DE1900524B1

DE1900524B1 - Device for inducing nuclear fusion reactions with pulsed lasers aimed at fusible gases

Info

Publication number: DE1900524B1
Application number: DE19691900524
Authority: DE
Inventors: Dr Wolfgang Kaiser; Dr Rer Nat Hans Opower
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-01-07
Filing date: 1969-01-07
Publication date: 1970-08-27

Description

In der üblichen Plasmaphysik wird versucht, dadurch einen kontinuierlichen Reaktionsablauf zu erhalten, daß das entsprechend aufgeheizte Plasma mit Hilfe magnetischer Felder über einen langen Zeitraum zusammengehalten wird. Dabei darf das Plasma nur eine sehr geringe Dichte aufweisen (maximal 1017 cm-3). In the usual plasma physics an attempt is made to achieve a continuous To obtain reaction sequence that the correspondingly heated plasma with the help of magnetic Fields are held together for a long period of time. The plasma is only allowed to have a very low density (maximum 1017 cm-3).

Andernfalls gehen die erforderlichen Magnetfeldstärken über das technisch realisierbare Maß hinaus. Bei dieser zulässigen Dichte wird aber die notwendige Reaktionszeit so groß, daß sie infolge der unvermeidlichen und bis heute nicht zu behebenden Instabilitäten auch nicht annähernd erreicht werden kann.Otherwise, the required magnetic field strengths go beyond the technical realizable dimension. With this permissible density, however, the necessary Response time so great that it is inevitable and not to this day as a result corrective instabilities cannot even come close.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf einem anderen Wege Plasmen hoher Dichte zu erzeugen und auf diese Weise Kernfusionsreaktionen herbeizuführen. Es wird dabei von einer bekannten Vorrichtung zum Herbeiführen von Kernfusionsreaktionen mit gepulsten, auf fusionsfähige Gase gerichteten Lasern ausgegangen. The object of the invention is to produce higher plasmas in another way To generate density and in this way to bring about nuclear fusion reactions. It is thereby of a known device for bringing about nuclear fusion reactions started with pulsed lasers aimed at fusible gases.

Folgende Überlegungen werden zur Erläuterung vorausgeschickt: Die in Frage kommenden Reaktionen D-D und D-T erfordern eine Plasmatemperatur von mehreren keV. Da zwangsweise auch die Elektronen sich auf dieser Temperatur befinden, muß ein Energieverlust durch Bremsstrahlung in Kauf genommen werden. The following considerations are sent in advance for clarification: The Possible reactions D-D and D-T require a plasma temperature of several keV. Since the electrons are inevitably also at this temperature, must energy loss due to bremsstrahlung must be accepted.

Während aber die Fusionsrate annähernd exponentiell mit der Temperatur zunimmt, wächst die Bremsstrahlung nur mit der Wurzel aus der Elektronentemperatur.While the rate of fusion increases almost exponentially with temperature increases, the bremsstrahlung only increases with the square root of the electron temperature.

Daraus resultiert eine Schwellentemperatur (unabhängig von der Dichte), die, wenn ein selbständiger Reaktionsablauf stattfinden soll, überschritten werden muß. Bei einem reinen D-T-Gemisch entspricht diese Temperatur einer Teilchenenergie von etwa 5 keV.This results in a threshold temperature (independent of the density), which, if an independent reaction sequence is to take place, will be exceeded got to. In the case of a pure D-T mixture, this temperature corresponds to a particle energy of about 5 keV.

Darüber hinaus müssen noch weitere Bedingungen erfüllt werden: Das aufgeheizte Plasma muß eine gewisse Mindestzeit reagieren können, damit die erforderliche hohe Anzahl von Einzelreaktionen stattfinden kann. Eine rohe Abschätzung, die die Zahl der Reaktionen und die pro Reaktion frei werdende Energie ins Verhältnis setzt zu der für die Aufheizung erforderlichen Energie, ergibt für die D-T-Reaktionen, daß das Produkt aus Teilchendichte n und Zeit t etwa den Wert 1014 cm-3 sec (1) erreichen muß.In addition, other conditions must be met: That heated plasma must be able to react for a certain minimum time so that the required high number of individual reactions can take place. A raw estimate that the The number of reactions and the energy released per reaction in relation to each other to the energy required for heating, results in the D-T reactions, that the product of particle density n and time t is about 1014 cm-3 sec (1) must achieve.

