DE2654966A1

DE2654966A1 - Reaktor

Info

Publication number: DE2654966A1
Application number: DE19762654966
Authority: DE
Inventors: Maarten Simon Van Den Berg; Jacob Prof Kistemaker
Original assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Current assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Priority date: 1975-12-04
Filing date: 1976-12-03
Publication date: 1977-06-23
Also published as: NL7514126A; FR2334233B3; GB1561822A; SE408103B; JPS52107493A; SE7613629L; FR2334233A1

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 2,

PA Dr. Zumstein et al, Bräuhausstraße 4, BOOO München 2 BRÄUHAUSSTRASSE 4

TELEFON: SAMMEL-NR. 225341 TELEGRAMME: ZUMPAT TELEX 529979

RCN 197

ULTRA CENTRIFUGE NEDERLAND N.V., Den Haag/Niederlande

Reaktor

Der Erfindung betrifft einen Reaktor, bei dem eine teilweise ionisierte Gasmasse von einem rotationssymmetrischen, in axialer Richtung langgestreckten Gehäuse eingeschlossen und durch eine Kraft in Drehung versetzt wird, die eine Folge eines im wesentlichen axial verlaufenden, zeitlich konstanten magnetischen E'eldes und eines elektrischen Stromes mit einer nicht verschwindenden Vektorkomponente in radialer Richtung ist, wodurch die aus einem axialen Gasentladebogen entstehenden, positiv geladenen Ionen, die sich mit einer hohen Drehgeschwindigkeit bewegen, die gesamte Gasmasse durch eine Impulsübertragung in Drehung versetzen. Ein solcher Kernreaktor ist aus der DT-AS 1 259 bekannt. Dieser Kernreaktor hat Jedoch verschiedene Nachteile.

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Zunächst treten als Folge des Hall-Effektes in den Rändern der segmentierten Elektroden, die stromaufwärts bezüglich der Bewegung des Mediums liegen, derartige elektrische Stromdichten auf, daß örtlich ein Einbrennen im Elektrodenmaterial auftreten kann. Weiterhin hat dieses System eine so geringe Schlankheit, daß als Folge des Vorhandenseins ortsfester Stirnwände, die das System begrenzen, sich Wirbel mit: Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Komponente des Ha.uptstromes und einer Stärke entwickeln können, die mit dem primären elektromagnetisch induzierten Hauptgaswirbel mit einer Geschwindigkeitskomponente in azimutaler Richtung vergleichbar ist. Schließlich führt das Fehlen eines flaschenförmigen Magnetfeldes zu einer minimalen Einschränkung des erzeugten Plasmas.

Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten vermieden. Die oben erwähnten elektrischen Stromdichten werden nicht auftreten,' da nicht von in azimutaler Richtung segmentierten Elektroden Gebrauch gemacht wird,und die in der DT-AS 1 259 603 erwähnte Speichenbildung wird nicht stattfinden, da der radiale elektrische Strom nicht die Folge einer radialen Gasentladung, sondern eher die Folge einer Ionenextraktion von einer axialen Gasentladung ist. Das Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt besteht aus zusätzlichen Ringelektrodensegmenten, die in axialer Richtung voneinander isoliert sind, im folgenden als Wandelektroden bezeichnet werden und an jeder von denen eine geeignete Spannung bezüglich des axialen Gasentladebogens, beispielsweise mit Hilfe veränderlicher Widerstände, angelegt v/erden kann.

Die Spannung dieser Wandelektroden steigt blockweise von einem kleinsten Wert an einem gewählten Punkt auf der Achse des Gehäuses bis zur Gitter- oder Anodenspannung des axialen Gasentladeteils an. Ein derartiger axialer Gasentladeteil befindet sich wenigstens in einem Ende des Gehäuses und besteht aus einer Kathode auf einer bezüglich des Gitters oder der Anode negativen Spannung mit einem zugehörigen, rohrförmigen Halter und einer

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Anode oder einem Gitter mit einem gleichfalls rohrförmigen Gitteroder Anodenhalter, der den Kathodenauf "bau umgibt. Die im folgenden als Axialkathode bezeichnete Kathode hat vorzugsweise die Form eines Bündels hohler Kathodenrohre, die an einem Ende zur Bildung eines Elektrodenhalters miteinander verbunden sind.

