Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generation von

Elektroenergie, das auf einer Fusion von Protonen mit dem Bo- risotop 11 mittels Laserstrahlung und magnetischen Feldern und einer Umwandlung von bei der Fusion frei werdender Energie in Elektroenergie basiert. Die Erfindung betrifft auch einen Laser-Fusionsreaktor, der zur Generation von Elektroenergie durch Laser-basierte Fusion von Protonen mit dem Bo- risotop 11 eingerichtet ist. Anwendungen der Erfindung sind bei der Generation von Elektroenergie gegeben.

Stand der Technik Bei der Erläuterung des Standes der Technik wird auf die folgenden Veröffentlichungen Bezug genommen:

[1] H. Hora, D.. Pfirsch and A. Schlüter, Zeitschr. für Naturforschung 22A, 278 (1967);

[2] M.S. Chu, Physics of Fluids 15, 412 (1972);

[3] H. Hora, Physics of Laser Driven Plasma Wiley, New York 1981, Figuren 10.18 a & b;

[4] D. Strickland and G. Mourou, Optics Communications 56, 219 (1985);

[5] R. Sauerbrey, Physics of Plasmas 3, 4712 (1996);

[6] H. Hora, J. Badziak et al. Physics of Plasmas 14, 072701 (2007) ;

[7] H. Hora, Laser and Particle Beams 27, 207 (2009);

[8] DE 10 2012 001 634; [9] H. Hora et al . Laser and Particle Beams 32, 63 (2014);

[10] DE 102 08 515.3;

[11] S. Fujioka et al. Scientif. Reports 3, 1170 (2013), pub- lished 30 Januar 2013;

[12] M. Hohenberger, P.-Z. Chang et al . Physics of Plasmas 19, 056306 (2012);

[13] J. Nuckolls and L. Wood, Zitat 25 auf S. 13 von H. Hora und G.H. Miley Edward Teller Lectures Laser and Inertial Fusion Energy. Imperial College Press, London 2005;

[14] U.S. Pat. 3444377;

[15] DE 10 2013 016 305;

[16] K.-W. Kanngiesser, D.H. Huang und H. Lips, Hochspannungsgleichstromübertragung - Systeme und ihre Planung. EV HA 7, Siemens Monographien, München (1994); und

[17] H. Hora, Laser Plasma Physics. SPIE Press Bellinghaus WA 2000, Seite 130.

Die am meisten verwendete Methode der Energiegewinnung basiert auf der Verbrennung fossiler Rohstoffe, die Kohlenstoff enthalten. Die Verbrennung fossiler Rohstoffe bildet seit mehr als 200 Jahren die Grundlage technischen Fortschritts und wirtschaftlichen Wohlstands. Von Nachteil ist jedoch, dass das Verbrennungsprodukt Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird und zu unerwünschten Veränderungen des glo- balen Klimas führen kann.

Eine weitere Methode der Energiegewinnung basiert auf der

Kernspaltung, bei der frei werdende Kernenergie zunächst in Wärme und anschließend in Elektroenergie umgewandelt wird. Der Betrieb von Kernkraftwerken ist zwar ökonomisch preiswert, hat aber den Nachteil, dass die Entsorgung von radioaktivem Abfall teuer und riskant ist. Des Weiteren besteht ein Betriebsrisiko, das im Falle eines Kraftwerksunfalls mit ext ^¬ remen, katastrophalen Schäden verbunden sein kann. Kernenergie kann auch durch Kernfusion freigesetzt werden, bei der mittels Verschmelzung leichter Atomkerne in schwerere Atomkerne die Energie E = mc ² (m: Defekt der Kernmassen m, c: Lichtgeschwindigkeit) im extrem hohen Bereich von etwa 10 MeV pro Fusionsreaktion freigesetzt wird. Kernfusion wurde bisher jedoch - neben den natürlichen Prozessen in Sternen - nur in unkontrollierter Weise in Form der Explosion einer Fusionsbombe realisiert. Kontrollierbare Fusionskraftwerke sind seit Jahrzehnten in Entwicklung, konnten aber trotz eines großen

Forschungsaufwandes in der Praxis bisher nicht umgesetzt werden .

Eine umfassend studierte Fusionsreaktion basiert auf der Fu- sion von schwerem Wasserstoff Deuterium (D) und überschwerem Wasserstoff Tritium (T) ( D-T-Fusion) . Diese Fusionsreaktion zeichnet sich jedoch durch die unerwünschte Erzeugung radioaktiver Strahlung aus, die durch die Umwandlung von zunächst strahlungslosen Kerne harmloser, nichtradioaktiver Materia- lien, z. B. in einem Reaktorgefäß, durch Neutronen in radioaktive Isotope entsteht.

