DE1107842B

DE1107842B - Verfahren zur gerichteten Einfuehrung eines Kernbrennstoffes in eine Anlage zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Plasmas und Vorrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1107842B
Application number: DEB53126A
Authority: DE
Inventors: Dr E W Becker
Original assignee: E W BECKER DR
Current assignee: E W BECKER DR
Priority date: 1959-05-05
Filing date: 1959-05-05
Publication date: 1961-05-31

Description

Verfahren zur -gerichteten Einführung eines Kernbrennstoffes in eine Anlage zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Plasmas und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gerichteten Einführung eines Kernbrennstoffes aus der Gruppe der Wasserstoff- und Helium-Isotope in den evakuierten Reaktionsräumen einer Anlage zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Plasmas.
Es ist bekannt, daß der thermodynamische Wirkungsgrad einer nuklearen Fusionsreaktion zwischen Stoffen aus der Gruppe der Wasserstoff- und Helium-Isotope erheblich gesteigert und die Aussicht auf eine selbständig ablaufende Fusionsreaktion mit positiver Energiebilanz verbessert werden könnte, wenn es gelänge, den Kernbrennstoff in ausreichender Menge so in den hochevakuierten Reaktionsraum einzuführen, daß nur der für das Plasma vorgesehene Raumteil mit Kernbrennstoff gefüllt wird, während die Umgebung weitgehend materiefrei bleibt.
Es wurde schon in Erwägung gezogen, den Kernbrennstoff als gerichteten Gasstrahl in den evakuierten Reaktionsraum einzuführen. Da sich in einem im Vakuum laufenden Gasstrahl jedoch über größere Strecken nur die von der Molekularstrahltechnik her bekannten Teilchendichten von maximal 1012 bis 1013 Teilchen pro Kubikzentimeter aufrechterhalten lassen, würde durch eine solche Maßnahme die Leistungsdichte der Anordnung stark reduziert werden.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, eine nukleare Verbrennung von Wasserstoff mit Stickstoff oder anderen eine nukleare Reaktion angeblich aktivierenden Stoffen in einem Strahl durchzuführen, der einen Teil des Kernbrennstoffes in kondensierter Form enthält. Hier wurde jedoch davon ausgegangen, daß der Wasserstoff in Form von Wasser verwendet wird und daß der Druck in der gesamten Anordnung in der Nähe vom Atmosphärendruck und darüber liegt. Aus der fraglichen Veröffentlichung lassen sich jedoch keine Anhaltspunkte darüber gewinnen, wie bei den heute für nukleare Fusionsreaktionen allein für aussichtsreich betrachteten, unter Normalbedingungen gasförmigen Stoffen aus der Gruppe der Wasserstoff- und Helium-Isotope eine gerichtete Einführung in den notwendigerweise hochevakuierten Reaktionsraum möglich ist.
Es wurde nun gefunden, daß sich die oben beschriebene Aufgabe lösen läßt, wenn gemäß der Erfindung der Kernbrennstoff auf Temperaturen von -1800 C und darunter, vorzugsweise auf Temperaturen unter -250° C, gebracht und mit diesen Temperaturen in den evakuierten Reaktionsraum eingeführt wird.
Es hat sich gezeigt, daß die kondensierten Anteile des Kernbrennstoffstrahles in dem evakuierten Reaktionsraum nur sehr langsam verdampfen. Dadurch läßt sich überraschenderweise die für die angestrebte große Leistungsdichte erforderliche relativ hohe Teilchendichte des Kernbrennstoffstrahles über genügend lange Strecken in dem evakuierten Reaktionsraum aufrechterhalten.
