AT500236B1 - Alternierende protonenstrahlung/betastrahlung fusionsmikroreaktor - Google Patents

Abstract

Der „Alternierende Protonenstrahlung / Betastrahlung Fusionsmikroreaktor" besteht aus einem einstufigen Linearteilchenbeschleuniger, bei welchen neben der Abbremsung der Teilchenstrahlung in der Materie eines Zielobjektes (1) auch exotherme Fusionsreaktionen in dem Zielobjekt (1) ausgelöst werden, mit der Besonderheit, dass abwechselnd eine Protonenstrahlung und eine Betastrahlung aus demselben Strahlenerzeugungssystem (3) (Kathode) auf dasselbe Zielobjekt (1)(Festkörperscheibe) erzeugt werden, und durch diese abwechselnde Bestrahlung neben einer Aufladung des Zielobjektes (1) mit Wasserstoffatomen auch verschiedene exotherme Fusionsreaktionen im Zielobjekt (1) ausgelöst werden.Diese Strahlenarten werden dabei durch unterschiedliche Regelung der Beschleunigungsspannungen in jeder Periode betreffend ihrer Eindringtiefe und Restenergie so aufeinander abgestimmt, dass exotherme Fusionsreaktionen hauptsächlich mit den im Zielobjekt (1) durch die Abbremsung der Protonenstrahlung vorhandenen Wasserstoffatomen erfolgen, sowohl direkt durch Proton-Proton Fusionen, als auch indirekt unter Bildung von Neutronen mit einer umgekehrten Betazerfallreaktion der Betastrahlung mit den im Zielobjekt (1) vorhandenen Wasserstoffatomen und nachfolgender exothermer Fusion der Neutronen mit den im Zielobjekt (1) vorhandenen Wasserstoffatomen oder anderen Atomen im Zielobjekt (1).

Description

österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Fusionsmikroreaktor mit alternierender Protonen-/Betastrah-lung und gehört zum technischen Fachgebiet der Energietechnik, Untergruppe Kernenergietechnik. STAND DER TECHNIK IN DIESEM FACHGEBIET: [0002] Die Kernenergietechnik wird in der Praxis unterteilt in die Atomenergietechnik, die auf der Gewinnung von Energie aus der Spaltung großer Atomkerne (Massenzahl größer etwa 200 atomare Masseneinheiten) wie z.B. Uran beruht und der Kernfusionsenergietechnik, die auf der Gewinnung von Energie aus der Fusion kleiner Atomkerne (Massenzahl kleiner etwa 50 atomare Masseneinheiten) beruht.

[0003] Der praktische Einsatz von Reaktoren zur Energiegewinnung aus Kernenergie erfolgt heute zum gegenwärtigen Stand der Technik (noch) ausschließlich im Gebiet der Atomenergietechnik, wo zahlreiche Reaktortypen, die sich hauptsächlich in der Verwendung des spaltbaren Materials (Uran 235, Uran 238, Plutonium 239), den verwendeten Kühlmitteln (Siedewasserreaktor, Wasserdampf, flüssiges Natrium) und den verwendeten Moderatoren (Cadmium, Graphit, schweres Wasser) unterscheiden, im praktischen Einsatz sind.

[0004] In der Kernfusionsenergietechnik werden derzeit zum gegenwärtigen Stand der Technik vorwiegend die Plasmafusionsreaktoren praktisch getestet und erforscht (Beispiel: ITER in Südfrankreich).

[0005] Bei den Plasmafusionsreaktoren werden in einem ultra hoch erhitzten Plasma, meist Wasserstoff im sogenannten 4. Agregatzustand, welches infolge der hohen Temperatur zu (fast) 100 % ionisiert ist, und welches infolge der Ionisation mittels der Lorenz Kraft durch starke und besonders angeordnete Magnete in einer bestimmten Kreisbahn mit konstanter Geschwindigkeit im Reaktor gehalten wird und gleichzeitig magnetisch komprimiert wird, Fusionsreaktionen zwischen den Plasmateilchen ausgelöst.

[0006] Treten im Plasma durch die hohe, zu Beginn von außen induzierte Temperatur, Kernfusionsreaktionen auf, so erhitzen diese durch die freigesetzte Energie das Plasma weiter, wodurch die Energiezufuhr von außen zunehmend gedrosselt werden kann, und schließlich in Form von Strahlung Energie an die Umgebung des Plasmas, also an die Reaktorwände, abgegeben wird, und das Plasma somit durch die Kernfusionen selbsttätig „brennt" und neu hinzugefügtes Gas zum Plasma erhitzt.

[0007] Das Prinzip bzw. die Funktionsweise der Plasmafusion ist dabei ähnlich dem Prinzip und der Funktionsweise der natürlich auftretenden Kernfusion in der Sonne und in den Sternen, wo in einem durch die Gravitationskräfte komprimierten heißen Gas (Wasserstoff) im Plasmazustand Kernfusionen ausgelöst werden, die durch die Hitzeentwicklung der Kernfusionsvorgänge zu einer thermischen Ausdehnung führen und dadurch die für die Aufrechterhaltung der Fusion erforderliche Kompression des Plasmas wieder reduzieren und auf diese Weise selbsttätig regulieren. Auch bei den Plasmafusionsreaktoren erfolgt die Regelung der Kernfusion einerseits durch die Zufuhr weiteren, noch unverbrauchten Brennmaterials (noch nicht ionisierten und magnetisch komprimierten Wasserstoff) und andererseits durch die in diesem Fall magnetische Kompression des Plasmas, mit dem also der Abstand der Atome und damit die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Kernfusionsreaktionen, gesteuert wird.

[0008] Für den praktischen Betrieb der Plasmafusionsreaktoren bestehen derzeit allerdings noch einige schwer lösbare technische Probleme, wie die für die magnetische Kompression erforderliche rasche Herstellung des 100 % lonisationsgrades des neu zugeführten Brennmaterials, die Korrektur der Plasmaumlaufbahn bei den unvermeidlichen Abweichungen von der Ideallinie bei Veränderung der magnetischen Kompression, der zur Aufrechterhaltung der Kernfusion erforderlichen magnetischen Kompression bei Auftreten von Kernfusionszellen (punktuelle Überhitzung des Plasmas) und andere technische Probleme, sodass mit einem praktischen 1/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15

Betrieb eines Plasmafusionsreaktors erst in einigen Jahren gerechnet werden kann.

[0009] Für Kernfusionsreaktoren sind neben der „Plasmafusion" derzeit auch noch 3 andere grundlegend von der Plasmafusion unterschiedliche Prinzipien bekannt: [0010] 1) Die wissenschaftlich nicht nachweisbare Behauptung einer sogenannten „kalten Kernfusion", die angeblich im Prinzip durch Elektrolyse von Wasser oder schweren Wasser in Palladium Elektroden, die zuvor mit Wasserstoff oder schweren Wasserstoff gesättigt wurden, stattfinden soll. Durch die an der Oberfläche der Palladium Elektroden stattfindende Elektrolyse mit Wasserstoffbildung sollen in den bereits mit Wasserstoff oder schweren Wasserstoff gesättigten Palladium Elektroden angeblich Fusionsreaktionen von Wasserstoffatomen ausgelöst werden können. Der wissenschaftliche Beweis dieser „kalten Fusion" konnte bis heute jedoch nicht erbracht werden, weshalb diese Technik auch nicht zum gegenwärtigen Stand der Technik gezählt werden kann.

[0011] 2) Die sogenannte Wasserstoffbombe zur Fusion von Lithiumdeuterid ist als eine unkontrollierte bzw. unkontrollierbare Kernfusion für militärische Zwecke zum gegenwärtigen Stand der Technik bekannt. Zusätzlich existieren in der technischen Literatur zu dieser Technik bisher nicht realisierbare Ideen für einen möglichen Einsatz zur Energiegewinnung derart, „kleine" Wasserstoffbomben in der Mitte eines großen, stabilen Reaktors zu zünden, sodass die Reaktorwände der Explosion durch den Abstand zum Explosionszentrum Stand halten sollen und somit nur die Energie der Explosion zum Beispiel an ein in den Reaktorwänden enthaltenes Kühlsystem kontrolliert abgegeben wird. Dieses Prinzip eines Kernfusionsreaktors ist bisher wegen der Abweichungen um „Zehnerpotenzen" für die kleinstmögliche Wasserstoffbombe, die zur Zündung eine Atombombe benötigt und daher nicht beliebig verkleinert werden kann, und der erforderlichen Reaktorgröße und Reaktorstabilität zur Standhaltung der Sprengwirkung derzeit sehr weit von einer Realisierung entfernt und gehört daher derzeit ebenfalls nicht zum gegenwärtigen Stand der Technik für die zivile Nutzung der Kernenergietechnik.

