DE2454564A1

DE2454564A1 - Mehrstufiges chemie- und strahlungsverfahren

Info

Publication number: DE2454564A1
Application number: DE19742454564
Authority: DE
Inventors: Henry Jacob Gomberg
Original assignee: KMS Fusion Inc
Current assignee: KMS Fusion Inc
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1974-11-18
Publication date: 1975-05-22
Also published as: CA1026705A; JPS5083692A; GB1494089A; ES432035A1; CH592472A5; US4140601A; SE7414440L; NO744127L; IL45832A; FR2251890A1; DK599474A; BE821815A; NL7414337A; IT1025789B; AU7431174A; BR7409591A; NO145941B; IL45832A0; FR2251890B1; ZA746528B

Description

Mehrstufiges Chemie- und Strahlungsverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrstufiges Chemie- und Strahlungsverfahren und insbesondere auf die Kombination radiolytischer und chemischer Reaktionen in einer besonderen Reihenfolge, um ein Endprodukt zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Prozesse, chemische und radiolytische, so zu kombinieren, daß der sich aus der Strahlungsenergie ergebende Nutzeffekt gesteigert wird.

Gegenwärtig wird viel an der Zündung und am Brennvorgang eines 'Fusionsbrennstoffes, wie zum Beispiel Deuterium-Tritium in P.illenform, gearbeitet. Unter den vielen verschiedenen Lösungen dieses Problems gibt es eine, bei der als Energiequelle ein-Laser und besondere Pillenformen verwendet werden, so daß eine Zündung und ein Brennvorgang in einer Reaktionskammer möglich ist. In folgenden Patenten wird allgemein eine dafür geeignete Vorrichtung beschrieben: US-PS 3 378 446, US-PS 3 489 645, US-PS 3 762 992.

509821/0345 ' " ² "

Es ist bekannt, die aus thermonuklearen Reaktionen stammende Strahlung zur in einem Schritt ablaufenden Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu verwenden. Bei diesem einstufigen Verfahren, bei dem von der durch Neutronen-, Alpha- oder Röntgenstrahlung bewirkten Strahlungsdissoziation gewöhnlich Gebrauch gemacht wird, wird das Target-Molekül zur Herstellung des gewünsch·* ten Produkts direkt der bei einem Fusions- oder Spaltungsprozeß auftretenden Strahlung ausgesetzt. Die Verwendung der Strahlung aus thermonuklearen Fusionsreaktionen hat bei derartigen Prozessen einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem Gebrauch der Strahlung aus einer Kernspaltung.

■ Wenn als Strahlungsquelle ein Spaltungsprozeß dient, müssen die Materialien direkt den bei der Kernspaltung entstehenden Bruchstükken ausgesetzt werden, um eine wirksame Energieübertragung zu erhalten, so daß das Material dem Uran- oder Plutonium-Brennstoff direkt ausgesetzt werden muß. In einigen Fällen wird empfohlen, mit

Reaktionsteilnehmern gemischten Uranstaub zu verwenden. (Siehe !Advances in Nuclear Science & Technology, Vol. 1, hg. von Henley j and Kouts, Academic Press, 1962, Seite 298.) Daraus ergibt sich eine ziemlich ernst zu nehmende Verseuchung der Produkte durch radioaktive Kernspaltungsbruchstücke und durch die Brennstoffj partikel selbst. Eine direkte Bestrahlung ist notwendig, da über 8o % der Spaltungsenergie in den Bruchstücken enthalten ist.

Bei einer thermonuklearen Fusion von D-T werden 8o % der Energie_J als schnelle Neutronen frei, wobei die restlichen 2o % der Energie

-J-

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als Alpha- und Röntgenstrahlung abgegeben wird. Beim Fusionsprozeß kann das zu bearbeitende Material direkt der Strahlung ausgesetzt

werden oder aber in einem separaten Behälter eingeschlossen der Strahlungsenergie ausgesetzt werden. Letzteres ist besonders für eine Bestrahlung mit Neutronen geeignet, da die Neutronen ein hohes Durchdringungsvermögen aufweisen.

