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Einrichtung zur Gewinnung des in einem Fusionsreaktor entstehenden
Tritiums.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung
des Tritiums, das in einem Fusionsreaktor entsteht, welcher eine Fusionsplasmazone
und eine diese umgebenden, Lithium enthaltenden Mantel hat, in dem das Tritium durch
Reaktion des Lithiums mit Neutronen erzeugt wird, die aus der Fusionsplasmazone
austreten.
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Der in der Fusionsplasmazone eines Fusionsreaktors bei etwa 200.106
0K ablaufende Kernverschmelzungsprozeß liefert gemäß der Bruttoreaktionsgleichung:
Neutronen mit einer Energie von 14,06 MeV und Alphateilchen mit einer Energie von
3,52 MeV. Die geladenen Alphateilchen bleiben im Plasma und heizen dieses weiter
auf. Da die Neutronen durch das die Plasmazone umgebende, das Plasma einschließende
Magnetfeld nicht beeinflußt werden, verlassen sie mit hoher Geschwindigkeit die
Reaktionszone und gelangen in den Reaktormantel, das sog. "Blanket". Sie führen
dabei ca. 80 % der Fusionsenergie als kinetische Energie mit sich. Im Mantel wird
die
kinetische Neutronenenergie in technisch verwertbare Wärmeenergie umgewandelt. Daneben
erfüllt der Mantel noch eine weitere Aufgabe, nämlich die Erzeugung von Tritium,
das als Brennstoff benötigt wird, in der Natur jedoch nicht vorkommt.
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Das Material des Mantels besteht z.B. zu etwa 80 %aus Lithium. An
den leichten Kernen des Elementes Lithium wird die kinetische Energie der Neutronen
thermalisiert und außerdem wird durch Neutronen Tritium nach folgenden Reaktionen
erzeugt:
Das natürliche Li besteht aus einem Gemisch von 6Li und 7Li. Die Reaktion im 6Li
ist exotherm und verbessert die Energiebilanz des Reaktors. Bei der Reaktion mit
7Li gibt das Neutron zwar 2,5 MeV seiner Energie ab, aber es entsteht ein weiteres
Neutron, das dann wieder mit 6Li reagieren kann. Es handelt sich also um eine echte
Brutreaktion.
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Das Tritium reichert sich in flüssigem Li an und muß durch geeignete
Verfahren daraus abgetrennt werden. Aus mehreren Gründen(Betriebssicherheit, Diffusions-
und Permeationsprozesse in weitere Komponenten des Reaktors, Vermeidung von Verlusten,
Erzielung einer möglichst kurzen T-Verdoppelungszeit, Kostensenkung für Tritium)
soll die T-Konzentration im Li etwa 1 ppm nicht überschreiten.
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In der Literatur wurden bisher folgende Verfahren zur Tritium-Abtrennung
(Rückgewinnung) beschrieben: Kristallisation von Li-T in Kaltfallen (E.F. Johnson,
T-Recovery in Fusion Power Reactors Nov. 1970, Las Vegas/Nevada): Das Tritium liegt
im Li gewöhnlich als Li-Tritid vor. Da Alkalihydride in den reinen Metallen relativ
wenig löslich sind, bietet sich das Abscheiden des Li-Tritids in Kaltfallen an.
Einer Abschätzung
(Heumann, Progr. Rep. E-PL 1159, KAPL 1216) zufolge
ist die T-flöslichkeit in Li bei der Schmelztemperatur des Li um 1 Atom %; eine
genaue T-Löslichkeitsbestimmung steht noch aus.
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bersetzende Destillation (E.F. Johnson, Recovery of T from Dilute
Sol. of LIT in Li 10.6.59): Die thermische Zersetzung des Lithiumtritides bei höherer
Temperatur sollte es ermöglichen, das T aus dem Li zu gewinnen. Die Durchführbarkeit
wird weitgehend von der Rekombinationsgeschwindigkeit abhängen. Kinetische Daten
der Bildung und Zersetzung des LiT sind bisher jedoch nicht bekannt.
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Tritium-Diffusion durch Niob (A.P. Fraas, A Diff. Prod.
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for Removing T from the Blanket of a Thermonucl. Reactor USA EC-Rep.
Dec. 1968):Zur Entfernung des T aus dem flüssigen Li wird die hohe Diffusionsgeschwindigkeit
des Tritiums durch Niob ausgenützt. Das durch andere Teile des Fusionsreaktorkreislaufes
diffundierende T soll durch eine Kaliumdampfturbine bei etwa 700 OC wiedergewonnen
werden.
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Weitere mögliche Abtrennungsverfahren sind: Vakuum- bzw.
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He-Wäsche, Getterprozesse, Lösungs- bzw. Adsorptionsverfahren.