[0012] 3) Die Kernfusion in Teilchenbeschleunigern, die zum gegenwärtigen Stand der Technik allerdings fast ausschließlich zur Elementumwandlung bzw. Isotopenerzeugung, zur Erzeugung bestimmter (radioaktiver) Strahlungen und zur Bestimmung, Messung und Erforschung von Teilchenstrukturen verwendet wird. Der Vorteil und Nachteil von Teilchenbeschleunigern als Kernfusionsreaktoren besteht dabei darin, dass bei diesen die stattfindenden Kernfusionsreaktionen direkt durch die Einspeisung von Energie von außen zur Beschleunigung von ionisierten Teilchen gesteuert werden, also bei Abschaltung der Energie an dem Teilchenbeschleuniger die Kernfusionsreaktionen bis auf Zerfallsreaktionen durch zuvor stattgefundene Teilchenumwandlungen im wesentlichen verschwinden. Die Kernfusionen bei Teilchenbeschleunigern werden also von der von außen eingespeisten Energie sozusagen dem System aufgezwungen.

[0013] In den vergangenen Jahrzehnten wurden zwar auch einige wenige auf diese Technik basierende Fusionsreaktoren zur Energiegewinnung aus Kernfusionen konstruiert, am bekanntesten dazu ist der sogenannte „Fusor", allerdings unterscheiden sich diese Konstruktionen sehr stark von der gegenständlichen Erfindung, so komprimiert der Fusor z.B. ein ionisiertes Gas als Zielobjekt mit Hilfe elektrostatischer Felder innerhalb einer kugelförmigen Anode, welches dann mit beschleunigten Wasserstoffteilchen von der Kathode beschossen wird.

[0014] Da aufgrund der Bauart dieser Konstruktionen auch nur die vergleichsweise geringe Fusionsenergie genutzt werden konnte und die zur Teilchenbeschleunigung und zur Teilchenkomprimierung aufgewendete Energie als Verlustenergie dagegen nicht genutzt werden konnte, haben alle diese Konstruktionen bisher in der Praxis kaum eine Bedeutung erlangt.

[0015] Den genannten Anwendungsgebieten von Teilchenbeschleunigern entsprechend wurden die in der Praxis eingesetzten Teilchenbeschleuniger zum gegenwärtigen Stand der Technik aber vorwiegend für Anwendungsgebiete, die nicht zur Energiegewinnung dienen, konstruiert: [0016] a) Einstufige Linearbeschleuniger werden heute praktisch nur mehr zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit Glühkathoden mit Erzeugung von Elektronenstrahlung = Betastrahlung 2/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 eingesetzt, wobei bei diesen konstruktionsbedingt nur Bremsstrahlung in der Anode auftritt und bewusst möglichst keine Kernfusionsreaktionen in der Anode ausgelöst werden [0017] b) Einstufige Linearbeschleuniger für ionisierte Gase (z.B. Wasserstoff) wurden für die für wissenschaftliche Untersuchungen benötigten immer größeren Leistungen (Teilchengeschwindigkeiten) durch mehrstufige Linearbeschleuniger oder Zyklotronbeschleuniger ersetzt.

[0018] c) Zyklotronbeschleuniger sind heute der gegenwärtige Stand der Technik für Teilchenbeschleuniger in mehreren Ausführungsformen, z.B. Synchrotrone. Diese sind jedoch ausschließlich zur wissenschaftlichen Untersuchung bestimmter Fusionsreaktionen oder zur Untersuchung bestimmter Materialien als Fusionsmaterial geeignet. Die im Folgenden genannten energetischen Effekte von Teilchenbeschleunigern sind bei diesen infolge der [0019] A) großräumigen Dimensionierung und der damit verbunden "zerstreuten" Abgabe von Energie und „Energieverlusten" [0020] B) geringen Teilchendichte im Zielmaterial, vor allem bei gasförmigen Zielmaterial [0021] C) der geringen Teilchendichte von Schussteilchen durch Teilchenstrahlungsverluste wegen der Ausfilterung von Teilchen mit bestimmter Teilchenenergie in den einzelnen Beschleunigerstufen und [0022] D) dem Auftreten meist nur einer oder weniger Fusionsreaktionen im Zielmaterial, welche meistens auch nicht nach den Kriterien der größtmöglichen Fusionsenergiegewinnung gewählt wurden, sondern nach Kriterien der wissenschaftlichen Untersuchungsmethode, so-dass z.B. auch endotherme Fusionsreaktionen auftreten [0023] praktisch nicht nutzbar! [0024] Aufgrund der oben genannten derzeitigen Verwendung von Teilchenbeschleunigern vorwiegend für wissenschaftliche Untersuchungen ist beim aktuellen Stand der Technik auch weniger bekannt bzw. wieder in Vergessenheit geraten, dass grundsätzlich alle Teilchenbeschleuniger mit einem Auftreten von überwiegend exothermen Fusionsreaktionen eine energetisch bemerkenswerte Eigenschaft aufweisen, nämlich die Eigenschaft, dass die insgesamt einschließlich aller „Verlustenergien" abgegebene Energie größer ist um genau den Anteil der exothermen Fusionsreaktionen als die aufgenommene Energie des Systems.

[0025] Dieser energetische Effekt von Teilchenbeschleunigern kann auch anschaulich verdeutlicht werden: [0026] Bei den Röntgenröhren (einfache, meist einstufige Linearbeschleuniger) wird die Energie der auf der Anode auftreffenden Teilchen (Elektronen) in „Bremsenergie" umgewandelt, die zu einem Großteil als Wärme an die Umgebung abgegeben wird und zu einem kleinen Teil als Röntgenstrahlung. Die Energie, die zur Beschleunigung der Teilchen erforderlich ist, wird in diesem Fall also, in dem keine nennenswerten Fusionsreaktionen auftreten, vollständig in andere Energiearten (Wärme und Strahlung) umgewandelt. Selbstverständlich wird z.B. zur Beheizung der Kathode dabei ebenfalls Energie benötigt, die in der Regel bei der praktischen Ausführung von Röntgenröhren als weitere „Verlustenergie" in Erscheinung tritt, aber in der Gesamtheit aller vom System abgegebenen Energie ebenfalls nur eine weitere Energie darstellt, die nach Abzug der Austrittsenergie der Teilchen in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umgebung des Systems abgegeben wird, sodass bei Betrachtung des Systems als abgeschlossenes System von diesem Teilchenbeschleuniger genauso viel Energie abgegeben wird, als aufgenommen wird.

[0027] Treten bei einem Teilchenbeschleuniger zusätzlich nun endotherme Teilchenfusionen auf, so verbrauchen diese Teilchenfusionen Energie, die nicht an die Umgebung abgegeben werden kann, der Teilchenbeschleuniger gibt somit weniger Energie an seine Umgebung ab, als er aufnimmt.

[0028] Treten dagegen bei einem Teilchenbeschleuniger zusätzlich überwiegend oder ausschließlich exotherme Teilchenfusionen auf, so erzeugen diese Teilchenfusionen dagegen 3/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 durch den Massendefekt bei der Teilchenfusion Energie, die zusätzlich zur Bremsenergie der nicht fusionierten Teilchen und aller anderen als „Verlustenergie" bezeichneten, an die Umgebung des Systems abgegebenen Wärmeenergien, als zusätzliche Wärmeenergie und Strahlungsenergie an die Umgebung des Teilchenbeschleunigers abgegeben wird.

[0029] Kleine, kompakte Fusionsreaktoren, die aufgrund der kompakten Bauweise auch Fusionsmikroreaktoren genannt werden, und die den obig beschriebenen energetischen Effekt der Summe der abgegebenen Energie größer als die Summe der aufgenommenen Energie von Teilchenbeschleunigern ausnutzen, sind bisher allerdings in der Praxis nicht bekannt und sind daher auch nicht Stand der Technik, obwohl wie zuvor beschrieben, grundsätzlich jeder Fusionsmikroreaktor, also Teilchenbeschleuniger mit Fusionsreaktionen, bei dem überwiegend exotherme Fusionsreaktionen auftreten, diesen energetischen Effekt aufweist. BESONDERE KONSTRUKTIONSMERKMALE DER ERFINDUNG: [0030] Um den zuvor beschriebenen energetischen Effekt eines Fusionsmikroreaktors technisch zu verwerten, ist eine besondere Ausführung eines Fusionsmikroreaktors erforderlich, die in der gegenständlichen Erfindung genutzt und im Folgenden beschrieben wird: [0031] 1) Die Teilchenenergie der beschleunigten Teilchen bei Beschuss eines Zielmaterials muss derart klein sein und unterhalb einer für die möglichen Fusionsreaktionen bestimmten Schwellwertenergie sein, dass keine nennenswerten endothermen Fusionsreaktionen auftreten können.

[0032] 2) Die Teilchenenergie der beschleunigten (= geladenen) Teilchen bei Beschuss eines Zielmaterials muss derart groß sein, dass unter Berücksichtigung der Bremsenergieverluste bis zu einer bestimmten Eindringtiefe noch eine ausreichende Restenergie bei der Mehrzahl der Teilchen vorhanden ist, die dadurch auch ohne Berücksichtigung des Tunneleffektes exotherme Fusionsreaktionen mit anderen Teilchen im Zielmaterial hervorrufen können.

[0033] 3) Der Abstand an erforderlicher Mindestteilchenenergie zwischen der möglichen exothermen Fusionsreaktion mit dem geringsten Ausgangsenergiebedarf der beteiligten Teilchen und der möglichen endothermen Fusionsreaktion mit dem geringsten Ausgangsenergiebedarf der beteiligten Teilchen ist besonders groß bei den kleinsten Atomkernen und nimmt zunehmend mit größerer Atomkernmasse ab, sodass insbesondere die direkte Fusion von einfachen Wasserstoff, Deuterium und Tritium Atomen genutzt werden soll.

