DE3934697A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontrollierten einleiten von kernreaktionen (kernfusion) - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum kontrollierten einleiten von kernreaktionen (kernfusion)Info
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung
einer Kernreaktion bzw. Kernfusion unter Ausnutzung des Tun
neleffektes sowie auf eine dazugehörige Vorrichtung.
Seit Jahrzehnten ist die wirtschaftliche Nutzung der Kernfu
sion weltweit das Ziel vieler Forschungsteams. Es sollen
hierbei jene physikalischen Prozesse in Gang gesetzt werden,
wie sie seit Jahrmilliarden automatisch in der Sonne ablau
fen, d. h. durch heiße Fusionen bei über hundert Millionen
Grad verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium und geben dabei
unvorstellbare Kräfte frei. Die Technik ist so gestaltet,
daß bei hundert Millionen Grad Celsius Myriaden von Wasser
stoffkernen - gefangen in unsichtbaren Magnetkäfigen, deren
Kraftfelder das glühende Gas in der Schwebe halten und so
die Stahlwände der Fusionsöfen vor dem Zerschmelzen schützen -
zu Heliumkernen verschmelzen. Noch immer aber verbrauchen
diese Fusionsmaschinen weit mehr Energie, als die Verschmel
zung der Atomkerne in ihrem Innern freisetzt.
Eine alternative Herausforderung ist nun die kalte Kernfu
sion, d. h., Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Heliuma
tomen im Reagenzglas bei Zimmertemperatur mit dem Strom ei
ner Batterie. Hier sind vor allem die Versuche der Physiker
Pons und Fleischmann zu nennen, denen mit einfachen Mitteln
ein in die Richtung Kernfusion gehendes Laborexperiment ge
lungen sein soll.
Der Versuchsanordnung und dem Verfahren von Pons und
Fleischmann liegen nachfolgende Kriterien zugrunde:
In einem Gefäß wurden zwei Elektroden angebracht, wobei die
eine, nämlich die Kathode aus Paladium und die andere, die
Anode aus Platin bestand. In das Gefäß wurde schweres Wasser
= Deuterium (D2O) eingefüllt. Dann wurde eine elektrische
Batterie angeschlossen. Hält man nun die beiden Pole in das
schwere Wasser und setzt sie unter Strom, dann findet eine
Elektrolyse statt: Die elektrische Spannung zwischen Anode
und Kathode spaltet die Moleküle des schweren Wassers in
ihrer elektrisch geladenen Bestandteile auf. Diese werden
dann vom Plus- bzw. Minuspol angezogen. Der Sauerstoff sam
melt sich dabei am Platinstab, das Deuterium zieht es zur
Paladiumelektrode. Elektrisch angezogen, schlüpft das Deute
rium in das Atomgitter des Paladiums und lagert sich in dem
Edelmetall an. Immer neue Atomkerne kommen hinzu, immer en
ger rücken sie zusammen, es ist, als würden sie unter astro
nomisch hohen Drücken zusammengepreßt. Dabei könnte die
Schwelle ihrer natürlichen Abstoßungskräfte überwunden wer
den. Deuteriumkerne würden so zu Heliumkernen oder zu Kernen
des superschweren Wasserstoffs (Tritium) bei gleichzeitiger
Freisetzung enormer Energien verschmelzen. Es würde also bei
diesem Verfahren auch schädliche Strahlung frei werden.
