WO2009094992A1 - Kernenergiewandler - Google Patents

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WO2009094992A1 PCT/DE2009/000101 DE2009000101W WO2009094992A1 WO 2009094992 A1 WO2009094992 A1 WO 2009094992A1 DE 2009000101 W DE2009000101 W DE 2009000101W WO 2009094992 A1 WO2009094992 A1 WO 2009094992A1
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Alfons Roschel
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21D7/00—Arrangements for direct production of electric energy from fusion or fission reactions
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11—Details
    • G21B1/19—Targets for producing thermonuclear fusion reactions, e.g. pellets for irradiation by laser or charged particle beams
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention disclosed in claim 1 addresses the problem of nuclear fission and / or nuclear fusion by laser beams, gamma rays or neutrons directly or indirectly, when only by laser beams gamma rays or neutrons are released to achieve sufficient energy efficiency. This is achieved by placing the material to be cracked or fused, further referred to as material of the sample, in a sample space of a specimen.
  • the specimen may be geometrically arbitrary.
  • one or more beam channels lead to the sample room, in which material of the sample to be irradiated by laser beams, gamma rays or neutrons is arranged.
  • One or more laser beams are directed onto the material of the sample via one or more beam channels, their focal points being aligned with the material of the sample.
  • the supplied laser energy and, in addition, the energies released from reactions of the building blocks of the atomic nucleus are stored.
  • nuclear fission and core fusion for a larger amount of material can be achieved than with the laser stripping of a sample suspended in the air alone. This increases the energy efficiency.
  • Gamma rays or neutrons can also be directed onto the material of the sample through the specimen or the beam channel (s) in order to trigger reactions in the atomic nucleus or the electron shell.
  • a coating in particular in the region of the rehearsal room, with yigfä ⁇ which deflects gamma rays, and / or material which slows down neutrons alone with od & r, can reproduce gamma rays and neutrons be redirected to the test.
  • a nuclear fission can be achieved in more material of the sample and, with a suitable arrangement, a nuclear fusion, whereby the energy efficiency increases.
  • the coating in the area of the sample room with materials that deflect gamma rays and deflect or decelerate neutrons can be done with the materials and methods already used in the state of the art in experiments in nuclear physics or the construction and further development of nuclear weapons become.
  • the materials for this coating can be incorporated in very small particles down to nanostructures to improve the deflection of gamma rays and neutrons as well as the deceleration of the latter.
  • the laser beam generates a plasma in the material of the sample.
  • a voltage U which can be varied between a positive maximum value + Umax and a negative maximum value -Umax, to the electrically conductive plasma of the material in the test room. If electrons are sucked out by the application of a positive voltage, the atom is weakened, which can have an advantageous effect on nuclear fission or nuclear fusion.
  • a negative voltage is applied to the plasma electrons are supplied, which can lead to more gamma radiation by Bremsstrahlung, which may also have an advantageous effect on the nuclear fission and nuclear fusion.
  • the specimen itself may be electrically conductive, so that the voltage applied to it 85 also applied to the conductive plasma of the sample compartment.
  • electrodes can be mounted in the test specimen, which extend into the test room and connect the plasma of the material of the sample with the voltage source U.
  • the application of a voltage can also be dispensed with and the sample can only be irradiated by lasers, gamma rays or neutrons.
  • lasers By attaching several beam channels, which are directed in the sample to the sample, several lasers can simultaneously irradiate the sample. Furthermore, several types of lasers can be used together with continuous jets or beam pulses, whereby more laser energy can be supplied to the material of the sample. This achieves a previously unattained energy density of the laser radiation. It is also possible to supply several beams of lasers via a beam channel. In addition, there is the additional option of using gamma rays and mu- trons. ' ⁇
  • the beam channels can be closed by one or more terminal bodies that are transparent to laser beams. This prevents or at least temporarily makes it difficult for energy or plasma to escape from the sample space through the jet channels. Thus, more laser energy can be supplied to the material of the sample.
  • the specimens may also be transparent or partially transparent so that the focus of the laser beam can be aligned with the material of the specimen.
  • the laser beams can be supplied to the test specimen through the beam channels directly or via 115 optical fibers connected to the beam channels.
  • the specimen can also be used to generate gamma rays or neutrons by laser beams from the material of the specimen. 120 There are many useful applications for such a source of gamma rays and neutrons.
