DE2320087A1 - Migma-fusion-reaktor - Google Patents

Description

■Hamburg, den 19. April 1973

Herr Bogdan C. Maglich, 90 Bertrand Drive, Princeton, New Jersey / USA

Migma-Fusion-Reaktor

Die Erfindung befasst sich mit der Kernkrafterzeugung und betrifft insbesondere ein Verfahren und Mittel zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Kernfusion, die durch Selbst-Stossen der Ionen in einer Mischung von in einem Magnetfeld beschleunigten Ionen gleicher Ladung bewirkt wird.

Auf dem Sektor der Kernenergie und der Kernkrafterzeugung ist es vorteilhaft, den Kernprozess zu verwenden, bei dem zwei Ionen (Kerne) stossen und als Ergebnis ihrer gegenseitigen Beeinflussung neue Ionen (Kerne) bilden, wobei die Summe der Massen derselben kleiner ist als die Summe der Massen der bei„den ursprünglichen 8tossenden Ionen und die Massendifferenz in die kinetische Energie der neuen Ionen (Kerne) umgesetzt ist.

Zu diesem Zweck sind verschiedene Mittel vorgeschlagen worden, die Gebrauch machen von den Systemen, die in dem Artikel "Controlled Fusion Research and High Temperature Plasmas" be-

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schrieben sind, der in "Annual Review of Nuclear Science", Band 20 (1970), S. 509 ff., veröffentlicht ist. Jedoch basieren diese und andere hierzu vorgeschlagene und untersuchte Systeme auf einer thermonuklearen Annäherung unter Verwendung von Plasma; d.h. , sie verwenden verschiedene Mittel zur Aufheizung neutraler oder nahezu neutraler Mischungen positiver und negativer Ionen (Kerne, Moleküle und Elektronen) auf eine ausreichend hohe kinetische Temperatur, so dass die Ionen ausreichend hohe Geschwindigkeiten annehmen, um ihre elektrostatische Abstossung zu überwinden und sich einer Fusionsreaktion durch Stoss zu unterziehen. Keine der bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen vereinigt die Merkmale des Selbst-Einfangens und Selbst-Stoss ens, den stabilen Selbst-Einschluss für Zeitspannen von Sekunden, eine automatische Mehrfachhindurchführung und eine hohe kinetische Temperatur in der Grössenordnung von mehr als einer Milliarde Grad, die für die Bewirkung einer ausreichenden Anzahl von Kernreaktionen für die Nettoerzeugung von Füsionsenergie benötigt werden. Sie bieten auch infolge der verhältnis massig hohen Plasmadichten keine Möglichkeit für die Umsetzung der Fusionsenergie in elektrische Energie in einfacher Weise.

Die Idee der Erreichung einer Kernfusion bei stossenden Strahlen positiv geladener Ionen ist mindestens zwanzig Jahre alt. Die Ablehnung dieser Idee ist fast genau so alt. Das dabei auftretende Hauptproblem besteht darin, dass die Coulomb-Streuung die Partikel des reagierenden Strahls so viel schneller entfernt als die Fusion stattfindet, so dass die Erzeugung einer Nettoleistungsabgabe aussichtslos ist.

In jüngster Zeit wurden jedoch, verschiedene Entwicklungen ge- ^; macht, die diese alte Idee sehr attraktiv erscheinen lassen. Zum

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ersten wurde das Konzept selbst-stossender Bahnen 1969 von R„ Macek und B. Maglich entwickelt und in dem Artikel "The Principle of Self-Colliding Orbits and its Possible Application to 77 - TT and n. - it Collisions" veröffentlicht, der seinerseits in "Particle Accelerators", Band 1, S. 121-136(1970), veröffentlicht ist. Zum zweiten wurde vom Erfinder festgestellt, dass dieses ursprünglich für Stösse von Partikeln entgegengesetzter Ladungen vorgeschlagene Konzept die Mischung positiv geladener Partikelstrahlen und frontale Stösse der Partikel derselben Ladung trotz der Tatsache ermöglicht, dass sie in derselben Richtung präzedieren. Zum dritten wurde vom Erfinder festgestellt, dass dieses Konzept die Konstruktion einer Vorrichtung ermöglicht, die eine automatische Rückkehr elastisch gestreuter Partikel zum Reaktionsbereich in einer Umdrehung, d.h. sofort, bewirkt, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Selbst-Stosses zwischen den Partikeln vergrössert wird. Zum vierten wurde vom Erfinder festgestellt, dass die vertikale und horizontale Fokusierung in einer solchen Selbst-Stossvorrichtung in der Lage ist, Verluste infolge elastischer Streuung jenseits des vertikalen und horizontalen Einschlusswinkels in erheblichem Masse zu reduzieren, nämlich dass der Effekt der Fokusierung bei der Streuung der Ionen mit dem Restgas, die ursprünglich bei Beschleunigerstudien gefunden und beispielsweise von Fisher in "Residual Gas Scattering, Beam Intensity and Interaction Rate in Proton Storage Rings", CERN-Bericht ISR-VAC 167-16, veröffentlicht wurde, auch auf die Streuung zwischen beschleunigten Ionen in der erfindungsgemäss organisierten Mischung der Ionen anwendbar ist. Zum fünften wurde vom Erfinder festgestellt, dass durch Verwendung von Deuteronen und deren Einschuss in die Selbst-Stossvorrichtung in einem besonderen Bereich der Energien

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ein Brütungseffekt erreicht werden kann, wobei eine beachtlich grosse Ionenenergie durch Fusion freigegeben wird.

Schliesslich hat die erste Vorrichtung für stossende Strahlen von Kernen, die CERN Intersecting Storage Rings in Genf, eine stützende Experimentalinformation über Langzeit-Stabilitäten organisierter Systeme stossender positiv geladener Ionen im Gegen· satz zu den wohlbekannten Instabilitätsproblemen bei Plasmen geliefert. Insbesondere wurde empirisch festgestellt, dass die Entfernung der Elektronen aus dem Stoss-System durch Verwendung von Säuberungsfeldern und ein Ultrahoch-Vakuum die Stabilität der Stoss-Strahlen um ejnen Faktor von 10 vergrössert (siehe den Bericht von K. Johnsen in "Proceedings of 8th International Conference on High-Energy Accelerators" - GERN - 1971).

Die Erfindung schlägt ein Verfahren und Mittel zur Erzeugung von Stössen atomarer und molekularer Ionen gleicher Ladung vor, die zu exO energetischen Reaktionen führen. Insbesondere sieht die Erfindung eine Vorrichtung mit einem Magnetfeld vor, das mit dem radialen Abstand von seiner Zentralachse, abnimmt und mit dem Abstand auf der Zentralachse von seiner Zentralebene aus zunimmt, so dass eingeschossene beschleunigte Ionenstrahlen in organisierter Weise auf präzedierenden Bahnen gemischt werden, die so gestaltet sind, dass sie die Ionen frontal oder nahezu frontal im Zentralbereich der Vorrichtung kontinuierlich und automatisch zusammenstoß sen lassen und diejenigen Ionen, die an keiner Fusion teilgenommen haben, kontinuierlich und automatisch von dem Feld zum Stoss-Bereich zurückgeführt werden, wodurch die Stoss-"Wahrscheinlichkeit durch Selbst-Vervielfachung der Stosse durch diese mehrfache Hindurchfüh-

8 rung, die in der Grössenordnung von 10 pro Sekunde liegen kann, beträchtlich vergrössert wird.

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Die Stoss-Wahrscheinlichkeit wird des weiteren durch Beschleunigung (eher als durch Heizung) der Ionen auf eine Energie vergrössert, bei der der Reaktionsparameter (das Produkt des Fusionsquerschnitts und der relativen Ionengeschwindigkeit) maximiert ist. Beispielsweise werden bei der unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Deuteronen auf eine Energie von 2, 6 MeV beschleunigt, die einer kinetischen Stosstemperatur von mehr als 10 Milliarden Grad Celeius entspricht; bei diesen Energien ist der Reaktionsparameter für die Deuteron/Deuteron-Fusion etwa

4
10 mal grosser als bei thermonuklearen Temperaturen.

Zusätzlich können bei der vorliegenden Vorrichtung die Eigenschaften der Selbst-Stoss-Bahnen dazu verwendet werden, die Atomkerne in der Vorrichtung ohne äussere Mittel einzuschiessen und einzuschliessen, nämlich auf der Basis ausschliesslich ihrer unten beschriebenen "Selbst-Einfang"-Prozesse, wodurch sie sich von allen anderen bisher für die Fusionsvorrichtungen vorgeschlagenen Einschuss- und Einschluss-Schemata unterscheidet.

