DE2140445A1 - Einrichtung zur durchfuehrung einer gesteuerten thermonuklearen wasserstofffusion - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Durchführung einer gesteuerten thermonuklearen Wasserstoff-Fusion Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchführung einer thermonuklearen Fusionsreaktion unter kontrollierten Bedingungen, durch Anwendung von Laser-Impulsen- und einer elektrischen Gasentladung in einem Magnetfeld.
• Bekanntlich bietet die Kernfusion eine Möglichkeit zur Energie gewinnung, die auf thermischen oder kinetonuklearen Zusammenstössen von im wesentlichen Wasserstoff-Isotopen (H,D,T,) mit so größer Relativgeschwindigkeit beruht, das zwischen den stoßenden Kernen Fusions-Reaktionen auftreten, die einen erheblichen Energiegewinn bedeuten Verfahren und Einrichtungen zur Gewinnung von Wärme aus Fusionsprozessen mittels Laserlicht-Impulsen und elektrischen Gasentladungen an Wasserstoff-Isotopen sind bisher getrennt betrieben und bekannt geworden. Die bisherigen Versuche kamen jedoch nicht über das Versuchsstadium hinaus, da die Energiebilanz negativ verläuft (q<lj, d.h., es muß in das Plasma noch mehr Energie hineingesteckt werden, als die Kernreaktion liefert.
• +) Mit DD- und DT- Reaktionen erhält man folgenden Energiegewinn: 7,25 MeV 17,60 NeV 85 UtV Bei den bisherigen Verfahren, mit Hilfe von Laserlicht eine Kernfusion zu bewirken1 bediente man sich mit Lichtimpulsen von extrem hoher Leistungsdichte (etwa 101@W/cm²), die zwar ausreichen würden, eine Kernfusion durch Mehrquantenionisierung einzuleiten (mit den Photonen des Lichtes und Übertragung auf die Elektronen im Plasma und von diesen auf die H-, D- oder T- Kerne). Die Teilchengeschwindigkeit bei der erforderlichen Temperatur ist jedoch so hoch; daM diese in extrem kurzer Zeit auseinandergelauten sind (1).
• Ein Laserplasma von zum Beispiel o,1 mm Durchmesser und einer Temperatur von t KeV (= 11,6 Mill. E)- ist aufgrund der hohen Teilchengeschwindigkeit in einigen 10-10sec. auseinandergelaufen, so daß die erforderliche Plasmadichte und Reaktion£lebensdauer, die für eine thermonukleare Fusion Bedingung ist, nicht mehr erfüllt ist.
• Mit keinem der bisher angewendetem Verfahren ist es gelungen, eine positive Energiebilanz unter kontrollierten Bedingungen zu erhalten.
• Um einen hohen Reaktionswirkungsgrad, d.h. mit wenig Energie wand, beim Beschuß eines Plasmas mit Laserimpulsen zu erreichen, muß folgendes beachtet werden 1). Die Energie des Laserimpulsen muß, damit die Abstrahlungsverluste klein bleiben, in sehr kurzer Zeit einer begrenzten Kernzahl zugeführt werden1 wobei die Kernzahl dem effektiven Energieinhalt des Laserimpulses angepaßt sein mub.
• 2). Die aufgeheizte und begrenzte Kernzahl nu für die Dauer der erforderlichen Reaktionszeit (Reaktionslebensdauer) mit einem Magnetfeld von ausreichender Starke zusammengehalten werden.
• 3). Es muß für die Dauer des in das Plasma eindringenden Laserimpulses die Absorptionsbedingung erfüllt; sein, d.h., die Kreisfrequenz der eingestrahlten Laserwelle maß mit der Plasmafrequenz weitgehend übereinstimmen, so daß möglich viel Energie vom plasma absorbiert wird. Die bei einsetzender Fusion freiwerdende Strahlungsenergie soll, damit die benötigte xaserenergie in vertretbaren Grenzen gehalten werden kann; wieder in das Plasma hochkonzentriert zurückreflektiert werden können.