Ein anderes Verfahren zur Erzeugung der kalten Kernfusion
ist seit Jahren bekannt, und zwar handelt es sich um eine
Myonen-Kernfusion. Es werden hierbei elektrisch geladene
Atome in einem Teilchenbeschleuniger mit annähernd Lichtge
schwindigkeit auf Kohlenstoff geschossen. Dabei bildet sich
ein Strahl von Myonen, den die Forscher wiederum in eine
verdichtete Mischung aus den Wasserstoff-Isotopen Deuterium
und Tritium lenken, die sich in einem Druckgefäß befindet,
wobei Myonen die Gefäßwände problemlos durchdringen. Die
Atome der Mischung fangen sich Myonen ein, die nun den Platz
des ursprünglichen Elektrons besetzen und in der Schale den
Kern der Wasserstoffatome umkreisen. Damit hat sich die
physikalisch-chemische Situation gewaltig verändert: ein
Myon ist 207mal schwerer als ein Elektron. Die Folge: Myo
nen bewegen sich auf einer sehr viel engeren Umlaufbahn. Das
neue Gebilde nennt sich ein Mesonatom. Stößt nun ein Tritium-
Mesonatom mit einem normalen Deuteriumatom zusammen, dann
umkreist das Myon beide Kerne und schnürt sie gleichsam zu
sammen. Das Ergebnis dieser Zwangsvermählung ist eine Kernfu
sion. Sobald der Prozeß abgeschlossen ist, verabschiedet
sich das Myon, um als Katalysator ein neues Paar zusammenzu
bringen. Das flüchtige Myon schafft aber nicht genügend
wirksame Verbindungen für eine Art Kettenreaktion; es zer
fällt zu schnell. So wird am Ende nicht einmal soviel Ener
gie gewonnen, wie man elektrische Energie für den Teilchen
beschleuniger braucht, der die Myonen in genügender Zahl er
zeugen muß.
Auch die kalte Kernfusion - oder welcher Vorgang sich auch
immer abgespielt haben mag - nach Pons und Fleischmann hat
noch keine wirtschaftliche Perspektive. Sie hat den Nach
teil, daß sie brauchbare Leistungen nur für kurze Zeit oder
aber nur sehr geringe Leistungen liefert. Durch undefinierte
Zustände war es auch oftmals unmöglich, die Versuche zu re
produzieren. Weiterhin ist die Gefährdung durch radioaktive
Produkte besonders zu erwähnen. Paladium, die wichtigste
Komponente bei der Erzeugung einer Kernfusion nach Pons und
Fleischmann, ist ein selten vorkommendes und somit auch sehr
teures Edelmetall.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, kontinuier
lich kalte Kernfusion mit wirtschaftlichem Energieüberschuß
unter Ausschluß von radioaktiven Produkten zu erzielen, wo
bei die Energie, wenigstens zum größeren Teil, direkt als
elektrische Energie anfällt.
Dies wird dadurch erreicht, daß das Fusionsmedium aus einem
deuteriumhaltigen, nicht kristallisiertem Polymer besteht,
das mit eingestrahlten elektromagnetischen Wellen längere
Zeit konditioniert wird, wobei als Einstrahlfrequenzen die
Tunneleigenfrequenzen des unkonditionierten Mediums gewählt
werden. Als Fusionsmedium können ein deuteriumhaltiges Sili
kon oder deuteriumhaltige Polyaminsäuren eingesetzt werden.
Das Fusionsmedium soll einen hohen Anteil an Wasserstoff
brücken mit Doppel- und Mehrfachminimumpotentialen aufweisen
und der Polymerisationsgrad (Kettenlänge) soll derart ein
gestellt sein, daß die Phononenturbulenz bei fein abgestimm
ter Kernspinpolaristation zur Erzielung breiter Tunnelschnei
sen ein Maximum erreicht. Das Fusionsmaterial ist aufgrund
von gezielten Berechnungen derart ausgewählt, daß es eine
hochdichte Anlagerung von Deuterium-Atomen in seinem Kri
stallgitter gestattet, so daß die Voraussetzung zur Vereini
gung von Deuterium-Atomen zu Helium-Atomen optimal gegeben
ist. Das zweite Kriterium ist die Wahl der Tunneleigenfre
quenz des Mediums als Einstrahlfrequenz für die elektro
magnetischen Wellen. Solcherart werden die Abstoßungskräfte
der Protonen in den Deuterium-Atomen weiterhin herabge
setzt, um die Vereinigung zu einem Helium-Atom zu erleich
tern. Die Erfindung stellt auf folgende Reaktionen ab.
D+D → ⁴He+nΓ (1)
D+H → ³He+nγ (2)
Diese Reaktionen haben außer ihrer Effektivität noch den
Vorteil, daß ihre Produkte nicht radioaktiv sind.