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Bei der Mehrzahl der bisher diskutierten Möglichkeiten zur Tritiumabtrennung
muß das flüssige Lithium aus dem Mantel herausgeführt werden, um in einem Nebenkreislauf
die Abtrennung des Tritiums oder Lithiumtritides zu ermöglichen. Damit wird aber
qleichzeitig das Verfahren zur Wärmeabfuhr an einen Sekundärkreislauf (Kaliumdampf-Kreislauf)
des Fusionsreaktors in groben Zügen mitbestimmt. Dies schränkt jedoch die Freiheit
bei der Konstruktion des Fusionsreaktors stark ein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
eine Einrichtung zur Gewinnung des in einem Fusionsreaktor entstehenden Tritiums
anzugeben, das die Konstruktion des Fusionsreaktors nicht präjudiziert und eine
wirtschaftliche Gewinnung des Tritiums ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Einrichten« der
eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet
ist,
daß der Mantel mit einer tritiumdurchlässigen Wand umgeben ist, an die sich eine
mit einem Tritiumabscheidungssystem verbundene Feststoff-Wirbelschichtzone anschließt.
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Bei der vorliegenden Einrichtung kann das Tritium, das aus dem Mantel
des Reaktors in die Wirbelschicht diffundiert, dort vollständig festgehalten werden,
z.B. durch chemische Umsetzung oder Sorption, so daß es keine Möglichkeit mehr findet
in weitere Fusionsreaktor-Komponenten unkontrolliert zu diffundieren. Aus dem Wirbelbett
der Wirbelschicht kann das Tritium kontinuierlich abgeführt werden. Durch die hier
vorliegende Einrichtung werden insbesondere keine anderen Reaktor-Technologien wesentlich
beeinflußt.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Wirbelschichtverfahren zur Durchführung einer ;Wechselwirkung von
Feststoffen mit Gasen (Reaktionen, heterogene Katalyse, Wärmeaustausch, Glühen und
Trocknen) sind bekannt. Bei einem solchen Verfahren läßt man feinkörniges Material
in einer Schicht auf bewegten Gasen durchwirbeln, wobei das lose geschüttete Material
durch das durchgeblasene Gas aufgelockert wird. Die Schicht nimmt flüssigkeitsähnliche
Eigenschaften an (Fluidization), so daß ein fast widerstandsloses Umrühren möglich
ist. Für die Reaktion zwischen Gas und Feststoff steht eine sehr große Feststoffoberfläche
zur Verfügung. In verfahrenstechnischen Anlagen (z.B.
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Winkler-Generator) wird die Gasströmung so bemessen, daß der Feststoff
(auch "feste Phase"genannt) abgesehen von kleinsten Teilchen, nicht wegtransportiert
wird. Bei der vorliegenden Einrichtung erfolgt jedoch ein Stofftransport aus dem
Wirbelbett der Wirbelschicht in das Tritium-Abscheidungssystem. Die Strömung des
normalerweise aus Helium bestehenden Gases, die die feste Phase transportiert, muß
also über der "Tanzgasmenge" liegen. Sie ist abhängig von der Korngröße und praktisch
unabhangig von der höhle und Schwere der Schicht.
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Im folgenden wird der Erfindungsgedanke anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, es zeigen:
Fig.
1 eine schematische Darstellung eines Fusionsreaktors mit einer Einrichtung zur
Tritiumgewinnung gemäß einem AusfUhrungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 2 eine
Schnittansicht eines Teiles des Reaktors.
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Bei allen bisher diskutierten Fusionsreaktorkonstruktionen ist der
Mantel 10 des Reaktors 12 (Fig. 2) von einer thermischen Isolation, einem Neutronen-Reflektor
und einer Abschirmung umgeben. Die Wirbelschichtzone 14 muß daher von der Fusionsplasmazone
16 aus gesehen vor diesen Einrichtungen unmittelbar um den Mantel 10 herum angeordnet
werden. Zwischen dem Mantel 10 und der Wirbelschichtzone 14 befindet sich eine tritiumdurchlässige
Wand 18, die z.B. aus Niob, Palladium oder Nickel bestehen kann, so daß das Tritium
aus dem Mantel 1Q in die Wirbelschichtzone 14 diffundieren kann. Das körnchenförmige
Material, das die feste Phase der Wirbelschicht bildet, enthält ein chemisches Element
oder eine chemische Verbindung, die bei den herrschenden Temperaturverhältnissen
vergleichsweise große Mengen Tritium (im Vergleich zu H und D) aufzunehmen vermag.
In Frage kommen dafür z.B.
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a) metallisches Titan (bei 6000 & werden 25 103 cm3 Wasserstoff
bzw. Tritium von 100 g Titan als Hydrid gebunden); b) metallisches Cer, Zirkon,
Thorium und Vanadium; c) Uranylverbindungen, U02 oder metallisches Uran.
