DE2365115A1 - Verfahren zur ingangsetzung und durchfuehrung von mikro-spaltungs-explosionen fuer kontrollierte, nukleare energiefreisetzung, mittel zur ausfuehrung des verfahrens und seine anwendung - Google Patents

Description

Prof. Dr.

Priedwardt Winterberg Konstanz (Deutschland)

Verfahren zur Ingangsetzung und Durchführung von Mikro-Spaltungs-Explosionen für kontrollierte, nukleare Energiefreisetzung, Mittel z_ur Ausführung des Verfahrens und seine Anwendung.

Die Möglichkeit der Ingangsetzung und Durchführung von thermonuklearen Reaktionen durch gesteuerte Laser- oder Elektronenstrahlen ist seit langem bekannt, siehe Ii.G. Basov and O.N. Erokhin Proceedings of the !Third International Conference on Quantum Electronics, Paris 1965 (P· Grivet and Ii. Blounberger, New York 1964) und F. Winterberg, Physical Review VJ± 212 (1968). Die bei diesem Verfahren benötigten Energiemengen sind sehr erheblich. Es ist deshalb vor kurzem der Vorschlag gemacht worden, die erforderlichen Energiemengen dadurch ganz wesentlich herabzusetzen, dass man das zur thermonuklearen Detonation zu bringende "Pellet" durch konzentrisch wirkende Laserstrahlen bis auf das 10 fache der Festkörperdichte komprimiert, siehe- J.Nuckolls and al., Nature 259 139 (1972) und K. A. Brueckner, MS Fusion Inc., Ann Arbor, Michigan, Preprint (April 1972). Diese Kompression dürfte im Prinzip durch einen Laserpuls mit einer speziell dazu programmiert en Zeitabhängigkeit der Laserstrahlintensität möglich sein. Derselbe Effekt - der Pellet-Kompression - liesse

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sich dabei auch mit einem intensiven relativistischen Elektronenstrahl erzielen. Aber selbst unter Hinzunahme der Pellet-Kompression sind die nötigen Laser-Energien sehr gross und liegen ober-, halb dessen, was für Laser technisch bisher erreichbar ist. Veröffentlichte Berechnungen der benötigten Laserenergien geben für Pellets, die üblicher Weise aus einem Tritium-Deuterium-Gemisch bestehen, Werte in der Gegend von 10 Joule an.

Von diesem Stand der Forschung war auszugehen, wobei der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, dass durch die konzentrische Anwendung von Laser- oder Elektronenstrahlen sehr hohe Materialdichten erreichbar sind, die aber nur für thermo» nukleares Material gedacht waren. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem spaltbares Material, wie U 235_f U 2331 Pu 239, oder Kombinationen solcher Materialien, durch Strahlen, wie Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahlen, oder Kombinationen solcher Strahlen, zur Auslösung einer Kettenreaktion auf hohe

Dichten komprimiert wird bzw. werden, wodurch eine kritische Anordnung entsteht.

Dabei lassen sich Kompressionsgrade erzielen, die bei im Vergleich zu Atombomben sehr kleinen Anordnungen zur Erreichung kritischer Bedingungen führen können, bei denen die selbsterhaltende Kettenreaktion einsetzt.

Die kleine kritische Anordnung besteht dabei zweckmässig aus einem hochkomprimierten Körper, z.B. einem Pellet aus spaltbarem Material der bzw. das zur Energieerzeugung durch Auslösung einer Spaltungskettenreaktion verwendet werden kann. Dabei ist daran gedacht, die Energie in Form einer Folge von Spaltungs-Mikro-Explosionen freizusetzen. Wegen der hohen erreichbaren Dichten können die Kettenreaktionen dabei wesentlich schneller ablaufen als in Atombomben und die kritischen Massen liegen in Bruchteilen eines Grammes.

