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Verfahren zur Auslösung von Kernreaktionen zwischen ionisierten Teilchenströmen
im Vakuum Es ist bekannt, daß die Reaktionen leichter Atomkerne exoterm sind und
daß sich aus diesen Reaktionen Energie gewinnen läßt. Zwischen den Kernen sind jedoch
abstoßende Coulombkräfte vorhanden, so daß sie sich bei gewöhnlicher Temperatur
niemals genügend nähern, um miteinander reagieren zu können. Um nun eine Reaktion
zwischen zwei Kernen auszulösen, muß daher mindestens einer der reagierenden Kerne
elektrisch beschleunigt werden, so daß er den Coulombwall durchdringen kann, oder
die Kerne müssen auf eine genügend hohe, für eine Kernreaktion ausreichende Temperatur
gebracht werden.
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Die für die Beschleunigung aufzuwendende Energie ist bei vielen Reaktionen
größenordnungsmäßig 100mal kleiner als die freiwerdende Energie. Einer technischen
Ausnutzung stand aber bisher entgegen, daß man etwa 10 000 Teilchen beschleunigen
mußte, um beim Auftreffen auf ein Target eine Kernreaktion hervorzurufen, womit
die insgesamt gewonnene Energie ungefähr 100mal kleiner wird als die aufgewandte.
Der Energieverlust ist dabei im wesentlichen durch Wechselwirkung mit den Elektronen
oder in anderen Worten vorwiegend durch die Ionisation der Teilchen in einem Target
bedingt. Es ist daher zweckmäßig, die Reaktion zwischen ionisierten Teilchen ablaufen
zu lassen. Diese Tatsache ist seit längerem bekannt, und von ihr ist auch bereits
in einer Anordnung zur Herbeiführung von Kernreaktionen Gebrauch gemacht, in welcher
Teilchen gleicher oder verschiedener Art zum gleichzeitigen Umlauf auf einer Bahn
in verschiedener Richtung gebracht werden, damit sie auf einer langen Wegstrecke
Gelegenheit zum Zusammenstoß haben, wodurch die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten
einer Kernreaktion erhöht wird.
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Man kann nun die überwindung des Coulombwalles beim Zusammenstoß zweier
Kerne weiterhin dadurch unterstützen, daß man von der anziehenden Wirkung zweier
parallel gerichteter Stromfäden Gebrauch macht. Bei dieser anziehenden Wirkung besteht
kein Unterschied, ob es sich um Ströme in metallischen Leitern oder um Ströme von
Teilchen handelt. Diese Kraftwirkung hängt aufs engste mit dem Vorhandensein der
Lorentzkraft zusammen, die auf ein sich in einem Magnetfeld bewegendes Teilchen
eine Kraft ausübt, die auf der Bewegungsrichtung und auf dem Magnetfeld senkrecht
steht. Bei extrem starken Strömen verursacht sie den sogenannten Pinch-Effekt, der
sich in einer Kontraktion der Strombahn äußert. Der Charakter der Lorentzkraft ist
unabhängig davon, ob die Teilchengeschwindigkeiten klein sind gegenüber der Lichtgeschwindigkeit
oder nicht, lediglich die quantitativen Verhältnisse ändern sich infolge der relativistischen
Massenveränderlichkeit etwas. Bei dem vorliegenden Verfahren zur Auslösung von Kernreaktionen
zwischen ionisierten Teilchenströmen im Vakuum wird von dieser anziehenden Wirkung
von parallel gerichteten Stromfäden aufeinander in der Weise Gebrauch gemacht, daß
erfindungsgemäß derartige Ströme, bestehend aus Teilchen mit vorzugsweise verschiedenem
in gleicher Richtung eine Reaktionszone mit einer für die Auslösung von Kernreaktionen
hinreichenden Differenzgeschwindigkeit durchlaufen. Dabei wird erreicht, daß die
abstoßenden Coulombkräfte zumindesten teilweise durch die magnetischen Kräfte kompensiert
werden, womit die Streuung wesentlich verringert wird. Es wird also der Nachteil
des oben beschriebenen vorbekannten Verfahrens vermieden, daß die Wirkung der Coulombkräfte
durch die abstoßenden Kräfte zwischen antiparallelen Stromfäden noch erhöht wird,
was eine Streuung der Teilchen und eine erhebliche Verminderung der Reaktionswahrscheinlichkeit
verursacht.
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Eine weitere Verminderung der Wirkung des Coulombwalles ist dadurch
möglich, daß man zweckmäßig den ionisierten Teilchenströmen Elektronen zumischt.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, für die miteinander zur Reaktion zu bringenden
Teilchen in sich geschlossene Bahnkurven zu wählen. Das Gebiet der Bahnkurve, in
der die Teilchen miteinander reagieren können (Reaktionszone), kann sich dabei über
die
gesamte Bahnkurve oder auch nur über Teile der Bahnkurve erstrecken.
