DE102019009098A1

DE102019009098A1 - Process for initiating fusion reactions by imploding cavitation bubbles in the reactor liquid of a nuclear fusion reactor

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Publication number: DE102019009098A1
Application number: DE102019009098.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Augustin; Sebastian Augustin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-07-01

Abstract

Es gibt verschiedene Verfahren, bei denen nukleare Fusionsreaktionen durch Kavitation in Flüssigkeiten eingeleitet werden sollen. Bekanntermaßen tritt Kavitation oft in hydraulischen Systemen auf und ist dort häufig für Materialzerstörungen verantwortlich. Zur Zündung von nuklearen Reaktionen sind Temperaturen von mehreren Millionen Kelvin erforderlich, die aber bei den bekannten Kavitationsvorgängen nicht erreicht werden können, weil der Gasanteil in den Kavitationsblasen ein nahezu vollständiges Implodieren verhindern. Das Problem lässt sich dadurch lösen, dass die Reaktorflüssigkeit zunächst vollständig entgast und anschließend mit Gas kontaminiert wird so dass in der Reaktorflüssigkeit durch eine einleitende Unterdruckwelle zur Erzeugung von Kavitationsblasen gleichzeitig der Dampfdruck der Flüssigkeit, sowie der Partialdruck der in der Flüssigkeit gelösten Gase unterschritten werden, wobei die gesamte Gaskonzentration in der Flüssigkeit gering sein muss.There are various methods in which nuclear fusion reactions are to be initiated by cavitation in liquids. As is well known, cavitation often occurs in hydraulic systems and is often responsible for material destruction there. To ignite nuclear reactions, temperatures of several million Kelvin are required, but these cannot be reached with the known cavitation processes because the gas content in the cavitation bubbles prevents almost complete imploding. The problem can be solved in that the reactor liquid is first completely degassed and then contaminated with gas so that the vapor pressure of the liquid and the partial pressure of the gases dissolved in the liquid are simultaneously undershot in the reactor liquid by an introducing negative pressure wave to generate cavitation bubbles, the total gas concentration in the liquid must be low.

Description

Beim Zerfall von Kavitationsblasen in Flüssigkeiten können hohe Drücke und Temperaturen entstehen, die für Materialzerstörungen in hydraulischen Systemen verantwortlich sein können. Ausgehend von dieser Erkenntnis wurden in mehreren Schriften Fusionsreaktoren vorgeschlagen, bei denen nukleare Reaktionen durch Kavitation einleitet werden sollen. In US 4333796 sollen die in flüssigem Metall, vorzugsweise Lithium, enthaltenen Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium durch Kavitationsanregung zur Fusion gebracht werden. Ein anderes Verfahren wird in US 20050135531A1 vorgeschlagen, bei dem ein sphärisches Reaktorgefäß , das mit Flüssigkeit und darin gelösten Wasserstoffisotopen gefüllt ist, durch geeignete Vorrichtungen mit Eigenfrequenz angeregt wird. Dabei entstehen im Reaktor Kavitationsblasen, die sich beim Zerfallen erhitzen und den Brennstoff zuenden sollen. Die Zuendbedingungen nuklearer Reaktionen werden durch das Lawson Kriterium beschrieben, wobei vereinfacht das Produkt aus Temperatur, Druck und Einschlusszeit maßgeblich ist. So werden zum Beispiel für die Zuendung der Deuterium Tritium Reaktion bei Drücken im Vakuumbereich Temperaturen um 10^8K benötigt. Die kinetische Energie des Plasmas reicht dann aus, um die zunächst abstoßenden Kernkräfte zu überwinden und dann zu fusionieren. Bei größeren Gasdichten ist die erforderliche Temperatur um ein Vielfaches geringer. Das Problem aller Zündverfahren für nukleare Reaktionen ist demnach das Lawson Kriterium zu erreichen. Kavitationsblasen können Dampf, Gas oder ein Gas-Dampfgemisch enthalten. Eine Kavitationsblase entsteht spontan, wenn durch eine Unterdruckwelle der Dampfdruck der entsprechenden Flüssigkeit unterschritten wird oder der Druck unterschritten wird, bei dem in der Flüssigkeit gelöste Gase entweichen. Nach dem Henry-Gesetz ist die Konzentration „c“ eines in Flüssigkeit gelösten Gases proportional dem Partialdruck des Gases „p“, wobei der Proportionalitätsfaktor „k“ als Henry-Konstante bezeichnet wird. $P = k * c$