• 4). Damit der Wirkungsgrad eines ausgeführten Fusionsreaktors möglichst groß wird, ist es ferner von Vorteil, wenn die beim Fusionsprozess freiwerdenden neutronen mitverwertet werden (Fusionsbrutreaktor), da ihr kinetischer Energieanteil recht beträchtlich ist (2) Um eine positive Energiebilanz (n>1) für ein fusionsfähiges Plasma zu erhalten, müssen gewisse Anforderungen an die Plasmadichte, Reaktionslebensdauer und Plasmatemperatur gestellt werden.
• Diese Anforderungen sind mit dem Lawson-Diagramm beschrieben.
• Danach ist für ein bestimmtes Produkt aus Teilehendichte n/cm3 und Reaktionslebensdauer @ eine Temperatur T vorgeschrieben, die zwischen einem Mindest- und einem Höchstwert liegt. So ist zum Beispiel für ein DT- Plasma für das Produkt n # = 1014sec.cm-3 die erforderliche Temperatur zwischen T = 8 - 80 KeV bezw.
• (9,3 - 93) 106 K. Das bedeutet zum Beispiel, daß für ein DT-Plasma von n = 1016 Teilchen pro cm eine Reaktionslebensdauer (= Zusammenhaltezeitj von 10-2sec. bei einer Temperatur (innerhalb dieser Grenze) von zum Beispiel lo KeV, bezw. 11,6 . 106 K erforderlich ist.
• +) Für die DD- Reaktion (Seite 1) findet man, daB von den 7,25 MeV, die bei der Fusion freiwerden, 2,44 MeV, also 33,6 % auf die Neutronen fallen. Nimmt man noch die Sekundärreaktion D + T # 4He (3,5) + n (14,1) hinzu, so ergibt sich sogar ein Verhältnis von 16,54 : 24,85, entsprechend 66,7 % für den Bnergieanteil der Neutronen.
• Für die im Beispiel genannten 1016 DT-Kerne ist zur Aufheizung ai;f eine Temperatur von io KeV bezw. 11,6 . 106 K eine Energie von 1017 KeV-= 16 Ws eff. erforderlich, die nach dem vorgeschlagenen Prinzip gemeinschaftlicn durch die Gasentladung und die Laserimpulse aufgebracht werden muß.
• Für ein D-Plasma würde dagegen, da mindestens io18 Kerne und 75 KeV/Kern pro Laserschuß und Gasentladung benötigt werden, ein Energieaufwand von 12000 WS eff. erforderlich sein. Wegen dieses hohen Aufwandes ist es zweckmäBig, ein Deuterium/Tritium-Brutreaktor zu konzipieren, der für seine Inbetriebhaltung (Laser und Gasentladung) nur etwa 5 % der Energie eines Deuteriumreaktors benötigt. Außerdem kann ein solcher Reaktor den teuren Brennstoff Tritium selbst produzieren.
• Eine entsrechende Einrichtung für eine kontrollierte, thermonukleare Wasserstoff-Fusion, mit der man die genannten Bedingungen erfüllen und mit wenig Aufwand einen hohen Reaktionswirkungsgrad erreichen kann, sei mit den Abbildungen 1-2, an zwei Varianten eines ausgeführten Fusions-Brutreaktors,näher beschrieben.
• Mit Abb. 3 ist ein Diagramm gezeigt, aus dem die Absorptionsbedingungen für ein mit Laserlicht beaufschlagtes Wasserstoffplasma hervorgehen.
• Der Fusionsreaktor arbeitet mit einer gepulsten elektrischen Gasentladung von möglichst rechteckförmiger Gleich- oder Wechselstromamplitude. Parallel hierzu arbeiten mit derselben Pulsfolgefrequenz mehrere in Reihe und Parallel geschaltete Irnpulslaser, welche ihre Energie über ein optisches Freilauf-Spe.icher-SysLem in den Reaktionsraum fokussieren und die restliche Aufheizung des durch die Casentladung vorgeheizten Plasmas bis über die Fusionsschwelle bewirken.
• Die Gasentladung erfolgt an den Elektroden El 1 und El 2 (Abb.1.1).
