EP1000527A1 - Method for generating energy by controlled plasma-induced nuclear fusion and device for the implementation of said method - Google Patents

Method for generating energy by controlled plasma-induced nuclear fusion and device for the implementation of said method

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EP1000527A1
EP1000527A1 EP98954158A EP98954158A EP1000527A1 EP 1000527 A1 EP1000527 A1 EP 1000527A1 EP 98954158 A EP98954158 A EP 98954158A EP 98954158 A EP98954158 A EP 98954158A EP 1000527 A1 EP1000527 A1 EP 1000527A1
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EP
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plasma
magnetic field
ions
resonance
energy
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EP98954158A
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Jürgen ANDRÄ
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/16Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied electric and magnetic fields
    • H05H1/18Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied electric and magnetic fields wherein the fields oscillate at very high frequency, e.g. in the microwave range, e.g. using cyclotron resonance
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21B1/00Thermonuclear fusion reactors
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    • H05H1/10Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied magnetic fields only, e.g. Q-machines, Yin-Yang, base-ball
    • H05H1/14Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied magnetic fields only, e.g. Q-machines, Yin-Yang, base-ball wherein the containment vessel is straight and has magnetic mirrors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the invention relates to a method for generating energy with plasma-induced, controlled nuclear fusion according to the preamble of claim 1
  • Plasma-induced, controlled nuclear fusion is a technologically extremely complex, as yet unsolved problem (see Reference 1 U Schumacher, "Fusion Research", Scientific Book Society, Darmstadt, 1993, ISBN 3-534-10905-8).
  • the general approach is to ignite a high-density plasma ( Density n> 10 14 deuterons per cnr 3 ), which is heated to temperatures between 10 6 and 10 8 K in a fraction of a second and is then kept stable for as long as possible ⁇ , today typically reaching seconds
  • Deuterium-tritium fusion has the largest fusion cross-section and is therefore used as a fusion fuel for future ones Fusion reactors favored
  • the resulting high-energy neutrons (14 MeV) are disadvantageous both for the energy balance and from the perspective of long-term radioactive side effects.
  • the clean, neutron-free fusion could be achieved with the reaction p + ⁇ B - »3 x 4 He + 3 x 2 88 MeV which, at a significantly higher p-energy, has a smaller fusion cross-section than the deuterium-tritium reaction.
  • the proton-boron reaction should be carried out because of the favorable magnetic inclusion of protons, because of the favorable energy balance of its end products, and above all because of Missing radioactive side effects are taken into account.
  • the term ions is used in the following
  • the magnetic inclusion of the plasma is generated by permanent magnets or copper coil systems or superconducting magnetic coil systems with so-called MBM (minimum B magnetic field structures) (B is the magnitude of the magnetic field), several MBMs being arranged either in a straight line be or with an angular offset of 360 / N degrees and magnetic deflections of 360 / N degrees can be arranged so that N MBM result in a closed, N-square overall structure, b) the plasma heating permanently and very efficiently by RF wave absorption in the IZR (Ion Cyclotron Resonance) frequency is achieved in a resonance volume that is one Fills a fraction of at least 0 4% of the total plasma volume and selectively heats only the ions, whereby the penetration of the RF wave into the plasma either
  • MBM minimum B magnetic field structures
  • Electrode pairs of opposite, high-frequency alternating polarity comprising the plasma
  • the ion heating is supported by the fact that in the opposite direction to the so-called escape directions for ions from the magnetic structure, positive or negative ions are injected into the magnetic structure with energies which correspond to the order of magnitude of the optimal fusion energy
  • the electron (energy) temperature remains low compared to previous fusion machines.
  • a thermal imbalance can thus be achieved in favor of a high ion (energy) temperature compared to a relatively low electron (energy) temperature Reaching energies> 1 keV are considered to be bumpless in plasma densities up to 2 TO 14 cm "3 of the planned ITER, so that ion trajectory calculations under the influence of an electrical IZR- (ion cyclotron resonance) -HF- ( High-frequency) heating field provide a good description of the overall plasma.
  • the efficient, selective ion heating is achieved in that the magnetic confinement of the plasma takes place in an MBM with a large HF-IZR volume, as suggested, for example, by Alton and Smithe for EZR (electron cyclotron resonance) ion sources (see reference 2 GD Alton and DN Smithe, Review of Scientific Instruments, Vol 65, S 775-787 (1994)), and was first realized by me in an EZR ion source.
  • EZR electron cyclotron resonance
  • Such MBM are distinguished in that the resonance volume in which Bmm is constant except for deviations of plus or minus 1%, fills at least 0 4% of the total volume of the plasma chamber, whereas in previous and planned fusion machines the resonance volume was not considered at all and therefore only resonance surfaces with an extremely small resonance volume exist in a plasma chamber cylinder Long 1 and the radius r eg 1% of the total volume is achieved in a resonance volume with long 1/4 and radius r / 5, e.g. with long 1/2 u nd radius r / 2 to 12 5% and can be increased even further by further increasing these values if the necessary technical effort is accepted
  • the HF-IZR coupling at frequencies of the order of 1-200 MHz either
  • Electrode pairs of opposite, high-frequency alternating polarity comprising the plasma
  • the electrical difference frequency amplitude in the plasma is generated about nonlinear plasma interactions, which are particularly effective in dense plasmas, so that in these cases we can speak of EIIZRH (Electrically Induced IZR Heating).
  • EIIZRH Electroly Induced IZR Heating
  • the types (ii) and (iii) of selective ion heating do require large HF or microwave power, since only the induced electric field or the non-linearly generated electrical differential frequency amplitude is effective.
  • the overall balance of energy transfer to the ions is significantly more favorable than previous plasma heating processes due to the exploitation of the IZR in a large resonance volume
  • the probability of trapping therefore increases with the plasma density, with the IZR-HF field strength and with decreasing ion energy
  • a few percent probability of capturing makes the ion injection into an MBM much more advantageous than the technically and economically very complex injection of neutral particles into previous and planned fusion machines.
  • the efficiency of the IJMBM (ion injection into an MBM) proposed here is significantly increased by using negative ions, since this because of the neutralization in the outside area hen the plasma as temporary neutral particles penetrate into plasma areas, from which there are no longer any escape possibilities, before their further ionization
  • An MBM equipped with EIIZRH and IJMBM will therefore lead to such a high ion energy density in spatial proximity of B mm that for the first time a stationary EPFM (energy-producing fusion machine) can be built with dimensions that are clearly behind the planned dimensions from ITER, and even offers legitimate prospects of using the clean proton-boron fusion reaction
  • a quasi-axially symmetrical MBM with superconducting coils as shown in FIG. 1 can be constructed as an exemplary embodiment of a functional EPFM.
  • Superconducting ring coils (1) generate an axial mirror field, the axial component B z (2) of which on the axis of symmetry z (3) relative to the ordinate ( 4) is plotted, here three minima (5) of B z in the resonance volume (6) are realized.
  • the axial symmetry of the arrangement is disturbed by a magnetic multipole, here, for example, by a superconducting magnetic decapole, which can be carried out, for example, with 10 superconducting wire bundles (7) with alternating current directions, and which is necessary in order to Generate radial expansion of the resonance volume (6) and the radial increase in the amount of the magnetic field from the resonance volume (6).
