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Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in geschlossenen aussen von einem Kühlmedium gekühlten Hüllen in einem Moderatorblock eingeführt wird und zwischen der äusseren elektrisch leitenden Hülle und dem mit Brennstoff gefüllten Raum ein evakuierter Zwischenraum vorgesehen ist, der nur durch isolierende Zwischenteile überbrückt ist.
Wegen der bekannten Vorteile des elektrischen Stromes hinsichtlich der Verteilbarkeit und Übertragbarkeit werden Leistungsreaktoren überwiegend zur Gewinnung elektrischer Energie verwendet. Dies geschieht bei allen bisher bekannten Reaktoren mittelbar, indem ein gasförmiges oder flüssiges Medium im Kreislauf geführt wird, wobei es durch die Kernreaktion erhitzt, danach in einer einen elektrischen Generator treibenden Wärmekraftmaschine arbeitsleistend entspannt, darauf einem Kühler zugeführt und schliesslich wieder dem Kernreaktor zugeführt wird.
Neben dem erforderlichen technischen Aufwand hat die mittelbare Gewinnung der elektrischen Energie über den Umweg der Wärmeerzeugung und die Wärmekraftmaschine den Nachteil, dass der erzielbare Gesamtwirkungsgrad begrenzt ist. Dies gilt um so mehr, wenn mit Rücksicht auf die Aktivierung des primär durch das Reaktorcore geführten Mediums noch ein Wärmetauscher und ein sekundärer Kreislauf zwischen Reaktorcore und Wärmekraftmaschine geschaltet werden muss.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades hat man bereits Kernreaktoren entwickelt, die mit hohen Betriebstemperaturen arbeiten, da bekanntlich nur so nach den Gesetzen der Thermodynamik der theoretisch maximal erzielbare Wirkungsgrad gross sein kann.
Im Rahmen dieser Entwicklung sind Brennstoffelemente bekanntgeworden, mit denen sich Temperaturen in der Grössenordnung von. 1500 bis 20000C an ihrer Oberfläche erreichen lassen. Dabei sind für derartige Brennstoffelemente schon die verschiedenartigsten Ausführungsformen beschrieben worden, z. B. liegen sie bereits inStangenform oder als Formkörper beliebiger Gestalt, z. B. Kugein, Berisattelu. a. m., vor.
Es ist weiterhin aus theoretischen Überlegungen zwar grundsätzlich bekannt, dass eine unmittelbare Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen neben einer Einsparung an technischem Aufwand eine Erhöhung des gesamten Wirkungsgrades erwarten lässt ; jedoch sind die bestehenden Schwierigkeiten in der Praxis noch nicht überwunden worden, so dass eine funktionsfähige Anordnung mit diesen Eigenschaften bisher noch nicht bekannt ist.
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me vorhanden sind. Die Temperatur und Isolation kann jedoch beliebig sein.
Demgegenüber dient gemäss der vorliegenden Erfindung die Kernspaltung nur als Wärmequelle und es wird der Glühkathodeneffekt ausgenützt, was ganz andere physikalische Gegebenheiten bedingt, einen grösseren Gesamtwirkungsgrad erzielen lässt und hiefür einen geringeren technischen Aufwand voraussetzt als die bekannten Anordnungen.
Erfindungsgemäss ist die Breite des evakuierten Zwischenraumes kleiner als die mittlere freie Weglänge der von der Innenseite des Zwischenraumes durch Glühen emittierten Elektronen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise Brennstoffelemente verwendet, die Ar- beitstemperaturen von etwa 1500 bis 20000C haben. Die Zweckmässigkeit dieser Arbeitstemperaturen sei zunächst einmal an Hand der folgenden theoretischen Betrachtungen erörtert.
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Glühelektronenemission. Dieses bekannte Gesetz lautet :
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In dieser Formel bedeutet : j = Elektronen-Stromdichte in Ampère/cm2
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- 19 e ='Elementarladung = 1, 602. 10 C ep = Austrittsarbeit in eV
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T = Temperatur in K
Das Gesetz beschreibt die Aussendung von Elektronen aus heissen Wänden, d. h., dass sich aus einer Wand, wenn sie entsprechend aufgeheizt ist, Elektronen lösen. Hiebei wird durch die Wärmeenergie (z.
B. aus Kernspaltungsprozessen) eine hohe Temperatur aufrechterhalten und eine Ladungstrennung erzielt. Zwischen der heissen und der kalten Elektrode baut sich eine Potentialdifferenz auf, die die direkte Entnahme elektrischer Energie gestattet.
