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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie und eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Die Erfindung betrifft das Gebiet Motorenbau und thermoelektrische
Energiewandler (Einrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie). Die Erfindung kann als eine wirtschaftliche
und umweltfreundliche Elektroenergiequelle eingesetzt werden.
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Es
ist ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie
bekannt, welches verbesserte Kennwerte in Bezug auf Wirtschaftlichkeit
und Umweltfreundlichkeit aufweist (
RU
2175395 KI, 05.10.2001). Dieses Verfahren umfasst die Beförderung
der Luft in einen Zylinder; die Verdichtung der Luft; die Zufuhr
von einem Teil des Brennstoffs in eine Brennkammer und dem anderen
Teil des Brennstoffs in eine Einlassventilzone seitens einer Einlassleitung,
wobei die Gemischbildung zweistufig während der Betriebszustände erfolgt.
Die Entzündung
des Luft-Kraftstoff-Gemisches
erfolgt durch Verdichtungswärme
und nachfolgendem Brennen im Zylinder, sowie die Ausdehnung und
der Auslass der Verbrennungsrückstände. Die
Regelung der Brennstoffzufuhr erfolgt nach dem Steuersignal vom
Werkzeug, welches mit dem Motor gekoppelt ist.
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Beim
dem bekannten Verfahren beträgt
der Wirkungsgrad, laut Carnotscher Formel, ca. 0,4–0,5.
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Es
ist ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie
bekannt, bei dem die Wärmeenergieträger – Wasserdampf
oder heiße
Gase – nach
draußen
ausgestoßen
werden (Schscheglyaev A. V., Dampfturbine. Moskau, NTB MEI, 2004).
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Der
Mangel des Verfahrens ist ein niedriger Wirkungsgrad und Verluste
des Wärmeträgers.
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Aus
der
GB 1 366 654 ist
ein Primär-Wärmebeweger
mit einem geschlossenen Flüssigkeitskreis
bekannt, der einen rotierenden Dampfwärmetauscher und eine zugeordnete
Wärmequelle
aufweist. Ein Motor mit zwei gegenläufig angetriebenen Rotoren
und ein rotierender Wärmeverdichter
ist zusätzlich
vorgesehen. Die beiden Wärmetauscher
sind in einer gemeinsamen Einheit vereinigt, die von einem der beiden
Rotoren angetrieben werden. Der andere Rotor überträgt die Ausgangsenergie.
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Die
US-501 07 35 A zeigt
eine Zentrifugal-Wärmemaschine
mit einem ersten Teil, der drehbar auf einem zweiten Teil befestigt
ist. Der erste Teil hat eine Ringkammer im Umfangsbereich, die eine
verdampfbare Arbeitsflüssigkeit
aufnimmt, und eine Zentralkammer, die von der Ringkammer durch Umfangsköpfe getrennt ist.
Die Zentralkammer weist eine Arbeitsflüssigkeit auf und hat eine hydraulische
Turbine, die auf dem zweiten Teil befestigt ist. Das zweite Teil
projektiert in die zentrale Abteilung und teilt diese in zwei axiale,
getrennte Abteilungen, von denen jede flüssiges Arbeitsmedium enthält. Die
Arbeitsflüssigkeit
wird erhitzt und verdampft. Eine Leitung leitet die verdampfte Flüssigkeit
in eine Abteilung der Ringkammer, in der die verdampfte Arbeitsflüssigkeit
in das flüssige
Arbeitsmedium expandiert und in der Abteilung ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch
erzeugt. Die Rotation des ersten Teils erzeugt einen Druckunterschied
zwischen den beiden Abteilungen, die von der Umdrehungsgeschwindigkeit
des ersten Teils und der Dichteverteilung der Flüssigkeiten in den beiden Abteilungen
abhängt.
Die Turbine ist so aufgebaut, dass sie mit dem ersten Teil einen
Fließweg
zwischen den beiden Abteilungen für das flüssige Arbeitsmedium bildet
und die Drehbewegung auf das erste Teil überträgt.
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Eine
Wärmemaschine,
die mit einem Temperatur-Unterschied arbeitet, bewegt eine konstant
zirkulierende Flüssigkeit
durch eine Turbine, wie die
US
4 269 031 A zeigt. Der Dichteunterschied in der Flüssigkeit, der
durch die Änderung
der Temperatur erzeugt wird, ist für den Antrieb der Turbine verwendet.
Die Einrichtung wird in Drehbewegungen versetzt, um die Relative
Differenz zwischen den Dichten der Flüssigkeit zu erhöhen. Die
Maschine ist mit einer zentral angeordneten Turbine kompakt aufgebaut
und von einem Wärmetauscher umgeben.
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Der
Wärmetauscher
weist Übertragungselemente
auf, die sich durch die Wände
von mehreren Hohlrahmen erstrecken. Eine Anzahl von individuellen
Flüssigkeitszyklen
kann gewählt
werden, um den Wirkungsgrad der Einrichtung begrenzt zu erhöhen.
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Diese
bekannten Konstruktionen von Wärmemaschinen
verwenden die von sich drehenden Rotoren ausgehenden Zentrifugalkräfte um die
Wärmeenergie
unmittelbar in mechanische oder elektrische Energie umzuwandeln.
