DE2056199A1 - Fusion reactors - using pinched plasma with laser injection inside spherical magnetic field - Google Patents
Fusion reactors - using pinched plasma with laser injection inside spherical magnetic fieldInfo
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Abstract
Description
Fusionsreaktor mit gequantelter Energiefreisetzung mittels komprimierender Laserimpulse und einem Magnetfeld. Fusion reactor with quantized energy release by means of compressing Laser pulses and a magnetic field.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung in mehreren Varianten zur kontrollierten Freisetzung der Verschmelzungsenergie von diskontinuierlich und dosierbaren, in festem, gas oder plasmaförmigen Zustand gequantelt bereitgestellten Wasserstoffkernen (HDT-Kerne) unter Zuhilfenahme von Laserimpulsen mit komprimierenden Eigenschaften, mit hohlkegel-, düsen- oder zylinderförmiger Stirnseitengeometrie und einem zur Impulachse hin gerichteten Energiegefälle sowie mit Hilfe eines mit kugelförmiger geometrie ausgebildeten magnetischen Einschlusses innerhalb einer zu einem Warmeaustauscher oder Expansionsraum ausgebildeten Reaktionskammer.The invention relates to a method and a device in several ways Variants for the controlled release of the fusion energy from discontinuous and meterable, quantified in a solid, gas or plasma state Hydrogen nuclei (HDT nuclei) with the help of laser pulses with compressing Properties, with hollow cone, nozzle or cylindrical face geometry and an energy gradient directed towards the pulse axis as well as with the help of a with spherical geometry formed magnetic confinement within a reaction chamber designed as a heat exchanger or expansion space.
Verfahren und Einrichtungen zur Gewinnung von Warme aus Fusionsprozessen mittels Laser sind zwar bekannt geworden, kamen aber bis jetzt nicht über das Versuchsstadiun hinaus, da die Energiebilanz noch negativ verläuft (#<1), d.h, es muß in das Plasma noch mehr Energie hineingesteckt werden, als die Kernreaktion liefert.Processes and devices for obtaining heat from fusion processes using lasers have become known, but have not yet come through the experimental stage since the energy balance is still negative (# <1), i.e. it has to go into the Plasma can put even more energy into it than the nuclear reaction delivers.
Um eien positive Energiebilanz (#>1) für ein kutzzeitiges Plasma zu erhalten, müssen gewisse Anforderungen an die Plasmadichte n, Lebensdauer # und Temperatur T gestellt werden. Der Zusammenhang zwischen diesen drei Größen ist im bekannten Lawson-Diagraem, Abb.11, dargestellt. Die beiden Kurven DD und DT kennzeichnen die Werte von n, # und T, bei denen der wirkungsgrad der entsprechenden Reaktion elns ist.A positive energy balance (#> 1) for a current plasma to obtain certain requirements for the plasma density n, lifetime # and Temperature T can be set. The relationship between these three quantities is in well-known Lawson Diagraem, Figure 11. The two curves DD and DT indicate the values of n, # and T, at which the efficiency of the corresponding reaction elns is.
Unterhalb dieser Grenzkurven ist die Energiebilanz negativ, oberhalb ist sie positiv, Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß oin Douterium-Tritium-Plasma mindestens eine Temperatur von 104 eV, das heißt 108 K bei einem Wert von n.r = 1014 sec cm-3 besitzen muß, damit die Energiebilanz positiv wird. Das bedeutet zum beispiel, daß ein derartiges Plasma von 108 K und einer Dichte von n = 1017 Teilchen pro cm³ mindestens 10-3 sec zusammengehalten werden muß oder bei einer Dichte von 10²² cm-3 nur lo-8 sec; denn in beiden Fällen hat das Produkt aus n # den Wert 1014 sec cm-3 (n# = 1017cm-310-3sec = 1022 cm-3 10-8sec = 1014 sec cm-3). Die sogenannte Energie- bezw.Below these limit curves the energy balance is negative, above it if it is positive, it follows from this diagram that oin douterium-tritium plasma at least a temperature of 104 eV, i.e. 108 K with a value of n.r = Must have 1014 sec cm-3 for the energy balance to be positive. That means to Example that such a plasma of 108 K and a density of n = 1017 particles must be held together per cm³ for at least 10-3 seconds or at a density of 102 cm-3 only lo-8 sec; because in both cases the product of n # has the value 1014 sec cm-3 (n # = 1017cm-310-3sec = 1022 cm-3 10-8sec = 1014 sec cm-3). The so-called Energy or
n Temperaturschwelle Es bezw. Ts, ab der eine positive Energiebilaz zu erwarten ist, liegt z.B. für das Produkt n # = 1016 sec cm-3 bei der DT-Reaktion bei E8 = 3,9 KeV bezw. T8 2 45 10 K und bei der DD-Reaktion erst bei Es = 40 KeV bezw. Ts = 460. 106 K.n temperature threshold Es or Ts, from which a positive energy balance is to be expected, e.g. for the product n # = 1016 sec cm-3 for the DT reaction at E8 = 3.9 KeV resp. T8 2 45 10 K and in the case of the DD reaction only at Es = 40 KeV respectively Ts = 460, 106 K.
Die bisher Ubliche Methode, ein solches Plasma herzustellen, besteht unter anderen darin, eine Gasentladung mit einem Kondensator zu betreiben bei der in sehr kurzer Zeit sehr hohe Ströme (Primär- oder Sekundärströme) durch die Gasentladung fließen um das Plasma auf sehr hoho Temperaturen zu komprimieren. Das Magnetfeld des Entladungsstremes hält das Plasma eine kurze Zeit # zusammen. Je nach Anordnung von Gasentladungen und Magnetfeld werden diese Anordnungen als Z-oder Theta-Pinch bezeichnet. Bei allen derzeitigen Experimenten ist die Energiebilanz noch negativ da entweder die Temperatur zu niedrig, die Dichte zu gering oder die Lebensdauer zu kurz ist.The usual method up to now of producing such a plasma exists among other things, to operate a gas discharge with a capacitor in the very high currents (primary or secondary currents) through the gas discharge in a very short time flow to compress the plasma to very high temperatures. The magnetic field the discharge current holds the plasma together for a short time #. Depending on the arrangement of gas discharges and magnetic fields, these arrangements are called Z or Theta pinch designated. In all current experiments, the energy balance is still negative because either the temperature is too low, the density is too low or the service life is too low is too short.
Bei den bisherigen Methoden mit Hilfe von Laserlicht eine Kernfusion zu bewirken bediente man sich mit Lichtimpulsen von extrem hoher Leistungsdichte, d. h. man koppelt die zur Verfugung stehende Lichtenergie in sehr kurzer Zeit (ca lo ...10-12 sec aus dem Laser aus und man erhält damit sehr hohe Impulsleistungen. Mit einer optischen Linse auf eine sehr kleine Fläche, z.B. von o,l mm#, fokusiert erhält man sehr hohe Leistungsdichten die zwar ausreichen wUrden eine Kernfusion (durch Mehrquantenionisierung mit Photonen des Lichtes und Ubertragung auf die Ionen bezw. H-,D-,T-Kerne) herbeizuführen, doch ist die Teilctlengeschwindigkeii bei den erforderlichen lemperaturen so hoch, daß diese in extrem kurzer Zeit auseinandergelaufen sind. Ein Laserplasma von z.B. 0,1 mm# und einer Temperatur von 1 KeV (= 107 K) ist aufgrund der hohen Teilchengeschwindigkeit in einigen 10-1 ° sec auseinandergelaufen. Man versucht zwar diesem Mißgeschick dadurch zu begegnen, daß man extrem kurze Impulse erzeugt um das Plasma aufzuheizen, bevor es auseinanadergelaufen ist. Das zur Zeit erfolgreiciiste Experiment Von F 1 o u x (1) benutzte einen Neodym-Glas-Laser mit einem Lichtimpuls mit einer Spitzenleistung von 4.109 Watt und einem Energieinhalt von 40 Ws, d.h. einer Pulsdauer von t = E/N = 10-8 sec. Durch eine Linse wurde der Lichtimpuls auf eine Fläche von 0,1 mm# fokussiert. Als Ausgangssubstanz wurde ein kleines Stück Deuteriumeis verwendet und im Vakuum beschossen. Mit dieser Anordnung wurden Plasmatemperaturen von KT = 500 bis 700 eV erreicht, also T = (5-7). 106 K. Bei jedem Lasserschuß entstanden 100-300 Neutronen, 60 daß auf grund der Reaktionsgleichung: etwa gleiche Häufigkeit in D-Plasma.In the previous methods of bringing about nuclear fusion with the help of laser light, light pulses of extremely high power density were used, that is, the available light energy was extracted from the laser in a very short time (approx With an optical lens focused on a very small area, e.g. 0.1 mm, one obtains very high power densities which would be sufficient. H, D, T nuclei), but the partial speed at the required temperatures is so high that they have diverged in an extremely short time. A laser plasma of 0.1 mm # and a temperature of 1 KeV (= 107 Because of the high particle speed, K) diverged in a few 10-1 ° sec. One tries to counter this mishap by generating extremely short pulses around there s heating up the plasma before it has run apart. The currently successful experiment by F10ux (1) used a neodymium glass laser with a light pulse with a peak power of 4,109 watts and an energy content of 40 Ws, i.e. a pulse duration of t = E / N = 10-8 sec. The light pulse was focused through a lens onto an area of 0.1 mm #. A small piece of deuterium ice was used as the starting substance and bombarded in a vacuum. With this arrangement, plasma temperatures of KT = 500 to 700 eV were achieved, i.e. T = (5-7). 106 K. With each shot of the gun, 100-300 neutrons were produced, 60 that on the basis of the reaction equation: approximately the same frequency in D plasma.
auf 200 bis looo DD-Reaktionen geschlossen werden konnte. Diese Reaktionen erzeugen jedoch nur eine verschwindend kleine Energie von ca (200-100) . 3,62 MeV = (724-3620) MeV bezw. (1,15-5,8).10-10 Ws.200 to 10000 DD reactions could be concluded. These reactions however only generate a negligibly small amount of energy of approx (200-100). 3.62 MeV = (724-3620) MeV resp. (1.15-5.8) .10-10 Ws.
Gemessen an den 40 Ws aufgewendetem Energieinhalt des Laserimpulse ist das jedoch nur ein verschwindend geringer Betrag.Measured on the 40 Ws of expended energy content of the laser pulse however, this is only a negligibly small amount.
Es sind auch schon Vorschläge gemacht worden, durch hochkonzentrierto, kontinuierliche äußere Energieeinstrahlung eines oder mehrerer Laser in das Zentrum eines Plasmas die thermonukleare Temperaturschwelle zu erreichen, wobei gleichzeitig die Strahlungsverluste zum Teil wieder in das plasma hochkonzentriert Zurückreflektiert werden t2).Proposals have also been made to continuous external energy radiation of one or more lasers into the center of a plasma to reach the thermonuclear temperature threshold, while at the same time the radiation losses are partly reflected back into the plasma in a highly concentrated manner become t2).
