DE102007022302B4

DE102007022302B4 - Process for accelerating solids with the aim of inducing a fusion reaction

Info

Publication number: DE102007022302B4
Application number: DE102007022302A
Authority: DE
Inventors: Jochen Prasser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2007-05-12
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2027-05-13
Also published as: DE102007022302A1

Abstract

Verfahren zur Beschleunigung von Festkörpern mit dem Ziel der Herbeiführung einer Kernfusion, wobei durch eine Mehrzahl von Strahlengebern (S) jeweils ein Energiestrahl auf zumindest jeweils einen aus Fusionsmaterial bestehenden Festkörper abgegeben wird und dadurch die Festkörper in jeweils einem Beschleuniger (B) durch explosionsartig vordampfende Teile des Festkörpers beschleunigt werden, und danach in einem Reaktor, in den die beschleunigten Festkörper eingeschossen werden, eine Fusion mittels Trägheitseinschluss durch Impact ausgelöst werden kann.A method for accelerating solids with the aim of inducing a nuclear fusion, wherein by a plurality of radiation transmitters (S) each an energy beam is discharged to at least one of solid material consisting of fusion material and thereby the solids in each case an accelerator (B) by explosive vorampfende parts be accelerated in the solid, and then in a reactor in which the accelerated solids are injected, a fusion can be triggered by inertial confinement by impact.

Description

In Jahrzehnten der Forschungsbemühungen auf der ganzen Welt wurden erhebliche Fortschritte auf dem Weg zu einer kontrollierten Kernfusion gemacht. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, eine kontrollierte Kernfusion mit einer positiven Energiebilanz zu erreichen.In decades of research efforts around the world, significant progress has been made towards controlled thermonuclear fusion. So far, however, it has not been possible to achieve a controlled nuclear fusion with a positive energy balance.

Bei der Nutzung der primären Energieträger Öl, Gas oder Kohle wird das Treibhausgas CO₂ freigesetzt. Dieses Gas trägt bekanntlich zu einem großen Teil zur Veränderung des Klimas auf der Erde bei. Der Einsatz von regenerativer Energie, wie die direkte Nutzung der Sonne durch Solarzellen sowie als Wärmequelle, als auch die Nutzung der indirekten Sonnenenergie in Form der Wasserkraft, Windenergie oder Biogas wird gegenwärtig durch staatliche Förderung vorangetrieben. Die von der Technik und privat benötigte ständig steigende Energiemenge wird jedoch durch chemische Umsetzungen nicht zu decken sein.When using the primary energy sources oil, gas or coal, the greenhouse gas CO _{2 is} released. This gas is known to contribute to a large extent to changing the climate on Earth. The use of renewable energy, such as the direct use of the sun by solar cells and as a heat source, as well as the use of indirect solar energy in the form of hydropower, wind energy or biogas is currently being driven by state funding. However, the ever increasing amount of energy required by technology and privately will not be covered by chemical reactions.

Im Vergleich mit chemischen Reaktion (1 + 10⁷ J/kg) haben nukleare Reaktionen eine sehr hohe Energiefreisetzungsrate (8·10¹³ J/kg) und setzen dabei kein Klima schädigendes Treibhausgas CO₂ frei. Allerdings bestehen bei der Nutzung der Kernenergie auch gewisse Gefahren. Die Nutzung der Kernspaltungsenergie hat deshalb vor allem in Deutschland bei der Bevölkerung keine gute Akzeptanz. Von der Politik wurde daher ein Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen. Die Energiefreisetzung durch eine kontrollierte Kernfusion bietet hingegen verschiedene Vorteile. Reaktorunfälle sind höchst unwahrscheinlich. Bezüglich einem „Durchgehen” der Reaktion sind sie inhärent sicher. Der Brennstoffvorrat (Deuterium aus dem Meer) ist praktisch unbegrenzt. Die entstehenden Abfallprodukte weisen eine wesentlich geringere Radioaktivität auf und sind leichter zu handhaben als die bei den Kernspaltungsreaktoren freiwerdenden Stoffe.In comparison with chemical reactions (1 + 10 ⁷ J / kg), nuclear reactions have a very high energy release rate (8 · 10 ¹³ J / kg) and do not release any climate-damaging greenhouse gas CO ₂ . However, the use of nuclear energy also poses certain dangers. The use of nuclear fission energy therefore does not have a good acceptance among the population, especially in Germany. Politicians have therefore decided to phase out nuclear power. On the other hand, the release of energy through controlled nuclear fusion offers several advantages. Reactor accidents are highly unlikely. They are inherently safe in terms of "going through" the reaction. The fuel stock (deuterium from the sea) is practically unlimited. The resulting waste products have a significantly lower radioactivity and are easier to handle than the substances released in nuclear fission reactors.

Kernverschmelzungsreaktionen stellen die Energie für die Ausstrahlung der Sterne. Der im Universum reichlich vorhandene Wasserstoff wird dabei unter Freisetzung von Energie zu Helium verschmolzen (Fusionsfeuer der Sterne). 4H⁺ ⇒ 4 / 2He²⁺ + 2 0 / 1e⁺ + 2v_e + 26‚7 MeV (1) Nuclear fusion reactions provide the energy for the radiation of the stars. The abundant hydrogen in the universe is thereby fused with the release of energy to helium (fusion fire of the stars). 4H ⁺ ⇒ 4 / 2He ²⁺ + 2 0 / 1e ⁺ + 2v _e + 26.7 MeV (1)

