DE4316450A1

DE4316450A1 - Inertialfusion mit Volumenzündung

Info

Publication number: DE4316450A1
Application number: DE4316450A
Authority: DE
Inventors: Shalom Prof Dr Eliezer; Heinrich Prof Dr Dr Horn; Jose-Maria Prof D Martinez-Val
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 1994-11-24

Description

Die Gewinnung von Energie aus exothermen Kernfusionsreaktionen ist ein wichtiges Ziel als langzeitliche saubere und sichere Energiequelle niedriger Kosten, um der Erschöpfung der irdischen Vorräte und den Schwierigkeiten bei der großangelegen Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen (Verschmutzung und Erwärmung der Erdatmosphäre) oder der Kernfussion (Reaktorsicherheit, radioaktiver Abfall und radioaktives Reaktormaterial) entgegenzuwirken. Solarenergie wird sicher einen Teil der Energiegewinnung liefern, doch aus Kostengründen nur einen geringen Anteil am Gesamtenergieverbrauch. Zu letzterer Frage dienen die experimentellen und technischen Daten. Eine experimentelle Solar-Wasserstoff-Anlage mit 280 kW Spitzenleistung [siehe U. Eberl, Physikalische Blätter, 49, 209 (1993)] liefert Energie, die 1000mal teurer ist als die üblichen DM 0,05 pro kWh. Die optimistische Abschätzung, daß die reine Stromerzeugung mit Photozellen auf einen sehr viel niedrigen Kostenwert kommt, ist nach derselben Veröffentlichung immer noch ein 20 bis 40facher Wert der genannten Energiekosten.

Exotherme Kernfusionsreaktionen wurden - außer bei der unkontrollierten Explosion einer Wasserstoffbombe - bisher auf der Erde nirgends in kontrollierter Weise erzeugt. Eine Anordnung mit magnetischem Einschluß des Hochtemperaturplasmas, bekannt unter dem Namen Tokamak, ist am weitesten entwickelt und im Laufe vieler Jahre nahe der Bedingung einer Energieausbeute am Übergang zur exothermischen Reaktion angelangt. Die Fachexperten schätzten ab, daß bis zur möglichen Herstellung eines (kostenmassig etwa im Bereich von heutigen DM 0,5 pro kWh liegenden) Fusionsreaktors nach diesem Prinzip noch weitere 50 Jahre und DM 230 Milliarden benötigt werden, somit die Fristen außerhalb des Patentrechtes vorliegen und die Stromkosten immer noch 10mal höher liegen als die Norm.

Alternativ wird untersucht, wie intensive Einstrahlung von Laser- oder Teilchenstrahlpulse ein festkörperdichtes Fusionsmaterial auf Reaktionstemperaturen und -dichten aufheizen und dynamisch komprimieren können, so daß kontrollierte exothermische Reaktionen erreicht werden. Auch hier ist man experimentell nahe an die exothermische Schwelle gekommen [Encyclopedia of Physical Science and Technology, 2. Auflage, (Academic Press, London, 1992), Band 8, Seite 433]. Aus verschiedenen historischen Gründen wird dabei bisher das Ziel der Zentralzündung in dem zu bestrahlenden Kernbrennstoff angestrebt. Hierzu muß die Hydrodynamik der Kompression beim Einstrahlen in außerordentlich komplizierter Weise so gewählt werden, daß ein äußerst empfindlich eingestelltes, sehr spezielles und radial sehr stark schwankendes Temperaturprofil im Brennstoff erreicht wird, bei dem das Zentrum Temperaturen von etwa 120 Millionen Grad hat, die an einem kleinen Radius auf etwa 5 Millionen Grad für weiter außerhalb absinken, während gleichzeitig darauf geachtet werden muß, daß im heißen Zentralbereich die Teilchendichte höchstens 40mal dichter als im Festkörper sein soll, aber im äußeren "kälteren" Bereich die Dichte von 2000mal der Festkörperdichte haben soll.