Auch mit Verfahren dieser Art sind bis heute keine Fusionsreaktionen im größeren Umfange erreicht worden, da die örtlich erzeugten hohen Temperaturen, d.h. hohe Geschwindigkeit der Zonen, sich sofort auf das benachbarte Plasma verteilt und die temperatur unterhalb der Fusionsschuelle bleibt. Auch wenn sehr große kontinuierliche Laserleistungen, beispielsweise 109 watt (= 1000MW), zur Verfügung ständen, könnte die Fusionsschwelle infolge der laufenden hohen Abstrahlungsverluste nach diesem Prinzip nicht erreicht werden. Ein Plasma mit beispielsweise 1020 Teilchcen pro cm³ und einem Volumen von 1 cm³ strahlt während einer Sekunde bei T = 107 K (E = 1 KeV) eine Leistung von rund 5.109 Watt (5 Gigawatt) ab. Bei oder unterhalb dieser Temperatur treten aber noch keine Fusionsreaktionen (im DD-oder DT-Plasma) im größeren Umfange auf, die diese Verlüste laufend decken könnten. Es erscheint also unmöglich, daß diese laufend vorhandenen hohen Verluste durch Lasereinstrahlung jemals aufgebracht werden könnten.Even with processes of this kind there are still no fusion reactions has been achieved on a larger scale, since the locally generated high temperatures, i.e. high speed of the zones, is immediately distributed to the neighboring plasma and the temperature remains below the fusion circuit. Even if very large continuous Laser powers, for example 109 watts (= 1000MW), would be available the merger threshold as a result of the ongoing high radiation losses after this Principle cannot be achieved. A plasma with, for example, 1020 particles per cm³ and a volume of 1 cm³ radiates for one second at T = 107 K (E = 1 KeV) has an output of around 5,109 watts (5 gigawatts). At or below this However, no fusion reactions (in DD or DT plasma) occur in the larger temperature Amounts that could cover these losses on an ongoing basis. So it seems impossible that these ongoing high losses from laser irradiation were ever applied could become.
Wie aus Messungen der Richtungsverteilung der Geschwindigkeit von Plasmasionen, die beim Beschuß mittels Laserimpulsen auf ein festes Targetmaterial erzeugt erden, hervergeht, wird der größte Teil der erzeugten Ionen nahezu senkrecht zur ebenen Targetoberfläche und entgegen der Strahlrichtung des Lasers emittiert. Mit zwei auf einer gemeinsamen optischen Achse befindlichen und gegenläufig gerichteter Laserimpulse auf ein gemeinsames Target lassen sich ebenfalls keine oder nur wenige Kernreaktionen herbeiführen (Abb. 1.1). Bessere AUS-sichten bietet zwar eine Anordnung nach Abb.1.2 (3), bei der die erzeugten lonen mittels Hohlraum-Laserimpulsen auf zwei gegeneinander versetzten 1'argets erzeugt werden. Bei dieser Anordnung fliegt zwar ein Teil der erzeugten lonen gegeneinander, so daß Fusionsreaktionen eintreten können. Der größte Teil der erzeugten schnellen lonen fliegt jedoch seitlich weg und scheidet somit fdr eine mögliche Reaktion aus.As from measurements of the directional distribution of the speed of Plasma ions that are generated when bombarded with laser pulses onto a solid target material generated earth, goes down, most of the generated ions are almost perpendicular towards the flat target surface and against the beam direction of the laser. With two located on a common optical axis and directed in opposite directions Laser pulses There are also no or only a few nuclear reactions on a common target bring about (Fig. 1.1). An arrangement according to Fig.1.2 offers better OUT views (3), in which the ions generated are directed against each other by means of cavity laser pulses offset 1'argets are generated. With this arrangement a part of the generated ions against each other, so that fusion reactions can occur. The biggest However, part of the generated fast ions flies away to the side and thus separates fdr a possible reaction.
Die Ausbeute der Ubrigen und gegeneinander gerichteten Ionen ist dann infolge geringer Konzentration klein. Diese Methode eignet sich somit nicht zur Energiegewinnung im größeren Maßstab. Sie eignet sich lediglich zur Erzeugung sehr kurzzeitiger Neutronenimpulse, wie z.B. zum Studium des zeitlichen Ablaufes von Wechselwirkungen zwischen Neutronen und Materie.The yield of the remaining ions directed towards one another is then small due to low concentration. This method is therefore not suitable for Energy generation on a larger scale. It is only very suitable for generation short-term neutron impulses, e.g. to study the chronological sequence of Interactions between neutrons and matter.
Eine höhere Fusionsrate wurde man allerdings auch nach dieser Methode erhalten, wenn man das Target gemäß Abb. 1.3 oder 1.4 mit einem starken (statiscilen) Magnetfeld umgibt bezw. durchsetzt. Bei einem Beschuß mittels Laserimpulsen könnten dann die freiwerdenden Ionen nicht wegfliegen, da sie am Magnetfeld reflektiert werden. Das Magnetfeld würde sich bei einsetzender Fusionsreaktion gesäß Abb.1.5 bezw. 1.6 im Bereich der Targets kugelförmig ausweiten, Vorausgesetzt, daß das Magnetfeld über den Targets etwas schwacher gehalten ist als seitlich. Dies ist durch zwei, in gewissem Abstand voneinander angeordneten, Erregerspulen -infolge ihrer streufelder- ohne weiteres gegeben (siehe auch Ausführung der Magnetspulen nach Abb.7.7). Zur Energieerzeugung eignet sich jedoch auch diese Methode nicht besonders, da das Fusionsmaterial auf dem Targetmaterial nur in geringen Mengen aufgetragen werden kann und Verunreinigungen durch die schweren Fremdelenente des Trägermaterials die Plasmatemperatur stark reduzieren würde (mit Z2 der Kernladungszahl des betreffendes Elementes).However, a higher fusion rate was also achieved using this method obtained, if the target according to Fig. 1.3 or 1.4 with a strong (statiscilen) Magnetic field surrounds respectively. interspersed. In the event of a bombardment with laser pulses then the released ions do not fly away because they reflect on the magnetic field will. When the fusion reaction starts, the magnetic field would change as shown in Fig.1.5 respectively 1.6 expand spherically in the area of the target, provided that the magnetic field is kept a little weaker above the targets than on the side. This is through two at a certain distance from each other, excitation coils - due to their stray fields - given without further ado (see also the design of the magnetic coils according to Fig.7.7). To the However, this method is also not particularly suitable for generating energy, as the fusion material can only be applied to the target material in small amounts and impurities the plasma temperature is high due to the heavy foreign elements of the carrier material would reduce (with Z2 the atomic number of the element concerned).
Bessere Ausrichten bietet jedoch eine Anordnung nach Abb.1.7 bis 1.11.However, an arrangement according to Figures 1.7 to 1.11 offers better alignment.
Nach Anordnung gemäß Abb.1.? werden als Targetaterial zwei feste wasserstoffkügelchen verwendet, die vor Beschuß in das Magnetfeld in geeigneter Weise hineingebracht wurden. Da nun ein Magnetfeld vorhanden ist brauchen niciit unbedingt zwei Kügelchen eingebracnt werden und auch keine Hohlraumimpulse verwendet werden, da das Magnetfeld die lonen auch dann zurdcknält bezw. reflektiert, wenn sie unmittelbar gemäß Abb.1.8-1.10 in oder quer zur Richtung des Magnetfeldes emittiert werden. Die Anodnung nach Abb.1.9 ist günstiger als die nach Abb.1.8, da die unmittelbar stark beschleunigten Ionen nahezu senkrecht zur Magnetfeldrichtung bewegt werden und nicht so wie dies bei Abb.1.8 der Fall ist, nur einen geringen Winkel zur Magnetfeldrichtung einen.According to the arrangement shown in Figure 1.? two solid hydrogen spheres are used as the target material used, which brought into the magnetic field in a suitable manner before bombardment became. Since there is now a magnetic field, it is not absolutely necessary to have two spheres are baked in and no cavity pulses are used because the magnetic field the ions then also hold back respectively. when reflected immediately according to Fig.1.8-1.10 are emitted in or across the direction of the magnetic field. The arrangement according to Fig.1.9 is more favorable than the one according to Fig.1.8, since the directly accelerated Ions are moved almost perpendicular to the direction of the magnetic field and not like this is the case in Fig.1.8, only a small angle to the direction of the magnetic field.
Die Abb.1.10 stellt einen Querschnitt zu. Abb. 1.9 dar und soll andeuten, daß der Einschuß der taserimpulse gleichzeitig aus mehreren Richtungen und senkrecht zu den Feldlinien H sowie paarweise eingeschossen wird.Figure 1.10 shows a cross-section. Fig. 1.9 and is intended to indicate that the entry of the taser impulses simultaneously from several directions and perpendicular to the field lines H as well as in pairs.
Beider Anordnung nach Abb.1.11 ist das Magnetfeld der rechts angst ordneten Spule etwas schwächer gehalten (#1 >#2) als das linke.In the case of the arrangement according to Fig. 1.11, the magnetic field is the fear on the right The arranged coil is kept somewhat weaker (# 1> # 2) than the left one.
Dadurch wird erreicht, daß das fusionierte Plasma nach rechts (in Richtung #2) entweichen kann. Der Einschuß des Laserimpulses- oder strahls kann bei dieser Ausführung auch quer zur Magnetfeldrichtung und gleichzeitig aus mehreren Richtungen, wie dies bei Ausführung nach Abb.1.1o gezeigt ist, erfolgen.This causes the fused plasma to move to the right (in Direction # 2) can escape. The shot of the laser pulse or beam can in this version also transversely to the direction of the magnetic field and at the same time from several Directions, as shown in the design according to Fig.1.1o, take place.
Der bei diesen Anordnungen zur Einschnürung des Plasmas notwendige Druck der magnetischen Wände muß mindestens so groß sein, daß es den durch die Erhitzung des Plasmas hervorgerufenen thermischen Druck das Gleichgewicht hält. Für eine Temperatur von 240 ELill. K und n = 106 cm 3 ist zur Kompensation des thermischen Drucks von Pth = 657 at der eingeschlossenen Plasmakugel ein Magnetfeld von 1,3 . 105 Gauß notwendig (4), die beispielsweise mit einer supraleitenden Magnetspule aufgebracht werden könnte (5).The one necessary for constriction of the plasma in these arrangements The pressure of the magnetic walls must be at least so great that it is the result of the heating the thermal pressure caused by the plasma maintains equilibrium. For a temperature from 240 ELill. K and n = 106 cm 3 is to compensate for the thermal pressure of Pth = 657 at the enclosed plasma sphere a magnetic field of 1.3. 105 gauss necessary (4), which is applied, for example, with a superconducting magnet coil could be (5).
Um auf dieses aufwendige Magnetfeld zu verzichten oder wenigstens auf ein akzeptables Maß zu reduzieren wird erfindungsgemäß der Zusammenhalt des Fusionsplasmas fUr die Zeit der notwendigen Reaktionslebendauer vom Laserimpuis ganz oder teilweise übernommen, Neben der Aufgabe der Energiezufuhr Übernimmt der Laserimpuls also gleichzeitig noch die Aufgabe des (ganzen oder teilweiser Zusammenhalts der zur Fusion zu bringenden Wasserstoffionen (H,D,T), wobei noch nach Belieben zusätzlich das erwähnte Magnetfeld zur Verstärkung des Zusammenhalts angeordnet werden kann.In order to do without this complex magnetic field, or at least According to the invention, the cohesion of the is reduced to an acceptable level Fusion plasma for the time of the necessary reaction life from the laser pulse completely or partially taken over, in addition to the task of supplying energy, takes over the The laser pulse also simultaneously has the task of (total or partial cohesion) of the hydrogen ions to be fused (H, D, T), with still at will additionally arranged the mentioned magnetic field to strengthen the cohesion can be.