Das Arbeitsmedium dreht sich mit den Rotoren, wobei Reibungskräfte und
daher keine großen Dichte-Unterschiede
entstehen. Die Folge davon ist nur eine begrenzte Erhöhung des
Wirkungsgrads der Konstruktionen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung der
eingangs erwähnten
Art zu schaffen, bei dem bzw. der Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der
Wärmeträgertemperatur,
eine Benutzung von dreidimensionaler Verdichtung und Ausdehnung
des Wärmeträgers innerhalb
des geschlossenen Raums und dem Verzicht auf Hin- und Herbewegung
und Nutzung statt dessen der Rotationsbewegung zu verbessern.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird bei dem neuen Verfahren dadurch gelöst, dass
zwischen einem Rotor und einem eingepressten Kern innere Hohlräume gebildet
wer den, die teilweise mit Betriebsmedium gefüllt werden, dass danach ein
Drehwandler der Wärmeenergie
gestartet wird, indem sein Rotor durch den elektromechanischen Wandler
angetrieben und ein Wärmeenergieerzeuger
gleichzeitig aufgewärmt
wird, dass Betriebsmediumschwingungen durch Modulierung der Drehgeschwindigkeit
des Rotors erzeugt werden, die in einander gegenüberliegenden inneren Hohlräumen im
Gegentakt schwingen und der Betriebszustand hergestellt wird, dass
der freie Raum der inneren Hohlräume
mit einem Wärmeträger gefüllt werden,
wobei der Wärmeträger über die
inneren Hohlräume
in einen Wärmetauscher
eingeführt
werden, dass der Wärmeträger verdichtet
und durch das schwingende Betriebsmedium bis zu einer Temperatur
unter der Temperatur des Wärmetauschers
aufgewärmt
wird, wobei der Wärmetauscher
mit dem Wärmeenergieerzeuger
verbunden ist, dass die Einführung
des Wärmeträgers in
den Wärmetauscher
gleichzeitig mit der Abführung
des aufgewärmten
Wärmeträgers aus
dem Wärmetauscher
in den freien Raum der inneren Hohlräume vorgenommen wird, dass
der Wärmeträger dabei
ausgedehnt und abgekühlt
wird und dabei die Übertragung
der Energie des schwingenden Betriebsmediums und ihre Umwandlung
in mechanische Rotationsenergie im Drehwandler der Wärmeenergie
vorgenommen wird, dass der Wärmeträger aus
den inneren Hohlräumen
abgeführt
und danach isothermisch verdichtet wird, dass der Wärmeträger wieder
in den Wärmetauscher
befördert
wird und dass gleichzeitig ein periodischer Wechsel der Energieumwandlung
vollzogen wird, wobei die mechanische Rotationsenergie des Rotors
des Drehwandlers der Wärmeenergie
durch den elektromechanischen Wandler bei zunehmender Rotationswinkelgeschwindigkeit
in elektrische Energie umgesetzt und dabei in einen Energiespeicher
und eine Belastung weitergeleitet wird oder wobei die elektrische
Energie des Energiespeichers bei abnehmender Rotationsgeschwindigkeit
in Rotationsenergie des Rotors des Drehwandlers der Wärmeenergie bei
abgeschalteter Belastung umgesetzt wird.
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Im
Betriebszustand wird der freie Umfang der inneren Hohlräume mit
dem Wärmeträger gefüllt. Die Hohlräume sorgen
für die
Einführung
des Wärmeträgers in
den Wärmetauscher.
Der Wärmeträger wird
verdichtet und durch das schwingende Betriebsmedium bis zur Temperatur
unter der Temperatur des Wärmetauschers
aufgewärmt,
wobei der Wärmetauscher
mit dem Wärmeenergieerzeuger
verbunden ist. Der vorgewärmte
Wärmeträger wird
in den Wärmetauscher
eingeführt
und der aufgeheizte Wärmeträger wird
aus dem Wärmetauscher
in den freien Raum der inneren Hohlräume hinausgeführt. Die
inneren Hohlräume
stellen die Abführung
des Wärmeträgers aus
dem Wärmetauscher
sicher. Der Wärmeträger dehnt
sich aus und kühlt
dabei ab. Dabei erfolgen die Übertragung
der Energie des schwingenden Mediums und ihre Umwandlung in die mechanische
Rotationsenergie des Drehwandlers der Wärmeenergie. Der Wärmeträger wird
aus den inneren Hohlräumen
abgeführt.
Danach erfolgt die isothermische Verdichtung des Wärmeträgers, der
wieder in den Wärmetauscher
befördert
wird. Gleichzeitig erfolgt der periodische Wechsel der Energieumwandlung.
Entweder wird die mechanische Rotationsenergie des Rotors des Drehwandlers
durch den elektromechanischen Wandler in die elektrische Energie
umgesetzt, wobei sie in den Energiespeicher und zur Belastung weitergeleitet
wird und zwar in der Zeit, wenn die Rotorwinkelgeschwindigkeit zunimmt.
Oder die elektrische Energie des Speichers wird in die mechanische
Rotationsenergie des Rotors des Drehwandlers der Wärmeenergie
bei abgeschalteter Belastung umgesetzt, und zwar dann, wenn die
Rotorwinkelgeschwindigkeit abnimmt.
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Die
Wärmeenergie
kann mittels der hybriden thermonuklearen Kernfusion erzeugt werden.
Dies ermöglicht
es, die Temperatur des Wärmeenergieerzeugers
und dementsprechend den Wirkungsgrad der Umwandlung zusätzlich zu
erhöhen.
Dadurch wird es möglich,
einen Teil der Energie, welche vom Wärmeenergieerzeuger abgeleitet
wird, rückzuführen, um
sie in dem Wärmeenergieerzeuger
wieder benutzen zu können. Dadurch
werden die im Wärmeenergieerzeuger
vorhandenen Verluste ausgeglichen.