Die bei Fusionsreaktionen entstehenden geladenen Reaktionsprodukte, die durch Wechselwirkung mit den benachbarten Atomen und Ionen für die weitere Aufheizung sorgen, besitzen eine von ihrer Masse, Ladung und Energie sowie von der Elektronendichte der benachbarten Umgebung bestimmte Energieabgabe pro Weglänge. Dies führt zu einer effektiven Reichweite von einigen 1021 Elektronen pro Quadratzentimeter (entspricht bei Wasserstoff von 50 Atmosphären Druck einer Schichtdicke von mehreren mm), (2) wobei die Dimensionen des Systems so gewählt werden müssen, daß die frei werdende Reaktionsenergie zur Aufheizung des entsprechenden Volumens ausreicht. The charged reaction products resulting from fusion reactions, by interacting with the neighboring atoms and ions for further heating cares, have one of their mass, charge and energy as well as of the electron density energy output per path length determined by the neighboring environment. This leads to a effective range of some 1021 electrons per square centimeter (corresponds to with hydrogen at 50 atmospheres pressure a layer thickness of several mm), (2) the dimensions of the system must be chosen so that the free Reaction energy is sufficient to heat the corresponding volume.

Unter der Wirkung eines hinreichend starken elektromagnetischen Feldes werden auch in einem Dielektrikum Elektronen freigesetzt, die durch Stoßionisation lawinenartig ein hochionisiertes Plasma entstehen lassen. Die Aufheizung eines Plasmas durch Absorption elektromagnetischer Energie unterliegt gewissen Ein- schränkungen. Es zeigt sich, daß elektromagnetische Strahlung mit einer vorgegebenen Frequenz nicht in Plasmen beliebig hoher Dichte einzudringen vermag; die für eine Aufheizung in Frage kommende Elektronendichte des Plasmas ne wird durch die Frequenz w der elektromagnetischen Strahlung begrenzt gemäß der Beziehung ne < 4 w2 e- - zu @2, (3) 4e2 wobei me die Elektronenmasse und e die Elementarladung bezeichnen. Für die im Sichtbaren liegende Strahlung eines Rubinlasers (R ~ 0,7 saum) beträgt die durch das Gleicheitszeichen in (3) folgende maximale Dichte etwa 2. 1021 cm-3; für die Infrarotstrahlung eines Neodymlasers (R um) beträgt diese Dichte etwa 1021 cm-3 und für die langwellige Infrarotstrahlung eines CO2-Lasers (R ~ 10 Fm) nur etwa 1019 cm-3. Under the action of a sufficiently strong electromagnetic field Electrons are also released in a dielectric by impact ionization Let a highly ionized plasma arise like an avalanche. The heating of a plasma by absorption of electromagnetic energy is subject to certain restrictions. It turns out that electromagnetic radiation with a given frequency unable to penetrate plasmas of any density; those for heating up eligible electron density of the plasma ne is determined by the frequency w of electromagnetic radiation limited according to the relationship ne <4 w2 e- - zu @ 2, (3) 4e2 where me denotes the electron mass and e the elementary charge. For the visible radiation of a ruby laser (R ~ 0.7 hem) is the maximum density following by the equal sign in (3) is about 2. 1021 cm-3; for the infrared radiation of a neodymium laser (R um) this density is about 1021 cm-3 and for the long-wave infrared radiation of a CO2 laser (R ~ 10 Fm) only about 1019 cm-3.

Daraus folgt, daß mit den üblichen Lasern ein Plasma von der Dichte eines festen Körpers nicht unmittelbar aufgeheizt werden kann.It follows that with the usual lasers a plasma of the same density a solid body cannot be heated up immediately.

