NO744025L

NO744025L -

Info

Publication number: NO744025L
Application number: NO744025A
Authority: NO
Inventors: H J Gomberg; R J Teitel
Original assignee: Kms Fusion Inc
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1975-06-02
Also published as: NL7413914A; ZA746492B; DK142338C; CA1024270A; FR2251077B1; IL45831A0; SE399606B; FR2251077A1; DK583574A; BR7408811A; CH587537A5; AU7431074A; IT1025549B; DE2451605A1; JPS5078794A; ES431774A1; BE821666A; IL45831A; GB1493358A; DK142338B

Description

Fremgangsmåte til økning av fusjonsenergi.Method for increasing fusion energy.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører fusjonsreaksjonsenergi, nærmere bestemt å øke fusjonsenergien ved nærvær av en kjerne som ved absorpsjon av et nøytron vil spaltes under frigjøring av energi. The present invention relates to fusion reaction energy, more specifically to increasing the fusion energy in the presence of a nucleus which, upon absorption of a neutron, will split while releasing energy.

Omfattende arbeid utføres for tiden vedrørende tenning og brenning av fusjonsbrennstoff, for eksempel deuterium-triterium i pelletform. En av flere fremgangsmåter til å gripe an dette problem omfatter anvendelse av laser som energikilde og spesielle Extensive work is currently being carried out regarding the ignition and burning of fusion fuel, for example deuterium-tritrium in pellet form. One of several methods to tackle this problem involves the use of lasers as an energy source and special

pelletformer for å frembringe tenning og brenning i et reaksjonskammer. I følgende patentskrifter beskrives det apparater som kan anvendes i denne type systemer: US-patentskrifter 3-378.446, 3.489-645 og 3-762.992. pellet molds to produce ignition and burning in a reaction chamber. The following patents describe devices that can be used in this type of system: US patents 3-378,446, 3,489-645 and 3-762,992.

Det er blitt foreslått å anvende bor ifølge en fremgangsmåte og et apparat for spalting, av E^ O i hydrogen og oksygen ved hjelp av nøytronbestråling. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen avviker ved at den er innrettet til å utføres i fusjonsreaksjonskammeret slik at produktet som anvendes ifølge fremgangsmåten blottlegges direkte for strålingen fra fusjonsreaksjonen. It has been proposed to use boron according to a method and an apparatus for splitting E^O into hydrogen and oxygen by means of neutron irradiation. The method according to the invention differs in that it is designed to be carried out in the fusion reaction chamber so that the product used according to the method is directly exposed to the radiation from the fusion reaction.

En fusjonsreaktor består generelt av to hoveddeler. Den ene hoveddel er et sentralt reaksjonskammer hvor kjernefusjonsbrenn-stoff (hydrogenisotoper eller andre isotoper som kan gjennomgå fusjon) bringes til å smelte sammen. Et eksempel er deuterium og tritium for fremstilling av helium og nøytroner. De fremstilte nøy-troner har høy energi og forlater reaksjonskammeret og kan anvendes for nøytronreaksjoner i.et omsluttende kammer som utgjør den annen hoveddel og danner en ring mellom fusjonskammeret og ytterveggen. Oppfinnelsen er forbundet med anvendelse av nøytroner som .etter en fusjonsforbrenning eller -reaksjon kan trenge gjennom kammerveggen innenfor rekkevidden for 14 MV nøytroner som opp-rinnelig stammer fra deuterium-tritiumreaksjonene. Disse nøytroner er meget vanskelig å fange inn, og dersom deres energi kan anvendes fordelaktig i en radiolysereaksjon kan det oppnås klare fordeler. A fusion reactor generally consists of two main parts. One main part is a central reaction chamber where nuclear fusion fuel (hydrogen isotopes or other isotopes that can undergo fusion) is brought to fuse together. An example is deuterium and tritium for the production of helium and neutrons. The produced neutrons have high energy and leave the reaction chamber and can be used for neutron reactions in an enclosing chamber which forms the second main part and forms a ring between the fusion chamber and the outer wall. The invention is connected with the use of neutrons which, after a fusion combustion or reaction, can penetrate the chamber wall within the range of 14 MV neutrons which originally originate from the deuterium-tritium reactions. These neutrons are very difficult to capture, and if their energy can be used advantageously in a radiolysis reaction, clear advantages can be achieved.

