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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer zyklisch
aufrechterhaltenen Plasmasäule
in einem mit schwerem und überschwerem
Wasser gefüllten
druckfesten Gefäß, in welches eine
Anode und eine Kathode in vorgegebenem Abstand eine Funkenstrecke
bilden, die an mindestens einen Hochspannungs-Stoßgenerator
angeschlossen wird, wobei eine Hochspannungsentladung über die
Funkenstrecke entladen wird, dass mittels der Hochspannungsentladung
ein Durchschlag zwischen der Anode und der Kathode herbeigeführt wird,
der ein Plasma mit einer Temperatur zwischen 100.000°K und 1°MK erzeugt
und zu einer Aufspaltung der Wassermoleküle und einer folgenden Ionisierung
der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium über einen Zeitraum von 50 μs bis 100 μs führt, dass
die Abmessungen des Gefäßes so gewählt sind,
dass im Inneren der Plasmasäule
ein Druck zwischen 80.000 bar und 120.000 bar aufgebaut wird, dass
die Hochspannungsentladung mit einer Frequenz zwischen 10 und 100
Hz erfolgt und dass die erzeugte Wärme über einen Austausch des erhitzten flüssigen schweren
und überschweren
Wassers gegen kühles
schweres und überschweres
Wasser sowie über
die Außenhaut
des Gefäßes abgeführt wird.
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Ein
solches Verfahren wird in einem Generator angewendet, um Energie
durch die Verschmelzung der beiden Isotope Deuterium und Tritium
zu gewinnen. Bei bisherigen Versuchen zu dieser Kernfusion konzentriert
sich die Fachwelt auf Fusionsreaktoren, bei denen unter extrem hohen
Temperaturen von ca. 100 000 000°C
und sehr niedrigen Drücken
von unter einem Pascal ein Verschmelzen von Wasserstoffatomen erzwungen
wird, um die dadurch freigesetzte Energie nutzbar zu machen. Dies
bezeichnet man als Kernfusion durch magnetischen Einschluß. Sie wird
derzeit in den Reaktorformen Tokamak und Stellarator verwirklicht
und bietet prinzipiell die Möglichkeit
kontinuierlich Energie freizusetzen.
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Gleichzeitig
werden derzeit Möglichkeiten zur
Kernfusion mit Trägheitseinschluß erforscht.
Dabei werden weniger hohe Temperaturen aber dafür sehr hohe Plasmadichten in
der Größenordnung
der Stoffdichten von Festkörpern
verwendet. Dabei kann aber nur impulsweise Energie freigesetzt werden.
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Vorliegende
Erfindung beschreitet einen Mittelweg zwischen beiden Technologien,
indem über die
Erzeugung eines hohen Drucks zwischen 80.000 bar und 120.000 bar,
unter gleichzeitigem Temperaturaufbau zwischen 100.000 Kelvin und
1000.000 Kelvin und unter gleichzeitiger Erzeugung einer ständig schwingenden
Plasmasäule
das Wasser aufgeheizt und komprimiert wird, um die erzeugte Wärme als
Nutzwärme
abzuführen.
Entsprechend liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein neuartiges Verfahren zur Energieerzeugung bereitzustellen.
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Dabei
wird von der Überlegung
ausgegangen, dass durch die Erzeugung des Plasmas, also durch die
Umwandlung des Wassers in eine Plasmasäule der genannte Druck im Gefäß aufgebaut
wird. Die so entstandene Gas- und Plasmasäule expandiert gegen das in
flüssiger
Phase verbliebene Wasser. Letzteres ist in dem hohen Druckbereich
dieses Prozesses kompressibel und agiert als rücktreibende Feder und gleichzeitig
als träge
Masse. Damit kommt es zu einer Oszillation – die rücktreibende Kraft bei der folgenden
Kontraktion der Gasblase ist ihr innerer Gas- bzw. Plasmadruck.
Durch das wiederholte Zünden
des Plasmas im genannten Frequenzbereich wird diese Schwingung resonant
angeregt und die Maximaldrücke
im Moment minimaler Ausdehnung der Gas- und Plasmablase werden weiter
gesteigert. und permanent aufrechterhalten und führt zu einer entsprechenden
Aufwärmung
des Wasser. Mit Hilfe der 1a und 1b ist dieser Sachverhalt näher erläutert. In
der 1a ist der Druckaufbau P über die
Zeit t aufgetragen, wie er sich bei Zündung einer einzigen Entladung über die
Funkenstrecke zwischen der Anode und der Kathode ergibt. Aufgrund
der genannten Federwirkung des Wassers, die sich bei den hier erzeugten
Drücken
einstellt, wird eine Druckamplitude Pmax erzeugt, die mit der Zeit
schwächer
wird. Die Einhüllende
der Amplituden nimmt die Form einer abklingenden e-Funktion an.
