DE2124442A1

DE2124442A1 - Verfahren und Einrichtung zur kontrol herten Atomkernfusion mittels kunstlichem Plasma

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Publication number: DE2124442A1
Application number: DE19712124442
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-05-21
Filing date: 1971-05-17
Publication date: 1972-05-04
Also published as: GB1311591A; AT340010B; SE377625B; ATA453470A; CH574154A5; BE767507A; US3859164A; FR2092156A1

Description

Ing. Karl Nowak
in V/ i e η .

Verfahren und Einrichtung zur kontrollierten Atomkernfusion mittels künstlichem Plasma .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Atomkernfusion mittels künstlichem Plasma, das durch Zusammenftihrung vorher beschleunigter Atomionen und Elektronen gebildet wird, unter Verwendung gegeneinander gerichteter Atoniionenstrahlen. Ferner betrifft die Erfindung die Einrichtung 2ur Durchführung des Verfahrens, Erfindungsgemäss werden Strahlen von Atomionen und Elektronen über unterschiedliche Unlenkmagnete vermischt, wobei der Atomionenstrahl je beide Magnete durchläuft, der Elektronenstrahl jedoch nur ein schwächeres Magnetfeld. Zweckmässig werden die so gebildeten Plasmastrahlen vor dem Aufeinandertreffen durch Magnetfelder steigender .Feldstärke infolge Vermeidung radialer Geschwindigkeitskomponenten der Ixmenbewegung auf Ionendichten der Gros-

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senordnung Io bis Io oder mehr Ionen/cnr kontrahiert und so in begrenzten Paketen (kurzen Stromstößen) zusammengeführt. ·

Um kontrollierte Atomkernfusion zu erreichen, ist G3 noiJwendig, die Atomionen auf Geschwindigkeiten zu bringen, die zur Überwindung des coulomb'sehen Potentialwalls ausreichen· Diese Voraussetzung ist für Deuteriumionen (Deuteronen) in einem normalen Plasma von loo Millionen Grad K gegeben. Gg^iSss der Gleichung e.V » k.T entspricht dies Ioncn^eschv/indigkeiten der Größenordnung Io keV ( 1 eV entspricht einer Temperaturgeschwindigkeit von rund 773o Grad K ). Tan suchte bisher die 3?usionstemperatur vorwiegend durch Stofiontladungen, Plasmaschookung usw. zu erreichen. Bei Maxwell'ocher Gearvh/vindigkeitsverteilung der Temperaturbev/cgung muss uns Fusionsplasma aber o.uch eine gewisne Zeit ( ca. 1 soc) a^r/bil erhalten, also in einer Anordnung eingeschlossen '.7ordoa, damit die raschesten Atomionen der allcoi^igen '2erpomturbo\;G-

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gung sich in statistischer Sicht treffen können. Die Erzielung der Fusionstemperatur und die Aufrechterhaltung des Fusionsplasma über eine ausreichende Zeit bei genügend hoher Plasmadichte und damit Ausbeute bereitet ,jedoch erhebliche Schwierigkeiten ."

Für die Instabilität stark kontrahierter Plasmasäulen sind offenbar zwei Hauptursachen verantwortlich, nämlich Randeffekte des heissen Plasmas gegenüber einer umgebenden kälteren Gasatmosphäre und die Tendenz des Plasmas, auf Grund der allseitigen Temperaturbewegung seine Dichte zu verringern, was sich durch einen enormen Expansionsdruck äussert.

Der Erfindungsgegenstand vermeidet diese Schwierigkeiten. Es wird ein künstliches Plasma in einem Vakuumraum gebildet, so dass die Randeffekte entfallen. Durch Vermeidung einer allseitigen Temperaturbewegung und Anwendung einer nur achsialen Ionengeschwindigkeit in zwei gegeneinander gerichteten Plasmastrahlen unter Vermeidung einer prinären radialen Geschwindigkeitskomponente sind hohe und höchste Plaemadichtcn mittels relativ geringer Ilagnetfeldstärken erzielbar. 3a alle Atonionen der Strahlen praktisch die gleiche, durch je einen Beschleuniger erzeugte Geschwindigkeit besitzen, entfällt auch die bei einem normalen Plasma mit allseitiger Tempera turbewegung d.h· Maxwell¹ scher Geschwindigkeitsverteilung erforderliche Heaktionszeit, also die Notwendigkeit eines Plasmacinschlusses. Atomionen und Elektronen werden ^e getrennt geeignet beschleunigt und dann mit diesen $e das Plasma gebildet, wobei erst das Aufeinandertreffen der beiden kontrahierten künstlichen Plasmen zu den Fusionen führt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Fig.t das Prinzip des erfindungsgcmäiSen Verfahrens, die Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgomässen Einrichtung in schematischer Darstellung. Die Fig.3 erläutert den erfindungsgemassen Fusicnsvorgang, die Figuren 4 und 5 zeigen Details einer zweclmässigen Energieabnnhiaooinrichtung. In der Fig.6 ist eine weitere Ausgestaltung" der eriindungsgemässen Einrichtung schematisch erklärt, die l^?i_t;.7 zeigt schonatisch ein Ausführungöbeispiel des "Reaktionoraumos der erfindungsgemäesen Einrichtung·

