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Verfahren und Einrichtung zur Energiegewinnung durch kontrollierte
Atomkernfusion.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine sur Durchführung desselben
dienende Einrichtung zur Raergiegewinnung durch kontrollierte Atomkernfusion, unter
Gegeneinanderführung von künstlichen Plasmastrahlen, die durch Vermischung von vorher
getrennt beschleunigten Atomionen und Elektronen gebildet sind, unter Anwendung
einer magnezischen Plasmakontraktion auf hohe Plasmadichte , sowie vorzugsweise
einer diskontinuierlichen Aussendung und Gegeneinanderführung von begrenzten Plasmastrahlen
(Strahlpaketen begrenzter Länge). Erfindungsgemäß wird, wenn zur Erzielung der erioderhohen
Plasiadichte eine Plasmakontraktion um einen Faktor i anzuwenden ist, der Querschnitt
des Plasmas um den Wert t2/3 kontrahiert. Vorzugsweise erfolgt die Q'Lerschnittskontrsktion
des Plasmas größenordnungsmäßig um 108 bis 1010, wodurch sich gemäß den Feststellungen
des Anmelders die zweckmäßig anzuwendende Plasiadichte ergibt.
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Bei der Gegeneinanderführung beschleunigter Atomionen zum Zwecke
der Erzielung kontrollierter Atomkernfusion spielt der "Wirkungsquerschnitt" eine
wesentliche Rolle. Es ist dies ein Kennwert für die Wahrscheinlichkeit von Fusionstreffern1
der auch Geschwindigkeit und Coulombabstoßung der Atomionen berücksichtigt und für
Deuterium-Atomionen, auch Deuteronen genannt, bei 100 kV Relativgeschwindigkeit
(d.i.
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beispielsweise 2 x 50 kV Voltgeschwindigkeit gegeneinander) -24 2
o.o3 barn (d.i. lo 24 cm2 ) beträgt und für 200 kV Relativgeschwindigkeit 0.05 barn
beträgt, d.h. die gegeneinandergeftlhrten Atomionen verhalten sich so, al8 ob sie
einen solchen Querschnitt besitzen würden.
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Ein Wert des Wirkungiquerschnittes von o.o3 bare;
besagt
nun, dass bei reinen Deuteronenstrahlen mit einer Dichte der Größenordnung 107 Ionen/cm3
bei Gegeneinanderführung die Deuteronen sich mit einer Wahrscheinlichkeit zu Fusionsstößen
treffen würden, die für einen rechnerisch hundertprozentigen Effekt eine Länge von
1 1024 # cm erfordert, also rund 33 . 1017@cm 0.03 107 d.i. 3.3 . 1016 E e Daher
wurde eine solche Gegeneinander führung beschleunigter Atomionen als für Energieerzeugung
durch Atomkernfuaion unbrauchbar betrachtet, weil solche Reaktionslängen nicht realisierbar
sind und für kürzere realisierbare Strecken die aufzuwendende En@rgie weit höher
wäre als die erzielbare Fuetonsenergie. T.s ergibt sich danach jedoch eine Verwendbarkeit
und Überlegenheit dieser Fusionsmethode bei hohen Ionendichten, die durch Herstellung
kunstlicher Plasmastrahlen erzielbar sind, die durch Vermischung vorher getrennt
beschleunigter Atomionen und Elektronen gebildet werden, wobei der sonst bei thermischen
Fusionspiasmen bestehende enorme thermische Expansionsdruck vermieden wird ( Zeitschrift
BULLETIN SEV, Heft 7-1972, S.337 ff ). Bei lonendichten von 1022 bis 1024 Ionen/om3
liegt danach die für besten Wirkungsgrad erforderliche Reaktionslänge zwischen 33
1 und 33 cm. Es wurde daher vorgeschlagen, mit solchen Plasmadichten von 1022 bis
1024 Ionen/cm3 zu arbeiten, welche Dichten mit üblichen Magnetfeldern von l03 bis
104 Gauß bei Vermeidung hoher Plasmatemperaturen erzielbar sind, nährend Magnetfelder
bis 105 Gauß bereits technisch herstellbar sind.