Unsere Sonne liefert jährlich 1,5 Billiarden Megawattstunden auf die Erde. Davon werden nur etwa 35% in den Weltraum zurückgeworfen. Das Licht der Sonne erreicht die Erde aber in einer sehr geringen Energiedichte. Darüber hinaus ist die Energiestrahlung nicht kontinuierlich über die Zeit verteilt. Die gegenwärtige Zivilisation ist aber von einer kontinuierlichen Energiebereitstellung abhängig. Da auch eine ökonomische Lösung der Energiespeicherung und des Energietransportes über große Distanzen bisher nicht realisiert werden konnte, wäre unsere Zivilisation im Winter, bei Nacht oder bei Regen gefährdet. Ziel weltweiter Anstrengungen ist es daher, die Energieproduktion der Sonne auf der Erde nachzuvollziehen. Es wird angestrebt, die Energie in einem Fusionskraftwerk aus der Verschmelzung von Atomkernen zu gewinnen.Our sun delivers 1.5 quadrillion megawatt hours annually to Earth. Of these, only about 35% are thrown back into space. The light of the sun reaches the earth but in a very low energy density. In addition, the energy radiation is not distributed continuously over time. The present civilization depends on a continuous supply of energy. Since even an economic solution of energy storage and energy transport over long distances could not be realized, our civilization in winter, at night or in rain would be at risk. The aim of worldwide efforts is therefore to reconstruct the sun's energy production on Earth. The aim is to extract the energy in a fusion power plant from the fusion of atomic nuclei.

Stand der TechnikState of the art

Die technische Energiegewinnung nach obiger Gleichung (1) ist aber wegen der erforderlichen sehr hohen Temperaturen nicht geeignet. Als Brennstoff für die kontrollierte Fusion unter terrestrischen Bedingungen soll daher ein Deuterium-Tritium Gemisch (entsprechend Gleichung 2) dienen. 2 / 1D + 3 / 1T ⇒ 4 / 2He + 1 / 0n + 17,58 MeV (2) The technical energy production according to the above equation (1) is not suitable because of the required very high temperatures. As fuel for the controlled fusion under terrestrial conditions therefore a deuterium tritium mixture (according to equation 2) should serve. 2 / 1D + 3 / 1T ⇒ 4 / 2He + 1 / 0n + 17.58 MeV (2)

Die Energiemenge eines Gramm des Fusionsbrennstoffes entspricht dabei dem Energiegehalt von 10 000 Litern Heizöl. Das Wasserstoffisotop Deuterium ist praktisch unbegrenzt (im Meerwasser etwa 30 g/m³) vorhanden und würde die Energiebereitstellung der Menschheit entsprechend Reaktion für die nächsten 1000 Jahre sicherstellen.The amount of energy of one gram of the fusion fuel corresponds to the energy content of 10 000 liters of heating oil. The hydrogen isotope deuterium is practically unlimited (in seawater about 30 g / m ³ ) and would ensure the energy supply of humankind according to the reaction for the next 1000 years.

Das für die Reaktion erforderliche Tritium soll aus Lithium (entsprechend Gleichung 3) gewonnen werden, wobei das Neutron aus der Fusionsreaktion genutzt werden kann. 6 / 3Li + 1 / 0n ⇒ 3 / 1T + 4 / 2He (3) The tritium required for the reaction should be obtained from lithium (according to equation 3), whereby the neutron can be used from the fusion reaction. 6 / 3Li + 1 / 0n ⇒ 3 / 1T + 4 / 2He (3)

Um eine Fusion entsprechend Reaktionsgleichung (2) zu realisieren, müssen natürlich auch bei dieser Reaktion die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den positiv geladenen Atomkernen überwunden werden. Dies gelingt ebenfalls nur bei sehr hohen Temperaturen bei welcher die Materie ein Plasma bildet.In order to realize a fusion according to reaction equation (2), the electrostatic repulsive forces between the positively charged atomic nuclei must of course also be overcome in this reaction. This also succeeds only at very high temperatures at which the matter forms a plasma.

Während auf der Sonne das Plasma durch Gravitation und Fusionsenergie gebildet und durch das Gravitationsfeld des Sternes stabilisiert wird, muss das Plasma unter irdischen Bedingungen erst geschaffen und in geeigneten Vorrichtungen eingeschlossen werden. While on the Sun the plasma is formed by gravity and fusion energy and stabilized by the gravitational field of the star, the plasma must first be created under terrestrial conditions and enclosed in suitable devices.

Soll eine Fusionsanlage wirtschaftlich arbeiten, muss weiterhin die gewonnene Energie größer sein als die Energie, die für den Einschluss und die Aufheizung des Plasmas eingesetzt wird. Diese Bedingung gilt theoretisch als erreicht, wenn das Produkt aus der Einschlusszeit τ und der Plasmadichte n bei ausreichend hoher Temperatur T einen bestimmten Wert überschreitet.If a fusion plant is to work economically, the energy gained must continue to be greater than the energy used to confine and heat the plasma. This condition is theoretically achieved when the product of the inclusion time τ and the plasma density n at a sufficiently high temperature T exceeds a certain value.

Von Lawson stammt die folgende Abschätzung (Lawson Kriterium):

• Mit der Einschlusszeit τ des Plasmas (je länger die Kerne auf hoher Temperatur zusammengehalten werden, desto höher ist die Fusionswahrscheinlichkeit).
• Mit der Teilchendichte n des Plasmas (mit wachsender Teilchenzahl pro Volumeneinheit wächst die Stoßwahrscheinlichkeit).
• Mit der Temperatur T des Plasmas (die Temperatur des Plasmas sollte so gewählt werden, dass man in der Nähe des Maximums des Wirkungsquerschnitts liegt. Bei einem D-T-Plasma wären dies etwa 10⁸ K).

From Lawson comes the following estimate (Lawson criterion):

• With the inclusion time τ of the plasma (the longer the nuclei are held together at high temperature, the higher the probability of fusion).
• With the particle density n of the plasma (with increasing number of particles per unit volume, the probability of impact increases).
• With the temperature T of the plasma (the temperature of the plasma should be chosen so that it is close to the maximum of the cross-section.) For a DT plasma this would be about 10 ⁸ K).

In Kenntnis dieses generellen Problems bei Kernreaktionen wurden zur Lösung verschiedene Wege vorgeschlagen.Recognizing this general problem in nuclear reactions, various approaches have been proposed to solve it.

