DE2712538A1

DE2712538A1 - Verfahren zur herstellung eines brennstoffes

Info

Publication number: DE2712538A1
Application number: DE19772712538
Authority: DE
Inventors: Rupert A Lee
Original assignee: Texas Gas Transmission Corp
Current assignee: Texas Gas Transmission Corp
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1977-12-15
Also published as: FR2353485A1; CA1037419A; IT1078255B; US4064024A; NL7705782A; JPS52146798A; GB1532735A

Description

DIPL.-ING. KLAUS E.E.HN DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 27 1 2538 PATENTANWÄLTE

wioENMAYERSTRAssE β d sooo München 22

TEL. (089) 22 2S 30 - 2Θ 51 92

3 22. März 1977 A 8177 Ml/ib

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

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffes

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Bankhaus Merck. Ftnck * Co.. München, Nr. 2B464 I Bankhaus H. Aufhauser. München, Nr 361300 Postscheck: München 2O9O48OO Telegrammadresse: Patentsenior

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für CO durch Kombination eines chemischen Prozesses und eines Bestrahlungsvorgangs von Kohlendioxid in Anwesenheit von Schwefelhexafluorid, wonach das CO dann weiter behandlet werden kann, um andere Brennstoffe zu erzeugen.

Eine Anzahl von Vorschlägen befaßt sich mit der Verwendung von Kohlendioxid, um Brennstoffe zu erzeugen. Diese Vorschläge sind wirtschaftlich nicht attraktiv, wenn zunächst Kohlendioxid erzeugt werden muß, statt daß Kohlenmonoxid unmittelbar Teil des flüssigen Brennstoffs wird, da für die Erzeugung des Kohlendioxids Verfahren erforderlich sind, die unwirtschaftlich hohe Energiemengen erfordern. Ein weiterer Grund für die Unwirtschaftlichkeit besteht, wenn Karbonate als Kohlendioxidquelle verwendet werden, da chemische Verunreinigungen vorhanden sind und Karbonate gewöhnlich gemahlen werden müssen, wobei sie dann immer noch nicht fein genug sind, um eine hinreichend große Oberfläche darzubieten, die mit anderen chemischen Substanzen in einem wirtschaftlichen Prozeßablauf reagieren könnten.

Viel Mühe steckt auch in dem Bestreben, Zündung und Verbrennen eines Fusionsbrennstoffes zu erzielen wie etwa Deuterium-Tritium in Pellet-Form. Es gibt eine Anzahl von Lösungsversuchen dieses Problems, und einer dieser Versuche verwendet als Energiequelle einen Laser und spezielle Pellet-Gestaltungen, mit denen eine

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Zündung und ein Verbrennen in einer Reaktionskammer möglich wird. Es wird dazu auf die US-Patentschriften 3 378 446, 3 489 645 und 3 762 992 hingewiesen.

In Demonstrationen konnte praktisch mit Impulslasern, die Energiestöße von Kilojoulestärke während Bruchteilen von Nanosekunden an kleine Pellets eines thermonuklearen Brennstoffes abgeben konnten, erreicht werden, daß thermonukleare Energie in brauchbaren Mengen erzeugt wurde. In Fusionslasersystemen entsteht einer Laserimpuls in einem Oszillator und wird dann in einem Impulsaufstocker geformt. Der Impulsaufstocker wirkt auf einen einzelnen ausgewählten Laserimpuls vom Oszillator mit Hilfe von Reflektionen und optischen Verzögerungen, um einen geformten Impuls zu bilden, der eine Kette von Einzelimpulsen enthält, die in geeigneter WEise so verzögert sind, daß die gewünschte Impulsform entsteht. Nachdem der Laserimpuls geformt ist, wird er mittels einer Reihenschaltung herkömmlicher Nd-Glasverstärker verstärkt.

Das Target-Systems beinhaltet das Komprimieren eines Traget, um innerhalb einer Targetkammer, die eine Targetbestrahlungpoptik enthält, Neutronen zu erzeugen. Eine Standard-Targetkammer weist einen Zylinder aus Edelstahl auf, in dem ein Vakuum von etwa 10 torr erzeugt werden kann. Zwei gleiche Strahlen von den Ausgangsverstärkern des Lasers werden in zwei zueinander entgegengerichtete Eintrittsöffnungen der Kammer über Optiken eingegeben, die noch die Möglichkeiten einschließen, die Zeitverzögerung auf jedem der optischen Pfade einzustellen. Das Targetbestrahlungssystem gibt nahezu gleichförmige Laserenergie an die Targets über

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die kugelförmige Targetoberfläche ab, wenn sphärische Linsen und zwei Ellipsoidspiegel verwendet werden, die so angeordnet sind, daß das Target sich im gemeinsamen Brennpunkt beider Spiegel findet. Wird das Target dann von den Laserstrahlen getroffen, so läuft eine gesteuerte Kernverschmelzungsreaktion ab.