De reaksjoner som synes å være mest fordelaktige for den The reactions that seem to be most beneficial to it

foreliggende oppfinnelse kan beskrives med følgende formel:the present invention can be described with the following formula:

Ifølge den første reaksjon reagerer B^ ®, som forekommer i naturlig bor, med en nøytron og avgir den ovenfor angitte energi i form av cx -stråling og et Li-7 rekylprodukt. Ifølge den annen reaksjon reagerer Li^, som forekommer i naturlig litium, med en nøytron hvorvedr)det frigjøres .4,8 MV energi i form av tritium og et He-4 rekylprodukt. Li som anvendes i den sistnevnte reaksjon kan anvendes enten separert eller anriket eller slik det forekommer i naturlig litium. According to the first reaction, B^ ® , which occurs in natural boron, reacts with a neutron and emits the above-mentioned energy in the form of cx radiation and a Li-7 recoil product. According to the second reaction, Li^, which occurs in natural lithium, reacts with a neutron whereby .4.8 MV of energy is released in the form of tritium and a He-4 recoil product. Li used in the latter reaction can be used either separated or enriched or as it occurs in natural lithium.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe et apparat og en fremgangsmåte for å utnytte nøytronene fra en fusjonsreaksjon for å øke energien ved å la dem møte valgte kjerner.- Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe et system som i stor utstrekning øker energiutbyttet ved å bringe nøytroner i kontakt med kjerner som spaltes eksotermt ' :- ved innfanging av nøytroner. The purpose of the invention is to produce an apparatus and a method for utilizing the neutrons from a fusion reaction to increase the energy by allowing them to meet selected nuclei. - Another purpose of the invention is to produce a system which to a large extent increases the energy yield by bringing neutrons in contact with nuclei that split exothermically ' :- by capture of neutrons.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende The invention will be described in more detail below

■ under henvisning til den medfølgende tegning som viser skjematisk et apparat for utøvelse av fremgangsmåten. ■ with reference to the accompanying drawing which schematically shows an apparatus for carrying out the method.

Det skulle være klart at ifølge oppfinnelsen minskes den induserte radioaktivitet fra fusjonsreaksjonen ved at nøytronene absorberes i et .medium såsom bor eller litium, idet disse reak-sjonsdeltagere reagerer eksotermt under dannelse av varme, men ikke produserer noe radioaktivt avfall. Således nedsettes den re-sulterende radioaktivitet, det omsluttende apparat løper mindre risiko for å ø.delegges, og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er i sin helhet lettvint å hanskes med. It should be clear that according to the invention the induced radioactivity from the fusion reaction is reduced by the neutrons being absorbed in a medium such as boron or lithium, as these reaction participants react exothermically with the generation of heat, but do not produce any radioactive waste. Thus, the resulting radioactivity is reduced, the enclosing device runs less risk of being destroyed, and the method according to the invention is in its entirety easy to handle.

I tegningen .vises det en laserdrevet fusjonsreaktor hvor en laserkilde 10 retter pulser mot en pellet 12 i sentrum av et reaksjonskammer 14 som omsluttes av en vegg 16. Det finnes en pellet-. kilde 18 for tilførsel av fusjonsbrennstoff på egnet måte. Veggen omsluttes av et andre kammer 20 som er dannet av en yttervegg 22 av metall, såsom titan eller et annet høyvarmebestandig materiale. Det er i dette kammer brennstoffet for dannelse av ytterligere energi plasseres. The drawing shows a laser-driven fusion reactor where a laser source 10 directs pulses at a pellet 12 in the center of a reaction chamber 14 which is enclosed by a wall 16. There is a pellet-. source 18 for supplying fusion fuel in a suitable manner. The wall is enclosed by a second chamber 20 which is formed by an outer wall 22 of metal, such as titanium or another high heat-resistant material. It is in this chamber that the fuel for the formation of additional energy is placed.

