DE2515279C2

DE2515279C2 - Vorrichtung zur Herstellung hohler Mikrokugeln aus Glas

Info

Publication number: DE2515279C2
Application number: DE2515279A
Authority: DE
Inventors: Ronald George Ypsilanti Township Mich. Budrick; Frank Tighe Hillsboro Oreg. King; Alfred Joseph Martin; Robert Lee Nolen Jun.; David Eugene Ann Arbor Mich. Solomon
Original assignee: KMS FUSION Inc ANN ARBOR MICH US
Current assignee: KMS FUSION Inc ANN ARBOR MICH US
Priority date: 1974-04-15
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1984-05-03
Also published as: GB1498427A; CA1066896A; FR2267287A1; FR2267287B1; DE2515279A1; US4017290A

Description

a) die Heizeinrichtung (30, 40, 42) die Wärme dem Fallrohr (20) von außen zuführt und mindestens zwei Abschnitte des Fallrohres (20) derart unabhängig erwärmt, daß mindestens zwei unabhängig geregelte Erwärmungszonen entlang des Fallrohrs (20) gebildet werden;

b) das untere Ende des Fallrohres (20) in einen Behälter (46) mit einem Flüssigkeitsvolumen derart eintaucht, daß der Flüssigkeitsspiegel über dem unteren Ende des Fallrohrs liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Fallrohrs (20) durch einen Verschluß (48) verschlossen Ist, und daß der Verschluß (48) eine mittige Öffnung zum Einführen von Glasfritle In das Fallrohr (20) aufweisi.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß In der Nachbarschaft des Fallrohrs (20) eine Mehrzahl von Heizeinheiten (38 bis 42) angeordnet 1st, die In vertikaler Richtung getrennte Abschnitte des Fallrohrs (20) unabhängig voneinander auf unterschiedliche Temperaturen aufheizen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hcizelnheiten (38 bis 42) eine Mehrzahl halbzylindrischer Abschnitte von Widerslandsheizern (38/1 bis D, 40-4 bis D, XlA bis D) aufweisen, die in Zylindern um das Fallrohr (20) herum angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem oer Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fallrohr (20) eine Gesamtlänge von etwa 275 cm und einen Innendurchmesser von etwa 1,3 bis 1,9 cm aufweist, und daß das Fallrohr (20) durch drei fluchtende Rohrabschnitte mit einer Länge von 91,5 cm gebildet Ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung hohler Mikrokugeln aus Glas mit einem hohlen, vertikalen Fallrohr und mit einer Heizeinrichtung zur Erwärmung des Innenraumes des Fallrohres.

Gegenwärtig werden viele Versuche angestellt, dadurch zu einer Fusionsreaktion zu kommen, daß eine gewisse Menge Fusionsbrennstoff, z. B. Deuterium oder Deuterium-Tritium, einem gepulsten Laserstrahl ausgesetzt wird. Bei den In den US-PS 33 78 446, 34 89 645, 24 239 und 37 62 992 beschriebenen Verfahren wird ein Tropfen Deuterium oder ein Pellet unter Tief'iemperaturen verwendet, bei denen es als Festkörper angesehen werden und wie ein solcher behandelt werden kann Der Brennstofl'troplen fällt dabei in eine Reaktionskammer; der Laserimpuls wird zeitlich so synchronisiert, daß er den Tropfen etwa in der Mitte der Reaktionskammer trifft.

In der DE-OS 24 55 366 ist ein Brennstoffelement beschrieben, das die Form einer hohlen Mikrokugel aus Glas hat. Diese wird dadurch mit einem Fusionsbrennstoff, beispielsweise Deuterium oder Deuterium-Tritium, gefüllt, daß von den Durchlässigkeitseigenschaften der Glaswände-der Mikrokugel Gebrauch gemacht wird und der in gasförmigem Zustand befindliche Brennstoff zum Wandern durch die Glaswände und zum Innenraum der Kugel gebracht wird. Sind die Mikrokugeln einmal mit Brennstoff beschickt, so können sie bei geeigneten Bedingungen über lange Zeiträume gelagert werden, bis sie bei der Fusionsreaktion verwendet werden. Hohle

r> Mikrokugeln sind zwar im Handel erhältlich, sie sind jedoch wegen der Ungleichmäßigkeit ihrer Abmessungen und ihrer Wandstärke nicht zur Verwendung bei Fusionsreaktionen geeignet.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der GB-PS 7 43 265 bekannt. Allerdings werden dort nicht Glas- sondern Schiefersphäroide hergestellt. Das Material, welches sich unter chemischer ZeiSetzung eines Blähmittels zu einer Hohlkugel entwickeln soll, fällt bei der bekannten Vorrichtung durch die Verbrennungszone

