DE19508858A1 - Energy generation by the inertial fusion of pellets - Google Patents
Energy generation by the inertial fusion of pelletsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energie erzeugung mittels Trägheitsfusion unter Verwendung von Pel lets, in welchen mittels Zuführung von Energie aus externen Treibern das zu fusionierende Material auf mehrhundertfache Festkörperdichte komprimiert und mindestens ein Teil des Pel lets auf solche Zündtemperaturen aufgeheizt wird, bei welchen Kernfusionsprozesse zwischen den einzelnen Komponenten ablau fen. Weiter betrifft die Erfindung ein Pellet mit Fusionsbe reich, mittels welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeübt werden kann.The present invention relates to a method for energy inertial fusion generation using Pel lets, in which by supplying energy from external Drive the material to be merged several hundred times Solid density compressed and at least part of the pel lets be heated to those ignition temperatures at which Nuclear fusion processes between the individual components ablau fen. The invention further relates to a pellet with a fusion be rich, by means of which the process according to the invention is carried out can be.
Die bisher zur Trägheitsfusion bekannt gewordenen Verfahren schlagen dabei die Verwendung von Pellets vor, in denen entwe der direkt oder indirekt durch die Zuführung von Energie aus z. B. Laser-, Leichtionen- oder Schwerionenstrahlen als exter nen Treibern die Kernfusionsprozesse zwischen den beteiligten Komponenten ablaufen können.The processes known so far for inertial fusion suggest the use of pellets in which either which is directly or indirectly from the supply of energy e.g. B. laser, light ion or heavy ion beams as external Nuclear fusion processes between the involved drivers Components can run.
Die dabei am häufigsten verwendete Reaktion benutzt Deuterium und Tritium als Ausgangsstoffe, aus deren Fusion dann jeweils ein Heliumatom und ein Neutron erzeugt werden. Diese Reaktion benötigt thermische Zündenergien von einigen keV. Bei jeder solchen Reaktion werden mehr als 17 MeV an Energie freige setzt. Alle bekannten Verfahren sind durch die festgelegte Ab folge von Kompression und Zündung mit darauffolgender Expan sion gekennzeichnet. Eine teilweise Kompression etwa nur eines Teiles des Fusionsbrennstoffes ist unerwünscht und führt zu einer Störung des Ablaufs, die entweder die Zündung des Fusi onsbrennstoffes erst gar nicht zuläßt, oder zumindest die durch Fusion freigesetzte Gesamtenergie vermindert.The most commonly used reaction is deuterium and tritium as starting materials, from their fusion then in each case a helium atom and a neutron are generated. This reaction requires thermal ignition energies of a few keV. With everyone Such a reaction will release more than 17 MeV of energy puts. All known methods are defined by the Ab follow compression and ignition followed by expan sion marked. A partial compression of just one Part of the fusion fuel is undesirable and leads to a malfunction of the process, which either ignites the fusi onsbrennes does not even allow, or at least the Total energy released by fusion is reduced.
Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mittels welchem die die bei der Trägheitsfusion leichter Teilchen freigesetzte Energie ohne externen Treiber direkt weiter zur Erzeugung er neuter Fusionsprozesse ausgenutzt werden kann.The object of the present invention is now a method of the type described above, by means of which the which is released during the inertial fusion of light particles Energy directly to the generation without external driver new fusion processes can be exploited.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem Verfah ren der eingangs erwähnten Art vor, daß die Pellets einzelne, voneinander getrennte Teilbereiche, die Zündbereiche und die Zielbereiche, aufweisen, wobei die aus einem oder mehreren Teilbereichen, den Zündbereichen des Pellets freigesetzte Energie teilweise oder ganz in vorher nicht oder nicht wesent lich komprimierte und erhitzte weitere Bereiche, die Zielbe reiche des Pellets zur Erzeugung weiterer Kernfusionsprozesse weitergeleitet wird. Nach einem weiteren Gedanken der Erfin dung können die einzelnen Teilbereiche des Pellets zur Stabi lisierung der Einzelreaktionen jeweils gegenseitig abgeschirmt oder ohne besondere gegenseitige Abschirmung oder nur teil weise zueinander abgeschirmt angeordnet sein. Weiterhin können dem Pellet zusätzlich ein Magnetfeld überlagert sein.To achieve the object, the invention proposes a method ren of the type mentioned above that the pellets individual, separate areas, the ignition areas and the Have target areas, the one or more Subareas released the ignition areas of the pellet Energy partially or completely in previously not or not essential Compressed and heated further areas, the target areas rich in pellets for the production of further nuclear fusion processes is forwarded. After another thought by the inventor The individual sections of the pellet can be used for stabilization The individual reactions are shielded from one another or without special mutual shielding or only partially be arranged shielded from each other. Can continue a magnetic field can also be superimposed on the pellet.
