DE4130276A1

DE4130276A1 - Elektrodensystem fuer die dd-fusion im festkoerper und zur brennstoffversorgung durch elektrolyse

Info

Publication number: DE4130276A1
Application number: DE4130276A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof Dr Gentsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-03-18

Description

Über die DD-Fusionsreaktion durch den Stoß von energiereichen Deu teronen mit Deuterium berichtet Rutherford schon 1934. Die Reaktionsrate ist gering. Sie ist abhängig von der relativen kineti schen Energie der Atome und der Teilchendichte. Die DD-Reaktionen (1) und (2)

→ ³He (0,817 MeV) + n (2,450 mEV) (1)

D + D → T (1,008 MeV) + (3,024 MeV) (2)

→ ⁴He (0,076 MeV) + γ (23,772 MeV) (3)

treten mit etwa gleicher Wahrscheinlichkeit auf. Impulsverboten ist dagegen die Reaktion (3). An einem Gastarget beträgt der Fusions querschnitt der Reaktionen (1) und (2) ≈ 5 mbarn (bei 25 keV). Da der differentielle elastische Streuquerschnitt für Deuteronenener gien von einigen 10 keV sehr viel größer ist als der differentielle Fusionsquerschnitt, kann man praktisch keine Energie gewinnen. Das Gastarget aus Deuterium "moderiert" schnelle D-Kerne durch wenige Stöße, so daß sie energetisch bald unterhalb der Tunnelenergie schwelle liegen.

Dagegen ist ein Metall-Deuterium-Target mit einer D-Atomdichte wie in festem Wasserstoff (od. größer) ein neuer Weg. Gewiß, auch im Metall ist der Streufaktor überwiegend. Aber eine Moderierung durch Stöße mit den viel größeren Massen der Gitteratome wird klein aus fallen. Welche Rolle die Gitteratome im Wirkungsgefüge des D-D- Stoßes spielen, ist völlig offen. Sie katalysieren auch die Reak tion Gl. 3. J.c. Andreen u. R.L. Hinez (Phys. Rev. A159, 285 (1967)) haben die Durchdringungsfähigkeit von 23 keV-Deuteronen an Au-Folien winkelabhängig gemessen. Die Autoren deuten die großen Werte bis zu 200 nm mit Kanalisierung (channeling and facing). Diese Kanalisierung erhöht die Wahrscheinlichkeit für zentrale D-D- Stöße innerhalb des Atomgitters und damit den Fusionsquerschnitt.

Ein bekanntes Metall-Wasserstoff-System (Metallhydrid, MEHY) mit hoher Wasserstoffdichte ist z. B. wasserstoffgesättigtes Palladium. Auch in Legierungen des Palladiums sind hohe Wasserstoffdichten er reichbar bis zu einem Metallhydrid MeD_x mit x < 1. Das "Aufladen" des Metalles erfolgt entweder bei hohem Wasserstoffdruck, vorteil haft unter Verwendung eines Kontaktkatalysators (z. B. Cu-Pulver, E. Wicke, Universität Münster) oder einfacher durch Elektrolyse in wäßrigem Elektrolyten. An der Kathode wird entsprechend der Nernstgleichung Wasserstoff mit sehr hohem elektrolytischen Druck atomar abgeschieden, der in das Metall diffundiert. Eine Methode, die geeignet ist, um reinsten Wasserstoff durch eine Metallmembran hindurch z. B. in ein evakuiertes Volumen zu bringen.

Die erfinderische Aufgabe besteht darin, einerseits ein durch Elek trolyse permanent hochkonzentriertes MEHY als Target aufrecht zu erhalten und andererseits dieses Target mit Deuteriumionen hoher Energie zu bombardieren für die Aktivierung der Fusionsreaktionen nach den Gl. (1) und (2). Auf der Seite der Ionenkanone sollte der D₂-Druck wegen der notwendigen Vakuumisolation von 50 kV/mm ein Pascal nicht überscheiten. Zugleich ist damit auch eine hinreichend große Mittlere Freie Weglänge für die Deuteriumionen gewährleistet.

Die Lösung der erfinderischen Aufgabe liegt in einer Konstruktion mit mehrfacher Funktion der Metallmembran. a) Als dünnwandige Membran trennt sie Elektrolyt und Vakuum, ist b) Kathode in der Elektrolysezelle, leitet c) den Diffusionsstrom der Deuteronen und ist d) vakuumseitig als MEHY-Target die Kathode in der Ionenbeschleunigungsstrecke mit der Ionenquelle als Anode. Das durch Elektrolyse ins Metall übergehende Deuterium diffundiert durch die Membran und desorbiert schließlich vakuumseitig. In dem reinen D₂-Gas erzeugt eine konventionelle Ionenquelle Ionen. Die Deuteriumionen prallen mit hoher Energie vorzugsweise mit 27 keV auf das MEHY-Target und dringen in das Gitter ein, dem Diffu sionsstrom entgegen. Hier an und in der Oberfläche ist der Ort der Fusionsreaktionen.