Ein erster Vorteil des oben beschriebenen Aufbaus besteht darin, daß dem Auftreten von trochoidalen Gasentladungen zwischen dem Gitter-oder Anodenaufbau vollständig entgegengewirkt werden kann, da die letzte Wandelektrode zusammen mit dem daneben liegenden Gehäuseteil, der den Gitter- oder Anodenaufbau umgibt, auf derselben Spannung wie das Gitter oder die Anode liegt. Die letzte Wandelektrode kann dann zusammen mit dem entsprechenden Gehäuseteil elektrisch direkt mit dem Gitter- oder Anodenaufbau verbunden sein.

Der zweite Vorteil der Möglichkeit, ein Gehäusewandpotentialrnuster zu erzeugen, besteht darin, daß der Strom des teilweise ionisierten Mediums dadurch gesteuert v/erden kann, daß die an den Wandelektroden liegende Spannung verändert wird. Die gasdynamischen Eigenschaften des Stromes können dabei derart beeinflußt werden, daß unerwünschte Sekundärströme mit Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zu den Geschwindigkeitskomponenten des azimutalen Hauptstromes verringert werden können, während der elektromagnetische Antrieb des Mediums in der Flaschenhalsverengung neben den axialen Gasentladeteilen gleichfalls beeinflußt werden kann.

Das oben erwähnte Magnetfeld, das hauptsächlich axial verläuft und zeitlich konstant ist, zeigt eine Flaschenform an der Stelle der Gehäuseenden, wo eine solche Form als notwendig angesehen wird. Das hat zur Folge, daß sowohl die axiale als auch die zentrifugale Einschränkung der aufgeladenen Plasmateilchen gefördert wird. Die aus den Wandelektroden bestehende Gehäusewand ist dann

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so ausgeführt, daß sie den magnetischen Kraftlinien vollständig folgt und somit gleichzeitig für die zentrifugale Einschränkung der neutralen Bestandteile des teilweise ionisierten Gases sorgt. Um den axialen Bogen auszulösen, kann eine axial verstellbare, nadeiförmige Startelektrode in der Axialkathode angebracht sein. Um zu verhindern, daß die Gasentladung aufgrund eines zu großen EnergieVerlustes infolge der Strahlung erlöscht, ist dafür gesorgt, daß die oben erwähnten, in der Achse liegenden hohlen Kathodenrohre von einer zylindrischen Verlängerung des axialen Kathodenhalters umgeben sind, der auf einer negativen Spannung bezüglich des Gitters oder der Anode liegt, wobei diese Verlängerung an der Innenseite mit einer Anzahl koaxialer Strahlungsabschirmungen ausgekleidet ist.

Ein derartiger Reaktor kann dazu verwandt werden, die Bestandteile eines Gasgemisches, beispielsweise gasförmige Isotope, zu trennen sowie gasförmige Spaltprodukte wieder aufzubereiten oder zu trennen oder eine Reaktion auf der Grundlage einer Kernspaltung aufrechtzuerhalten. Schließlich kann der Reaktor gleichfalls dazu verwandt werden, thermonukleare Reaktionen in der in der NL-Patentanmeldung 73-02102 beschriebenen Anlage aufrecht zu erhalten.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Kernreaktors mit Gaskern, dem ein Anreicherungsabschnitt vorausgeht und auf den ein Wiederaufbereitungsabschnitt folgt.

