DE10033969B4 - Apparatus for generating collisions of opposing ion bundles - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Kollisionen gegenläufiger Ionenbündel mit einem Reaktor (1), Beschleunigern (2), Ionenbündelinjektoren (3), Magnetfeldspulen (4), einem Vakuumsystem (5), einem Kessel mit einem Wärmeträger (6), Lasern (7), Plasmainjektoren (8), Anoden (9) und symmetrisch angeordneten Ionenableitungsröhren (13), dadurch gekennzeichnet, dass
– die symmetrisch angeordneten Ionenableitungsröhren (13) jeweils aus zwei bogenförmigen Teilen bestehen, die an einem Ende mittels koaxialer Röhren (12) hermetisch mit dem Reaktor (1) und andererseits durch geradlinig geführte Abschnitte miteinander verbunden sind;
– auf den geradlinigen Abschnitten der Ionenableitungsröhren (13) Magnetspulen (15), die Ionenbündel komprimieren, angeordnet sind;
– in den bogenförmigen Abschnitten der Ionenableitungsröhren (13) zur Gewährleistung einer kreisförmigen Bewegung der Ionenbündel ein permanentes Magnetfeld mit in vertikaler Richtung verlaufenden Feldlinien vorgesehen ist;
– beidseitig des Reaktors (1) jeweils ein Ionenbündelinjektor (3) mit einem Plasmainjektor (8), einer als Scheibe ausgebildeten Anode (9) und einem Laser (7) angeordnet ist, wobei die Achse des Lasers...Apparatus for generating collisions of counter-rotating ion beams with a reactor (1), accelerators (2), ion beam injectors (3), magnetic field coils (4), a vacuum system (5), a boiler with a heat carrier (6), lasers (7), plasma injectors (8), anodes (9) and symmetrically arranged ion discharge tubes (13), characterized in that
- The symmetrically arranged ion discharge tubes (13) each consist of two arcuate parts which are connected at one end by means of coaxial tubes (12) hermetically connected to the reactor (1) and on the other hand by rectilinear guided sections;
- on the rectilinear portions of the ion discharge tubes (13) magnetic coils (15) which compress ion bundles are arranged;
- In the arcuate portions of the ion discharge tubes (13) is provided for ensuring a circular movement of the ion beams, a permanent magnetic field with vertically extending field lines;
- On both sides of the reactor (1) each a Ionenbündelinjektor (3) with a plasma injector (8), designed as a disc anode (9) and a laser (7) is arranged, wherein the axis of the laser ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kollisionen gegenläufiger Ionenbündel und kann insbesondere in der Energiewirtschaft und im Verkehrswesen eingesetzt werden.The The invention relates to a device for generating collisions opposing Ion bundles and especially in the energy industry and in transportation be used.

Nach dem Stand der Technik wird gegenwärtig an der Lösung des Problems der kontrollierten Kernfusion, deren produzierte Energie 50-mal größer als die bei der Kernspaltung und 109 mal größer als der spezifische Energiegewinn als bei der Verbrennung von Kohle ist, in folgenden zwei Richtungen gearbeitet:

  • – dem berührungslosen Einschluß und der Erhitzung des Fusionsplasmas in einem Magnetfeld (magnetische Plasma-Retention; (Tokamakanlagen u.a.). und
  • – der Verdichtung und Erhitzung eines kleinen Volumens durch Implosion von Hohlkügelchen unter dem Einfluß äußerer Bestrahlung (Inertial- oder Trägheitsfusion).
The prior art is currently working on solving the problem of controlled thermonuclear fusion whose produced energy is 50 times greater than that in nuclear fission and 10 9 times greater than the specific energy gain of coal combustion in the following two directions :
  • - The contactless inclusion and heating of the fusion plasma in a magnetic field (magnetic plasma retention, (Tokamakanlagen and others)
  • - The compression and heating of a small volume by implosion of hollow beads under the influence of external radiation (inertial or inertial fusion).

Bekannt ist, dass das Zünden von d-t-Minibomben unter Laborbedingungen bei einer Strahlungsenergie von 10 MJ erfolgen kann. Experimente mit einem Laserdriver (Zünder) liegen im Bereich von 0,1 MJ bis 0,15 MJ. Mit dem in den USA geplanten Projekt zur Laserkompression (NIF) soll dieser Wert bis auf 1,5 MJ erhöht werden, was 1,2 Milliarden US-$ kosten wird. Die Kosten der gesamten Anlage werden auf ungefähr 10 Milliarden US-$ geschätzt (Lawer, A./Science.1997. V. 275. P. 1253).Known is that kindling of d-t minibombs under laboratory conditions at a radiant energy of 10 MJ can be done. Experiments with a laserdriver (detonator) lie in the range of 0.1 MJ to 0.15 MJ. With the project planned in the USA for laser compression (NIF), this value should be increased to 1.5 MJ, which will cost 1.2 billion US $. The cost of the entire facility will be at about $ 10 billion (Lawer, A./Science.1997. V. 275. P. 1253).

Allein die Projektierung des international thermonuklear experimental Reaktor (ITER) kostete 1,5 Milliarden US-$. Die Gesamtkosten des Projekts sind ebenfalls sehr hoch und werden mit ca. 7,7 Milliarden US-$ veranschlagt. Das heißt, sie liegen in der gleichen Größenordnung, wie die bei der Zündung nach der Trägheitsfusion (S.W. Mirnov, Priroda, 1999, Nr. 11, 12).Alone the design of the international thermonuclear experimental reactor (ITER) cost $ 1.5 billion. The total cost of the project are also very high and are estimated at about 7.7 billion US $. This means, they are of the same order, like the ignition after the inertial fusion (S.W. Mirnov, Priroda, 1999, No. 11, 12).