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Bei
einer Einrichtung wird das technische Ergebnis dadurch erreicht,
dass sie einen Wärmeenergieerzeuger
aufweist, der durch einen Wärmetauscher
mit einem Dreh wandler der Wärmeenergie
verbunden ist, dass der Drehwandler der Wärmeenergie aus einem Rotor
mit eingepresstem Kern besteht, dass zwischen dem Rotor und dem
Kern eine gerade Anzahl von einander gegenüberliegenden Hohlräume gebildet
sind, die zum Teil mit einem Betriebsmedium und zum Teil mit einem
Wärmeträger gefüllt sind,
dass der elektromechanische Wandler koaxial mit dem Wärmeenergieerzeuger
eingebaut ist, dass der Rotor des elektromechanischen Wandlers mit
dem Rotor des Wärmeenergieerzeugers
fest verbunden ist, dass der Stator des elektromechanischen Wandlers über eine
Betriebssteuereinheit mit einer Belastung und einem Energiespeicher
verbunden ist, dass die Energie in den Energiespeicher und an die
Belastung weiterleitbar ist, wenn die Rotationswinkelgeschwindigkeit
zunimmt und dass die Belastung abschaltbar und vom Betriebsenergiespeicher zum
elektromechanischen Wandler zuführbar
ist, wenn die Rotationswinkelgeschwindigkeit abnimmt.
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Wenn
eine hybride thermonukleare Kernfusion als Wärmeenergieerzeuger angewendet
ist, ist die Erhöhung
der Temperatur und des Wirkungsgrads zusätzlich dadurch erreicht, dass
der Wärmeenergieerzeuger einen
Innenkörper
aufweist, der von einem Außengehäuse mittels
Wärmeisolatoren
getrennt ist, dass der Wärmeenergieerzeuger über den
Wärmetauscher
mit dem Drehwandler der Wärmeenergie
verbunden ist, dass der Innenkörper
aus einem äußeren Toroidraum
und einem zylinderförmigen
Raum besteht, dass der Toroidraum eine Substanz aufweist, in der
Kernspaltungsreaktionen unter Wirkung von schnellen Neutronen ablaufen,
dass der zylinderförmige
Raum den Innenraum umkreist und gasförmiges Deuterium und Tritium
enthält, das
der zylinderförmige
Raum an einer Seite mit einer Einheit zur Absaugung der Gasmischung
aus der Außeneinheit
und zur Trennung von Deuterium und Tritium verbunden ist, dass die
Außeneinheit
an das Außengehäuse angeschlossen
ist, dass der zylinderförmige
Raum an der anderen Seite mit einer beschleunigten Ionenquelle verbunden
ist, die ebenfalls mit der Einheit zur Absaugung der Gasmischung
aus der Außeneinheit und
zur Trennung von Deuterium und Tritium verbunden ist, und dass der
zylinderförmige
Raum mit einem an die Betriebssteuereinheit angeschlossenen Hochspannungserzeuger
verbunden ist.
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Als
Substanz, in der die Kernspaltungsreaktionen unter Wirkung von schnellen
Neutronen zustande kommen, ist nichtangereichertes Natururan oder
ausgebrannter Kernbrennstoff verwendet.
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Wenn
die Energiequelle auf Basis einer hybriden thermonuklearen Kernfusion
als Wärmeenergieerzeuger
benutzt wird, entstehen Verluste. Um diese Verluste auszugleichen,
muss der Wirkungsgrad der Rückgewinnung
im optimalen Fall ca. 0.7 bis 0.8 betragen. Es ist bekannt, dass
der Wirkungsgrad einer beliebigen Wärmemaschine den Wirkungsgrad
eines idealen Carnot-Kreisprozesses nicht überschreitet. Der Wirkungsgrad
beträgt:
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Dabei
sind TN und TX jeweils die Heizertemperatur und die Kühlertemperatur.
Um den Wirkungsgrad der Größenordnung
von 0.7 bis 0.8 zu erreichen, wird Folgendes vorausgesetzt. Die
Betriebstemperatur TN wird im Drehwandler zur Umsetzung der Wärmeenergie
in die elektrische Energie bis auf 1800–2000 Grad Celsius (bei TX
nicht höher
als 100 Grad Celsius) erhöht.
Als Wärmeträger (Arbeitskörper) wird
das Inertgas verwendet, welches in einem geschlossenen Kreislauf
mehrfach verwendet wird. Die Verdichtung und die Ausdehnung des
Inertgases erfolgt innerhalb von geschlossenen Hohlräumen durch
einen Flüssigkeitskolben.
Der Flüssigkeitskörper ermöglicht es,
- 1) von eindimensionaler auf dreidimensionale
Verdichtung zu wechseln. Das vergrößert den Verdichtungsgrad wesentlich
und verringert die Wärmeverluste.
- 2) auf das Verfahren mit der Hin- und Herverschiebung des Kolbens
zu verzichten. Stattdessen wird eine Rotationsbewegung des Rotors
verwendet.
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Wenn
die Energiequelle auf Basis von hybrider thermonuklearer Kernfusion
als Wärmeenergieerzeuger
eingesetzt wird, besteht die Aufgabe darin, eine spezielle Einrichtung
zu entwickeln. Diese Einrichtung ermöglicht es, eine positive Energieausbeute
zu erlangen. Die Energie wird bei der Kernspaltung von Natururan oder
von dem bereits benutzten Kernbrennstoff unter der Wirkung von Neutronen
freigesetzt. Die Neutronen werden bei der Kernfusion von Deuterium
und Tritium gewonnen. Die Kernfusion erfolgt im entsprechenden (zum
Beispiel Deuterium) Gastarget, wenn die Ionenkolonne dieses Gastarget
passiert. Die Ionen (zum Beispiel Tritium) werden bis zu Energien
von mehreren Hunderten von Elektronenvolt beschleunigt. Die Ionisierung
der Gasatome im Gastarget verursacht nicht erwünschte Energieverluste der
beschleunigten Ionen. Diese Verluste sind sogar im Optimalfall größer als
die Energieabgabe. Dabei werden diese Verluste während Rückgewinnung mit Hilfe vom Drehwandler
der Wärmeenergie
in die elektrische Energie ausgeglichen. Danach wird diese elektrische
Energie im Ionenbeschleuniger wieder benutzt.