2"> eines Ofens. Bei dieser Ausgestaltung der Heizeinrichtung für das Fallrohr ist es nicht möglich, ein exaktes Temperaturprofil herzustellen. Außerdem beeinträchtigen und beeinflussen die Verbrennungsgase, durch welches das Material zwangsläufig fällt, die Ausbildung der

i'i Hohlkugeln. Kugelgröße und Wanddicke können auf diese Weise nicht ausreichend genau festgelegt werden.

Gleiches gilt für die in der US-PS 20 44 680 beschriebene Vorrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor-

i'j richtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß mit ihr hohle Mikrokugeln wohldefinierter Größe und Wandstärke, die zur Verwendung bei Fusionsreaktionen geeignet sind, hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird das Material, aus dem sich die hohlen Glaskugeln bilden sollen, durch ein Fallrohr befördert, das von außerhalb beheizt ist. Innerhalb des Fallrohres kann sich so eine geschlorsene Wärmezone mit geregelter Atmosphäre und ganz genau bestimmtem Temperaturprofil ausbilden. Nur auf diese Welse lassen sich sämtliche Parameter In einer Welse einstellen, die

'" eine genaue Reproduzierbarkeit der Mikrokugelngröße und der Schalendicke erlaubt. Die Flüssigkeit am unteren Ende des Fallrohres dient einem doppelten Zweck: zum einen wird die Atmosphäre Innerhalb des Fallrohres kontrolliert, was, wie erwähnt, für das Aufblasen (Aufblä-

" hen) der Kugeln von entscheidender Bedeutung ist. Zum anderen werden in dem Flüssigkeitsvolumen die intakten Mikrokugeln von denjenigen in einfacher Welse getrennt, die zerbrochen oder in sonstiger Welse defekt sind: erstere sammeln sich auf der Wasseroberfläche

^W) schwimmend an; letztere sinken ab.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch die zur Herstellung der Mikrokugeln verwendete Vorrichtung: und

^h> Fig. 2 einen .schematischen Schaltplan der Heizanordnung der In Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Vorteilhafte Kenngrößen von Mikrokugeln sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:

Tabelle I

Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Behandlungszyklen zwischen 4° K und 600° K

Schubfestigkeit: > 7 000 kg/cm* ( 100 000 psi)
Zugfestigkeit: > 70 000 kg/cm? (1 000 000 psi)
Abriebfestigkeit: hoch

Permeabilität für Wasserstoff bei 600° K: 10~⁸ »>

Permeabilität für Wasserstoff bei 300° K: \0~"
Permeabilität für Wasserstoff bei 77° K: ΙΟ"⁷
Reflexionsvermögen zwischen 10 und 50 μ: hoch
Reflexionsvermögen bei 1,06 μ: nieder

Absorptionsvermögen bei 1,06 μ: hoch

\ußendurchmesser: 100 bis 400 μ+1 μ
Wandstärke: 1 bis 4% des Durchmessen- ± 0,4 μ

Gleichförmigkeit der Wandstärke:

± 2% der Wandstärke

Abstand des Mittelpunktes von innerer und äußerer

Oberfläche: ± 1% des Außendurchmessers

Abweichung von der Kugelform: ±1%
Oberfiächenrauhigkeit: als 2 μ
mittlerer quadratischer Fehler: (< 2 μ rms)
spezifische Dichte: <0,3 _!(l