Des weiteren ist es bei der vorliegenden Vorrichtung durch die Begrenzung der Einschuss energie der Deuteronen auf ein besonderes Ausmass möglich, einen derartigen Brütereffekt zu erreichen, dass im Verhältnis zu anderen Ausmassen der Einschussenergie die siebenfache Ionenenergie pro Fusion freigesetzt wird.

Schliesslich werden Mittel vorgeschlagen, die Dichte der organisierten Ionenniischung entsprechend einer geometrischen Konfiguration der das Magnetfeld erzeugenden Spulen und der äusseren elektrischen Felder derart aufrechtzuerhalten, dass die Energie der aus den Fusions reaktionen stammenden geladenen Kerne durch Senkung des Elektropotentials aus serhalb des Magnetfelds

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direkt in elektrische Energie umgewandelt ist.

Eine vorteilhafte Folge der Erfindung ist die Miniaturisierung auf dem Gebiet der Kernkraftquellen, die auf einfachen Elementen mit einem Radius in der Grosse von 2, 5 cm (= 1 Zoll) basieren und für die wirtschaftliche Massenherstellung besonders geeignet sind.

Zum Zwecke der nachfolgenden Beschreibung wird die organisierte Mischung der präzedierenden Selbst-Stoss-Bahnen positiv geladener Ionen als Migma (griechisches Wort für Mischung) bezeichnet. Eine elementare Vorrichtung als Migma-Fusionsenergiequelle wird als Migmazelle bezeichnet. Ein Migmafusionsreaktor besteht aus einer Vielzahl von Migmazellen,

Die oben angegebenen und weitere neue Merkmale und die einer erfindungsgemässen Ausführung zugrunde liegenden Aufgaben werden im folgenden weiter ins einzelne gehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. la sind graphische Darstellungen der Gestalt des erfindungsgemässen Magnetfeldes B als Funktion des Radius R

und des Vertikalabstands von der Zentralebene Z für die Ionenbahnen der Fig. 3a und 3b. Zur Beschreibung dieses Felds dient näherungsweise die Gleichung B=Bf l-k(r/R) + 2k(z/R) J , wobei die konstante k der "Feldindex" ist, der kleiner als 1 ist, und B das

' O

Feld im Zentrum ist. Diese Feldgestalt kann in verschiedener Weise durch Kombination von zwei oder mehr Spulenpaaren erreicht werden.

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Fig. lc zeigt in beispielhafter Weise die einfachste Konfiguration der Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds (wobei die Korrekturspulen nicht dargestellt sind). Die an-

gegebenen Abmessungen gelten für ein 200-Magnetfeld.

Fig. 2a zeigen die zeitabhängige Lage eines Ions auf einer prä-

und 2b

zedierenden Bahn mit einem Radius a in dem Magnetfeld der Fig. la und Ib, wobei R ~ 2a ist.

Fig. 2c zeigt den Einschuss eines weiteren Ions zum Zeitpunkt

einer halben Präzessions-Periode l/2 f p.

Fig. 2d zeigt die fortgeführten präzedierenden Bahnen in der Konfiguration für den Frontal-Stoss im Zentrum bei

ο einem Mehrfach-Durchgangs-Faktor von etwa 10 /see. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Bahnen als Kreise dargestellt (die tatsächliche Gestalt der Bahnen ist in Fig. 3a gezeigt).

Fig. 3a zeigen computergezeichnete Deuteronen-Bahnen im einen Fall in der Horizontal- und im anderen Fall in der Vertikalebene in einem erfindungsgemässen Magnetfeld bei einem Feldindex k = 0,2. Im Falle der Fig. 3b wurde das Deuteron über einen Vertikalwinkel von 10 am Zentrum gestreut. Seine automatische Rückkehr zum Zentrum wird durch die Fokusierungseigenschaften des Feldes erleichtert.

Fig. 3c zeigt die vertikalen Hin- und Herbewegungen des Deuterons der Fig. 3b über der Zeit. Die kleinen Punkte sind in gleichen Abständen angeordnete Markierungen zur Korrelierung der verschiedenen Auslenkungen zu

+) Kilogauss 309845/046 3 ~⁸~

gleichen Zeiten. Es ist dabei zu beachten_} dass grosse Werte von r grossen Werten von c entsprechen.

Fig. 4 zeigt die graphische Darstellung der Ionendichte als

Funktion des Radialabstands vom Zentrum der Migmazelle (vollständig ausgezogene Linie) und der Stromdichte in einem Migma als Funktion des Radialabstands (gestrichelt ausgezogene Linie).

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung eines Beispiels der

Verteilung der Kreuzungswinkel der Deuteron/Deuteron-Stösse bei einer Migma-Bahnkonfiguration gemäss Fig. 3a.

Fig. 6 zeigt die graphische Darstellung eines Beispiels der

Energieverteilung der Ionen eines Migmas im Laboratoriumssystem für den Fall mit einer kinetischen Energie von 2, 2 MeV eingeschossenen Deuteronen bei einer Energie-Dispersion von 4 %.

Fig. 7 zeigt die graphische Darstellung zur Gegenüberstellung

der Verteilung der kinetischen Energie im Bezugs- bzw. Laboratoriums system eines einzelnen Partikels ("effektive Stoss-Energie") zum einen für ein Migma und zum anderen für ein Plasma, je in Einheiten der Einschussenergie. .".■■'■'

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung des Deuteron/Deuteron-

Reaktionsparameters < 6 ν > (Fusionsquerschnittzeiten relativ zur Geschwindigkeit) gemittelt über einer Migma-Geschwindigkeitsverteilung als Funktion der Einschussenergie, wobei die Arbeitspunkte für die bevorzugte Ausführung wie auch für den thermonuklearen Bereich angegeben sind.

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Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung des Verhältnisses

der Verlustmengen zur Fusionsreaktionsmenge bei einem d/d-Migma als. Funktion der Einschuss energie für verschiedene Verlustmechanismen: (a) periphere Mehrfachstreuung, (b) vertikale Mehrfachstreuung und (c) Ladungsübergang. Die Linie (d) stellt das Verhältnis der Freisetzung geladener Energie bei einer d/d-Fusion dar, nämlich 0, 7 W/2T-0, 3 (dabei folgt die letztgenannte Grosse aus dem Umstand, dass ein Teil der Einschuss energie von den ungeladenen Neutronen getragen wird). Für die Erzeugung einer Netto-Energie muss die" Summe von (a) , (b) und (c) kleiner sein als (d). Der Berechnung von (c) wurde ein Vakuum von 10 Torr zugrunde gelegt.

Fig. 10a zeigen eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische Längsschnittdarstellung eines Migmazellensystems für. eine direkte Umwandlung von Fusionsenergie in Elektrizität.

Fig. 11a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemässen Migmafusionsreaktors, wobei ein Teilbereich zweier Migmasäulen dargestellt ist, deren jede über 100 Migmazellen verfugen kann.

Fig. 11b zeigt eine schematische Seitenansicht im Schnitt durch einen Teil des Migmafusionsreaktors der Fig. 11a.

In Fig. 2a ist der Weg eines Ions 100 dargestellt, das auf einer exzentrischen Bahn 101 in einem zur Zeichenebene senkrecht wirkenden Magnetfeld umläuft. Für die körperliche Ausbildung kann

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der grosse Kreis mit dem Radius R als Pohlspitze verstanden werden. Die Ionenbahn 101 besitzt einen Radius a, wobei R ist.

Das Magnetfeld ist nicht homogen, sondern nimmt nach aussen hin leicht ab, d.h. , es besitzt die in den Fig. la und Ib angegebene Gestalt; die Kreisbahn 101 ist nicht geschlossen, sondern präzediert um das Symmet rieZentrum O gemäss Fig. 2a und 2b. Gemäss Fig. 2c kehrt die Bahn 101 den Partikelgeschwindigkeitsvektor nach einer halben P räzessions-Periode 1/2 f ρ in dieentgegengesetzte Richtung um. Wenn ein zweites Ion 200 zu dieser Zeit in eine Bahn 102 ,gemäss Fig. 2c eingeschossen wird, treffen die beiden Bahnen 101 und 102 am Zentrum O frontal aufeinander, was einen Frontal-Stoss zwischen den Ionen ermöglicht und zu einer Fusion führt, sofern die Ionen Deuteronen oder andere Ionen sind, die sich einer Fusionsreaktion unterziehen können. Die beiden Bahnen 101 und 102 fahren fort, gemäss Fig. 2d um das Zentrum O herumzupräzedieren, wobei ihre Frontal-Stoss-Konfiguratipn aufrechterhalten wird, die ihrerseits zu etwa

10 Durchläufen der Ionen pro Sekunde führt. Hierdurch wird die Stoss-Wahrscheinlichkeit um denselben Faktor vergrössert.

Das beschriebene System zweier umlaufender und zur selben Zeit präzedierender Partikelbahnen entspricht dem allgemein bekannten Doppelrotor-Haushalt s mixer, bei dem die Rotor-Rotation und die Mixschüssel-Rotati on kombiniert sind. Die Hauptunterschiede sind: (1) Die Stoss-Bahnen "rotieren" in derselben Richtung, was bei dem eben genannten mechanischen System ohne Rot or-Kollision nicht möglich istj und (2) ein Migma präzediert typischerweise bei etwa 10 UpM,. wobei es über keine sich bewegende Teile verfügt.

