DE2544043C3

DE2544043C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas

Info

Publication number: DE2544043C3
Application number: DE2544043A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl.-Ing. Dr. Phil. 5000 Koeln Trommsdorff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1975-10-02
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE2544043A1; DE2544043B2

Description

Di« Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas durch kurzzeitige Laserbelrahlung von Hohltropfen mit stoffarmem Innenraum aus einem Brennstoff, der einen hohen Gehalt an fusioitsfähigen Atomen enthält, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Hohltropfen durch Versprühen flüssigen Wasserstoffs oder flüssigen Deuteriums zu erzeugen und diese Hohltropfen mit einem Laserblitz hoher Leistung zu bestrahlen, so daß das Material an der Tropl'enoberflächc explosionsartig verdampft und in dem Hohltropfen eine zentripetal wandernde Stoßwelle erzeugt wird (Zeitschrift »Nuclear News«, Dezember Seite 78). Bei der Verwendung reinen Wasserstoffs oder reinen Deuteriums wird das Material des Hohllropfens durch den die Entropie vermehrenden Stoßvorgang erhitzt, aber nur relativ wenig bewegt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Kugelsymme-Iric der Hohliropfen instabil ist. Anfängliche Abweichungen von der Kugelsymmetrie bleiben während der Implosion erhalten, so daß in diesem Fall die einzelnen Partien der Stoßwelle den zentralen Bereich nacheinander, und nicht gleichzeitig, überstreichen. Dies führt zu einer vergleichsweise weiträumigen Erhitzung und

Entropievermehrung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine hohe Energiedichte auf kleinem Raum erzielt wird. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß

ίο vorgesehen, daß der Brennstoff aus einer organischen Verbindung mit hoher Zähigkeit und extrem geringem Dampfdruck, wie deuterierte Ester der Sebacinsäure oder Phthalsäure, besteht, daß die Hohltropfen durch Abtropfen aus einer Ringöffnung erzeugt werden und Jaß die Bestrahlung erst erfolgt, wenn sich der Hohltropfen durch den Einfluß seiner Oberflächenspannung kugelsymmetrisch stabilisiert hat. Dadurch, daß der Brennstoff eine hohe Zähigkeit aufweist, erhält man Hohltropfen, deren fCugelform stabil ist. Etwaige Abweichungen von der Kugelform werden von dem HohUropfenmateria! selbst korrigiert. Der Brennstoff kann mehr als 50 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthalten. Die Kohlenstoffatome nehmen an der geordneten Zentripentalbewegung bei der Implosion teil, ohne Wärme abzustrahlen. Durch ihre Masse erhöhen sich die Energien im Stoßgebiet.

Kurz nach dem Aötropfen der Hohltropfen von der Ringöffnung weicht die Form noch erheblich von der Kugelform ab. Infolge der Oberflächenspannung stabili siert sich der Tropfen aber schon nach kurzer Zeit kugelsymmetrisch und kann dann mit dem Laserblitz beaufschlagt werden. Kleine Störungen der Kugelsymmetrie werden im Verlaufe der Implosion gedämpft, so daß sie abklingen. Ein solches Abklingen vorhandener

J5 oder aufgeprägter Störungen der kugelsymmetrischen Verteilung erhält man nur, wenn die Reynolds-Zahl (Re-Zahl) unterkritisch bleibt (Re<2000). Die Re-Zahl der Implosion bestimmt sich zu

Rc = ^r,-^i>

Hierin ist rder Radius des stoffleeren Implosioninnenraumes, r = τ- ,die Geschwindigkeit der sich

bewegenden Begrenzung des Implosionsinncnraumes und γ die kinematische Zähigkeit der implodierenden Flüssigkeit.