chemische Zusammensetzung: -70% SiO₂

~ 25% Na₂O
~ 0% Pb_xO₁.
~ 0% Bi_xO₁
~ 5% CaO" a

Flg. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikrokugeln. Der wichtigste Bestandteil der Vorrichtung ist ein zentrales, gerades, hitzebeständiges Fallrohr 20, das aus drei fluchtenden Rohrabschnitten 22, 24 und 26 ·"> aufgebaut ist. Diese Rohrabschnitte können bevorzugt eine Länge von 91.4 cm und einen Außendurchmesser von 7.62 cm aufweisen. Der Innendurchmesser beträgt vorzugsweise 1,3 bis 1.9 cm (2-3/4"). Die hltzebeständlger. Rohrabschnitte können hohen Temperaturen stand- « halten. Ein geeignetes Material ist z. B. Mullit (McDanel Refractory Co.). Das aus den Rohrabschnitten zusammengesetzte F.illrohr 20 wird von mit Öffnungen versehenen Platten 30, 32, 34 und 36 getragen. Diese sind In Längsrichtung des Fallrohrs 20 in Abstand voneinander ^r'<> angeordnet und aus hitzebeständlgem Material, z. B. Transite gefertigt. Vorzugswelse können ihre Abmessungen 56 cm χ 56 cm χ 2,5 cm betragen. Um das Fallrohr 20 herum sind zwischen den Platten 30 bis 36 hitzebeständige Steine 28 angeordnet. In radialer Richtung weisen "·"' sie einen geringen Abstand von dem Fallrohr 20 auf. Vorzugsweise können die Steine 28 die Abmessung 23 cm χ 5 cm χ 13 cm aufweisen.

Das Fallrohr 20 muß über seine gesamte Länge geheizt werden. Dies erfolgt unter Verwendung dreier getrennter ^wl und unabhängig voneinander regelbarer Heizeinheiten, die das Fallrohr 20 umschließen. Die erste Heizeinheit 38 weist drei der Außenform des Fallrohres 20 angepaßte HaIhAlinder (Durchmesser 7.6 cm) mit geeigneten nicht dargestellten Zuleitungen auf. Sie wird als ein vollsta'ndi- '" gor Zylinder /wischen den Planen 36 und 34 angeordnet Die /weite llei/einheit 4'.' Ist /wischen den Platten 34 und 32 und die dritte llci/einheit 42 /wischen den Platten 30 und 32 angeordnet. Im Abstand über den zwischen den Platten 30 und 36 liegenden Abschnitt des Fallrohres 20 verteilte Thermoelemente 1 bis 12 dienen zur Überwachung und Einstellung der richtigen Temperatfr.

Die einer ersten Zone I zugeordnete erste Heizeinheit 38, die zwischen den Platten 36 und 34 angeordnet ist, dient zum Aufbau eines zum Vorheizen geeigneten Temperaturprofiles. Die Heizer werden mu 130 V und 8 A betrieben; insgesamt werden sechs vollständige Zylinder (zwölf Halbzylinder) benötigt. Die zweite Heizeinheit 40, die zwischen den Platten 34 und 32 angeordnet ist, ist einer zweiten Zone II zugeordnet und dient zum Aufbau eines zum Aufblasen der Mikrokugeln dienlichen Temperaturprofiles. Die zwischen den Platten 32 und 30 angeordnete dritte Heizeinheit 42 dient zum Heizen einer dritten Zone, in der das geschmolzene Glas fließen kann.

Die gesamte Anordnung ruht über Stützen 43 auf einer Grundplatte 44, so daß das untere Ende des Rohrabschnittes 22 einen Abstand von beispielsweise 7,6 oder ■ 10,2 cm von der Grundplatte 44 aufweist. Bei der Herstellung von Mikrokugeln wird unter den Rohrabschnitt 22 ein Behälter 46 gestellt, der so weit mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, gefüllt ist, daß der Flüssigkeitsspiegel über dem unteren Ende des Rohrabschnittes 22 liegt, so daß das Fallrohr 20 zur umgebenden Atmosphäre hin abgeschlossen Ist. Am oberen Ende des Fallrohres 20 ist ein isolierender Block 48 angeordnet. Dieser ist mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Trichters 50 versehen. Dies ermöglicht das Einführen von Fritte in die Mitte des Fallrohres 20 und verschließt zugleich dessen Oberseite. Hierdurch wird zusammen mit der Flüssigkeitsdichtung am unteren Ende des Fallrohres 20 die Kaminwirkung (Zug nach oben) im erhitzten Fallrohr 20 so klein wie möglich gehalten. Eine starke Luftströmung nach oben würde die herabfallende Fritte an die Wände des Fallrohres 20 drücken und die gewünschte Herstellung von Mikrokugeln verhindern.