So war es Ziel der Erfindung, keinen Gebrauch von radioakti
vem Tritium zu machen mit den Reaktionen
D+³H → ⁴He+n
⁵Li+³H → ⁶Li+D
Die Begleitreaktionen zu (1)
D+D → ³He+n
D+D → ³He+n
mit ihren radioaktiven Produkten n und 3H werden gemäß der
Erfindung unterbunden, denn die radioaktiven Produkte zer
stören auf längere Sicht das Medium, in dem der resonante
Tunneleffekt stattfindet.
Die Schwierigkeiten, die auf dem langen Weg zur kalten Kern
fusion auftraten, waren im wesentlichen:
- - Modellierung und Berechnung großer Molekülagglomerate;
- - Einfluß des Randmaterials auf die Kernspinpolarisation;
- - Berechnung der maximalen Fusionswirkungsquerschnitte als Funktion der mittleren Stoßenergie;
- - Kernspinpolarisation und Tunnelungsrate;
- - Maximierung der Tunnelungsrate;
- - Bestimmung des geeigneten Mediums, in dem die Kernfusion stattfindet.
Die Vorrichtung (Fig. 1) zum erfindungsgemäßen Verfahren be
steht aus einer koaxialen und mittigen Anordnung von einem
Behälter 1 und einer Elektrode 2. Zwischen diesen ist das
Medium 3 angeordnet. Dieses Medium ist der Ort, wo die Fu
sionsreaktionen induziert werden. Zur Einspeisung der
elektro-magnetischen Wellen in das Fusionsmedium 3 ist ein
HF-Generator 4 vorgesehen. Das Fusionsprodukt wird direkt in
Form von elektrischer Energie über einen zwischen Behälter 1
und Elektrode 2 angeschlossenen Stromkreis 5 abgenommen. Die
eigentliche Fusionsbatterie liegt in dem gestrichelten
Rechteck. Wichtig bei der Auslegung der Fusionsbatterie
sind: die Abmessungen, das Material von Außenwand und Elek
trode sowie das Medium.
Es werden hohe Transmissionsraten (hohe Stoßzahl und damit
hohe Fusionsrate) dann erzielt, wenn der sogenannte Run
away-Effekt ausgenutzt wird. Unter Runaway-Effekt versteht
man einen thermodynamischen Zustand, in dem es neben der
Maxwell′schen Energieverteilung noch eine zweite Verteilungs
kurve bei wesentlich höheren Energien gibt (siehe Fig. 2).
Um eine statistisch signifikante Runaway-Verteilung in
flüssigen und festen Medien zu erhalten, müssen die Phononen
in den turbulenten Zustand versetzt werden.
Die erfindungsgemäß gewählte Methode, hohe Phononenturbulenz
zu erreichen, beruht auf der Umwandlung von elektro-magneti
scher Energie in Phononenturbulenz über die Reaktion
hν → nΓ
Die Energie der elektro-magnetischen Welle h wird im Medium
in n-Phononen umgewandelt. Damit aber nun diese Phononen in
hochturbulenten Zustand versetzt werden und diese Phononen
wiederum die anderen schon vorhandenen optischen Phononen
teilweise ebenfalls in den hochturbulenten Zustand verset
zen, muß die elektro-magnetische Welle folgende Eigenschaf
ten besitzen:
- - Die Frequenz der Welle muß zwischen 35 und 40 MHz oder zwischen 70 und 75 MHz (je nach Fusionsmedium) liegen.
- - Der Störhub muß weniger als 10 Hz betragen. Die Phase der eingestrahlten Wellen sollen mög lichst lang konstant bleiben.
Die Wellenlänge der Phononen mit dem höchsten Turbulenzgrad
liegt bei etwa 53 mm und bestimmt damit den Durchmesser der
Fusionsbatterie.
Die Länge der Batterie wird durch λ (wobei n = 0, 1,
2 ...) der Wellenlänge der elektro-magnetischen Strahlung im
Fusionsmedium bestimmt.