Alle bisher bekannten Methoden zur kontrollierten Erzeugung von Kernfusionsenergie haben eine Ausbeute von weniger als 500 (erzeugte Energie pro aufgewandte Laserenergie) mit einer Ausnahme. Von Nuckolls und Wood wurde 2002 vorgeschlagen

[13], dass wie beim Schema der „fast ignition" mit einem na- nosekunden langen Laserpuls etwa 1000 fach festkörperdichtes Deuterium-Tritium (DT) Plasma erzeugt wird, auf das ein piko- Sekunden (ps) langer Laserpulse einwirkt, wobei ein sehr intensiver relativistischer Elektronenstrahl von 5 MeV Elektronenenergie erzeugt werden soll. Wenn dieser Elektronenstrahl auf ein Volumen von festem DT von mindestens 12-facher Festkörperdichte einwirkt, wird in diesem Volumen eine Fusions- Detonationswelle erzeugt, bei der zehntausendfach mehr Energie erzeugt wird als Laserenergie aufzuwenden ist, nach theoretischen Vorhersagen ohne weitere numerische oder experimentell bekannte Ausführung.

Die Notwendigkeit sehr hoher Energieausbeuten besteht darin, dass beim gepulsten Betrieb in einem mit Lasern arbeitenden Fusionsenergiekraftwerk möglichst Fusionsenergie im Bereich von bis Gigajoule (GJ = 278 kWh) oder mehr per Reaktion pro Sekunde aus Kostengründen erzeugt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Schockwirkung durch den Puls der Kernreaktion etwa 3000mal keiner als bei chemischen Explosionen ist. In diesem Zusammenhang sind Fusionsausbeuten mit Laserpulsen bis 100 kJ Energie und ps Dauer wie im System von Nuckolls und Wood [13] interessant. Das ist von allen anderen Laser-Fusions-Anordnungen mit Ausbeuten unter 500 weit entfernt .

Von besonderem Interesse ist ferner die Fusionsreaktion von Kernen des Wasserstoff (H, Protonen p) mit dem Borisotop 11, die als HBll-Reaktion bezeichnet wird. Bei jeder HBll- Reaktion entstehen drei Heliumkerne (Alphateilchen) mit einem Energiegewinn von 8.9 MeV. Diese Energie kann in Wärme bzw. Elektroenergie umgewandelt werden. Die HBll-Reaktion hat be- sondere Vorteile hinsichtlich einer hohen Energieausbeute, der Vermeidung der Strahlungsprobleme der D-T-Fusion und der praktisch unerschöpflichen Verfügbarkeit der Rohstoffe. Mit der HBll-Reaktion entsteht pro erzeugte Energie sogar weniger Radioaktivität als beim Verbrennen von Kohle frei wird, was daher kein Problem darstellt und zu vernachlässigen ist.

Bekannt ist die Kombination der Laser-Kernfusion mit magnetischen Feldern, wobei allerdings mit den bisherigen magnetischen Feldern unterhalb von 100 Tesla Ausbeuten von weniger als 100 zu erwarten sind. Die Laserwirkung auf festkörperdichten Fusionsbrennstoff mit Laserpulsen von etwa ps Dauer oder darunter zielt auf die Erzeugung einer zylindrischen Reaktionszone, für die Fusion nur mit genannten geringen Ausbeuten erhalten wurden. Die Anwendung der magnetischen Felder war eingeführt worden, damit die zylindrischen radialen Verluste eingedämmt werden, nachdem die ps Laserpulse die Einleitung einer Fusionsflamme durch Zündung eines ultrahoch beschleunigten Plasmas durch die nichtlineare Kraft von einer ausgedehnten ebenen Geometrie auf einen begrenzten Wechselwi- rungsbereich eingeschränkt werden musste - im Gegensatz zum Nuckolls-Wood-Prozess - und die Geometrie in einem Zylinderbereich unter dem Wechselwirkungsquerschnitt ablaufen sollte unter Vermeidung von radialen Verlusten. Diese seitlichen Verluste konnten alternativ durch Verwendung von einer sphärischen Geometrie ausgeschaltet werden, wie publiziert wurde. In diesem Fall konnte für die Reaktion des Borisotops 11 mit leichtem Wasserstoff (HB11) in Festköperdichte nur maximal aller Brennstoff in der Kugel Energie liefern, womit wie in anderen Fällen die Ausbeute beschränkt war und Laserpulse von exawatt (EW) notwendig waren.

Es ist bekannt, insbesondere die HBll-Reaktion durch Laserbestrahlung eines Fusionsbrennstoffs auszulösen. Bei der Laserbasierten Kernfusion wurden ursprünglich thermische Vorgänge mit einer extrem schnellen Aufheizung von Targets mit sehr hohen thermischen Drücken zum thermischen Zünden der Fusionsreaktion vorgeschlagen. Laserpulse mit einer Dauer von Nano- sekunden (ns) erreichen mit dem leistungsstärksten Lasern der Welt, wie in Livermore (Kalifornien, USA) , Ausbeuten nahe am Durchbruch für einen Fusionsreaktor mit DT.

