DE971332C

DE971332C - Kernenergieumformer, insbesondere fuer den Antrieb von Luftfahrzeugen

Info

Publication number: DE971332C
Application number: DEZ4122A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ph G A R Von Z Dipl-Ing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-03-31
Filing date: 1954-03-31
Publication date: 1959-01-08
Also published as: GB754559A; FR1078563A

Description

INTERNAT. KLASSE G 21

Die Erfindung betrifft Kernenergieumformer, wobei dieser Ausdruck hier in einem sehr allgemeinen Sinn zu verstehen ist und alle Maschinen umfaßt, welche gestatten, die durch Kernreaktionen spaltbarer Stoffe, wie insbesondere Uran oder Plutonium, entwickelte Energie zu gewinnen und zu praktischen Zwecken auszunutzen, wobei die so freigesetzte Energie auf beliebige geeignete Weise ausgenutzt werden kann, z. B. unmittelbar in Form ίο von Wärmeenergie, zu Heizzwecken, oder nach Umformung in Schubenergie, mechanische Energie, elektrische Energie od. dgl. Von derartigen Kernenergieumformern betrifft nun die Erfindung insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die mit Kernenergie betriebenen Motoren, im besonderen für den Antrieb von beweglichen Anordnungen, insbesondere von Luftfahrzeugen.

Die Erfindung bezweckt insbesondere, derartige Vorrichtungen so auszubilden, daß sie besser als bisher den Erfordernissen der Praxis entsprechen.

Vor einem näheren Eingehen auf die Kennzeichen der Erfindung erscheint es zunächst zweckmäßig, kurz an gewisse allgemeine Begriffe der Kernphysik zu erinnern, auf welche später bei der Erläuterung der Erfindung zurückgegriffen wird.

Bekanntlich löst eine an einer Stelle eines spaltbaren Stoffes eingeleitete Spaltungsreaktion mit positiver Neutronenbilanz nur eine Kettenreaktion

809 701/15

aus, wenn der Stoff eine Masse besitzt, welche größer als ein kritischer Wert (sogenannte kritische Masse) ist, in dessen Berechnung außer anderen Faktoren bei einem gegebenen System die Geschwindigkeit der die Reaktionen auslösenden Neutronen eingeht.

Außerdem unterscheidet man gewöhnlich unter anderem zwei Neutronenarten, welche sich gerade durch ihre Geschwindigkeit unterscheiden, nämlich ίο die »langsamen Neutronen« (auch »thermische Neutronen« genannt), welche eine mit der kinetischen Energie der Gasmoleküle bei gewöhnlichen Temperaturen vergleichbare, sehr geringe kinetische Energie besitzen (größenordnungsmäßig 0,025 eV), und die »schnellen Neutronen«, welche eine erhebliche größere kinetische Energie besitzen (z. B. größenordnungsmäßig bis zu einigen 10 MeV). Es ist ferner bekannt, daß die bei dem Spaltvorgang ausgesandten Neutronen dieser zweiten Klasse angehören.

An dieser Stelle der Ausführungen sei bemerkt, daß, wenn ganz allgemein von der »kritischen Masse« eines bestimmten spaltbaren Stoffs die Rede ist, angenommen wird, daß diese Masse unter Benutzung einer Geschwindigkeit der Neutronen berechnet wird, welche etwa gleich der ist, welche von der Spaltung der Kerne des betreffenden Stoffs herrührt (schnelle Neutronen).

Man kann jedoch bei einem einen gegebenen spaltbaren Stoff enthaltenden System von einer ganzen Reihe von kritischen Massen sprechen, welche ebenso vielen angenommenen Werten der Geschwindigkeit der Neutronen entsprechen, welche ihrerseits von den Kerngrößen des Systems abhängen.

Bei Bezugnahme insbesondere auf die Geschwindigkeiten der langsamen Neutronen bzw. der schnellen Neutronen erhält man zwei ganz verschiedene kritische Werte, welche größenordnungsmäßig in dem Verhältnis 1 :200 stehen und welche nachstehend der Bequemlichkeit halber folgendermaßen bezeichnet sind: Μχ (»langsame« kritische Masse) und M_r (»schnelle« kritische Masse), wobei diese letztere also stets erheblich größer als die »langsame« kritische Masse ist.

Es sind Kernreaktoren bekannt, bei denen ein unter Druck strömendes Medium Verwendung findet, das gleichzeitig als Moderator, Kühlmittel und Arbeitsmedium dient.

Hier knüpft die Erfindung an und schlägt einen Kernenergieumformer der erwähnten Art zur Erzeugung von gaskinetischer Energie oder Wärmeenergie vor, der sich dadurch auszeichnet, daß spaltbarer Stoff einen vorzugsweise röhrenförmig ausgebildeten Körper darstellt, der von dem unter konstantem Druck zugeführten flüssigen Medium in der Weise durchströmt wird, daß sich der Betriebszustand, bei dem der Vervielfachungsfaktor gleich Eins ist, ohne Verwendung eines neutronenabsorbierenden Stoffes selbsttätig einstellt und aufrechterhält durch den in dem Kernenergieumformer entstehenden Gegendruck des verdampfenden Mediums.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. ι ist ein Prinzipschema, welches die wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Kernenergieumformers zeigt;

Fig. 2 und 3 zeigen ebenfalls schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht bzw. im Schnitt längs der Linie HI-III der Fig. 2 eine praktische Ausführungsform eines derartigen Kernenergieumformers ;

Fig. 4 zeigt in einem Querschnitt eine Abwandlung der Ausbildung einer in dem vorhergehenden Kernenergieumformer verwendbaren Gruppe von rohrförmigen Teilen;

Fig. S zeigt eine besondere Anwendungsform der Erfindung, bei welcher ein entsprechend Fig. 2 ausgebildeter Kernenergieumformer eine Turbine speist;

Fig. 6 zeigt in einem Axialschnitt ein erfindungsgemäßes mit Kernenergie arbeitendes Staustrahltriebwerk ;

Fig. 7 und 9 sind schematische Darstellungen von drei möglichen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen mit Kernenergie betriebenen Rakete;

Fig. 10 zeigt schließlich ein mit einem erfindüngsgemäßen mit Kernenergie arbeitenden gemischten Antrieb (Staustrahltriebwerk, Raketenmotor) versehenes Luftfahrzeug.

