DE2755285A1 - Verfahren und einrichtung zur kontrollierten atomkernfusion mittels kuenstlichem plasma - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zur kontrollierten
• Atomkernfusion mittels künstlichem Plasma.
• Zusatz zum Patent Nr. (Anm. A 4537/70 ).
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Atomkernfusion mittels künstlichem Plasma, nach Patent Nr. (Anmeldung &34/7ö), sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Es wird dazu ein in sich geschlossener ringförmiger oder ähnlich gestalteter Reaktionsraum verwendet, der auf Hochvakuum gehalten ist und in welchem die Plasmastrahlen gegeneinander umlaufen können. Erfindungsgemäß wirkt beim Einschuß der Plasmastrahlen ein Teil des kontrahierenden Magnetfeldes des Reaktionsraumes mit Kontraktionsspulen der Einschußwege zusammen, wird aber nach erfolgtem Einschuß der Plasmapakete durch die Steuereinrichtung im wesentlichen nur über den Umlaufweg geschlossen, so dass die Plasmastrahlen auf einer Ringbahn gegeneinander umlaufen.
• Bei des Verfahren tnd der Einrichtung gemäß Stamspatent ist es für die Erzielung größerer Leistungen erforderlich, mit zweckmäßigen Plasmadichten von 1023 - 1022 Ionen/cm3 und dabei Längen des Reaktioneraumes von z.B.
• über 3 bis über 3o Meter zu arbeiten. Bei geringeren Plasmadichten würde sich die zweckmäßige Länge der Reaktionsstrecke noch entsprechend weiter erhöhen. Hingegen ermöglicht der Erfindungsgegenstand eine gedrängte Bauweise, indem sich die gegeneinandergeführten Plasmaatrahlen nicht auf einer geradlinigen Bahn treffen müssen, sondern in einer Umlau£-Gegeneinanderführung reagieren können. Solche Umlauf-Gegeneinanderführungen sind an sich seit langem bekannt, nur liegt ein Unterschied gegenüber bekannten Fusionsanordnungen darin, dass da. Reaktionsgefäß kein aufgeheiztes Gas als Plasma enthält, sondern evakuiert ist, gegenüber üblichen Speicherringen darin, dass nicht entgegengesetzt geladene Teilchen in einem Umlenkfeld gegeneinanderlaufen, sondern gleichartige Plasmastrahlen in einem kontrahierenden magnetischen Führungsfeld.
• Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Fig.1 zeigt die anzuwendende neue Anordnung, die Fig.2 eine zweckmäßige Ausführung des Reaktionaraumes im Querschnitt, die Fig.3 zeigt die Verhältnisse einer geeigneten zeitlichen Steuerung der Speisung der Kontraktionsspulen.
• In der Fig.1 gehen die Ionenstrahlen 1, 1a von Ionenquellen 2, 2a aus und werden durch Beschleuniger 3, 3a auf zur Erzielung von Fusionsvorgängen geeignete Geschwindigkeit gebracht. Es kannen vorzugsweise Deuteriumionen verwendet werden, die in den Ionenquellen durch Ionisierung von Deuteriumgas gewonnen werden. Den Ionenstrahlen werden, wie im Stammpatent beschrieben, Elektronenstrahlen 4, 4a mittels Mischmagneten 5, 5a zugemischt. Diese Elektronenstrahlen kommen aus Elektronenquellen mit Beschleunigern 6, 6a und bilden zusammen mit den Ionenstrahlen künstliche Plasmastrahlen 1,4 bzw. 1a,4a, die nun zum Zwecke der Energiefreisetzung durch Kernfusion gegeneinandergeführt werden. An Stelle einer geradlinigen Gegeneinanderführung, die im Stammpatent (bzw. den analogen Patenten in USA Nr. 3.859.164, Großbritannien Nr.1.311.591, Frankreich Nr.71 18345/2.o92.156, Schweden Nr.7.106.583-3, Schweiz Nr.574.154, Belgien Nr.767.507, deutsche Offenlegungsschrift Nr.2.