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Pulsierender Deuterium-Lithium Kernreaktor V Zusammenfassung: Wasserstoffbombenmaterial
6-Lithiumdeuterotitid kann in sukzessiven, elektrisch-gezündeten Mikroexplosionen
kontrolliert zu Helium verbrannt und die Hitze in Elektroenergie verwandelt werden
Ein Kondensator hoher Kapazität und niedriger Induktivität wird durch eine Masse
von geschmolzenem 6LiD1-xTx (0<x<1) entladen.
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Vorher war ein fadenförmiger Beitfähigkeitskanal durch Ionenstrom
thermisch vorgeformt worden. Durch Elektrolyse war der Raum vor der Anode mit DT,
der Raum vor der Kathode mit Li angereichert worden.
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Im sich aufheizenden Plasma entstehen zunächst Primärneutronen aurch
D-S oder D-T-Fusion vor der Anode, oder sie werden von einer Fissipnsneutronenquelle
wie Pu-Be oder Ra-Be in der Anode geliefert. Sie bilden die Köpfe von fortlaufenden
Fissions-Fusions-Lawinen des Typs n-6Li-T-T-2n=, die sich, vom azimuthalen Magnetfeld
gebündelt, zur Kathode hin fortbewegen.Die Kathode besteht aus einem Flüssigmetall-Pool,
um Abnutzung auszuheilen, worauf durch Elektrolyse temporäre Lithiumkathoden vor
jedem Puls aufgebaut werden. Seitlich entweichend; Neutronen werden in der umgebenden
Flüssigkeit zum Tritiumbrüten ausgenutzt. Gegen Ende des Strompulses desintegriert
der Reaktionskanal, und die Kettenreaktionen werden in der umgebenden kalten Materie
gstoppt. Die freigesetzte Energie reicht nicht aus, die umgebende Flüssigkeit in
ein heißes Plasma zu überführen, in dem die Reaktion weiterlaufen und eskalieren
könnte. Der Bliissigkeitsmantel dient auch als Schutz vor Korpuskularstrahlen. Die
Reaktionswärme wird durch teilweises Schmelzen der äußeren festen Li2DT-Schicht
gepuffert und von der flüssigen Metallfüllung des äußeren Kühlmantels, welcher auch
als Gammastrahlenschutz dient, zum Wärmeaustauscher des Turbogenerators geleitet.
Die Knallwelle wird von einem Deuteriumblasenvorhang, der in der Flissigkeit aufsteigt,
gedämpft. Jede Sekunde kann ein neuer Puls stattfinden.
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Beschreibung der Erfindung: Durch die Verbrennbarkeit der leichten
Kerne zu Helium ist seit dem kosmischen Urknall ein ungeheures Energiereservoir
gegeben. Es wird vom Menschen bisher nur mittels der Wasserstoffbombe (1) angezapft.
Die bei der Makroexplosion auftretenden Vorgänge (anfänglich Fissions-Fusions-Lawinen)
sind seit Jetter (2) bekannt und sind nunmehr vollauf bestätigt worden (3).
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Die technische Aufgabe, Wasserstoffbombenmaterial in sukzessiven beherrschbaren
Mikroexplosionen in nutzbare Wärme umzuwandeln, erfordert die Herstellung von Hbombenähnlichen
Mikroplasmen auf elektrischem Wege, den Ersatz der vom Plutonium-Detonator gelieferten
Primärneutronen durch Neutronen aus einer reproduzierbaren Quelle, und ein Reaktionsgefäß,
das Millionen solcher Explosionen standhält.
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In der vorliegenden Anmeldung werden viele der in den vorangehenden
Anmeldungen bereits angeführten Erfindungsgedanken wiederholt, um den Gesamtzusammenhang
herauszustellen, und durch neue Zusätze wie die zerstörungsfreie Flüssigmetallkathode,
die darauf elektrolytisch abgeschiedene temporäre Pseudokathode, die DT-reiche Anode,
und die Fissionsneutronen-liefernde Anode, vervollkommnet.
