DE2443696A1 - Mehrstufiges chemisches verfahren mit strahlungsanwendung zur erzeugung eines gases - Google Patents

Mehrstufiges chemisches verfahren mit strahlungsanwendung zur erzeugung eines gases

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DE2443696A1 DE19742443696 DE2443696A DE2443696A1 DE 2443696 A1 DE2443696 A1 DE 2443696A1 DE 19742443696 DE19742443696 DE 19742443696 DE 2443696 A DE2443696 A DE 2443696A DE 2443696 A1 DE2443696 A1 DE 2443696A1
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Description

12. September 1974
A 1857^ Pp/ib
Firma TEXAS GAS TRANSMISSION CORPORATION, 38OO Prederica Street, Owensboro, Kentucky 42301, USA
Mehrstufiges chemisches Verfahren mit Strahlungsanwendung zur Erzeugung eines Gases
Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges chemisches Verfahren mit Strahlungsanwendung und insbesondere die Kombination von radiolytischen und chemischen Reaktionen in einer bestimmten Folge, um ein Endprodukt zu erhalten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kombination von Prozessen chemischer und radiolytischer Art vorzusehen, bei welchen die Effizienz der Anwendung von Strahlungsenergie gesteigert sein soll.
Zahlreiche Versuche sind bisher in der Frage der Zündung und des Brennens eines Fusions-Brennstoffes unternommen worden, wie beispielsweise Deuterium-Tritium in Form von Kügelchen. Es gibt dabei eine Reihe von unterschiedlichen Betrachtungen zu diesem Problem, wobei eine davon die Verwendung einer Energiequelle aus einen Laser und eine besondere Ausbildung der Kugel. -
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Telegrammadresse: Patentsenior
chen behandelt, womit die Möglichkeit geschaffen werden soll, eine Zündung und ein Brennen in einer Reaktionskammer zu bewirken (US-PS 3 378 446, US-PS 3 489 645 und US-PS 3 762 992).
Es ist vorgeschlagen worden, die Strahlung von den thermonuklearen Reaktionen für die Dissoziation des Wassers zu Wasserstoff und Sauerstoff in einer einzigen Stufe zu verwenden. Dies ist in den US-Anmeldungen mit den Seriennummern 4l4 369 und 4l4 370 beschrieben worden. Der Einstufenprozess, der gewöhnlich eine durch Neutronen hervorgerufene Strahlendissoziation beinhaltet, verwendet Alpha- oder Röntgenstrahlung, wobei das Target- Molekül direkt der Strahlung aus einer Fusions- oder Spaltungsquelle ausgesetzt ist, um dadurch das gewünschte Produkt zu erzeugen. Die Verwendung einer Strahlung aus thermonuklearen Fusionsreaktionen erbringt bei derartigen Prozessen bedeutende Vorteile gegenüber der Verwendung der Strahlung aus· einer Kernspaltung.
Wenn als Strahlungsquelle der Spaltungsprozess verwendet wird, müssen die Materialien direkt den Spaltbruchstücken ausgesetzt werden, um eine wirksame Energieübertragung zu erlangen, und außerdem ist es notwendig, daß das Material direkt der Uranoder Plutonium-Brennsubstanz ausgesetzt wird. In manchen Fällen wird die Verwendung von Uranstaub empfohlen, der mit den Reaktionselementen vermischt werden soll (siehe "Advances in Nuclear Science & Technology", Vol. 1, I962, Seite 298). Der Erfolg ist, daß die Erzeugnisse durch radioaktive Spaltbruchstücke
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und durch die Brennstoff-Teilchen selbst in einem viel höherem Maße kontaminiert werden. Ein direktes Exponieren ist aber notwendig, da ungefähr 80$ der Spaltungsenergie in den Spaltbruchstücken enthalten ist.
Bei einer thermonuklearen Fusion von D-T werden etwa der Energie als schnelle Neutronen und die verbleibenden der Energie als Alpha- und Röntgen-Strahlen freigesetzt. Bei der Fusionsreaktion kann das zu behandelnde Material der Strahlung direkt oder in einem getrennten Behälter eingeschlossen ausgesetzt werden. Letzteres ist insbesondere für Neutronen-Bestrahlung geeignet, da die Neutronen eine wirksame Durchdringungs-Charakteristik haben.