Bei Anwendung von Temperaturen, die im oberen Bereich des angegebenen Temperaturintervalls liegen, tritt die Kondensation des Kernbrennstoffes erst während der Expansion in den evakuierten Reaktionsraum ein. Die Kondensation wird erheblich gefördert, wenn der Kernbrennstoff durch Düsen in den Reaktionsraum expandiert wird. Als Düsen für die Erzeugung des Strahles aus kondensiertem Kernbrennstoff haben sich sowohl konvergente als auch sogenannte Lavaldüsen bewährt. Der Düsenquerschnitt kann dabei, je nach der gewünschten Strahlgeometrie, die verschiedensten Formen haben; er kann z. B. rund, schlitzförmig oder ringförmig sein. Es ist auch möglich, mehrere parallel geschaltete Düsen gemeinsam für die Erzeugung des Strahles aus kondensiertem Kernbrennstoff einzusetzen.
Die in den Zuleitungen zu den Düsen anzuwendenden Gasdrücke hängen von den angewendeten Düsentemperaturen und von der gewünschten Strahlintensität ab. Sie können um so niedriger sein, je tiefer die Düsentemperatur gewählt wurde. Bei Temperaturen unter -250° C liegen die anzuwendenden Drücke im Bereich von einer Atmosphäre und darunter.
Es wurde gefunden, daß die für die Aufrechterhaltung der hohen Teilchendichte maßgeblichen kondensierten Anteile hauptsächlich im Kernteil des Strahles vorhanden sind, während der Mantelteil bevorzugt aus gasförmigem Kernbrennstoff besteht. Da der gasförmige Anteil schnell -aus -dem Strahl ausscheidet und daher der Reaktionszone nicht in gerichteter Form zugeführt werden känn, ist es zweckmäßig, den Mantelteil des Strahles abzuschälen und durch Absaugen zu entfernen. Da der Strahl mit den zum Abschälen und Absaugen des'@Maritelteils dienenden Mitteln im Wärmekontakt steht, läßt-sich die Wirksamkeit des Verfahrens - erheblich- verbessern, wenn diese Mittel, mindestens-in der- Umgebung der Düsenöffnungen, auf einer Temperatur von n50° C und darunter gehalten werden: Zum Abschälen des Mantelstrahles verwendet man zweckmäßig eine oder mehrere in Strahlrichtung hintereinanderliegende Blenden, die zur Vermeidung von störenden Verdichtungsstößen und zur Verbesserung der Abpumpverhältnisse bei runden Düsen kegelartig und bei schlitzförmigen Düsen dachartig ausgebildet sind. Die Öffnungen für den Durchtritt des Kernstrahles liegen dabei in der der Düsenöffnung zugekehrten Kegelspitze bzw. in dem der Düsenöffnung zugekehrten Dachfirst.
Die Leitungen zum Absaugen des abgeschälten Mantelgases werden zweckmäßig konzentrisch um das Zuleitungsrohr für den Kernbrennstoff angeordnet, wodurch sich ein besonders kompendiöser Aufbau der gesamten Vorrichtung ergibt und die Kälteverluste besonders klein werden.
Die Kühlung der einzelnen Leitungen, Düsen und Blenden kann mit aufgebrachten Kühlmänteln oder Kühlschlangen unter Verwendung flüssiger oder gasförmiger Kühlmittel erfolgen. Dabei läßt sich der Kühlmittelbedarf wesentlich reduzieren, wenn der Kernbrennstoff vor dem Eintritt in die gekühlte Düse in einem Gegenstromer zumindest durch einen Teil des aus den Kühlmanteln zurückströmenden Kühlmittels vorgekühlt wird.
Das Verfahren der Erfindung soll an Hand der schematischen Abbildung näher erläutert werden. In der Abbildung bedeutet 11 die Eintrittsstelle des Kernbrennstoffes, 12 die Spirale des Gegenstromers zum Vorkühlen des Kernbrennstoffes, 13 den Mantel des Gegenstromers, 14 die Düse, 15 den Kühlmantel für die Düse und den unteren Teil des Düsenzuleitungsrohres, 16 das als flüssig angenommene Düsenkühlmittel, 17 die thermisch isolierte Zuleitung des Düsenkühlmittels, 18 die Austrittsöffnung für das verdampfte Düsenkühlmittel, 19 die erste Blende zum Abschälen des Mantelgases, 110 die erste Leitung zum Absaugen des Mantelgases, 111 den Kühlmantel für die erste Absaugleitung, 112 das als flüssig angenommene Kühlmittel für die erste Absaugleitung, 113 die thermisch isolierte Zuleitung für das Kühlmittel der ersten Absaugleitung, 114 die Austrittsöffnung für das verdampfte Kühlmittel der ersten Absaugleitung, 115 die zweite Blende zum Abschälen des Mantelgases, 116 die zweite Leitung zum Absaugen des Mantelgases, 117 den Strahl aus kondensiertem Kernbrennstoff.