In der DE 37 42 327 A1 wird beansprucht das Problem der Gesamteffektivität des Prozesses dadurch zu lösen, einen gerichteten Ionenstrom auf ein Brennstoffkügelchen zu lenken. Um die Effektivität zu verbessern, soll der Ionenstrom dabei durch magnetische Ablenkung im Kreis geführt werden. Außerdem soll die Trefferwahrscheinlichkeit mittels magnetischer oder elektrischer Ablenkung durch Ausrichtung auf das Zentrum des Brennstoffes im Reaktor erhöht werden.In the DE 37 42 327 A1 It is claimed to solve the problem of the overall efficiency of the process by directing a directed ionic current onto a fuel pellet. In order to improve the effectiveness, the ion current should be guided by magnetic deflection in a circle. In addition, the probability of hit should be increased by means of magnetic or electrical deflection by aligning with the center of the fuel in the reactor.

In der DE 100 33 969 B4 wird beansprucht die Fusion durch Impact gegenläufiger Ionen bzw. Ionenbündel zu erreichen. Auch hier wird versucht die Effektivität des Prozesses durch wiederholten Beschuss mit einer Kreisführung der Ionenströme und gleichzeitiger Erhöhung der Trefferwahrscheinlichkeit durch Bündelung und Fokussierung derselben zu erreichen.In the DE 100 33 969 B4 is claimed to achieve fusion by impact of opposing ions or bundles of ions. Here, too, the effectiveness of the process is attempted by repeated bombardment with a circulation loop of the ion currents and at the same time increasing the hit probability by focusing and focusing the same.

In der UK Patent Application GB 2 220 294 A wird die Erzeugung eines kohärenten Ionenstrahles (beispielsweise Deuterium-Ionenstrahl) angestrebt um damit einzelne Kerne besser treffen zu können. Es wird beansprucht einen solchen energiereichen Strahl dann auf ein Brennstoffpellet (beispielsweise Deuterium) zu lenken. Die Kohärenz des Ionenstrahls wird durch Streuung an einem kohärenten Photonenstrahl erzeugt. Der Ionenstrahl soll außerdem immer wieder in die Reaktorzone reflektiert werden.In the UK Patent Application GB 2 220 294 A the generation of a coherent ion beam (for example, deuterium ion beam) is sought in order to be able to better hit individual cores. It is then claimed to direct such a high-energy beam to a fuel pellet (for example, deuterium). The coherence of the ion beam is generated by scattering on a coherent photon beam. The ion beam should also be repeatedly reflected in the reactor zone.

In der Offenlegungsschrift DE 27 55 285 A1 wird ebenfalls mit im Kreis geführten gegenläufigen Ionenstrahlen gearbeitet um im Reaktor durch Impact der Ionen eine Fusionsreaktion auszulösen.In the published patent application DE 27 55 285 A1 is also worked with circulating counter-rotating ion beams to trigger a fusion reaction in the reactor by impact of the ions.

Im United States Patent US 4,246,067 A hingegen wird eine Fusion von Deuterium und Tritium in einem sich in eine Richtung „bewegenden” Plasmastrom beansprucht. Durch den bewegten Plasmastrom mit einer erhöhten Einschlusszeit τ des Plasmas (je länger die Kerne auf hoher Temperatur zusammenhalten werden, desto höher ist die Fusionswahrscheinlichkeit) soll das Lawson Kriterium erfüllt werden. Dabei wird beansprucht das leichtere Deuterium Isotop auf eine etwas höhere Geschwindigkeit als das Tritium Ion zu bringen um einen relativ großen „Fusionsquerschnitt” durch den gleichen Impuls der Reaktionspartner zu erhalten. Zur Raumladungsneutralisierung werden gleichzeitig Elektronen in den „bewegten Plasmastrom” eingespeist.In the United States patent US 4,246,067 however, a fusion of deuterium and tritium in a one-way "moving" plasma stream is claimed. Due to the moving plasma flow with an increased inclusion time τ of the plasma (the longer the nuclei are held together at high temperature, the higher the fusion probability), the Lawson criterion should be met. It is claimed to bring the lighter deuterium isotope to a slightly higher speed than the tritium ion in order to obtain a relatively large "cross-section" by the same momentum of the reactants. For space charge neutralization electrons are simultaneously fed into the "moving plasma stream".

Einschluss des PlasmasInclusion of the plasma

Während auf der Sonne das Plasma durch das Gravitationsfeld des Sternes stabilisiert wird, muss das Plasma unter irdischen Bedingungen erst geschaffen und in geeigneten Vorrichtungen eingeschossen werden.While on the Sun, the plasma is stabilized by the gravitational field of the star, the plasma must first be created under terrestrial conditions and injected in suitable devices.

Für die angestrebte Freisetzung der Kernverschmelzungsenergie werden gegenwärtig hauptsächlich zwei verschiedene Wege verfolgt. Systeme mit magnetischem Einschluss. Trägheitseinschluss des Fusionsplasmas. The intended release of nuclear fusion energy is currently being pursued mainly in two different ways. Magnetic confinement systems. Inertia confinement of the fusion plasma.

Die Systeme mit magnetischem Einschluss sind durch sehr geringe Plasmadichten und lange Einschlusszeiten gekennzeichnet. Der Trägheitseinschluss erfordert hingegen in einer sehr kurzen Zeitspanne (Milliardstel Sekunde) eine enorme Energiezufuhr im 100 Terawatt-Bereich um das Fusionsgemisch zur Zündung zu bringen.The magnetic confinement systems are characterized by very low plasma densities and long inclusion times. Inertia confinement, on the other hand, requires a tremendous amount of energy in the 100 terawatt range to ignite the fusion mixture in a very short period of time (one billionth of a second).