Bekanntlich wird bei den bekannten Kerhenergieumformern für den Vorrat an spaltbarem Stoff eine Masse gewählt, welche kaum größer als die gs langsame kritische Masse M_t ist, z. B. eine Masse in der Größe von 1,0005 M_b so daß die Kettenreaktion in Gang kommen und aufrechterhalten werden kann, jedoch ohne daß die Möglichkeit eines zu schnellen Verlaufs derselben besteht.

Da die betreffende Masse jedoch größer als die langsame kritische Masse war, mußten in der Praxis unbedingt Vorkehrungen getroffen werden, um ein zufälliges Durchgehen des Umformers zu verhindern, z. B. infolge einer ungewünschten Erhöhung des Neutronenflusses. Derartige Mittel zur Überwachung des Betriebszustands des Umformers wurden bisher wesentlich durch ein elektronisches System zur Messung des Neutronenflusses in dem Umformer zu einem gegebenen Zeit- no punkt (z. B. Geigerzähler) sowie durch eine Vorrichtung veränderlicher Wirksamkeit gebildet, welche von dem elektronischen Meß system so gesteuert wird, daß sie die überschüssigen Neutronen absorbiert nnd so den Vervielfachungskoeffizienten nach der Anlaßperiode für den gesamten Umformer wieder auf Eins zurückfvhrt.

Ein derartiges Regelverfahren gestattet tatsächlich die Überwachung des Betriebszustandes des Umformers; es weist jedoch gewisse Nachteile auf, von welchen insbesondere der verwickelte Aufbau infolge der Notwendigkeit der Verdoppelung gewisser Teile des Regelsystems aus Sicherheitsgründen und die verhältnismäßig lange Ansprechzeit angeführt ,seien.

Das Hauptkennzeichen der Erfindung bezweckt nun gerade die Abstellung der obigen Nachteile, d.h. die mögliche Herstellung eines Kernenergieumformers, welcher in stabiler Weise ohne Zuhilfenähme eines Meß systems und einer Absorptionsvorrichtung der obigen Art arbeitet.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung, welche schematisch auf Fig. ι dargestellt ist, enthält der Kernenergieumformer einen Vorrat R eines spaltbaren Stoffs, welcher z. B. Uran U 235 oder Plutonium Pu 239 oder noch besser, .da wirtschaftlicher, mit Plutonium Pu 239 und Uran U 233 angereichertes natürliches Uran U 238 sein kann, wobei dieser Vorrat R so ausgebildet ist, daß er wenigstens zwei gegenüberliegende Wandabschnitte aufweist,- zwischen welchen ein Durchlaß A für die Strömung eines Strömungsmittels besteht.

In dem Durchlaß A läßt man ein Moderatormittel F (Neutronenverlangsamerer) strömen, welches unter Druck steht und sich am Eingang des Durchlasses in flüssigem Zustand befindet. Dieses Medium kann zweckmäßig durch einen Douterium oder Wasserstoff enthaltenden Körper gebildet werden, z. B. schweres Wasser oder auch gereinigtes natürliches Wasser oder Kohlenwasserstoffe oder ein Gemisch von Wasser und Alkohol.

Die die Strömungsmenge des Moderatormittels bestimmenden' Faktoren (insbesondere der Eintrittsdruck Pi und der Eintrittsquerschnitt S) werden unter Berücksichtigung der Kenngrößen des Vorrats R an spaltbarem Stoff (Zusammensetzung, Masse, Form, freier Querschnitt usw.) so gewählt, daß das Moderatormittel aus dem Durchlaß A in Gasform austritt und daß der Vervielfachungskoeffizient des Systems im normalen Betrieb gleich Eins ist, wodurch sich der Betriebszustand des Kernenergieumformers selbsttätig stabilisiert, wie weiter unten erläutert ist.

Aus obigem geht hervor, daß bei einem derartigen Kernenergieumformer ein und dasselbe strömende Medium als Moderator und als Mittel zur Übertragung der Wärme dient, welche von der durch die Kernreaktionen freigesetzten Energie herrührt und durch den Stoß der Teilchen und durch erzwungene Konvektion aufgefangen wird.

Der Vorrat an spaltbarem Stoff R wird zweckmäßig so ausgebildet, daß die Richtung des Durchlasses A und vorzugsweise auch sein freier Querschnitt keine Unstetigkeit längs des Strömungsweges aufweisen, wobei diese Richtung und dieser Querschnitt vorzugsweise längs des ganzen Strömungsweges konstant sind.

So kann man insbesondere den Vorrat R so ausbilden, daß die Strömung des Moderatormittels in dem Durchlaß A im wesentlichen geradlinig erfolgt. Diese verschiedenen Bedingungen können z. B. dadurch erfüllt werden, daß der Vorrat R an spaltbarem Stoff durch wenigstens einen rohrförmigen Teil gebildet wird, von dem zunächst angenommen sei, daß er einen Kreisquerschnitt hat.

Wenn der Vorrat R, wie oben ausgeführt, die Form wenigstens eines geradlinigen rohrförmigen Teils mit konstantem Innenquerschnitt hat, welcher (wenigstens innen) von dem Moderatormittel bestrichen wird, können unter Berücksichtigung 6j der obigen "Bedingungen für seine Maße M noch verschiedene Werte für seine Wandstärke e gewählt werden, welche zweckmäßig längs des ganzen rohrförmigen Teils konstant gehalten werden.

