DE102022003144A1 - DEVICE AND METHOD FOR GENERATION OF IFE ( INERTIAL FUSION ENERGY) - Google Patents

DEVICE AND METHOD FOR GENERATION OF IFE ( INERTIAL FUSION ENERGY) Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von neutronischer und aneutronischer Fusionsenergie durch eine neutronische und/oder aneutronische Kernfusionsreaktion und die Erzeugung von säkularen elektrischen und magnetischen Feldern, wobei das Verfahren die Bestrahlung eines Targets (10) aus einem nanostrukturierten Material mit einem Laserpuls umfasst, wobei der Laserpuls eine Laserträgerfrequenz ω, eine Pulsdauer und eine Fleckgröße aufweist, und wobei der Laserpuls zumindest teilweise von dem nanostrukturierten Material absorbiert wird, wobei das Target (10) eine Oberfläche (15) mit einer Vielzahl von Nanostäben (12) umfasst, die sich von der Oberfläche (15) erstrecken. Die vorliegende Anmeldung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes System und ein Target (10).The present application relates to a method for generating neutronic and aneutronic fusion energy by means of a neutronic and/or aneutronic nuclear fusion reaction and the generation of secular electric and magnetic fields, the method comprising irradiating a target (10) made of a nanostructured material with a laser pulse, wherein the laser pulse has a laser carrier frequency ω, a pulse duration and a spot size, and wherein the laser pulse is at least partially absorbed by the nanostructured material, wherein the target (10) comprises a surface (15) with a plurality of nanorods (12) which extend from the surface (15). The present application also relates to a corresponding system and a target (10).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein System und ein Target auf dem Gebiet der Erzeugung von neutronischer und aneutronischer Fusionsenergie durch eine neutronische und/oder aneutronische Kernfusionsreaktion, d.h. Zündung einer aneutronischen Reaktion, nämlich einer Fusionsreaktion, d.h. Umwandlung von Laserenergie in Fusionsenergie und Fusionsprodukte mittels Auslösung von Fusionsreaktionen und säkularen elektrischen und magnetischen Feldern. Die Umwandlung wird erreicht, indem ein Target aus einem nanostrukturierten Material mit einem Laserpuls bestrahlt wird, so dass der Laserpuls zumindest teilweise von dem nanostrukturierten Material absorbiert wird.The present invention relates to a method, a system and a target in the field of generating neutronic and aneutronic fusion energy by means of a neutronic and/or aneutronic nuclear fusion reaction, i.e. ignition of an aneutronic reaction, namely a fusion reaction, i.e. conversion of laser energy into fusion energy and fusion products Initiation of fusion reactions and secular electric and magnetic fields. The conversion is achieved by irradiating a target of nanostructured material with a laser pulse such that the laser pulse is at least partially absorbed by the nanostructured material.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Die Fusionsenergie beruht auf der Verschmelzung leichter Kerne zu einem schwereren Kern, wobei die reduzierte Masse des Reaktionsprodukts gemäß E=mc2 in Energie umgewandelt wird. Unter den heute bekannten Reaktionen bietet die Kombination der Isotope Deuterium und Tritium, auch D-T oder DT genannt, den besten Wirkungsquerschnitt und die niedrigste Zündtemperatur. Die Kernfusionsreaktion von DT führt zu einer massiven Produktion von schnellen Neutronen um 14,1 MeV, die dann zur Energieerzeugung genutzt werden, indem ihre kinetische Energie durch Absorption in Wärme in einer umgebenden Hülle umgewandelt wird. Der Nachteil der entsprechenden Kernreaktion besteht darin, dass die energiereichen Neutronen, die sich nur schwer abschirmen lassen, auch einen Teil des Materials beschädigen können, das in einem Reaktoreinschlussbehälter verwendet wird.Fusion energy is based on the fusion of light nuclei into a heavier nucleus, converting the reduced mass of the reaction product into energy according to E=mc 2 . Among the reactions known today, the combination of the isotopes deuterium and tritium, also called DT or DT, offers the best effective cross section and the lowest ignition temperature. DT's nuclear fusion reaction results in a massive production of fast neutrons around 14.1 MeV, which are then used to produce energy by converting their kinetic energy into heat through absorption in a surrounding envelope. The disadvantage of the corresponding nuclear reaction is that the energetic neutrons, which are difficult to shield, can also damage some of the material used in a reactor containment vessel.

Weiterhin bekannt ist eine neutronarme (aneutronische) Fusionsreaktion von Bor-11 und einem Proton, auch PB-11 genannt, bei der geladene Reaktionsprodukte, nach der Gleichung p+B11 → 3 α + 8,9 MeV, und deutlich weniger Neutronen als bei den oben genannten Kombinationen von Deuterium und Tritium, entstehen. Ein Nachteil dieser neutronarmen Fusionsreaktion ist, dass sie weitaus höhere Temperaturen von etwa 570 keV erfordert, um einen energieerzeugenden Fusionsbrand zu erreichen. Eine direkte Zündung von PB-11 wurde bei herkömmlichen thermonuklearen Ansätzen als unwahrscheinlich angesehen.Also known is a neutron-poor (aneutronic) fusion reaction of boron-11 and a proton, also called PB-11, in which charged reaction products, according to the equation p+B 11 → 3 α + 8.9 MeV, and significantly fewer neutrons than in the above combinations of deuterium and tritium. A disadvantage of this neutron-poor fusion reaction is that it requires much higher temperatures of around 570 keV to achieve an energy-producing fusion burn. Direct ignition of PB-11 was considered unlikely using conventional thermonuclear approaches.

Es gibt zwei allgemeine Konzepte zur Zündung der Kernfusion und zur Nutzung ihrer Energie für die Stromerzeugung: Magnetische Fusionsenergie, abgekürzt MFE, und Trägheitsfusionsenergie, abgekürzt IFE.There are two general concepts for igniting nuclear fusion and using its energy to generate electricity: magnetic fusion energy, abbreviated MFE, and inertial fusion energy, abbreviated IFE.

Bei der MFE erhitzen Mikrowellen, Elektrizität und neutrale Teilchenstrahlen einen Strom von Wasserstoffgas. Durch diese Erhitzung wird das Gas in ein Plasma niedriger Dichte umgewandelt, das dann in einem sehr starken Magnetfeld, das von Magneten erzeugt wird, zusammengedrückt und für längere Zeit eingeschlossen wird. Auf diese Weise kann die Fusion stattfinden. Der heutige Stand der Technik für ein solches magnetisch eingeschlossenes Plasma ist eine Donutform, auch Toroid genannt. Ein entsprechender Reaktor wird als Tokamak bezeichnet, und ein prominenter öffentlich finanzierter Reaktor dieser Art ist Teil des ITER-Projekts, das im Jahr 2035 betriebsbereit sein soll.In MFE, microwaves, electricity, and neutral particle beams heat a stream of hydrogen gas. This heating turns the gas into a low-density plasma, which is then compressed and confined for a long time in a very strong magnetic field created by magnets. In this way the merger can take place. The current state of the art for such a magnetically confined plasma is a donut shape, also known as a toroid. Such a reactor is called a tokamak, and a prominent publicly funded reactor of this type is part of the ITER project, which is expected to be operational in 2035.

Andererseits unterscheidet sich die Trägheitsfusionsenergie von der oben erwähnten magnetischen Fusionsenergie vor allem dadurch, dass der Fusionsbrennstoff in sehr kurzer Zeit auf hohe Dichten komprimiert und durch seine eigene Trägheit auf Fusionsdichten und -temperaturen gehalten wird. Der gängigste Ansatz für die IFE basiert auf Lasern als Antriebstechnologie für die Komprimierung des Brennstoffs.On the other hand, inertial fusion energy differs from the above-mentioned magnetic fusion energy primarily in that the fusion fuel is compressed to high densities in a very short time and maintained at fusion densities and temperatures by its own inertia. The most common approach to IFE relies on lasers as the propulsion technology to compress the fuel.

Die lasergesteuerte IFE bietet die Aussicht auf ein vergleichsweise vielseitiges System, bei dem sich Änderungen an einem Teil des Systems nicht immer auf andere Teile auswirken. Dies ermöglicht eine Entkopplung der Konstruktion des Fusionsreaktors von dem treibenden Lasersystem. Heute sind im Allgemeinen zwei Arten von Fusionsstrategien bekannt, nämlich Hot Spot und Schnellzündung.The laser-guided IFE offers the prospect of a comparatively versatile system where changes to one part of the system do not always affect other parts. This allows the fusion reactor design to be decoupled from the driving laser system. Two types of fusion strategies are generally known today, namely hot spot and fast ignition.

Was den Hot Spot betrifft, so beruht die lasergetriebene IFE im Gegensatz zur MFE auf der Fusion leichter Kerne in einem extrem dichten, unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Hot Spot des Plasmas, in dem die Brennwelle der Kernfusion aufgrund ihrer eigenen Trägheit die Zerlegung des Brennstoffs überholt. Bei der konventionellen D-T-Trägheitsfusion erfolgt die Zündung und der sich ausbreitende Brand, wenn eine ausreichende Temperatur von z. B. 5-10 keV in einer ausreichenden Masse von DT-Brennstoff erreicht wird. Die notwendigen Bedingungen für den sich ausbreitenden D-T-Brand werden durch ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Energiegewinn- und -verlustmechanismen erreicht. Wenn die Rate des Energiegewinns bei der Fusion die Rate des Energieverlusts für eine ausreichende Zeitspanne in der Größenordnung von Pikosekunden übersteigt, kommt es zur Zündung.As for the hot spot, unlike MFE, laser-driven IFE relies on the fusion of light nuclei in an extremely dense, high-pressure, high-temperature hot spot of plasma, where the nuclear fusion fuel wave, by its own inertia, causes the decomposition of the fuel obsolete. In conventional DT inertial fusion, ignition and the propagating fire occur when a sufficient temperature of e.g. B. 5-10 keV is achieved in a sufficient mass of DT fuel. The necessary conditions for the propagating DT fire are achieved through an appropriate balance between energy gain and loss mechanisms. If the rate When the rate of energy gain in fusion exceeds the rate of energy loss for a sufficient period of time, on the order of picoseconds, ignition occurs.

Um eine zentrale Hot-Spot-Zündung zu erreichen, ist eine hochsymmetrische sphärische Implosion mit hoher Geschwindigkeit erforderlich, bei der sich die eintreffenden Schockwellen schließlich überschneiden und den Brennstoff zunächst komprimieren und dann im Moment der maximalen Kompression aufheizen. Dies wurde in Experimenten an der National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Kalifornien, USA, auch NIF genannt, untersucht, und es wurden bedeutende Fortschritte erzielt, die zur höchsten Neutronenausbeute in einem IFE-Experiment führten.Achieving central hot-spot ignition requires a high velocity, highly symmetric spherical implosion where the incoming shock waves eventually overlap and first compress the fuel and then heat it at the moment of maximum compression. This has been studied in experiments at the National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California, USA, also known as the NIF, and significant advances have been made, resulting in the highest neutron yield in an IFE experiment.

Die Ergebnisse aus dem Jahr 2021 zeigen eine Fusionsausbeute von 1,3MJ, was einem Umwandlungswirkungsgrad von Energie nach außen in Laserenergie von etwa 70 % entspricht, gegenüber 0,1 % im Jahr 2011. Bei den jüngsten Experimenten an der NIF wurden außerdem zum ersten Mal in einer Laborumgebung erste Anzeichen für eine Alpha-Erwärmung festgestellt, d. h. die Energie, die durch Alphateilchen erzeugt wird, die zusätzliche Fusionsreaktionen im kalten Brennstoff anregen, übersteigt die durch die Implosion erzeugte kinetische Energie.Results from 2021 show a fusion yield of 1.3MJ, which corresponds to an outward energy conversion efficiency to laser energy of about 70%, up from 0.1% in 2011. Recent experiments at the NIF also showed for the first time First signs of alpha heating detected in a laboratory setting, i.e. H. the energy generated by alpha particles stimulating additional fusion reactions in the cold fuel exceeds the kinetic energy generated by the implosion.

Das NIF verwendete ein blitzlampengepumptes 1,8-MJ-Neodymdotiertes Phosphatglas-Lasersystem mit 192 Strahllinien bei der dritten Harmonischen der Übergangsfrequenz des Glaslasers. Die Pulslänge betrug etwa 8 Nanosekunden mit einer speziellen Pulsform.The NIF used a flashlamp-pumped 1.8 MJ neodymium-doped phosphate glass laser system with 192 beamlines at the third harmonic of the glass laser's transition frequency. The pulse length was about 8 nanoseconds with a special pulse shape.

Die Targets für die indirekte Hotspot-Zündung in der NIF bestehen aus vier wesentlichen Komponenten: einer Kapsel mit Füllrohr, Deuterium- und Tritium-Brennstoff in Form einer gefrorenen Schicht im Inneren der Brennstoffkapsel, einem Zylinder von der Größe eines Radiergummis, der als „Hohlraum“ bezeichnet wird und die Kapsel umschließt, sowie einer thermischen Kontrollvorrichtung. Die Kapsel muss eine präzise Kugelform haben und die Oberflächen müssen im Nanometerbereich glatt sein. Nach dem Zusammenbau wird das Target in ein kryogenes Targetpositionierungssystem integriert und in der Mitte der Targetkammer platziert. Die Temperatur des Targets muss im Bereich von 18 bis 20 Kelvin gehalten werden, wie unter https://lasers.llnl.gov/about/how-nifworks/beamline/targets beschrieben.The targets for indirect hotspot ignition in the NIF consist of four main components: a capsule with a filling tube, deuterium and tritium fuel in the form of a frozen layer inside the fuel capsule, a cylinder the size of an eraser known as the “void ' and encloses the capsule, and a thermal control device. The capsule must have a precise spherical shape and the surfaces must be smooth in the nanometer range. After assembly, the target is integrated into a cryogenic target positioning system and placed in the center of the target chamber. The target temperature must be maintained in the 18 to 20 Kelvin range as described at https://lasers.llnl.gov/about/how-nifworks/beamline/targets.

