DE2438926A1

DE2438926A1 - Vorrichtung und verfahren zur dissoziation von wasserdampf

Info

Publication number: DE2438926A1
Application number: DE2438926A
Authority: DE
Inventors: Theodor Teichmann
Original assignee: Texas Gas Transmission Corp
Current assignee: Texas Gas Transmission Corp
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-08-14
Publication date: 1975-05-22
Also published as: JPS5075589A; NL7414489A; GB1492786A; CA1026707A; FR2251076B1; FR2251076A1; IT1019351B

Description

WF

j Firma Texas Gas Transmission Corporation, Owensboro, ' Kentucky 42301 (USA)

! Vorrichtung und Verfahren zur Dissoziation ! von Wasserd-ampf.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorj richtung zur nuklear-thermochemisehen Aufspaltung von Wasser j und benutzt insbesondere die geladenen Endprodukte einer Kernfusionsreaktion zur Durchführung der Dissoziation von ! Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Zur Zeit wird viel Mühe aufgewandt zur Lösung des Problems der Zündung und Verbrennung von Fusionsbrennstoffen, wie beispielsweise Deuterium-Tritium in Form von Pellets. Es gibt eine Reihe verschiedener Lösungsversuche^ dieses Problems, von denen einer als Energiequelle einen Laser und besondere Ausbildungen der Pellets verwendet, wodurch es möglich wird, die Zündung und Verbrennung in einer Reaktionskammer durchzuführen. Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren sind beispielsweise in der US-PS 3 378 446 (Whittlesey - 16.April und der US-PS 3 489 645 (Daiber - 13. Januar 1970) allgemein beschrieben.

Theoretische Berechnungen einer ersten Generation von mit Lasern betriebenen Kernfusionsreaktionen, welche Deuterium-Tritium Pellets benutzen, zeigen, daß etwa 20 % der Energie in Form von geladenen Teilchen (insbesondere cC -Teilchen) erhalten wird, welche innerhalb der Reaktionskammer oder durch Kollision mit den Kammerwänden absorbiert werden müssen.

^1/2/1 - 2 -

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Wenn diese verfügbare Energie innerhalb der Kammer absorbiert und ausgenutzt werden kann, hat dies eine Reihe von Vorteilen, die .im folgenden zusammengefaßt sind:

1. Die Energie ist direkt verfügbar, ohne daß Verluste infolge des Durchgangs durch die Kammerwände und möglicher äußerer Wärmeübertragungsschleifen auftreten.

2. Die thermische und mechanische Beanspruchung der Kammerwände wird herabgesetzt.

^! 3. Die Beschädigung der Kammerwände durch Strahlung wird herabj gesetzt.

Eine erste, der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe

eine bestand demnach darin, ein Verfahren und/Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe ein beträchtlicher Anteil der FusiorB-energie direkt zur Spaltung von Wasserdampf verwendet werden kann.

Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, die Unversehrtheit einer Fusxonsreaktionskammer sicherzustellen, wenn diese zur Erzeugung hoher Leistungen verwendet wird, indem die direkte Belastung der Wände durch geladene Teilchen ausgeschaltet wird.

Schließlich bestand eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe noch darin, eine Quelle für reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff durch Dissoziation von Wasserdampf zu schaffen, wobei beide Produkte wertvolle Materialien darstellen, welche als zusätzliche Wärme- und Brennstoffquellen verwendet werden können.

Die Lösung der obengenannten Aufgaben, sowie weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden im folgenden anhand einer ausführlichen Beschreibung und in den Patentansprüchen niedergelegt, wobei die allgemeinen Prinzipien der

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- I Erfindung erörtert werden, zusammen mit einer Beschreibung des durch sie erreichten Nutzens, in Verbindung mit der gegenwärtig als beste Ausführungsform erachteten praktischen Verwendung der Erfindung.