So wird durch die Verwendung von Fusionsvorrichtungen mit ihren hochenergetischen Neutronen sowie der Alpha- und Röntgenstrahlung die Möglichkeit geschaffen, eine direkte Wechselwirkung der Strahlung mit den Reaktionselementen vorzusehen, wobei die Kontamination nur noch ein kleines Problem darstellt. Dieser Unterschied allein ist bereits für die Berücksichtigung von Thermonuklear-Reaktoren für chemonukleare Prozesse von grosser Bedeutung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren unter Verwendung einer Kombination von radiolytischen und chemischen Reaktionen vorzusehen, das insbesondere für eine Anwendung des Fusionsprozesses geeignet ist und bei dem die Effizienz bei der Anwendung von Strahlungsenergie bedeutend gesteigert werden solL
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- ir -
Außerdem soll das Verfahren verhältnismäßig einfach sein und die Endprodukte sollten auf unkomplizierte Weise getrennt werden können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein System vorzusehen, bei dem einer der ursprünglich eingegebenen Bestandteile vollständig im Kreislauf zurückgeführt werden kann. Das Verfahren kann ein chemisch rückführbares Molekül, ein neues strahlurigempfindliches Molekül, ein Haupterzeugnis und ein Nebenprodukt ergeben.
Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen deutlich, wobei das Prinzip der Erfindung und ihre Verwendung zusammen mit der bestmöglichen Durchführung erläutert wird.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Anwendung des Verfahrens;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer vereinfachten Ausführung des Zykluses.
Eine molekulare Spaltung durch Strahlung oder "Radiolyse" ist eine bekannte Erscheinung. Sie kann zur Formung von gewünschten oder brauchbaren Molekül-Arten aus einem Material verwendet werden, das aus größeren Molekülen besteht.
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Als Beispiel kann einerseits die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff durch radiolytische Zerlegung von Wasser und andererseits die Bildung von Kohlenmonoxyd und Sauerstoff durch radiolytische Zerlegung des Kohlendioxyds angesehen werden. Die Ausbeute oder der 'G'-Wert für die radiolytische Reaktion kann jedoch zu klein sein, als daß das Verfahren brauchbar oder wirtschaftlich wäre. Ein allgemein festgelegter G-Wert für die Ausbeute der Wasserstoffmoleküle bei einer Bestrahlung von reinem, flüssigem Wasser durch Gammastrahlen beträgt 0,5 (der G-Wert ist die Zahl der Produkt-Moleküle, die pro 100 Elektronenvolt absorbierter Energie gebildet werden). Vorliegende Erfindung sieht die Kombination von Verfahrensschritten chemischer Reaktionen und von radiolytischen Verfahren vor. Die in Abhängigkeit von dem besonderen Material angewendete chemische Reaktion kann den Prozess hervorrufen, der von einer radiolytischen Stufe gefolgt wird, oder ein anfänglich radiolytischer Verfahrensschritt kann Moleküle erzeugen, die für eine chemische Reaktion zur Erzeugung des gewünschten Endproduktes geeignet sein können. Das mehrstufige Verfallen ist so ausgerichtet, daß, ausgenommen für Sekundärverluste durch Entweichen, Verdampfen, Mutation usw., alle chemischen Stoffe, ausgenommen das ursprünglich eingegebene Material, vollständig zurückgeführt werden. Das ursprünglich eingegebene Material ist im Fall des einstufigen, radiolytischen Prozesses, wie oben erwähnt worden ist, danach ausgewählt, ein gewünschtes Endprodukt vorsehen zu können. Bei dem vorliegenden Verfahren der Kombination von chemischen und radiolytischen Stufen können die eingegebenen Produk-
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- έ-
te und die gewonnen Erzeugnisse die gleichen sein, wie bei dem einstufigen Prozess. Ein wichtiges Ziel der kombinierten Schritte ist es, die radiolytische Stufe für die Strahlung eines Moleküls zu verwenden, das mit einem besonders hohen G-Wert ausgestattet ist. Wenn daher der chemischen Reaktion der radiolytische Prozess folgen soll, wird dementsprechend die chemische Reaktion zur Schaffung eines neuen radioempfindlichen Moleküls und eines Nebenproduktes aus einer Kombination von eingegebenem Material und chemisch rückführbaren Molekül verwendet. Nach der Radiolyse des neugeschaffenen radioempfindlichen Moleküls wird ein Spaltstück als gewünschtes Erzeugnis gesammelt und das zweite Spaltstück reagiert mit dem Nebenprodukt, um das ursprüngliche, rückführbare Molekül wieder zu schaffen und das zweite gewünschte Erzeugnis vorzusehen. Beispielsweise können ein Erdalkalisalz und alkalisches Hydroxid reagieren, um ein erdalkalisches Hydroxid und ein alkalisches Halogenid zu bilden. Das alkalische Halogenid wird sodann der radiolytischen Dissoziation unterzogen.