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Bei einer Ionengeschwindigkeit der Größenordnung los cflVsec erscheint
es dann zweckmäßig, nur Plasmapakete der für rechnetrisch hundertprozentige Fusionswahrscheinlichkeit
erforderlichen Länge von Dezimetern bis Metern, somit in Impulsen in der Dauer von
10-7 bis 10-5 sec, gegeneinander zu senden.
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Für die Kontraktion auf hohe Plasmadichte der angeführten Größe besteht
jedoch besonders bei Impulsbetrieb eine Schwierigkeit der genaueren Ermittlung derselben.
Naheliegenderweise wäre der Strahlquerschnitt um den erforderlichen Faktor f zu
kontrahieren, also der Durchmesser des Plasmastrahlen um die Quadratwurzel aus t.
Schon das ist Jedoch nicht korrekt, wenn sich bei der Plasmakontraktion die Strahlstruktur
ändert, indem der Strahlquerschnitt ringförmig wird d.h. seine homogene Struktur
verliert. Der Strahldurchmesser
wird danach nicht den für die Kontraktion
anzunehmenden Wert besitzen, sondern größer sein. Es gibt jedoch Wege, den tatsächlichen
Strahlquerschnitt zu ermitteln, beispielsweise mit Hilfe eines beschichteten Schirmes
oder einer Folie, wobei der kurzzeitig auftretende Strahl seinen Querschnitt abzeichnet.
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Gemäß der Erfindung soll der Strahlquerschnitt aber nicht um den
für die Plasmadichte vorgesehenen Sontraktionsfaktor f verringert werden, sondern
nur um f2/3 , d.i. die dritte Wurzel aus f2 . Gemäß der zugrundeliegenden Erkenntnis
erfolgt nämlich bei der im magnetisch kontrahierten Strahl auftretenden wendelförmigen
Teilchenbewegung die magnetische Plasmakontraktion nicht nur radial bzw. im Querschnitt,
sondern auch achsial und zwar weitgehend in gleicher Weise wie radial, so 1o dass
einer Querschnittskontraktion um z.20 10 eine tatsächliche Plasmakontraktion um
lo15 entspricht, indem bei Wendelbewegung der Atomionen neben dem Wendelbahndurchmesser
auch die Wendelbahnabstände verringert d.h. kontrahiert werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erklärt. Es zeigt
die Fig.1 die prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung , während
die Figuren 2 bis 6 zur Erklärung der zu berücksichtigenden' Wendelungserscheinungen
der Atomionenbewegung dienen.
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In der Fig.1 bezeichnen 1 und la lonenbeschleuniger mit eingebauter
Ionenquelle. Die beschleunigten Atomionen werden mittels der Umlenkmagnete 2, 2a
( das sind transversale Magnetfelder mit in der Zeichnung ersichtlichen Polflächen)
gegeneinandergeführt und in einem Reaktionsraum im Bereich einer Kontraktionsspule
3 zur Kollision gebracht. Vorher werden beschleunigte Elektronen aus Elektrönenquellen
und Beschleunigern 4, 4a über schwächere Umlenkmagnete 5, 5a den getrennt beschleunigten
Atomionen beigemischt und so künstliche Plasmastrahlen gebildet, die durch die vorherige
Beschleunigung ihrer Teilchen nur in achsialer Richtung hohe Geschwindigkeiten aufweisen
und daher radial hoch kontrahierbar sind, weil der bei thermischen Fusionsplasmen
auftretende hohe thermische Expansionsdruck fehlt. Eine Steuertings einrichtung
6 liefert Spannungsimpulse für die Beschleuniger 1, 1a zur gepulsten Aussendung
von Ionenströmen (Ionenpaketen) und kann in gleicher Gleise die Elektronenquellen
4, 4a steuern.
