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Vorrichtung zur Erzeugung von Energie mittels Kernumwandlung
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung von Energie dz n Kernspaltung des Urans oder analoger Elemente.
Es ist bekannt, dass die Bestrahlung des Urans durch Neutronen eine Kernumwandlung oder -Spaltung de-selben hervorruft, welche von einer sehr bedeutenden Energieentwicklung im Vergleich zu den beteiligten uranhältigen Massen begleitet ist. Diese Spaltung verursacht die Aussendung neuer Neutronen, von denen eine gewisse Anzahl beim Auftreffen auf andere Urankerne ihrerseits neue Spaltungen hervorrufen können. Auf diese Weise kann eine explosive Kettenreaktion eingeleitet werden, welche sich dann im Innern der uranhilltigen Masse fortpflanzt.
Um die so erzeugte Energie industriell verwerten zu können, ist es nötig, die reagierende Masse in einen Zustand zu versetzen, welcher die Fortpflanzung der Spaltungen gewährleistet. Zu diesem Zweck wurde der Vorschlag gemacht, in die Bahn der neuen Neutronen und vor ihrem eventuellen Auftreffen auf weitere Urankerne ein
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wie z. B. Wasserstoff, etwa in Form von Wasser, Deuterium, vorzugsweise in Form von schwerem Wasser-oder Kohlenstoff. Diese Stoffe bewirken eine Verringerung der Geschwindigkeit sämtlicher oder eines Teiles der im Lauf der Spaltungen ausgestrahlten neuen Neutronen, derart, dass aus ihnen"langsame"oder thermische"Neutronen werden, die sich mit der Umgebung, in der sie zur Wirkung kommen sollen, ungefähr in thermischem Gleichgewicht befinden.
Es ist nämlich bekannt, dass die anlässlich der Spaltung des Urankernes ausgesandten Neutronen sogenannte "schnelle"Neutronen sind, bei welchen eine geringere Wahrscheinlichkeit von neuen Spaltungen besteht, als bei den "langsamen" Neutronen.
Auch ist bekannt, dass gewisse Elemente jene Neutronen stark absorbieren, deren Geschwindigkeiten in bestimmten engen Grenzen liegen, wobei diese Grenzen vom absorbierenden Medium abhängen. Diese Neutronen werden durch Resonanz absorbiert und man spricht daher oft von "Resonanzneutronen".
Die vorliegende Erfindung hat Hilfsmittel zum
Gegenstand, die sich auf die Entwicklung der
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Gruppierung aer Verzögerungselemente im Innern der Masse.,
Diese Elemente sind gewöhnlich im uranhaltigen Mittel in Form kompakter uranfreier Massen gleichmässig oder ungleichmässig verteilt. Sie können entweder aus festen Stoffen, mit oder ohne Hülle, oder aus von einer Hülle umgebenen Flüssigkeiten oder Gasen bestehen und können in geballter Form vorliegen, z. B. würfelförmig, kugelförmig, polyedrisch oder sonstwie, derart, dass keine Abmessung gegenüber den anderen stärker hervortritt ; sie können aber auch eine längliche Form aufweisen, z. B. wie eine Stange, ein sehr asymmetrisches Ellipsoid od. dgl. bzw. können sie flach sein, wie eine Platte, eine kreisförmige Schicht oder ähnliche Formen.
Die folgende Bezeichnung als "charakteristische Abmessung"der Masse eines Verzögerungselementes bezieht sich auf : die halbe Würfelseite im Falle einer Würfel- form, die halbe Seite des äquivalenten Würfels, falls es sich um eine geballte Masse handelt (rund, polyedrisch od. dgl.), die halbe Quadratseite des dem Querschnitt entsprechenden Quadrates, falls die Masse eine längliche Form aufweist, die halbe Dicke, wenn es sich um eine flache
Form handelt.
Im Sinne eines der Kennzeichen der Erfindung gibt man jeder Masse von Verzögerungse1ementen eine solche charakteristische Abmessung, welche mindestens gleich ist der mittleren Weglänge, die ein Resonanzneutron zwischen zwei Ver- zögerungsstössen durchläuft, und höchstens gleich ist jener Stärke, die erforderlich ist, um die
Intensität des thermischen Neutronenflusses, welcher die Verzögerungssubstanz durchläuft, im
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Man setzt die so gebauten Verzögerungsmassen in die Mitte des uranhälrigen Mediums derart ein, dass ihre Alittelpunkte oder Mittellinien ungefähr ein regelmässiges Raumgitter im Sinne der Kristallographie bilden.