Ein Beispiel is t die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser als Speisematerial und Kalziumbromid als rückführbares Molekül.
Die Reaktion läuft wie folgt ab:
(a) CaBr9 + 2Hp0 > Ca (0H)p + 2H Br
d d Wärme d
(b) 2H Br + Strahlung > H2 + Br2
(G = 9,7)* G 16+ **
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* Radiolysis of. Gaseous Hydrogen Bromide. International
J. Applied Radiation, Isotopes, VoI, 19, S. 586 (I968).
*·* Für kleine Drücke, "Low Pressure Anomalies in ..", Radio-' lysis of Gases, Rad. Research 40, S. 255 (1969)·
(c) Ca (OH) 2 + Br > Ca Br3 + H3O2
(d) H2O2 ^ H2O + 1/2
das
Es ist zu bemerken, daß/Kaiziumbromid konserviert und
mit der Zugabe von etwas Wärme und Strahlung Wasserstoff und
Sauerstoff gebildet wird. Somit sind Wasser, Wärme μηά ionisierende Strahlung die einzig verbraucht werdenden Versorungselemente. Das Wasserstoffbromid-Molekül ist als sehr radiosensitiv bekannt und daher besser als Molekül für radiolytische Prozesse geeignet, als Wasser.
Bei einem zweiten Beispiel beginnt der Prozess mit einem geeigneten radiosensitiven Molekül und den Erzeugnissen einer l bei einer chemischen Reaktion verwendeten Radiolyse. Beispielsweise wird Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff dissoziiert. Das Kohlenmonoxid wird sodann zur Bildung von Kohlendioxid, Wasserstoff und Sauerstoff mit Wasser zur Reaktion gebracht.
Die Reaktion läuft wie folgt ab:
CO2 + Strahlung > CO + 1/2 O2
CO + HpO > COp + H
W arme
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- Sf -
. ?443696
Zu dieser Reaktion ist zu bemerken, daß das Kohlendioxid im Kreislauf zurückgeführt werden kann. Der einzig hinzugefügte Stoff, nämlich Wasser, wird durch die Umwandlung zu Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht. Es ist noch festzustellen, daß die für die thermochemischen Reaktionen benötigte Wärme, sowie die Strahlungsenergie von der Fusions-Reaktion abgeführt werden können. In "Advances in Nuclear Science & Technology", Vol. 1, S. 297i wird über ein ähnliches Verfahren im Zusammenhang mit Spaltungs-Energiequellen berichtet.
Bei einem dritten Beispiel wird Wasser und Chlor verwendet.