Das so weit beschriebene hitzebeständige Fallrohr 20 glättet das Gesamttemperaturprofil und ist selbstreinigend. Der Aufbau aus Rohrabschnitten erlaubt einen leichten Austausch, falls die Rohre springen oder brechen.

Die Vorrichtung zur Herstellung von Mikrokugeln arbeitet wie folgt: Glasfrltte iner vorgegebenen Größe, z. B. Im Bereich von 50 bis 90 μπι wird durch den Trichter 50 In das geheizte Fallrohr 20 eingeführt. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß eine kleine Menge der Fritte in eine kleine Mulde aus Glas oder Metall gegeben wird und daß die Mulde zum Schwingen gebracht wird, so daß die Fritte stetig und ohne Klumpen zu bilden in das Fallrohr 20 eingeführt wird. Das Fallrohr 20 wird vorzugsweise auf Temperaturen aufgeheizt, welche in der Zone I zwischen 900° C und 1100° C, in der Zone 11 zwischen 1100° C und 1300° C und in der Zone III zwischen 800° C und 1000° C liegen. Die Fritte wird auf Schmelztemperatur erhitzt, und das eingeschlossene Material, z. B. Harnstoff, dehnt sich aus, so daß die hohle Kugel gebildet wird. Die Gestalt der geschmolzenen hohlen Kugeln stabilisiert sich beim freien Fall, bevor die Kugel in die im Behälter 46 befindliche Flüssigkeit eintaucht. Zerbrochene Kugeln fallen auf den Boden der Flüssigkeit, wäh-•"nd ganze Kugeln auf der Flüssigkeit aufschwimmen.

Ist eine Charge Fritte mit bestimmter gewünschter Größe durch das Fallrohr 20 hindurchgclaufcn, so wird der Behälter 46 weggenommen, und auf die aufschwimmenden Kugeln können sofort auf einen zum Prüfen verwendeten Glasträger gelegt werden, auf dem sie unter

dem Mikroskop auf Qualität und Abmessung geprüft werden können. Die Vorrichtung kann sofort mit einer zweiten Charge beschickt werden, wobei Frilte mit anderer Größe verwendet werden kann, ohne daß die Tempcraturproflle Im Fallrohr geändert werden müssen. Dabei ί können dann Mikrokugeln mit einer von der Größe der ersten Charge verschiedenen Größen erhalten weiden. Dieser Arbeitsablauf kann so oft wie gewünscht wiederholt werden, wilhrend im Fallrohr 20 ein bestimmtes Temperaturprofll eingestellt Ist. ι»

Durch bekannte analytische Verfahren Ist es möglich, den Außendurchmesser, die Wandstarke, die Gleichförmigkeit der Wandstürke und andere Kenngrößen einer jeden der Kugeln vorzugeben. Die Kugeln können dann mit einem gewünschten Fusionsbrennstoff beschickt i"> werden und zur späteren VelwenuUI'ig in der Kammer des Fusionsreaktors angeordnet werden.

Fig. 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild, das zur Heizung des aus den Rührabschnitten 22. 24, 26 aufgebauten Fallrohres 20 Verwendung linden kann. Die Vorrichtung weist die drei Zonen I bis 111 auf, von denen jede durch vier Widerstandsheizer beheizt wird, wobei je ein Widerstandsheizer für jede halbkreisförmige Umwicklung der Hei/einheilen vorgesehen Ist. Die Zone I hat Widerstandsheizer 38·(, B, C und I), die jeweils durch getrennte Widerslände 60, 62, 64 und 66 geregelt werden.

Zur Versorgung mit elektrischer Fnergie sind die Netzleitungen 68 und 69 vorgesehen. Der Zone 2 sind Widerstandsheizer 40.4. Ii. C und D sowie Regelwiderstände 70. 72, 74 und 76 zugeordnet. Die Zone 3 weist Widerstandshelzer 42/1. B, C und D auf, die durch Widerstände 80, 82, 84 und 86 geregelt werden. Damit kann die Temperatur in den verschiedenen Zonen sehr gut auf die angegebenen Temperaturen eingeregelt werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung hohler Mikrokugeln aus Glas mit einem hohlen, vertikalen Fallrohr und mit einer Heizeinrichtung zur Erwärmung des Innenraumes des Fallrohrs, dadurch gekennzeichnet, daß