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Verfahren zur Anregung und Durchführung von Kernprozessen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, um Eingriffe in den Atomkern in erheblich
größerem Umfange und vor allen Dingen mit größerem Nutzeffekt vorzunehmen, als dies
bisher möglich war.
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Erfindungsgemäß können nicht nur radioaktive Substanzen in wesentlicher
Menge wirtschaftlich erzeugt werden, sondern es bietet sich auch die Möglichkeit,
zur Energiegewinnung aus dem Atomkern zu gelangen.
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Aus dem natürlichen Zerfall der radioaktiven Elemente ist zu ersehen,
wie viel Energie grundsätzlich in i g Materie aufgehäuft sein kann und bis zum völligen
Zerfall in mehr oder weniger langer Zeit entsprechend den jeweiligen Zerfallskonstanten
frei wird.
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Es sind dies Energiemengen, die etwa millionenfache Beträge dessen
ausmachen, was beispielsweise bei der bisher üblichen Verbrennung unserer Treibmittel,
Kohle, 01 usw., zur Wirkung gelangt.
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Seit einigen Jahren beschäftigt sich die Physik damit, wenn auch bisher
aus rein wissenschaftlichen Gründen, Atomumwandlungen unabhängig vom Spontanzerfall
der relativ sehr seltenen radioaktiven Elemente auf künstlichem Wege zu erreichen.
Diese Bestrebungen führten auch zum Erfolg, und zwar bisher dadurch, daß man auf
elektrischern Wege Strahlen erzeugte, die den vom Radium ausgesendeten Strahlen
gleich oder ähnlich .waren und damit andere Stoffe bombardierte. Wenn auch die durch
solche Versuche gewonnenen Erkenntnisse über die durch das Radium gezogenen Grenzen
hinausgingen, so war doch grundsätzlich bisher an eine Energiegewinnung auf diesem
Wege nicht zu denken, weil nur ein winziger Bruchteil der ausgesendeten Strahlen
zum Kernprozeß führten.
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Unter anderem eröffnete hier die kürzliche Entdeckung der Neutronen
besondere Möglichkeiten, weil diese Teilchen Kernreaktionen mit roo°/oigem Nutzeffekt
erlauben.
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So ist es jetzt möglich, damit künstliche Radioaktivitäten, die etwa
denen i mg Radium gleich sind, zu erzeugen.
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Wenn auch, wie bereits ausgeführt, die Neutronen Kerneffekte mit großer
Ausbeute hervorrufen, so ist doch die Herstellung der Neutronen selbst vorläufig
nur mit relativ sehr geringem Nutzeffekt möglich.
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Die wesentlichen Methoden zur Erzeugung von Neutronen sind bisher:
i. Heliumteile werden auf Beryllium geworfen und lösen dort Neutronen aus.
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z. Röntgen- oder Gammastrahlen von mehr als 1,5 Milionen Volt fallen
auf Beryllium und rufen dort den gleichen Vorgang hervor.
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3. Der kürzlich entdeckte sog. schwere Wasserstoff (Diplogen) wird
auf Diplogen geschossen.
Das letzte Verfahren ist das weitaus ergiebigste
und im Rahmen der vorliegenden Erfindung deshalb von Bedeutung, weil es damit möglich
war, die Auslösung von Neutronen und anderen Kernreaktionen bei sehr niedrigen Spannungsbereichen
bis hinunfcr zu einigen iooo Volt zu erzielen.
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Die kinetische Energie von Atomen oder Elektronen, die mit etwa o,i3
Volt beschleunigt sind, ist etwa gerade so groß wie die von Atomen oder Elektronen,
deren Temperatur iooo° C beträgt. Wenn man sich die Aufgabe stellt, Kernprozesse
dadurch anzuregen und durchzuführen, daß man Stoffe niedriger Ordnungszahl hohen
Temperaturen unterwirft, so gelingt dies nur, wenn man die Temperatur so hoch steigert,
daß die kinetische Energie der Atome oder Elektronen etwa gerade so groß ist, wie
zur Einleitung von Kernprozessen mit Hilfe von durch elektrische Felder beschleunigten
Atomen oder Elektronen erforderlich wäre. Es ist somit zur Einleitung derartiger
Prozesse eine Steigerung der Temperatur auf ungefähr io Millionen Grad Celsius erforderlich.