Bei einem Pellet zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt die Erfindung vor, daß unmittelbar an dem Zielbereich als Fusionsbereich neben ihm ein oder mehrere Zündbereiche an geordnet sind,wobei Zielbereich und/oder Zündbereich bzw. -be reiche einheitlich oder unterschiedlich Zylinder-, Kugel- oder Ellipsenform besitzen können. Auch die Außenhülle um den Ziel- und Zündbereich kann Zylinder-, Kugel- oder Ellipsenform aufweisen, wobei zwischen der Außenhülle und den inneren Be reichen ein Material geringerer Dichte, wie z. B. ein Schaum angeordnet sein kann. Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß stirnseitig eines Ziel- bzw. Fusionsbereiches je ein Zündbereich angesetzt ist, wobei an den Berührungsflächen und den freiliegenden Enden der Zündbe reiche Abschirmungen aus einem Material hoher Ordnungszahl, wie z. B. Gold dazwischengeschaltet bzw. angebracht sind.In the case of a pellet for practicing the method according to the invention the invention proposes that directly at the target area one or more ignition areas next to it as the fusion area are ordered, target area and / or ignition area or -be rich uniform or different cylinder, ball or Can have an elliptical shape. The outer shell around the The target and ignition area can be cylindrical, spherical or elliptical have, wherein between the outer shell and the inner loading a material of lower density, such as. B. a foam can be arranged. A particularly advantageous version the invention is that the front of a target or Fusion area each an ignition area is set, with on the contact surfaces and the exposed ends of the Zündbe rich shields made of a material with a high atomic number, such as B. gold are interposed or attached.
Letztlich schlägt die vorliegende Erfindung vor, daß der Ziel- bzw. Fusionsbereich aus mehreren schalenförmig rotationssymme trisch aufeinander liegenden Schichten aufgebaut ist, wobei die Schichten von außen nach innen hintereinander aus Lithi um+Gold, aus Deuteriumeis und aus Deuteriumdampf bestehen und/oder daß der oder die Zündbereiche aus mehreren schalen förmig rotationssymmetrisch aufeinander liegenden Schichten aufgebaut ist, wobei die Schichten von außen nach innen hin tereinander aus Kohlenstoff, Lithium+Gold, aus Deuterium-Tri tiumeis und aus Deuterium-Tritiumdampf bestehen.Ultimately, the present invention proposes that the target or fusion area from several bowl-shaped rotationally symmetrical layers are superimposed on each other, whereby the layers from the outside inwards one after the other made of lithi um + gold, deuterium ice and deuterium vapor and / or that the ignition area or areas consists of several shells layers lying on each other in a rotationally symmetrical manner is built up, with the layers from the outside inwards made of carbon, lithium + gold, of deuterium tri tiumeis and deuterium tritium vapor.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden und an hand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:Further details of the invention are explained in more detail below and with reference to FIGS. 1 to 4. Show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Pellets im Schnitt, Fig. 1 is a schematic illustration of the pellet in section,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Fusions- bzw. Zielzylinder und Fig. 2 shows a section through the fusion or target cylinder and
Fig. 3 und 4 Schnitte durch die Zündzylinder. FIGS. 3 and 4 are sections through the ignition cylinder.