[0034] 4) Die Teilchendichte an beschleunigten (= geladenen) Schussteilchen mit der unter Punkt 2) genannten Teilchenenergie, die in das Zielmaterial eingeschossen werden, sollte möglichst hoch sein und möglichst der Gesamtmenge an ionisierten Schussteilchen entsprechen.

[0035] 5) Auch die Teilchendichte im beschossenen Zielmaterial an fusionierbaren Teilchen sollte ebenfalls möglichst hoch sein, um die Trefferwahrscheinlichkeit auf ein Maximum zu steigern.

[0036] 6) Falls möglich sollte auch eine Fusion von ungeladenen Teilchen (Neutronen) im Zielmaterial hervorgerufen werden oder bevorzugt stattfinden, da ungeladene Teilchen mit nicht allzu hoher kinetischer Energie in Materie innerhalb einer relativ kurzen Wegstrecke zu fast 100 % mit Atomen der Materie fusionieren ohne dass Bremsenergieverluste auftreten, oder die ungeladenen Teilchen oder die zu fusionierenden Teilchen selbst eine Mindestenergie im Falle exothermer Fusionen zur Einleitung solcher Fusionsreaktionen benötigten. Die Bildung ungeladener Teilchen sollte daher so weit wie möglich in energetisch genutzten Fusionsmikroreaktoren ebenfalls genutzt werden.

[0037] 7) Die Ausführung und die Umgebung des Fusionsmikroreaktors sollte, im Gegensatz zu den heute üblichen Dimensionierungen von wissenschaftlich verwendeten Teilchenbeschleunigern, so kompakt sein, dass bei der praktischen Dimensionierung des Fusionsmikroreaktors die abgegebene Energie nicht soweit zerstreut wird, dass sie nicht mehr für den Verwendungszweck, z.B. zu einer Raumheizung, gesamthaft genutzt werden kann. 4/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 BEDINGUNG 1 UND 2: [0038] Bei der gegenständlichen Erfindung werden die Bedingungen 1) und 2) durch eine regelbare Hochspannung in einem einstufigen Linearbeschleuniger erfüllt.

[0039] Der Regelbereich der Hochspannung wird dabei stets so gewählt, dass (1) mindestens bei einer Eindringtiefe von 0 in die Festkörperscheibe, also zumindest an der Oberfläche der Festkörperscheibe, die erforderliche Teilchenenergie von Einschussteilchen zur Einleitung einer exothermen Fusion mit den leichtesten im Zielmaterial vorhandenen Atomen nicht nur unter Berücksichtigung von Tunneleffekten erreicht wird und (2) maximal bei einer berechneten Eindringtiefe von der Dicke der Festkörperscheibe die Restenergie von nicht fusionierten Einschussteilchen durch die Abbremsung im Zielmaterial bei über 99,9 % der Teilchen in dieser Eindringtiefe oder bereits in einer geringeren Eindringtiefe 0 geworden ist, also de facto nur mehr maximal 0,1 % der nicht fusionierten Einschussteilchen die Festkörperscheibe durchdringen können, und (3) maximal bei einer Eindringtiefe von 0 in die Festkörperscheibe, also an der Oberfläche der Festkörperscheibe, die erforderliche Teilchenenergie von Einschussteilchen zur Einleitung einer endothermen Fusion mit den leichtesten im Zielmaterial vorhandenen Atomen, mit denen endotherme Fusionsreaktionen auftreten können, gerade noch nicht erreicht wird.

[0040] Der Regelbereich der Hochspannung und die erforderliche Größe der Hochspannung ist nach den obigen Bedingungen daher besonders von den leichtesten Atomkernen in der Festkörperscheibe abhängig, es wird daher insbesondere die energetisch bedeutungsvolle Fusion von in der Festkörperscheibe befindlichen Wasserstoffatomen zur Dimensionierung verwendet und danach der Regelbereich mit den zuvor genannten Bedingungen (1) und (3) der Hochspannung berechnet und anschließend das (Träger)-Material der Festkörperscheibe und die Dimensionierung der Festkörperscheibe (Berechnung der Dicke) bestimmt. Sollte die so er-rechnete Dicke der Festkörperscheibe für die gewünschte Gesamtdimensionierung des Fusionsmikroreaktors zu groß sein, so wird der Regelbereich der Hochspannung durch Reduzierung des Maximalwertes soweit reduziert und damit auch das Auftreten endothermer Fusionsreaktionen mit zunehmenden Sicherheitsabstand zum Schwellwert zunehmend sicherer verhindert, bis die gewünschte Dicke der Festkörperscheibe mit bestimmten Material erreicht wird. Zur genauen Berechnung der Eindringtiefe und Restenergie in einer bestimmten Eindringtiefe von Protonen und Elektronen in Materie in Abhängigkeit ihrer Energie und der beschossenen Materie wird auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. BEDINGUNG 3: [0041] Diese Bedingung wird bei der gegenständlichen Erfindung erfüllt, indem im Dauerbetrieb so viele Protonen (Wasserstoffatome) in das Zielmaterial eingeschossen werden, dass (vorerst) nur ein kleiner Anteil der eingeschossenen Teilchen fusioniert werden und der Rest in der Festkörperscheibe nur abgebremst wird, wodurch die Festkörperscheibe mit Wasserstoffatomen sozusagen „aufgeladen" wird, wodurch weiteren eingeschossenen Teilchen neben der eventuell aufgrund der Teilchenenergie auftretenden Fusionen mit Atomen des Zielmaterials vor allem auch eine Fusion mit den vorher eingeschossenen Wasserstoffatomen ermöglicht wird.

[0042] Gerade erst dadurch wird es möglich, die energetisch besonders günstige Fusionsreaktion Proton mit Proton bzw. Wasserstoffatom im gegenständlichen Fusionsmikroreaktor zu nutzen, die als Fusion der leichtesten Atomkerne die Bedingung 3 am besten erfüllen.

[0043] Zum Verständnis ist dabei zu berücksichtigen, dass die tatsächliche Eindringtiefe in Materie eingeschossener Teilchen auch von Teilchen mit völlig gleicher Energie = Teilchengeschwindigkeit nicht konstant ist, sondern von einer minimalen Eindringtiefe bis zu einer maximalen Eindringtiefe gestreut ist, demzufolge auch die Restenergie eingeschossener Teilchen in einer bestimmten Eindringtiefe nicht konstant ist, sondern entsprechend gestreut ist.

[0044] Dadurch wird es erst möglich, dass ein vorher eingeschossenes Proton in der Materie auf eine Geschwindigkeit von etwa 0 ohne Berücksichtigung der thermischen Bewegung der Atome abgebremst wurde und ein später eingeschossenes Proton in der Materie in genau derselben Eindringtiefe und an demselben Ort noch soviel Restenergie besitzt, dass es das 5/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 vorher eingeschossene Proton, das als abgebremstes Wasserstoffatom noch im Zielmaterial vorhanden, also „gelöst" ist, fusioniert.

[0045] Weiters ist zu beachten, dass die zuvor eingeschossenen Wasserstoffatome vor allem in Richtung der Oberfläche des Einschusses zurückwandem, also den neu eingeschossenen Teilchen entgegenwandern, weil diese Oberfläche der Festkörperscheibe durch die abgegebene Abbremsenergie und stattfindenden Teilchenfusionen am heissesten wird und die Abgabe von in Metallen oder anderen Werkstoffen wie Graphit gelösten Wasserstoff (Metallhydride) temperaturabhängig ist und durch die höhere Temperatur und geringeren Gasdruck an dieser Stelle verstärkt wird. BEDINGUNG 4: [0046] Zur Erfüllung der Bedingung 4 unterscheidet sich der gegenständliche Fusionsmikroreaktor wesentlich von den herkömmlichen Fusionsmikroreaktoren auf dem gegenwärtigen Stand der Technik: [0047] Während bei den Fusionsmikroreaktoren auf dem gegenwärtigen Stand der Technik zur Erzielung hoher Teilchengeschwindigkeiten in der Regel mehrstufige Linearbeschleuniger oder Zyklotrone eingesetzt werden, wird bei der gegenständlichen Erfindung bewusst nur ein einstufiger Linearbeschleuniger verwendet, wo die dafür erforderliche hohe Beschleunigungsspannung mit einer dafür entsprechenden Hochspannungsstufe mit konstanter Hochspannung, die nur zum Wechsel der Teilchenart rechteckförmig umgepolt wird, erzeugt wird.

[0048] Denn ein einstufiger Linearbeschleuniger hat gegenüber Zyklotronbeschleunigern und auch mehrstufigen Linearbeschleunigern den Vorteil, dass dieser einen kontinuierlichen Teilchenstrahl mit geladenen Teilchen, die bei gleicher Teilchenmasse auch alle etwa die gleiche Energie und Geschwindigkeit aufweisen, erzeugt, während ein Zyklotronbeschleuniger oder mehrstufiger Linearbeschleuniger durch die meist sinusförmige Umpolung in den einzelnen Beschleunigungsabschnitten nur wenige Teilchen, die sich bei jeder Umpolung der Beschleunigungsspannung gerade in einer bestimmten Position befinden, auf die Spitzenenergie beschleunigt und alle anderen Teilchen in ein kontinuierliches Energiespektrum von Null bis zur Spitzenenergie beschleunigt.