Durch die erfindungsgemäß mögliche starke räumliche Konzentrierung des Kernbrennstoffes lassen sich ganz allgemein bei Anordnungen zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Plasmas die sehr erheblichen Energieverluste durch direkten oder indirekten Kontakt zwischen dem Plasma und der umgebenden Wand wesentlich einschränken. Darüber hinaus könneu bei Kernfusionsanordnungen, die auf eine direkte Umwandlung der Kernenergie in elektrischen Strom abzielen, die Aussichten auf einen hohen thermodynamischen -Wirkungsgrad und damit eine positive Energiebilanz verbessert werden, was folgendermäßen zü verstehen ist: Die Möglichkeit zur direkten Umwandlung der bei der Kernfusion frei werdenden Energie in elektromagnetische Energie beruht bekanntlich auf der Tatsache, daß das durch Kernfusion aufgeheizte Plasma bei der Expansion gegen das umgebende Magnetfeld Arbeit leistet. Der maximale thermodynamische Wirkungsgrad @ ergibt sich dabei in bekannter Weise nach der Formel aus den Temperaturen T1 und T2 des Plasmas am Anfang und Ende der Expansion. Das Verhältnis T2: T1 ist nun um so kleiner und der zu erwartende Wirkungsgrad,q daher um so größer, je größer das Volumen des Plasmas am Ende und je kleiner es am Anfang der Expansion ist. Es ist daher verständlich, daß sich durch eine Verminderung des Anfangsvolumens des Plasmas, wie sie durch die erfindungsgemäße räumliche Konzentrierung des Kernbrennstoffes erreicht werden kann, die Aussichten auf einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad und damit eine positive Energiebilanz bei der direkten Erzeugung von elektrischem Strom in einer Kernfusionsanordnung erheblich steigern lassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur gerichteten Einführung eines Kernbrennstoffes aus der Gruppe der Wasserstoff-und Helium-Isotope in den evakuierten Reaktionsraum einer Anlage zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Plasmas,dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff auf Temperaturen von -180° C und darunter, vorzugsweise auf Temperaturen unter -250° C, gebracht und mit diesen Temperaturen in den evakuierten Reaktionsraum eingeführt wird.
2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff durch Düsen in den evakuierten Reaktionsraum expandiert wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelteil des Kernbrennstoffstrahles vor dem Eintritt des Strahles in den evakuierten Reaktionsraum abgeschält und durch Absaugen entfernt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abschälen und Absaugen des Mantelteiles dienenden Mittel, mindestens in der Umgebung der Düsenöffnungen, auf einer Temperatur von -150° C und darunter gehalten werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff vor dem Eintritt in die gekühlte Düse in einem Gegenstromer zumindest durch einen Teil des aus den Kühlmänteln oder Kühlschlangen zurückströmenden Kühlmittels vorgekühlt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschälen des Mantelstrahles zwischen der Düse und dem Reaktionsrauen eine oder mehrere in Strahlrichtung hintereinanderliegende Blenden angeordnet sind, die bei runden Düsen kegelartig und bei schlitzförmigen Düsen dachartig ausgebildet sind, wobei die Öffnungen für den Durchtritt des Kernstrahles in der der Düsenöffnung zugekehrten Kegelspitze bzw. in dem der Düsenöffnung zugekehrten Dachfirst liegen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen zum Absaugen des abgeschälten Mantelgases konzentrisch um das Zuleitungsrohr für den Kernbrennstoff angeordnet sind. In. Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 755 903.