Des Weiteren wurde abweichend von den thermischen Methoden gefunden, dass Laserenergie direkt in mechanische Plasmabewe- gung umgesetzt werden kann, wodurch komplizierte Wärmeprozesse, Abstrahlung, Instabilitäten und verzögernde Wärmeübergänge von Elektronen auf die druckerzeugenden Plasmaionen vermieden werden können (Blockzündung) . Dieses Konzept leitet sich von der von Kelvin entdeckten ponderomotorischen Kraft, unter deren Wirkung elektrisch ungeladene Körper mittels elektrischer Felder bewegt werden können, und deren Ausbildung als nicht-linear wirkende Kraft ab, die auf der Erzeugung hochfrequenter elektrischer Felder basiert, wobei die optischen Eigenschaften von Plasmen mittels des Maxwellschen Spannungstensors verallgemeinert werden mussten [3].

Im Ergebnis von Messungen der Laser-Plasma-Wechselwirkung wurde die nicht-lineare Kraft auf der Basis der optischen Ei- genschaften der von den Lasern bei der Bestrahlung von Materialien erzeugten Hochtemperaturplasmen mit Anwendung auf gewöhnliche und relativistische Selbstfokussierung und Plasmabewegung eingeführt [1]. Es wurde jedoch festgestellt [2], dass zur Zündung einer Fusionsreaktion von Deuterium und Tri- tium eine Energieflussdichte von 100 Millionen Joule pro QuadratZentimeter in einer Zeit von einer Pikosekunde (ps) erforderlich wäre, was mit den Laserquellen nicht erreichbar war, die in den 1970-er Jahren praktisch verfügbar waren. Plasma-hydrodynamische Simulationen zeigten 1978, wie Laserpulse von 1.5 ps Dauer und einer damals realistischen Intensität von 10 ¹⁸ W/cm ² eine 20 Wellenlängen dicke Schicht von Deuteriumplasma auf Geschwindigkeiten von 10 ⁹ cm/s beschleunigen konnten [3] . Das waren ultrahohe Beschleunigungen von mehr als 10 ²⁰ cm/s ² , wie sie für den in [2] beschriebenen

Zündvorgang erforderlich waren. Eine experimentelle Bestätigung dieser ultrahohen Beschleunigung war erst nach der Einführung der CPR-Methode (Chirped Pulse Amplification) zur Er ^¬ zeugung ultrakurzer Laserpulse möglich [4]. Seither hat sich die Laserintensität (ohne Selbstfokussierung) um das Zehnmillionenfache erhöht. In den ps-Laserpulsen oder noch kürzeren Laserpulsen erreicht die gemessene Leistung 10 PW (Petawatt). Mit ultrakurzen Laserpulsen wurde die Beschleunigung von Plasmablöcken im Bereich 2 ^χ 10 ²⁰ cm/s ² in direkt sichtbarer Weise mit einer Dopplerverschiebung von Spektrallinien gemessen [5], was theoretischen Simulationen entsprach [3], [6]. Bei der Zusammenfassung dieser Ergebnisse [7] stellte sich heraus, dass bei Verwendung von Wasserstoff-Bor (HB11) als Fusionsbrennstoff an Stelle von D-T, die Schwellwerte der Laserzündung etwa die gleichen waren. Das war eine große Überraschung und nur möglich, weil mit den ps-Laserpulsen nach [4] die nicht-thermische Direktumwandlung der Laserenergie zur Fusion wirkte, im Gegensatz zu der thermisch-kompressiven Zündung mit ns Laserpulsen.

Bei diesen Rechnungen zu HB11 wurden wie bei der D-T-Reaktion nur die binären Reaktionen berücksichtigt. Bei der HB11- Reaktion findet aber nach der primären Reaktion eine sekundä- re Reaktion durch elastische Stöße der entstehenden Alphateilchen mit Borkernen statt, so dass durch einen Lawinenpro- zess viel höhere Reaktionsausbeuten als mit D-T entstehen. Des Weiteren wurde bei den genannten Prozessen nach Chu [2] mit Reaktionen in ebener Geometrie gerechnet. Für einen Fusi- onsreaktor müssen die seitlichen Verluste beachtet werden.

Die einfachste Lösung ist die Verwendung der Kugelgeometrie. Wenn man mit festköperdichtem Fusionsbrennstoff rechnet, zeigt sich allerdings sowohl für DT als auch für HB11, dass für Energieausbeuten bis 100 die notwendige Leistung der ein- gestrahlten Laserpulse nicht im Petawattbereich liegen, son ^¬ dern über dem tausendfach höheren Exawattbereich [8], der mit aktuell realisierten Hochleistungs-Laserquellen erreichbar ist. In [8] wird ein Kernfusions-Reaktor mit vernachlässigbarer Radioaktivität durch Laser-getriebene Plasmablockzündung von festkörperdichtem oder mäßig komprimiertem Brennstoff vorgeschlagen, wobei die seitliche Begrenzung der Reaktion mit Magnetfeldern und/oder einem Mantel mit hohem Atomgewicht erreicht wird.