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Die
Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 und 2 die
Gesamtansicht einer Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie mit einem Wärmeenergieerzeuger und
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3 und 4 die
Gesamtansicht einer Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie mit einem Wärmeenergieerzeuger auf der
Basis einer hybriden thermonuklearen Kernfusion.
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Die
Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie (1 und 2) enthält einen
Rotor 1. In den Rotor ist ein Kern 2 eingepresst.
Der Kern 2 ist mittels Lager 12 mit einer Welle 4 verbunden.
In der Welle 4 ist ein Rohr 13 zur Beförderung
des Betriebsmediums 3 (zum Beispiel Flüssigkeitsmetall wie Quecksilber),
ein Rohr 5 zur Abführung
des gekühlten
Wärmeträgers mit
Minderdichte und ein Rohr 6 zur Einführung des gekühlten Wärmeträgers mit
erhöhter
Dichte eingebaut. Die Welle 4 ist über eine wärmedämmende Halterung 22 mit
dem Gehäuse
des Wärmeenergieerzeugers 49 verbunden.
Innerhalb des Wärmeenergieerzeugers 49 ist
eine Heizquelle 50 des Wärmeträgers und ein Wärmetauscher 21 angeordnet.
Am anderen Ende der Welle 4 wird der Stator 8 des
elektromechanischen Wandlers befestigt. Rings um den Stator 8 kann
sich der Rotor 7 des elektromechanischen Wandlers drehen.
Der Rotor 7 wird am Rotor 1 befestigt.
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Am
inneren Teil des Kerns 2 sind kreisförmige Einschnitte angeordnet,
um den gekühlten
Wärmeträger mit
erhöhter
und Minderdichte zu befördern.
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Im
oberen Teil des Kerns 2 sind Ventile 15 für die Zufuhr
des Betriebsmediums 3 angeordnet. Der Rotor 1 ist
mit einem Verschluss-Stopfen 14 zum Ablassen des Betriebsmediums 3 ausgestattet.
Der Kern 2 ist mit Bohrungen 20 versehen. Bei
bestimmten Stellungen der Rohre 5 und 6 in Bezug
auf den Rotor 1 verbinden die Bohrungen 20 diese
Rohre 5, 6 mit den inneren Hohlräumen 39, 40.
Die Hohlräume 39, 40 werden
zwischen der Kernoberfläche
und der Oberfläche
des Betriebsmediums 3 gebildet.
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Die
Anzahl der Hohlräume
muss geradezahlig sein.
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Der
Kern 2 ist auch mit Bohrungen 24 versehen. Bei
vorgegebener Stellung des Rotors 1 verbinden die Bohrungen 24 die
Hohlräume
mit dem Wärmetauscher 21.
Das Betriebsmedium 3 ist im Zustand abgebildet, wenn der
Rotor 1 der Einrichtung angetrieben ist.
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Das
Schaltsystem ist zur Steuerung des Anlaufs des Drehwandlers und
zur Ableitung der Nutzenergie vom elektromechanischen Wandler vorgesehen.
Es besteht aus dem Energiespeicher 10 (als Energiespeicher kann
zum Beispiel ein Kondensator eingesetzt werden), Klemmen 11 zum
Anschluss der Belastung und einer Einheit zur Betriebssteuerung 9.
Die Einheit zur Betriebssteuerung 9 enthält einen
Mikroprozessor 48, Analog-Digitalumsetzer 41 und 42,
Schalter 44 und 45, einen Stabilisierungswiderstand 46 und
einen Stabilisator 47. Der Analog-Digitalumsetzer 41 dient
zur Spannungsmessung an dem elektromechanischen Wandler. Der Analog-Digitalumsetzer 42 und
der Widerstand 43 dienen zur Messung des Stroms, welcher
in den Stabilisator 47 fließt. Nach den gemessenen Strom-
und Spannungsangaben generiert der Steuer-Mikroprozessor 48 die Steuersignale
zum Ein- und Ausschalten der Schalter 44 und 45 in
bestimmten Zeiten. Die Schalter steuern die Energiezufuhr zum Stabilisator 47.
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Das
Rohr 16 ist mit dem Rohr 5 verbunden. Der gekühlte Wärmeträger läuft über das
Rohr 16 in den Kompressor 23 hinein. Der Kompressor 23 dient
zur isothermischen Verdichtung des gekühlten Wärmeträgers. Der bereits verdichtete
gekühlte
Wärmeträger läuft über das
Rohr 17 ins Rohr 6 hinein. Die Bezugszeichen 39 und 40 kennzeichnen
gegenüberliegende
Hohlräume.
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Als
Wärmeenergieerzeuger
kann eine beliebige Wärmeenergiequelle
darunter auch eine Energiequelle auf der Basis der hybriden thermonuklearen
Kernfusion benutzt werden.
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Der
Wärmeenergieerzeuger
auf der Basis der thermonuklearen Kernfusion (3 und 4)
weisen ein Außengehäuse 18 auf.
Im Gehäuse
sind folgende Bestandteile eingebaut:
- – Innenkörper 19;
der Innenkörper
ist aus einem Material mit ziemlich hoher Schmelztemperatur gefertigt (zum
Beispiel Molybdän
oder Wolfram),
- – die
Quelle von beschleunigten Ionen 27; diese Ionenquelle erzeugt
eine Ionenkolonne von Tritium (oder Deuterium), wobei die Ionen
bis zu Energien von ein Hundert bis zu mehreren Hunderten Kiloelektronvolt beschleunigt
werden.