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Eine Konfiguration für eine wirkungsvollere Bahn ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt, die auf Partikeln gleicher Ladung basiert, die fortlaufend in das Zentrum des Magnetfelds für eine Präzessionsperiode oder mehr eingeschossen worden sind, so dass der Magnetfeldbereich mit auf Bahnen befindlichen Partikeln gefüllt ist.

Die Gestalt des Magnetfelds und der Radius der Migmabahnen sind zuvor festgelegt in Hinblick darauf, dass eine automatische Rückkehr aller Partikel zur Zentralzone mit Hilfe der horizontalen und vertikalen Fokusierung des Felds erreicht wird. Jede Störung eines Partikels in der Zentralzone, beispielsweise durch die Streuung zwischen den Migmapartikeln, wird überwunden,und die Partikel werden aus ihren Bahnen in einer einzigen Umdrehungsperiode durch diese Kräfte zurückgeführt, ungeachtet des Energieübergangs an sie (oder von ihnen) während der Stösse und auch ohne Rücksicht auf den Winkel unter der Voraussetzung, dass die Vertikalkomponente der Störung nicht oberhalb des Vertikaleinschlusswinkels der Vorrichtung liegt (d.h. der Bahnwinkel in Hinblick auf die Zentralebene, oberhalb dessen das Ion die vertikalen Fokusierungskräfte überwindet und das Migma verlässt). Dieser Rückkehr effekt beruht auf dem Umstand, dass im Gegensatz zur Situation bei Plasmen die Migma-Bahnen im Verhältnis zur Grosse der Vorrichtung gross sind, so dass der Feldgradient über der Bahn ebenfalls gross ist und die Netto-Fokusierungskräfte von den Partikeln bei jedem Umlauf wahrgenommen werden. Im Gegensatz hierzu sollte beachtet werden, dass der Rotations radius von Plasmabahnen sehr klein ist, so dass es sehr vieler Umläufe des Plasmas bedarf, um ein Ion aus dem starken Feldbereich in einen schwachen Feldbereich (und umgekehrt) zu bewegen, was zu schwachen Rückstellkräften führt.

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Dieser Rückkehreffekt ist in Fig. 3b für eine Vertikalstreuung bei θ = 10 und bei einem Feldindex k = 0,2 dargestellt.

Dieses Merkmal der automatischen Rückkehr innerhalb des geschlossenen axialsymmetrischen Systems bewirkt, dass eine Migmazelle gegenüber dem einfachen Konzept zweier stos sender Ionenstrahlen, wie sie bei dem bereits oben genannten CERN Intersecting Storage Rings verwendet werden, vorteilhaft ist. Vergleichsweise stellt ein Migma ein Äquivalent für eine unbeschränkte Anzahl stossender Strahlen dar, die sich insgesamt .in einem Punkt mit allen Kreuzungswinkeln schneiden, die in einem einzelnen Umfang bzw. Volumen eingeschlossen sind.

Eine einfache Gestalt des für die Migmazelle bevorzugten Magnetfelds, das über die benötigten Präzedierungs- und Fokusierungseigenschaften verfügt, ist durch die Gleichung gegeben:

l-k(r/R)² + 2k(z/R²) J . . (1)

Dabeiist r der Abstand von der Feldachse, R gibt die physikali sehe Grosse des Felds an, und der Feldindex k(-^l) '"sowohl die Stärke der Vertikal-Fokusierung als auch das Präzedierungsausmas s.

Ein Beispiel einer einfachen Spulenkonfiguration zur Erzeugung des durch die Gleichung (1) beschriebenen Magnetfelds ist in Fig. Ic dargestellt. Zwei Spulenpaare la und Ib bzw. 2a und 2b sind um eine Zentralachse Z herum koaxial in derselben Richtung gewickelt, um einen Strom in derselben Richtung über rostfreie Stahlrohre 3a und 3b bzw. 4a und 4b zu führen. Die einander gegenüberliegenden Spulen jedes Paars sind in äquidistanten Abständen voneinander angeordnet, um so eine Zentralebene für

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das System zu bilden, die in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse in der Mitte der einander gegenüberliegenden Flächen der Spulenpaare liegt und in Fig. Ic durch die Linie r gekennzeichnet ist. Der Schnitt der Z-Achse mit der Zentralebene bildet das Symmetriezentrum des Magnetfelds, und ein Zentralbereich des Systems kann als kugelförmiger Raum definiert werden, dessen Mittelpunkt im Symmetriezentrum liegt und dessen Radius etwa 10 % des Radialabstands vom Symmetrie ζ ent rum zu den äusseren Rändern der äusseren Spulen la und Ib entspricht. Vorzugsweise schliesst die öffnung zwiechen den Aussenrändern des äusseren Spulenpaars la und Ib einen Radialwinkel /3 von etwa 45 in Hinblick auf das Symmetriezentrum ein.

Zwei Ummantelungen 5 und 6 zur Führung von Kühlmitteln sind um jeden der Spulensätze herum angeordnet. Aus Gründen der Ü.bersichtlichkeit sind lediglich die am unteren Spulensatz in Fig. Ic angeordneten Kühlummantelungen zeichnerisch dargestellt, jedoch ist das System bezüglich der Zentralachse selbstverständlich vollständig symmetrisch. Die innere Ummantelung kann zirkulierendes Flüssighelium enthalten, um die Supraleitfähigkeit in den herumgeführten Spulen zu ermöglichen bzw. zu verbessern. Die äussere Ummantelung 6 kann zirkulierenden Flüssigwasserstoff enthalten, um die Abführung der Hitze zu ermöglichen bzw. zu verbessern, die durch vagabundierende Ionen des Migmas erzeugt wird, die dort auftreffen und ihre Energie an den Wasserstoff abgeben.

Zur Bewirkung von Säuberungsfeldern für gering energetische Elektronen sind zwei Metallplattenpaare 7a und 7b bzw. 8a und 8b im Magnetfeld gemäss Fig. Ic bei geeigneten elektrischen Potentialen in Hinblick aufeinander mit Polen gemäss Darstellung in

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der Figur angeordnet. Die Kombination der beiden Plattenpaare stellt das von einem präzedierenden Ion wahrgenommene zeitlich auf einen Mittelwert eingestellte elektrische Feld auf Null ein, wenn das rechte Plattenpaar 7a, 7b ein im Vorzeichen umgekehrtes elektrisches Feld aufbaut, das aber hinsichtlich seiner Grosse bzw. Stärke dem linken Plattenpaar 8a, 8b entspricht. Jede der Platten kann annähernd halbkreisförmig in der Draufsicht gestaltet sein.

Supraleiter 9 und 10 zu den Kühlummantelungen 5 und 6 und Leiter 11 und 12 zu den Säuberungsfeldplatten 7a und 8a sind lediglich im oberen Teil der Fig. Ic dargestellt. Eine rostfreie Stahlstange 110 zwischen den Leitern 9 und 10 sorgt für eine feste Lagerung.

Die Präzessionsperiode T und die Umlaufperiode T-, (Zyklotron-

P it

periode) verhalten sich etwa wie folgt:

4 - ' ■

Bei der bevorzugten Ausführung gelten: k=0.8,a = 2 cm,

ο
B = 200 Kgauss, v= 1.5x 10 cm (2.2 MeV Deuteronen),

f » 3 χ 10 see. Die bevorzugte Ausführungsform wird beschrieben in der Form des Einschusses und der Stösse von 2,2 MeV Deuteron-Ionen, die die Fusions reaktionen bewirken:

d + d '—♦· He + η und d + d —*-1 + ρ , und etwa 2,6 MeV pro Reaktion in geladener Energie im Durchschnitt freisetzen. Jedoch sind alle diese Angaben allgemein gültig für alle Arten der Fusions-

4 6 4

reaktionen, beispielsweise d + t—*-He + η und d + Li —-*-2He

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Aus Fig. 3a und 3b ist ersichtlich, dass die radiale und die vertikale Dichte der Partikel eines Migmas im Zentralbereich einen sehr hohen Wert einnehmen. Die Migmadichte, d.h. die Ionendichte, ist in Fig. 4 mittels der vollausgezogenen Linie als Funktion des Abstands vom Zentrum dargestellt.

