DE2449230A1

DE2449230A1 - Verfahren zur ausnutzung von bei einer kernfusionsreaktion erzeugter strahlung

Info

Publication number: DE2449230A1
Application number: DE19742449230
Authority: DE
Inventors: Robert Jerrell Teitel
Original assignee: Texas Gas Transmission Corp
Current assignee: Texas Gas Transmission Corp
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1974-10-16
Publication date: 1975-05-22
Also published as: FR2251356A1; FR2251356B1; JPS5084603A; CA1023694A; JPS5080994A; IT1019354B; US4145269A; NL7415055A; JPS5735121B2; GB1487380A

Description

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Firma Texas Gas Transmission Corporation, Owensboro, Kentucky 42301/USA

Verfahren zur Ausnutzung von bei einer Kernfusionsreaktion erzeugter Strahlung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mehrstufiges, chemisches und radiologisches Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen Brennstoffes und insbesondere auf die Herstellung von Wasserstoff durch Kombination radiolytischer und chemischer Reaktionen in einer bestimmten Abfolge um ein bestimmtes Endprodukt zu erhalten.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Kombination von chemischen und radiolytisehen Verfahrensschritten, die den Wirkungsgrad bei der Verwendung von Strahlungsenergie,

aus
die/einer Kernfusionsreaktion stammt, erhöht und die Herstellung eines Gases erlaubt, das für viele Reaktionen und als Brennstoff verwendet werden kann.

Hintergrund der Erfindung

Es laufen zur Zeit viele Entwicklungsarbeiten, die sich mit der Entzündung und Verbrennung eines Fusionsbrennstoffes, wie beispielsweise Deuterium-Tritium,in Form von PelJebs beschäftigen. Es gibt eine Reihe verschiedener Möglichkeiten sich der Lösung dieses Problems anzunähern und bei. einer von

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ihnen wird als Energiequelle ein Laser verwendet, sowie spezielle Ausbildungen der Pellets, welche es möglich machen, die Entzündung und Verbrennung in einer Reaktionskammer durchzuführen. Vorrichtungen, die bei dieser Art von Systemen verwendet werden können, werden allgemein in folgenden Patentschriften beschrieben:

US-PS 3 378 446 - Whittlesey - 16. April 1968 US-PS 3 489 645 - Daiber - 13. Jan. 1970 US-PS 3 762 992 - Hedstrom - 2. Okt. 1973

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die von einer thermonuklearen Reaktion ausgehende Strahlung zur Dissoziation von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb einer Stufe zu verwenden. Dies wird in einer parallellaufenden Patentanmeldung P... (US-Patentanmeldung Nr. 414 369, 9. Nov. 1973, Theodor Teichmann) und in der Anmeldung P... (US-Anmeldung 414 370, 9. Nov. 1973, Gomberg und Teitel) beschrieben. Bei diesem einstufigen Verfahren, das von der gewöhnlichen Strahlung Gebrauch macht, die durch Neutronen, Alphastrahlen oder Röntgenstrahlen hervorgerufen wird, wird das Targetmolekül direkt der von einer Kernfusions- oder Spaltungsquelle ausgehenden Strahlung ausgesetzt zur Herstellung des gewünschten Produktes. Die Verwendung von Strahlung aus einer thermonuklearen Fusionsreaktion hat bei derartigen Verfahren einen eindeutigen Vorteil gegenüber der Verwendung von Strahlung aus einer Kernspaltungsreaktion.

Wenn als Strahlungsquelle eine Kernspaltungsreaktion verwendet wird, muß das Material den Spaltungsbruchteilen direkt ausgesetzt werden, damit ein wirksamer Energieübergang erhalten wird. Dies hat zur Folge, daß das Material, dem Uran- oder Plutonium—Brennstoff direkt ausgesetzt werden muß. In einigen Fällen wird die Verwendung von Uranstaub erffohlen, der mit den reagierenden Stoffen vermischt werden soll. (s. beispielsweise Advances in Nuclear Science & Technology, Band 1, herausgegeben von Henley und Kouts, Academic Press 1962, Seite· 298) Das Ergebnis ist eine ziemlich schwerwiegende

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Verunreinigung der erhaltenen Produkte durch radioaktive Spaltungsbruchteile und durch die Teilchen des Kernbrennstoffes selbst. Das direkte Aussetzen ist notwendig, da etwa 80 % der Spaltungsenergie in den Spaltungsbruchteilen enthalten ist.