Es ist wesentlich für
die Erfindung, die Hochspannungsentladungen so im Pulsbetrieb auszulösen, dass
der in der 1b gezeigte Druckverlauf über der
Zeit generiert wird. Ausgehend von der maximalen Druckamplitude
der ersten Entladung werden im Rhythmus weitere Druckentladungen
folgen, die die erste weiter aufschaukeln. Dieses ist bildlich mit
einem Kreisel zu vergleichen, der durch rhythmisches Anstoßen einen Gleichgewichtszustand
findet, in dem er sich mit annähernd
konstanter Geschwindigkeit permanent dreht.
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In
der 2 ist skizzenhaft eine Anlage gezeigt, mit der
das erfindungsgemäße Verfahren
betrieben werden kann. In einem Gefäß 1 ist Wasser 2 eingefüllt, das
zu 50% aus schwerem Wasser (Deuterium) und zu 50% aus überschwerem
Wasser (Tritium) besteht. Andere Mischungsverhältnisse sind ebenfalls einsetzbar.
Das eingefüllte
Wasser wird zur besseren Wärmeauskopplung
während
des Betriebes kontinuierlich ausgetauscht. In dem Gefäß 1 ist eine
Anode 3 und eine Kathode 5 sich gegenüberliegend
angebracht, so dass eine vorbestimmte Funkenstrecke 7 gebildet
wird. Die Anode 3 und die Kathode 5 sind über einen
Schalter 9 mit einer Kondensatorenbank 11 verbunden.
Die Kondensatorbank 11 steht hier symbolisch für eine Kette
parallel geschalteter Kondensatoren, die in Form einer Marx-Schaltung
wiederum seriell vervielfacht werden kann oder anderer Mittel, die
in der Lage sind, die geforderte Energie von mindestens 1000 kJ
pro Entladung innerhalb von ca. 10–100 μs freizusetzen, mindestens 10
Entladungszyklen pro Sekunde durchzuführen und die gespeicherte Ladung über den
Schalter 9 an die Funkenstrecke 7 abzugeben. Entsprechend
steht der Schalter 9 auch nicht für einen einzigen Hochleistungsschalter,
sondern für
eine Serie von Hochleistungsschaltern, die den erforderlichen Zündstrom
sicher schalten. Geht man von einer angewandten Frequenz von 50
Hertz aus, so ist in Abhängigkeit
von der Leistung der Ladestromversorgung ein Feld von mehreren,
hintereinander entladbaren Kondensatorbänken oder auch nur eine Kondensatorbank
nötig, die
bei hinreichend großem
Ladestrom im Takt der Entladungszyklen wieder aufgeladen wird. Die
Kondensatorenbank 11 sollte in Kombination mit der Funkenstrecke 7 so
dimensioniert sein, dass ein Durchbruch zum Plasma nach ca. 20 ns
bis 40 ns erfolgt und die Funkenstrecke in einer Zeitspanne zwischen 10 μs bis 100 μs aufrecht
erhalten wird. Die dabei auftretenden Ströme liegen im Bereich zwischen
106 und 107 Ampere
und die verwendete Spannung bei ca. 1 MV.
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Das
Verfahren zur Energiegewinnung läuft dabei
folgendermaßen
ab: Der erste Impuls erzeugt einen Funken auf der Funkenstrecke 7,
der ohne weiteres Zutun ca. 10 μs
bis 100 μs
anhält
und dann erlischt. Dieser Funke reicht aus, um zwischen der Anode 3 und
der Kathode 5 ein Plasma zu erzeugen, dass zu einem Druckanstieg
im Gefäß führt. In
dem Plasma haben sich Elektronen, Deuterium-Ionen und Tritium-Ionen
gebildet, die aufgrund der Feldstärke zwischen der Funkenstrecke 7 zu
der Anode 3 bzw. zu der Kathode 5 beschleunigt
werden. Diese Beschleunigung sollte möglichst hoch sein, um die Aufheizung
des Wassers 2 weiter zu fördern.
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Dazu
ist es angebracht, den Abstand zwischen den Elektroden 3 und 5 möglichst
kurz zu halten, was zum einen eine hohe Feldstärke zur Beschleunigung der
Teilchen bewirkt und zum anderen eine geringe Kollisionsrate mit
anderen oder gleichartigen Teilchen zur Folge hat, was eine damit
einhergehenden unerwünschter
Abbremsung der Teilchen im Plasma reduziert. Eine geringe Kollisionsrate
ist wichtig, damit die Ionen und (noch wichtiger) die Elektronen
eine hohe kinetische Energie aufnehmen, bevor sie auf die Kathode
(3) bzw Anode (5) auftreffen. Beim Auftreffen
wird von den verschiedenen Teilchen Bremsstrahlung erzeugt. Durch
ihr geringes Gewicht nehmen die Elektronen besonders viel Energie
im elektrischen Feld auf und dominieren die Erzeugung der Bremsstrahlung.