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Laser-betriebene Kompression· kugelförmiger Targets haben sich als praktisch wirtschaftlicher Weg zu einer kontrollierten Kernfusion angeboten. Es wird dazu auf die Ausführungen in "Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research", 1974, Vol. II, International Atomic Energy Agency, Wien, unter dem Titel "Experimental Study of Laser-Driven Compression of Spherical Glass Shells" von Charatis u.a., verwiesen. Sowohl KMS-Fusion als auch Lawrence Livermore Laboraty geben für derartige Techniken beachtliche Neutronenausbeute an, wie etwa in der Veröffentlichung in Vacuum Technology, Mai 1975 ausgeführt.

Ein Targetmolekül für ein chemisches Verfahren kann unmittelbar der Bestrahlung vorzugsweise von einer Fusionsquelle ausgesetzt werden. Wirkungsvolle Strahlungsdissoziation wird somit durch Neutronenbeschuß von hoher Dichte, Alpha- oder Röntgenbestrahlung erzielt. Die Bestrahlung kann von Neutronengeneratoren, Kernspaltungsreaktionen oder anderen Strahlungsquellen stammen, die zur Verfügung stehen. Die Verwendung von Strahlung von einer thermnuklearen Verschmelzungsreaktion hat gegenüber der Bestrahlung durch Kernspaltung in derartigen Verfahren den wesentlichen Vorteil, daß die Targetmoleküle weniger radioaktiv verseucht werden, als dies in Anwesenheit von Bestrahlung mit Spaltbruchstükken möglich ist, und außerdem stellt die Fusion eine effizientere

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Quelle für Neutronenstrahlung dar, die die Reaktionskammerwände durchdringt, so daß der radiolytisch —chemische Prozeß isoliert von dem Kernreaktionsprozeß ablaufen kann.

Wenn als Strahlungswelle ein Spaltungsprozeß verwendet wird, dann müssen die Materialien direkt den Spaltbruchstücken ausgesetzt werden, um eine wirksame Energieübertragung zu erlangen, und dies macht es erforderlich, daß das Material unmittelbar dem Uranoder Plutoniumbrennstoff ausgesetzt wird. In einigen Fällen wird sogar empfohlen, Uranstaub direkt mit den Reaktionselementen zu vermischen (siehe "Advances in Nuclear Science & Tehnology", Vol. 1, 1961, Seite 989). Dies ergibt eine starke radioaktive Verseuchung der Produkte mit radioaktiven Spaltbruchstücken und mit den Brennstoffpartikeln selbst. Es ist aber erforderlich, daß die Substanzen unmittelbar der Reaktion ausgesetzt werden, da ungefähr 80% der Spaltungsenergie in den Spaltbruchstücken enthalten ist.

Bei der thermonuklearen Fusion von Deuterium-Tritium werden etwa 80% der Energie als schnelle Neutronen und die verbleibenden 20% der Energie als Alpha- und Röntgenstrahlen freigesetzt. Bei der Fusionsreaktion kann das ztjbehandelnde Material dem Strahl direkt oder in einem getrennten Behälter eingeschlossen ausgesetzt werden. Letzteres ist besonders geeignet, wenn mit Neutronen bestrahlt werden soll, da Neutronen sehr wirksame Durchdringungseigenschaften haben.

Somit wird durch die Verwendung von Fusionseinrichtungen mit ihren hochenergetischen Neutronen sowie der Alpha- und Röntgenstrahlung die Möglichkeit geschaffen, die Reaktionselemente di-

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rekc zu bestrahlen und dennoch die radioaktive Kontamination klein zu halten, so daß die damit verbundenen Probleme nur noch die sind, die durch Neutroneneinwirkung bedingt sind. Dieser Unterschied allein ist bereits von äußerster Bedeutung für die Überlegungen, thermonukleare Reaktoren für chemonukleare Prozesse einzusetzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Kohlendioxid in einem chemischradiologischen Prozeß unter Anwesenheit von Schwefelhexafluorid und NO bei 260° C zu behandeln. Es soll dabei mit der/Erfindung ein verbrennbarer Brennstoff erzeugt werden aus nichtfossilen Quellen, und es ist eine Unteraufgabe speziell dieser Erfindung, einen chemischen Kreislauf zu bilden, bei welchem Kohlendioxid verarbeitet und für die Rückführung in der Prozeß regeneriert wird.