Nach dem neuen Verfahren wird die bei der Trägheitsfusion leichter Teilchen freigesetzte Energie direkt ohne weiteren externen Treiber wieder zu Erzeugung weiterer Fusionsprozesse ausgenutzt. Dabei benutzt das Verfahren die durch Kernfusion in Teilen eines Pellets freigesetzte Energie, also dem Zündbe reich, um in anderen, davon getrennten Teilen des Pellets, dem Zielbereich, erneut eine genügend hohe Kompression und Aufhei zung herbeizuführen, bis auch dort die Bedingungen zur Zündung des Fusionsbrennstoffes erreicht werden. Die im Zündbereich zuerst freigesetzte Fusionsenergie wird durch die diesen Be reich umgebende Materie zumindest teilweise aufgefangen und diese Materie dadurch erhitzt. Die so aufgeheizte Materie wird dadurch ähnlich einer Planck′schen Strahlungsquelle ebenfalls zur Abgabe von elektromagnetischer Strahlung veranlaßt. Durch bestimmte Anordnung dieser Materie kann dann dem Zielbereich von außen genügend Energie aus den Fusionsreaktionen des Zünd bereiches zugeführt werden, so daß sich auch dort nach erfolg ter Kompression und Aufheizung die Zündbedingungen für Träg heitsfusionen einstellen. Die Herbeiführung der Zündbedingun gen im Zündbereich wird durch direkte oder indirekte Energie zufuhr in diesen Bereich aus externen Treibern erzielt.According to the new process, inertia fusion lighter particles released energy directly without further external drivers again to create further fusion processes exploited. The process uses nuclear fusion Energy released in parts of a pellet, i.e. the ignition rich in other, separate parts of the pellet, the Target area, again a sufficiently high compression and heat bring about ignition until the conditions for ignition are there as well of the fusion fuel can be achieved. The one in the ignition area fusion energy released first is by the Be richly surrounding matter at least partially and this matter heats up. The matter so heated becomes therefore similar to a Planck radiation source caused to emit electromagnetic radiation. By certain arrangement of this matter can then target the area from the outside enough energy from the fusion reactions of the Zünd range are fed so that there too after success compression and heating the ignition conditions for carrier Set fusion fusions. Bringing the ignition conditions in the ignition area is caused by direct or indirect energy supply in this area achieved from external drivers.
Wegen der bei der Trägheitsfusion möglichen hohen Energiever größerung von Treiberenergie zu freigesetzter Energie kann für die Zündung der folgenden Fusionsprozesse mehr Energie zur Verfügung gestellt werden, als für die Zündung der anfängli chen Fusionsprozesse bereit stand. Die Fortsetzung des Fusi onsprozesses, ohne neue Treiberenergie bereitstellen zu müs sen, steigert die freigesetzte Energie und dadurch die Ener gieausbeute pro eingesetzter Treiberenergie. Da aber sogar mehr Zündenergie zur Verfügung gestellt werden kann, als für die anfänglichen Prozesse, können in den folgenden Verfahrens schritten vorteilhafterweise entweder größere Mengen Fusions brennstoff gezündet oder andere Fusionsbrennstoffe verwendet werden, die eine höhere Zündenergie benötigen. Diese Verwen dung von anderen Fusionsbrennstoffen mit höheren Zündenergien kann zu einer erheblichen Reduzierung des Gefahrenpotentiales durch Radioaktivität ausgenutzt werden. Die erhöhte Ener giefreisetzung läßt nun auch die Verwendung von Treibern mit geringerem Wirkungsgrad bei der Treiberenergieerzeugung, wie z. B. Laserstrahlen oder Anlagen zu, die bei kleiner Treiber energie arbeiten -und daher eine niedrige Energieverstärkung aufweisen-ökonomisch als Energieerzeuger in Betracht kommen. Die Erfindung ermöglicht daher völlig neue Aspekte für die Treiberentwicklung.Because of the high energy consumption possible with inertial fusion Increasing driver energy to released energy can help the ignition of the subsequent fusion processes more energy Be made available for the ignition of the beginnig merger processes were ready. The continuation of the Fusi process without having to provide new driver energy energy increases the energy released and thereby the energy Energy yield per driver energy used. But even there more ignition energy can be made available than for The initial processes can be done in the following procedures advantageously proceeded to either larger amounts of fusion ignited or other fusion fuels used who need a higher ignition energy. This use formation of other fusion fuels with higher ignition energies can significantly reduce the hazard potential be exploited by radioactivity. The increased ener casting release now also allows the use of drivers lower efficiency in driving power generation, such as e.g. B. laser beams or systems with small drivers energy work - and therefore a low energy gain exhibit economically as energy producers. The invention therefore enables completely new aspects for the Driver development.