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Die
beschleunigte Ionenquelle 27 wird von einem Hochspannungsgenerator 28 über Drähte gespeist. Die
Drähte
werden in das Außengehäuse 18 des
Wärmeenergieerzeugers über Isolatoren 29 eingeführt. Der Innenkörper 19 des
Wärmeenergieerzeugers
enthält
einen Hohlraum 25. Der Hohlraum 25 ist torusförmig ausgeführt und
mit einer Substanz gefüllt.
In dieser Substanz können
die Kernspaltungsreaktionen unter Wirkung von schnellen Neutronen
zustande kommen (das kann zum Beispiel nichtangereichertes Natururan
oder ausgebrannter Kernbrennstoff sein). Der Hohlraum 25 umringt
den zylinderförmigen
Raum 26. Der zylinderförmige Raum 26 ist
mit gasförmigem
Deuterium (wenn die Kolonne von beschleunigten Tritium-Ionen benutzt
wird) oder mit gasförmigem
Tritium (wenn die Kolonne von beschleunigten Deuterium-Ionen benutzt
wird) gefüllt. Die
beschleunigte Ionenkolonne wird in den zylinderförmigen Raum 26 durch
die Bohrung 38 eingeführt. Über diese
Bohrung 38 dringt das Gas aus dem Raum 26 in das
Außengehäuse 18 des
Wärmeenergieerzeugers 49.
Danach wird es mit Hilfe der Einheit 30 abgesaugt. Die
Einheit 30 enthält
eine Vakuumpumpe und eine Einrichtung zur Trennung von Deuterium
und Tritium. Dabei wird das Deuterium über das Rohr 31 und
des Tritium über
das Rohr 32 abgeführt.
Danach werden diese über
die Rohre 31 und 32 abgeführten Gase jeweils über die
Rohre 33 und 34 zurück in die beschleunigte Ionenquelle 27 und
in den Raum 26 eingepumpt. In der Wand des Innenkörpers 19 des
Wärmeenergieerzeugers 49 ist
auch ein Wärmetauscher 21 eingebaut.
Im Wärmetauscher 21 wird
die Wärmeenergie
an den Wärmeträger abgegeben.
(Der Wärmeträger dient
dabei als Arbeitskörper).
Um die Wärmenebenverluste
zu verringern, wird im Spalt zwischen dem Außengehäuse 18 und dem Innenkörper 19 des
Wärmeenergieerzeugers 49 ein
Vakuum aufrechterhalten. Dabei wird das in den Spalt eindringende
Gas über
die Bohrung 36 abgepumpt. Um die Wärmeverluste infolge der Strahlung
zu vermeiden, wird die innere Oberfläche des Außengehäuses 18 des Wärmeenergieerzeugers 49 an
erforderlichen Stellen mit einem lichtreflektierenden Überzug 35 beschichtet.
Um die Wärmeverluste
zu verringern, wird der Innenkörper 19 des
Wärmeenergieerzeugers 49 an
wärmedämmenden
Abstützungen 37 befestigt.
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Die
Einrichtung funktioniert folgendermaßen:
Das System wird vorher
in den Betriebszustand gebracht. Dafür wird das Betriebsmedium 3 in
die Hohlräume 39, 40,
d. h. die Räume
zwischen der Kernoberfläche
und der Innenfläche
des Rotors 1, eingefüllt.
Danach wird die Spannung am elektromechanischen Wandler angelegt.
Der elektromechanische Wandler läuft
im Motor-Betrieb
und treibt den Rotor 1 und den darin eingepressten Kern 2 an.
Sie beginnen zu rotieren. Unter der Wirkung der Fliehkraft wird
das Betriebsmedium 3 in den Außenbereich der Räume 39 und 40 (wie
in Fig. abgebildet) verdrängt.
Die an den elektromechanischen Wandler angelegte Spannung weist
eine Gleichspannungskomponente und eine Wechselkomponente, welche
zeitmoduliert ist. Danach erfolgt die Aussteuerung der Schwingungen
des Betriebsmediums 3, indem die Spannung, welche an den
elektromechanischen Wandler durch die Betriebs-Steuereinheit 9 angelegt
wird, periodisch gewechselt wird.
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Infolge
dieser Handlungen kommt ein periodisches Umpumpen des Betriebsmediums 3 in
den gegenüberliegenden
Hohlräumen 39, 40 aus
einer Hälfte
des Raums in die andere Hälfte
zustande. Der Flüssigkeitsspiegel
in diesen Räumen
verändert
sich dementsprechend. Dabei stehen die Schwingungen in den Hohlräumen 39, 40,
welche den Wärmeträger in den
Wärmetauscher 21 einpumpen,
und in den Hohlräumen 39, 40, welche
den Wärmeträger aus
dem Wärmetauscher 21 ableiten,
im Gegentakt. (Als Wärmeträger kann
dabei ein leichtes Inertgas wie Neon, Argon, Krypton oder Xenon
benutzt werden). Um das zu erreichen, muss Folgendes sichergestellt
werden:
- 1) die Resonanzfrequenzen der Flüssigkeitsschwingungen
in diesen zwei Arten von Hohlräumen 39, 40 müssen sich
voneinander etwas unterscheiden. (Die Größe dieser Resonanzfrequenzen
ist durch den vorgegebenen Aufbau des Rotors 1 und des
Kerns 2 bedingt und ist in beiden Fällen ungefähr durch die Rotorumdrehungszahl
teilbar);
- 2) Die Betriebs-Steuereinheit 9 moduliert die an den
elektromechanischen Wandler angelegte Spannung mit einer bestimmten
Frequenz. Der elektromechanische Wandler wird dabei im Motorbetrieb
benutzt. Diese Frequenz muss zwischen diesen zwei Resonanzfrequenzen
gewählt
werden: Sie muss etwas unter der höheren Resonanzfrequenz und
etwas über
der unteren Resonanzfrequenz liegen.