Letztendlich erlitten ungeachtet aller ihrer Erfolge die Tokamaks eine gewisse psychologische Niederlage: Der USA-Kongress verlängerte nicht mehr die Beteiligung des Landes am ITER-Projekt.At long last Regardless of all their success, the tokamaks suffered a certain amount psychological defeat: The US Congress no longer extended the stake of the country on the ITER project.

Außer den obengenannten äußerst kostspieligen Verfahren wurden in letzter Zeit Verfahren zur Erzeugung von Kollisionen in gegenläufigen Ionenbündeln mit hoher Dichte vorgeschlagen. So wurde vorgeschlagen, gegenläufige Ionenbündel zu verwenden, die sich auf sich tangierenden Kreisbahnen in entgegengesetzten Richtungen bewegen (L. Schiljakov, „Nauka i schisn", 2000, Nr. 1). Diese Technologie wird in der Forschung schon seit langem für wissenschaftliche Untersuchungen genutzt. Problematisch ist hierbei jedoch, im Inneren des erhitzten Reaktors das zur Gewährleistung der Bewegung der Bündel auf Kreisbahnen erforderliche Magnetfeld zu schaffen. Unter Berücksichtigung dessen, dass die aktive Zone, d.h. der Umfang der sich tangierenden röhrenförmigen Ringkerne, äußerst begrenzt ist, und durch das Fehlen eines Faktors, der die Bündel durch Verringerung des Magnetfeldes oder zusätzliche Energieimpulse nach jeder Kollision beschleunigt, kann angenommen werden, dass eine Realisierung dieses Verfahrens wenig wahrscheinlich ist.Except the above extremely expensive Recently, methods have been used to generate collisions in opposite directions ion beams proposed with high density. For example, it was proposed to use opposite ion bundles use that on opposite tangential circular orbits Moving directions (L. Schiljakov, "Nauka i schisn", 2000, No. 1) Technology has been in research for a long time for scientific Investigations used. The problem here, however, is inside of the heated reactor that to ensure the movement of the bundles Circular paths required to create magnetic field. Considering that the active zone, i. the circumference of the tangent tubular ring cores, extremely limited is, and by the absence of a factor that reduces the bundles of the magnetic field or additional Energy pulses accelerated after each collision can be assumed Be that realization of this procedure is less likely is.

Gemäß der in der DE 199 10 146 A1 offenbarten technischen Lehre wird die Verwendung gegenläufiger Ionenbündel mit äußerst hoher Dichte von 1019 bis 1021 Ionen/cm3 (Intensität n = 1021 bis 1023) vorgeschlagen, die bei ihrer Schwingbewegung längs der Beschleunigerachse und bei 50 kHz bis 100 kHz mehrfach kollidieren. Auch dieses Verfahren weist eine Reihe von Mängeln auf:
Erstens: Bei der Schwingbewegung der Bündel längs der Beschleunigerachse, die deren mehrfache Kollision gewährleistet, erfolgen in der Schwingungszeit T zwei „aktive" Kollisionen mit dem gegenläufigen Bündel im Reaktorraum mit Energiefreisetzung und Streuung und zwei Kollisionen im anodennahen Bereich der Ionen des Kopfteils des Bündels mit Ionen des hinteren Teils des gleichen Bündels. Bei dieser Kollision mit geringen Geschwindigkeiten nimmt die Ionenstreuung zu und wird äußerst intensiv. Das verringert den Materialnutzungsfaktor und den Wirkungsgrad der Anlage.
Zweitens: Mit hohen Kosten ist die Erzeugung und langzeitige Retention von schwingenden superdichten Ionenbündeln im Reaktor ohne Magnetfeld verbunden.
Drittens: Ungeachtet dessen, dass der Einsatz von Lasern die Gewinnung eines Plasmaclusters ohne Beimengungen gewährleistet, ist jedoch die Nutzungszeit des Lasers bei einer Frequenz von 1 Hz begrenzt und sind die Kosten zu hoch.
Viertens: Da der Wirkungsgrad der Laser mit 1 % zu niedrig ist und deren Energieverbrauch 1 MW bis 5 MW beträgt, übersteigt folglich der Energieverbrauch der Anlage 10 MW, was auch durch den Einsatz von superdichten Ionenbündeln bedingt ist.According to the in the DE 199 10 146 A1 It is proposed that the use of extremely high density counter-rotating ion beams of 10 19 to 10 21 ions / cm 3 (intensity n = 10 21 to 10 23 ) collide several times as they oscillate along the accelerator axis and at 50 kHz to 100 kHz , This method also has a number of shortcomings:
Firstly, during the oscillation movement of the bundles along the accelerator axis, which ensures their multiple collision, two "active" collisions with the opposite bundle in the reactor space with energy release and scattering and two collisions in the near-anode region of the ions of the head part of the bundle take place during the oscillation time T. Ions of the back part of the same bundle In this collision at low speeds, ion scattering increases and becomes extremely intense, reducing the material utilization factor and the efficiency of the plant.
Second, high cost involves the generation and long term retention of vibrating super dense ion bundles in the reactor without magnetic field.
Third, despite the fact that the use of lasers ensures the recovery of a plasma cluster without additions, the useful life of the laser is limited at a frequency of 1 Hz and the cost is too high.
Fourth, because the efficiency of the lasers is 1% too low and their energy consumption is 1 MW to 5 MW, the energy consumption of the system exceeds 10 MW, which is also due to the use of super-dense ion bundles.