Daher ist bei Kernfusionseinrichtungen, bei denen sehr energiereiche Neutronen sowie Alpha- und Röntgenstrahlung auftreten, eine direkte Wechselwirkung der Strahlung mit den Reaktionsteilnehmern möglich, wobei gleichzeitig die. Verseuchungsgefahr äußerst gering ist. Allein dieser Unterschied ist bei der Überlegung, thermonukleare Reaktoren für chemonukleare Prozesse zu verwenden, entscheidend.

Daher liegt der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes chemisches und radiolytisches Verfahren anzugeben, das besonders für Fusionsprozesse geeignet ist und bei dem der Ausnutzungsgrad der Strahlungsenergie erheblich gesteigert ist. Zusätzlich soll das Verfahren relativ einfach, sein und sollen die Endprodukte leichter getrennt werden können.

Ferner soll ein System geschaffen werden, bei dem eins der ursprünglich zugeführten Bestandteile vollständig wiedereingesetzt werden kann. Beim Verfahren können sich ein chemisch wiedereinsetzbares Molekül, ein neues strahlungsempfindliches Molekül, ein Haupt- und ein Nebenprodukt ergeben. !

Die Erfindung wird jetzt anhand der beiliegenden Figuren näher be-

509821/0345 . ₄ _

schrieben. Es stellt dar:

Fig. 1' ein Blockdiagramm eines Systems zur Ausnutzung des

erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig.'2 ein vereinfachtes Blockdiagramm für einen abgeänder·

ten Zyklus.

Molekulare Aufspaltung mittels Strahlung bzw. "Radiolyse" ist be- : oder

kannt. Sie kann zur Bildung gewünschter / nützlicher Molekülarten aus den zugeführten Materialien mit größeren Molekülen herangezogen werden.

Beispiele dafür sind die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff durch radiolytische Spaltung von Wasser sowie die Bildung von Kohlenmonoxid und Sauerstoff durch die radiolytische Spaltung von Kohlendioxid. Jedoch kann die Ausbeute oder der "G"-Wert •für die radiolytische Reaktion für ein wirtschaftliches Verfahren

j zu klein sein. Ein gemeinhin veranschlagter G-Wert für die Ausbeute !von Wasserstoffmolekülen bei Gamma-Bestrahlung von reinem Wasser (flüssig) ist o,5. (Der G-Wert ist die Zahl der Produktmoleküle, die pro 1oo Elektronenvolt absorbierter Energie gebildet werden.)

IBei der vorliegenden Erfindung werden Verfahrensschritte, bei denen

!sich chemische Reaktionen abspielen, mit radiolytischen Verfahrensischritten kombiniert. Abhängig von dem im besonderen Fall verwendeten Material kann eine chemische Reaktion das Verfahren einleiten,

gefolgt von einem radiolytischen Schritt, oder es können mit Hilfe!

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-s-

eines radiolytischen Schrittes zu Anfang Moleküle erzeugt werden,
die zur Herstellung des gewünschten Endprodukts für eine chemische
Reaktion geeignet sind. Das mehrstufige Verfahren ist derart ausgelegt, daß abgesehen von Sekundärverlusten durch Entweichung, Verdampfung, Mutation usw. alle Chemikalien, außer dem ursprünglich
zugeführten Material, vollständig rückgeführt werden. Das ursprünglich zugeführte Material wird entsprechend dem gewünschten Endprodukt ausgewählt, wie es beim zuvor erwähnten einstufigen
radiolytischen Prozeß der Fall ist. Beim vorliegenden Verfahren,
bei dem chemische und radiolytische Schritte kombiniert werden,
können die zugeführten Produkte und die Endprodukte dieselben wie _; beim einstufigen Verfahren sein. Ein wichtiger Zweck der Kombination ist in der Verwendung des radiolytischen Schrittes zur Bestrahlung
eines Moleküls mit einem hohen G-Wert zu sehen. Wenn der radiolytische Schritt der chemischen Reaktion folgt, wird demnach die chemische Reaktion dazu verwendet, aus einer Kombination des zugeführten Materials und eines chemisch rückführbaren Moleküls ein neues strahlungsempfindliches Molekül und ein Nebenprodukt zu erzeugen . Nach
der Radiolyse des neu geschaffenen strahlungsempfindlichen Moleküls wird das eine Bruchstück als gewünschtes Produkt aufgesammelt, wäh- ;rend das zweite Bruchstück sowohl für die Rückbildung des ursprünglich rückführbaren Moleküls als auch zur Bildung des zweiten gei
wünschten Produkts mit dem Nebenprodukt wieder reagiert. Z.B. können !ein Erdalkalisalz und ein Alkalihydroxid zur Bildung eines Erdalkali· hydroxids und eines Alkalihalogenide wieder reagieren. Das Alkali halogenid wird dann radiolytisch gespalten. I

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Ein Beispiel ist die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser als dem Ausgangsstoff, wobei ralziumbromid das rückführbare Molekül ist.