Wie die Formel zeigt, sind dabei die Temperatur sowie das Verhältnis von der Temperatur zu der
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bedeutet dies, dass ein Wandmaterial gewählt werden muss, das bei höchsten Temperaturen eine möglichst geringe Austritts- oder Ablösearbeit für die Elektronen hat.
Es ist bekannt, dass von den in Frage kommenden Stoffen die Ablösearbeit sehr unterschiedlich ist.
Sie liegt am niedrigsten bei den Alkalimetallen, u. zw. zwischen etwa 1 - 3eV. Besondere Vorteile jedoch bieten die Oxyde, bei denen die Austrittsarbeit erheblich erniedrigt ist. Bei den Alkali-Oxyden liegen die Austrittsarbeiten z. B. zwischen 0,75 und etwa 2eV.
Ferner wird an die Anordnung die Forderung gestellt, dass zwischen der heissen und der kalten Elektrode ein Vakuum herrscht, wobei erreicht werden muss, dass in diesem Vakuum die mittlere freie Weglänge der Elektronen grösser als der Abstand der beiden Wände ist. Da die Geschwindigkeits- und so- mit auch die Energieverteilung der Elektronen entsprechend einer bekannten Verteilung ist, lässt sich durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen der heissen und der kalten Wand eine Auswahl von Elektronen einer ganz bestimmten Mindestenergie erreichen, was für die Erhöhung des Wirkungsgrades von Bedeutung ist. Gegebenenfalls wird man also den Elektrodenabstand bzw. das Vakuum veränderbar oder sogar regelbar machen.
Neben dieser Energieübertragung durch die Glühemission der Elektronen findet noch eine fur den vorliegenden Fall nutzlose Übertragung durch die Wärmestrahlung statt. Um diese unerwünschte Wärmestrahlung in ihrer Wirkung zu mindern, ist es ratsam, die kalte Wand mit einem Spiegel für Wärmestrahlen
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Dabei lässtdass die Hälfte. der Wärmestrahlung reflektiert wird. Dabei beeinflusst der Warmespiegel den Gluhelektro- neneffekt nicht.
Zur Auslegung der erfindungsgemässen Brennstoffelemente ist es nach der Formel (1) erforderlich, das Potential zwischen den beiden Wänden mit zu berücksichtigen. Um das Maximum fui dieses Potential zu erhalten, Ist es zweckmässig, das Richardson'sche Gesetz folgendermassen zu schreiben :
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wobei eE = Austrittsarbeit oder Ablöseenergie in eV eV = Potential in Volt bedeutet.
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Die sich ergebende elektrische Leistung Q erhält man durch Multiplikation von j mit dem Betrag des PJtentials V. Dabei ergibt sich Q in Watt/cm. Differenziert man diese neue Gleichung nach V und sucht das Maximum für Q, so erhält man die Beziehung eV = kT als günstigsten Wert des erforderlichen Potentials im Hinblick auf die Elektronenausbeute. Ausserdem ist noch das Verhältnis der durch ein Elektron übertragenen elektrischen Energie zu der pro Elektron übertragenen Wärmeenergie für den Wirkungsgrad der Anlage zu beachten. Um dieses Verhältnis am günstigsten zu gestalten, ist es erforderlich, den Anteil an Elektronen, deren Wärmeenergieübertiagung gegenüber der Übertragung von elektrischer Energie zu gross ist, auszusieben. Das geschieht z.
B. durch Beeinflussung des Potentials zwischen den beiden Elektroden mittels des äusseren Widerstandes, gegebenenfalls durch eine selbsttätige Regelung. Dabei ist es ratsam, ein Potential zwischen 1 und 3 Volt zu wählen. Dadurch tritt zwar nach dem Richardson'schen Gesetz eine zum Teil erhebliche Verringerung an der Elektronenausbeute ein, da nur wenige der Elektronen ein solches Potential durchlaufen können, doch erhöht sich der Wirkungsgrad für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch diese Massnahme erheblich. Der Wirkungsgrad ist dabei gegeben durch die Formel
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Vschrieben wurde. Es soll nun eine auf Grund vorstehend dargestellter Theorie entwickelte Anlage beschrieben werden und einige Ausführungsbeispiele von Brennstoffelementen vereinfacht und schematisch dargestellt werden.