Es ist außerdem gefunden worden, daß bei der Verwendung von fein verteiltem, spaltbarem Brennstoff,in Verbindung mit dem Dissoziationsprozeß ProXbleme auftreten. Die feine Verteilung des Materials ist absolut wesentlich dafür, daß die Strahlung des Spaltungsproduktes aus dem Brennstoffteilchen austreten kann in das zu zersetzende Medium. Das Experiment hat erwiesen, daß sich die fein verteilten Brennstoffteilchen in Klumpen an die Reaktorwände ansetzen und auf diese Weise den sicheren Betrieb eines Kernspaltungsreaktors stören. Die Absonderung ändert die Anordnung des Brennstoffes und erzeugt heiße Stellen, die die Behälterwände zerstören können. Im Gegensatz hierzu wird ein Fusionsreaktor nicht durch die Anordnung des absorbierten Mediums beeinträchtigt.

Bei der thermonuklearen Fusion von D-T werden 80 % der Energie als schnelle Neutronen freigesetzt und die verbleibenden 20 % der Energie werden als Alphastrahlen und Röntgenstrahlen abgegeben. Bei einer Fusionsreaktion kann das zu behandelnde Material direkt der Strahlung ausgesetzt werden oder es kann ihr ausgesetzt werden,während es sich in einem abgetrennten Behälter befindet. Die letztere Bedingung ist besonders geeignetywenn das Material den Neutronen ausgesetzt werden soll, da die Neutronen besonders wirkungsvolle Durchdringungseigenschaften aufweisen.

Auf diese Weise ermöglicht die Verwendung von Fusionsanordnungen mit den durch sie erzeugten hochenergetischen Neutronen und ebenso den Alpha- -und Röntgenstrahlen die direkte Wechselwirkung der Strahlung mit den Reaktionskomponenten, wobei nur sehr' geringe Probleme hinsichtlich der Verunreinigung auftreten. Dieser Unterschied allein ist bereits sehr bedeutungsvoll bei

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der Betrachtung der Verwendung thermonuklearer Reaktoren für chemonukleare Verfahren.

Gegenstände der Erfindung

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein kombiniertes chemisches und radiolytisches Verfahren zu schaffen, das besonders geeignet ist, im Zusammenhang mit einer Fusionsreaktion verwendet zu werden, und das den Wirkungsgrad bei der Herstellung eines gasförmigen Brennstoffes, wie beispielsweise Wasserstoff, beträchtlich erhöht. Außerdem ist das Verfahren relativ einfach und die Endprodukte können leichter abgetrennt werden.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, bei dem einer der ursprünglich zugeführten Bestandteile vollständig zurückgeführt werden kann. Das Verfahren kann ein chemisch rückführbares Molekül ergeben, ein neues strahlungsempfindliches Molekül, ein Hauptprodukt und ein Nebenprodukt.

Ein weiterer Gegenstand der im folgenden geoffenbarten Erfindung besteht in der Ausnutzung von Strahlung aus einer mit einem Laser betriebenen Kernfusionsreaktion zur Dissoziation von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff. Bei dem Verfahren entstehende Wärme kann dann dazu verwendet werden, das Kohlenmonoxid mit Wasser zur Umwandlung zu bringen zur Herstellung von Wasserstoff und dem ursprünglichen Ausgangsmaterial, dem Kohlendioxid. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist in dem reichlichen Vorhandensein und den geringen Kosten des Ausgangsmaterials zu sehen, insbesondere, wenn mindestens ein Teil zurückgeführt werden kann, so daß die Verluste wirtschaftlich gesehen unbedeutend sind.