GemäsB Fig.l gelangen Ato^icnonctrahlori 1 urrl In., die aus hier nicht dargestellten Ioron.iucllen (K^n^lr.tr:\"al-

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röhren) und nachfolgenden Beschleunigern stammen, nach vorheriger Umlenkung durch Magnetfelder von Magnetpolen 2, 2a &ur Gegeneinanderführung und treffen sich im Bereiche des Kontraktionsfeldes einer Magnetspule 3· Vor der Zusammenführung der lonenstrahlen werden diesen Elektronenstrahlen 4, 4a, die aus ebenfalls nicht dargestellten Beschleunigern kommen, über Umlenkmagnete 5» 5a zugesetzt, so dass künstliche Plasnastrahlen entstehen. Die Querschnitte und Teilchendichten der zusammengeführten Atomionen- und Elektronenstrahlen sind z.weckmässig gleich oder ähnlich (die Elektronendichte kann vorteilhaft auch etwas höher sein, so dass Eaumladungsl:or.pcnsation (wuasineutralität) oder negative Haumladung im entstehenden Plasma besteht und die gegenseitige coulomb'sehe Abstcssung der Atonionen in den Strahlen jedenfalls kompensiert v.'ird. Tas entatehende Plasma kontrahiert sich dadurch selbst (Uigenpine'Ji) und wird an3chliessend noch durch das Feld der den Ksaktionsbereich umschliessenüen Magnetspule 3 kontrahiert. !Die "Jrjlcnkfeider der Magnetpole 2, 4 ( bzw. 2a, te. ) für Atojaionen- und Elektronenstrahlen sind je gleichsinnig, so dass die Zuführung der gegenpoligen Teilchen je von verschiedener beite erfolgt; sie könnten auch gegensinnig sein, so dass die Zuführungen von der gleichen Seite möglich wären. Atonionen- und Elektronenstrahlen haben zweckmässig je ungefähr gleiche Geschwindigkeit, d.h. die Elektronenenergie kann wesentlich geringer sein als die Atomionenenergie. Zv/eclcr/is-3ig kann die Llektronengeschwindigkeit auch etyjas gröscor sein als die Ionengeschwindigkeit. 3er Atomionenstrahl 1 bs'.v. 1a passiert je auch das Umlenkfold für die Elektronen 4 bzv/. 4a, «as üweckisässig bei der Planung der Bahnen der lonenstralilen 1, 1a und der Gestaltung der Feldstärken der Umlenkiaas^ete 2, 2a berücksichtigt werden kann, doch üben die v/eit schr/ücher \7ählbaren Felder der Elektronen-Uinlenlnaagnete (Pole 5, 5a) keine entscheidende ϊ/irkung auf die lonenstrahlen aus, da diese infolge ihrer bei gleicher Geschwindigkeit ungleich höheren Lnergie nur eine geringe Ablenkung erfahren. Innerhalb ces von der iipule 3 uiaechloosencn Bereiches finden dann die Fucionereoktioiien statt. Zu diesem Zweck mUseen sich die Atosiionenstrahlen bzw. Plasmastraiilen über einsn gewissen Bereich gegenseitig durchdringen, der sich nach der durch die Kontraktion erzielten lonondichte rial-l-ct, sov.ic- cueli c.or der angewendeten Ionenbeßchlc-uuit-rJxiG. ZvecuJlssi^

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wird mit Atomionenenergien der Größenordnung einiger keV bis maximal etwa loo keY gearbeitet und das Kontraktionsfeld (Spule 3) iiat eine Feldstärke der Größenordnung lo^ bis Gauß. Rechnet man mit einem Wirkungsquerschnitt von o.o3 barn (d.i. O.o$ . Io cn ) bei loo keY und einer Ionendichte zwischen Io bis Io Ionen/cm oder darüber, so kann die fteaktionsstrecke unter 1 m Länge besitzen ( z.B. 1/3 iß bei Io Ionen/cm^ für volle Energieausnütsung) .