When cavitation bubbles break down in liquids, high pressures and temperatures can arise, which can be responsible for material destruction in hydraulic systems. Based on this knowledge, fusion reactors have been proposed in several publications, in which nuclear reactions are to be initiated by cavitation. In US 4333796 the hydrogen isotopes deuterium and tritium contained in liquid metal, preferably lithium, are to be brought to fusion by means of cavitation excitation. Another method is used in US 20050135531A1 proposed in which a spherical reactor vessel, which is filled with liquid and hydrogen isotopes dissolved therein, is excited by suitable devices with natural frequency. This creates cavitation bubbles in the reactor, which heat up when they disintegrate and should end the fuel. The ignition conditions of nuclear reactions are described by the Lawson criterion, whereby, in simplified terms, the product of temperature, pressure and containment time is decisive. For example, for the ignition of the deuterium-tritium reaction at pressures in the vacuum range, temperatures around 10 ^ 8K are required. The kinetic energy of the plasma is then sufficient to overcome the initially repulsive nuclear forces and then to fuse. With greater gas densities, the required temperature is many times lower. The problem with all ignition methods for nuclear reactions is therefore to achieve the Lawson criterion. Cavitation bubbles can contain steam, gas or a gas-steam mixture. A cavitation bubble arises spontaneously when the vapor pressure of the corresponding liquid falls below due to a negative pressure wave or the pressure falls below the pressure at which gases dissolved in the liquid escape. According to Henry's Law, the concentration “c” of a gas dissolved in a liquid is proportional to the partial pressure of the gas “p”, with the proportionality factor “k” being referred to as Henry's constant.

P. = k * c

Zum Beispiel beträgt diese Konstante etwa 1200atm/Mol für Wasserstoff oder dessen Isotope bei Lösung in Wasser und Raumtemperatur. Die Löslichkeit steigt mit höherem Druck und tieferer Temperatur. Das Ausgasen ist ein spontaner Vorgang sobald der Partialdruck des Gases unterschritten wird, das Lösen von Gasen in Flüssigkeiten, also die Umkehrung, ist ein langsamer Diffusionsprozess, der nur über die Oberfläche der Blase stattfindet. Durch die Amplitude der Unterdruckwelle und die Temperatur der Flüssigkeit sowie die Konzentration der in der Flüssigkeit gelösten Gase kann also bestimmt werden, wie die prozentuale Zusammensetzung von Gas und Dampf in der Kavitationsblase ist.For example, this constant is about 1200atm / mol for hydrogen or its isotopes when dissolved in water and at room temperature. The solubility increases with higher pressure and lower temperature. The outgassing is a spontaneous process as soon as the partial pressure of the gas is fallen below, the dissolving of gases in liquids, i.e. the reverse, is a slow diffusion process that only takes place over the surface of the bubble. The amplitude of the negative pressure wave and the temperature of the liquid as well as the concentration of the gases dissolved in the liquid can be used to determine the percentage composition of gas and vapor in the cavitation bubble.

