DE3630470A1 - Verfahren zur energiegewinnung durch kernreaktionen in elektrischen entladungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung durch Kernreaktionen, bei denen die miteinander reagierenden Elemente in einer elektrischen Entladung von hoher Spannung und Stromstärke zu hoher Temperatur aufgeheizt werden.

Atomkernenergie wird seit langem großtechnisch aus der Kernspaltung von Uran 235 und Plutonium gewonnen. Diese Technik ist ausgereift und wird allgemein beherrscht. Im Falle mutwilliger oder fahrlässiger Störung können schwerwiegende Unfälle eintreten. Außerdem entstehen große Mengen radioaktiver Substanzen, die entsprechende Gefahren mit sich bringen. Die Entsorgung bereitet Schwierigkeiten.

Daneben besteht die Möglichkeit, Atomkernenergie durch die Vereinigung leichter Elemente zu schwereren Elementen zu gewinnen (Kernfusion). Dieser Vorgang spielt sich in der Sonne und anderen Fixsternen und bei der Explosion von Wasserstoffbomben ab. Seit langem wird an Projekten gearbeitet, die eine technisch ausführbare, kontrollierte Kernfusion zur Gewinnung der Fusionsenergie zum Ziel haben. In verschiedenen Großforschungsanlagen wie z. B. Garching, Jülich, Culham u. a. wird versucht, Deuterium- oder Deuterium-Tritium- Gas in starken Magnetfeldern einzuschließen und gleichzeitig das Plasma durch Einspeisung großer Energiemengen bis gegen 100. Millionen°K aufzuheizen und so eine thermonukleare Fusionsreaktion zum stabilen Helium auszulösen. Bis heute ist es nicht gelungen, diese Fusionsbedingungen für den praktischen Einsatz nutzbar zu machen.

Eine andere Entwicklungsrichtung versuchte, die hohen Temperaturen für die thermonukleare Reaktion durch eine elektrische Entladung zu erzeugen. Dabei wurde das Konzept verfolgt, möglichst schnell möglichst viel Energie in möglichst wenig Materie einzubringen, um diese beliebig hoch aufzuheizen. Zu diesem Zweck wurden mit hoher Spannung und Energie aufgeladene Kondensatorbatterien über dünne Drähte kurzgeschlossen, wobei die Drähte explosionsartig verdampfen. Die erwartete hohe Temperatur blieb jedoch aus, da sich bei derartigen Entladungen hinderliche Instabilitäten entwickeln, zu Beginn vom Typ m = 0, später vom Typ m = 1. Um diese zu vermeiden, wurden sehr schnelle Entladungen vorgeschlagen. Unter Verwendung des Plasma-"Trägheitseinschlusses" oder auch des "Einschlusses durch das magnetische Eigenfeld" versuchte man in den 60iger Jahren mit möglichst niederinduktiven und daher sehr schnellen Entladungskreisen große Kondensatorbatterien über sehr dünne Drähte kurzzuschließen und erreichte Stromanstiegszeiten von 10⁶ Amp./µsec und mehr (die Literatur der 60iger Jahre ist zusammengestellt in den Büchern von W. G. Chase und H. K. Moore "Exploding Wires", Plenum Press 1959, 1961, 1964, 1967).

Ein Teil dieser Versuche erstrebte thermonukleare Reaktionen von Deuterium-Kernen. Der Nachweis der gelungenen (d,d)-Reaktion wurde so geführt, daß man die Drähte deuterierte - z. B. Palladium, das sehr große Mengen D₂ aufnimmt - und die integrierte Neutronenausbeute der erwarteten (d,d)-Reaktionen durch Aktivierung von Silber- oder Rhodium-Blechen maß. Die Anzahl der beobachteten Neutronen blieb klein und war nicht reproduzierbar. Die höchste je bekannt gewordene Neutronenausbeute wurde von Stephanakis und Mitarbeitern bei der Explosion deuterierter Nylonfäden erreicht: 10¹⁰ Neutronen bei der Anlegung von Kondensatoren, die auf 10⁶ Volt aufgeladen waren (S. J. Stephanakis, L. S. Levine, D. Mosher, I. M. Vitkovitsky und F. Young, Phys. Rev. Letters 29. 568. 1972).

