DE2445953A1

DE2445953A1 - Verfahren zur herstellung von wasserstoff

Info

Publication number: DE2445953A1
Application number: DE19742445953
Authority: DE
Inventors: Henry Jacob Gomberg
Original assignee: Texas Gas Transmission Corp
Current assignee: Texas Gas Transmission Corp
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1975-05-22
Also published as: FR2251517A1; US4140603A; CA1031296A; FR2251517B1; IT1019352B; GB1481078A; NL7415053A

Description

Meine Akte Tx/103 WF/No

Firma Texas Gas Transmission Corporation, Owensboro/Kentucky (U.S.A.)

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mehrstufiges chemisch-strahlungstechnisches Verfahren und insbesondere auf die Kombination radiolytischer und chemischer Reaktionen in bestimmter Abfolge zur Herstellung eines Endproduktes.

Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kombination von chemischen und radiolytischen Verfahrensschritten zu erhalten, die eine Steigerung des Wirkungsgrades bei der Anwendung von Strahlungsenergie zur Folge hat.

Hintergrund der Erfindung:

Zur Zeit beschäftigen sich viele Entwicklungsarbeiten mit dem Problem der Entzündung und Verbrennung eines Kernfusionsbrennstoffes, wie beispielsweise Deuterium-Tritium in Form von Pellets. Es gibt eine Reihe verschiedener Wege zur Lösung dieses Problems, von denen einer als Energiequelle einen Laser verwendet und mit bestimmten Ausbildungen der Pellets arbeitet, wodurch es möglich wird, die Entzündung und Verbrennung in einer Reaktionskammer durchzuführen.

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Vorrichtungen, die bei diesem Verfahrenstyp verwendet werden können, werden allgemein beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben:

US-PS 3 378 446 (Whittlesey 16. April 1968) US-PS 3.489 645 (Daiber 13. Jan. 1970) US-PS 3 762 992 (Hedstrom 2. Okt. 1973)

Es wird bereits an anderer Stelle vorgeschlagen, zur Disso- ' ziation von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in einer ^! Stufe die Strahlung einer thermo-nuclearen Reaktion zu ver-wen- : den. Diese Vorschläge werden in der deutschen Patentanmeldung P...! (US-Patentanmeldung 414 369 - Theodor Teichmann, 9. Nov. 1973) und in der deutschen Patentanmeldung P ... (US-Patentanmeldung

!414 370 - Gomberg und Teitel, 9. Nov«, 1973) beschrieben. ;

j Bei dem einstufigen Verfahren wird die durch Strahlung hervor-

gerufene Dissoziation im allgemeinen durch Neutronen-^Alpha-Strahlen oder Röntgenstrahlen bewirkt/und das Target-Molekül ' wird direkt der von einer Fusions- oder Kernspaltungsreaktion ' ausgehenden Strahlung ausgesetzt zur Herstellung des gewünschten Produktes. Bei derartigen Verfahren hat die Verwendung von Strahlung, die durch thermo-nucleare Pusionsreaktionen erzeugt wird, einen deutlichen Vorteil gegenüber der Verwendung von Strahlung, die von einer Spaltungsreaktion stammt.

Wenn eine SpaiSltungsreaktion als Strahlungsquelle verwendet wird, muß das Material den Spaltungsbruchteilen direkt ausgesetzt werden, damit ein wirksamer Energieübergang erhalten wird, und dies hat zur Folge, daß das Material auch direkt dem Uranoder Plutonium-Brennstoff ausgesetzt wird. In einigen Fällen wird empfholen, Uranstaub zu verwenden, der mit den Stoffen vermischt wird, die ,miteinander zur Reaktion gebracht werden sollen (s.z.B. "Advances in Nuclear Science & Technology, VoI 1, herausgegeben von Henley und Kouts, Academic Press, 1962, S.298), Das Ergebnis ist eine ziemlich schwerwiegende Verunreinigung der Produkte durch radioaktive Spaltungsbruchteile und durch

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j die Teilchen des Brennstoffes selbst. Die direkte Aussetzung der Stoffe ist notwendig, da etwa 80% der Spaltungsenergie in den Spaltungsbruchteilen enthalten ist·