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Um
das zu veranschaulichen, müssen
die Schwingungsgleichungen des Betriebsmediums in diesen Hohlräumen
39,
40 in
linearer Annäherung
notiert werden:
M1x ..1 + M1ω21 x1 = M1a(t) (2) M2x ..2 +
M2ω22 x2 = M2a(t) (3) dabei sind:
M1,
M2 – die
Gewichte des Betriebsmediums
3 in den Hohlräumen
39,
40; ω
1, ω
2 – die
Eigenfrequenzen der Betriebsmediumschwingungen; x
1(t),
x
2(t) – definieren
die Abweichungen des Betriebsmediumsspiegels von der Gleichgewichtslage
in einer der Hälften
des Raums (zum Beispiel in der rechten Raumhälfte) zum Zeitpunkt t – Index
1 bezieht sich auf die Räume,
die den Wärmeträger aus
dem Wärmetauscher
21 ableiten;
Index 2 bezieht sich auf die Räume,
die den Wärmeträger in den
Wärmetauscher
21 einpumpen;
a(t) – ist
die Rotorbeschleunigung, dafür
gilt: a(t) = RΩ(t),
dabei ist R – der
Abstand zwischen den Räumen
und dem Drehpunkt (d. h. dem Mittelpunkt der Welle), Ω(t) – ist die
Winkelgeschwindigkeit des Rotors
1 als Zeitfunktion. Es
sei angenommen, dass Ω(t)
beim Anlauf der Einrichtung als Ω(t)
= Ω0 +
Asin(ωt)
vorgegeben wird, dabei entspricht die Schwingungsfrequenz ω der Ungleichung ω1 < ω < ω2, und Ω0 und A
sind Konstanten. Die Lösung
der Gleichungen (2), (3) wird folgenderweise aufgezeichnet:
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Der
Nenner in diesen Formeln zeichnet sich durch das Vorzeichen aus.
Beim Index 2 ist das Vorzeichen positiv, beim Index 1 ist das Vorzeichen
negativ. Das heißt,
dass die Schwingungen im Gegentakt erfolgen. Nachdem das Treiben
der Betriebsmediumsschwingungen abgeschlossen ist, schaltet die
Betriebs-Steuereinheit 9 die Einrichtung in den Betriebszustand
um.
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Der
elektromechanische Wandler wird dabei bereits sowohl zur Ableitung
der in der Einrichtung abgegebenen Energie als auch zur Rückführung dieser
Energie ins System benutzt. Im Betriebszustand führt der Raum 39 das
Einpumpen des Wärmeträgers in
den Wärmetauscher
aus (dies ist in der Figur oben abgebildet); sobald der Umfang des
vom Betriebsmedium befreiten Raums 39 maximal groß wird,
wird in diesen Raum 39 der gekühlte Wärmeträger mit erhöhter Dichte zugeführt. Danach
wird er zusätzlich
während
der Rückbewegung
des Betriebsmediums adiabatisch verdichtet. Bei dieser Verdichtung
fungiert die Flüssigkeit
als Kolben. Solche Verdichtung unterscheidet sich vom üblichen
Verdichtungsverhalten bei bekannten Verbrennungsmotoren, und zwar
dadurch, dass diese Verdichtung dreidimensional sein kann (im Unterschied
zur konventionellen eindimensionalen Verdichtung; Bei eindimensionaler
Verdichtung ist der vom Wärmeträger eingenommene Umfang
der Größe des ersten
Grades proportional. Diese Größe kennzeichnet
die Niveauverschiebung.) Bei dreidimensionaler Verdichtung ist der
Umfang der die Niveauverschiebung kennzeichnenden Größe des dritten
Grades proportional. Dieses Ergebnis kann mit einem Kolben von einer
gleichbleibenden Form aus einem Feststoff nicht erreicht werden.
Wenn die Verdichtung jedoch mittels Flüssigkeit erfolgt, kann sie
relativ einfach erreicht werden. Das passiert zum Beispiel beim
Kollaps von einem kugelförmigem Kavitationsraum:
In diesem Fall ändert
sich der Raumumfang proportional der Radius-Kubikzahl, und wenn
der Radius nur um das 10- bis 20-fache verändert wird, kann der Verdichtungsgrad
mehr als 103–104 betragen.
Die Dreidimensionalität
erhöht den
Verdichtungsgrad in allen Fällen
gewaltig. Die Temperatur des Wärmeträgers erhöht sich
bei solcher Verdichtung bis zum Wert T'. Nun wird dieser Wert (durch die Auswahl
des Verdichtungsgrades) reduziert, und zwar so, dass diese Temperatur
unter der Temperatur des Innenkörpers
des Wärmeenergieerzeugers
TN liegt. Während der Maximalverdichtung
gerät der
Wärmeträger über die
zu diesem Zeitpunkt geöffnete
Bohrung in den Wärmetauscher
und wird dort zusätzlich
bis Temperatur TN aufgewärmt. Gleichzeitig wird der
Wärmeträger, welcher
den Wärmetauscher
bereits passiert hat und bis zur Temperatur TN aufgewärmt worden
ist, über das
zweite Ende des Wärmetauschers
und die zu diesem Zeitpunkt geöffnete
Bohrung in die Raumhälfte 40 abgeführt, welche
zu diesem Zeitpunkt den Mindestumfang aufweist. Während der
Rückbewegung
des Betriebsmediums im Raum, welcher den Wärmeträger aus dem Wärmetauscher
ableitet, dehnt sich der Wärmeträger aus
und gibt seine Energie ab. Somit wird die Schwingungsamplitude des
Betriebsmediums vergrößert. Sobald
die Maximalausdehnung des Wärmeträgers erreicht
wird, öffnet
sich das Rohr 5. Während
der darauf folgenden Kühlung
des Raums wird der gekühlte
Wärmeträger mit
Minderdichte in den Kompressor 23 abgeführt. Im Kompressor 23 wird
der Wärmeträger isothermisch
bei der Temperatur des Außenkühlmediums
Tx verdichtet. Dabei wird ein Teil der Wärme an das äußere Kühlmedium
(welches als Kühler
dient) abgegeben. Danach wird am Auslauf des Kompressors kalter
Wärmeträger mit
erhöhter
Dichte gebildet. Dieser kalte Wärmeträger wird
laut dem hier beschriebenen Schema benutzt.
