DE2639368A1

DE2639368A1 - Vorrichtung und verfahren zum behandeln chemischer verbindungen mittels radiolyse

Info

Publication number: DE2639368A1
Application number: DE19762639368
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Texas Gas Transmission Corp
Current assignee: Texas Gas Transmission Corp
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1976-09-01
Publication date: 1977-03-03
Also published as: CA1073403A; FR2322646A1; JPS5232885A; NL7609806A; FR2322646B1; US4144150A; GB1559506A

Description

PATENTANWÄLTE 2639368

1. September 1976 A 21276 Mü/ib

Firma TEXAS GAS TRANSMISSION CORPORATION, 3800 Frederica Street, Owensboro, Kentucky 42301, USA

Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln chemischer Verbindungen mittels Radiolyse

Infolge der laufenden Verknappung an fossilen Brennstoffen zur Deckung des Energiebedarfs werden große Anstrengungen gemacht, geeignete Ersatzenergien zu finden. So wird bekanntlich Kernspaltungsenergie als Quelle für elektrische Energien verwendet, wobei die Wärmeenergie eines Spaltungsreaktors auf elektromechanischem Wege in elektrische Energie umgesetzt wird. Dieses Verfahren hat jedoch beträchtliche Nachteile; nicht nur daß die Notwendigkeit einer Reihe von Energieumsätzen erforderlich ist, deren jede einen Wirkungsgradverlust darstellt, sondern darüberhinaus, daß ein Großteil der Reaktorenergie verlorengeht, und zwar deshalb, weil die Strahlung, die hohe Temperatur, der hohe Druck und andere Formen der Reaktorenergie nicht wirkungsvoll ausgenutzt werden.

Es sind auch Versuche unternommen worden, Kernreaktoren in chemischen Verfahren einzusetzen, wobei die kinetische Energie der Reaktor-Spaltprodukte direkt verwendet wird. Ein Beispiel dafür ist die Verwendung von Kernspaltungsprodukten gemäß US-PS 3 228 848

Bankhaus Merck. Flnck S, Co.. München. Nr. 25 464 I Bankhaus H. Aufhäuser. München. Nr. 261300 Postscheck: München 20904-800 ~2~ Telegrarnmadresse: Patentsenior

709809/1085

ORIGINA INSPECTED

zur Herbeiführung chemischer Reaktionen. Ein Nachteil dieser Verfahren liegt jedoch darin, daß die Gefahr einer Verseuchung durch radioaktive Stoffe besteht und daß deshalb derart aufwendige Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen, daß der Einsatz von Spaltungsreaktoren unwirtschaftlich wird. Ähnliche Nachteile bringt der Versuch mit sich, Wasserstoff als Brennstoffersatz mittels Spaltungsenergie zu erzeugen, wie dies im US-PS 3 802 993 vorgeschlagen ist. In der Praxis ist deshalb der Einsatz von Spaltungsreaktoren zur Herbeiführung chemischer Prozesse auf die Verwendung der thermischen Energie beschränkt, welche bei etwa 2 200° c liegt, wie dies auch durch die US-PS 3 293 138 und die US-PS 3 535 082 dargelegt wird.

Aus diesen Druckschriften ist jedoch immerhin der Vorschlag zu entnehmen, die Teilchenenergie eines Reaktors zur Durchführung chemischer Radiolyse-Verfahren einzusetzen und dabei Ausgangsprodukte, etwa Wasserstoff zu erzeugen, welche fossile Brennstoffe zu ersetzen vermögen.

Um nun saubere Endprodukte ohne radioaktive Verseuchung zu erreichen, ist bereits vorgeschlagen worden, Fusionsreaktoren einzusetzen. Die Technik der Erzielung von Fusionsreaktionen und der Ableitung der dabei entstehenden thermischen Energie ist beispielsweise in den US-PS 3 37 8 446 und 3 762 992 erläutert. Die Verwendung einer Fusionsreaktorkammer zur Erzeugung sauberen Wasserstoffs direkt durch Zersetzung von Wasser ist bereits in der US-Patentanmeldung Nr. 414 367 vom 9.11.1973 der Anmelderin angesprochen. Vergleichbar ist auch die US-Patentanmeldung 414 370 mit demselben Anmeldetag, in welcher ein Radiolyse-Vorgang vorgeschlagen ist, wel-

709809/10 85

eher durch Neutronen eingeleitet wird, welche die Kammerwände des Fusionsreaktors durchdringen und dabei chemische Reaktionen auslösen, mit dem Ergebnis der Erzeugung von Wasserstoffgas.