Katzenstein und Sydor haben 1962 auf diese Weise Lithium- Drähte explodiert, die durch Beigabe von Lithium-Deuterid mit Deuterium dotiert waren. Sie benutzten schnelle Entladungen mit einer Schwingungsdauer von T = 2,5 µsec, um für kurze Zeit genügend hohe Temperaturen für thermonukleare (d,d)-Reaktionen zu erhalten. Sie erhielten 10⁶ Neutronen, die als Ergebnis von thermonuklearen Deuterium-Reaktionen gedeutet wurden, wobei die Autoren mit einem thermischen Gleichgewicht von 10^-6 sec. Dauer und Temperaturen von 300 eV = 3,3 Mio. °K rechnen. (J. Katzenstein und M. Sydor, Journ. of appln. Phys. 33. 718. 1962).

Das Institut für Experimental-Physik der Universität Kiel hat ebenfalls in den 60iger Jahren flüssige Fäden aus einer Lösung von Lithium in schwerem Ammoniak über die Entladung von Kondensatorbatterien explodieren lassen, die mit 100 kJoule Energieinhalt auf 200 kV aufgeladen waren. Man erhielt nur gelegentlich und nicht reproduzierbar eine geringe Neutronenausbeute. Die zeitliche Auflösung ergab, daß die wenigen gemessenen Neutronen lange vor dem ersten Strommaximum auftraten. Es erscheint unverständlich, warum trotz Vollionisation und Einspeisung eines 26fachen Energie-Überschusses zur Aufheizung des Plasmas auf Fusionstemperatur keine Fusion erzielt wurde. Offenbar setzt nach einer kurzen Aufheizphase, während der gelegentlich Neutronen aus Fusionsprozessen beobachtet wurden, mit Überschallgeschwindigkeit eine Explosionswelle ein, die eine starke adiabatische Abkühlung mit sich bringt (U. Fischer, H. Jäger und W. Lochte-Holtgreven, Phys. Letter 44 B. 161, 1973; H. Jäger und W. Lochte-Holtgreven, Zeitschrift Physik 198. 372. 1967).

Diese Versuche zeigen, daß allein durch Energieerhöhung das Ziel einer beliebig hohen Temperatur und einer thermonuklearen (d,d)-Reaktion nicht erreicht werden kann, weil auch bei sehr schneller Energieeinspeisung Instabilitäten die angestrebten hohen Stromdichten verhindern und während der Einspeisungsphase die Energie durch andere Vorgänge wieder abgeführt wird. Außerdem lassen die immer höher werdenden eingesetzten Energiemengen für die Entladung eine wirtschaftliche und technische Nutzung immer unrealistischer erscheinen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen weiteren Weg aufzuzeigen, wie durch eine elektrische Entladung eine Kernreaktion ausgelöst werden kann, wobei dieser Weg mit wesentlich weniger eingespeister Energie auskommt. Zur Lösung schlägt die Erfindung vor, die Reaktion bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur einer thermonuklearen Reaktion durchzuführen und im aufgeheizten Plasma in der Strombahn starke Turbulenzen zu erzeugen, die ihrerseits im aufgeheizten Plasma ungeordnete lokale elektrische Felder erzeugen. Hiernach wird keine reinthermonukleare Reaktion angestrebt, bei welcher die vollionisierte Kerne allein aufgrund ihrer thermischen Bewegungsenergie bei Stößen das wechselseitige abstoßende elektrische Potential überwinden und miteinander reagieren können. Vielmehr findet eine hybride Kernreaktion statt, bei welcher die hohe Temperatur und die ungeordneten elektrischen Felder im Plasma zusammenwirken. Das Plasma wird soweit aufgeheizt, daß zum mindesten ein Teil der Atome voll ionisiert ist und eine hinreichend hohe Grundenergie besitzt. Die elektrischen Felder beschleunigen die Kerne weiter so weit, daß bei Stößen eine Kernreaktion stattfindet.

Im folgenden wird die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel anhand der Versuche näher beschrieben, die der Erfinder im Institut für Experimentalphysik an der Universität Kiel ausgeführt hat.