Wenn man das zu komprimierende Spaltungsmaterial mit einem

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Neutronenreflektor umgibt, so kann die kritische Masse noch, auf wesentlich kleinere Werte herabgedrückt werden. Das spaltbare Material wird dabei zweckmässig zusammen mit dem es umgebenden Neutronenreflektor auf hohe Dichten komprimiert. Da die zur Kompression benötigte Strahlenenergie der kritischen Hasse direkt proportional ist, bedeutet dies eine wesentliche Reduzierung der erforderlichen Strahlenenergie. Für den Neutronenreflektor kann man vorzugsweise eine Substanz aus thermonuklearem Material, wie z.B. Tritium-Deuterium oder Lithium-Deuterid wählen. In diesem Fall kann sogar thermonukleare Energie freigesetzt werden.

Da durch die oben beschriebene Spaltungs-Kettenreaktion sehr grosse Energiemengen frei werden, kann man diese verwenden, um das thermonukleare Material des Neutronenreflektors stark aufzuheizen und zu zünden, wodurch wesentlich grössere Mengen an thermonuklearer Energie freigesetzt werden können als bei den anderen, aus der Literatur bekannten Laser-Fusions-Verfahren, die ohne eine Spaltungs-Kettenreaktion arbeiten. Umgekehrt fachen die im Neutronenreflektor thermonuklear erzeugten Neutronen die Kettenreaktion des spaltbaren Materials weiter an·

In der Zeichnung sind beispielsweise und schematisch zwei Pellets gemäss der Erfindung in Wirkungsquerschnitten dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Pellet mit einem Kern aus spaltbarem Material und einem Neutronenreflektor während

Fig. 2 ein Pellet veranschaulicht, bei dem um einen Kern aus spaltbarem Material mehrere konzentrisch angeordnete Schalen von thermonuklearem und spaltbarem Material aufgebaut sind.

In Fig. 1 ist 1 der Kern aus spaltbarem Material, wie ü 235, U 233 und/oder Pu 239, und 2 der Neutronenreflektor aus z.B. H, T-D und/oder Li-D.

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Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind 11 der Kern und 13, 15 Scha len aus spaltbarem Material, während 12, 14, 16 Schalen aus thermonuklearem Material sind, die den Kern 11 und die Schalen 13» 15 als Neutronenreflektoren umgeben.

An Stelle einer schalenförmigen Anordnung kann auch eine Mischung von spaltbarem und thermonuklearem Material vorgesehen sein, wobei die Konzentration beider Komponenten variabel sein kann.

Zur Zündung wird das Pellet von allen Seiten durch einen gepulsten Strahl komprimiert» Dadurch wird eine kritische Anordnung zur Ingangsetzung einer schnellen Spaltungs-Kettenreaktion erreicht, wonach das thermonukleare Material auf die Zündungstemperatur aufgeheizt wird.

Der Kern 1 bzw. 11 kann aus U 235, TJ 233, Pu 239 oder einem Gemisch zweier oder aller Komponenten bestehen. Dasselbe gilt für den Neutronenreflektor 2_S der z.B. aus verschiedenen thermonuklearen Materialien bestehen kann. Auch wenn das Pellet gemäss Pig. 2 aus mehreren konzentrischen Schalen 13, 15 aus spaltbarem Material und 12, 14, 16 aus thermonuklearem Material aufgebaut ists können diese einzelnen Zonen aus Gemischen verschiedener Substanzen bestehen. Auch ist es möglich, das spaltbare und/oder thermonukleare Material nicht gleich zu vollen Körpern zu formen, sondern erst zu Hohlkörpern₉ und hierauf die Höhlung durch die Kompression zusammenzupressen.

Beispiele;

1. Pellet das nur'aus spaltbarem Material besteht _s z.B. U 235.

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- 5 Der duroh die konzentrisch wirkenden Strahlen erzeugte Druck

"IQ " ρ

beträgt ρ = 10 dyn/cm . Wasserstoff würde unter diesem Druck und bei niedrigen Temperaturen ungefähr auf das ICr fache der Festkörperdichte komprimiert, wobei die Kompression desto höher ist, je niedriger die Temperaturen sind, da bei niedrigen Temperaturen die Elektronen eine Fermi-Verteilung haben. Im Falle von Uran lässt sich eine so hohe Kompression wie bei Wasserstoff

■J O ρ

zwar nicht erreichen. Bei einem Druck von ρ = 10 dyn/cm sind aber immerhin Dichten zu erwarten, die dem ca. 250-fachen der Festkörperdichte entsprechen, wenn ein Thomas-Fermi-Modell zugrundegelegt wird, siehe R.S. Bradley, High Pressure Physics and Chemistry, P. 253 (Academic Press, New York 1963).