Aus der AT 340 010 OS ist eine Einrichtung zur Erzielung einer nuklearen Reaktion mittels künstlichem Plasma, vorzugsweise zur kontrollierten Atomkernfusion bekannt, bei welcher Atomionenstrahlen in einem kontrahierenden Magnetfeld gegeneinandergeführt werden und diesen zur Plasmabildung Elektronen zugeführt werden. Die Herstellung eines Plasmastrahles wird hierbei durch Vermischen eines vorher beschleunigten Elektronenstrahles mittels Umlenkmagneten bewirkt, der den Elektronenstrahl aber nur wenig beeinflusst. Bei dieser Einrichtung reagiert bei einem einmaligen Zusammenstoß zweier Plasmastrahlen nur ein kleiner Teil des Materials so dass anzunehmen ist, dass weniger Energie gewonnen als verbraucht wird. Außerdem muss bei den dünnen Wänden der Rohre und des Kühlmantels der Schutz des Personals vor radioaktiver Strahlung angezweifelt werden.AT 340 010 OS discloses a device for achieving a nuclear reaction by means of artificial plasma, preferably for controlled atomic nuclear fusion, in which atomic ion beams are directed against each other in a contracting magnetic field and these are supplied with electrons for plasma formation. The production of a plasma jet is in this case effected by mixing a previously accelerated electron beam by means of deflection magnets, which only slightly influences the electron beam. This facility responds to a one-time connection In the event of two plasma jets, only a small part of the material can be assumed to produce less energy than is consumed. In addition, with the thin walls of the pipes and the cooling jacket, the protection of the personnel against radioactive radiation must be doubted.

Dieses Problem haftet auch dem sich aus der GB 2 220 294 ergebenden Verfahren und der Einrichtung zur kontrollierten Kernfusion, die aus einem als Vakuumkammer ausgebildeten Reaktor, verschiedenen Magnetsystemen und -spulen und Ioneninjektoren besteht, mittels Laserstrahlungen an. Außerdem ist nicht offenbart, wie die gegebenenfalls erzeugte Energie abgenommen werden kann.This problem is also liable from the GB 2 220 294 resulting method and the controlled nuclear fusion device, which consists of a reactor designed as a vacuum chamber, various magnetic systems and coils and ion injectors, by means of laser radiation. In addition, it is not disclosed how the optionally generated energy can be removed.

Die DE 37 42 327 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Fusionseinleitung durch Zünden von Pellets aus flüssigem oder gefrorenem Wasserstoff oder schwerem Wasserstoff oder einem anderen zur Fusion geeigneten Material. Die Zündung erfolgt mit Hilfe eines im Kreis entlang einer geschlossenen Kurve umlaufenden, vorzugsweise magnetisch geführten Ionenstromes von Wasserstoffionen oder Schwerwasserstoffionen oder eines anderen Materialstromes, der die Pellets durchdringt.The DE 37 42 327 A1 relates to an apparatus for initiating fusion by igniting pellets of liquid or frozen hydrogen or heavy hydrogen or other material suitable for fusion. The ignition takes place with the help of a circulating along a closed curve, preferably magnetically guided ion current of hydrogen ions or heavy hydrogen ions or other material flow that penetrates the pellets.

Da nur ein sehr kleiner Teil des Ionenstromes reagiert, kann nicht von einer stabilen Zündung zur Einleitung einer Fusionsreaktion ausgegangen werden. Darüber hinaus ist der Schutz des Personals vor radioaktiver Strahlung nicht gewährleistet.There only a very small part of the ionic current reacts, can not from a stable ignition to initiate a fusion reaction. Furthermore the protection of personnel against radioactive radiation is not guaranteed.

Analoge Probleme verbinden sich auch mit dem durch die DE-OS 27 55 285 offenbarten Verfahren und der Einrichtung zu diesem Verfahren zur kontrollierten Atomkernfusion mittels künstlichem Plasma. In einen ringförmig oder ähnlich verlaufenden Reaktionsraum. Der zwei Ansatzteile besitzt, mittels denen die durch Mischmagnete aus Ionenstrahlen und Elektronenstrahlen gebildeten künstlichen Plasmastrahlen durch Kontraktionsspulen verlaufend so eingeschossen werden, dass sie im Umlauf gegeneinander gerichtet sind. Außerdem ist nicht offenbart, wie die gegebenenfalls erzeugte Energie abgenommen werden kann.analog Problems are also associated with that disclosed by DE-OS 27 55 285 Method and device for this method of controlled Atomic nuclear fusion by means of artificial Plasma. In a ring or similar extending reaction space. The two attachment parts has, by means of which by mixed magnets of ion beams and electron beams formed artificial Plasma jets running through contraction coils so shot be that they are in circulation against each other. Besides that is not disclosed how the possibly generated energy decreased can be.

Aus dem US 4,246,067 ergibt sich ein Verfahren und eine Einrichtung zur thermonuklearen Fusion durch Kollision von Ionen mit unterschiedlichen Schwingungen in einer Richtung. Die Einrichtung besteht aus einem Reaktor, der jeweils aus zwei bogenförmigen Teilen besteht, die durch zwei geradlinige Abschnitte miteinander verbunden sind sowie Ionen- und Elektroneninjektoren. Auf der gesamten Länge der bogen- und geradlinigen Abschnitte sind Magnetspulen angeordnet.From the US 4,246,067 For example, a method and apparatus for thermonuclear fusion results by collision of ions having different oscillations in one direction. The device consists of a reactor, each consisting of two arcuate parts which are interconnected by two rectilinear sections and ion and electron injectors. Magnetic coils are arranged along the entire length of the arcuate and rectilinear sections.