[0049] Da auch bei den Fusionsreaktionen für wissenschaftliche Zwecke häufig nur Teilchen mit der Spitzenenergie benötigt werden, werden insbesondere bei Zyklotronbeschleunigern alle Teilchen mit deutlich geringerer Energie als die Spitzenenergie ausgefiltert, indem sie nicht auf der richtigen Kreisbahn magnetisch fokussiert werden und durch die unrichtige Kreisbahn an die Zyklotronwände geschleudert werden. Aber auch bei mehrstufigen Linearbeschleunigern werden häufig die Teilchen mit zu geringer Energie vor dem Auftreffen auf das Zielmaterial ausgefiltert.

[0050] Durch diese Ausfilterung geht ein Großteil der teilweise bereits beschleunigten Teilchen bei den Teilchenbeschleunigern nach dem gegenwärtigen Stand der Technik wieder verloren, weshalb die Teilchendichte an Teilchen gleicher Energie beim Eindringen in das Zielmaterial nur mehr einen kleinen Bruchteil der gesamten, möglichen Teilchendichte an Schussteilchen darstellt.

[0051] Bei der gegenständlichen Erfindung dagegen werden über 90 % der insgesamt dem Teilchenbeschleuniger zugeführten und ionisierten Teilchen bei Ausführung nach Patentanspruch 2, da nur die in die Isolierkörper oder in das Kathodenmaterial der Lochkathode mit Durchgangsloch eindringenden Teilchen verloren gehen, als Schussteilchen verwertet.

[0052] Bei Ausführung nach Patentanspruch 1 gehen die in der jeweiligen Phase der Beschleunigungsspannung nicht zur Anode beschleunigten Teilchen in der als Sacklochkathode oder als einfache Plattenkathode gestalteten Kathode verloren, zusätzlich werden auch aus der Festkörperscheibe austretende Teilchen nicht im selben Maße verwertet wie bei Ausführung nach Patentanspruch 2, sodass bei Ausführung der Erfindung nach Patentanspruch 1 nur etwa 40 % der Teilchendichte an Schussteilchen zur möglichen Teilchendichte erreicht wird. Dies 6/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 stellt aber immer noch ein Vielfaches (ca. 100 bis 1000 fach gegenüber ausfilternden Zyklotronbeschleunigern) der Teilchenanzahl an Schussteilchen mit gleicher kinetischer Energie im Verhältnis zu der gesamten, ionisierten Teilchenanzahl gegenüber den Teilchenbeschleunigern zum gegenwärtigen Stand der Technik dar. BEDINGUNG 5: [0053] Auch bezüglich der Erfüllung der Bedingung 5 unterscheidet sich der gegenständliche Fusionsmikroreaktor wesentlich von den herkömmlichen Fusionsreaktoren auf dem gegenwärtigen Stand der Technik: [0054] Denn von den beschleunigten Protonen direkt fusioniert werden sollen, wie zuvor beschrieben wurde, vor allem andere Wasserstoffatome.

[0055] Würde man daher in einem herkömmlichen Teilchenbeschleuniger versuchen, Wasserstoff, welches bei Raumtemperatur ein Gas ist, mit ionisierten Wasserstoffatomen, also Protonen, zu fusionieren, so würde man dabei meistens so vorgehen, dass das in den Teilchenbeschleuniger zuvor eingeleitete und somit im Teilchenbeschleuniger befindliche Wasserstoffgas zur Fusion vor der Anode zuerst wieder stark dekomprimiert wird, da Teilchenbeschleuniger nur in vakuumähnlicher Umgebung arbeiten können, weil eine die Teilchenbeschleunigung hemmende Stoßionisation mit Gasteilchen auf der Beschleunigungsstrecke, wo also die Protonen noch nicht ausreichend für die Einleitung einer Fusionsreaktion beschleunigt wurden, weitgehend verhindert werden muss. Nur wenn ein Wasserstoffatom nach der erforderlichen Beschleunigungsstrecke für die Beschleunigung des Protons kurz vor dem Auftreffen auf die Anode vom beschleunigten Proton getroffen wird, kann in einem solchen Fall auch eine Kernfusionsreaktion stattfinden.

[0056] Es ist nun zweifellos äußerst unwahrscheinlich, dass ein Wasserstoffatom des stark dekomprimierten Wasserstoffgases von einem beschleunigten Proton kurz vor dem Auftreffen auf der Anode gerade so getroffen wird, dass dann auch noch eine Fusionsreaktion eintritt. Trotzdem arbeiten herkömmliche Teilchenbeschleuniger nach dem gegenwärtigen Stand der Technik oftmals auf diese Weise zur Fusion von Gasatomen, da nur die Art und Wirkung der auftretenden Fusionsreaktionen für wissenschaftliche Untersuchungen maßgeblich ist, und nicht die energietechnische Effizienz der Vorrichtung. ANDERS VERHÄLT ES SICH BEI DER GEGENSTÄNDLICHEN ERFINDUNG: [0057] Die Trefferwahrscheinlichkeit, also die Wahrscheinlichkeit, dass ein sich vor der Anode befindliches Wasserstoffatom von einem beschleunigten Proton so getroffen wird, dass eine Fusionsreaktion stattfindet, wofür etwa eine Annäherung auf 10 hoch -15 m der beiden Teilchen und neben der örtlichen Nähe auch eine Beschleunigungsenergie oder Restenergie nach Abbremsung des Schussteilchen zur Überwindung der elektrostatischen Abstoßung der beiden Protonen in der Höhe von etwa 50 keV ohne Berücksichtigung des Tunneleffektes erforderlich ist, ist umso höher, je mehr Teilchen sich in dem Raum, wo diese Bedingung der Restenergie eingeschossener Teilchen erfüllt ist, befinden.

[0058] Bei der gegenständlichen Erfindung wird dieser Raum, wo die vorstehende Bedingung der erforderlichen Beschleunigungsenergie oder Restenergie nach Abbremsung der Schussteilchen zur Überwindung der elektrostatischen Abstoßung der beiden Protonen zur Einleitung einer Fusionsreaktion noch erfüllt wird, gebildet aus der Querschnittsfläche des Beschussteilchenstrahls und der mittleren Eindringtiefe der Schussteilchen für eine verbleibende Restenergie der Schussteilchen zur Einleitung einer Fusionsreaktion. Und gerade in diesem Raum wird eine besonders hohe Teilchendichte an den zur Fusion vorgesehenen Wasserstoffatomen bei der gegenständlichen Erfindung künstlich erzeugt, wie nachfolgend erklärt wird.

[0059] Wie bei anderen Teilchenbeschleunigern wird auch bei der gegenständlichen Erfindung ein annähernd luftleerer Raum für die eigentlichen Beschleunigungsstrecken, die hier nur zwischen Kathode und Festkörperscheiben liegen, verwendet, jedoch ohne jegliche Gasfüllung, ausgenommen eine unbeabsichtigte in geringsten Mengen. 7/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 [0060] Das über die Kathode zugeführte Wasserstoffgas in geringer Menge wird nach Eindringen auf den Beschleunigungsstrecken ionisiert und als Protonen bzw. Elektronen in die Festkörperscheiben beschleunigt und eingeschossen.

[0061] Die Festkörperscheiben werden dadurch mit den Wasserstoffatomen regelrecht „aufgeladen", ohne jedoch zu zerbersten, was folgende Gründe hat: [0062] Es ist bekannt, dass vor allem einige Metalle, z.B. Palladium, Nickel, etc., in einer wasserstoffhaltigen Umgebung Wasserstoff aufnehmen und unter Bildung von Metallhydrid in ihre Gitterstruktur einbauen, also metallisch „lösen" bzw. binden. Bei Erwärmung wird das aufgenommene Wasserstoffgas von diesen Metallen wieder abgegeben, die Ausdehnung des Metalls bei Aufnahme des Wasserstoffs ist dabei relativ gering, es wird hauptsächlich spröde, was bedeutet, dass die Wasserstoffatome im wesentlichen zwischen den Metallatomen in der Gitterstruktur eingebaut werden. Die aufgenommene Wasserstoffmenge kann dabei enorme Werte annehmen, was durchaus logisch erscheint, wenn man überlegt, dass in jedem Metallgitterwürfel aus Metallatomen zumindest 1 Wasserstoffatom „gelöst" werden könnte, also die Anzahl der „gelösten" Wasserstoffatome etwa gleich der Anzahl der Metallatome alleine aus dieser Überlegung sein könnte.

[0063] Grundsätzlich lässt sich in (fast) jedem Metall Wasserstoffgas in etwa dieser Menge oder sogar einer vielfachen dieser Menge nach Wertigkeit des Metalles binden, ohne dass das Metall dabei berstet, allerdings nehmen die meisten Metalle Wasserstoffgas nicht von selbst in größeren Mengen über die Oberfläche aus der Umgebung auf und geben eventuell bereits befindliche Wasserstoffatome in ihrer Metallgitterstruktur langsam durch Diffusion vom Inneren an ihre Oberfläche und an der Oberfläche in Abhängigkeit von ihrer Temperatur auch an ihre Umgebung wieder ab.