Dabei sollen zwei verschiedene Möglichkeiten betrachtet werden :
1. Brennstoffelemente, die in einem beliebigen, bekannten Hochtemperatur-Reaktor verwendet werden können, um dadurch den Wirkungsgrad eines solchen Reaktors zu erhöhen und
2. eine Hochtemperatur-Reaktor-Anlage, die insbesondere für die Verwirklichung der direkten Umwandlung geschaffen werden kann.
Um die erste Möglichkeit zu verwirklichen, sind Brennstoffelemente erforderlich, die eine "doppelte Umhüllung" besitzen, von denen die erste als "Glühkathodenf1 che" wirkt und durch die bei der Kernspaltung auftretende Wärme aufgeheizt wird, während die durch ein Vakuum von dieser heissen Fläche
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sondere Einrichtung zur Abnahme der erzeugten Spannung erforderlich.
Bei einem in dieser Art aufgebauten Element kann ausserdem in einer aus anderem Zusammenhang bekannten Weise eine Vorrichtung zum Abziehen der gasförmigen Spaltprodukte, die das Vakuum zerstören würden, vorgesehen werden. Ein solches Element hat dann die erheblichen Vorteile, dass erstens die Spaltprodukte in einem besonderen Kreislauf abgezogen werden, und dass zweitens das Vakuum nicht durch eine besondere Vakuumpumpe aufrechterhalten zu werden braucht, sondern direkt bei der Herstellung der Elemente vorgesehen wird. Ein derartiges Element liesse sich auch ohne besonderen Aufwand so auslegen, dass es in flüssigkeitsmoderierten Reaktoren verwendet werden kann. Eine andere Ausführung-
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selbstliche Vakuumpumpe abgepumpt werden.
Soll die zweite der aufgezeigten Möglichkeiten realisiert werden, so erscheint eine konzentrische Anordnung der beiden Flächen zweckmässig. Bei dieser Anordnung würde der Brennstoff in konzentrischen Ringen, z. B. homogen mit dem Moderatorvermengt, angeordnet sein.
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Die beiden letztgenannten Möglichkeiten werden unter anderem im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.
In den Fig. 1-4 Ist ein Brennstoffelement dargestellt, wie es auch in beltannten Reaktoren verwendet werden kann. Das Brennstoffelement besteht aus einem z. B. zylinderformigen Stab 1 aus Spaltstoff (gegebenenfalls auch Spaltstoff mit Moderator bzw. mit zusätzlichem Brutstoff), um den eine als Glühkathode wirkende Umhüllung 2 angeordnet ist. An den Werkstoff für diese Elektronen emittierende Schicht
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Wert für die Ablösearbeit der Elektronen aufweist. Als Werkstoff kommenz. B. Thorium auf Wolfram, mit Wolfram imprägniertes Barium, Calzium auf Wolfram oder auch Karbide wie TIC (oder ZrC, Oxyde wie ThQ, BaO/SrO oder auch Silizide) in Frage, wie es von den Glühkathode in Vakuumrohren bekannt ist. Von dieser Wand durch ein Vakuum (in der Grössenordnung von z.
B. 10-z Torr) getrennt, befindet sich eine Anodenwand 3. Der Abstand der Wände 2 und 3 richtet sich nach der Reichweite der Elektronen, die an der Wand 3 gesammelt werden sollen. Diese Anodenwand 3 wird durch das einen Ringspalt 19 durchströmende Kühlmittel, z. B. ein Edelgas, gekühlt und auf einer Temperatur von etwa COO. bis 10000C gehalten ; sie ist auf der Innenseite an der Oberfläche poliert, so dass eine Spiegelung der Wärmestrahlen eintritt. Der als Kühlkanal wirkende Ringspalt 19 ist von einem Moderator 4 durch eine Wand 7 getrennt.
Die untere Begrenzung des Reaktorcores ist durch einen Tragrost 6 gebildet, der obere Abschluss durch eine Platte 5. In den unteren Tragrost 6 ist ein Isolationsring 17 eingesetzt, der einerseits die Wand 7. hält und anderseits den Tragrost abisoliert.
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Brennstoffelement mit einer Bodenplatte 14, die aus dem gleichen Material wie die Umhüllung 2 gefertigt ist, auf den Stromabnehmer 15 auf ; den Abstand zum Ringspalt 19 gewährteinIsolationsring 16, der gleichzeitig als Distanzring zwischen den Wänden 1 und 2 dient. Der Kopf des auswechselbaren Brennstoffelementes wird durch einen Stromabnehmer 9 gebildet, in den ein Isolatorring 18 eingesetzt ist. Mit diesem Ring, dessen Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist, liegt das Element an der oberen, den Reaktorcore-Abschluss bildenden Platte 5 an.