Eine konstruktive Lösung ist in der Abb. 1 schematisch dargestellt. Ein einseitig geschlossenes PdAg 23-Rohr (1) Ist mit einer Vakuum pumpe (2) verbunden. Es ist zugleich Kathode (1) in der Elektroly sezelle (3) mit schwerem Wasser als Elektrolyt (4). Die Elektrode (5) ist Anode. Der Katalysator (6) katalysiert die Rekombination überschüssigen Knallgases, so daß der Wasserverbrauch dem Diffu sionsstrom der Deuteronen proportional ist. Die koaxial angeordnete Ionenkanone (7) erzeugt Deuteriumionen bei einem Gasdruck < 1 Pa. Im Vakuumspalt zwischen Rohr (1) und Ionenkanone (7), die auf posi tivem Potential liegt, werden die Deuteriumionen nachbeschleunigt. Zwei Isolatoren (8, 9) verschließen die Elektrolysezelle, die für Temperaturen < 100°C als Druckzelle konstruiert wird.

Eine alternative Lösung ist die umgekehrte Anordnung. Elektrolyt und Anode befinden sich in dem Rohr (1) und das Rohr ragt in ein Vakuumgefäß. Die Ionenquelle in Form koaxialer zylindrischer Elek trodengitter umgibt das als Target geschaltete Rohr. Nimmt man das bekannte Orbitron-System als Ionenquelle, dann lassen sich unter den obengenannten Bedingungen hohe Ionenströme und damit verbunden hohe Fusionsraten erreichen. Mit Hilfe weiter außen angeordneter zylinderförmiger Elektrodengitter und einer außenliegenden Elektro de können die geladenen Fusionsprodukte (p, T, ³He) direkt im elek trischen Feld potential abgestuft abgebremst werden. Das erlaubt vorteilhaft die direkte Erzeugung elektrischer Energie.

Mit einer experimentellen Anordnung nach Abb. 1 ist sowohl die Neu tronenrate als auch die Tritiumrate gemessen worden. Bei einem Ionenstrom von 2 µA (davon 1,1% Deuteronen) und 27 kV Beschleu nigungsspannung zeigt das Blasenzählröhrchen (bubble detector) eine Neutronenrate von 3,3·10² n/s in den Raumwinkel 4 π. Die Bonner Kugel als Neutronendetektor mißt gleichzeitig eine Rate von 4,2·10² n/s über 4 π. Die aus der Tritiumzunahme im Elektrolyten be rechnete T-Bildungsrate ergab 4,6·10⁵ T/s. Damit ist der Fusions querschnitt im MEHY und an dessen Oberfläche mindestens um den Fak tor 100 größer als an einem Gastarget vergleichbarer Dichte. Der Fusionsquerschnitt kann erhöht werden durch chemische Variationen des MeD_x.

In Abb. Z ist die Meßzelle schematisch dargestellt. An einer Va kuumapparatur hangt ein einseitig geschlossenes PdAg23-Rohr von 12 mm Durchmesser und 0,3 mm Wandstarke. Es ist zugleich Kathode in einer Elektrolysezelle mit schwerem Wasser als Elektrolyt und Tar get für den Stoßversuch. Der Elektrolysestrom (ca. 0,1 A) wird so eingestellt, daß der D:-Gasstrom ins Vakuum pro cm² Rohrwand nach einer Inkubationszeit von ca. 1 h schließlich 10⁶ mbar 1·s^-1 er reicht. Bin seit zwei Jahrzehnten erprobtes Verfahren zum Einlaß reinsten Wasserstoffs ins Vakuum für katalytische Zwecke.

Mit Hilfe eines variablen Leitwertes der Strömung im Vakuum kann der Druck in der Meßzelle zwischen 10^-7 bis 10^-2 mbar eingestellt werden. 10^-2 mbar ist der Grenzdruck für zuverlässige Isolations wirkung des Vakuums von 50 kV/mm.

Für die Fusionsversuche erzeugt die koaxial im Rohr angeordnete Ionenquelle Ionenströme bis 10 pA. Die gebildeten Ionen werden im Vakuumspalt zwischen Ionenquelle und Target (Rohr) wahlweise bis 30 keV beschleunigt. In der geschlossenen Elektrolysezelle sorgt ein geheizter Katalysator für die Rekombination des überschüssigen Knallgases. Sauerstoff kann über ein Ventil entweichen. Der Elek trolyt D₂O ist 0,1 n Li-alkalisch. Bei hoher Strombelastung dient die Rohrschleife links in Abb. 1 als Kondensator.