Bei der Implosion einer Flüssigkeit gegen einen stoffleeren zentralen Raum steigt die so definierte Re-Zahl der Implosionsbewegung sehr schnell an. Zwar n>mmt r mit fortschreitender Implosionsbewegung linear ab, r aber nimmt umgekehrt proportional dem Quadrat von rzu. Um die Re-Zahl der Implosion unter einem gewissen Wert zu halten (Re<10« scheint noch vertretbar), muß bei vorgegebenem Radius des kugelförmigen Reaktionsbereichs von r= 1,5 10-^Jm und r = 1,7 ΙΟ⁶ m ■ s-' (Zündlemperatur der DT-Reaktion) die implodierende Flüssigkeit eine kinematische Zähigkeit von 0,255 m² ·s~' haben. Die kinematische Zähigkeit der implodierenden Flüssigkeit muß also 250mal höher als bei Glycerin gewählt werden. Sie kann lO'mal kleiner sein als bei Pech. |e höher die kinematische Zähigkeit gewählt wird, desto weiter kann der Implosionsvorgang zu kleineren Radien und zu höheren Zentripetalgeschwindigkciien kiigclsymmcirisch stabil getrieben werden. Die förderung nach einem stabilsymmetrischen zentripetalen Encrgictransport durch eine

Stoßwelle kann in einem aufgeheizten Plasma nicht erfüllt werden.

Nur die Implosion einer sehr zähen Flüssigkeit gegen einen stoffleeren Raum erfüllt die Forderung nach stabiler Kugelsymmetrie.

Damit in dem stoffarmtn zentralen Bereich des Kugelhohltropfens nur geringste Dampfmengen aus der Flüssigkeit eintreten, muß die implodierende Flüssigkeit einen möglichst niedrigen Dampfdruck haben. Flüssigkeiten, die eine hohe dynamische Zähigkeit, einen to extrem niedrigen Dampfdruck und einen hohen Gehalt an fusionsfähigen Atomen haben, sind beispielsweise Ester der Sebacinsäure und der Phthalsäure. Durch geeignete Zusammensetzung aus verschiedenen sich leicht mischenden Komponenten können Konsistenzen 1; vom dünnflüssigen Öl bis zu wachs- und pechartigen Massen gemischt werden. Solche Gemische von Estern der Sebacinsäure und der Phthalsäure sind beispielsweise die in der Hochvakuumtechnik verwendeten Apieconöle. 2»

mit den genannten Flüssigkeiten kann man sehr geringe Dampfdrücke bis herunter zu 6 · ίθ~⁸ mbar erzielen. Durch Austausch der Wasserstoffatome im Molekül gegen Deuterium- und Tritiumatomen erhält man einen hohen Anteil an reaktionsfähigen Kernen im Molekül. Durch Emulgieren mit feinst verteiltem Li⁶H² kann eine Anreicherung mit weiteren fusionsfähigen Kernen erfolgen.

Durch das Abtropfen der Hohlkugeln aus einer Ringöffnung werden die Hohlkugeln in gleicher Form jo und Größe mit gleicher kinetischer Energie und mit gleichen zeitlichen Abständen erzeugt. Sie bewegen sich frei schwebend in einem stoffarmen Raum.

Der Brennstoff kann mit einem lichtabsorbierenden Stoff eingefärbt sein, der verhindert, daß die Laserstrah- π lung in das Innere des Hohltropfens eindringt und dort in Wärme umgesetzt wird. Die kleine, wenige Kubikmillimeter große Reaktionszone mit hoher Teilchenzahl je Raumeinheit (5 · IO²⁰ bis IO²⁶ Teilchen je Kubikze'.-iimeter) ermöglicht kurze Reaktionszeiten von IO-⁹bis IO-^|2Sekunden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Reaktionsgefäß, mit dem eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hohltropfen verbunden ist und in dem die Bestrahlung 4-, der Hohltropfen durch Laser erfolgt. Zur Erzeugung von Hohltropfen in definierter zeitlicher Folge und gleicher Größe ist die Ringöffnung von einem Ultraschallerzeuger angeregt, dessen Frequenz derart abgestimmt ist, daß de; Flüssigkeitshohlstrahl peri- -,ο odisch in Hohltropfen zerfällt.

Da die Kohltropfen in einer bestimmten periodischen Folge entstehen, jedoch nicht jeder der erzeugten Hohltropfen mit dem Laserblitz bestrahlt werden kann, kann entlang der Bewegungsbahn der Hohltropfen eine μ Selektionscinrichtung angeordnet sein, durch die Hohltropfen, die nicht für die Plasmaerzeugung benötigt werden, ausgeschieden werden. Die Selcktionseinrichtung besteht zweckmäßigerweise aus einer Elektrode, die einzelne, auswählbare Hohltropfen kurzzeitig «,0 elektrisch auflädt und der eine Ablenkelektrode nachgeschaltet ist, die die aufgeladenen Hohltropfen elektrostatisch aus ihrer Bewegungsbahn ablenkt.

