NO744025L - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til økning av fusjonsenergi.

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.

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

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.

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.

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.

De reaksjoner som synes å være mest fordelaktige for den

foreliggende oppfinnelse kan beskrives med følgende formel:

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.

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.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende

■ under henvisning til den medfølgende tegning som viser skjematisk et apparat for utøvelse av fremgangsmåten.

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.

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.

Med utgangspunkt i denne generelle foranstaltning finnes

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.

Ved valg av absorpsjonsmiddel skal følgende fire punkter

tas i betraktning:

1) Mengde frigjort energi pr. absorbert nøytron,

2) restradioaktiviteten etter bestråling,

3) nøytrontverrsnittet som er en indikasjon på "nøytronstoppe-evnen" og

4) absorpsjonen av stråling i det omgivende 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.

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.

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.

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

Publishers Inc., (1960).

2) S. Glasstone, "Principles of Nuclear Reactor

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.

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.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte til å øke fusjonsenergi, karakterisert ved

a) at det opprettes et fusjonsreaksjonskammer, b) at et kvantum fusjonsbrennstoff innføres i kammeret, c) at brennstoffet bestråles med en pulset laserstråle for å frembringe fusjonsreaksjon, d) at et kjernemateriale som spaltes eksotermt ved oppfang- ing av nøytroner innføres i et område i nærheten av kammeret for å være tilstede under funsjonsreaksjonen, samt e) at■resulterende varme fra fusjonsreaksjonen og spalt-ingen av kjernematerialet ledes bort.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at kjernematerialet innføres i området løst i en væske.

3- Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at væsken innføres i området som findelt tåke.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at kjernematerialet innføres i området som flui-dumbårne, findelte partikler.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at kjernematerialet innføres i området som gass-bårne, findelte partikler..

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at kjernematerialet innføres i området som findelte partikler, bæres i kammeret suspendert av et bevegelig gass-medium under fusjonsreaksjonene.

7. - Fremgangsmåte til å øke fusjonsenergien, karakterisert ved at det i et fusjonsreaksjonsområde innføres en forbindelse av et materiale som omfatter en kjerne av et ele-ment som spaltes eksotermt ved innfanging av nøytroner.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 7>karakterisert ved at forbindelsen innføres i området i form av partikler som bæres av et fluidum.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav Y>karakterisert ved at elementet er bor (10) eller litium (6).

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at varmen føres bort ved å føre et kjølemiddel som inneholder en moderator, om området.

11. Fremgangsmåte til å øke fusjonsenergien, karakterisert ved a) at det anordnes et fusj onsreaksj onskamrner, b) at et kvantum fusjonsbrennstoff innføres i kammeret, c) at brennstoffet bestråles med en pulset laserstråle for å frembringe fusjonsreaksjon, samt d) at ét kjernemateriale som spaltes eksotermt ved innfanging av nøytroner innføres i et område i nærheten av kammeret for å være tilstede under fusjonsreaksjonen ved at det opptas i et fluidum som føres om kammeret.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at en moderator opptas i fluidumet.

13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at moderatoren velges blandt f^ O, væskeformet litium, grafitt-gassdispersjoner, beryllium, berylliumoksyd og metallhydrider.