DE10208515A1

DE10208515A1 - Fusionsreaktor mit Petawattlaser

Info

Publication number: DE10208515A1
Application number: DE10208515A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hora
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-10-16

Abstract

Der Reaktor zur Energiegewinnung mittels Kernfusion wird durch einseitige Anregung der Reaktion durch Petawatt-Laserpulse in langgestreckten Brennstoffmaterialien zur Erzeugung einer Reaktionswellenfront bewerkstelligt, wobei z. B. durch Kernreaktion von Wasserstoff mit Bor-11 mit Direktumwandlung in Elektroenergie nur ein minimaler Kühlaufwand nötig ist und weniger Radioaktivität anfällt als bei der Verbrennung von Kohle.

Description

Kernreaktionen zur Energiegewinnung mittels Verschmelzung (Fusion) leichter Kerne vorzugsweise zu Helium und unter möglichster Vermeidung von Neutronen werden in einer Reihe von Anordnungen verwendet, um daraus Kraftwerksreaktoren zu entwickeln. Die Schwierigkeiten zum Einschluss des Reaktionsplasmas für genügend hohe Dichte und Dauer sind bekannt. Verwendung von Magnetfeldern z. B. in einem Tokamak führen zu bisher nicht handhabbarer Wanderosion. Kugelförmige Kompression und energieliefernde Zündung mit Lasern ist in einstufigen Reaktionen mit etwa nanosekundenlangen Pulsen nur mit Lasern im Megajoulebereich und bei Kompression zu mindestens einigen tausenfachen Festköperdichten möglich (DE P 199 11 386.6; H. Hora, Plasmas at High Temperature and Density, S. Roderer Regensburg 2000) und im Fall einer Kombination von Kompression und Zündung mit Petawattpulsen (fast ignitor) nur unter Überwindung vieler neuer physikalischer Phänomene denkbar (Nature 412, 774 (2001)), und - wenn erfolgreich - nur zur Verbrennung von Deuterium mit Tritium mit grosser Neutronenausbeute, die in Blankets thermalisiert werden müssen.
Demgegenüber wird erfindungsgemäss nach den im folgenden beschriebenen Anordnungen lasergetriebene Kernfusion mit Ausbeuten weit über Tausend ohne Kompression und unter Verwendung neutronenarmer Reaktionen verwirklicht, wobei die Umwandlung der Kernenergie in Elektroenergie elektrostatisch mit einem Wirkungsgrad bis 98% möglich ist, d. h. unter sehr geringer Wäremerzeugung. Erfindungsgemäss werden Laserpulse aus dem Petawattbereich von weniger als etwa einer Pikosekunde Dauer verwendet. Erfindungsgemäss wird der aus einer Reihe von Messungen abgeleitete Betrieb ohne Vorpuls (hohes Kontrastverhältnis) der Hautschicht-(skin layer)-Wechselwirkung angewendet (H. Hora, J. Badziak, F. B. Boody, R. Höpfl, K. Jungwirth et al., Konferenzabstracts "Inertial Fusion Science and Applications", Kyoto September 2001, S. 121) unter sorgfältiger Vermeidung von relativistischer Selbstfokusierung.
Ein erfindungsgemässes Beispiel ist in Bild 1 beschrieben. Der Reaktor besteht aus einem kugelförmigen geerdeten Behälter 5 in dem oben eine trichterförmige Einbuchtung auf den Kugelmittelpunkt 7 gerichtet ist. Durch den Isolator 8 ist eine konzentrische innere Metallkugel 6 unter Aussparung des Trichters 10 angeordnet, die auf ein hohes negatives elektrische Potential gelegt werden kann. Das Innere von 5 ist unter Vakuum von wenigstens Mikrotorr. In einer Anordnung 2 befinden sich schwach konisch nach unten zunehmende Fäden von Wasserstoff-Bor (11), von weniger als 1 g Gewicht, die durch einen Mechanismus aus einer Matrixanordnung jeweils senkrecht über den Reaktormittelpunkt 7 bewegt werden, dann von ihrer Befestigung gelöst werden und nach unten auf 7 zu fallen. Deren Flugbahn wird durch Sensoren 4 derartig gemessen wird, dass ein Petawattlaserpuls 1 auf das obere Ende des Fadens bei Erreichen des Mittelpunktes 7 kurz unterhalb des Trichters einwirken kann.
An der Wechselwirkungsfläche mit dem Laser sind die Fäden präpariert, wobei auch andere Materialien als H-B (11) verwendet werden, z. B. Wasserstoffisotope und schwerere Elemente mit nicht Energie liefernder Kernfusion. Der Laserpuls erzeugt eine sich achsial selbst stabilisierende Reaktionsfront, die sich durch den Faden nach unten fortpflanzt. Wenn dann nur etwa 10% des Brennstoffes reagiert hat, kann mit einem Petwatt-Laserpuls von einigen Kilojoule eine Energie von einem Gigajoule in das Reaktionsprodukt von Helium-4-Kernen (Alphas) erzeugt werden. Da die Alphas eine nahezu monochromatische Reaktionsenergie von fast 3 MeV haben, kann bei einer auf ein Potential P = -5.7 MV aufgeladenen Innenelektrode 6 die Energie der Ladung Q der Alphas als elektrostatische Energie in 6 mit praktisch keiner Wärmerzeugung aufgefangen werden. Das Potential P von 6 wird je nach der Kapazität des Systems um einen Betrag DP erhöht wie bei der bekannten Moseley-Kernbatterie. Eine Generatoreinrichtung 9 entläd die Ladung Q vom Potential P als Elektroenergie PQ als Nutzung in dem Generator.
Wenn ein anderer Kernbrennstoff, z. B. D-Li(6) oder H-Li(7) verwendet wird oder einfach DT, wird in der Anordnung nach Bild 1 ausserhalb der Elektrode 6 zur elektrostatisch zu erfassenden Energie der geladenen Reaktionsprodukte noch ein Blanket an der Aussenseite von 6 abgebracht, das mindestens 90% der Energie der erzeugten Neutronen aufnimmt, die dann in einem Wärmeaustauscher aus dem Blanketmaterial zur Nutzung in einer Wärmekraftmaschiene zur Stromerzeugung umgesetzt wird.
Folgende Vorrichtung für die Lagerung der Brennstoff-Fäden im Bereich 2 von Bild 1 wird verwendet. An einem Support hängen etwa einige tausend von Fäden, die vor Abtrennung von dem Support in eine Lage senkrecht über 7 (Bild 1) gebracht werden. Nach Verbauch der Fäden wird in einer vakuumdichten Schleuse der Support mit einer neuen Ladung von einigen Tausend Fäden eingeführt. Die Abtrennung der Fäden vom support erfolgt mechanisch oder durch eine elektrische Entladung, wobei deren Zeitpunkt mit der späteren Einwirkung des Petawatt-Laserpulses geregelt wird. Die Fäden haben am unteren Ende eine Vorrichtung nach Bild 2, die einen möglichst senkrecht nach unten gerichteten Flug des Fadens ohne zu grosse seitliche Abweichung bewirkt. Zu diesem Zweck ist eine Beschleunigungseinrichtung (13 in Bild 2) am unteren Ende der Fäden (11 in Bild 2) vorgesehen, welche die aus einer Quelle 12 (Bild 2) austretenden Moleküle oder Ionen gleichförmig nach oben richtet, so dass eine Beschleunigung des Fadens nach unter erfolgt. Als Quelle 12 wird eine Gaskapsel verwendet, die zum Zeitpunkt des Ablösens vom Support mechanisch oder elektrisch z. B. durch einen Entladungsstoss geöffnet wird und ein nahezu symmetrisches Ausströmen des Gases bewirkt. Alternativ wird anstelle der Gaskapsel ein achsenparalleler Draht verwendet, durch den eine elektrische Entladung erzeugt wird und Ionen und Gas symmetrisch nach der Seite laufen und durch 13 die nach oben gerichtete Stömung erzeugt wird.