Es ist jedoch nicht offenbart, wo und auf welche Weise die Energie bei dem Reaktor mit vielen Magnetspulen abgenommen werden kann.It However, it is not revealed where and how the energy can be removed in the reactor with many magnetic coils.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von Kollisionen gegenläufiger Ionenbündel mit einem gesteigerten Wirkungsgrad sowie einer größeren Betriebszuverlässigkeit und Nutzungsdauer bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten bereitzustellen.task The invention therefore provides an improved device for generating of collisions of opposite ion beam with increased efficiency and greater operational reliability and service life while reducing energy consumption and to provide the cost.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 4.According to the invention Asked task by a device with the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments of the device according to the invention arise from the features of the subclaims 2 to 4.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der in der DE 199 10 146 A1 beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Kollisionen gegenläufiger Ionenbündel.The inventive device is based on in the DE 199 10 146 A1 described apparatus for generating collisions of opposing ion beams.

Im folgenden soll die erfindungsgemäße Vorrichtung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:in the The following is the device of the invention closer to drawings be explained. Show it:

1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht im Schnitt; 1 the device according to the invention in plan view in section;

2 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Spannung am Generator von der Zeit; 2 graphically depicting the dependence of voltage on the generator on time;

3 einen Ausschnitt aus 1 mit Ionenbündelinjektor; 3 a section from 1 with ion beam injector;

4 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Anzahl der Zusammenstöße N, der Energie E und Leistung P von der Intensität n. 4 graphically shows the dependence of the number of collisions N, the energy E and power P on the intensity n.

Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll nun an Hand der 1 erläutert werden. Wie aus 1 ersichtlich ist, besteht diese aus folgenden Grundelementen: dem Reaktor 1, dem Beschleuniger 2, den Ionenbündelinjektoren 3, den Spulen 4, 14 und 15, die jeweils fokussierende und komprimierende Magnetfelder erzeugen, dem Vakuumsystem 5, dem Kessel 6 mit Wärmeträger, dem Laser 7, den Plasmainjektoren 8, den Anoden 9, den symmetrisch angeordneten Ionenableitungsröhren 13, bestehend aus zwei bogenförmigen Teilen, die jeweils von einer Seite an den Röhren 12 angeschweißt sind und von der anderen Seite mit dem geradlinigen Bereich der Röhren 13 hermetisch verbunden sind.The structural design of the device according to the invention will now be on hand of 1 be explained. How out 1 it can be seen, this consists of the following basic elements: the reactor 1 , the accelerator 2 , the ion beam injectors 3 , the coils 4 . 14 and 15 , which each generate focusing and compressing magnetic fields, the vacuum system 5 , the kettle 6 with heat carrier, the laser 7 , the plasma injectors 8th , the anodes 9 , the symmetrically arranged ion dissipation tubes 13 , consisting of two arcuate parts, each from one side to the tubes 12 welded and from the other side with the rectilinear area of the tubes 13 hermetically connected.

Zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Feldes werden die bogenförmigen Teile der Röhren 13 in ihrer Symmetrieebene jeweils mit dielektrischen Dichtungen 16 isoliert. Zur Erzeugung der Kreisbewegung der Bündel erhielt die Vorrichtung ein elektromagnetisches System auf Basis von Hochtemperatur-Supraleitern, in 1 nicht dargestellt, die die Magnetfelder B+ und B– senkrecht zu der in 1 dargestellten Ebene in jeweils entgegengesetzter Richtung erzeugen.To generate an accelerating electric field, the arcuate parts the tubes 13 in their plane of symmetry, each with dielectric seals 16 isolated. To generate the circular motion of the bundles, the device was given an electromagnetic system based on high-temperature superconductors, in 1 not shown, the magnetic fields B + and B - perpendicular to the in 1 produce level shown in opposite directions.

Zur Beschleunigung der Ionenbündel nach der Kollision wird ein Impulsgenerator 17 mit einer Frequenz von 167 kHz bis 337 kHz und einer Dauer von t = 1,5 μs bis 3 μs verwendet.To accelerate the ion beams after the collision becomes a pulse generator 17 used with a frequency of 167 kHz to 337 kHz and a duration of t = 1.5 μs to 3 μs.

Ein neues und wichtiges Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die konstruktive Ausbildung des Systems symmetrisch angeordneter Ionenableitungsröhren 13 in der horizontalen Ebene. Sie sind über koaxiale Röhren 12 hermetisch mit dem Reaktor 1 verbunden. Andererseits sind die bogenförmigen Teile durch den geradlinig geführten Abschnitt der Ionenableitungsröhren 13, auf denen die Spulen 15 des komprimierenden Magnetfeldes angeordnet sind, miteinander verbunden. Das permanente Magnetfeld B+ = 0,042 T bis 0,065 T gewährleistet die Kreisbewegung der Ionenbündel in den bogenförmigen Teilen der Ionenableitungsröhren 13. In den geradlinigen Bereichen der Röhren 13 wird innerhalb der Spulen 15 das zerfallende Ionenbündel durch das starke Magnetfeld dieser Spule B = 5 T bis 10 T erneut komprimiert.A new and important element of the device according to the invention is the structural design of the system symmetrically arranged ion dissipation tubes 13 in the horizontal plane. They are about coaxial tubes 12 hermetically with the reactor 1 connected. On the other hand, the arcuate portions are through the rectilinear portion of the ion dissipation tubes 13 on which the coils 15 of the compressing magnetic field are connected to each other. The permanent magnetic field B + = 0.042 T to 0.065 T ensures the circular motion of the ion bundles in the arcuate parts of the ion dissipation tubes 13 , In the rectilinear areas of the tubes 13 gets inside the coils 15 the decaying ion beam is again compressed by the strong magnetic field of this coil B = 5 T to 10 T.