  • the plasma chamber walls (8) are designed as electrodes (9), which are separated from the rest of the plasma chamber by insulators (10) and are connected together (11) in such a way that effective plasma pairs are formed, or the magnetic field structure with two antiparallel magnet coil pairs ( 12) an anti-parallel magnetic RF field is superimposed on the transverse electrical IZR RF field in the resonance volume n induced
  • the EIIZRH is supplemented by axial injection of ions (13) against the so-called escape cone directions and radial injection of ions (14) against radial escape directions, positive or even more advantageous negative ions being used.
  • the cylindrical plasma chamber (8) should be improved for the purpose Reduction of the plasma-wall interaction in the dashed form (15) shown only in cross-section AA is carried out, since then the maxima of the decapole magnetic field are not cut by material walls, with a further radial removal of the walls, for example in the case of the radial ion injection nozzle (16 ) should be aimed for, whenever and wherever the ring coils (1) allow this
  • the efficiency of the axial ion injection is increased by, for example, arranging several MBMs of FIG. 1 linearly in succession, as is shown schematically in FIG. 2. As a result, the ions which are lacking a collision or because of too little IZR-HF interaction become the first MBM leave again on the opposite side, shot into the second, third, etc. MBM The efficiency of the IJMBM is doubled, tripled, etc. in the first approximation. This arrangement also halves, divides, etc. any axial plasma losses
  • Such axial plasma losses can be completely avoided, for example, by arranging a number N of MBM of FIG. 1 in the form of an N-corner with N magnetic deflections by 360 / N degrees, as is shown schematically in FIG. 3.
  • the axial IJMBM is then no longer true possible, but can be replaced by radial IJMBM

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Abstract

The invention relates to a method for generating energy by controlled plasma-induced nuclear fusion and to a device for the implementation of the inventive method. Unlike suggested in large-scale fusion research, the inventive method provides for the ions to be heated selectively with ion cyclotron resonance by means of an electrical, resonant high frequency field impregnating the plasma in a large resonance volume containing at least 0.4 % of the total plasma volume. The intensity of the resonance magnetic field in the resonance volume remains constant, the differences being no greater or smaller than 1 %. The magnetic field strength from the resonance volume increases in all external directions. This enables efficient, selective ion heating whilst the electrons are cold. In contrast with existing and projected fusion plasma machines, ions with high kinetic energy in the spatial area of the minimum quantity of the magnetic field structure can be stored over a long period of time with little technical and economic expenditures and in relatively small volumes so that a stationary controllable fusion energy yield is achieved, whereby the heating of ions can be increased by inserting ions in the magnetic field structure.

Description

Verfahren zur Energiegewinnung mit plasmainduzierter, kontrollierter Kernfusion sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Process for energy generation with plasma-induced, controlled nuclear fusion and device for carrying out the process.
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung mit plasmainduzierter, kontrollierter Kernfusion gemäß Oberbegriff des Anspruches 1The invention relates to a method for generating energy with plasma-induced, controlled nuclear fusion according to the preamble of claim 1
Plasmainduzierte, kontrollierte Kernfusion ist ein technologisch äußerst komplexes, bisher ungelöstes Problem (siehe Referenz 1 U Schumacher, " Fusionsforschung", Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 1993, ISBN 3-534-10905-8) Der allgemeine Ansatz ist die Zündung eines hochdichten Plasmas (Dichte n > 1014 Deuteronen pro cnr3), das in Bruchteilen einer Sekunde auf Temperaturen zwischen 106 und 108 K geheizt wird und dann über einen möglichst langen Zeitraum τ stabil gehalten wird, wobei heute typisch Sekunden erreicht werdenPlasma-induced, controlled nuclear fusion is a technologically extremely complex, as yet unsolved problem (see Reference 1 U Schumacher, "Fusion Research", Scientific Book Society, Darmstadt, 1993, ISBN 3-534-10905-8). The general approach is to ignite a high-density plasma ( Density n> 10 14 deuterons per cnr 3 ), which is heated to temperatures between 10 6 and 10 8 K in a fraction of a second and is then kept stable for as long as possible τ, today typically reaching seconds
Die hohen Temperaturen sind notwendig, um Deuterium-Kernen ausreichende kinetische Energie zu vermitteln, damit sie gegen die Coulomb-Abstoßung mit Tritium-Kernen fusionieren können Die Deuterium-Tritium- Fusion hat den größten Fusions-Wirkungsquerschnitt und wird deshalb als Fusions-Brennstoff für künftige Fusionsreaktoren favorisiertThe high temperatures are necessary in order to impart sufficient kinetic energy to deuterium nuclei so that they can fuse with tritium nuclei against Coulomb repulsion. Deuterium-tritium fusion has the largest fusion cross-section and is therefore used as a fusion fuel for future ones Fusion reactors favored
Die dabei auftretenden hochenergetischen Neutronen (14 MeV) sind aber sowohl für die Energiebilanz als auch aus der Sicht radioaktiver Langzeitnebenwirkungen von Nachteil Die saubere, neutronenfreie Fusion konnte mit der Reaktion p+ πB — » 3 x 4He + 3 x 2 88 MeV erreicht werden, die aber bei deutlich höherer p-Energie einen kleineren Fusionswirkungsquer- schnitt als die Deuterium-Tritium-Reaktion besitzt Trotz dieses Problems sollte die Protonen- Bor-Reaktion wegen des gunstigen magnetischen Einschlusses von Protonen, wegen der gunstigen Energiebilanz ihrer Endprodukte und vor allem wegen fehlender radioaktiver Nebenwirkungen in Betracht gezogen werden Für alle für die kontrollierte Kernfusion relevanten Ionen, wie z B positive Wasserstoff-, Deuterium-, Tritium-, 1 IBor- Ionen, u s w wird deshalb im folgenden der Begriff Ionen verwendetThe resulting high-energy neutrons (14 MeV) are disadvantageous both for the energy balance and from the perspective of long-term radioactive side effects. The clean, neutron-free fusion could be achieved with the reaction p + π B - »3 x 4 He + 3 x 2 88 MeV which, at a significantly higher p-energy, has a smaller fusion cross-section than the deuterium-tritium reaction. Despite this problem, the proton-boron reaction should be carried out because of the favorable magnetic inclusion of protons, because of the favorable energy balance of its end products, and above all because of Missing radioactive side effects are taken into account. For all ions relevant for controlled nuclear fusion, such as positive hydrogen, deuterium, tritium, 1 IBor ions, etc., the term ions is used in the following