Eine Kavitationsblase implodiert, wenn der Druck innerhalb der Blase kleiner als der äußere Druck ist. Die Implosion endet, wenn der Druck innerhalb der Blase infolge der Kompression gleich dem äußeren Druck an der Oberfläche der Blase ist. Der Druck an der Oberfläche der Blase wird durch eine sich nach innen ausbreitende Kugelwelle beschrieben, wobei der Druck sich im Verhältnis 1/Radius erhöht. Unter der Annahme, dass die Kavitationsblase ausschließlich Dampf enthält, wird der Druck im Inneren der Blase soweit ansteigen, bis der Dampf kondensiert und dann bis zur kompletten Implosion auf niedrigem Niveau konstant bleibt. Im Zentrum der Blase wirkt dann der Brandungsdruck und reflektiert die Druckwelle. Betrachtet man den Fall einer implodierenden Kavitationsblase mit Gasanteil, wird der Innendruck zusätzlich nach den Gesetzen der Thermodynamik bei polytroper Verdichtung bestimmt. Dies bedeutet, dass zunächst der Dampfanteil bei konstantem Druck kondensiert und anschließend eine Temperaturerhöhung und Druckerhöhung des verbleibenden Gases stattfindet. Dabei steigt der Innendruck durch Verdichtung stärker an als der Druck der Kugelwelle in dem spaerischen Reaktor. Sobald der Blaseninnendruck den doppelten Wert der zum Blasenzentrum laufenden Druckwelle erreicht, erfolgt eine totale Reflexion der Druckwelle und die Implosion ist beendet. Eine vorzeitige Reflexion der Druckwelle infolge eines zu hohen Gasanteils kann zur Folge haben, dass weder ein fuer die Fusionszuendung ausreichender Spitzendruck noch eine ausreichend hohe Kompressionstemperatur erreicht werden. Das zur Zündung einer nuklearen Reaktion erforderliche Lawson Kriterium wird durch Implosion von Kavitationsblasen nicht erfüllt, wenn die Reflexionen innerhalb der Blasen nicht in der Nähe des Blasenzentrums erfolgen, weil der Kompressionsdruck des Gases in der Blase schon vor Erreichen der Zentrumsnähe die Amplitude der Druckwelle überschreitet. Da alle Flüssigkeiten bei Kontakt mit ihrer Umgebung erhebliche Mengen an Gasen aufnehmen, kann eine nahezu vollständige Kompression von Kavitationsblase nicht erfolgen.A cavitation bubble implodes when the pressure inside the bubble is less than the external pressure. The implosion ends when the pressure inside the bladder due to the compression equals the external pressure on the surface of the bladder. The pressure on the surface of the bubble is described by a spherical wave expanding inward, with the pressure increasing in the ratio 1 / radius. Assuming that the cavitation bubble only contains steam, the pressure inside the bubble will increase until the steam condenses and then remains constant at a low level until the implosion is complete. The surf pressure then acts in the center of the bubble and reflects the pressure wave. If one considers the case of an imploding cavitation bubble with a gas component, the internal pressure is also determined according to the laws of thermodynamics for polytropic compression. This means that the vapor portion first condenses at constant pressure and then the temperature and pressure of the remaining gas rise. The internal pressure increases by compression more strongly than the pressure of the spherical wave in the spaerischen reactor. As soon as the internal pressure of the bladder reaches twice the value of the pressure wave running to the center of the bladder, the pressure wave is totally reflected and the implosion is ended. A premature reflection of the pressure wave as a result of an excessively high proportion of gas can have the consequence that neither a peak pressure sufficient for the fusion ignition nor a sufficiently high compression temperature can be achieved. The Lawson criterion required to ignite a nuclear reaction is not met by implosion of cavitation bubbles if the reflections within the bubbles do not take place in the vicinity of the bubble center because the compression pressure of the gas in the bubble exceeds the amplitude of the pressure wave even before it is close to the center. Since all liquids absorb considerable amounts of gases when they come into contact with their surroundings, an almost complete compression of cavitation bubbles cannot take place.