Um das erforderliche Vakuum zwischen den Wänden 2 und 3 zu halten, ist ein Anschluss an eine Vakuumpumpe erforderlich. Dieser Anschluss erfolgt über einen Kopf 11. An diesem Kopf 11 ist ein Metallring 9 zwecks Verstärkung der Stromabnahme von der Wand 3 vorgesehen. Der Kopf 11 ist von diesem stromabführenden Ring 9 durch den Isolationsring 10 getrennt.
In dem Element selbst ist eine Hintereinanderschaltung vorgenommen. Die Anzahl der elektrischen Zellen je Element ist dabei beliebig und von der Länge des Elementes abhängig. Die Wärmeleitung innerhalb der bei Hintereinanderschaltung gekreuzten Elektroden ist zu berücksichtigen. In Fig. 1 ist eine der Schaltungen unterhalb des Schnittes B-B zu erkennen. Dabei dient der Isolationsring 12 zum Abisolieren der Wand 2 gegen die Wand 3 und gleichzeitig als Distanzring für den Abstand der Hüllen 2 und 3. Der Isolationsring 13 dient als Isolator an der Schaltungsstelle und als Distanzring zwischen den Hüllen 3 und 7 und 2 und 3. Die Fig. 3 gibt einen Querschnitt an der Stelle B-B an und lässt die Ausbildung der Ringe 12 und 13 erkennen. Schliesslich zeigt Fig. 4 einen Querschnitt an der Stelle C-C und lässt den Kfihl- gaseintritt erkennen.
Zur näheren Erläuterung sei ein Zahlenbeispiel zu diesem dargestellten Element gegeben :
Länge des Elementes : 1 = 3 m
Hiebei sollen das Element in drei Abschnitte-1 = 1-1 = 1 m unterteilt und diese Abschnitte hintereinander geschaltet sein.
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Die Temperatur sei in allen drei Abschnitten gleich (was zwar nicht exakt stimmt, aber für diese Überschlagrechnung angenommen werden kann, zumal die angenommene Temperatur gemittelt ist).
T = 18000K
T = 1000 K
EI = 2 V
V = 1 V
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Dieser Wert entspricht einer Wärmeleistung von
Q =1. V. 3 ges ges = 6, 51. 105 Watt Q =0, 651 MW/Stab ges
Bei dem Reaktor möge die Anzahl der Stäbe in der Grössenordnung von 140 Stäben liegen. Da infolge der Temperaturverteilung jedoch nicht alle Stäbe die gleiche Temperatur besitzen und hier sogar das Maximum zu Grunde gelegt wurde, werde mit 100 Stäben gerechnet. Das ergibt eine Leistung von
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Da diese elektrische Leistung zusätzlich zu der thermischen Leistung auftritt, welche mit dem Kühlmittel entnommen wird und mit bekanntem Wirkungsgrad ebenfalls in elektrische Leistung verwandelt werden kann, bedeutet dies eine erhebliche Vergrösserung des Wirkungsgrades der Anlage.
Der Wirkungsgrad für die direkte Energieumsetzung allein ergibt sich dabei, wenn mit einem Spiegelfaktor von 5010 für die Wärmestrahlung gerechnet wird, zu :
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Dieser Wirkungsgrad lässt sich-jedoch durch Optimalisierung des Potentials bzw. des Vakuums noch erhöhen.
. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 5 - 7 dargestellt. Dabei stellt Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Element gemäss der Erfindung dar und Fig. 6 die Draufsicht auf dieses Element. Dieses Element ist für einen Reaktor vorgesehen, dessen Brennstoffelemente in an sich bekannter Weise in Kugelform oder als Granulat vorliegen. Abweichend von dem zuvor beschriebenen Element ist hiebei die Ausbildung des Kopfes. Bei diesem Beispiel ist das"Gluhkathodenelement"fest eingebaut ; es ergeben sich die bekannten Vorteile, die durch die Verwendung von Brennstoffkugeln bedingt sind (einfaches Beschicken, kontinuierlicher Betrieb).
Hiebei ist der Tragring 18 nach Fig. 1 ersetzt durch vier fest eingebaute Isoliersegmente 22, die gesondert in Fig. 7 dargestellt sind. Auf diesen vier Isoliersegmenten 22 liegt ein Stromabnehmer 21. Der
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eigentliche Kopf 20 des Elementes besteht aus Isolierstoff, auf dem oder in dem ein Anschlussstutzen 23 für die Vakuumleitung vorgesehen ist.
