DE10002039A1 - Apparatur zur Verbesserung der Fusionsausbeute bei Wasserstoffisotopen - Google Patents

Abstract

Das Problem an der Fusion ist, dass man zuerst hohe Energien von einigen keV aufbringen muss, die am Target wieder verloren geht. Ohne Target verbessert sich die Situation drastisch. DOLLAR A D·+·-Ionen werden in einem zylindersymmetrischen Hohlraumkondensator auf stark positivem Potential erzeugt. Im E-Feld von einigen kV/cm zwischen 2 Kathoden und der Hohlraumanode werden die Ionen von allen Seiten zur Zylinderachse hin beschleunigt, kreuzen dort den eng begrenzten Stoßraum und werden auf der Gegenseite wieder abgebremst. Bei 10 kV am Kondensator ist die Frequenz dieser Oszillation > 10·7·/s. Ohne erneut Energie zu tanken, macht das energiereiche Teilchen ca. 10·7· Stoßversuche pro Sekunde bis es gestreut wird oder in einer Fusionsreaktion untergeht. Ohne Target steigt die Fusionsrate drastisch an.

Description

Über die DD-Fusionsreaktion durch den Stoß von energiereichen Deuteronen mit Deuterium berichtet Rutherford schon 1934. Die Reaktionsrate ist gering. Sie ist abhängig von der re­ lativen kinetischen Energie der Atome und der Teilchendichte. Die DD-Reaktionen (1) und (2)

→ ³He(0,817 MeV) + n(2,450 MeV) (1)

D + D → T(1,008 MeV) + p(3,024 MeV) (2)

→ ⁴He(0,076 MeV) + γ(23,772 MeV) (3)

treten mit etwa gleicher Wahrscheinlichkeit auf. Impulsverboten ist dagegen die Reaktion (3). Das nach (2) gebildete Tritium reichert sich im Reaktionsgas an und ist ein willkomme­ ner Kandidat für eine zusätzliche stark exotherme Fusionsreaktion D + T → ⁴He + n(28,3 MeV). An einem Deuteriumeistarget beträgt der Fusionsquerschnitt der Reaktionen (1) und (2) ≈ 5 mbarn (bei 25 keV). Da der differentielle elastische Streuquerschnitt für Deutero­ nenenergien von einigen 10 keV sehr viel größer ist als der differentielle Fusionsquerschnitt, kann man praktisch keine Energie gewinnen, eine Sackgasse also. Ein Weg daraus braucht neue Ideen. Zu deren Umsetzung beschreibt dieser Text Innovationen unter der Überschrift "Fusion ohne Target in kleinen Apparaten".

Eine deutliche Verbesserung wird erreicht durch spiegelnde Reflektion von Deuteriumionen im E-Feld und deren Oszillation. Die erfinderische Aufgabe wird gelöst mit einer Apparatur, die die Anzahl der Stoßversuche eines keV-schnellen Ions um wenigstens Faktor eine Mil­ lion vergrößert. Sie ist einfach aufgebaut. In einem Ultrahochvakuumbehälter ist ein Kon­ densator ähnlich einer Kugelzone von der äußeren Form einer Dose isoliert aufgehängt. Die Dose (Anode) liegt auf hohem positivem Potential von einigen 10 kV, zwei Gegenelektroden (Kathoden) stehen in den zentralen Bohrungen in Deckel und Boden einander gegenüber und liegen auf gleichem nämlich Massepotential. Die Zylinderfläche der Dose ist konstruktiv als Doppelzylinder ausgelegt, wobei wenigstens die innere Zylinderwand ein Gitter ist.

Im ringförmigen Volumen zwischen den Zylindern werden durch Elektronenstoß im Deuteri­ umgas (10^-4 mbar) Ionen erzeugt, die ein Ziehpotential durch das Gitter in den Hohlraum des Kondensators befördert. Von hohem Potential kommend werden sie im Feld beschleu­ nigt, haben im Zentrum des Kondensators nur noch kinetische Energie, die danach beim Anlaufen diametral gegen das Gitter wieder in potentielle übergeht. Dieses Pendeln im E- Feld wiederholt sich mit einer Frequenz von < 10⁷/s bei 10 kV. Proportional zur Frequenz steigt auch die Fusionswahrscheinlichkeit.