25 -3 Für Uran bedeutet das eine Atomzahl von N - 10 cm . Bei

ρ/Γ _·ζ

Wasserstoff hingegen wurden die Dichten N - 5 x 10 cm betragen.

Der kritische Radius einer Kugel aus spaltbarem Material ist gegeben durch

[S, Grlasstone and M. Edlund, Elements of Nuclear Reactor Theory (Van Nostrand, New York, 19553

,2

^Bm

d «

₍₃₎

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In Gleichung (2) und (j) ist d und <L der Neutronenwirkungs-

s χ

querschnitt für Streuung und Spaltung, if ist die mittlere pro Spaltung freiwerdende Anzahl von Neutronen und N ist die Anzahl der spaltbaren Atome pro cm-⁵ im spaltbaren Material. Mit den Werten d * 2 χ 10~²⁴ cm², </_f* 2 χ 10~²⁴cm², ^ «* 2.9, N = 1.17 x ICT⁵ cm"⁵ (der letztere Wert gültig für p=10¹⁸ dyn/cm²) erhält man R = 2.6 χ 10 cm, mit einer kritischen Masse von m * Ο.34 g. Dieser Wert ist etwa um den Faktor 10^ kleiner als bei gewöhnlichen Spaltbomben. Die zur Kompression benötigte minimale Energie E ergibt sich aus der"Abschätzung.

E ν I pV (4)

wobei V das komprimierte Volumen ist. Man erhält E —4.9 x 10 Joule. Dieser Wert lässt sich mit Laserstrahlen erreichen und liegt im Bereich des Mögliehen von relativischen Elektronenstrahlen.

2. Pellet aus spaltbarem Material, umgeben von einem Tritium-Deuterium Reflektor.

Der kritische Radius R für einen Neutronenreflektor mit einer Dicke I <* R berechnet sich aus folgender Formel:

1 / - T I * ₍₅₎

I IJ 1

wobei D und D die Neutronendiffusionskoeffizienten im Reflektor

^{Γ C} 18

und im spaltbaren Material sind. Für einen Druck von ρ = 10 dyn/ cm erhält man aus Gleichung (5) einen kritischen Radius R *

-3 -3

5 x 10 cm und eine kritische Masse von m * 2 χ 10 g. Diese Masse ist um den Faktor 180 kleiner als der Wert der kritischen

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Masse ohne Neutronenreflektor. Die zur Kompression benötigte Energie ist jedoch nicht um denselben Faktor reduziert, da man zusätzlich zum spaltbaren Material auch noch den Neutronen-

er

reflektor mitkomprimieren muss. Es,/§iTbt sich dabei eine Kompressionsenergie von E « 2 χ ICr Joule. Dieser Wert ist etwa 20 mal kleiner als beim unreflektierten Pellet.

Die Kettenreaktion in der spaltbaren Zone folgt dem Gesetz

η = n_o exp |jrf_fv_o (V-Dt] . (6)

In Gleichung (6) ist η dieqAnzahl der freigesetzten Neutronen

V_n - lCr cm/sek ist die Neutroneneescnwii

Jn.

zum Zeitpunkt t. Für τ = ο ist die .Neutronenanzahl η "Ti Durch Einsetzen von Werten erhält man (für einen Druck im Uran von ρ = 10 dyn/cm )

η * n_o exp (4.7 χ ΙΟ¹⁰ t) . (7)

Die Anwachszeit t um den Faktor e ist dabei t * 2 χ 10"" sec.

e e

Das Pellet wird durch Trägheitskräfte für den Zeitraum von

—9
⁰¹ 10 see zusammengehalten. Nach dieser Zeit hat man

η = η e⁵⁰ « io²²n .
ο ο

Dieser Wert ,lässt auf eine grosse Spaltungsrate der Atomkerne im hochkomprimierten spaltbaren Material schliessen. Der Faktor N in gleichung (6) unter dem Exponentialzeichen bewirkte wegen der höheren Dichte, eine wesentliche schnellere Kettenreaktion als in gewöhnlichen Atombomben.