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In den Reaktionsketten vom Typ n-6ii-T-T-2n= treten geladene retonen
als energetische, fortschreitende Reaktionszentren auf.
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Sie entstehen durch Li-Spaltung und haben einige MeV Energie. Sie
müssen im Mittel mindestens 106 Atomdurchmesser durchqueren, ehe sie mit einem zweiten
Triton oder Deuteron kollidieren und fusionieren können, denn der Durchmesser dieser
Teilchen ist ca. 10 cm, während der mittlere Kernabstand im Plasma 10 7cm ist.
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Damit auf dem Fluge keine vorzeitige Abbremsung unter die Reaktionsenergie
(ca. 100 kev) auftritt, muß die Plasmatemperatur genügend hoch sein. Denn ein energetisches
geladenes Teilchen verliert beim Burchgang durch kaltes Plasma, oder mehr noch durch
unionisiertl Materie, Energie durch Wechselwirkung mit kalten Kernen und Slektroneun
aber muß sogar die Ionisierungsarbeit zum Abtrennen der Elektronen aufbringen. Der
Wirkungsquerschnitt in den unteren Temperaturbereichen betrugt für diese Bremsung
ca. 108 barn (4).
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Kaltes Il-Bombenmaterial wird bekanntlich selbst durch intensive Neutronenbestrahlung
nicht gezündet. Andererseits sind offenbar nur Plasmatemperaturen von einigen Millionen
Grad (einige hundert eV) erforderlich, um die Aushreitung von Lawinen zu ermöglichen(4j.
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Dichte Plasmen derartig hoher Temperaturen werden bereits vielerorts
durch Drahtexplosionen erreicht (5-8). Ebenso ist dabei die Herstellung der zur
Ingangsetzung der Fissions-Fusions-Lawinen erforderlichen Primärneutronen bereits
gelungen: 10l°-lO Neutronen pro Entladungspuls wurden bei der durch Kondensatorentladung
hervorgebrachten Explosion von deuterierten Polyäthylen-Fädet erzeugt (5,6), 107Neutronen
wurden durch Kondensatorentladungsströme durch Glaskapillaren erzielt, die mit Lithium-dotiertem
schweren Ammoniak gefüllt waren (8). Das Ziel dieser Versuche war die Energieerzeugung
durch reine D-D-Fusion, oder D-T-Fusion. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden
die Neutronen lediglich als Köpfe für fortschreitende Fisions-Fusionslawinen benötigt,
können also in geringer Zahl vorhanden sein, und das Plasma braucht nicht Temperaturen
von 60 - 100 Millionen Grad zu erreichen.
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Die Bedingungen für fortschreitende Fissions-Fusions-Lawinen zu schaffen,
ist also bereits heute ohne weiteres möglich. Man muß lediglich drahtexplosionsähnliche
Verhältnisse in Wasserstoffbombe material zu erzeugen, in einer Anordnung, welche
millionenfadhe Reproduzierbarkeit gestattet und die Ausnutzung der freigesetzten
Wärme erlaubt.
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Dabei hilft, daß LiD und LiT (die voll mit einander mischbar sind)
bei 688 °C schmelzen, eine äußerst hohe Schmelz- und spezifische Wärme besitzen,
und die besten existierenden Kernpartikel-Moderatoren darstellen. Die Schmelze ist
weit über 1000 0C stabil, greift die in Frage kommenden Konstruktionsmetalle nicht
chemisch an, und ist sehr kompressibel. Sie ist ein Ionenleiter, wobei Li+ das Kation,
H das Anion ist. Durch H-Überschuß kann die Leitfähigkeit vermindert werden, während
Li-Überschuß die Leitfähigkeit erhalt und sogar elektronisch macht. Die Leitfähigkeit
steigt steil mit der Temperatur an. Bei hochfrequenten elektrischen Feldern können
die Ionen nicht mehr folgen und die Leitfähigkeit nimmt ab.