Damit der Laserimpuls dio ihm zugedachte Aufgabe zerfallen kann muß seine Stirnseite eine hohlkegel-, dUsen- oder zylinderförmige Vertiefung naben und längs seiner Achse ein radial nach innen abnehmendes Energiegefälle bezw. Photonendichte aufweisen. Solche Impulsformen lassen sich beispielsweise mit separat außerhalb am Laser angeordneten Linsen gemäß Abb.2.1-2.5 oder Abb.3.1 erzeugen, oder dadurch,indem man den Festkörperkristall des Lasers oder Gla6stab des Glaslasers (6) auf der Lichtaustrittsseite (nach der Verspiegelung) eine entsprecfl.nde Vertiefung vorsieht und den Kristall so dick ausführt, daß die -symmetrisch dem Kristall zuzuführende- Pumpleistung von den außen li.-genden Schichten stärker absorbiert wird als von den weiter innen liegenden. Zur symmetrischen Ausleuchtung des aktiven Lasermaterials (Kristalle, Gläser, Gase usw.) eignen sich beispielsweise ringzylinderförmige Blitzlampen, deren äußerer Zylindermantel auf der innenseite verspiegelt ist. Das aktive Lasermaterial befindet sich in der Achse dieser Lampe, so daF ein symmetrisches Ausleuchten bezw. Besetzung des aktiven Materials möglich ist.So that the laser pulse can disintegrate the task intended for it its end face has a hollow cone, nozzle or cylindrical recess and along its axis a radially inwardly decreasing energy gradient BEZW. Photon density exhibit. Such pulse shapes can be used separately, for example generate lenses arranged outside the laser as shown in Fig.2.1-2.5 or Fig.3.1, or by using the solid-state crystal of the laser or the glass rod of the glass laser (6) a corresponding recess on the light exit side (after the mirror coating) provides and makes the crystal so thick that the -symmetrically fed to the crystal- Pump power is absorbed more strongly by the outer layers than by the ones further inside. For symmetrical illumination of the active laser material (Crystals, glasses, gases, etc.), for example, ring-cylindrical flash lamps are suitable, whose outer cylinder jacket is mirrored on the inside. The active laser material is located in the axis of this lamp, so that a symmetrical illumination respectively. Occupation of the active material is possible.
Um zu vermeiden, daß die normalerweise flache Anstiegsflanke des Laserimpulses auf die zu verdicntenden bezw. einzuschließenden Ionen undefinierte Richtungen einnehmen bezw. seitlich entweichen -denn eine Ionisation wird praktisch schon mit dem Energieinhalt der Anstiegs.To avoid the normally flat leading edge of the laser pulse on the to be thinned resp. ions to be confined take undefined directions respectively escape sideways - because ionization is practically already with the energy content the rise.
flanke erreicht- wird die Stirnseite des Laserimpulses verstärkt, indem man die flache instiegsflanke mittels eines optischen Schalters (Pockelzelle) abschneidet (Abb.2.1) (7). Danach gelangt der Impuls durch eine entsprechende kegel- oder parabolförmige Linse (Abb.2.1 und 2.2) oder mach Abb.2.3 zunacl-st durch einen zylindrischen, durchsichtigen rper und anschließend durch ene Linse zwecks Fokussierung.edge reached - the front side of the laser pulse is amplified, by using an optical switch (Pockel cell) cut off (Fig.2.1) (7). The impulse then passes through a corresponding conical or parabolic lens (Fig.2.1 and 2.2) or do Fig.2.3 first through a cylindrical, transparent body and then through a lens for focusing.
Je nach der Größe des Brechungsindeses der verwendeten Glas- oder Diamantsorte erhält man für verschiedene Dicken (= Durchlauflängen) verschiedene Laufzeitänderungen für das Laserlicht. So erhält man beispielsweise bei Verwendung von Kronglas mit dem Brechungsindex 15 Luft/Kronglas = 1,5 (= ) bei einer Dickendifferenz von 10 mm 10 eine Laufwegvwekürzung bezw. Vertiefung des Laserimpulses von 10-15 = 5 mm. Bei Verwendung von Flintglas mit dem Brechungsindex Luft/Flint-17 glas : 1,7 (= ) und 10 mm Dickendifferenz erreicht man eine Ver-10 tiefung von 17-10 7 mm. Bei Verwendung eines Diamanten mit dem 15 Brechnungsindex Luft/Diamant = 2,5 (= ) erreicht man schon mit 6 einer Dickendifferenz von beispielsweise 6 mm eine Vertiefung von 1-6 = 9 mm.Depending on the size of the refraction, the glass or glass used Different types of diamond are obtained for different thicknesses (= pass lengths) Changes in transit time for the laser light. So you get for example when using of crown glass with the refractive index 15 air / crown glass = 1.5 (=) with a difference in thickness of 10 mm 10 a Laufwegvwekürzung respectively. Deepening of the laser pulse by 10-15 = 5 mm. When using flint glass with the refractive index air / Flint-17 glass: 1.7 (=) and 10 mm difference in thickness, a deepening of 17-10 7 is achieved mm. When using a diamond with the 15 refractive index air / diamond = 2.5 (=) a thickness difference of 6 mm, for example, is already achieved with 6 Depression of 1-6 = 9 mm.
Mit Abb.2.4 udn 2.5 ist die Stirnseite eines Laserimpulses vergrößert dargestellt, die eine nach Abb.2.1 bezw. 2.2 ausgeführte Linsenform erzeugt. an erkennt daraus, daß eine auf ein Gas oder auf klelnore, kugelförmige Festkörper fokussierende Wirkung durch den Laserimpuls eintritt und dieses entsprechend Zylinder- (Abb.2.4) oder Kugelförmig (Abb.2.5) sammelt bczw. verdichtet. Diese fokussierende Wirkung ist auch auf der gesamten tmpulslange vorhanden da auf der gesamten Achse in radialer Richtung -wie bereits beschrieben- ein Energiegefälle vorhanden ist.With Fig.2.4 and 2.5 the front side of a laser pulse is enlarged shown, the one according to Fig.2.1 respectively. 2.2 executed lens shape generated. at recognizes from it that one is on a gas or on klelnore, spherical Solid-body focusing effect occurs through the laser pulse and this occurs accordingly Cylindrical (Fig.2.4) or spherical (Fig.2.5) collects or condensed. This focusing The effect is also present on the entire pulse length as it is on the entire axis in the radial direction - as already described - there is an energy gradient.
Aus Abb.3.1-3.4 ist die Wirkungsweise zweier, auf einer gemeinsamen gerichteter optischen Achse befindlichen und gegeneinander / Laserimpulse der genannten Art darestellt. Die Fokuspunkte F1 und F2 der beiden systeme befinden sich zwecks Erhaltung des onnenin erforderlichen Mindestvolumens zur Aufnahme des plasmas auf der Seite des jeweils anderen optischen Systems. Der Fokuspunkt F1 des Lasers L1 liegt also näher beim optischen System b1 ,b2 als der Fokus F2 des Lasers L2 und umgekehrt.From Fig.3.1-3.4 the mode of operation of two, on one common directed optical axis located and against each other / laser pulses of the mentioned Kind represented. The focal points F1 and F2 of the two systems are for the purpose Preservation of the minimum volume required to absorb the plasma the side of the other optical system. The focal point F1 of the laser L1 is therefore closer to the optical system b1, b2 than the focus F2 of the laser L2 and vice versa.
Das zu fusionierende Gas (HDT-Gas) kann auf verschiedene Weise und in den drei verschiedenen Aggregatzuständen (fest, gasförmig und in Plasmaform) in den Hohlraum des Laserpulses gebracht werden (praktische Ausführungsmöglichkeiten folgen noch).The gas to be fused (HDT gas) can be in various ways and in the three different states of aggregation (solid, gaseous and in plasma form) be brought into the cavity of the laser pulse (practical implementation options to follow).
In Abb.4.1 und 4.2 ist gezeigt wie die nach Abb.2.4 und 2.5 fokussierten zylinder- bezw. kugelförmigen Ionenpakete ineinandergeschoben werden und fdr die Zeitdauer des anstehenden Laserimpulses zusammengehalten werden. In diesem Falle gelangt das Fusiensgemisch im gasförmigen Zustand innerhalb einer Fusinskammer selbständig, d.h. beim Durchfliegen der Gasstrecke, in den Hohlraum der beiden Laserimpulse Nach Abb. 4.3 gelangt das Fusionsgemisch in Forn: eines einzelnen Eis-Kügelchens (Herstellung nach bekannten Verfahren (8) oder anderen Möglichkeiten) parrallel oder quer zur optischen Achse in den Impulshohlraum zweier Laserimpulse. Nach Abb.4:4 gelangt schließlich das Fusionsgeiniscii in Form sehr kleiner Eiskügelchen (Aerosol) in den Impulshohlraum, die aus einer Duse in einen Reaktionsraum eingesprüht werden. Die iiohlräume der Laserimpulse sind so bemessen bezu. fokuvsiert, daß sie nur so viel Fusionsstoff in sich aufnehmen können wie ihre Energie ausreicht, diesen vollständig zur Fusion zu bringen.In Fig.4.1 and 4.2 it is shown how those in Fig.2.4 and 2.5 are focused cylinder or spherical ion packets are pushed into one another and fdr the Duration of the pending laser pulse are kept together. In this case the fusion mixture arrives independently in a gaseous state within a fusion chamber, i.e. when flying through the gas path, into the cavity of the two laser pulses after Fig. 4.3 the fusion mixture comes in the form of a single ice sphere (manufacture according to known method (8) or other possibilities) parallel or transversely to optical axis into the pulse cavity of two laser pulses. Got to Fig.4: 4 finally the fusion geiniscii in the form of very small ice spheres (aerosol) in the pulse cavity, which is sprayed into a reaction chamber from a nozzle. The hollow spaces of the laser pulses are dimensioned in this way. focused that they are just so can absorb as much fusion substance as their energy is sufficient, this completely to merge.
Abb.4.5-4.7 zeigen Laserimpulse der bescariebenen fokusierenden Art, zusammen mit einem Magnetfeld, dessen Feldlinien parallel zur optischen Achse verlaufen. Das magnetische Feld kann auch quer zur optischen Achse verlaufen, nur ist hierbei während aes Ionisierungsvorgänges der auf dem Flugwege zum Zentralpunkt eintritt- die zusätzliche fokussierende Wirkung des Magnetfeldes nur in der Querrichtung zu diesen gegeben. Bei der Ausgestaltung des Magnetfeldes nach Abb.4.5 bis 4.7 expandiert das Fusionsgemisch etwa gleichstark nach allen Richtungen. Bei der Ausgestaltung des Magnetfeldes nach Abb.5.1-5.3 expandiert des Fusionsgemisch nach einer gewünschten Vorzugsrichtung (nach rechts) infolge des schwächer dimonsionierten Magnetfeldes auf der Seite der gewünschten Expansionsrichtung. Abb.5.4-5.5 zeigt die Vorgänge für den zeitlichen Ablauf einer zweistufigen Keaktionskette.Fig.4.5-4.7 show laser pulses of the special focusing type, together with a magnetic field whose field lines run parallel to the optical axis. The magnetic field can also be transverse to the optical Axis run, only here is the one on the flight path to the central point during aes ionization process occurs - the additional focusing effect of the magnetic field only in the transverse direction given to these. In the design of the magnetic field according to Fig. 4.5 to 4.7 it expands the fusion mixture is about equally strong in all directions. In the design of the magnetic field according to Fig.5.1-5.3 expands the fusion mixture according to a desired Preferred direction (to the right) due to the weaker dimensioned magnetic field on the side of the desired direction of expansion. Fig.5.4-5.5 shows the processes for the timing of a two-stage reaction chain.