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In neuerer Zeit ist es beispielsweise durch die von C. R a m s a u
e r entwickelte Methode möglich geworden, Temperaturen von außerordentlicher Höhe
zu erzeugen.
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Es wird hierbei folgendes Verfahren benutzt Ein Geschoß wird mit Geschwindigkeiten
bis zu iooom; Sek. abgeschossen und in einen Gewehrlauf hineingeschossen. Hierbei
entstehen gewaltige Drucke bis zu io Millionen Atm. und damit sehr hohen Temperaturen,
die schon bei verhältnismäßig einfachen Hilfsmitteln bis zu Zoo ooo° C betragen.
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Es ist nun der Erfindungsgedanke, unter Verwendung solcher extremer
Temperaturen und bei Benutzung geeigneter Substanzen Kernreaktionen sehr hoher Ausbeute
herzustellen.
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Hierfür gibt es eine Anzahl von Ausführungsbeispielen. Einmal der
schon angedeutete Fall, daß in einen Gewehrlauf, in dem die zu behandelnde Substanz
sich als Gas befindet, ein Projektil hineingeschossen wird.
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Besonders ist es vorteilhaft, gemäß der Erfindung den Anfangsdruck
nach Möglichkeit klein zu halten bis hinunter zu i mm Hg, da nicht die Erzeugung
möglichst hoher Dichten, sondern vor allem hoher Temperaturen erstrebt wird. Die
Höhe des erreichbaren Druckes ist, wie R a m s a u e r gezeigt hat, um so höher,
je größer die Länge des Geschosses ist.
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Außerdem wurden Versuche zur Erzeugung sehr hoher Drucke und Temperaturen
unter= nommen, indem eine Kondensatorbatterie sehr großer Kapazität über einen Funken
in einer schwer kompressiblen Flüssigkeit, 0l, Wasser usw., entladen wird. Hierbei
entstehen tatsächlich außerordentlich hohe Drucke und Temperaturen. Dieses Verfahren
ist besonders wirksam, wenn man dafür sorgt, daß die Spannung an dem Funken bzw.
dem dadurch -eingeleiteten Lichtbogen nicht sofort zusam-.menbricht.
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Dies ist erreichbar einerseits durch Verwendung und Beimengung von
Substanzen hoher Elektronenaffinität, besonders aber durch Anwendung sehr hoher
Drucke. Solche hohen Drucke können bis zu einem gewissen Grade durch die Druckwelle
in der inkompressiblen Flüssigkeit, die vom Funken selbst ausgelöst wird, erzeugt
werden. Es wird sich aber empfehlen, noch unter Hinzunahme anderer Mittel den Druck
über die hierdurch gegebenen Möglichkeiten zu steigern. Vor allen Dingen erscheint
es als wesentlich, daß der Hochdruck sich nicht erst während des Ablaufs der Entladung
allmählich aufbaut und auch hierzu wertvolle Energie verbraucht wird, sondern nach
Möglichkeit auf anderen Wege und vor Beginn der eigentlichen Entladung hergestellt
wird.
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Dabei wird man zunächst an mechanische Hilfsmittel denken und ein
Gefäß aus möglichst widerstandsfähigem Material (Stahl) mit einer gänzlich gasfreien
nicht zusammendrückbaren Flüssigkeit füllen sowie es unter einen Druck setzen, wie
er mit mechanischen Hilfsmitteln noch erreichbar ist (bis zu einigen iooo Atm.).
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Wesentlich weiter wird man kommen, wenn man diesen Vordruck nur stoßartig
erzeugt sowie unter Ausnutzung der Trägheit von Flüssigkeit und Wand und der mechanischen
Überbeanspruchbarkeit fester Körper in kurzen Zeiten.
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Zur Herstellung des gleichzeitigen Auftretens beider Vorgänge wird
man den Vorgang der Erzeugung des Vordrucks verhältnismäßig langzeitig im Vergleich
zu dem eigentlichen Entladungsprozeß wählen. Wenn z. B. die Dauer des Funkenentladungsvorganges
etwa 10-s Sek. beträgt, wird man die Dauer des Vordrucks etwa zu io-i Sek. wählen.
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Die Erzeugung des Vordrucks kann entweder mit dem Verfahren nach R
a m s a u e r , wo Zeiten von ungefähr io-i Sek. gerade erreicht werden können,
vorgenommen werden oder ebenfalls durch eine zweite länger dauernde Entladung, die
räumlich von der eigentlichen Funkenentladung getrennt ist.