Ausserdem muss die kürzeste Entfernung L in cm zwischen den Ober-
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flächen zweier benachbarter Verzögerungsmassen derart sein, dass das Produkt Z. X D, worin D die
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bedeutet, zwischen 18 und 140 je cm2 zu liegen kommt.
Was die Abmessungen der erfindungsgemässen Massen betrifft, so sind die erzielten Resultate um so besser, je weiter diese Abmessungen von den weiter oben definierten unteren und oberen Grenzen entfernt liegen. Man wird daher jene chemischen Verzögerungselemente wählen, bei welchen die beiden charakteristischen Längen für die Einwirkung der Neutronen so verschieden als möglich sind, wenn man sich vorteilhaft der "Tables Annuelles de Constantes et Données Numériques de Physique Nucléaire" (Hermann & Cie., Paris) bedient. In diesem Sinne ist beispielsweise der gasförmige Wasserstoff günstiger als Verzögerungselement als in gebundener Form, z. B. als Wasser oder Paraffin.
Beispielsweise wird die charakteristische Abmessung der Verzögerungsmassen zwischen folgenden Werten zu liegen kommen :
1. 0'75 cm und 2 cm, wenn das Verzögerungselement Wasserstoff in Form von Wasser ist.
0.75 3
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zögerungselement eine gasförmige Wasserstoffverbindung ist. Hiebei ist d die Masse in g eines CM des komprimierten Gses.
3.4 und 25 cm, wenn das Verzöge5s- element Deuterium oder metallischem Beryllium ist.
4.5 und 40 cm, wenn das Verzögerungselement Kohlenstoff in Form von Graphit ist.
Die uranhältige Masse, in deren Innerem die Verzogerungsmassen angeordnet sind, kann aus reinem Urnmetall, aus Uranverbindungen oder rcingcmenscn csteucn.
Die erfindungsgemässe Anordnung kann vorteilhaft mit den in den Schweizer Patentschriften Nr. 233. 011 und Nr. 233. 278 beschriebenen Vorrichtungen in dem Sinne kombiniert werden, dass die dort vorgesehenen Verzögerungsmassen in einer nach der vorliegenden Beschreibung dargelegten Weise angeordnet und gruppiert werden.
Es kann daher, wenn das spaltbare Material fest und das Verzögerungselement flüssig ist, die Vorrichtung konstruktiv so ausgeführt sein, wie dies in der bereits genannten Schweizer Patentschrift Nr. 233. 011 beschrieben und dargestellt ist, wobei die Abmessungen der Zirkulationsanlage für das Verzögerungselement in Übereinstimmung mit den obigen Angaben gewählt smd.
Bei festem Verzögerungselement und festem
Spaltmaterial kann die Vorrichtung durch ab- wechselnde Aneinanderreihung von Schichten des Verzogerers und des spaltbaren Materials oder auch aus Elementarblöcken bestehen, die in Form eines mit einer Schichte der Verzögerungsmasse überzogenen Kernes aus dem Spaltmaterial oder umgekehrt ausgebildet sein können. Beispiels- weise kann ein solcher Block bzw. ein solches Bauelement der erfindungsgemässen Vorrichtung aus zwei konzentrischen Würfeln zusammengesetzt sein, wobei der innere Würfel aus reinem Uranmetall (rel. Dichte 18) und der äussere hohle Würfel aus Deuteriumparaffin (rel. Dichte 0'9) besteht. Die Seitenlänge des Aussenwürfels beträgt 77 mm, die Seitenlänge des Innenwürfels hingegen 57 mm.