Die Magnetfelder (statische) fallen in ihrer Stärke in der gewünschten Expansionsrichtung ab. Das nach Abb.5.3 links eingeschlossene fusionsfähige Brennstoffgemisch wird durch den Laserimpuls zuerst entzündet bezw. zur Fusion gebracht (Abb.5.4). Infolge dieser Fusion weitet sich das Magnetfeld zunächst soweit auf, daß. sein Energieinhalt die weiterrechts eingeschlossene brennstoffkugel aufheizt und zur fusion bringt (Abb..5). Bei beendetem Fusionsvorgang, d.h. bei erhöhtem Druck, weitet sich das schwächere rechte Ende des Magnetfeldes auf und das fusionierte als auch das nichtfusionierte Plasma verläßt in gewünschteryichtung (nach rochts) das Magnetfeld.The magnetic fields (static) fall in their strength in the desired Direction of expansion. The fusible fuel mixture enclosed on the left according to Fig.5.3 is first ignited respectively by the laser pulse. brought to fusion (Fig.5.4). As a result of this fusion, the magnetic field initially expands to such an extent that. be Energy content heats up the fuel ball enclosed further to the right and fusion brings (Fig. 5). When the fusion process has ended, i.e. when the pressure is increased, it expands the weaker right end of the magnetic field and that fused as well the unfused plasma leaves the magnetic field in the desired direction (to smell).
weiter Ausführungen dieser Art zeigen die Abb.6.1-6.3 Die Xagnetfelder dieser Ausfuhrungen sind jedoch dynamische, und können z.b. über Kondensatoren mit hohem Energieinhalt oder leistungsstarke elektrische schalter, z.B. Schweiß-Ingitrons usw., jnit kurzzeitig wirkenden Strom impulsen aus einem leistungsstark# Wechselstormnetz $(Rechteckform) gesteuert werden. Im zeitpunkt des höchsten Stromanstiegs bezw. des stärksten Magnetfeldes wird der Laserimpuls (quer oder senkrecht zum Magnetfeld) in das vorverdichtete Plasma eingeschossen. Die Plasma menge ist dabei so gering gehalten (ca 1020 Teilchen), daß der Energieinhalt der beiden (zur Zeit möglichen) Laserimpulse ausreicht um eine Fusion herbeizuführen bezw. -für die Ausführung nach Abb.6.2 - für die zweite und weitere eingeschlossene Plasitakugel die Fusion eizuleiten. Die Ausführung nach Abb.6.3 besitzt ein statisches, in der Expansionsrichtung abfallendes Magnetfeld. Das Plasma wird hier mittels eines Plasmabeschleunigers über eine magnetische Die den einzelnen magnetischen Einschnürungsstufen zugeführt. Die Lasorimpulse der beschriebenen Art werden paarweise und quer inmitten, oder nach Abb.6.t.1, unmittelbar neben der ersten Plasmakugel eingeschossen.Further versions of this kind are shown in Figs. 6.1-6.3 The Xagnetic Fields However, these versions are dynamic, and can e.g. via capacitors with high energy content or powerful electrical switches, e.g. welding ingitrons etc., with short-term current impulses from a powerful alternating current network $ (Rectangular shape) can be controlled. At the time of the highest current increase respectively. the strongest magnetic field is the laser pulse (across or perpendicular to the magnetic field) shot into the pre-compressed plasma. The amount of plasma is so small held (approx. 1020 particles) that the energy content of the two (currently possible) Laser impulses are sufficient to bring about a fusion respectively. -for execution after Fig.6.2 - to initiate the fusion for the second and further enclosed plasma spheres. The version according to Fig. 6.3 has a static one that slopes down in the direction of expansion Magnetic field. The plasma is generated here by means of a plasma accelerator via a magnetic one The supplied to the individual magnetic constriction stages. The laser impulses of the described kind are in pairs and transversely in the middle, or after Fig.6.t.1, Shot right next to the first plasma ball.
Nach der Expansion der ersten Plasmakugel (oder die im Laserimpuls eingeschlossenen Kerne nach Abb.6.1.1-) wird die im schwächeren magnetischen Feld eingeschnürte Plasmakugel erfaßt, und die Expansion infolge Fusion pflazt sich dann nur in dieser gewünschten Richtung (nach rechts) fort. Nunmehr kann nach beendetem Fusionsvorgang in die beiden schwächeren Magnetfeldgebiete aus der magnetischen DUse wieder neues Plasma nachströmen und erneut zur Fusion gebracht werden.After the expansion of the first plasma ball (or the one in the laser pulse enclosed nuclei according to Fig.6.1.1-) becomes those in the weaker magnetic field constricted plasma sphere is captured, and the expansion due to fusion then plummets only continue in this desired direction (to the right). Now can after finished Fusion process in the two weaker magnetic field areas from the magnetic You must again flow in new plasma and be brought to fusion again.
Bei Abb.6.4 wird eine fusionsfähige Plasmakugel inmitten eines kugelförmigen Behälters durch Erzeugung einer Gasentladung hergestellt. Das Magnetfeld H, das den Entladungsstrom I umgibt, ist infolge des in der Mitte des Behälters angeortneten, den elektrischen Entladungsstrom teilweise fuhronden Ringzylinders R, in der Nähe der Elektroden stärker ausgebildet als in der Mitte des Ringzylinders. Dadurch bildet sich ein magnetisches Feld aus, das das Plasma zu Flaschenform komprimiert und inmitten der Reaktionskammer aufhänkt. Die beiden Laserimpulse (oder mehrere Paare) werden quer oder schräg zur Magnetteldrichtung eingeschossen. Bei Quereinschuß sind im Ringzylinder R entsprechende Bohrungen vorgeseten, wie in Abb.6.4 angegeben.In Fig.6.4 a fusible plasma sphere is in the middle of a spherical one Container produced by generating a gas discharge. The magnetic field H, that that surrounds the discharge current I is due to the the electric discharge current partly in the ring cylinder R, in the vicinity of the electrodes formed stronger than in the middle of the ring cylinder. This forms A magnetic field develops, which compresses the plasma into the shape of a bottle and in the middle the reaction chamber hangs. The two laser pulses (or multiple pairs) will be Shot across or at an angle to the magnetic direction. In the case of cross-overs are im Ring cylinder R has the appropriate bores provided, as shown in Fig.6.4.
Soll eine größere fusionsfähige Menge, z.b. gefrorenes Deuterium mit 1021 Teilchen bei einem cm³ Kuigelvolumen, zur Fusion gebracht werden bei der die Laserimpulsenergie nicht unmittelbar für die gesamte Menge ausreicht um diese zur Fusion zu bringen, dann kann man nach Ausführung Abb.7.1-7.6 verfahren. Nach Abb.7.1 befindet sich die D-Eis-Kugel im nunmehr bekannten statischen Magnetfeld die entweder längs oder quer zur Feldlinienrichtung von außen eingeschossen wurde. Die nun von beiden Seiten gleichzeitig eingeschossenen Laserimpulse der beschriebenen Art stanzen nunmehr gemäß Abb.7.2 (bezw. Abb. 7.4 vergrößert dargestellt) eine kleine Menge des fuslonsfahlgen D-tises aus der größeren D-Eis-Kugel heraus bezw. verdichten diese Menge inmitten der D-Eis-Kugel und bringen diese kleinere Menge "kinetokuklear" (# # 0) zur Fusion. Die dabei freiwerdende Fusionsenergie reicht aus bezw. ist so bemessen, da;3 sie die restliche Menge der D-Eis-Kugel vollends zur fusion bringen kann. Das umgebende Magnetfeld sorgt dabei fdr den Zusammenhalt der Teilchen während der nun folgenden i'thersonuklearenH Reaktionszeit # (Abb.7.3). Man kann auch nach Ausführung Abb.6.1.1 verfahren indem man die Laserimpulse unmittelbar neben die D-Ei@kugel schießt und die mit ihnen auf den Wege eingefangenen Fusionskerne dort zur Fusion bringt. Die freiwerdende Energie dieser Kerne dient dann dazu die zuvor eingeschossene D-Eis-Kugel zur Fusion zu bringen.Should a larger fusible amount, e.g. frozen deuterium with 1021 particles at a cubic centimeter sphere volume, are brought to fusion in which the Laser pulse energy is not immediately sufficient for the entire amount to this To bring about fusion, one can proceed as shown in Fig.7.1-7.6. According to Fig 7.1 is the D-ice sphere in the now known static magnetic field which either was shot in from the outside along or across the direction of the field lines. The now from punch laser pulses of the type described that are shot simultaneously on both sides now according to Fig.7.2 (and Fig. 7.4 shown enlarged) a small amount of the fuslonsfahlgen D-tises out of the larger D-ice sphere respectively. condense this amount in the middle of the D-ice sphere and bring this smaller amount "kinetocuclear" (# # 0) for the merger. The fusion energy released is sufficient respectively. it's so measured because; 3 they bring the remaining amount of the D-ice ball to fusion completely can. The surrounding magnetic field ensures the cohesion of the particles during the following i'thersonuklearenH reaction time # (Fig.7.3). You can also go to Execution Fig.6.1.1 proceed by directing the laser pulses shoots next to the D-Ei @ ball and the fusion cores captured with them on the way merges there. The energy released by these nuclei is then used for this purpose to merge previously shot D-ice balls.
Nach Abb.7.1 werden die beiden Laserimpulse in Richtung der Feldlinien auf die D-Eiskugel geschossen. Der Einschuß der Laserimpulse kann selbstverständlich auch quer zur Feldlinienrichtung und gleichzeitig aus mehreren Richtungen erfolgen, wie in Abb.7.6 angegeben.According to Fig.7.1, the two laser pulses are in the direction of the field lines shot at the D-ice ball. The injection of the laser pulses can of course also take place transversely to the direction of the field lines and simultaneously from several directions, as indicated in Fig.7.6.
Um einen nahezu kugelförmigen Einschluß des fusionterenden Plasmas zu erhalten, sind die Hagnetspulen mit dreieckförmigem Querschnitt ausgeführt, wie in Abb.7.7 dargestellt.Around an almost spherical enclosure of the fused plasma To obtain, the magnetic coils are designed with a triangular cross-section, as shown in Fig.7.7.
Wie erwähnt, muß der zuerst eigeleitete sogenannte "Zündimpuls" möglichst innerhalb der D-Eiskugel, bezw. bei Abb.7.1.1, unmittelbar daneben erzeugt erden. Aus diesem Grunde sind an die Gleichzeitigkeit zur Auslösung der beiden (oder mehrerer) Laserimpulse höchste Anforderungen zu stellen. Um diese Aufgabe zu erfüllen leitet man, gemäß Abb.8.1, die beiden Laser-Qucr-Impulse aus einem einzigen Laserimpuls ab, indem man diesen ueber zwei Rechteckprismen und zwei Spiegel so ablenkt, daß diese auf einer gemeinsamen optischen Achse gegeneinander laufen. Man kann auch eine bekannte Anordnung nach Abb.8.2 benutzen, bei der die beiden Laser L2 und L3 antparallel auf die Reaktionskammer gerichtet sind. Die beiden Laser Lp und L3 werden über einen llilfslaser L1 und Strahlteiler St gleichzeitig geschaltet. Das Linsensystem außerhalb der Reaktionskammer ist bei beiden Ausführungen (Abb.8.1 und 8.2) jedoch so ausgeführt, daß sich die Brennpunkte der beiden Laserimpulse in der Reaktionskammer auf der jeweiligen Seite und in der Nähe des anderen optischen Systems befinden.As mentioned, the so-called "ignition pulse" that is introduced first must if possible within the D-ice ball, respectively. in Fig.7.1.1, ground directly next to it. For this reason, the simultaneity for triggering the two (or more) To make the highest demands on laser pulses. To accomplish this task directs one, according to Fig. 8.1, the two laser Qucr pulses from a single laser pulse by deflecting it over two rectangular prisms and two mirrors so that these run against each other on a common optical axis. One can also use a known arrangement according to Fig.8.2, in which the two lasers L2 and L3 are directed antparallel to the reaction chamber. The two lasers Lp and L3 will be switched simultaneously via an auxiliary laser L1 and beam splitter St. The lens system However, outside the reaction chamber is in both versions (Fig.8.1 and 8.2) designed so that the focal points of the two laser pulses in the reaction chamber on each side and in the vicinity of the other optical system.