Um das Plasma stabil zu halten, werden hohe Magnetfelder (Größenordnung 1 bis 10 T ) benotigt, die vor allem die Ausbreitung des Plasmas zu den Plasma-Kammerwanden verhindern soll, denn bei Plasmakontakt mit einer Wand verliert das Plasma seine Energie, d h es kühlt sich ab, und erzeugt Verunreinigungen des Plasmas mit Wandmaterial, die ebenfalls zu Energieverlusten des Plasmas führen Trotz optimierter Magnetfeldkonstruktionen, wie z B in To- kamaks oder Stelleratoren, können die Plasma- Wandwechselwirkungen prinzipiell nicht vermieden werden Zur Erzeugung des hohen Magnetfeldes geht man heute von der Kupferspulentechnik (z B Tokamak JET (Joint European Torus)) zu supraleitenden Spulen über, die vor allem für das längere Aufrechterhalten des Plasmas die wirtschaftlichere Losung darstellt (z B Stellerator Wendelstein VII X im Bau, Tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reac- tor) geplant)In order to keep the plasma stable, high magnetic fields (order of magnitude 1 to 10 T) are required, which should primarily prevent the plasma from spreading to the plasma chamber walls, because the plasma loses its energy when it comes into contact with a wall, ie it cools and creates contamination of the plasma with wall material, which also leads to energy loss of the plasma. In spite of optimized magnetic field constructions, such as in tokamaks or stellerators, the plasma-wall interactions cannot be avoided in principle To generate the high magnetic field, the transition today is from copper coil technology (e.g. Tokamak JET (Joint European Torus)) to superconducting coils, which are the more economical solution for long-term maintenance of the plasma (e.g. Stellerator Wendelstein VII X under construction, Tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) planned)
Die Energieverluste des Plasmas müssen durch aktive Heizung des Plasmas kompensiert werden Dazu wird bisher in Tokamaks die Ohmsche Heizung beim Einschalten des magnetischen Einschlußfeldes und die HF-EZRH (Hoch-Frequenz-Elektronen-Zyklotron-Resonanz- Heizung) verwendet, die vor allem die Elektronen heizen Für die direkte lonenheizung wird bisher die hochenergetische Neutralteilcheninjektion und die HF-IZRH (Hoch-Frequenz-Ionen- Zyklotron-Resonanz-Heizung) verwendet Letztere wird aber in bisherigen Fusionsmaschinen nicht optimiert, d h das Volumen, in dem das Magnetfeld die IZR-Bedingung erfüllt, ist ein sehr kleiner (<10~4) Volumenanteil des Gesamtplasmavolumens Außerdem hat sie den großen Nachteil, daß sie bei Frequenzen arbeiten muß, die von großvolumigen Plasmen reflektiert werden Sie ist deshalb bei Verwendung von Einkoppelantennen nur in den Randzonen großvolumiger Plasmen wirksam Die Summe aller Heizmethoden reicht bisher nicht aus, um das Plasma gegen alle Plasmaenergieverluste für die notwendigen Zeitdaueren auf ausreichende Temperaturen zu heizenThe energy losses of the plasma have to be compensated for by active heating of the plasma. To this end, the ohmic heating when the magnetic inclusion field is switched on and the HF-EZRH (high-frequency electron cyclotron resonance heating), which primarily use the electrons, have been used in tokamaks heating For direct ion heating, high-energy neutral particle injection and HF-IZRH (high-frequency ion cyclotron resonance heating) have been used so far, but the latter has not been optimized in previous fusion machines, ie the volume in which the magnetic field meets the IZR condition is a very small (<10 ~ 4 ) volume fraction of the total plasma volume. It also has the major disadvantage that it has to work at frequencies that are reflected by large-volume plasmas. It is therefore only effective in the edge zones of large-volume plasmas when using coupling antennas So far, the sum of all heating methods is not sufficient to reduce the plasma against all plasma generators Heating losses for the necessary periods of time to sufficient temperatures
Die Gesamtenergiebilanz dieser Zusammenhange führt zu dem technologisch und wirtschaftlich sehr fragwürdigen Resultat, daß nur eine Vergrößerung der bisher konzipierten Plasmafusionsmaschinen zu einer positiven Energiebilanz führen kann, d h daß nur gigantisch große Maschinen Aussicht daraufhaben, mehr Energie zu produzieren als zu verbrauchen (z B der geplante ITER)The overall energy balance of these relationships leads to the technologically and economically very questionable result that only an enlargement of the plasma fusion machines designed so far can lead to a positive energy balance, i.e. that only gigantic machines have the prospect of producing more energy than consuming (e.g. the planned one ITER)
Es stellt sich damit die Aufgabe, die Gesamtenergiebilanz von Fusionsplasmen neu zu überdenken und Losungen zu suchen, die mit geringerem technologisch-wirtschaftlichem Aufwand und vor allem kleineren Dimensionen zu Energie produzierenden Fusionsreaktoren führenIt is therefore the task to rethink the overall energy balance of fusion plasmas and to search for solutions that lead to energy-producing fusion reactors with less technological and economic effort and, above all, smaller dimensions
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß a) der magnetische Einschluß des Plasmas durch Permanentmagneten oder Kupferspulensysteme oder supraleitende Magnetspulensysteme mit sog MBM (Minimum-B- Magnetfeldstrukturen) (B ist der Betrag des Magnetfeldes) erzeugt wird, wobei mehrere MBM entweder geradlinig hintereinander angeordnet werden können oder mit einem Winkelversatz von 360/N Grad und magnetischen Umlenkungen um 360/N Grad so angeordnet werden können, daß N MBM eine geschlossene, N-eckige Geamtstruktur ergeben, b) die Plasmaheizung permanent und sehr effizient durch HF-Wellenabsorption bei der IZR- (Ionen-Zyklotron-Resonanz)-Frequenz in einem Resonanzvolumen erzielt wird, das einen Bruchteil von mindestens 0 4 % des Gesamtplasmavolumens ausfüllt und dabei selektiv nur die Ionen heizt, wobei das Eindringen der HF-Welle in das Plasma entwederThis object is achieved according to the invention in that a) the magnetic inclusion of the plasma is generated by permanent magnets or copper coil systems or superconducting magnetic coil systems with so-called MBM (minimum B magnetic field structures) (B is the magnitude of the magnetic field), several MBMs being arranged either in a straight line be or with an angular offset of 360 / N degrees and magnetic deflections of 360 / N degrees can be arranged so that N MBM result in a closed, N-square overall structure, b) the plasma heating permanently and very efficiently by RF wave absorption in the IZR (Ion Cyclotron Resonance) frequency is achieved in a resonance volume that is one Fills a fraction of at least 0 4% of the total plasma volume and selectively heats only the ions, whereby the penetration of the RF wave into the plasma either
(i) durch das Plasma umfassende Elektrodenpaare entgegengesetzter, hochfrequent wechselnder Polung(i) Electrode pairs of opposite, high-frequency alternating polarity comprising the plasma
(ii) oder durch ein raumlich strukturiertes, magnetisches HF-Wechselfeld erreicht wird, das der MBM überlagert ist und in den raumlichen IZR-Bereichen des Plasmas die für die Heizung notwendigen lokalen elektrischen HF-IZR-Felder induziert(ii) or is achieved by a spatially structured, magnetic HF alternating field, which is superimposed on the MBM and which induces the local electrical HF IZR fields necessary for heating in the spatial IZR areas of the plasma