Strategien für die schnelle Zündung wurden dagegen ausgiebig erforscht, insbesondere an der NIF und der LFEX-Anlage in Osaka, Japan. Bei diesem Ansatz wird eine Kombination aus zwei Laserpulsen verwendet. Zunächst bewirkt ein langer Laserpuls eine Implosion und Komprimierung des Brennstoffs, da die Komprimierung des Brennstoffs die benötigte Wärmemenge reduziert. Anschließend wird mit einem kürzeren, schnellen Laserpuls die Zündung eingeleitet. Dadurch wird die in jedem der beiden Schritte zugeführte Energiemenge reduziert. Der längere Puls kann so „geformt“ werden, dass er effizienter ist, wodurch die benötigte Gesamtenergie verringert wird und somit kleinere Laser benötigt werden. On the other hand, fast ignition strategies have been extensively explored, particularly at the NIF and LFEX facilities in Osaka, Japan. This approach uses a combination of two laser pulses. First, a long laser pulse causes the fuel to implode and compress, since compressing the fuel reduces the amount of heat required. Ignition is then initiated with a shorter, faster laser pulse. This reduces the amount of energy supplied in each of the two steps. The longer pulse can be "shaped" to be more efficient, reducing the total energy required and thus requiring smaller lasers.

M. Tabak, et al., Phys. Plasmas 1, 1626 (1994) schlägt Fast Ignition als Ansatz vor, um die Verstärkung zu erhöhen, die Antriebsenergie zu verringern und die Symmetrieanforderungen für die Kompression zu lockern. Die Idee besteht darin, den kalten Brennstoff zunächst auf eine mittlere Dichte vorzukomprimieren und ihn anschließend mit einem separaten Kurzpuls-Laser oder Teilchenpuls (Elektronen oder Ionen) hoher Intensität zu zünden. Laut Inertial Fusion Science and Applications 1999, herausgegeben von C. Labaune, W. J. Hogan und K. A. Tanaka (Elsevier, New York/Amsterdam, 1999), wird die Schnellzündung von vielen Gruppen weltweit untersucht. Zu den bisherigen Erfolgen gehören die Umwandlung von Laserlicht in einen Protonenstrahl mit einem Wirkungsgrad von 10 % und die Fokussierung des Strahls auf eine Punktgröße von mehr als 50 µm, wie z. B. in Hegelich et al. beschrieben, Experimental demonstration of particle energy, conversion efficiency and spectral shape required for ion-based fast ignition, Nucl. Fusion 51 083011 (2011), R. SNAVELY et al. Phys. Rev. Lett.85, 2945(2000), und M. Key et al., Fast Ignition: Physics Progress in the US Fusion Energy Program and Prospects for Achieving Ignition.M. Tabak, et al., Phys. Plasmas 1, 1626 (1994) proposes Fast Ignition as an approach to increase gain, reduce drive energy and relax symmetry requirements for compression. The idea is to first pre-compress the cold fuel to an intermediate density and then ignite it with a separate high-intensity short-pulse laser or particle pulse (electrons or ions). According to Inertial Fusion Science and Applications 1999, edited by C. Labaune, W.J. Hogan and KA Tanaka (Elsevier, New York/Amsterdam, 1999), fast ignition is being studied by many groups worldwide. Achievements to date include converting laser light into a beam of protons with an efficiency of 10% and focusing the beam to a spot size larger than 50 µm, e.g. B. in Hegelich et al. described, Experimental demonstration of particle energy, conversion efficiency and spectral shape required for ion-based fast ignition, Nucl. Fusion 51 083011 (2011), R. SNAVELY et al. physics Rev. Lett.85, 2945(2000) and M Key et al., Fast Ignition: Physics Progress in the US Fusion Energy Program and Prospects for Achieving Ignition.

Die überwiegende Mehrheit dieser Ansätze basiert auf D-T-Kraftstoff mit den oben erwähnten Nachteilen. Eine andere Option ist die Verwendung eines PB-11 (pB)-Treibstoffs. Hora et al. (Matter and Radiation at Extremes 2, 177, 2017) schlagen vor, dass die Barriere für die Zündung von pB-Brennstoff durch die Nutzung neuer Plasmaphysik gesenkt werden kann. Das Phänomen der „nicht-thermischen“ Fusionsreaktionen, d. h. Fusionsreaktionen, die nicht im thermonuklearen Regime induziert werden, sondern sich nicht-gleichgewichtige, nichtthermische Verteilungen zunutze machen, wurde von Belyaev, V., et al. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, 2005. 72: p. 026406; Labaune, C., et al., Laser-initiated primary and secondary nuclear reactions in Boron-Nitride, Scientific Reports, 2016. 6: S. 21202; D. Margarone, et. al, Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser System, Frontiers in Physics, 2020; Korn, G., Margarone, D. & Picciotto, A. (2014), Boron-Proton Nuclear Fusion Enhancement Induced in Boron-doped Silicon Targets by Low-contrast Pulsed Lasers, IZEST ELI-NP Conf. Paris, 17-18 September 2014; Picciotto, A., et al., Boron-Proton Nuclear-Fusion Enhancement Induced in Boron-Doped Silicon Targets by Low-Contrast Pulsed Laser, Physical Review X, 2014, 4: p. 031030; und Margarone, D., et al., Advanced scheme for highyield laser driven nuclear reactions, Plasma Physics and Controlled Fusion, 2014, 57(1): p. 014030. Diese Ergebnisse wurden durch die Beobachtung erweitert, dass diese pB-Reaktionsgewinne um viele Größenordnungen höher sind. Insbesondere die Ergebnisse von Korn, Picciotto und Margarone erreichten eine Milliarde Mal höhere Reaktionsausbeuten.The vast majority of these approaches are based on DT fuel with the disadvantages mentioned above. Another option is to use a PB-11 (pB) fuel. Hora et al. (Matter and Radiation at Extremes 2, 177, 2017) suggest that the barrier for pB fuel ignition can be lowered by exploiting new plasma physics. The phenomenon of “non-thermal” fusion reactions, ie fusion reactions that are not induced in the thermonuclear regime but take advantage of non-equilibrium, non-thermal distributions, was discussed by Belyaev, V., et al. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, 2005. 72: p. 026406; Labaune, C., et al., Laser-initiated primary and secondary nuclear reactions in boron nitrides, Scientific Reports, 2016. 6: p. 21202; D. Margarone, et. al, Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser System, Frontiers in Physics, 2020; Korn, G., Marga rone, D. & Picciotto, A. (2014), Boron-Proton Nuclear Fusion Enhancement Induced in Boron-doped Silicon Targets by Low-contrast Pulsed Lasers, IZEST ELI-NP Conf. Paris, September 17-18, 2014; Picciotto, A., et al., Boron-Proton Nuclear-Fusion Enhancement Induced in Boron-Doped Silicon Targets by Low-Contrast Pulsed Laser, Physical Review X, 2014, 4: p. 031030; and Margarone, D., et al., Advanced scheme for high-yield laser driven nuclear reactions, Plasma Physics and Controlled Fusion, 2014, 57(1): p. 014030. These results were extended by the observation that these pB response gains are many orders of magnitude higher. In particular, the results of Korn, Picciotto, and Margarone achieved reaction yields a billion times higher.

Um nicht-thermische (Nicht-Gleichgewichts-) Fusionskonzepte zu ermöglichen, sind zwei Technologien von zentraler Bedeutung: Lasersysteme, die eine ausreichend hohe Intensität, Spitzenleistung, Kontrast und Pulslänge erreichen, sowie nanostrukturierte Brennstoffpellets („Targets“), die eine effiziente Laserabsorption und die Kontrolle nicht-linearer optischer Effekte ermöglichen.To enable non-thermal (non-equilibrium) fusion concepts, two technologies are key: laser systems that achieve sufficiently high intensity, peak power, contrast, and pulse length, and nanostructured fuel pellets (“targets”) that provide efficient laser absorption and enable the control of non-linear optical effects.

55 Jahre sind vergangen seit der Demonstration des Lasers und dem ersten Vorschlag, gebündeltes Laserlicht zur Auslösung der thermonuklearen Fusion (TN) einzusetzen. Der verständliche Optimismus führte zu frühen Hoffnungen und Behauptungen, dass der Break-even (Fusionsenergie größer als die Laserenergie) nur noch wenige Jahre entfernt sei. Doch erst in den letzten Jahren sind die Laser- und Zieltechnologien und das Verständnis der damit verbundenen physikalischen Zusammenhänge so weit fortgeschritten, dass die lasergesteuerte Fusionsenergie als realistische Option für die Zukunft angesehen werden kann.It has been 55 years since the laser was demonstrated and the first proposal to use focused laser light to trigger thermonuclear fusion (TN). The understandable optimism led to early hopes and claims that breakeven (fusion power greater than laser power) was only a few years away. However, it is only in recent years that laser and target technologies and the understanding of the associated physical relationships have progressed so far that laser-guided fusion energy can be considered a realistic option for the future.

Eine wichtige Entwicklung in der Lasertechnologie ist die Steigerung der Spitzenleistung. Anfängliche Sprünge von mehreren Größenordnungen bei der Spitzenleistung wurden durch die Entdeckung der Güteschaltung und der Modenverriegelung möglich. Der Fortschritt verlangsamte sich bis in die späten 1980er Jahre. D. Strickland und G. Mourou, Opt. Commun. 56, 219 (1985) beschreiben die Entwicklung der Technik der gechirpten Impulsverstärkung (CPA). Zusammen mit anderen Entwicklungen führte CPA Mitte der 1990er Jahre zu den ersten gut definierten Lasersystemen der 100-TW-Klasse. Weitere Entwicklungen in der Pulsformungstechnologie, neue Gitter für die Pulskompression und die Strahlfokussierungstechnologie eröffneten anschließend den Weg zu Lasersystemen der PW-Klasse mit ultrahohen Intensitäten und ultrakurzen Pulslängen.An important development in laser technology is the increase in peak power. Initial jumps of several orders of magnitude in peak power were made possible by the discovery of Q-switching and mode-locking. Progress slowed until the late 1980s. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun. 56, 219 (1985) describe the development of the chirped pulse amplification (CPA) technique. Along with other developments, CPA led to the first well-defined 100-TW class laser systems in the mid-1990s. Further developments in pulse-shaping technology, new gratings for pulse compression and beam focusing technology then opened the way to PW-class laser systems with ultra-high intensities and ultra-short pulse lengths.

Eine weitere wichtige Innovation war das weltweit erste Lasersystem der PW-Klasse mit hoher Durchschnittsleistung HAPLS, das in der ELI-Beamlines-Anlage in der Tschechischen Republik installiert wurde. Dieser Laser verwendet einen diodengepumpten Festkörperlaser (DPSSL) mit einer einzigen Öffnung zum Pumpen des Lasermediums. Dieses diodengepumpte System ermöglicht den Betrieb mit 10 Hz, d. h. 10 Laserschüssen pro Sekunde, was die Möglichkeiten für potenzielle kommerzielle Anwendungen dieser Hochenergie-Lasersysteme im Vergleich zu früheren Lasersystemen erheblich erweitert.Another major innovation was the world's first high average power PW-class laser system HAPLS, installed at the ELI Beamlines facility in the Czech Republic. This laser uses a diode-pumped solid-state laser (DPSSL) with a single orifice to pump the lasing medium. This diode-pumped system allows operation at 10 Hz, i. H. 10 laser shots per second, greatly expanding the possibilities for potential commercial applications of these high energy laser systems compared to previous laser systems.

Neue Technologien wie die Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) eröffnen nun den Weg zu Lasersystemen mit 100 PW bis Exawatt und extrem hohem zeitlichen Kontrast, die kommerzielle Anwendungen wie die lasergesteuerte Trägheitsfusion ermöglichen.New technologies such as Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) are now opening the way to 100 PW to exawatt laser systems with extremely high temporal contrast, enabling commercial applications such as laser-guided inertial fusion.

Brennstoffpellets für die lasergesteuerte Trägheitsfusion können verschiedene Formen haben. Kryogene D-T-Targets, wie sie für die Hotspot-Zündung verwendet werden, wurden bereits erörtert. Mit der kontinuierlichen Innovation in der Nanotechnologie und der Fähigkeit, immer feinere Targetstrukturen zu erzeugen, können jedoch neuartige, nanostrukturierte, nicht gefrorene Targets hergestellt werden. Insbesondere können verschiedene Ansätze für oberflächenstrukturierte Targets gewählt werden, um die Laserabsorption weitgehend zu erhöhen.Fuel pellets for laser-guided inertial fusion can have different shapes. Cryogenic D-T targets used for hotspot ignition have already been discussed. However, with continued innovation in nanotechnology and the ability to create ever finer target structures, novel nanostructured non-frozen targets can be produced. In particular, different approaches can be chosen for surface-structured targets in order to largely increase the laser absorption.