He Gegeneinanderführung der beschleunigten Plasmastrahlen erfolgt zweckmässig im Impulsbetrieb, also jovvcils kurzzeitig. Dae die Anordnung umachliessende Ilochvakuurngefäß ist bei der schematisehen Darstellung der Pig.l der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Die Fig.2 erläutert die zur Anwendung kommende Apparatur nähar. Sie zeigt schematisch die Gehäuse der Ionenquellen 6, 6a mit nachfolgenden Beschleunigern 7, 7a , sowie die ähnlich Braun'sehen Röhren ausgeführten Einheiten von Llektronenquellen und Beschleunigern 8, 8a. Der das Reaktionsrohr 9 umschliessende Kontraktionemagnet 3 ist hier so ausgeführt, dass er durch steigende liagnetfeidstärke eine anfangs gegen den Eeaktionsbercich allmählich zunehmende Feldstärke liefert. Der Durchmesser eines Verbindungsteiles lo, loa vor oder nach·den Beschleunigern kann z.B. Io - 2o cm oder auch mehr betragen, ebenso für den Teil 9 im Heaktions/bereich oder dort auch weniger. Im Reaktionsbereich zieht sich das Plasma auf einen dünnen Schlauch zusaaraen, also einen kleinen Querschnitt mit hoher Teilchendichte. Seitlich des Eeaktionsbereich.es befindet sich ein Kohrteil 11 und zweckmässig auch noch ein symmetrischer Eohrteil 11a, für die Evakuierung des Systems. Pumpen für Hüchstvakuum können zweckmässig ständig in Betrieb sein, sie dienen zur Herstellung des BetriebsVakuums und Absaugung zurückbleibender Reaktionsprodukte.

Gemäss Fig.3 treffen zwei magnetisch stark kontrahierte Plasmaoäulen B., e- und IU e^die gemäss dem Verfahren nach Fig.l in einer Apparatur gemuss Pig.2 erzeugt sind, frontal aufeinander, damit sich die Atomionen infolge hoher Plasmadichte nach kurzer V/cgl?lnge mit Pucioncstößen treffen können und die Streuung gering bleibt. Die den Atomionen beigegebencn Electron tr» ϊίηα aweclirr.'ssig c-'::nc

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rascher oder werden etwas früher eingeschaltet, so dass sich am i'reffort der ausgesendeten lonenpakete zuvor eine Elektronenwolke bildet, welche die Atomionenfusion noch begünstigen kann. Es können aber auch in den Bereich des Magnetfeldes der Spule 3 seitlich eingeschossene und im Reaktionsbereich kreisende liusatselektronen der Fusionsbegünstigung dienen, andererseits können aber auch schon die in den Plasmen befindlichen Elektronen zur Fusionsbegünstigung genügen. So lange Atomionen und Elektronen hohe Geschwindigkeiten besitzen (die den thermischen Geschwindigkeiten des Zustandes der thermischen Dissoziation entsprechen oder diese übertreffen), kömaen sie sich schwerlich zu Atomen vereinigen, also nicht rekosbinisren, was erst nach Abbremsung möglich wird, Durch die hohe Plasmadichte und einen Impulsbetrieb werden die Atomionenstreuungen gering gehalten, die hohe Plasmadichte begünstigt auch einen sogenannten Tunnel-Effekt, also die Verminderung der zur Überwindung des coulomb'sehen Potentialwalls erforderlichen Atomionenenergie. Gemäss der Theorie muss die Teilchenenergie ausreichen, eine Annäherung auf die Distanz von Io cm zu erreichen, bei welcher die coulomb 'sehe Abstoßung aufhört und die starke Kernkraft wirksam wird, d.h. offenbar eine Veränderung der Atomionenstruktur stattfindet, bei welcher sich aus den beiden Kernen ein neuer Kern bildet.