Diese Versuche haben nicht die übliche Deuterium- Deuterium- oder Deuterium-Tritium-Reaktion angestrebt, sondern die in der allerersten Arbeit über "künstliche Kernzertrümmerung "von Cockcroft und Walton bereits 1932 beschriebene Fusion von Lithium und Wasserstoff zu dem instabilen

das anschließend in zwei α-Teilchen unter Energieabgabe von 15 MeV zerplatzt (J. D. Cockcroft und E. T. S. Walton, Proc. Roy. Soc. Lond (A) 137. 229. 1932). Diese Spallationsprozesse wurden inzwischen mit beschleunigten Protonen von nur 20 kV ausgelöst. Sie verlaufen nach folgender Reaktionsgleichung:

Während Cockcroft und Walton und andere diese Reaktion durch Beschleunigung von Protonen gegen festes Lithium auslösten, wird nach dem Vorschlag dieser Erfindung ein Plasma aus Lithium und Wasserstoff in der beschriebenen Weise zur Reaktion gebracht.

Die Reaktion läßt sich in gleicher Weise mit Lithium und Deuterium ausführen, wobei zusätzlich noch ein Neutron entsteht und von der Reaktionsenergie auf das Neutron 10 MeV und auf die α-Teilchen je 2,5 MeV entfallen. Diese Reaktion folgt der Gleichung:

Bei den Versuchen wurde diese Reaktion zwischen Lithium und Deuterium verwendet, da sich die Reaktion über die entstehenden Neutronen gut nachweisen läßt.

Für die Versuche wurden unter einer Schutzgasatmosphäre metallisches Lithium und Lithium-Deuterid in einem Mörser zusammengestampft und aus dieser Mischung mit einer Lithium-Presse Drähte von etwa 1 mm Durchmesser gepreßt. Diese Drähte wurden in Glasröhrchen von 60 mm Länge geschoben und an beiden Enden mit Eisenstöpseln luftdicht verschlossen. Über diese Drähte wurde eine auf 100 kV aufgeladene Kondensatorbatterie von 20 kJoule Energieinhalt kurzgeschlossen und dadurch der Draht zur Explosion gebracht. Gleichzeitig wurden evtl. austretende Neutronen über Plastik-Scintillatoren und angeflanschte Photomultiplier gemessen, deren Strom mit einem Oszillographen registriert wird. Mit dieser bekannten Meßanordnung konnte der zeitliche Verlauf der Neutronenemission genau gemessen werden.

Bei der Entladung zeigten sich beginnend 2 µsec. nach Einschalten des Stromes etwa 10 000 Neutronen, die über einen längeren Zeitraum und mehrere Wellen der schwingenden Entladung verteilt waren. Der späte Beginn der Neutronenbildung und die Verteilung über einen längeren Zeitraum sind für die Ausdeutung der Versuchsergebnisse wichtig. Denn zu dieser Zeit ist die Ausbreitung der Explosionswelle und die damit verbundene adiabatische Abkühlung des Plasmas bereits in vollem Gange. Die Neutronen können deshalb nicht durch eine thermonukleare Kernreaktion entstanden sein. Über dies reichte die eingespeiste Energie nicht aus, um das Plasma auf die erforderlichen Temperaturen für eine thermonukleare Reaktion aufzuheizen. Bei allen früheren Untersuchungen wurden demgegenüber für die Kernreaktion der Zeitpunkt der magnetischen Kompressionen, d. h. der Zeitpunkt höchster Stromdichte angestrebt, z. B. auch bei den Untersuchungen von Katzenstein und Sydor sowie den früheren Untersuchungen im Institut für Experimentalphysik an der Universität Kiel.

Gleichzeitig mit den Neutronen wurden viele hochfrequente elektrische Störungen im MHz-Bereich beobachtet, die von Funken im Plasma der Entladung herrührten und durch feinste Risse in der Oszillographenleitung in die Aufzeichnung einstreuten. Auf der Aufzeichnung lassen sich die hochfrequenten Störungen von den durch die Neutronen ausgelösten Signalen gut unterscheiden, weil die Störungen symmetrisch zur Nullinie verlaufen, während die von den Neutronen ausgelösten Signale immer nur einseitig nach unten gerichtet sind. Die Neutronen traten stets nur solange auf, wie diese elektrischen Störungen anhielten. Die Störungen und die Neutronen zeigten sich stets simultan. Daraus ergibt sich, daß die Kernfusion mit elektrischen Feldern gekoppelt ist, die gleichzeitig mit der hohen Temperatur auftreten. Daß die beobachteten Kernreaktionen durch diese elektrischen Felder im Verein mit der hohen Temperatur in einer Hybrid-Reaktion ausgelöst wurden, wird durch eine Betrachtung der Energieverteilung bestätigt; über die für eine Vollionisation erforderliche Energie hinaus stand bei den Versuchen kein Energieüberschuß für eine weitere Plasmaaufheizung zur Verfügung. Ebenso ergab sich aus den für thermonukleare Prozesse bekannten Fusionsquerschnitten, daß keine derartige Reaktion stattgefunden haben kann, so daß die tatsächlich beobachteten Kernreaktionen auf die gleichzeitig beobachteten elektrischen Felder im Plasma zurückgeführt werden müssen.