Bargsten, Volumetric creation of ultra-high-energy-density plasma by irradiation of ordered nanowire arrays, Masterarbeit an der Colorado State University (2016) legt geordnete Nanodraht-Arrays (nanorods) offen, die vorteilhafte Eigenschaften für die Laserabsorption und die Erzeugung immenser Plasmadichten aufweisen. Fedeli et al, Ultra-intense laser interaction with nanostructured near-critical plasmas, Scientific Reports 8:3834 (2018); DOI: 10.1038/s41598-018-22147-6, legt offen, dass das Vorhandensein von Nanostäbchen den Effekt der Pulspolarisation stark reduziert und die von der Ionenpopulation absorbierte Energie erhöht, während es zu einer signifikanten Verringerung der Elektronentemperatur in Bezug auf ein homogenes nahkritisches Plasma führt.Bargsten, Volumetric creation of ultra-high-energy-density plasma by irradiation of ordered nanowire arrays, master's thesis at Colorado State University (2016) discloses ordered nanowire arrays (nanorods) that have advantageous properties for laser absorption and the generation of immense plasma densities exhibit. Fedeli et al, Ultra-intense laser interaction with nanostructured near-critical plasmas, Scientific Reports 8:3834 (2018); DOI: 10.1038/s41598-018-22147-6, discloses that the presence of nanorods greatly reduces the effect of pulse polarization and increases the energy absorbed by the ion population, while resulting in a significant reduction in electron temperature relative to a homogeneous near-critical plasma leads.

Es wurden auch Experimente mit amorphen pB-basierten Targets mit Lasersystemen der PW-Klasse durchgeführt. Margarone et al., Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser System, Front. Phys., September 2020, https://doi.org/10.3389/fphy.2020.00343 gibt einen Alphateilchenfluss von 109 und eine Laserabsorptionseffizienz von 7 % an.Experiments with amorphous pB-based targets using PW-class laser systems were also performed. Margarone et al., Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser Sys tem, front. Phys., September 2020, https://doi.org/10.3389/fphy.2020.00343 reports an alpha flux of 10 9 and a laser absorption efficiency of 7%.

Die Patentliteratur auf dem genannten technischen Gebiet umfasst US 2018/0322962 A1 , US 2004/0213368 A1 , US 4 199 685 A , US 2017/0125129 A1 und US 2020/0321135 A1 .The patent literature in said technical field includes US 2018/0322962 A1 , U.S. 2004/0213368 A1 , U.S.A. 4,199,685 , U.S. 2017/0125129 A1 and U.S. 2020/0321135 A1 .

Der thermonukleare Ansatz zur Fusion ist ein Quasi-Gleichgewichtskonzept, das auf neutronenreichen Reaktionsketten beruht. Sie haben in der Regel die niedrigsten Aktivierungsenergien oder, in der Terminologie der Gleichgewichtsphysik, erfordern die niedrigste Temperatur, damit die Fusion einsetzt. Ein Problem besteht darin, dass der größte Teil der durch neutronenreiche Reaktionen gewonnenen Fusionsenergie von den Neutronen verbraucht wird, die nicht im brennenden Hot Spot eingeschlossen werden können.The thermonuclear approach to fusion is a quasi-equilibrium concept based on neutron-rich reaction chains. They typically have the lowest activation energies or, in equilibrium physics terminology, require the lowest temperature for fusion to occur. One problem is that most of the fusion energy gained from neutron-rich reactions is consumed by the neutrons that cannot be confined in the burning hot spot.

Außerdem sind diese Neutronen schwer abzuschirmen und können zu einer Aktivierung der Reaktorkammerwand führen, was hohe Wartungskosten und radioaktive Abfälle nach sich zieht. In addition, these neutrons are difficult to shield and can lead to activation of the reactor chamber wall, resulting in high maintenance costs and radioactive waste.

Außerdem stehen alle neutronenreichen Reaktionsketten, die D-T-Brennstoff verwenden, vor dem Problem des Umgangs mit Tritium, das instabil, radioaktiv und selten ist, was eine mögliche Kommerzialisierung erschwert.Also, all neutron-rich reaction chains using D-T fuel face the problem of handling tritium, which is unstable, radioactive and rare, making potential commercialization difficult.

Der Hauptvorteil von Gleichgewichten besteht darin, dass zwischen den Komponenten, die sich im Gleichgewicht befinden, nur wenig Nettoenergie übertragen wird. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Reaktivität von Gleichgewichten extrem gering ist. Da das reagierende System zeitlich stark begrenzt ist, muss die Reaktionsgeschwindigkeit groß sein, um einen beträchtlichen Teil des Brennstoffs zu verbrennen.The main advantage of equilibria is that little net energy is transferred between the components that are in equilibrium. A disadvantage, however, is that the reactivity of equilibria is extremely low. Because the reacting system is highly time-limited, the reaction rate must be high to burn a significant portion of the fuel.

Bisher wird versucht, die Fusionsrate durch massive Materialverdichtung zu erhöhen, was den Hauptteil der Kosten für ein tragfähiges thermisches Fusionskonzept auf die Implosion des Fusionstarget verlagert. Letzteres bringt eine Reihe neuer, noch ungelöster Probleme mit sich, darunter Rayleigh-Taylor-Instabilitäten und Laser-Plasma-Instabilitäten.So far, attempts have been made to increase the fusion rate through massive material densification, which shifts the main part of the costs for a viable thermal fusion concept to the implosion of the fusion target. The latter introduces a number of new, still unsolved problems, including Rayleigh-Taylor instabilities and laser-plasma instabilities.

Aneutronische Reaktionsketten wie p-B oder andere müssen sich nicht mit dem Problem der energiereichen Neutronen auseinandersetzen. Sie erfordern jedoch eine sehr hohe Zündtemperatur unter klassischen thermonuklearen Bedingungen. Außerdem stehen sie vor dem Problem der massiven Materialverdichtung. Diese Probleme verhindern eine erfolgreiche Kommerzialisierung der Fusionstechnologie auf der Grundlage von p-B-Brennstoff, da die damit verbundenen Lasersystemkosten für das Erreichen dieser hohen Temperaturen und hohen Verdichtungsgrade über jedem vernünftigen Betrag liegen, der eine Stromversorgung zu wettbewerbsfähigen Preisen ermöglichen würde.Aneutronic reaction chains like p-B or others do not have to deal with the problem of high-energy neutrons. However, they require a very high ignition temperature under classic thermonuclear conditions. They are also faced with the problem of massive material compaction. These issues prevent successful commercialization of p-B fuel-based fusion technology, as the associated laser system cost of achieving these high temperatures and high densification levels is beyond any reasonable amount that would allow for a competitively priced power supply.

Nicht-thermische (d. h. Nicht-Gleichgewichts-) Ansätze auf der Grundlage von p-B-Brennstoff, d. h. Ansätze, die außerhalb des thermonuklearen Bereichs wirken, beruhen nicht auf neutronenreichen Reaktionen, sondern auf effizienten Möglichkeiten zur Erzeugung nicht-thermischer Verteilungen, die lange genug aufrechterhalten werden können. Nichtthermische Ionenverteilungen sind daher eine Voraussetzung für die Fusion mit fortgeschrittenen Brennstoffen. Bislang sind Konzepte für die Nicht-Gleichgewichtsfusion kaum erprobt. Die Physik der Umwandlung von Laserenergie in Fusionsprodukte wie Ladungsteilchen ist ganz anders und anspruchsvoll. Mit dem Aufkommen effizienter energetischer ultrakurzer optischer Laserpulse und der Möglichkeit, nanostrukturierte Targets herzustellen, ist es nun jedoch möglich, Nichtgleichgewichtswege zur Fusion zu beschreiten.Non-thermal (i.e. non-equilibrium) approaches based on p-B fuel, i. H. Approaches that operate outside of the thermonuclear regime do not rely on neutron-rich reactions, but rather on efficient ways of generating non-thermal distributions that can be sustained long enough. Non-thermal ion distributions are therefore a prerequisite for fusion with advanced fuels. So far, concepts for non-equilibrium fusion have hardly been tested. The physics of converting laser energy into fusion products such as charged particles is quite different and challenging. However, with the advent of efficient energetic ultrashort optical laser pulses and the ability to fabricate nanostructured targets, it is now possible to explore non-equilibrium pathways to fusion.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

In Anbetracht der obigen Ausführungen besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, Fusionsreaktionen auf nichtthermischem Wege mit hoher Reaktivität in einem breiten Bereich relativer kinetischer Schwerpunktsenergien zwischen den Fusionspartnern effizient auszulösen und dadurch einen wirtschaftlich tragfähigen Weg zur Energieerzeugung auf der Grundlage aneutronischer Brennstoffe durch effiziente Umwandlung einer Antriebsenergie in Fusionsprodukte und somit Fusionsenergie zu erhalten.In view of the above, it is an object of the present invention to efficiently initiate fusion reactions in a non-thermal way with high reactivity in a wide range of relative centroid kinetic energies between the fusion partners, thereby providing an economically viable way to generate energy based on aneutronic fuels by efficiently converting a driving energy into fusion products and thus to obtain fusion energy.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, und ein Target nach Anspruch 9. Bevorzugte Merkmale der Offenbarung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by a method according to claim 1, and a target according to claim 9. Preferred features of the disclosure are subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur nicht-thermischen Zündung einer aneutronischen Reaktion, insbesondere einer Fusionsreaktion, oder zur Erzeugung säkularer elektrischer und magnetischer Felder die Bestrahlung eines Targets aus einem nanostrukturierten Material mit einem Laserpuls, wobei der Laserpuls eine Laserträgerfrequenz ω, eine Pulsdauer und eine Spotgröße aufweist, und wobei der Laserpuls zumindest teilweise von dem nanostrukturierten Material absorbiert wird. Gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst das Target eine Oberfläche mit einer Vielzahl von Nanostäbchen, die sich von der Oberfläche aus erstrecken, wobei die Nanostäbchen einen Abstand D, eine Höhe h und einen Durchmesser d haben.According to the invention, a method for the non-thermal initiation of an aneutronic reaction, in particular a fusion reaction, or for the generation of secular electric and magnetic fields which irradiates a target made of a nanostructured material with a laser pulse, the laser pulse having a laser carrier frequency ω, a pulse duration and a spot size, and the laser pulse being at least partially absorbed by the nanostructured material. According to the present disclosure, the target includes a surface having a plurality of nanorods extending from the surface, the nanorods having a spacing D, a height h, and a diameter d.

Im Prinzip können viele aneutronische Reaktionen mit diesem Konzept gezündet werden. Es funktioniert am besten, wenn der Massenunterschied der fusionierenden Kerne größer ist. Leichtere Ionen werden durch den fs-Beschleunigungsprozess viel schneller auf hohe Energien gebracht. Protonen, aufgrund der geringsten Masse aller Ionen, lassen sich daher am besten beschleunigen.In principle, many aneutronic reactions can be ignited with this concept. It works best when the mass difference of the merging cores is larger. Lighter ions are brought to high energies much faster by the fs acceleration process. Protons, due to the lowest mass of all ions, can therefore be accelerated best.

Erfindungsgemäß umfasst ein System zur nicht-thermischen Zündung einer Fusionsreaktion, zur Auslösung einer neutronischen und/oder aneutronischen Kernfusionsreaktion oder zur Erzeugung eines säkularen elektrischen und magnetischen Feldes ein Target aus einem nanostrukturierten Material und eine Laservorrichtung zur Emission eines Laserpulses, wobei der Laserpuls eine Laserträgerfrequenz ω, eine Pulsdauer und eine Spotgröße aufweist und von dem nanostrukturierten Material zumindest teilweise absorbiert werden kann, wobei das Target eine Oberfläche mit einer Vielzahl von Nanostäben aufweist, die von der Oberfläche ausgehen.According to the invention, a system for the non-thermal ignition of a fusion reaction, for triggering a neutronic and/or aneutronic nuclear fusion reaction or for generating a secular electric and magnetic field comprises a target made of a nanostructured material and a laser device for emitting a laser pulse, the laser pulse having a laser carrier frequency ω having a pulse duration and a spot size and being at least partially absorbable by the nanostructured material, the target having a surface with a plurality of nanorods extending from the surface.

Erfindungsgemäß umfasst ein Target aus einem nanostrukturierten Material zur Absorption eines Laserpulses mit einer Laserträgerfrequenz ω, einer Pulsdauer und einer Spotgröße zur nicht-thermischen Zündung einer Fusionsreaktion oder zur Erzeugung säkularer elektrischer und magnetischer Felder eine Oberfläche mit einer Vielzahl von Nanostäben, die von der Oberfläche ausgehen.According to the invention, a target made of a nanostructured material for absorbing a laser pulse with a laser carrier frequency ω, a pulse duration and a spot size for non-thermal ignition of a fusion reaction or for generating secular electric and magnetic fields comprises a surface with a multiplicity of nanorods emanating from the surface .

Im Wesentlichen können aneutronische Fusionsreaktionen, wie die p+B11 → 3α + 8,9 MeV, d.h. die pB11 Fusion, oder säkulare elektrische und magnetische Felder in nanostrukturierten Materialien durch kurze ultraintensive optische Laserstrahlung bis in den UV- und VUV-Spektralbereich ausgelöst bzw. erzeugt werden. Das nanostrukturierte Material soll als ultraschneller und effizienter Absorber für den Laser wirken, die Ionen effizient beschleunigen und aufgrund von Quanteneffekten die Fusionsreaktivität auch für niedrigere kinetische Schwerpunktsenergien der Fusionspartner durch massive kollektive Abschirmungseffekte erhöhen.Essentially, aneutronic fusion reactions such as p+B 11 → 3α + 8.9 MeV, ie pB 11 fusion, or secular electric and magnetic fields in nanostructured materials can be induced by brief ultra-intense optical laser radiation up to the UV and VUV spectral range or be generated. The nanostructured material should act as an ultra-fast and efficient absorber for the laser, accelerate the ions efficiently and, due to quantum effects, increase the fusion reactivity even for lower kinetic center of mass energies of the fusion partners through massive collective shielding effects.