In folgenden soll anhand eines Beispiels untersucht werden, welche Laser-Impulsenergien und Hernzahlen man im einzelnen benotlgt t um einen nach Ausführung Abb*7.1-7.4 beschriebenen Fusionsforgang für ein DT- und DD-Kerngemisch einzuleiten und eine Ausgangsenergie von 5000 MWs pro Laserschuß zu erhalten Bei abgabe eines einzigen Laserschusses pro Sekunde würde man in diesem Falle eine Ausgangsleistung von 5000 MW erhalten. Das würde dann der Leistung eines Großkraftwerkes entsprechen.In the following, an example will be used to examine which Laser pulse energies and heart numbers are individually marked by one after execution Initiate the fusion process described in Fig. 7.1-7.4 for a DT and DD core mixture and to get an output energy of 5000 MWs per laser shot when delivering one single laser shot per second would be an output power in this case of 5000 MW received. That would then correspond to the output of a large power plant.
Beispiel: ... .. .. .. . ... Example: ... .. .. .. . ...
Die für eine Ausgangsenergie von E = 500 MWs (= 3,1 . 1022MeV) benötigte Kernzahl beträgt für ein DT-Gasgemisch (1:1) n = 3.3.1022MeV/ 17,6 MeV/Kern = 1,76 . 10²¹ Kerne. Die fttr eine thermonukleare Fusion zuzuführende thermische Energie (=Zündenergie) ergibt sich zu = 3nkTv. (Der Ionisierungsenergieanteil für die Plasmabildung ist relativ klein und kann hier vernachläßigt werden.) Setzt man das Volumen für Festkörperdichte von gefrorenem DT-Eis mit etwa 5 . 1021 Teilchen/cm3 in die Gleichung für Ez ein, dann ergibt sich für die benötigte Kernzahl ein Volumen von etwa v = 1,76 . 1021/ 5 . 1021/cm² = 0,35 cm3 = 1/3 cm3. Die Gleichung für die euzuführende Energie reduziert sich dann auf Ez = nkT. The one required for an output energy of E = 500 MWs (= 3.1. 1022 MeV) The core number for a DT gas mixture (1: 1) is n = 3.3.1022 MeV / 17.6 MeV / core = 1.76 . 1021 cores. The thermal energy to be supplied to a thermonuclear fusion (= Ignition energy) results in = 3nkTv. (The proportion of ionization energy for plasma formation is relatively small and can be neglected here.) If the volume is assumed for Solid density of frozen DT ice at about 5. 1021 particles / cm3 into the equation for Ez, a volume of about v = results for the required number of nuclei 1.76. 1021/5. 1021 / cm² = 0.35 cm3 = 1/3 cm3. The equation for the one to be introduced Energy is then reduced to Ez = nkT.
Mit der Bolzmannschen Konstante k = 1,38 . 10-23 Ws/° (= 1/11600 eV/°), der absoluten Temperatur T = 2 . 1o8 K (= 17,3 KeV) und der oben berechneten Kernzahl benötigt man somit eine Energie (= Zündenergie, die hier durch Fusion aufgebracht wird) von: Ez = 1,76 . 1021 . 1,38 . 10-23 Ws/°K . 2 . 108 °K = 4,8 . 106 Ws (= 3 . 1019 MeV). Die hierzu benötigte Kernzahl) nz ergibt sich zu 3 . 1019 MeV/17,6 MeV/Kern = 1,7 . 108Kernen. With Bolzmann's constant k = 1.38. 10-23 Ws / ° (= 1/11600 eV / °), the absolute temperature T = 2. 1o8 K (= 17.3 KeV) and the one calculated above Core number one therefore needs an energy (= ignition energy, which is applied here by fusion becomes) of: Ez = 1.76. 1021. 1.38. 10-23 Ws / ° K. 2. 108 ° K = 4.8. 106 Ws (= 3. 1019 MeV). The core number) nz required for this results in 3. 1019 MeV / 17.6 MeV / core = 1.7. 108 cores.
Die für diese Kernzahl primär "kinetonuklear" aufzuwendende Laserenergie E1 ergibt sich bei einem (angenommenen) Energicaufwand von 0,5 MeV pro Kern (=5,8 . 109 K) zu E1 = 0,5 MeV/Kern . 1,7 . 1018 Kerne = o,85 . 1018MeV oder 0,85 . 1010 MeV . 1,6 . 10-13Ms/MeV = 1,43 . 105 Ws. The primary "kinetonuclear" laser energy to be used for this core number E1 results from an (assumed) energy expenditure of 0.5 MeV per core (= 5.8 . 109 K) at E1 = 0.5 MeV / nucleus. 1.7. 1018 nuclei = o, 85. 1018MeV or 0.85. 1010 MeV. 1.6. 10-13Ms / MeV = 1.43. 105 Ws.
Für andere Ausgangsenergien E benötigt man entsprechend andere, d.h. For other output energies E one needs correspondingly different ones, i.e.
um den gleichen Faktor größere bezw. kleinere Laserenergien E1, die aus einer Zusammenstellung bei Abb.9 zu ersehen sind. So wird z.B. by the same factor larger respectively. smaller laser energies E1, the can be seen from a compilation in Fig. 9. E.g.
für eine Aus£angsenergie von E = 5 MWs am Eingang fur den Laser-Zündimpuls eine Energie von 143 Ws benötigt. Um die loo-fache Ausgangsenergie, also 500 1;W zu erhalten müßten demnach insgesamt 14 500 Ws als Pulsenergie vom Laser aufgebracht werden. Diese Pulsenergie könnte beispielsweise auf loo Laser zu Je 145 Ws aufgeteilt werden, wobei jeder Laser pro Sekunde nur einen einzigen Impuls abgeben müßte, um die gewünschte Ausgangsleistung von 500 MW zu erhalten. Es ist selbstverständlich auch möglich die Impulszahl pro Sekunde zu erhöhen, so daß man mit weit wenigern Laser auskommt. Bei liner Impulsfolge von beispielsweise 100 Schuß pro Sekunde könnte man dieselbe Ausgangsleistung schon mit einem einzigen Laser dieser Energie erreichen. for an external energy of E = 5 MWs at the input for the laser ignition pulse an energy of 143 Ws is required. Around loo times the output energy, i.e. 500 1; W to obtain a total of 14,500 Ws would have to be applied as pulse energy from the laser will. This pulse energy could, for example, be divided into 100 lasers of 145 Ws each each laser would only have to emit a single pulse per second in order to to obtain the desired output power of 500 MW. It goes without saying also possible the number of pulses per Second increase so that one gets by with far fewer lasers. With a linear pulse sequence of 100 rounds, for example you could get the same output power per second with a single laser achieve this energy.
Für die DD-Reaktionen findet man nach dem gleichen Rechenschema -wie für die DT-Reaktionen- die benötigten Laser-Eingangsenergien und Kernzahlen für eine bestimmte Fusions-Endenergie. Eine Zusammenstellung für verschiedene Energiegrößen und der dafür benötigten Kernzahlen ist ebenfalls aus der Zusammenstellung bei Abb.9 zu entnehmen.For the DD reactions one finds the same calculation scheme as for the DT reactions - the required laser input energies and core numbers for a certain final fusion energy. A compilation for different energy sizes and the core numbers required for this are also from the compilation in Fig. 9 refer to.
Das Diagramm nach Abb.10 zeigt die berechneten Zusammenhänge für eine Ausgangsleistung bis 10 MWs, bei der zur Zeit die benötigten Laserenergien aufgebracht werden könnten.The diagram according to Fig. 10 shows the calculated relationships for a Output power up to 10 MWs, at which the required laser energies are currently applied could become.
Das Produkt nE# (Abb.10) hat bei 2 . 108 K (bei gleicher Ausgangsleistung E für die DD- und DT-Reaktion) fAr die DT-Reaktion den wert nE = 1018cm-3 . 8 . 10-3 sec = 8 . 1015 sec cm-3 und für die DD-Reaktion den Wert nE# = 5 . 10@@cm 3. o,16 sec = 8 . io17 sec cm Diese werte sind in das Lawson-Diagra, Abb.l1, für T = 2 . 1o8K (E = 17,3 KeV) eingetragen. Man erkennt daraus, daß die erhaltene positive Energiebilanz für die DT-Reaktion sehr günstig liegt, d,.The product nE # (Fig. 10) has at 2. 108 K (with the same output power E for the DD and DT reaction) for the DT reaction the value nE = 1018cm-3. 8th . 10-3 sec = 8. 1015 sec cm-3 and for the DD reaction the value nE # = 5. 10 @@ cm 3. o, 16 sec = 8. io17 sec cm These values are in the Lawson Diagra, Fig.l1, for T = 2. 1o8K (E = 17.3 KeV) entered. It can be seen from this that the positive The energy balance for the DT reaction is very favorable, d ,.
4#1 ist und die der DD-Reaktion gerade noch erreicht wird, d.h. noch oberhalb in die Nullkurve hineinfällt.4 is # 1 and the DD reaction is just reached, i.e. still falls above into the zero curve.
Um die Energiebilanz bei der DD-Reaktion günstiger zu gestalten müßte man die Temperatur bei gleicher Teilchenzahl oder die Teilchenzahl bei gleicher Temperatur oder beides höher wählen, d. h. man müßte den Energieinheit der Laserimpulse für diese Reaktion höher ansetzen.In order to make the energy balance in the DD reaction more favorable one the temperature with the same number of particles or the number of particles with the same Select temperature or both higher, d. H. one would have to use the energy unit of the laser impulses set higher for this reaction.
Hit den Abbildungen 12 bis 17 werden Ausführungsmöglichkeiten von Xusionsreaktoren und Einrichtungen beschrieben die mittels Laserimpulsen und Magnetfeldern der beschriebenen Art zur diskontinuierlichen Freisetzung von kleineren Fusionsenergiemengen verwendet werden können.Figures 12 to 17 are possible designs for Fusion reactors and facilities described using laser pulses and magnetic fields of the type described for the discontinuous release of smaller amounts of fusion energy can be used.
Die Reaktionsraum und ia Kühlmedium gespeicherte Wärmeenergie sowie die relativ rasche Inpulsrolge macht es in allen Fällen möglich eine kontinuierliche Dampferzeugung (Ausnahme: Abb.1?) zu gewährleisten, so daß kontinuierlicher Betrieb, z.B. zur Erzeugung von Elektrizität, aufrechterhalten werden kann.The reaction space and ia cooling medium stored thermal energy as well The relatively rapid pulse sequence makes it possible in all cases to have a continuous one To ensure steam generation (exception: Fig. 1?), So that continuous operation, e.g. to generate electricity.