Angesichts der Tatsache, dass sich die Geschwindigkeit des Bündels nach der Kollision etwas verringert, wird das Bündel nach jedem Zyklus im Bereich der isolierten Teile eines an sich bekannten Zyklotrons beschleunigt. Dabei sind Reaktor 1 und Kessel 6 geerdet und ist an dem isolierten (äußeren) Teil der Ionenableitungsröhren 13 ein positives Potential angelegt. Die Frequenz dieser Spannung wird aus folgenden Annahmen bestimmt: I1 = 1,43 m, R1 = 0,5 m, ν1 = 106 m/s bei U1 = 10 kV, die Länge des geschlossenen Weges L beträgt dann L1 = 2 × I1 + 2πR1 = 6 m, die Umlaufzeit T1 = 6 m : 10 × 105 m/s = 6 μs und die Frequenz ω1 = 167 kHz.In view of the fact that the velocity of the bundle decreases slightly after the collision, the bundle is accelerated after each cycle in the region of the isolated parts of a known cyclotron. There are reactor 1 and kettle 6 grounded and is at the isolated (outer) part of the ion dissipation tubes 13 created a positive potential. The frequency of this voltage is determined from the following assumptions: I 1 = 1.43 m, R 1 = 0.5 m, ν 1 = 10 6 m / s at U 1 = 10 kV, the length of the closed path L is then L 1 = 2 × I 1 + 2πR 1 = 6 m, the cycle time T 1 = 6 m: 10 × 10 5 m / s = 6 μs and the frequency ω 1 = 167 kHz.

Bei U2 = 100 kV, ν2 = 3,1 × 103 km/s, I2 = 1,46 m, R2 = 1 m beträgt die Länge L2 = 9,2 m, T2 = 9,2 : 3,1 × 106 ≈ 3 μs, ω2 = 337 kHz (2).At U 2 = 100 kV, ν 2 = 3.1 × 10 3 km / s, I 2 = 1.46 m, R 2 = 1 m, the length L 2 = 9.2 m, T 2 = 9.2 : 3.1 × 10 6 ≈ 3 μs, ω 2 = 337 kHz ( 2 ).

Wählt man angesichts dessen, dass sich mit Zunahme der Energie der gegenläufigen Bündel der Streufaktor verringert, U2 = 100 kV, so nimmt der Streuungskoeffizient k0 bei einer Gesamtenergie E = 200 keV den Wert 0 an. Given that the scattering factor decreases as the energy of the opposing bundles increases, U 2 = 100 kV, the scattering coefficient k 0 assumes the value 0 for a total energy E = 200 keV.

Die Induktion des Magnetfeldes B+ = |B–| in den bogenförmigen Bereichen der Röhren 13 wird bestimmt mit der bekannten Formel B = mV/eR (1), wobei m = 2 × 1,67 × 10–27 kg – Masse des Deuterium-Ions und e = 1,6 × 10–19 C – Ladung des Ions sind. Bei einer angenommenen Geschwindigkeit des Ions von v1 = 1000 km/s, einem Bahnkrümmungsradius R1 = 0,5 m ergibt sich für B1 = 0,042 T und für B2 = mν2/eR2 = 0,065 T,

Figure 00070001
The induction of the magnetic field B + = | B - | in the arcuate areas of the tubes 13 is determined by the known formula B = mV / eR (1), where m = 2 × 1.67 × 10 -27 kg - mass of the deuterium ion and e = 1.6 × 10 -19 C - charge of the ion , At an assumed velocity of the ion of v 1 = 1000 km / s, a path curvature radius R 1 = 0.5 m results for B 1 = 0.042 T and for B 2 = mν 2 / eR 2 = 0.065 T,
Figure 00070001

Die folgende erfindungsgemäße konstruktive Veränderung geht davon aus, dass das Magnetfeld B+, das die Kreisbewegung der Bündel in den bogenförmigen Bereichen der Ionenableitungsröhren 13 gewährleistet, auch die Flugbahn der aus den Beschleunigern neu gestarteten Ionenbündel krümmt und infolgedessen die Flugbahnen der gegenläufigen Bündel nicht deckungsgleich sind.The following constructive change according to the invention assumes that the magnetic field B + , which is the circular movement of the bundles in the arcuate regions of the ion dissipation tubes 13 ensures that the trajectory of the newly launched from the accelerators bundle of ions curves and consequently the trajectories of the opposing bundles are not congruent.

Um dieses auszuschließen, wird auf dem Weg der Ionenbündel ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld |B–| = B erzeugt. Dabei wird, wie aus 3 ersichtlich ist, die Achse des Plasmainjektors 8 mit dem Abstand Δ „unten" geführt und die Achse des Lasers 7 parallel zur Achse O1O1 der Beschleuniger ausgerichtet und ebenfalls in dem Abstand Δ von ihr so angeordnet, dass der fokussierte Laserstrahl in den gegenüberliegenden Plasmainjektor 8 gerichtet istTo exclude this, an oppositely directed magnetic field | B - | = B generated. It will, as of 3 it can be seen, the axis of the plasma injector 8th with the distance Δ "down" and the axis of the laser 7 aligned parallel to the axis O 1 O 1 of the accelerator and also arranged at the distance .DELTA. from her so that the focused laser beam into the opposite plasma injector 8th is directed

Der Abstand Δ ergibt sich wie folgt: Im Feld B1 – = 0,042 T bewegt sich das Ionenbündel auf dem Bogen mit dem Radius R1 = 0,5 m. Die Länge der Bereiche B+ und B–, die das Ionenbündel durchfliegt, wird als gleich angenommen, als Bedingung für die Parallelität ihrer Flugbahnen vor und nach dem Durchfliegen der Magnetfelder.The distance Δ results as follows: In the field B 1 - = 0.042 T, the ion beam moves on the arc with the radius R 1 = 0.5 m. The length of the regions B + and B - , which passes through the ion beam, is assumed to be the same, as a condition for the parallelism of their trajectories before and after flying through the magnetic fields.