Diese Wandstärke e wird nun -zweckmäßig so gewählt, daß ihr Wert als 0,7 L₁ ist, wobei L₁ die »freie Weglänge« der langsamen Neutronen in dem betreffenden spaltbaren Stoff bezeichnet.

In Fig. ι sind schematisch die Hauptteile eines auf die obige Weise ausgebildeten Kernenergie- 7£ Umformers dargestellt, wobei der Eingang des Rohres R mit dem die Moderatorflüssigkeit F enthaltenden unter Druck stehenden Behälter 1 über ein Ventil 2 verbunden ist, welches- gestattet, den Eintrittsquerschnitt F allmählich auf den ge- 8f wünschten Wert zu bringen.

Zur Festlegung der Begriffe sei beispielshalber angegeben, daß die Länge des rohrförmigen Teils R zweckmäßig zwischen dem 10- und 5ofachen (vorzugsweise zwischen dem 20- und 3ofachen) des 8t Durchmessers des als kreisförmig angenommenen Durchlasses A liegt. Bei anderen Querschnittsformen muß der Durchmesser durch die Quadratwurzel aus dem Durchflußquerschnitt ersetzt werden. %

Es sei nun zunächst erläutert, warum ein so einfacher Kernenergieumformer sich selbst stabilisiert, und zwar unter Verzicht auf eine streng mathematische Ableitung, welche durchaus durchführbar ist, aber den Rahmen einer Patentanmeldung über- 9; schreitet. Hierfür ist es ausreichend, die Art und den Änderungssinn der verschiedenen beim Arbeiten des Kernenergieumformers auftretenden Elementarvorgänge zu untersuchen und zu zeigen, wie diese Elemen-tarvorgänge aufeinander einwirken, um schließlich einen sich selbst stabilisierenden Betrieb zu erzeugen.

In den nachstehenden Ausführungen für den Nachweis der obigen Behauptung bedeute Pe den Strömungsdruck am Eingang des Durchlasses A, welcher offenbar kleiner als der Einführungsdruck Pi der Moderatorflüssigkeit ist.

Solange das Ventil 2 geschlossen ist, liefert der Umformer praktisch keine Energie. Zur Inbetriebnahme des Umformers genügt es, das Ventil allmählich stetig zu öffnen, wodurch eine allmählich zunehmende Strömung des Moderatormittels in dem Durchlaß A entsteht.

Die von örtlichen Spaltungen in dem Vorrat R herrührenden und den Durchlaß A durchquerenden Neutronen werden dann um so stärker verlangsamt, je größer die Strömungsdichte ist. Die Spaltvorgänge nehmen dann in dem Vorrat R zu, und die freigesetzte Energie, welche dem strömenden Medium in Form von Wärme zugeführt wird, 1; nimmt ebenfalls zu. Wenn der dem Querschnitt 5* entsprechende Öffnungsgrad erreicht ist, erreicht der Umformer seinen normalen Betrieb, welchem eine Durchflußmenge Dn des Moderatormittels entspricht, welche eine wachsende Funktion des 1: Unterschieds zwischen dem Einführungsdruck Pi

der Flüssigkeit und dem Eintrittsdruck Pe in den Durchlaß A ist. Es herrschen dann die normalen Betriebsbedingungen, denen eine normale Temperatur Tn des strömenden Mediums am Ausgang des Durchlassest entsprechen muß.

Damit sich der Betriebszustand ' selbsttätig

stabilisiert, muß im normalen Betrieb jede zufällige Veränderung des Neutronenflusses selbsttätig eine gegensinnige Veränderung der Zahl der Neutronen erzeugenden Spaltungen zur Folge haben.

Wenn nun der Neutronenfluß den .normalen Wert übersteigt, nimmt die Zahl der Spaltvorgänge zunächst zu, so daß die Temperatur Tn ebenfalls zunimmt. Dies hat zur Folge, daß der Druck .Pe '5 am Eingang des Durchlasses A ebenfalls zunimmt.

Hieraus ergibt sich, daß der Unterschied zwischen dem Einführungsdruck Pi (welcher konstant geblieben ist) und dem Druck Pe am Eingang des so Durchlasses A abnimmt, was eine Verringerung der normalen Durchflußmenge Dn zur Folge hat, welche der Quadratwurzel dieses Unterschieds proportional ist.

Dieser Abnahme der normalen Durchfluß menge !5 Dn entspricht, nun eine Verringerung der Strömungsdichte und somit eine Verringerung des Koeffizienten der Bremsung der Neutronen durch das Moderatormittel. Der Vervielfachungskoeffizient der -Anordnung nimmt daher ab und wird kleiner als Eins, solange die Betriebsbedingungen (insbesondere die Temperatur Tn) nicht wieder ihren normalen Wert angenommen haben.

Wenn an Stelle einer zufälligen Zunahme des Neutronenflusses eine Abnahme desselben auftritt, würde der umgekehrte Vorgang auftreten (Zunahme der Strömungsmenge Dn, stärkere Verlangsamung der Neutronen, Zunahme der Zahl der Spaltvorgänge und Vergrößerung der in der Zeiteinheit freigesetzten Energie), bis die normalen +o Bedingungen wiederhergestellt sind.

. Die Betriebsbedingungen werden daher sowohl bei einer Vergrößerung wie bei einer Verkleinerung des Neutronenflusses selbsttätig wieder auf die vorgesehenen Normalwerte zurückgeführt, was offenbar das charakteristische Kennzeichen eines selbststabilieierenden Betriebes ist.

Es ist noch zu bemerken, daß, da die Regelung keine Hilfsvorrichtung benutzt, ihre Ansprechzeit außerordentlich kurz ist und größenordnungsmäßig einige tausendstel Sekunden beträgt, was offenbar sowohl hinsichtlich der Betriebssicherheit wie der weiter unten erwähnten Regelmöglichkeiten einen beträchtlichen Vorteil darstellt.