Es sei noch auf die Durchführung und Wirkung der magnetischen Kompression hingewiesen. Sowohl Elektronen- als auch Laserstrahlen bieten eine andere Kompressionsmöglichkeit, bedingt

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durch die auf ein Plasma wirkenden Kräfte starker Magnetfelder.. Dabei können a) durch das Eigenmagnetfeld eines Elektronenstrahls, b) durch thermoelektrische Effekte und c) durch nichtlineare Wechselwirkung des Elektronen- oder Laserstrahls Magnetfelder von vielen Millionen G-auss auftreten, die zu einer magnetischen Pellet-Kompression auf hohe Dichten ausgenützt werden können. Zwei wesentliche Anwendungsgebiete des erfindungsgemässen Verfahrens sind der Betrieb von Reaktoren als Fissions- oder Brutreaktoren und der Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Weltraumfahrzeugen. Die betriebenen Reaktoren können auch kombiniertes Fissions—Fusionsreaktoren sein.

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Claims (14)

1. _ 9 —
   Patentansprüche

   1J Verfahren zur Ingangsetzung und Durchführung von Mikro-Spaltungs-Explosionen für kontrollierte nukleare Energiefreisetzung, dadurch gekennzeichnet, dass spaltbares Material, wie U 255, U 233, Pu 239 oder Kombinationen solcher Materialien durch Strahlen, wie Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahlen, oder Kombinationen solcher Strahlen zur Auslösung einer Kettenreaktion auf hohe Dichten komprimiert wird bzw. werden, wodurch eine kritische Anordnung entsteht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu komprimierende Spaltungsmaterial mit einem Neutronenreflektor umgeben wird, zur Reduzierung der Kompressionsenergie, die von den Strahlen geliefert werden muss.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neutronenreflektor aus thermonuklearem Material besteht, das zur Reduzierung der kritischen Masse des spaltbaren Materials und zur Freisetzung thermonuklearer Energie zur Energieerzeugung verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der ühteransprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spaltbare und/oder thermonukleare Material zu einem Körper geformt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper zunächst als Hohlkörper geformt wird, dessen Höhlung dann durch die Kompression zum Verschwinden gebracht wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur

   Ie
   Kompression Strahlen aus MakroHtdjEulen oder aus kleinen bis

   mikroskopischen festen Teilchen verwendet werden.

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   - ίο -
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression auf magnetische Weise bewirkt wird, wobei Energieströme der Strahlen oder starke elektrische Ströme, insbesondere thermoelektrische Ströme, verwendet werden.
8. 8. Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein komprimierter Körper ist, der spaltbares Material, wie U 235, U 233, Pu 239, oder Kombinationen solcher Materialien enthält.
9. 9. Mittel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das spalt bare Material in der Mitte des Körpers enthalten ist, den mindestens eine, einen Neutronenreflektor darstellende, konzentrisch angeordnete Schale, z.B. aus. thermonuklearem Material,' umgibt.
10. 10. Mittel nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schalen aus z.B. thermonuklearem Material mindestens eine konzentrisch angeordnete Schale aus spaltbarem Material angeordnet ist. ·
11. 11. Mittel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das spaltbare Material mit thermonuklearem Material gemischt ist,
12. 12. Mittel nach Anspruch 8, oder einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper die Form eines Pellets oder eines Zylinders aufweist.
13. 13. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihm Reaktoren als Fissions- oder Brutreaktoren betrieben oder Fahrzeuge, insbesondere Weltraumfahrzeuge, angetrieben werden.
14. 14. Anwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoren kombinierte Fissions-Fusionsreaktoren sind..

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