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Längs der Bahnkurve werden die Teilchenströme teilweise durch elektrische
Felder und/oder aber vorteilhaft auch durch magnetische Felder geführt. Dabei werden
zweckmäßig annähernd homogene Magnetfelder oder aber auch günstigerweise solche
Magnetfelder verwendet, deren Feldstärke sich mit dem Krümmungsradius der Bahnkurve
ändert.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung soll an Hand der in den Fig. 1 bis
11 wiedergegebenen schematischen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, ohne
damit jedoch die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele beschränken zu wollen.
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In Fig. 1 ist in nichtrelativistischer Näherung für ein homogenes
Magnetfeld und für zwei Teilchenströme, bestehend aus Teilchen mit der Masse m1
bzw. m2 und mit der Ladung Z1 bzw. Z2, die Abhängigkeit des Krümmungsradius r von
der Geschwindigkeit v von sich in diesem Magnetfeld mit der Geschwindigkeit
v senkrecht zum Kraftfluß B des Magneten bewegenden Teilchen dargestellt.
Man entnimmt der Fig. 1, daß für einen bestimmten Radius r beide Teilchenströme
auf der gleichen Kreisbahn mit einer bestimmten Differenzgeschwindigkeit vd laufen.
Der Radius, der beispielsweise in Fig.2 wiedergegebenen Teilchenbahnen wird so gewählt,
daß die der Differenzgeschwindigkeit vd zwischen den Teilchenströmen mit verschiedenem
entsprechende, für eine Kernreaktion verfügbare Differenzenergie, annähernd einer
Resonanzenergie für eine Kernreaktion zwischen den Teilchen der verschiedenen Ströme
entspricht.
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Betrachtet man als Beispiel eine Reaktion zwischen Deuterium- und
Tritiumkernen, so wird man beispielsweise eine derartige Differenzgeschwindigkeit
wählen, daß eine Kernreaktion entsprechend dem bei 100 keV liegenden Resonanzmaximum
des Wirkungsquerschnittes dieser Reaktion ermöglicht wird.
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In dem vorstehend beschriebenen Beispiel hat die Reaktionszone die
gleiche Gestalt wie die Bahnkurven der Teilchen, nämlich eine Kreisbahn. Die Teilchenströme
werden dabei vorteilhaft, wie oben beschrieben, durch elektrische und/oder durch
magnetische Felder auf der Bahnkurve geführt.
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In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel für eine vorteilhafte Bahnkurve
zur Durchführung des Verfahrens angegeben, dabei setzt sich die Reaktionszone, die
hier ebenfalls mit der Bahnkurve der Teilchen übereinstimmt, aus zwei Halbkreisen
10, 11 und zwei Geraden 12, 13 zusammen.
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In dem in Fig.4 angegebenen Beispiel hat die Reaktionszone 20 die
Gestalt einer Geraden, während die Teilchenbahnen sich jeweils unterschiedlich für
Teilchen mit verschiedenem
und/oder verschiedener Geschwindigkeit zur Bahnkurve I, bestehend aus den Halbkreisen
21, 22 und den Geraden 23, 20, bzw. zur Bahnkurve II, bestehend aus den Halbkreisen
31, 32 und den geraden Stücken 33 und 20, zusammensetzen. In diesem Fall macht die
Reaktionszone 20 nur einen Teil der Bahnkurve I bzw. II aus. Die Differenzgeschwindigkeit
ist ferner nicht derart gewählt, daß sich die Teilchenströme aus den Teilen 21,
31 bzw. 22, 32, die beispielsweise in einem annähernd homogenen Magnetfeld liegen,
auf einer Kurve mit dem gleichen Krümmungsradius bewegen.
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Auf den Geraden 23 bzw. 33 der Bahnkurven sind Mittel, beispielsweise
Elektroden 42, 43, 44, 45 zur Nachbeschleunigung oder Bremsung der Teilchenströme
vorgesehen, durch welche erzwungen wird, daß die Energie der miteinander zur Reaktion
zu bringenden Teilchen auf einem gewünschten Differenzwert gehalten wird. - Zur
Erläuterung dient die Fig. 9, in der die Anzahl N der Teilchen in Abhängigkeit von
ihrer kinetischen Energie E dargestellt ist. Für eine monoergetische Verteilung
erhält man jeweils eine Gerade 51 bzw. 52. Auf Grund der Wechselwirkungen der Teilchen
wird sich jedoch nach einer gewissen Zeit die Gerade 51 bzw. 52 in eine glockenartige
Kurve 53, 54 verbreitern, während durch die Wechselwirkungen der Teilchen mit verschiedener
Geschwindigkeit bewirkt wird, daß sich die Schwerpunkte der Kurve 53 bzw. 54 einander
nähern. Zur Vermeidung dieses Effektes werden, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise
Elektroden zur Nachbeschleunigung oder Bremsung der Teilchenströme vorgesehen.