Roentgenbremsstrahlung durch ionenstoßinduzierte Sekundärelektronen (5) wird mit einem Dosimeter und einem T-Spektrometer gemessen. Als Scintillatoren dienen ein NaJ-Kristall für Energien von 50 bis 2000 keV und ein Si(Li)-Kristall von 5 bis 50 keV. Für den Neutronen nachweis stehen zwei Instrumente zur Verfügung, eine Bonner Kugel (BK) (30 cm Polyethylenkugel mit ⁶LiJ Scintillationskristall vor einem SEV im Zentrum der Kugel) und Blasenzahlröhrchen. Entspre chend der Reaktion (2) wird auch Tritium gebildet, das Richtung Va kuum und Richtung Elektrolyt diffundiert. In letzterem ist deshalb die zeitliche Tritiumzunahme mit einem Flüssigszintillator gemessen worden. Zur Zersetzung von D₂O₂, aus der Elektrolyse steht der Elek trolyt in standigem Kontakt mit einem Platinkatalysator in Form eines Netzes.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird zur Initiierung von Fusionsreaktionen ein MEHY-Target von einer Seite her mit Deuteriumionen beschossen, während von der anderen Seite her Deuterium aus einem Elektrolyten in das Target hineindiffundiert. Dieser Fusionsprozeß kann durch Anwendung eines koaxilen Magnetfeldes in mehrfacher Hinsicht optimiert werden: Die Ionenbahnen werden modifiziert. Die Sekundärelektronen können auf das Target zurückgelenkt werden. Die kernmagnetischen Momente der Deuteronen können zur Erzielung einer besseren Wirkung ausgerichtet werden.

Claims

1. Elektrodensystem zur Aktivierung von DD-Fusionsreaktionen an und in der Oberfläche eines Festkörpers, dadurch gekennzeich net, daß ein Metallhydrid MeD_x in Form einer Membran einerseits die Aufgabe der Brennstoffversorgung mittels Diffusion aus einer geschlossenen Elektrolysezelle hat, letztere von einer Vakuumkammer trennt und andererseits vakuumseitig die Funktion eines Targets hat für den Beschuß mit 10 bis 30 keV Deuterium ionen, die eine Ionenquelle in dem eindiffundierten Deuterium gas erzeugt.

2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhydridmembran aus einem deuteronenleitenden Metall vorzugsweise Pd oder Ti bzw. deren Legierungen besteht.

3. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran in Form eines einseitig geschlossenen Rohres ausgeführt wird, in welches eine hochspannungsisolierte Ionenquelle koaxial montiert ist.

4. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ionenenergie zur Erhöhung der Fusionsrate und des Fusionsquerschnittes über 30 keV gesteigert wird.

5. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran vakuumseitig mit einem die D₂-Desorp tion inhibierenden dünnen Film, vorzugsweise mit Gold, be schichtet wird zur Erhöhung der D-Dichte, MeD_x mit x < 1.

6. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 bis S, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Erhöhung des Fusionsquerschnittes die Atom masse der Gitteratome variiert wird vorzugsweise durch Lathani de oder/und Aktinide. Dazu genügen Metallfilme von der Dicke der Eindringtiefe der Deuteronen.

7. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß konstruktiv umgekehrt das dünnwandige Rohr selbst das Gefäß für die geschlossene Elektrolysezelle ist, umgeben von einem Vakuumrohr. Die Ionenkanone zylinderförmig ausgebildet umgibt das MeDx-Target.

8. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die geladenen Fusionsprodukte vakuumseitig durch konzentrisch angeordnete Gitter und Elektroden auf verschiede nen Potentialen in elektrischen Feldern abgebremst werden zur direkten Gewinnung elektrischer Energie.

9. Elektrodensystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ionenquelle als Orbitron-System ausgebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtransport der im Target anfallenden Reaktionswärme der Elektrolyt selbst Kühlmittel in einem Kreislauf ist.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensystem für die DD-Fusion als abschaltbare Neutronenquelle betrieben wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensystem für die DD-Fusion im Impulsmode be trieben wird.

13. Erzeugung von Fusionsreaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß ein MEHY-Target von einer Seite her mit Deuteriumionen be schossen wird, während von der anderen Seite her Deuterium aus einem Elektrolyten in das Target hineindiffundiert.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß durch Anwendung eines Magnetfeldes der Fusionsprozeß in mehrfacher Hinsicht optimiert wird:

a) durch Modifizierung der Ionentrajektorien,
b) durch Rücklenkung der Sekundärelektronen auf das Target, und
c) durch Ausrichten der kernmagnetischen Momente der Deuteronen.