Die Reaktion verläuft wie folgt: H2O + Cl2 ^ 2 HCl + 1/2 O3
2 HCl + Strahlung > H2 + Cl2
G = 8
Nach dem ersten Beispiel also wird ein Erdalkalisalz mit Wasser zu einer thermochemischen Reaktion gebracht. Aus Fig. 1 ist zu sehen, daß eine Fusionsreaktionskammer 10 so angeordnet ist, daß Wärme an einen Behälter 12 übertragen und ein . Behälter 14 einer Strahlung ausgesetzt werden kann, wobei letzterer als Radiolyse-Kammer bezeichnet werden kann. Eine Trennkammer 16 ist neben der Radiolysekammer Ik vorgesehen. Ein Behälter 18 ist mit dem Behälter l6 verbunden, durch den das Bromgas aus
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der Kammer 1β fließen kann, und eine Reaktionskammer 20
ist zur Wiederbildung des Erdalkali-Hydroxids vorgesehen. Nach dem Diagramm der Fig. 1 wird somit in der Kammer 12 ein hydrolysierbares Erdalkalisalz mit Wasser dadurch zur Reaktion gebracht, daß die Mischung erhitzt wird, um das Erdalkali-Hydroxid und das Wasserstoff-Halogen zu bilden. Beispiele dieser Reaktion sind:
(a) Ca Br2 + 2H2O 229_£— Ca (0H)2 + 2HBr
(b) Cd Br2 + 2H2O Cd (OH)2 + 2HBr
(c) Ca Cl2 + 2H2O Ca (OH)2 + 2HCl
Das Wasserstoff-Halogen wird aus der Kammer 12 abgezogen und in den Behälter 14 übertragen, in dem es einer Strahlung ausgesetzt wird, die von einer Kernfusion in der Reaktionskammer 10 ausgeht. Damit wird das Wasserstoff-Halogen Neutronen, Alpha- und Röntgenstrahlen ausgesetzt. Eine Dissoziierung des Gases tritt ein und das radiolytische Erzeugnis des Wasserstoffgases tritt durch eine geeignete Leitung 22 aus, wogegen das Halogengas über eine geeignete Leitung 24 in die Kammer 18 geführt wird. In der Kammer können bekannte Trennverfahren angewendet werden, so daß
er
das Halogengas von dem Hauptzeugnis Wasserstoff getrennt werden kann. Der Wasserstoff wird für eine Speicherung und
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- ίο -
eine eventuelle Verwendung als Brenngas abgepumpt, entweder in reinem Zustand oder als zubereiteter Kohlenwasserstoff. Das Halogengas wird mit dem aus der chemischen Reaktion sich ergebenden Erdalkali-Hydroxid zur Reaktion gebracht, das die Kammer 20 über eine geeignete Leitung 26 erreicht. Hiermit wird das hydrolysierbare Salz in der Kammer 20 reformiert und kann auf geeignete Weise in die Kammer 12 zuruckübertragen werden, um darin mit neu eingegebenem Wasser zu reagieren, das durch die Leitung 28 eintritt. Die Produkte Wasser und Sauerstoff aus der Kammer 20 werden durch die Leitung j50 abgepumpt. Das Wasser kann nach Bedarf zur Leitung 28 zurückgeführt werden und der Sauerstoff kann nach Bedarf für eine anderweitige Verwendung gewonnen werden.
In Fig. 2 ist ein System für di^fReaktion des dritten Beispieles dargestellt, das entsprechend der obigen Beschreibung Chlor verwendet. Es können aber auch andere Halogene dabei verwendet werden. Die Fusions-Reaktionskammer 10 ist so angeordnet, daß Wärme anjden Behälter 40 für die chemische Reaktion und Strahlung an die Kammer 42 für die radiolytische Reaktion übertragen werden kann. Bei dem hier vorliegenden Kreislauf wird Chlor zusammen mit Wasser in die Kammer 40 gegeben und es wird unter einer Wärmeeinwirkung von etwa
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800° C Sauerstoff und Chlorwasserstoff erzeugt, der durch die Kammer 42 läuft, in der er einer Dissoziierung in Wasserstoff und Chlor ausgesetzt wird. Diese Gase werden auf geeignete Weise in der Kammer 42 getrennt, so daß der Wasserstoff durch die Leitung 44 austreten und das Chlor durch die Leitung 46 zurück in die chemische Reaktionskammer 40 geführt werden kann.
Es muß betont werden, daß bei den oben angeführten Beispielen die Erdalkalimetalle aus der Gruppe II des periodischen Systems ausgewählt werden können, wie beispielsweise Be,Mg,Ca,Zn,Sr,Cd,Ba und Hg. Die Alkali-Kombinationen könnten aus der Gruppe I mit den Elementen H,Li,Na,K,Cu,Rb,Ag,Cs und Au ausgewählt werden. Als Halogene kommen natürlich Fluor, Chlor, Brom und Jod aus der Gruppe VII in Frage.
Dieses Mehrstufen-Prinzip ist für viele Verfahren und Erzeugnisse anwendbar. Die Hauptpunkte dabei sind: a) Einführen zu Beginn oder Schaffung eines Strahlungssensitiven Moleküls;
b-) durch Radiolyse die Schaffung eines wichtigen chemischen Zwischenproduktes oder eines Endproduktes; c) die Rückführung aller chemischen Stoffe im Kreislauf, ausgenommen das eingegebene Material und das gewünschte
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Endprodukt.