Im folgenden wird eine Ausführiingsform des Verfahrens und ci;;c Vorrichtung zu seiner Durchfüh- μ rung unter Bezugsnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. I zeigt schemati.'ch einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hohltropfen, sowie die nachgeschaliete Selektionseinrichtung,

Fig.2 zeigt schematisch einen Längsschnitt der Einlaßvorrichtung für die Hohltropfen in das Reaktionsgefäß, und

Fig.3 zeigt einen Querschnitt durch das Reaktionsgefäß.

Als Brennstoffträger wird ein Sebacinsäuredibui>lester Ci₈ · O₄ · Di₇ - Ti₇ genommen, dessen Wasser-Stoffatome je zur Hälfte durch Deuterium- und Tritiuniatome ersetzt worden sind und der mit anderen deuterierten Sebacinsäureestern und deuierierten Phthalsäureester so gemischt worden ist, daß das hochviskose Gemisch der Ester eine kinematische Zähigkeit größer als 3 · 10²m² · s"¹ besitzt.

Gemäß Fig. 1 tritt der Zähflüssigkeitsbrennstoff aus dem Hochdruckberuhigungsbehälte.· 2 über eine gut geformte Ringöffnung 3 mit dem Zentralkorperzapfen 4 mit hoher Geschwindigkeit als Hohlstrahl 5 in den hochevakuierten Vorraum 6 ein. Dr■· Ultraschallerzeuger 1 beschailt die Flüssigkeit mit hciver Schaüenergie. Bei 7 schließt sich periodisch der zähflüssige Brennstoffhohlstrahl 5. Bei 8 zerfällt der Brennstoffhohlstrahl in einzelne Hohltropfen, die bei 9 weitgehend kugelsymmetrische Gestalt angenommen haben. Von 8 bis 9 wird eine Vorphase der Implosion eingeleitet, die sich bis 26 fortsetzt. Unter der Einwirkung der Oberflächenspannung beginnt langsam die Zentripetalbewegung der zähen Flüssigkeit bei Re-Zahlen unte- 10"³. In dieser Vorderphase der Implosion erreicht der Hohltropfen vollkommene Kugelsymmetrie.

Da die Frequenz der Tropfenerzeugung nach der Raleighbedingung aus der Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Strahl und aus dem Strahldurchmesser festgelegt ist, muß, um die Tropfenzulieferung auf die viel niedrigere Arbeitsfrequenz des Reaktionsgefäßes 20 abzustimmen, periodisch ein großer Teil der schon erzeugten Tropfen aus dem Vorgang wieder entfernt werdei. Zu diesem Zweck lädt die geheizte Ringkathode 10 zahlreiche Hohltropfen mit Elektronen auf. Die so geladenen und periodisch gezeichneten Hohltropfen 11 werden in dem starken elektrischen Feld zwischen der Ablenkkathode 12 und der Anode 13 aus ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt und im Auffangbehälter 14 aufgefangen. Die im Auffangbehälter 14 sich ansammelnde Brennstoffflüssigkeit wird abgepumpt und dem Hochdruckberuhigungsbehälter 2 wieder zugeführt.

Die nicht von der Ringkathode 10 aufgeladenen Hohltropfen 15 fliegen auf der geradlinigen Bahn 16 weiter. In dem Maße, wie die elektrische Ablenkungsschleuse aus der Ringkathode 10 und den Ablenkelektroden 12 und 13 Brennstoffhohltropfen 15 in das Reaktionsgefäß 20 treten läßt, steigt oder sinkt dort die Energieerzeugung.