Med utgangspunkt i denne generelle foranstaltning finnesBased on this general measure is found

det flere muligheter til å føre inn materialet som inneholder bor og litium. To ingredienser er nødvendig for utøvelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Den første er rene bor- og litiuminneholdende forbindelser eller metallegeringer. Den andre er et varme-transportmedium som har som oppgave å lede bort varmeenergien som dannes under kjernereaksjonen. Et tredje materiale som kan være ønskelig består av.en nøytronmoderator for å minske energien av nøytronstrømmen og derved bedre virkningsgraden for nøytronreak-sjonen i aggregatet. there are more opportunities to introduce the material containing boron and lithium. Two ingredients are necessary for carrying out the method according to the invention. The first is pure boron- and lithium-containing compounds or metal alloys. The other is a heat transport medium whose task is to conduct away the heat energy generated during the nuclear reaction. A third material that may be desirable consists of a neutron moderator to reduce the energy of the neutron flow and thereby improve the efficiency of the neutron reaction in the aggregate.

Ved valg av absorpsjonsmiddel skal følgende fire punkterWhen choosing an absorbent, the following four points must be considered

tas i betraktning:taken into account:

1) Mengde frigjort energi pr. absorbert nøytron,1) Amount of released energy per absorbed neutron,

2) restradioaktiviteten etter bestråling,2) the residual radioactivity after irradiation,

3) nøytrontverrsnittet som er en indikasjon på "nøytronstoppe-evnen" og 3) the neutron cross section which is an indication of the "neutron stopping ability" and

4) absorpsjonen av stråling i det omgivende medium.4) the absorption of radiation in the surrounding medium.

Når et nøytron absorberes i en isotop, avgir produktisotopene energi av forskjellig type (^--stråling, -stråling,^-stråling, nøytroner osv.). Med tiden absorberes stråleenergien i mediet og omdannes til varmeenergi. Det første punkt ovenfor berører virkningsgraden for denne energiomvandling.Det andre punkt ovenfor berører energioverføringshastigheten som bestemmes av den karak-teristiske halveringstid for produktene. Dersom denne er lang kan strålingen skape et problem når det gjelder strålingssikkerheten. Det tredje punkt ovenfor berører reaksjonens nøytrontverrsnitt. Dette bestemmer massen eller tykkelsen av nødvendig materiale og derfor forsvakningen av energiutslippet. Det fjerde punkt ovenfor har med mengden av absorberende medium som er nødvendig for å absorbere produktisotopstrålingen å gjøre. For eksempel ville g-stråling med høy energi kreve en større masse for å absorbere stråleenergien. Følgelig ville energitettheten være lav. When a neutron is absorbed into an isotope, the product isotopes emit energy of various types (^--radiation, -radiation, ^-radiation, neutrons, etc.). Over time, the radiant energy is absorbed in the medium and converted into heat energy. The first point above concerns the efficiency of this energy conversion. The second point above concerns the rate of energy transfer which is determined by the characteristic half-life of the products. If this is long, the radiation can create a problem when it comes to radiation safety. The third point above concerns the neutron cross section of the reaction. This determines the mass or thickness of the required material and therefore the attenuation of the energy release. The fourth point above has to do with the amount of absorbing medium required to absorb the product isotope radiation. For example, high-energy g-radiation would require a greater mass to absorb the radiation energy. Consequently, the energy density would be low.

Den foretrukne isotop for oppfinnelsen bør -ha en høy energi-tilbakelevering pr. absorbert nøytron, ikke bevirke gjennomtreng-ende stråling.med lang halveringstid og ha et høyt nukleaært tverrsnitt. Bor og litium oppfyller på en utmerket måte disse ønsker. Andre materialer som anvendes i det ringformete rom mellom reaksjonskammeret 20 og ytterveggen 22 er en nøytronmoderator som bremser nøytronene for effektiv reaksjon med bor og litium, videre et kjølemiddel som ikke fanger nøytroner parasittisk, men har'høy temperaturbestandighet og er forenelig med konstruksjonsmaterial-ene.Boren og litiumet kan også fordeles i et fast materiale, grafitt eller keramisk matriksmateriale for å bevirke en jevn varme-utvinning. Matriksmaterialene må også ha et lite tverrsnitt for nøytroner for å unngå konkurranse med nøytronhovedreaksjonen. Fore-slåtte materialer for ulike anvendelser er angitt i tabell I. The preferred isotope for the invention should - have a high energy return per absorbed neutron, do not cause penetrating radiation. with a long half-life and have a high nuclear cross-section. Boron and lithium fulfill these wishes in an excellent way. Other materials used in the annular space between the reaction chamber 20 and the outer wall 22 are a neutron moderator that slows down the neutrons for effective reaction with boron and lithium, and a coolant that does not trap neutrons parasitically, but has high temperature resistance and is compatible with the construction materials. The boron and lithium can also be distributed in a solid material, graphite or ceramic matrix material to effect a uniform heat extraction. The matrix materials must also have a small cross-section for neutrons to avoid competition with the main neutron reaction. Suggested materials for various applications are listed in Table I.