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Die feste Phase wird mit Reinst-Eelium als Wirbelschicht geführt,
belädt sich dabei mit dem durch die Wand 18 durchdiffundierten Tritium und kann
dann außerhe des eigentlichen Reaktors 12 durch ein TritiumabscheLdungssystem kontinuierlich
vom Tritium befreit werden.
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Nach außen wird de Wirbelschichtzone 14 durch eine tritiumundurchlässige
Wand 20 begrenzt, an die sich die Abschirmung und thermische Isolation sowie schließlich
supraleitende Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes anschließen, das das in einem
Vakuumgefäß 24 innerhalb des Mantels 10 brennende Fusionsplasma 16 einschließt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Tritiumabscheidungssystems ist in Fig.
1 genauer dargestellt. Es befindet sich ebenso wie
die Gastrennsysteme
der Reaktoranlage außerhalb des Reaktorkörpers.
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Besonders einfach gestaltet sich die Tritiumabtrennung bei Verwendung
von Titanstaub als feste Phase des Wirbelbetts der Wirbelschicht. Das in der Wirbelschicht
gebildete TiT2 kann nämlich einfach durch Temperaturerhöhung wieder in seine Komponenten
zerlegt werden.
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Bei Verwendung von metallischem Uran als feste Phase ist die Temperaturführung
im Wirbelbett wichtig, da das Tritium bei etwa 1000 C vom Uran aufgenommen und bei
etwa 4000 C wieder quantitativ abgegeben wird. Man muß daher mit verhältnismäßig
hohen Strömungsgeschwindigkeiten in der Wirbelschicht arbeiten, um örtliche Übertemperaturen
zu vermeiden. Andererseits wird sich im Wirbelbett sowieso eine gewisse Tritiumgleichgewichtskonzentration
einstellen.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Tritiumabscheidungssystem wird das
im Transportgas suspendierte feste Material aus der Wirbelschicht 14 laufend durch
eine Entnahmeleitung 26 entnommen, aus dem eigentlichen Reaktor 12 herausgeleitet
und einem Zyklonabscheider 27 zugeführt, in dem die feste Phase vom Trägergas abgetrohnt
wird. Die abgetrennte feste Phase wird einem Tritiumabscheider 28 zugeführt, der
z.B. aus einer einfachen Erhitzungszone bestehen kann, wie oben bei der Diskussion
der verschiedenen Wirbelbettmaterialien erläutert wurde. Das abgeschiedene Tritium
wird einem Tritiumvorrat 30 zugeführt. Die vom Tritium befreite feste Phase (Wirbelbettmaterial)
und das im Abscheider abgetrennte Transportgas werden über entsprechende Leitungen
in einen Mischer 32 eingespeist, der außerdem zur Ergänzung von Verlusten mit einem
Trägergasvorrat 34 und einem ersten Feststoffvorrat 36 verbunden ist. Außerdem kann
der Mischer 32 noch mit einem zweiten Feststoffvorrat 37 verbunden sein, wie noch
näher erläutert werden wird.
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Die im Mischer 32 wieder aufbereitete feste Phase wird mit dem Transportgas
über eine Beschickungsleitung 38 wieder in die Wirbelbettzone 14 im Reaktor 12 eingeführt.
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In Fig. 1 sind der Einfachheit halber die für die Aufrechterhaltung
des Kreislaufes erforderlichen Pumpen, Fördereinrichtungen, Ventile, Antriebsmittel
und dgl. nicht dargestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die vorliegende Einrichtung
außerdem zur Brütung von Spaltreaktor-Brennstoff im Wirbelbett ausgenutzt. Der pulverförmigen
festen Phase des Fließ- oder Wirbelbetts, die zur Aufnahme des Tritiums dient, wird
hierfür ein Brutstoff zugesetzt. Unter einem Brutstoff ist ein nicht spaltbarer
Stoff zu verstehen, aus dem durch Absorption von Neutronen und darauffolgende spontane
Kernumwandlungsprozesse ein neuer, spaltbarer Kernbrennstoff entsteht. Solche Brutstoffe
sind 232Th und 238U. Sie können zu 233U und 239PU konvertiert werden.
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232 233 Th ß 233 Pa ß- 233 90 Th(n,γ) 90 Th (22,4 min HZ) 91
(27 dHZ) 92 U(α,γ) (4) 238 U 239 ß- 239 ß- 239 92 U (nty) 92 U (23,5
min HZ) 93 P 2,35 dHZ) Pu(a,y) Der Kernumwandlungsprozeß gemäß Gleichung (4) läuft
mit sog. "thermischen" Neutronen (E = 0,025 eV) ab, der Prozeß gemäß Gleichung (5)
mit "langsamen" bzw. "epithermischen" Neutronen (E < 1 MeV, bzw. E = 10 bis 50
MeV) können sowohl exotherme als auch endotherme Reaktionen auslösen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird das Energiespektrum
der Neutronen aus dem Fusionsplasma so beeinflußt, daß eine gewisse Steuerung der
Kernumwandlungsprozesse erzielt wird.