Da die bei Fusionsprozessen erzeugte Energie zum großen Teil auf die Neutronen fallen und um diese einer Nutzung zuzuführen, umgibt man den Reaktionsraum mit einem neutronenabsorbierenden Medium, das gleichzeitig auch als Wärmeabfuhr fir die durch die übrige Strahlung gleichzeitig mit entstehende Wärme dienen kann. Hierzu ist das Metall Lithium (Schmelzpunkt 186 °C, Wichte o,53 Kp/dm3, Siedepunkt 1336 °C, Wärme leitzahl 259 Kcal/mh°C, spez. Wärme o,o86 Kcal/Kg°C) am besten geeignet. Man erhält dabei auch gleichzeitig den kostbaren Brennstoff Tritium, der durch Abscheidung aus dem Lithium gewonnen und dem Reaktor als Brennstoff zugeführt werden kann (Fusionsbrutreaktor) (9).Since the energy generated in fusion processes is largely due to the Neutrons fall and in order to put them to use, one surrounds the reaction space with a neutron-absorbing medium that also acts as a heat dissipation fir which can serve at the same time as the heat generated by the remaining radiation. For this purpose, the metal is lithium (melting point 186 ° C, specific weight 0.53 Kp / dm3, boiling point 1336 ° C, thermal conductivity number 259 Kcal / mh ° C, spec. Heat o, o86 Kcal / Kg ° C) is most suitable. At the same time, the valuable fuel tritium is obtained, which is produced by deposition from which lithium can be extracted and fed to the reactor as fuel (fusion breeder reactor) (9).
Die Tritiumerzeugung verläuft nach folgenden beiden Reakt'ionsgleichungen (für Li 6 und Li 7): Das bei dieser Prozessen mit entstehende Helium wird aus dem Arbeitsprozess ausgeschieden.The generation of tritium proceeds according to the following two reaction equations (for Li 6 and Li 7): The helium produced during these processes is eliminated from the work process.
Die DD- und die DT-Reaktionen verlaufen nach folgenden Gleichungen:
Für die DD-Reaktionen findet man, daß von 7,25 MeV, die bei dor Fusion frei werden, 2,44 MeV, also 33,6 %, auf die Neutronen fallen. Nimmt man noch die Sekundärreaktion 2) hinzu, so ergibt sich sogar ein Verhältnis von 16,54 : 24,85, entsprechend 66,7 % für den Neutronen-Encrgieanteil.For the DD reactions it is found that of 7.25 MeV, that of the fusion become free, 2.44 MeV, or 33.6%, on which neutrons fall. If you still take that Secondary reaction 2), the result is even a ratio of 16.54: 24.85, corresponding to 66.7% for the neutron energy component.
Beschreibungen zu den einzelnes Ausführungsmöglichkeiten: Abb.12.1 zeigt im Prinzip einen Fusionsreaktor mit Wärmeaustauscher einschließlich den erforderlichen Nebeneinrichtungen wie; supraleitende Spulen mit Kuhlaggregat zur Erzeugung des kugelförmigen magnetischen Einschlußdeldes, den Einschußöffnungen für die Laserixpulse und Br.nnstoffkugeln, den Pumpen mit Kühlern für die Einschißöffnungen für Laser und Brennstoff, der Einrichtung zur Herstellung der festen Brennstoffkugeln aus DT-Eis, dem Vorratsbehälter für den D-Brennstoff, den lbscheide einrichtungen für das erzeugte Helium und Tritium aus dem Lithium sovie dem Lithiumvorratsbehälter und der Lithiumpumpe zur Aufrechterhaltung des Wärmeabfuhr-Kreislaufes über den Wärmeaustauscher.Descriptions of the individual design options: Fig.12.1 shows in principle a fusion reactor with heat exchanger including the necessary Ancillary facilities such as; superconducting coils with cooling unit to generate the spherical magnetic confinement field, the injection openings for the Laserixpulse and fuel balls, the pumps with coolers for the injection openings for lasers and fuel, the means for producing the solid fuel balls DT ice, the storage container for the D-fuel, the lb sheath facilities for the generated helium and tritium from the lithium as well as the lithium reservoir and the lithium pump to maintain the heat dissipation circuit via the Heat exchanger.
Der aus unmagnetischem und hitzbeständigem Material (Niob oder nolibdä.n) hergestellte Reaktionsbehälter ist Doppelwandig ausgeführt und allseitig vom Lithium durchströmt. Die folgenden beiden äußeren Behälterschichten dienen zum Schutz gegen Gammaquanten (Biologische Abschirmung) und zur Verhinderung unnötiger Wärmeverluste (Wärmeisolation).Made of non-magnetic and heat-resistant material (niobium or nolibdä.n) The reaction vessel produced is double-walled and made of lithium on all sides flows through. The following two outer container layers are used to protect against Gamma quanta (biological shielding) and to prevent unnecessary heat loss (Thermal insulation).
t>ie bei der Fusion entstchendc Wärmeenergie im Arbeitsgas (DTHe) wird indirekt ueber die innere Behälterwand durch "Wärmeleitung" auf den Lithiumkreislauf übertragen, während die kinetische Energie der freiwerdenden Neutronen im Lithium unmittelbar in Wärme umserandelt wird; -wie angegeben wird gleichzeitig Tritium erzeugt. Aus den beiden Vorratsbehältern s7ird immer so viel Deuterium und Lithium entnommen.t> ie thermal energy in the working gas (DTHe) generated during the fusion is indirectly via the inner container wall through "heat conduction" to the lithium circuit transferred while the kinetic energy of the released neutrons in lithium is immediately converted into heat; - as stated, tritium is used at the same time generated. So much deuterium and lithium are always produced from the two storage containers taken.
und den beiden-Kreisläufen zugeführt, wie Reliule 4 abgeschieden wird.and fed to the two circuits as Reliule 4 is deposited.
Die Reaktionskammer ist in der Mitte eingeschnürt (verengt) damit die supraleitenden Magnetspulen (hergestellt z.B. aus hartem tçiob-Zinn oder Niob-Titan) möglichst mit geringem Durchmesser und somit billig hergestellt werden können. Wie angedeutet, kann der Einschuß der Laserimpulse auch zwischen den beiden Magnetspulen und gleichzeitig aus mehreren Richtungen erfolgen (Abb.12.2).The reaction chamber is thus constricted (narrowed) in the middle the superconducting magnet coils (made e.g. from hard tçiobium tin or niobium titanium) Can be made as small as possible and therefore inexpensive. As indicated, the shot of the laser pulses can also be between the two magnetic coils and from several directions at the same time (Fig.12.2).
Die Ausführung nach Abb.12.3 ist ähnlich aufgebaut wie die nach lbb.12.i Sie unterscheidet sich von ihr im wesentlichen dadurch, daß sie nur aus einem einzigen Expansionsraum besteht und die Einschußstellen für.The design according to Fig.12.3 has a similar structure to that according to Ibb.12.i It differs from it essentially in that it consists of only one Expansion space and the bullet points for.
die Laserimpulse und den Brennstoff an der oberen Seite des Reaktions-Kammerkopfes angeordnet sind. Damit bei dieser Ausführung das xpandierende Fusionsgemisch nicht in die Einschußstellen für Laserlicht und Brennstoffzufuhr gelangen kann und somit eLse Beschädigung der Linsen durch das heiße Plasma vermieden wird, ist die obere Magnetspule etwas stärker ausgeführt als die untere, so daß das Plasma nur nach unten, d.h. in Richtung des schwächeren Magnetfeldes strömen kann. Neben dieser Maßnahme werden, wie bei Ausführung nach Abb.12.1, die einzelnen Einschußrohre vom Arbeitsgas (= Brennstoff) in Richtung zur Reaktionskammer durchströmt.the laser pulses and fuel on the top of the reaction chamber head are arranged. In this way, the expanding fusion mixture does not occur in this embodiment into the injection points for laser light and fuel supply arrive can and thus avoid damage to the lenses by the hot plasma, the upper magnet coil is made somewhat stronger than the lower one, so that the plasma can only flow downwards, i.e. in the direction of the weaker magnetic field. Next to This measure, as in the execution according to Fig.12.1, the individual bullet tubes the working gas (= fuel) flows through in the direction of the reaction chamber.
Abb.13 zeigt im vergrößerten Maßstab den Reaktionszylinderkopf aus Abb.12.3. Der Einschuß der Laserimpulse erfolgt jedoch seitlich und kann mit einer größeren Anzahl ausgerüstet werden, wie aus dem Schnittbild zu Abb.13 zu erkennen ist. Die Laserimpulse werden hier über Spiegel von oben zugeführt, damit die Laserkristalle nicht von der Neutronenstrahlung getroffen und von dieser beschädigt werden können.Fig. 13 shows the reaction cylinder head on an enlarged scale Fig.12.3. The injection of the laser pulses takes place from the side and can be done with a larger number can be equipped, as can be seen from the sectional view in Fig. 13 is. The laser impulses are fed in from above via mirrors, so that the laser crystals cannot be hit by the neutron radiation and be damaged by it.
Die Linsen und Spiegel erden bei dieser Anordnung aus Quarzglas und die spiegelnde Auflagc aus Aluminiumoxyd hergestellt, da diese Materialien bekanntlich resistent sind gegen Neutronenstrahlung. Wird jedoch an Stelle eines Kristallasers ein Glaslaser mit gegen heutronenstrahlung resistenten Glassorten verwendet, dann entfällt diese Maßnahme.The lenses and mirrors are grounded in this arrangement made of quartz glass and the reflective Auflagc made of aluminum oxide, as these materials are known are resistant to neutron radiation. However, it is used in place of a crystal laser a glass laser with types of glass resistant to modern electron radiation are used, then this measure is not applicable.
Außerhalb des Ringspiegels oder der Laserkristalle ist ein zusätzlicher Schutzring angeordnet der eine tqeutronenstrahlung nach außen verhindert.Outside the ring mirror or the laser crystals is an additional one Protective ring arranged to prevent neutron radiation to the outside.
Wird an den Einschußöffnungen für Laserimpuls und Brennstoff das Arbeits gas jedoch durch längere Schutzrohre und/oder bei hohem Druck eingeblasen, dann kann infolge Rückstreuung eine Neutronenstrahlung nach außen ebenfalls verhindert werden, sodaß dor vorgesehene Spiegel und Schutzring entfallen kann und in diesem Falle beliebige aktive Lasermaterialien direckt an den Einschußstellen angeordnet werden können.Will work at the injection openings for laser pulse and fuel gas, however, blown in through longer protective tubes and / or at high pressure, then can also prevent neutron radiation to the outside due to backscattering so that the mirror and protective ring provided there can be omitted and in this Trap any active laser materials placed directly at the bullet points can be.
Der Einschluß einer Brennstoffkugel ist mit dem Laserlmpuls-Einschuß ber eine Steuereinrichtung so gekoppelt, daß im zeitpunkt des Eintreffens der Brennstoffkugel an der optischen Achse, die beiden Laserimpulse gleichzeitig ausgelöst werden. Zur EInjustierung ist, wie angedeutet, ein veränderbares Zeitglied zwischen Auslöseiupuls für den Brennstoff, und der Energiezufuhr für die optische Pumpleistung des Lasers vorgesehen. Die zu erzeugende Fusions-Soll-Leistung kann durch Veränderung der zeitlich zugeführten Impulszahl, der Pumpleistung oder der Brennstoffmenge in weiten Grenzen gesondert werden.The inclusion of a fuel ball is with the laser pulse injection Coupled via a control device so that at the time of arrival of the fuel ball on the optical axis, the two laser pulses are triggered simultaneously. To the As indicated, adjustment is a variable timing element between the trigger pulse for the fuel, and the energy supply for the optical pump power of the laser intended. The fusion target power to be generated can be changed by changing the time supplied number of pulses, the pump power or the amount of fuel within wide limits be separated.
