DE1414949C

DE1414949C - Device for inducing nuclear fusion reactions

Info

Publication number: DE1414949C
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Nowak, Ing Karl, Wien
Publication date: 1972-06-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionsreaktionen, bestehend aus einem röhrenförmigen Reaktionsgefäß, in dem sich die Deuterium- oder Tritium-Ionen zweier Ionenbündel in axialer Richtung auf Spiralbahnen bewegen und das von einer koaxialen, ein die Ionen konzentrierendes Magnetfeld erzeugenden Spule umgeben ist, sowie einer Energieabnahmevorrichtung, die aus einer die frei werdende Energie aufnehmenden, das Reaktionsgefäß umgebenden Schicht und Mitteln zur Abführung der in dieser Schicht entstehenden Wärme besteht, bei der in den Ionenbündeln neben den Ionen auch Elektronen vorhanden sind. Erfindungsgemäß sind die Verhältnisse so gestaltet, daß die Hauptkomponenten der Geschwindigkeitsvektoren der Ionen der beiden Bündel entgegengesetztes Vorzeichen haben und daß ein quer zur Achse des Reaktionsgefäßes gerichtetes Elektronenstrahlbündel die Ionenbündel in dem Bereich, in dem sie sich durchdringen, durchsetzt.The invention relates to a device for bringing about nuclear fusion reactions, consisting of a tubular reaction vessel in which the deuterium or tritium ions of two ion bundles are concentrated move in the axial direction on spiral paths and that from a coaxial, one concentrating the ions Magnetic field generating coil is surrounded, as well as an energy take-off device, which consists of a layer and means which absorb the energy released and surround the reaction vessel to dissipate the heat generated in this layer, in the case of the in the ion bundles next to electrons are also present in the ions. According to the invention, the ratios are designed so that the principal components of the velocity vectors of the ions of the two bundles are opposite Have signs and that an electron beam directed transversely to the axis of the reaction vessel the ion bundle penetrates in the area in which they penetrate.

Es ist durch die deutsche Patentschrift 876 279 vorbekannt, Atomionen in ringförmigen Reaktionsröhren ohne oder mit Elektronenbeimengung gegeneinander zu führen. Infolge geringer Stromdichte ist jedoch die Ausbeute und Leistungsdichte gering. Es ist weiters durch die deutsche Patentschrift 689 532 bekannt, positive Ionen mittels Glühkathode und Anode mit umgebendem Magnetfeld zu erzeugen. Es handelt sich jedoch um keine Anordnung zur Herbeiführung von Kernfusionsreaktionen. Weiters ist es aus der österreichischen Patentschrift 205 612 bekannt, in einem durch ein Magnetfeld kontrahierten Elektronenstrom seitlich Atomionen einzuschießen, so daß diese im Magnetfeld gleichsinnig kreisen und mit den Elektronen ein heißes Fusionsplasma bilden. Auch ist es durch die deutsche Patentschrift 1061914 bekannt, Ionenströme vom Teilchen mit verschiedenem e/m mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unter Elektronenbeimischung durch eine Reaktionsstrecke zu führen, so daß durch die anziehende Wirkung zweier parallel gerichteter Stromfäden die Entstehung von Kernreaktionen begünstigt wird.It is already known from German patent specification 876 279, atomic ions in ring-shaped reaction tubes with or without the addition of electrons to one another respectively. As a result of the low current density, however, the yield and power density are low. It is also known from German patent specification 689 532, positive ions by means of a hot cathode and to generate anode with a surrounding magnetic field. However, it is not an arrangement to induce nuclear fusion reactions. It is also from the Austrian patent specification 205 612 known, in a stream of electrons contracted by a magnetic field, atomic ions laterally shot in, so that they rotate in the same direction in the magnetic field and a hot one with the electrons Form fusion plasma. It is also known from German Patent 1061914, ion currents from Particles with different e / m at different speeds with admixture of electrons to lead through a reaction path, so that by the attractive effect of two parallel Stream filaments the development of nuclear reactions is favored.

Demgegenüber werden beim Erfindungsgegenstand zwei magnetisch kontrahierte Ionenbündel mit hoher Relativgeschwindigkeit gegeneinander geführt, und im Zusammenhang mit in der Reaktionszone vorhandenen Elektronen ergeben sich für die in Wendelbahnen aufeinandertreffenden Ionenströme erhöhte Voraussetzungen für Fusionsreaktionen.In contrast, two magnetically contracted ion bundles with high Relative speed out against each other, and in connection with existing in the reaction zone Electrons result for the ion currents hitting one another in helical paths increased Requirements for fusion reactions.

Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using the exemplary embodiment shown in the drawing.

In der F i g. 1 bezeichnet 1 ein Gasentladungsgefäß, das beispielsweise mit Deuterium- oder Tritiumgas oder einem anderen geeigneten Gas gefüllt ist. In diesem Gefäß findet zwischen der Anode 2 und einer durchbohrten Kathode 3 eine stromstarke Gasentladung statt, wobei durch eine Bohrung der Kathode Kanalstrahlen austreten, nämlich positive Atomionen des betreffenden Gases. Diese Ladungsträger können gegebenenfalls in bekannter Weise durch magnetische Filter, die hier nicht dargestellt sind (Umlenkungen im Magnetfeld oder in Kombinationen vom magnetischen oder elektrischen Feldern ähnlich der Anordnung eines Massespektrographen) nach Intensität geordnet bzw. ausgewählt werden. Durch ein Gitter 4 kann der Ionenstrom gesperrt werden. Das Gitter dient dazu, nur einen Stromstoß begrenzter Dauer, z. B. von einigen Zehntelsekunden bis Sekunden, oder begrenzter Stärke passieren zu lassen. Hinter dem Gitter 4 folgt eine Magnetspule S, welche den Ionenstrahl konzenfriert und ihm dabei eine der Feldrichtung entsprechende Wendelrichtung aufdrückt. Hierauf tritt der Strahl in einen Beschleuniger 6 ein, z. B. einen Linearbeschleuniger oder ein Zyklotron, wo ihm die gewünschte Beschleunigung erteilt wird.In FIG. 1 denotes 1 a gas discharge vessel, which is filled, for example, with deuterium or tritium gas or another suitable gas is. In this vessel there is a high current between the anode 2 and a pierced cathode 3 Gas discharge takes place, with channel rays emerging through a bore in the cathode, namely positive ones Atomic ions of the gas in question. These charge carriers can optionally be used in a known manner by magnetic filters, which are not shown here (deflections in the magnetic field or in combinations from magnetic or electric fields similar to the arrangement of a mass spectrograph) can be sorted or selected according to intensity. The ion current can through a grid 4 be blocked. The purpose of the grid is to provide only one surge of current of limited duration, e.g. B. of some Letting pass tenths of a second to seconds, or limited strength. Behind the grid 4 follows a magnetic coil S, which concentrates the ion beam and gives it a direction corresponding to the field direction Helical direction pushes. The beam then enters an accelerator 6, e.g. B. a Linear accelerator or a cyclotron, where it is given the desired acceleration.

ίο Nach dem Austritt aus dem Beschleuniger tritt der Strahl in das Feld einer Magnetspule 7 ein, in dessen Bereich er auf einen entgegenkommenden, aus einer symmetrischen Anordnung stammenden gleichartigen Strahl trifft. Durch das Magnetfeld der Spule 7 werden die beiden Ionenstrahlen konzentriert, und ein spiralförmiger Umlauf der Atomionen bewirkt bzw. verstärkt, welche Umläufe für die gegeneinandergerichteten Bewegungen entgegengesetzt sind, so daß sich die Spiralbahnen überschneiden und hierdurch die Trefferwahrscheinlichkeit stark erhöht ist. Dies erscheint besonders dann der Fall, wenn die beiden Wendelbahnen genau oder annähernd gleichen Durchmesser besitzen bzw. die Materiewellen-Frequenz der beiden Atomionen-ίο After exiting the accelerator occurs the beam enters the field of a magnetic coil 7, in the area of which it hits an oncoming, from a symmetrical arrangement of the same type of beam hits. Due to the magnetic field of the Coil 7, the two ion beams are concentrated, and a spiral revolution of the atomic ions causes or reinforces which revolutions are opposite for the oppositely directed movements are, so that the spiral paths intersect and thereby the hit probability is greatly increased. This appears particularly the case when the two helical paths are exactly or have approximately the same diameter or the matter wave frequency of the two atomic ions

»5 Strahlungen gleich oder etwas unterschiedlich gehalten ist, was durch geeignete Wahl der Beschleunigungsspannungen erzielt wird.»5 radiations kept the same or slightly different is what is achieved by suitable choice of acceleration voltages.