Unter diesen Anfangsbedingungen wird rechnerisch unter zahlreichen Vereinfachungen von Instabilitäten und der unbekannten Interpenetration (mixing) des Fusionsmaterials erwartet, daß eine sich selbsterhaltene Fusionsdetonationswelle nach außen läuft und mit hoher Effizienz das sehr dichte, "kalte" Material reagieren läßt. Dabei wird die optimale Temperatur der Detonationswelle um den Wert der Zündung liegen und automatisch nahezu auf diesem Wert stabil gehalten. Die Kostenschätzung eines grundsätzlich sehr einfach funktionierenden und die beim Tokamak unüberwindlichen Wandprobleme bewältigenden Cascade-Reaktoren (K. R. Schulz, General Atomics Report, San Diego, GA-A 17 842, Oct. 1985) sollte Elektroenergie zum Preis von DM 0,05 pro kWh liefern.

Leider aber ist die genannte Dynamik mit den höchst komplizierten Dichte- und Temperaturprofilen so unsicher herzustellen, daß man das Erreichen der Zentralzündung mit der Schwierigkeit vergleicht, einen Menschen auf dem Mond zu landen und wieder zurückzubringen. Aus diesem Grunde ist auch unter den Experten der Inertialfusion keine einhellige Überzeugungskraft, Kernfusionsreaktoren nach diesem Prinzip in absehbarer kurzer Zeit zu erstellen. Ehrliche hydrodynamische Rechnungen ließen den Effekt der Zentralzündung überhaupt nicht erkennen.

Ein anderer Weg zur kontrollierten Inertialfusion geht auf die ersten Anfänge dieses Gebietes unmittelbar nach der Entdeckung des Lasers zurück. Es stellte sich allerdings bald heraus, daß hierzu die Energien der Laserpulse sehr groß sein müssen, im Bereich von MJ, und daß das Fusionsmaterial vorzugsweise im komprimierten Zustand (tausendfache Festkörperdichte und mehr) reagieren sollte. In diesem Fall war keine der vorher genannten komplizierten Dichte- und Temperaturprofile nötig, sondern einfache, nahezu ideal konstante oder nur schwach variable Profile, die insgesamt der natürlichen Hydrodynamik der Kompression und Expansion des "selfsimilaritiy"-Modells entsprachen. Die Optimaltemperatur für die Deuterium-Tritium-Reaktion war 17 keV (ca. 170 Mill°C).

Wenn bei diesem Vorgang eine reine Verbrennung des Fusionsmaterials stattfindet, war grundsätzlich - wie hoch auch immer komprimiert wurde - die Ausbeute sehr gering, und lag für 25% Verbrennungsgrad bei 43 bezogen auf die Energie E_i, die in das komprimierte Material ging. Von der gesamten einfallenden Laserenergie war E_i nach dem hydrodynamischen Wirkungsgrad für die Kompression mittels der lasergetriebenen Ablation nun 10% bis 20%, so daß bezogen auf die Energie des einfallenden Laserpulses die Ausbeute 4.3 bzw. 8.6 betrug. Im Hinblick auf die Verluste im Laser beim Pumpen und auf Verluste bei der Umsetzung der Kernenergie in elektrische Energie waren diese Ausbeuten viel zu klein und man hatte versucht, mittels der Zentralzündung die nötigen viel höheren Wirkungsgrade zu erreichen.

Bei diesen anfänglichen Rechnungen wurde lediglich die einfache Verbrennung des thermonuklearen Materials in Rechnung gesetzt. Seit 1978 sind Ergebnisse publiziert (Z. Naturforsch. 33A, 890), wobei in den Rechnungen die Selbstheizung im Reaktionsmaterial durch die Abbremsung von geladenen Reaktionsprodukten (Alphateilchen) mit berücksichtigt wurde bei gleichzeitiger Berücksichtigung des Verlustes durch Bremsstrahlung, die allerdings auch zum Teil - je nach Dichte, Temperatur und Durchmesser - im Fusionsmaterial reabsorbiert werden konnte. Dabei zeigte sich eine fast diskontinuierliche Erhöhung der Fusionsausbeuten sowie eine starke Erniedrigung der optimalen Fusionstemperatur auf 4,5 eV oder sogar auf 1,5 eV. Die Ausbeuten waren 80 und mehr bezogen auf die einfallende Gesamtenergie des Laserpulses, also auch unter Berücksichtigung von 85% bis 90% Energieverlust für den Ablationsprozeß zum Zwecke der Kompression. Bei einer Kompression von 2000facher Festkörperdichte (1000fache Kompression von Polyäthylen wurde mit Lasern bereits 1990 erreicht) wurden dann Gesamtausbeuten erreicht, die denen der berechneten komplizierten Zentralzündung bis auf ca. 20% Unterschie gleich kamen.