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Im Reaktionsraum innerhalb der Kontraktionsspule 3 entsteht
dann
die Fusionsenergie und kann von dort in bereite bekannter Weise abgenommen vrerdlen
Das Gefäßsystem wird dabei zweckmäßig ständig hoch evakuiert d.h. es ist die Anwesenheit
einer Grundgasfüllung entbehrlich und unzweckmäßig und auch entstehende Gasatome
sollen bestmöglich entfernt werden.
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Für die Fusion gegeneinandergeführter Deuterium-Atomionen (Deuteronen)
ist eine Energie von mindestens 280 keV zur Überwindung des coulomb'schen "Potentialwalls"
rechnungsmäßig erforderlich. Infolge der in dichten Plasmen bestehenden Erscheinung
der "Potentialwalldurchdringung" ( auch als "Tunnel-Effekt" bekannt) genügen Jedoch
schon wesentlich geringere Energien zur Fusionserzielung.
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Nehmen wir nun 2 x 50 keV Deuteronenenergte aus den Besohleunigern
an, so haben die Deuteronen eine Geschwindigkeit von Je rund 2 . 108 ci see. Die
Ausgangs-Ionendichte des Strahles als reiner Ionenstrahl betrage s.B. 2.5 . lo7
Ionen/cm3 . Die Stromstärke den Ionenstrahles kann dabei z.B.
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1 - lo mA für eine Kleinstanlage und lo Amp. oder mehr für ein Fusionskraftwerk
betragen. Ein reiner Ionenstrahl von lo mA hätte dabei etwa einen Querschnitt von
o.12 cm2 d.h. einen Durchmesser von rund o.4 cm, ein solcher von lo Amp. einen Querschnitt
von rund 12o cm2 bzw. einen Durchmesser von etwa 12.6 omn. Ein reiner Ionenstrahl
von loo Amp. würde bei gleichmäßiger Ionenverteilung ohne Kontraktion etwa 40 cm
Durchmesser besitzen.
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In der Fig.2 ist nun der Vektor der Ionengeschwindigkeit Va nach
dem 3eschleuniger aufgetragen und senkrecht datu der Vektor vt einer Temperaturgeschwindigkeit
aus der Ionenquelle. Bei 50 kV Beschleunigungsspannung ist wie bereite erwähnt die
Ionengeschwindigkeit rund 2 . 108 cm/sec, während sich eine Temperaturgeschwindigkeit
für 27 Grad C = 300 Grad K mit rund 2 . 105 cm/sec errechnet. Dadurch entsteht eine
resultierende Geschwindigkeit vr mit der seitlichen Komponente von vt , die Jedoch
im Magnetfeld des Strahles zu einer Wendelung ftlhrt, wie das in rig.3 angedeutet
ist. Im übrigen kanr die Temperaturkomponente der Teilchenbewegung durch Tiefkühlung
der Ionenquelle zweckmäßig auch noch wesentlich kleiner gehalten werden.
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Nun haben die Atomionen also gemäß Fig.4 in größerer
Daretellung
einen Wendel durchmesser d1 und eine achsiale Distanz a1 der aufeinanderfolgenden
Teilchen in der WendelbahnO Bei der Kontraktion wird der Strahldurchmesser kontrahiert.
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Gemäß der Erklärung des Anmelders verengt sich dabei aber nicht nur
der Strahldurchmesser, sondern auch der Wendelbahnabstand.
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Es ergibt sich das Bild gemäß Fig.5, bei welchem durch die Kontraktion
der verengte Wendelbahndurchmesser d2 der Ionenbewegung zusammen mit dem verringerten
Wendelbahnabstand a2 auftritt. Die Ionengeschwindigkeit vr in der Wendelbahn, welche
für die Fusionsverhältnisse die maßgebliche Rolle spielt, bleibt wohl unverändert
erhalten und ebenso die achsiale Strahlgeschwindigkeit va , aber in gleicher Weise
wie sich der Wendelbahndurchmesser durch die magnetische Kontraktion vermindert,
erhöht sich die Anzahl der Wendelumläufe.