Bisher wurden bei der Erzeugung von Plasmen durch Laserlicht zwei Wege eingeschlagen: einmal dient als Ausgangssubstanz ein fester Körper. Bei der Bestrahlung einer festen Substanz, z. B. eines festen Wasserstoffs, entsteht an der Oberfläche eine dünne Schicht, in der sich die für die Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld günstige Dichte durchExpansion des Plasmas in den freien Raum einzustellen vermag und in der daher die Absorption der elektromagnetischen Energie stattfindet. Eine Energieübertragung in das Innere der bestrahlten Substanz wird erst sekundär durch Wärmeleitung besorgt. Dadurch ist die homogene Aufheizung einer größeren Substanzmenge beträchtlich erschwert. So far, there have been two in the generation of plasmas by laser light Path taken: once a solid body serves as the starting substance. In the Irradiation of a solid substance, e.g. B. a solid hydrogen arises the surface is a thin layer in which the interaction with the Radiation field to set a favorable density by expanding the plasma into free space and in which the electromagnetic energy is therefore absorbed. An energy transfer into the interior of the irradiated substance is only secondary concerned by conduction. This is the homogeneous heating of a larger amount of substance considerably more difficult.

Zum anderen wird das Laserlicht in einer Gasatmosphäre fokussiert. Dabei entsteht, sobald eine von der Gasart und dem Druck abhängige Lichtintensität erreicht ist, ein Gasdurchbruch. Der Nachteil dieser Methode liegt darin, daß zwar eine große Menge Gas ionisiert wird, diese aber eine für Fusionsreaktionen zu geringe Temperatur erhält. On the other hand, the laser light is focused in a gas atmosphere. As soon as there is a light intensity that depends on the type of gas and the pressure is reached, a gas breakthrough. The disadvantage of this method is that although a large amount of gas is ionized, but this amount is too small for fusion reactions Temperature.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Weg eingeschIagen, der die jeweiligen Vorteile der beiden genannten Methoden vereinigt und ihre Nachteile eliminiert. Die Erfindung besteht darin, daß zwei in einem ständig evakuierten Gehäuse befindliche Rohre, in denen das Gas stömt, mit ihren Mündungen unter Belassung eines Ringspaltes, dessen Breite kleiner als der lichte Rohrdurchmesser ist, koaxial einander gegenüberliegen und daß im Abstand zu den Rohren aus mehreren Lasern bestehende Lasersysteme angeordnet sind, deren Lichtbündel auf den Ringspalt gerichtet sind. Es wird mit einem Plasma gearbeitet, dessen Dichte der Frequenz des eingestrahlten Laserlichtes angepaßt ist, wobei die Ausgangssubstanz vor dem Aufheizen ein definiertes Volumen einnimmt, das in etwa durch die Größe des notwendigen Plasmareaktionsvolumens bestimmt ist. The present invention takes a route which the respective advantages of the two methods mentioned are combined and their disadvantages are eliminated. The invention consists in the fact that two are located in a constantly evacuated housing Pipes in which the gas flows with their mouths leaving an annular gap, the width of which is smaller than the clear pipe diameter, are coaxially opposite one another and that laser systems consisting of several lasers are arranged at a distance from the tubes are whose light bundles are directed onto the annular gap. It comes with a plasma worked, the density of which is adapted to the frequency of the incident laser light is, where the starting substance takes up a defined volume before heating, which is roughly determined by the size of the necessary plasma reaction volume.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt: F i g. 1 ist ein Axialschnitt durch die Vorrichtung nach Linie I-I in Fig. 2; F i g. 2 ist ein Schnitt nach Linie II-II in F i g. 1; F i g. 3 ist ein Axialschnitt durch die Rohre im Mündungsbereich und zeigt ein spezielles Beispiel ein er besonderen Ausführungsform. The drawing shows an embodiment of the subject matter of the invention shown schematically: F i g. 1 is an axial section through the device according to FIG Line I-I in Figure 2; F i g. 2 is a section along line II-II in FIG. 1; F i G. 3 is an axial section through the tubes in the mouth area and shows a special one Example of a special embodiment.