Magnetischer EinschlussMagnetic inclusion

Da sich die geladenen Kerne des Deuterium und des Tritium in einem Plasma unkontrolliert in alle Richtungen frei bewegen, haben sie das bestreben sich wie Gase auszudehnen. Um dies zu verhindern können die Teilchen durch magnetische Felder eingeschlossen werden.As the charged nuclei of deuterium and tritium move freely in all directions in a plasma, they endeavor to expand like gases. To prevent this, the particles can be trapped by magnetic fields.

Heute bevorzugt man für diesen Einschluss ringförmige Anlagen des sog. Tokamak-Typs. Die Abwanderung der Teilchen wird durch ein zu einem Ring geschlossenes Magnetfeld auf eine kreisförmige Bewegung gezwungen. Für einen vollständigen Einschluss sorgt ein weiteres sog. Poloidalfeld. Zusätzlich wird mittels eines Transformators ein Ringstrom erzeugt. Dieser Strom generiert wiederum ein Magnetfeld welches im Zusammenwirken mit den ringförmigen Feldlinien des Torus eine schraubenförmige Bewegung der geladenen Kernteilchen bewirkt.Today, ring-shaped plants of the so-called Tokamak type are preferred for this inclusion. The migration of the particles is forced into a circular motion by a magnetic field closed to a ring. For a complete inclusion provides another so-called poloidal field. In addition, a ring current is generated by means of a transformer. This current in turn generates a magnetic field which, in cooperation with the annular field lines of the torus, causes a helical movement of the charged core particles.

Man kann die verschraubten Feldlinien auch durch geeignet geformte äußere Magnetspulen erreichen. Bei diesen sog. Stellatoren wird kein Plasmastrom benötigt.You can also reach the bolted field lines by suitably shaped outer magnetic coils. In these so-called. Stellators no plasma stream is needed.

Die weitere Aufheizung des Plasmas erfolgt durch Neutralteilchenheizung und Hochfrequenzwellenheizung. Einzelheiten sollen an dieser Stelle nicht näher ausgeführt werden.Further heating of the plasma takes place by means of neutral particle heating and high frequency wave heating. Details should not be specified here.

Trägheitseinschlussinertial confinement

Hier wird das Trägheitsverhalten der Masse ausgenutzt. Laser oder Teilchenstrahlen werden auf eine kleine Kapsel, das sog. Pellet gerichtet. Das Pellet mit nur einigen Millimetern Durchmesser enthält ein Fusionsgemisch (Deuterium und Tritium). Beim Auftreffen der Strahlen auf das Pellet bildet sich auf der Oberfläche ein Plasma, welches sich stoßartig ausdehnt. Die dabei entstehende Druckwelle presst das Innere des Pellet auf das 1000fache zusammen. Unter diesen Bedingungen soll die Fusion bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad stattfinden. Da die Reaktion innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde stattfindet, wird das Plasma durch seine eigene Trägheit am „Auseinanderfliegen” gehindert.Here, the inertial behavior of the mass is utilized. Laser or particle beams are directed at a small capsule, the so-called pellet. The pellet only a few millimeters in diameter contains a fusion mixture (deuterium and tritium). When the rays hit the pellet, a plasma forms on the surface, which expands jerkily. The resulting pressure wave compresses the interior of the pellet 1000 times. Under these conditions, the fusion should take place at a temperature of 100 million degrees. Because the reaction occurs within fractions of a second, the plasma is prevented from "flying apart" by its own inertia.

Bei der Bestrahlung des Pellet mit Laser oder Ionenstrahlen gibt es verschiedene Varianten. Das Pellet kann direkt bestrahlt werden, oder es ist beispielsweise mit einer Metallhülse umgeben. Auch der Einschluss des Pellet in einer Kugel aus Kohlenstoff (Diamant) wird untersucht.When irradiating the pellet with laser or ion beams, there are different variants. The pellet can be irradiated directly, or it is surrounded for example by a metal sleeve. The inclusion of the pellet in a ball of carbon (diamond) is also investigated.

Da der Laser eine sehr hohe Leistungsdichte hat und sehr stark fokussierbar ist, wird er als Energiequelle beim Trägheitseinschluss bevorzugt. Nachteil der gegenwärtig verfügbaren Laser ist ihr geringer Wirkungsgrad und die damit zusammenhängenden hohen Kosten pro Energieeinheit. Außerdem müssen eine Vielzahl der kostenintensiven Geräte eingesetzt werden um genügend Energie in das Pellet für die Zündung der Fusion einzubringen. Die USA wollen deshalb in ihrem fortgeschrittensten Projekt NIF (National Ignition Facility) 192 superstarke Laser auf das zu fusionierende Deuterium/Tritium Kügelchen richten.Since the laser has a very high power density and is very focusable, it is preferred as an energy source for inertial confinement. Disadvantage of currently available lasers is their low efficiency and the associated high cost per unit of energy. In addition, a variety of costly devices must be used to bring enough energy into the pellet for the ignition of the merger. For this reason, in its most advanced project NIF (National Ignition Facility), the US wants to direct 192 super-strong lasers onto the deuterium / tritium beads to be fused.

Elektronenstrahlen mit großer Energie können mit einem sehr hohen Wirkungsgrad (bis zu 50%) bereitgestellt werden. Nachteilig ist hier jedoch die große Impulsdauer derselben, wodurch die für die Zündung der Fusion erforderliche Leistung nicht in die Brennstoffkügelchen eingebracht werden kann (Brennstoff-Pellet fliegt vorher auseinander).High energy electron beams can be provided with very high efficiency (up to 50%). However, the disadvantage here is the large pulse duration of the same, whereby the power required for the ignition of the fusion can not be introduced into the fuel pellets (fuel pellet flies apart before).

Es ist bereits gelungen durch allseitige Bestrahlung eines zentral positionierten Pellet eine Fusionsreaktion auszulösen. Die Fusion von Wasserstoffkernen kontrolliert in einem Reaktor unter Abgabe von Energie ablaufen zu lassen, ist aber bisher jedoch weder mit dem magnetischen noch mit dem Trägheitseinschluss gelungen.It has already been possible to initiate a fusion reaction by irradiating a centrally positioned pellet on all sides. The fusion of hydrogen nuclei controlled in a reactor to proceed with release of energy, but has so far succeeded neither with the magnetic nor with the inertial confinement.