Ein anderer Gegenstand der Erfindung betrifft die Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, bei dem das Kohlenmonoxid in einer Stufe abgezogen werden kann, oder in der thermochemisehen Reaktion verwendet werden kann, zur

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Wiedererschaffung des rückführbaren Kohlendioxids, wobei Wasserstoff freigesetzt wird.

Weitere Gegenstände und Eigenschaften der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung geoffenbart, sowie in den Patentansprüchen, wobei die Prinzipien der Erfindung und ihrer Anwendung zusammen mit der derzeitig als besten erachteten Ausführungsform dargestellt werden.

Eine der Beschreibung beigefügte Zeichnung stellt diagrammartig die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie die aufeinanderfolgenden Stufen des Verfahrens dar.

Kurz gesagt umschließt das Verfahren die Bildung von Kohlendioxid aus kohlenstoffhaltigem Material, wobei die Wärme aus einem" Fusionsreaktor ausgenutzt wird und das Kohlendioxidgas der Strahlung einer Fusionsreaktion in Form von Neutronen, Alphastrahlen oder Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, zur Dissoziation des Gases in Kohlenmonoxid und Sauastoff. In dieser Verfahrensstufe kann das Kohlenmonoxid nach außen abgeleitet werden für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. In den meisten Fällen ist es aber wünschenswert, daß das Kohlenmonoxid mit Wasser weiter reagiert zur Herstellung von Wasserstoff, welcher als reiner Brennstoff verwendet werden kann oder zur Herstellung von Brennstoffen auf Wasserstoffbasis, wie beispielsweise Methan.

-en Auf dem Gebiet der radiochemischen Reaktion und Verfahren ist es bekannt, daß die Zerlegung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid eine r^adiolytische Reaktion mit relativ hohem Wirkungsgrad ist. (Advances in Nuclear Science & Technology, Henley und Kouts, Band 1, 1962, Seite 309) Es wird von Ausbeuten an Kohlenmonoxid zwischen 5 bis 20 Molekülen pro 100 eV berichtet, was einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung zwischen 15 und 59 % ergibt. Das Kohlenmonoxid ist zur chemischen Dissoziation von Wasser verwendet worden.

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Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung von Wärme und Strahlung aus einer mit einem Laser betriebenen Kernfusionsreaktion vor, zur Durchführung eines kombinierten radiolytischen und thermochemischen Verfahrens. Das Verfahren wird in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung beschrieben, wobei die einzelnen Verfahrensstufen mit römischen Ziffern bezeichnet sind. Es wird darauf hingewiesen, daß die zu behandelnden Materialien leicht in verfügbaren Retorten, Reaktionsgefäßen und Behältern aus korrosionsfestem Material, beispielsweise Stahl, aufbewahrt werden können.

Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß der in der Zeichnung nur schematisch angedeutete Fusionsreaktor eine charakteristische Ausbildung aufweist, die in den erwähnten Patentschriften beschrieben ist, und das* Wärme und Energie von dem Reaktor in Form von Dampf, dampfbetriebenen Generatoren, mit wär^mebetre|ibenen Kühlzyklen usw. abgeleitet werden kann.

Die Stufen I und II befassen sich mit der Produktion von Kohlendioxid für die radiolytische Zersetzung. In das Gefäß I kann ein kohlenstoffhaltiges Material, wie beispielsweise KaIkj stein, Seemuschelschalen, Öl ader Kohle, eingebracht und dort durch ein mit Flüssigmetall arbeitendes Wärmeübertragungssysten oder durch auf hohe Temperaturen gebrachtes Gas erhitzt werden. Das auf diese Weise hergestellte Kohlendioxid wird dem Gefäß II zugeführt, in das Festkörper aus Bor eingeführt sind, zur Steigerung der radiolytischen Vorgänge. Gefäß II kann außerdem Kohlendioxid enthalten, das aus späteren Phasen des Verfahrens stammt, wie weiter unten beschrieben wird. Die Hinzufügung von Absorbern oder Strahlungsumwandlern, wie beispielsweise Bor, welches Neutronenenergie in Alphastrahlung verwandelt, erhöht die materielle Ausbeute an Kohlenmonoxid. Ein weiterer möglicher Zusatz besteht in einem Verdünnungsmittel um die Rekombination zu verzögern.

