DE1464280A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzielung kontrollierter Atomkernverschmelzung - Google Patents

Description

Ing. Karl Nowak in Wien

Verfahren und "Einrichtung zur Erzielung kontrollierter Atomkernverschmelzung

Angemeldet am J

Priorität der Anmeldung in Österreich (A 4797-61) vom 21.6.1961 beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung kontrollierter Atomkernverachmelzung und eine zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Einrichtung und besteht darin, daß auf einen Strahl beschleunigter Atomionen, in welchem

3 die Abstände der Atomionen bereits wesentlich unter 10 cm und vorzugsweise in der Größenordnung 10 ^J cm liegen, ein Elektronenstrahl zur Einwirkung gebracht wird. Insbesondere wird unter Verwendung von zwei Strahlen gegeneinander beschleunigter, zur Verschmelzung bestimmter Atomionen auf die bereits in Kontakt stehenden Atomionenstrahlen ein freier Strahl von Elektronen gerichtet, dessen Stärke und/oder Zeitdauer kontrolliert wird.

Durch die Verschmelzung leichter Atomkerne ersoheint es gemäß der geltenden Theorie möglich, wesentlich größere Energieanteile freizusetzen, als durch die übliche Spaltung schwerer Kerne in den Atomreaktoren. Außerdem ist der hiefür besonders geeignete Wasserstoff als Energielieferant praktisch unbegrenzt vorhanden und es entfällt ferner das Problem der

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Beseitigung der in Kernreaktoren entstehenden gefährlichen Abfallaktivitäten.

Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Kernverschmelzung durch Kontraktion von Entladungsströmen (Pinch-Effekt) oder durch Gegeneinanderführung beschleunigter Atomionen, insbea. Wasserstoff- Deuterium- oder Tritiumionen zu erzielen. Besonders vorteilhaft erscheint dabei die Herbeiführung einer Begegnung der zur /Verschmelzung bestimmten Atomionen in eich überschneidenden Spiralbahnen (vgl. französische Patentschrift Nr. 1,243.242 des Anmelders ).

Der Anmelder hat nun erkannt, daß es möglich ist, die Herbeiführung der Verschmelzungsreaktion dadurch entscheidend zu begünstigen, daß die zur Verschmelzung bestimmten Atomionen,erst nachdem bereits eine starke Annäherung derselben erzielt ist, mit einem lilektronenstrom in Berührung gebracht werden.

Während sich freie Kernionen normalerweise durch Berührung mit Elektronen neutralisieren und einen Atomverband bilden, ist dies nach der Erkenntnis des Anmelders bei vorheriger genügend starker gegenseitiger Annäherung der Atomionen nicht mehr bzw. nicht mehr ausschließlich oder wesentlich der Fall. Vielmehr begünstigen die Elektronen in diesem Falle eine Kernverschmelzung, indem sie mit ihrer negativen Ladung als Bindeglied zwischen den positiven Atomionen wirken. Im Atomverband bewirken die umlaufenden Atomelektronen

eine Distanzierung der Atome auf einen Abstand von der

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Größenordnung 10" cm. Wird diese Distanz durch die Strahl-

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kontraktion, Wellenlänge und insbesondere Gegeneinanderführung beschleunigter Atomionen in Abwesenheit von Elektronen wesentlich unterschritten, insbesondere eine Annäherung

-I^ auf eine Distanz der Größenordnung 10 ^J cm oder weniger bzw. wenig darüber erreicht, so tritt wie erwähnt durch die erst dann erfolgende Zufuhr von Elektronen an die Stelle einer Distanzierungswirkung eine Verschmelzungswirkung für die Atomionen (also vorzugsweise für leichte Atomkerne oder deren Isotope) ein.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Zufuhr der Elektronen vorzugsweise in Form eines freien beschleunigten Elektronenstrahls, der auf äff Strahl von einander begegnenden, vorzugsweise· ineinander verschraubt bewegten Atomionen trifft. Die negativen Elektronen werden in diesen Strahl sozusagen eingesaugt und bewirken bzw. begünstigen Kernverschmelzung. Durch kurzzeitigen Zusatz geeigneter Elektronenportionen kann die Reaktion in jeder gewünschten Weise kontrolliert werden, wobei vorzugsweise auch die Atomionen portionsweise in den Reaktionsraum eingeführt werden.

Der Tirfindungsgegenstand wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 das angewendete erfindungsgemäße Prinzip, Fig. 2 ein Detail der zweckmäßigen Gestaltung des erfindungs gemäß en Verfahrens. In der Pig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch dargestellt.

Gemäß Fig. 1 treffen sich in einem Reaktionsrohr H zwei Strahlen J, und Jg beschleunigter Atomionen. Es

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werden vorzugsweise gleichartige und gleichstark "beschleunigte Atomionen verwendet, vorzugsweise Wasserstoff-, Deuteriumoder Tritiumionen. Die Beschleunigungsspannung kann zwischen einigen kV oder einigen hundert kV oder auch darüber betragen.

