g. Brennstoffmischung kann dabei in Form von Tabletten oder Pellets wie Uran- oder Plutonium-Brennstoff genutzt werden. Moderatorsubstanzen (schweres Wasser, Graphit) haben dabei lediglich Auswirkungen auf die neutroneninduzierte Spaltung des Lithiums. Weder die Tritium-Deuterium Fusion, noch die Helium-Beryllium Reaktion werden von der Moderatorsubstanz beeinflusst. Dies ist bei der Nutzung in einem Reaktor zu berücksichtigen.
Durch energetische Aktivierung der Ausgangssubstanzen lässt sich der Wirkungsquerschnitt für die Wechselwirkung mit Neutronen so einstellen, dass bei homogener Verteilung der Ausgangsstoffe eine Kettenreaktion sicher eingeleitet werden kann.
Die Ausgangsstoffe für diese Art der Kernreaktion (Lithium, Beryllium, Deuterium) sind handelsüblich und leicht zu beschaffen.As a result, the nuclear reaction that takes place in a nuclear fuel consisting of the elements lithium, beryllium and deuterium is a combination of nuclear fission and nuclear fusion. What is essential here is the homogeneous distribution of the elements in the nuclear fuel. This is essential since neutrons are obtained from positively charged helium nuclei, as well as nuclear fusion by means of charged tritium nuclei in a non-plasmatic environment in which these nuclei have a short range due to electrostatic interactions and potential reaction partners must be in close, spatial proximity . The mixture of the elements can be present in a compound of lithium, beryllium and deuterium, for example as lithium beryllium deuteride (Li2BeD4), or as a solution of the elements or their compounds in a suitable solvent.
The nuclear reaction can be largely controlled by varying the proportion of the respective elements in the nuclear fuel. The advantage of this nuclear fuel is that it has no radioactivity of its own at rest and the reaction products also have no radioactivity. Radioactive intermediates of the nuclear reaction (eg tritium) go back into the reaction process. Ideally, the final reaction products consist only of helium and carbon.
This nuclear fuel can be used in the same way as the usual nuclear fuels in nuclear power plants. The above fuel mixture can be used in the form of tablets or pellets such as uranium or plutonium fuel. Moderator substances (heavy water, graphite) only have an effect on the neutron-induced fission of the lithium. Neither the tritium-deuterium fusion nor the helium-beryllium reaction are influenced by the moderator substance. This must be taken into account when using in a reactor.
By energetically activating the starting substances, the cross-section for the interaction with neutrons can be set in such a way that a chain reaction can be safely initiated with a homogeneous distribution of the starting substances.
The starting materials for this type of nuclear reaction (lithium, beryllium, deuterium) are commercially available and easy to obtain.
