DE2451605A1

DE2451605A1 - Verfahren zur steigerung der energieausbeute bei einem fusionsprozess

Info

Publication number: DE2451605A1
Application number: DE19742451605
Authority: DE
Inventors: Henry Jacob Gomberg; Robert Jerell Teitel
Original assignee: KMS Fusion Inc
Current assignee: KMS Fusion Inc
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1975-05-28
Also published as: FR2251077A1; SE399606B; NL7413914A; SE7414050L; IT1025549B; FR2251077B1; JPS5078794A; DK142338B; IL45831A0; CH587537A5; BE821666A; ZA746492B; CA1024270A; IL45831A; NO744025L; DK142338C; BR7408811A; DK583574A; ES431774A1; GB1493358A

Description

Verfahren zur Steigerung der Energieausbeute bei einem Fusionsprozess

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steigerung der Energieausbeute bei einem Fusionsprozess mit Hilfe von Kernen, die bei Absorption eines Neutrons unter Abgabe von Energie zerfallen.

Gegenwärtig wird an der Zündung und dem Brennvorgang von Fusionsbrennstoffen gearbeitet, wie zum Beispiel Deuterium-Tritium in Pillenform. Dabei gibt es mehrere verschiedene Lösungsversuche die-* ses Problems. In einem Fall werden ein Laser als Energiequelle und besondere Pillenformen (pellets) vorgesehen, um eine Zündung zu bewirken und einen Brennvorgang in einer Reaktionskammer zu erreichen. In folgenden US-Patenten sind Vorrichtungen dieser Art beschrieben:
3.378.446, 3.389.645 und 3.762.992.

Es ist vorgeschlagen worden, Bor in einem Verfahren und einer Vorrichtung zur

- 2

_J

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Dissoziation von HLO zu verwenden, um durch Bestrahlung mit
Neutronen Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten. Demgegenüber sieht die vorliegende Erfindung vor, daß der Prozess innerhalb der Fusionsreaktionskammer stattfindet, so daß das in dem Prozess zur Anwendung kommende Produkt direkt der sich aus der Fusion
ergebenden Strahlung ausgesetzt wird.

Allgemein sind bei einem Fusionsreaktor zwei Hauptteile vorgesehen. Zuerst ist eine zentrale Reaktionskammer vorgesehen, in der der Kernfusionsbrennstoff (Wasserstoffisotope oder andere Kernisotope, die eine Fusion eingehen) fusionieren soll. Ein Beispiel ist Deuterium und Tritium, die unter Abgabe von Neutronen zu
Helium verschmelzen. Diese Neutronen sind sehr energiereich und verlassen die Fusionsreaktionskammer, wobei, sie in einer Fangkammer·, dem zweiten Hauptteil, zu Neutronenreaktionen herangezogen werden können. Die Fangkammer wird dabei durch den Raum

. zwischen der Fusionskammer und der Außenwand mit ringförmigem
Querschnitt gebildet.

■ Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwertung der Neutronen,

: die nach einem Fusionsprozess die Wand der Reaktionskammer mit einer¹ Energie von 14 MeV durchdringen, die sie bei den Deuterium-

!"Tritium. Reaktionen ursprünglich erhalten haben. Diese Neutronen können nur sehr schwer eingeschlossen werden, so daß sich entscheidende Vorteile ergeben, wenn ihre Energie in einem radiolytise.fo.en Prozess erfolgreich ausgenutzt werden kann.

Die erfolgversprechendsten Reaktionen für das erfindungsgemäße

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Verfahren sind folgende:

B¹⁰ (n,oC) Li⁷

Q (Energie) = 2.5 MeV

Li⁶ (n, t) He"⁴

Q = H .8 MeV

Ί ^

In der ersten Reaktion "reagiert ß , das in natürlichem Bor vorkommt, mit einem Neutron, wobei die oben angegebene Energie in

Form von Alpha-Strahlung und des Li - Rückstoßes frei wird · In der zweiten Reaktion reagiert Li , das in natürlichem Lithium vorkommt, mit einem Neutron, wobei eine Energie von H,8 MeV in Form eines Tritium- und He -Rückstoßes frei wird. Das in der letzten Reaktion benutzte . Li kann entweder allein, in angereicherter Form öder in der Form natürlichen Lithiums verwendet werden.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und.ein Verfahren zur Ausnutzung der bei einer Fusion entstehenden Neutronen zu schaffen, um die Energieausbeute durch Neutronenbestrahlung bestimmter Kerne zu erhöhen.