Weder dem Stand der Technik noch den erwähnten Vorschlägen ist jedoch eine tatsächlich wirkungsvolle Verwendung eines Kernreaktors zur Herbeiführung chemischer Reaktionen zu entnehmen. Auch sind bisher noch keine wirkungsvollen Maßnahmen bekanntgeworden zur Erzeugung wirtschaftlich verwendbarer Mengen von Brenngasen aus Kernenergie. Derartige gasförmige Brennstoffe hätten jedoch den wesentlichen Vorteil, daß ihr Energieinhalt sich beim Transport nicht vermindert und daß sie besonders lagerfähig sind. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Erfordernis einer wirtschaftlicheren Ausnutzung der Reaktorenergie bei der Umsetzung derselben in eine andere Energieform als elektrische Energie zugrunde.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung verbesserter Vorrichtungen und Verfahren zur Erzielung chemischer Reaktionen auf der Grundlage von in Fusionsreaktoren gewonnener Kernenergie. Dabei soll die Kernenergie in verseuchungsfreie Brennstoffe umgewandelt werden. Insbesondere soll ein wirtschaftlicherer und wirkungsvollerer Einsatz von Fusionsreaktoren erreicht werden, wobei chemische Verbindungen unter Neutronenbeschuß in zwei oder mehr 'Reaktorkammern behandelt werden. Anders ausgedrückt, die physikalischen Bedingungen innerhalb der Fusionskammer sollen wirkungsvoll zur Erzielung bestimmter chemischer Reaktionen herangezogen werden. Schließlich soll ein Aufbau für die Fusionskammer gefunden werden, durch welchen die Ausnutzung der Neutronenenergie möglich wird.

709809/108 5

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst , daß bei der Fusionsreaktion entstehende Neutronen nacheinander durch mehrere Kammern geleitet werden und dabei in den entsprechenden Kammern unter verschiedenen Bedingungen eine Reihe radiolytischer chemischer Reaktionen auslösen, welche zur Erzeugung eines Brennstoffs führen, etwa Wasserstoff. Die radiolytischen chemischen Reaktionen können Teil einer vielstufigen chemischen Reaktion zur Erzeugung des gewünschten Endproduktes sein, beispielsweise von Wasserstoff aus zugeführtem Wasser, wobei sowohl die thermische Energie des Fusionsreaktors ausgenutzt wird als auch seine die Radiolyse bewirkende Neutronenenergie.

709809/1085

-5-

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: ein Flußdiagramm der Verfahrensabläufe eines Fusionsreaktors zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser,

Fig. 2: ein Blockdiagramm eines chemischen Verfahrens zur Erzeugung von Brennstoff,

Fig. 3: einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Reaktorkammer, und

Fig. 4 Querschnitte zur Erläuterung der Konstruktion und rich-

und 5^:

tungsmäßiger Einzelheiten von in die Reaktorkammer eingesetzten Streben.

Wie schematisch aus Fig. 1 zu ersehen, weist die Vorrichtung einen Fusionsreaktor auf zur Behandlung von Wasser, mit dem Zweck, Wasserstoff und Sauerstoff als Endprodukte zu erhalten. Wasserstoff ist das primär gewünschte Prdukt, weil es als Brennstoff oder auch für andere Zwecke einsetzbar ist.

Die Fusionsreaktion findet in der inneren Kammer 10 statt, in welche mittels eines Injektors 11 ein Fusionsmedium, beispielsweise Tritium, eingebracht wird, welches mittels einer Laserquelle 12 einer Kernfusion unterworfen wird. Damit wird in der zentralen Kammer 10 eine Temperatur von zumindest 2 200° C erzeugt^und es entsteht eine Neutronenquelle, wobei dann diese Neutronenstrahlung in die mittleren Kammern 15 und äußeren Kammern 16 durch die entsprechenden Wandungen 17 und 18 hindurch eintritt. Zweckmäßigerweise ist die zentrale Kammer 10 sphärisch ausgebildet, während die anderen Kammern 15 und 16 konzentrisch diese innere Kammer 10 umgeben.

70980 9/10 85

-6-

-B-

Cn üblicher Weise können mittels Leitungen 20, 21 und 22 Fluide aus den verschiedenen Kammern herausgeführt werden, mit dem Ziel, Wärmetauscher, etwa die Dampfgeneratoren 23, 24 und 25 zu heizen, um so thermische Energie aus den Reaktor zu erzeugen, wobei die in den Kammern zirkulierenden Fluide die durch die Fusionsreaktion abgestrahlte Energie absorbieren. Jede der Kammern ist dabei in sich abgeschlossen, und in diese Kammern werden die Fluide mittels Pumpen 26, 27 und 28 in kühlerem Zustand wieder zurückgeführt.