Nach dem Aufeinandertreffen der beiden Ionenstrahlen wird ein Elektronenstrahl E dieser gegeneinandergerichteten Ionenströmung zugeführt. Ss handelt sich zweckmäßig um einen freien Strahl beschleunigter Elektronen, ähnlich dem Strahl in einer Braun'sehen Röhre. Die Strahldimension ist zweckmäßig der Dimension der Ionenstrahlen.angeglichen, die Beschleunigungsspannung der Elektronenbewegung liegt z.B. in der Größenordnung 1000 V oder gegebenenfalls auch wesentlich höher. Die Zufuhr der beschleunigten Elektronen erfolgt vorteilhaft nur kurzzeitig und in kontrollierten kleinen Mengen, um die Reaktion unter Kontrolle zu halten. Auch die Ionenstrahlen selbst werden vorteilhaft aus dem gleichen Grund nur in kurzen Impulsen ausgesendet, also gewissermaßen in Portionen.

Die Ionenstrahlen J-, , ^Jp ' ^wer^^en vorteilhaft vor oder bei ihrem Aufeinandertreffen durch Spulen F, und Pp beeinflußt, welche gleichen Wirkungssinn d.h. einheitliche Feldrichtung besitzen, also von den Ionenstrahlen je in entgegengesetzter Polrichtung durchlaufen werden. Dies ist durch die Angabe der magnetischen Polungsrichtung NS - NS in der Zeichnung ersichtlich. Solche Spulen dieser gleichartigen Polungsrichtung befinden sich vorteilhaft auch schon vor dem Eingang der Beschleuniger. Die Wirkung der Spulen

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3?1 , F₂ erstreckt sich ferner zweckmäßig über den ganzen Reaktionsraum.

Gemäß Pig. 2 begegnen sich die Atomionen der beiden Ionenstrahlen J, und J₂ ^au^ gleichsinnigen Wendelbahnen, welche unter Verwendung einer einheitlichen magnetischen Feldrichtung NS - NS von Beeinflussungsspulen F, ,. P₂ erzielbar sind und auf Zylindermantelflächen verlaufen. In der Verschmelzungszone, wo sich diese Bahnen überschneiden, erfolgt der Zusatz des Elektronenstromes E . Die Elektronen werden dort von den 3Chlauchartigen, ineinanderfließenden Ionenströmungen deren positiven Potential zufolge gewissermaßen aufgesaugt und bewirken bzw. begünstigen als negative Bindeglieder zwischen den positiven Atomionen deren Verschmelzung;

Die für die Verschmelzungswirkung erforderliche große Annäherung der Atomionen wird durch die Wahl der Beschleunigungsspannung und der Feldstärke eines konzentrierenden Magnetfeldes erreicht. Beide genannten Paktoren erhöhen die Frequenz der mit der Bewegung elektrisch geladener Korpuskel verknüpften "Materiewelle" bzw. verringern die relativen Bahnabstände einer Wendelbahn. Das Magnetfeld bewirkt auch eine Verkleinerung der Strahldimension bzw. des Wendelbahndurchmessers.

Nach der Auffassung des Anmelders besteht im übrigen eine Identität zwischen der "Materiewelle" und einer wendelbahnförmigen Bewegung von Ladungsträgern. Die Wellenlänge der "Materiewelle" ist ohne magnetische Beeinflussung mit

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der de Broglie-Wellenlänge gleichzusetzen, kann aber durch magnetischen Einfluß wesentlich verkleinert werden.

Auch die Bewegung des i!lektronenstromes ist wendelbahnförmig anzunehmen, jedoch entsprechend der geringeren ^lektronenmasse mit relativ geringeren Wendelbahndurchmeßser, 30 daß diese Erscheinung hier nicht notwendigerweise- besonders berücksichtigt zu werden braucht.

Ein Ausführungsbeispiel der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt schainatisch die Fig. 3 · Das die Reaktion umschließende Rohr 1 besitzt hier eine Absorptionsschicht für die aus der Reaktion freiwerdende Strahlung bzw. ITeutronenenergie und ist von einem Kühlgefäß 2 zur Abnahme der gewonnenen Wärmeenergie umgeben. Innerhalb des Kühlmantels befindet sich eine geteilte opulo mit den Wicklungen 3a und 3b, welche die aufeinandertreffenden Atomionenstrahlen konzentriert und deren Frequenz erhöht bzw, die Steigung und den Durchmesser auftretender Wendelbahnen vermindert. Die Ionen-Kanalstrahlröhren, dio Beschleuniger und die Vakuumapparatur sind, ale dom Fachmann geläufig, zur Vereinfachung v/eggelassen (Details vgl. auch die vorgenannte Patentschrift des französischen Patentes Nr. 1,243.242 des Anmelders). Im Reaktionsrohr herrscht zweckmäßig ein gutes Hochvakuum, es sind sodann im Gegensatz zu den Verhältnissen des Gasentladungspinches technisch gesehen keine bzw. nur vereinzelte Gasmoleküle vorhanden. Bemerkt wird, daß zweckmäßig schon vor den Beschleunigern Beeinflussungsspulen

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F- , Fp angewendet werden, welche analog Pig. 1 mit den Spulen 3a und 3b eine einheitliche Feldrichtung (NS -NS-N3 - NS ) besitzen.