-124.442 ) angegeben iet, werden die Plasmastrahlen hier zunächst mittels Magnetspulen 7, 7a kontrahiert und gelangen dann in ein für einen Umlauf geeignetes Reaktionsgefäß 8, das von weiteren Kontraktionsspulen 9, lo, 9a und lo a umgeben ist. Dieses Reaktionsgefäß ist ebenso wie die übrigen die genannten Teilchenstrahlen fahrenden und umschließenden Gefäß teile durch hier nicht dargestellte Pumpleitungen ständig auf Hochvakuum gehalten. Vor den Magnetspulen 7, 7a befindet sich eine magnetisihe Brücke 11 zweckmäßig in Porm eines ringecheibenförmigen Eisenteiles oder Eisenblechpaketes, so dass sich die magnetischen Krartlinien vom Spuleninnern aus nach allen Seiten möglichst gleich mäßig verteilen und über diese Brücke schließen können. Die Spulen sind dabei hinsichtlich Wicklung und elektrischem Anschluß so gestaltet und geschaltet, dass einerseits bei den Spulen 7, 9, lo, 9a, 7a und andererseits auch bei den Spulen 9, lo, 9a, loa die Nord- und Südpole des Magnetismus aufeinanderfolgen d.h. sich eine einheitliche Feldrichtung ergibt. Es bestehen also zwei Wege, das Magnetfeld der Spulen 9, lo, 9a zu schließen, nämlich einerseits der Weg über die Spulen 7a und 7 und die zwischen diesen liegende Kraftlinienbrücke 11, andererseits über die Spule lo a.
• Die Anordnung wirkt nun analog der Einrichtung gemäß dem Hauptpatent so, dass durch Impulsbeaufschlagung der Beschleuniger und/oder Teilchenquellen künstliche Plasmapakete begrenzter Länge in den Reaktioneraum eingeschossen werden. Dabei werden zunächst die Kontrakttonsspulen 7, 7a eingeschaltet und durch diese verläuft somit ein magnetischer Fluß, der sich über den Weg des von den Spulen 9, lo, 9a umgebenen Reaktionsraumes erstreckt. Die Plasmastrahlen laufen daher in das Reaktionegefäß ein, nehmen im Magnetfeld eine durch ihre thermische Querkomponente bedingte Wendelbahn an und folgen mit deren achse den Feldlinien, verlaufen also auch im gekrümmten Tell des Reaktionsgefäßes achsial und gegeneinander. Dann aber werden die Spulen 7, 7a abgeschaltet und der magnetische Kreis ist über die Spule lo 8 geschlossen, die ständig eingeschaltet sein kann, aber auch in der Einschlußphase abgeschaltet oder durch Stromminderung geachwächt sein kann und anschließend analog den Spulen 9, lo, 9a gespeist wird. Die Plasmastrahlen laufen dann so lange gegeneinander um, bis durch Fusionen der Atomionen oder Streuungen sich ihre Anzahl stark vermindert hat und durch den nächsten Plasmaeinschluß wieder verstärkt wird.
• Diese Ausfuehrung ist wohl gegenüber der im Stainmpatent beschriebenen Anordnung mit achsialer Gegeneinanderführung der Plasmastrahlen komplizierter, ermöglicht aber längere Gegeneinanderläuie der Plasmapakete und damit längere Reaktionswege und Reaktionszeiten ohne übergroße Abmessungen.
• Zweckmäßig liegt die Reaktionszeit d.h. die Zeit der von außen unbeeinflußten Umläuft der Plasmastrahlen zwischen lo -4 sec.
• bis zu einer oder einigen Sekunden. Die Einschußimpulse sind zweckmäßig um mindestens 2 Zehnerpotenzen kürzer und ihre Dauer liegt z.B. zwischen lo 7 und lo 3 sec. Das Reaktionsgefäß könnte auch nach Art eines Stellerators oder Tokamaks etz. konstruiert werden. Der entscheidende Vorteil gegenüber den genannten thermischen Fusionsanordnungen liegt im Fehlen einer aufzuheizenden Grundgasfüllung, wqs Randeffekte und Instabilitäten weitgehend vermeidet, eine Erfüllung des Lawson-Kriteriums ist unproblematisch, aber ohne thermische Fusionsvorgänge nicht zwingend. Vor allem aber ist eine Zerstörung der Apparatur, wie sie durch eine Fusions-Kettenreaktion in einem Füllgas möglich wäre, durch die Verwendung begrenzter Plasmamengen auszuschließen. Auch ist es möglich, mit relativ geringen Kontraktions-Magnetfeldstärken in der Größenordnung lo3 bis lo4 Gauß zu arbeiten.