  • the energy efficiency of nuclear fission and fusion is increased by laser beams. This releases more nuclear energy than energy needs to be supplied to the laser. This useful energy can then be used commercially in the state of the art. For this purpose,
  • the beam channel, into which the laser beam (s) enter runs within the specimen to the material of the sample in the rehearsal room. Several beam channels are guided from different directions to the material of the sample in the rehearsal room.
  • sealing bodies made of material which transmits laser beams are arranged at the beginning or end or in the course of the beam channels.
  • the material of the closure body is permeable to them.
  • a further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 4.
  • materials 160 are introduced around the sample space, which reflect gamma rays or reflect or decelerate neutrons. This can increase the number of nuclear fissions.
  • a further advantageous embodiment of the invention is indicated in Patentan 165 spoke 5.
  • a voltage U which can be varied between + Umax and -Umax, is applied to the electrically insulated test specimen, which itself is electrically conductive. Via the conductive test specimen, this voltage source is connected to the plasma of the material of the sample in the test room.
  • a further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 6.
  • the voltage U is fed via electrodes in the specimen to the plasma of the material of the specimen. About this voltage electrons are sucked or supplied from the plasma.
  • a further advantageous embodiment of the invention is indicated in patent 180 Speech 7.
  • the laser beam (s) are fed via optical fibers to the beam channels of the test specimen.
  • the light guides may be tuned in their length so that the focal points of the laser beams are in the material of the sample.
  • a further advantageous embodiment of the invention is specified in Patentantician 8.
  • gamma rays or neutrons are directed at the specimen or beam channels to irradiate the material of the specimen therewith. End bodies in the beam channels are designed to be permeable to gamma rays and neutrons.

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Abstract

In einem Probekörper sind ein oder mehrere Strahlkanäle angeordnet, durch die Laserstrahlen aus einem oder mehreren Lasern auf Material einer Probe in einem Proberaum gerichtet werden. Die Laserstrahlen erzeugen ein Plasma im Material der Probe und lösen Reaktionen im Atomkern oder der Elektronenhülle direkt oder indirekt aus. Diese Reaktionen führen zu einer Kernspaltung oder -Verschmelzung oder der Erzeugung von Gammastrahlen oder Neutronen. Weiterhin können dem Probekörper oder den Strahlkanälen Gammastrahlen oder Neutronen zugeführt werden, um die gleichen Reaktionen auszulösen. In den Strahlkanälen können Abschlußkörper ein Entweichen von Wärmeenergie oder Plasma verhindern oder verzögern. An den Probekörper oder in ihm liegenden Elektroden kann eine positive oder negative Spannung U angelegt werden, um Elektronen abzusaugen oder zuzuführen und die gewünschten Reaktionen zu begünstigen. Der Probekörper kann ganz oder teilweise durchsichtig sein, um die Brennpunkte der Laserstrahlen auf das Material der Probe einzustellen. Die Laserstrahlen können über Lichtleiter den Strahlkanälen zugeführt werden.

Description

Beschreibung, Kernenergiewandler
Zur Spaltung oder Verschmelzung von Atomkernen durch Laserstrahlen werden Laser hoher Leistung eingesetzt, ohne daß ein ausreichender Wirkungsgrad für eine energetische Nutzung erreicht wird. Dies liegt auch daran, daß das zu spaltende Material frei in der Luft aufgehängt ist. Wird es durch Laserstrahlen direkt oder über durch Laserstrahlen erzeugte Gammastrahlen, infolge Bremsstrahlung, oder Neutronen indirekt gespalten, erfolgt eine Kernexplosion der geringen Menge spaltba- ren Materials, wobei die abgegebene Energie geringer ist, als die dem Laser zugeführte. Nach der Explosion in der Luft steht keine Energie mehr für weitere Kernreaktionen zur Verfügung. Damit bleibt der Wirkungsgrad gering.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, Kernspaltung und/oder Kernverschmelzung durch Laserstrahlen, Gammastrahlen oder Neutronen direkt oder indirekt, wenn erst durch Laserstrahlen Gammastrahlen oder Neutronen freigesetzt werden, mit ausreichendem energetischen Wirkungsgrad zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht, daß das zu spaltende oder zu verschmelzende Material, weiterhin als Material der Probe bezeichnet, in einem Proberaum eines Probekörpers angebracht wird.
