DE1071857B

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Publication number: DE1071857B
Application number: DENDAT1071857D
Authority: DE
Priority date: 1957-09-26
Publication date: 1900-01-01
Also published as: DE1071859B; GB893962A; US3140981A; BE569311A; FR1183438A; CH352748A

Description

bundesrepublik deutschland

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1071857

anmeldetag:

bekanntmachung der anmeldung und ausgabe der au slege s chri ft:

ausgabe der patentschrift:

DBP 1071857 kl. 21g 21/30

INTERNAT. KL. G 21

22. a u g u s t 1956

24. dezember 1959 7. juli 1960

stimmt Oberein mit auslege sc hri ft

1 071 857 (D 23634 viii c/21 ₈)

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, Elektrizität aus einem Atomkernreaktor direkt zu gewinnen unter Umgehung des Umwegs über die Wärmeerzeugung. Der Weg zur Elektrizitätsgewinnung aus der Kernenergie wird dadurch abgekürzt und der energetische Wirkungsgrad im hohen Maße verbessert.

Bei allen bisher bekannten Atomreaktoren wird die Atomenergie ausnahmslos über die Freisetzung von Wärme nutzbar gemacht. Die frei gewordene Wärme wird von einem Kühlmittel abgeführt. In einem Wärmeaustauscher überträgt dieses Kühlmittel seine Wärme beispielsweise an Wasser und bringt dieses zum Verdampfen. Der gebildete Wasserdampf wird danach über eine Turbine geleitet, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Der Wirkungsgrad solcher über die Freisetzung von Wärme arbeitender Atomenergieanlagen beträgt im günstigsten Fall rund 30%. Bei den meisten gegenwärtig diskutierten Atomkraftwerken liegen die Verhältnisse jedoch noch erheblich ungünstiger.

Der Wärmeerzeugungsprozeß in einem Kernreaktor geschieht in mehreren Schritten. Zuerst findet durch Einfang eines Neutrons in einem spaltbaren Kern eine Kernspaltung statt. Der Kern wird dabei in zwei etwa gleich große Stücke zerlegt, die mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 10⁹cm/sec auseinanderfliegen. Die kinetische Energie dieser Spaltstücke beträgt bei dieser Geschwindigkeit etwa 90MeV. Die Geschwindigkeit der Spaltstücke würde einer Translationstemperatur von 10¹²° C entsprechen. Die Entropie der Spaltstücke bei ihrer anfänglichen Geschwindigkeit ist daher außerordentlich niedrig.

Die Reichweite der Spaltprodukte in. metallischen Schichten ist gemessen worden und beträgt etwa 10~ ³ cm. Auf dieser Wegstrecke geben die Spaltprodukte ihre ganze kinetische Energie an die umliegenden Atome ab. Anschaulich läßt sich dieser Vorgang so auffassen, daß die Spaltprodukte eine hohe Temperatur in der engeren Umgebung ihres Bremsweges erzeugen. Durch Wärmeleitung an die weitere Umgebung nimmt diese lokale Temperaturspitze schnell ab. Schließlich findet der Vorgang sein Endstadium in einer Erwärmung des ganzen Reaktors. Die Entropie des Endstadiums ist um mehr als 9 Zehnerpotenzen größer als zu Beginn des Bremsprozesses. Durch diese Entropieerhöhung wird die Spaltungsenergie entwertet. Der Wirkungsgrad der besten Atomreaktoren ist daher nicht sehr groß.

Es ist am Beispiel der Zerfallsprodukte radioaktiver Strahler bekanntgeworden, daß man den Umweg über die Wärmeerzeugung für die Nutzung frei werdender Energie in solchen Zerfallsprozesseii umgehen kann. Das gilt entsprechend für die bei einer Kernspaltung

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35 Einrichtung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernspaltungsreaktionen

Patentiert für:
Dr. Kurt Diebner, Hamburg-Wandsbek

Dr. Erich Bagge, Hamburg-Wandsbek, und Dr. Friedwart Winterberg, Stuttgart-Frauenkopf, sind als Erfinder genannt worden Ein weiterer Miterfinder hat beantragt, nicht genannt zu werden

frei werdenden Spaltprodukte und soll daran näher erläutert werden:

Ein Spaltprodukt ist bei einer Energie von 90 MeV im Mittel 20fach ionisiert. Zur Beschleunigung eines solchen Spaltprodukts auf diese Energie müßte es 90

eine Spannung von — = 4,5 Millionen Volt durchlaufen.