• Sie bestehen aus vielen Leiterspitzen, von denen die Energieentladung ausgeht. Die Oberfläche der beiden Elektroden ist - auger den Entladungsapitzen - gegen das umgebende Fusionsgas elektrisch isoliert. Während des Entladungsvorganges bilden sich zwischen beiden Elektroden, für die Zeit V des angelegten Entladungsstromes I#, viele kleine Plasmasäulen bezw. Stromfäden aus, in denen das Fusionsgas zu Plasma komprimiert und in kleinen Mengen magnetisch eingeschlossen ist. Die Breite der Amplitude ist hierbei der erforderlichen Reaktionslebensdauer und ihre Höhe bezw. Stromstärke IN der erforderlichen Dichte des zur Fusion vorgesehenen Plasmas angepaßt. Zwecks besseren Angleichs an die Absorptionsbedingungen des Laserlichts im Plasma, ist die Höhe und Breite der Amplitude IN - durch Frequenz- und Spannungsänderung des energieliefernden Entladungsaggregates - variabel gehalten.
• Während der Zeit # des magnetischen Plasmaeinschlusses werden die Impllslaser L1 und L2 (oder mehrere ringförmig angeordnete und in Reihe liegende, zwecks Erhöhung der Impulsenergie) gleichzeitig gezündet. Ihre Ausgangsimpulse gelangen über ein optisches Freilauf-Speicher-Sstem von Linsen und Umlenkspiegeln in den Reaktionsraum und treffen dort fokussiert (Fokus F) auf die magnetisch eingeschlossenen Plasmafäden. Der Energieinhalt der Laserimpulse wird dort vom Plasma absorbiert, wenn die, gemäß Abb .3, vorausgesetzten Dichtebedingungen (3) im Plasma für die eingestrahlte Wellenlänge des verwendeten Lasers vorliegen.
• Die Dichtebedingung für das eingeschlossene Plasma ist dann erfüllt, weml die Plasmafrequenz#p gleich oder annähernd der eingestrahlten Lichtfrequenz #L ist. Für ein Wasserstoff-Plasma gilt: ne = Elek-tronendichte im Plasma Durch Veränderung der Stromamplitude I, kann die Dichte'des Plasmas geändert und somit der vorhandenen Lichttrequenz des Lasers angepelst werden, so daß de Absorptionsbedingung wp = erfüllt ist. Ebenso kann durch Variation der Einschußzeit der Laserimpulse gegenüber der Anstiegsphase des einschließenden Stromes der günstigste Absorptionszeitpunkt über ein Zeitglied.
• eingestellt werden.
• Die Regelung der Ausgangsleistung des Reaktors kann einerseits über die Pulsfrequenz der Gasentladung und/oder anderersets durch die Impulsenergie der Laser - durch Veränderung ihrer optischen Pumpleistung - oder durch die Anzahl der auf die Plasmafäden insgesamt gerichteten Impulslaser in weiten Grenzen geändert werden.
• Die bei der Fusion entstehende Strahlungsenergie gelangt zum Teil wieder durch das Linsensystem der optischen Einrichtung - im Bereich des Raumwinkels des Linsenbrennkegels - in den Strahlengang der Optik, und zwar je zur Hälfte in beiden Richtungen. Auf der einen Seite gelangt sie unmittelbar über das optische Freilauf-Speicher-System in den Reaktionsraum fokussiert zurück und auf der anderen Seite gelangt sie, als zusätzlnche Pumpleistung, in die Laser L1 und L2.
• Das optische Freilauf-Speicher-Sstem hat die Aufgabe, den nach dem ersten EinschuB nicht.vollständig absorbierte Impulsenergieanteil im Strahlengang so lange zuWpeichernbezw. umlaufen zu lassen, bis er völlig im Plasma absorbiert ist.
• Der Strahlengang des optischen Freilauf-Speicher-Systems führt hier über einen Verbraucher, dem Reaktionsraum des Fusionsreaktors.
• Würde der Strahlengang nicht über einen Verbraucher führen, dann würde die durch Laser oder sonstige Lichtquellen eingefütterte elektromagnetische Strahlungsenergi im Strahlengang gespeichert werden. Um größere Verluste im Strahlengang zu vermeiden oder.