Die Laserabscheidung in diesen Materialien ist sehr effizient und die Elektronen neigen zur Überhitzung. Beispielsweise können nanostrukturierte Proton-Bor-Verbundwerkstoffe ultrakurze optische Laserpulse fast vollständig absorbieren, was dazu führt, dass Elektronen schnell aus den Nanostrukturen herausgeschleudert werden und es zu einer anschließenden Coulomb-Explosion kommt. Dadurch entsteht innerhalb von Femtosekunden eine nicht-thermische, d.h. nicht-gleichgewichtige, Verteilung für fusionsrelevante Ionen, die für die pB-Fusion ausreicht.Laser deposition in these materials is very efficient and the electrons tend to overheat. For example, nanostructured proton-boron composites can almost completely absorb ultrashort optical laser pulses, resulting in electrons being rapidly ejected from the nanostructures and a subsequent Coulomb explosion. This creates a non-thermal, i.e. non-equilibrium, distribution for fusion-relevant ions within femtoseconds, which is sufficient for pB fusion.

Da die laserinduzierten Relativgeschwindigkeiten zwischen Protonen und Bor-Ionen groß sind, ist die Reaktivität groß, was wiederum niedrigere durchschnittliche Dichten im System ermöglicht. Da die Laserabscheidung und die Fusion im nanostrukturierten Absorber schnell erfolgen, werden Instabilitäten vermieden. Daher ist die experimentelle Komplexität geringer und leichter zu handhaben, und es wird deutlich weniger Laserenergie für die Umwandlung der Laserenergie in Fusionsprodukte benötigt, so dass die Kosten des Gesamtsystems als Konverter oder Zünder wirtschaftlich tragbar sind.Because the laser-induced relative velocities between protons and boron ions are large, the reactivity is large, which in turn allows for lower average densities in the system. Since the laser deposition and the fusion in the nanostructured absorber take place quickly, instabilities are avoided. Therefore, the experimental complexity is lower and easier to handle, and significantly less laser energy is required for the conversion of the laser energy into fusion products, so that the cost of the overall system as a converter or igniter is economically viable.

Ein zugrunde liegendes physikalisches Modell ist in wesentlichen Teilen Quantennatur. Aufgrund der großen elektrischen und magnetischen Felder, die durch die absorbierte Kurzpuls-Laserenergie im nanostrukturierten Material des Targets induziert werden, sind die Coulombbarrieren für Fusionsprozesse abgeschirmt. Folglich wird die effektive Tunnellänge für Protonen durch die abgeschirmte Coulombbarriere vergrößert. Dies führt zu Fusionsquerschnitten im System, die selbst bei kleineren kinetischen Schwerpunktsenergien zwischen den fusionierenden ionischen Komponenten um Größenordnungen erhöht sind. Da die abgeschirmten Querschnitte im Absorber erhöht sind, findet die Fusion in einem viel größeren Bereich der kinetischen Energie des Massenschwerpunkts statt, auch bei kleineren Energien, was die Fusionsreaktivität, den Gewinn und die Fusionsenergieleistung erhöht.An underlying physical model is essentially quantum in nature. Due to the large electric and magnetic fields induced by the absorbed short-pulse laser energy in the target's nanostructured material, the Coulomb barriers for fusion processes are shielded. Consequently, the effective tunnel length for protons is increased by the shielded Coulomb barrier. This leads to fusion cross-sections in the system, which are increased by orders of magnitude even with smaller kinetic centroid energies between the merging ionic components. Because the shielded cross-sections are increased in the absorber, fusion occurs over a much larger range of center of mass kinetic energy, even at lower energies, increasing fusion reactivity, gain, and fusion energy performance.

Darüber hinaus zeigt das nanostrukturierte Material ein interessantes Skalierungsverhalten mit der Wellenlänge des Laserpulses. Bei kürzeren Wellenlängen funktioniert das hier vorgeschlagene Konzept weiterhin. Wird jedoch mit der halben Laserwellenlänge gearbeitet, kann die vierfache kritische Plasmadichte im nanostrukturierten Material erreicht werden, was zu einer sechzehnfachen Fusionsausbeute im gleichen Zeitfenster führt. Dies ermöglicht eine hocheffiziente Umwandlung von Laserenergie in Fusionsprodukte und kann daher zur Zündung (Break-even) und zum Gewinn führen.In addition, the nanostructured material shows an interesting scaling behavior with the wavelength of the laser pulse. At shorter wavelengths, the concept proposed here still works. However, if you work with half the laser wavelength, four times the critical plasma density in the nanostructured material can be achieved, resulting in a sixteen-fold fusion yield in the same time window. This allows for highly efficient conversion of laser energy into fusion products and can therefore lead to ignition (break-even) and profit.

Das vorliegende Konzept basiert auf Laserpulsen hoher Spitzenleistung mit hohem Kontrast und hoher Intensität, wobei die Laserpulse vorzugsweise optische Femtosekunden-Laserpulse sind.The present concept is based on high-peak-power, high-contrast, high-intensity laser pulses, the laser pulses preferably being femtosecond optical laser pulses.

Das nanostrukturierte Target ermöglicht eine schnelle und hocheffiziente optische Laserabsorption (>90 %) ohne parametrische Instabilitäten. Die Absorption ist damit deutlich höher als die typische Absorptionseffizienz, die bei anderen laserbasierten Zündverfahren zu beobachten ist.The nanostructured target enables fast and highly efficient optical laser absorption (>90%) without parametric instabilities. The absorption is thus significantly higher than the typical absorption efficiency that can be observed with other laser-based ignition methods.

Das nanostrukturierte Target, das mit kurzen Laserpulsen hoher Intensität bestrahlt wird, führt zu nicht-thermischen Verteilungsfunktionen aufgrund effizienter Coulomb-Explosionen für fusionsrelevante Materialien, an denen alle Ionen beteiligt sind, und folglich zu sehr großen Reaktivitäten. Im Falle einer pB-Reaktion entstehen aufgrund des erheblichen Massenunterschieds zwischen Protonen und Bor-Ionen große Relativgeschwindigkeiten zwischen beiden.The nanostructured target, irradiated with short, high-intensity laser pulses, leads to non-thermal distribution functions due to efficient Coulomb explosions for fusion-relevant materials involving all ions, and consequently to very large reactivities. In the case of a pB reaction, large relative velocities arise between the two due to the considerable mass difference between protons and boron ions.

Da die Reaktivitäten in dem vorgeschlagenen Konzept groß sind, sind niedrigere Durchschnittsdichten zulässig. Daher kann sich ein optischer Laserpuls fast mit Lichtgeschwindigkeit durch das nanostrukturierte Material ausbreiten, was bedeutet, dass der Puls nie mit beschädigtem nanostrukturiertem Material in Wechselwirkung tritt. Daher kann der Laserpuls nichtthermische Verteilungen von fusionsrelevanten Ionen erzeugen, bis er fast erschöpft ist.Because the reactivities are large in the proposed concept, lower average densities are permissible. Therefore, an optical laser pulse can propagate through the nanostructured material at almost the speed of light, meaning that the pulse never interacts with damaged nanostructured material. Therefore, the laser pulse can generate non-thermal distributions of fusion-relevant ions until it is almost exhausted.

Das nanostrukturierte Material kann an den Laserpuls angepasst werden, wodurch sich die Form der erzeugten Verteilungsfunktionen steuern lässt.The nanostructured material can be tuned to the laser pulse, thereby controlling the shape of the generated distribution functions.

Die Bestrahlung des nanostrukturierten Materials des Targets durch einen Laserpuls kann zu einer schnellen Evakuierung und Überhitzung der Elektronen führen. Durch die ausgestoßenen überhitzten Elektronen können starke kollektive Felder gebildet werden. Diese Felder können zu einer erheblichen Abschirmung der Coulomb-Barrieren führen, die die Fusionsraten für pB bei niedrigeren kinetischen Schwerpunktsenergien auf mehrere Scheunen und sogar über die thermonuklearen Fusionsraten für DT erhöhen.Irradiating the nanostructured material of the target with a laser pulse can lead to rapid evacuation and overheating of the electrons. Strong collective fields can be formed by the ejected superheated electrons. These fields can result in significant shielding of the Coulomb barriers that increase fusion rates for pB at lower centroid kinetic energies to multiple barns and even above thermonuclear fusion rates for DT.

Ein Vorteil des Konzepts ist, dass dieser Prozess durch die Variation verschiedener technischer Parameter gesteuert werden kann:

  • Erstens kann die relative Geschwindigkeit (d. h. die kinetische Energie des Massenschwerpunkts) zwischen Protonen und Borionen durch die Gestaltung des nanostrukturierten Materials und des Laserpulses gesteuert werden.
An advantage of the concept is that this process can be controlled by varying various technical parameters:
  • First, the relative velocity (ie, the kinetic energy of the center of mass) between protons and boron ions can be controlled by the design of the nanostructured material and the laser pulse.

Zweitens führen kürzere Wellenlängen für den Laserpuls zu einer massiven Verbesserung der Fusionsausbeute. Der Betrieb bei halber Wellenlänge bedeutet die sechzehnfache Fusionsausbeute im gleichen Zeitfenster.Second, shorter wavelengths for the laser pulse lead to a massive improvement in the fusion yield. Operating at half wavelength means sixteen times the fusion yield in the same time window.

Drittens können die durchschnittliche Dichte des nanostrukturierten Materials und die Wellenlänge des Laserpulses optimiert werden, um die Fusionsleistung und den Fusionsertrag zu maximieren.Third, the average density of the nanostructured material and the wavelength of the laser pulse can be optimized to maximize fusion power and yield.

Das vorliegende Konzept kann als Konverter oder sogar als Zünder für einen nachfolgenden Brennvorgang dienen, um hohe Energiegewinnungsfaktoren zu erreichen. Es ist auch möglich, das Target bei kürzeren, aber immer noch optischen Wellenlängen des Laserpulses zu betreiben, was zu einer erheblichen Steigerung der Fusionsleistung und -ausbeute führt.The present concept can serve as a converter or even an igniter for a subsequent burn to achieve high energy recovery factors. It is also possible to operate the target at shorter but still optical wavelengths of the laser pulse, resulting in a significant increase in fusion power and yield.

Das Konzept des Konverterzünders basiert auf sehr schnellen Prozessen durch effiziente und schnelle Laserabscheidung im nanostrukturierten Material des Targets, was zu hohen relativen Energien der fusionsrelevanten Ionen und hoher Reaktivität führt und damit einen Betrieb mit niedriger Dichte ermöglicht, der Instabilitäten vermeidet. Außerdem ist es nicht oder nur in geringem Maße erforderlich, den nanostrukturierten Konverter auf sehr hohe Dichten zu komprimieren.The concept of the converter igniter is based on very fast processes through efficient and fast laser deposition in the nanostructured material of the target, which leads to high relative energies of the fusion-relevant ions and high reactivity, thus enabling low-density operation that avoids instabilities. In addition, it is not necessary or only to a small extent to compress the nanostructured converter to very high densities.

Da die laserinduzierten Prozesse im Target schnell ablaufen, können sie in ein Konzept mit geringer Kompression einbezogen werden, während der Zeitpunkt der Zündung des Targets perfekt kontrolliert werden kann.Because the laser-induced processes in the target are fast, they can be incorporated into a low-compression concept, while the timing of the target ignition can be perfectly controlled.

Das in der vorliegenden Offenlegung beschriebene Verfahren, das auf der ultraschnellen Laserabscheidung mit hoher Intensität beruht, ist wesentlich schneller als herkömmliche Fusionsverfahren und vermeidet somit Instabilitäten. Außerdem funktioniert dieses Konzept in einem breiteren Bereich von Schwerpunktsenergien, und es kann deutlich weniger Laserenergie zur Zündung eingesetzt werden, was für die Nutzung der Fusionsenergie in der kommerziellen Stromerzeugung entscheidend sein kann.The method described in the present disclosure, which is based on ultra-fast, high-intensity laser deposition, is significantly faster than conventional fusion methods and thus avoids instabilities. In addition, this concept works over a wider range of centroid energies and significantly less laser energy can be used for ignition, which may be crucial for the use of fusion energy in commercial power generation.

Vorzugsweise sind die Nanostäbe des Targets zylindrisch und haben jeweils einen Stabdurchmesser und eine Stablänge. In diesem Zusammenhang bedeutet zylindrische Nanostäbe, dass die Nanostäbe, die sich von einer gemeinsamen Basis des Targets erstrecken, die vorzugsweise eine ebene Fläche ist, durch eine zylindrische Oberfläche und eine obere Basis begrenzt werden. Preferably, the nanorods of the target are cylindrical and each have a rod diameter and a rod length. In this context, cylindrical nanorods means that the nanorods, which extend from a common base of the target, which is preferably a planar surface, are bounded by a cylindrical surface and a top base.

Die Nanostäbe können rechte oder schräge Zylinder sein, und die oberen Basen können kreisförmige Scheiben, Ovale oder Polygone sein. Die Nanostäbe sind vorzugsweise periodisch und symmetrisch gewachsen.The nanorods can be right or oblique cylinders, and the top bases can be circular discs, ovals, or polygons. The nanorods are preferably grown periodically and symmetrically.

Die Stablänge ist in diesem Zusammenhang die Höhe des zylindrischen Stabes, d. h. der senkrechte Abstand zwischen seiner oberen Basis und der gemeinsamen Basis.The rod length in this context is the height of the cylindrical rod, i. H. the perpendicular distance between its upper base and the common base.

Vorteilhafterweise sind die Nanostäbe des Targets regelmäßig entlang einer ersten Richtung angeordnet, die eine lineare Richtung oder eine kreisförmige Richtung ist, so dass benachbarte Nanostäbe entlang der ersten Richtung um einen ersten Stababstand beabstandet sind. Damit die Nanostäbe regelmäßig entlang einer Richtung angeordnet sind, ist der erste Stababstand im Wesentlichen gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches für eine Vielzahl von Nanostäben des Targets, vorzugsweise für mindestens 50 % der Nanostäbe des Targets, am meisten bevorzugt für mindestens 90 % der Nanostäbe des Targets entlang dieser Richtung.Advantageously, the nanorods of the target are regularly arranged along a first direction, which is a linear direction or a circular direction, such that adjacent nanorods are spaced along the first direction by a first rod spacing. In order for the nanorods to be regularly arranged along one direction, the first rod spacing is substantially the same or an integral multiple for a plurality of the target nanorods, preferably for at least 50% of the target nanorods, most preferably for at least 90% of the target nanorods along this direction.