Ein ernstes Problem sind die Ionenverluste durch Entladung an den Kathoden und durch Streuung. Erstere werden verringert durch Fokussierung des Ionenstromes und durch La­ dungskompensation im Zentrum.

Die Ionenoptik lässt sich optimieren durch eine berechnete Formgebung des Kondensator­ hohlraumes so, dass das E-Feld die Form einer ringförmigen Sammellinse annimmt.

Im Zentrum entsteht im Wege der Ionenoszillation eine starke positive Raumladung, zu de­ ren Kompensation ein axialer Elektronenstrahl in den fast feldfreien Raum zwischen die Kathoden eingeschossen wird. Diese negative Ladung kompensiert zusammen mit Sekun­ därelektronen die positive Raumladung bis hin zu einem Plasma.

Gleichzeitig produziert der Elektronenstrahl (1 mA) im Arbeitsgas (10^-4 mbar) pro Sekunde < 10¹² D₂ ⁺-Ionen im Strahlvolumen, deren Anreicherung im a priori feldfreien Stoßvolumen die Fusionswahrscheinlichkeit weiter erhöht.

Die Vermutung, dass die Anwesenheit freier Atome (Ionen) mit großem Atomvolumen als 3. Stoßpartner den Fusionsquerschnitt erhöht, also die Fusion katalysiert, ist mit dieser Appa­ ratur überprüfbar. Vorzugsweise sind Xe und J geeignete Kandidaten. Als Gas mit kleinem Partialdruck vorgegeben, reichern sich dessen Ionen im Stoßvolumen in analoger Weise an wie im vorstehenden Abschnitt für D₂ ⁺-Ionen beschrieben.

Bei der Erzeugung von D₂ ⁺-Ionen auf hohem positivem Potential werden auch D⁺-Ionen gebildet mit einem Anteil von 2%. Es bringt Gewinn, wenn dieser Anteil erhöht wird. Im Vergleich mit D₂ ⁺-Ionen bringen Atomionen die doppelte Energie pro Nukleon in das Wir­ kungsgefüge im Schwerpunkt der stoßenden Massen ein. Haben folglich einen höheren Wirkungsquerschnitt. Sehr vorteilhaft ist darüber hinaus die große Mittlere Freie Weglänge (MFW) der Deuteronen.

Eine wirksame Methode Wasserstoffmoleküle im Vakuum zu dissoziieren ist die Desorption von heißen Metalloberflächen. Vorzugsweise von einer Platinoberfläche, die bei 900°C na­ hezu allen Wasserstoff atomar desorbiert. Konstruktiv wird dieser Vorgang in der Apparatur genutzt, indem ein elektrisch geheiztes Platinband in dem Ionisierungsvolumen auf hohem Potential (Anode) aufgehängt ist.

Das große Problem an der Fusion ist, dass man zuerst sehr hohe Energien von einigen keV aufbringen muss (1 keV entspricht 1,16 × 10⁷ K). Eine einfache Abschätzung der Energie­ produktion mit dieser Fusionsapparatur unter der Annahme einer mittleren Lebensdauer der oszillierenden D⁺-Ionen von 1 Sekunde lässt einen Gleichstand von Aufwand und Produkti­ on bei 30 keV Betriebsspannung erwarten. Der Hohlraumkondensator ist dazu mit einem Radius von 0,03 m und 0,025 m Höhe angenommen.