• Die Fig.2 zeigt eine besondere Ausfuehrung des Reaktionsraumes ( 8 in Fig.1 ) im Querschnitt. Dieser besteht zweckmäßig aus einer glasierten vakuumdichten Keramikröhre 12, deren Innenfläche von einem eingeschobenen Graphitrohr oder einem sonstigen Graphitbelag 13 bedeckt ist.
• Dieser Graphitbelag ladet sich durch gegen die Wand geschleuderte Atomionen positiv auf und kann damit über eine nicht dargestellte elektrische Ableitung einen elektrischen Anteil der Fusionsenergie liefern und die Energie gestreuter Atomionen rückgewinnen, ebenso aber auch Wärmestrahlung aufnehmen. Innerhalb dieses Graphitbelages ist eine zweckmäßig spiralförmige etwa aus Wolfram bestehende Elektrode 14 mittels Isolierteilen 15 angebracht, welche durch eine nicht dargestellte Zuleitung auf positives Potential gebracht wird und zur Aufnahme gestreuter Elektronen dient. Der Rohrteil 12 des Reaktionsgefäßes ist außen z.B. von einem mit Blei gefüllten Mantel 16 umgeben, der harte Strahlungen absorbiert. Es folgt ein Kühlmittelweg 17, durch den z.B.
• Helium zur Abnahme thermischer Energie gepreßt wird. Weitera folgt zweckmäßig ein Mantel 18 mit Lithium als Absorptionsmittel für etwa entstehende Neutronen. Nach einem möglichen weiteren Kühlmantel 19 folgt die Kontraktionsepule 9 bzw.
• 9a, lo, loa und die ganze ganze Anordnung kann z.B. auch in ein weiter kühlendes Ölbad gesetzt sein, gegebenenfalls auch noch weiter sicherheitehalber mit Mänteln für Strahlungedämmung und Neutronenabsorption (z.B. mittels Borlösung oder Borverbindungen) gesichert sein. Im Innern des Reaktionarohres aber verlaufen die gegeneinandergeführten Plasmastrahlen 1,4 und la,4a als sich inetnanderschiebende Plasmaschläuche mit Ringquerschnitt.
• Was die zweckmäßi6en Abmessungen der Anordnung gemäß den Fig.1 und 2 betrifft, so kann der Durchmesser des Reaktionsrohres 12 bzw0 dessen lichte Weite z.B. in der Größenordnung von 1 Dezimeter liegen, also etwa 20-30 cm oder mehr betragen. Die Längsausdehnung des Reaktions-Umlaufweges liegt zweckmäßig in der Größenordnung Meter. So kann ein ringförmiger d.h. torusartiger Reaktionaraum zweckmäßig einen mittleren Durchmesser von 2 - lo m besitzen, ein als längliches Viereck ausgebildeter Reaktionsraumgemäß Fig.1 z.B. eine Längsausdehnung bis etwa lo m oder darüber und gegebenenfalls eine entsprechend kürzere Länge der von den Spulen lo, loa umgebenen Umlenkschenkel. Natürlich hängen solche Abmessungen von den Betriebsdaten ab, werden also umso größer sein, Je höher die abzugebende Leistung ist. Die anzuwendenden Plasmadichten sind in einem weiten Bereich wählbar und können z.B. in den eingeschossenen Plasmapaketen zwischen 1012 und 1024 Ionen/cm3 betragen, wobei sich bei größeren Plasmadichten höhere Ausbesten erwarten lassen.