Disse tilsetningsstoffer som dissosierer eksotermt kan inn-føres på mange forskjellige måter. Faste konstruksjoner kan bygges for å holde fast bor- eller litiuminneholdende staver eller plater. Forholdsregler for periodisk bortføring må tas for å erstatte strå-leskadede og utarmete brennstoffelementer. Dette kan gjøres ved å anordne en frigjørbar veggseksjon i veggen 22. En del av konstruksjonen kan omfatte en nøytronmoderator for effektiv bestråling. These additives which dissociate exothermically can be introduced in many different ways. Fixed structures can be built to hold boron or lithium containing rods or plates. Precautions for periodic removal must be taken to replace radiation-damaged and depleted fuel elements. This can be done by arranging a releasable wall section in the wall 22. Part of the construction can include a neutron moderator for efficient irradiation.

Et vilkårlig kjent kjølemiddel kan sirkuleres gjennom konstruksjonen for å transportere varmeenergi for anvendelse utenfor (for eksempel i en dampgenerator, for et elektrisk turbinanlegg i en kjemisk prosess eller annet). Konstruksjonen kan forenkles ved å føre brennstoffet inn i fluidumform (vannløsning, smeltet salt, flytende metall, gassdispersjon, fluidisert lag av fast stoff og sfæriske kuler). Disse former muliggjør kontinuerlig eller inter-mitterende utveksling av brennstoff uten å stoppe reaktordriften og forenkler brennstoffhåndteringen. En ytterligere forenkling er å kombinere moderatoren og'kjølemidlet til et fluidum. Eksempler på dette er vannkjølemiddel, væskeformet litium og grafitt-gassdispersjoner. Enda en forenkling ville det være å kombinere alle tre funksjoner til ett fluidum, nemlig et varmeutvekslingsfluidum som bringer med for eksempel bor og også en moderator og får sir-kulere i det ringformete rom. Varmeenergibo.rtføringen og erstat-ningen av brennstoffet tilhører kretsen utenfor reaktoren. Følg-ende publiserte kilder er relevante på dette teknologiområde: 1) CR. Tipton, Jr. "Reactor Handbook", Intersciehce Any known refrigerant may be circulated through the structure to transport heat energy for outside use (eg, in a steam generator, for an electric turbine plant in a chemical process, or otherwise). The construction can be simplified by feeding the fuel into fluid form (water solution, molten salt, liquid metal, gas dispersion, fluidized layer of solid material and spherical balls). These forms enable continuous or intermittent exchange of fuel without stopping reactor operation and simplify fuel handling. A further simplification is to combine the moderator and the refrigerant into a fluid. Examples of this are water coolant, liquid lithium and graphite gas dispersions. A further simplification would be to combine all three functions into one fluid, namely a heat exchange fluid which brings with it, for example, boron and also a moderator and is allowed to circulate in the annular space. The removal of heat energy and the replacement of the fuel belong to the circuit outside the reactor. The following published sources are relevant in this area of technology: 1) CR. Tipton, Jr. "Reactor Handbook", Intersciehce

Publishers Inc., (1960).Publishers Inc., (1960).

2) S. Glasstone, "Principles of Nuclear Reactor 2) S. Glasstone, "Principles of Nuclear Reactors

Engineering", D. Van Nostrand Co., Inc., (1955)-Engineering", D. Van Nostrand Co., Inc., (1955)-

Det ringformete kammer 20 er utstyrt med åpninger 24, 26 og 30 som danner innløp eller utløp og har egnete lukkeanordninger. The annular chamber 20 is equipped with openings 24, 26 and 30 which form inlets or outlets and have suitable closing devices.