Der Probekörper kann geometrisch beliebig ausgebildet sein. In dem Probekörper führen ein oder mehrere Strahlkanäle zu dem Proberaum, in dem Material der Probe, das von Laserstrahlen, Gammastrahlen oder Neutronen bestrahlt werden soll, angeordnet ist. Auf das Material der Probe werden über einen oder mehrere Strahlkanä- Ie ein oder mehrere Laserstrahlen gerichtet, wobei deren Brennpunkte auf das Material der Probe ausgerichtet werden. Innerhalb des Probekörpers werden hierdurch die zugeführte Laserenergie und zusätzlich die aus Reaktionen der Bausteine des Atomkernes frei werdenden Energien gespeichert. Hierdurch können Kernspaltung und Kemverschmelzung für eine größere Menge Materials erreicht werden als bei der Laserbe- strarύung einer in der Luft aufgehängten Probe alleine. Damit steigt der energetische Wirkungsgrad.
Auch Gammastrahlen oder Neutronen können durch den Probekörper bzw. den oder die Strahlkanäle auf das Material der Probe gerichtet werden, um Reaktionen im Atomkern oder der Elektronenhülle auszulösen.
Durch die Bestrahlung des Materials der Probe mit Lasern können auch Gammastrahlen aus Bremsstrahlung entstehen und Neutronen freigesetzt werden. Beide Vorgänge können ebenfalls Kernspaltung auslösen". Bei geeigneter Anordnung von zu spaltendem und zu verschmelzendörii Material kann bekanntlich durch Kernspaltung auch Kemversc'ffmifzung ausgelöst werden. Dies kann auch in diesen Probekörpern errektrt wer- den. Es ist auch damit zu rechnen, daß bei der Erprobung dieser neuartigen Erfindung atomphysikalische Reaktionen auftreten, die feisja^r noch
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nipht bekannt sind.
eine Beschichtung, insbesondere im Bereich des Proberaums, mit yigfäήύ, das Gammastrahlen ablenkt, und/oder Material, das Neutronen aj?l€njit od&r abbremst, können Gam-mastrahlen und Neutronen wieder auf die Probe zurückgelenkt werden. Hierdurch kann in mehr Material der Probe eine Kernspaltung und bei geeigneter Anordnung eine Kernverschmelzung erreicht werden, wodurch der energetische Wirkungs- grad steigt.
Die Beschichtung im Bereich des Proberaums mit Materialien, die Gammastrahlen ablenken sowie Neutronen ablenken oder abbremsen, kann mit den Materialien und nach den Methoden erfolgen, die hiefiir nach dem Stand der Technik bei Versuchen in der Atomphysik oder dem Bau und der Weiterentwicklung von Kernwaffen bereits verwendet werden. Die Materialien für diese Beschichtung können in sehr kleinen Partikeln bis hin zu Nanostrukturen eingebracht werden, um die Ablenkung von Gammastrahlen und Neutronen sowie die Abbremsung letzte- rer zu verbessern.
Der Laserstrahl erzeugt im Material der Probe ein Plasma. Durch Anlegen einer Spannung U, die zwischen einem positiven Höchstwert +Umax und einem negativen Höchstwert -Umax verändert werden kann, an das elektrisch leitf&hige Plasma des Materials im Proberaum können Elektronen abgesaugt oder zugeführt werden. Werden durch das Anlegen einer positiven Spannung Elektronen abgesaugt, wird das Atom geschwächt, was sich vorteilhaft auf die Kernspaltung oder Kernverschmelzung auswirken kann. Bei Anlegen einer negativen Spannung werden dem Plasma Elektronen zugeführt, was zu mehr Gammastrahlung durch Bremsstrahlung fuhren kann, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Kernspaltung und Kernverschmelzung auswirken kann. Der Probekörper selbst kann elektrisch leitfahig sein, so daß die an ihn 85 angelegte Spannung auch am leitfahigen Plasma des Proberaumes anliegt. Falls der Probekörper oder die Beschichtung im Bereich des Proberaums nicht oder nicht ausreichend elektrisch leitfähig sind, können Elektroden im Probekörper angebracht werden, die bis in den Proberaum reichen und das Plasma des Materials der Probe mit der Span- 90 nungsquelle U verbinden. Auf das Anlegen einer Spannung kann auch verzichtet werden und die Probe nur durch Laser, Gammastrahlen oder Neutronen bestrahlt werden.