(iii) oder durch Einstrahlen je zweier Mikrowellen erzielt wird, deren Frequenzen über der Plasmafrequenz liegen und deren Differenzfrequenz gleich der jeweiligen Ionen-Zyklotron- Resonanzfrequenz ist, wobei die Differenzfrequenz im Plasma über nichtlineare Plasmawechselwirkungen erzeugt wird, die vor allem bei dichten Plasmen wirksam werden c) die lonenheizung dadurch unterstutzt wird, daß in Gegenrichtung zu den sog Fluchtrichtungen für Ionen aus der Magnetstruktur heraus positive oder negative Ionen in die Magnetstruktur mit Energien eingeschossen werden, die der Größenordnung der optimalen Fusionsenergie entsprechen(iii) or by irradiation of two microwaves, the frequencies of which are above the plasma frequency and the difference frequency is equal to the respective ion cyclotron resonance frequency, the difference frequency in the plasma being generated via nonlinear plasma interactions, which are particularly effective in dense plasmas c) the ion heating is supported by the fact that in the opposite direction to the so-called escape directions for ions from the magnetic structure, positive or negative ions are injected into the magnetic structure with energies which correspond to the order of magnitude of the optimal fusion energy
Bei selektiver Ionen-Heizung bleibt die Elektronen-(Energie)-Temperatur gegenüber bisherigen Fusionsmaschinen klein Es kann damit ein thermisches Ungleichgewicht zugunsten hoher Ionen-(Energie)-Temperatur gegenüber relativ kleiner Elektronen-(Energie)-Temperatur erzielt werden Die Ionen können dann nach Erreichen von Energien > 1 keV als stoßfrei in Plasmadichten bis 2 TO14 cm"3 des geplanten ITER angesehen werden, so daß Ionen-Trajekto- rien-Berechnungen unter dem Einfluß eines elektrischen IZR-(Ionen-Zyklotron-Resonanz)-HF- (Hoch-Frequenz)-Heizfeldes eine gute Beschreibung des Gesamtplasmas liefern Solche Rechnungen angewandt auf eine elektrische IZR-HF-Heizung in einer MBM ergeben eine hohe, in raumlicher Nahe des B-Minimums lokalisierte Ionenenergiedichte, die über den Ionen- Zyklotron-Radius nur durch die radiale raumliche Dimension des Plasmas und die Starke des magnetischen Einschlusses begrenzt ist Durch die IZR-HF-Heizung mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht auf den Magnetfeldlinien gewinnen die Ionen vor allem Rotationsenergie um die Magnetfeldlinien, so daß der Ionenverlust in sog Fluchtrichtungen aus der MBM heraus wegen ihres dann großen magnetischen Moments vernachlassigbar (') wird, so daß sich eine hohe, stabile, stationäre, lokalisierte Fusionsrate in raumlicher Nahe des Bmιn (B-Minimums) ergibt Wenn im Resonanzvolumen die Magnetfeldstarke im Rahmen der oben definierten Grenzen zu einer raumlichen Zone mit Bmιn abfallt, fuhrt das akkumulierte magnetische Moment sogar dazu, daß die Ionen eine Kraft in Richtung der raumlichen Zone von Bmm erfahren und dort in Gegenrichtung zum Feldgradienten komprimiert werden Diese Kompression wachst proportional zur Rotationsenergie der Ionen und führt damit zu einer umso höheren Ionendichte je hoher ihre Rotationsenergie ist, so daß gerade die Ionen mit den für die Fusion interessanten Energien in raumlich gut definierten Bereichen zu höherer Dichte komprimiert werden als der Dichte des umliegenden Plasmas Dieses Verhalten liefert nicht nur große Vorteile gegenüber bisherigen und geplanten Fusionsmaschinen, sondern zum ersten Mal eine wirklich kontrollierte Plasma-Fusions-Maschine, bei der die Fusions-Energieerzeugung kontinuierlich ablauft und bei der die Energieausbeute durch Regelung der Dichte der energiereichen Reaktionspartner kontrolliert werden kann Diese Regelung der Dichte kann durch Erzeugung elektrischer Wechselfelder mehrerer, um Größenordnung Prozent unterschiedlicher Frequenzen verbessert werden, da dann die Kompression der Ionen über größere Resonanzvolumina erreicht werden kann, die sich durch eine stärkere Variation des Magnetfeldes als nur plus und minus 1 % auszeichnen und sich mit anderen Frequenzen trotzdem vollständig in IZR bringen lassenWith selective ion heating, the electron (energy) temperature remains low compared to previous fusion machines. A thermal imbalance can thus be achieved in favor of a high ion (energy) temperature compared to a relatively low electron (energy) temperature Reaching energies> 1 keV are considered to be bumpless in plasma densities up to 2 TO 14 cm "3 of the planned ITER, so that ion trajectory calculations under the influence of an electrical IZR- (ion cyclotron resonance) -HF- ( High-frequency) heating field provide a good description of the overall plasma. Such calculations applied to an electrical IZR-HF heating in an MBM result in a high ion energy density, which is localized in spatial proximity to the B minimum, and which can only be achieved by the ion cyclotron radius The radial spatial dimension of the plasma and the strength of the magnetic confinement is limited by the IZR-HF heating with electrical field components In the magnetic field lines, the ions primarily gain rotational energy around the magnetic field lines, so that the loss of ions in so-called escape directions out of the MBM becomes negligible (') because of their then large magnetic moment, so that there is a high, stable, stationary, localized fusion rate in spatial proximity of B mιn (B-minimum) yields If Trash mιn to a spatial zone B in the resonant volume, the magnetic field strength within the limits defined above, the accumulated magnetic moment leads even to the fact that the ions experience a force in the direction of the spatial zone of Bmm and compressed there in the opposite direction to the field gradient.This compression grows in proportion to the rotational energy of the ions and thus leads to a higher ion density the higher their rotational energy is, so that the ions with the energies of interest for fusion in higher spatially well-defined areas have a higher density be compressed as the density of the surrounding plasma This behavior not only provides great advantages compared to previous and planned fusion machines, but for the first time a really controlled plasma fusion machine, in which the fusion energy generation takes place continuously and in which the energy yield by regulating the Density of the high-energy reactants can be controlled This regulation of the density can be improved by generating alternating electrical fields of several frequencies, by order of magnitude percent different, since then the compression of the ions can be achieved over larger resonance volumes, which is due to a greater variation of the magnetic field than just plus and minus 1% and can still be completely brought into IZR with other frequencies