Zur Blockzündung der Kernfusion mit ps-PW-Laserpulsen [4] ist bekannt, dass die 1978 berechnete ultrahohe Plasmabeschleunigung durch die nichtlineare Kraft [3] von Sauerbrey [5] in genauer Übereinstimmung [6] gemessen wurde und die für die Initiation einer Fusionflamme [2] mit gleichen Schwellwerten für die Energieflussdichte für die D-T-Fusion reproduziert wurden. Die gleich hohen Energieflussdichten wurden für die HBll-Fusion erhalten [7], dies allein schon für binäre Reaktionen wie für DT. Zur Verringerung der seitlichen Verluste aus der Reaktion wurde der Einsatz von klassischen Magnetfeldern mit zylindrischer Geometrie bis fast 100 Tesla [8] als nicht ausreichend gefunden. Für kugelförmige Geometrie wurde gefunden, dass für HBll-Reaktionen Ausbeuten von nur etwa 100 erreicht wurden, dies mit mindestens Exawatt-Laserpulsen, selbst wenn außer den binären Reaktionen die lawinenartige Vervielfachung einbezogen wurde [9], [10].

In [12] wird eine Laser-basierte Kernfusions-Reaktion beschrieben, bei der Fusions-Brennstoff in Gestalt von Kapseln mit einem magnetischen Feld der Stärke 350 Tesla gehalten wird. Die Kernfusions-Reaktion ist thermisch arbeitend, wobei Laserpulse mit einer Dauer im ns-Bereich verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Generation von Elektroenergie mittels Kernfusion bereit ^¬ zustellen, mit dem Nachteile und Beschränkungen herkömmlicher Verfahren vermieden werden können und das sich insbesondere durch eine erhöhte Energieausbeute und vereinfachte Umsetzung in der Praxis auszeichnet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Kernfusions-Reaktor bereitzustellen, mit dem Nachteile und Beschränkungen herkömmlicher Tech- niken vermieden werden können und der sich insbesondere durch einen vereinfachten, praktisch umsetzbaren Aufbau auszeichnet .

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Generation von Elektroenergie und einen Kernfusions-Reaktor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zur Generation von Elektroenergie mittels Trägheits-Kernfusion (inertial confi- nement fusion) gelöst, bei dem ein Fusionsbrennstoff, vorzugsweise enthaltend Wasserstoff und Bor 11, in einem magnetischen Feld in einem zylinderförmigen Reaktionsraum gehalten und eine Kernfusions-Reaktion im Fusionsbrennstoff mit Fusi- ons-Laserpulsen (auch als Blockfusions-Laserpulse bezeichnet) ausgelöst wird, deren Pulsdauer weniger als 10 ps beträgt und deren Leistung mehr als 1 Petawatt beträgt. Die bei der Kern ^¬ fusion aus den erzeugten Kernen freiwerdende Energie wird in Elektroenergie umgewandelt. Gemäß der Erfindung weist das magnetische Feld eine Feldstärke aufweist, die größer oder gleich 1 Kilotesla ist. Vorzugsweise hat die Kernfusion eine Energieausbeute von mehr als 500, insbesondere mehr als 1000 pro die Fusionsflamme einleitenden Laserenergie der Fusions- Laserpulse. Der Begriff Fusionsflamme benennt die Fusionsre- aktion durch Pikosekunden-Initiation mit der Blockzündung (im Unterschied zur thermischen Fusionsdetonation) .

Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch einen Kernfusions-Reaktor gelöst, der zur Generation von Elektroenergie konfiguriert ist und eine Magnetfeldeinrichtung, die zur Halterung eines Fusionsbrennstoffs und zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einem zylinderförmigen Reaktionsraum konfiguriert ist, eine Fusions-Pulslaserquelle, die zur Emission von Fusions-

Laserpulsen, deren Pulsdauer weniger als 10 ps beträgt und deren Leistung mehr als 1 Petawatt beträgt und zur Einleitung einer Kernfusion im Fusionsbrennstoff konfiguriert ist, und eine Energiewandlereinrichtung aufweist, die zur Umwandlung der bei der Kernfusion aus den erzeugten Kernen freiwerdenden Energie in Kraftwerksleistung vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Magnetfeldeinrichtung für eine Halterung des Fusionsbrennstoffes mittels elektrisch isolierenden Fäden, z. B. aus Quarz, konfiguriert. Gemäß der Erfindung ist die Magnetfeld- einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes mit einer Feldstärke konfiguriert, die größer oder gleich 1 kT ist.

Vorzugsweise werden erfindungsgemäß magnetische Felder mit einer Feldstärke von gleich oder mehr als Kilotesla verwen- det, wobei die Felder besonders bevorzugt mit einer lasergesteuerten Entladung gesteuert werden. Vorteilhafterweise werden mit den erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Felder erstmalig die radialen Verluste von einem magnetisch- zylinderförmigen Reaktionsraum von HBll mit Folgereaktionen so unterbunden, dass die hohen Ausbeuten insbesondere oberhalb 1000 und weit mehr geliefert werden, wobei die ps Laser ^¬ pulse eine besonders bevorzugt Leistung von mindestens 10 PW haben. Die Erfinder haben festgestellt, dass die magnetischen Felder zur zuverlässigen Eindämmung der Expansion des Reaktionsvolumens bei der Zündung der Kernfusion geeignet sind.