Bei dem oben beschriebenen grundsätzlichen Beispiel war angenommen worden, daß der Vorrat R die Form eines einzigen Teils hat. In der Praxis ist es jedoch zweckmäßig, eine gewisse Zahl von Teilen vorzusehen, deren Gesamtmaße jedoch den obigen Bedingungen genügen muß, wobei diese Teile voll oder rohrförmig sein und außen (volle Teile) oder innen oder auch innen und außen (rohrförmige Teile) von dem Moderatormittel bestrichen werden können.

So kann insbesondere gemäß der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der Vorrat R an spaltbarem Stoff durch ein Zellensystem gebildet werden, welches aus einer gewissen Zahl von nebeneinanderliegenden Rohren mit einem Vieleckquerschnitt, z. B. einem Sec'hseckquerschnitt, besteht und vorzugsweise so ausgebildet ist, daß es eine mit der Achse eines mittleren Elementarrohres zusammenfallende Symmetrieachse besitzt.

Die aneinanderliegenden Wände der Elementarrohre erhalten eine Stärke, welche nur die Hälfte der der freien Wände der am Umfang des Zellensystems liegenden Rohre beträgt (welche nicht mit anderen Elementarrohren angehörenden Wänden in Berührung stehen), so daß die den Durchlaß A umgebende Wandstärke an spaltbarem Stoff praktisch konstant ist.

Man kann jedoch auch gemäß einer anderen Ausführungsform den Vorrat R auf wenigstens zwei gleichadhsige rohrförmige Teile aufteilen (z.B. eine AußenhülseR₁ und eine InnenhülseR₂, wie in Fig. 4 dargestellt), welche im wesentlichen die gleiche Wandstärke besitzen, wobei dann der ringförmige Durchtrittsquerschnitt des Außenteils vorzugsweise praktisch gleich dem Durchtrittsquerschnitt des Innenteils ist.

Hierzu ist zu bemerken, daß diese beiden Ausführungsfo'rmen kombiniert werden können, indem der Vorrat R an spaltbarem Stoff durch ein Zellensystem mit Einheiten gebildet wird, von denen wenigstens eine wenigstens zwei gleichachsige rohrförmige Teile umfaßt, welche z. B. Sechseckquerschnitt haben. In der unteren Hälfte der Fig. 3 ist ein zentraler rohrförmiger Doppelteil dargestellt, welcher aus einem äußeren sechseckigen Rohr und einem inneren zylindrischen Rohr besteht.

Oben war ausgeführt, daß ein erfindungsgemäßer Kernenergieumformer sich selbst stabilisiert, d. h. selbsttätig einen Betrieb mit einer konstanten mittleren Temperatur und einer konstanten Förderleistung aufrechterhält, wobei natürlich vorausgesetzt ist, daß die die Strömungsmenge des Moderatormittels bestimmenden Ausgangsparameter (insbesondere der Einführungs druck Pi und der Einführungsquerschnitt S) während des Betriebes konstant bleiben.

Man kann jedoch auch unter Beibehaltung der Selbststabilisierungseigenschaft des Kernenergieumformers diesen so betreiben, daß man die in ihm freigesetzte Energie entsprechend den Benutzungsbedingungen verändert, d. h. daß man letzten Endes die mittlere Förderleistung und gegebenenfalls die mittlere Betriebstemperatur verändert, wobei j edoch die Änderungen dieses letzteren Faktors in für die Betriebssicherheit zulässigen Grenzen bleiben müssen.

Man kann dann zur Erzielung derartiger Veränderungen des Betriebszustands des Kernenergieumformers eine gleichzeitige Regelung von wenigstens zwei Ausgangsparametern vornehmen, z. B. des Parameters Pi₁ was durch Unterdrucksetzung des Behälters 1 mittels eines regelbaren Druckminderers 3 erfolgen kann, und des Parameters S

wofür mehrere mögliche, verschiedenen Öffnungsgraden entsprechende Stellungen der Ventilanordnung 2 vorgesehen werden können, welche dann in der Nähe des Eingangs des Durchlasses A ange-5 ordnet wird, so daß der freie Querschnitt dieser Ventilanordnung tatsächlich dem Einführungsquerschnitt JT der Moderatorflüssigkeit bei ihrem Eintritt in den Durchlaß A entspricht..

Man kann auch zur Regelung des Betriebszustande des Kernenergieumformers unmittelbar den Auslaßdruck Ps beeinflussen, z. B. mittels eines regelbaren Gegendrucks oder, wie schematisch in Fig. 2 und Fig. 3 (obere Hälfte) dargestellt, durch Anordnung von regelbaren Verschlußklappen ν am Ausgang der Durchlässe A.

Wenn der Vorrat R des Kernenergieumformers durch mehrere unabhängige Teile gebildet wird, welche selbständig arbeiten können, d. h. deren jeder ein eigenes System zur Speisung mit einem

so Moderatormittel aufweist, kann eine diskontinuierliche Regelung des Betriebszustands der Gesamtanordnung des Kernenergieumformers durch In- oder Außerbetriebsetzung gewisser dieser Teile vorgenommen werden.

So kann man z. B. bei einem Kernenergieumformer, dessen spaltbarer Vorrat durch ein Zellensystem aus rohrförmigen Außenteilen (von denen z. B. sechs vorhanden sind), welche einen zentralen rohrförmigen Doppelten (untere Hälfte der Fig. 3) umgeben, unter der Annahme, daß alle rohrförmigen Elementarteile unabhängig voneinander mit einem Moderatormittel gespeist werden können, über sieben Einstellungen verfügen, welche der nacheinander erfolgenden Inbetriebnahme der sechs äußeren rohrförmigen Elementarteile und des Außenrohres des zentralen DoppelteÜs entsprechen, sowie über sieben weitere Einstellungen, indem man wiederum die gleichen aufeinanderfolgenden Intriebnahmen vornimmt, wobei jedoch diesmal das Innenrohr des rohrförmigen Doppelteils dauernd im Betrieb bleibt.