Im vorliegenden Zusammenhang ist ein Stababstand definiert als der seitliche Abstand zwischen den seitlichen Mittelpunkten zweier Stäbe.In the present context, a bar spacing is defined as the lateral distance between the lateral centers of two bars.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Nanostäbe des Targets regelmäßig entlang zweier senkrechter Richtungen angeordnet sind, so dass benachbarte Nanostäbe entlang einer ersten Richtung der beiden senkrechten Richtungen um einen ersten Stababstand und entlang einer zweiten Richtung der beiden senkrechten Richtungen um einen zweiten Stababstand beabstandet sind. Damit die Nanostäbe entlang einer Richtung regelmäßig angeordnet sind, sind der erste und der zweite Stababstand im Wesentlichen gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches für eine Vielzahl von Nanostäben des Targets, vorzugsweise für mindestens 50 % der Nanostäbe des Targets, am meisten bevorzugt für mindestens 90 % der Nanostäbe des Targets entlang dieser Richtung. Der erste Stababstand entlang der ersten Richtung kann sich jedoch von dem zweiten Stababstand entlang der zweiten Richtung unterscheiden. Die erste und die zweite Richtung können in einem kartesischen Koordinatensystem, aber auch in einem Kreiskoordinatensystem oder anderen Koordinatensystemen senkrecht zueinander angeordnet sein.Furthermore, it is advantageous that the nanorods of the target are regularly arranged along two perpendicular directions, so that adjacent nanorods are spaced apart by a first rod spacing along a first direction of the two perpendicular directions and by a second rod spacing along a second direction of the two perpendicular directions. In order for the nanorods to be regularly arranged along a direction, the first and second rod spacings are substantially the same or an integer multiple for a plurality of the target nanorods, preferably for at least 50% of the target nanorods, most preferably for at least 90% of the Target nanorods along this direction. However, the first bar spacing along the first direction may differ from the second bar spacing along the second direction. The first and the second direction can be arranged perpendicular to one another in a Cartesian coordinate system, but also in a circular coordinate system or other coordinate systems.

Die Verwendung zylindrischer Stäbe erleichtert die Nutzung technischer Parameter zur Optimierung der Schmelzleistung. Solche technischen Parameter sind der Stabdurchmesser, die Stablänge und die Abstände zwischen benachbarten Stäben. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, der z. B. auf amorphen Targets beruht.The use of cylindrical rods makes it easier to use technical parameters to optimize melting performance. Such technical parameters are the bar diameter, the bar length and the distances between adjacent bars. This is an advantage over the prior art, z. B. based on amorphous targets.

Das Absorptionstarget funktioniert mit einer Reihe von Parametern. Um jedoch die Fusionsausbeute zu maximieren, sollten die Eigenschaften des Targets und des Lasers aufeinander abgestimmt sein. Gemäß dem grundlegenden Skalierungsverhalten des Targets nimmt die Fusionsausbeute mit kürzerer Wellenlänge deutlich zu. Daher ist vorzugsweise der erste Stababstand, und weiter vorzugsweise auch der zweite Stababstand, größer oder gleich π R 2 n i e 2 / ε 0 m e ω 2

Figure DE102022003144A1_0001
wobei R der Radius des Stabes, ni die mittlere Ionendichte, e die Ladung eines Elektrons, ε0 die elektrische Feldkonstante, me die Elektronenmasse und ω die Laserträgerfrequenz ist.The absorption target works with a number of parameters. However, in order to maximize the fusion yield, the properties of the target and the laser should be matched. According to the basic scaling behavior of the target, the fusion yield increases significantly with shorter wavelength. Therefore, preferably the first bar spacing, and more preferably also the second bar spacing, is greater than or equal to π R 2 n i e 2 / e 0 m e ω 2
Figure DE102022003144A1_0001
where R is the radius of the rod, n i is the mean ion density, e is the charge on an electron, ε 0 is the electric field constant, m e is the electron mass, and ω is the laser carrier frequency.

Mit anderen Worten: Der Stababstand ist proportional zu 1/w, d.h. zur Laserträgerfrequenz. Wenn also ω verdoppelt wird, halbiert sich der Abstand zwischen benachbarten Nanostäben in zwei senkrechten Richtungen, die Dichte der Nanostäbe pro Fläche ist viermal so groß, was bedeutet, dass viermal so viele Nanostäbe mit der gleichen Fähigkeit zur Elektronenabgabe im Target zugelassen werden können. Das bedeutet, dass die Fusionsleistung dann etwa 16-mal so groß ist, während die Menge des Fusionsmaterials viermal so hoch ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Verringerung der Wellenlänge um einen Faktor x die Fusionsausbeute um den Faktor x4 erhöht.In other words, the rod spacing is proportional to 1/w, ie the laser carrier frequency. Thus, if ω is doubled, the distance between adjacent nanorods in two perpendicular directions is halved, the density of nanorods per area is four times greater, which means that four times as many nanorods with the same electron-donating ability can be allowed in the target. This means that the fusion power is then about 16 times greater, while the amount of fusion material is four times as high. In summary, reducing the wavelength by a factor of x increases the fusion yield by a factor of x4 .

Bei der Bestimmung des Stabdurchmessers der Nanostäbe ist vorzugsweise die Intensität des Lasers einschließlich seines Brennpunkts zu berücksichtigen.When determining the rod diameter of the nanorods, it is preferable to consider the intensity of the laser including its focal point.

Die Stablänge wird vorzugsweise dadurch bestimmt, wie weit der Laser in das Target vordringen kann, bis er seine Energie vollständig verbraucht hat.The rod length is preferably determined by how far the laser can penetrate into the target before it has completely used up its energy.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das nanostrukturierte Material Bor und/oder Borverbindungen, die andere Materialien wie Bornitrid und/oder wasserstoffhaltige Materialien enthalten. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass das nanostrukturierte Material amorphes Material oder Schichten aus verschiedenen Materialien umfasst. Weiter alternativ oder zusätzlich umfasst das nanostrukturierte Material vorzugsweise Nanostäbchen aus abwechselnden Materialien, insbesondere aus Bor bzw. Gold. Bevorzugt sind auch Materialien, die Protonen, Bor, Deuterium, Tritium und Gold in beliebiger Konzentration enthalten.In a preferred embodiment, the nanostructured material comprises boron and/or boron compounds containing other materials such as boron nitride and/or hydrogen-containing materials. Alternatively or additionally, it is preferred that the nanostructured material comprises amorphous material or layers of different materials. Further alternatively or additionally, the nanostructured material preferably comprises nanorods made from alternating materials, in particular from boron or gold. Materials containing protons, boron, deuterium, tritium and gold in any concentration are also preferred.

Die Materialzusammensetzung der nanostrukturierten Targets kann variieren. Eine Möglichkeit ist, nur fusionsrelevantes Material zu verwenden, zum Beispiel Bor oder Bornitrid. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, Nanostäbe mit verschiedenen Schichten zu züchten. Die verschiedenen Schichten können eine Mischung aus fusionsrelevantem Material und Material enthalten, das z. B. ultraviolette Lichtstrahlung im 100-nm-Spektrum induzieren kann, um die Fusionsausbeute weiter zu erhöhen. Da die Effizienz des nanostrukturierten Materials mit kürzerer Wellenlänge skaliert, kann die Einführung von Materialien, die Photonen mit einer kürzeren Wellenlänge als der Laserpuls erzeugen können, das Gesamtsystem effizienter machen.The material composition of the nanostructured targets can vary. One possibility is to only use material relevant to fusion, such as boron or boron nitride. A second possibility is to grow nanorods with different layers. The different layers may contain a mixture of fusion relevant material and material that is e.g. B. can induce ultraviolet light radiation in the 100 nm spectrum to further increase the fusion yield. As the efficiency of the nanostructured material scales with shorter wavelength, the introduction of materials that can produce photons with a shorter wavelength than the laser pulse can make the overall system more efficient.

Die Materialzusammensetzung der nanostrukturierten Targets kann auch DT enthalten, oder es ist möglich, eine nicht nanostrukturierte DT-Zusammensetzung zu verwenden, die ein nanostrukturiertes Target umgibt, das als Zünder mit und ohne Kompression von DT dient. Die Alphastrahlung des Zünders würde die Verbrennung in dem äußeren, nicht komprimierten oder vorkomprimierten Material auslösen.The material composition of the nanostructured targets can also contain DT, or it is possible to use a non-nanostructured DT composition surrounding a nanostructured target that serves as an igniter with and without compression of DT. The alpha radiation from the igniter would initiate combustion in the outer uncompressed or pre-compressed material.

Das nanostrukturierte Material und der Raum zwischen den Nanostäben und um diese herum kann einen neutronischen und/oder aneutronischen Brennstoff enthalten.The nanostructured material and the space between and around the nanorods may contain neutronic and/or aneutronic fuel.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Laserpuls ein optischer Femtosekunden-zu-VUV-Laserpuls. Andere Laserpulse sind generell möglich, aber kurze Femtosekunden-zu-VUV-Laserpulse sind z. B. gegenüber Nanosekunden-Laserpulsen vorteilhaft, da Instabilitäten vermieden werden und der Prozess aufgrund der sehr kurzen Zeitskala in einem starken Nicht-Gleichgewicht arbeitet.In a preferred embodiment, the laser pulse is a femtosecond to VUV optical laser pulse. Other laser pulses are generally possible, but short femtosecond to VUV laser pulses are e.g. Compared to nanosecond laser pulses, for example, this is advantageous because instabilities are avoided and the process operates in a strong non-equilibrium due to the very short time scale.

Eine besonders bevorzugte Fusionsreaktion ist p+B11 → 3α + 8,9 MeV. Ferner ist es bevorzugt, dass das säkulare Magnetfeld eine magnetische B-Feldstärke von 1 MT bis 100 MT aufweist.A particularly preferred fusion reaction is p+B 11 → 3α + 8.9 MeV. Further, it is preferable that the secular magnetic field has a B magnetic field strength of 1 MT to 100 MT.

Weitere Vorteile und zusätzliche Merkmale der Offenbarung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Further advantages and additional features of the disclosure result from the claims and the following description.

Figurenlistecharacter list

  • zeigt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Targets. Figure 12 shows a perspective view of a preferred target.
  • Die und zeigen eine Draufsicht auf das bevorzugte Target von .The and show a plan view of the preferred target of FIG .
  • zeigt eine Seitenansicht der bevorzugten Target von . shows a side view of the preferred target of FIG .
  • ist ein exemplarisches Diagramm, das die Fusionsquerschnitte für thermonukleare pB- und thermonukleare DT-Fusionsreaktionen im Vergleich zu den Fusionsquerschnitten einer bevorzugten nichtthermischen pB-Fusionsreaktion zeigt. ist ein exemplarisches Diagramm, das die Fusionsquerschnitte einer bevorzugten nichtthermischen pB-Fusionsreaktion zeigt. Figure 12 is an exemplary graph showing the fusion cross sections for thermonuclear pB and thermonuclear DT fusion reactions compared to the fusion cross sections of a preferred non-thermal pB fusion reaction. Figure 1 is an exemplary graph showing the fusion cross-sections of a preferred non-thermal pB fusion reaction.
  • ist eine beispielhafte Isokonturdarstellung von Q der Fusionsenergieausbeute und insbesondere des Skalierungsverhaltens von Q normiert auf die Anfangsenergie in den Ionenverteilungen nach Laserenergiedeposition einer bevorzugten nichtthermischen pB-Fusionsreaktion als Funktion von β und nB R. is an exemplary isocontour plot of Q the fusion energy yield and in particular the scaling behavior of Q normalized to the initial energy in the ion distributions after laser energy deposition of a preferred non-thermal pB fusion reaction as a function of β and n BR .

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

In der folgenden Beschreibung wird auf gleiche oder korrespondierende Elemente und Merkmale durch gleiche oder korrespondierende Bezugszeichen verwiesen, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.In the following description, the same or corresponding elements and features are referred to by the same or corresponding reference symbols in order to avoid a repeated description.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Targets 10. Eine gemeinsame Basis 14 ist in der dargestellten Ausführungsform quadratisch geformt und hat eine flache Oberseite 15, von der sich eine Vielzahl von Nanostäben 12 senkrecht von der gemeinsamen Basis 14 aus erstreckt. Die Nanostäbe 12 sind regelmäßig entlang einer ersten Richtung X und einer zweiten Richtung Y angeordnet, wobei die erste Richtung X und die zweite Richtung Y senkrecht zueinander im kartesischen Sinne ausgerichtet sind. Alternative Anordnungen der senkrechten Richtungen sind z. B. nach Kreiskoordinaten, d. h. entlang eines Radius in Bezug auf einen Ursprung und eines Umfangs um diesen Ursprung. 1 14 is a perspective view of a preferred target 10. A common base 14 is square shaped in the illustrated embodiment and has a flat top surface 15 from which a plurality of nanorods 12 extend perpendicularly from the common base 14. FIG. The nanorods 12 are regularly arranged along a first direction X and a second direction Y, the first direction X and the second direction Y being oriented perpendicularly to one another in the Cartesian sense. Alternative arrangements of the perpendicular directions are e.g. B. in circular coordinates, ie along a radius with respect to an origin and a circumference around this origin.

