DE3920312A1 - Verfahren und einrichtung zur fusion von leichten atomkernen in einem festkoerpergitter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fusion von leichten Atomkernen, insbesondere von Deuterium und Tritium, im Gitter eines Festkörpers, der Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt, insbesondere im Gitter einer Palladiumelektrode, die neben einer Gegenelektrode in einem Elektrolyt eingetaucht ist, wobei an die Elektrode und die Gegenelektrode eine elektrische Spannung angelegt ist. Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der Zeitung "Handelsblatt" vom 28.03.1989 ist auf Seite 16 eine Einrichtung zur Fusion von Deuteriumkernen beschrieben. Dabei ist ein Behälter mit leitfähigem schwerem Wasser gefüllt. Schweres Wasser zeichnet sich dadurch aus, daß in seinem Molekül die Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt sind. In den gefüllten Behälter sind zwei Elektroden, eine aus dem Edelmetall Palladium, die andere aus Platin, gesteckt. Die Elektroden sind an eine Spannungsquelle angeschlossen, so daß zwischen ihnen ein Strom fließt. Dabei werden vom Palladium Deu­ teriumatome aufgenommen. In der Gitterstruktur des Palladiums erfolgt eine Fusion der Deuteriumkerne. Die bei der Fusion frei­ gesetzte Energie kann über einen Kühlkreislauf, der beispiels­ weise über einen Wärmetauscher eine Turbine betreiben kann, abgeführt werden.

In der Gitterstruktur des Palladiums ist auch eine Verschmelzung eines Deuteriumkernes und eines Tritiumkernes zu einem Helium-4- Kern und einem Neutron möglich.

In der bekannten Einrichtung reicht die kinetische Energie der zu verschmelzenden Kerne nicht immer aus, um abstoßende elektri­ sche Kräfte (Coulomb-Kräfte) zu überwinden. Außerdem sind die Abstände zwischen den Kernen im Gitter zu groß. Daher kommt es nicht zu einer Kettenreaktion, die die Kernfusion im Festkörper­ gitter als Energiequelle technisch nutzbar machen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die leichten Atom­ kerne im Gitter des Festkörpers derartig zu beschleunigen und nahe zusammenzubringen, daß die Coulomb-Kräfte stets überwunden werden und damit ein Verschmelzen einer großen Anzahl leichter Atomkerne ermöglicht wird. Außerdem soll eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gitter und die leichten Atomkerne mit Strahlungs­ quanten und/oder Strahlungsteilchen bestrahlt und/oder beschos­ sen werden.

Dadurch werden im Gitter Fehlstellen erzeugt, die von leichten Atomkernen eingenommen werden. Die leichten Atomkerne erhalten infolge der Kollision mit den Strahlungsquanten und/oder Strah­ lungsteilchen eine zur Überwindung der Coulomb-Barriere aus­ reichende kinetische Energie.

Durch die Erzeugung von Gitterfehlstellen werden im Gitter Plätze für die Atomkerne geschaffen. In diesen Fehlstellen werden die Atomkerne sehr dicht zusammengeführt, was die Fusionswahrschein­ lichkeit erhöht. Eine weitere Steigerung der Fusionswahrschein­ lichkeit ist dadurch gegeben, daß mit dem Verfahren nach der Er­ findung die leichten Atomkerne durch den Stoß der Strahlungsquan­ ten und/oder Strahlungsteilchen eine beträchtliche kinetische Energie erhalten. Bei höherer kinetischer Energie kann die elektrische Abstoßung leichter überwunden werden.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß die Verschmelzung leichter Atomkerne in einem Festkörper­ gitter deutlich verbessert wird.

Beispielsweise werden das Gitter und die leichten Atomkerne mit Alphateilchen beschossen. Von alphastrahlenden Isotopen, z.B. Th227, Th228, Po210 oder Am241 werden Alphateilchen emittiert, deren Energie ungefähr 5 MeV beträgt. Eine solche Energie reicht aus, um bei einem Direktstoß auf einen leichten Atomkern diesen soweit zu beschleunigen, daß er mit einem zweiten leichten Atomkern, der in Beschleunigungsrichtung neben ihm angeordnet ist, verschmilzt. Die kinetische Energie des vom Alphateilchen getroffenen Atomkernes ist dann so groß, daß die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen den beiden leichten Atomkernen über­ wunden werden. Die leichten Atomkerne können dabei Deuterium­ kerne oder Tritiumkerne sein.