, In den Figuren 4· und 5 ist eine zweckentsprechende Luergieabnahmeanordnung in Längs- und Querschnitt scheuatisch dargestellt. Im Innern des Reaktionsrohrss 9 ist eine Schichte 12 z.B. aus Graphit (Graphitzylinderrohr) angebracht, welche Strahlungsenergie aller Art Absorbiert und sich auch, wenn in der Reaktion Protonen entstehen, durch diese positiv aufladet und somit über eine Ableitung 13 zur Strorolieferung dienen kann. Aber auch durch gestreute Atoaionen ist eine Aufladung möglich. Zur Abhaltung von Streuelektronen kann zweckmässig eine gitterartige Elektrode mit positiven Potential vor dieser Wandelektrode 12 angeordnet εοίη, bestehend etwa aus zylinderförmig angebrachten Graphitstauen 14 mit Zuleitung 15·

Protonen entstehen aus der Fusion von Deuteriunionen zusammen mit Triliun und einer Tnergiefreisotsung von 4·ο8 MeV. Durch Protonen und Tritium ergeben sich wie bek

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weitere Reaktionen mit der Entstehung auch von -%e und ^He, β ο »vie von Neutronen ( P+D =» %e + 5.5 MeV, T+D = ⁴He $ N + 17.6 ITeV, usw.). Aus der Deuteriumfusion kann auch direkt -^Hs entstehen ( D+D « %e +N + 3.27 ^eV).. Anzustreben ist daher die direkte Fusion von Deuteriumionen zu stabilem Helium ( He ), bei der keine Protonen oder neutronen entstehen und eine Energie von 23·8 MeV freigesetzt wird.

Der Impulsbetrieb verhindert das Auftreten einer llaxwell· sehen Temperaturbewegung mit ihrer Expansionswirkung, die sich sonst im Reaktionsraum nach der Gegeneinanderführung der Plasmasäulen doch schliesslich wieder ergeben würde, v;onn es sich nicht nur um kurze Stromstöße (Plasmapakete) handeln würde. Das Aussenden von Teilchenpaketen ist durch die moderne !»pulstechnik an sich bekannt,

In den Figuren 4 und 5 ist am Reaktionsrohr 9 ausserdem auch noch eine Schichte 16 aus dichtem Material, Ε.Γ. Blei, Platin, V/olfram oder einer entsprechenden Legierung angebracht, um die Absorption der Graphit schichte 12 für Strahlungen zu ergänzen.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes zeigt die Fig. 6· Um zu vermeiden, dass die Energie von eventuell nicht zu ZusammenstSsseÄ kommenden und auch nicht gestreuten beschleunigten Teilchen verlorengeht bzw. diese in unerminsehter Weise unkontrollierbar die Gefässwand treffen, sind gemäss Fig,6 für solche Teilchen besondere Auffangelektroden vorgesehen, von welchen dann die restliche elektrische Priaärenergie wieder abgenommen werden kann, indem Stromkreise gebildet v/erdeh, etwa zwischen diesen Elektroden und dem Ausgangspunkt der Teilchen. Geaäss der Fig. 6 gelangen restliche rasche Atomionen über das Polfeld 2 zur Auffangelektroöe 17 und können mit der Ionenquelle ( 6a in Fig. 2 ) einen Stromkreis bilden, während überschüssige rasche Elektronen über das Polfeld 5 zu einer Auffangelektrode 18 geführt werden und etwa mit der Elektronenquelle (Bs. in Fig.2 ) einen Stromkreis bilden. Man könnte aber gegebenenfalls auch die Elektroden 17 und 18 zur Bildung eines Stronkreiaes untereinander bzw. miteinander benützen·

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Die Fig. 7 zeigt schema tisch ein Detail eier erfindungsgemässen Pinrichtung, nämlich ein Ausführungsbeispiel für rl on Reaktionsraum. Das Reaktionsrohr 9 mit Innenbelag 12 und Aussenbelag 16 "besitzt hier zwei Kühlmäntel. Der innere ICJOiI-mantel mit der Zuleitung 19 und Ableitung 2o.kann der Ausnutzung der thermischen Reaktionsenergie zur Krafterzeugung dienen, der äuosere I'antel nit Zu- und Abfluss 21, 22 kühlt vor allem die Hagnetspule 3 bsw. schützt sie vor Beschädigung. Die Schichte 12 besteht zweekmässig aus Graphit, die Schichte 16 vorteilhaft aus einer Legierung hoher DichtG und geeignet hoher Warmfestigkeit«

Der Erfindungegegenstand ist in seiner Ausführung an die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht gebunden. Beispielsweise können statt Ilagnetfeidern gegebenenfalls auch andere Einrichtungen der geeigneten Mischung und Konzentration von Atomionen und Elektronen zu Plasmastrahlen hoher Dichte dienen.