Abb.14.1 zeigt einen torusförmigen Fusionsreaktor der vier (oder auch mehr) auf dem Umfang des Torus verteilte Einschußstellen aufweist.Fig.14.1 shows a toroidal fusion reactor of the four (or also more) has bullet points distributed over the circumference of the torus.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß weniger nach außen wirksame Streufelder auftreten können als bei den andern bisher gezeigten Ausführungen der Fall ist. Der Brennstoff wird hier vom Laserimpuis selbst innerhalb des Torusraumes während des Einschusses aufgefangen und gemäß Abb.4.5, mit Hilfe des Magnetfeldes zusätzlich verdichtet und auf Fusionstemperatur gebracht. Die erzeugte Wärme wird, wie schon bekannt, über das Lithium abgeführt, welches den doppelwandigen Torus durchströmt. Bei Ausführung nach Abb.14.2 erfolgt der Einschuß der Laserimpulse paarweise und gegenläufig, wie bei Abb.4.5 oder 4.6 angegeben.This arrangement has the advantage that there are fewer outwardly effective stray fields can occur than is the case with the other versions shown so far. The fuel is here from the laser pulse itself within the torus space during of the bullet and, as shown in Fig. 4.5, additionally with the help of the magnetic field compressed and brought to fusion temperature. The heat generated will be, as before known, dissipated via the lithium, which flows through the double-walled torus. With the design according to Fig. 14.2, the laser pulses are injected in pairs and in opposite directions, as indicated in Figure 4.5 or 4.6.
Das Magnetfeld ist jedoch so ausgeführt wie bei Abb.5.1-5.2 angegeben ist. Das hat den Vorteil, daß das Arbeitsgas im Torus in Umlauf versetzt wird und die erzeugte Wärme rascher an das Lithium übertragen wird als dies bei stillstehendem Arbeitsgas der Fall wäre.However, the magnetic field is designed as shown in Fig.5.1-5.2 is. This has the advantage that the working gas is put into circulation in the torus and the heat generated is transferred to the lithium more quickly than when it is stationary Working gas would be the case.
Abb.15.1 zeigt ebenfalls einen Fusionsreaktor mit selbständigem Gasumlauf mit Hilfe eines einseitig vcrstärkten Magnetfeldes. Die trichterförmig ausgeführte Reaktionskammer wirkt jedoch für den thermischen Energieanteil als zusätzliche Beschleunigungsstufe, in der Wirkungsweise eines Staustrahltriebwerkes, so daß insgesamt die Umlaufgeschwindigkeit des Arbeitsgases (Brennstoffs) erhöht wird. Das beschleunigte Arbeits£as als auch das Lithium gibt seine Wärme an einen gemeinsamen Wärmeaustauscher ab. Damit kein Rückstau am Ausgang des Wärmeaustauschers entsteht, ist dort ein induktiver Konus-Wechselstrom-Beschleuniger vorgesehen, der als Kompressor wirkt und den Rückfluß des heißen Arbeitsgases in den Wärmeaustauscher verhindert. ur den Einschluß der Brennstoffkugeln ist es unter Umständen vorteilhafter, wenn diese von ###n, d.h. in Richtung der Schwerkraft, in die Realstionskammer eingescäossen werden. In diesem Falle ist die gesamte Anlage um 180° gedreht aufgebaut. Wie in Abb.15.2 angedeutet, kann der Einschuß des Brennstoffs und des Laserimpulses auch uber zwei getrennte Rohre erfolgen.Fig.15.1 also shows a fusion reactor with independent gas circulation with the help of a unilaterally strengthened magnetic field. The funnel-shaped However, the reaction chamber acts as an additional acceleration stage for the thermal energy component, in the mode of operation of a ramjet, so that overall the rotational speed of the working gas (fuel) is increased. That accelerated labor as well the lithium gives off its heat to a common heat exchanger. So no If there is a back pressure at the exit of the heat exchanger, there is an inductive cone AC accelerator provided, which acts as a compressor and the reflux of the hot working gas in prevents the heat exchanger. It is only below the inclusion of the fuel balls Certain circumstances are more advantageous if these are from ### n, i.e. in the direction of gravity, be included in the Realstionskammer. In this case the entire system is set up rotated by 180 °. As indicated in Fig.15.2, the injection of the fuel and the laser pulse also take place via two separate tubes.
Abb.16 zeigt ein, im Prinzip vollständiges,Fusionskraftwerk, bei dem ein Reaktor gemäß Abb.6.4 verwendet wurde. Der Einscuß der Laserimpulse erfolgt im Zeitpunkt des höchsten Stromanstieges der Gasentladung, d. h., wenn die Dichte (und Wärme) der im Eigenmagnetfeld eingeschlossenen Teilchen am größten ist. Die Ausgangsleistung wird durch Veranderung der Laserimpulszahl so über einen Signalwandler gesteuert, daß die Soll-Leistung erhalten bleibt. Die erzeugte wärme wird zwecks besserer Ausnutzung und Anpassung an das Arbeitsmittel in zwei getr@nten stufen -einer Kalium- und einer Wasserdampfstufe- abgebaut und entsprechenden Turbosätzen zur Arbeitsleistung zugeführt. Der über elektrische Generatoren erzeugte Strom kann einen Verbundnetz su6eführt werden. Detallierte Angaben sind aus Abb.16 zu ersehen.Fig. 16 shows a, in principle, complete, fusion power plant in which a reactor according to Fig.6.4 was used. The laser pulses are injected at the time of the highest current rise of the gas discharge, d. i.e. if the density (and heat) of the particles enclosed in the own magnetic field is greatest. the Output power is achieved by changing the number of laser pulses via a signal converter controlled that the target performance is maintained. The heat generated is used for the purpose better Utilization and adaptation to the work equipment in two separate levels - a potassium and a water vapor stage - dismantled and corresponding turbo sets for work performance fed. The electricity generated by electrical generators can be used in an interconnected network be managed. Detailed information can be seen from Fig. 16.
Abb.1?.i zeigt einen Fusionsreaktor bei dem die einzelnen diskontinu.Fig.1? .I shows a fusion reactor in which the individual discontinuous.
ierlich ablaufenden Fusionsprozesse unmittelbar mechanische Arbeit leisten, indem das durch den Fusionsprozess entstehende heiße, druckgespannte Arbeitsgas unmittelbar einen Kolben in einem Zylinder (=.Reaktionskammer) -ähnlich dem bekannten Verbrennungsmotor, dem Otto- oder Dieselmotor- beschleunigt und die gewonnene Erbeitsleistung aber ein Kurbelgetriebe und eine gasdichte Kupplung (Abb.17.2) nach außen überträgt. Die Inbetriebsetzung dieses sogenannten "Fusionsmotors" gescheht mit Hilfe eines Anlassers. Der Anlasser kann auch über die magnetische Kupplung wirksam sein, so daß dieser außerhalb des Gehäuses angeordnet werden kann.The fusion processes that take place directly lead to mechanical work perform by the hot, pressurized working gas created by the fusion process directly a piston in a cylinder (= reaction chamber) - similar to the known Combustion engine, Otto or diesel engine accelerated and the gained work performance but a crank gear and a gas-tight coupling (Fig.17.2) transmits to the outside. The commissioning of this so-called "fusion engine" takes place with the help of a Starter. The starter can also be effective via the magnetic clutch, so that this can be arranged outside the housing.
Das Auslösesignal für die beiden (oder mehreren) seitlich am Zylinderkopf (= Reaktionskammer) angeordneten Laser wird von einem an der Kurbel oder Schwungscheibe angebrachten Kontakt im oder um den Zeitpunkt des höchsten Kolbenstandes gegeben und einer Schalt-Diode zugefährt, die den elektrischen Strom fUr eine Blitzlampe oder Laserdiode, zur Erzeugung des Laserimpulses,schaltet.The trigger signal for the two (or more) on the side of the cylinder head (= Reaction chamber) arranged laser is operated by a on the crank or flywheel applied contact at or around the time of the highest piston level and a switching diode that supplies the electrical current for a flash lamp or laser diode, to generate the laser pulse, switches.
Die Steuerung der Ausgangsleistung dieses Fusionsmotors geschieht über die den Lasern zugeführte optische Pumpleistung, die ihrerseits über einen Energiewandler und einen Sollwerteinsteller in ihrer Größe verändert werden kann.The output power of this fusion engine is controlled via the optical pump power supplied to the lasers, which in turn uses a Energy converter and a setpoint adjuster can be changed in size.
Bei Tiefstand des Kolbens entweicht das Verbrennungsprodukt (das Helium und das zuta größten Teil nicht verbrauchte, fusionsfähige D-Gas) in einen seitlich am Zylinder angeschlossenen Auspuftopf und gelangt von dort in einen induktiven Gasbeschleuniger, der das Gas wieder dem Reaktionsraum zuführt, nachdem es über einen Abscheider flo.3 und von seinem Verbrennungsprodukt Helium 4 befreirt wurde.When the piston is low, the combustion product (the helium and most of the unused, fusible D-gas) into one on the side connected to the cylinder and passes from there into an inductive Gas accelerator that feeds the gas back into the reaction space after it has passed a separator flo.3 and its combustion product helium 4 was freed.
Im folgenden Arbeitsgang bewegt sich der Kolben wieder nach oben und verdichtet das in den oberen Zylinderteil eingeströmte fusionsfähige Arbeitsgas. Die nun erneut ausgelösten und in das verdichtete Arbeitsgas eingeschossenen Laserimpulse bringen @@@ tot n$ei eine gewisse Menge D-Gas, das sich in den beiden Hohlräumen der Laserimpulse angesammelt hat, inmitten des Magnetfeldes zur Fusion, usw..In the following operation, the piston moves up and again compresses the fusible working gas that has flowed into the upper part of the cylinder. The now re-triggered and in the compressed working gas shot in Laser pulses bring @@@ tot n $ ei a certain amount of D-gas, which is in the two Cavities in which laser pulses have accumulated, in the midst of the magnetic field for fusion, etc..
Der Fusionsmotor wird mit D-Gas aus einem Vorratsbehälter gospeißt.The fusion engine is poured out of a storage container with D-gas.
Es wird immer soviel D-Gas dem Arbeitsgaskreislauf zugesetzt wie helium abgeschieden wird. Das D-Gas kann dabei unmittelbar als solches mitgeführt oder an Ort und Stelle mittels Elektrolyse aus schweren Wasser (D20) gewonnen werden.There is always as much D-gas added to the working gas circuit as helium is deposited. The D-gas can be carried or carried as such directly can be obtained on the spot by means of electrolysis from heavy water (D20).
Die bei der DD-busion freiwerdende Energie der Neutronen, die insgesamt 33,6 % der Gesamtenergie ausmacht, wird bei leistungsschwächeren Anlagen von einem massieven, neutronenabsorbierenden Zylindermantel (z.B. aus den Berylliumverbindungen BeO oder iSeC; Schmelzpunkt 2000°C) aufgenommen und die dabei entstehende Wärme nach außen abgeführt. Der nylindermantel kann -vornehmlich bei leistungsstarken Hotoren- auch doppelwandig ausgeführt und von einem neutronenabsorbierenden Medium; z.B. mit Wasser, Kalium, Natrium oder Lithium durchflossen werden. Die erzeugte Wärme kann in diesem Falle besser abgeführt und evtl. auch zur weiteren Verwertung, beispielsweise für Heizzwecke, ausgenutzt werden.The energy of the neutrons released during the DD busion, the total 33.6% of the total energy is used in less powerful systems by one massive, neutron-absorbing cylinder jacket (e.g. from beryllium compounds BeO or iSeC; Melting point 2000 ° C) and the resulting heat discharged to the outside. The cylinder jacket can - especially with powerful Hotor- also double-walled and made of a neutron-absorbing medium; e.g. with water, potassium, sodium or lithium flowing through them. The generated In this case, heat can be better dissipated and possibly also for further use, for example for heating purposes.