Die Erfindung bietet den Vorteil, erstmalig eine realistische und ökonomisch machbare Umsetzung einer Fusions-basierten, praktisch unerschöpflichen und billigen Energiequelle bereitzustellen. Der erfindungsgemäße Kernfusions-Reaktor bildet ein Fusions-Kraftwerk, das praktisch anwendbar ist. Die Erfindung liefert eine hocheffiziente Laser-Kernfusion mit Mag- netkanalisierung, wobei die Laser-getriebene Kernfusion mit Ausbeuten von mehr als 500 durch Anwendung von extrem hohen Magnetfeldern erreicht wird.

Vorteilhafterweise werden die bisher nur in einem Fall bekannten ultrahohen Magnetfelder [11] höher als Kilotesla im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur Erzeugung eines mehr als dreißigfach höheren magnetischen Feldes verwendet, wobei allerdings statt der in Nanosekunden thermisch getriebenen Fusion die mit Pikosekunden-Pulsen betriebene nichtthermisch arbeitende Blockzündung verwendet wird. Damit lassen sich mit großem Unterschied zu allen bisherigen Methoden und Anordnungen Energieausbeuten erreichen, die zur Verwirklichung von ökonomisch arbeitenden Kraftwerken führen mit insgesamt vernachlässigbarer NuklearStrahlung .

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist der Fusionsbrennstoff mindestens eines der folgenden Merkmale auf. Gemäß einer ersten Variante hat der Fusionsbrennstoff vorzugsweise eine Festkörperdichte bis zu 20facher Kompression im Vergleich zum unkomprimierten Brennstoff in Analogie zum Fall der „schnellen Zündung " nach Nuckolls et al. [13]. Gemäß einer weiteren Variante besteht der Fusionsbrennstoff vorzugsweise aus IIB Isotopen mit stöchiometrisch bis zu 15% Abweichung leichtem Wasserstoff. Gemäß einer weiteren Varian- te besteht der Fusionsbrennstoff vorzugsweise aus einer Mischung von leichtem Wasserstoff und Bor zu jeweils mindestens 20% Atomkonzentration.

Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Energie der erzeugten Kerne mit elektrostatischen Feldern aufgefangen wird, ergeben sich weitere Vorteile für die Energieausbeute. Die Fusionsenergie kann direkt in Elektroenergie umgewandelt werden. Vorzugsweise wird die Bewegungsenergie der erzeugten Alphateilchen direkt in Elektroenergie umgewandelt.

Zur Erzeugung der elektrostatischen Felder ist der Reaktionsraum, insbesondere die Magnetfeldeinrichtung zur Bildung des Reaktionsraums, vorzugsweise von der Energiewandlereinrichtung umgeben, wobei der Reaktionsraum eine negative Hochspannung relativ zu der Energiewandlereinrichtung aufweist. Hierzu ist der Reaktionsraum, insbesondere die Magnetfeldeinrichtung, vorzugsweise mit einer Hochspannungsquelle zur Erzeugung einer negativen Hochspannung relativ zu der Energiewandlereinrichtung verbunden. Besonders bevorzugt beträgt die negative Hochspannung mindestens 1 MV.

Wenn gemäß einer weiteren Variante der Erfindung die Energiewandlereinrichtung auf Massepotential liegt, ergeben sich Vorteile für den Aufbau des Kernfusions-Reaktors und dessen Beschickung mit Fusionsbrennstoff. Vorzugsweise hat die Energiewandlereinrichtung die Gestalt eines kugelförmigen, elektrisch leitenden Einschluss (Gehäuse) um den Reaktions ^¬ raum, insbesondere die Magnetfeldeinrichtung. Vorteilhafter ^¬ weise ist dadurch die Energiewandlereinrichtung optimal an die Fusionsgeometrie angepasst. Besonders bevorzugt ist zwischen der Energiewandlereinrichtung und dem Reaktionsraum ein Faradaykäfig zur Abschirmung des statischen Hochspannungsfeldes von den Reaktionsvorgängen angeordnet mit Verhinderung des Durchgriffs des Hochspannungsfeldes gegenüber dem Fusionsreaktionsvolumen .

Das magnetische Feld mit der Feldstärke größer oder gleich 1 Kilotesla kann mit jedem verfügbaren Verfahren zur Erzeugung starker Magnetfelder realisiert werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das magnetische Feld mittels einer Wechselwirkung mit Entladungs- Laserstrahlung durch einen Entladungsstrom in Elektroden erzeugt, die über mindestens eine Spule, insbesondere eine einzige Spulenwicklung gekoppelt sind. Vorzugsweise weist die Magnetfeldeinrichtung des Kernfusions-Reaktors ein Paar von Elektroden, zwei Spulen und eine Magnetfeld-Pulslaserquelle auf, die zur Bestrahlung der Elektroden mit Entladungs- Laserstrahlung angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Magnetfeldeinrichtung für eine Halterung des Fusionsbrennstoffes mittels elektrisch isolierenden Fäden, z. B. aus Quarz, an den Spulen oder anderen Trägerelementen der Magnetfeldeinrichtung konfiguriert. Besonders bevorzugt wird die Magnet- · feldeinrichtung mit dem Aufbau realisiert, der in [11] von S. Fujioka et al. beschrieben ist. Vorzugsweise umfasst die Ent- ladungs-Laserstrahlung Laserpulse (im Folgenden: magnetfelderzeugende Laserpulse oder Magnetfeld-Laserpulse) , deren Pulsdauer weniger als 20 ns beträgt und deren Energie mehr als 100 J.