Claims

Patent - Ansprüche :

1. Verfahren zur kontrollierten Atomkernfusion mittels künstlichem Plasma, das durch Zusammenführung von Atomionen und KLektronen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlen von Atomionen (1, la) und Elektronen (4, 4a),nach getrennt erfolgender vorheriger Beschleunigung, über unterschiedliche Umlenkmagnete ( 2, 2a bzw. 5t 5a ) oder analog wirkende !einrichtungen vermischt werden und als Plasmastrahlen hoher Dichte innerhalb einer Kontraktionsanordnung (3) gegeneinander geführt werden·

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Atomionenstrahl (1, la) , der durch ein magnetisches Umlenkfeld (2, 2a) umgelenkt wird, anechliessend noch durch ein schwächeres Magnetfeld (5, 5a) geführt wird, das der Umlenkung und Beimischung des Elektronenstrahles ( 4t 4a) dient.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daBS die gebildeten Plasmastrahlen bis zur Erreichung der Fusionszone ein Magnetfeld von steigender kontrahierender Feldstärke durchlaufen (Fig.2).

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3 oder einem derselben,

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dadurch gekennzeichnet, dass unter Raumladungskompensation (Quasineutralität) und Vermeidung radialer Geschwindigkeitskomponentender lonenbewegung durch magnetische Kontraktion Ionendichten der Größenordnung Io bis Io ^ Ionen/cmr odor mehr angewendet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass die achsiale Geschwindigkeit der Plasnaelektronen gleich oder etwas grosser ist gegenüber der Geschwindigkeit der Atoinionen und/oder die zeitliche Aussenclung der Elektronenstrahl en vor der Aussendung der Atomionenstrahlen erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen t bis 5 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstromstärke grosser ist als die Ionenstromstärke, so dass eine negative Kaumladung resultiert d.h. die coulomb'sehe Abstoßung der positiven Atomionen völlig kompensiert werden kann.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Elektronen zu Plasmen vermischten Atomionenstrahlen in kurzen Strömstössen gegeneinander geschossen werdeni

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur kontrollierten Atomkernfusion nach den Patentansprüchen 1 bis 7 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass Atomionenquellen (6, 6a) mit Beschleunigern (7, 7a) und Elektronenquellen mit Beschleunigern (8, 8a) symmetrisch zu einem Reaktionsraum abgeordnet sind, wobei der Reaktionsraum von einer Magnetspule (3) umgeben wird und Mischeinrichtungen (Magnete 5t 5a) für die Vermischung von Atomionen- und Elektronenstrahlen zu Plaemastrahlen vorgesehen sind.

9. Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieabnahme vor der Gefässwand (9) ein Belag (Zylinder 12) vorgesehen ist* der sowohl Strahlungsenergie o.ufnehmen als auch Ladungen aufnehmen kann, also vorzugsweise aus Graphit besteht, und mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, um positive Aufladungen zur Stromlieferung abzuleiten ( 13 der Pig.4).

10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Energieabnahmebelag (12) gitterartige Elektrodenanordnungen (etwa Graphitetäbe 14 mit Anschluss 15 der Pig.4 u.5 )

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mit positivem Potential zur Aufnahme von Streuelektronen vorgesehen sind.

11. Pinrichtung nach den Ansprüchen 8 bis Io oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Auffangelektroden (17, 18£ für nicht zur Kollision gelangte ladungsträger vorgesehen sind, die einer Rückgewinnung nicht ausgenützter . elektrischer ladungaträgerenergie dienen (3Ig.6).

12. Einrichtung nach den Patentansprüchen 8 bis ll,odar einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass der Beaktionsraum mit Energieauf nähmeanordnung (Rohr 9« Belage 12 u. 16) von zwei der Wärmeableitung dienenden Gefäßsystemen umgeben wird, wobei das innere System (Anschlüsse 19 u.2o) zur Abnahme thermischer Energie dien* und das äussere System (Anschlüsse 21 u. 22) die Xontraktionsspule (3) schützt (Flg.7).

13· Verfahren und Einrichtung zur kontrollierten Atomkernfusion, wie beschrieben und gezeichnet (weitere detaillierte Patentansprüche vorbehalten)·

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