Claims

1. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird gekennzeichnet dadurch, dass die fortschreitende Reaktion durch Laserpulse erzeugt wird.

2. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Laserpulse eine Leistung von mehr als 100 Terawatt haben.

3. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Faden senkrecht gesteuert in das Reaktionsgefäss geführt wird.

4. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Führung durch eine Beschleunigung am Ende des Fadens mittels einer gegen die Flugrichtung umgelenkter Moleküle oder Ionen erfolgt.

5. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die geladenen Reaktionsprodukte gegen ein sphärisch symmetrisches Potential anlaufen.

6. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass im Wechselwirkungsbereich des Lasers am Fadenanfang vom Fusionsbrennstoff verschiedene Materialien mit verwendet werden.

7. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass der Kernbrennstoff Wasserstoff-Bor-11 ist.

8. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerung der Brennstoff-Fäden durch Ionen und Moleküle aus einer Gasentladung erfolgt.

9. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerung der Brennstoff-Fäden durch Moleküle aus einer zu öffnenden Gaskapsel erfolgt.

10. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Energie der Kernreaktionsprodukte in einem blanket zum nachfolgenden Wärmeaustausch erfolgt.

11. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegung der Brennstoff-Fäden mit einem Regelsystem gemessen wird zur Steuerung des Laserfokus.

12. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Brennstoff-Fäden an einem Support befestigt sind, der die Fäden zur Ablösung senkrecht über den Reaktormittelpunkt bewegt.

13. Kernfusionsreaktor bei dem in konisch-fadenförmigem Kernbrennstoff eine fortschreitende Reaktion erzeugt wird nach Anspruch 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Supportplatte mit Brennstoff-Fäden über Vakuumschleusen automatisch ausgetauscht wird.