Sind die Betriebsverhältnisse richtig gewählt, d. h. sind die Beschleunigungen so groß, daß die Energie der Teilchen zur Überwindung ihrer coulombschen Abstoßung ausreicht, so wird eine Kernverschmelzung stattfinden, ähnlich wie sie bei einer Wasserstoffbombe durch die Explosionstemperatur einer Kernspaltungs-Atombombe eingeleitet wird. Hier aber ist die Reaktion kontrollierbar, da sie von der Menge der gegeneinandergeführten Teilchen und deren Energie abhängt, welche Faktoren wählbar sind. Die frei werdenden Strahlungen oder Neutronenenergien werden von einer innerhalb eines Kühlmantels 8 angebrachten Aufnahmeschicht 9 aufgefangen, wo sie als Wärme- oder gegebenenfalls auch mit einem elektrischen Ladungsanteil in Erscheinung treten können.Are the operating conditions selected correctly, d. H. the accelerations are so great that the energy If the particle is sufficient to overcome its Coulomb repulsion, a nuclear fusion occurs take place, similar to what happens with a hydrogen bomb due to the explosion temperature of a Nuclear fission atomic bomb is launched. Here, however, the reaction can be controlled, since it depends on the Amount of particles brought against one another and their energy depends on which factors can be selected are. The released radiations or neutron energies are caught by a receiving layer 9 attached within a cooling jacket 8, where they appear as heat or, if necessary, with an electrical charge can kick.

Der vakuumtechnische Teil der Apparatur ist dem Fachmann geläufig und der Einfachheit halber nicht dargestellt. Im Bereich des für die Reaktion vorgesehenen Rohrteiles und auch in den Beschleunigern kann Hochvakuum oder gegebenenfalls auch ein geeigneter mäßiger Gasdruck herrschen.The vacuum-technical part of the apparatus is familiar to the person skilled in the art and, for the sake of simplicity, not shown. In the area of the pipe section intended for the reaction and also in the accelerators a high vacuum or, if appropriate, a suitable moderate gas pressure can prevail.

Alle Magnetfelder haben im Sinne der Erfindung vorzugsweise gleichen Wirkungssinn, d. h., die Spulen S, Sa und 7 sind so gewählt und stromdurchflossen, als wäre das gesamte System ein einziger Stabmagnet. Bei der Spule 5 verläuft also die Teilchenbewegung entgegengesetzt durch den Bereich des magnetischen Feldes gegenüber dem Verlauf im Bereich des magnetischen Feldes der Spule 5 a, also in einem Falle vom Nord- zum Südpol des Feldes und im anderen Falle umgekehrt vom Süd- zum Nordpol.In the context of the invention, all magnetic fields preferably have the same sense of action, ie the coils S, Sa and 7 are selected and flowed through in such a way as if the entire system were a single bar magnet. In the case of the coil 5, the particle movement runs in the opposite direction through the area of the magnetic field compared to the course in the area of the magnetic field of the coil 5a , i.e. in one case from the north to the south pole of the field and in the other case vice versa from the south to the north pole.

Hingegen ergibt eine Betrachtung der Magnetspulen an sich, daß deren Feldrichtungen im Verhältnis zueinander einheitlich sind, d. h. für die Spulen 5, 7 und 5 a ergibt sich in dieser Reihenfolge stets die gleiche magnetische Feldrichtung Nord-Süd (oder von der anderen Seite betrachtet Süd-Nord). ,Dies ist in der Zeichnung mittels der Buchstaben N und S angedeutet.On the other hand, a consideration of the magnetic coils shows that their field directions are uniform in relation to one another, i.e. for the coils 5, 7 and 5 a, in this order, the same magnetic field direction north-south (or, viewed from the other side, south- North). This is indicated in the drawing by means of the letters N and S.

In diesen Feldern beschreiben nun gleichgeladeneIn these fields now describe similarly charged

Teilchen bei Gegeneinanderbewegung Schraubenbahnen entgegengesetzten Umlaufsinnes, die sich beim Aufeinandertreffen überschneiden und dabei auch magnetisch selbst konzentrieren, also magnetisch sogar anziehen und nicht abstoßen.Particles moving against each other in opposite directions of rotation, which move overlap when they meet and also concentrate magnetically, i.e. magnetically even attract and not repel.

Die Verhältnisse der Atomionenbewegungen zeigt die F i g. 2. Hier sind die gegeneinanderbewegten Wendelbahnen entgegengesetzten Wendelsinnes erkennbar. The relationships between the atomic ion motions are shown in FIG. 2. Here are the ones moving towards each other Helical paths opposite helical sense recognizable.