Zur genaueren Darstellung des Gegenstandes der Erfindung dienen weiterhin die beigefügten Zeichnungen.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Reaktionskammer j und die notwendigen Verbindungen zwischen ihr und bestimmten Hilfsvorrichtungen.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer besonderen Abtrennungsdüse.

In Figur 1 der Zeichnung ist eine Reaktionskammer 10 dargestellt, die durch eine sie umgebende neutronenmoderiarende, wärmeabführende und/oder brütende Außenhülle 12 gebildet wird, welche die in der Kerntechnik üblichen Funktionen des Zusammenhaltens und der Rückgewinnung der Wärme in bekannter Weise ausübt. Die Vorrichtung wird in der Weise betrieben, daß als Energiequelle ein Laser 14 verwendet wird, der durch einen Kanal 16 entladen wird, welcher in das Zentrum der Reaktionskammer führt, wo ein Pellet 18 jeweils in zeitlich genau^ bestimmter Relation zu dem Impuls des Lasers angeordnet wird. Weiterhin ist ein Behälter 20· zur Aufnahme der Pellets vorgesehen, von dem aus ein Einführungsrohr 22 in das Zentrum der Reaktionskammer führt. Eine weitere Kammer 24 ist als Quelle für den Wasserdampf vorgesehen, der durch einen Kanal 26 und eine Eintrittsöffnung 28 der Reaktionskammer zugeführt wird. Eine in der Kammerwand vorgesehene geeignete Ausströmöffnung führt zu einer Austrittsdüse 32.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird eine bestimmte Menge Dampf M (in Kilogramm) durch die Dampfeintrittsöffnung 28 in die Kammer, die einen Radius von R (in Metern) aufweist, eingeblasen. Sodann wird das Fusionspellet für den Laser mit einer

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geeigneten Zeitvorgabe durch das Einführungsrohr 22 aus dem Lagerbehälter 20 in die Reaktionskammer eingeführt _{ und wenn das Pellet das Zentrum der Kammer 10 erreicht, wird der Laserstrahl durch das äußere Laserrohr 16 und das innere Schutzrohr 17 hindurchgeschickt. Das innere Schutzrohr 17 dient dabei dazu zu verhindern, daß der Laserstrahl durch den Dampf gebrochen oder gedämpft oder möglicherweise durch ein Zerbrechen des Dampfes absor^biert wird. Das Pellet 18 kann mechanisch im Zentrum der Kammer im Brennpunkt des Laserstrahles angeordnet werden oder auf irgend eine andere Art an diese Stelle gebracht werden. Wenn die Energie des Lasers in geeigneter Weise auf das Pellet fokussiert ist, wird eine Energiemenge E (in Megajoules) frei, von der etwa 1/5 in der Form von Alphateilchen mit einer Energie von 3,52 χ 10 Elektronenvolt (3,52 MEV) abgegeben wird.

Der Bereich r (in Zentimetern) dieser Teilchen im Wasserdampf

3 ist gegeben durch die Formel r = 10,85 R^ , die für die oben

M angegebenen Einheiten gilt. Diese Beziehung folgt aus Daten, die in folgenden Druckschriften angegeben werden:

"Nuclear Engineering Handbook" herausgegeben von j

H. Etherington, McGraw Hill, New York 1958 und

"Nuclear Physics" I. Kaplan, Edison Wesley, Cambridge 1956.

Die entsprechende Masse an Dampf m (in Gramm) in welcher die Energie der Alphateilchen anfänglich gespeichert ist, beträgt somit m = 1,28 R__. Diese Größen müssen so gewählt werden, das

M²

r ^ 100 R, damit alle Alphateilchen innerhalb der Kammer

2 absorbiert werden. Dies erfordert^, das M y 0,109R , wobei sich für eine tftypische Konfiguration mit M i' 1, RCTl,

j ergibt, daß m ~-l ist.