Bei einer thermo-nuclearen Fusionsreaktion von Deuterium-Tritium wird 80% der Energie als schnelle Neutronen abgegeben, und die verbleibenden 20% der Energie werden als Alpha-Strahlen und Röntgen-Strahlen abgegeben. Bei der Fusionsreaktion kann das zu behandelnde Material direkt der Strahlung ausgesetzt werden, oder kann ihr ausgesetzt werden während es in einem getrennten Behälter festgehalten wird. Die letztgenannte Bedingung ist insbesondere geeignet, wenn das Material den Neutronen ausgesetzt wird, da die Neutronen eine wirksame Durchdringungscharakteristik aufweisen.

Auf diese Weise ist bei der Verwendung von Fusionsanordnungen mit den hier entstehenden hochenergetischen Neutronen sowie den Alpha- und Röntgen-Strahlen eine direkte Wechselwirkung zwischen der Strahlung mit den reagierenden Produkten möglich, wobei nur wenig Probleme hinsichtlich der Verunreinigung auftreten. Dieser Unterschied allein ist äußerst bedeutsam bei j der Betrachtung der Verwendung thermo—nuclearer Reaktjforen bei chemo-nuclearen Verfahren.

Gegenstände der Erfindung:

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aus chemischen und radiolytischen Verfahrensschritten kombiniertes Verfahren zu schaffen, bei dem insbesondere ein Fusionsverfahren mit vewendet wird und das den Wirkungsgrad bei der Verwendung von Strahlungsenergie beträchtlich vergrößert. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren relativ einfach, und die entstehenden Endprodukte können leichter getrennt werden.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindunq besteht darin ein System zu schaffen, bei dem einer der ursprünglich zugeführten Bestandteile vollständig zurückgeführt werden kann. Das Ergebnis des Verfahrens kann ein chemisch rückführbares Molekül, ein

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neues strahlungsempfindliehes Molekül, ein Hauptprodukt oder ein Nebenprodukt sein.

Andere Gegenstände -d- und Eigenschaften der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung und den Patentansprüchen geoffenbart, ,wobei die Grundprinzipien der Erfindung und ihre Verwendung zusammen mit der im Augenblick als besten erachteten praktischen ■Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden.

Zur Erläuterung der Offenbarung dienen die beigefügten Zeichnungen .

Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Durchführung j des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm für einen modifizierten Zyklus.

IBeschreibung der Erfindung:

iDie als"Radiolyse" bezeichnete Spaltung von Molekülen durch

!Strahlung ist eine bekannte Erscheinung. Sie kann dazu verwendet Iwerden, gewünschte oder verwendbare Molekülarten aus Ausgangsmaterialien zu erzeugen, die größere Moleküle enthalten.

Beispiele sind die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff durch 'radiolytische Zersetzung von Wasser und ebenso die Bildung von JKohlenmonoxyd und Sauerstoff durch radiolytische Zersetzung von Kohlendioxyd. Jedoch ist der Betrag des sogenannten "G-Wertes" für die radiolytische Reaktion oft zu niedrig, um das Verfahren in brauchbarer und wirtschaftlicher Weise auszunutzen. Ein gewöhnlich angegebener "G-Wert" für die Ausbeute an Wasserstofίο
molekülen bei der Bestrahlung von reinem, flüssigem Wasser mit Gamma-Strahlen ist 0,5. (Der"G-Wert" ist die Anzahl der Endmoleküle, die pro hundert Elektronenvolt absorbierter Energie erzeugt werden). Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination von Verfahrensstufen vorgeschlagen, die aus chemischen Reaktionen und radiolytischen Verfahrensschritten besteht. In Abhängigkeit von den Besonderheiten des verwendeten