2a und 2b zeigen eine Draufsicht auf das bevorzugte Target 10 aus 1, wobei 2a eine Gesamtdraufsicht des Targets 10 zeigt und 2b eine Detailansicht der Darstellung aus 2a, nämlich die obere rechte Ecke mit vier der in 2a dargestellten Nanostäbe 12. In der Draufsicht von 2a ist deutlicher zu erkennen, dass die Nanostäbe 12 regelmäßig, d.h. periodisch, entlang der ersten und zweiten Richtung X und Y angeordnet sind. 2a zeigt auch eine erste Targetseitenlänge D und eine zweite Targetseitenlänge D'. Wie dargestellt, ist es bevorzugt, dass die Nanostäbe 12 regelmäßig über die Gesamtheit der ersten und zweiten Targetseitenlänge D und D' angeordnet sind. In wird deutlich, dass ein erster Stababstand B zwischen benachbarten Nanostäben in der ersten Richtung X gleich einem zweiten Stababstand B' zwischen benachbarten Nanostäben in der zweiten Richtung Y ist. Obwohl die ersten und zweiten Stababstände B, B' voneinander abweichen können, ist es bevorzugt, dass der erste Stababstand B für mindestens 50 % der Nanostäbe 12 des Targets 10, weiter bevorzugt für mindestens 90 % der Nanostäbe 12 des Targets 10, gleich dem zweiten Stababstand B' ist. Ein Stabdurchmesser A ist kleiner als die ersten und zweiten Stababstände B, B'. 2a and 2 B 12 show a plan view of the preferred target 10 from FIG 1 , whereby 2a shows an overall top view of the target 10 and 2 B a detailed view of the display 2a , namely the upper right corner with four of the in 2a illustrated nanorods 12. In the top view of 2a it can be seen more clearly that the nanorods 12 are arranged regularly, ie periodically, along the first and second directions X and Y. 2a also shows a first target side length D and a second target side length D'. As illustrated, it is preferred that the nanorods 12 are regularly arranged over the entirety of the first and second target side lengths D and D'. In it is clear that a first rod spacing B between adjacent nanoposts in the first X direction is equal to a second rod spacing B' between adjacent nanoposts in the second Y direction. Although the first and second rod spacings B, B' may differ, it is preferred that the first rod spacing B be the same for at least 50% of the nanorods 12 of the target 10, more preferably for at least 90% of the nanorods 12 of the target 10 bar spacing is B'. A bar diameter A is smaller than the first and second bar spacings B, B'.

3 zeigt eine Seitenansicht des bevorzugten Targets 10 aus 1. In dieser Seitenansicht gemäß 3 sind die Nanostäbe 12 mit einer Stablänge C dargestellt, die senkrecht zur Oberfläche 15 der gemeinsamen Basis 14 und zwischen der Oberfläche 15 und einer oberen Basis 16 der Nanostäbe 12 gemessen wird. Die hier dargestellten Nanostäbe 12 sind rechte Zylinder, können aber auch nicht-zylindrisch geformt oder schräge Zylinder sein. Die dargestellte Form der Nanostäbe wird jedoch bevorzugt. 3 FIG. 12 shows a side view of the preferred target 10. FIG 1 . In this side view according to 3 For example, nanoposts 12 are shown having a post length C measured normal to surface 15 of common base 14 and between surface 15 and a top base 16 of nanoposts 12 . The nanorods 12 shown here are right-hand cylinders, but they can also be non-cylindrical in shape or oblique cylinders. However, the illustrated shape of the nanorods is preferred.

Die ersten und zweiten Targetseitenlängen D und D' des Targets 10 können vorzugsweise durch die Größe des Brennflecks des für die Zündung verwendeten Lasers und die erforderliche Menge an Material um den Brennfleck herum bestimmt werden, um eine Verstärkung von deutlich über eins zu erreichen. Da das nanostrukturierte Material flächenhafte Skalierungseigenschaften hat, erhöht eine Vergrößerung von D und D' und des Laserbrennflecks auch die Gesamtschmelzleistung. Ein weiterer Parameter, der variiert werden kann, ist die Zusammensetzung des Targetmaterials (siehe oben).The first and second target side lengths D and D' of target 10 can preferably be determined by the size of the focal spot of the laser used for ignition and the amount of material required around the focal spot to achieve a gain well above unity. Because the nanostructured material has areal scaling properties, increasing D and D' and the laser focal spot also increases the overall melting power. Another parameter that can be varied is the composition of the target material (see above).

Das nanostrukturierte Material des Targets 10 kann aus Bornitrid bestehen. Zusätzlich und alternativ kann das nanostrukturierte Material aus amorphem Material oder aus Schichten verschiedener Materialien bestehen, insbesondere auch aus einem Material zur Induktion von ultravioletter Lichtstrahlung. Insbesondere kann das nanostrukturierte Material Nanostäbe 12 aus alternierenden Materialien, insbesondere aus Bor bzw. Gold, umfassen, was bedeutet, dass jeder zweite Nanostab 12 entlang der ersten und zweiten Richtung X und Y aus Bor und jeder alternierende zweite Nanostab 12 entlang der ersten und zweiten Richtung X und Y aus Gold besteht.The nanostructured material of the target 10 can consist of boron nitride. Additionally and alternatively, the nanostructured material can consist of amorphous material or of layers of different materials, in particular also of a material for inducing ultraviolet light radiation. In particular, the nanostructured material may comprise nanorods 12 of alternating materials, in particular boron and gold, respectively, meaning that every second nanorod 12 along the first and second directions X and Y is made of boron and every alternate second nanorod 12 along the first and second Direction X and Y consists of gold.

Ein System zur Zündung einer nicht-thermischen Fusionsreaktion umfasst auch eine nicht dargestellte Laservorrichtung, die zur Emission eines Laserpulses ausgebildet ist, wobei der Laserpuls eine Laserträgerfrequenz ω, eine Pulsdauer und eine Brennfleckgröße aufweist und zumindest teilweise von dem nanostrukturierten Material des Targets 10 absorbiert werden kann. Die Intensität der Laserpulse, gemessen in W/cm2, kann durch Erhöhen der Pulsenergie, der Pulslänge oder der Fokusfleckgröße der Lasereinrichtung variiert werden. Außerdem kann die Wellenlänge des Laserpulses variiert werden.A system for igniting a non-thermal fusion reaction also includes a laser device, not shown, which is designed to emit a laser pulse, wherein the laser pulse has a laser carrier frequency ω, a pulse duration and a focal spot size and can be at least partially absorbed by the nanostructured material of the target 10 . The intensity of the laser pulses, measured in W/cm 2 , can be varied by increasing the pulse energy, the pulse length or the focal spot size of the laser device. In addition, the wavelength of the laser pulse can be varied.

Vorzugsweise sollten das Target 10 und die Lasereigenschaften aufeinander abgestimmt sein. Gemäß dem grundsätzlichen Skalierungsverhalten des Targets 10 nimmt die Fusionsausbeute mit kürzerer Wellenlänge deutlich zu. Daher ist vorzugsweise der erste Stababstand B und der zweite Stababstand B' des Targets 10 größer oder gleich π R 2 n i e 2 / ε 0 m e ω 2

Figure DE102022003144A1_0002
wobei R der Radius des Stabes, ni die mittlere Ionendichte, e die Ladung eines Elektrons, ε0 die elektrische Feldkonstante, me die Elektronenmasse und ω die Laserträgerfrequenz ist.The target 10 and the laser properties should preferably be matched to one another. In accordance with the basic scaling behavior of the target 10, the fusion yield increases significantly with shorter wavelengths. Therefore, preferably the first bar spacing B and the second bar spacing B′ of the target 10 is greater than or equal π R 2 n i e 2 / e 0 m e ω 2
Figure DE102022003144A1_0002
where R is the radius of the rod, n i the mean ions density, e is the charge of an electron, ε 0 is the electric field constant, m e is the electron mass and ω is the laser carrier frequency.

Die Intensität des Lasers, einschließlich seines Brennpunkts, bestimmt dann den Durchmesser der Nanostäbe. Die Stablänge wird dadurch bestimmt, wie weit der Laser in das Target vordringen kann, bis er seine Energie vollständig verbraucht hat. Im Folgenden werden vier Beispiele für bevorzugte technische Parameter für das System aus Lasergerät und Target 10 gezeigt: The intensity of the laser, including its focus, then determines the diameter of the nanorods. Rod length is determined by how far the laser can penetrate into the target before it completely uses up its energy. Four examples of preferred technical parameters for the laser device and target 10 system are shown below:

Beispiel 1:Example 1:

Laser-System: Wellenlänge 1060 nm Intensität 1022 W/cm2 Nanostäbchen 12 von Target 10: Stab-Durchmesser A 120 nm Stäbchen-Länge C 2-100 µm Erster Stab-Abstand B2500 nm Zweiter Stab-Abstand B' 2500 nm Laser system: wavelength 1060nm intensity 10 22W / cm2 Nanorod 12 from Target 10: Rod Diameter A 120nm double crochet length C 2-100 µm First Bar Spacing B2500nm Second Bar Spacing B' 2500nm

Beispiel 2:Example 2:

Nanostäbchen 12 von Target 10: Laser-System: Wellenlänge 1060 nm Intensität 1020 W/cm2 Nanostäbchen 12 von Target 10: Stab-Durchmesser A 100 nm Stäbchen-Länge C 2-100 µm Erster Stab-Abstand B400 nm Zweiter Stab-Abstand B' 400 nm Nanorod 12 from Target 10: Laser system: wavelength 1060nm intensity 10 20W / cm2 Nanorod 12 from Target 10: Rod Diameter A 100nm double crochet length C 2-100 µm First Bar Spacing B400nm Second Bar Spacing B' 400nm

Beispiel 3:Example 3:

Laser-System: Wellenlänge 210 nm Intensität 1022 W/cm2 Nanostäbchen 12 von Target 10: Stab-Durchmesser A 100 nm Stäbchen-Länge C 2-100 µm Erster Stab-Abstand B400 nm Zweiter Stab-Abstand B' 400 nm Laser system: wavelength 210nm intensity 10 22W / cm2 Nanorod 12 from Target 10: Rod Diameter A 100nm double crochet length C 2-100 µm First Bar Spacing B400nm Second Bar Spacing B' 400nm

Beispiel 4:Example 4:

Laser-System: Wellenlänge 210 nm Intensität 1021 W/cm2 Nanostäbchen 12 von Target 10: Stab-Durchmesser A 20 nm Stäbchen-Länge C 2-100 µm Erster Stab-Abstand B 10 nm Zweiter Stab-Abstand B' 10 nm Laser system: wavelength 210nm intensity 10 21W / cm2 Nanorod 12 from Target 10: Rod Diameter A 20nm double crochet length C 2-100 µm First Bar Spacing B 10nm Second Bar Spacing B' 10nm

ist ein exemplarisches Diagramm, das Querschnitte für thermonukleare pB- und thermonukleare DT-Fusionsreaktionen im Vergleich zum Querschnitt einer bevorzugten nicht-thermische pB-Fusionsreaktion zeigt. Eine erste Kurve 18 zeigt den Verlauf eines Querschnitts einer thermonuklearen pB-Fusionsreaktion über die Schwerpunktsenergie. Eine zweite Kurve 20 zeigt den Verlauf eines Querschnitts einer thermonuklearen DT-Fusionsreaktion über die Schwerpunktsenergie. Eine dritte Kurve 22, d. h. ein Bereich einer schraffierten Fläche, zeigt den Verlauf eines Querschnitts einer bevorzugten nichtthermischen pB-Fusionsreaktion über die Schwerpunktsenergie. Der Querschnitt der dritten Kurve 22 ist insbesondere bei niedrigen Schwerpunktsenergien deutlich höher als die erste und zweite Kurve 18 und 20. Die schnelle Evakuierung und Überhitzung der Elektronen und die induzierte Feldverteilung im nanostrukturierten Target 10 führen zu einer signifikanten Abschirmung der Coulombbarriere, die die Fusionsraten für pB auch bei niedrigen relativen Energien immens erhöht. Figure 12 is an exemplary graph showing cross-sections for thermonuclear pB and thermonuclear DT fusion reactions compared to the cross-section of a preferred non-thermal pB fusion reaction. A first curve 18 shows the course of a cross section of a thermonuclear pB fusion reaction over the center of mass energy. A second curve 20 shows the course of a cross section of a thermonuclear DT fusion reaction over the center of mass energy. A third curve 22, ie, a portion of a shaded area, plots a cross-section of a preferred non-thermal pB fusion reaction versus centroid energy. The cross-section of the third curve 22 is significantly higher than the first and second curves 18 and 20, especially at low centroid energies. The rapid evacuation and overheating of the electrons and the induced field distribution in the nanostructured target 10 lead to a significant shielding of the Coulomb barrier, which reduces the fusion rates for pB increased immensely even at low relative energies.

ist ein exemplarisches Diagramm, das die Fusionsquerschnitte einer bevorzugten nicht-thermische pB-Fusionsreaktion zeigt. Die erste Kurve 24 zeigt den Querschnitt einer nicht-thermischen pB-Fusionsreaktion für die Abschirmenergie εs =0 MeV. Eine zweite Kurve 26 zeigt einen Querschnitt einer nicht-thermischen pB-Fusionsreaktion für die Screening-Energie εs =1 MeV. Eine dritte Kurve 28 zeigt den Querschnitt einer nicht-thermischen pB-Fusionsreaktion für die Abschirmungsenergie εs =3 MeV. Figure 1 is an exemplary graph showing the fusion cross-sections of a preferred non-thermal pB fusion reaction. The first curve 24 shows the cross-section of a non-thermal pB fusion reaction for the shielding energy ε s =0 MeV. A second curve 26 shows a cross-section of a non-thermal pB fusion reaction for the screening energy ε s =1 MeV. A third curve 28 shows the cross-section of a non-thermal pB fusion reaction for the shielding energy ε s =3 MeV.