Fig. 2 zeigt im einzelnen den Einlaßteil des Anreicherungsabschnitts, der schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Kernreaktors mit Gaskern, dem ein Anreicherungsabschnitt vorausgeht und auf den ein Wiederaufbereitungsabschnitt folgt. Der

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Anreicherungsabschnitt besteht im vorliegenden Fall aus vier Zonen 90,91>92 und 93, in denen ein angereichertes oder verarmtes UFg-Gasgemisch wiederholt derart getrennt werden kann, daß die abgetrennten Bestandteile kaskadenförraig zu anderen Teilen des Anreicheruingsabschnittes geleitet werden, v/o derselbe Grad an Anreicherung vorherrscht. Mit 94 ist ein Kernreaktor und mit 95 ein Wiederaufbereitungsabschnitt bezeichnet.

Das anzureichernde UFg wird durch die Versorgungsleitung 96 eingeleitet und dann zum Trennraum der Stufe 91 durch eine längs des Umfangs verlaufende Reihe von Einlaßöffnungen 97 geführt. Als Folge der schnellen Drehung des Gases in dieser Kammer wird das Gasgemisch in leichte und schwere Anteile getrennt. Der schwere Anteil wird am größten Durchmesser dieser Stufe durch die Leitung 98 entladen, die diesen Anteil zu den Einlaßöffnungen 99 des Trennraumes der Stufe 90 führt. Der in der Stufe 91 abgetrennte leichte Anteil strömt durch die Öffnung 100 in den Trennraum der Stufe 92 weiter. Der schwere Anteil wird in diesem Raum am größten Durchmesser der Kammer abgetrennt und durch die Leitung 101 ausgeladen, die die Versorgungsleitung 96 am Punkt 102 trifft. Die leichten Gasbestandteile von der Kammer 92 werden durch die Öffnung 103 in den Trennraum der Stufe 93 weitertransportiert. In dieser Stufe werden die schweren Bestandteile am größten Durchmesser dieser Trennkammer durch die Leitung 104 entladen, die dieses gasförmige Produkt zur längs des Umfangs verlaufenden Reihe von Öffnungen 105 am Einlaß der Stufe 92 zurückführt. Die leichten Gasbestandteile von der Stufe 93 werden durch die ÖffnungeniO6 zum Raum 94 geleitet, in dem die Neutronenkernreaktion stattfindet. Das verarmte UFg wird vom Trennraum der Stufe 90 am größten Durchmesser bei 107 durch eine Leitung 108 ausgeladen.

Das in den Stufen 90,91*92 und 93 angereicherte UF₆ erreicht schließlich den Reaktionsraum 94 des Neutronenkernreaktors. Aufgrund der beträchtlich schnelleren Drehung der Gasmasse in die-

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ser Kammer wird das angereicherte UFg, das sich in der Zone 109 am größten Durchmesser dieser Kammer ansammelt, so stark komprimiert, daß sich eine Urandichte entwickelt, die ausreicht, um eine Spaltreaktion in Gang zu setzen. Aus Gründen der Einfachheit ist der Neutronenreflektor, der dazu erforderlich und um das Reaktorgefäß 94 herum angeordnet ist, nicht dargestel3.t. Aus diesem Grunde sind auch die ringförmigen Wandelektroden, die über die gesamte Länge der Anlage vorgesehen sind, und die Magnetspulen nicht dargestellt, die das Magnetfeld erzeugen.

Leichte, durch die Leitung 112 zugelieferte Gase werden durch Öffnungen 110 und 111 in die Reaktionskammer eingeblasen. Die Innenwand der Kammer 94 wird von einem nicht dargestellten gasförmigen Medium gekühlt. Aus Gründen der Einfachheit ist eine Flüssigkeitskühlung nicht dargestellt, die jedoch verwandt werden kann.