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j Materials kann das Verfahren durch eine chemische Reaktion ein-I geleitet werden, der eine radiolytische Stufe folgt oder es kann

i eine radiolytische Anfangsstufe Moleküle herstellen, die für eine j chemische Reaktion geeignet sind, die das Endprodukt liefert, iDas mehrstufige Verfahren ist so ausgelegt, daß,abgesehen von I aäcundären Verlusten durch Ausströmen, Verdampfen, Mutation usw., alle chemischen Stoffe, mit Ausnahme des ursprünglich zugeführiten Materials, vollständig zurückgeführt werden. Das ursprüng-I lieh zugeführte Material ist so ausgewählt, daß das Endprodukt j in der gleichen Weise erhalten wird,wie bei dem einstufigen, radiolytischen Verfahren, bei dem chemische und radiolytische Stufen kombiniert werden, wobei die zugeführten Anfangsstoffe und die Endprodukte die gleichen sein können, wie bei dem einstufigen Verfahren. Eine wichtige Eigenschaft der kombinierten Verfahrensstufen besteht in der Möglichkeit, die radiolytische Stufe in der Weise einzusetzen, daß in ihr ein Molekül vorliegt, das insbesondere durch einen hohen G-Wert gekennzeichnet ist. Ebenso kann, wenn der chemischen Reaktion ein radiolytisc-jher Verfahr ens schürt folgt, die chemische Reaktion benutzt werden, durch Kombination des zugeführten Materials mit einem chemisch rückführbaren Molekül ein neues, strahlungsempfindliches Molekül und ein Nebenprodukt zu erzeugen. Nach der Radiolyse des neu erzeugten, strahlungsempfindlichen Moleküls wird ein Bruchteil als gewünschtes Produkt aufgefangen und der zweite Bruchteil wird mit dem Nebenprodukt zur Reaktion gebracht, wodurch sowohl das ursprüngliche rückführbare Molekül wieder hergestellt wird, als auch ein zweites erwünschtes Endprodukt erzeugt wird. So können beispielsweise ein Erdalkalxhalogenid und ein Alkalihydroxyd miteinander zur Reaktion gebracht werden zur Bildung eines Erdalkalihydroxyds und eines Alkalihalogenide. Das Alkalihalogenid wird dann der radioiytisehen Dissoziation unterworfen.

Ein Beispiel ist die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser als zugeführte Substanzen und Kalziumbromid als rückführbarem Molekül.

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Die Reaktion verläuft folgendermaßen:

730°

(a) CaBr₂ + 2H₂O —— Ca (OH)₂ + 2H Br

Wärme

(b) 2H Br +(Strahlung)- -> Hp + Br_

(G - 9,7)* G 16+**

(c) Ca (OH)₀ + 2Br — ^ Ca Br₀ + H₀O,

(d) H₂O₂ ^ H₂O + 1/2

♦ Lee & Armstrong, Radiolysis of Gaseous Hydrogen Bromide. International J. Applied Radiation, Isotopes, Vol. 19, P. 586 (1968).

** For low pressure. Boyd et al. Low Pressure Anomalies in.. Radiolysis of Gases. Rad. Research 40, P. 255 £(1969).

Es wird dsrauf hingewiesen, daß das Kalziumbromid erhalten bleibt und bei Zufuhr von Wärmeenergie und Strahlung Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden. Auf diese Weise sind Wasser, Wärmeenergie und ionisierende Strahlung das einzige, was zugeführt und verbraucht wird. Das Bromwasserstoffmolekül ist bekannterweise besonders strahlungsempfindlich und ist deshalb als Molekül in einem radiolytischen Prozeß besser geeignet als Wasser.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel beginnt das Verfahren mit einem geeigneten, strahlungsempfindlichen Molekül, und die durch Radiolyse gebildeten Produkte werden in einer chemischen Reaktion weiter verwendet. So wird beispielsweise Kohlendioxyd in Kohlenmonoxyd und Sauerstoff dissoziiert. Das Kohlenmonoxyd wird dann weiter mit Wasser zur Reaktion gebracht zur Bildung von Kohlendioxyd, Wasserstoff und Sauerstoff.