Die Erfindung The invention

Die in das System zur Überwindung der elektrostatischen Abstoßungsbarriere der Nukleonen einzubringende Energie wird, wie bei den bekannten Verfahren mit Trägheitseinschluss, durch Strahlengeber aufgebracht.The energy to be introduced into the system for overcoming the electrostatic repulsion barrier of the nucleons is applied by radiation emitters, as in the known methods with inertial confinement.

Erfindungsgemäß wird die Strahlenenergie jedoch dabei durch Wandlung und Zwischenspeicherung in Form kinetischer Energie akkumuliert.According to the invention, however, the beam energy is accumulated by conversion and intermediate storage in the form of kinetic energy.

Erfindungsgemäß wird eine Vielzahl von Strahlenimpulsen in Form kinetischer Energie zwischengespeichert wodurch das Gesamtsystem mit deutlich erhöhter Energieeffizients betrieben werden kann. Bei einem Impact des Fusionsmaterials wird diese Energie schlagartig wieder freigesetzt. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Energie-Impulses zur Auslösung der Fusion.According to the invention, a multiplicity of beam pulses are temporarily stored in the form of kinetic energy, whereby the overall system can be operated with significantly increased energy efficiencies. In an impact of the fusion material, this energy is released again abruptly. This allows an increase in the energy pulse to trigger the fusion.

Bei erfindungsgemäßer Anwendung der Vorrichtung kann deshalb die Anzahl der eingesetzten Strahlengeber verringert werden.When using the device according to the invention, therefore, the number of radiation emitters used can be reduced.

Durch die Wandlung und Akkumulation der Strahlenenergie in kinetische Energie ermöglicht die erfindungsgemäße Anwendung der Vorrichtung auch den Einsatz von Elektronenstrahlen (mit längerer Impulsdauer) für die Einbringung der Energie in die zu fusionierende Materie. Wegen der wesentlich besseren Energie Effiziens bei der Erzeugung der Elektronenstrahlen verbessert sich die Gesamtenergiebilanz des Verfahrens.Through the conversion and accumulation of the beam energy into kinetic energy, the application of the device according to the invention also makes it possible to use electron beams (with a longer pulse duration) for introducing the energy into the matter to be fused. Because of the much better energy efficiency in generating the electron beams, the overall energy balance of the process is improved.

Erfindungsgemäß erfolgt die Umsetzung der Strahlenenergie in kinetische Energie in speziellen Beschleunigern. Die in das System eingebrachte Strahlungs-Energie wird in diesen Beschleunigern in kinetische Energie von Fusionsmaterial umgesetzt und in diesem Material zwischengespeichert. Die Beschleuniger stellen im Prinzip evakuierte Röhren dar, die zwischen den Strahlengebern und dem Fusionsreaktor geschaltet werden.According to the invention, the radiation energy is converted into kinetic energy in special accelerators. The radiation energy introduced into the system is converted into kinetic energy of fusion material in these accelerators and buffered in this material. The accelerators are in principle evacuated tubes, which are connected between the radiators and the fusion reactor.

In diesen Beschleunigern werden erfindungsgemäß die Strahlen von den Strahlengebern auf kleine Festkörper aus Fusionsmaterial gerichtet, wobei diese eine Beschleunigung erfahren. Die zu beschleunigenden Festkörper aus Fusionsmaterial können dabei mit einer Vorbeschleunigung versehen in die Beschleuniger eingeschossen werden Es ist dabei vorteilhaft die Festkörper mit einem Drall zu versehen. Durch den Drall wird die Flugbahn des Festkörpers (ähnlich einer Gewehrkugel) stabilisiert.In these accelerators, according to the invention, the beams are directed by the radiation transmitters onto small solid bodies of fusion material, whereby they experience an acceleration. The solid bodies of fusion material to be accelerated can be injected into the accelerator with a pre-acceleration. It is advantageous to provide the solids with a twist. The spin stabilizes the trajectory of the solid (similar to a bullet).

Erfindungsgemäß wird der Energiestrahl für die Beschleunigung (des Fusionsfeststoffes) derart fokussiert, dass nur ein Teil des Materials aus dem Festkörper verdampft und aus diesem herausgeschleudert wird, während bei der Laser- oder Elektronenstrahlbearbeitung von Werkstoffen das Material an bestimmten Stellen gewollt vollständig schmilzt und verdampft (es sollen dort Löcher oder Schnitte entstehen).According to the invention, the energy beam for the acceleration (of the fusion solid) is focused in such a way that only part of the material is vaporized out of the solid and expelled therefrom, while in the laser or electron beam machining of materials, the material completely melts and evaporates at certain points ( there should be holes or cuts there).

Die derart fokussierte Strahlung wird erfindungsgemäß so auf die zu beschleunigenden Festkörper gerichtet, dass ein Teil des in die Beschleuniger eingebrachten Materials der Festkörper explosionsartig verdampft und das Material nach hinten herausgeschleudert wird.The thus focused radiation is directed according to the invention to be accelerated solids that part of the introduced into the accelerator material of the solid evaporates explosively and the material is thrown backwards.

Die Festkörper erfahren dadurch einen raketenartigen Rückstossantrieb (entsprechend Gleichung 5) der sie in Richtung Zentrum des Fusionsreaktors beschleunigt. νi = c × ln(M1/M0) (5)

νi: = ideale Endgeschwindigkeit
c: = Ausströmgeschwindigkeit des Antriebsmediums (Ablationsprodukte)
M1: = Anfangsmasse der Rakete (der Fusionstablette)
M0: = Leermasse der Rakete inklusive Nutzmasse (beschleunigte Fusionstablette)

The solids undergo a rocket-type recoil drive (according to Equation 5) which accelerates them towards the center of the fusion reactor.

