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Die
Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von
Kollisionen gegenläufiger
Ionenbündel,
deren Einsatz insbesondere in der Energiewirtschaft und im Verkehrswesen
Bedeutung erlangen kann.
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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).
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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).
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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).
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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.
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Außer den
obengenannten äußerst kostspieligen
Verfahren wurden in letzter Zeit Verfahren zur Realisierung der
kontrollierten Kernfusion 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.
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Aus
der
US 4,240,873 A geht
ein Verfahren und eine Einrichtung zur kontrollierten Kernfusion mittels
Kollisionen von Ionenbündeln
hoher Energie von Deuterium und Tritium im Magnetfeld hervor. Die Einrichtung
umfasst einen Reaktor, der aus jeweils zwei bogenförmigen Teilen
besteht, die durch zwei geradlinige Abschnitte miteinander verbunden
sind, Magnetsspulen, angeordnet auf der gesamten Länge der
geradlinigen Abschnitte, Vakuumpumpen, Lasern und Ioneninjektoren.
Die Erfindung wird als nicht ausführbar angesehen, da sie unvollständig offenbart
ist, insbesondere hinsichtlich der Energieabnahme und der Energieübertragung
von den Spulen auf die Ionenbündel.
Hinzu kommt, dass der konstruktive Aufbau der Einrichtung die radioaktive
Verseuchung vieler Teile der Einrichtung nicht verhindert und daher der
erforderliche Schutz des Personals nicht gegeben ist.
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Analog
ist die Erfindung gemäß
DE-OS 37 19 706 einzuschätzen. Sie
bezieht sich auf ein Verfahren zur thermonuklearen Fusion von Teilchenstrahlen.
In einem ringförmigen
Reaktor sind drei Vorrichtungen zur Erzeugung von Ionenstrahlen
vorgesehen. Zwei der erzeugten Ionenstrahlen lauf in die gleiche
Richtung aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Der dritte
Ionenstrahl läuft
in entgegengesetzter Richtung. Er soll die elektrische Ladung der
beiden in die gleiche Richtung laufenden Ionenstrahlen aufheben
und dadurch eine Zerstreuung der Teichen in Folge elektrostatischer
Abstoßung
vermeiden. Die drei koaxialen Strahlen sind durch ein Magnetsystem
eingeschlossen, das sie innerhalb eines abgedichteten Vakuumsammelringes
um ihre Richtungs- und Umlaufachsen begrenzt hält. Wesentliche, zur Ausübung des
Verfahrens erforderliche Parameter sind jedoch nicht offenbart,
so zur Energiedichte der Ionenstrahlen sowie zur Dichte und Dauer des
Ionenstrahlimpulses. Des weiteren ist die Wechselwirkung zwischen
drei Ionenstrahlen nicht ausreichend und überzeugend erklärt.
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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.
Es ist jedoch nicht offenbart, wo und auf welche Weise die Energie
bei dem Reaktor mit vielen Magnetspulen abgenommen werden kann.
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Gemäß der in
der
DE 199 10 146
A1 offenbarten technischen Lehre wird die Verwendung gegenläufiger Ionenbündel mit äußerst hoher
Dichte von 10
19 bis 10
21 Ionen/cm
3 (Intensität n = 10
21 bis 10
23) 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: Die
aktive Zone des Reaktors befindet sich in Übereinstimmung mit den Achsen
der Beschleuniger und der Ionenbündelinjektoren
mit der sich daraus ergebenden Gefahr radioaktiver Belastung des Bedienungspersonals
durch Bestrahlung aus der aktiven Zone.
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Zweitens:
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.
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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.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung
von Kollisionen in gegenläufigen
Ionenbündeln
mit einem höheren Wirkungsgrad,
ohne Gefahren für
das Bedienpersonal sowie mit einer größeren Betriebszuverlässigkeit bei
gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten
bereitzustellen.
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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 des Unteranspruches 2.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
besiert auf der in der
DE
199 10 146 A1 sowie der in der Patentanmeldung Aktenzeichen
DE 100 33 969 A1 beschriebenen
Vorrichtungen zur Erzeugung von Kollisionen in gegenläufigen Ionenbündeln.
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Im
folgenden soll die erfindungsgemäße Vorrichtung
an Hand von Zeichnungen näher
erläutert werden.
Es zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Vorrichtung
in Draufsicht im Schnitt;
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2 in
graphischer Darstellung die Abhängigkeit
der Spannung am Generator von der Zeit;
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3 in
graphischer Darstellung die Abhängigkeit
der Anzahl der Zusammenstöße N, der
Energie E und Leistung P von der Intensität n.