In der Fig. 1 wird nun der schematische Aufbau eines Pellets dargestellt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbei tet. In einer Hülle 1, eingebettet in eine Zwischenschicht 2 sind mehrere hintereinanderliegende Zylinder 3, 4 und 5 auf einer Achse 10 angeordnet. Von den Zylindern sind der größere in der Mitte der Ziel- oder Fusionszylinder 4, die neben bzw. vor und hinter ihm gelegenen kleineren die Zündzylinder 3 und 5. Damit sind ein oder mehrere Zündbereiche unmittelbar an dem Fusionsbereich als Zielbereich neben diesem angeordnet. Die einzelnen Zylinder 3 bis 5 können dabei einheitlich oder un terschiedlich Zylinder-, Kugel- oder Ellipsenform besitzen. Die Außenhülle 1 des Pellets kann ebenfalls Zylinder-, Kugel- oder Ellipsenform aufweisen. Die Zwischenschicht 2 zwischen der Außenhülle und den inneren Bereichen 3, 4 und 5 besteht aus einem Material geringerer Dichte, wie z. B. einem Schaum.In Fig. 1, the schematic structure of a pellet is shown, which works according to the inventive method. In a shell 1 , embedded in an intermediate layer 2 , a plurality of cylinders 3 , 4 and 5 lying one behind the other are arranged on an axis 10 . Of the cylinders, the larger ones in the middle are the target or fusion cylinders 4 , the smaller ones next to or in front of and behind it are the ignition cylinders 3 and 5 . One or more ignition areas are thus arranged directly on the fusion area as a target area next to the latter. The individual cylinders 3 to 5 can have a uniform or un different cylindrical, spherical or elliptical shape. The outer casing 1 of the pellet can also have a cylindrical, spherical or elliptical shape. The intermediate layer 2 between the outer shell and the inner regions 3 , 4 and 5 consists of a material of lower density, such as. B. a foam.
Das Pellet gemäß der Fig. 1 besitzt somit zwei Zündbereiche 3 und 5 und einen Ziel- bzw. Fusionsbereich 4 jeweils in Zylin derform, wobei stirnseitig an dem Zielbereich 4 je ein Zündbe reich 3 und 5 angesetzt ist und an den Berührungsflächen Ab schirmungen 7 und 8 dazwischengeschaltet sind. An den freilie genden Enden der Zündbereiche 3 und 5 sind weitere Abschirmun gen 6 und 9 angebracht. Diese Trennung durch die Abschirmungen verhindert oder reduziert eine unerwünschte innere Vorheizung des Ziel- bzw. Fusionsbereiches 4 und stabilisiert die Kom pression der Zündzylinder 3 und 5. Die Abschirmungen 6 bis 9 bestehen dabei aus einem Material hoher Ordnungszahl, wie z. B. aus Gold. Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, können die Zündbereiche aus mehreren schalenförmig rotationssymme trisch aufeinander liegenden Zylinderschichten aufgebaut sein, wobei diese Schichten von außen nach innen hintereinander bei spielsweise aus Kohlenstoff, Lithium+Gold, aus Deuterium-Tri tiumeis und aus Deuterium-Tritiumdampf bestehen können.The pellet according to the Fig. 1 thus has two Zündbereiche 3 and 5, and a target or fusion region 4 the mold in Zylin respectively, wherein the end face of the target area 4, a Zündbe each is attached rich 3 and 5, and shielding the contact surfaces from 7 and 8 are interposed. At the exposed ends of the ignition areas 3 and 5 further shielding conditions 6 and 9 are attached. This separation by the shields prevents or reduces unwanted internal preheating of the target or fusion area 4 and stabilizes the compression of the ignition cylinders 3 and 5 . The shields 6 to 9 consist of a material with a high atomic number, such as. B. made of gold. As shown in FIGS . 3 and 4, the ignition areas can be constructed from a plurality of cylindrical layers lying on top of one another in the form of a bowl in a rotationally symmetrical manner, these layers being successively arranged from the outside inwards, for example made of carbon, lithium + gold, deuterium-tri-ice and deuterium Tritium vapor can exist.
Wie bereits erwähnt wird der Brennstoff in den Zündbereichen 3 und 5 zunächst durch einen externen Treiber ausreichend kom primiert und erhitzt, bis schließlich die erwünschten Kernre aktionen in den Deuterium- Tritiumzonen gezündet werden. Durch die Einbettung der Zündzylinder bzw. -bereiche 3 und 4 in das Material 2 geringerer Dichte und durch die das Pellet umge bende Hülle 1 wird die aus den Kernreaktionen in den Zündbe reichen erzeugte Energie dann aufgefangen und von außen an den Ziel- bzw. Fusionszylinder abgegeben, bis auch dort nach er folgter ausreichender Kompression und Aufheizung Kernfusions reaktionen in den Deuteriumszonen ablaufen. Die erste, externe Aufheizung des Pellets kann z. B. durch einen axial oder ra dial in das Pellet eintretenden Schwerionenstrahl erfolgen, der in dem um die Zylinder angebrachten Material - oder sogar erst in der äußeren Hülle der Zündzylinder 3 und 5 - gestoppt wird. Diese teileweise Vorheizung des Zielbereiches innerhalb der Hülle 1 durch eine solche Energiedeposition ist ein er wünschter, aber nicht unbedingt notwendiger Nebeneffekt, der die später erfolgte Kompression und Aufheizung aus den Zündbe reichen vorbereitet.As already mentioned, the fuel in the ignition areas 3 and 5 is first sufficiently compressed and heated by an external driver until the desired nuclear reactions in the deuterium-tritium zones are finally ignited. By embedding the ignition cylinder or regions 3 and 4 in the material 2 of lower density and by the pellet surrounding shell 1 , the energy generated from the nuclear reactions in the Zündbe rich is then collected and from the outside to the target or fusion cylinder given until there, after sufficient compression and heating, nuclear fusion reactions take place in the deuterium zones. The first, external heating of the pellet z. B. by an axially or ra dial into the pellet entering heavy ion beam, which is stopped in the material attached to the cylinder - or even only in the outer shell of the ignition cylinders 3 and 5 . This partial preheating of the target area within the envelope 1 by such energy deposition is a desired, but not absolutely necessary, side effect that prepares the compression and heating that take place later from the ignition areas.