Die Lösung dieses Problems wird durch spezielle Maßnahmen hinsichtlich der Gaskontaminierung der Reaktorflüssigkeit sowie allgemeine Parametereinstellungen erreicht, zu denen Temperatur und Systemdruck der Reaktorflüssigkeit gehoeren, wobei der Systemdruck der Druck ohne kuenstlich erzeugte Wellen ist. Temperatur und Systemdruck der Reaktorflüssigkeit muessen so gewählt werden, dass ohne Druckwellen kein Gas aus der Flüssigkeit austritt. Der Dampf in der Kavitationsblase ist erforderlich um ebenfalls ausgasende Gasanteile auf Umgebungstemperatur aufzuheizen. Dampfdruck und Partialdruck sind neben der Reaktortemperatur von der verwendeten Flüssigkeit bzw. dem verwendeten Gasgemisch abhängig. Ferner darf in der Reaktorflüssigkeit nur ein geringer Gasanteil, vorzugsweise Deuterium und Tritium gelöst sein, von dem wiederum ein geringer Anteil bei der Kavitation ausgast und sich mit dem Dampf in der Kavitationsblase mischt. Das Dampf-Gasgemisch in der Kavitationsblase nimmt dann Umgebungstemperatur, d.h. die Temperatur der Reaktorflüssigkeit an. Zu Beginn der Implosion, hervorgerufen durch eine der Unterdruckwelle folgenden Überdruckwelle, kondensiert der Dampf in der Kavitationsblase. Im Inneren der Kavitationsblase befinden sich anschließend geringe Mengen des erwähnten Gasgemisches mit Umgebungstemperatur und geringer Dichte, sowie kondensierte Flüssigkeit mit geringem Volumenanteil, bezogen auf das Gesamtvolumen der Kavitationsblase. Die weitere Implosion der Kavitationsblase führt dann zu einer polytropen Kompression der Gase ausgehend von einer extrem geringen Dichte und Umgebungstemperatur. Die zuvor kondensierten Flüssigkeitsanteile werden von der bewegten Blasenwand mitgenommen. Auf diese Weise wird ein hoher Kompressionsdruck erst erreicht, wenn die Kavitationsblase fast vollständig geschrumpft ist. Andererseits wird der Brandungsdruck der Kugelwelle nahe dem Zentrum der Kavitationsblase extrem hoch, da er sich umgekehrt proportional zum Blasenradius verhält, also gegen unendlich läuft. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass erreichbare Endtemperaturen und Enddrücke in implodierenden Kavitationsblasen nur dann das Lawson Kriterium erfüllen, wenn die Kavitationsblasen bei ihrer Entstehung ausschließlich Dampf mit Spurenanteilen von Gas enthalten. Vorteilhaft ist auch eine hohe positive Druckwelle um die Implosion einzuleiten, sowie eine ausreichende Dauer dieser Druckwelle um die notwendige Einschlusszeit zu erreichen. Mit der Größe des Reaktorgefäßes ändert sich die maximal mögliche Einschlusszeit. Die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitenden Druckwellen erlauben bei einem Reaktordurchmesser von einem Meter und Wasser als Reaktorflüssigkeit etwa Einschlusszeiten von 0.6ms. Mit anderen Dimensionen und anderen Flüssigkeiten verändern sich die Werte entsprechend. Die hydraulischen und thermodynamischen Vorgänge werden anhand 1 bis 4 beispielhaft erläutert. 1 beschreibt den Vorgang einer Kavitationsblase mit 1m Durchmesser, die von einer Überdruckwelle von 100MPa zur Implosion gebracht wird. Im Ausgangszustand befinden sich 50% Dampf und 50% Wasserstoffgas bzw. deren Isotope bei einem Druck von 0,1MPa, also Umgebungsdruck, in der Kavitationsblase. Die angenommenen Werte entsprechen der üblichen Zusammensetzung von Dampf und Gas in Kavitationsblasen. Die Überdruckwelle breitet sich in Richtung Blasenzentrum aus, wobei zunächst die Druckenergie der Flüssigkeit in kinetische Energie umgewandelt wird. Zum Stoppen der sich bewegenden Blasenwand ist ein Brandungsdruck erforderlich, der sich analog zu Kugelwellen mit 1/r verändert, wobei „r“ der Blasenradius ist. Wäre im Inneren der Blase Vakuum, könnte der Brandungsdruck im Zentrum der Blase den Wert unendlich erreichen. Die durchgezogene Linie der doppelt logarithmischen Durchmesser-Druck Darstellung zeigt den möglichen Brandungsdruck. Die unterbrochene Linie zeigt den Druck in der Kavitationsblase, der sich bei der Kompression des Gasanteils aufbaut. Der Schnittpunkt der beiden Druckkurven liegt etwa bei 1000MPa, d.h. bei diesem Druck wird die von außen nach innen laufende Druckwelle gestoppt und vollständig reflektiert. Die Kavitationsblase wird von da an wieder größer. 