Ferner soll die Energieausbeute durch Neutronenbestrahlung von Kernen erheblich gesteigert werden, die bei Neutroneneinfang exotherm zerfallen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

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Die Erfindung soll nun anhand der beiliegenden Figur, in der schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist, im einzelnen erläutert werden.

Es sei nochmals festgestellt, daß sich die Erfindung auf die Verminderung der bei einer Fusion entstehenden Radioaktivität durch Absorption von Neutronen in einem Medium, wie Bor oder Lithium, bezieht, das unter Freigabe von Wärme exotherm reagiert, wobei aber keine radioaktiven Bruchstücke entstehen. Damit wird die entstehende Radioaktivität vermindert, das Reaktionsgefäß in geringerem Umfang angegriffen, und der gesamte Prozess ist leichter zu handhaben.

In Figur 1 ist ein Laser angetriebener Fusionsreaktor dargestellt, wobei von einer Laserquelle Io aus Impulse auf eine Pille 12 im Mittelpunkt einer von einer Wand 16 umgebenen Reaktionskammer geschickt werden. Eine Pillenversorgungseinrichtung 18 zur Einführung des Fusionsbrennstoffes in irgendeiner Weise ist ,ebenfalls dargestellt. Die Wand wird von einer Sekundärkammer 2o umgeben, die durch eine Außenwand 22 aus Metall, wie Titan, oder ein anderes äußerst hitzebeständiges Material, begrenzt wird. In diese Kam-

; mer werden die Brennstoffe zur Erzeugung zusätzlicher Energie

! eingeführt.

Bei dieser allgemeinen Anordnung gibt es mehrere Möglichkeiten zur Einführung bor- und lithiumhaltiger Materialien. Für das erfindungsgemäße Verfahren werden zwei Mittel benötigt. Das erste

sind reine Bor oder Lithium enthaltende Verbindungen oder Metallen legierungen und das zweite ein Wärmeträger, um die durch die Kernreaktion entstandene thermische Energie abzuleiten. Als drittes Mittel kann gegebenenfalls ein Neutronenmoderator verwendet werden, um die Energie des Neutronenflusses zu vermindern und damit den Wirkungsgrad des ersten Mittels im Hinblick auf die Neutronenreaktion zu verbessern.

Die Auswahl des Absorbers hängt von vier Punkten ab:

1. Vom freiwerdenden Energiebetrag pro absorbiertes Neutron;

2. von der restlichen Radioaktivität nach der Bestrahlung;

3. vom Neutronenquerschnitt, der ein Maß für die "Neutronenabbremsung" ist; und

4. von der Absorption der Strahlung im umgebenden Medium.

Wenn ein Neutron in irgendeinem geeigneten Isotop absorbiert wird, dann senden die entstehenden Isotope Energie in verschiedenen Formen aus (Alpha-Strahlung, Beta-Strahlung, Gamma-Strahlung, Neutronen, usw.). Schließlich wird die Strahlungsenergie im Medium absorbiert und in thermische Energie umgesetzt. Der erste Punkt bezieht sich auf die Abschätzung des Wirkungsgrades dieser Energietransformation. Der zweite Punkt bezieht sich auf die Abschätzung der Energieübertragungsrate, die von der characteristi \ sehen Zerfallszeit der Produkte abhängt. Falls die Zerfallszeit lang ist, kann die Strahlung im Hinblick auf die .Strahlungssicherheit ein Problem sein. Der dritte Punkt bezieht sich auf den

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Neutronenquerschnitt für die Reaktion. Dies bestimmt die erforderliche Masse bzw. Materialdicke und damit die Schwächung der .Energiefreigabe. Der vierte Punkt hat mit der Menge des absorbierenden Mediums zu tun, das zur Absorption der Strahlung der entstehenden Isotope benötigt wird. Zum Beispiel würde bei energiereicher Gammastrahlung' zur Absorption der Strahlungsenergie viel Masse notwendig sein. Folglich wäre die Energiedichte gering.

Das für die Anwendung bevorzugte Isotop sollte einen hohen Energieumsatz pro absorbiertes Neutron aufweisen, keine durchdringende Strahlung niit einer langen Zerfallszeit hervorrufen, sowie einen großen Kernquerschnitt besitzen. Bor und Lithium erfüllen diese Anforderungen gut.