In Stuf/e II wird ein srhematisch dargestelltes Gefäß III verwendet, dem Strahlung von dem Fusionsreaktor zugeführt wird..

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Das Kohlendioxidgas kann um einen Fusionsreaktor in einer umgebenden Kammer herumgeführt werden+ und so den Neutronen, sowie der Alpha- und Röntgenstrahlung ausgesetzt werden. Es ist wahrscheinlich am besten, das Hindurchführen des Kohlendioxides direkt in die Reaktionskammer zu vermeiden, da dies eine Strahlung von schweren Ionen nach sich ziehen kann. Es kann wünschenswert sein, das Kohlendioxid in der Moderatorzone des Reaktors zu verwenden, wo schnelle Neutronen auf thermische Energie abgebremst werden. Kohlendioxid kann als Moderator benutzt werden und zur Absorption von Strahlungsenergie. Kohlendioxid kann außerdem als Kühlittel verwendet werden, um thermische Energie abzuführen. Neutronen, welche mit Bor (oder Lithium) reagieren, erzeugen Alphastrahlung aber dies verbraucht Neutronen und konkurriert mit einer möglichen Tritium brütenden Wirkung. Zur Optimalisierung,im Hinblick auf das gewünschte Endprodukt, ist eine Berücksichtigung der Anordnung erforderlich.

Stufe III produziert durch radiolytische Wirkung auf Kohlendioxid die Gase Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Sauerstoff und die verbleibenden Borfeststoffe. Stufe IV bewirkt eine Trennung dieser Produkte. Tieftemperaturdestillation kann eine Methode zur Trennung von Kohlendioxid und Sauerstoff sein und bekannte chemische Verfahren können im Gefäß V angewendet werden. Die Borfeststoffe können physikalisch voneinander getrennt und dem Gefäß II zum Wiedereintritt in den Zyklus zugeführt werden. Das Kohlendioxid aus Gefäß V kann auch in das Gefäß II zurückgeführt werden. An dieser Stelle kann weiterhin das Kohlenmonoxid abgeführt und als Brennstoff verwendet werden.

Es kann jedoch eine thermochemische Reaktion von Kohlenmonoxid und Wasser zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden, welcher ein wertvoller gasförmiger Brennstoff ist, oder als BaBLS für Brennstoffe, wie Methan, dienen kann.

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- 8 Das Verfahren verläuft folgendermaßen:

CO₂ + Strahlung > CO + 1/2 0

CO + H₂O ^ CO₂ + H₂

Die Wärme zur Anregung dieser Reaktion kann durch Dampf zugeführt werden, der als Teil des Fusionsreaktor/komplexes gebildet wird. Diese Reaktion findet in Gefäß VI statt, dem Wasser von einer unabhängigen Quelle, wie beispielsweise aus Gefäß VII zugeführt wird. Als Produkte entstehen Wasserstoff, Kohlendioxid und Restwasser, das kondensiert und in Gefäß VI zurückgeführt werden kann.

In Stufe VIII findet wiederum ein Trennungsverfahren statt, wobei starke Abkühlung (Kryogenik) verwendet werden kann, so daß Wasserstoff als gewünschtes Endprodukt zurückbleibt. Das Wasser kann auskondensiert werden,· und der Wasserstoff kann von dem Kohlendioxid durch Diffusion oder Destillation bei tiefen Temperaturen getrennt werden. Das Kohlendioxid kann auch in das Gefäß II zurückgeführt werden. Es wird darauf hingewiesen daß, wenn Kohlenmonoxid aus dem Zyklus an irgend einer Stelle entfernt wird, dies immer einen Verbrauch von kohlenstoffhaltigem Brennstoff nach sich zieht. Hier muß wieder die Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials berücksichtigt werden, um den größten wirtschaftlichen Vorteil zu erreichen.