Es hat sich nun gezeigt, daß beim Umsetzen der Erfindung in die Praxis ein Verfahren entsteht, mit dem brennbare Brennstoffe durch Bestrahlung und Kohlendioxid in Anwesenheit von Schwefelhexafluorid und NO₂ bei erhöhter Temperatur erzeugt werden kann.

mit Das wiedergewonnene Kohlenmonoxid wird/Wasser behandelt, so daß daraus Kohlendioxid und Wasserstoff entsteht. Der Wasserstoff wird dazu verwendet, flammbare Brennstoffe zu erzeugen wie etwa Methan und Methanol. Somit sind wirtschaftlich attraktive Verfahren geschaffen, mit denen Kohlendioxid zu flammbaren Brennstoffen verarbeitet wird, wobei Sauerstoff als Nebenprodukt anfällt.

Allgemein gesagt, läuft das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung von Kohlendioxid nach folgender chemischer Reaktionskette ab:

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. 2 7 1 2 b 3 8

Bestrahlung

2CO > 2Co + 0„ (I)

NO_n, SF,, 260⁰C

2 D

CO + HO } CO +H ([I)

Be-

Eine molekulare Spaltung durch ^strahlung oder Radiolyse; ist eine bekannte Erscheinung. Sie kann zur Formung von gewünschten oder brauchbaren Molekülarten aus zugeführten Substanzen führen, welche aus größeren Molekülen bestehen. Beispiele der Radiolyse sind die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff durch radio Iytische Zerlegung von Wasser oder auch die Bildung von Kohlenmonoxid und Sauerstoff durch radiolytische Zerlegung von Kohlendioxid. Die Ausbeute oder der "G"-Wert für die radiolytische Reaktion kann jedoch für eine wirtschaftliche Nutzung des Verfahrens zu klein sein. Ein gewöhnlicher "G"-Wert für die Ausbeute von Wasserstoffmolekülen bei Bestrahlung reinen Wassers mit Gammastrahlung ist 0,5 (der "G"-Wert ist die Zahl der Produktmoleküle, die pro 100 eV absorbierter Energie gebildet werden). Die vorliegende Erfindung sieht die Kombination von Verfahrensschritten chemischer Reaktionen und radiolytischen Abläufen vor. Abhängig von der speziellen verwendeten Substanz kann der Ablauf mit der chemischen Reaktion beginnen, worauf dann ein radiolytischer Schritt folgt, oder es können zunächst durch anfängliche Radiolyse Moleküle erzeugt werden, die dann eine chemische Reaktion zur Erzeugung des gewünschten Endproduktes eingehen. Das mehrstufige Verfahren ist so aufgebaut, daß, abgesehen von Sekundärverlusten durch Entweichen, Verdampfen, Mutation usw. alle chemischen Substanzen mit Ausnahme der ursprünglich eingegebenen

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vollständig in den Prozeß wieder einqeführt werden können, Die anfänglich zugeführte Substanz ist so ausgewählt, daß das endgültig gewünschte Produkt wiv: ή Falle eines einstufigen radiolytischen Prozesses, der an früherer Stelle erwähnt ist, entsteht. Beim vorliegenden Verfahren, bei welchem chemische und radiolytische Schritte miteinander kombiniert werden, können die eingebrachten Substanzen und die gewonnenen Erzeugnisse dieselben sein wie im einstufigen Verfahren. Ein wesentlicher Gesichts punkt der kombinierten Verfahrensschritte besteht darin, daß die Bestrahlung während des radiolytischen Schrittes an einem Molekül durchgeführt werden kann, das speziell gestaltet ist, so daß es einen hohen "G"-Wert hat. Wenn also auf die chemische Reaktion der radiolytische Verfahrensschritt folgt, dann wird die chemische Reaktion dazu benützt, aus einer Kombination der zugeführten Substanz und eines chemisch in den Zyklus wieder einführbaren Moleküls ein neues strahlungsempfindliches Molekül zu erzeugen und ein Nebenprodukt. Nach der Radiolyse des neugebildeten, strahlungsempfindliches Moleküls wird ein Bruchteil als das gewünschte Endprodukt aufgefangen,und ein zweiter Teil wird mit dem Nebenprodukt reagiert, wodurch das ursprüngliche, in den Prozeß wieder einführbare Molekül und darüberhinaus das zweite gewünschte Erzeugnis erhalten wird.