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Dabei
dehnt sich der Wärmeträger im Hohlraum,
welcher den Wärmeträger aus
dem Wärmetauscher ableitet,
aus. Er gibt einen Teil der Energie des Betriebsmediums ab und vergrößert seine
Schwankungsamplitude. Im Hohlraum, welcher den Wärmeträger in den Wärmetauscher
einpumpt, wird der Wärmeträger adiabatisch
durch die Betriebsflüssigkeit
verdichtet. Dabei nimmt er einen Teil der Energie von der Betriebsflüssigkeit
ab und reduziert die Amplitude ihrer Schwankungen.
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Die
Betriebsmediumsschwankungen im Raum, welcher den Wärmeträger 3 in
den Wärmetauscher einpumpt,
sollten scheinbar gedämpft
werden. Jedoch wenn sogar Sondermaßnahmen ergriffen werden, um die
Schwingungen zu dämpfen,
ist das nicht der Fall. Das liegt daran, dass die Räume, die
den Wärmeträger in den
Wärmetauscher
einpumpen, und Räume,
die den Wärmeträger aus
dem Wärmetauscher
abführen,
miteinander verbunden sind, und zwar dadurch, dass sie in derselben
Dreheinheit liegen. Die Dreheinheit besteht aus einem Rotor und
einem Kern. Deswegen ergeben sich auch die Flüssigkeitsschwankungen in diesen
Räumen
als gebunden (ähnlich
wie Schwankungen von zwei miteinander gekoppelten Pendeln mit nahe
liegenden Resonanzfrequenzen). Da die Schwankungen im Gegentakt
erfolgen, wird ein Teil der Betriebsmediumenergie, welche im Wärmeträger-ableitenden
Hohlraum gespeichert ist, dem Betriebsmedium im Raum abgegeben,
welcher den Wärmeträger in den
Wärmetauscher
einpumpt. Die abgegebene Energie aus den Räumen, welche den Wärmeträger aus
dem Wärmetauscher
ableiten, überschreitet
die Energie, welche in den Räumen, die
den Wärmeträger in den
Wärmetauscher
einpumpen, aufgenommen wird. Die Differenz zwischen diesen Energien
wird vom elektromechanischen Wandler abgegriffen. Der elektromechanische
Wandler fungiert dabei im Generatorbetrieb. Dafür schaltet sich der elektromechanische
Wandler an die Außenbelastung
und an den Energiespeicher 10 an und gibt ihnen seine Energie
ab. Dabei wird der elektromechanische Wandler von der Betriebs-Steuereinheit 9 gesteuert.
Die Anschaltung erfolgt periodisch, für eine bestimmte Zeit. Diese
Zeit ist kürzer
als die Vollperiode des gesamten Ablaufs. Während des übrig gebliebenen Abschnitts
der genannten Periode trennt sich der elektromechanische Wandler
von der Außenbelastung
ab und läuft
im Motorbetrieb. Die Speisung erfolgt dabei von der im Betriebs-Energiespeicher 10 gespeicherten
Energie. Der elektromechanische Wandler leitet die Energie vom Rotor
periodisch ab oder führt
sie an den Rotor zurück.
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Die
Ableitung der Energie vom Rotor durch den elektromechanischen Wandler
erfolgt, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Rotors innerhalb der
besagten Periode vergrößert ist.
Die Energie wird zugesetzt, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Rotors
innerhalb der besagten Periode reduziert wird. Dabei wird die Energie
im Durchschnitt eher abgeleitet als zugesetzt, und die Differenz
wird zum Teil an die Außenbelastung
und zum Teil in den Speicher gefördert.
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Dieser
Betriebszustand wird mit Hilfe der Steuereinheit realisiert. Der
Mikroprozessor mit einer Taktfrequenz schickt das Steuersignal zum
Analog-Digitalumsetzer 41 zwecks Spannungsmessung. Dieser
Spannungswert wird durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des elektromechanischen
Wandlers bestimmt. Beim Drehen wird der bestimmte vorgegebene Spannungswert
erreicht, bei welchem die Umdrehungsgeschwindigkeit des elektromechanischen
Wandlers im Maximalbereich liegt. In diesem Fall legt der Schalter 44 die
Spannung gemäß dem Steuersignal
an den Stabilisator 47 und dadurch an alle jeweils an ihn
angeschlossenen Verbraucher an. Gleichzeitig nimmt der Analog-Digitalumsetzer 42 ähnlicherweise
die Strommessung am Eingang des Stabilisators 47 vor. Die
von den Analog-Digitalumsetzern 42 und 41 abgelesenen
Angaben werden im Mikroprozessor 48 multipliziert und summiert.
Diese Summe legt die Energiemenge fest, welche an den Stabilisator 47 gefördert wird.