Eine weitere Verfeinerung des Verfahrens benutzt komplexere chemische Prozesse kann aber die Anzahl der Verfahrensstufen reduzieren und so die Komplexität des Gesamtverfahrens. Bei dieser Verfeinerung kann Wasser in Form von Dampf mit dem Kohlendioxid zusammengeführt werden. Weiterhin werden Borteilchen entweder direkt vor oder direkt nach der Einwirkung der Strahlung in Stufe III der Zeichnung zugeführt. Das entstehende Gasgemisch enthält Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasser und Borteilchen, wenn das Kohlenmonoxid und Wasser nicht miteinander reagieren. Es enthält Kohlendioxid, Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser und Borteilchen, wenn eine Reaktion stattfindet. In dem Fall, in dem keine Reaktion

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zwischen Kohlenmonoxid und Wasser stattfindet, kann, wie oben beschrieben, das Wasser kondensiert werden und nimmt die Borteilchen mit sich. DagWasser wird in den Zyklus zurückgeführt. In der nächsten Stufe könnte kryogenische Trennung durch Destillation oder Verfestigung von Kohlendioxid und Sauerstoff stattfinden, wobei Kohlenmonoxid zurückbleibt. Das Kohlenmonoxid wird zur Reaktion mit Wasser zusammengebracht zur Herstellung von Wasserstoff wie oben beschrieben.

Wenn Kohlenmonoxid und Wasser genau oder ungefähr während der Einwirkung der Strahlung reagieren, kann in der nächsten Stufe Wasserstoff mittels Diffusion durch eine Metallmembran, die besonders durchlässig für Wasserstoff ist, entfernt werden, wonach eine kryogenische Abführung von Kohlendioxid erfolgt und Sauerstoff zurückbleibt. Das Kohlendioxid und das Wasser werden dann in den Zyklus zurückgeführt.

Bei einer weiteren Modifikation des Verfahrens kann die Abtrennung von Wasserstoff noch wirksamer unter Verwendung von im Handel erhältlichen Mxkroglaskugeln durchgeführt werden. Diese können leicht in einem Strom von Kohlendioxid, welches Wasser als Spülmittel in Form von Wasserdampf oder Tropfen enthält, dispergiert werden. Das in dem Glas enthaltene Bor oder Lithium kann Neutronen absorbieren und eine hochionisierende Strahlung erzeugen, welche aus den dünnen Glaswänden austritt und auf diese Weise das Kohlendioxid zersetzt,ohne die Mikroglaskugeln zu zerstören. Die Reaktion des Kohlenmonoxids mit dem Spülwasser hat die Bildung von Wasserstoff zur Folge, der sich mit dem Sauerstoff vermischt, der durch Zerlegung des Kohlendioxids entsteht.

Die Diffusion des Wasserstoffes durch die Wände der Mikrokugeln erfolgt genügend rasch, daß der Wasserstoff in die Höhlungen der Mikrokugeln hineindjffundiert und auf diese Weise physikalisch vom Sauerstoff getrennt wird, wodurch die Rekombination vermieden wird. Die Mikrokugeln können dann physikalisch

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abgeführt und durch Reduzieren des Außendruckes kann der Wasserstoff durch Diffusion in umgekehrter Richtung entfernt werden. Alternativ kann der Sauerstoff,aus der die Mikrokugeln enthaltenden Kammer abgezogen werden und durch Herabsetzung des Umgebungsdruckes kann Diffusion in umgekehrter Richtung und damit die Gewinnung des Wasserstoffes erreicht werden.