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Zu ihrer Herstellung kann man sich mit Vorteil einer schnellaufenden
Dynamomaschine bedienen, die durch Entnahme elektrischer Energie in sehr kurzer
Zeit abgebremst wird und in Zeiten bis zu 111, Sek. Leistungen von der Größenordnung
i Million kW zu entnehmen erlaubt.
Die mit diesen Verfahren erzeugbaren
Temperaturen und Drucke sollen nun erfindungsgemäß angewendet werden zur Einleitung
von Kernreaktionen. Hierfür kommen insbesondere Elemente niederer Ordnungszahl in
Betracht, also Wasserstoff, schwerer Wasserstoff, Lithium und Bor.
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Die Reaktion, die mit den geringsten Hilf srnitteln einzuleiten ist,
ist die Reaktion eines schweren Wasserstoffkernes mit einem anderen schweren Wasserstoffkern.
In diesem Falle würde also entweder bei der Ramsauer Methode der Gewehrlauf, in
den hineingeschossen wird, mit Diplogengas gefüllt sein bzw. bei dem Funkenv erfahren
würde die Entladung in schwerem Wasser oder vielleicht einem Kohlenwasserstoff,
dessen Wasserstoffatome aus schwerem Wasserstoff bestehtn, stattfinden. Hierbei
bilden sich dann Neutronen, die natürlich in üblicher Weise zur Erzeugung radioaktiver
Elemente verwendet werden können. Es ist auch denkbar, daß Reaktionen von dem Gas
bzw. der Flüssigkeit mit Stoffen der Kammerwand bzw. in der Flüssigkeit suspendierter
Teilchen eingeleitet werden. Es sind aber bekanntlich zu allen Prozessen mit Elementen
höherer Ordnungszahl entsprechend höhere Temperaturen notwendig.
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Als weitere Reaktionen kommen in Frage die Reaktion von Wasserstoff
mit Lithium und Bor. Wenn es gelingt, überhaupt einmal so hohe Temperaturen zu erreichen,
daß Kernreaktionen in Gang kommen, so ist die Möglichkeit gegeben, die aus diesen
Reaktionen frei werdenden Energien wieder zu benutzen, um neue Stoffmengen auf die
nötige Reaktionstemperatur zu bringen.
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Im Falle des Arbeitens mit Gasen wird es erforderlich sein, beträchtliche
Drucke anzuwenden.
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Bei Reaktionen oder Radioaktivitäten, die mit der Emission schneller
geladener Korpuskeln verbunden sind, besteht die Möglichkeit, die Energie dieser
Teilchen auszunutzen, indem man sie in einem Vakuumentladungsgefäß für sehr hohe
Spannungen, insbesondere einem Ring oder Lamellenrohr, gegen ein elektrisches Feld
entsprechender Höhe anlaufen läßt. Als besondere Anwendungsgebiete der Strahlungen,
die bei Kernreaktionen bzw. künstlicher Radioaktivität auftreten, muß die Möglichkeit
der Wetterbeeinflussung durch Schaffung von Kondensationskernen in Luft, insbesondere
vom Flugzeug aus, erwähnt werden. Dabei wird es zweckmäßig sein, die Strahler in
möglichst großem Abstand vom Flugzeug zu halten (durch Nachschleppen).
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Außerdem kommen die Strahlungen von den erwähnten und anderen Kernreaktionen
für medizinische Zwecke in Frage. Dabei wird besonders eine schnelle Elektronenstrahlung
von Wert sein.
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Da bekanntlich das Geschwindigkeitsspektrum aller ß-Strahlungen kontinuierlich
ist und bis zu sehr geringen Geschwindigkeiten herabreicht, ist es erforderlich,
für den erwähnten Zweck eine solche Strahlenquelle immer in Verbindung mit einer
magnetischen Monochromatisierungseinrichtung zu verwenden.
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Als wesentlichster Punkt kommt ganz allgemein die Gewinnung von Energie
aus dein Atomkern in Frage, indem man z. B. die Wärmeentwicklung der auftretenden
Strahlen benutzt, um damit eine Wärmekraftmaschine zu betreiben.
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Hierbei ergibt sich die Möglichkeit, unter Verzicht auf großen -Nutzeffekt
Maschinen mit sehr großer Leistung pro Gewichtseinheit zu bauen.