Zwischen den Nanostäben werden durch den ultrakurzen, hochintensiven Treiberlaser starke elektrische und magnetische Felder erzeugt. Dies führt zu abgeschirmten Wirkungsquerschnitten für die Kernfusion. Abgeschirmte Kernfusionsquerschnitte der pB-Fusion sind bei niedrigen relativen Energien deutlich erhöht, was zu einer deutlich höheren Reaktivität bei technischen Parametern führt, die für die kommerzielle Fusionsenergie besonders relevant sind.Strong electric and magnetic fields are generated between the nanorods by the ultra-short, high-intensity driver laser. This leads to shielded cross sections for nuclear fusion. Shielded pB fusion nuclear fusion cross-sections are significantly increased at low relative energies, resulting in significantly higher reactivity at engineering parameters particularly relevant to commercial fusion energy.

Die elektrischen Feldeffekte, die die Coulomb-Barrieren unterdrücken, können mit Hilfe der relativen Energie εg und der Abschirmungsenergie Es der Brennstoffbestandteile berücksichtigt werden.The electric field effects that suppress the Coulomb barriers can be taken into account using the relative energy ε g and the shielding energy Es of the fuel components.

ist eine beispielhafte Isokonturdarstellung von Q der Fusionsenergieausbeute und insbesondere des Skalierungsverhaltens von Q normiert auf die Anfangsenergie in den Ionenverteilungen nach Laserenergiedeposition einer bevorzugten nichtthermischen pB-Fusionsreaktion als Funktion von β und nB R. is an exemplary isocontour plot of Q the fusion energy yield and in particular the scaling behavior of Q normalized to the initial energy in the ion distributions after laser energy deposition of a preferred non-thermal pB fusion reaction as a function of β and n BR.

Für die vorliegende Erfindung kann die folgende Formel für das Verhältnis Q der Fusionsenergieausbeute, normiert auf die Anfangsenergie in den Ionenverteilungen nach der Laserenergiedeposition, abgeleitet werden: Q = ε ƒ ε g + ε S η = ε ƒ ε G k l β η ,

Figure DE102022003144A1_0003
wobei η = n i R σ R , t o t k l ( | g t a v | ) 1 + n i R σ R , t o t k l ( | g t a v | ) = n l R S k l ε G k l β e β 1 + n l R S k l ε G k l β e β ,
Figure DE102022003144A1_0004
wobei β die Summe aus der relativen Energie und der Abschirmungsenergie ist.For the present invention, the following formula for the ratio Q of the fusion energy yield normalized to the initial energy in the ion distributions after laser energy deposition can be derived: Q = e ƒ e G + e S n = e ƒ e G k l β n ,
Figure DE102022003144A1_0003
whereby n = n i R σ R , t O t k l ( | G t a v | ) 1 + n i R σ R , t O t k l ( | G t a v | ) = n l R S k l e G k l β e β 1 + n l R S k l e G k l β e β ,
Figure DE102022003144A1_0004
where β is the sum of the relative energy and the shielding energy.

Ferner ist εf die Energiefreisetzung einer elementaren Kernfusionsreaktion und εGkl die Gamov-Energie des Brennstoffs, die sich aus den Brennstoffbestandteilen k und 1 zusammensetzt. Im Falle von pB als Brennstoff gelten k=p und 1=B und εGpB, die Gamov-Energie von pB, ist 2,3×107 eV.Furthermore, ε f is the energy release of an elementary nuclear fusion reaction and ε Gkl is the Gamov energy of the fuel, which is made up of the fuel components k and 1. In the case of pB as fuel, k=p and 1=B and ε GpB , the Gamov energy of pB, is 2.3×10 7 eV.

Dies zeigt, dass, wenn sich die Elektronen in dem nanostrukturierten Material durch die Strahlungsreaktion nicht wesentlich abkühlen, der kollisionale Energieaustausch zwischen Elektronen und Ionen durch die Überhitzung der Elektronen durch den Laser sowie durch geringe Plasmadichten in der Nanostruktur, die ebenfalls Kollisionen verhindern, gehemmt wird. Δt skaliert dann mit dem Volumen des Targets 10. Größere Volumina des Targets 10 führen zu größeren Δt. Zugleich Δt nur schwach mit der Wellenlänge des Laserpulses, da nur die Strahlungsreaktion nach der Energiedeposition von Bedeutung ist. Daher kann die Wellenlänge des Laserpulses erhöht und gleichzeitig die Nanostruktur so angepasst werden, dass εg ≈ 500keV nach der Laserdeposition gilt.This shows that if the electrons in the nanostructured material are not significantly cooled by the radiation reaction, the collisional energy exchange between electrons and ions is inhibited by the overheating of the electrons by the laser and by low plasma densities in the nanostructure, which also prevent collisions . Δt then scales with the volume of the target 10. Larger volumes of the target 10 result in larger Δt. At the same time Δ t only weakly with the wavelength of the laser pulse, since only the radiation reaction after the energy deposition is of importance. Therefore, the wavelength of the laser pulse can be increased and at the same time the nanostructure can be adjusted such that ε g ≈ 500keV after laser deposition.

Die vorliegende Erfindung kann für verschiedene Anwendungsfälle eingesetzt werden. Erstens kann sie als Konverter von Laserenergie in Fusionsenergie und Fusionsprodukte für verschiedene Brennmaterialien einschließlich neutronenreicher oder aneutronischer Fusionsreaktionen dienen, wobei die Brennmaterialien an vordefinierten Stellen im Konverter platziert werden können und beliebige Brennstoffmischungen verwendet werden können. Wie eine Zündkerze kann der Konverter mit komprimierten oder unkomprimierten amorphen Brennstoffen umgeben werden, die dann durch den starken Fluss von Fusionsprodukten, wie z.B. Alphateilchen im Falle der pB11 Fusion, die aus dem Konverter kommen, gezündet werden. Zweitens kann die Erfindung als nanoskopischer integrierter Teilchenbeschleuniger dienen, der Protonen, Neutronen, Alphateilchen und Elektronen mit hohen Flüssen, hohen Leistungen und hohen kinetischen Energien erzeugt. Drittens kann das nanostrukturierte Material als Quelle für neuartige Diagnostik und die Erzeugung starker Röntgenstrahlung verwendet werden.The present invention can be used for various applications. First, it can serve as a converter of laser energy into fusion energy and fusion products for various fuels, including neutron-rich or aneutronic fusion reactions, where the fuels can be placed at predefined locations in the converter and any fuel mixture can be used. Like a spark plug, the converter can be surrounded by compressed or uncompressed amorphous fuels, which are then ignited by the powerful flow of fusion products, such as alpha particles in the case of pB 11 fusion, coming out of the converter. Second, the invention can serve as a nanoscopic integrated particle accelerator, producing protons, neutrons, alpha particles, and electrons with high fluxes, high powers, and high kinetic energies. Third, the nanostructured material can be used as a source for novel diagnostics and the generation of powerful X-rays.

Weitere AusführungsformenOther embodiments

Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind:

  • E.1 Verfahren nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen , wobei der Laserpuls ein optischer Femtosekunden- bis VUV-Laserpuls ist.
  • E.2. Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Fusionsreaktion p+B11 → 3α + 8,9 MeV umfasst.
  • E.3 . Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das säkulare Magnetfeld eine magnetische B-Feldstärke von 1 MT bis 100 MT aufweist.
  • E.4. System zur Auslösung einer neutronischen und/oder aneutronischen Kernfusionsreaktion oder zur Erzeugung eines säkularen elektrischen und magnetischen Feldes, wobei das System Folgendes umfasst ein Target (10) aus einem nano-strukturierten Material und eine Laservorrichtung zum Emittieren eines Laserpulses, wobei der Laserpuls eine Laserträgerfrequenz ω, eine Pulsdauer und eine Spotgröße aufweist und zumindest teilweise von dem nanostrukturierten Material absorbiert werden kann, wobei das Target (10) eine Oberfläche (15) mit einer Vielzahl von Nanostäben (12) aufweist, die sich von der Oberfläche (15) erstrecken.
  • E.5. Das System nach E.4, wobei ein Teil oder alle Nanostäbe (12) des Targets (10) zylindrisch oder konisch geformt sind, während sie eine kreisförmige, elliptische, rechteckige oder polygonale Basis haben, die jeweils einen mittleren Stabdurchmesser (A) und eine Stablänge (C) aufweisen.
  • E.6 Das System nach E.4 oder E.5 , wobei die Nanostäbe (12) des Targets (10) regelmäßig entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, die eine lineare Richtung oder eine kreisförmige Richtung ist, so dass benachbarte Nanostäbe (12) entlang der ersten Richtung (X) um einen ersten Stababstand (B) beabstandet sind.
  • E.7. Das System nach E.4 oder E.5 , wobei die Nanostäbe (12) des Targets (10) regelmäßig entlang zweier senkrechter Richtungen (X, Y) angeordnet sind, so dass benachbarte Nanostäbe (12) entlang einer ersten Richtung (X) der beiden senkrechten Richtungen um einen ersten Stababstand (B) und entlang einer zweiten Richtung (Y) der beiden senkrechten Richtungen (X, Y) um einen zweiten Stababstand (B') beabstandet sind.
  • E.8 Das System nach E.6 oder E.7 , wobei der erste Stababstand (B) und vorzugsweise auch der zweite Stababstand (B') größer oder gleich π R 2 n i e 2 / ε 0 m e ω 2
    Figure DE102022003144A1_0005
    ist, wobei R der Radius des Stabes, ni die durchschnittliche Ionendichte, e die Ladung eines Elektrons, ε0 die elektrische Feldkonstante, me die Elektronenmasse und ω die Laserträgerfrequenz ist.
  • E.9 Das System nach einem von E.4 bis E.8 , wobei das nanostrukturierte Material Bor und/oder Bornitrid und/oder wasserstoffhaltiges Material umfasst, insbesondere, wenn das nano-strukturierte Material auch DT innerhalb und zwischen den Nanostäben umfasst, insbesondere, wenn das nanostrukturierte Material von einer nicht nanostrukturierten DT-Verbindung umgeben ist, wobei insbesondere das nanostrukturierte Material und ein Raum in und zwischen den Nanostäben einen neutronischen Brennstoff und/oder einen aneutronischen Brennstoff umfasst.
  • E.10 Das System nach E.4 bis E.9, wobei das nanostrukturierte Material amorphes Material oder Schichten aus verschiedenen Materialien umfasst, insbesondere einschließlich eines Materials zur Induktion von ultravioletter Lichtstrahlung.
  • E.11. Das System nach einem von E.4 bis E.10, wobei das nanostrukturierte Material Nanostäbchen (12) aus abwechselnden Materialien umfasst, insbesondere aus Protonen, Bor, Deuterium, Tritium bzw. Gold.
  • E.12. Das System nach einem von E.4 bis E.11 , wobei der Laserpuls ein optischer Femtosekunden- bis VUV-Laserpuls ist.
  • E.13. Das System nach einem von E.4 bis E. 12 , wobei die Fusionsreaktion p+B11 → 3α + 8,9 MeV umfasst.
  • E.14. System nach einem von E.4 bis E.12, wobei das säkulare Magnetfeld eine magnetische B-Feldstärke von 1 MT bis 100 MT aufweist.
  • E.15 Das Target (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Nanostäbe (12) des Targets (10) regelmäßig entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, die eine lineare Richtung oder eine kreisförmige Richtung ist, so dass benachbarte Nanostäbe (12) entlang der ersten Richtung (X) um einen ersten Stababstand (B) beabstandet sind.
  • E.16 Das Target (10) nach einer der vorherigen Ausführungsformen, wobei die Nanostäbe (12) des Targets (10) regelmäßig entlang zweier senkrechter Richtungen (X, Y) angeordnet sind, so dass benachbarte Nanostäbe (12) entlang einer ersten Richtung (X) der beiden senkrechten Richtungen um einen ersten Stababstand (B) und entlang einer zweiten Richtung (Y) der beiden senkrechten Richtungen (X, Y) um einen zweiten Stababstand (B') beabstandet sind.
  • E.17 Das Target (10) nach E.15 oder E.16, wobei der erste Stababstand (B) und vorzugsweise auch der zweite Stababstand (B') größer oder gleich ist π R 2 n i e 2 / ε 0 m e ω 2 ,
    Figure DE102022003144A1_0006
    wobei R der Radius des Stabes, ni die durchschnittliche Ionendichte, e die Ladung eines Elektrons, ε0 die elektrische Feldkonstante, me die Elektronenmasse und ω die Laserträgerfrequenz ist.
  • E.18 Das Target (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das nanostrukturierte Material Bor und/oder Bornitrid und/oder wasserstoffhaltiges Material umfasst, insbesondere, wenn das nano-strukturierte Material auch DT innerhalb und zwischen den Nanostäben umfasst, insbesondere, wenn das nanostrukturierte Material von einer nicht nanostrukturierten DT-Verbindung umgeben ist, wobei insbesondere das nanostrukturierte Material und ein Raum in und zwischen den Nanostäben einen neutronischen Brennstoff und/oder einen aneutronischen Brennstoff umfasst.
  • E.19 Das Target (10) gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das nanostrukturierte Material amorphes Material oder Schichten aus verschiedenen Materialien umfasst, insbesondere einschließlich eines Materials zur Induktion ultravioletter Lichtstrahlung.
  • E.20 Das Target (10) gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das nanostrukturierte Material Nanostäbe (12) aus alternierenden Materialien umfasst, die insbesondere Protonen, Bor, Deuterium, Tritium bzw. Gold enthalten.
  • E.21 Das Target (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Fusionsreaktion p+B11 → 3α + 8,9 MeV umfasst.
  • E.22 Das Target (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das säkulare Magnetfeld eine magnetische B-Feldstärke von 1 MT bis 100 MT aufweist.
Further embodiments of the present disclosure are:
  • E.1 Method according to one of the preceding embodiments, wherein the laser pulse is an optical femtosecond to VUV laser pulse.
  • E.2. The method of any preceding embodiment, wherein the fusion reaction comprises p+B 11 → 3α + 8.9 MeV.
  • E.3 . The method of any preceding embodiment, wherein the secular magnetic field has a B magnetic field strength of 1 MT to 100 MT.
  • E.4. System for initiating a neutronic and/or aneutronic nuclear fusion reaction or for generating a secular electric and magnetic field, the system comprising a target (10) made of a nano-structured material and a laser device for emitting a laser pulse, the laser pulse having a laser carrier frequency ω having a pulse duration and a spot size and being at least partially absorbable by the nanostructured material, the target (10) having a surface (15) with a plurality of nanorods (12) extending from the surface (15).
  • E.5. The system of E.4, wherein part or all of the nanorods (12) of the target (10) are cylindrical or conical in shape while having a circular, elliptical, rectangular or polygonal base, each having an average rod diameter (A) and a have rod length (C).
  • E.6 The system according to E.4 or E.5, wherein the nanorods (12) of the target (10) are regularly arranged along a first direction (X), which is a linear direction or a circular direction such that adjacent nanorods (12) are spaced apart along the first direction (X) by a first rod spacing (B).
  • E.7. The system according to E.4 or E.5, wherein the nanorods (12) of the target (10) are arranged regularly along two perpendicular directions (X, Y), so that adjacent nanorods (12) along a first direction (X) of the along both perpendicular directions by a first bar spacing (B) and along a second direction (Y) of the two perpendicular directions (X, Y) by a second bar spacing (B').
  • E.8 The system according to E.6 or E.7, wherein the first bar spacing (B) and preferably also the second bar spacing (B') are greater than or equal to π R 2 n i e 2 / e 0 m e ω 2
    Figure DE102022003144A1_0005
    where R is the radius of the rod, n i is the average ion density, e is the charge on an electron, ε 0 is the electric field constant, m e is the electron mass, and ω is the laser carrier frequency.
  • E.9 The system according to one of E.4 to E.8, wherein the nanostructured material comprises boron and/or boron nitride and/or hydrogen-containing material, in particular if the nanostructured material also comprises DT within and between the nanorods, in particular , when the nanostructured material is surrounded by a non-nanostructured DT compound, in particular wherein the nanostructured material and a space in and between the nanorods comprises a neutronic fuel and/or an aneutronic fuel.
  • E.10 The system according to E.4 to E.9, wherein the nanostructured material comprises amorphous material or layers of different materials, in particular including a material for inducing ultraviolet light radiation.
  • E.11. The system according to one of E.4 to E.10, wherein the nanostructured material comprises nanorods (12) made of alternating materials, in particular proton, boron, deuterium, tritium and gold.
  • E.12. The system of any one of E.4 to E.11, wherein the laser pulse is a femtosecond to VUV optical laser pulse.
  • E.13. The system of any one of E.4 to E.12, wherein the fusion reaction comprises p+B 11 → 3α + 8.9 MeV.
  • E.14. The system of any one of E.4 to E.12, wherein the secular magnetic field has a B magnetic field strength of 1 MT to 100 MT.
  • E.15 The target (10) according to any one of the preceding embodiments, wherein the nanorods (12) of the target (10) are regularly arranged along a first direction (X), which is a linear direction or a circular direction, such that adjacent nanorods (12) are spaced along the first direction (X) by a first bar spacing (B).
  • E.16 The target (10) according to one of the previous embodiments, wherein the nanorods (12) of the target (10) are arranged regularly along two perpendicular directions (X, Y), so that adjacent nanorods (12) along a first direction ( X) of the two perpendicular directions are spaced apart by a first bar spacing (B) and along a second direction (Y) of the two perpendicular directions (X, Y) by a second bar spacing (B').
  • E.17 The target (10) according to E.15 or E.16, wherein the first bar spacing (B) and preferably also the second bar spacing (B') is greater than or equal π R 2 n i e 2 / e 0 m e ω 2 ,
    Figure DE102022003144A1_0006
    where R is the radius of the rod, n i is the average ion density, e is the charge on an electron, ε 0 is the electric field constant, m e is the electron mass, and ω is the laser carrier frequency.
  • E.18 The target (10) according to any one of the preceding embodiments, wherein the nanostructured material comprises boron and/or boron nitride and/or hydrogen-containing material, particularly when the nanostructured material also comprises DT within and between the nanorods, particularly when the nanostructured material is surrounded by a non-nanostructured DT compound, in particular wherein the nanostructured material and a space in and between the nanorods comprises a neutronic fuel and/or an aneutronic fuel.
  • E.19 The target (10) according to any one of the preceding embodiments, wherein the nanostructured material comprises amorphous material or layers of different materials, in particular including a material for inducing ultraviolet light radiation.
  • E.20 The target (10) according to one of the preceding embodiments, wherein the nanostructured material comprises nanorods (12) made of alternating materials, which in particular contain protons, boron, deuterium, tritium or gold.
  • E.21 The target (10) according to any one of the preceding embodiments, wherein the fusion reaction comprises p+B 11 → 3α + 8.9 MeV.
  • E.22 The target (10) of any preceding embodiment, wherein the secular magnetic field has a magnetic B field strength of 1 MT to 100 MT.