Auf diese Weise wird durch den Kernfusionszyklus,kombiniert mit radiolytisehen und thermochemisehen Reaktionen, unter Verwendung von Kohlendioxid und Wasser, ein hochwirksames System geschaffen, zur Herstellung von gasförmigen Brennstoffes, wobei es möglich ist, die notwendige Wärme und Strahlungsenergie aus der gleichen Quelle zu gewinnen. Das gewünschte Ergebnis wird so durch ein hochwirksames System erhalten, welches die Ausgangsmaterialien erhält und lediglich ein leicht ersetzbares Zuführmaterial verbraucht, nämlich Wasser.

Patentansprüche - 11 -

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Claims

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- 11 Patentansprüche

(l^ Verfahren zur Ausnutzung von bei einer Kernfusionsreaktion erzeugter Strahlung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

a) Es wird ein erstes Ausgangsmaterial ausgewählt, das einen hohen G-Wert besitzt und aus dem sich unter der Einwirkung der Strahlung einer Kernfusionsreaktion ein chemisch aktives Molekül und ein Nebenprodukt bildet;

b) es wird ein zweites Ausgangsmaterial ausgewählt, mit einem Molekül, in dem das gewünschte Endprodukt, sowie ein Ersatz für das aus dem ersten Ausgangsmaterial gebildete Nebenprodukt enthalten sind;

c) das erste Ausgangsmaterial wird der Strahlung einer Kernfusionsreaktion ausgesetzt zur Freisetzung des chemisch aktiven Moleküls, ohne nennenswerte radioaktive Verunreinigung;

d) das chemisch aktive Molekül wird mit dem zweiten Ausgangsmaterial in einer thermiochemisehen Reaktion zusammengeführt zur Freisetzung des gewünschten Endproduktes und Rückbildung des ersten Ausgangsmaterials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Kernfusionsreaktion entstehende Wärme zum Betreiben der thermochemisehen Reaktion verwendet wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines brennbaren Gases, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Es wird ein kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial der bei einer Kernfusionsreaktion entstehenden Wärme ausgesetzt zur Bildung von Kohlendioxid;

b) das erzeugte Kohlendioxid wird der Strahlung der Kernfusionsreaktion ausgesetzt zur Dissoziation in Kohlenmonoxid und Sauerstoff;

c) die dissoziierten Produkte werden von einander getrennt zur Gewinnung des verfügbaren Kohlenmonoxids als Brennstoff.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenmonoxid rait Wasser in einer thermochemisehen Reaktion, die mit bei der Kernfusionsreaktion entstehender Wärme betrieben wird, zur Reaktion gebracht wird zur Erzeugung von Kohlendioxid und Wasserstoff und daß diese Produkte voneinander getimnt werden zur Gewinnung des verfügbaren Wasserstoffs als Brennstoff oder Basis für einen Brennstoff.
5. Verfahren zur Herstellung eines brennbaren Gases, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Es wird ein kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial der bei einer Kernfusionsreaktion entstehenden Wärme ausgesetzt zur Bildung von Kohlendioxid;

b) das erzeugte Kohlendioxid wird der Strahlung und der Wärme der Kernfusionsreaktion in Gegenwart von Wasser ausgesetzt zur Dissoziation des Kohlendioxids in Kohlenmonoxid und Sauerstoff und zur gleichzeitigen Unterhaltung einer thermochemisehen Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlendioxid;

c) Wasserstoff und Kohlendioxid werden voneinander getrennt zur Gewinnung des verfügbaren Wasserstoffs als Brennstoff oder Basis für einen Brennstoff.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine große Anzahl von Mikroglaskugeln so in einen Wasserstoffstrom eingeführt werden, das Wasserstoff in die Mikroglaskugeln hineindiffundiert und die Mikroglaskugeln dann so behandelt werden, daß der Wasserstoff wieder abgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verfahrensstufe, bei der das rückgebildete Ausgangsmaterial der Strahlung ausgesetzt wird.

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