Die Reaktion läuft wie folgt ab:

a) CaBr₉

2H₉O

b) 2HBr + Strahlung

(G = 9,7)* / (G = 16+)**

73o°C	Ca(OH)	2	Br₂
■f Wärme	H₂ ♦

2HBr

c) Ca(OH)₂ + 2Br

CaBr₂ +

d) H₉O-

-> H₉O + 1/2 0.

* Lee & Armstrong, Radiolysis of Gaseous Hydrogen Bromide. International J. Applied Radiation, Isotopes, VoI 19, Seite 586, 1968

* * Für niedrigen Druck; Boyd et al. Low Pressure Anomalies in.

Radiolysis of Gases. Rad. Research 4o, Site 255, 1969.

Wie festgestellt werden kann, bleibt Calziumbromid erhalten, wobei unter Einwirkung von Wärme und Strahlung Wasserstoff und Sauerstoff gebildet werden. Daher werden lediglich das Wasser, die Wärme und

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die ionisierende* Strahlung verbraucht. Das Brom-Wasserstoff-Molekül ist bekanntlich sehr strahlungsempfindlich und daher als Molekül besser als Wasser für den radiolytischen Prozeß geeignet.

In einem zweiten Beispiel beginnt das Verfahren mit einem geeigneten strahlungsempfindlichen Molekül, wobei die Produkte der Radiolyse in einer chemischen Reaktion verwendet werden. Beispielsweise wird Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff gespalten. Kohlenmonoxid reagiert dann zur Bildung von Kohlendioxid, Wasserstoff und Sauerstoff wieder mit Wasser.

Die Reaktion läuft wie folgt ab: :

CO₂ + Strahlung > CO + 1/2 O₂

(G = 1o+)

CO + H₉O — > CO, + H,

ι ' Wärme

Gemäß der oben angegebenen Reaktion wird Kohlendioxid rückeei bildet. Als einziger Ausgangsstoff wird Wasser durch Umwandlung
j in Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht. Die für die thermochemi- \ sehen Reaktionen benötigte Wärme kann dabei von der Risionsreaktion ,sowie von der Strahlungsenergie stammen. In diesem Zusammenhang ;

I ' - η

;wird auf ,,Advances in Nuclear Science & Technology, Vol. 1, Seite '

i ' i

297, verwiesen, wo ein ähnlicher Prozeß in Verbindung mit Kernspal'

ι tung beschrieben wird.

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Als drittes Beispiel sei die Verwendung von Wasser und Chlor genannt.

Die Reaktion läuft wie folgt ab:

+ Cl₂ —> 2 HCl + 1/2

ϊ I '

2 HCl + Strahlung > H₇ + Cl₇

• · ι ^L

(G = 8)

Im ersten Beispiel reagiert in einer thermochemischen Reaktion ein Erdalkalisalz mit Wasser, wie zuvor angegeben wurde. Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, befindet sich eine Fusions-Reaktionskammer Io in einer Position zur Übertragung von Wärme zu einer Kammer 12 und

!zur Bestrahlung einer als Radiolysekammer dienenden Kammer 14. Eine jTrennkammer 16 ist der Radiolysekammer benachbart. Mit der Kammer j1 6 ist eine Kammer 18 verbunden, in die Bromgas aus der Kammer 16 eingeleitet wird, wobei zur Rückbildung des Erdalkalihydroxids !eine Reaktionskammer 2o vorgesehen ist. Somit reagiert in der Kam-'mer 12 unter Einwirkung von Wärme ein hydrolysierbares Erdalkali-

salz mit Wasser zur Bildung des Erdalkalihydroxids und des Halogenwasserstoffs (Schnitt I). Beispiele dafür sind:

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a)	CaBr₂	+	2H₂O	7	3o°C_>
b)	CdBr₂	+	2H₂O
c)	CaCl₂	+	2H₂O