Die Brennstoffhohltropfen 15 passieren das aerodynamische Labyrinthventil 17, dessen Taschen 18 an eine Hochvakuumpumpe 19 angeschlossen sind. Durch das aerodynamische Labyrinthventil 17 im Zusammenwirken mit der Ejektoreintrittsdüse 22 wird verhindert, daß Materie, insbesondere Arbeitsflüssigkeit (Wasser) aus dem unter hohem Druck stehenden Reaktionspefäß 20 in den hochi'vakuierten Vorraum 6 gelang;, andererseits wird den Brennstoffhohltropfen 15 der Durchgang in das Reaktionsgefäß gestattet.

F i g. 2 zeigt das kuj-elige, starkwandige Reaktionsgefäß 20, dessen Durchmesser mit mehr als 2 m so groß bemessen ist, daß die von einer in seinem Mittelpunkt 26 befindlichen energiereichen Neutronenquelle, den dort

implodierenden Brennstoffhohltropfen, ausgesandten Neutronen von dem das Reaktionsgefäß 20 erfüllenden Wasser 21 oder von hochgespanntem Wasserdampf restlos absorbiert werden. Über eine ringförmige Ejektorcintrittsdüse 22 tritt Wasser 23 mit hoher Geschwindigkeit in das Reaktionsgefäß 20 ein. Durch die Gestaltung der Ejektoreintrittsdüse 22 wird bewirkt, daß bei dem engsten Querschnitt 24 das Wasser 23 seinen geringeren statischen Druck, wenig mehr als den Dampfdruck kalten Speisewassers, aber seine hochUe Geschwindigkeit hat. die genau abgestimmt ist auf die Bewegungsgeschwindigkeit der axial in die Ejektoreintrittsdüse 22 eintretenden Brennstoffhohltropfen 15.

Das Wasser 23 hoher Geschwindigkeit umhüllt stoßfrei die Brennstoffhohltropfen 15 und schwemmt sie in den Diffusorteil 25 des Ejektors ein.

Im Diffusorteil 25 steigt der Druck im strömenden

Woccpr on nnrf rlif ζ trriniiinrrciTi»c/»hwinrltcrise>tI vprrin.

bewirkt insbesondere eine kugelsymmetrische Druck beaufschlagung der Tropfenoberfläche. Die kugelsym metrisch eingeleitete Implosion bleibt infolge der hoher kinematischen Zähigkeit der Brennstoffträgerflüssigkeii > bis zum Erreichen der Zentripetalgeschwincligkeit vor 17 ■ lO^m/s kugelsymmetrisch. Durch die Implosior wird im zentralen Bereich des Brennstoffhohltropfcn* 15 das Plasma erzeugt. Die dabei freigesetzte Energie wird von dem Arbeitsmittel Wasser 21 aufgenommen

in das sich in hochgespannten überhitzten Dampf verwandelt, der in dem Dampfdom '4 gesammelt und von dort einer Dampfturbine zugeleitet wird.

Es ist unbedenklich, diese intermittierend kurzzeitig erzeugte und kurzzeitig bestehende Reaktionszonc, die

r> umgeben ist von einer 1 bis 3 mm dicken erwärmter hochverdichteten Brennst' »ffschicht. zusammen mil ihrer Umhüllung in das Arbeitsmittel Wasser ohne irnpnHpmp f*»c I f* Rpnrpn7iin<T pin7iiKptlpn ΛII*» foe tor

gert sich. Im mitgeschwemmten Brcnnstoffhohltropfen 15 wird der Implosionsvorgang, immer noch mit sehr geringer Implosions-Reynoldzahl und bei vollkommener Kugelsymmetrie eingeleitet. Der Brennstoffhohltropfen 15 erreicht, vom strömenden Wasser mitgeschwemmt, den Mittelpunkt 26 des kugelförmigen Reaktionsgefäßes.