2 zeigt den dazugehörenden Temperaturverlauf des Gases in der Kavitationsblase. Beim Brandungsdruck, also dem höchsten erreichbaren Wert beträgt die Temperatur etwa 5000K. Die beiden Werte 5000K und 1000MPa sind bei weitem nicht ausreichend um das Lawson Kriterium zu erfüllen.The solution to this problem is achieved through special measures with regard to gas contamination of the reactor liquid as well as general parameter settings, which include temperature and system pressure of the reactor liquid, the system pressure being the pressure without artificially generated waves. The temperature and system pressure of the reactor liquid must be chosen so that no gas escapes from the liquid without pressure waves. The steam in the cavitation bubble is necessary in order to heat gas components that are also degassing to ambient temperature. In addition to the reactor temperature, vapor pressure and partial pressure depend on the liquid or gas mixture used. Furthermore, only a small proportion of gas is allowed in the reactor liquid, preferably deuterium and tritium be dissolved, a small proportion of which in turn gasses out during cavitation and mixes with the vapor in the cavitation bubble. The vapor-gas mixture in the cavitation bubble then assumes the ambient temperature, ie the temperature of the reactor liquid. At the beginning of the implosion, caused by an overpressure wave following the negative pressure wave, the vapor condenses in the cavitation bubble. In the interior of the cavitation bubble there are then small amounts of the mentioned gas mixture with ambient temperature and low density, as well as condensed liquid with a low volume fraction, based on the total volume of the cavitation bubble. The further implosion of the cavitation bubble then leads to a polytropic compression of the gases starting from an extremely low density and ambient temperature. The previously condensed liquid fractions are carried along by the moving bladder wall. In this way, a high compression pressure is only achieved when the cavitation bubble has almost completely shrunk. On the other hand, the surf pressure of the spherical wave near the center of the cavitation bubble becomes extremely high, since it is inversely proportional to the bubble radius, i.e. it runs towards infinity. In summary, it can be said that the final temperatures and pressures that can be achieved in imploding cavitation bubbles only meet the Lawson criterion if the cavitation bubbles only contain vapor with trace amounts of gas when they are formed. A high positive pressure wave is also advantageous in order to initiate the implosion, as well as a sufficient duration of this pressure wave in order to achieve the necessary containment time. The maximum possible containment time changes with the size of the reactor vessel. With a reactor diameter of one meter and water as the reactor liquid, the pressure waves propagating at the speed of sound permit containment times of around 0.6 ms. With other dimensions and other fluids, the values change accordingly. The hydraulic and thermodynamic processes are based on 1 to 4th explained by way of example. 1 describes the process of a cavitation bubble with a diameter of 1m, which is caused to implosion by an overpressure wave of 100MPa. In the initial state there are 50% steam and 50% hydrogen gas or their isotopes at a pressure of 0.1 MPa, i.e. ambient pressure, in the cavitation bubble. The assumed values correspond to the usual composition of steam and gas in cavitation bubbles. The overpressure wave spreads towards the center of the bubble, whereby the pressure energy of the liquid is first converted into kinetic energy. To stop the moving bubble wall, surf pressure is required, which changes analogously to spherical waves with 1 / r, where “r” is the bubble radius. If there were a vacuum inside the bubble, the surf pressure in the center of the bubble could reach the value infinite. The solid line of the double logarithmic diameter pressure representation shows the possible surf pressure. The broken line shows the pressure in the cavitation bubble that builds up when the gas component is compressed. The point of intersection of the two pressure curves is around 1000MPa, ie at this pressure the pressure wave running from the outside to the inside is stopped and completely reflected. From then on, the cavitation bubble becomes larger again. 2 shows the associated temperature profile of the gas in the cavitation bubble. At the surf pressure, i.e. the highest achievable value, the temperature is around 5000K. The two values 5000K and 1000MPa are by far not sufficient to meet the Lawson criterion.