Umgekehrt sind diese Spaltprodukte in der Lage, eine Spannung von 4,5 Millionen Volt aufzubauen. Die bisher bekanntgewordenen Vorschläge, Kernzerfalls- und Kernspaltungsenergie direkt in Elektrizität zu verwandeln, lassen eine wichtige Erkenntnis, die die wirtschaftliche Nutzung dieser Elektrizität allein ermöglicht, außer acht. Die Reichweite der Spaltprodukte in festen Stoffen beträgt etwa IO^-3 cm. Aus Spaltstoffschichten von IO^-2 cm Dicke kann etwa nur 1 % der Spaltprodukte austreten, d. h., der Wirkungsgrad für die Umwandlung von Spaltenergie in elektrische Energie beträgt höchstens 1 %>.

Erfindungsgemäß sollen deshalb zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernspaltungsreaktionen die Spaltstoffträger aus Folien von etwa IO ^-4Cm Dicke bestehen. Anordnungen mit einer solchen Aufteilung des Spaltstoffes gewährleisten einen hinreichenden Umwandlungsgrad von Kernspaltungsenergie in elektrische Energie.

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer solchen Anordnung. A ist eine Platte aus spaltbarem Material, z. B. Plutonium. B ist eine Auffangplatte aus irgendeinem Metall oder anderen Leiter. Zwischen den Plattend und B besteht Hochvakuum. In der Plattet soll eine

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Kernspaltung stattfinden. Die Pfeileo und a deuten die Flugbahn der Spaltprodukte an. Bei der Spaltung werden etwa die Hälfte der Hüllen-Elektronen des spaltbaren Atoms durch die momentane Beschleunigung der Spaltprodukte auf IO⁹ cm/sec abgestreift. Die abgestreiften Elektronen verbleiben, in der Platte A und laden diese negativ auf. Das positiv geladene Spaltprodukt ο trifft auf die Platte B und lädt diese positiv auf. Der geschilderte Vorgang wiederholt sich mit weiteren Spaltprodukten.

Jedes weitere Spaltprodukt hat dabei das Feld der durch die von Spaltprodukten bereits erfolgte Aufladung der Platte B zu überwinden. Schließlich wird die zwischen A und B herrschende Spannung so groß sein, daß die weiteren Spaltprodukte die Platte B gerade noch erreichen können. Zwischen A und B herrscht dann eine Spannung von 4,5 Millionen Volt unter der Annahme, daß die Mehrzahl der Spaltprodukte beim Austritt aus der Platte A eine Energie von 90 MeV haben und 20fach ionisiert sind.

Da die Spaltprodukte in Metallen eine Reichweite von etwa IO^-3 cm haben, ist dafür zu sorgen, daß die Platte A genügend dünn ist. Anderenfalls würden nur die an der Oberfläche stattfindenden Kernspaltungen zum Aufbau des Spannungsgefälles beitragen.

Eine Dicke der Platte A von IO ^-4Cm dürfte genügen, um praktisch alle Spaltprodukte zum Austritt zu bringen.

Der Energieverlust der Spaltprodukte geht nach einer sogenannten Bragg-Kurve. Auf dem ersten Teil der Abbremswege finden wegen der hohen Geschwindigkeit der Spaltstücke praktisch keine Ionisationen im Bremsmittel und damit Energieverluste an die Umgebung statt. Wenn daher die Platte A dünn genug ist, werden auch Spaltstücke, welche die ganze Platte durchsetzen, noch nicht zu große Energieverluste erlitten haben.