Dies ist eines der vorteilhaften Merkmale eines Migmas, Die Partikel sind im Zentrum, wo sie die grösste Relativgeschwindigkeit ν besitzen, so sehr konzentriert, dass die Wahrscheinlichkeit der Fusionsreaktionen stark begünstigt ist. Typischerweise finden-50 % der Reaktionen innerhalb von 2 % des Radius statt.

Somit ist ein Migma als kugelförmiger "Kern" mit einem Radius in der Grössenordnung von 1 mm vorstellbar, der von einer "Wolke" mit einem Radius von etwa 3 cm umgeben ist, die verhältnismässig träge ist. Diese Abmessungen gelten für die Ausführungsform (2,2 MeV Deuteronen bei einem Magnetfeld B = 200 Kgauss im Zentrum bei einem Feldindex k= 0,8).

Wegen der hohen Dichte und der hohen Relativgeschwindigkeiten im Zentrum tritt der grösste Teil der Coulomb-Streuung dort auf. Jedoch werden, da es eine Eigenschaft der Migmakonfiguration ist, dass jeder das Zentrum verlassende Partikel zum Zentrum zurückgeführt wird, die durch die Coulomb-Streuung bedingten Verluste um Grössenordnungen derjenigen reduziert werden, die bei einem Stoss-Strahlsystem auftreten wurden. Ein zusätzlicher Mechanismus, der die vielfachen Streuungsverluste reduziert, besteht in der Rückstellkraft der radialen und axialen Fokusierung des durch die Gleichung (l) beschriebenen und in den Fig. la und Ib dargestellten Magnetfelds.

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In Fig. 4 ist des weiteren die Stromdichteverteilung eines Migmas in Form einer gestrichelt ausgezogenen Linie dargestellt. Es ist stets zu beachten, dass dort, wo die Ladungsdichte die höchste ist (am Zentrum), der Strom Null ist. Das aus diesem Strom resultierende Magnetfeld bildet lediglich eine vernachlässigbare Störung für das Führungsfeld.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal eines Migmas besteht darin, dass, während alle Kreuzungswinkel zwischen 0 und 180 zulässig sind, der mittlere Kreuzungs- oder Schnittwinkel bei etwa 155 liegt, da es sehr wahrscheinlich ist, dass sich zwei Bahnen irgendwie überlappen, so dass es zwei Kreuzungen zwischen ihnen in der Nähe des Zentrums gibt. Somit werden die fast frontalen Zusammenstösse begünstigt. Dies ist im Diagramm der Fig. 5 dargestellt.

Die Energieverteilung der Partikel eines Migmas ist deutlich keine Maxwell* sehe Verteilung, da sie einen sehr scharfen Spitzenwert bei der Einschussenergie besitzt (Fig. 6). Die effektive Energie·* dispersion, die die Energie und Winkelausbreitung (Emission) zusammenfasst, ist ausreichend gross, um die negative Masse und andere bekannte Beschleunigerinstabilitäten zu verhindern.

Die effektive kinetische Energie des Stosses eines Ions mit der Einschussenergie T ist in Hinblick auf ein weiteres Ion gleicher Masse bei einem Winkel or beschrieben durch die Gleichung ^T12 ^s2Ti (!"⁰⁰S tf )· ^{Da d}er mittlere Kreuzungswinkel <* = ist, liegt die mittlere effektive Stossenergie etwa beim Vierfachen der Einschussenergie. Als Ergebnis hiervon kollidieren im Gegensatz zu einem Plasma 80 % der Partikelpaare eines Migmas bei einer Energie, die grosser als die Einschuss energie ist. Dies ist

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im Diagramm der Fig. 7 zu sehen.

Die Energieverteilungen der Fig. 6 und 7 gelten jedoch nur für die Einschuss zeit. Die mehrfachen Stösse vergrössern die räumliche Erstreckung des Migmas allmählich, was anschliessend zu Verlusten schneller Partikel und eventuell zur "Thermalisierung" der Verteilung auf eine Maxwell* sehe Verteilung führt. Jedoch is t .dieser Prozess verhältnismässig langsam, und wird die Fusionsenergie lange zuvor gewonnen.

Beispielsweise bewegt sich die d/d-Relaxations zeit für 2,2 MeV-

3 Deuteronen in der Grössenordnung von 10 Sekunden. Dagegen beabsichtigt die Erfindung die Speicherung und Abführung von Energie in der Grosse von 1 % des Gesamtpotentials der Migmazellenenergie in etwa einer Sekunde und die Wiederauffüllung der Migmazelle in der gleichen Zeit, wodurch die in den Fig. 6 und 7 dargestellte nicht-thermale Energieverteilung infolge der fortlaufenden Regeneration aufrechterhalten wird.

Ein wichtiger Vorteil der Migmazelle besteht darin, dass die Partikel bei der bevorzugten Ausführungsform mit Energien mit mehr als 2 MeV im Gegensatz zu den Energien von 1 bis 10 KeV bei derzeitigen Plasmamaschinen eingeschossen werden. Fig. 8 zeigt den Vorteil höherer Energien auf den grösseren Fusionsparameter

<4m> , wo der Mittelwert für eine Migmageschwindigkeitsverteilung gebildet wurde.

Es ist zu beachten, dass zwei frontal stossende Deuteronen von 2,2 MeV etwa einem Aufprall eines 10 MeV Laboratoriums-Deuterons auf eine stationäre Zielfläche entsprechen. Soweit es hier eine Bedeutung hat, entsprechen 10 MeV in Form kinetischer

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"Temperatur" etwa 10 '

Im Gegensatz zu einem Plasma bewegt sich die kinetische Energie von Fusionsprodukten in der gleichen Grössenordnung wie die kinetische Energie primärer Deuteronen;· so kann sie mittels der zur Gewinnung der kinetischen Energie aus Fusionsprodukten verwendeten Technik gewonnen bzw. zurückgewonnen werden. Die relativ niedrige Migmadichte lässt es zu, dass die gesondert geladenen Produkte aus dem Reaktionsraum ohne gegenseitige Beeinflussung herausfliegen. Somit kann durch eine Anordnung eines Feldes, positiv geladener Platten aus serhalb des Reaktionsvolumens ihre gesamte Energie direkt als elektrische Energie wiedergewonnen werden.

Ferner sind durch Wahl einer verhältnismässig hohen kinetischen Energie für die eingeschossenen Deuteronen die Fusions reaktionsprodukte auf höchste Werte entlang der Geschwindigkeitsstossrichtung eingestellt. Da die Stossrichtung in der Zentralzone in (oder in der Nähe) der Zentralebene liegt und die meisten Fusionsreaktioneninder Zentralzone stattfinden, verlassen 90/»der geladenen Fusionsprodukte die Zone in einem radialen Winkel von etwa+^ 22,5 um die Zentralebene herum, ohne eine Kreuzung mit den Feldspulen.

'Das erfindungsgemäs se Fusions verfahren ist daher "nicht-thermonuklear", weil kein Versuch gemacht wird, das ionisierte Deuteriumgas auf eine thermonukleare kinetische Temperatur von 1 bis 10 KeV aufzuheizen. Das erfindungsgemäs se Verfahren geht aus von etwa 1000-fach energiereicheren beschleunigten Ionen in der Form von Strahlen und schiesst sie in einer besonderen Art und Weise gegeneinander. Dabei wird nicht zugelassen, dass

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die Energieverteilung einer Migmazelle zu einer Maxwell-Verteilung wird. Das das Migma einschliessende Magnetfeld ist eher ein Führungsfeld als ein "Druckfeld", da es lediglich Partikel einer einzigen Ladung und einer sehr stark beschränkten Menge von Momenten bzw. Stosskräften und Positionen aufnehmen muss. Im Gegensatz hierzu muss das Magnetfeld von Plasma-Vorrichtungen Partikel beider Vorzeichen mit einer grossen Verschiedenheit von Momenten bzw. Stosskräften und Positionen aufnehmen.