Gemäß F i g. 3 sind an den druckgeschützten Fenstern 27 in der Wand des Reaktionsgefäßes Hochleistungslaser 28 angeordnet, deren mit der Frequenz der Tropfenerzeugung und der Arbeitsfrequenz der elektrischen Selektionsvorrichtung 10, 12, 13 synchron ausgelöste Lichtpulseden Brennstoffhohltropfen 15 von allen Seiten symmetrisch gleichzeitig treffen. Die einfallende energiereiche Laserstrahlung wird an und nahe der Oberfläche des Brennstoffhohltropfens 15 absorbiert. Die durch die Lichtabsorption freigesetzte Wärme führt bevorzugt im umgebenden Wasser und .an der Tropfenoberfläche zu einer explosionsartigen Verdampfung. Angestrebt werden Druckspitzen von 5· ItHbar, die Zentripentalanfangsgeschwindigkeiten der Implosion von 10^J m · s~' auslösen (Radienverhältnis der Implosion tJt_c = 40). Die Verdammung dieser explosionsartigen Verdampfung durch das den I ropten umgebende Wasser unterstützt wirkungsvoll die energiereiche Einleitung des Implosionsvorganges und Bauteile sind durch einen dicken Wasserpan/ci

in vollständig vor Neutroneneinwirkung und Strahlungs schaden geschützt. Lediglich der Diffusorteil 25 (F i g. 3 der Ejektordüse 22 ragt in den neutronengefährdeter zentralen Bereich des ReaktionsgefäOes 20 hinein.

Das Plasma befindet sich im Augenblick seiner

..' > Entstehung !m Temperaiurungleichgewicht. Alle Atome eines Brennstoffträgermoleküls O. C, T und D haben in Augenb'^k der stoßartigen Plasmaentstehung dieselbe hohe Geschwindigkeit von 1.7 ■ lO'm · s~'. Ihre Temperaturen nach dem stoßartigen Übergang in den

in Plasmazustand verhalten sich w't- die Atomgewichic also wie 8 :6 : 1.5 : 1. Für eine sehr kurze Anfangszeit geben die schwereren Atome bei Stoßen noch Wärmeenergie an das Deuterium ab.

Erst wenn durch Wärmeabgabe an die leichteren

π Partner und durch Wärmestrahlung die Temperatur der schweren Atome auf die Temperatur des umgebenden Plasmas gesunken ist, beeinträchtigt ihre Wärmeabstrahlung die Energiebilanz im Plasma. Der Prozeß muß nun durch richtige Wahl der Parameter, Dichte im

4(i Reaktionsbereich Zentripetalanfangsgeschwindigkeil, so geführt werden, daß in dieser ersten Zeitspanne des antanglicnen ι emperaturungleichgewichts mit heiüen Schweratomen die Zündung der Fusionsreaktion bei genügend vielen leichten Atomen stattgefunden hat.

Hierzu 3 Blatt Zeichnunpen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas durch kurzzeitige Laserbestrahlung von Hohltropfen mit stoffarmem Innenraum aus einem Elrennstoff, der einen hohen Gehalt an fusionsfähigen Atomen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff aus einer organischen Verbindung mit hoher Zähigkeit und extrem geringem Dampfdruck, wie deuterierte Ester der Sebacinsäure oder Phthalsäure, besteht, daß die I Iohltropfen durch Abtropfen aus einer Ringöffnung erzeugt werden und daß die Bestrahlung erst erfolgt, wenn sich der Hohltropfen durch den Einfluß seiner Oberflächenspannung kugelsymmetrisch stabilisiert hat.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Reaktionsgefäß, mit dem eine Verrichtung zur Erzeugung von Hohltropfen verbunden ist und in dem die Bestrahlung der Hohltropfen durch Laser erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringöffnung (3) von einem Ultraschallerzeuger (1) angeregt ist, dessen Frequenz derart abgestimmt ist, daß der Flüssigkeitshohlstrahl (5) periodisch in Hohltropfen (11, 15) zerfällt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Bewegungsbahn der Hohltropfen (11, 15) eine Selektionseinrichtung angeordnet i.-t, durch die Hohltropfen (11), die nicht für die Plasmaerzeugung benötigt werden, ausgeschieden werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Selektionseil,richtung aus einer Elektrode (10) besteht, die einzelne, auswählbare Hohltropfen kurzzeitig elektrisch auflädt und der eine Ablenkelektrode (12} nachgeschaltet ist, die die aufgeladenen Hohltropfen elektrostatisch aus ihrer Bewegungsbahn ablenkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Reaktionsgefäß (20) mehrere, auf dieselbe Stelle des Transportweges der Hohltiopfen gerichtete Laser(28) angeordnet sind.