DE902282C

DE902282C - Verfahren zur Stabilisierung einer Energieerzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE902282C
Application number: DEC1996D
Authority: DE
Inventors: Hans Henri Halban; Jean Frederic Joliot; Lew Kowarski
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1939-05-02
Filing date: 1940-05-01
Publication date: 1954-01-21
Also published as: GB614386A; FR976542A; CH233278A; BE438699A; AU114151A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 21. JANUAR 1954

C ΐρρό VIII c/2ig

In einem älteren Vorschlag, betreffend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energiegewinnung durch Zertrümmerung des Urankerns, ist die Ausbildung einer solchen Vorrichtung angegeben, die aus eimer eine bestimmte Gestaltung aufweisenden Masse von Uran (oder Uranverbindungen:) besteht, auf welche eine äußere oder innere Neutronenquelle einwirkt. Dabei treten aufeinanderfolgend Aufspaltungen von Urankernen in Form von Ketten mit unbegrenzten Verzweigungen unter Entwicklung einer außerordentlich großen Energie auf. In diesem älteren Vorschlag wurde angegeben,, daß es zur Verhütung einer nicht regelbaren Energieentwicklung, wobei die Reaktionen explosionsartig verlaufen könnten, zweckmäßig sei, diese Reaktionen dadurch zu stabilisieren, daß in die Masse Elemente, welche alle emittierten Neutronen oder einen Teil derselben verlangsamen, sowie gegebenenfalls auch Elemente eingeführt werden, die unter gewissen Bedingungen einen Teil dieser Neutronen absorbieren.

In dem älteren Vorschlag wurde auch angegeben, dlaß es gewisse kritische Arbeitsbedingungen gebe und insbesondere eine kritische, aus Uran oder einer Uranverbindung bestehende Masse. Für jeden diese Bedingungen bestimmenden Faktor gibt es bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen einen kritischen Wert, bei dem die Vorrichtung von der

Bildung· von Ketten mit unbegrenzten Verzweigungen zur Bildung von Ketten mit begrenzten Verzweigungen übergeht.

Schließlich ist in dem älteren Vorschlag auch angegeben·, in welcher Weise die Einleitung und der Stillstand der Reaktion sowie die Abführung der entwickalten Energie ausgeführt werden, könnte. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren, welches es gestattet, die Stabilisierung der Reaktion durch ein anderes Mittel als durch eine selbsttätige Stabilisierung der Temperatur der Vorrichtung zu erzielen, welche durch Einführung von. verlangsamend wirkenden Stoffen und gegebenenfalls auch von absorbierenden Stoffen erzielt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann die indem erwähnten Vorschlag beschriebene Art der selbsttätigen Stabilisierung zur Herstellung einer Energieerzeugungsvorrichtung und" für die anderen in jenem Vorschlag erwähnten Anwendungen ersetzen. Das erfindungsgeimäße Stabilisierungsverfahren, das ebenfalls dazu düent, die Geschwindigkeit der Energieentwicklung zu begrenzen, beruht auf der an sich bekannten Tatsache, daß diese Ketten zu ihrer Entwicklung eine gewisse Zeit brauchen. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht daher im wesentlichen 'darin, daß man den Ablauf der unbegrenzten Kettenreaktionen sich während einer Zeitdauer entwickeln läßt, die erforderlich ist, um eine genügende Energiefreigabe zu erzielen und jene Reaktionsentwicklung durch Einwirkung auf einen oder mehrere Faktoren zum Stillstand zu bringen, dessen ursprünglicher Wert, oder deren ursprüngliche Werte -dien Ketten ihren unbegrenzten Charakter verleihen. Man stellt die Bedingungen für die Entwicklung der unbegrenzten Ketten wieder her und unterbricht diese von neuem wie früher. Durch periodische Wiederholung dieser Vorgänge kann man eine gleichmäßige Engerieentwicklung von erheblicher und regelbarer Stärke erzielen. Diese augenblicklichen und wiederholten Unterbrechungen der verzweigten Kettenreaktionen erfolgen dadurch, daß man die Arbeitsbedingungen oder gewisse Arbeitsbedingungen abwechselnd auf unterhalb und oberhalb der kritischen Werte dieser selben Bedingungen liegende Größen bringt. Dabei können diese Unterbrechungen auf verschiedene Weise erzielt werden.

Man kann beispielsweise die aus Uran oder einer Uraniverbindung¹ bestehende Masse aus mehreren besonderen Teilen herstellen, die man vorübergehend und periodisch einander nähert und voneinander trennt, derart, daß während begrenzter und bestimmter Zeitdauern die Bedingungen für die unbegrenzte Entwicklung der Ketten geschaffen werden. Man kann beispielsweise die uranhaltige Masse aus einem festen Teil und einem beweglichen Teil zusammensetzen, welch letzteren man periodisch mittels beliebiger geeigneter mechanischer Mittel von dem festen Teil entfernt oder diesem nähert.