Durch die Langreichweitenkorrelationen zwischen den Protonen
bzw. Deuteronen in den Wasserstoffbrücken des Fusionsmedi
ums kommt es zur gegenseitigen Beeinflussung der Kernspins.
Da die Korrelation bis zur Gefäßwand reicht, spielt das Ge
fäßmaterial eine wichtige Rolle. Die Elektronenspinanord
nung des Gefäßmaterials sowie die Ladungsdichtefluktuationen
bestimmen die Kernspinausrichtung (Kernspinpolarisation)
des Mediums. Da die Kernspinpolarisation maßgeblich die
Stoßwirkungsquerschnitte bei Fusionsreaktionen beeinflußt,
wird durch das Gefäßmaterial die Fusionsrate mitbestimmt.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Fusionsrate für ein be
stimmtes Fusionsmedium (Polyaminosäure) von der Kettenlänge
des Mediums und der Kernspinpolarisation. Deutlich zu er
kennen ist, daß bei bestimmten Werten der Kernspinpolarisa
tion ein größerer Spielraum für die Kettenlänge existiert.
Ein größerer Spielraum in der Kettenlänge bedeutet, daß bei
der Herstellung des optimalen Fusionsmediums der Aufwand er
heblich gesenkt werden kann. Weiterhin wird auch die Emp
findlichkeit der Fusionsbatterie gegenüber Störungen stark
herabgesetzt. Aus den gewünschten Kernspinpolarisationswerten
kann man das für den Behälter und die Elektrode geeignete
Material ermitteln, indem man den Einfluß der Wandoberfläche
auf die Kernspinnpolarisation über die fraktale Dimension
der Fläche gleicher Elektrospinausrichtung beschreibt. Da
wiederum die fraktale Dimension der Fläche gleicher Elektro
nenspinausrichtung mit dem Material in Zusammenhang steht,
ist es möglich, optimale Gefäßmaterialien zu bestimmen. Aus
diesen Berechnungen wurden bisher ermittelt: Aluminium und
Eisen/Manganverbindungen.
Damit die Fusionsreaktionen in geeigneter Weise induziert
werden, muß ein Medium in die Fusionsbatterie eingefüllt
werden, das folgende Eigenschaften besitzt:
- - Neigung zu starker Phononenturbulenz;
- - Sehr hohe Tunnelungsrate durch den Coulombwall bei Kernreaktionen;
- - Möglichkeit zur Einstellung einer gewünschten Kernspinpolarisation;
- - Verträglichkeit mit dem Material der Gefäßwand;
- - Freie Bahn für die Runaway-Protonen und Deuteronen.
Neigung zu starker Phononenturbulenz haben vornehmlich die
Stoffe, in denen die Potentiale für die Kernbewegungen stark
nichtlinear sind, weil die Kernbewegungen für das Phononenspek
trum verantwortlich sind. Stark nicht lineare Potentiale für
die Kernschwingungen weisen z. B. Wasserstoffbrückensysteme
auf, vornehmlich diejenigen mit Doppel- und Mehrfachminimum
potentialen. Gemäß den bisherigen Untersuchungen sind die
Wasserstoffbrückensysteme geeignet, die gewünschte Phononen
turbulenz zu erzielen. Einen zweiten Vorteil haben Wasser
stoffbrückensysteme außerdem, und zwar läßt sich die Tunne
lungsrate mit geringfügigen Maßnahmen über einen großen Be
reich (mehrere Dekaden) steuern.
Damit die Runaway-Protonen bzw. -Deuteronen mit genügend
hoher Energie zusammenprallen können, müssen sie durch den
Coulombwall effektiv tunneln, und sie müssen auch ungebremst
bis zur Tunnelungszone gelangen. Dazu muß die Bahn für die
Run-Aways über eine genügend lange Strecke frei von Energie
wällen sein. Die Fig. 4 bis 10 zeigen die Potentiale für
zwei senkrecht aufeinander prallende Protonen bzw. Deutero
nen. Je breiter die Schneise mit Potential-0 ist, desto wahr
scheinlicher kommt es zu einem effektiven Fusionsstoß. Wie
aus den Fig. 4 bis 10 zu erkennen ist, kommt es auf die
geeignete Einstrahlfrequenz an, will man die Runaway-Kerne
möglichst potentialfrei aufeinanderprallen lassen.