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Der Strahlquerschnitt besitzt dann auch keine homogene Ladungsträgerverteilung
mehr, sondern die Atomionen mit Plasmaelektronen sind größtenteils in einem Ringquerschnitt
konzentriert, dessen Form und Abmessung z.B. wie erwähnt durch kurzzeitige Beschießung
eines Schirmes oder einer Folie festgestellt werden kann. Dieser Ringquerschnitt
entsteht offensichtlich durch eine gleichartige Ausrichtung ( d.h. eine Art Ineinanderschiebung)
der Atomionen-Wendelbähnen, bei einer wenig unterschiedlichen Wendeldurchmesserabmessung
gemäß einer Maxwellverteilung der Quergeschwindigkeit vt In der Fig.6 sind die Umfänge
d1 .und d2 .7der gedachten Zylindermäntel einer Wendelbewegung vor und nach der
Kontraktion dargestellt. Bei unverändert bleibender effektiver Geschwindigkeit vr
der Teilchen und ebenso unveränderter achsiale ler Fortschreitgeschwindigkeit va
bleibt die Wendelbahnsteigung wohl gleich, es erhöht sich jedoch die Anzahl'der
Umläufe und damit verringert sich die achsiale Distanz der in der Wendelbahn aufeinanderfolgenden
Teilchen, wenn diese etwa wie die Perlen einer aufgerollten Perlenschnur aufeinanderfolgen.
Es tritt also auch eine der radialen Kontraktion entsprechende achsiale Kontraktion
der Teilchen durch die Wendelbewegung ein, indem sich die achsialen Teilchenabstände
a1 vor der Kontraktion auf die Abstände a2 nach der Kontraktion verringern.
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Es kann sich durch die Kontraktion bei unveränderter effektiver Teilchengeschwindigkeit
Vr aber auch die a'chsiale
Fortschreitgeschwindigkeit v vermindern.
Bei solchen Nichtlineaa ren Verhältnissen ist dann die achsiale Teilchenkontraktion
noch etwas größer als der radialen Durchmesserkontraktion entspricht.
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Für die Erreichung einer Dichte von 1023 Ionen/cm3 war nun ein unkontrahierter
Ionenstrom von s.B. 2.5 . lo' Ionen/cm3 Dichte im gebildeten Plasma um den Faktor
4 . 1015 zu kontrahieren. Das würde bei reiner Querschnittskontraktion und homogener
Strahldichte die Verengung eines Strahldurchmessers von vorher o.4 cur auf nachher
6.2 . lo ' cm bedeuten.
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Dabei würde sich aber eine bisher unbeachtete achsiale Strahl kontraktion
als zu hoch ergeben. Im Sinne der Erfindung 8011 daher der Strahlquerschnitt nicht
so hoch kontrahiert werden, sondern zweckmäßig um den Wert f2/3 = 2.29 . 1010 (
bei f = 4 . 1015 ), weil dabei wie dargelegt bei dieser Art von Plasma automatisch
eine achsiale Dichteerhöhung um f1/3 = 1.58 . 105 eintritt.