Die Zahl der möglichen Betriebszustände ist so durch die einfache Hinzufügung des Innenrohres des zentralen Elementarteils verdoppelt worden.

Man kann jedoch auch bei einem Kernenergieumformer mit vielfachen Elementarteilen eine kontinuierliche Regelung des Betriebszustandes durch Veränderung der Speisung gewisser Elementarteile oder gewisser Gruppen von Elementarteilen mit dem Moderatormittel mittels eines der obigen Verfahren vornehmen. Man kann so in sehr weiten Grenzen den Gesamtbetriebszustand des Kerruenergieumformers mit vielfachen Elementarteilen stetig oder praktisch stetig regeln.

Bisher war nur von der Ausbildung eines erfindungsgemäßen Kernenergieumformers die Rede gewesen, es war jedoch noch nichts über die Verwendungsmöglichkeiten der in Form eines heißen Gasstroms (das aus den rohrförmigen Elementarteilen R kommende Verlangsamerungsmittel) freigesetzten thermischen Energie ausgesagt worden. Es sollen jetzt beispielshalber gewisse Anwendungen besprochen werden, bei denen gleichzeitig gewisse zusätzliche Erfindungskennzeichen erläutert werden.

So kann z. B. zunächst ein auf die obige Weise ausgebildeter Kernenergieumformer für den Antrieb einer Turbine benutzt werden.

Eine erste Lösung besteht dann in der Her'stel·- lung einer Anlage, welche mit einem »offenen Strömungskreis« arbeitet, d. h. bei welcher das aus der Turbine austretende strömende Medium ins Freie abgeführt wird. Diese Lösung ist jedoch nur beschränkt anwendungsfähig, insbesondere infolge des Verbrauchs an dem Moderatormittel und der Radioaktivität der entweichenden Stoffe. Da man in der Praxis als Moderatormittel Wasser benutzen muß, welches gereinigt werden muß, wird der reichliche Verbrauch dieses Mittels kostspielig.

Es wird daher besser ein geschlossener Strömungskreis mit Kondensator benutzt. Man vermeidet so die Verluste an Moderatormittel und kann als solches nicht nur natürliches reines Wasser, sondern auch schweres Wasser oder Kohlenwasserstoffe, wie Heptan, Hexan, Anilin oder auch andere Verbindungen, z. B. Äthyl- oder Methyl-■-chlorid, benutzen.

In diesem Fall muß hinter der Turbine 4, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Kondensator 5 vorgesehen werden, von welchem aus das Moderatormittel in flüssiger Form in den Behälter 1 zurückgeschickt wird, und zwar zweckmäßig durch eine von der Turbine 4 angetriebene Pumpe 6.

Es ist dann zweckmäßig, zwischen dem Ausgang des Rohres oder der Rohre R und der Turbine 4 eine mit einem Sicherheitsventil 8 od. dgl. versehene Druckausgleichskammer 7 vorzusehen.

Da der Druck und die Spiegelhöhe in dem Behälter ι möglichst konstant gehalten werden müssen, wird zweckmäßig auf der Druckseite der Pumpe 6 eine Nebenschlußleitung 9 vorgesehen, welche durch einen geeigneten Regler Ίο entsprechend den in dem Behälter 1 herrschenden Bedingungen so gesteuert wird, daß eine etwaige überschüssige Fördermenge der Pumpe in den unteren Teil des Kondensators 5 zurückgeschickt wird. Derartige Regler für Nebenschhaßleitungen sind in der Praxis wohlbekannt.

Man. kann es auch so einrichten, daß durch übliche Mittel gewisse Betriebsdrücke der Anlage praktisch konstant gehalten werden, insbesondere der Druck am Ausgang des eigentlichen Kernenergieumformers und/oder der Druck in dem Kondensator 5.

' Es ist zu bemerken, daß bei einem erzwungenen Umlauf des Kühlmittels in dem Kondensator 5 die für den Antrieb der Vorrichtung zur Erzeugung dieses Umlaufs erforderliche Energie der Turbine 4 entnommen werden kann. So kann insbesondere, wenn der Kondensator 5 von einem durch den iao Lüfter 11 erzeugten Kühlluftstrom durchströmt werden soll, dieser Lüfter mit der Turbine 4 durch ein in Fig. 5 durch die strichpunktierte Linie 12 schematisch dargestelltes Übertragungssystem' gekuppelt werden. Zur Verringerung der Verluste an Moderatormittel durch Dissoziation (durch über-

809 701/15

mäßige Einführung kinetischer Energie) kann ein Katalysator zur Wiedervereinigung der dissoziierten Moleküle. vorgesehen werden. So können bei der Benutzung von Wasser oder schwerem Wasser als Moderatormittel die heißen Teile des Kondensators oder des Wärmeaustauschers mit einem Synthesekatalysator (z. B. Kupfer) überzogen werden.

Man kann jedoch auch gemäß einer anderen Anwendungsform der Erfindung die aus dem Kernenergieumformer kommenden heißen Gase zur Erwärmung eines anderen Strömungsmittels benutzen, welches dann insbesondere die Rolle eines Arbeitsmittels spielen kann.

So kann man insbesondere, gemäß der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, einen erfmdungsgemäß ausgebildeten Kernenergieumformer zur Erwärmung eines Luftstroms 'benutzen, welcher einen Mantel durchströmt, welcher so ausgebildet ist, daß am Ausgang desselben ein Teil der auf den Luftstrom durch die aus dem Kernenergieumformer kommenden heißen Gase übertragenen Wärmeenergie in Form von Rückstoßenergie gewonnen wird.