Bei einer angenommenen Länge dieser Bereiche I1 = 10 cm und unter Berücksichtigung von

Figure 00080001
ergibt sich x1 = 50 – √502 – 102 = 50 – 48,99 ≈ 1 cm; Δ1 = 2x1 = 2 cm; bei R2 = 100 cm; I2 = 20 cm; x2 = 2 cm; Δ2 = 4 cm (3).Assuming a length of these areas I 1 = 10 cm and taking into account
Figure 00080001
x 1 = 50 - √50 2 - 10 2 = 50 - 48,99 ≈ 1 cm; Δ 1 = 2x 1 = 2 cm; at R 2 = 100 cm; I 2 = 20 cm; x 2 = 2 cm; Δ 2 = 4 cm ( 3 ).

Die DE 199 10 146 A1 zeigt die Ergebnisse aus der Berechnung der gesamten Energiefreisetzung der kontrollierten Kernfusion bei Mehrfachkollisionen der Ionenbündel für Intensitäten von 1020 bis 1023. Aufgrund der großen Anzahl von Rechenoperationen (ungefähr 106) wurden diese Berechnungen sehr approximativ ausgeführt. Außerdem wurde darin nicht die Ionenstreuung im anodennahen Raum berücksichtigt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wegen der Bewegung der Ionenbündel auf geschlossenen Flugbahnen nicht stattfindet.The DE 199 10 146 A1 shows the results from the calculation of the total energy release of the controlled nuclear fusion in multiple collisions of the ion beams for intensities of 10 20 to 10 23 . Due to the large number of arithmetic operations (approximately 10 6 ), these calculations were performed very approximatively. In addition, it did not consider the ion scattering in the near-anode space, which does not occur in the device according to the invention because of the movement of the ion beams on closed trajectories.

Berechnungen haben ergeben, dass sogar bei einer Intensität von 1017 (ρ = 1015 Ionen/cm3) die Energiefreisetzung 62,5 kJ beträgt, jedoch steht dem der Einsatz starker Laser mit einer Energie im Impuls von 10 kJ bis 50 kJ im Wege: Es handelt sich darum, dass der Wirkungsgrad der Laser mit 1 % zu gering ist. Deshalb beträgt die Leistungsaufnahme der Laser bei einer Frequenz f = 1 Hz gleich 2 MW bis 10 MW. Das übersteigt erheblich die durch die Fusion freigesetzte Leistung von PK = 62,5 kW.Calculations have shown that even at an intensity of 10 17 (ρ = 10 15 ions / cm 3 ), the energy release is 62.5 kJ, but is the The use of strong lasers with an energy in the pulse of 10 kJ to 50 kJ in the way: It is that the efficiency of the laser with 1% is too low. Therefore, the power consumption of the laser at a frequency f = 1 Hz is equal to 2 MW to 10 MW. This significantly exceeds the power released by the fusion of P K = 62.5 kW.

Erfindungsgemäß wird daher zur Senkung des Energieverbrauchs und der Kosten der Anlage vorgeschlagen, die starken Laser durch schwächere mit einer Impulsenergie von 5 J bis 10 J und t = 10 ns auszutauschen und entwickelte Ionenquellen mit einem Ionenstrom I = 106 A oder eine Kombination zu verwenden, in der das Laserbündel eine Impulsladung eines in 1 nicht dargestellten Kondensators mit einer Energie von 10 kJ bis 50 kJ initiiert bei einem Plasmastrahl mit T = 105 K und V = 10 km/s bis 50 km/s (I. A. Lukjanov, Sverchzwukowyje strui plasmy, L. 1985).Therefore, in the present invention, in order to reduce the power consumption and the cost of the system, it is proposed to exchange the strong lasers with weaker ones having a pulse energy of 5 J to 10 J and t = 10 ns and use ion sources having an ion current I = 10 6 A or a combination in which the laser beam is an impulse charge of an in 1 not shown capacitor with an energy of 10 kJ to 50 kJ initiated at a plasma jet with T = 10 5 K and V = 10 km / s to 50 km / s (IA Lukjanov, Sverchzwukowyje strui plasmy, L. 1985).

Zum Betrieb der Anlage soll die Bewegung eines der gegenläufigen Bündel, das z. B. vom linken Injektor abgegeben wird, beschrieben werden. Das Ionenbündel in Beschleuniger 2 bekommt die notwendige Geschwindigkeit (103 bis 3,1 × 103 km/s). Die Flugbahn der Ionen verschiebt sich durch das Magnetfeld B– und B+ in Richtung der Achse O1O1. Nach der Kollision im Reaktorraum strebt das Bündel unter Einwirkung des Magnetfeldes B+ auf dem Bogen mit dem Radius R durch die Ionenableitungsröhre 13 nach oben und wird unter dem Einfluss des Magnetfeldes der Spule 15 erneut komprimiert. Dann gelangt es wieder in den bogenförmigen Teil der Röhre 13 und strebt unter der Einwirkung des gleichen Feldes B+ sowie der Energiezufuhr mittels Generator 17 im Isolatorbereich 16 auf der Kreisbahn erneut in den Reaktorraum.To operate the system, the movement of one of the opposing bundles, the z. B. from the left injector will be described. The ion beam in accelerator 2 gets the necessary speed (10 3 to 3.1 × 10 3 km / s). The trajectory of the ions shifts through the magnetic field B - and B + in the direction of the axis O 1 O 1 . After the collision in the reactor space, the bundle strikes the arc with the radius R through the ion discharge tube under the influence of the magnetic field B + 13 up and is under the influence of the magnetic field of the coil 15 compressed again. Then it returns to the arcuate part of the tube 13 and strives under the influence of the same field B + and the energy supply by means of generator 17 in the insulator area 16 on the circular path again in the reactor room.