Der Aufbau des Fusion- oder Zielzylinders 4 unterscheidet sich von dem der anderen Zylinder 2 und 3 dadurch, daß er aus meh reren schalenförmig rotationssymmetrisch aufeinander liegenden Schichten aufgebaut ist, wobei die Schichten von außen nach innen hintereinander aus Lithium+Gold, aus Deuteriumeis und aus Deuteriumdampf bestehen. Wegen der höheren thermischen Energien von Pellethülle 1 und Schaum 2 kann die in den Zünd zylindern gemäß den Fig. 3 und 4 eingesetzte äußere Koh lenstoffschicht durch eine reine Lithium-Goldschicht gemäß Fig. 2 ersetzt werden.The structure of the fusion or target cylinder 4 differs from that of the other cylinders 2 and 3 in that it is made up of several shells in the form of layers of rotationally symmetrical superimposed layers, the layers from the outside inwards from lithium + gold, from deuterium ice and out Deuterium vapor exist. Because of the higher thermal energies of pellet casing 1 and foam 2 , the outer carbon layer used in the ignition cylinders according to FIGS. 3 and 4 can be replaced by a pure lithium-gold layer according to FIG. 2.
Das in der Fig. 1 dargestellte Pellet ist so aufgebaut, daß eine thermische Energiedeposition von 200 eV über 10 ns aus dem Schaum oder von der Hülle des Pellets in die Zündbereiche ausreicht um dieses Zylindertarget genügend zu komprimieren und aufzuheizen bis die Trägheitsfusionsreaktion abläuft. Dazu sollen etwa 0,25-0,50 mg Deuterium-Tritium in diesen Zylin dertargets vorhanden sein. Durch die ablaufende Trägheitsfusi onsreaktion in den Zündbereichen 3 und 5 wird dann der Schaum 1 und die innere Hülle des Pellets auf thermische Energien von 5-10 keV aufgeheizt. Es wird insgesamt von beiden Zündberei chen eine Energie von etwa 40-80 MJ erzeugt. Damit können dann im Zielbereich 4 des Pellets 10-20 mg Deuterium auf Trägheitsfusionsbedingungen komprimiert und geheizt werden, wodurch dann eine Gesamtenergie von 1000-3000 MJ freigesetzt wird.The pellet shown in Fig. 1 is constructed so that a thermal energy deposition of 200 eV over 10 ns from the foam or from the shell of the pellet in the ignition areas is sufficient to compress and heat this cylinder target until the inertial fusion reaction takes place. For this purpose, about 0.25-0.50 mg of deuterium tritium should be present in these targets. Due to the ongoing inertia reaction in the ignition areas 3 and 5 , the foam 1 and the inner shell of the pellet are then heated to thermal energies of 5-10 keV. A total of about 40-80 MJ is generated by both ignition areas. 10-20 mg of deuterium can then be compressed and heated to inertial fusion conditions in the target area 4 of the pellet, which then releases a total energy of 1000-3000 MJ.
BezugszeichenlisteReference list
1 Hülle
2 Material geringerer Dichte
3 Zündbereich bzw. -zylinder
4 Zielbereich bzw. -zylinder, Fusionsbereich
5 Zündbereich bzw. -zylinder
6 Abschirmung
7 Abschirmung
8 Abschirmung
9 Abschirmung
10 Achse 1 case
2 Lower density material
3 Ignition area or cylinder
4 Target area or cylinder, fusion area
5 Ignition area or cylinder
6 shielding
7 shielding
8 shielding
9 shielding
10 axis
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| Particle Accelerators, Bd. 37-38 (1992) S.505-512 * |
| Physics Today, Sept. 1992, S. 32-40 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19508858C2 (en) | 2001-05-17 |
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