Die elektrischen Felder und Funken im Plasma haben ihre Ursache in Turbulenzen, die dort während der Drahtexplosion auftreten. Die Entladung selbst durchläuft Instabilitäten. Diese Instabilitäten wurden durch die Inhomogenität des explodierenden Drahtes gefördert, der aus einer Mischung aus leitendem metallischem Lithium und nichtleitendem Lithiumhydrid bestand. In den Turbulenzen fließt immer noch Strom. Die Strombahn wird jedoch an vielen Stellen umgeleitet und zerrissen. Dadurch entstehen induktiv starke, völlig ungeordnete elektrische Felder, deren Richtungen völlig unregelmäßig verteilt sind. Diese Felder beschleunigen die Ionen soweit, daß bei Zusammenstößen mit anderen Kernen eine Kernreaktion ausgelöst werden kann. Die Emission von Neutronen erfolgt immer in den turbulenten Plasma-Zonen.

Für die Versuche wurden verglichen mit früheren Experimenten relativ langsame Entladungen mit einer Schwingungsdauer von T = 16 µsec (entsprechend 60 kHz) benutzt, um noch während der beginnenden Explosion das Plasma möglichst lange Zeit den elektrischen Feldern der Entladung auszusetzen und so die Neutronenausbeute zu erhöhen. Bei früheren Untersuchungen waren sehr viel schnellere Entladungen eingesetzt worden. Beispielsweise benutzten Katzenstein und Sydor einen Entladungskreis mit einer Schwingungsdauer von T = 2,7 µsec.

Nach diesen Versuchsergebnissen ist das früher verfolgte Konzept nicht richtig, zur Erreichung beliebig hoher Temperatur möglichst viel Energie in möglichst kurzer Zeit in möglichst wenig Materie einzubringen. Stattdessen kommt es darauf an, bei relativ mäßigen Temperaturen Plasma-Turbulenzen zu erzeugen, zu fördern und so heftig wie möglich zu machen und diesen turbulenten Zustand möglichst lange aufrechtzuerhalten.

Die registrierte Zahl von 10 000 Neutronen je Entladung ist noch sehr klein und für eine technische Anwendung viel zu niedrig. Es handelt sich jedoch um die ersten Versuchsergebnisse. Durch weitere Untersuchungen können die Reaktionsbedingungen verbessert und die Zahl der Kernreaktionen erhöht werden.

Mit den Versuchsergebnissen wurde ein Weg nachgewiesen, wie bei relativ niedrigen Reaktionstemperaturen und mit relativ niedrigem Energieverbrauch in einer elektrischen Entladung Kernreaktionen ausgelöst werden können. Dieser Weg führt aus der experimentellen Sackgasse heraus. Durch weitere experimentelle Untersuchungen sind technisch und wirtschaftlich realisierbare Ergebnisse zu erwarten.

Bei der technischen Anwendung ist die oben beschriebene Reaktion zwischen Lithium und Wasserstoff vorzuziehen. Dabei entstehen keine Neutronen, die im Material der Reaktoranlage unerwünschte radioaktive Stoffe erzeugen können. Außerdem steigt der Wirkungsgrad, da die Reaktionsenergie sich auf die beiden a-Teilchen verteilt und leicht ausgekoppelt werden kann, während bei der Lithium-Deuterium-Reaktion der größte Teil der Energie auf das Neutron entfällt und mit diesem verloren geht.