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Der Kernfusionsprozeß
stellt in erster Näherung eine homogene, isotrope Quelle monoenergetischer Neutronen
der Energie 14,1 t-eV dar. Diese Quelle
ist vom Mantel (Blanket)
umgeben, der neben der Tritiumbrütung und der Umwandlung der kinetischen Energie
der Neutronen in thermische Energie auch zur Abschirmung dieser Neutronen beiträgt.
Durch geeignete Dimensionierung des Mantels werden die Neutronen mehr oder weniger
abgebremst, so daß thermische, epithermische und langsame Neutronen aus dem Mantel
in die Wirbelschicht übertreten und zu den Reaktionen (4) und/oder (5) führen können.
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Durch konstruktive Maßnahmen und die Verwendung geeigneter Werkstoffe
wird der Mantel nun gemäß einer Weiterbildung der Erfindung z.B. in trennbare Schalen
unterteilt, die jeweils ganz oder teilweise mit flüssigem Lithium beschickt werden
und damit die Neutronen mehr oder weniger abschirmen. Da die feste Phase des Wirbelbettes
ohne Schwierigkeiten auch während des Betriebes des Reaktors gegen eine andere ausgewechselt
werden kann, bieten sich eine ganze Skala von Verwendungsmöglichkeiten für das Wirbelschichtbett
an, die in folgender Tabelle aufgeführt sind: Tabelle 1 Mantel- Neutronen-Energie
feste Phase Prozeß Füllung 1/3 Li langsam-epithermisch 238 + Ti gem.Gleichung(5)
1 MeV-100 eV 92 + T1 gem + T-Brütung 2/3 Li thermisch <1 eV 292Th 2/3 gem.Gleichung(4)
3/3 Li nicht relevant Ti, Ce, o.ä. T-Brütung Vorzugsweise wird die feste Phase des
Fließbettes so ausgewählt, daß sie gleichzeitig Tritium aufnehmen und zu Brutreaktionen
herangezogen werden kann. Beispielsweise enthält hierfür die feste Phase der Wirbelschicht
das für beide Anwendungsfälle bereits zitierte Uranisotop 238U (siehe auch Tabelle
1, erste Zeile).
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Die Wirbelschichtzone kann ferner auch zur Zerlegung von unbrauchbarem
Material (Metall- und Kunststoffschrott) in dessen Grundelemente verwendet werden,
um der drohenden Rohstoffknappheit zu begegnen und eine umweltfreundliche Abfallbeseitigung
zu erreichen. Die feste Phase des Wirbelbettes wird dazu mit pulverisiertem Abfall
versetzt, der z.B. dem Mischer 32 (Fig. 1) aus dem Vorratsbehälter 37 zugeführt
werden kann.
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Abschließend soll noch erwähnt werden, daß man bei der Wahl der in
der Wirbelschichtzone verwendeten festen Phase unter Umständen die magnetischen
Eigenschaften und die anderung-der magnetischen Eigenschaften durch die Beladung
mit Wasserstoff (T) in Betracht ziehen muß, da sich die Wirbelschichtzone in dem
relativ starken Magnetfeld des Reaktors befindet. Der ausgeprägte Paramagnetismus
des Palladiums, der seine Ursache in der unvollständigen Besetzung der d-Schale
hat, wird z.B. durch Wasserstoff, der mit dem Palladium eine Art Metallbindung eingeht,
zum Verschwinden gebracht und die Palladiumatome, deren d-Schale durch die vom Wasserstoff
abgegebenen Elektronen nun besetzt ist, zeigen nun ein temperaturabhängiges diamagiletisches
Verhalten.
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Diese Eigenschaftsänderungen können, gegebenenfalls schon in der
Wirbelschicht, dazu a1sgenutzt werden um mit Wesserstoff gesättigtes Material von
Materials d2s noch keinen oder nur verhältnismäßig wenig Wasserstoff aufgausnunen
aufganonmen hatD gU trennen.
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Die Wirbelschichtzone muß, wie beschrieben, torus-oder ringförmig
sein, sie kann den Reaktormante ielmehr, auch wendelförmig umgeben oder segmentartig
auagebildet sein, d.h.
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sich nur an einen Teil oder mehrere getrennte Teile des Mantel umfanges
anschließen.
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Der Feststoffvorrat 37 kann auch zu vergasende Kohle enthalten, wenn
die Vergasung von Kohle durchgeführt werden soll und dies nicht oder nicht ausschließlich
mit der Abwärme des Fusionsreaktors erfolgt.