Die Vorrichtung besteht aus zwei Rohren 1, die unter Belassung eines Ringspaltes 2 koaxial einander gegenüberliegen. Mit 3 sind die Einzelelemente des Lasersystems bezeichnet. Diese können z. B. sowohl radial als auch in mehreren Lagen übereinander angeordnet sein. Die Lichtbündel des Lasersystems werden durch Linsen, gegebenenfalls eine Ringlinse 4, gesammelt und auf den Ringspalt gerichtet. The device consists of two tubes 1, which, leaving one Annular gap 2 are coaxially opposite one another. With 3 the individual elements of the Called laser system. These can e.g. B. both radially and in several layers be arranged one above the other. The light bundles of the laser system are through lenses, optionally a ring lens 4, collected and directed onto the ring gap.

F i g. 3 zeigt eine mögliche Ausführung der Rohrquerschnitte. Die hier gezeigte Form ähnelt Lavaldüsen. Es ist vorteilhaft, die den Gasstrom führenden Rohre an ihrer Innenseite mit einem ebenfalls fusionsfähigen festen Material auszukleiden. Es empfiehlt sich hierfür LiD oder LiT. Durch den Einsatz von (technisch allerdings aufwendigen) Tieftemperaturanlagen kann auch die Verwendung von festem Wasserstoff als Auskleidung ermöglicht werden. F i g. 3 shows a possible embodiment of the pipe cross-sections. the The shape shown here is similar to Laval nozzles. It is advantageous to have the gas flow leading Line the inside of the pipes with a solid material that is also fusible. We recommend LiD or LiT for this. By using (technically, however Elaborate) low-temperature systems can also use solid hydrogen be made possible as a lining.

Zur Vereinfachung der Darstellung wurden das Gehäuse sowie die Vakuumpumpen in der Zeichnung weggelassen, ebenso die bewegliche Anordnung der Rohre. Ferner fehlen die Drahtwicklungen in Mündungsnähe. To simplify the illustration, the housing and the vacuum pumps have been added omitted in the drawing, as well as the movable arrangement of the tubes. Further the wire windings are missing near the muzzle.

In einer Versuchsausführung haben die Rohre etwa die Größe wie in F i g. 1 bis 3. Das Lasersystem hat einen Durchmesser von einigen Metern. In an experimental version, the pipes are roughly the same size as in F i g. 1 to 3. The laser system has a diameter of a few meters.

Beim Betrieb der vorbeschriebenen Vorrichtung dient als Ausgangssubstanz ein reines Gemisch der schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, welches vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit oder darüber durch die Rohre 1 geschickt wird. Die Rohre dienen hierzu als Begrenzung des Strömungsvolumens, in welches das Licht durch den Ringspalt, d. h. ohne trennende Zwischenwand, eindringen kann. Es ist von Vorteil, daß die Anordnung der Laser und Abbildungssysteme so eingerichtet werden kann, daß die auf den Ringspalt gerichteten Lichtbündel in definiert bestimmbaren Brennilächen zusammenlaufen. Damit kann das dynamische Verhalten des Plasmas im Reaktionsvolumen beeinflußt werden. Normalerweise wird beim Ausströmen eines Gases aus einer Düse nur eine Strömungsgeschwindigkeit erreicht, die gleich ist der Schallgeschwindigkeit des betreffenden Gases unter den herrschenden Bedingungen. Wenn jedoch die Düsen nach Art von Lavaldüsen ausgebildet sind - wie dies schematisch in Fig.3 zum Ausdruck kommt, kann auch eine Überschallgeschwindigkeit in der Strömung erreicht werden. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Gases kann vorteilhaft sein, weil damit das seitliche Entweichen des Gases aus dem Ringspalt verringert wird. Auf diese Weise wird ermöglicht, daß das Licht bis zum Erreichen des durch die koaxialen Rohre vorgegebenen Volumens im Vakuum oder zumindest in einer Atmosphäre außerordentlich geringer Dichte läuft. Der unvermeidlich durch den Ringspalt in das Gehäuse austretende Gasanteil, der einen für die Aufheizung erwünschten allmählichen Dichteabfall zur Folge hat, muß durch Pumpen ständig abgesaugt werden. When operating the device described above, the starting substance is used a pure mixture of the heavy hydrogen isotopes deuterium and tritium, which preferably sent through the tubes 1 at the speed of sound or above will. The tubes serve to limit the flow volume into which the Light through the annular gap, d. H. can penetrate without a separating partition. It It is advantageous that the arrangement of the lasers and imaging systems is set up in this way it can be that the light bundles directed onto the annular gap can be determined in a defined manner Focal surfaces converge. This allows the dynamic behavior of the plasma in the Reaction volume can be influenced. Usually when a gas escapes A nozzle only reaches a flow velocity that is equal to the speed of sound of the gas in question under the prevailing conditions. However, if the nozzles are designed in the manner of Laval nozzles - as shown schematically in FIG comes, a supersonic speed can also be achieved in the flow. A high flow rate of the gas can be advantageous because it means that lateral escape of the gas from the annular gap is reduced. In this way is made possible that the light until it reaches the predetermined by the coaxial tubes Volume in a vacuum or at least in an atmosphere of extremely low density runs. The proportion of gas that inevitably escapes through the annular gap into the housing, which results in a gradual decrease in density that is desirable for heating, must be constantly sucked off by pumping.