• um wenigstens in der Größenordnung von einer Millisekunde die Energie ohne größere Verluste aufrecht zu erhalten, leitet man die Strahlung durch Vakuumroe. Die Umlenkung der Impulse im Vatuumrohr geschieht durch Interferenzspiegel (mindestens drei), die das monochromatische Licht nahezu Verlustlos reflektieren (4).
• Die Absorption der Laserimpulse im Plasma wird durch die vielen malige Umlaufmöglichkeit der Lichtimpulse durch diese Einrichtung sehr begünstigt. Bei einer gesamten Strahlenganglänge von zum Beispiel 10 m, würden während 10-3 Sekunden 3.108 m/s.10-3s/10 m = 30 ooo Umläuft bezwe Wiederhohlungseinschüsse stattfinden, falls nicht schon vorher die Energie im Plasma absorbiert oder durch sonstige Verlustquellen verbraucht wurde.
• Zwecks besserer Anpassung der vorhandenen Lichtfrequenz #L an die Plasmafrequenz #p. kann man gegebenenfalls die Lasern strahlung über einen nichtlinearen Kristall t5) schicken. Schickt man beispielsweise rotes Laserlicht (aus Rubinlaser) aui Lithium niobat Li b 03) oder Lithium-Jodat (Li J 03), so verläßt blaues Licht mit der doppelten Frequenz den Kristall. Mit nichtlinearen Kristallen ergibt sich die Möglichkeit mit Energiestarken und hohem Wirkungsgrad arbeitende.- langwelligen Lasern zu arbeiten, zum Beispiel mit CO2- Lasern, und durch (evtl mehrmalige) Frequenzverdoppelung die Vorteile des kurzwelligen Lichtes auszunutzen.
• Die Fusionswahrscheinlichkeit der Kerne in den vom magnetischen Feld eingeschlossenen Plasmafäden kann man noch dadurch verbessern, indem man gemäß Abb. 1.2 verfährt und drei, um je 1200 gegeneinander versetzte, Einstrahlungastellen, E1,E2 und E3, mit ihren entsprechenden Ausgängen, A1, A2 und A3, vorsieht. In diesem Falle wird die von den Lichtimpulsen gelieferte Energie von den Kernen wesentlich vollständiger aufgenommen, da sich bei Beschuß unmittelbar gegeneinander fliegen und im wesentlichen zum Stillstand kommen. Ein Teil der Kerne fusioniert dann unmittelbar "Kinetonuklear", d. h. bei einer Reaktionslebensdauer von Tsr o.
• Noch günstigere Fusinswhrscheinlichkeiten erhält man, wenn man gemäß Abb 2.3, in Richtung des Plasmastromes ein zusätzli^hes, statisches Magnetfeld #@ anordnet, d. h. dem magnetischen Ringfeld #o vom Entladngsstrom,überlagert (Abb. 2.1). Man erhält auf diese Weise aus dem magnetischen Ringfeld #o durch Verdrehung das "Achter"-förmige Magnetfeld #8, mit vielen kleinen Plasmaeinschlüssen (Plasma-Aerosol), die quasi voneinander getrennt sind. In Abb. 2.2 ist ein einzelner solcher Plasmaeinschluß gezeigt.
• Die Laserimpulse werden bei dieser Ausführungsvariante nunmehr auf das Zentrum solcher Plasmaeinschlüsse fokussiert. Der Energieinhalt eines oder mehrerer Laserimpulse kann im wesentlichen nur von einem einzigen solchen Plasmacinschluß (von begrenter Kernzahl) absorbiert werden, so daM schon kleinere Energiemengen der Laserimpulse ausreichen werden, diese zur Fusion zu bringen (Es reichen für 1016 DT- Kerne bereits 16 Ws eff. aus Um die bei der Gas entladung und beim Beschuß mit den Laserimpulsen nach außen abstrahlende Verlustleistung klein zu halten und für den Fusionsvorgang mit zu verwerten, sind gemäß Abb. 2.4 (Schnitt A-A zu Abb. 2.3), zwei einander gegenüberstehende Parabolspiegel vorgesehen, die die gesamte in die Spiegel gelangende Parallelstrahlung hochkonzentriert auf einen - den beiden Parabolspiegeln gemeinsamen - Fokuspunkt in das Plasma zurückreflektieren.