Für die technische Anwendung ist es ferner zweckmäßiger, anstelle von festen Drähten Flüssigkeitsstrahlen zu verwenden, die bei höherer Temperatur aus geeigneten Düsen austreten. Lithium schmilzt bei 180°C. Man verwendet dabei zu etwa 50% hydriertes Lithium. Es kann auch eine Hohldüse verwendet werden, in der außen das Lithium und innen der Wasserstoff strömt. Der Flüssigkeitsstrahl kann als Schalter zum Auslösen der Entladung dienen. Der Betrieb einer technischen Anlage kann in periodisch aufeinanderfolgenden Entladungen erfolgen, wobei eine Reihe von den Kondensatoren aufgeladen und dann einzeln nacheinander entladen werden. Vorversuche ergaben, daß in der Sekunde viele solche Entladungen stattfinden können und ein praktisch kontinuierlicher Betrieb möglich ist.

Nach der Erfindung kommt es darauf an, daß die turbulenten Zonen in den späteren Zeiten der Entladung so heftig wie nur möglich zu machen. Bei den Experimenten ergaben sich die Turbulenzen aus der Inhomogenität des explodierten Drahtes. Man kann auch die Entladung so steuern, daß anstelle der früher angestrebten gleichmäßigen magnetischen Kompression die stets dabei auftretenden Instabilitäten bewußt gefördert und verstärkt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, zwei Drähte oder Flüssigkeitsfäden in kleinem Abstand nebeneinander gleichzeitig oder kurz nacheinander explodieren zu lassen. Es wird zu gegenseitigen Beeinflussungen kommen und die aus der inhomogenen Zusammensetzung der Drähte entstehenden Turbulenzen werden sich gegenseitig beeinflussen und verstärken. Die gleiche Wirkung ist von den Dampfstrahlen zu erwarten, die zu Beginn von Drahtexplosionen erfahrungsgemäß mit Überschallgeschwindigkeit senkrecht zur Draht-Achse auftreten.

Die Energiegewinnung erfolgt durch die energiereichen α-Teilchen. Diese α-Teilchen haben in einem voll­ ionisierten Plasma keine Chance, mit anderen Plasmateilchen zusammenzustoßen. Ihre freie Weglänge beträgt im Plasma viele Meter. Sobald die α-Teilchen das Plasma verlassen und in ein das Plasma umgebende Gas eintreten, ionisieren sie das letztere. Sie haben dann, wie bekannt, nur eine freie Weglänge von einigen Zentimetern. Im festen Körper ist die freie Weglänge kleiner als 0,1 mm. Umgibt man den explodierenden Flüssigkeitsstrahl mit einem Mantel aus einem festen Material, so werden die a-Teilchen von dem Mantel aufgefangen und geben an diesen ihre Energie ab. So kann z. B. Wasser in einem wassergekühlten Doppelzylinder von den α-Teilchen erwärmt werden. Gleichzeitig wird die bei der Explosion entstandene Wärme zurückgewonnen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Energiegewinnung durch Kernreaktionen mit folgenden Merkmalen:

• a) Die miteinander reagierenden Elemente werden in einer elektrischen Entladung von hoher Spannung und Stromstärke zu hoher Temperatur aufgeheizt, gekennzeichnet durch
• b) Die Reaktion findet bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur einer thermonuklearen Reaktion statt.
• c) Im aufgeheizten Plasma werden in der Strombahn starke Turbulenzen erzeugt, die ihrerseits im aufgeheizten Plasma ungeordnete lokale elektrische Felder erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lithium mit Wasserstoff und/oder Deuterium zur Reaktion gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht aus metallischem Lithium vermengt mit pulverisiertem Lithiumhydrid bzw. Lithium-Deuterid zur Explosion gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faden aus flüssigem Lithium mit Lithiumhydrid bzw. Lithium-Deuterid aus einer geheizten Düse gegen eine Elektrode fließt und zur Explosion gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Faden aus flüssigem, teilweise hydriertem bzw. deuteriertem Lithium.

6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Hohlfaden aus flüssigem Lithium mit eingeschlossenem Wasserstoff, der aus einer Hohldüse austritt.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung gleichzeitig oder kurz nacheinander über zwei oder mehr benachbarte Stränge mit Reaktionsmaterial geführt wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren taktmäßig durch aufeinanderfolgende Entladungen einer Kondensatorenreihe bei gleichzeitiger Einspritzung des Reaktionsmaterials durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch Entladungen mit verlängerter Schwingungsdauer.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Reaktionsenergie und die verbrauchte Energie der Entladung durch einen flüssigkeitsdurchströmten Mantel der Reaktionskammer abgeführt werden.