Man kann die genannten Verhältnisse anschaulich gestalten, wenn man sich an Stelle der Konvektionsströme der gegeneinandergerichteten Ionenbündel zwei Gewindeschrauben vorstellt, von welchen die eine ein Rechts- und die andere ein Linksgewinde besitzt. Werden diese beiden sich gegenüberstehenden Schrauben gedreht, so ergibt eine von der Seite her gesehen in richtiger gleicher Richtung veranlaßte Drehung derselben eine Gegeneinanderbewegung. Diese von der Seite her betrachtet gleichsinnige Drehbewegung ist aber bei Blick in die beiden Bewegungsrichtungen je eine Rechts- bzw. Linksdrehung, denn die Spiegelung einer Rechtsdrehung ergibt eine Linksdrehung.You can make the above-mentioned relationships vividly if you take the place of convection currents of the oppositely directed ion bundle presents two threaded screws, of which the one has a right-hand thread and the other a left-hand thread. Will these two be facing each other If the screws are turned, this results in one that is caused in the same direction when viewed from the side Rotation of the same a movement towards each other. This, viewed from the side, is in the same direction However, when looking into the two directions of movement, turning movement is a clockwise or counterclockwise rotation, because mirroring a clockwise rotation results in a counterclockwise rotation.

Die in jeder der axialen Blickrichtungen gleichen Umlaufsinne gleichpoliger Ladungen ergeben jedoch ein gemeinsames gleichgerichtetes Magnetfeld, das die gegeneinandergerichteten Wendelbewegungen gleichpoliger Konvektionsströme auch von sich aus magnetisch konzentriert.However, the same direction of rotation in each of the axial directions of view results in charges of the same polarity a common rectified magnetic field, which is the oppositely directed helical movements homopolar convection currents also magnetically concentrated by themselves.

Die Wirkung der äußeren Magnetfelder ist ebenfalls zu übersehen, wenn man sich vorstellt, daß die Wendelbewegung der Ladungsträger ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt, das in axialer Richtung Nord-Süd oder umgekehrt gepolt ist. Die Spulen 5, 7 und 5 a begünstigen dann eine Bewegung, die mit ihrer eigenen Polung harmoniert, und behindern eine entgegengesetzte Wendelbewegung.The effect of the external magnetic fields can also be overlooked if one imagines that the helical movement of the charge carriers also generates a magnetic field that runs in the axial direction Polarity is north-south or vice versa. The coils 5, 7 and 5 a then favor a movement with their own polarity harmonize and hinder an opposing spiral movement.

Die Spulen 5, 5 a können zweckmäßig auch so ausgeführt werden, daß sie auch die Kanalstrahlröhren 1 bzw. la umgeben.The coils 5, 5 a can be suitably also be designed so that they surround the channel-ray tubes 1 and la.

Die beiden Teile der Apparatur sind entweder völlig symmetrisch, oder es kann gegebenenfalls vorteilhaft sein, eine kleine Unsymmetrie zu schaffen. Bei völliger Symmetrie sind die Amplituden, Wellenlängen, Frequenzen und Bewegungsgeschwindigkeiten der beiden Strahlungen völlig gleich.The two parts of the apparatus are either completely symmetrical, or it can optionally be advantageous to create a small asymmetry. With complete symmetry, the amplitudes Wavelengths, frequencies and speeds of movement of the two radiations are completely the same.