Ca(OH)₂ + 2HBr Cd(OH)₂ + 2HBr Ca(OH)

2HCl

;Der Halogen-Wasserstoff wird aus der Kammer 12 entfernt und gelangt i
in die l<ammer 14, wo er der sich bei einer nuklearen Fusion in der

Reaktionskammer 1o ergebenden Strahlung ausgesetzt wird (Schnitt

und
II). Der Halogen-Wasserstoff wird also den Neutronen/der Alpha-

und Röntgenstrahlung ausgesetzt. Das Gas dissoziiert, und das Was-; serstoffgas als radiolytisches Produkt wird durch eine geeignete
Leitung! 22 abgeführt, während das Halogengas über eine geeignete
,Leitung 24 in die Kammer 18 gelangt. In der Kammer 16 finden bekannte Trennungsprozesse (Schnitt III) statt, so daß das Halogengas vom Hauptprodukt, nämlich Wasserstoff, getrennt werden kann. Der Wasserstoff wird zur Lagerung und zum schließlichen Gebrauch als Brenn- . stoff in reiner oder zu einem Kohlenwasserstoff verarbeiteten Form, abgepumpt (Schnitt IV). Das Halogengas reagiert mit Erdalkalihydroxid, das sich aus der chemischen Reaktion ergab und über eine
Leitung 26 in die Kammer 2o gelangt (Schnitt V). Daher wird das ; hydrolisierbare Salz in der Kammer 2o,rückgebildet und kann in ge-'

eigneter Weise zur Kammer 12 zurücktransportiert werden, um dort
mit frischem Wasser als Ausgangsstoff zu reagieren, das über die | iLeitung 28 eingelassen wird. Aus der Kammer 18 wird über eine Lei- ; tung 3o das Produkt Wasser und Sauerstoff (Schnitt VI) abgepumpt.

Gegebenenfalls kann das Produkt Wasser über die Leitung 28 zurückge-

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j führt werden, wobei der Sauerstoff ggf. anderweitig verwendet werden kann.

,' In Fig. 2 ist ein System für die Reaktion nach dem 3. Beispiel unter Verwendung von Chlor gezeigt. Andere Halogene können ebenfalls herangezogen werden. Die Fusionsreaktionskammer 1o ist derart positioniert, daß Wärme zu einer chemischen Reaktionskammer 4o und Strahlung zu einer Radiolysekammer 42 gelangt. Bei diesem Zyklus wird Chlor zusammen mit Wasser in die Kammer 4o eingeführt, wobei unter Einwirkung von Wärme in einem Temperaturbereich von 8oo°C Sauerstoff und Salzsäure entstehen, die in die Kammer 42 gelangt, wo sie in Wasserstoff und Chlor aufgespalten wird. Diese Gase werden in der Kammer 42 in geeigneter Weise getrennt, so daß Wasserstoff über eine Leitung 44 abgeleitet wird, und Chlor über eine Leitung 46 zur chemischen Reaktionskammer 4o zurückgeführt wird.

Der mehrstufige Ablauf kann bei vielen Prozessen und Produkten vorigesehen werden. Wesentlich sind dabei folgende Punkte:

a) Zu Anfang Einführung bzw. Bildung eines strahlungsempfindlichen j Moleküls;

;b) Durch Radiolyse Bildung eines wichtigen chemischen Zwischenpro-I dukts oder des Endprodukts;

c) Rückführung bzw. Rückbildung aller Chemikalien außer dem Ausgangsstoff und dem gewünschten Endprodukt.

Hauptzweck des kombinierten Verfahrens ist es, daß die Radiolyse"

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j an einem bestimmten strahlungsempfindlichen Molekül mit einem hohen G-Wert stattfindet.

Es sollte ferner bemerkt werden, daß der Anteil der einfallenden Strahlungsenergie, die nicht direkt für eine Radiolyse benutzt wird, absorbiert und in Wärme verwandelt wird. Das System oder die ; Anlage kann daher derart ausgelegt werden, daß die hochenergetische Strahlung und die Wärme von ein und derselben Quelle stammen, daß also von einer thermonuklearen Reaktion schnelle Neutronen und andere Strahlungen verwendet werden.