Und schliesslich ist, da es ein wesentlicher Teil der Vorrichtung ist, die Elektronen aus der Migmazelle mit Hilfe von Säuberungsfeldern, beispielsweise mit Hilfe der Plattenpaare 7a, 7b, 8a und 8b der Fig. Ic, zu entfernen und das Elektronen/lonen-Verhältnis auf

-2 ,

einem. Level von 10 und weniger zu halten, das Elektronen/Ionen-Wärmegleichgewicht - ein wesentliches Merkmal von Plasma hier bedeutungslos. Die Konsequenz des Fehlens von Elektronen besteht darin, dass es keine Energieverluste infolge der Synchrotronstrahlung und der Brennstrahlung bei einem Migma gibt.

Die maximale Gesamtzahl der Ionen, N, die in einer Migmazelle gespeichert werden können, ist durch die "Raumbeladungsgrenze" ("Space Charge Limit") bestimmt. Diese Grenze wird dann erreicht, wenn die elektrostatische Abstos sung des Migmas an einem Ion die Grosse der Fokusierungs-Rückhaltekraft annimmt. Die Raumbeladungsgrenze N liegt bei der bevorzugten Ausführung mit einem Magnetfeld von B = 200 Kgauss und 2,2 MeV Deuteronen bei:

N = 4 χ 10¹² ions . (3)

N ist proportional der Einschussenergie für die 3/2 Leistung.

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Die Fusionsreaktionsrate I einer Migmazelle ist proportional N und annähernd bestimmt durch

25
I= 1 χ 10 <i6"v>- Fusionen pro Sekunde, (4)

was für 2,2 MeV Deuteronen aus dem Diagramm der Fig. 8 ergibt:

I = 2 χ 10 Fusionen pro Sekunde. (5)

Dies gibt eine netto geladene Leistungserzeugung in einem eingeschwungenen Zustandsbereich, bei dem die Verluste fortlaufend durch neuen Einschuss ergänzt werden.

Netto Leistung = 3 m Watt pro Migmazelle. (6)

Kritische Zustandsbedingung für eine Migmazellen-Energiequelle.

Die Bedingung für eine kritische Energiequelle wird aus der Forderung erreicht, dass die elektrische Energieabgabe mindestens gleich der Energieaufnahme ist, wobei die Aufnahmeinenge durch Verluste ausgeglichen wird. Die drei Hauptverlustmechanismen einer Migmazelle sind: (a) Periphere Mehrfachstreuung, (b) vertikale Mehrfachstreuung und (c) Ladungsübergang in Gas (siehe Fig. 9). Wenn T die Deuteron-Einschussenergie ist, wird die geladene Energieabga.be (71 % der gesamten Energieabgabe W) zur gesamten Enefgieeingabe festgestellt als:

2 T

.0.3 . (7)

Die Summe des Verhältnisses der Mengen aller drei Verluste zur Fusionsmenge muss kleiner sein als der Wert der Gleichung (7), damit eine kritische Energiequelle erreicht wird. Dies hat zur

309845/046 3 "²¹"

Folge, dass gemäss Fig. 9 die Summe aller drei Kurven (a) , (b) und (c) unterhalb der durch die Gleichung (7) bestimmten "kritischen Linie" liegfenmuss. Wie ersichtlich, ist dieser Zustand für Deuteron-Einschussenergien oberhalb 0, 5 MeV leicht erreichbar.

Energiegewinnfaktor einer Migmazellen-Energiequelle

Für die Bestimmung des Energiegewinnfaktors einer Migmazelle ist zu beachten, dass die Bruttoenergieabgabe P und die Energie eingabe P in dem quasi eingeschwungenen Zustandsbereich durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden können:

_{+ c1} (8)

P_ = 1(2+A)T₁ (9)

Dabei ist I die Fusionsreaktionsmenge, F die geladene Fraktion der mittleren Reaktionsenergie W, T die Einschussenergie und λ die Leckverluste, die den Reaktionsverlusten 2T hinzugerechnet werden. Die Gleichung (9) sagt aus, dass die Deuteronen in ihrer Verlustmenge ersetzt werden - der Faktor 2 beruht auf dem Umstand, dass jeder Fusionsprozess zwei Deuteronen aus dem Migma entfernt.

Der "Energiegewinn¹¹ der Migma-Energie quelle G ist definiert als:

F (W+2T )

^Gt ^{1 1}

Da für die d-d Reaktion F =0,71 und W = 3,655 MeV sind, be-

läuft sich der maximale Gewinnfaktor ( \ = 0) für Einschuss-

3 0 9 8 4 5/0463

energien von 0, 5 , 1 und 2,2 MeV auf G = 230 %, 100 % und 29 %; bei Leckverlusten von 20 % ( λ = 0,2), ist G = 200 %, 82 % und 18 % für T = 0,5 , 1 und 2,2 MeV. Andererseits ist die Absolut-

2 menge der Energieerzeugung proportional T . Der Gewinn E ■wird wie folgt definiert:

E = GT² (11)

Unter Berücksichtigung, dass die Leckverluste A mit der Zunahme der Energie ebenfalls abnehmen, kann gezeigt werden, dass der optimale Gewinnfaktor E bei der höchstmöglichen Einschussenergie T erreicht wird. Dies wird weiter unten bei 2,2 MeV für einen Brüterreaktor gezeigt.

Das Einschussverfahren

Das Verfahren des Einschusses und Einfangens von Ionenstrahlen in ein Migma, das als "Selbst-Einschnürung" ("Self-Ensnaring") bezeichnet wird, wird im folgenden weiter ins einzelne gehend beschrieben. Es macht von der hervorstechenden Eigenschaft der Selbst-*Stoss-Bahnen Gebrauch, d.h. der hohen Zentraldichte, um den eingeschossenen Strahl durch Eigenbeeinflussung einzufangen.

Es gibt zwei Arten der Selbst-Einschnürung: (l) Die Selbst-Einschnürung atomarer Ionen, die als "Selbst-Einfangen" ("Self-Trapping") bezeichnet wird, und (2) die Selbst-Einschnürung molekularer Ionen, die als "Selbst-Abfangen" ("Self-Capturing") bezeichnet wird.

Das Selbst-Einfangen basiert auf der mehrfachen Coulomb-Streuung im Zentralbereich eines Migmas. In einem kleinen Bereich wird bei einem gross en Radius des Hauptmagnetfelds ein lokales Stör-

309845/0 46 3 "²³~

- 53 -

feld erzeugt. Dieses lokale Feld kann in der Form eines "magnetischen Kanals" bestehen, der beispielsweise in "Particle Accelerators" von M.S. Livingston und J.P. Blewett, Seite 390 ff. (McGraw-Hill 1962), beschrieben ist und in wohlbekannter Art bei der Synchrozyklotron-Strahl-Extraktion erzeugt wird. Der magnetische Kanal unterscheidet sich hinsichtlich seiner Stärke um. 1 bis 10 % von der Grosse des durch die Gleichung (l) beschriebenen Hauptfeldes. Ionen werden in das Symmetriezentrum des Feldes von der Peripherie her durch diesen magnetischen Kanal eingeschossen. Durch Koordinierung des Einschusswinkels, der Gestalt des magnetischen Kanals, der Magnetfeldstärke und der Ionenenergie in Übereinstimmung mit den Synchrozyklotron-Prinzipien kann das Ion innerhalb des Feldes für viele Präzessions-Perioden ohne Verletzung des wohlbekannten Liouville' s' Theorem gehalten werden. Wenn das Ion unter einem Winkel 0 zur Vertikalebene

in Hinblick auf die Induzierung vertikaler Stösse eingeschossen wird, wird hierdurch in Verbindung mit der Präzession das Partikel an der Rückkehr zum Eint ritt spunkt für p Präzessions-Perioden oder für die Zeit j^f abgehalten. Es ist zu beach-

ten, dass diese Zeit ein metastabiler Einschluss ist, der als künstlicher Einschluss zu bezeichnen ist, da die Dichte in dem Phasenraum nicht verändert wird. Es wird auf Grund von Bahnstudien angenommen, dass bei 0 =10 das Ion im Migma für

40 Präzessions-Perioden ( V =40) gehalten werden kann. Während des künstlichen Einschlusses unterliegen die Ionen einer gegenseitigen Coulombschen-Beeinflussung, wodurch sich ihre Dichte im Phasenraum ändert und was allmählich zu einem stabilen Einschluss führt. Dies erfordert einen sehr schnellen Aufbau der zentralen Migmadichte - einen hohen momentanen Strom I . Die

- 24 -309845/0463

Dichte nimmt linear mit der Zeit zu, während die Streuung quadratisch zunimmt.