• In der Fig.3 ist in den Bildern a) bis c) in Strom-Zeit-Diagrammen eine mögliche zeitliche Steuerung der verwendeten Magnetspulen dargestellt. In diesem Beispiel werden gemäß Bild a) die Spulen 9, lo, 9a beim oder vor dem Einschießen der Plasmapakete eingeschaltet. Gemäß Bild b) werden analog die Spulen 7, 7a eingeschaltet, aber nach erfolgtem Einschießen der Plasmapakete abgeschaltet. Hingegen wird die Spule lo a gemäß Bild c) zweckmäßig zunächst nur mit vermindertem Strom und erst bei oder nach Abschalten der Spulen 7, 7a mit vollem Strom gespeist. Die Speisung der Spulen erfolgt zweckmäßig etwa aus einer Drehstrom-Rochfrequenzmaschine über gesteuerte Ventile mit Vollweggleichrichtung, also s.B. Thyratrons oder Thyristoren, so dass eine geeignete Steuerung eines Speisegleichstroms mit geringer Welligkeit möglich ist. Die das Reaktionsgefäß umgebenden Spulen 9, 9a, lo, loa können dann für die gewünschte R*aktloneselt einem schaltet bleiben. Vor einem neuen Einschuavorgang werden dann wieder die Spulen 7, 7a eingeschaltet.
• Ansonsten sind verscniedene bekannte Maßnahmen der üblichen thermischen Fusionemaschinen (Stellerator, Tokamak, etz.) bei Bedarf auch beim Anmeldungsgegenstand anwendbar, der sich jedoch vor allem auch durch die Anwendung eines Hochvakuumraumes statt eines Garraumes sowie durch die im Stammpatent geschützte Gegeneinanderführung künstlicher Plasmastrahlen von den für die thermische Fusion gebauten Anordnungen unterscheidet.

Claims (5)

1. Patent - AnsPrilche: W Verfahren zur kontrollierten At @kernfusion mittels künstlichem Plasma, nach Patent Nr. (Anmeldung A 45/)47.o); unter Verwendung eines in sich geschlossenen ringförmigen oder ähnlich gestalteten Reaktionsraumes, in welchem die Plasmastrahlen gegeneinander urnlauferi können, der jedoch auf Hochvakuum gehalten ist, dadurch gekennzelchnet, dass beim Einschuß der Plasmastrahlen ( 1,4 bzw. la,4a ) ein Teil des kontrahierenden Magnetfeldes des Reaktionsraumes (Spulen 9, lo, 9a ) mit Kontraktionsspulen des Einschußweges (7, 7a) zusammenwirkt, nach erfolgtem Einschuß der Plasmapakete aber im wesentlichen nur über den Umlaufweg (Spule io a) geschlossen wird, so dass die Pl@@mastrahlen auf einer Ringbahn gegeneinander umlaufen.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmig oder ähnlich verlaufende Reaktionsraum (8) zwei Ansatzteile besitzt, mittels welcher die durch Mischmagnete (5, 5a) aus Ionenstrahlen (1, la) und Elektronenetrahlen ( 4, 4a) gebildeten künstlichen Plasmastrahlen (1,4 und la,4a ) durch Kontraktionsspulen verlaufend so eingeschossen werden, dass sie im Umlauf gegeneinander gerichtet sind.
3. 3. Einrichtung nach Anepruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung zuerst die Kontraktionsepulen (7, 7a) der Einschufiwege mit einem Teil der Kontraktionsspulen (9, lo, 9a) des Reaktionsraumes (8) zusammenwirken und den magnetischen Kreis zum wesentlichen Teil über ein Verbindungejoch (11) schließen, nach Einschluß der Plasmapakete aber 'te Spulen der Einschußwege abgeschaltet werden und die Wirkung einer den magnetischen Kreis über den Umlaufweg schließenden Spule ( 1oa ) eingeschaltet oder verstärkt wird (Fi.1 und 3).
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Magnetspulenspeisung Gleichstrom aus einer gleichgerichteten Hochfrequenzspannung benützt wird und mittels gesteuerter Ventile (Thyratrons oder Thyristoren) die Spulenbeaufschlagung in Übereinstimmung mit der Impulsgebung für die eingeschossenen Plasmapakete erfolgt.
5. 5. Verfahren und Einrichtung, wie beschrieben und gezeichnet (weitere detaillierte Ansprüche vorbehalten).