Zur Erzeugung einer thermischen Ausgangsleistung von beispielsweise l2 KWs (einschließlich Neutronenenergieanteil) müssen bei diesem Fusionsmotor (bei einstufigem Reaktionsablauf gemäß Abb.4.5-4.6 und Abgabe von 10 Laserimpulsen pro Sekunde und Verteilung auf zwei Laser bei einer DD-Reaktion) pro Laserschuß ca 80 Wo aufgewendet werden (siehe Tabelle Abb.9 für die DD-Reaktion). Hier wurde davon ausgegangen, daß pro Korn eine Energie von o,5 MeV aufgewendet werden muß un eine "kinetonukleare Fusion" herbeizuführen, bei der twO ist (Anstatt 17,3 KeV Energieaufwand pro Kern bei der "thermonuklearen Fusion", bei der # = 4 4 Sekunden betragen würde wird hier also rund das 500 KeV/17,3 KeV = 29-fache an Energie aufgewendet.) Wenn man die bei der DD-Reaktion entstehenden Energieverluste von 33,6% nbzieht, die infolge Abwanderung der Neutronen entstehen und beim Fusionsmotor nicht unmittelbar ausgenutzt werden können, verbleibt noch eine effektive thermische Ausgangsenergie von 12 KWs . (1-o,336) = 8 KWs. Von dieser Energie kann infolge des schlechten Wirkungsgrades, der bei thermischen Kraftmaschinen vorhanden ist, nur etwa 1/3 in mechanische Arbeitsleistung umgesetzt werden, also 6 8 KWs/3 = 2,67 KWs.To generate a thermal output power of, for example l2 KWs (including neutron energy) must be used in this fusion engine (with single-stage reaction sequence according to Fig. 4.5-4.6 and delivery of 10 laser pulses per Second and distribution between two lasers with a DD reaction) approx. 80 per laser shot Where are spent (see table Fig.9 for the DD reaction). Here was of it assumed that an energy of 0.5 MeV must be expended per grain and one To bring about "kinetonuclear fusion" in which twO is (instead of 17.3 KeV energy expenditure per core in "thermonuclear fusion" where # = 4 would be 4 seconds So around 500 KeV / 17.3 KeV = 29 times the energy is expended here.) If the energy losses of 33.6% resulting from the DD reaction are taken into account arise as a result of the migration of neutrons and not directly in the case of the fusion engine can be used, there is still an effective thermal output energy of 12 KWs. (1-o, 336) = 8 KWs. Due to the poor efficiency, this energy can which is present in thermal engines, only about 1/3 in mechanical work output implemented, i.e. 6 8 KWs / 3 = 2.67 KWs.
*) Es ist möglich schon mit wesentl. weniger an Energie auszakoen, bei der # klein genug wird,um den Fusionsmotor gemäß Abb.17 zu .*) It is possible with essential. less energy, at which # becomes small enough to turn the fusion motor according to Fig.17.
betreiben. Bei der Herstellung geeigneter Laserimpulse gehen zur Zeit noch mindestens 90 % an Energie verloren, d. h. 72 Ws pro Laserschuß. Der Energiegewinn, in Form von mechanischer Arbeit, ergibt sich nach Abzug dieser Verluste dann zu 2670 Ws - (lo . 72 WS . 2) = 1530 Ws.operate. When producing suitable laser pulses At the moment, at least 90% of the energy is still lost, d. H. 72 Ws per laser shot. The energy gain, in the form of mechanical work, results after subtracting this Losses then to 2670 Ws - (lo. 72 WS. 2) = 1530 Ws.
Mit der in mechanische Arbeitsleistung umgesetzten Energie von insgesamt 2,67 kWs ergibt sich also für den Fusionsmotor, gemäß Abb.17, schon bei einstufigem Reaktionsablauf eine positive Energiebilanz, bei der also # >1 ist: «1 = Nab/Nzu = 2670 Ws/144o Ws = 1.8. (bei einem Energieaufwand von 50 KeV/Kern) Für einen zweistufigen Reaktionsablauf, gemäß Abb.9, würde man einen wesentlich höheren Wirkungsgrad erhalten, da auch nicht meXr Laserenergie aufgewendet werden mußte als beim einstufigen Reaktionsabiauf, gemäß Abb. 17 bezw. nach Abb.4.5-4.6, der Fall ist. zur einen zweistufigen Reaktionsablauf im Fusionsmotor (Reaktionskopf nach Ausführung Abb.13) ergäbe sich unter Zugrundelegung der gleichen Voraussetzungen (Energiezufuhr von 0,5 MeV/Kern, d. h. ##0) wie für einem einstufigen Reaktionsablauf' ein Wirkungsgrad von: al = Nab/Nzu = 250 ooo Ws/1440 Ws . 29 = 6.With the total energy converted into mechanical work performance 2.67 kWs results for the fusion engine, according to Fig. 17, even with a single-stage Reaction sequence has a positive energy balance, in which #> 1 is: «1 = Nab / Nzu = 2670 Ws / 144o Ws = 1.8. (with an energy consumption of 50 KeV / core) For a two-stage Reaction sequence, according to Fig. 9, one would get a much higher efficiency, since not more laser energy had to be used than with the one-step reaction process, according to Fig. 17 respectively. according to Fig.4.5-4.6, is the case. on the one hand, a two-stage reaction process in the fusion motor (reaction head according to the design in Fig. 13) would result on the basis of this the same requirements (energy supply of 0.5 MeV / core, i.e. ## 0) as for a one-stage reaction process' an efficiency of: al = Nab / Nzu = 250,000 Ws / 1440 Ws. 29 = 6.
(bei einem Energieaufwand von 500 KeV/Kern Bei den nach Abb.12-16 angegebenen Ausführungsbeispielen ergibt sich ein wesentlich günstigerer Wirkungsgrad als bei dem nach jibb.17 gezeigten Beispiel, da die Energie der Neutronen hier unmittelbar verwert-et werden kann und für die Zündung der zweiten Reaktionsstufe für den tiiermonuklearen Reaktionsablauf (infolge der hier zur Verfügung stehenden-Reaktionszeit t) wesentlich weniger Energie für die Laserimpulse aufgebracht werden muß als für einen "kinetonuklearen Zündvorgang", bei dem ## 0ist. (with an energy expenditure of 500 KeV / core for the ones shown in Fig. 12-16 The specified exemplary embodiments result in a significantly more favorable degree of efficiency than in the example shown after jibb.17, since the energy of the neutrons is here directly can be used and for the ignition of the second reaction stage for the animal monuclear The course of the reaction (due to the reaction time t available here) is essential less energy has to be applied for the laser pulses than for a "kinetonuclear" one Ignition process ", where ## is 0.
Für die in der Aufstellung bei Abb.9 berechneten Energiewerte findet man für die DD- und DT-Reaktion bei einem Anlagenwirkungsgrad (# Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie) von t = 30 % und einem Laserwirkungsgrad von insgesamt qL = 1 o % , einen Wirkungsgrad bei der DD-Reaktion von: Nab E . #ges. 5 . 106 ws . 0,3 # DD = = = = 46, Nzu 1 1 3,26 . 10³.For the energy values calculated in the list in Fig one for the DD and DT reaction with a plant efficiency (# conversion of thermal energy into electrical energy) of t = 30% and a laser efficiency of a total of qL = 10%, an efficiency in the DD reaction of: Nab E. #total 5. 106 ws. 0.3 # DD = = = = 46, Nto 1 1 3.26. 10³.
EL. 0,1 # L und b.i der DT-Reaktion von: Nab E . #ges. 5 . 106 Ws . 0,3 # DT = = = = 1050. Tbsp. 0.1 # L and b.i the DT reaction of: Nab E. #total 5. 106 Ws. 0.3 # DT ===== 1050.
1 1 Nzu EL . 143 .1 1 Nto tbsp. 143.
# L 0,1 Im günstigsten Falle kann also mittels dem beschriebenen, zweistufigen Reaktionsablauf etwa looo mal mehr Energie in Form elektrischer Arbeit gewonnen werden, als mittels Laser insgesamt aufgewendet werden muß. # L 0,1 In the best case, the described, two-stage reaction process around looo times more energy in the form of electrical work can be obtained than has to be expended in total by means of a laser.
In 30 Liter natürlichem Wasser ist ig Deuterium enthalten. Diese Menge entspricht einem Energieinhalt von 9o ooo kWn. Zum Vergleich besitzen beispielsweise 30 Liter Benzin nur 38,4 kWh. Der Energieinhalt von Deuterium, der in 30 Liter Wasser enthalten ist, ist demnach um rund 2350 mal höher als der von 3o Liter Benzin. Außerdem sind die Brennstoffkosten für den beschriebenen Fusionsmotor rund lo ooo mal niedriger als die des jetzigen benzinmotors für dieselbe Leistung (gerechnet mit einem Preis von DM 250,- pro Kg D20 bei 2 % H2O-Verunreinigung und DM o,6o pro Liter Benzin).30 liters of natural water contain ig deuterium. This quantity corresponds to an energy content of 90,000 kWn. Have for comparison, for example 30 liters of petrol only 38.4 kWh. The energy content of deuterium that is in 30 liters of water is therefore around 2350 times higher than that of 3o liters of petrol. aside from that the fuel costs for the fusion engine described are around 1,000 times lower than that of the current gasoline engine for the same performance (calculated with a price of DM 250, - per kg of D20 with 2% H2O contamination and DM o.6o per liter of petrol).
Die Schwerwasserkosten (D20) für den Fusionsmotor sind gegen die Benzinkosten beim Benzinmotor also vernachläßigbar klein, so daß zur Bcurteilung seiner Wetterbewerbsfähigkeit die Kapitalkosten (= Anschaffungskosten plus Brennstoffkosten) der beiden Fahrzeuge zu vergleichen wären: Der jetzige, benzinbetriebene PKW kostet während seiner Lebensdauer etwa so viel an Brennstoff wie seine Anschaffungskosten betragen haben.The heavy water cost (D20) for the fusion engine is against the gasoline cost so negligibly small in the case of a gasoline engine, so that it can be used to assess its weather competitiveness the capital costs (= acquisition costs plus fuel costs) of the two vehicles to be compared: The current gasoline-powered car costs during its service life about as much fuel as its acquisition cost.
Der Preisanteil des Motors allein beträgt etwa 1/4 der Anschaffungskosten des kompl. Falirzeuges. Um beim Fusionsmotor wegen seiner zu vernachläßigenden Brennstoffkosten auf die gleichen Kapitalkosten wie beim jetzigem Benzinmotor zu kommen dürfte der Fusionsmotor also vier mal mehr kosten als der jetzige Benzinmotor bei gleicher Leistung.The price share of the motor alone is about 1/4 of the acquisition cost of the complete Falirzeuges. To the fusion engine because of its negligible fuel costs to come to the same capital costs as with the current gasoline engine Fusion engine cost four times more than the current gasoline engine for the same Power.
Hinsichtlich des Umweltschutzes iEt der Fusionsmotor dem Benzinmotor weit überlegen. Der Fusionsmotor hinterläßt keinerlei LuStverschmutzung.In terms of environmental protection, the fusion engine is the petrol engine far superior. The fusion engine does not leave any pollution behind.
Im Gegenteil: Der mit 80 % Gewichtsanteilen im Schwerwasser gebundene Sauerstoff wird bei der Gewinnung des D-Gases (Elektrolyse) freisesetzt und kann zur Auffrischung der umgebenden Luft verwendet werden.On the contrary: The 80% weight fraction bound in heavy water Oxygen is and can be released when the D-gas is obtained (electrolysis) can be used to freshen up the surrounding air.
Der Deuteriumgehalt der Weltmeere wurde den heutigen Energiebedarf der Henscnheit (Jahresbedarf im Mittel etwa 1014 k',Yh) für über 1 Milliarde Jahre decken können.The deuterium content of the world's oceans became today's energy needs of humanity (annual requirement on average about 1014 k ', Yh) for over 1 billion years can cover.
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