Die Hintereinanderschaltung der einzelnen Teile des Elementes ist anolog der Fig. 1 ausgeführt, ebenso der Fuss.
An Hand dieser beiden Beispiele sollte insbesondere gezeigt werden, dass beispielsweise die Verwirklichung der Erfindung in jedem der bekannten Hochtemperatur-Reaktoren und darüber hinaus auch noch in
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(wie Gitterkonstante u. a. m.) nicht zu ändern brauchen, und dass sich eine echte Erhöhung des Wirkungsgrades ergibt. Es sei noch darauf hingewiesen, dass diese direkt stromerzeugende Anordnung von besonderem Vorteil ist, da sie als besonders zuverlässige Stromquelle für die Speisung der Sicherheitseinrichtungen des Reaktors verwendet werden kann, da sie nur vom Reaktor abhängig ist.
In den Fig. 8,9 und 10 ist das Core eines Reaktors dargestellt, der zur direkten Erzeugung elektrischer Energie dient. Ausserdem wird aber auch die durch das Kühlmedium übertragene Wärmeenergie in bekannter Weise ausgenutzt. Die Fig. 8 stellt eihen Längsschnitt durch das konzentrisch zur Längsachse M - M aufgebaute Core dar, Fig. 9 einen Querschnitt an der Stelle D - D und Fig. 10 einen Querschnitt an der Stelle E - E. Verglichen mit den'Fig. 1-7 sind gleiche Positionsnummern gleichen Positionen zugeordnet. Konzentrisch zu der Längsachse M - M sind die einzelnen Kathodenflächen 2 und die von diesen Flächen 2 durch ein Vakuum getrennten Anodenflächen 3 angeordnet.
Die Anodenflächen 3 werden durch das Kühlmedium gekühlt, das die beiderseits von den Anodenflächen 3 begrenzten Ringspalte 19 durchströmt. Bei dieser Anordnung liegt der heisseste Stab im Zentrum, also mit seiner Längsachse in der Achse M - M. Die konzentrischen Ringe, die zur Aufnahme der Brennstoffelemente dienen, kön-
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ser Anordnung eine gleichmässige Verteilung des Neutronenflusses und der Temperaturen erreichen.
Der durch Glühemission in den hintereinandergeschalteten Ringen erzeugte Strom lässt sich durch die Stromabnehmer 5 bzw. 25 abführen. Dabei ist an der oberen Seite der Elemente eine Isolation 24 zwischen der heissen und der kalten Wand vorgesehen. Dabei soll diese Isolation 24 gleichzeitig den Vakuumraum zwischen Fläche 2 und 3 dicht nach oben hin abschliessen. Die Hintereinanderschaltung ist analog der Fig. 1 durchgeführt.
Der Stromabnehmer 25 ist so ausgebildet, dass durch den Raum 27 über den Anschlussstutzen 28 mittels einer Vakuumanlage das erforderliche Vakuum zwischen den Flächen 2 und 3 aufrechterhalten werden kann.
Die Stromabnehmer 25 sind untereinander durch die Isolationsringe 26 bzw. 29 getrennt. Dabei wird durch die Öffnungen der mit Segmenten versehenen Ringe des Isolationsringes das Kühlmedium in die Spalte 19 geleitet. Das Kühlmedium verlässt die Spalte durch die ebenfalls mit Segmenten versehenen Stromabnehmer 5.
Die Isolationsringe 26 bzw. 29 sind ausserdem so ausgebildet, dass sie die Flächen 2 und 3 an ihrem unteren Ende elektrisch trennen und den Abstand halten. Die Form der Ringe ist ebenfalls aus Fig. 10 zu ersehen.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen nur drei der sehr zahlreichen Varianten dar und sollen nur dazu dienen, in vereinfachter Darstellung einige grundsätzliche Lösungsmöglichkeiten zu zeigen und um ausserdem die erfindungsgemässe Aufgabenstellung zu interpreteren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur unmittelbaren Gewinnung elektrischer Energie aus Kernprozessen in Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in geschlossenen aussen von einem Kühlmedium gekühlten Hüllen in einem Moderatorblock eingeführt wird und zwischen der äusseren elektrisch leitenden Hulls und dem mit Brennstoff gefüllten Raum ein evakuierter Zwischenraum vorgesehen ist, der nur durch isolierende Zwischenteile überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des evakuierten Zwischenraumes kleiner als die mittlere freie Weglänge der von der Innenseite des Zwischenraumes durch Glühen emittierten Elektronen ist.