Die effiziente, selektive Ionen-Heizung wird dadurch erreicht, daß der magnetische Einschluß des Plasmas in einer MBM mit großem HF-IZR- Volumen erfolgt, wie sie z B von Alton und Smithe für EZR-(Elektronen-Zyklotron-Resonanz)-Ionenquellen vorgeschlagen (siehe Referenz 2 G D Alton und D N Smithe, Review of Scientific Instruments, Vol 65, S 775-787 (1994)), und von mir zuerst in einer EZR-Ionenquelle realisiert wurde Solche MBM sind dadurch ausgezeichnet, daß das Resonanzvolumen, in dem Bmm bis auf Abweichungen von plus oder minus 1 % konstant ist, mindestens 0 4 % des Gesamtvolumens der Plasmakammer ausfüllt, wahrend in bisherigen und geplanten Fusionsmaschinen das Resonanzvolumen überhaupt nicht in Erwägung gezogen wurde und deshalb nur Resonanzoberflachen mit extrem kleinem Resonanzvolumen existieren In einem Plasmakammerzylinder der Lange 1 und des Radius r wird z B 1 % des Gesamtvolumens in einem Resonanzvolumen mit Lange 1/4 und Radius r/5 erreicht, das z B mit Lange 1/2 und Radius r/2 auf 12 5 % und durch weitere Vergrößerung dieser Werte noch weiter gesteigert werden kann, wenn der notwendige technische Aufwand in Kauf genommen wirdThe efficient, selective ion heating is achieved in that the magnetic confinement of the plasma takes place in an MBM with a large HF-IZR volume, as suggested, for example, by Alton and Smithe for EZR (electron cyclotron resonance) ion sources (see reference 2 GD Alton and DN Smithe, Review of Scientific Instruments, Vol 65, S 775-787 (1994)), and was first realized by me in an EZR ion source. Such MBM are distinguished in that the resonance volume in which Bmm is constant except for deviations of plus or minus 1%, fills at least 0 4% of the total volume of the plasma chamber, whereas in previous and planned fusion machines the resonance volume was not considered at all and therefore only resonance surfaces with an extremely small resonance volume exist in a plasma chamber cylinder Long 1 and the radius r eg 1% of the total volume is achieved in a resonance volume with long 1/4 and radius r / 5, e.g. with long 1/2 u nd radius r / 2 to 12 5% and can be increased even further by further increasing these values if the necessary technical effort is accepted
Da die Plasmafrequenz bei hoher Elektronendichte von etwa 2 1014 cm"3 die Größenordnung 100 GHz erreicht und elektrische Wellen niedrigerer Frequenz nicht in ein solches Plasma eindringen können, muß die HF-IZR-Einkopplung bei Frequenzen der Größenordnung 1-200 MHz entwederSince the plasma frequency at high electron density of about 2 10 14 cm "3 reaches the order of 100 GHz and electrical waves of a lower frequency cannot penetrate such a plasma, the HF-IZR coupling at frequencies of the order of 1-200 MHz either
(i) durch das Plasma umfassende Elektrodenpaare entgegengesetzter, hochfrequent wechselnder Polung(i) Electrode pairs of opposite, high-frequency alternating polarity comprising the plasma
(ii) oder durch raumlich strukturierte, magnetische HF-Wechselfelder erfolgen, die der MBM überlagert sind und in den raumlichen IZR-Bereichen des Plasmas die für die Heizung notwendigen lokalen elektrischen HF-IZR-Felder induzieren(ii) or by spatially structured, magnetic HF alternating fields, which are superimposed on the MBM and induce the local electrical HF IZR fields necessary for heating in the spatial IZR areas of the plasma
(iii) oder durch Einstrahlen je zweier Mikrowellen erzielt wird, deren Frequenzen fι und f über der Plasmafrequenz liegen und deren Differenzfrequenz f -fι gleich der jeweiligen Ionen- Zyklotron-Resonanzfrequenz ist, wobei die elektrische Differenzfrequenzamplitude im Plasma über nichtlineare Plasmawechselwirkungen erzeugt wird, die vor allem bei dichten Plasmen wirksam werden, so daß in diesen Fallen von EIIZRH (Elektrisch Induzierter-IZR-Heizung) gesprochen werden kann Die Arten (ii) und (iii) der selektiven Ionen-Heizung benotigen zwar große HF- bzw Mikrowellen-Leistungen, da nur das induzierte elektrische Feld bzw die nichtlinear erzeugte elektrische DifFerenzfrequenzamplitude wirksam werden Die Gesamtbilanz der Energieübertragung auf die Ionen ist aber wegen des Ausnutzens der IZR in einem großen Resonanzvolumen deutlich gunstiger als bisherige Plasmaheizverfahren(iii) or by irradiating two microwaves each, the frequencies f and f of which are above the plasma frequency and the difference frequency f -f is equal to the respective ion cyclotron resonance frequency, the electrical difference frequency amplitude in the plasma is generated about nonlinear plasma interactions, which are particularly effective in dense plasmas, so that in these cases we can speak of EIIZRH (Electrically Induced IZR Heating). The types (ii) and (iii) of selective ion heating do require large HF or microwave power, since only the induced electric field or the non-linearly generated electrical differential frequency amplitude is effective. However, the overall balance of energy transfer to the ions is significantly more favorable than previous plasma heating processes due to the exploitation of the IZR in a large resonance volume
Für Bmιn von etwa 2 8(2 0) T können Deuteronen(Protonen) mit Energien von 100 keV bei einem Plasmakammerduchmesser von 400 mm sehr gut im raumlichen Bereich Bm, konzentriert werden, wobei die Energieverteilung bei selektiver EIIZRH keineswegs einer Maxwell- Boltzmann- Verteilung entspricht, wie sie bisher bei Fusionsmaschinen angenommen wird Diese Energieverteilung kann weiter zugunsten hoher Ionenenergien durch Einschuß von Ionen hoher Energie verschoben werdenFor B min of about 2 8 (2 0) T, deuterons (protons) with energies of 100 keV with a plasma chamber diameter of 400 mm can be very well concentrated in the spatial region Bm, whereby the energy distribution with selective EIIZRH is in no way a Maxwell-Boltzmann Distribution corresponds to what was previously assumed in fusion machines. This energy distribution can be shifted further in favor of high ion energies by the injection of ions of high energy
Da jede MBM Fluchtrichtungen (-kegel) for Ionen aus der Magnetstruktur heraus besitzt, können diese Richtungen auch umgekehrt werden und for den Einschuß von Ionen in die MBM verwendet werden So eingeschossene Ionen wurden die MBM allerdings auf der Gegenseite sofort wieder verlassen, es sei denn ein Stoß mit einem Plasmateilchen oder die Wechselwirkung mit dem IZR-HF-Feld lenkt sie aus diesen Richtungen ab und fohrt so zum Einfang der Ionen in das Plasma Die Einfangwahrscheinlichkeit nimmt daher mit der Plasmadichte, mit der IZR-HF-Feldstarke und mit abnehmender Ionenenergie zu Schon wenige Prozent Einfangwahrscheinlichkeit machen den Ioneneinschuß in eine MBM wesentlich vorteilhafter als die technisch-wirtschaftlich sehr aufwendige Neutralteilcheninjektion in bisherige und geplante Fusionsmaschinen Die Effizienz der hier vorgeschlagenen IJMBM (Ionen-Injektion in eine MBM) wird deutlich durch Verwenden negativer Ionen erhöht, da diese wegen der Neutralisierung in den Außenbereichen des Plasmas als vorübergehende Neutralteilchen vor ihrer weiteren Ionisierung in Plasmabereiche vordringen, aus denen keine Fluchtmoglichkeiten mehr bestehenSince every MBM has directions of escape (cone) for ions from the magnetic structure, these directions can also be reversed and used for the injection of ions into the MBM. However, ions injected in this way were immediately left of the MBM, unless an impact with a plasma particle or the interaction with the IZR-HF field deflects them from these directions and thus leads to the trapping of the ions in the plasma. The probability of trapping therefore increases with the plasma density, with the IZR-HF field strength and with decreasing ion energy Already a few percent probability of capturing makes the ion injection into an MBM much more advantageous than the technically and economically very complex injection of neutral particles into previous and planned fusion machines.The efficiency of the IJMBM (ion injection into an MBM) proposed here is significantly increased by using negative ions, since this because of the neutralization in the outside area hen the plasma as temporary neutral particles penetrate into plasma areas, from which there are no longer any escape possibilities, before their further ionization