Die folgenden Zahlen sind als größenordnungsmäßige Abschätzung zu betrachten: das aufzuheizende Volumen sollte bei einer Teilchendichte von 1021 einige 100 mm2 betragen. Das bedeutet, daß die Lichtenergie zur Aufheizung von mehreren 1020 Teilchen ausreichen muß; das erfordert bei einer Temperatur von 10 keV eine Lichtenergie von mehreren 10S Joule. The following figures are to be used as an approximate estimate consider: the volume to be heated should be a few with a particle density of 1021 100 mm2. That means that the light energy to heat several 1020 particles must be sufficient; this requires a at a temperature of 10 keV Light energy of several 10S joules.

Eine solche Lichtenergie kann nur von einem umfangreichen Lasersystem aufgebracht werden, das beispielsweise aus einer großen Anzahl von Laserelementen bestehen kann. Ein Beispiel für eine mögliche Anordnung ist schematisch in den F i g. 1 und 2 skizziert.Such light energy can only come from an extensive laser system be applied, for example from a large number of laser elements exist can. An example of a possible arrangement is shown schematically in FIGS. 1 and 2 outlined.

Beim Zustandekommen eines thermonuklearen Reaktionsablaufes entsteht ein Druckstoß auf die den Gasstrom führenden Rohre. Damit dieser Druckstoß abgefangen werden kann, sollen die Rohre axial beweglich angeordnet sein, so daß ihre mechanische Bewegungsenergie nutzbar gemacht werden kann. Die axiale Auseinanderbewegung der Rohre führt darüber hinaus durch die damit verbundene Dichteabnahme und Abkühlung des Plasmas zum Erlöschen des Reaktionsablaufes. An dieser Stelle soll erwähnt werden, daß durch sorgfältige Dosierung der Gasmengen und/oder des D-T2-Mischungsverhältnisses der Ablauf der Reaktion bestimmt werden kann. When a thermonuclear reaction process occurs a pressure surge on the pipes carrying the gas flow. So that this pressure surge is intercepted can be, the tubes should be arranged to be axially movable, so that their mechanical Kinetic energy can be harnessed. The axial divergence of the Pipes also lead through the associated decrease in density and cooling of the plasma to extinguish the reaction process. At this point it should be mentioned that by carefully metering the gas quantities and / or the D-T2 mixing ratio the course of the reaction can be determined.

Die thermische Energie der infolge eines Reaktionsablaufes aufgeheizten und zum Teil noch ionisierten, abstömenden Gase kann ebenfalls nutzbar gemacht werden. The thermal energy of the heated up as a result of a reaction process and partially ionized, escaping gases can also be made usable.