νi = c × ln (M1 / M0) (5)

v i: = ideal final speed
c: = Discharge velocity of the drive medium (ablation products)
M1: = Initial mass of the rocket (the fusion tablet)
M0: = Empty mass of the rocket including payload (accelerated fusion tablet)

Die bekannte Umsetzung der auf ein Pellet aus Fusionsmaterial gerichteten Strahlung, zur dort beabsichtigten Aufheizung des Fusionsplasmas, hat laut Brueckner, K. A, S. Jorna: Laser driven fusion. Review of modern Physics, Vol 46, No 2, April (1974) nur einen Wirkungsgrad von 5–10%. Die weit größere Energiemenge der Strahlung, nämlich 90–95%, wird dabei in kinetische Energie von freigesetzten Ablationsprodukten umgewandelt.The known implementation of the directed to a pellet of fusion material radiation, intended there for heating the fusion plasma, according to Brueckner, K. A, S. Jorna: laser driven fusion. Review of modern physics, Vol 46, No 2, April (1974) only has an efficiency of 5-10%. The far greater amount of energy of the radiation, namely 90-95%, is thereby converted into kinetic energy of released ablation products.

Bei der erfindungsgemäßen einseitigen Bestrahlung des Materials ist jedoch letzteres gerade vorteilhaft, weil eine große Energiemenge als kinetische Energie für die Beschleunigung des Fusionsmaterials durch Raketenvortrieb umgesetzt und ausgenutzt wird. In the case of the unilateral irradiation of the material according to the invention, however, the latter is just advantageous because a large amount of energy is converted and utilized as kinetic energy for the acceleration of the fusion material by rocket propulsion.

Erfindungsgemäß kann das Material des zu beschleunigenden Fusionsmaterials dabei vorteilhaft aus Lithiumdeuterid oder einem zusammengesetzten Körper aus Lithiumdeuterid und gefrorenem Deuterium/Tritium bestehen.According to the invention, the material of the fusion material to be accelerated may advantageously consist of lithium deuteride or a composite body of lithium deuteride and frozen deuterium / tritium.

Mindestens ein Teil der aus den beschleunigten Festkörpern herausgeschleuderten Ablationsprodukte erhalten bei der Bestrahlung eine so hohe Temperatur, dass sie als Plasma in ionisiertem Zustand vorliegen. Dadurch wird es möglich, die Festkörper durch ein äußeres elektromagnetisches Feld zusätzlich zu beschleunigen.At least a portion of the ablation products ejected from the accelerated solids receive such high temperature upon irradiation that they exist as plasma in an ionized state. This makes it possible to additionally accelerate the solids by an external electromagnetic field.

Abhängig von der Pulsfrequenz des Strahlers, sowie der Länge der Beschleuniger, können auf der Beschleunigungsstrecke eine Vielzahl von Impulsen des Strahlengebers auf die Festkörper geschossen werden. Erfindungsgemäß kann dadurch, bei gleicher in das System zur Fusion eingebrachter Leistung, die Anzahl der Strahlengeber verringert bzw. bei gleicher Anzahl der Strahler die eingebrachte Leistung wesentlich erhöht werden. Erfindungsgemäß erfährt das Fusionsmaterial dabei (ähnlich dem Stufenprinzip des Raketenantriebes) mit jedem Strahlen-Impuls eine immer höhere Geschwindigkeit (kinetische Energie).Depending on the pulse frequency of the radiator, as well as the length of the accelerator, a multiplicity of pulses of the radiation transmitter can be shot at the solids on the acceleration section. According to the invention, the number of radiation transmitters can thereby be reduced, or the introduced power can be substantially increased with the same number of radiators, with the same power introduced into the system for the fusion. According to the invention, the fusion material (similar to the stepping principle of the rocket drive) experiences an ever higher velocity (kinetic energy) with each beam impulse.

Erfindungsgemäß wird dadurch die für eine kontrollierte Kernfusion erforderliche Energiedichte erreicht.According to the invention, the energy density required for controlled nuclear fusion is thereby achieved.

Stufenprinzipstage principle

νi = c × lnRges (6)

v i

= Final velocity of the remaining solid before impact.

c

= Outflow velocity of the drive medium (ablation products) assumed to be the same for all "stages".

Rges

= Total mass ratio

Wobei sich dies aus den Stufenmassenverhältnissen laut Gleichung (7) ergibt. Rges = (R1 × R2 ... Rn) (7) This results from the step mass ratios according to equation (7). Rges = (R1 × R2 ... Rn) (7)

Mit jedem Puls des Strahlers verringert sich das Gewicht des beschleunigten Festkörpers um die Masse der herausgeschleuderten Ablationsprodukte. Die Startmassen des zu beschleunigenden Fusionsmaterials werden dabei so gewählt, dass das verbleibende Material die zur Auslösung der Fusionsreaktion ausreichende Masse und kinetische Energie besitzt.With each pulse of the radiator, the weight of the accelerated solid decreases by the mass of the ejected ablation products. The starting masses of the fusion material to be accelerated are chosen so that the remaining material has sufficient to trigger the fusion reaction mass and kinetic energy.

Erfindungsgemäß werden die beschleunigten Festkörper des Fusionsmaterials simultan in den Fusionsreaktor geschossen. Hier treffen sie entweder aufeinander oder auf einen zentral positionierten Fusionsfestkörper, das sog. Pellet wobei die gespeicherte kinetische Energie der beschleunigten Materie wieder freigesetzt wird. Wie oben ausgeführt, kann das Pellet auch mit einer Metallhülse umgeben oder anderweitig eingeschlossen sein.According to the invention, the accelerated solids of the fusion material are shot simultaneously into the fusion reactor. Here they meet either one another or a centrally positioned fusion solid, the so-called pellet, where the stored kinetic energy of the accelerated matter is released again. As stated above, the pellet may also be surrounded or otherwise enclosed by a metal sleeve.