Alle diese numerischen Einzelrechnungen führten erfindungsgemäß nunmehr zur Herleitung folgender Bedingung einer Resonanz, die ganz allgemein die Bestimmungsstücke für die Volumenzündung bei Inertialfusion mittels Laser- oder Teilchenstrahlimpulse darstellt, um die genannten Schwierigkeiten des Magneteinschlusses der Kernfusion und die der Zentralzündung vermeidet. Erfindungsgemäß ist die Kernfusionsausbeute G (=Kernenergie pro Energie des einfallenden Pulses der Laser- oder Teilchenstrahlung)

G=Fq_DTh/(q_i-xq_a) (1)

wobei die verwendeten Größen folgendes bedeuten:

F - Brennstoffausbeute (=Verbrannte/Unverbrannte Kerne)
q_DT - Fusionsausbeute der DT-Reaktion=3,37×10¹¹ J/g
h - Hydrodynamische Ausbeute (Energie im komprimierten Brennstoff pro einfallende Energie vom Laser oder Teilchenstrahl)
q_i - Heizenergie, um Plasma auf die Temperatur zu erwärmen (z. B. 600 MJ/g für eine Temperatur von 5 keV)
q_a - Teil der Alphaenergie, die als Selbstheizung an den Brennstoff abgegeben wird,
x - Teil der Abbremsenergie der Alphas und Neutronen sowie der reabsorbierten Bremsstrahlung, welcher in die Ionen geht.

Wie man sieht, kann in ganz empfindlicher Weise die Fusionsausbeute G sehr hohe Werte erreichen, wenn nur der Wert von xq_a von kleineren Werten her dem Wert der Heizenergie genügend nahe kommt. Dieses ist der erfindungsgemäße Resonanzmechanismus für die Volumenzündungg der Inertialfusion.

Eine weitere wesentliche Eigenschaft der erfindungsgemäßen Volumenzündung besteht darin, daß die Anfangstemperatur im komprimierten Brennstoff 4,5 keV oder weniger ist. Weder die Zentralzündung noch die Fusion mit Magnetfeldeinschluß kann bei Temperaturen unter 4,5 keV exotherm arbeiten. In letzterem Fall muß die Temperatur sogar höher sein wegen der Verluste durch die Zyklotronstrahlung. Zentralzündung kann wegen der geringen Dicke der Fusionsdetonationswelle niemals bei geringerer Temperatur als 4,5 keV arbeiten. Es ist gerade der Vorteil der Volumenzündung, daß durch die Wiederabsorption von Alphas, Neutronen und Bremsstrahlung auf Anfangstemperaturen unterhalb 4,5 keV herabgesetzt wird und dadurch insbesondere die hohen Energieausbeuten entstehen.

Erfindungsgemäße Voraussetzung für den Volumenzündmechanismus bei gleichzeitig niedriger Zündtemperatur bis herab zu 1 keV und weniger in DT ist, daß eine Kompression von mindestens 1000facher Festkörperdichte verwendet wird, wobei eine starke Re-absorption von Alphateilchen, von Fusionsneutronen und von Bremsstrahlung innerhalb des Reaktionsplasmas eintritt und die vergleichsweise sehr niedrige Zündtemperatur ergibt. Wie aus Vorveröffentlichungen von vereinfachten Simulationsrechnungen ohne Neutronenabsorption bekannt ist (H. Hora, "Plasmas at High Temperature and Density, Springer, Heidelberg 1991), ist für die Volumenzündung charakteristisch, daß nach deren Einsetzen die Temperatur des Plasma innerhalb von ps auf Temperaturen bis 100 keV und mehr ansteigt, ein Vorgang, der durch die erfindungsgemäße Einbeziehung der Neutronen nach den o. g. Bedingungen und den folgenden Eigenschaften die erforderlichen sehr hohen Kernfusionsenergieausbeuten und hohen Brennleistungen des Fusionsmaterials (bis 85%) liefert.