Anders ausgedrückt, man erhält so ein richtiges mit Kernenergie arbeitendes Staustrahltriebwerk, welches insbesondere für den Antrieb von Luftfahrzeugen geeignet ist.

Der zur Erwärmung des Luftstroms dienende Austauscher wird zweckmäßig so ausgebildet, daß er gleichzeitig die Rolle des Kondensators für das aus dem Kernenergieumformer kommende Moderatormittel spielt.

Ferner ist es zweckmäßig, diesen Wärmeaustauscher und Kondensator so auszubilden, daß er wenigstens teilweise den Mantel des Staustrahltriebwerks bildet.

Hierbei kann, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, der eigentliche Kernenergieumformer von einem oder mehreren hohlen Mänteln 13 mit doppelter Austauschfläche umgeben werden, welche ringförmige Tunnel für die Luftströmung bilden und zweckmäßig zu dem· Kernenergieumfornner gleichachsig« Umdrehungsflächen darstellen. Jeder Mantel 13 enthält eine zylindrische Außeniwand und eine gewellte, mit der Außenwand in Berührung stehende Innenwand (wie durch den diskontinuierlich dargestellten Schnitt in Fig. 6 gezeigt), so daß diese Außen- und Innenwände eine Mehrzahl von zu der Luftströmung parallel liegenden Kanälen abgrenzen.

Man richtet es nun so ein, daß die dem Luftstrom dargebotenen Durchtrittsquerschnitte in der Strömungsrichtung zunehmen, und zwar derart, daß die Strömung unter Berücksichtigung der Erwärmung dauernd eine leichte Beschleunigung erfährt, welche die schädliche Ablösung der Grenzschicht verhindert.

Der Ausgang des Kernenergieumiormers wird mit den den Wärmeaustauscher und Kondensator bildenden Mänteln 13 so verbunden, daß die Strömung der Luft in den freien Ringräumen und die Strömung der Moderatorgase in diesen Mänteln im Gegenstrom erfolgen, wobei dann der Ausgang des Kernenergieumformers an das Hinterende der Mantel 13 durch zweckmäßig mit einer Verkleidung versehene hohle radiale Arme i3_u angeschlossen ist.

Ferner ist es zur Vergrößerung des Wirkungsgrades der Anlage zweckmäßig, am Ausgang des rohrförmigen Elementarteils oder der rohrförmigen Elementarteile R Hindernisse oder Prallkörper 14 anzuordnen, um die Gasströmung mit Überschallgeschwindigkeit durch Überschreitung einer oder mehrerer durch die durch diese Hindernisse oder Prallkörper erzeugten Verdichtungsstöße in eine Strömung mit Unter-Schallgeschwindigkeit zu verwandeln.

Bei einer derartigen Anlage, bei welcher der Wärmeaustauscher gleichzeitig die Rolle eines Kondensators spielt, muß an dem unteren Abschnitt der Hohlmäntel 13 ein Behälter 13^ vorgesehen werden, in welchem sich das kondensierte Moderatormittel vor seiner Auf nähme durch die Umlaufpumpe 6 sammeln kann, welche zweckmäßig durch eine Windturbine 15 angetrieben wird, welche zweckmäßig in dem zu erwärmenden Luftstrom vor den ringförmigen Durchlässen angeordnet wird, welche von der Luft durchströmt werden.

Ein derartiges Staustrahltriebwerk ist offenbar infolge seiner Einfachheit, seines geringen Platzbedarfs und seines verhältnismäßig geringen Gewichts besonders für den Antrieb eines Luftfahrzeugs geeignet.

Der Wärmeaustauscher 13 kann in diesem Fall die Rolle des Tragwerks des Luftfahrzeugs spielen, so daß sich dieses dann wie ein einfaches sich selbst tragendes Staustrahltriebwerk verhält. Es ist dann zweckmäßig, für die durch den mit einer Verkleidung versehenen Kernenergieumformer und den Wärmeaustauscher gebildete Anordnung die Form eines Umdrehungskörpers zu wählen. Ferner müssen Steuerflächen zur Erzielung eines gewissen Anstellwinkels des Tragwerks vorgesehen werden.

Eine weitere Anwendung eines erfindungsgemäßen Kernenergieumformers besteht darin, die Energie der aus ihm kommenden heißen Gase unmittelbar in Form wenigstens eines Treibstrahles auszunutzen, was insbesondere für die Herstellung von Triebwerken für gewisse Arten von Luftfahrzeugen zweckmäßig ist, insbesondere von Hilfstriebwerken, wie z. B. Unterstützungs- oder Startraketen.

Zur Vereinfachung der Ausführungen ist nachstehend angenommen, daß die für eine derartige Anwendung verwendeten Kernenergieumformer einen durch ein einziges Rohr gebildeten Vorrat R aufweisen, doch können offenbar auch alle anderen obigen Ausführungsformen hierfür verwendet werden.

Zur besseren Ausnutzung der Rückstoßenergie der aus dem rohrförmigen Elementarteil R kommenden Gase wird zweckmäßig am Ausgang desselben eine divergierende Düse 16 vorgesehen!.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform einer derartigen mit Kernenergie betriebenen Ra-

kete ist in Fig. 7 dargestellt, bei welcher der das Moderatormittel enthaltende Behälter 1 durch ein in einem Behälter 17 enthaltenes Gas unter Druck gesetzt wird, welches die Förderung der Moderatorflüssigkeit zu dem Rohr R während der ganzen Betriebsdauer der Anordnung gewährleistet.

Diese Ausführungsform ist besonders für Raketen mit kurzer Betriebsdauer geeignet, da bei Raketen mit verhältnismäßig langer Betriebsdauer der Behälter 17 zu große Abmessungen und ein zu großes Gewicht erhalten müßte.