Eine mit EIIZRH und IJMBM ausgestattete MBM wird also zu so hoher Ionenenergie- dichte in raumlicher Nahe von Bmm fuhren, daß zum ersten Mal ein stationäre, EPFM (Energie produzierende Fusions-Maschine) mit Dimensionen gebaut werden kann, die deutlich hinter den geplanten Dimensionen von ITER zurückbleiben, und sogar berechtigte Aussicht bietet, die saubere Protonen-Bor-Fusionsreaktion einzusetzenAn MBM equipped with EIIZRH and IJMBM will therefore lead to such a high ion energy density in spatial proximity of B mm that for the first time a stationary EPFM (energy-producing fusion machine) can be built with dimensions that are clearly behind the planned dimensions from ITER, and even offers legitimate prospects of using the clean proton-boron fusion reaction
Als Ausfohrungsbeispiel for eine funktionsfähige EPFM kann eine quasi-axialsymmetrische MBM mit supraleitenden Spulen wie in Fig 1 aufgebaut werden Supraleitende Ringspulen (1) erzeugen ein axiales Spiegelfeld, dessen axiale Komponente Bz (2) auf der Symmetrieachse z (3) relativ zur Ordinate (4) aufgetragen ist, wobei hier drei Minima (5) von Bz im Resonanz- volumen (6) realisiert sind Die Axialsymmetrie der Anordnung wird durch einen magnetischen Multipol, hier z B durch einen supraleitenden magnetischen Dekapol gestört, der z B mit 10 supraleitenden Drahtbundeln (7) mit alternierenden Stromrichtungen ausgeführt werden kann, und der notwendig ist, um die radiale Ausdehnung des Resonanzvolumens (6) und den radialen Anstieg des Betrags des Magnetfeldes vom Resonanzvolumen (6) aus zu erzeugen Für die Erzeugung eines zur z- Achse transversalen elektrischen IZR-HF-Feldes im Resonanzvolumen (6) ist hier z B entweder ein Teil der Plasmakammerwande (8) als Elektroden (9) ausgeführt, die durch Isolatoren (10) vom Rest der Plasmakammer getrennt und so zusammengeschaltet (11) sind, daß das Plasma umfassende, effektive Elektrodenpaare entstehen, oder es wird der Magnetfeldstruktur mit zwei antiparallelen Magnetspulenpaaren (12) ein antiparalleles magnetisches HF-Feld überlagert, welches das transversale elektrische IZR-HF-Feld im Resonanzvolumen induziert Die EIIZRH wird durch axialen Einschuß von Ionen (13) entgegen den sog Fluchtkegelrichtungen und durch radialen Einschuß von Ionen (14) entgegen radialen Fluchtrichtungen ergänzt, wobei positive oder noch vorteilhafter negative Ionen Verwendung finden Die zylindrisch ausgeführte Plasmakammer (8) sollte zwecks verbesserter Reduktion der Plasma- Wandwechselwirkung in der nur im Querschnitt A-A gezeigten gestrichelten Form (15) ausgeführt werden, da dann die Maxima des Dekapolmagnetfeldes nicht von materiellen Wanden geschnitten werden, wobei eine noch weitere radiale Entfernung der Wände wie z B bei den radialen Ioneneinschußstutzen (16) anzustreben sind, wenn und wo immer die Ringspulen (1) dies erlaubenA quasi-axially symmetrical MBM with superconducting coils as shown in FIG. 1 can be constructed as an exemplary embodiment of a functional EPFM. Superconducting ring coils (1) generate an axial mirror field, the axial component B z (2) of which on the axis of symmetry z (3) relative to the ordinate ( 4) is plotted, here three minima (5) of B z in the resonance volume (6) are realized The axial symmetry of the arrangement is disturbed by a magnetic multipole, here, for example, by a superconducting magnetic decapole, which can be carried out, for example, with 10 superconducting wire bundles (7) with alternating current directions, and which is necessary in order to Generate radial expansion of the resonance volume (6) and the radial increase in the amount of the magnetic field from the resonance volume (6). For example, here is either a part of the generation of an electrical IZR-HF field transverse to the z-axis in the resonance volume (6) the plasma chamber walls (8) are designed as electrodes (9), which are separated from the rest of the plasma chamber by insulators (10) and are connected together (11) in such a way that effective plasma pairs are formed, or the magnetic field structure with two antiparallel magnet coil pairs ( 12) an anti-parallel magnetic RF field is superimposed on the transverse electrical IZR RF field in the resonance volume n induced The EIIZRH is supplemented by axial injection of ions (13) against the so-called escape cone directions and radial injection of ions (14) against radial escape directions, positive or even more advantageous negative ions being used. The cylindrical plasma chamber (8) should be improved for the purpose Reduction of the plasma-wall interaction in the dashed form (15) shown only in cross-section AA is carried out, since then the maxima of the decapole magnetic field are not cut by material walls, with a further radial removal of the walls, for example in the case of the radial ion injection nozzle (16 ) should be aimed for, whenever and wherever the ring coils (1) allow this
Die Effizienz des axialen Ioneneinschusses wird dadurch gesteigert, daß z B mehrere MBM der Fig 1 linear hintereinander angeordnet werden, wie in Fig 2 schematisch gezeigt wird Dadurch werden die Ionen, die mangels eines Stoßes oder wegen zu geringer IZR-HF- Wechselwirkung die erste MBM wieder auf der Gegenseite verlassen, in die zweite, dritte, u s w MBM eingeschossen Die Effizienz der IJMBM wird dadurch in erster Näherung verdoppelt, verdreifacht, u s w Außerdem werden durch diese Anordnung eventuelle axiale Plasmaverluste halbiert, gedrittelt, u s wThe efficiency of the axial ion injection is increased by, for example, arranging several MBMs of FIG. 1 linearly in succession, as is shown schematically in FIG. 2. As a result, the ions which are lacking a collision or because of too little IZR-HF interaction become the first MBM leave again on the opposite side, shot into the second, third, etc. MBM The efficiency of the IJMBM is doubled, tripled, etc. in the first approximation. This arrangement also halves, divides, etc. any axial plasma losses
Solche axialen Plasmaverluste können z B durch Anordnung einer Zahl N von MBM der Fig 1 in Form eines N-Ecks mit N magnetischen Umlenkungen um 360/N Grad völlig vermieden werden, wie in Fig 3 schematisch gezeigt wird Die axiale IJMBM ist dann zwar nicht mehr möglich, kann aber durch radiale IJMBM ersetzt werden Such axial plasma losses can be completely avoided, for example, by arranging a number N of MBM of FIG. 1 in the form of an N-corner with N magnetic deflections by 360 / N degrees, as is shown schematically in FIG. 3. The axial IJMBM is then no longer true possible, but can be replaced by radial IJMBM

Claims

Patentansprücheclaims