Bei dem Einsatz von Lithium-Deuterid als beschleunigtem Feststoff ist die Umhüllung des Fusionszentrums aus Deuterium/Tritium durch den dichten Lithiummantel um das Reaktionszentrum bei der Fusionszündung besonders vorteilhaft, weil dadurch mindestens ein Teil der bei der Fusion freigesetzten Neutronen Tritium erzeugen. Außerdem wird durch die Absorption eines großen Teils der Strahlung ein gewisser Schutz der inneren Reaktorwand erreicht.When lithium deuteride is used as the accelerated solid, the envelopment of the deuterium / tritium fusion center by the dense lithium sheath around the reaction center during fusion ignition is particularly advantageous because at least some of the neutrons liberated during the fusion produce tritium. In addition, the protection of the inner wall of the reactor is achieved by the absorption of a large part of the radiation.

Erfindungsgemäß wird beim Impact der Festkörper im zentralen Reaktor die kinetische Energie der beschleunigten Feststoff-Partikel schlagartig wieder freigesetzt wobei die dabei entstehende Druck- und Hitzewelle die Fusion einleitet.According to the kinetic energy of the accelerated solid particles is abruptly released again in the impact of the solid state in the central reactor and the resulting pressure and heat wave initiates the fusion.

Die Möglichkeit eine Fusionsreaktion durch einen Impact auszulösen wurde bereits theoretisch untersucht und die realistische Durchführbarkeit aufgezeigt. Die dafür erforderlichen sehr hohen Geschwindigkeiten, auf die die Projektile mit dem Fusionsmaterial zu beschleunigen sind, sollten dabei mit sog. Schienengeschützbeschleunigern erreicht werden. Mit diesen Schienengeschützen sollen Projektile mit einer Masse von 0,1 g auf 150 km/s und mehr beschleunigt werden können und damit ausreichende kinetische Energie besitzen um beim Impact eine Fusionsreaktion auszulösen. Das System ist jedoch nicht für den kontinuierlichen Betrieb der Energieerzeugung in einem Fusionskraftwerk geeignet.The possibility of triggering a fusion reaction through an impact has already been theoretically investigated and the realistic feasibility demonstrated. The very high speeds required to accelerate the projectiles with the fusion material, should be with so-called. Rail gun accelerators can be achieved. With these rail guns projectiles with a mass of 0.1 g to 150 km / s and more can be accelerated and thus have sufficient kinetic energy to trigger the impact of a fusion reaction. However, the system is not suitable for the continuous operation of power generation in a fusion power plant.

Der erfindungsgemäße Einsatz der Beschleuniger hingegen ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb der Energieerzeugung in einem Fusionskraftwerk.The use of the accelerator according to the invention, however, allows the continuous operation of energy production in a fusion power plant.

Die Umsetzung von Strahlungsenergie in kinetische Bewegungsenergie an sich wird an anderer Stelle beschrieben. In den USA versucht man damit sogar kleinere Satteliten auf eine Umlaufbahn um die Erde zu befördern. Es wurden bereits erste Tests mit einem pulsierenden CO2 Laser durchgeführt. Das System funktioniert in der Weise, dass unterhalb des Flugkörpers ein Spiegel angebracht ist der den Laserstrahl in eine Art Brennkammer unter den Flugkörper wirft. In der luftgefüllten „Brennkammer” erzeugt die Laserstrahlung ein Hochdruckplasma mit einer Temperatur von 30 000°C. Die ausströmende Luft treibt das Vehikel in die Höhe.The conversion of radiation energy into kinetic kinetic energy per se is described elsewhere. In the US, they are trying to get even smaller satellites into orbit around the earth. Initial tests have already been carried out with a pulsating CO2 laser. The system functions by mounting a mirror below the missile which throws the laser beam into a kind of combustion chamber under the missile. In the air-filled "combustion chamber" the laser radiation generates a high-pressure plasma with a temperature of 30,000 ° C. The escaping air drives the vehicle in the air.

Bei der erfindungsgemäßen Beschleunigung des Fusionsmaterials wird hingegen das durch den Energiestrahl verdampfende und herausgeschleuderte Material selbst für den raketenartigen Vortrieb genutzt. Die erfindungsgemäße Benutzung von Fusionsmaterial als Träger der kinetischen Energie ist besonders vorteilhaft, weil so einer Kontamination des Fusionsbetriebes mit Fremdstoffen vorgebeugt und damit eine Beeinträchtigung der Fusions-Reaktion vermieden wird.In the acceleration of the fusion material according to the invention, however, the material vaporized and ejected by the energy beam is itself used for the rocket-like propulsion. The use according to the invention of fusion material as a carrier of the kinetic energy is particularly advantageous because it prevents contamination of the fusion operation with foreign substances and thus avoids impairment of the fusion reaction.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung zur Erzielung einer kontrollierten Kernfusion ermöglicht, durch Umwandlung und Akkumulation der Energie in Form kinetischer Energie, auch den Einsatz von Elektronenstrahlern (mit einer längeren Impulsdauer als Laser). Dies verbessert die Energiebilanz des Systems.The inventive design of the device for achieving a controlled nuclear fusion, by the conversion and accumulation of energy in the form of kinetic energy, also allows the use of electron emitters (with a longer pulse duration than laser). This improves the energy balance of the system.

Die erfindungsgemäße Akkumulation der in das System eingebrachten Energie erhöht den Energie Impuls bei der Widerfreisetzung zum Zeitpunkt des Impactes gegenüber der bisher verfolgten Methode drastisch. Dies ist ein weiterer entscheidender Faktor bei der Realisierung der kontrollierten Kernfunktion.The accumulation of the energy introduced into the system according to the invention drastically increases the energy impulse at the time of the release at the time of the impact compared to the method previously pursued. This is another crucial factor in realizing the controlled core function.

Der zusätzliche finanzielle Aufwand für die Installation und den Betrieb der Beschleuniger ist dabei gegenüber der verminderten Anzahl und Top der Strahler vernachlässigbar klein.The additional financial expense for the installation and operation of the accelerator is negligible compared to the reduced number and top of the spotlights.

