DE102014004032A1 - Hocheffiziente Laser-Kernfusion mit Magnetkanalisierung - Google Patents

Abstract

Zusammenfassung: Lasergetriebene Kernfusion mit Ausbeuten von mehr als 500 wird erreicht durch Anwendung von extrem hohen Magnetfeldern

Description

• Alle bisher bekannten Methoden zur kontrollierten Erzeugung von Kernfusionsenergie haben eine Ausbeute von weniger als 500 (erzeugte Energie pro aufgewandte Laserenergie) mit einer Ausnahme. Von Nuckolls und Wood wurde 2002 vorgeschlagen, dass wie beim Schema der „fast ignition” mit einem nanosekunden langen Laserpuls etwa 1000 fach festkörperdichtes Deuterium-Tritium (DT) plasma erzeugt wird, auf das ein pikosekunden (ps) langer Laserpulse einwirkt wobei einen sehr intensiver relativistischer Elektronenstrahl von 5 MeV Elektronenenergie erzeugt werde soll Wenn dieser Elektronenstrahl auf ein Volumen von festem DT von mindestens 12-facher Festkörperdichte einwirkt, wird in diesem Volumen eine Fusions-Detonationswelle erzeugt bei der zehntausend mal mehr Energie erzeugt wird als Laserenergie aufzuwenden ist nach theoretischen Vorhersagen ohne weitere numerische oder experimentell bekannte Ausführung.
• Die Notwendigkeit sehr hoher Energieausbeiten besteht darin, dass beim gepulsten Betrieb in einem mit Lasern arbeitetnden Fusionsenergiekraftwerk möglichst Fusionsenergie im Bereich von bis Gigajoule (GJ = 278 kWh) oder mehr per Reaktion pro Sekunde aus Kostengründen erzeugt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Schockwirkung durch den Puls der Kernreaktion etwa 3000 mal keiner als bei chemischen Explosionen ist, z. B. wirken 100 MJ Fusionsenergie wie 6 g explodiernendes TNT. In diesem Zusammenhang sind Fusionsausbeuten mit Laserpulsen bis 100 kJ Energie und ps Dauer wie im System von Nuckolls und Wood interessant. Das ist von allen anderen Laser-Fusions-Anordnungen mit Ausbeuten unter 500 weit entfernt.
• Bekannt ist die Kombination der Laser-Kernfusion mit magnetischen Feldern, wobei allerdings mit den bisherigen magnetischen Feldern unterhalb von 100 Tesla Ausbeuten von weniger als 100 zu erwarten sind. Die Laserwirkung auf festkörperdichen Fusionsbrennstoff mit Laserpulsen von etwa ps Dauer oder darunter zielt auf die Erzeugung einer zylindrischen Reaktionszone, für die Fusion nur mit genannten geringen Ausbeuten erhalten wurden. Die Anwendng der magnetischen Felder war eingeführt worden, damit die zylindrischen radialen Verluste eingedämmt werden, nachdem die ps Laserpulse die Einleitung einer Fusionsflamme durch Zündung eines ultrahoch beschleunigten Plasma durch die nichtlineare Kraft von einer ausgedehnten eben Geometrie auf einen begrenzten Wechselwirungsbereich eingeschränkt werden musste – im Gegensatz zum Nuckolls-Wood-Prozess – und die Geometrie in einem Zylinderbereich unter dem Wechselwirkungsquerschnitt ablaufen sollte unter Vermeidung von radialen Verlusten. Diese seitlichen Verluste konnten alternativ durch Verwendung von einer sphärischen Geometerie ausgeschaltet werden, wie publiziert wurde. In diesem Fall konnte für die Reaktion des Borisotops 11 mit leichtem Waserstoff (HB11) in Festköperdichte nur maximal aller Brennstoff in der Kugel Energie liefern, womit wie in anderen Fällen die Ausbeute beschränkt war und Laserpulse von exawatt (EW) notwendig waren.
• Erfindungsgemäß wird eine Kombination von den erst seit 2013 mit Lasereinwirkung erhaltenen magnetischen Feldern von mehr als kilotesla gearbeitet, wobei die Felder mit einer lasergesteuerten Entladung gesteuert wird. Mit dieser Kombination werden erstmalig die radialen Verluste von einem magnetischzylinderförmigen Reaktionsraum von HB11 mit Folgereaktionen erreicht, was die hohen Ausbeuten oberhalb 1000 und weit mehr liefert, wobei die ps Laserpulse eine Leistung von mindestens 10 petawatt (PW) haben müssen.

Claims (5)

1. Energieerzeugung durch Kernfusion mit Einleitung der Fusionsflamme mittels Laserpulsen von weniger als 10 ps Dauer und mehr als PW Leistung und anfänglich zylindrischer achsenparalleler Geometrie mit magnetischen Feldern von mehr als Kilotesla und Energieausbeuten von mehr als 1000 pro die Fusionsflamme einleitenden Laserenergie, gekennzeichnet dadurch dass die Energie der erzeugten Kerne in Kraftwerksleistung umgesetzt wird;
2. Energieerzeugung durch Kernfusion mit Einleitung der Fusionsflamme mittels Laserpulsen von weniger als 10 ps Dauer und mehr als PW Leistung und anfänglich zylindrischer achsenparalleler Geometrie mit magnetischen Feldern von mehr als Kilotesla und Energieausbeuten von mehr als 1000 pro die Fusionsflamme einleitenden Laserenergie, nach dne Anprüchen 1) gekennzeichnet dadurch, dass der Fusionsbrennstoff Festkörperdichte bis zu 20facher Kompression hat;
3. Energieerzeugung durch Kernfusion mit Einleitung der Fusionsflamme mittels Laserpulsen von weniger als 10 ps Dauer und mehr als PW Leistung und anfänglich zylindrischer achsenparalleler Geometrie mit magnetischen Feldern von mehr als Kilotesla und Energieausbeuten von mehr als 1000 pro die Fusionsflamme einleitenden Laserenergie, nach Ansprüchen 1) und 2) gekennzeichnet dadurch dass der Fusionsbrennstoff aus ¹¹B Isotopen mit stöchiometrisch bis zu 15% Aweichung leichten Wasserstoff besteht;
4. Energieerzeugung durch Kernfusion mit Einleitung der Fusionsflamme mittels Laserpulsen von weniger als 10 ps Dauer und mehr als PW Leistung und anfänglich zylindrischer achsenparalleler Geometrie mit magnetischen Feldern von mehr als Kilotesla und Energieausbeuten von mehr als 1000 pro die Fusionsflamme einleitenden Laserenergie, nach Ansprüchen 1) bis 3) gekennzeichnet dadurch dass die Energie der erzeugten Kerne zum höchstmöglichen. Prozentsatz mit elektrostatischen Feldern aufgefangen wird;
5. Energieerzeugung durch Kernfusion mit Einleitung der Fusionsflamme mittels Laserpulsen von weniger als 10 ps Dauer und mehr als PW Leistung und anfänglich zylindrischer achsenparalleler Geometrie mit magnetischen Feldern von mehr als Kilotesla und Energieausbeuten von mehr als 1000 pro die Fusionsflamme einleitenden Laserenergie, nach Ansprüchen 1) bis 4) gekennzeichnet dadurch dass das kilotesla magnetische Feld durch Laserwechselwirkung in den Elektroden für den Entladungsstrom erzeugt wird.