DE3934697A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontrollierten einleiten von kernreaktionen (kernfusion) - Google Patents

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.