[0064] Eine gewisse Ausnahme von der natürlichen Wasserstoffaufnahme aus der Umgebung stellt dabei dar, wenn der Wasserstoff nicht über die Oberfläche vom Metall selbst aufgenommen wird, sondern mittels einer Protonenstrahlung in die Metalloberfläche eingeschossen wird, das Metall also gezwungener maßen mit Wasserstoff „aufgeladen" wird, wie es bei der gegenständlichen Erfindung der Fall ist.

[0065] Hier tritt zusätzlich der lokale Effekt auf, dass das mit der Protonenstrahlung in die (metallische) Festkörperscheibe eingeschossene Wasserstoffgas in der Festkörperscheibe bis zur Sättigungsgrenze in dem Raum, der aus der Querschnittsfläche aus der Protonenstrahlung und der mittleren Eindringtiefe bis zur vollständigen Abbremsung in die Festkörperscheibe gebildet wird, vorerst gespeichert wird, dieser Raum sozusagen mit Wasserstoff aufgeladen wird, ohne dass das (metallische) Festkörperscheibe zerberstet. Anschließend wird langsam durch Diffusionsvorgänge der in der Festkörperscheibe gespeicherte Wasserstoff an die Oberfläche der Festkörperscheibe geleitet, und zwar zum Großteil an die durch die Abbremsvorgänge eingeschossener Teilchen erhitzte Oberfläche, und dort an die Umgebung wieder abgegeben.

[0066] Auch einige Nichtmetalle und Halbleiter zeigen diesen wasserstoffspeichernden Effekt ohne zu zerbersten, insbesondere bei erzwungener Bestrahlung mit Protonen.

[0067] Zur Erfüllung der Bedingung 5 ist dieser Umstand bzw. Effekt wesentlich, weil rechnet man die durch die Aufladung der Festkörperscheibe mit Wasserstoff mit einem Atomabstand der Wasserstoffatome bei Sättigung in der Größenordnung der Atomabstände von Metallgittern um, welchen Gasdruck ein solcher Atomabstand des Wasserstoffgases entsprechen würde, so erhält man für einen äquivalenten Druck des Wasserstoffgases mit diesen Atomabständen einen Druck von einigen Gbar.

[0068] Anders ausgedrückt heißt das, die Teilchendichte der Wasserstoffatome in dem Raum, der aus der Querschnittsfläche der Protonenstrahlung und der mittleren Eindringtiefe bis zur vollständigen Abbremsung der Protonen in der Festkörperscheibe gebildet wird, ist in der Größenordnung der Atomdichte von Festkörpern, womit Bedingung 5, im Gegensatz zu den oben dargestellten Verhältnissen bei herkömmlichen Teilchenbeschleunigern mit stark verdünnten Gasen als Zielmaterial vor der Anode, bei der gegenständlichen Erfindung um Größenordnun- 8/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 gen besser erfüllt wird, vor allem wenn geeignete Materialien (fast alle Metalle, Graphit, Silizium, Germanium, etc.) für die Festkörperscheiben mit Speicherfähigkeit von Wasserstoff zumindest bei Bestrahlung mit Protonenstrahlung ohne Zerstörung des Materials verwendet werden.

[0069] BEDINGUNG 6: [0070] Bei der gegenständlichen Erfindung wird auch der physikalische Effekt, der Bedingung 6 zugrunde liegt, zur Steigerung der Anzahl der Teilchenfusionen genutzt: [0071] Es ist bekannt, dass (freie) Neutronen nach kurzer Lebensdauer von ca. 15 Minuten im sogenannten Betazerfall zerfallen in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Neutronen innerhalb von stabilen Atomen zerfallen in der Regel nicht, sondern sind stabil, wenn ein solcher Zerfall wegen Übersättigung eines Atomkerns mit Neutronen aber doch auftritt, erfolgt dieser Zerfall etwa so, wie bei freien Neutronen, mit dem Unterschied, dass das entstehende Proton in der Regel sofort wieder an den Atomkern fusioniert wird oder fusioniert bleibt und nach Außen als sichtbare Wirkung dieses Zerfalls daher nur die Aussendung eines Elektrons (Betastrahlung) und eines in den meisten Fällen eines Betazerfalls innerhalb von Materie nicht nachweisbaren Elektron-Antineutrinos erfolgt.

[0072] Aber auch der umgekehrte Effekt, die Neutronenbildung aus einem Proton, welches mit Betastrahlung hinreichender Energie bestrahlt wird, ist als umgekehrter Betazerfall bekannt, wobei als benötigte Energie der Betastrahlung dabei ggf. auch die Energie zur Paarbildung eines Antineutrino und Neutrino Teilchens benötigt wird, welches zusätzlich zur Energie der eigentlichen Neutronenbildung benötigt wird.

[0073] Die Energie je Betateilchens (Elektron), die beim Betazerfall eines Neutrons in ein Proton innerhalb von Materie freigesetzt wird bzw. für den umgekehrten Betazerfall zur Bildung eines Neutrons aus einem Proton innerhalb von Materie benötigt wird, ist übrigens nicht besonders groß, sie beträgt beim Betazerfall des Tritiums z.B. maximal 18,6 keV, maximal deshalb, weil der Betazerfall ein kontinuierliches Spektrum an Energie der freigesetzten Elektronen von null bis etwa zur Maximalenergie des Betazerfalls aufweist bzw. auch beim umgekehrten Betazerfall ein kontinuierliches Spektrum an Energie der Elektronen von einem Minimalwert, der dem doppelten Wert der Ruheenergie eines Elektron-Neutrinos zur Paarbildung eines Elektron-Neutrino/Elektron-Antineutrino Paares entspricht, bis zur Maximalenergie des entsprechenden Betazerfalls, benötigt wird.

[0074] Bei mit Protonen übersättigten Atomkernen ist es sogar möglich, dass die für den umgekehrten Betazerfall erforderliche Energie negative Werte annimmt, wobei in diesem Fall dann auch gar keine (externe) Betastrahlung zur Einleitung der Neutronenbildung erforderlich ist, sondern ein Elektron aus der Atomhülle vom Atomkern eingefangen wird, der sogenannte K-Einfang, da bei diesem Vorgang ein Elektron aus der innersten K-Schale in den Atomkern „stürzt", und die Energie zur Paarbildung eines Antineutrinos und eines Neutrinos vom zuvor mit Protonen „übersättigten" Atomkern selbst zur Verfügung gestellt wird und zusätzlich sogar ein Gammaquant für die positive Energiedifferenz für diesen Vorgang in diesem Fall vom Atomkern ausgestrahlt wird.

[0075] Mit Protonen „übersättigt" gilt ein Atomkern dann, wenn die Anzahl der Protonen wesentlich größer als die Anzahl der Neutronen ist, umgekehrt gilt ein Atomkern mit Neutronen „übersättigt" und damit als geeigneter Betastrahler, wenn die Anzahl der Neutronen wesentlich größer als die Anzahl der Protonen ist. Nur dann, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern etwa gleich groß ist, sind die Atomkerne stabil, wobei für die Stabilität von Atomkernen auch noch andere Kriterien erfüllt sein müssen, auf die hier nicht weiter eingegangen wird.

[0076] Bei einer besonders hohen „Übersättigung" an Protonen im Atomkern gibt es noch eine weitere Zerfallsart, den sogenannten Positronenzerfall, der jedoch meistens nur bei kurzfristig künstlich erzeugten Atomkernen, vor allem bei Zwischenprodukten wie nach der Protonen-Protonen Fusion, auftritt.

[0077] Eine Ausnahme von der vorgenannten Stabilitätsregel für Atomkerne bildet übrigens der leichteste Atomkern Wasserstoff, zwar ist auch bei Wasserstoff das Deuterium mit einem Proton 9/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 und einem Neutron im Atomkern stabil und das Tritium mit einem Proton und zwei Neutronen im Atomkern instabil und zerfällt nach den Regeln des Betazerfalls in ein Helium-Isotop, das einfache Wasserstoffatom mit nur einem Proton und ohne Neutron unterscheidet sich zwar wesentlich in der Protonenzahl und Neutronzahl, ist aber ebenfalls stabil und unterliegt somit auch nicht dem natürlichen K-Einfang Effekt.

[0078] Erst mit einer (künstlich erzeugten) Betastrahlung mit einer Energie von etwa 20 keV und wegen des kontinuierlichen Energiespektrums des Betazerfalls bzw. des umgekehrten Betazerfalls auch darunter, lassen sich innerhalb von Metallhydriden oder anderer mit Wasserstoff aufgeladener Materie gemäß der umgekehrten Betazerfallfunktion einfache Wasserstoffatome, insbesondere wenn sie in Materie „gelöst" wurden, vorzugsweise „metallisch gelöst" wurden, in Neutronen umwandeln, die mit direkt benachbarten Atomen in der Materie oder nach kurzer Wegstrecke auch mit weiter entfernteren Atomen in der Materie exotherm fusionieren.