Bei der Bewegung im Bereich L1 der dielektrischen Scheibe 16 erfährt das Ionenbündel eine Beschleunigung im elektrischen Feld, zu dessen Erzeugung der Generator 17 dient. Dann erfährt das Bündel erneut eine fokussierende Wirkung durch die Felder der Spule 14 und strebt anschließend in den Reaktor. Der Zyklus ist abgeschlossen. Das aus dem rechten Injektor kommende Bündel bewegt sich analog und ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn im unteren Teil der Ionenableitungsröhre 13 und wird im Bereich L2 beschleunigt.When moving in the area L 1 of the dielectric disk 16 The ion beam experiences an acceleration in the electric field, for the generation of which the generator 17 serves. Then the bundle again experiences a focusing effect through the fields of the coil 14 and then strives into the reactor. The cycle is completed. The bundle coming from the right-hand injector moves in the same way and counter-clockwise in the lower part of the ion discharge tube 13 and is accelerated in the range L 2 .

Für den gesamten Bereich der berechneten Intensität n = 1017 bis 1023 (Dichte p = 1015 bis 1021 Ionen/cm3) – erreicht bei hinreichend großer Zahl der Bündelkollisionen 105 bis 107 – der Materialeinsatzfaktor eine Größenordnung von 36 % bis 50 %, bei ?max = I – k0, wobei k0, der Streuungskoeffizient, mit 0,5 angenommen wurde.For the entire range of the calculated intensity n = 10 17 to 10 23 (density p = 10 15 to 10 21 ions / cm 3 ) - with a sufficiently large number of bundle collisions 10 5 to 10 7 - the material utilization factor is on the order of 36% 50%, at? max = I - k 0 , where k 0 , the scattering coefficient, was assumed to be 0.5.

Es verringert sich dabei die Zahl der Zyklen mit Energiefreisetzung und mit Zunahme der Bündeldichte von 1015 Ionen/cm3 bis 1021 Ionen/cm3 auf 107 bis 105.It decreases the number of cycles with energy release and with increase in the bundle density of 10 15 ions / cm 3 to 10 21 ions / cm 3 to 10 7 to 10. 5

Die in die Konstruktion der Anlage eingebrachten erfindungsgemäßen Änderungen führen zu folgenden positiven Effekten:

  • 1. Durch das System der Ionenableitungsröhren 13 werden Mehrfachkollisionen der Bündel nur im Reaktorraum erreicht. Ihre Streuung am anodennahen Raum wird beseitigt und dadurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung deutlich erhöht.
  • 2. Durch das Austauschen des Beschleunigers und die Erhöhung der Ionenergie auf 100 keV wird die Ionenstreuung bei der Bündelkollision eliminiert. Dabei nimmt ebenfalls die Energiefreisetzung zu und erhöht sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung.
  • 3. Mit dem Ersetzen der Laser-Plasmabildung durch eine Elektronenentladungs-Plasmabildung und durch den vermiedenen Einsatz der kostspieligen Laser wird der Energieverbrauch der Vorrichtung erheblich gesenkt. Durch die nunmehr gegebene Möglichkeit des Einsatzes von Ionenbündeln mit einer um 3 bis 4 Größenordnungen geringeren Dichte sind wesentlich günstigere Voraussetzungen für die technische Realisierung der Vorrichtung einer kontrollierten Kernfusion gegeben Die konstruktiven Änderungen erhöhen den Wirkungsgrad der Anlage und schaffen die Möglichkeit des Einsatzes von Bündeln mit einer Dichte von 1015 Ionen/cm3 bis 1019 Ionen/cm3 mit einer Energie von 10 keV bis 100 keV.
The modifications according to the invention introduced into the construction of the plant lead to the following positive effects:
  • 1. Through the system of ion dissipation tubes 13 Multiple collisions of the bundles are only achieved in the reactor room. Their scattering at the anode-near space is eliminated, thereby significantly increasing the efficiency of the device.
  • 2. Replacing the accelerator and increasing the ion energy to 100 keV eliminates ion scatter in collision collision. The energy release also increases and the efficiency of the device increases.
  • 3. Replacing laser plasma formation with electron-discharge plasma formation and avoiding the use of costly lasers significantly reduces the power consumption of the device. Due to the now given possibility of using ion bundles with a by 3 to 4 orders of magnitude lower density significantly more favorable conditions for the technical realization of the device are given a controlled nuclear fusion The structural changes increase the efficiency of the system and create the possibility of using bundles with a Density of 10 15 ions / cm 3 to 10 19 ions / cm 3 with an energy of 10 keV to 100 keV.