For eksempel kan vanndamp eller -tåke med oppløst bor føres innad gjennom åpningene 24 og 26 før brenning, mens et utløp 30 sørger for korrekt strømning. Dersom det er ønskelig kan et fluidum som bærer partikkelformet bor eller litium føres inn under trykk gjennom en av åpningene. En fluidisert mengde partikler kan føres inn ved 30 for å bibeholde ønsket kvantum av for eksempel bor i kammeret 20 som omslutter reaksjonskammeret. Det er mange fordeler forbundet med anvendelsen av en fusjonsreaktor som kilde for nøytroner for å bestråle bor eller' litium. Enheten kan drives kontinuerlig med en ikke-destruktiv reaksjon, og tilsetningsstoffer kan tilføres kontinuerlig dersom dette er ønskelig, for å oppnå høyest mulig energiutbytte. Det oppnås et høyt nøytronutbytte pr. energienhet, og innføringen av et materiale såsom bor vil ikke forstyrre reaktordriften. Som fremholdt er det ikke forbundet noen fisjonsproduktradioaktivitet med systemet, og håndtering av til-setningsstoffene er relativt enkelt. For example, water vapor or mist with dissolved boron can be fed in through the openings 24 and 26 before burning, while an outlet 30 ensures correct flow. If desired, a fluid carrying particulate boron or lithium can be introduced under pressure through one of the openings. A fluidized quantity of particles can be introduced at 30 to maintain the desired quantity of, for example, boron in the chamber 20 which encloses the reaction chamber. There are many advantages associated with the use of a fusion reactor as a source of neutrons to irradiate boron or lithium. The unit can be operated continuously with a non-destructive reaction, and additives can be added continuously if this is desired, in order to achieve the highest possible energy yield. A high neutron yield per energy unit, and the introduction of a material such as boron will not interfere with reactor operation. As stated, no fission product radioactivity is associated with the system, and handling of the additives is relatively simple.

Claims

1. Method for increasing fusion energy, characterized by

a) that a fusion reaction chamber is created, b) that a quantity of fusion fuel is introduced into the chamber, c) that the fuel is irradiated with a pulsed laser beam to produce a fusion reaction, d) that a nuclear material that splits exothermically when neutrons are captured is introduced into an area near the chamber to be present during the functional reaction, and e) that ■resulting heat from the fusion reaction and the fission of the core material is led away.

2. Method in accordance with claim 1, characterized in that the core material is introduced into the area dissolved in a liquid.

3- Method in accordance with claim 2, characterized in that the liquid is introduced into the area as finely divided mist.

4. Method in accordance with claim 1, characterized in that the core material is introduced into the area as fluid-borne, finely divided particles.

5. Method in accordance with claim 1, characterized in that the core material is introduced into the area as gas-borne, finely divided particles.

6. Method in accordance with claim 1, characterized in that the core material is introduced into the area as finely divided particles, carried in the chamber suspended by a moving gas medium during the fusion reactions.

7. - Method for increasing the fusion energy, characterized in that a compound of a material is introduced into a fusion reaction area which comprises a nucleus of an element which splits exothermically upon capture of neutrons.

8. Method in accordance with claim 7> characterized in that the compound is introduced into the area in the form of particles carried by a fluid.

9. Method in accordance with claim Y> characterized in that the element is boron (10) or lithium (6).

10. Method in accordance with claim 1, characterized in that the heat is carried away by passing a coolant containing a moderator around the area.

11. Method for increasing the fusion energy, characterized by a) that a merger reaction chamber is arranged, b) that a quantity of fusion fuel is introduced into the chamber, c) that the fuel is irradiated with a pulsed laser beam to produce a fusion reaction, as well as d) that one nuclear material which splits exothermically by capturing neutrons is introduced into an area near the chamber to be present during the fusion reaction by being taken up in a fluid which is passed around the chamber.

12. Method in accordance with claim 11, characterized in that a moderator is taken up in the fluid.

13. Method in accordance with claim 11, characterized in that the moderator is selected from f^O, liquid lithium, graphite-gas dispersions, beryllium, beryllium oxide and metal hydrides.