In entsprechender Weise wird thermische Energie durch Leitungen 30, 31 und 32 in entsprechende Anlagen 33, 34 und 35 überführt, um dort einen chemischen Prozeß von eingeführtem Rohwasser in die Endprodukte Wasserstoff und Sauerstoff herbeizuführen. Wenn erforderlich, wird Energie in Form thermischer Energie oder Druckenergie zugeführt^und Kühlwasser kann dazu verwendet werden, geeignete thermische Bedingungen zu erhalten, wie schematisch durch die Zeile "Energieeingang" auf der Zeichnung angedeutet ist. Wie später im einzelnen erläutert werden wird, stellen die zirkulierenden Fluide selbst einen Teil des chemischen Prozesses in den chemischen Reaktoren 33, 34 und 35 dar und werden einer Radiolyse unterworfen, wenn sie in die entsprechenden Kammern 10, 15 und 16 eingeleitet und dabei einer Strahlung, etwa einem Neutronenbeschuß, unterworfen werden.

Demgemäß wird Reaktorenergie in wirtschaftlicher Weise dazu verwendet, innerhalb der verschiedenen Kammern des Reaktors eine Radiolyse durchzuführen, und zwar bei den verschiedenen Druck-, Temperatur- und Strahlungsbedingungen, um so einen hohen Anteil von Ausgangsprodukten und Nebenprodukten zu erhalten, etwa thermischer Energie in der Form von Dampf.

709809/1085

•■7-

Wie sich aus dem Diagramm von Fig. 2 ergibt, gelangen Neutronen aus der Innenkammer 10 durch die Wandungen 17 und 18 der Reaktorkammern hindurch in die äußere Kammer 16. Dies bedeutet, daß die Wände 17 und 18 gegenüber der bei der Fusionsreaktion erzeugten Strahlung durchlässig sein müssen und diese Strahlung,wie später noch im einzelnen erläutert werden wird, weiterleiten. In jeder Kammer 10, 15 und 16 wird ein Basismaterial, beispielsweise CO„, eingeführt, welches bei Strahlungseinwirkung in ein anderes Material in Form von zwei bestimmten Anteilen (CO +1/2 0„) umgesetzt wird, und zwar ohne dabei durch Spaltprodukte radioaktiv verseucht zu werden. Das aktivierte Fluid führt somit zu einem Strom von Materialien einschließlich der beiden Anteile CO + 1/2 0„ ausserhalb der Reaktionskammern in weitere chemische Verfahrensstufen, wie sie durch die Blöcke 40, 41 und 42 angedeutet sind. Dabei wird Wasser zugeführt, um mit dem CO folgende Reaktion herbeizuführen:

CO + H₂O > CO₂ + H₂

Diese Reaktion führt also zu dem gewünschten Wasserstoff-Endprodukt, und zwar mit Sauerstoff als Nebenprodukt und der Erzeugung von C0„, welches wiederum in die Reaktorkammern als wiedergewonnenes Basismaterial zurückgeführt wird. Der Wasserstoff kann durch bekannte Verfahren in der chemischen Verfahrensstufe 44 mit Kohlenstoff verbunden werden, etwa zu Methan, um so einen Brennstoff zu erzeugen, wie er handelsüblich ist. Auch existieren eine Vielzahl anderer bekannter Verfahren zur Trennung des Wasserstoffs vom Kohlendioxid.

Vorteilhaft ist es, wenn gleiche Anlagen bei den verschiedenen VerfahrensStationen 40, 41 und 42 verwendet werden können, wie

709809/108 5

axes möglich ist, wenn der chemische Zyklus bei allen diesen drei Stationen derselbe ist. Die Verwendung von Vielfachkammern bringt jedoch den Vorteil einer Optimierung mehrerer chemischer Reaktionen, wobei dann der volle Nutzen aus den verschiedenen Volumen, Drücken, Temperaturen und Strahlungsdichten innerhalb der drei Reaktorkammern 10, 15 und 16 gezogen werden kann.