Bezugsliste zu ZeichnungenReference list for drawings

In 1 ist das Prinzip zur Auslösung einer kontrollierten Kernfusion durch Impact von Fusionsmaterial entsprechend Anspruch 1 dargestellt. Beispielhaft sind drei beschleunigte Brennstoffkügelchen kurz vor dem Impact im Zentrum der Fusionskammer, sowie die Explosionswelle und die Strahlung der vorausgegangenen Fusionsreaktion dargestellt.In 1 the principle for triggering a controlled nuclear fusion by impact of fusion material according to claim 1 is shown. By way of example, three accelerated fuel pellets are shown shortly before the impact in the center of the fusion chamber, as well as the explosion wave and the radiation from the previous fusion reaction.

2 zeigt beispielhaft (nur ein Strahl gezeigt) wie vier Brennstofffestkörper in den Beschleunigern bestrahlt werden und dadurch kinetische Energie erhalten. Weiterhin sind vier beschleunigte Brennstofffestkörper kurz vor dem Impact mit dem zentral in der Reaktorzone positionierten Brennstoffkügelchen (entsprechend Anspruch 5) aus Deuterium/Tritium dargestellt. Zur Abführung der bei der Fusionsreaktion freigesetzten Energie ist außerdem der mit flüssigem Lithium gefüllte Reaktormantel mit dem Wärmetauscher gezeigt. 2 shows by way of example (only one jet shown) how four fuel solids are irradiated in the accelerators and thereby obtain kinetic energy. Furthermore, four accelerated fuel solids are shown shortly before the impact with the centrally positioned in the reactor zone fuel pellets (according to claim 5) from deuterium / tritium. In order to dissipate the energy released during the fusion reaction, the reactor jacket filled with liquid lithium is also shown with the heat exchanger.

3 zeigt schematisiert den Material und Energiefluss der erfindungsgemäßen Anlage zur Energieerzeugung durch eine kontrollierte Kernfusion. 3 schematically shows the material and energy flow of the plant according to the invention for energy production by a controlled nuclear fusion.

4 soll den Aufbau einer Anlage zur erfindungsgemäßen Energiegewinnung durch eine kontrollierte Kernfusion erläutern. Der Fusionsreaktor ist in einem Schutzraum untergebracht und so von der Umgebung abgeschlossen. Die konventionellen Anlagen zur Energieerzeugung sind hingegen außerhalb dieses Schutzraumes aufgestellt. Auch die Anlagen zur Fabrikation der benötigten Festkörper aus dem Fusionsmaterial ausgehend von den Einsatzstoffen Deuterium (D), Lithium (Li) sowie die Anlage zur Herstellung von Lithiumdeuterid sind außerhalb des Schutzraumes aufgestellt. Auch die Strahler befinden sich außerhalb dieses Schutzraumes. Die Beschleuniger führen von den Strahlern durch die Schutzraumummauerung in den zentralen Reaktorraum. Diese Anlagenteile sind evakuiert. Durch eventuelle Leckagestellen könnte hier keine Stoffentweichung stattfinden. Nichtumgesetztes Lithium (Li), Tritium (T), Lithiumdeuterid (LiD) sowie das Reaktionsprodukt Helium (He) werden aus der Reaktorzone abgezogen. Das Helium wird von den anderen Stoffen getrennt und in Druckflaschen außerhalb der Reaktorzelle abgefüllt. Deuterium und Tritium werden zusammen mit dem aus dem Reaktormantel stammenden Tritium wieder dem Reaktor zugeführt. Das Gleiche geschieht mit dem nicht umgesetzten Lithiumdeuterid. 4 is intended to explain the structure of a plant for energy production according to the invention by a controlled nuclear fusion. The fusion reactor is housed in a shelter and thus closed off from the environment. The conventional power generation plants, however, are set up outside this shelter. Also, the plants for the production of the required solids from the fusion material starting from the starting materials deuterium (D), lithium (Li) and the plant for the production of Lithiumdeuterid are placed outside the shelter. The spotlights are outside of this shelter. The accelerators lead from the floodlights through the shelter room wall into the central reactor room. These plant components are evacuated. Possible leaks could cause no material leakage here. Unreacted lithium (Li), tritium (T), lithium deuteride (LiD) and the reaction product helium (He) are withdrawn from the reactor zone. The helium is separated from the other substances and filled in pressure bottles outside the reactor cell. Deuterium and tritium are returned to the reactor together with tritium from the reactor jacket. The same thing happens with the unreacted lithium deuteride.

Claims

A method for accelerating solids with the aim of inducing a nuclear fusion, wherein by a plurality of radiation transmitters (S) each an energy beam is discharged to at least one of solid material consisting of fusion material and thereby the solids in each case an accelerator (B) by explosive vorampfende parts be accelerated in the solid, and then in a reactor in which the accelerated solids are injected, a fusion can be triggered by inertial confinement by impact.

A method according to claim 1, characterized in that the plurality of solidified from accelerated solid material are shot synchronously on a centrally existing in the reactor also consisting of fusion material pellet.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that is selected as the fusion material deuterium / tritium or Lithiumdeuterid.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fusion material consists of a composite solid of lithium deuteride and frozen deuterium / tritium.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the centrally positioned pellet is composed of deuterium / tritium.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the acceleration of the fusion material is pulsed.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that are used as the beam emitter laser, ion beams or electron beams.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that an external electromagnetic field for additional acceleration of the solid is applied.

A device for accelerating solids for the purpose of inducing a fusion reaction by a process according to claims 1 to 8, comprising: A plurality of radiation emitters (S), each of which emits an energy beam onto a respective solid body, which consists of a fusion material, A plurality of accelerators (B) in which the fusion material is accelerated and A reactor into which the accelerated solids are injected, whereby fusion can be induced by means of inertial confinement by impact.