Für eine Rakete 'mit langer Betriebsdauer wird zweckmäßig die Ausführungsform der Fig. 8 gewählt, bei welcher der Vorrat an Moderatorflüssigkeit in einem verhältnismäßig dünnwandigen Behälter 18 enthalten ist und durch eine Pumpe 19 in einen Hochdruckbehälter i_a umgefüllt wird, welcher seinerseits den rohrförmigen Elementarteil R speist (welcher gegebenenfalls auch unmittelbar durch die Pumpe gespeist werden kann), wobei die Pumpe 19 zweckmäßig durch eine Hilfsturbine 20 angetrieben wird, welche mit Gasen betrieben wird, welche in dem Rohr R in einem solchen Abstand von dem Ausgang desselben entnommen werden, daß man in dieser Turbine das für den Antrieb der Pumpe erforderliche Druckniveau erhält.

Bei einer dritten, in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform wird eine Erhöhung des spezifischen Impulses dadurch erhalten, daß eine zusätzliche Kühlung des rohrförmigen Elementarteils R vorgesehen wird, welche z. B. dadurch erzielt werden kann, daß dieser Teil sowie die Düse 16 von einem Mantel 21 umgeben werden, in welchem man die aus dem Behälter 1 kommende Moderatorflüssigkeit strömen läßt, und zwar vorzugsweise im Gegenstrom, in bezug auf die innere Strömung.

Gegebenenfalls kann außerdem ein Teil dieser Flüssigkeit vor ihrem Eintritt in das Rohr R abgezweigt und stellenweise durch Öffnungen 22 wieder eingespritzt werden, um die äußere Kühlung durch eine zusätzliche innere Kühlung zu vervollständigen.

Bei der obigen Anwendung auf Raketen können zweckmäßig Wasser oder Gemische aus Wasser und Methanol als Moderatorflüssigkeit benutzt werden, wobei man bemerkenswerterweise Ergebnisse erhält, welche selbst in dem einfachsten Fall, wo keine Kühlung vorhanden ist, mit denen der besten Flüssigkeitsraketen vergleichbar sind, welche die Molekularenergie eines Brennstoffs und eines Sauerstoff trägers ausnutzen.

Es ist zu bemerken, daß man bei der Anwendung der Erfindung auf Kerrienergiegeneratoren oder auf Raketen in der für die Uranstäbe der Kernenergiegeneratoren allgemein üblichen Weise die rohrförmigen Elementarteile R mit einem Metallmantel umgeben kann. Es ist jedoch zweckmäßig, an Stelle des in den üblichen Kernenergiegeneratoren benutzten Aluminiums eine Verbindung zu benutzen, welche den auftretenden mechanischen, chemischen und thermischen Beanspruchungen besser widersteht.

So kann man z. B. die rohrförmigen Elementarteile mit einem Schutzüberzug versehen, weither 6« aus einem der folgenden Körper besieht: Chromoxyd, Wismutoxyd, Siliziumoxyd, Siliziumkarbid, Wolfram, Wolframkarbid, Tantal, Tantalkarbid, Zirkon oder Zirkonoxyd. Mit derartigen Überzügen und mit einem nur durch Wasser gebildeten 7c Moderator können spezifische Impulse in der Größenordnung von 165 Kp. sec/kg (von 1 kg Gewicht an Moderator während 1 Sekunde entwickelte Druckkraft in Kilopond) erzielt werden, während man mit Aluminium unter den gleichen Bedingun- 7j gen nur einen spezifischen Impuls in der Größenordnung von 100 Kp. sec/kg erhalten kann.

Hierzu ist zu bemerken, daß man bei Vorsehung eines Kühlsystems der in Fig. 9 gezeigten Art spezifische Impulse erhalten kann, welche erheblich 8< über diesen Werten liegen.

Ein weiterer Vorteil der durch ein Karbid gebildeten Schutzüberzüge beruht darauf, daß Uran<karibid oder Plutoniumkarbid gebildet wird, welche die Homogenität und somit das tadellose Haften 8j der Schutzschicht bewirken.

Man kann jedoch auch auf dem Gebiet des Antrie'bs von Luftfahrzeugen die beiden obigen Anwendungen der Erfindung kombinieren und in einem einzigen Triebwerk ein Staustrahltriebwerk c und einen Raketenmotor, welche von demselben Kernenergiegenerator angetrieben werden, vereinen, wobei zweckmäßig Mittel vorgesehen werden, um wahlweise das Staustrahltriebwerk und/ oder den Raketenmotor in. Betrieb zu nehmen.

In Fig. 10 ist beispielshalber eine mögliche Ausführung einer derartigen zusammengesetzten Anlage dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform ist der Kernenergiegenerator in einem mittleren Körper 23 angeordnet, welcher zweckmäßig ein Umdrehungskörper ist und zusammen mit einem vorzugsweise zu ihm gleichachsigen Ringflügel 24 einen ringförmigen Durchlaß begrenzt, in welchem eine gewisse Zahl von Hohlmänteln 13 angeordnet wird, welche nach hinten divergierende Durchlässe abgrenzen und Wärmeaustauscher und Kondensatoren für die aus den rohrförmigen Elementarteilen R kommenden Moderatorgase bilden.

In dem Ringflügel 24 sind Niederdruckbehälter 18 untergebracht, welche über eine Pumpe entweder einen Hochdruckbehälter i_a oder unmittelbar die Rohre R speisen, wobei die Pumpe 19 zweckmäßig durch eine Windturbine 15 angetrieben wird, deren Flügel in dem Ringraum zwischen dem mittleren Körper 23 und dem Ringflügel 24 liegen.