Eine große Anzahl von Paaren leichter Atomkerne, die dicht nebeneinander angeordnet sind, wird ebenfalls durch die Be­ schießung mit Alphateilchen gewährleistet. Das geschieht dadurch, daß durch die Bestrahlung oder Beschießung im Gitter Fehlstellen, also Lücken erzeugt werden, in die Deuteriumkerne oder Tritiumkerne verhältnismäßig fest eingebunden werden. In diesen Lücken befinden sich dann jeweils mindestens zwei Kerne in kleinem Abstand voneinander.

Wenn die Atomkerne eines solchen Paares aufeinander zu beschleu­ nigt werden, ist eine hohe Fusionswahrscheinlichkeit gegeben.

Eine Beschleunigung der leichten Atomkerne und auch eine Bildung von Fehlstellen im Gitter kann beispielsweise auch durch eine Bestrahlung des Gitters und der leichten Atomkerne mit Gamma­ strahlen erfolgen. Nach einem weiteren Beispiel werden das Gitter und die leichten Atomkerne mit Neutronen beschossen. Auch eine Beschießung mit beschleunigten ³He-Ionen führt zu einer Bildung von Fehlstellen im Gitter sowie zu einer Be­ schleunigung der leichten Atomkerne, wodurch die Wahrschein­ lichkeit einer Kernfusion deutlich erhöht wird.

Alpha-Strahler, insbesondere Th228 und/oder Th227, werden beispielsweise in den Festkörper eingebaut, der dann Wasser­ stoff und dessen Isotope aufnimmt und insbesondere aus Titan, Vanadium, Palladium und/oder Thorium besteht.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß trotz der geringen Reichweite von Alphateilchen im Festkörper über weite Bereiche des mit leichten Atomkernen beladenen Festkörpers, der insbesondere eine Elektrode ist, eine hohe Flußdichte an hochenergetischen Alpha- Teilchen vorliegt.

Es ist aber auch eine Bestrahlung des Festkörpergitters und der leichten Atomkerne von außen möglich. Eine derartige externe Bestrahlung ist mit Alphateilchen, Gammastrahlen, Neutronen oder ³He-Ionen möglich. Gammastrahlen geeigneter Energie werden bei­ spielsweise in Beschleunigern erzeugt. Neutronen, insbesondere schnelle Neutronen mit einer Energie von ca. 14 MeV, werden beispielsweise durch Beschleuniger (Neutronengeneratoren) be­ reitgestellt.

Die zweitgenannte Aufgabe, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Festkörper, der zumindest teilweise aus einem Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmenden Material besteht und eine Elek­ trode bildet, die neben einer Gegenelektrode in einem Elektrolyt angeordnet ist, einen alphastrahlenden Stoff aufweist. Damit ist gewährleistet, daß das Gitter des Festkörpers und auch die zu beschleunigenden leichten Atomkerne mit ausreichend großer Wahr­ scheinlichkeit von Alphateilchen getroffen werden, so daß in der aus dem Festkörper gebildeten Elektrode eine kalte Kernfusion aufrechterhalten wird.

Beispielsweise ist das den Festkörper bildende Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmende Material, insbesondere Palladium, Titan, Vanadium und/oder Thorium zusammen mit dem alphastrahlen­ den Stoff, insbesondere mit Th227, Th228, Po210 und/oder Am241 nach Aufschmelzen und Erstarren homogen gemischt. Der Festkörper kann auch wechselweise aus Schichten aus dem Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmenden Material und aus dem alphastrahlenden Stoff bestehen. Beispielsweise sind zum Aufbau solcher Schichten das Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmende Material und/oder der alphastrahlende Stoff kathodisch oder anodisch in einem Elektrolysebad auf einem Festkörper abgeschieden.

Zum Aufbau eines Festkörpers, der später eine Kathode in einer Einrichtung für die kalte Kernfusion bilden soll, wird auf einem Grundkörper, beispielsweise aus Wasserstoff aufnehmendem Material, eine Schicht aus alphastrahlendem Stoff elektrolytisch aufgebracht. Darauf wird dann eine Schicht aus Wasserstoff auf­ nehmendem Material ebenfalls elektrolytisch aufgebracht. Auf diese Weise kann fortgefahren werden bis mehrere Schichten der beiden Materialien abwechselnd angeordnet sind. In einer der­ artigen Elektrode stehen stets ausreichend viele Alphateilchen zur Verfügung, um eine Kernfusion zu gewährleisten.