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Die Energie der Alphateilchen wird so anfänglich innerhalb ^on etwa 1/10 des Volumens der Kammer absorbiert, da^ das Zentr/.um umgibt,, wobei dieses Zentrum auf eine sehr hohe Temperatur aufgeheizt wird, die sich durch folgende Beziehung ergibt: j

T ~> 10⁵M²E (⁰K, Grad Kelvin).

ο —■ —c . - ι

Die Zeit, die die Wärme braucht, um durch die gesarate Kammer zu difundieren, kann bestimmt werden nach der Formel:

t_^ 2,5 χ 10"⁴R⁷ (Sekunden).
" M^5/3 E^4/3

Zur obengenannten Formel siehe auch "American Institute of Physics -ecftd- Handbook" 3. Auflage, herausgegeben von E. Gray,, McGraw Hill, New York 1972.

Mit den oben angegebenen Werten und E = 20 ergibt sich

j t~4,6 χ 10" Sekunden. Dies ist ein sehr kleiner Wert ver-■ gleichen mit der Dauer des Impulses von 0,2 Sekunden^ für diese al]gemeine Konfiguration und sie macht es möglich, daß der Wasserdampf in der ganzen Kammer eine einheitliche Temperatur annimmt, nach der Beziehung T = 131 E (⁰K) .

j M

! Als Gleichgewichtskonstante für die thermische Dissoziation des Wasserdampfes ergibt sich dann:

K = 1094 exp (-13100)

= 1094 exp (-100M)
E

j Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit Ergebnissen, die beschrieben sind in "Heat and Thermodynamics." ,5. Auflage, M.W. Zemansky, McGraw Hill, New York 1968. '

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! Der Gleichgewichtsdruck in der Kammer kann angegeben werden ; mit ρ = O,14E (Atmosphären). Der Gleichgewichtsgrad^der

ι Dissoziation ist gegeben durch die Gleichung:

1/2

E-

Wenn R=I und M=I ist g_ wesentlich kleiner als 1, wenn

K²

E J 20, so daß. der Dampf unter diesen Bedingungen nahezu vollständig dissoziiert ist.

Die mittlere Temperatur T beträgt 2620°K und der Druck 2,8 Atmo phären. Die mittlere Molekulargeschwindigkeit beträgt unter diesen Bedingungen 1,6 χ 10 cm/s.

in Unter Berücksichtigung von Ergebnissen, die/"Modern Chemical Kinetics" H. Eyring und E.M. Eyring, Reinhold Publishing Company, New York 1963 beschrieben sind, kann der Rekomblrta— tionskoeffizient von Wasserstoff und Sauerstoff des dissoziierten Wasserdampfes unter diesen Bedingungen abgeschätzt

5 3 werden und liegt im Bereich von 0,3 χ 10 cm /mol/s bis IQ⁶ cm³/mol/s.

Hieraus kann der Anteil von dissoziiertem Material, welches durch eine Öffnung ausströmt, näher urcpwei se bestimmt werden durch eine Gleichung der Form:

|S. = c M (M - m) - Km²

Gt

Entsprechend ergibt sich der Endwert von emittiertem dissoziiertem Material zu:

¹V = ^M[ J ^{a +} τ ^a - τ ^a

wobei M der Anfangswert in der Kammer ist und a = ττ das Verhältnis der Austrittsgeschwindigkeit zur Rekord nationskonstanteii in geeigneten Einheiten.

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Auf diese Weise erhält man Ο^δΜ^ΐη^-, 0,5M für 0,17^ a.^ 0, Dies zeigt eine äußere Ausbeute an dissoziiertem Material an, die im Bereich von 28 % bis 50 % liegt. Die Verwendung einer Düse, wie sie in Figur 1 schematisch dargestellt und mit 32 bezeichnet ist, und das sich ausbreitende Material haben eine Abkühlung zur Folge und vermindern die Rekombinationswahrscheinlichkeit. Aufgrund der Tatsache, daß die Geschwindigkeiten von Wasserstoff und Sauerstoff verschieden sind, ist es möglich, eine Trennung der Gase zu erreichen und sie in voneinander getrennten Mengen aufzufangen.