In das Reaktionsrohr 1 mündet ein Ansatzrohr 4, welches den Ausgang eines "Slektronenbe schleunigere bildet, der hier aus einer K&thodonröhre 5 mit Steuergitter und Lochanoden, einem Uialenkmagnet 6 und einer Konzentrationsspule 7 gebildet wird. Der Umlenkmagnet ist zusammen mit einem Schirm 8 mit Vorteil vorgesehen, um den Austritt von aus dem Reaktionsraum stammender Strahlung zu verhindern. In gleicher Weise dient vorteilhaft ein nur beim Eintritt des Ansatzrohres 4 unterbrochener Schirmring 9 dem gleichen Zweck, sowie der Verhinderung des Austrittes eines Streuflus3e3 des magnetischen Feldes der getrennten Spulen 3a und 3^ in der Di3tanzzone derselben.

Die große Annäherung der Atomionen auf eine Distanz vorteilhaft der Größenordnung 10" cm muß nicht unbedingt durch Gegeneinanderführung von zwei Atomionenstrahlen erzielt werden, vielmehr können auch starke Beschleunigungen und TCigenkontraktionen einzelner Atomionenstrahlen oder magnetische Konzentration derselben vor dem Zusatz des Elektronenatromes zur Durchführung des erfindungagemäßen Verfahrens dienen. Die Gegeneinanderführung von zwei Atomionenstrahlen unter magnetischer Konzentration erscheint jedoch als einfachste und zweckentsprechendste Voraussetzung für die Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkung.

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Claims (8)

Patentansprüche :

1. Verfahren ssur Erzielung kontrollierter Atomkernrerschmelsung, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Strahl (J^ , Jg) beschleunigter Atomionen, in welchem die Abstände der Atom-

-8 ionen bereits wesentlich unter 10 cm und vorsugswei-se

in der Größenordnung 10""¹^Cm liegen, ein Elektronenstrahl (E) sur Einwirkung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, "bei welchem zwei strahlen gegeneinander beschleunigter, zur Verschmelzung bestimmter Atoaionen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf die boiden gegeneinandergerichteten und bereits in Kontakt stehenden Atomionenstrahlen (J^ und Jg) ^ein freier Strahl Ton Elektronen gerichtet wird, dessen Stärke oder/oder Seitdauer kontrolliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, unter Verwendung Von rorteilhaft magnetisch konsentrlerten und in Spiralbahnen bewegten Atomionen (Fig. 2), dadurch gekennzeichnet, daß deren Schleifenabetand oder Wellenlänge wesentlich unter 10 cm, T«rsugaweise in der Größenordnung 10" ^J on beträgt, bevor die Zuführung eines Elektronenzusatses stattfindet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 oder einem derselben, dadurch gkennseiohnet, daß die Wellenlänge der Ktrpuskularstrahlen (de Broglie-Wellenlänge unter Veränderung durch magnetischen Einfluß bsw. der Schleif enabstand der Wendelbewegung) durch genügend hohe Beschleunigungsspannung unter Zuhilfenahme einer magne ti sehen Beeinflussung auf einen

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Wert der Größenordnung 10"¹^eBi herabgesetzt wird bzw. ist.

5. Verfahren nach den Anaprüohen 1 bio 4 oder einem derselben, daduroh gekennzeichnet, daß gleichstark beschleunigte gleichartige Atemionen Verwendung zur öegeneinanderführung finden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 oder einem derselben» dadureh gekennzeichnet, daß die Aussendung bzw. Segeneinanderführung der Atomionon portioniert (in form Ton einzelnen Stromstößen J* , Jg) erfolgt und erat nach dem Zusammentreffen der Ionenmengen eine ebenfalls portionierte TClektronenmenge (B) hinzugeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 oder einem derselben, daduroh gekennzeichnet, daß dor Elektronenatrom als freier Strahl auf das Iorumbündel mittels Elektronenoptik od.dgl. (Spule 7) konaentriert wird.

8. Einrichtung sur Durchführung dee Verfahrens naoh den Ansprüchen 1 bis 7 oder einem derselben, dadureh gekennzeichnet, dad ein Reaktionärer (l) oder Beaktionsgeflfi einen seitlichen Ansatz (4) fttr Ale Elektronenzefuhr besitzt, sowie τοη einer lonzentratiensspule (3a_f 3b) umgeben ist.

9. Binriohtung nach Anspruch 8, dadureh gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle aus einem KathodengeflÄ (5), einer Usilenkeiariohtung (6) und eimer Konaentrationseinriohtung (7) besteht.

10. Verfahren umt T inriehtune^BaoA den Ansprachen 1 bis 9 oder einem derselben, w^Desokrieben «aid geeeiaknet.

BAD ORIGINAL Fil-r Sen Anmelder t Jtien, u 20. Juni l$63r.

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