_Ein_ weiterer wesentlicher^ G_edanke_ der.JErfindung_ besteht darin, daß eine genügend große, sich periodisch wiederholende Anordnung von Platten A und B einen überkritischen Kernreaktor ergibt. Der Kernreaktor kann dabei als schneller, thermischer oder intermediärer Reaktor arbeiten. Eine solche überkritische Anordnung ist als Beispiel in Fig. 2 veranschaulicht. Die Platten aus Spaltmaterial werden an eine Sammelschiene angeschlossen, ebenso die Auffangplatten. Zwischen beiden Sammelschienen wird dann durch eine gesteuerte Kettenreaktion eine Spannung von z. B. 4,5 Millionen Volt aufrechterhalten. Die Steuerung des Reaktors kann dabei erfindungsgemäß über die Spannung als Meßwertgeber erfolgen. Da der Neutronenfluß proportional der Stromstärke wird, kann erfindungsgemäß auch eine Reaktorregelung über die Stromstärke durchgeführt werden. Beträgt der Abstand zwischen den Spaltstoffplatten A χ cm und ist d die Dicke der Platten in cm, so berechnet sich für einen schnellen Plutoniumreaktor einer beispielsweise kugelförmigen Anordnung des ganzen Reaktors der kritische Radius nach, der Diffusionstheorie zu

R = 8,8 · 4- (cm).
a

Dieser Wert gibt aber auch die Größenanordnungen von anderen geometrischen Anordnungen wie Zylinder und Kubus richtig wieder. Bei einem Abstand von χ = 1 cm und einer Plattendicke von d = IO^-4 cm erhält man einen kritischen Radius von IO ⁵Cm. Dieser kritische Radius kann aber durch einen Neutronenreflektor ganz erheblich gesenkt werden. Das sogenannte Reflektor-Savingi^gibt an, um wieviel der kritische Radius durch Anwendung eines Reflektors vermindert werden kann. Bei einem großen Reaktor und einem großen Reflektor ist dies Reflektor-Saving durch den Ausdruck

S =

D₁ D_r

gegeben. D_c und D_r sind die Diffusionskoeffizienten im Reaktor und Reflektor, L_r die Diffusionslänge im Reflektor. Die Berechnung in Frage kommender Reflektoren zeigt, daß der kritische Radius des geschilderten Reaktors auf technisch beherrschbare Größenverhältnisse herabgedrückt werden kann. Günstiger in bezug auf den kritischen Radius stellt sich ein thermischer Reaktor. Zu diesem Zweck werden nach Beispiel Fig. 3 erfindungsgemäß die Platten B oder auch A oder beide von Röhren R durchsetzt bzw. sind jeweils mit Röhren verbunden. Die Röhren werden mit einer Moderatorflüssigkeit, z. B. H₂O, angefüllt oder von ihr durchflossen. Aber auch die Anwendung von Graphit oder Beryllium als Moderator ist denkbar. Im letzteren Fall ist daran zu denken, die Platten B ganz oder zum Teil aus diesen Stoffen herzustellen. Schon eine geringe Menge von Moderator kann die Verhältnisse grundlegend ändern. Die Neutronenenergien liegen dann im intermediären Bereich. Da mit einer zusätzlichen Erwärmung des ganzen Reaktors zu rechnen ist, kann durch Umpumpen der Moderatorflüssigkeit diese Wärme durch die Röhren abgeführt werden. Haben wir z. B. reines Plutonium und leichtes Wasser im Volumenverhältnis 1 : 10 des ganzen Reaktors, so beträgt der kritische Radius ohne Reflektor etwa 2 rn. Die hohe zwischen den Platten A und B herrschende Spannung hat zur Folge, daß sich zwischen A und B eine Gasentladung ausbilden wird. Zur Herabsetzung dieser Gasentladung muß der zwischen A und B liegejnde_ Raum, etwa auf ein möglichst hohes Vakuum gebracht werden. Bei einem höchsten Vakuum kann dann zwischen A und B nur noch eine Entladung durch Feldemissionstattfinden. In Fig. 4 ist der Feldemissionsstrom als Funktion der Feldstärke aufgetragen. Man entnimmt dieser Figur, daß selbst bei einem Abstand von 2 mm zwischen A und B und damit einer Feldstärke zwischen A und B von 22 Millionen Volt/cm noch kein nennenswerter Strom auftreten kann. An Kanten und Spitzen hingegen sind erheblich größere Feldstärken zu erwarten, die zu Entladungen Anlaß geben können. Außerdem können durch geringe Gasreste Kathoden-Strahlentladungen von A nach B ausgelöst werden. Beim Gegenstand der Erfindung lassen sich diese Entladungen durch Auftragung dünnster Nichtleiterschichten herabdrücken. Auch an die Möglichkeit, zwischen die Platten A und B eine solche nichtleitende Schicht zu bringen, wäre zu denken. In Fig. 5 wird an einem Beispiel die Wirkungsweise eines solchen Isolators erläutert. Auf der nach B zugekehrten Seite des Isolators / werden alle Oberflächenelektronen so lange abgesaugt, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Die B zugewandte Oberfläche lädt sich dabei positiv auf. Auf der A zugekehrten Seite passiert das Umgekehrte. Eine starke negative Aufladung wird eintreten. Diese starke negative Ladungsschicht wird dann dem Austritt von Ladungsträgern aus A entgegenwirken, womit der gewünschte Zweck erreicht ist.