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So lange bei der Kontraktion der Wendelbewegung eine Durchmesserkontraktion
mit der Erhöhung der Umläufe konform erfolgt, ändert sich dadurch nicht die achsiale
Teilchengeschwindigkeit va , obwohl sie durch die Wendelbewegung gegenüber der effektiven
Teilchengeschwindigkeit in der Wendelbahn Vr an sich geringer ist. Andere liegen
die Ver hältnisse, falls bei höherer Beschleunlgung der Atomionen die achsial. Kontraktion
eu einer relativen Verminderung der achsialen Geschwindigkeit filhrt. Dies ist der
Pall bei sogenannten relativistischen Erscheinungen der Teilchenbewegung durch hohe
Teilohenenergte, welche durch die Kontraktionsfeldwirkung noch verstärkt werden
können. Dadurch kann stich denn die achsiale Kontraktionswirkung gegenüber der radialen
Kontraktion erhöhen, d.h. eie wird größer alef1/3, wobei die achsiale Geschwindigkeit
durch die Wendelkontraktion relativ geringer wird, wie dies an sich von den relativietischen
Erscheinungen her bekannt ist. So wie eich bei der Relativistik die Teilchenmasse
scheinbar vergrößert, ergibt sich dann eine Art relativistische Stromdichtevergrößerung.
Es kann dann zur Vermeidung zu starker achsialer Kontraktion ein geringerer Kontraktionsfaktor
f d.h. ein weniger atarkes Kontraktionsfeld angewendet werden und damit eine geringere
rechnungsmäßige Gesamt-Plasmadichte. In
Betracht kommt eine aus
der QuerschnXttsverdichtung resultierende rechnungsmäßige Plasmadichte bis herab
auf etwa lo19 oder 1018 Ionen/cm3 bei einem rechnungsmäßigen Gesamt-Verdichtungsfaktor
f von etwa 1012 und dabei einer achsialen Kontraktion der Größen-4 ordnung lo, oder
mehr0 Die impulsdauer kann sich dann bis auf etwa lo 3 bis lo 1 sec. verlängern.
Das sind aber Extremwerte, weil anzustreben ist, ohne stärkere achsiale relative
Geschwindigkeitshemmung mit einer Plasmadichte zwischen 1019 und 1024, vorzugsweise
1021 bis 1023 Ionen/cm3 , zu arbeiten, Man hat also teilweise die Wahl, mit geringerer
lonenenergie und höherem Plasmakontraktionsfeld oder umgekehrt mit höherer Teilchenenergie
und geringerer Plasmakontraktionsfeldstärke zu arbeiten, weil große Teilchenenergie
eine Erhöhung der achsialen Kontraktion bedingen kann.
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Abschließend sei noch bemerkt, dass die Verhältnisse im künstlichen
Plasma des Erfindungsgegenstandes wesentlich anders liegen als in thermischen Pusionspiasmen,
sich also die vorstehenden Ausführungen nur auf die besonderen Verhältnisse des
gegenständlich angewendeten künstlichen Plasmas mit geordneten Wendelbewegungen
der Atomionen beziehen. Bei den thermischen Fusionsplasmen besteht eine allseitige
Temperaturbewegung und ein Kontraktionsfeld ist so auszulegen, dass mit voller Temperaturgeschwindigkeit
radial bewegte Teilchen noch vom Austritt aus dem Plasma abgehalten'werden können,
sowie dass dem thermischen Expansionsdruck p des heißen Plasmas von Fusionstemperatur,
der sich als-p = n . k.T als der Teilchendichte n und der abs.Temperatur T proportional
ergibt, das Gleichgewicht gehalten werden kann. Wohl gibt es dabei auch Wendelungen
von Teilchen um Feldlinien, doch immer nur bis zur nächsten Streuung, da in Plasmen
mit Maxwell'scher Geschwindigkeitsverteilung die Streuungen gegenüber Fusionsstößen
stark Uberwiegen. Die Verhältnisse des Erfindungsgegenstandes sind gänzlich anders,
die geordnet bewegten Atomionen nehmen eine einheitliche, radial und achsial kontrahierbare
Wendelbewegung an und der thermische Expansionsdruck fehlt mangels allseitiger Temperaturbewegung.
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Der Erfindungsgegenstand betrifft nur die Verdichtungsverhältnisse
dieses speziellen kUnstlichen Plasmas, dae wie beschrieben durch Vermischung vorher
getrennt beschleunigter Atomionen und Elektronen gebildet wird0