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per Reaktionsverlauf ist folgendermaßen:

O₂. + Strahlung _: ^ CO + 1/2

G = (10+)

CO + H₅O > CO- + H₉

^ Wärme ^ά ■ ^a

Zu der oben angegebenen Reaktion wird bemerkt, daß das Kohlendioxyd zurückgeführt werden kann. Das einzige zugeführte Material nämlich Wasser, wird verbraucht, indem es in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt wird. Es wird besonders darauf hingewiesen, daß die Wärmeenergie, die für die thermo-chemischen Reaktionen benötigt wird, durch eine Fusionsreaktion gewonnen !werden kann, ebenso die benötigte Strahlungsenergie. In desem 'Zusammenhang wird hingewiesen auf "Advances in Nuclear Science i& Technology, Vol. 1, P.29.7¹', wo ein ähnliches Verfahren im !Zusammenhang mit einer Kernspaltungsreaktion als Energiequelle beschrieben wird.

Bei einem dritten Beispiel wird Wasser und Chlor verwendet. Die Reaktion verläuft folgendermaßen:

800°
H₂O + Cl₂ - > 2 HCl + 1/2 °₂

2 HCl + Strahlung ^ H₂ + Cl₂

G = 8

Parallellaufende Patentanmeldungen sind auf die oben zitierten speziellen Beispiele gerichtet.

Bei dem ersten der oben genannten Beispiele wird ein Erdalkalisalz mit Wasser in einer thermo-chemischen Reaktion, wie oben angezeigt, zur Reaktion gebracht. Anhand von Figur 1 kann fest-

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gestellt werden, daß eine Fusionsreaktxonskammer 10 so ange- · ordnet ist, daß von ihr Wärmeenergie an ein Gefäß 12 abgegeben wird und der entstehenden Strahlung ein Gefäß 14 ausgesetzt wird, das als radiolytische Kammer bezeichnet, werden kann. Ein Gefäß 18 ist mit einem Gefäß 16 verbunden, von dem ihm das Brom- j

gas zugeführt wird,und eine Reaktionskammer 20 ist dafür vorge- j sehen, das Erdalkalihydroxyd wieder umzuwandeln. Wie ebenfalls j

aus dem Diagramm gemäß Figur 1 ersichtlich, reagiert in der

Kammer 12 ein hydrolisierbares Erdalkalisalz mit Wasser, in dem j

das Gemisch aufgeheizt wird, und es bildet sich ein Erdalkali- i hydroxyd und der Halogenwasserstoff. Beispiele für diese Reaktioi) sind folgende:

(a) Ca Br₂ + 2H₂O -—^- Ca (OH)₂ + 2 HBr

(b) Cd Br₂ + 2H₂O > Cd (OH)₂ + 2HBr

(c) Ca Cl₂ + 2H₂O > Ca (OH)₂ + 2HCl

Der Halogenwasserstoff wird aus dem Gefäß 12 entfernt und in das Gefäß 14 überführt, wo er der Strahlung ausgesetzt wird, die von der Kernfusionsreaktion in der Reaktionskammer 10 ausgeht. Auf diese Weise wird der Halogenwasserstoff der Strahlung von Neutronen, Alpha-Strahlen und Röntgen-Strahlen ausgesetzt. Es findet eine Dissoziation des Gases statt, und das radiolytische Produkt Wasserstoffgas tritt durch eine geeignete Leitung 22 aus, während das Halogengas durch eine geeignete Leitung 24 in die Kammer 18 geführt wird. In Kammer 16 finden wohl^jDekannte Trennungsverfahren statt, so daß das Halogengas von dem Hauptprodukt Wasserstoff abgetrennt werden kann. Der Wasserstoff wird zur Lagerung und eventuellen Benutzung als Brennstoff weggepumpt, und zwar entweder im reinen Zustand oder nach einer Umwandlung in Kohlenwasserstoff. Das Halogengas wird mit dem Erdalkalihydroxyd zur Reaktion gebracht, welches der Kammer 20 über

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die Leitung 26 zugeführt wird. Auf diese Weise wird das hydrolisierbare Salz in der Kammer 20 wiedergewonnen und kann in die Kammer 12 zurückgeführt werden, um mit frisch zugeführtem Wasser zu reagieren, welches durch die Leitung 28 zugeführt wird. Die Produkte Wasser und Sauerstoff werden aus der Kammer 20 durch j die Leitung 30 abgeführt. Wenn es wünschenswert ist, kann das Produkt Wasser in die Leitung 28 zurückgeführt werden,und der Sauerstoff kann zur Verwendung für andere Zwecke wiedergewonnen werden.