In 3 sind die gleichen Parameter wie in 1 enthalten mit Ausnahme des Gasanteils, der jetzt 1ppm beträgt. Bei diesem Beispiel erreicht der Brandungsdruck etwa 2*10^6MPa und die maximale Kompressionstemperatur nach 4 etwa 3*10^6K. Es ist anzunehmen, dass mit der erreichten Temperatur und dem erreichten Druck das Lawson Kriterium erfüllt wird, wenn dieser Zustand einige ns andauert. Die notwendigen Zündbedingungen bei anderen Reaktorkonzepten wie Tokamak liegen etwa bei 10^8K und 0.1MPa. Durch hohen Druck lassen sich die erforderlichen Temperaturen um ein Vielfaches absenken.In 3 are the same parameters as in 1 included with the exception of the gas content, which is now 1ppm. In this example, the surf pressure reaches about 2 * 10 ^ 6MPa and the maximum compression temperature after 4th about 3 * 10 ^ 6K. It can be assumed that the Lawson criterion is met with the temperature and pressure reached if this state lasts for a few ns. The necessary ignition conditions for other reactor concepts such as tokamak are around 10 ^ 8K and 0.1MPa. The required temperatures can be reduced many times over by high pressure.

5 zeigt einen kugelförmigen Reaktorraum, der für die beschriebenen Kavitationsvorgänge besonders eignet ist. Zwischen einer stabilen Außenhülle 1 und einer dünneren Innenhülle 3, die die Reaktorflüssigkeit 4 umgibt, befindet sich eine piezokeramische Schicht 2, die sich je nach angelegter elektrischer Spannung zusammenzieht oder ausdehnt. Eine Steuereinheit 7 erzeugt die dafür notwendigen elektrischen Impulse und leitet sie über die elektrischen Anschlüsse 12 auf die Oberflächen der Piezokeramikschicht 2. Ferner überwacht die Steuereinheit 7 Druck und Temperatur der Reaktorflüssigkeit 4 über geeignete Sensoren 5 und 6. Bei Bedarf steuert die Steuereinheit 7 eine Pumpe 8, die die Reaktorflüssigkeit 4 mit dem Inhalt eines Reservoirs 9 austauschen kann. Ein zwischengeschalteter Wärmetauscher 10 kann der Reaktorflüssigkeit Wärme entziehen. Die Steuereinheit 7 benötigt elektrische Energie über die Zuleitungen 11 um die Piezoschicht 2 anzusteuern. Wenn die Reaktorflüssigkeit durch die Piezokeramikschicht an der Innenwand 3 angeregt wird, läuft in ihr eine Kugelwelle zum Zentrum des Reaktors und wieder zurück zur Innenwand 3. Bei einer Fusionsreaktion in der Reaktorflüssigkeit ist die zur Innenwand 3 laufende Druckwelle größer als die ursprünglich Welle. Dadurch erzeugt die Piezoschicht mehr Energie als zu ihrer Anregung notwendig war. Die Zuleitungen 11 der Steuereinheit 7 dienen deshalb zur Energiezufuhr als auch Energieabgabe der Fusionsprozesse. 5 shows a spherical reactor chamber which is particularly suitable for the cavitation processes described. Between a stable outer shell 1 and a thinner inner shell 3 that the reactor liquid 4th surrounds, there is a piezoceramic layer 2 which contracts or expands depending on the applied electrical voltage. A control unit 7th generates the necessary electrical impulses and conducts them via the electrical connections 12th on the surfaces of the piezoceramic layer 2 . The control unit also monitors 7th Pressure and temperature of the reactor liquid 4th using suitable sensors 5 and 6th . If necessary, the control unit controls 7th a pump 8th that the reactor liquid 4th with the contents of a reservoir 9 can exchange. An intermediate heat exchanger 10 can extract heat from the reactor fluid. The control unit 7th requires electrical energy via the supply lines 11 around the piezo layer 2 head for. When the reactor liquid through the piezoceramic layer on the inner wall 3 is excited, a spherical wave runs in it to the center of the reactor and back again to the inner wall 3 . In the case of a fusion reaction in the reactor liquid, it is towards the inner wall 3 Current pressure wave larger than the original wave. As a result, the piezo layer generates more energy than was necessary to excite it. The supply lines 11 the control unit 7th serve therefore for the energy supply as well as the energy release of the fusion processes.

Des weiteren wird Energie durch den Wärmetauscher 10 frei. Zwischen der Aussenhuelle 1 und der Reaktorflüssigkeit 4 kann sich noch eine nicht eingezeichnete weitere Schicht aus Lithiumorthosilikat Li4SiO4 befinden, die die bei der Fusion freiwerdenden schnellen Neutronen abbremst und in Wärme umwandelt. Außerdem wird das in Li4SiO4 angereicherte Litium-6 Isotop in Tritium umgewandelt, was neben Deuterium als Kernbrennstoff benötigt wird.Furthermore, energy is passed through the heat exchanger 10 free. Between the outer shell 1 and the reactor liquid 4th There may be another layer of lithium orthosilicate Li4SiO4 that is not shown, which slows down the fast neutrons released during the fusion and converts them into heat. In addition, the lithium-6 isotope enriched in Li4SiO4 is converted into tritium, which is needed as a nuclear fuel in addition to deuterium.