Es ist bekannt, daß andere Strahlungsquellen als Gammastrahlen oder Neutronenerzeuger dazu verwendet werden können, für die chemischen Prozesse geeignete Strahlungen zu erzeugen, und es ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar bei der Verwendung von Mehrfach- Fusionskammern für die radiolytischen Prozesse. Beispielsweise sind thermochemische Reaktionen zur Erzeugung von Wasserstoff im wesentlichen nicht wirkungsvoll, wenn bei Temperatur- und Druckbereichen gearbeitet wird, die sich bei einem Reaktor ergeben, welcher allein mit einem konventionellen Übergang thermischer Energie arbeitet.

Brauchbare Reaktorparameter sind in Fig. 3 angedeutet, welche die Verwendung der Kammern zur Erzeugung von Wasserstoff mittels des beschriebenen CO„-Verfahrens darstellen.

Vorzugsweise soll der Druck des in die Innenkammer 10 eingeführten C0₂-Gases unter 1 ,055 kg/cm² liegen, während die mittlere Kammer 15 vorzugsweise mit einem C0„-Druck von 42 bis 84 kg/cm² arbeitet. Die Dicke der Wandung 17 müßte deshalb aus Festigkeitsgründen so beträchtlich sein, daß damit die gewünschte Strahlungsdurchlässigkeit wesentlich vermindert wird. Um somit trotzdem mit einer vergleichsweise dünnen Wandung auszukommen, sind viele Streben 51 zwi-

709809/1085

sehen die Wände der Innenkammer eingesetzt und so gestaltet, daß der Strahlungsdurchgang von der zentralen Kammer 10 inet- die Zwischenkammer 15 und die Außenkammer 16 optimiert wird. Wie später im einzelnen erläutert, werden spezielle Strebenkonstruktionen vorgeschlagen, welche eine gute Neutronendurchlässigkeit gewährleisten. Ein beträchtlicher Teil der ursprünglichen Fusionsenergie erreicht somit die Außenkammer 16, größenordnungsmäßig etwa 75% der ursprünglichen Fusionsneutronen.

In der äußeren Kammer 16 werden Lithium-Isotopen zur Reaktion mit der Neutronenstrahlung gebracht, wodurch sich eine Ionenstrahlung einer Energie von 4,78 MeV ergibt, welche die Radiolyse des CO» in der Außenkammer unterstützt. Die Kammer 16 ist mit locker gepackter Lithium-Glaswolle gefüllt, deren Fasern 1 bis 10 μπι Durchmesser haben. Die Fasern sind somit dünn genug, um Tritium- und Heliumionen, welche durch die Neutronenreaktionen erzeugt werden, in das umgebende Gasmedium eindringen zu lassen.

Die Streben 51 bestehen aus Eisen mit einem Radius von 2,65 cm bei 11 cm Abstand zwischen den Streben in Dreiecksform und einer inneren Eisenwandung 17 von 0,33 cm; die Wandstärke müßte sonst grosser als 15 cm sein.

Aus der äußeren Kammer 16 auftretende Strahlung wird in der Graphitschicht 52 und der Betonschicht 53 absorbiert, öffnungen gestatten eine Abführung der Moderatorhitze durch zirkulierendes CO₂-GaS.

709809/1085 -to-

Es sind Verfahren bekannt, um jegliches Tritium, das im CO„ befindlich sein könnte, auszuscheiden, und zwar nicht nur zur Wiedergewinnung des Tritiums als Fusionsbrennstoff sondern auch zur Vermeidung irgendeiner Verseuchung der Äusgangsprodukte.

Wie sich aus den Fig. 4 und 5 ergibt, können die Streben 51 verschiedene Gestalt haben, etwa die konische Anordnung von Fig. 4
oder vorzugsweise die Anordnung als dünner Stab von Fig. 5. In jedem Fall wird Eisen als Material verwendet,und die Länge beträgt beispielsweise 10m, wobei längere oder kürzere Längen je nach
Größe der Zwischenkammern Verwendung finden.

In Fig. 4 ist die Außenwand 60 etwa 1,5 cm dick, während das Innenrohr 61 einen Innendurchmesser von 3 cm abzüglich der 0,165 cm Wandstärke besitzt und die Abschlußwand 62 etwa 6cm dick ist; diese Konstruktion ermöglicht dem CO₂ radial längs des Mittelrohres 61 nach innen und durch das konische Rohr 60 nach außen zu fliessen. Noch wirkungsvoller ist die Stabstrebe von Fig. 5, die deshalb vorzuziehen ist. Dabei hat der Stab 65 einen Radius von 2,69 cm. Die angegebenen Maße der Streben sind angepaßt den Dimensionen
und Drücken des Reaktors von Fig. 3.