• Da es sich um ein Bündel paralleler Strahlen handelt, ist die im Fokus konzentrierte Energie, entsprechend dem Flächenverhältnis von Abstrahlfläche zu Fokusfläche, besonders groß. Ebenso ist die Absorptionsbedingung besonders günstig da das emittierte Frequenzband (vier Wasserstoff-Linien) mit dem Anregungsfrequenzband übereinstimmt. Um die Abstrahlenergie noch stärker auszunutzen, können mehrere solche Parabolspiegelpaare um das Reaktorgefäß angeordnet werden. Zum Schutz der Spiegel können planparallele Quarzscheiben vorgeschaltet und die C"ffnungslucken mit gekühltem Arbeitsgas von außen nach innen durchströmt werden.
• Mit Abb. 2.5 ist das statische Magnetfeld Sq gezeigt, das sich bei Fusion eines oder mehrerer Plasmaeinschlüsse in der Mitte, der geringeren kelddichte, in Richtung q, ausweitet. Dieses Feld hat, neben der Aufgabe des Zusammenhalts des Plasmas, den Zweck; das heiße Plasma von der inneren Reaktorwand während der Expansion fernzuhalten. Dieses Magnetfeld braucht nur mäßige Feldstärke (ca. 10 KG) zu besitzen da im gesamten Gasvolumen nur örtliche Fusionsprozesse ablaufen und folglich die hdhe Temperatur sich nur auf einzelne kleinere Bezirke erstreckt, die bei der Expansion zur Reaktorwand hin rasch abnimmt. Das vorgeschlagene Prinzip eines solchen Fusionsreaktors dürfte daher auf keine besondere technologische Schwierigkeiten stoßen und somit realisierbar sein.
• Bei den bisherigen konzipierten Fusionsreaktoren ist demgegenüber für'das gesamte Gasvolumen eine hohe Temperatur (nahe der Fusionstemperatur) von vielen Millionen Grad dauernd aufrecht zu erhalten, wobei für den Zusammenhalt des Plasmas außerdem ein ausrtt-ihdnd starkes Magnetfeld von ca. ioo KG notwendig ist. Technologische Schwirigkeiten - wegen der hohen Temperatur und der hohen Abstützkräfte für des Magnetfeld - machen jedoch die Realisierung eines solchen Fusionsreaktors unmöglich.
• Die bei der Fusion freigesetzten Neutronen werden, zwecks Verwertung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, von dem in der Doppelwand (Abb. 1.1) befindlichen Wärmeübertragungsmittel, dem Lithium Li 6 und Li 7, absorbiert. Hierbei entsteht Tritium und Helium 4 +).
• Das gewonnene kostbare Tritium kann dem Reaktor als Brennstoff zugeführt werden (Fusionsbrutreaktor). Das gleichzeitig im Lithiumkreislauf als auch im Gasraum erzeugte Helium 4 muß über eine Ab sche ide einricht;ung (nicht dargestellt) geführt und aus dem Reaktor entfernt werden. Das erhitzte Lithium in der Doppelwand des Reaktor kann über einen vlvarmeaustauscher in der bekannten Weise - über Dampf, Turbine und Generator - elektrische Energie erzeugen. Außer dieser, für Krattwerksbetrieb geeigneten Ausführung, ließe sich auch aus den einzeln ablaufenden kleinen Fusionsprozessen unmittelbar mechanische Energie gewinnen (7).
• Literaturangaben.
• (1) Laserinduzierte Plasmen - Kernfusion durch Laser, von Priv.-Doz. Dr. Horst Weber, Bern, Naturw. Rdsch. Heft 11, 1970, Seite 461 - 467.
• (2) K. Röhrdanz, Kerntechnik kurz und bündig, Kamprath-Reihe, Vogel-Verlag Würzburg, Abschn. XI. Kernfusion, Seite 106-116.
• (3) Karl Gürs, Laser, Grundlagen, Eigensch. u. Anwendungen in Wissensch. u. Technik, Umschau-Verlag, Plasmaerzeugung und -diagnostik mit Laser, Seite 148-150.