Es ist darauf zu achten, die Isolationsschicht möglichst dünn zu halten, um eine zu starke Abbremsung der Spaltstücke im Isolator zu verhindern.

Claims

1 Weiter ist wesentlich, daß ein solcher Kernreaktor auch zum Konvertieren und Brüten geeignet. ist. Zu diesem Zweck können z. B. die Platten B ganz oder teilweise aus Brutmaterial, wie Uran 238 oder Thorium bestehen. Auch die Brennstoffolien können aus Legierungen von Spaltstoff und Brütmaterial hergestellt sein. Schließlich kann der Reflektor ebenfalls aus Brütmaterial bestehen. Man kann auch von der Plattenförm der Spaltstoffelemente und Auffangplatten ganz abgehen und zu anderen geometrischen Formen greifen. Ineinandergestellte Zylinder, Drähte usw. wären z. B. für die Anordnung von Spaltstoff- und Auffangvorrichtung ebenfalls denkbar. Um die Schwierigkeit dünner Folien zu umgehen, ist daran zu denken, beispielsweise dünne Spaltstoffschichten a auf eine viel dickere Trägerplatte b aufzutragen (Fig. 6). In diesem Fall geht aber die Hälfte der Spaltprodukte in die Trägerplatte und führt zu deren Erwärmung. Durch Rohre R läßt sich hierbei die entstehende Wärme abführen. Diese Anordnung gestattet, wenigstens einen hohen Prozentsatz der Kernspaltungsenergie in Strom zu verwandeln. Der Rest kann über den Umweg der Wärmeerzeugung in der üblichen Weise hutzbar gemacht werden. Wird diese abgeführte Wärme zu 20% in elektrische Energie verwandelt, so hat die gesamte Anlage einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als bisher bekannte Anlagen, die über den Umweg der Wärmeerzeugung Strom liefern. Die Spaltstoffolien werden zweckmäßig in einem Gitterwerk von Drähten oder Schienen 5" aus Metall oder Kunststoffen ausgespannt (Fig. 7). Es ist auch möglich, den geschilderten Reaktor mit einem wärmeerzeugenden Reaktor zu kombinieren. Zu diesem Zweck wird beispielsweise in das Zentrum des Reaktors ein herkömmlicher, durch Wärmeabfuhr gekennzeichneter Reaktor gebracht. Die kombinierte 857 Anordnung soll dann überkritische Eigenschaften haben. Als wichtige Anwendung des geschilderten Reaktors sei seine Verwendung für Lichtbogenheizung in Düsenstrahltriebwerken genannt. Patentansprüche:

1. Einrichtung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernspaltungsreaktionen, bei der zwischen dünnen Spaltstoffträgern und Auffängern durch die kinetische Energie der ionisierten Spaltprodukte ein elektrisches Feld aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffträger aus Folien von etwa IO^-4 cm Dicke bestehen.

2. Einrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spaltstoff und Auffangelement dünne Nichtleiterschichten angebracht bzw. aufgetragen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Zweistufenreaktor in der Art ausgebildet ist, daß sich im Zentrum oder über den ganzen Reaktor verteilt ein herkömmlicher Reaktor mit Kühlung befindet und der übrige Teil aus einer Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 besteht, wobei die Forderung der Kritikalität lediglich an die kombinierte Anordnung zu stellen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung höherer Spannungen Reaktorelemente oder Reaktoren ganz oder teilweise hintereinandergeschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 552 050, 2 661 431,
867;

»Elektrotechnische Zeitung-A«, 1954, S.711.

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