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Mit diesem Material kann man eine den Unterwasserfunkenlampen ähnelnde
Anordnung (wo bekanntlich feine, von Wasser umgebene Drähte durch Kondensatorentladung
zur Explosion und damit zur Emission intensivsten Lichts gebracht werden (9) ) verwirklichen,
siehe Fig. 1: Vor jeder Kondensatorentladung wird an die Elektroden niederfrequenter
Wechselstrom angelegt. Infolge des stark negativen Temperaturkoeffizienten der ionisch
leitenden Flüssigkeit sieht sich der
Strom rasch in einen zentralen,
heißen Faden zusammen, der für die nachfolgende Kondensatorentladung die Funktion
des "Drahtes" übernehmen kann. Der Kondensator entlädt sich über den Hauptschalter.
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Die Vorgänge, die bei der Drahtexplosion deuterierter Drähte auftreten,
sind hinreichend bekannt(4,5). Meist wird angenommen, daß in den überhöhten Feldern
der Abschnüoungen der Sausage11-Instabilitäten Deuteronen bzw. Tritonen beschleunigt
und in das in den Bäuchen stagnierende Plasma hineingeschossen werden. Ferner ist
es möglich, daß bei der magnetischen Selbstkonstriktion des starken Entladungsstroms
(Momentanwert 108A) Kerne, die um die zirkulären schrumpfenden Magnetfeldlinien
kreisen, zum feldfreien Kern des Stromkanals mitgerissen werden und mit entgegengesetzt
ankommenden Kernen kollidieren. Dabei tritt diese Selbstkonstriktion auf dem Gipfel
des Strompulses ein.
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Die aus D-T-und T-T-Fusionen stammenden Primärneutronen bilden 3
im inzwischen genügend erhitzten Plasma (Dichte 1022 1023 Kerne da ja hier ein Ausweichen
nach außen nicht möglich ist) die Köpfe der Fissions-Fusions-Lawinen. Kerne, die
radial nach außen abwandern wollen, werden vom den Stromkanal umgebenden azimuthalen
Magnetfeld (Spitzenwert 106 107Gauss, siehe (4) ) in den Kanal zurückgebogen (siehe
Fig. 1, Ausæhnitt 6). Wegen des gleichfalls in der Außenhaut des Kanals vorhandenen
elektrischen Feldes bewegen sich die Lawinen vorzugsweise in Richtung Kathode, die
sich deshalb stärker abnutzt als die Anode. Sobald Lawinenreaktionen stattfinden,
heizt sich das Plasma durch Kernenergie selbst weiter auf, und mehr und mehr Reaktionen
der leichten Kerne im Plasma (auch 7Li und Be) werden möglich (3) und das Regime
der thermonuklearen Reaktionen beginnt.
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Die seitlich entweichenden Neutronen brüten in der umgebenden Flüssigkeit
Tritium, das sogleich chemisch gebunden und gespeichert wird. Je mehr sich der Reaktor
mit Tritium anreichert (10), desto niedriger kann die Kondensatorspannung gehalten
werden, denn die D-T-Fusion geht leichter als die D-D-Fusion, und die T-T-Fusion
geht offenbar noch leichter (deshalb sind Daten unveröffertlicht).
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Bei der T-T-Busion entstehen zwei Neutronen, was zum Ausgleich der
nach außen wegfliegenden Neutronen sehr erwünscht ist.
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Die Wachstumsgeschwindigkeit der Lawinen wird als militärisches Geheimnis
gehütet, kann jedoch, aus ähnlichen veröffentlichten Angaben (11), auf 10 7 10 8
sec abgeschätzt werden. Während der nötigen Zeitspannen von 10 7 sec kann die hohe
Stromstärke, die für den magnetischen Einschluß nötig ist, ohne große Mühe aufrecht
erhalten
werden.
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Am Bnde des Strompulses und magnetischen Einschlusses desintegriert
der Plasmakanal und die Lawinen laufen in das umgebende kältere Material, wo die
retonen gestoppt werden.