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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,
den Beschleunigern 2, den Ionenbündelinjektoren 3,
den Magnetspulen 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.
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Zur
Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Feldes wurden die
bogenförmigen
Teile der Röhren 13 in
ihrer Symmetrieebene jeweils mit dielektrischen Scheiben 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 senkrecht zu der in 1 dargestellten
Ebene in jeweils entgegengesetzter Richtung erzeugen.
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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.
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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 Magnetspulen 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 Magnetspulen 15 das zerfallende Ionenbündel durch
das starke Magnetfeld dieser Spule B = 5 T bis 10 T erneut komprimiert.
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Die
Mehrfachkollisionen der Ionenbündel werden
durch deren Zirkulation auf geschlossenen Flugbahnen erreicht. Erfindungsgemäß werden
Kollisionen und die Streuung der Ionenbündel im anodennahen Raum ausgeschlossen,
wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung wesentlich erhöht wird.
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Eine
höhere
Sicherheit und Betriebsdauer der Vorrichtung werden erfindungsgemäß durch
eine neue Anordnung der Beschleuniger 2 mit den Ionenbündelinjektoren 3 und
den Lasern 7 erreicht. Die Beschleuniger 2 sind
mit den Ionenbündelinjektoren 3 und den
Lasern 7 im Abstand 2 R parallel zur Achse des Reaktors 1 und
koaxial zu den geradlinigen Abschnitten der Ionenableitungsröhren 13 angeordnet. Der
Schutz des Bedienungspersonals wird durch die Anordnung von zwei
Schutzwandungen 10 auf der Achse der aktiven Zone des Reaktors 1 erreicht.
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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, v1 =
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.
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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).
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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.
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Die
Induktion des Magnetfeldes 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
v
1 = 1000 km/s, einem Bahnkrümmungsradius
R
1 = 0,5 m ergibt sich für B
1 =
0,042 T und für
B
2 = mν
2/eR
2 = 0,065 T,
m/s.
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Die
DE 199 10 146 A1 zeigt
die Ergebnisse aus der Berechnung der gesamten Energiefreisetzung
aus der Erzeugung von Mehrfachkollisionen der Ionenbündel für Intensitäten von
10
20 bis 10
23. Dabei wurde
die Ionenstreuung im anodennahen Raum nicht berücksichtigt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wegen der Bewegung der Ionenbündel auf
geschlossenen Flugbahnen nicht stattfindet.
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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.
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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 des 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).
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Zum
Betrieb der Anlage soll die Bewegung eines der gegenläufigen Bündel beschrieben
werden.
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Nach
dem Synchronstart von zwei Ionenbündeln und ihrer Beschleunigung
in den Beschleunigern 2 werden die Bündel in den Magnetfeldern der Spulen 15 komprimiert,
beschreiben in den Magnetfeldern B kreisförmige Bögen, werden anschließend in
den Feldern der Spulen 14 fokussiert und kommen schließlich in
der aktiven Zone des Reaktors 1 zur Kollision. Es kommt
zur Kernfusion mit der gewollten Energiefreisetzung. Unter dem Einfluss
der Magnetfelder B kehren die Ionenbündel auf der Kreisbahn an ihre
Ausgangspunkte zurück.
Im folgenden werden die Ionenbündel
in den elektrischen Feldern in den Abschnitten L1 und
L2 beschleunigt.
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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.
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Bei
der Bewegung in 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.
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Für den gesamten
Bereich der berechneten Intensität
n = 1017 bis 1023 (Dichte ❒ =
1015 bis 1021 Ionen/cm3) – erreicht
bei hinreichend großer
Zahl der Bündelkollisionen
105 bis 107 – der Materialeinsatzfaktor
eine Größenordnung
von 36 % bis 50 %, bei ηmax = I – k0, wobei k0, der
Streuungskoeffizient, mit 0,5 angenommen wurde (3; Σ0E
bei s = 0,1 cm2; Σ1E bei
s = 1,0 cm2).
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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.
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Die
in die Konstruktion der Anlage eingebrachten ertindungsgemäßen Änderungen
führten
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 Elektroentladungs-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 zur 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.
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- 1
- Reaktor
- 2
- Beschleuniger
- 3
- Ionenbündelinjektoren
- 4
- Spule
- 5
- Vakuumsystem
- 6
- Kessel
- 7
- Laser
- 8
- Plasmainjektoren
- 9
- Anoden
- 10
- Schutzwandung
- 11
- Deuteriumteilchen
- 12
- Röhre
- 13
- Ionenableitungsröhren
- 14
- Spule
- 15
- Spule
- 16
- dielektrische
Dichtung
- 17
- Impulsgenerator