j In Figur 2 ist ein System zur Durchführung der Reaktion nach j dem dritten, oben beschriebenen Beispiel dargestellt, bei dem ι
Chlor verwendet wird. Auch andere Halogenide können verwendet ;werden. Die Fusionsreaktionskammer 10 ist so angeordnet, daß Wär^me zu einem chemischen Reaktionsgefäß 40 und Strahlung zu einer radiolytischen Kammer 42 überführt werden. Bei dem hier dargestellten Zyklus wird Chlor in die Kammer 40 zusammen mit Wasser eingeführt,und unter dem Einfluß von Wärmeenergie mit einer Temperatur im Baseich von 800° C wird Sauerstoff und Chlorwasserstoff erzeugt, wobei letzterer in die Kammer 42 überführt wird, wo er der Dissoziation in Wasserstoff und Chlor unterworfen wird. Diese Gase werden in der Kammer 42 voneinander getrennt, so daß aus der Leitung 44 Wasserstoff austritt und Chlor durch die Leitung 46 zurück in die chemische Reaktionskammer geführt wird.

Das Mehrstufenkonzept ist auf viele Verfahren und Produkte anwendbar. Die wichtigsten Punkte sind:

a) Die anfängliche Einführung oder Erzeugung von strahlungsempfindlichen Molekülen;

b) Erzeugung eines wichtigen chemischen Zwischenproduktes oder Endproduktes durch Radiolyse;

c) Rückführung aller chemischen Stoffe mit Ausnahme des zugeführten Materials und des erwünschten Endproduktes.

Das wichtigste Merkmal des kombinierten Verfahrens besteht darind, daß die Radiolyse an einem besonders ausgewählten,

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strah}.ungsempfindlichen Molekül mit einem hohen G-Wert durchgeführt wird.

Es wird jedoch bemerkt, daß der Anteil der eingesetzten Strahlungsenergie, der nicht direkt für die Radiolyse verbraucht wird, absorbiert und in Wärme umgewandelt werden kann. Das System kann deshalb so ausgelegt werden, daß sowohl die anregende hochenergetische Strahlung als auch die Wärmeenergie von ein und derselben Quelle erzeugt werden, beispielsweise durch'schnelle Neutronen und andere Strahlungen, die von einer thermo-nuclearen

Reaktion ausgehen. j

Ein anderer Vorteil dieser Verfahren ist im Gegensatz zur direk- | ten Radiolyse von Wasser, bei der Wasserstoff und Sauerstoff ι zusammen entstehen, die Tatsache, daß Wasserstoff und Sauerstoff getrennt in verschiedenen Stufen und physikalisch getrennten ; Zonen der Anordnung erzeugt werden. Dies reduziert die Explosionsigefahr und macht die Reinigung des Endproduktes leichter. j

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Claims

- 11 Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff zur Verwendung als Brennstoff oder als Bestandteil eines Brennstoffes auf Wasserstoffbasis, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Es wird ein Gemisch aus Wasser und einem Halogen erzeugt ;

(b) Dieses Gemisch wird auf eine solche Temperatur erwärmt,;

i daß Halogenwasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden;

(c) Der entstandene Halogenwasserstoff wird der von einer Kernreaktion ausgehenden Strahlung ausgesetzt, ■& zur Erzeugung von Wasserstoff und dem ursprünglichen Halogen.
2. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff zur Verwendung als Brennstoff oder als Bestandteil eines Brennstoffes auf Wasserstoffbasis, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Es wird ein Gemisch aus Wasser und Chlorgas erzeugt;

(b) Dieses Gemisch wird auf eine Temperatur von ca. 800° C erwärmt, so daß Chlorwasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden, wobei die benötigte Wärmemenge aus einer Kernfusionsreaktion gewonnen wird;

(c) Der entstandene Chlorwasserstoff wird der von einer Ker|nfusionsreaktion ausgehenden Strahlung ausgesetzt zur Erzeugung von Wasserstoff und Chlorgas.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das durch die Strahlung erzeugte Halogen zur Wiederholung des ReaktionszyXklus wieder in das System zurückgeführt wird.

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