Hauptsächlich die leichteren Gase von der Kammer 9h werden durch die Öffnung 113 in die erste Trennkammer 114 des Wideraufbereitungsabschnittes 95 entladen. Die schwersten gasförmigen Produkte werden in dieser Kammer am größten Durchmesser des rotierenden Gaswirbels durch die Öffnung 115 abgetrennt. Diese schwersten gasförmigen Produkte bestehen zum Teil aus UFg und werden daher durch die Leitung 116 zu einem Anschlußpunkt passender Konzentration in der Anreicherungskaskade zurückgeführt. Die schweren gasförmigen Spaltprodukte vom nächsten Trennraum 118 können durch Öffnungen 119 am größten Durchmesser dieser Kammer ausgeladen werden. Die leichteren Spaltprodukte werden schließlich von der Trennkammer 123 an ihrem größten Durchmesser durch die Öffnung 124 abgeführt, so daß sie über die Leitung 1.25 in einen nicht dargestellten Sammelraum entladen werden können. Die restlichen leichten Gase, die schließlich durch die Öffnung 126 abgeleitet werden, können zur Energieerzeugung in einem MHD-System oder in einer Gasturbine verwandt v/erden, sie können zur Einlaßleitung 127 für das leichte Gas zurückge-

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leitet oder zu Antriebszwecken benutzt werden. Ein Teil der leichten Gase wird von der Leitung 127 am Punkt 128 abgezweigt, um durch die Leitung 129 zum Einlaß des Anreicherungsabschnittes geleitet zu werden.

Fig. 2 zeigt den Einlaßteil des Anreicherungsabschnittes von Fig. 1 mehr im einzelnen. Die erforderlichen elektromagnetischen Spulen sind mit 130 bis 134 bezeichnet. Der Magnetfluß aller dieser Spulen zeigt in dieselbe Richtung. Im Innern der Magnetspulen befinden sich Elektrodenringe 135 bis 154, 154^! und 154". Diese Ringe sind elektrisch durch Isolatoren 155 gegeneinander isoliert. Jeder Elektrodenring ist gleichzeitig mit einem Kühlkanal 156 zum Abführen der erzeugten Wärme versehen. Eine Entladeleitung 108 ist zwischen den Elektrodenringen 147 und 148 zum Entladen des verarmten UFg angeschlossen. Die längs des Umfangs verlaufende Reihe von Öffnungen 97 zum Zuführen des anzureichernden UFg befindet sich zwischen den Elektrodenringen 153 und 154 (siehe Fig. 1).

Die Gasentladesäule 89 in der Mitte des Gaswirbels im Innern der Kammer 90 wird durch die Elektrodenemission aufrechterhalten, die vom Kathodenbündel 152 ausgeht, das in einem Elektrodenhalter 158 angeordnet ist. Dieser Elektrodenhalter ist an einem Rohr 159 befestigt, das mittels eines Flansches I60 an einem Flansch I6I befestigt ist, der aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. Dieser Flansch dient einerseits als Abdichtung, um das Gehäuse vakuumdicht zu machen, und andererseits als Halterung für ein Rohrstück 164, das das Gitter I63 hält und relativ zum Rohr 159 durch eine Anzahl von isolierenden Kugeln 165 zentriert ist.

Das Elektrodenbündel 157 wird von einem Zylinder I66 umgeben, der an der Innenseite mit wenigen Strahlungsabschirmungen I67 und 168 ausgekleidet ist. Eine nadeiförmige Elektrode I69 dient zum Auslösen der Gasentladung. Die schweren Gase werden durch

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die Einlaßleitung 129 zugeführt (siehe Fig. 1). Diese Gase werden mit leichten Gasen gemischt, die durch die Öffnungen 171» die der Öffnung 99 in Fig. 1 entsprechen, eintreten und anschließend zur Trennkammer 90 durch die Öffnung zwischen dem Ende des Rohres 164 und der Wandelektrode 135 geleitet.