6 zeigt das elektrische Spannungssignal, mit dem die piezokeramische Schicht angesteuert wird. Das Signal beginnt mit einem kurzen negativen Impuls 1, der die Schicht zusammenzieht. Es folgt dann ein positiver ansteigender Impuls 2, der die Schicht kontinuierlich expandieren lässt. 7 zeigt die Auswirkungen der Verformungen der piezokeramischen Schicht auf die Druckwellen in der Reaktorflüssigkeit. Die Kontraktion der piezokeramischen Schicht und damit auch der inneren Reaktorhülle erzeugt eine Unterdruckwelle, die von außen nach innen durch den Reaktor mit Schallgeschwindigkeit läuft. Unmittelbar hinter dieser Unterdruckwelle 3 folgt eine längere Überdruckwelle 4. Am Ende der Überdruckwelle startet dann wieder eine Unterdruckwelle u.s.w. Die Frequenz des beschriebenen Wellenmusters muss auf die Dimension des Reaktors abgestimmt sein, damit die Reaktorflüssigkeit mit Eigenfrequenz angeregt wird. So benötigt z.B. eine Druckwelle in Wasser 0,62 ms um einen Reaktorraum von beispielsweise 1m Durchmesser zu durchlaufen. Ein Reaktor dieser Größe hat also eine Eigenfrequenz von 1600 Hz, was bedeutet, dass die beiden in Bild 7 dargestellten Wellen zusammen eine Periodendauer von 0,62ms und eine Frequenz von 1600 Hz aufweisen müssen. Beim Durchlaufen des Reaktorraums verändern sich diese sogenannten Kugelwellen erheblich entsprechend dem hydraulischem Gesetz, wonach sich die Druckamplitude mit 1/r ändert (r = Radius des Reaktors). 6th shows the electrical voltage signal with which the piezoceramic layer is controlled. The signal starts with a short negative pulse 1 contracting the layer. A positive rising impulse then follows 2 which allows the layer to expand continuously. 7th shows the effects of the deformations of the piezoceramic layer on the pressure waves in the reactor liquid. The contraction of the piezoceramic layer and thus also of the inner reactor shell generates a negative pressure wave that runs from the outside to the inside through the reactor at the speed of sound. Immediately behind this negative pressure wave 3 a longer overpressure wave follows 4th . At the end of the overpressure wave, a negative pressure wave starts again, etc. The frequency of the wave pattern described must be matched to the dimensions of the reactor so that the reactor liquid is excited at its natural frequency. For example, a pressure wave in water takes 0.62 ms to pass through a reactor space with a diameter of, for example, 1 m. So a reactor of this size has a natural frequency of 1600 Hz, which means that the two in picture 7th waves shown together must have a period of 0.62 ms and a frequency of 1600 Hz. When passing through the reactor space, these so-called spherical waves change considerably according to the hydraulic law, according to which the pressure amplitude changes with 1 / r (r = radius of the reactor).

Die zuvor beschriebene Kavitationsbildung durch Unterdruckwellen kann natürlich an beliebiger Stelle im Reaktor erfolgen. Das anschließende Implodieren einer Kavitationsblase durch eine Überdruckwelle ist jedoch je nach Lage im Reaktor unterschiedlich. Im Zentrum des Reaktors herrscht theoretisch ein unendlich hoher Druck solange dort eine Überdruckwelle durchläuft. Dies bedeutet, dass Kavitationsblasen mit Gasanteilen im Zentrum des Reaktors extrem komprimiert werden können und dieser Druck für die Dauer der positiven Druckwelle 4 gehalten werden kann. Ausserhalb des Zentrums implodieren Kavitationsblasen weniger intensiv wobei der Umgebungsdruck auch geringer ist. Aus diesem Grunde sind Fusionsreaktionen nur in der Nähe des Reaktorzentrums zu erwarten.The previously described cavitation formation by negative pressure waves can of course take place at any point in the reactor. The subsequent imploding of a cavitation bubble by an overpressure wave, however, differs depending on the location in the reactor. Theoretically, there is an infinitely high pressure in the center of the reactor as long as there is an overpressure wave there. This means that cavitation bubbles with gas components in the center of the reactor can be extremely compressed and this pressure for the duration of the positive pressure wave 4th can be held. Outside the center, cavitation bubbles implode less intensely, whereby the ambient pressure is also lower. For this reason, fusion reactions are only to be expected in the vicinity of the reactor center.