Wenn nach einer vorgegebenen Zeit die besagte Produktsumme einen
vorgegebenen Wert unterschreitet, schickt der Mikroprozessor 48 das
Signal an den Schalter 45. Der Schalter 45 schaltet parallel
zum Stabilisator 47 zusätzlich
einen Ballastwiderstand 46 ein. Damit erfolgt die zusätzliche
Energieableitung. Sobald die auf solche Weise ermittelte Produktsumme
einen anderen vorgegebenen Wert erreicht, und die darauf folgende
Energieabnahme bereits die Dämpfung
der Betriebsmediumschwingungen verursachen wird, wird sowohl der
Stabilisator 47 mit allen an ihn angeschlossenen Verbrauchern
als auch der Ballastwiderstand 46 (falls eingeschaltet)
abgeschaltet. Danach wartet der Mikroprozessor 48 eine
bestimmte Zeit ab und wiederholt den ganzen Zyklus. (Während dieser
Wartezeit nimmt der Analog-Digitalumsetzer 41 Messungen
vor). Je nach den Ergebnissen dieser Spannungsmessungen am elektrischen
Generator führt
der Mikroprozessor 48 die Korrektur der oben erwähnten vorgegebenen
Größen aus.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Einrichtung hängt mit der Spannung und dem
Strom des elektromechanischen Wandlers zusammen. Im Grunde genommen
stellt die Steuereinheit die Energiegewinnung vom Speicher dann
sicher, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeiten fast minimal sind.
Die Anschaltung der Belastung und die Energiespeicherung erfolgen
im Gegenteil, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeiten fast maximal
sind.
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Dabei
bleibt die Schwingungsenergie des Betriebsmediums konstant: Die
Schwingungsweite wird weder gedämpft
noch vergrößert.
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Die
Energiequelle auf Basis der hybriden thermonuklearen Kernfusion
funktioniert folgendermaßen: Der
Raum 26 wird mit gasförmigem
Deuterium gefüllt.
Gleichzeitig wird das gasförmige
Tritium zur beschleunigten Ionenquelle 27 gefördert. Danach
wird an die beschleunigte Ionenquelle 27 Hochspannung vom
Hochspannungsgenerator 28 angelegt. Diese Hochspannung
beschleunigt die Tritium-Ionen, welche sich in dieser Ionenquelle
bilden. Die Beschleunigung erfolgt bis Energien von ca. 150 bis
300 Kiloelektronvolt. Die beschleunigten Tritium-Ionen werden in
den Raum 26 eingeführt
und kollidieren mit den Deuterium-Molekülen. Somit werden die Deuterium-Moleküle ionisiert,
und in manchen Fällen
(allerdings relativ selten) kommt die Kernfusionsreaktion zustande.
Infolge der Kernfusionsreaktion werden schnelle Neutronen gebildet.
Die Neutronen geraten in den Raum 25 und verursachen darin
die Kernteilung U238. Die Gesamtenergie
setzt sich aus den Energieverlusten der Tritium-Ionen infolge der
Deuterium-Ionisierung sowie der Kernspaltungs- und Fusionsenergie
zusammen. Diese Gesamtenergie wird als Wärme abgegeben und wärmt somit
den Innenkörper 19 des
Wärmeenergieerzeugers
auf. Die Vakuumwärmedämmung ermöglicht es,
den unerwünschten
Wärmestrom
vom Innenkörper 19 des
Wärmeenergieerzeugers
zu seinem Gehäuse 18 zu
mindern. Dadurch kann die Temperatur des Innenkörpers 19 des Wärmeenergieerzeugers 49 bis
zu Werte erhöht
werden, die 2000 Grad Celsius überschreiten.
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Die
Energieverluste der schnellen Tritium-Ionen wegen der Ionisierung
von Deuterium überschreiten sogar
im besten Fall die Gesamtenergie der Kernfusions- und Kernspaltungsabläufe, ungefähr um das
dreifache. Um die Funktion der Einrichtung mit positiver Energieausbeute
zu ermöglichen,
darf der Wirkungsgrad der Rückumsetzung
der Wärmeenergie
in die elektrische Energie mindestens 0.7 bis 0.8 betragen.
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Der
Nutzeffekt dieses Ablaufs gilt für
die betroffene Einrichtung als entscheidender Faktor. Aus diesem Grund
sollte der Wirkungsgrad bei der Nutzung von einem einatomigen Gas
(Inertgas) eingeschätzt
werden. Für
das einatomige Gas kann der Wirkungsgrad im Zusammenhang mit dem
oben beschriebenen Ablauf mit einer zufrieden stellenden Genauigkeit
durch folgendes Verhältnis
vorgegeben werden:
und innerhalb
eines Bereichs, wenn
wie es aus der Carnot-Formel folgt (1).
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Beim
Optimalbetrieb der Wärmeabnahme
vom Wärmetauscher
sind die Alternativbedingung einzuhalten. Einerseits sollte soviel
wie möglich
Wärme abgenommen
werden, andererseits sollte ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten
werden. Daraus folgt, daß es
sinngemäß ist, T' ~ (0.6–0.7) TN zu wählen.
Das wird η im Vergleich
zu maximal erreichbaren Werten ein wenig verringert, jedoch wird
die abgeleitete Leistung wesentlich erhöht. Werden die praktisch realisierbaren
Temperaturwerte aus Formel (6) eingesetzt, so kann schlussgefolgert
werden, dass der Wirkungsgrad η ziemlich
groß sein
wird. Bei der Verwendung der Energiequelle auf Basis der hybriden
thermonuklearen Kernfusion beläuft
sich der Wirkungsgrad auf ca. 0,75–0,8.
wie es aus der Carnot-Formel folgt (1).