Bei den vorstehend genannten Abläufen ist es wichtig, daß die Radiolyse des anfänglichen Targetmoleküls, etwa des Kohlendioxids, in Anwesenheit von Schwefelhexafluorid (SF,) durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, daß in Anwesenheit von Schwefelhexafluorid der "G"-Wert größer ist, als wenn Kohlendioxid für sich allein der Strahlung bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird.

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Die bei der Radiolyse nach der Erfindung verwendeten Menqen des Schwefelhexafluorids hängen von den Reaktionsbedingungen ab und variieren folglich. Mengen von mehr als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kohlendioxids, lassen keinen wesentlichen Einfluß auf die Radiolyse erkennen. Typischerweise schwanken die Schwefelhexafluoridmengen zwischen 0,5 Gew.-% und etwa 5 Gew.-%, wobei etwa 2 Gew.-% als ausreichend betrachtet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit einem hinreichend für Bestrahlung empfindlichen CO_-Molekül, das in Anwesenheit von Schwefelhexafluorid behandelt wird. Die Erzeugnisse der Radiolyse werden dann in einer chemischen Reaktion weiter behandelt. Kohlendioxid wird in Kohlenmonoxid und Sauerstoff dissoziiert» wobei dann das Kohlenmonoxid mit Wasser zur Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff reagiert wird. Wasserstoff und Sauerstoff können getrennt zur Brennstoffgewinnung weiterverarbeitet werden.

Beispiel

Es werden im Verfahren 99 Gew.-% CO- und 1% NO- mit Gammastrahlung bei 260° C bestrahlt. Unter Verwendung von 1% SF, wird unter sonst gleichen Bedingungen und gleicher Bestrahlung die CO-Ausbeute auf 30rf% gesteigert.

Der wesentliche Teil des kombinierten Verfahrens besteht darin, daß die Radiolyse an einem ausgewählten, für Bestrahlung empfind lichen Molekül mit einem hohen "G"-Wert unter Anwesenheit von SF, durchgeführt wird.

Es sei jedoch vermerkt, daß der TEiI der eingegebenen Strah-

lungsenergie, der nicht unmittelbar für die Radiolyse benutzt wird, absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Das System kann deshalb so gestaltet werden, daß zugleich mit der Strahlungsenergie auch die Wärme von ein und derselben Quelle zugeführt wird, das heißt mit schnellen Neutronen oder anderen Strahlungsenergieträgern von einer thermonuklearen Reaktion.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Erzeugung von Kohlenmonoxid, dadurch gekennzeichnet, daß CO_ in Anwesenheit von Schwefelhexafluorid mittels Gammastrahlen und Neutronen enthaltender Strahlung bestrahlt wird, um das C0„ in CO und 0„ zu dissoziieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die Kohlendioxidmenge, Schwefelhexafluorid anwesend ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwefelhexafluoridmenge zwischen 0,5 und 5 Gew.-% beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

Ber
das durch die Strahlung aus Kohlendioxid erzeugte Kohlenmonoxid mit Wasser zur Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff reagiert wird.
5. Verfahren zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffes aus CO₂ und Wasser, gekennzeichnet durch die Schritte:

A) CO₀ wird in Anwesenheit von SF, und NO₀ bei 260° C einer

ί DZ

Bestrahlung ausgesetzt und dabei in CO und O₂ dissoziiert,

B) das erzeugte CO wird durch Reagieren mit Wasser zu H_ und CO₂, welches dem Prozeß erneut zugeführt wird, umgewandelt,

C) H₂ und O₂ werden als Produkte aus dem Prozeß abgesondert.

709850/0674 _₂_

ORIGINAL INSPECTED
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verfahrensschritt A) verwendete Strahlungsenergie aus einem Fusionsreaktor gewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Menge von SF, 10 Gew.-%_#bezogen auf das zugeführte CO₂,beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung aus Neutronenstrahlung besteht.

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