Ebenso könnte man periodisch der uranhaltigen Masse Teile einer äußeren diffundierenden Umhüllung (beispielsweise aus Eisen) nähern oder von ihr entfernen, so daß man ebenfalls abwechselnd auf unterhalb und oberhalb der kritischen Bedingungen liegende Werte kommt.

Man kann beispielsweise auch periodisch in die gesamte Masse oder einen, Teil der Masse einen Schirm, ein Filter oder ein anderes Organ einführen, das aus einem Stoff hergestellt ist, der die Neutronein zu absorbieren vermag.

In dieser Hinsicht könnte man beispielsweise innerhalb der Masse oder innerhalb eines Teils der Masse bewegliches Organ verschieben, das abwechselnd einen rasche und/oder langsame Neutronen stark absorbierenden Teil sowie darauf einen anderen, jene Neutronen nur schwach oder nicht absorbierenden, Teil in das Innere der Masse bringen wird. Dieses· Organ könnte beispielsweise eine umlaufende Scheibe sein, von der ein oder mehrere Sektoren beispielsweise aus Eisen hergestellt wären, während der andere Sektor oder' diie anderen Sektoren aus einer mehr oder weniger dicken Schicht von Wasser, borsäurehaltigem Wasser, aus Kadmium, Bor od. dgl., bestehen wurden. Man kann auch beispielsweise periodisch durch diei Masse gewisse Gase, wie Wasserstoff, Deuterium, Wasserdampf oder Dampf von Deuterium, Kadmium oder Quecksilber, einblasen, oder es könnten auch durch die. Masse. Gase oder Dämpfe von periodisch wechselnder Zusammensetzung geblasen werden.

Man kann auch dia Masse beispielsweise geeigneten Schwingungen aussetzen.

Diese-"verschiedenen Ausführungsfortnen werden hier jedoch lediglich zur Erläuterung und rein beispielshalber angegeben.

Bei den betrachteten Ausführungsformen, wird man, ganz gleich welche Ausführungsform gewählt wird, der erheblichen Zeit Rechnung tragen können, die zwischen der Absorption eines Neutrons durch das Uran und der sich daraus eingebenden Emission eines Teils der Neutronen liegen kann.

Um eine zu große Ungleichmäßigkeit der bei jedem Kreislauf freigemachten Energie zu verhüten, kann es notwendig sein, daß in der Vorrichtung oder in ihrer Nähe eine genügend starke Neutronenquelle vorgesehen wird. Die Zahl der in jedem Augenblick des Kreislaufs von dieser Quelle in die Vorrichtung eingeführten Neutronen kann dadurch geregelt werden, daß man beispielshalber in entsprechender Weise die Stärke dieser Quelle ändert, oder es kann auch irgendein anderes Mittel dafür angewandt werden.

Um jene Ungleichmäßigkeiten, zu beseitigen, wird man auch eine Relaiseinrichtung benutzen können, die fortschreitend die Entwicklung der Ketten entsprechend der Zunahme der Energiefreigabe und der diese begleitenden Strahlung, und zwar Korpuskularstrahlung und/oder elektromagnetische Strahlung, verlangsamt sowie diese Entwicklung in dam Augenblick anhält, wo die Energiefreigabe den gewünschten Wert erreicht. Diese Relais können auch durch thermometrische Vorrichtungen oder durch Geräte, wie lonisierungs-

kammern, Zähler für Elektronen oder andere Teilchen usw., gesteuert werden, wobei diese Geräte in die Nähe der uranhaltigen Masse gebracht werden können. Dabei können diese Einrichtungen auf einen deir oben oder in" dem erwähnten älteren Vorschlag¹ angegebenen Mechanismen einwirken. Man könnte auch die Kettenreaktion dadurch unterbrechen!, daß man die Änderungen der Dichte und Zusammensetzung ausnutzt, die sich infolge ίο der Temperatursteigerung ergeben können, welche bei der Entwicklung der Kette bei jedem Kreislauf auftritt.

Schließlich muß noch darauf hingewiesen werden, daß man dieses Staibilisierungsverfahren auch noch mit der Einführung von Elementen in die uranhaltige Masse verbinden kann, welche,' wie beispielsweise Wasserstoff, alle oder einen Teil der emittierten Neutronen verlangsamen. Gegebenenfalls könnten auch Elemente, wie beispielsweise Kadmium, eingeführt werden, die einen Teil der emittierten Neutronen absorbieren. Die Einführung solcher Stoffe bildet namentlich den Gegenstand; des erwähnten älteren Vorschlags.

Man könnte das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer oder mehreren Anordnungen kombinieren, die in dem erwähnten älteren Vorschlag vorgesehen worden sind, insbesondere mit den Anordnungen, die zur Verminderung der kritischen Masse dienen.