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Die gesamte freigesetzte Energie muß so klein halten werden, daß
nur ein unwesentlicher Teil der umgebenden Flüssigkeit in ein Plasma überführt wird,
das heiß genug ist (~106 Grad), damitjsich Lawinen darin ausbreiten können. Eine
Makroexplosion würde sonst das unerwünschte Resultat sein. Jedoch wird durch Absorption
von 107 Joule (die Energie, welche wir pro Puls als freiwerdend annehmen? ein LiH-Zylinder
von 10 cm Durchmesser und 10 cm Länge nur auf einige tausend Grad erhitzt, sodaß
absolut keine Gefahr einer Eskalation besteht.
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Mindestens 2/3 der freigesetzten Reaktionsenergie wird von Neutronen
getragen, welche in die umgebende Flüssigkeit etwa 10 cm eindringen und ihre Energie
somit auf ein großes Flüssigkeitsvolumen verteilen. Die geladenen Teilchen dringen
nur etwa 1 cm in die Materie ein, ehe sie abgestoppt werden, jedoch kann dieser
innere LiH-Zylinder gleichfalls nicht heiß genug und ?artikel-durchlässig werden,
daß eine Eskalation möglich würde.
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Die vom Explosionskanal radial nach außen mit Schallgeschwindigkeit
abgehende Knallwelle besitzt zwe; die Gewalt der Explosion von etsa 1 kg TNT, kann
aber gleichfalls zu keiner betonationserhitzung von Millionen Graden führen. Sie
wird durch die Kompressibilität der heißen Salzschmelze, durch einen Deuteriumblasenvorhang
(siehe Fig. 1), und schließlich von der äußeren festen Kruste von LiD1-xTx gedämpft,
ehe sie auf die feste Gefäßwandung trifft.
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Die Beherrschbarkeit solcher Sprengkräfte ist bereits im jetzt modischen
Programm der Laser-induzierten Fusion von gefrorenen DT-Pillen experimentell mit
Dynamitladungen nachgeprüft worden (11,12).
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Man fand, daß die pro Puls freigesetzte Energie 200 MJ nicht überschreiten
darf, da sonst das Stahlgefäß Materialermüdung zeigt.
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Das zirkulierende Deuteriumgas des Blasenvorhangs hat auch die weitere
Funktion, das Verbrennungsprodukt, Helium, zu entfernen, die Schmelze Anionen-Überschüssig,
d.h. hochohmig, zu halten, und in der Schmelze Konvektionsströmungen zum Zwecke
der Homogenisierung aufrecht zu erhalten.
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Der nach jeder Entladung auftretende Wärmestoß wird durch teilweises
Abschmelzen der äußeren Kruste ausgeglichen. Die Korpuskularstrahlung
wird
von der LiD-Masse, die Gammastrahlung vom Metallzylinder und dem mit Flüssigmetall
gefüllten äußeren Kühlmantel abgefangen.
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Die Anode wird am wenigsten abgenutzt, da sie nur von Elektronen getroffen
wird. Sie kann einen Einsatz enthalten, der Neutronen emittiert, wie z. B. eine
Plutonium-Beryllium-Legierung. Damit entfällt die Notwendigkeit, Primärneutronen
durch D-T-Fusion herzustellen.
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Die Kathode kann zwecks Verminderung des Abbrands und der Erosion
auf der Oberseite einen Pool aus geschmolzenem Metall enthalten (siehe Fig. 1),
welche durch die Reaktionshitze. oder durch eine (nicht gezeigte) äußere Beheizung
im flüssigen Zustand gehalten wird. Damit wird die Kathode selbst-heilend.
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Während der Vorformung des Leitfähigkeitskanals kann man dem benutzten
Wechselstrom eine genau dosierte Gleichstromkomponente überlagern. Damit kann man
auf der Kathode, zwecks weiterer Verminderung ihre Abnutzung durch Bombardement,
vor jedem Puls eine temporäre Lithium-Vorkathode elektrolytisch abscheiden, bzw.
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das LiD so mit Li anreichern, daß es elektronisch leitfähig wird.
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Diese Vorkathode wird nach jedem Puls von der Flüssigkeit weggespült
und homogenisiert.