Eine weitere erfindungsgemäße Bedingung für die Volumenzündung ist, daß eine "pusherless" Implosion bei Einwirken der Laser- oder Teilchenstrahlenenergie hergestellt wird. Diese "pusherless" oder stagnationsfreie Kompression wurde experimentell verwirklicht [C. Yamanaka, S. Nakai, T. Yamanaka et al, Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, H. Hora und G. H. Miley Hgg. (Plenum, New York, 1986) Band 7, Seite 395]. Diese Bedingungen erlauben eine von Schockwellen freie Beschleunigung bei der Kompression des Kernbrennstoffes, womit vermieden wird, daß bei der Implosion einer Kugelschale von festkörperdichtem Brennstoff (z. B. DT) die innere Kante des Materials schneller komprimiert als der Hauptteil (der Bulk) des Materials. Zur Erreichung dieser Bedingungen muß die Geschwindigkeit des Bulks höher als 3×10⁷ cm/s sein und die Geschwindigkeit des Brennmaterials am Innenradius des Brennstoffs darf nicht höher als 20% über diesem Wert liegen.

Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Volumenzündung der Inertialfusion ist der Einschuß von einem 10 ns langen Puls von 6 GeV Bi⁺ Ionen von 2 MJ Energie auf ein Pellet, das außen aus einer Li-Schale von 120 mg Masse besteht, an dessen Innenseite eine Schicht von 1 mg DT angefroren (oder durch Polyäthylenschaum befestigt) ist mit Vakuum im Inneren. Es ergibt sich, daß Volumenzündung entsteht und eine Fusionsenergie von 170 MJ erzeugt wird, d. h. eine Gesamtausbeute von G=70 erhalten wird.

Diese hohe Fusionsausbeute mit sehr einfachen hydrodynamischen Bedingungen sogar nahe der einfachen Lösung des "selfsimilarity"-Modells ist nur durch die Volumenzündung erreichbar und gekennzeichnet dadurch, daß die Dichte- und Temperaturprofile im sphärischen Fusionsmaterial zum Zeitpunkt der Zündung nahezu konstant sind und daß nach der Zündung die Temperatur des Plasmas für kurze Zeit auf sehr viel höhere Werte als bei der Zündung ansteigt.

Eine notwendige Bedingung für die erfindungsgemäße Volumenzündung ist die Kombination mit einer sanften Einstrahlung der Treiberpulse (siehe J.M. Martinez-Val et al, Nuclear Fusion by Inertial Confinement, CRC-Verlag, Boca Raton, Florida 1993, S.1 und S. Eliezer und H. Hora, ebenda S. 47), wobei im Fall der Lasereinwirkung die pulsierende Wechselwirkung des Strahles mit dem erzeugen Plasma durch bekannte Vorrichtungen unterdrückt wird, die die etwa alle 15 bis 40 ps aufeinander folgenden Dichterippelungs- und Relaxtionsprozesse vermeidet zugunsten einer sanften Wechselwirkung [H. Hora et al, Phys. Rev. 45A, 6123 (1922)].

Claims

1. Energieerzeugung durch Kernfusion leichter Atomkerne mittels Einstrahlung von Pulsen von Laser- oder Teilchenstrahlung aus direkter oder indirekter Weise z. B. nach Umwandlung in Röntgenstrahlung, gekennzeichnet dadurch, daß das Fusionsmaterial in mindestens einer Dichte von 0,02 der Festkörperdichte vorliegt, die Laser- oder Ionen- oder Elektronenpulsen mindestens 0,5 MJ Energie haben und daß eine Volumenzündung durch Kompression und Aufheizung des Brennstoffs erreicht wird.

2. Energieerzeugung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Anfangstemperatur des komprimierten Deuterium-Tritium Fusionsmaterials niedriger als 4,5 keV ist.

3. Energieerzeugung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Resonanzvorgang mit der Bedingung der vorgenannten Gleichung (1) mit einem kleinen positiven Nenner des Ausdruckes auf der rechten Seite als Volumenzündung erreicht wird.

4. Energieerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Resonanzbedingung durch Re-absorption von aus der Fusion herrührenden Alphateilchen, Neutronen oder der Bremsstrahlung bewirkt wird.

5. Energieerzeugung nach den Ansprüchen 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß eine "pusherless", oder stagnationsfreie Kompression erzeugt wird durch eine Kompressionsgeschwindigkeit des Hauptteiles des Brennstoffes, die 3×10⁷ cm/s übersteigt.

6. Energieerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß als eingestrahlte Energie Schwerionen von mindestens 0,5 GeV Energie verwendet werden.

7. Energieerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die eingestrahlte Energie von Laserpulsen von höchstens 30 ns Dauer herrührt.