Damit die getrennten Produkte schnell genug abgezogen werden, um eine vernünftige Ausbeute sicherzustellen und die Rekombination zu verkleinern, ist es notwendig, daß dissoziierte Material so rasch wie möglich nach außen abzuführen und seinen Grad der Trennung aufrechtzuerhalten bzw. zu vergrößern. Dies kann durchgeführt werden durch Verwendung einer Düse, wie sie für Überschauströmungen (Schallgeschwindigkeit an der Engstelle) verwendet wird. (s. beispielsweise "Introduction to Aeronautical Dynamics" von M. Rauscher, Wiley, N.Y. 1953, Seite 143 f)

Bei Verwendung solch einer Düse kann man einen Anteil der Aus-

beute von 3f t 10 Gramm pro Impuls erhalten, wobei _

f der Anteil der Kammerwand ist, der für die Düsenöffnung benötigt wird, tr; die Flußzeit und R der Kammerradius in Metern

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wie oben. Nimmt man R=I, t, = 10 und f =10 , so erhält man eine Ausbeute von 30 %.

Wie in Figur 2 dargestellt, kann, um die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff aufrechtzuerhalten und zu vergrößern, ein Teil der Düse 32 bienenwabenartig oder gitterartig ausgebildet.und aus Zirkondioxid (Zr Op) einem· gegen hohe Temperaturen beständigen keramischen Material bestehen, durch welche der Sauerstpff sehr viel schneller diffundiert als der Wasserstoff. Wenn ein Abschnitt der Düse so ausgebildet ist^. wie in Figur 2 dargestellt, kann eine zusätzliche Trennung erreicht werden, wenn

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das dissoziierte Gas durch die Düse hindurchtritt. Wenn auch die Trennung nicht vollständig ist, so erzeugen die verschiedenen dargestellten Ausströmöffnungen in der Hauptsache molekularen Sauerstoff oder molekularen Wasserstoff (0_? oder Hp) wie gezeigt.

Im vorstehenden wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben zur Verwendung einer mit einer Kernfusionsreaktion arbeitenden Energiequelle zur Aufheizung von Wasserdampf durch Ablagerung geladener Teilchen und Zerlegung des Wasserdampfes in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei diese Produkte aus der Reaktionskammer abgeführt werden, bevor eine Rekombination

i stattfinden kann. Es wird darauf hingewiesen, daß die Fusions- ' quelle so modifiziert werden kann, daß sie den größten Teil ihrer Energie in Form von geladenen Teilchen abgibt und nur einen kleineren Teil in Form von außen abgelagerten Neutronen, wenn der Hauptzweck der Vorrichtung darin besteht, Wasserdampf zu spalten. Es wurde gefunden, daß es möglich ist, die Rekombination des zerlegten Materials weiter zu reduzieren indem das Material dadurch gekühlt wird, daß es aus der Reaktionskammer durch eine Expansionsdüse oder eine andere Vorrichtung bekannter Art austritt.

Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß das oben beschriebene Verfahren entweder als Teil eines Fusionsreaktors verwendet werden kann,mit dem Ziel in erster Linie die Reaktionskammer zu schützen, wenn die Spaltung von Wasserdampf nicht das erste oder ein wesentliches Ziel des Verfahrens ist, oder es kann in erster Linie zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden, wobei es dann ganz auf die Herstellung dieser Elemente hin ausgebildet wird.