Lediglich beispielshalber sei angegeben, daß bei einer Vorrichtung mit einem Verlangsamungsmittel, bei welcher die Ketten sich mittels langsamer Neutronen fortpflanzen, die Zeit zwischen der Emission eines Neutrons und seiner Absorption von der Größenordnung einer Zehntausenidstelsekunde ist. Wenn die Vorrichtung soi ausgebildet ist, daß die Zahl der Neutronen sich durchschnittlich bei einer Verzweigung lediglich um 1,007 vermehrt, so müssen 100 aufeinanderfolgende Verzweigungen auftreten, um die Zahl der vorhandenen Neutronen zu verdoppeln. Die pro Zeiteinheit frei gemachte Energie verdoppelt sich also jede Hundertstelsekunde. Wenn die Vorrichtung mit einem beweglichen Schirm versehen ist, der die langsamen (oder raschen) Neutronen zu absorbieren vermag, und wenn dieser Schirm plötzlich in die Vorrichtung jede halbe Sekunde (auf eine Hundertstelsekunde genau) eindringt, so wird man während der halben Sekunde, in welcher der Schirm sich außerhalb der Vorrichtung befindet, eine Entwicklung einer verzweigtem Kette erhalten, die bis zum Muiltiplikationsfaktor io¹⁵ geht. Dann wird diese Kette durch die plötzliche Einführung des Schirms in die Vorrichtung unterbrochen werden.

Die Zeit, während welcher der Schirm sich in der Vorrichtung befinden wird, wird nicht unbedingt gleich der Zeit sein, während der es sich außerhalb der Vorrichtung befindet. Um die durchschnittliche Energieentwicklung der Vorrichtung zu regeln, wird man gegebenenfalls selbsttätig auf die Entwicklungsdauer der Ketten und/oder auf das Intervall zwischen zwei Entwicklungsperioden der Kettenreaktion einwirken können.

Natürlich kann bei allen vorstehend beschriebenen Vorgängen· im Rahmen der Erfindung die Masse aus Uran oder einer Uranverbindung durch Thorium oder eine Thoriumverbindung oder durch beliebige andere Stoffe oder Stoffmischungen mit ähnlichen Eigenschaften ersetzt werden.

Claims

Patentansprüche:

75

1. Verfahren zur Stabilisierung einer Energieeirzeuigungsainrichtung, die aus einer Grundniasse, wie Uran od. dgl., besteht, welche unter ■der Einwirkung von Neutronen eine kettenartige Em«ision von Neutronen hervorzurufen io~/s vermag, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion in Form von unbegrenzten: Ketten während der Zeitdauer sich entwickeln läßt, die zur Erzielung einer genügenden Energiefreiigabe notwendig ist, darauf diese Entwicklung" von Kettenreaktionen anhält, indem man auf einen oder mehrere Faktoren einwirkt, welche den Kettenreaktionen ihren unbegrenzten Charakter verleihen, dann die Bedingungen für die Entwicklung der unbegrenzten Kettenreaktionen wiederherstellt und so fort, wobei die Wiederholung dieser Vorgänge periodisch eintritt.

2. Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Regelung der Energieentwicklung die Verteilung des Grundstoffes in der Vorrichtung ändert.

3.. Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Regelung der Energieientwicklung gewisse bewegliche Teile der Masse des Grundstoffes in bezug auf seine festen; Teile verlagert.

4. Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Regelung der Energieentwicklung äußere diffundierende Elemente in bezug auf die Grundstoffmasse selbsttätig verlagert.

5. Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Regelung der Energieientwicklung periodisch in die ganze Grundmasse oder einen Teil derselben einen Neutronen absorbierenden Stoff oder Teil einführt oder schiebt, wobei dieser Stoff O'der Teil beispielsweise in Form eines beweglichen Schirms oder einer umlaufenden Scheibe ausgebildet ist, welche von einem Teil aus· Eisen und einem Teil aus einer Wasserschicht oder einem anderen Absorptionsmittel gebildet wird oder in irgendeiner anderen geeigneten Form ausgebildet ist.

6. Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung¹ der Energieentwicklung die Masse der Grundsubstanz Schwingungen ausgesetzt wird.

7. Ausführunigsform eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur

Regelung¹ der Energieentwicklung in die Masse der Grundsubstanz Gase oder Dämpfe eingeblasen werden.

S. Ausfübrungsform eines Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Energieentwieklung in der Energieerzeugungsvorrichtung oder in ihrer Nähe eine Neutronenquelle von regelbarer Stärke vorgesehen ist.

g. Auisführungsfo'rm eines Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Energieentwicklung Relais vorgesehen werden, die fortschreitend die Entwicklung der Kettenreaktionen verlangsamen und von Wärmemeißgeräten oder von Geräten gesteuert werden, die auf die ausgesanditen Strahlungen ansprecheix, wobei- diese Geräte in der Nähe dar Grundmasse angeordnet sind.

10. Ausführungsforrn eines Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung der Kette Änderungen der Dichte oder Zusammensetzung ausgenutzt werden, die sich infolge der Temperaturerhöhung ergeben können, welche bei der Entwicklung der Kette während jedes Kreislaufs auftritt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich gegebenenfalls in die Masse die Neutronen verlangsamende Elemente, wie beispielsweise Wasserstoff, sowie gegebenenfalls Neutronen absorbierende Elemente, wie beispielsweise Kadmium, eingeführt werden.

I 5694 1..S4