Vorteilhafterweise kann das magnetische Feld gemäß einer wei ^¬ teren Ausführungsform der Erfindung verstärkt werden, indem die Elektroden zur Erzeugung des magnetischen Feldes zwei voneinander beabstandete Platten umfassen, zwischen denen ein die Magnetfeld-Laserpulse absorbierendes Material mit einer Form angeordnet ist, die an ein Rayleighprofil eines erzeugten Plasmas angepasst ist. Besonders bevorzugt umfasst das Material ein Schaummaterial, wie z. B. Polyethylen, wobei das doppelte Rayleigh-Profil der Elektronendichte nach Fig. 10.17 von [3] gewählt wird.

Gemäß einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mit den Fusions-Laserpulsen eine Blockzündung eingeleitet. Hierzu weisen die Fusions-Laserpulse vor- zugsweise eine Dauer von weniger als 5 ps und/oder eine Leistung von mindestens 1 Petawatt auf. Vorzugsweise umfasst die Fusions-Pulslaserquelle zur Erzeugung der Fusions-Laserpulse mit einer Dauer geringer als 5 ps eine Quelle vom Typ der bekannten 10 PW-ps Laseranordnung vom Institute of Laser Engi- neering der Osaka-Universität.

Vorzugsweise haben die Fusions-Laserpulse ein Kontrastverhältnis von mindestens 10 ⁶ . Hierzu werden besonders bevorzugt Vorauspulse bis zu einer Zeit von weniger als 5 Pikosekunden vor dem Eintreffen eines (Haupt-) Fusions-Laserpulses auf den Fusions-Brennstoff unterdrückt. Des Weiteren ergeben sich Vorteile für die Auslösung der Fusionsreaktion, wenn die Fusions-Laserpulse beim Eintreffen auf dem Fusions-Brennstoff eine Intensität von mindestens 10 ¹⁷ Watt pro Quadratzentime- ter aufweisen.

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Fusionsbrennstoff teilweise oder vollständig von einer Deckschicht, insbesondere an einer Seite der Laser- Plasmawechselwirkung, umhüllt, die aus einem Material mit einem Atomgewicht höher als 100. Vorteilhafterweise wird damit die Impulsübertragung zur Erzeugung der Fusionsflamme im Reaktionsbrennstoff unterstützt. Bevorzugt hat die Deckschicht eine Dicke gleich oder geringer als 5 μπι, und/oder sie kann durch Dampfabscheidung gebildet sein.

Kurzbeschreibung der Figuren

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1: eine schematische Illustration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernfusions-Reaktors;

Figur 2 eine schematische Illustration der Bestrahlung einer Magnetfeldeinrichtung mit Magnetfeld- und

Fusions-Laserpulsen; und

Figur 3 weitere Einzelheiten einer Ausführungsform des er ^¬ findungsgemäßen Kernfusions-Reaktors. Bevorzugte Äusführungsformen der Erfindung

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden vorrangig unter Bezug auf die Erzeugung des mag ^¬ netischen Feldes zur Halterung eines Fusions-Brennstoffs und die Gestaltung der Energiewandlereinrichtung beschrieben. Einzelheiten der Erfindung, wie die Details von Laserpulsquellen, die physikalischen Grundlagen der HBll-Reaktion, die Verbindung des Fusions-Reaktors mit weiteren Komponenten ei ^¬ nes Kraftwerks, insbesondere zur Vorbereitung und Zuführung des Fusions-Brennstoffs, zur Steuerung des Fusions-Reaktors, zum Schutz der Umgebung gegen thermische Einflüsse und/oder elektrische Felder, werden nicht beschrieben, da sie vom Fachmann, basierend auf den Kenntnissen der bekannten Fusi- ons- und Plasmaphysik und herkömmlichen Kraftwerkstechnik, in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen der Erfindung realisiert werden können. Beispielhaft wird auf einen Fusions-Reaktor mit einem einzelnen Reaktionsraum Bezug genommen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Vielmehr kann ein Fusions-Reaktor mit einer Vielzahl von Reaktionsräumen, jeweils mit einer Magnetfeldein- richtung zur Halterung von Fusionsbrennstoff, ausgestattet sein. Die Reaktionsräume können sequentiell abwechselnd so betrieben werden, dass eine kontinuierliche oder quasikonti- nuierliche Generation von Elektroenergie ermöglicht wird.