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Es ist zweckmäßig, eine Anordnung derart zu treffen, daß durch die
bei den Kernreaktionen entstehenden Reaktionsprodukte weitere -sekundäre-Kernreaktionen
ausgelöst werden. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise bei der in Fig.4 dargestellten
Ausführungsform des Verfahrens die Reaktionszone 20 mit einem Mantel 60 umgeben,
in dem sich beispielsweise in gelöster Form Uran oder Thorium befindet, so daß als
sekundäre Kernreaktionen Kernspaltungen hervorgerufen und / oder Kernumwandlungen
erzwungen werden, bei denen insbesondere spaltbare Kerne entstehen.
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Es ist vorteilhaft, große Teilchenströme bei dem vorliegenden Verfahren
anzuwenden, damit in einer gegebenen Zeit möglichst viele Teilchen miteinander reagieren.
Daher werden insbesondere bei dem vorstehend-_beschriebenen Verfahren die ionisierten
Teilchen in eine zu der Bahnkurve, in der die Reaktionszone liegt (Reaktionsbahnkurve)
annnähernd parallel liegenden Bahnkurve eingeschossen. Als Einschußdauer wird dabei
die etwa gleich der einem Umlauf entsprechende Zeit gewählt. Ferner ist es günstig,
die Teilchen auf zwei symmetrisch zur Reaktionsbahnkurve liegende Bahnkurven einzuschießen.
Auf Grund ihrer magnetischen Wechselwirkungen werden sich dann die Einschußbahnkurven
zu einer Bahnkurve zusammenziehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß in der Reaktionsbahnkurve
ein kontinuierlicher Strom fließen kann und daß durch die für die Einschußbahnen
vorgesehenen Hilfsfelder die Teilchenströme in der Reaktionsbahnkurve praktisch
nicht gestört werden.
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Das Einschußverfahren der vorliegenden Art wird in den Fig. 5 bis
8 näher erläutert.
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In Fig. 5 ist in Draufsicht eine kreisförmige Einschußbahn dargestellt,
während in Fig.6 ein Querschnitt durch eine Einschußbahn gezeigt ist. Wie ersichtlich
hat die Einschußbahn 100 eine kreisförmige Gestalt, in die von einer Quelle 110
emittierte, durch Elektroden 111 auf eine gewünschte Energie vorbeschleunigten Teilchen
eingeschossen werden, dabei erfolgt die Einlenkung in die Einschußbahnkurve 100
durch Elektroden 120, 121, 122. Die zweite unterhalb der Kurve 100 liegende Einschußbahnkurve
sowie die Reaktionsbahnkurve sind in Fig. 6 nicht dargestellt.
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Die Einschußdauer wird etwa so groß gewählt, bis die Teilchen sich
den Elektroden wieder nähern. In diesem Fall werden die Hilfsfelder für das Einlenken
der Teilchen abgeschaltet und gewartet, bis die Einschußbahnkurven sich auf eine
zwischen diesen liegenden Reaktionsbahnkurve zusammengezogen haben.
Das
Zusammenziehen kann durch Hilfsfelder verstärkt werden, die zweckmäßig nur so lange
betrieben werden, bis sich ein genügend großer Strom in der Reaktionsbahnkurve ausgebildet
hat.
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In Fig.7 und 8 sind Beispiele für eine derartige Anordnung dargestellt.
Diese bestehen beispielsweise aus parallel verlaufenden, aus einem leitenden Material
bestehenden Elektroden 140, 141, 142, 143, die oberhalb und unterhalb der Reaktionsbahnkurve
150 sowie der Einschußbahnen 151, 152, bzw. in der Ebene der Reaktionsbahnkurve
150 angeordnet sind.
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Bei dem in Fig.8 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Hilfselektroden
die Gestalt eines toroidförmigen Rohres 144, dessen Gefäßwandungen elektrisch leitend
sind.
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Die von nicht dargestellten Strom- oder Spannungsquellen auf den Elektroden
140 bis 144 bzw. 145 erzeugten Felder bzw. Ströme werden in einigen Fällen während
des gesamten Betriebes aufrechterhalten, während in anderen Fällen diese nur beim
Anfahren der Anordnung verwendet werden, nämlich so lange, bis der Hauptteilchenstrom
einen derart großen Wert erreicht hat, daß das von diesem erzeugte magnetische Feld
für eine Anziehung der auf den Einschußbahnkurven laufenden Teilchen genügend groß
ist.