Die an den einzelnen Wandelektroden, die gegeneinander isoliert sind, anliegende Spannung differiert entsprechend dem gewünschten Zweck, der von der Aufgabe der verschiedenen Kammern abhängt. D.h., daß die an den gegenseitig isolierten Elektrodenringen anliegende Spannung, ausgehend von einer niedrigsten, am nicht dargestellten Elektrodenring liegenden Spannung, der sich am dem Kathodenbündel 157 gegenüberbefindlichen äußersten Ende der Anlage befindet, allmählich zunimmt. Der Elektrodenring mit der niedrigsten Spannung kann beispielsweise an Masse liegen.

Von allen Elektrodenringen liegt am Elektrodenring 135 die höchste Spannung. Eine praktisch gleiche Spannung liegt am Gitter 163. Die Kathode 157 und das damit verbundene Rohr 159 liegen auf einer negativen Spannung, die für die Gasentladung geeignet ist. Erforderlichenfalls kann eine zusätzliche dünne Schicht aus einem Isoliermaterial zwischen den Bauteilen 159 und 164 vorgesehen sein.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Reaktor, bei dem eine teilweise ionisierte Gasmasse von einem rotationssymmetrischen, in axiale Richtung langgestreckten Gehäuse eingeschlossen ist und durch eine Kraft in Drehung versetzt wird, die als Folge eines im wesentlichen axial verlaufenden, zeitlich konstant gehaltenen Magnetfeldes und eines elektrischen Stromes mit einer nicht verschwindenden Vektorkomponente in radialer Richtung auftritt, wobei von einem axialen Gasentladebogen stammende, positiv geladene Ionen, die sich mit einer hohen Drehgeschwindigkeit bewegen, die gesamte Gasmasse durch eine Impulsübertragung in Drehung versetzen, dadurch gek e η η ze ic h η e t, daß das Gehäuse an der Innenseite mit in nicht azimutaler Richtung segmentierten Elektroden ausgekleidet ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus gegeneinander isolierten, ringförmigen Wandelektroden bestehen.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Rohres in der Nähe wenigstens einer Stirnwand des Gehäuses halsförmig nach innen gedrückt ist, damit sie näher an die zentral angebrachte Elektrode entgegengesetzter Polarität kommt.
4. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelektroden mit veränderlichen Widerständen verbunden sind.

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5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände so eingestellt sind, daß die Spannung an den Wandelektroden blockweise von einem kleinsten Wert an einem gewählten Punkt auf der Achse des Gehäuses bis auf die Gitter- oder Anodenspannung des axialen Gasentladeteils ansteigt.
6. Reaktor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelektrode, die der zentralen Elektrode am nächsten liegt, bezüglich der zentralen Elektrode den kleinsten Potentialunterschied aller Wandelektroden zeigt.
7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialunterschied gleich groß ist.
8. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Elektrodensegmenten liegende Spannung allmählich von Null im homogenen Teil des Rohres bis auf die Spannung ansteigt, die notwendig ist. um die erforderliche Drehgeschwindigkeit des teilweise ionisierten Mediums aufrecht zu erhalten.
9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Anodengitterring, der als Halselektrode dient, vor einer zentralen, als Kathode ausgebildeten

" Elektrode angeordnet ist.
10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Gasentladungsbogen durch eine Änderung der Spannung der zentralen Kathode gesteuert wird.
11. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodengitterring über einen umgebenden rohrförmigen Halter mit der zentralen Elektrode mechanisch ein Teil bildet.

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12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Elektrode an wenigstens einem Ende des Gehäuses befestigt ist und aus einem Bündel hohler Kathodenrohre besteht, die an einem Ende zur Bildung eines Elektrodenhalters miteinander verbunden sind.
13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine axial verstellbare nadelspitzenförmige Auslöseelektrode in ähnlicher Weise im Elektrodenhalter angebracht ist.
14. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Kathodenrohre von einer zylindrischen Verlängerung des axialen Kathodenhalters umgeben sind, der auf eine Spannung eingestellt ist, die bezüglich des Gitters oder der Anode negativ ist.
15. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung an der Innenseite mit einer Anzahl von koaxialen Strahlungsabschirmungen ausgekleidet ist.

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