BezugszeichenlisteReference List

1010
TargetTarget
1212
nano-Stabnano rod
1414
Gemeinsame Basiscommon ground
1515
Oberflächesurface
1616
top Basistop base
1818
Querschnitt durch die thermonukleare pB-FusionsreaktionCross section through the pB thermonuclear fusion reaction
2020
Querschnitt einer thermonuklearen DT-FusionsreaktionCross section of a thermonuclear DT fusion reaction
2222
Querschnitt der nichtthermischen pB-FusionsreaktionCross-section of the non-thermal pB fusion reaction
2424
Querschnitt der nichtthermischen pB-Fusionsreaktion für die Abschirmungsenergie εs =0 MeVCross-section of the non-thermal pB fusion reaction for the shielding energy ε s =0 MeV
2626
Querschnitt der nichtthermischen pB-Fusionsreaktion für die Abschirmungsenergie ss =1 MeVCross-section of the non-thermal pB fusion reaction for the shielding energy ss =1 MeV
2828
Querschnitt der nichtthermischen pB-Fusionsreaktion für die Abschirmungsenergie εs =3 MeVCross-section of the non-thermal pB fusion reaction for the shielding energy ε s =3 MeV
ArodArod
Durchmesserdiameter
Bersteburst
Stangenentfernungrod removal
B'B'
zweite Rutenentfernungsecond rod removal
CrodCrod
Längelength
Derstethe first
Targetseitenlängetarget side length
D'D'
zweite Targetseitenlängesecond target side length
XersteXfirst
RichtungDirection
YY
Sekunden-Richtungseconds direction

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • US 20200321135 A1 [0024]US20200321135A1 [0024]

Claims (10)

Verfahren zur Erzeugung neutronischer und aneutronischer Fusionsenergie durch eine neutronische und/oder aneutronische Kernfusionsreaktion oder zur Erzeugung säkularer elektrischer und magnetischer Felder, wobei das Verfahren die Bestrahlung eines Targets (10) aus nanostrukturiertem Material mit einem Laserimpuls umfasst, wobei der Laserpuls eine Laserträgerfrequenz ω, eine Pulsdauer und eine Fleckgröße aufweist, und wobei der Laserpuls zumindest teilweise von dem nanostrukturierten Material absorbiert wird, wobei das Target (10) eine Oberfläche (15) mit einer Vielzahl von Nanostäben (12) aufweist, die sich von der Oberfläche (15) erstrecken.Method for generating neutronic and aneutronic fusion energy by a neutronic and/or aneutronic nuclear fusion reaction or for generating secular electric and magnetic fields, the method comprising irradiating a target (10) made of nanostructured material with a laser pulse, wherein the laser pulse has a laser carrier frequency ω, a pulse duration and a spot size, and wherein the laser pulse is at least partially absorbed by the nanostructured material, wherein the target (10) has a surface (15) with a plurality of nanorods (12) extending from the surface (15). Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil oder alle Nanostäbe (12) des Targets (10) zylindrisch oder konisch geformt sind, während sie eine kreisförmige, elliptische, rechteckige oder polygonale Basis haben, die jeweils einen mittleren Stabdurchmesser (A) und eine Stablänge (C) aufweisen.procedure after claim 1 wherein part or all of the nanorods (12) of the target (10) are cylindrical or conical in shape while having a circular, elliptical, rectangular or polygonal base, each having an average rod diameter (A) and a rod length (C). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanostäbe (12) des Targets (10) regelmäßig entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, die eine lineare Richtung oder eine kreisförmige Richtung ist, so dass benachbarte Nanostäbe (12) entlang der ersten Richtung (X) um einen ersten Stababstand (B) beabstandet sind.procedure after claim 1 or 2 , wherein the nanorods (12) of the target (10) are regularly arranged along a first direction (X), which is a linear direction or a circular direction, such that adjacent nanorods (12) along the first direction (X) by a first Bar spacing (B) are spaced. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanostäbe (12) des Targets (10) regelmäßig entlang zweier senkrechter Richtungen (X, Y) angeordnet sind, so dass benachbarte Nanostäbe (12) entlang einer ersten Richtung (X) der beiden senkrechten Richtungen um einen ersten Stababstand (B) und entlang einer zweiten Richtung (Y) der beiden senkrechten Richtungen (X, Y) um einen zweiten Stababstand (B') beabstandet sind.procedure after claim 1 or 2 , wherein the nanorods (12) of the target (10) are arranged regularly along two perpendicular directions (X, Y), so that adjacent nanorods (12) along a first direction (X) of the two perpendicular directions by a first rod spacing (B) and are spaced along a second direction (Y) of the two perpendicular directions (X, Y) by a second bar spacing (B'). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Stababstand (B), vorzugsweise auch der zweite Stababstand (B'), größer oder gleich ist π R 2 n i e 2 / ε 0 m e ω 2 ,
Figure DE102022003144A1_0007
wobei R der Radius des Stabes, ni die durchschnittliche Ionendichte, e die Ladung eines Elektrons, ε0 die elektrische Feldkonstante, me die Elektronenmasse und ω die Laserträgerfrequenz ist.
procedure after claim 3 or 4 , wherein the first bar spacing (B), preferably also the second bar spacing (B'), is greater than or equal to π R 2 n i e 2 / e 0 m e ω 2 ,
Figure DE102022003144A1_0007
where R is the radius of the rod, n i is the average ion density, e is the charge on an electron, ε 0 is the electric field constant, m e is the electron mass, and ω is the laser carrier frequency.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das nanostrukturierte Material Bor und/oder Bornitrid und/oder wasserstoffhaltiges Material umfasst, insbesondere, wobei das nano-strukturierte Material auch DT innerhalb und zwischen den Nanostäben umfasst, insbesondere, wobei das nanostrukturierte Material von einer nicht nanostrukturierten DT-Verbindung umgeben ist, wobei insbesondere das nanostrukturierte Material und ein Raum zwischen den Nanostäben und um diese herum einen neutronischen Brennstoff und/oder einen aneutronischen Brennstoff enthält.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , wherein the nanostructured material comprises boron and/or boron nitride and/or hydrogen-containing material, in particular, wherein the nanostructured material also comprises DT within and between the nanorods, in particular, wherein the nanostructured material is surrounded by a non-nanostructured DT compound, in particular wherein the nanostructured material and a space between and around the nanorods contains at least one of a neutronic fuel and an aneutronic fuel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das nano-strukturierte Material amorphes Material oder Schichten aus verschiedenen Materialien umfasst, insbesondere einschließlich eines Materials zur Induktion von ultravioletter Lichtstrahlung.Procedure according to one of Claims 1 until 6 wherein the nano-structured material comprises amorphous material or layers of different materials, in particular including a material for inducing ultraviolet light radiation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das nanostrukturierte Material Nanostäbchen (12) aus alternierenden Materialien umfasst, die insbesondere Protonen, Bor, Deuterium, Tritium bzw. Gold enthalten.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , wherein the nanostructured material comprises nanorods (12) made of alternating materials, which in particular contain protons, boron, deuterium, tritium or gold. Ein Target (10) aus einem nanostrukturierten Material zur Absorption eines Laserpulses mit einer Laserträgerfrequenz ω, einer Pulsdauer und einer Spotgröße zur Auslösung von Fusionsreaktionen oder zur Erzeugung eines säkularen elektrischen und magnetischen Feldes, wobei das Target (10) eine Oberfläche (15) mit einer Vielzahl von Nanostäben (12) aufweist, die sich von der Oberfläche (15) erstrecken.A target (10) made of a nanostructured material for absorbing a laser pulse with a laser carrier frequency ω, a pulse duration and a spot size for triggering fusion reactions or for generating a secular electric and magnetic field, the target (10) having a surface (15) with a Having a plurality of nanorods (12) extending from the surface (15). Das Target (10) nach Anspruch 9, wobei ein Teil oder alle Nanostäbe (12) des Targets (10) zylindrisch oder konisch geformt sind, während sie eine kreisförmige, elliptische, rechteckige oder polygonale Basis haben, die jeweils einen mittleren Stabdurchmesser (A) und eine Stablänge (C) aufweisen.The target (10) after claim 9 wherein part or all of the nanorods (12) of the target (10) are cylindrical or conical in shape while having a circular, elliptical, rectangular or polygonal base, each having an average rod diameter (A) and a rod length (C).
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