Andere Materialien bzw. Mittel,die in der ringartigen Fangkammer ^: 2o zwischen der Reaktionskammer IU und der Außenwand 22 verwendet werden, sind ein Neutronenmoderator, der die Neutronen für eine wirksame Reaktion mit Bor oder Lithium abbremst, sowie ein Kühlmittel, das keine Neutronen wegfängt, jedoch stark erhitzt werden darf und mit den Baumaterialien verträglich ist. Bor oder Lithium darf auch in einem festen Metall oder in einem Graphit-

einem

oder/keramischen Träger (Matrix) verteilt werden, um eine gleichmäßige Wärmeableitung zu erhalten. Die Trägermaterialien müssen

kleinen
außerdem für die Neutronen einen/Querschnitt aufweisen, um eine Konkurrenz zur Hauptneutronenreaktion zu vermeiden. Materialien für verschiedene Anwendungen sind in Tabelle I aufgeführt.

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Tabelle I

Absorber

Kühlmittel

Dispersions- Moderator medium

Bor Gase

Lithium- CO, fluorid

Bor__carbid He

Lithiumhydrid

Gase
CO₂

Wasser

Graphit

Beryllium

Berylliumoxid

Wasser	wässrige Lösung
Flüssig metalle	Dispersion von Fest stoffen
Blei	Feststoffe
Wismuth	Aluminium
Natrium	Graphit
NaK	Beryllium oxid
geschmolzene Salze	Aluminium· oxid

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Metallhydride _;

flüssiges Lithium

Diese additiven Materialien₉ die exotherm dissoziieren, können auf vielfältige Weise eingeführt werden. Feste Strukturen können zur Halterung von festes Bor oder Lithium enthaltenden Stangen oder Platten verwendet werden» Ferner müssen Vorkehrungen getroffen werden, um strahlungsgeschädigteund ausgebrannte Brennstoffelemente in gewissen Zeitabständen ersetzen zu können. Dafür kann ein entfernbarer Wandabschnitt in der Wand 22 vorgesehen werden. Ein Teil der Struktur kann ferner einen Neutronenmoderator enthalten, um die wirksame Bestrahlung zu erhöhen. Irgendein bekanntes Kühlmittel zirkuliert dabei durch die Struktur, um die thermische Energie für einen externen Verbrauchabzutransportieren (z.B. zu einem Dampferzeuger für eine elektrische Turbinenanlage, für chemische Vorgänge oder andere Dinge). Die Struktur kann vereinfacht werden, indem der Brennstoff in fluider Form zugeführt wird (wässrige Lösung, geschmolzenes Salz, Flüssigmetall, Gasdispersion, Fließbett aus Feststoffen und kugelförmige Kiesel). Dadurch ist ein kontinuierlicher oder intermittierender Ersatz des Brennstoffs ohne Unterbrechung des Reaktorbetriebs möglich, wobei der Umgang mit dem Brennstoff vereinfacht wird. Eine weitere Vereinfachung besteht darin, den Moderator und das Kühlmittel in einem Fluid zu kombinieren. Beispiele dafür sind Wasserkühlung, ,

flüssiges Lithium und Graphit-Gasdispersionen. Eine weitere Vereinfachung ergäbe sich₉ wenn alle drei Aufgabe mit einem Fluid j

i bewältigt werden könnten₉ nämlich mit einem Fluid für den Wärmeaustausch, das außerdem z.B. Bor sowie ein Moderatormaterial ! mitführt und in der Ringkammer zirkuliert. Der Entzug der I thermischen Energie und der Austausch des Brennstoffes werden

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dann im Kreis außerhalb des Reaktors vorgenommen. Folgende' Veröffentlichungen betreffen diese Technologie:

1. CR. Tipton j Jr., "Reactor Handbook", Interscience Publishers Inc., (196ο).

2. S.Glasstone, "Principles of Nuclear Reactor Engineering", D. Van Nostrand Co., Inc., (1955).

Gemäß der Figur weist die ringartige Kammer 2o als Ein- und Auslasse dienende öffnung 24, 26 und 3o mit geeigneten Schließvorrichtungen auf.

oder Wassernebel,' Zum Beispiel kann Wasserdampf/ in dem Bor gelöst ist, vor dem

Brennvorgang durch die öffnungen 24 und 26 eingeführt werden, wobei über die öffnung 3o der Abstrom erfolgt. Gegebenenfalls kann ein Bor- oder Lithium-Partikel mitführendes Fluid unter Druck durch eine der öffnungen eingeführt werden. Eine strömungsfähig gemachte Partikelmenge könnte bei 3o eingeführt werden, um den gewünschten Boranteil in der die Reaktionskammer umgebenden Kammer 2o aufrechtzuerhalten.