Der momentane Strom I , der benötigt wird, damit 50 % der Partikel den Einschusspunkt nach }> Präzessionen verlassen, ist durch folgende Gleichung bestimmt:

ms

Dabei ist <(jvS das Produkt des Querschnitts für eine Ablenkung

ms ■.'■■"'

durch einen Winkel Δ θ durch eine Mehrfachstreuung gemittelt über die Migmaverteilung. Eine Monte-Carlo-Berechnung zeigt

-9 3 -1

für Δ β = 2,5mrad, dass < <ίν > ~ 10 cm sec . Somit

ms _

ist bei einem Feldindex von k = 0, 8 und Έ ^* 10 und if = 40

I & 10 Amps. (13)

Solche momentanen Ströme können von impulsmodulierten Ionenquellen (100 microsec. Impulslänge) im Gebiet der gegenwärtigen Technologie erreicht werden.

Das Selbst-Abfangen ist der Prozess des Einschusses molekularer Ionen, der zu dissoziierenden Stössen im Zentralbereich in derselben Weise führt, wie das Selbst-Einfangen zu der Mehrfach-Streuung führt. Die Vorgänge sind folgende: D_ + D —·► 2D

+ A- A-

+ e" +D₂ ;—Ik 3D + e~ + D° ;—> 4D + 2e~. Da die dissoziierten Atome eine Hälfte der eingeschossenen Stosskraft besitzen,-werden sie alle selbst abgefangen.

3 0 98A57QA63

Der Querschnitt für die Gesamtsumme der drei Vorgänge ergibt

l6 2
sich zu d~ 1 χ 10 cm bei etwa 2,2 MeV, so dass

-9 3 -1

<Öv>~10 cm see. . Dies ergibt dieselbe Grosse für den Reaktionsparameter -<<fv> wie für denjenigen für die Mehrfach-Streuung (MS) jenseits 2, 5 mrad. Daher ist der für das Selbst-Abfangen benötigte Momentanstrom ebenfalls durch die Gleichung (13) gegeben.

Verfahren zum Brüten von Fusionsbrennstoff

Ein auf Grund der Erfindung des weiteren erzielter Vorteil wird durch Einschiessen von Deuteronen in das System mit Energien in einem besonderen Ausmass in Hinblick auf die Bewirkung eines ⁿBrüterⁿ-Effekts erreicht. Das verbesserte Verfahren, bei dem das eingeschossene Deuteron/Deuteron-Migma in ein Deuteron/ Helium-3-Migma umgewandelt wird, das sieben Mal mehr Ionenenergie pro Fusion freigibt, wird im folgenden beschrieben.

Ein Deuteron/Deuteron-Migma ergibt drei geladene Fusionsprodukte aus den beiden folgenden Reaktionen:

d + d-*· t + ρ + 4, 04 MeV (55 %) (14)

d + d-#. He³ + n+ 3,27 MeV (45%) (15)

3
DaHe doppelt geladen ist, ist zu beachten, dass unter bestimmten

3
Bedingungen die Abgabe von He -Ionen aus dem Migma verhindert sein kann, während die Tritonen und Protonen ausfliegen können, um ihre Energie an ein äusseres elektrisches System abzugeben. Dieser letzte Zustand wird dann erreicht, wenn die Deuteron-Einschuss energie T grosser ist als ein bestimmter "Wert, der gegeben ist durch die folgende Beziehung:

- 26 -309845/0463

T ^min = 0,1154 W(dd·-*-He³n) = 377 KeV (16)

Wenn die Gleichung (16) erfüllt ist, wird das Migma fortlaufend mit den zurückgehaltenen He -Ionen angereichert, die ihrerseits mit den Deuteronen des Migmas zusammenstossen und dabei die folgende weitere Fusionsreaktion bewirken:

D + He³-»-He⁴ + ρ + 18,34 MeV (17)

Es kann leicht gezeigt werden, dass zur Abgabe der Energie aus

4 ■ der Reaktion (17) durch Abgabe des doppelt geladenen He und des Protons aus der Migmazelle eine andere Bedingung für die Einschuss energie T₁ aufgestellt bzw. erfüllt sein muss. Diese Bedingung wird dann erreicht, wenn T kleiner ist als ein bestimmter durch die folgende Gleichung gegebener Wert:

max _{= = 2 2}
1 ο

Wenn die Bedingungen aus (16) und (18) gleichzeitig erfüllt sind, bleiben die He -Ionen innerhalb des Migmas, während alle anderen geladenen Fusionsprodukte entweichen. Somit treten die geeigneten Bedingungen für die Brütung von Fusionsbrennstoffen auf, wenn die Deuteron-Einschussenergie zwischen den Grenzen der folgenden Massgabe liegt:

0,377 MeV< T < 2,29 MeV (19)

Es wird nun gezeigt, dass auf der Basis der Gleichung (19) eine Einschuss energie T =2,2 MeV für die bevorzugte Ausführung gewählt wird, obwohl die Brütung für einen Wert von T innerhalb der Grenzen von (19) erreicht wird. Sofern

T = 2/2 MeV (20)

309845/0463

ist, verfugen die geladenen Fusionsprodukte, die aus der Migmazelle austreten, über folgende Energien:

Triton (t): T =2,22 MeV (21)

*1

Proton aus d-d (p): T ^l = 6,33 MeV (22)

^Pll

Proton aus He³-d (p) : T = 17,97 MeV (23)

Helium-4(He⁴): T₄ =4,49 MeV, (24)

3
während die He -Ionen, deren Energie sich auf

Helium-3(He3): T=. 1,92 MeV (25)

beläuft, in der Migmazelle enthalten sind und das Migma fortlaufend durch hochwertigen Brennstoff angereichert wird, wodurch die Leistungsabgabe über die durch die Gleichung (6) gegebenen Werte hinaus wie auch die aus der Gleichung (12) errechneten Energiegewinnwerte hinaus ansteigt.

Allgemein gesprochen wird die Brütung also durch Anpassung des Migmazellen-Radius R an das durchschnittliche Magnetfeld B zur Erfüllung der folgenden Beziehung erreicht:

(26)

0.3 B

Dabei ist T die d -Ionen-Einschuss energie in KeV, die durch die Grenzen von (19) gegeben ist, und B in Kilogauss; die Gleichung (26) in Verbindung mit (19) definiert die Bedingungen

zur Beibehaltung He im Migma, während alle anderen Fusionsprodukte der Reaktionen (14), (15) und (17) entweichen, wodurch die Brütung gefördert wird.

309845/0 A 63 - 28 -

Direkte Umwandlung der Fusionsenergie in Elektrizität

Ein Mittel zur Umwandlung der Energie der geladenen Produkte der Fusionsreaktion sowie zur Umwandlung der Energie der primär eingeschossenen Ionen wird im folgenden beschrieben. Es basiert auf den folgenden Tatsachen:

1. Bei den betrachteten hohen Stossenergien werden 90 % der Produkte der Fusions reaktionen unter einem Winkel im Bereich von 45 zur Stossebene abgegeben, die fast die Horizontalebene ist.

2. Bei der d/d-Reaktion werden 71 % der Fusionsenergie von

= 3

den geladenen Partikeln und 100 % bei der He + d Reaktion (Brütung) getragen.

3. Bei der Deuteron-Einschuss energie von 2,2 MeV tragen die geladenen Fusionsprodukt-Ionen die in den Gleichungen (20) bis (25) angegebenen Energien.

3 Obwohl die Magnetfeldstärke in Hinblick auf die Aufnahme des He und der Deuteronen ausgelegt ist, treten einige dieser Ionen aus der Migmazelle als Ergebnis einer einfachen und mehrfachen elastischen Streuung und der Raumbeladungseffekte ("Leckverluste") in einem Mass von etwa 10 % der Füsionsproduktmenge aus.

3 4

Da He und He doppelt geladen sind, können sie durch in ihrer Bahn angeordnete, positiv geladene Platten mit Potentialen von 0,96 und 2,2 M„V verzögert und vollständig angehalten werden.

-29-309845/0463

Die Tritonen, Protonen aus der d + d Fusion, die Protonen aus der He + d Fusion und die primären Deuteronen können mittels Platten von 2,2 , 6,3 , 18 und 2,2 MwV angehalten werden.

4 Es ist zu beachten, dass nahezu das gleiche Potential He , Tritonen und Deuteronen anhält. Dies erlaubt die Verwendung von vier Platten zur Anhaltung von sechs Arten von in den Gleichungen (20) bis (25) angegebenen Partikeln. Jedoch ist es aus praktischen Gründen ratsam, die Spaltbreiten zwischen den Platten zu unterteilen, so dass sie 400 KV pro Spaltbreite nicht überschreiten.