Beispielsweise ist auf einer Elektrode (Kathode) eine Schicht aus einem alphastrahlenden Stoff, insbesondere aus Po210, z.B. kathodisch abgeschieden und diese Schicht ist mit einer Platin­ schicht elektrolytisch belegt. Diese Platinschicht dient zur Aktivierung der Aufnahme von Deuterium und/oder Tritium in die Elektrode (Kathode) in einem Elektrolysebad. Eine solche Platin­ schicht kann auch eine Elektrode abschließen, die aus Wasserstoff aufnehmendem und alphastrahlendem Material in homogener Mischung besteht. Genauso kann jede andersgeartete Elektrode (Kathode) für die kalte Kernfusion mit einer Platinschicht oder auch mit einer Schicht aus einem anderen Material belegt sein, um die Aufnahme von Deuterium und/oder Tritium aus dem Elektrolyt in die Elektro­ de zu verbessern.

Mit der Platinschicht wird der Vorteil erzielt, daß leichte Atomkerne, insbesondere Deuterium oder Tritium leicht in die Elektrode eindringen können. Die Schicht aus alphastrahlendem Stoff oder der beigemischte alphastrahlende Stoff geben Alpha­ teilchen ab, die die eingedrungenen leichten Atomkerne be­ schleunigen und außerdem Fehlstellen in der Gitterstruktur der Elektrode bilden, die dann von den leichten Atomkernen ein­ genommen werden können. Das Zusammenwirken der Platinschicht und des alphastrahlenden Stoffes in der Elektrode begünstigt das Zustandekommen einer Kernfusion in der Elektrode.

Alphastrahlende Atome können in einen Festkörper, beispielsweise in eine Kathode für die kalte Kernfusion, auch durch Ionenimplan­ tation eingebracht werden. Dazu werden geeignete radioaktive Ionen durch elektromagnetische Beschleunigung auf den Festkörper geschossen. Auch ein Partikelbeschuß ist möglich. Der Festkörper kann auch durch Gettervorgänge entweder an Kristallfehlern im Festkörper oder an einer Gettersubstanz eingebrachte alpha­ strahlende Atome aufweisen.

Eine andere Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sieht eine Strahlenquelle vor, die dem Festkörper, der Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt, zugeordnet ist. Durch die Bestrahlung von außen werden genauso wie durch die Bestrah­ lung von innen Fehlstellen im Gitter des Festkörpers erzeugt und es werden leichte Atomkerne beschleunigt. Dadurch wird in einer Elektrode eine hohe Fusionswahrscheinlichkeit erzielt.

Zur Bestrahlung des Festkörpers von außen ist ihm eine Vorrich­ tung zum Aussenden von Strahlung, insbesondere von Alphastrahlung und/oder von Gammastrahlung und/oder von Neutronen und/oder von ³He-Ionen, zugeordnet. Eine geeignete Vorrichtung dazu ist ein Beschleuniger, ein Neutronengenerator oder ein Kernreaktor. Be­ schleuniger sind geeignete Gammastrahlen-Quellen, während durch Neutronengeneratoren schnelle Neutronen bereitgestellt werden. Die Energie solcher Neutronen kann beispielsweise 14 MeV betragen.

Mit dem Verfahren und mit der Einrichtung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß im Gitter eines Festkörper, der Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt, Fehl­ stellen erzeugt werden, und daß gleichzeitig leichte Atomkerne die vorhanden sind, beschleunigt werden. Ist der Festkörper die Kathode einer Einrichtung für die kalte Kernfusion, dann wird durch die genannten Vorteile die Wahrscheinlichkeit einer Kern­ fusion im Festkörpergitter deutlich gesteigert.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine Einrichtung für die kalte Kernfusion.

Fig 1 zeigt eine Einrichtung für die Kernfusion;

Fig 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektrode (Kathode).

Nach Fig. 1 befindet sich in einem Behälter 1 als Elektrolyt 2 schweres Wasser, dem z.B. eine seine Leitfähigkeit erhöhende Sub­ stanz beigemischt ist. In den Elektrolyt 2 eingetaucht befinden sich zwei Elektroden, eine Anode 4 und eine Kathode 3. Die beiden Elektroden 3 und 4 sind mit einer Spannungsquelle 5 verbunden. Der Behälter 1 weist zwei Ablaßstutzen 7 und 8 zur Abgabe ent­ stehender Gase und eine Trennwand 1A im Gasraum auf. Zur Abfuhr der durch die Kernfusion entstehenden Wärme ist der Behälter 1 teilweise von einer Wanne 9 umgeben, durch die ein Kühlmittel strömt. Die Wanne 9 weist Stutzen 10 auf, die z.B. mit einer Turbine verbunden sein können. Nach Fig. 2 besteht die Kathode 3 aus einem Kern 3a und mehreren Schichten 3b bis 3f. Der Kern 3a sowie die Schichten 3c und 3e bestehen aus einem Material, das Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt, z.B. aus Palladium. Die dazwischen angeordneten Schichten 3b und 3d bestehen aus einem Alphateilchen aussendenden Stoff, einem Alphastrahler. Die die Elektrode 3 außen abschließende Schicht 3f, die bei­ spielsweise angebracht sein kann, besteht aus einem Material, das das Eindringen leichter Atomkerne in die Kathode 3 fördert. Ein solches Material ist beispielsweise Platin. Ein geeigneter Alphastrahler ist Th227, Th228, Po210 oder Am241. Auch andere Alphastrahler können eingesetzt werden. Durch die Ein­ wirkung der Alphastrahlung werden in der Kathode 3 Fehlstellen erzeugt, die von leichten Atomkernen, wie Deuterium oder Tritium eingenommen werden. Außerdem werden die leichten Atomkerne durch Stöße mit Alphateilchen beschleunigt. Beides führt zu einer er­ höhten Wahrscheinlichkeit für eine Kernfusion in der Kathode 3.