Wie in 1 bis 4 erklärt, darf der Gasanteil in Kavitationsblasen nur gering sein. Die Reaktorflüssigkeit muss deshalb zum Beispiel nach einer wie folgt beschriebenen Prozedur zubereitet werden: Als erstes ist der Flüssigkeit alles Gas vollständig zu entziehen. Dies kann durch längeres Auskochen oder Behandlung mit Vakuum erfolgen. Ein Teil dieser gasfreien Reaktorflüssigkeit wird nun unter Normbedingungen mit Brennstoff gesättigt. Der Brennstoff besteht vorzugsweise aus volumetrisch gleichen Teilen der gasförmigen Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Theoretisch können auch Gase wie Deuterium oder Helium benutzt werden, allerdings steigen dann die Anforderungen hinsichtlich Zuendtemperarur und Einschlussdauer erheblich an. Im Falle von Wasser als Reaktorflüssigkeit lassen sich bei 20grdC und Atmosphärendruck maximal 0,0016g Wasserstoff H2 pro Liter lösen. Das Isotopengemisch Deuterium - Tritium mit den höhere Kernzahlen 2 bzw. 3 kann mit gleichem Volumen aber etwa 2,5 fachem Gewicht gelöst werden. Demnach kann maximal ein Deuterium-Tritium-Gemisch von etwa 0,004g bei 20grdCund Umgebungsdruck in Wasser gelöst werden. Bei Überdruck und sinkender Wassertemperatur erhöht sich die mögliche Löslichkeit von Gasen. Durch Mischung von gasfreier Reaktorflüssigkeit mit gesättigter Reaktorflüssigkeit kann ein gewünschter Gasgehalt der Reaktorflüssigkeit eingestellt werden. Fusionsreaktionen sind nur möglich, wenn eine bestimmte Gaskonzentration in der Reaktorflüssigkeit nicht überschritten wird.As in 1 to 4th explains, the proportion of gas in cavitation bubbles must only be small. The reactor liquid must therefore be prepared, for example, according to a procedure described as follows: First of all, all gas must be completely removed from the liquid. This can be done by boiling for a long time or treating with vacuum. Part of this gas-free reactor liquid is now saturated with fuel under standard conditions. The fuel preferably consists of volumetrically equal parts of the gaseous hydrogen isotopes deuterium and tritium. Theoretically, gases such as deuterium or helium can also be used, but then the requirements with regard to ignition temperature and containment time increase considerably. In the case of water as the reactor liquid, a maximum of 0.0016 g of hydrogen H2 per liter can be dissolved at 20 ° C and atmospheric pressure. The isotope mixture Deuterium - Tritium with the higher nuclear numbers 2 or. 3 can be solved with the same volume but about 2.5 times the weight. According to this, a maximum of a deuterium-tritium mixture of about 0.004 g can be dissolved in water at 20 ° C and ambient pressure. With overpressure and falling water temperature, the possible solubility of gases increases. A desired gas content of the reactor liquid can be set by mixing gas-free reactor liquid with saturated reactor liquid. Fusion reactions are only possible if a certain gas concentration in the reactor liquid is not exceeded.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 4333796 [0001]
US 20050135531 A1 [0001]

Claims

characterized in that the reactor liquid contains at most 0.002 g of a deuterium-tritium mixture per liter.

Characterized in that the reactor liquid contains a maximum of 0.002 g of deuterium per liter.

To Claim 1 and 2 characterized in that the reactor liquid is partially or completely surrounded by an additional shell which slows down fast neutrons and converts them into thermal energy.

to Claim 3 characterized in that this additional shell contains lithium orthosilicate Li4SiO4, the enriched lithium-6 being converted into tritium.

To Claim 3 characterized in that this additional shell contains boron or boron compounds for neutron shielding.

To Claim 3 characterized in that this additional shell contains cadmium or cadmium compounds for neutron shielding.

To Claim 1 and 2 characterized in that the reactor liquid is completely or partially exchanged if more than 0.001 g of helium or gases other than deuterium and tritium per liter are contained in the reactor liquid.