Die Anforderungen an das Fusionsmedium lassen sich folgen
dermaßen zusammfassen:
- - Hoher Anteil an Wasserstoffbrücken mit Doppel- und Mehrfach-Minimumpotentialen;
- - Polymerisationsgrad (Kettenlänge) so eingestellt, daß die Phononenturbulenz ein Maximum erreicht;
- - Feinabstimmbarkeit der Kernspinpolarisation;
- - Möglichst breite Schneisen, gemäß Fig. 4 bis 10.
Claims (15)
1. Verfahren zur Erzeugung einer Kernreaktion bzw. Kernfu
sion unter Ausnutzung des Tunneleffektes, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Fusionsmedium aus deuteriumhaltigem,
nicht kristallisiertem Polymer besteht, das mit einge
strahlten elektromagnetischen Wellen längere Zeit kondi
tioniert wird, wobei als Einstrahlfrequenzen die Tun
neleigenfrequenzen des unkonditionierten Mediums gewählt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Fusionsmedium deuteriumhaltiges Silikon oder deuteri
umhaltige Polyaminosäuren verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fusionsmedium einen hohen Anteil an Wasserstoff
brücken mit Doppel- und Mehrfachminimumpotentialen auf
weist und der Polymerisationsgrad (Kettenlänge) derart
eingestellt wird, daß die Phononenturbulenz bei fein ab
gestimmter Kernspinpolarisation zur Erzielung breiter
Tunnelschneisen ein Maximum erreicht.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Fusionsmedium ein aus Deuterium und
folgenden Aminosäuren bestehendes Gel ist:
Die Aminosäurensequenz dabei ist
[Ile-Ala-Trp-Pro-Asp-Cys-Pro-Ala-Asn-Pro]n
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Fusionsmedium ein aus Deuterium und folgen
den Aminosäuren bestehendes Gel ist:
mit der Aminosäuresequenz:[Gly-Ala-Hyp-Pro-Asp-Cys-Pro-Hyp-Asn-Pro]n
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlfrequenz zwi
schen 35 bis 40 MHz oder 70 bis 75 MHz liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einstrahlfrequenz 36,5 MHz beträgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Störhub weniger als 10 Hz
beträgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlphase konstant
bleibt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Pho
nonen ca. 53 mm beträgt.
11. Vorrichtung zu dem Verfahren nach Anspruch 1 gekenn
zeichnet durch eine Fusionsbatterie, bestehend aus einem
metalligen Behälter und einer dazu mittig und koaxial
durchgeführten gleichmetalligen Elektrode, zwischen de
nen das Fusionsmedium angeordnet ist, einem HF-Generator,
der mit den Elektroden verbunden ist und einem außerhalb
zwischen Behälter und Elektrode angeordneten Stromabnehmer.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser der Fusionsbatterie in etwa
durch die Wellenlänge der Phononen mit höchstem Turbu
lenzgrad oder deren ganzzahlige Vielfache und die Länge
durch λ (wobei n = 0, 1, 2 ...) der Wellenlänge
der elektro-magnetischen Strahlung im Fusionsmedium be
stimmt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß Behälter und Elektrode aus Aluminium oder
Hydronalium bestehen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß Behälter und Elektrode aus einer Eisen/Man
ganverbindung bestehen.
Priority Applications (6)
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DE3934697A DE3934697A1 (de) | 1989-10-18 | 1989-10-18 | Verfahren und vorrichtung zum kontrollierten einleiten von kernreaktionen (kernfusion) |
IL95687A IL95687A0 (en) | 1989-10-18 | 1990-09-14 | Method and apparatus for the controlled initiation of nuclear reactions |
FR9012619A FR2653261B1 (fr) | 1989-10-18 | 1990-10-12 | Procede de production d'une reaction nucleaire ou d'une reaction du fusion nucleaire en utilisant l'effet tunnel, ainsi qu'un dispositif correspondant. |
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