Beispielsweise kann auch eine Bestrahlung von außen erfolgen. Dazu ist am Behälter 1 eine Strahlenquelle 11 angeordnet, die die Kathode 3 laufend radioaktiv bestrahlt. Geeignet ist Alpha­ strahlung, aber auch Gamma- oder Neutronenstrahlung oder ein Beschuß mit beschleunigten ³He-Ionen. Durch die Bestrahlung von außen werden ebenfalls Fehlstellen in der Kathode 3 erzeugt und es werden leichte Atomkerne beschleunigt. Diese beiden Effekte führen zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für eine Kernfusion in der Kathode 3.

Claims (15)

1. Verfahren zur Fusion von leichten Atomkernen, insbesondere von Deuterium und Tritium, im Gitter eines Festkörpers, der Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt, insbesondere im Gitter einer Palladiumelektrode (3), die neben eine Gegenelektrode (4) in einem Elektrolyt (2) eingetaucht ist, wobei an die Elektrode (3) und die Gegenelektrode (4) eine elektrische Spannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter und die leichten Atomkerne mit Strahlungsquanten und/oder Strahlungsteilchen bestrahlt und/oder beschossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter und die leichten Atomkerne mit Alphateilchen beschossen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter und die leichten Atomkerne mit Gammastrahlung bestrahlt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter und die leichten Atomkerne mit Neutronen beschossen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter und die leichten Atomkerne mit beschleunigten ³He-Ionen beschossen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Festkörper, der Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt und insbesondere aus Titan, Vanadium, Palladium und/oder Thorium besteht, Alphastrahler, insbesondere Th228, Th227, Po210 und/oder Am241 eingebaut werden.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fest­ körper, der zumindest teilweise aus einem Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmenden Material, insbesondere aus Titan, Vanadium, Palladium und/oder Thorium, besteht und eine Elek­ trode (3) bildet, die neben einer Gegenelektrode (4) in einem Elektrolyt (2) angeordnet ist, einen alphastrahlenden Stoff, insbesondere Th227, Th228, Po210 und/oder Am241 aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Festkörper bildende Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmende Material, insbesondere Titan, Vanadium, Palladium und/oder Thorium, zusammen mit dem alphastrahlenden Stoff, insbesondere Th227, Th228, Po210 und/oder Am241 nach Aufschmelzen und Erstarren homogen gemischt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fest­ körper schichtartig wechselweise aus dem Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmenden Material und aus dem alphastrahlenden Stoff besteht.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der alpha­ strahlende Stoff und/oder das Wasserstoff und dessen Isotope aufnehmende Material kathodisch oder anodisch in einem Elektro­ lysebad auf einem Körper abgeschieden sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elek­ trode (Kathode) (3), die einen alphastrahlenden Stoff, insbe­ sondere eine kathodisch abgeschiedene Schicht (3b, 3d) aus Po210, aufweist, nach außen abschließend mit einer das Eindrin­ gen leichter Atome fördernden Schicht, insbesondere mit einer Platinschicht (3f), belegt ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächen­ schichten des Festkörpers durch Ionenimplantation eingebrachte alphastrahlende Atome aufweisen.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Fest­ körper durch Gettervorgänge an Kristallfehlern im Festkörper oder an einer Gettersubstanz eingebrachte alphastrahlende Atome aufweist.

14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, oder Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß einem Festkörper, der Wasserstoff und dessen Isotope aufnimmt, eine Vorrichtung (11) zum Aussenden von Strahlung, insbesondere von Alphastrahlung, Gammastrahlung, Neutronen und/oder He-Ionen zugeordnet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (11) mit einem Beschleuniger und/oder mit einem Neutronengenerator und/oder mit einem Kernreaktor verbunden ist.