Figur 1 zeigt eine schematische Illustration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernfusions-Reaktors 100, der eine Magnetfeldeinrichtung 10 zur Halterung eines Fusions- brennstoffs 1 mit einem magnetischen Feld in einem zylinderförmigen Reaktionsraum 2, eine Magnetfeld-Pulslaserquelle 20 zur Emission von Magnetfeld-Laserpulsen 3 (oder: magnetfelderzeugende Laserpulse), eine Fusions-Pulslaserquelle 30 zur Emission von Fusions-Laserpulsen 4 (oder: Blockfusions- Laserpulse) und eine Energiewandlereinrichtung 40 zur Umwandlung der bei der Kernfusion aus den erzeugten Kernen frei werdenden Energie umfasst.

Die Magnetfeldeinrichtung 10 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit einer Stärke von z. B. 4,5 kT im Reaktionsraum 2 umfasst zwei parallele Metallplatten 11, 12, die z. B. aus Nickel hergestellt sind, eine Dicke von z. B. 2 mm und eine charakteristische Ausdehnung von z. B. 3 cm aufweisen. Die Metallplatten 11, 12 sind über elektrische Leiter, die zwei Windungen 13 einer Spule bilden, miteinander verbunden. Eine der Metallplatten 11 hat ein Loch 14, durch das die Magnet ^¬ feld-Laserpulse 3 mit einer Dauer von z. B. 1 ns bis 2 ns und z. B. 10 kJ Energie eingestrahlt werden. Das von jedem Magnetfeld-Laserpuls 3 erzeugte Plasma erzeugt einen Stromstoß in den Windungen 13 mit einem Magnetfeld von einem Volumen von Kubikmillimetern und einigen ns Dauer.

Das Loch 14 ist eine kreisrunde Öffnung in der in Figur 1 oberen Metallplatte 11. Der Durchmesser und optional auch die geometrische Form des Lochs 14 werden in Abhängigkeit von Eigenschaften, insbesondere der Intensität, dem Durchmesser und dem Profil der Magnetfeld-Laserpulse 3 gewählt. Der Durchmesser des Lochs 14 beträgt zum Beispiel 5 mm. Abweichend von der kreisrunden Form kann zum Beispiel eine elliptische Form vorgesehen sein. Eine Optimierung des Lochs 14 kann mit Blick auf die Maximierung des magnetischen Feldes für eine höchstmögliche Fusionsausbeute vorgesehen sein. Die zweite Metallplatte 12, die dem Loch 14 gegenüber liegt, kann mit einer Absorptionsschicht ausgestattet sein, die einer Verringerung der optischen Reflektion der Magnetfeld- Laserpulse 3 und einer Erhöhung der dielektrischen Eigenschaften des von den Metallplatten 11 gebildeten Kondensators dient. Vorzugsweise ist die Absorptionsschicht (nicht dargestellt) auf der gesamten Fläche der Metallplatte 12 angeordnet und besonders bevorzugt aus einem Schaummaterial, zum Beispiel Polyethylen, gebildet. Das Schaummaterial ist so ge ^¬ wählt, dass nach der Laserbestrahlung eine Elektronendichte- Verteilung als ein Doppel-Rayleigh-Profil gebildet wird.

Die Magnetfeld-Laserpulse 3 werden mit der schematisch ge ^¬ zeigten Magnetfeld-Pulslaserquelle 20 erzeugt, die z. B. ei ^¬ nen Nd-YAG-Laser und weitere optische Komponenten (nicht ge- zeigt) zur Lenkung der Magnetfeld-Laserpulse 3 hin zur Mag ^¬ netfeldeinrichtung 10 enthält. Optional können die Magnetfeld-Laserpulse 3 von einer Dauer im Nanosekundenbereich zeitlich verkürzt werden durch Verwendung eines Iodlasers mit einer Pulslänge von 100 ps und/oder durch kürzere Laserpulse nach CPA-Leistungserhöhung . Vorteilhafterweise kann damit das magnetische Feld verstärkt werden, das mit der Magnetfeldein- richtung 10 erzeugt wird. Die Fusions-Pulslaserquelle 30 ist für die Erzeugung der Fu- sions-Laserpulse 4 mit einer Dauer von weniger als 5 ps und einer Intensität oberhalb von 10 ¹⁹ W/cm ² konfiguriert. Die Fu- sions-Laserpulse 4 haben vorzugsweise ein Kontrastverhältnis von mindestens 10 ⁶ für die Dauer von weniger als 5 ps vor Eintreffen der Fusions-Laserpulse 4 auf dem Fusionsbrennstoff 1. Des Weiteren haben die Fusions-Laserpulse 4 vorzugsweise eine Intensitätsverteilung, die über den Strahlquerschnitt, außer in einem äußeren 5%-Randbereich des Strahlquerschnitts, weniger als 5%-Schwankungen aufweist. Damit wird vorteilhaf- terweise die Blockzündung der Fusionsreaktion im Fusionsbrennstoff 1 optimiert. Die genannte Intensitätsverteilung wird beispielsweise durch eine Fusions-Pulslaserquelle 30 erzielt, die ein Bündel von Faserverstärkern aufweist, wobei jede Einzelfaser eine Singlemode-Emission aufweist. Des Wei- teren enthält die Fusions-Pulslaserquelle 30 einen Pulslaser, wie zum Beispiel einen Festkörper-Pulslaser, zur Erzeugung von ps-Laserpulsen .