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Bei einem anderen zweckmäßigen Einschußverfahren werden die Teilchen
spiralförmig in die Reaktionsbahn eingeschossen, dabei hat die Einschußspirale für
den ersten Umlauf eine derartige Steigung, daß die Hilfsfelder für den Einlenkmechanismus
des Teilchenstrahls in die Einschußbahnkurve auf diesen nicht mehr störend wirken.
Auch in diesem Fall wird ein Zusammenziehen des Stromes in der Reaktionsbahnkurve
durch die magnetischen Kräfte von den in dieser Bahnkurve fließenden Teilchenströmen
bewirkt. Es ist zweckmäßig, symmetrische Einschußanordnungen, beispielsweise zwei
übereinander angeordnete Einschußbahnen, deren Spiralen entgegengesetzte Steigungen
haben, vorzusehen.
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In Fig. 10 ist eine solche Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
dargestellt, bei der beispielsweise in der Reaktionsbahnkurve ein pulsierender Strom
fließt. Die miteinander zur Reaktion zu bringenden Teilchen werden von zwei nicht
dargestellten Beschleunigungsanlagen unter Verwendung des vorstehend beschriebenen
Einschußverfahrens zur Erzeugung hoher Vakuumströme in die entsprechenden Bahnkurven,
die in einem evakuierten Raume 200 liegen, derart eingeschossen, daß diese auf den
Bahnkurven I und II im gleichen Sinne umlaufen, dabei werden sie in den gekrümmten
Teilen der Bahnkurve, nämlich den Halbkreisen 21, 22, 31, 32 durch in der Figur
nicht dargestellte, annähernd homogene Magnetfelder geführt werden. Die Einschußbahnen
für die geladenen Teilchen sind unter Verwendung entsprechender elektronenoptischer
Hilfseinrichtungen, wie auch beispielsweise die Pumpstutzen 210 und 211 der Vakuumanlage,
gewinkelt ausgeführt, so daß ein Austreten von hochbeschleunigten Teilchen aus einer
die Anordnung umgebenden, im Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Abschirmung
weitgehend unterdrückt wird.
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Die Teilchen, die in der Reaktionszone 20 entsprechend dem an Hand
der Fig. 4 erläuterten Verfahren miteinander reagieren, durchlaufen die Reaktionszone
20 in gleicher Richtung und werden nach dem Durchlaufen der Teile 22 bzw. 32 der
Bahnkurve von Elektroden 42 bis 45, die von nicht dargestellten Wechselspannungsquellen
gespeist werden, bei jedem Umlauf phasenfokussiert. Der Betrieb der Anordnung wird
derart ausgeführt, daß sich jeweils in der Reaktionszone 20 Impulse von Teilchen
mit einer vorgegebenen, für eine Kernreaktion hinreichenden bzw. gewünschten Geschwindigkeit
durchdringen. Die bei einer Kernreaktion in der Reaktionszone 20 entstehenden Reaktionsprodukte
werden dann an die Wandungen des zylindrischen Reaktionsgefäßes 26, das vorteilhaft
Lamellen 27 (Fig. 11) hat, geschleudert und bleiben in diesen unter Abgabe ihrer
Energie im wesentlichen stecken. Die in dem Reaktionsgefäß 26 erzeugte Wärme wird
durch ein Kühlmittel 220 abgeführt, welches durch eine Pumpe 221, zweckmäßig unter
Zwischenschaltung eines Wärmeaustauschers 222, umgepumpt wird.
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Es ist, günstig, für den Mantel zum mindesten für das Reaktionsgefäß
26 ein solches Material zu wählen, daß im Fall einer Reaktion z. B. zwischen Deuterium
und Tritium eine Neutronenvervielfachung, hervorgerufen durch sekundäre Kernreaktionen,
ermöglicht wird. Dies wird unter anderem durch die Verwendung von Materialien, welche
(n, 2n)-Reaktionen gestatten, erreicht.
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Es ist ferner günstig, das Reaktionsgefäß 26 mit einem Material zu
umgeben, in dem durch sekundäre Reaktionen die Energieausbeute erhöht wird. Zu diesem
Zweck kann man beispielsweise dem Kühlmittel 220 spaltbare oder Brutmaterialien
zufügen.
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Die vorstehend beschriebenen Verfahren und die vorstehend beschriebenen
Anordnungen eignen sich für verschiedene Kernreaktionen und sind nicht auf die beispielsweise
angeführte Reaktion zwischen Deuterium und Tritium beschränkt. So sind beispielsweise
Lithium und Wasserstoff zwei Teilchenarten, für die das obengenannte Verfahren ebenfalls
vorteilhaft ausgeführt werden kann.