lot fr Q# no·*-

■-11-

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Behandlung chemischer Verbindungen und zur Erzeugung bestimmter Ausgangsprodukte, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle zur Abgabe von Neutronen, durch zumindest zwei benachbarte Kammern, welche die Neutronen aufnehmen und deren Wände durchlässig gegenüber der Strahlung sind, durch Zuführungselemente zum Zuführen in jede der Kammern einer chemischen Verbindung, welche derart auf den Strahlungsbeschuß reagiert, daß eine Änderung der Molekularstruktur der Verbindung auftritt und dadurch zumindest zwei bestimmte Produkte entstehen, durch Zuführungselemente zum Zuführen einer weiteren chemischen Verbindung bei Anwesenheit der beiden Stoffe, wobei diese weitere chemische Verbindung mit zumindest einem der erwähnten Stoffe reagiert, und durch Trennelemente zum Wiedergewinnen eines gewünschten Ausgangsproduktes aus den Bestandteilen einer der beiden Verbindungen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungseinrichtung jeder Kammer dieselbe chemische Verbindung zuführt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei benachbarte Kammern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die'Strahlungsquelle aus einer zentralen Fusions-Reaktorkammer besteht.

7 09809/1085 _₁₂_
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennelemente Wasserstoff- wiedergewinnen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Druckerzeuger/ welcher in den beiden benachbarten Kammern wesentlich unterschiedliche Drücke erzeugt, wobei einer der Drücke im Bereich von mindestens 42 kg/cm² liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschied größer als 42 kg/cm² ist, wobei die beiden Kammern konzentrisch zueinander angeordnet und im wesentlichen sphärisch sind, und daß die Kammern eine Vielzahl von Streben beinhalten, welche zwischen den beiden Kammern angeordnet sind und damit dünne Wände mit größerer Strahlungsdurchlässigkeit ermöglichen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben aus im wesentlichen hohlen, radial angeordneten, konischen Sektoren bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben im wesentlichen die Form eines dünnen Stabes haben.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Stabes unter 10m liegt und dessen Radius etwa 2,69 cm beträgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Elemente zum Abziehen der Teilprodukte von den Kammern und durch Begrenzungs-

709809/1085 -13-

anordnungen außerhalb der Kammern, in welche die zweite chemische Verbindung eingeführt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführvorrichtung zum Zuführen der zweiten chemischen Verbindung Wasser zuführt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dieser zweiten chemischen Verbindung nach ihrer Reaktion mit der einen Teilsubstanz die erste chemische Verbindung wieder gewonnen wird, worauf diese wieder gewonnene erste chemische Verbindung im Kreislauf in die Vorrichtung zurückgeführt wird, so daß das einzige chemische Zuführungsmaterial aus der zweiten chemischen Verbindung besteht.
14. , Verfahren zur Behandlung'chemischer Verbindungen und zur Erzeugung bestimmter Ausgangsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Neutronen erzeugt werden, daß die Neutronen durch zwei benachbarte, abgeschlossene Kammern mit für den Neutronendurchgang durchlässigen Wänden hindurchgeschickt werden, daß in jede Kammer eine auf den Neutronenbeschuß ansprechende chemische Verbindung eingeführt wird, um so einen Wechsel in der Molekularstruktur der Verbindung herbeizuführen und dabei zumindest zwei bestimmte Teilsubstanzen zu erzeugen, daß die zwei Teilsubstanzen voneinander getrennt werden, daß eine der beiden Teilsubstanzen mit einer zweiten chemischen Verbindung zur/keaktion gebracht wird, um dadurch ein rückführbares Ausgangsprodukt zu erzeugen, und daß schließlich das r.ückführbare Ausgangsprodukt von der chemischen Verbindung abgetrennt wird.

709809/108S
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene chemische Verbindungen in die beiden Kammern eingeführt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wesentlich unterschiedliche Temperaturen in den beiden Kammern aufrechterhalten werden.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlung erzeugt wird, die aus von einer Fusionsreaktion herführenden Neutronen besteht.
18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite chemische Verbindung mit einer der beiden Teilsubstanzen zur Reaktion gebracht wird, wobei dann Wasserstoff als rückführbares Produkt erzeugt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite chemische Verbindung Wasser ist.
20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest der zweiten chemischen Verbindung mit dem Restteil der ersten chemischen Verbindung zur Reaktion gebracht wird,um die erste chemische Verbindung wiederzugewinnen.

709809/108S

Leerseite