Die Pumpe 6 für den Umlauf der Moderatorflüssigkeit wird durch eine Turbine 25 angetrieben, welche mit hinter den rohrförmigen Elementarteilen R in der Druckausgleichskammer entnommenen m Gasen betrieben wird, wobei Verteilungsorgane, wie z. B. ein Nadelventil 26 und Ventilanordnungen 27, vorgesehen werden, um die aus den rohrförmigen Elementarteilen kommenden Gase entweder zu den Kondensatoren 13 (Betrieb als reines Staustrahltriebwerk) oder zu der Düse 16 (Betrieb als

reiner Raketenmotor) oder teils zu den Kondensatoren 13 und teils zu der Düse 16 (gemischter Betrieb) leiten.

Die Pumpen 6 und 19 können gegebenenfalls durch eine einzige Pumpe ersetzt werden, welche beim Start durch die Turbine 23 und während des normalen Fluges durch die Windturbine 15 über eine Freilaufkupplung angetrieben wird.

Es ist noch zu bemerken, daß man infolge der Einfachheit einer derartigen Anlage zu einer verhältnismäßig leichten Ausführung kommen kann, welche schließlich für ihren Antrieb nur verhältnismäßig kleine Schubbeiwerte erfordert, bei welcher nur so niedrige Temperaturen auftreten, daß die verschiedenen Teile der Anlage (insbesondere der Kondensator 13 und die Verteiler 26 und 27) sich bei allen Betriebszuständen gut verhalten.

Ferner können in an sich bekannter Weise verschiedene beliebige geeignete Mittel vorgesehen

ao werden,' z. B. eine einstellbare Düse 28, um die Richtung des Trei'bstrahles zur Veränderung der Richtung des Schubes zu verändern.

Schließlich wird das gesamte Triebwerk zweckmäßig so ausgebildet, daß der Schub des Raketenmotors das Gewicht des Luftfahrzeugs in startfähigem Zustand übersteigt.

Es ist noch zu bemerken, daß infolge des für die kritische Masse des Vorrats an spaltbarem Stoff R gewählten Wertes ein schnelles Anlassen der betreffenden Anlage sichergestellt ist, da die gewählte kritische Masse erheblich größer als die der bisher bekannten Kernenergiegeneratoren ist, wobei andererseits infolge des noch erheblichen Unterschieds zwischen dieser kritischen Masse und der schnellen kritischen Masse M_r praktisch jede Explosionsgefahr ausgeschlossen ist.

Ferner kann im Bedarfsfall die erfindungsgemäße Kernenergieanlage durch ein beliebiges geeignetes Mittel zur Vermeidung der in gewissen Anwendungsfällen von radioaktiven Strahlungen herrührenden Gefahren vervollständigt werden, wobei diese Mittel durch Schutzschirme oder Hüllen aus einem die schädlichen Strahlungen absorbierenden Stoff gebildet werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Kernenergieumformer zur Erzeugung von gaskinetischer Energie oder Wärmeenergie unter Verwendung eines· unter Druck strömenden Mediums, das gleichzeitig als Moderator, Kühlmittel und Arbeitsmedium wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß spaltbarer Stoff einen vorzugsweise röhrenförmig ausgebildeten Körper darstellt, der von dem unter konstantem Druck zugeführten flüssigen Medium in der Weise durchströmt wird, daß sich der Betriebszustand, bei dem der Vervie'lfachungsfaktor gleich Eins ist, ohne. Verwendung eines neutronenabsorbierenden Stoffs selbsttätig einstellt und aufrechterhält durch den in dem Kernenergieumformer entstehenden Gegendruck des verdampfenden Mediums.
2. Kernenergieumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Medium schweres Wasser ist.
3. Kernenergieumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Medium natürliches reines Wasser ist.
4. Kernenergieumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Medium ein Kohlenwasserstoff ist.
5. Kernenergieumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Medium ein Gemisch aus Wasser und Alkohol ist.
6. Kernenergieumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spaltbare Stoff die Form wenigstens eines geradlinigen Rohrs (R) hat, welches den Vorrat an spaltbarem Stoff bildet, wobei das strömende Medium aus einem Behälter (1) kommt, welcher über Ventileinrichtungen (2) mit einem Ende des Rohrs verbunden ist.
7. Kernenergieumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 'Spaltbare Stoff eine Mehrzahl von' geradlinigen Rohren bildet, welche nebeneinander so angeordnet sind, daß sie gemeinsame Wände haben (Fig. 2, 3).
8. Kernenergieumformer nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre einen Vieleckquerschnitt haben (Fig. 3).
9. Kernenergieumformer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Ventilklappen (v) an dem Austrittsende des Rohrs zur Steuerung der Strömung des in gasförmigem Zustand aus dem Rohr austretenden strömenden Mediums.
10. Kernenergieumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Türbine (4, Fig. 5) kombiniert ist, deren Einlaß mät dem Auslaßende des Rohrs (R) verbunden ist, während der Auslaß mit einem Ende eines Kondensators (5) verbunden ist, dessen anderes Ende mit dem Vorratsbehälter (1) des strömenden Mediums zur Rückführung des in dem Kondensator kondensierten strömenden Mediums in diesen Behälter verbunden ist.
11. Kernenergieumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Staustrahltriebwerk kombiniert ist, wobei sich der Vorratsbehälter (1, Fig. 6)- vorn befindet und sich das Rohr rückwärts erstreckt und von einem gleichachsigen Mantel umgeben wird, welcher durch eine Vielzahl von zu dem Rohf parallelen, nebeneinanderliegenden Kanälen (13) gebildet wird, deren rückwärtiges Ende mit dem rückwärtigen Ende des Rohres verbunden ist, während ihr Vorderende mit dem Vorratsbehälter verbunden ist, wobei ein iao Luftstrom innerhalb des von diesem Mantel umgebenen Raums strömt.
12. Kernenergieumformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderenden der Kanäle (13) in einen Behälter (i3j) mün¹-den, wobei eine Pumpe (6) die Flüssigkeit von