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Die
Bremsstrahlung heizt das Plasma weiter auf, denn spezielle die Anode
ist so gestaltet, daß die Bremsstrahlung
primär
in Richtung der Plasmasäule abgegeben
wird. Die Heizung durch Bremsstrahlung ist neben der rein ohmschen
Heizung aufgrund des Stromflusses die zweite hauptsächliche
Quelle für den
Wärmehaushalt
des Plasmas. Auf der anderen Seite muss der Abstand zwischen den
Elektroden 3 und 5 auch groß genug sein, damit genügend Leistung
ohmsch dissipiert werden kann.
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Die
dritte Wärmequelle
ist die beim Kollabieren der Gasblase entstehende Wärme, die
zum großen
Teil in Form von Strahlung abgegeben und wiederum in der Flüssigkeit
dissipiert wird. Dieser Effekt ist als Sonoluminiszenz bekannt und
ist ein grundlegendes Phänomen
bei der Kavitation.
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Mit
den drei o. g. Heizungsarten wird die Temperatur des gesamten Plasmas
erhöht.
Speziell für
die Deuterium- und Tritiumkerne, die für die Kernfusion interesant
sind, kommt noch der bereits oben genannte Effekt zum Tragen, daß leichtere
Teilchen mehr Energie im elektrischen Feld aufnehmen, als schwerere.
Damit erhalten die leichten Wasserstoff-Isotope eine höhere kinetische Energie als
die ebenfalls vorhandenen, 8 mal schwereren Sauerstoff-Kerne und
damit auch eine nochmal höhere Temperatur
als die mittlere Plasmatemperatur. Auf diese Weise wird die erforderliche
Temperatur von 100000 bis 1000000 K erreicht.
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Die
bei der Fusion freigesetzte Energie wird mit gängigen Kühlmitteln (nicht gezeigt) von
der Außenwand
des Gefäßes 1,
sowie durch die Spülung des
Gefäßes mit
dem flüssigen
(schweren bzw. überschweren)
Wasser zur weiteren Nutzung entnommen.
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Wie
es oben ausgeführt
wurde, bildet die erste Entladung einen oszillierenden Druck im
Gefäß aus (siehe 1a), dessen Abklingen durch die Erzeugung
weiterer Entladungen, die im festen Rhythmus über ein erneutes Zünden der
Funkenstrecke 7 gebildet werden, entgegengewirkt wird (siehe 1b). Die Amplitude wird durch diese resonanten Entladungen
bis zu einem Maximalwert verstärkt.
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Gleichzeitig
entsteht durch den hohen Entladungsstrom von bis zu 10 Ampere im
Moment der Entladung ein zusätzlicher
magnetischer Druck durch den sog. Pinch-Effekt. Er komprimiert die
Plasmasäule
zu seiner Symmetrieachse hin.
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Es
bildet sich also eine ständig
erneuerte Plasmasäule
aus, die im Moment ihrer höchsten Kompression
durch hydrodynamische Schwingungsvorgänge eine elektrische Entladung
erfährt,
mit deren Hilfe sie zusätzlich
komprimiert wird, so daß sie den
erforderlichen Druck aufweist, um die Fusionsbedingungen zu erfüllen. Gleichzeitig
wird in diesem Moment das Plasma durch o. g. Vorgänge stark
aufgeheizt, so daß insgesamt
das Lawsonsche Fusionskriterium erfüllt ist. Die Einschlußzeit des
Plasmas beträgt
in diesem Sinne in Abhängigkeit
der Entladungsdauer 10–100 μs.
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Die
Kernidee dieses Verfahrens zur Realisierung der Kernfusion besteht
darin, daß die
nötige
Energie in Form von Kompressionsdruck und Wärme nur impulsweise bereitgestellt
wird, wodurch es technisch möglich
wird, sehr hohe Leistungen bzw. Energiedichten zu realisieren, mit
deren Hilfe die Fusionsbedingungen erreicht werden können. Dieser
impulsweiser Energieeintrag ist bisher nur aus der Fusion mit Hilfe
von Trägheitseinschluß bekannt.
Gleichzeitig wird im vorgestellten Verfahren aber ein hydrodynamisches
und magnetisches Einschlußverfahren angewandt.
Dies geht über
den Trägheitseinschluß, wie aber
auch über
den bisher bekannten rein magnetischen Einschluß weit hinaus. Damit wird ein
kontinuierlicher Fusionsprozess möglich, wie er nach dem Trägheitseinschluß-Verfahren überhaupt
nicht und nach dem Verfahren mit magnetischem Einschluß nur mit
bedeutend größerem Aufwand
zu verwirklichen ist.
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- 1
- Gefäß
- 2
- Wasser
- 3
- Anode
- 5
- Kathode
- 7
- Funkenstrecke
- 9
- Schalter
- 11
- Kondensatorenbank