Durch das Anbringen mehrerer Strahlkanäle, die im Probekörper auf die 95 Probe gerichtet sind, können mehrere Laser gleichzeitig die Probe bestrahlen. Weiterhin können mehrere Arten von Lasern mit Dauerstrahlen oder Strahlimpulsen gemeinsam eingesetzt werden, womit dem Material der Probe mehr Laserenergie zugeführt werden kann. Damit wird eine bisher nicht erreichte Energiedichte der Laserstrahlung erzielt. Es JqSn- 100 nen auch mehrere Strahlen aus Lasern über einen Strahlkanal zugeführt werden. Hinzu kommt noch die Möglichkeit, Gammastrahlen und M§u- tronen zusätzlich einzusetzen. ' ι
Die Strahlkanäle können durch einen oder mehrere Abschlußkp?pe|> v-er- 105 schlössen werden, die für Laserstrahlen durchlässig sind. Dadurch wird verhindert oder zumindest kurzzeitig erschwert, daß Energie oder Plasma aus dem Proberaum durch die Strahlkanäle entweicht. Damit kann mehr Laserenergie dem Material der Probe zugeführt werden. 110 Die Probekörper können auch durchsichtig oder teilweise durchsichtig sein, damit der Brennpunkt des Laserstrahls auf das Material der Probe ausgerichtet werden kann.
Die Laserstrahlen können durch die Strahlkanäle unmittelbar oder über 115 an die Strahlkanäle angeschlossene Lichtleiter dem Probekörper zugeführt werden.
Der Probekörper kann auch dazu genutzt werden, Gammastrahlen oder Neutronen durch Laserstrahlen aus dem Material der Probe zu erzeugen. 120 Für eine derartige Quelle von Gammastrahlen und Neutronen bieten sich sehr viele Nutzanwendungen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Speicherung der Laserenergie der eintretenden Laserstrah-
125 lung, das Absaugen oder Zufuhren von Elektronen durch Anlegen einer positiven oder negativen Spannung U, dem Einsatz mehrerer, auch unterschiedlicher Arten von Lasern über einen oder mehrere Strahlkanäle mit oder ohne Abschlußkδrper sowie der Beschichtung im Bereich des Proberaums durch Einbringen von Materialien, die Gammastrahlen ab-
130 lenken und Neutronen ablenken oder abbremsen, der energetische Wirkungsgrad der Kernspaltung und -Verschmelzung durch Laserstrahlen erhöht wird. Damit wird mehr Kernenergie freigesetzt als Energie dem Laser zugeführt werden muß. Diese Nutzenergie kann dann gewerblich nach dem Stand der Technik genutzt werden. Hierzu werden fortlau-
135 fend, auch in nacheinander zugeführten Probekörpern Kernspaltungen und/oder -Verschmelzungen ausgelöst. Auch durch von außen zugeführ- te Gammastrahlen oder Neutronen können in den Probekörpern die oben geschilderten Reaktionen im Atom ausgelöst werden
140 Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 1 angegeben. Der Strahlkanal, in den der oder die Laserstrahlen eintreten, verläuft innerhalb des Probekörpers zum Material der Probe im Proberaum. Mehrere Strahlkanäle werden aus verschiedenen Richtungen zum Material der Probe im Proberaum gefuhrt.
145
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentan?- spruch 2 angegeben. Hierbei besteht der Probekörper aus durchsichtigem oder teilweise aus durchsichtigem Material, um die Lage des Brennpunktes der Laserstrahlen im Material der Probe überprüfen zu
150 können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 angegeben. Hierbei sind Abschlußkörper aus Material, das Laserstrahlen durchläßt, am Anfang oder Ende oder im Verlauf der Strahl- 155 kanäle angebracht. Bei der Bestrahlung mit Gammastrahlen oder Neutronen ist das Material der Abschlußkörper für diese durchlässig.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 4 angegeben. Hierbei werden um den Proberaum Materialien 160 eingebracht, die Gammastrahlen reflektieren oder Neutronen reflektieren oder abbremsen. Damit läßt sich die Anzahl der Kernspaltungen erhöhen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentan- 165 sprach 5 angegeben. Hierbei wird an dem elektrisch isoliert aufgestellten Probekörper, der selbst elektrisch leitfahig ist, eine Spannung U angelegt, die zwischen +Umax und -Umax verändert werden kann. Über den leitfahigen Probekörper ist diese Spannungsquelle mit dem Plasma des Materials der Probe im Proberaum verbunden. 170
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 6 angegeben. Bei nicht leϊtfahigem Material des Probekörpers 175 wird die Spannung U über Elektroden im Probekörper dem Plasma des Materials des Probekörpers zugeführt. Über diese Spannung werden Elektronen aus dem Plasma abgesaugt oder zugeführt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentan- 180 Spruch 7 angegeben. Hierbei werden der oder die Laserstrahlen über Lichtleiter den Strahlkanälen des Probekörpers zugeföhrt. Die Lichtleiter können in ihrer Lange so abgestimmt sein, daß die Brennpunkte der Laserstrahlen im Material der Probe liegen.