Die Fig. 10a und 10b zeigen einen Quer- und einen Längsschnitt der Migmazelle der Fig. Ic,"die von einer Vielzahl von Zylindern umgeben ist, von denen der Einfachheit halber nur sieben, nämlich die Zylinder 201 bis 207, dargestellt sind. Die Zylinder 201 bis 206 sind dünne (5 micron) Aluminiumfolien, die auf ein Kupfermaschenwerk von etwa 98 %iger Transparenz als Steifigkeitsrahmen aufgespannt sind. Der aus sere Zylinder 207 ist aus etwa 1/2 cm dickem Kupfer hergestellt. Alle Zylinder sind an ihren oberen Enden in eine Isolierplatte 300 eingebettet, die aus isostatisch gepresster Keramik mit hohem Tonerdeanteil hergestellt ist, wobei Hochspannungsanschlüsse 301 bis 307 für jede Platte vorgesehen sind, Die supraleitenden Leitungen 9 und 10 , die von zwischen ihnen vorgesehenen rostfreien Stahlträgern 110 gehalten sind, bilden die mechanische Lagerung der oberen und unteren Spulenpaare, wobei der zwischen ihnen befindliche offene Raum den Reaktionsbereich bildet.

Das ganze System ist in eine Ummantelung 408 eingesetzt, durch die flüssiges Freon 310 zirkuliert, in.dem es als kalte Flüssigkeit von unten nach oben und nach unten zurück alswarme Flüssigkeit

- 30 -309845/0463

in einem solchen Masse geführt wird, dass das Freon nie gasförmig wird, und in«dem bekannte Kühltechniken verwendet werden, beispielsweise die bei der 6 MV-Van der Graaf' sehen Beschleunigungsstation im Oak Ridge National Laboratory verwendete, die von der High Voltage Engineering Corporation of Burlington, Massachusetts, entwickelt worden ist.

Die Migmazellen - Spulen la und Ib sowie die Leitungen 9 und 10 besitzen Grundpotential (die Kühlummantelungen 5 und 6 sind in den Fig. 10a und 10b nicht dargestellt). Die Zylinder 201, 202 und 206 besitzen positive Potentiale von 0, 8 ,2,2 und 6,3 MV. Die Zylinder 203, 204 und 205 besitzen Potentiale von etwa 3, 5 und 5 MV. Eine Vielzahl von in den Zeichnungen nicht dargestellten Zylindern ist zwischen jedem Paar der Zylinder in wohlbekannter Art zur Bildung einer stufenweisen Spannungsverteilung eingesetzt.

Der äussere Zylinder 207 wird zur Anhaltung der 18 MeV-Protonen der He + d Fusionsreaktion durch kombinierte Wirkung folgender Merkmale verwendet: (1) Eine Verzögerungsspannung im Bereich oberhalb 6,3 MV bis zur Protonenenergie von 18 MV und (2) eine Anhalteleistung bzw. Energie der dicken Platte und des flüssigen Freons. Aus diesem Grunde wird lediglich erwartet, dass ein Teil der Energie dieser hochenergetischen Protonen in Elektrizität umgewandelt wird. Die übrige Energie wird in Hitze umgesetzt und mittels des zirkulierenden Flüssigfreons abgeführt.

Der untere Teil des Kupferzylinders 207 ist an einem Zylinder 208 aus Jenaer Glas unter Abdichtung befestigt. Ein Satz von acht Wolframzapfen (von denen die vier Zapfen 209 bis 212 dargestellt sind) sorgt für ein Auflager für eine äussere Ummantelung 208, die . aus isostatisch gepresster Keramik mit einem hohen Tonerde-

309845/0463 - 31 -

anteil hergestellt ist. Hochspannungsdurchführüngen 400 bis 407 sind für die entsprechenden Leitungen verwendet.

Durch diese zylindrische Anordnung hindurch wird der 2,2 MeV-Deuteron-Strahl 500, der auf das Zentrum der Migmazelle mittels eines Systems quadrupoler Linsen 412 fokusiert ist, durch ein Rohr 411 hindurch unter einem Winkel von 30 zur Vertikalen in die untere Spule der Migmazelle eingeschossen, um das Migma und die resultierende elektrische Energieabgabe zu bewirken.

Migmafusions r eaktor

Es lässt sich ein MigmafusioHsreaktor konstruieren, der aus einer Vielzahl von Migmazellen besteht. Bei einer bevorzugten Ausführung sind einhundert Migmazellen in einer Säule gestapelt, die als eine "Migmasäule" bezeichnet wird, und kann eine Matrix aus hundert mal hundert Migmasäulen zur Herstellung des Reaktors verwendet werden.

Eine Draufsicht auf einen Schnitt durch zwei Migmasäulen der bevorzugten Ausführung ist in Fig. 11a dargestellt. Die Seitenansicht ebenfalls im Schnitt durch diese Ausführung ist in Fig. 11b . dargestellt. Wie aus Fig. 11b zu ersehen ist, ist jede Migmasäule mittels eines rostfreien Stahlrohrs 110 aufgehängt, das in Sandwichweise zwischen den supraleitenden Leitungen 9 und 10 angeordnet ist.

Ein mit einer Migmasäulenkonfiguration gegenüber einer einzelnen Migmazelle (Fig. 10a und 10b) zu erreichender technischer Fortschritt besteht darin, dass die positiv geladenen Rückstosszylinder durch flache Platten ersetzt werden können, die aus dünnen Metallfolien bestehen, die über ein 9ß % transparentes Kupfermaschen-

309845/0463 .32-

werk aufgespannt sind.

Gemäss Fig. lla und 11b stehen die Platten 6ll, 711, 811 und 911 unter einem Potential von + 0, 8 MV, die Platten 612, 712, 812 und 912 unter einem Potential von +2,2 MV und die Platten 613, 713, 813 und 913 unter einem Potential von + 6, 3 MV. Eine Vielzahl in den Zeichnungen nicht dargestellter Platten ist zwischen jedes Paar der oben genannten Platten in -wohlbekannter Weise angeordnet, um eine stufenweise Spannungsverteilung zu bewirken. Die Platten 514, 614, 714,814, 914 und 1014 mit 1/2 cm Dicke stehen unter einer Verzögerungs spannung im Bereich zwischen mehr als 6, 3 MV bis zur Höhe der Energie des Protons aus der He + d Fusionsreaktion von 18 MV, um das Proton durch die beschriebene kombinierte Zusammenwirkung in Verbindung mit dem ausseien Zylinder 207 abzustoppen.

Alle diese Platten sind von einer Platte 620 getragen, die aus einer isostatisch gepressten Keramik mit hohem Tonerdeanteil hergestellt und an eine Hochspannungsquelle über Anschlüsse 631 und 641 angeschlossen ist. Die Platte 650 ist aus der gleichen isolierenden Keramik hergestellt.

Die Platten 514, 614, 714, 814, 914 und 1014 sorgen zusammen mit den Platten 620 und 650 für eine Ummantelung zur Zirkulation flüssigen Fr eons in der oben in Verbindung mit der Ummantelung 408 beschriebenen Art.

Aus Fig. lla ist zu ersehen, dass, während bei einer einzelnen Migmazelle zwei Spulenpaare verwendet werden, bei einer Migmasäule drei Spulenpaare an der Erzeugung des Magnetfelds für zwei Migmazellen beteiligt sind, so dass ganz allgemein N + 1 Spulen-

309845/0 463 " ³³ "

paare die Felder für N Migmazellen erzeugen. Daher werden für eine Migmasäule mit 100 Migmazellen lediglich 101 Paare von Spulen 550a, 550b benötigt.

Es ist zu beachten, dass Migmasäulen nicht aus einer Anzahl physikalisch voneinander unabhängiger Migmazellen aufgebaut sind, sondern eher aus einem System gekoppelter Migmazellen. Ein Vorteil dieser gekoppelten Konfiguration besteht darin, dass, wenn alle Zellen mit einem Migma gefüllt sind, die Endverluste durch den Ausströmungskegel, der von dem vertikalen Einschlusswinkel. definiert wird, entlang der Z-Achse durch die Anzahl der Zellen in der Säule reduziert werden. Dies wird durch den folgenden automatischen Mechanismus erreicht.