1) Verfahren zur Energiegewinnung mit plasmainduzierter, kontrollierter Kernfusion durch die Erzeugung eines elektronisch gezündeten und magnetisch eingeschlossenen Plasmas in einer Plasmakammer, in der das for die Plasmaerzeugung notwendige Vakuum erzeugt wird und in die die for die Kernfusion notwendigen Teilchen, wie z.B. Deuterium und Tritium for die D + T -> He + n Reaktion oder Wasserstoff und Bor for die p + πB - 3 x He Reaktion, deren positive Ionen im folgenden unter dem Begriff Ionen zusammengefaßt werden, mit ausreichender Dichte eingelassen werden, in die elektromagnetische Hochfrequenzwellen eingekoppelt werden und in die Neutralteilchenstrahlen mit Energien der Größenordnung bei dem Maximum des Fusionswirkungsquerschnittes eingeschossen werden, damit die Plasmateilchen elektromagnetisch oder durch Stöße bis zu so hohen Energien geheizt werden, daß sie ausreichende Wirkungsquerschnitte for Energie freisetzende Fusions-Kernreaktionen erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Einschluß des Plasmas in einer durch Permanentmagneten, stromdurch- flossene Kupferspulensysteme, supraleitende Spulensysteme oder durch eine Kombination dieser drei Methoden erzeugten Magnetfeldstruktur erfolgt, die im Innern durch ein Minimum des Betrages des Magnetfeldes Bmin ausgezeichnet ist, das seinerseits in einem sog. Resonanzvolumen liegt, in dem B^bis auf Abweichungen von plus oder minus 1 % konstant ist, das mindestens 0.4 % des Gesamtvolumens der Plasmakammer ausfüllt, wobei vom Resonanzvolumen aus der Betrag des Magnetfeldes in alle Richtungen nach außen hin zunimmt, so daß in diesem Resonanzvolumen for ein möglichst hohes Bmύ, die Ionen-Zyklotron-Resonnanz-Bedingung mit den genannten Abweichungen for dem Plasma aufgeprägte, hochfrequente, elektrische Wechselfelder erfüllt ist, damit die Ionen durch die resonante Wechselwirkung mit diesen Wechselfeldern im großen Resonanzvolumen sehr effizient und selektiv geheizt werden, so daß vor allem die Ionen kinetische Energie gewinnen und nicht die Elektronen, wobei das somit erzielte, große magnetische Moment der Ionen im Feldgradienten des Magnetfeldes die Ionen in Richtung des Minimums des Magnetfeldes zu großer Dichte komprimiert.1) Process for generating energy with plasma-induced, controlled nuclear fusion by generating an electronically ignited and magnetically enclosed plasma in a plasma chamber in which the vacuum necessary for the plasma generation is generated and in which the particles necessary for the nuclear fusion, such as deuterium and tritium for the D + T -> He + n reaction or hydrogen and boron for the p + π B - 3 x He reaction, the positive ions of which are summarized below under the term ions, are let in with sufficient density into which electromagnetic high-frequency waves are coupled and are injected into the neutral particle beams with energies of the order of magnitude at the maximum of the fusion cross section, so that the plasma particles are heated electromagnetically or by shocks up to such high energies that they achieve sufficient cross sections for energy-releasing fusion nuclear reactions, characterized that the magnetic confinement of the plasma takes place in a magnetic field structure generated by permanent magnets, copper coil systems through which current flows, superconducting coil systems or by a combination of these three methods, which is characterized on the inside by a minimum of the amount of the magnetic field B min , which in turn is in a so-called Resonance volume is in which B ^ is constant except for deviations of plus or minus 1%, which fills at least 0.4% of the total volume of the plasma chamber, the magnitude of the magnetic field increasing in all directions from the resonance volume, so that in this Resonance volume for the highest possible Bmύ, the ion cyclotron resonance condition with the above-mentioned deviations for the plasma-imposed, high-frequency, electrical alternating fields is fulfilled, so that the ions are heated very efficiently and selectively by the resonant interaction with these alternating fields in the large resonance volume so that above all the ions gain kinetic energy and not the electrons, the large magnetic moment of the ions thus obtained in the field gradient of the magnetic field compressing the ions to a high density in the direction of the minimum of the magnetic field.
2) Verfahren nach Anspruch 1 for die Energiegewinnung mit plasmainduzierter, kontrollierter Kernfusion, dadurch gekennzeichnet, daß das hochfrequente elektrische Wechselfeld im Resonanzvolumen des Plasmas durch das Plasma umfassende Elektrodenpaare entgegengesetzter und hochfrequent wechselnder Polung erzeugt wird. 3) Verfahren nach Anspruch 1 for die Energiegewinnung mit plasmainduzierter, kontrollierter Kernfusion, dadurch gekennzeichnet, daß das hochfrequente elektrische Wechselfeld im Resonanzvolumen des Plasmas durch hochfrequente, mit Spulen realisierte magnetische Wechselfelder erzeugt werden, die im Resonanzvolumen des Plasmas elektrische Wechselfelder induzieren2) Method according to claim 1 for the generation of energy with plasma-induced, controlled nuclear fusion, characterized in that the high-frequency alternating electric field in the resonance volume of the plasma is generated by the plasma comprising electrode pairs of opposite and high-frequency alternating polarity. 3) Method according to claim 1 for the production of energy with plasma-induced, controlled nuclear fusion, characterized in that the high-frequency alternating electric field in the resonance volume of the plasma is generated by high-frequency, alternating magnetic fields realized with coils, which induce alternating electric fields in the resonance volume of the plasma
4) Verfahren nach Anspruch 1 for die Energiegewinnung mit plasmainduzierter, kontrollierter Kernfusion, dadurch gekennzeichnet, daß das hochfrequente elektrische Wechselfeld im Resonanzvolumen des Plasmas durch Einstrahlen zweier Mikrowellen erzielt wird, deren Frequenzen fi und f2 über der Plasmafrequenz liegen und deren Differenzfrequenz f -fι gleich der Ionen-Zyklotron-Resonanzfrequenz ist, wobei die elektrische Differenzfrequenzamplitude im Plasma über nichtlineare Plasmawechselwirkungen erzeugt wird4) Method according to claim 1 for the generation of energy with plasma-induced, controlled nuclear fusion, characterized in that the high-frequency alternating electric field in the resonance volume of the plasma is achieved by irradiation of two microwaves, the frequencies fi and f 2 of which are above the plasma frequency and the difference frequency f -fι is equal to the ion cyclotron resonance frequency, the electrical difference frequency amplitude in the plasma being generated via nonlinear plasma interactions
5) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ionen-Zyklotron-Resonanzfrequenzen eingestrahlt oder erzeugt werden, damit gleichzeitig Ionen verschiedener Masse oder verschiedener Ladung oder bei verschiedenen Magnetfeldstarken geheizt und komprimiert werden5) Device suitable for performing the method according to claims 1 to 4, characterized in that several ion cyclotron resonance frequencies are irradiated or generated so that ions of different mass or different charge or at different magnetic field strengths are heated and compressed at the same time
6) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstruktur so ausgefohrt ist, daß sich in ein und derselben Plasmakammer mehrere B^-Zonen mit entsprechenden Resonanzvolumina befinden, in denen jeweils oder gemeinsam hochfrequente elektrische Wechselfelder nach den in Ansprüchen 2 bis 5 angegebenen Methoden erzeugt werden6) Device suitable for carrying out the method according to claims 1 to 5, characterized in that the magnetic field structure is so designed that there are several B ^ zones with corresponding resonance volumes in the same plasma chamber, in each of which or together high-frequency electrical Alternating fields are generated according to the methods specified in claims 2 to 5
7) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstruktur so ausgefohrt ist, daß sich in den jeweiligen Resonanzvolumina mit sehr schwacher Abnahme des Betrages des Magnetfeldes zu B,™ hin kurz vor dem raumlichen Erreichen des Bmιn der Betrag des Magnetfeldes starker als 1 % abnimmt zu dem Wert Bmιn ' eines zweiten raumlich kleineren Resonanzvolumens, das also im ersten, großen Resonanzvolumen eingebettet ist, so daß bei Einstrahlen der Ionen-Zyklotron-Resonanzfrequenzen for Bπun die Ionen im großen Resonanzvolumen geheizt und durch Akkumuhern von magnetischem Moment raumlich zu Bπun getrieben werden, wo sie in das kleinere Resonanzvolumen mit Bπun fallen und dort in komprimierter Ionendichte durch Einstrahlen der Ionen-Zyklotron-Resonanzfrequenzen für Bmm ' weitergeheizt werden7) Device suitable for carrying out the method according to claims 1 to 6, characterized in that the magnetic field structure is so designed that in the respective resonance volumes with a very slight decrease in the amount of the magnetic field to B, ™ shortly before reaching spatially des B mιn the magnitude of the magnetic field decreases more than 1% to the value B mιn 'of a second spatially smaller resonance volume, which is therefore embedded in the first, large resonance volume, so that when the ion cyclotron resonance frequencies for Bπun are irradiated, the ions in large Resonance volume heated and by magnetic accumulators Moment are spatially driven to B πun , where they fall into the smaller resonance volume with Bπun and are further heated there in compressed ion density by irradiation of the ion cyclotron resonance frequencies for B mm '
8) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die raumlichen Bereiche der Maxima des Magnetfeldes längs der Fluchtrichtungen von Ionen aus den in den Ansprüchen 1, 6 und 7 definierten Magnetfeldstrukturen heraus von materiellen Wanden freigehalten werden8) Device suitable for performing the method according to claims 1 to 7, characterized in that the spatial areas of the maxima of the magnetic field along the escape directions of ions from the magnetic field structures defined in claims 1, 6 and 7 are kept clear of material walls
9) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 , 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ionen mit kinetischen Energien, die von der Größenordnung der Energie beim Maximum des ihnen entsprechenden Fusionswirkungsquerschnittes sind, in eine in den Ansprüchen 1 , 6 und 7 definierte Magnetfeldstruktur in Gegenrichtung zu den Fluchtrichtungen aus einer solchen Magnetfeldstruktur heraus eingeschossen werden9) Device suitable for carrying out the method according to claims 1, 6 and 7, characterized in that ions with kinetic energies, which are of the order of magnitude of the energy at the maximum of the corresponding fusion cross section, into one in claims 1, 6 and 7 Defined magnetic field structure in the opposite direction to the escape directions from such a magnetic field structure are shot
10) Vorrichtung geeignet für die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der in Ansprüchen 1, 6 und 7 definierten Magnetfeldstrukturen raumlich relativ zueinander so angeordnet werden, daß ein Teil ihrer Fluchtrichtungen ineinander übergeführt werden, wobei diese Überführung durch magnetische Zusatzfelder verbessert werden kann10) Device suitable for performing the method according to claims 1 to 9, characterized in that several of the magnetic field structures defined in claims 1, 6 and 7 are spatially arranged relative to each other so that a part of their escape directions are converted into one another, this transfer by additional magnetic fields can be improved
11) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der in den Ansprüchen 1, 6 und 7 definierten Magnetfeldstrukturen, die durch eineaxialsymmetrische Magnetfeldachse in raumlichen Bereichen bei Bmιn ausgezeichnet sind, längs dieser Symmetrieachse hintereinander angeordnet werden, so daß Plasmateilchen, die eventuell aus einer dieser Magnetfeldstrukturen im Winkelbereich ihres axialen Fluchtkegels austreten, in eine der benachbarten Magnetfeldstrukturen eintreten11) Device suitable for carrying out the method according to claims 1 to 10, characterized in that several of the magnetic field structures defined in claims 1, 6 and 7, which are characterized by an axially symmetrical magnetic field axis in spatial areas at B mιn , arranged one behind the other along this axis of symmetry are so that plasma particles, which may emerge from one of these magnetic field structures in the angular region of their axial escape cone, enter one of the adjacent magnetic field structures
12) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß N der in Ansprüchen 1, 6 und 7 definierten Magnetfeldstrukturen, die durch eine axialsymmetrische Magnetfeldachse im raumlichen Bereich bei Bmιn ausgezeichnet sind, jeweils um 360/N Grad relativ zu dieser Symmetrieachse versetzt hinterander angeordnet werden, so daß die N Magnetfeldstrukturen eine geschlossene N-Eck- Struktur bilden, wobei an den Ecken magnetische Zusatzfelder den eventuellen Übergang von Plasmateilchen zwischen benachbarten Magnetfeldstrukturen verbessern können.12) Device suitable for carrying out the method according to claims 1 to 11, characterized in that N of the magnetic field structures defined in claims 1, 6 and 7, which are characterized by an axially symmetrical magnetic field axis in the spatial area at B mιn , in each case by 360 / N Degrees relative to this axis of symmetry can be arranged offset one behind the other so that the N magnetic field structures form a closed N-corner structure, with at the corners Additional magnetic fields can improve the possible transition of plasma particles between neighboring magnetic field structures.
13) Vorrichtung geeignet for die Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtanlage zeitlich periodisch betrieben wird, wobei in einer ersten Heiz- und Kompressionsphase die Ionen zunächst bei konstanter Magnetfeldstruktur in den Resonanzvolumina geheizt und in in räumlichen Bereichen von Bmu, komprimiert werden und dann in einer zweiten Heiz- und Kompressionsphase die Magnetfeldstärke der gesamten Magnetfeldstruktur oder nur die Magnetfeldstruktur des räumlichen Bereichs um Bmin gesteigert wird, wobei die IZR-Frequenzen ebenfalls proportional zur Magnetfeldstärke gesteigert werden, um so eine maximale Energiedichtesteigerung der Ionen und damit eine maximale Fusionsenergieproduktion zu erreichen, die solange aufrechterhalten bleibt, bis die Fusionsenergieproduktion unter eine wählbare Schwelle absinkt, und wieder zur ersten Heiz- und Kompressionsphase zurückgekehrt wird. 13) Device suitable for performing the method according to claims 1 to 12, characterized in that the entire system is operated periodically in time, the ions being heated in a first heating and compression phase initially with a constant magnetic field structure in the resonance volumes and in spatial areas B mu, is compressed and is then increased, the magnetic field intensity of the total magnetic field structure or only the magnetic structure of the spatial region to B m i n in a second heating and compression phase, the IZR frequencies are also increased in proportion to the magnetic field strength, so as to provide maximum To increase the energy density of the ions and thus to achieve a maximum fusion energy production, which is maintained until the fusion energy production falls below a selectable threshold and is returned to the first heating and compression phase.
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