Ein wesentliches Ziel des kombinierten Verfahrens ist es, das Auftreten einer Radiolyse bei einem ausgewählten strahlensensitiven Molekül mit einem hohen G-Wert zu erreichen.
Es sollte jedoch vermerkt werden, daß der Teil der Strahlungsenergie, der nicht direkt für die Radiolyse verwendet wird, absorbiert und in Wärme umgewandelt werden soll. Das System kann daher so ausgebildet sein, daß sowohl die hochenergetische Betriebs-Strahlung als auch die Wärme von ein und derselben Quelle genommen werden, d.h. von den schnellen Neutronen oder von anderen Strahlungen der thermonuklearen Reaktion.
Ein weiteres Merkmal dieser Verfahren liegt im Gegensatz zur direkten Radiolyse von Wasser, bei der Wasserstoff und Sauerstoff zusammen austreten, darin, daß Wasserstoff und Sauerstoff getrennt bei verschiedenen Stufen und in physikalisch gesonderten Zonen der Vorrichtung erzeugt werden. Dadurch wird eine Explosionsgefahr vermieden und eine Reinigung des Endproduktes leichter gemacht.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff für eine Verwendung als Brenngas oder als Bestandteil eines auf Wasserstoff basierenden Brenngases, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydrolysierbares Erdalkalisalz mit Wasser bei einer Temperatur zur Reaktion gebracht wird, wodurch ein Erdalkali-Hydroxid und ein Wasserstoff-Halogen gebildet werden, daß das Wasserstoff-Halogen abgeführt und einer Strahlung aus einem Fusions-Reaktionsprozeß ausgesetzt wird, um ein Wasserstoffgas und Halegonid-Moleküle zu erzeugen, und daß der Wasserstoff abgetrennt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenid-Moleküle mit einem Erdalkali-Hydroxid zur Bildung eines rückführbaren, hydrolysierbaren Erdalkalisalzes für einen neuen Verfahrensgang in dem Zyklus zur Reaktion gebracht werden.
    -U-
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    J5. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff für eine Verwendung als Brenngas oder als Bestandteil eines auf Wasserstoff basierenden Brenngases, dadurch gekennzeichnet, daß Kalziumbromid und Wasser bei etwa 730° C zur Bildung von Kalzium-Hydroxid und Wasserstoffbromid zur Reaktion gebracht werden, daß das Wasserstoffbromid abgetrennt und einer Strahlung aus einem Fusions-Reaktionsprozess ausgesetzt wird, um eine Dissoziation in Wasserstoff und Brom zu erhalten, und daß der Wasserstoff abgetrennt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Brom mit dem Kalzium-Hydroxid zur Erzeugung des Ausgangsmaterials Kalziumbromid zum Reagieren gebracht wird.
    5. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff für eine Verwendung als Brenngas oder als Bestandteil eines auf Wasserstoff basierenden Brenngases, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Startmateri%. vorgesehenes Erdalkali-Halogenid, das mit einem Erdelement aus der Gruppe Be,Mg,Ca,Zn,Sr,Cd, Ba und Hg und aus der Gruppe der Alkalielemente, wie H,Li, Na,K,Cu,Rb,Cs,Ag und Au, gebildet seiri kann, mit Wasser bei einer Temperatur zur Bildung eines Erdalkali-Hydroxids und eines Wasserstoff-Halogens in einer thermochemischen Reaktion
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    zum Reagieren gebracht wird, daß das Wasserstoff-Halogen abgeführt und einer Strahlung aus einem Fusions-Reaktionsprozeß ausgesetzt wird, um ein Wasserstoffgas und Halogenid-Moleküle zu erzeugen, und daß der Wasserstoff für eine Verwendung als Brenngas und Brenngasbasis abgetrennt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dte thermochemische Reaktion durch eine Wärme von der Fusions-Reaktion bewirkt wird.
    7. » Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Halogen-Moleküle mit dem Erdalkali-Hydroxid zur Bildung des hydrolysierbaren Erdalkali-Halogens als Ausgangsmaterial zum Reagieren gebracht werden.
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