Obgleich, wie bereits erwähnt, das energiereiche Plasma durch Magnetfelder nicht zusammengehalten werden kann, ist es doch vorteilhaft, wenn in der Nähe des Ringspaltes ein axiales Magnetfeld vorhanden ist. Although, as already mentioned, the high-energy plasma by magnetic fields cannot be held together, it is advantageous if in the vicinity of the Annular gap an axial magnetic field is present.

Auf diese Weise ist es möglich, daß das seitliche Austreten des strömenden Gases, das z. B. durch Lichteinstrahlung verhältnismäßig geringer Leistung vorionisiert wird, vor der starken Aufheizung durch die intensiven Lichtbündel weitgehend verhindert wird.In this way it is possible that the lateral exit of the flowing Gas that z. B. pre-ionized by light irradiation of relatively low power is largely prevented from being heated up by the intense bundles of light will.

Für den Reaktionsablauf selbst ist nur der Teil der Fusionsenergie maßgebend, der den geladenen Reaktionsprodukten als kinetische Energie mitgegeben ist. Only that part of the fusion energy is necessary for the reaction itself decisive, which is given to the charged reaction products as kinetic energy is.

Der größere Teil der frei werdenden Energie tritt aber als kinetische Energie der Neutronen in Erscheinung.The greater part of the released energy occurs as kinetic Energy of the neutrons in appearance.

Zur Nutzbarmachung dieser Energie soll sich außerhalb der gasführenden Rohre und mit Abstand zu diesen eine zweckmäßigerweise flüssige Moderator-und Absorbersubstanz befinden, in der die Neutronenenergie abgegeben und in Wärme umgesetzt wird. Es ist ferner vorteilhaft, wenn dieser Substanz ein lumineszierender Stoff beigegeben ist; damit kann ein Teil der kinetischen Energie der Neutronen direkt in Lichtenergie umgesetzt werden, die ihrerseits wiederum zur weiteren optischen Anregung des Lasersystems verwendet oder direkt über Photozellen in elektrische Energie umgesetzt werden kann.To utilize this energy should be outside of the gas-carrying Pipes and, at a distance from them, an expediently liquid moderator and absorber substance in which the neutron energy is given off and converted into heat. It is also advantageous if a luminescent substance is added to this substance is; so that part of the kinetic energy of the neutrons can be converted directly into light energy are implemented, which in turn for further optical excitation of the laser system can be used or converted directly into electrical energy via photocells.

Durch eine regelmäßige Folge zeitlich getrennter Reaktionsabläufe der beschriebenen Art könnte ein für technische Zwecke nutzbarer Reaktor entstehen. Through a regular sequence of chronologically separated reaction processes of the type described, a reactor that can be used for technical purposes could be created.

Claims

Patent claims:

1. Device for inducing nuclear fusion reactions with pulsed, Lasers aimed at fusible gases, which indicates that two tubes (1) in a constantly evacuated housing, in which the gas flows, with their mouths leaving an annular gap (2), the width of which is smaller than the clear pipe diameter, coaxially opposite one another and that arranged at a distance from the tubes of several lasers (3) existing laser systems are whose light bundles are directed onto the annular gap (2).

2. Apparatus according to claim, characterized in that the tubes in the area of the mouths (reaction area) with solid deuterium and Tritium-containing substances are lined.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the lining consists of LiD or LiD-LiT.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the tubes are designed in the vicinity of the mouths like Laval nozzles.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the tubes are axially movable.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the tubes are surrounded by wire windings near the mouth for current flow.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the gas flows at sonic or supersonic speed.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the density of the flowing gas is in the range of the reaction volume of the frequency adapted to the incident light.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that that the arrangement of the laser and imaging systems is set up so that the Light bundles directed onto the annular gap in defined, determinable focal surfaces converge.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that that part of the energy released in a moderator and absorber substance Neutrons produced in the fusion reactions by means of one contained in the substance luminescent substance is converted directly into usable light energy will.