Eine Fusion von gegeneinandergeführten leichten Atomionen, insbesondere von Deuterium- oder Tritiumionen, ist schon mit Energien von einigen keV möglich, sofern nur die erforderlichen Treffer erzielt werden. Die Atomionen werden jedoch gegebenenfalls auch wesentlich stärker beschleunigt, beispielsweise je mit etwa 100 kV oder auch mehr. Mit steigender Geschwindigkeit, hervorgerufen durch die höhere Beschleunigungsspannung, verringert sich die relative Steigung der im Magnetfeld entstehenden Wendelbahn, und es besteht somit unter Umständen eine wesentliche Erhöhung der Trefferwahrscheinlichkeit. Allerdings werden damit auch die Bahnen gegeneinander relativ verflacht, so daß die Relativgeschwindigkeit der Teilchen' für das Aufeinandertreffen sich nicht in gleicher Weise erhöht. Es ist jedoch zur Bewirkung der Reaktion kein direkter »Treffer« erforderlich, sondern es genügt, wenn sich die Teilchen einander auf so geringe Distanz nähern, daß an Stelle der coulombschen Abstoßung eine Anziehung auf Grund der Kernkräfte auftritt. Dies kann verstärkt erreicht werden, indem hohe Ladungsträgerkonzentrationen in den sich überschneidenden Spiralbahnmänteln entstehen. Das wiederum kann erreicht werden, wenn die gegeneinandergeführten stark konzentrierten Atomionen im Bereich ihres Zusammentreffens sich mit einem Elektronenstrom kreuzen.A fusion of light atomic ions brought against one another, in particular of deuterium or Tritium ions, is already possible with energies of a few keV, provided that only the required hits be achieved. However, the atomic ions may also be accelerated much more strongly, for example, each with about 100 kV or even more. With increasing speed, caused by the higher the acceleration voltage, the relative slope of the magnetic field decreases Wendelbahn, and there may therefore be a significant increase in the probability of being hit. However, this also flattens the tracks relative to one another, so that the relative speed the particles' for the meeting do not increase in the same way. It is however, no direct "hit" is required to bring about the reaction; it is sufficient if there is the particles approach each other at such a short distance that instead of the Coulomb repulsion a Attraction occurs due to the nuclear forces. This can be achieved to a greater extent by using high charge carrier concentrations arise in the overlapping spiral path coats. This, in turn, can be achieved if the mutually guided highly concentrated atomic ions in the area of their meeting with a stream of electrons cross.

In der F i g. 3 besitzt das Reaktionsrohr 9 eine oder mehrere Ausbuchtungen, welche eine Kathode 10 und eine gegenüberliegende Anode 11 enthalten, zwischen welchen Elektroden ein Elektronenstrom übergeht. Vor der Kathode kann sich noch eine positive Beschleunigungselektrode befinden. Der Elektronenstrahl wird zweckmäßig eine mittlere Geschwindigkeit ähnlich wie in einer Braunschen Röhre besitzen, also mit einer Spannung von der Größenordnung tausend Volt zu beschleunigen sein. Durch diese Anordnung wird der Strom der Atomionen im Zentrum der Reaktionsstrecke durch einen Elektronenstrom geführt und so die Wahrscheinlichkeit der Reaktion noch weiter erhöht.In FIG. 3, the reaction tube 9 has one or more bulges, which form a cathode 10 and an opposite anode 11 contain, between which electrodes a stream of electrons transforms. A positive acceleration electrode can also be located in front of the cathode. the Electron beam is expediently a medium speed similar to that in a Braunsche Have a tube, which means that it can be accelerated with a voltage of the order of a thousand volts. Due to this arrangement, the stream of atomic ions in the center of the reaction path is through one Electrons flow and so the probability of the reaction increases even further.

Die vorliegende Einrichtung stellt jedenfalls eine geeignete Lösung für das bekannte Problem der Kernfusion dar. Dieses Problem ist für die Energieversorgung der Menschheit auf lange Sicht wichtig. Außerdem ist jedoch der gewünschte radioaktive Abfall für Kernfusion ungleich kleiner als bei Kernspaltung. In any case, the present device provides a suitable solution to the known problem of Nuclear fusion. This problem is important for the energy supply of mankind in the long term. In addition, however, the desired radioactive waste for nuclear fusion is much smaller than for nuclear fission.

Es erscheint zweckmäßig, zur Herbeiführung der Reaktion kurzzeitige Stromimpulse relativ größerer Stärke anzuwenden, so daß kurzzeitig hohe Atomionenkonzentrationen entstehen. Die in Frage kommenden Zeiten liegen etwa in der Gegend von einigen Zehntelsekunden oder auch darunter bis zu einigen Sekunden.It appears useful to induce the reaction to short-term current impulses, which are relatively larger To apply strength so that briefly high atomic ion concentrations arise. The ones in question Times are in the region of a few tenths of a second or even less than a few Seconds.

Claims

Patent claims:

1. Device for inducing nuclear fusion reactions, consisting of a tubular Reaction vessel in which the deuterium or tritium ions of two ion bundles are located move in the axial direction on spiral paths and that from a coaxial, one concentrating the ions Magnetic field generating coil is surrounded, as well as an energy take-off device, the one that absorbs the released energy and surrounds the reaction vessel Layer and means for dissipating the heat generated in this layer, in which in the ion bundles contain electrons in addition to the ions, characterized in that that the principal components of the velocity vectors of the ions of the two Bundles have opposite signs and that one is transverse to the axis of the reaction vessel Directed electron beam the ion bundles in the area in which they penetrate each other, interspersed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the two antomionic currents contain approximately equally strongly accelerated ions.

1 sheet of drawings