Claims (4)

Vorrichtung zur Erzeugung von Kollisionen gegenläufiger Ionenbündel mit einem Reaktor (1), Beschleunigern (2), Ionenbündelinjektoren (3), Magnetfeldspulen (4), einem Vakuumsystem (5), einem Kessel mit einem Wärmeträger (6), Lasern (7), Plasmainjektoren (8), Anoden (9) und symmetrisch angeordneten Ionenableitungsröhren (13), dadurch gekennzeichnet, dass – die symmetrisch angeordneten Ionenableitungsröhren (13) jeweils aus zwei bogenförmigen Teilen bestehen, die an einem Ende mittels koaxialer Röhren (12) hermetisch mit dem Reaktor (1) und andererseits durch geradlinig geführte Abschnitte miteinander verbunden sind; – auf den geradlinigen Abschnitten der Ionenableitungsröhren (13) Magnetspulen (15), die Ionenbündel komprimieren, angeordnet sind; – in den bogenförmigen Abschnitten der Ionenableitungsröhren (13) zur Gewährleistung einer kreisförmigen Bewegung der Ionenbündel ein permanentes Magnetfeld mit in vertikaler Richtung verlaufenden Feldlinien vorgesehen ist; – beidseitig des Reaktors (1) jeweils ein Ionenbündelinjektor (3) mit einem Plasmainjektor (8), einer als Scheibe ausgebildeten Anode (9) und einem Laser (7) angeordnet ist, wobei die Achse des Lasers (7) so ausgerichtet ist, dass sie einen primären Ionenstrom im gegenüberliegenden Plasmainjektor (8) initiiert, sowie beidseitig des Reaktors (1) Magnetspulen (4) und (14) angeordnet sind, wobei die Magnetspule (4) den primären Ionenstrom und die Magnetspule (14) den sich aus primärem und sekundärem Ionenstrom bildenden Ionenstrom vor seinem Eintritt in den Reaktor (1) justiert und fokussiert; – in den bogenförmigen Abschnitten der Ionenableitungsröhren (13) dielektrische Scheiben (16) angeordnet sind, die die Ionenableitungsröhren in den Abschnitten L1 und L2 von dem Reaktor (1) isolieren und – ein Generator (17) vorgesehen ist, der die Ionenbündel nach der Kollision im Reaktor (1) und den damit verbundenen Energieverlust in den Abschnitten L1 und L2 der Ionenableitunsröhren wieder beschleunigt. Device for generating collisions of opposing ion bundles with a reactor ( 1 ), Accelerators ( 2 ), Ion beam injectors ( 3 ), Magnetic field coils ( 4 ), a vacuum system ( 5 ), a boiler with a heat transfer medium ( 6 ), Lasers ( 7 ), Plasma injectors ( 8th ), Anodes ( 9 ) and symmetrically arranged ion dissipation tubes ( 13 ), characterized in that - the symmetrically arranged ion discharge tubes ( 13 ) each consist of two arcuate parts, which at one end by means of coaxial tubes ( 12 ) hermetically with the reactor ( 1 ) and on the other hand connected by straight-guided sections; On the rectilinear sections of the ion discharge tubes ( 13 ) Magnetic coils ( 15 ), which compress ion bundles, are arranged; In the arcuate sections of the ion discharge tubes ( 13 ) is provided to ensure a circular movement of the ion beams, a permanent magnetic field with extending in the vertical direction field lines; - on both sides of the reactor ( 1 ) each an ion beam injector ( 3 ) with a plasma injector ( 8th ), one as Washer trained anode ( 9 ) and a laser ( 7 ), wherein the axis of the laser ( 7 ) is aligned so that it has a primary ion current in the opposite plasma injector ( 8th ), as well as on both sides of the reactor ( 1 ) Magnetic coils ( 4 ) and ( 14 ) are arranged, wherein the magnetic coil ( 4 ) the primary ion current and the magnetic coil ( 14 ) the ion current forming from the primary and secondary ion streams before it enters the reactor ( 1 ) adjusted and focused; In the arcuate sections of the ion discharge tubes ( 13 ) dielectric disks ( 16 ) are arranged, the ion discharge tubes in sections L 1 and L 2 of the reactor ( 1 ) isolate and - a generator ( 17 ) is provided, the ion bundles after the collision in the reactor ( 1 ) and the associated energy loss in the sections L 1 and L 2 of the Ionenableitunsröhren again accelerated. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die dielektrischen Scheiben (16) in den bogenförmigen Teilen der Ionenableitungsröhren (13) vertikal angeordnet sind.Device according to claim 1, characterized in that the dielectric disks ( 16 ) in the arcuate parts of the ion dissipation tubes ( 13 ) are arranged vertically. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Laser (7) und der Plasmainjektoren (8) in horizontaler Ebene parallel zur Achse O1O1 der Beschleuniger (2) mit einem Abstand von Δ = 2 cm bis 4 cm angeordnet sind und die Anoden (9) zwei Bohrungen mit einem Durchmesser von jeweils ca. 3 mm aufweist, deren Achsen sich mit den Achsen des Plasmainjektors (8) und denen des Lasers (7) decken.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the axes of the laser ( 7 ) and the plasma injectors ( 8th ) in a horizontal plane parallel to the axis O 1 O 1 of the accelerator ( 2 ) are arranged at a distance of Δ = 2 cm to 4 cm and the anodes ( 9 ) has two holes each with a diameter of about 3 mm, the axes of which are aligned with the axes of the plasma injector ( 8th ) and those of the laser ( 7 ) cover. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abschnitt der Ionenableitungsröhren (13) zwischen den Beschleunigern (2) und den Plasmainjektoren (8) Magnetspulen angeordnet sind, die mit B– ein zu B+ entgegengesetzt ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen, das die Flugbahnen der gegenläufigen Ionenbündel so verändert, dass im Raum des Reaktors (1) diese mit der Gesamtachse der Beschleuniger (2) deckungsgleich sind.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the section of the ion discharge tubes ( 13 ) between the accelerators ( 2 ) and the plasma injectors ( 8th Magnetic coils are arranged, which generate with B - a magnetic field oppositely oriented to B + , which changes the trajectories of the opposing ion bundles so that in the space of the reactor ( 1 ) these with the total axis of the accelerator ( 2 ) are congruent.
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