[0079] Um daher auch diesen Effekt zusätzlicher exothermer Fusionsreaktionen durch mit Betastrahlung nach dem umgekehrten Betazerfall gebildeten Neutronen mit anderen Wasserstoffatomen zu Deuterium oder mit anderen Atomkernen der Festkörperscheibe bei der gegenständlichen Erfindung nutzen zu können, wird jeweils nach einer Periode mit Protonenstrahlung mit möglicht großer erreichbarer Aufladung der Festkörperscheibe mit Wasserstoffatomen die Beschleunigungsspannung für eine kurze Periode umgepolt und mit der nun erfolgenden Periode mit Betastrahlung aus der selben Kathode werden aus den in der Festkörperscheibe gespeicherten Wasserstoffatomen, bei Metallen in Metallhydriden gebundenen Wasserstoffatomen, gemäß dem umgekehrten Betazerfall Neutronen gebildet, die mit anderen Atomkernen exotherm fusionieren, bevor wieder die Beschleunigungsspannung umgepolt wird, und mit der in dieser Periode stattfindenden Protonenstrahlung die Festkörperscheibe erneut mit Wasserstoffatomen „nachgeladen" wird und die oben beschriebenen direkten exothermen Fusionsreaktionen vorwiegend mit anderen Wasserstoffatomen ausgelöst werden.

[0080] Für die praktische Ausführung der Vorrichtung ist weiters zu beachten, dass die für die umgekehrte Betazerfallsfunktion erforderliche Beschleunigungsspannung (ca. 20 keV) wegen des bereits angegebenen kontinuierlichen Energiespektrums des umgekehrten Betazerfalls und wegen der geringeren Eindringtiefe von Betateilchen gleicher kinetischer Energie in Materie, variabel und auch von der Höhe der Beschleunigungsspannung für die Protonenstrahlung unabhängig variabel gestaltet werden sollte.

[0081] Sollte diese Regelung der Beschleunigungsspannung für die Betastrahlung dabei nur durch Regelung der Periodendauerverhältnisse (Tastverhältnis) zur Periode der Beschleunigungsspannung für die Protonenstrahlung nicht ausreichen und die zu regelnde Periodendauer der Betastrahlung Werte unterhalb von 25 % oder Werte oberhalb von 400 % der Periodendauer der Protonenstrahlung erfordern, so erfolgt die weitere Regelung der Beschleunigungsspannung der Betastrahlung durch zusätzliche Addition einer Hochspannungsgleichspannung, wie es in der gegenständlichen Erfindung vorgesehen ist.

[0082] Die Regelung für die Beschleunigungsspannung für die Betastrahlung erfolgt dabei für maximales Auftreten des umgekehrten Betazerfalls in der konkret gewählten Materie der Festkörperscheibe, gemessen anhand des Strahlungsenergiespektrums, das von der Neutronenfusion mit Atomen der Festkörperscheibe oder mit Wasserstoffatomen in der Festkörperscheibe hervorgerufen wird.

[0083] Der Wirkungsquerschnitt für eine Bestrahlung von Materie mit Betastrahlung zur Bildung von Neutronen nach dem umgekehrten Betazerfall wird übrigens derzeit noch erforscht, ein Zentrum der europäischen Forschung auf diesem Gebiet stellt dabei das Forschungszentrum Karlsruhe in Deutschland dar, bekannt durch Projekte wie KATRIN zur Messung der Ruhemasse von Neutrinos beim Tritium Betazerfall und vielen anderen wissenschaftlichen Arbeiten auf diesem Gebiet, auf die bezüglich der wissenschaftlichen Grundlagen des Auftretens des umgekehrten Betazerfalls in Materie verwiesen wird. 10/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 BEDINGUNG 7: [0084] Zur praktischen Nutzung der Erfindung zur Verwertung des energetischen Effektes von Fusionsmikroreaktoren (Teilchenbeschleuniger mit Auftreten von Fusionsreaktionen) mit überwiegend exothermen Fusionsreaktionen ist es weiters unbedingt erforderlich, möglichst die Gesamte vom Fusionsmikroreaktor an seine Umgebung abgegebene Energie zu nutzen.

[0085] Diese Bedingung ist derzeit mit vertretbaren Aufwand nur für eine Nutzung von Wärmeenergie technisch realisierbar, da zwar fast jede Energieart zu fast 100 % in Wärmeenergie umgewandelt werden kann, aber nicht umgekehrt.

[0086] Aber auch für die Nutzung als Heizung, also als Gerät zur Abgabe von Wärmeenergie, ist es erforderlich, dass die Vorrichtung alle von ihr abgegebenen Energien so abgibt, dass sie zur Nutzung als Heizung auch tatsächlich verwendet werden kann, also insbesondere die Energieabgabe derart räumlich kompakt erfolgt, dass sie auch in realen Umgebungen z.B. als Raumheizung verwendet werden kann und mit einer Temperatur erfolgen kann, die über den gewünschten Umgebungstemperaturen liegt.

[0087] Diese Bedingung ist bei herkömmlichen Teilchenbeschleunigern wegen der bautechnisch großen Dimensionen und der dadurch bewirkten zerstreuten Energieabgabe meistens nicht erfüllt, dagegen wird diese Bedingung bei der gegenständlichen Erfindung durch einen kompakten Aufbau sehr gut erfüllt, der dadurch möglich wird, dass vergleichsweise nur geringe Beschleunigungsspannungen erforderlich sind, z.B. von etwa 50 kV für die Protonenstrahlung für die Einleitung einer Wasserstoffatom - Proton Fusion bis in eine Eindringtiefe von einigen Nanometern bei Verwendung von z.B. Kupfer für die Festkörperscheiben, oder von etwa 25 kV für die Betastrahlung für die Einleitung eines umgekehrten Betazerfalls von Wasserstoffatomen zur Bildung von Neutronen bis in eine Eindringtiefe von einigen Nanometern bei Verwendung von z.B. Kupfer für die Festkörperscheiben.

[0088] Durch die relativ geringen Beschleunigungsspannungen werden die Dimensionen der Isolierkörper und anderer Bauteile für einen einstufigen Linearbeschleuniger kompakt gehalten, z.B. betragen die Durchbruchsspannungen keramischer Isolierkörper etwa 10 kV pro mm, so dass selbst unter Berücksichtigung der geringeren Durchbruchsspannungen bei Erhitzung der Isolierkörper eine Länge der Isolierkörper von wenigen Zentimetern völlig ausreichend ist. Keramische Isolierkörper werden wegen der thermischen Belastung bevorzugt bei der gegenständlichen Erfindung verwendet. ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG: [0089] Der „Alternierende Protonenstrahlung/ Betastrahlung Fusionsmikroreaktor" besteht aus einem einstufigen Linearteilchenbeschleuniger, bei welchen neben der Abbremsung der Teilchenstrahlung in der Materie eines Zielobjektes (1) auch exotherme Fusionsreaktionen in dem Zielobjekt (1) ausgelöst werden, mit der Besonderheit, dass abwechselnd eine Protonenstrahlung und eine Betastrahlung aus demselben Strahlenerzeugungssystem (3) (Kathode) auf dasselbe Zielobjekt (l)(Festkörperscheibe) erzeugt werden, und durch diese abwechselnde Bestrahlung neben einer Aufladung des Zielobjektes (1) mit Wasserstoffatomen auch verschiedene exotherme Fusionsreaktionen im Zielobjekt (1) ausgelöst werden.

[0090] Diese Strahlenarten werden dabei durch unterschiedliche Regelung der Beschleunigungsspannungen in jeder Periode betreffend ihrer Eindringtiefe und Restenergie so aufeinander abgestimmt, dass exotherme Fusionsreaktionen hauptsächlich mit den im Zielobjekt (1) durch die Abbremsung der Protonenstrahlung vorhandenen Wasserstoffatomen erfolgen, sowohl direkt durch Proton-Proton Fusionen, als auch indirekt unter Bildung von Neutronen mit einer umgekehrten Betazerfallreaktion der Betastrahlung mit den im Zielobjekt (1) vorhandenen Wasserstoffatomen und nachfolgender exothermer Fusion der Neutronen mit den im Zielobjekt (1) vorhandenen Wasserstoffatomen oder anderen Atomen im Zielobjekt (1).

[0091] Bei der genannten Dimensionierung des Fusionsmikroreaktors und bei abgestimmter Einstellung der Beschleunigungsspannungen, also ohne Auftreten nennenswerter endothermer 11/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15

Fusionsreaktionen und mit Beschleunigungsenergien über der jeweiligen Schwellwertenergie für die jeweilige Reaktion, treten hauptsächlich folgende Teilchenreaktionen auf: [0092] 1) p + e(-) -> n + v(e) (geringfügig) endotherme Reaktion [0093] 2) p + p -> d + e(+) + v(e) exotherme Reaktion [0094] 3) p + d -> He(3/2) + Gammaquant exotherme Reaktion [0095] 4) n + p -> d + Gammaquant exotherme Reaktion [0096] 5) n + Atome (Festkörperscheibe) oder n + Atome(Anode) -> ? + Gammaquant exotherme Reaktion [0097] 6) n + d -> t + Gammaquant -> He(3/2) + e(-) + v(e) exotherme Reaktion [0098] 7) n +1 -> He(4/2) + e(-) + v(e) + Gammaquant exotherme Reaktion [0099] 8) n + He(3/2) -> He(4/2) + Gammaquant exotherme Reaktion BESCHREIBUNG DES AUFBAUS UND DER FUNKTIONSWEISE DER ERFINDUNG: [00100] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt Fig. 1 eine Skizze des Fusionsmikroreaktors mit den übrigen Komponenten als Blockbild.