Ein anderes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der direkten Radiolyse von Wasser, bei der Wasserstoff und Sauerstoff zusammen auftreten, ist darin zu sehen, daß Wasserstoff und Sauerstoff in verschiedenen Schritten und in physisch getrennten Bereichen der Anlage getrennt erzeugt werden. Dadurch wird die Explo-' sionsgefahr vermindert und die Reindarstellung des Endprodukts erleichtert.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Ausnutzung der aus einer Kernfusion stammenden Strahlungsenergie, gekennzeichnet durch:

a) Auswahl der Ausgangsstoffe mit mindestens zwei Molekülen,in denen als Bestandteiletias gewünschte Produkt, ein Nebenprodukt und ein Element in mindestens einem der Moleküle enthalten sind, das eins der Ausgangsmoleküle bilden kann; und

b) Anwendung einer Kombination aus thermochemischen und radiolytischen Reaktionen, wobei ein Molekül mit einem hohen G-Wert der bei einer Kernfusion auftretenden Strahlung unterworfen wird, um das Produkt, das Nebenprodukt und ein Ausgangsmolekül zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kernfusion stammende Wärme für die thermochemische Reaktion verwendet wird.
3. Verfahren zur Ausnutzung der aus einer Kernfusion stammenden

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Strahlungsenergie, gekennzeichnet durch:

a) Auswahl der Ausgangsstoffe mit mindestens zwei Molekülen, in denen als Bestandteile ein gewünschtes Produkt, ein Nebenprodukt und Elemente in jedem Molekül enthalten sind, die zur Bildung eines der Ausgangsmoleküle rekombinieren können, und

b) Anwendung einer Kombination aus thermochemischen und radiolytischen Reaktionen, wobei ein Molekül mit einem hohen G-Wert der bei einer Kernfusion auftretenden Strahlung unterworfen wird, um das Produkt, das Nebenprodukt und das rekombinierte Ausgangsmolekül zu bilden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei

der Kernfusion auftretende Wärme für die thermoehernis ehe Reaktion verwendet wird.
5. Verfahren zur Ausnutzung der aus einer kernfusion stammenden Strahlungsenergie, gekennzeichnet durch:

a) Auswahl eines Ausgangsstoffes, der Elemente einschließlich

s eines gewünschten Produkts und eines Nebenprodukts enthält;

^; b) Auswahl eines wiedereinsetzbaren Moleküls, das chemisch mit

! dem Ausgangsstoff reagieren kann, um ein neues, das gewünschte ■ Produkt und das wiedereinsetzbare Molekül enthaltendes Molekül mit einem hohen G-Wert für die Bildung des Produkts zu bilden und um ein das Nebenprodukt enthaltendes Molekül zu bilden;

c) Bestrahlung des Moleküls mit hohem G-Wert," um durch Radio-

lyse das gewünschte Produkt vom wiedereinsetzbaren Molekül zu j

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trennen; und

d) Entfernung des gewünschten Produkts und Rückbildung des wiedereinsetzbaren Moleküls.
6. Verfahren zur Ausnutzung der aus einer Kernfusion stammenden Strahlungsenergie, gekennzeichnet durch:

a) Auswahl eines Ausgangsstoffes, der Elemente einschließlich eines gewünschten Produkts und eines Nebenprodukts enthält;

b) Auswahl eines wiedereinsetzbaren Moleküls, das chemisch mit dem Ausgangsstoff reagieren kann, um ein neues, das gewünschte Produkt und einen ersten Bestandteil des wiedereinsetzbaren Moleküls enthaltendes Molekül mit einem hohen G-Wert für die Bildung des Produkts zu bilde8, und um ein das Nebenprodukt und einen zweiten Bestandteil des ursprünglichen wiedereinsetzbaren Moleküls enthaltendes Molekül zu bilden;

c) Bestrahlung des Moleküls mit dem hohen G-Wert, um durch Radiolyse das gewünschte Produkt vom ersten Bestandteil des rückführbaren Moleküls zu trennen;

d) Entfernung des gewünschten Produkts und Reaktion des ersten Bestandteils des rückführbaren Moleküls mit dem den zweiten Bestandteil des wiedereinsetzbaren Moleküls enthaltenden Moleküls,

ι um das wiedereinsetzbare Molekül rückzubilden und das Nebenprodukt freizusetzen.

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