• (4) Klaus Tradowsky, Laser, Kamprath-Reihe kurz u. bündig, Vogel-Verlag Würzburg, Abschn. 4.6, Seite 70-72.
• (5) Quantenoptik, H. Haken, Naturwissenschaften, Heft 4, 1971, Seite 188-194.
• (6) Karlheinz Schmitter, Fusionsreaktoren, Umschau-Verlag, Heft 24, 1970, Seite 767-771.
• (7) Offenlegungsschrift P 20 56 199, Seite 40.

Claims (8)

Patentansprüche,

1. Einrichtung zur Durchführung einer gesteuerten thermonuklearen Wasserstoff-Fusion mit einer elektrischen Gas entladung und Laserimputsen, dadurch gekennzeichnet, das die Gasentladung durch viele parallel liegende Stromfäden gebildet wird und von einem statischen Magnetfeld so überlagert sind, das das in den Stromfäden elngeschlossene Plasma sich zu vielen ach.terförmigen Plasmaeinschlüssen von begrenzter Kernzahl alfgliedert, die von mehreren Parallel und in Reihe geschalteten Impulslasern über ein optisches Freilaut-Speicher-System so beschossen werden, daß sie die restliche Aufheizung des vorkomprimierten Plasmas bis über die Fusionsschwelle bewirken.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -Herstellung der zur Fusion notwendigen Plasmadichte, Kernzahl und Einschlußzeit (Reaktionslebensdauer), zwecks Anpassung an die eingestrahlte Laserfrequenz,durch Variation der Amplitude nach Größe und Breite (durch Spannungs- und Frequenzänderung des energie liefernden elektrischen Entladungsaggregates), sowie durch die Größe des statischen MagnetSeldes, das dem Entladungsstrom überlagert ist und parallel zu diesem verläuft, vorgenommen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Freilauf-Speicher-System zur Einstrahlung der Laserimpulse verwendet wird, das die eingefütterten Laserimpulse in der Optik dieses Systems so lange speichert und hierbei das Arbeitsgas so oft durchläuft, bis ein ausreichend absorptionsfähiges Plasma (#L # #p) durch den elektrischen Entladungsstrom hergestellt ist und das Laserlicht vom Plasma vollständig absorbiert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschuß der Laserimpulse durch drei, um je 120 ° gegeneinander versetzte, optische Freilauf-Speicher-Systeme vorgenommen wird, die auf einen gemeinsamen Fokuspunkt konvergieren, der innerhalb der Plasmaeinschlüsse liegt.

5. Einrichtung nach-Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zur Einleitung der thermonuklearen Reaktion zusätzlich von der Abstrahlleistung der Gas entladung aufgebracht wird, indem ein oder mehrere Parabolspiegelpaare am Reaktorgefäß so angeordnet und ausgeführt sind, daß die Abstrahlleistung durch den gemeinsamen Fokus der Parabolspiegel geht und im Zentrum der Plasmaeinschlüsse der elektrischen Gasentladung liegt.

6. EinX htung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß, zwecks Verwendung von Energiestarken Lasern - die in der Regel mit langwelligem Laserlichtarbeiten, z.B. der CO2-Laser - und zwecks Erreichung einer größeren Ausgangs-Fusions-Energie, die Kreisfrequenz des Laserlichtes an die Plasmafrequenz mit elektrooptischen, frequenzverdoppelnden Kristallen vorgenommen und angepaßt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die freigesetzte Fusionsenergie durch Änderung der Pulsfolgefrequenz (von Gasentladung und Lasereinschuß) und/oder der Anzahl der in Betrieb genommenen Laser, oder der optischen Pumpenergie einer konstanten Anzahl von Lasern, vorgenommen wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der beim Fusionsvorgang freiwerdenden Neutronen und ihrer kinetischen Energie, als Absorptions- und als Wärmetransportmittel Lithium (Li6 und Li7) verwendet wird und das - durch die Reaktion mit dem Lithium 7 - gewonnene Tritium dem Reaktor als neuer Brennstoff zugeführt wird (Fusions-Brutreaktor).

L e e r s e i t e