Wenn ein Deuteron in den Ausströmungskegel einer Migmazelle eintritt, d.h. sich als Folge der mehrfachen Coulombschen Streuung durch die Zellenspulen hindurch in die nächste Migmazelle zu bewegen beginnt, sind die kombinierte Wirkung des deutlichen Rückstosspotentials des Migmas in der nächsten Zelle und die dort vorliegende Coulomb-Streuung von solcher Art, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Ion von der Z-Achse abweicht und in der neuen Migmazelle mit neuen Ausgangsbedingungen eingefangen bleibt, 50 %, was einen Beitrag zum Fusionsausmass leistet.

Die Auffüllung einer Migmasäule macht Gebrauch von derselben 60 Einschusstechnik wie die Auffüllung einer einzelnen Migmazelle mit der Ausnahme, dass die Ionen-Einschussmenge derart eingestellt wird, dass lediglich ein kleiner Anteil in der Grössenordnung von 1 % der Ionen in jeder Zelle der Säule von der Selbst-Einschnürung betroffen ist. Die übrigen Ionen treten in die nächste Zelle ein, präzedieren in einem künstlichen Einschluss und bewegen

+) beträgt

30 9845/04 6 3 "³⁴"

sich, sofern sie nicht abgefangen worden sind, in die nächste Zelle weiter, die auf die Bahn 999 folgt.

Die Füllzeit für eine Migmasäule liegt in der Grössenordnung von 10 Sekunden. Der beschleunigte Ionenstrahl 900 wird dann zur nächsten Migmasäule in der wohlbekannten Technik der zweidimensionalen Abtastung verschoben, die von High Voltage Engineering Corporation für die Ionen-Implantation und für die Beschleunigung und Streuung von Mikrometeoriten im Rahmen des NASA Space Program entwickelt worden ist. Die Wiederauffüllung wird periodisch in Intervallen in der Grössenordnung von einer Sekunde oder mehr durchgeführt, wie es auf Grund der Notwendigkeit, den durch die Fusion und die Lecks bedingten Deuteronen-Verlust zu ersetzen, erforderlich ist.

309845/046 3

Claims (15)

1. lJEnergiequelle, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung eines evakuierten Raumes mit einer Zentralachse (Z) und einer zu dieser senkrechten Ebene (r), Mittel (la, Ib, 2a, 2b) zur Erzeugung eines Magnetfelds innerhalb des Raums, das mit dem Radialabstand von der Zentralachse (Z) abnimmt und mit dem Abstand auf der Zentralachse (Z) von der Zentralebene (r) aus zunimmt, und Mittel zur Einschießung von Ionen gleicher Ladung vom Umfang aus in die Nähe des Symmetriezentrums (O) des Magnetfelds mit einer induzierten vertikalen Hin- und Herbewegung und einer schnellen Anfangsrate der Einschießung, um Fusionsreaktionen durch die Stöße der auf Bahnen präzedierenden Ionen miteinander zu erzeugen.
2. 2. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Magnetfelds aus einer Vielzahl von Magnetspulenpaaren (la, Ib; 2a, 2b) bestehen, wobei die Spulen (la und 2a bzw. Ib und 2b) jedes Paars (la, Ib; 2a, 2b) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Zentralebene (r) in äquidistanten Abständen angeordnet sind und die Öffnung zwischen den Atißenrändern des äußeren Spulenpaars (la, Ib) einen Radialwinkel (ß) von etwa 45° in Hinblick auf das Symmetriezentrum (O₁) bildet.
3. 3. Energiequelle nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine die Spulenpaare (la, Ib; 2a, 2b) umgebende Ummantelung (5,6) zur Führung eines Niedrigtemperatur-Kühlmittels zur Ermöglichung bzw. Verbesserung der Supraleitfähigkeit in den Spulen (la, Ib, 2a, 2b).
4. 4. Energiequelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse, das die Ummantelung (5,6) für die Führung eines Niedrigtemperatur-Kühlmittels für

   die Wärmeabfuhr umgibt.

   9845/0463
5. 5. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß positiv geladene Elektroden (7a, 7b, 8a, 8b) um das Magnetfeld herum zur Bildung von Säuberungsfeldern für die Entfernung von Elektronen angeordnet sind.
6. 6. Energiequelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch außerhalb des Magnetfelds angeordnete Mittel zur Erzeugnung eines so hohen Rückstoß-Elektropotentials, das die Verzögerungsenergie der aus den Fusionsreaktionen stammenden geladenen Kerne, die aus dem Magnetfeld emittiert sind, direkt in elektrische Energie umwandelbar ist.
7. 7. Verfahren zur gesteuerten Freisetzung nuklearer Fusionsenergie, gekennzeichnet durch Erzeugung eines Magnetfelds in einem, evakuierten Reaktionsraum mit einer Zentralachse und einer zu dieser senkrechten Zentralebene, wobei die Feldstärke mit dem Radialabstand der Zentralachse abnimmt und mit dem Abstand auf der Achse von der Zentralebene aus zunimmt um die auf Bahnen innerhalb des Raums befindlichen Ionen präzedieren zu lassen und auf diese Ionen radiale und achsiale FoKus-rierungskräfte auszuüben, durch Einschießen eines Strahls von Jonen'gleicher Ladung von der Peripherie aus in die Nähe des Symmetriezentrums des Magnetfelds mit einer induzierten vertikalen Hin- und Herbewegung und einer schnellen Anfangsrate des Einschusses, um Fusionsreaktionen durch die gegenseitigen Stöße der auf Bahnen präzedierenden Ionen zu erzeugen.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der eingeschossenen Ionen derart aufrechterhalten wird, daß die aus den Fusionsreaktionen stammenden geladenen Kerne zur Emiitierung aus dem Reaktipnsraum in einen Bereich eines hohen Rückstoß-Elektropotentials veranlaßt werden, wodurch die Verzögerungsenergie der Kerne als Elektroenergie freigegeben wird. 3 0 9 84 5/0463
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch das Anbringen positiv geladener Elektroden rund um den Reaktionsraum herum zum Aufbau von Säuberungsfeldern für die Abführung der Elektronen.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl der eingeschossenen Ionen auf das SymmetrieZentrum des Feldes fokussiert wird und die schnelle Anfangsrate des Einschusses eine derartige ist, daß die einfache und mehrfache Coulomb-Einwirkung zwischen den Ionen in der Zentralzone

    des Felds in der Zeit des instabilen Einschlusses beträchtlich ist und die Dichte im "Phas enraum" verändert, wodurch die meisten der geladenen Ionen am Verlassen der Zentralzone gehindert werden und ein stabilerer Einschluß erzeugt wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 7_f dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschossenen Ionen mit einer Energie von 0,377 MeV bis 2,29 MeV eingeschossene Deuteronen sind.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschossenen Ionen Deuteronen sind und die Einschußenergie der Ionen und die mittlere Stärke des Magnetfelds derart ausgewählt werden, daß die He Ionen nach den Fusionsreaktionen im Magnetfeld

    4 eingeschlossen werden und die He Ionen aus diesem austreten.
13. 13. Energiequelle, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung eines evakuierten Raums, eine Vielzahl von Zellen in dem Raum je mit einer Zentralachse und einer im Symmetriezentrum senkrecht zu dieser verlaufenden Zentralebene, wobei die Zellen ein Magnetfeld erzeugen, das mit dem Radialabstand von der Zentralachse abnimmt und mit dem Abstand auf der Zentralachse von der "Zentralebene aus zunimmt, Mittel zum Einschießen lonengleicher Ladung in jede der Zellen ... von der Peripherie aus in die Nähe des Symmetriezentrums des jeweiligen Magnetfelds mit einer induzierten vertikalen Hin- und Herbewegung und mit einer

    +)von 309845/0463

    schnellen Anfangsrate des Einschusses, um Fusionsreaktionen durch die gegenseitigen Stöße der auf Bahnen präzedierenden Ionen zu erzeugen, und durch Anordnung der Zellen in einer 3-dimensionalen Matrix, wobei ihre Zentralachsen und Zentralebenen im wesentlichen aufeinander ausgerichtet sind.
14. 14. Energiequelle nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch in der Matrix angeordnete Mittel zur Erzeugung eines so hohen Ruckstoß-Elektropotentials, daß die Beschleunigungsenergie der aus den Fusionsreaktionen stammenden geladenen Kerne, die aus den Zellen heraus emittiert werden, direkt in elektrische Energie umsetzbar ist.
15. 15. Energiequelle nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch in den Zellen angeordnete positiv geladene Elektroden zur Errichtung von Säuberungsfeldern für die Abführung von Elektronen.

    1(5. Energiequelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines evakuierten Raums eine Ummantelung zur Führung eines Niedrigtemperatur- Kühlmittels besitzen.

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