Beim Gebrauch eines Fusionsreaktors als Neutronenquelle für die Bestrahlung von Bor oder Lithium ergeben sich mehrere Vorteile. Die Anlage kann in stetiger Weise betrieben werden, ohne daß

sich'beim Brennvorgang zerstörerische Auswirkungen ergeben, und ■ das Additiv kann gegebenenfalls kontinuierlich zugeführt werden, ' um den -größten Wirkungsgrad bei der Energieabgabe zu erhalten.

- Io -

'Pro Energieeinheit ergibt sich eine große Neutronenausbeute und ■ der Betrieb des Reaktors wird nicht durch die Einführung eines Materials, wie z.B, Bor_s -gestört. Wie bereits hervorgehoben wurde₉ ergeben sich keine radioaktiven Spaltprodukte und die Handhabung der zuzusetzenden Stoffe ist relativ einfach»

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Steigerung der Energieausbeute bei einem Fusions-j prozess, gekennzeichnet durch j

a) die Errichtung einer Fusionskammer, ι

b) das Einsetzen eines Fusionsbrennstoffes in die Kammer, j

c) die Bestrahlung des Brennstoffes mit einem pulsierenden ; Laserstrahl für den Fusionsvorgang,

d) das Einführen von bei Neutroneneinfang exotherm zerfallenden Atomkernen in einen an der Kammer angrenzenden Bereich, damit die Kerne während der Fusion anwesend sind, und

e) durch die Abführung der sich aus der Fusion und dem Zerfall der Kerne ergebenden Wärme.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in einer Flüssigkeit gelöste borhaltige Verbindung in diesen Bereich eingeführt wird.

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Verfahren nach Anspruch 2₉ dadurch gekennzeichnet, daß diese Flüssigkeit als fein zerstäubter Nebel in diesen Bereich eingeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne in von einem Fluid mitgeführten Partikeln in feiner Zerstäubung in diesen Bereich eingeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kerne in diesen Bereich in von einem gasförmigen Medium mitgeführten Partikeln in feiner Verteilung eingeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne in feinverteilten Partikeln in diesen Bereich eingeführt werden, die durch ein in Bewegung befindliches gasförmiges Medium bewegt und während des Fusionsprozesses in dem Bereich in Suspension gehalten werden.

7. Verfahren zur Steigerung der Energieausbeute bei einem Fusionsprozess, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Fusionsbereich ein Stoff eingeführt wird₉ der bei Neutroneneinfang exotherm zerfallende Atomkerne enthält.

. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Bereich eingeführte Stoff in Form von durch ein Fluid mitgeführten Partikeln vorliegt.

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9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Atomkerne aus der Elementengruppe Bor ° und Lithium ausgewählt werden.

. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9«, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärme abgeleitet wird _s indem ein ein Moderatormaterial enthaltendes Kühlmittel um diesen Bereich geleitet wir.d.

11. Verfahren zur Steigerung der Energieausbeute bei einem Fusionsprozess·, gekennzeichnet durch:

a) die Errichtung einer Fusionsbrennkammer,

b) das Einsetzen eines Fusionsbrennstoffes in die Kammer, '

c) die Bestrahlung des Brennstoffes mit einem pulsierenden Laserstrahl für den Fusionsvorgang_s und j

d) durch das Einführen von bei Neutroneneinfang exotherm zerfallenden Atomkernen in einen an der Kammer angrenzenden Bereich, indem die Kerne einem Fluid zugesetzt werden und das Fluid um die Kammer geleitet wird, damit die Kerne während der Fusion anwesend sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Moderatormaterial im Fluid enthalten ist.

13. Verfahren nach Anspcuch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator einen Stoff aus folgender Gruppe aufweist: H₂O, flüssiges Lithium, und Graphit-Gasdispersionen, Beryllium, Berylliumoxid und Metallhydride.

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