Die DD-Fusionsreaktionen nach (1) und (2) produzieren zu 31 geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie. Die Umwandlung in elektrische Energie kann folglich direkt erfolgen, sowohl elektrostatisch als auch elektrodynamisch in einem Magnetfeld (umgekehrtes Zy­ klotronresonanzprinzip). Für beide Methoden muss die Apparatur insbesondere die Hohlanode aus hochtransparentem, elektrostatisch dichtem Gitter gefertigt sein.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann die Apparatur in einem geschlossenen Ultrahoch­ vakuumbehälter betrieben werden. Einmal erzeugtes UHV erhält dann lange Zeit ein einge­ bauter Getter aufrecht. Die Versorgung mit Arbeitsgas ist mit Hilfe von Metallhydriden mög­ lich, die bekanntlich große Mengen Wasserstoff in kleinen Volumina speichern. Die Einstel­ lung des Wasserstoffpartialdruckes gelingt einfach über die Temperatur des Hydrides. Das Reaktionsprodukt ⁴He kann durch geheiztes dünnwandiges Quarz ausdiffundieren.

Die Abbildung zeigt einen Schnitt durch die Apparatur, einen Hohlraumkondensator mit der Elektrode 1 als Anode und den Elektroden 2a und 2b als Kathoden. In dem ringförmigen Volumen zwischen den koaxialen zylindrischen Abschnitten von 1 und dem Gitter 3 erzeu­ gen von der Glühkathode 4 emittierte Elektronen 5, die im schwachen B-Feld auf Kreisbah­ nen umlaufen, im Arbeitsgas Ionen auf hohem Potential, die durch das Gitter 3 in den Hohlraum eintreten. Im E-Feld des Hohlraumes werden die Ionen zur Zylinderachse hin be­ schleunigt und oszillieren. Die Schleife 8 symbolisiert die Flugbahn eines Ions. 6 kennzeich­ net den Elektronenstrahl in der Zylinderachse. Er hat u. a. die Aufgabe die starke positive Raumladung, gebildet von den durch das Zentrum oszillierenden Ionen, zu kompensieren. Das Strahlvolumen ist auch der geometrische Ort höchster Dichte von Fusionsreaktionen. Das Platinband 7 ist elektrisch heizbar. Es dient zur Dissoziation der Wasserstoffmoleküle.

Claims (9)

1. Apparatur zur Verbesserung der Fusionsausbeute bei Wasserstoffisotopen dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Ionen auf hohem positivem Potential in einem Hohlraumkondensator vorzugsweise in Form eines kurzen Hohlzylinders erzeugt wer­ den und in dem E-Feld, aufgespannt zwischen Hohlraum der Anode und den beiden Kathoden auf Massepotential, zentrosymmetrisch oszillieren mit hoher Frequenz. Das Stoßzentrum liegt in der Zylinderachse.

2. Apparatur nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass zur Ladungskompensation im Stoßzentrum ein Elektronenstrahl in der Zylinderachse eingeschlossen wird.

3. Apparatur nach den Ansprüchen 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Strahlelektronen gleich der Energie am Maximum der Ionisierungswahrscheinlich­ keit des Arbeitsgases ist.

4. Apparatur nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das E-Feld als optimale Ionenoptik für die oszillierenden Ionen wirkt zur Verringerung von Ionenverlusten. Die dazu notwendige Form der Anode wird rechnerisch ermittelt.

5. Verfahren zum Betrieb der Apparatur nach den Ansprüchen 1. und 3. dadurch ge­ kennzeichnet, dass dem Arbeitsgas ein Gas mit geringem Partialdruck zugegeben wird, dessen Atome sich in Form von Ionen am e-Strahl anreichern und im Reaktions­ knäul 3. Stoßpartner sind, vorzugsweise Xenon.

6. Apparatur nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass im ringförmigen Ionisie­ rungsraum der Hohlanode ein elektrisch heizbares Metall vorzugsweise ein Pt-Band aufgespannt ist für den Zweck der Wasserstoffdissoziation.

7. Betrieb der Apparatur nach den Ansprüchen 1. bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumgefäß abgeschlossen ist, das Vakuum ein Geifer aufrecht hält und Metall­ hydrid zur Versorgung mit Arbeitsgas eingesetzt ist.

8. Betrieb der Apparatur nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass für die Fusion im Pulsbetrieb die Ziehspannung gepulst wird.

9. Apparatur nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlanode aus trans­ parentem und elektrostatisch dichtem Gitter besteht.