Patentansprüche — 9 —

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Claims

Patentansprüche'

1. Vorrichtung zur Dissoziation von Wasserdampf gekennzeichnet ■

durch ein Gehäuse (10) eine9 Kernf'isionsreaktors, an dem i

ist !

eine Energiequelle (14) ar.gt.ordne"/, die auf den im Gehäuse j

(10) angeordneten Fusionsbrennstoff (18) ausgerichtet ist, , zur Durchführung der Zündung und Verbrennung und Vorrichtungen (24, 26, 28) zum Einführen von Wasserdampf in das
Gehäuse (10) zur thermischen Zersetzung des Dampfes und
Freisetzung molekularen"Wasserstoffes, sowie Vorrichtungen
(30, 32) zur Entfernung des molekularen Wasserstoffes aus ,

dem Gehäuse (10). · . ■

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine am ' Gehäuse angeordnete Ausströmöffnung (30). ι

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die i Ausströmöffnung ein Rohr (30) aufweist, an dem eine sich i vom Rohr an zu einer relativ weiten Aus£trittsöffnung ·

erweiternde Düse (32) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die I Au Strömöffnung ein Rohr aufweist und eine an dem Rohr ange— ! ordnete Expansionsdüse. ;

5. Vorrichtung zur Dissoziation von Wasserdampf in einem Kern—
fusionsreaktor gekennzeichnet durch

a) ein im wesentlichen sphärisches Fusionsreaktorgehäuse (10), das so ausgebildet ist, daß in seinem Zentrum eine bestimmte Menge Fusionsbrennstoff (18) anordbar ist}

b) eine außerhalb des Gehäuses (10) angeordnete einen Laser
aufweisende Energiequelle (14);

c) einen Schutzkanal· (16, 17) zur Umschließung und Weiterleitung eines impulsförmigen Laserstrahles» der von der
Energiequelle (14) auf eine bestimmte Menge Fusionsbrennstoff (18) im Zentrum des Gehäuses (10) gerichtet ist$

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d) eine am Gehäuse (10) angeordnete Dampfzuführungsvorrichtung (24, 26, 28);

j e) eine am Gehäuse (10) angeordnete Ausströmvorrichtung mit einem Austrittsrohr (30) und einer am Austrittsrohr angeordneten sich erweiternden Düse (32) zur Erreichung

ι einer relativ weiten Austrittsöffnung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (32) eine sich erweiternde Öffnung aufweist, die aus Zirkondioxid besteht, um die Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff zu erleichtern.

t .

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

Düse konzentrische Wände aufweist, die sich axial in Richtung auf die Austrittsöffnung erweitern und aus Zirkon— dioxid bestehen, um die Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff zu erleichtern.

8. Verfahren air Dissoziation von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff, unter Verwendung eines Kernfusionsreaktors, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Einbringen einer bestimmten Menge an Fusionsbrennstoff "n Pelletform in das Gehäuse des Fusionsreaktors;

b) Richten eines von einem Laser ausgehenden Energieim— pulses auf das Pellet zur Zündung und Verbrennung des Brennstoffes;

c) Einbringen einer bestimmten Menge an Wasserdampf in das Gehäuse des Fusionsreaktors unmittelbar vor der Auslösung des Energieimpulses;

d) schnelles Extrahieren der erhaltenen Zersetzungsprodukte an Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Gehäuse innerhalb eines solchen Zeitintervalles, daß Rekombination verhindert wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Zersetzungsprodukte zur Kühlung und Verminderung der Rekombinationsmöglichkeit durch eine Expansionsdüse geleitet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet_? daß diegasförmigen Zersetzungsprodukte bei oder nach dem Austreten aus dem Reaktor zur Verminderung der Rekombination gekühlt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge M des im gasförmigen Zustand zugeführten Wasserdampfes mit dem Radius R üder im wesentlichen sphärischen Reaktionskammer des Reaktors verknüpft ist durch die Beziehung:

M J- 0,109R².

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis H₄. zum Schutz eines Fusionsreaktorgehäuses, dem von einem Laser Energie zugeführt ist, gegen Wärmeverluste, sowie thermische und mechanische Beanspruchung der Gehäusewände.

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