[00101] Ausgehend von den zuvor beschriebenen physikalischen Prinzipien findet bei der gegenständlichen Erfindung eine exotherme Fusion der in der Festkörperscheibe (1) gespeicherten einfachen Wasserstoffatome zu Deuteronen und von Deuteronen zu Tritionen und Heliumatomen durch die eindringende Protonenstrahlung direkt und durch die eindringende Betastrahlung indirekt unter Bildung von Neutronen nach dem umgekehrten Betazerfall aus Wasserstoffatomen und anschließender exothermer Fusion wie zuvor angegeben statt. Ebenso werden die Atome des Festkörpers (1) selbst teilweise, vor allem von den Neutronen, fusioniert.

[00102] Die dabei entstehende Energie in Form kinetischer Energie der fusionierten Teilchen und in Form elektromagnetischer Strahlung wird innerhalb des Festkörpers (1) großteils in Wärme umgewandelt und über die Anode (2) zum angebauten Kühlsystem geleitet und innerhalb des Kühlsystems mit einer Kühlflüssigkeit wie z.B. Wasser in der üblichen Weise abtransportiert.

[00103] Um die Protonen und Elektronen aus dem gedrosselt zugeführten Wasserstoffgas durch Ionisation zu erzeugen und gegen den Festkörper (1) zu beschleunigen, wird ein elektrostatisches Feld zwischen der Kathode (3), über die auch die Wasserstoffzufuhr erfolgt und an die eine rechteckförmige Wechselhochspannung mit überlagerter Gleichspannung angelegt wird, und der Anode bzw. der Festkörperscheibe auf Bezugspotential, verwendet.

[00104] Bei Verwendung metallischer Festkörper (1) werden diese einige mm stark dimensioniert, sodass ein Großteil der entstehenden Neutronen bereits im Festkörper (1) fusioniert und auch der Großteil der entstehenden elektromagnetischen Strahlung bereits im Festkörper in Wärme umgewandelt wird. Bei Verwendung nicht leitender Festkörper (1) werden diese zur Vermeidung eines zu starken Gegenfeldes innerhalb des Festkörpers (1) wesentlich dünner dimensioniert, sodass auch die Anode selbst teilweise von Neutronen angegriffen wird bzw. zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in Wärme dient. Die Anode wird üblicherweise mit dem Festkörper verklebt oder verlötet und überragt diesen mit ihren Ausmaßen, wobei sie bei Ausführung nach Patentanspruch 2 mit der gegenüberliegenden Anode mit Gewindestangen so verschraubt wird, dass sie gegen den Festkörper (1) und den weiteren Komponenten des Linearbeschleunigers gepresst wird.

[00105] Zwischen Festkörper (1) und Kathode wird ein gasdichter Isolierkörper (4) mit einer Öffnung als Kanal für die Teilchenstrahlung von ca. 1 mm Durchmesser und einer Länge von ca. 25 mm (für eine Beschleunigungsspannung bis zu 100 kV) verwendet, der luftdicht auf der einen Seite mit dem Festkörper (1) und auf der anderen Seite mit der Kathode (3) verklebt 12/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 wurde.

[00106] Die Kathode (3) wird bei Patentanspruch 1 als Kathode mit Sackloch, über welches mit einem weiteren Sackloch im rechten Winkel üblicherweise die Gaszufuhr erfolgt, ausgeführt und bei Patentanspruch 2 und 3 als Lochkathode mit Durchgangsloch, über welches mit einem Sackloch im rechten Winkel bis zum Durchgangsloch üblicherweise die Gaszufuhr erfolgt, ausgeführt.

[00107] Wechselt die Richtung des elektrisches Feldes, werden die um die Lochkathode (3) pendelnden Ionen (Teilchen) in Richtung der Festkörper beschleunigt und die jeweils andere lonenart (Teilchenart) beginnt um die Kathode zu pendeln, bis die Richtung des elektrischen Feldes wieder wechselt.

[00108] Die Wasserstoffzufuhr (5) an der Kathode besteht aus einem herkömmlichen Kunststoffrohr von ca. 10 cm Länge zur Isolation der Hochspannung der Kathode und wird in die Kathode eingeklebt.

[00109] Am anderen Ende der Wasserstoffzufuhr (5) ist bei Ausführung nach Patentanspruch 1 und 2 ein Abzweiger zur Vakuumpumpe (12) angeschlossen, anschließend ist das Drosselventil (10) oder magnetische Regelventil (10) angeschlossen, die das unter Normaldruck stehende und zum mechanischen Drosselventil (10) oder elektromagnetischen Regelventil (10) strömende Wasserstoffgas entsprechend dem Verbrauch im Linearteilchenbeschleuniger drosselt.

[00110] Die Regelung der Wasserstoffzufuhr ist dabei nur insofern erfindungsrelevant, als dass bei Patentanspruch 3 eine besonders feine Regelung der Wasserstoffzufuhr auch ohne Vakuumpumpe (12) bei entsprechender Ansteuerung des elektromagnetischen Regelventils über eine angepasste Steuerelektronik (6) erfolgt, wobei die besonders feine Regelung durch eine in ihrer Amplitude geregelten magnetostriktiven Schwingung des magnetischen Reglerventilstempels mit einer der normalen Reglerspannung überlagerten Hochfrequenzspannung in Dreieckswellenform erreicht wird, und in diesem Fall üblicherweise auch das elektromagnetische Regelventil direkt an die Kathode angeklebt wird und die erforderliche Isolierung der Hochspannung an der Kathode in diesem Fall durch einen Kunststoffschlauch zwischen dem Wasserstofferzeugungssystem (13) und dem elektromagnetischen Regelventil (10) erfolgt.

[00111] Das benötigte Wasserstoffgas wird üblicherweise durch Elektrolyse von Wasser in verdünnter Schwefelsäure in einer Wasserstoffzelle (13) bzw. Wasserstofferzeugungssystem (13) erzeugt, bei welchem der Wasserspiegel auf konstanten Niveau aus einem mit Schwimmer geregelten Wassertank (14) gehalten wird. Die Ausführung des Wasserstofferzeugungssystems (13 und 14) ist nicht erfindungsrelevant, sondern nach dem Stand derTechnik ausgeführt.

[00112] Die an der Kathode (3) angeschlossene Hochspannung wird generiert durch einen Hochspannungstransformator (7), der von einer Steuerelektronik mit rechteckförmiger Spannung und regelbarer Periodendauer und regelbaren Tastverhältnis primär angesteuert wird, und einem mit diesem Wechselhochspannungsgenerator (7) in Serie liegendem Gleichhochspannungsgenerator (8), der aus einem Hochspannungstransformator mit nachfolgender Gleichrichtung und einem Kondensator mit Entladewiderstand zur Überbrückung der Wechselspannung vom Hochspannungstransformator (7) besteht.

[00113] Die Steuerelektronik (6) enthält daher zwei elektronische Wechselspannungsgeneratoren mit rechteckförmiger Wechselspannung für die Hochspannungstransformatoren (7 und 8, bei 8 mit Gleichrichtung), dessen Betriebsspannung getrennt regelbar ausgeführt ist und auf diese Weise die Amplitude der Wechselspannung und damit der erzeugten Hochspannung geregelt wird. Bei thermischer Überlastung oder zu hoher Dosis an elektromagnetischer Strahlung wird die Betriebsspannung der Wechselspannungsgeneratoren elektronisch abgeschaltet und dadurch der Betrieb unterbrochen. Die Ausführung der Wechselspannungsgeneratoren erfolgt nach dem Stand der Technik und ist daher nur insofern erfindungsrelevant, dass der Wechselhochspannung mit regelbarer Amplitude, Periodendauer und getrennt regelbaren Tastverhältnis zusätzlich auch eine getrennt in der Höhe regelbare Gleichhochspannung überlagert werden kann. 13/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 [00114] Weiters enthält die Steuerelektronik (6) einen Dreieckspannungsgenerator mit überlagerter Gleichspannung, die aus einem Regelkreis erzeugt wird und zur Ansteuerung des Regelventils (10) für die Wasserstoffzufuhr (5) unter Ausnutzung eines magnetorestriktiven Effektes zur verfeinerten Regelung dient und einen Regelkreis, der die Temperaturen vor und nach dem Kühlsystem als Regelspannung für das Regelventil (10) für die Wasserstoffzufuhr (5) verwendet.