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Gleichzeitig reichert sich der Slromkanal vor der Anode mit Deuterium
und Tritium an, wodurch er dort hochohmig wird, was die bevorzugte Bildung von Primärneutronen
durch D-T-Fusion nahe der Anode begünstigt. Die vpn diesen Neutronen gezündeten
Lawinen können sodann dis gesamte Länge des Entladungskanals von Anode zur Kathode
aus-.
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nutzen.
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Zur Herstellung und Anlieferung der Strompulse können die üblichen
Kondensatorbänke (4), oder besser,-Puls-formende Anlagen wie Gamble E (siehe (13)
) benutzt werden, womit ja bereits 1010 Neutronen pro Puls erzeugt werden. Einfacher,
billiger und kompakter ist jedoch der schon 1956 vorgeschlagene konzentrische Plattenkondensator
(14), da er, abgesehen vom zentralen Entladungskanal, induktionsfrei ist (siehe,
z.B. (4), Seite 253). Diese Induktivität des zentralen Entladungskanals kann sodann
durch Anwendung des räumlichen Bifilaritätsprinzips (9) unter Ausnutzung der ohnehin
im Zentrum erforderlichen Aufbauchung weitgehend kompensiert werden.(Fig. 1, siehe
StrompSeile).
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Zur Abschätzung der Mindestgröße des Kondensators ist folgendes zu
berücksichtigen: Um eine Lithiumdeuterotritid-Masse von ca.
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1/10 g auf Millionen von Graden zu erhitzen, muß ein solcher Kondensator
mindestens 5.105 Joule speichern, d.h. er muß bei einer Ladespannung von etwa 100
kV mindenstens eine Kapazität von 50/uF haben. Um die zur Selbstkontraktion des
Entladungsstroms vermöge seines eigenen Magnetfelds erforderliche Momentanstromstärke
von mindestens 107 A (siehe (4)) liefern zu können, muß sich der Kondensator in
etwa 10 7 sec entladen können, d.h. die Gesamt-Induktivität des Entladungskreises
darf nicht höher als 10 iii und der Gesamtwiderstand nicht größer als 10-2Ohm sein.
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Mit normalen Dielektrika (DK~10) würde ein solcher Plattenkondensator
unhandlich groß (N100 m). Eine Verkleinerung auf ca 10 m Durchmesser ist seit kurzem
durch Benutzung ferroelektrischer oxydkeramischer Dielektrika auf der Basis von
(Pb,La)(Zr,Ti)03, abgekürzt PLZT, möglich. Geeignete Kompositionen, durch Kaltpressen
und Sintern herstellbar (16), haben eine statische DK von 5000 und nur geringe dielektrische
Verluste. Neue Mischungen sind möglich, bei denen die DK bei Anlegen des Feldes
ansteigt, nicht wie bisher, absinkt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, läßt sich die zentrale Aufbauchung, welche
zur Unterbringung des Entladungsgefäßes nötig ist, zum Bau eines reflexionsfreien
dielektrischen \/4-Impedanztransformers und Pulsformers ausnutzen, wobei das zylindrische,
metallische Entladungsgefäß mit integriertem Hauptschalter ein Teil des gesamten
dielektrischen Impulssystems wird.
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Wie bereits bei den stark hypothethischen Laser-Fusionsreaktoren
(11,12) vorgeschlagen, können mehrere solcher Reaktoren einen Turbogenerator betreiben
(der wegen der hohen oberen Betriebstemperatur von 650°C einen Wirkungsgrad von
etwa 45% hat). Die zum Betrieb aufgewandte Elektroenergie kann ohne weitere Zusatzanlagen
zu 45 % zurückgewonnen werden. Die meisten Bauteile des Reaktors werden nicht radioaktiv.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors übertreffen bei weitem
die für die Laser-Fusionsreaktoren bereits ausführlich angeführten (11,12). Ein
funktionsfähiges Kraftwerk könnte in etwa 5 Jahren erstellt werden. Mit diesen Kraftwerken
unddem bei Verschrottung
des Weltvorrats an Wasserstoffbomben freiwerdenden
Brennmaterial könnte der Energiebedarf der Menschheit für tausende von Jahren gedeckt
werden.