Das Gewichtsverhältnis von Uran zum Verzögerer ist ungefähr 80.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Bauweise benützt, bei welcher abwechselnd angeordnete Schichten von Graphit (rel. Dichte 1-6) von 20 cm Dic'und von Uranoxyd (rel. Dichte 4) von 8 mm 1.... : ke aneinanJergereiht sind, wobei das Gewicht VLrhältnis des Kohlenstoffs zum Uran 10 beträgt
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kann durch kf't'sionsfeste Metallklammern bewirkt werden, die eine Umfassung bilden und zuminfltstens an ihrem Unterteil mit einem Schutzmauerwerk verbunden sind, welches die Schichtanordnung od. dgl. vollständig umgibt ; diese Schutzummauerung kann aus Barytzement hergestellt sein.
Der durch das Mauerwerk begrenzte Raum wird genügend gross bemessen, um die Bewegung der Steuerelemente für den Betrieb der Vorrichtung zuzulassen. Diese Steuerelemente können entweder aus Steuerstangen (z. B. aus Kadmium) bestehen, die in die Anordnung durch Kanäle eingeführt werden, die bei der Montage zu diesem Zwecke zwischen den Schichten oder den Blocks freigelassen werden, oder auch aus reflektierenden Platten bzw.
Scheiben, die beim Herausnehmen aus der Anordnung eine Veränderung der Betriebsbedingungen der Vorrichtung ergeben, u. zw. in einem zur Unterbrechung der Reaktion hin- reichenden Masse, da nämlich die in der Anordnung vorhandene Uranmasse dann kleiner ist als die für die Entwicklung verzweigter Ketten notwendige kritische Masse ; diese Platten und die Steuerung derselben ist beispielsweise in der vorgenannten Schweizer Patentschrift be- schrieben. Die dort angegebenen Steuerein- richtungen können selbstverständlich vom Fach- mann ohne Schwierigkeit zur Steuerung der
Kadmiumstäbe oder auch von Kadmium- scheiben angewendet werden, wie dies in der gleichen Patentschrift für solche Scheiben dar- gelegt worden ist, die in beim Zusammenbau der
Schichten bzw. Blocks freigelassene Aus- nehmungen eingreifen.
Es ist zu beachten, dass diese Steuerung, die von Hand aus oder mechanisch erfolgen kann, aus der Entfernung mittels der üblichen Steuer- ströme zur Ein-und Ausschaltung von Motoren in Abhängigkeit von beispielsweise durch Strah- lungsanzeigem gelieferten Anzeigen bewirkt wird.
In der Schweizer Patentschrift Nr. 233.278 der
Erfinderin ist ein diesbezügliches Beispiel ent- halten.
Die Reaktion kann dadurch in Gang gesetzt werden, dass innerhalb der von dem oben be-
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schriebenen Mauerwerk gebildeten Kammer eine Quelle von Primärneutronen, wie z. B. die in der Technik wohlbekannte Quelle aus Beryllium, angeordnet wird, die durch Bewegung eines Randschirmes regelbar ist.
Zur Ableitung der bei der Reaktion freigesetzten Energie wird der beschriebenen Apparatur ein Kühlmittel zugeführt, z. B. auf folgende Weise : Zwei Hauptleitungen für die Zuführung und Abführung, die durch eine aussen liegende Pumpe miteinander verbunden sind, durchsetzen das Mauerwerk und gehen in Elementarrohrleitungen von viel geringerem Durchmesser über, die beim Zusammenbau zwischen den Schichten oder Blocks so eingesetzt werden, dass sie parallel zu den genannten Hauptleitungen liegende Zirkulationskreise bilden. Die Ansaugleitung füiirt durch einen Wärmeaustauscher, wekhei die Entnahme der freigesetzten Energie gestattet. Das Kühlmittel kann nach Wunsch aus einer Flüssigkeit oder aus einem Gas bestehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung für die Erzeugung von Energie durch Kernspaltung des Urans mittels Ketten- reaktion, wobei im Inneren der uranhältigen Masse, die der Wirkung der Neutronen ausgesetzt ist, Verzögerungsmassen für die Neutronen eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verzögerungsmasse eine charakteristische Abmessung aufweist, die zumindest gleich der mittleren Weglänge ist, welche ein Resonanzneutron zwischen zwei Verzögerungszusammenstössen zurücklegt, und höchstens gleich der Stärke, die nötig ist, um die Intensität des thermischen Neutronenstromes bei seinem Durchgang dmch das Verzögerungsmittel im
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