[00115] Das Wasserstofferzeugungssystem (13) selbst wird nach dem Verbrauch an Wasserstoff selbstregulierend durch Steuerung des Elektrolysestroms gesteuert und ist, wie bereits erwähnt, nach dem Stand der Technik und daher nicht erfindungsrelevant. BESCHREIBUNG DER KOMPONENTEN DER ERFINDUNG: [00116] 1) Festkörperscheibe, bevorzugt metallisch (z.B. Kupfer, Nickel, ...), in der auch Neutronen durch Betastrahlung mit mittlerer Energie von E >= 10 keV gebildet werden können und die nach Fusion mit Atomen der Festkörperscheibe oder mit Wasserstoffatomkernen in der Festkörperscheibe elektromagnetische Energie und Wärmeenergie freisetzen können neben den direkten Fusionsvorgängen der Protonenstrahlung mit Wasserstoffatomen, die durch die Abbremsung der Protonenstrahlung in der Festkörperscheibe stammen [00117] 2) Anode, eine Metallplatte, bevorzugt aus Kupfer wegen der guten Wärmeleitung, und üblicherweise länglich ausgebildet, sodass diese die Abmessungen der Isolierkörper (4) um ca. 25 mm überragen und insbesondere bei Ausführung nach Patentanspruch 2 und 3 mit 2 Gewindestangen an den beiden Überhängen jeweils mit der gegenüberliegenden Anode, falls vorhanden, verschraubt sind. Dadurch werden die beiden Anoden und die dazwischen liegenden Festkörperscheiben (1), Isolierkörperscheiben (4) und die Kathode(n) (3) zusammengepresst und mit den eingefügten Klebemitteln abgedichtet.

[00118] 3) Kathode, bei Ausführung nach Patentanspruch 2 und 3 als Lochkathode ausgeführt, metallisch, vorzugsweise aus Aluminium oder Messing [00119] 4) Isolierkörper aus hitzebeständigen Material, meist aus Keramikwerkstoffen auf Silikatbasis oder aus hitzefesten (250° C) Kunststoffen [00120] 5) Wasserstoffzufuhr, aus Kunststoffrohren mit einem Innendurchmesser von wenigen Millimetern in die Kathode in ein konisches Bohrloch eingepresst und eingeklebt, bei Ausführung nach Patentanspruch 3 wird das Reglerventil direkt an die Kathode angeklebt und die erforderliche elektrische Isolierung zur Wasserstofferzeugung wird mit einem Kunststoffschlauch zwischen Wasserstoffregler und Wasserstofferzeugungssystem gebildet.

[00121] 6) Steuerelektronik, enthält zwei Wechselspannungsgeneratoren mit vorzugsweise rechteckförmiger Wechselspannung, für die Hochspannungstransformatoren (7 und 8, bei 8 mit Gleichrichtung), dessen Betriebsspannung zur Amplitudenregelung getrennt regelbar ausgeführt ist, und einen Dreieckspannungsgenerator mit überlagerter Gleichspannung, die aus einem Regelkreis erzeugt wird und zur Ansteuerung des Regelventils (10) für die Wasserstoffzufuhr (5) dient und einen Regelkreis, der die Temperaturen vor und nach dem Kühlsystem als Regelspannung für die Wechselspannungsgeneratoren zur Abschaltung und für das Regelventil (10) für die Wasserstoffzufuhr (5) in einer linearen Regelung verwendet.

[00122] 7) Hochspannungswechselspannungsgenerator, bestehend aus einem Hochspannungstransformator [00123] 8) Hochspannungsgleichspannungsgenerator, bestehend aus einem Hochspannungstransformator mit nachfolgender Einweggleichrichtung und einem Hochspannungskabel als Hochspannungskondensator und einem Entladewiderstand, zur Generierung einer positiven oder negativen Hochspannung gegenüber Bezugspotential [00124] 9) Schützhülle, bestehend aus einem mit einem Stahldeckel mit 3 mm bis 5 mm Stahlblechdicke verschraubbaren Stahlgehäuse zur Abschirmung der in die Umgebung des Linearbeschleunigers abgegebenen Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) und der bei der Neutronen- 14/17

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15 bildung mit anschließender Fusion oder bei direkten Fusionen entstehenden, nicht in der Festkörperscheibe (1) oder der Anode (2) oder im Isolierkörper (4) in Wärme umgewandelten restlichen elektromagnetischen Strahlung. [00125] 10) Mechanisches Drosselventil oder magnetisches Regelventil, bei Ausführung nach Anspruch 1 und 2 ein einfaches Feindrosselventil für Gase, bei Ausführung nach Anspruch 3 ein Magnetregelventil für Gase [00126] 11) Kühlsystem, vorzugsweise bestehend aus einem Rohrsystem mit durchfließender Kühlflüssigkeit, die auf der Anode mit zusätzlichen Wärmeleitblechen montiert werden. [00127] 12) Vakuumpumpe, vorzugsweise mit regelbarer Leistung, vorzugsweise bestehend aus einer Wasserstrahlpumpe und einer Turbinenpumpe mit Elektromotor und mit zirkulierender Flüssigkeit mit hohen Siedepunkt, z.B. Glycerol, bei Ausführung nach Anspruch 3 entfällt diese Komponente, wobei in diesem Fall jedenfalls ein feinregulierendes Magnetreglerventil (10) eingesetzt wird [00128] 13) Wasserstofferzeugungssystem durch Elektrolyse von destilliertem Wasser vorzugsweise in einer verdünnten Schwefelsäurelösung mit einer Kathode mit negativem Potential, an der die Wasserstoffentwicklung erfolgt, vorzugsweise aus Kupferrohr, und mit einer Anode mit positiven Potential, an der die Sauerstoffentwicklung erfolgt, vorzugsweise aus Bleioxid oder Bleisulfat [00129] 14) Wassertank mit selbsttätig reguliertem Abfluss (z.B. Schwimmerventil) zum Wasserstofferzeugungssystem (13) zur Gewährleistung eines fortlaufenden Betriebes Patentansprüche 1. Vorrichtung zur periodisch abwechselnden Bestrahlung einer Festkörperscheibe (1), bestehend aus Metall, Metalllegierung oder aus einem halbleitenden oder nicht leitenden Material, mit dahinter liegender Metallplatte als Elektrode auf dem elektrischen Bezugspotential (Masse), im folgendem als Anode (2) bezeichnet, mit künstlich erzeugter Protonenstrahlung und künstlich erzeugter Betastrahlung, gebildet aus einem einstufigen Linearbeschleunigersystem, welches aus einer metallischen Gegenelektrode zur Anode, im folgendem als Kathode (3) bezeichnet, an der eine Hochspannungsrechteckwechselspannung angeschlossen wird, aus einer Wasserstoffzufuhr (5) mit einem Drosselventil (10) und einer Vakuumpumpe (12) und einem Wasserstofferzeugungssystem (13), weiters aus der genannten Anode (2) mit davor befindlicher Festkörperscheibe (1) und zwischen Festkörperscheibe und Kathode liegendem Isolierkörper (4) mit einer für den Strahlengang vorhandenen Öffnung (Bohrloch) im Isolierkörper, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass durch periodisch abwechselnde Bestrahlung der Festkörperscheibe (1) mit durch die Ionisation des zugeführten Wasserstoffs erzeugten Protonen und Elektronen (Betastrahlung) aus einer gemeinsamen Kathode (3), und der, mit einer Periodendauer von etwa 1 Mikrosekunde bis etwa 1 Sekunde in der Amplitude regelbaren und in der Periodendauer je Phasenlage regelbaren Hochspannung aus einem Hochspannungsrechteckwechselspannungsgenerator (7) mit zusätzlicher Überlagerung mit einer regelbaren Gleichspannung aus einem Hochspannungsgleichspannungsgenerator (8), also insgesamt durch die damit bewirkte getrennt regelbare Eindringtiefe der Protonen und der Elektronen in die Materie der Festkörperscheibe (1) bzw. getrennt regelbarer Restenergie in einer bestimmten Eindringtiefe, zusätzlich zu den möglichen exothermen Fusionsreaktionen zwischen den Protonen mit den Atomen der Festkörperscheibe vor allem auch exotherme Fusionsreaktionen zwischen Protonen und anderen, zuvor in der Festkörperscheibe (1) abgebremsten und infolge der langsamen Diffusion nach aussen in der Festkörperscheibe noch befindlichen Protonen, sowie zwischen Protonen und Elektronen unter Neutronenbildung durch eine umgekehrte Betazerfallreaktion in der Festkörperscheibe (1) erfolgen, wobei die auf diese Weise gebildeten freien Neutronen wieder innerhalb kurzer Wegstrecke mit den Atomen der Festkörperscheibe (1) oder mit von der Protonenstrahlung stammenden Wasserstoffatomen innerhalb der Festkörperscheibe (1) oder mit Atomen der Anode (2) exotherm fusionieren. 15/17 österreichisches Patentamt AT 500 236 B1 2010-07-15
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einstufige Linearbeschleunigersystem doppelseitig gebaut ist, wobei sich die Anoden (2) mit dahinter befindlichen Kühlsystem (11), Festkörperscheiben (1) und Isolierkörper (4) jeweils gegenüberliegen und in der Mitte eine Lochkathode (3) mit einer Durchgangsbohrung und einer dazu querliegenden Sacklochbohrung zur gemeinsamen Wasserstoffzufuhr vorhanden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffzufuhr (5) anstelle eines einfachen Drosselventils (10) aus einem, mit einer Steuerelektronik (6) mit elektromagnetisch erzeugten Vibrationen des magnetischen Ventilkerns besonders fein geregelten Drosselventil (10) besteht und die üblicherweise zwischen Drosselventil (10) und Linearbeschleuniger angeordnete Vakuumpumpe (12) entfällt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 16/17