185 Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentansprach 8 angegeben. Hierbei werden Gammastrahlen oder Neutronen auf den Probekörper oder die Strahlkanäle gerichtet, um das Material der Probe damit zu bestrahlen. Abschlußkörper in den Strahlkanälen werden dabei für Gammastrahlen und Neutronen durchlässig ausgelegt.
190 Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1/1 dargestellt. Der Probekörper ist in zwei Quader 1 und 2 aufgeteilt. Im ersten Quader sind die Strahlkanäle 3 in einer Ebene angeordnet und mit Ab- schlußkörpern 4 versehen. Diese sind in der Zeichnung beispielhaft am
195 Anfang, Ende oder im Verlauf der Strahlkanäle eingezeichnet. In der Mitte des Probekörpers befindet sich der zylindrische Proberaum 5 für das Material der Probe. Um den Proberaum 5 sind Materialien 6 eingebracht, die Gammastrahlen ablenken und/oder Neutronen ablenken oder abbremsen. Die Spannung U wird über Elektroden 7 an das Plasma des
200 Materials der Probe angelegt. Der zweite Quader wird auf dem ersten etwa durch Verschrauben befestigt.

Claims

Patentansprüche
205 1. Kernenergiewandler zur Kernspaltung, Kernverschmelzung oder zur Erzeugung von Gammastrahlen und Neutronen durch Laserstrahlen,
dadurch gekennzeichnet,
210 daß in einen Probekörper zu einem Proberaum ein oder mehrere Strahlkanäle verlaufen, durch die Laserstrahlen aus einem oder mehreren Lasern auf Material einer Probe gerichtet werden.
2, Kernenergiewandler nach Anspruch 1, 215 dadurch gekennzeichnet,
daß 4er Probekörper ganz oder teilweise aus durchsichtigem Material besteht, wodurch die Brennpunkte der Laserstrahlen auf das Material der 220 Probe Ausgerichtet werden können.
3. Kernenergiewandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, 225 daß am Anfang oder Ende oder im Verlauf der Strahlkanäle Abschlußkörper angebracht sind, die für Laserstrahlen durchlässig sind.
4. Kernenergiewandler nach Anspruch 1,
230 dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich 4es Proberaums Materialien angeordnet werden, die Gammastrahlen reflektieren oder Neutronen reflektieren oder abbremsen. 235
5. Kernenergiewandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
240 daß an einem elektrisch leitfahigem Probekörper eine Spannung zwischen +Umax und -Umax angelegt werden kann, um Elektronen aus dem Plasma des Materials der Probe abzusaugen oder zuzuführen.
245 6. Kernenergiewandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem elektrisch nicht leitfahigen Probekörper Elektroden ange- 250 bracht werden, die bis an das Plasma des Materials der Probe reichen. An die Elektroden kann eine Spannung zwischen -HJmax und -Umax angelegt werden, um Elektronen aus dem Material des Plasma^iöer Probe abzusaugen oder zuzuführen.
255
7. Kernenergiewandler nach Anspruch i,
dadurch gekennzeichnet,
260 daß die Laserstrahlen den Strahlkanälen über Lichtleiter zugeführt werden, deren Länge so bemessen sein kann, daß der Brennpunkt der Laserstrahlen im Material der Probe liegt.
8. Kernenergiewandler nach Anspruch 1 und, soweit sinnvoll, den An- 265 Sprüchen 2, 3, 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß von außen Gammastrahlen oder Neutronen auf den Probekörper 270 oder in die Strahlkanäle gerichtet werden, um im Material der ft»obe Reaktionen im Atomkern oder der Elektronenhülle hervorzurufen, wobei mögliche Abschlußkörper in den Strahlkanälen für Gammastoäfetüjfö&er Elektronen durchlässig sind.
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