Die Magnetfeld-Pulslaserquelle 20 und die Fusions- Pulslaserquelle 30 sind mit einer Steuereinrichtung 50 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 50 ist so konfiguriert, dass die Magnetfeld-Laserpulse 3 und die Fusions-Laserpulse 4 zeitlich zueinander abgestimmt sind. Im Reaktionsraum 2 wird das maximale magnetische Feld erzeugt, unmittelbar bevor jeweils ei- ner der Fusionslaserpulse 4 beim Fusionsbrennstoff 1 eintrifft.

Der Fusionsbrennstoff 1 ist ein festkörperdichter, zylindri ^¬ scher Körper, basierend auf HB11, zum Beispiel mit einer Län- ge von 1 cm und einem Durchmesser von 0,2 mm. Die Oberfläche des Fusionsbrennstoffs 1 trägt eine Deckschicht an der Fläche der Laserwechselwirkung mit einer Dicke von drei Laser- Vakuumwellenlängen. Die Deckschicht besteht aus Elementen mit höherem Atomgewicht als 100, zum Beispiel Silber. Mit der

Deckschicht wird die Impulsübertragung zur Erzeugung der Fusionsflamme im Fusionsbrennstoff 1 verbessert. Der Fusionsbrennstoff 1 ist in der Magnetfeldeinrichtung mittels Quarzfäden gehaltert.

Die Energiewandlereinrichtung 40 umfasst allgemein ein elektrisch leitendes Bauteil (in Figur 1 schematisch gestrichelt gezeigt, siehe auch Figur 3) , das die Magnetfeldeinrichtung 10 allseits umgibt. Die Magnetfeldeinrichtung 10 ist im Inneren der Energiewandlereinrichtung 40 gehaltert (Träger in Figur 1 nicht gezeigt, siehe z. B. Trägerstab 44 in Figur 3) . Die Energiewandlereinrichtung 40 ist vorzugsweise mit Massepotential verbunden, während die Magnetfeldeinrichtung 10 mittels einer Spannungsquelle 15 mit einer negativen Hoch- Spannung, zum Beispiel -1,4 MV, beaufschlagt wird. Die Energiewandlereinrichtung 40 ist dafür angeordnet, bei der Fusionsreaktion des Fusionsbrennstoffs 1 freigesetzte, hochenergetische He-Kerne (Alphateilchen) aufzufangen und mittels Spannungsgleichstromübertragung (HGÜ) [16] in einen Entla- dungsstrom umzuwandeln. Mit dem Entladungsstrom wird die

Elektroenergie bereitgestellt, in welche die bei der Fusionsreaktion freigesetzte Energie umgewandelt wird.

Das Eintreffen der Magnetfeld-Laserpulse 3 und Fusions- Laserpulse 4 an der Reaktionseinheit , gebildet durch die Magnetfeldeinrichtung 10, ist auch in Figur 2 illustriert. Die Magnetfeldeinrichtung 10 ist aufgebaut, wie oben unter Bezug auf Figur 1 beschrieben ist. Mit den Magnetfeld-Laserpulsen 3 wird ein magnetisches Feld mit einer Feldstärke von zum Bei- spiel 10 kT erzeugt. Der Fusionsbrennstoff 1 wird in die Achse des Reaktionsraums 2, gleich der Achse magnetischen Feldes, eingebracht (Halterung mit den Quarzfäden) und in einem Zeitbereich von Nanosekunden mit einem magnetischen Feld be- aufschlagt. Während der Dauer der Erzeugung des magnetischen Feldes wird mit dem Fusions-Laserpuls 4 eine Blockzündung im Fusionsbrennstoff 1 erzeugt. Der Fusions-Laserpuls 4 hat zum Beispiel eine Energie von 30 kJ (entsprechend 30 PW Leistung) , so dass die Produkte der Kernfusion (Heliumkerne) eine Energie von etwa 1 GJ haben. Diese Energie wird elektrostatisch mit geringem Wärmeverlust mit der Energiewandlereinrichtung 40 in elektrische Leistung umgewandelt (1 GJ entspricht rund 280 kWh) . Vorteilhafterweise ermöglicht dies, dass der Fusionsreaktor 100 selbst mit einer geringen Reakti- onsfrequenz von einer Reaktion pro Sekunde wirtschaftlich einen hohen elektrischen Strom liefern kann. Bei der Fusionsreaktion wird die Magnetfeldeinrichtung 10 durch die Einwirkung der Fusionsprodukte zerstört, so dass für die folgende Fusionsreaktion eine weitere Magnetfeldeinrichtung 10, beschickt mit Fusionsbrennstoff, zugeführt wird.

Abweichend von der Illustration in den Figuren 1 und 2 kann die Einfallsrichtung der Magnetfeld-Laserpulse 3 um einen Winkel bis zu 80° zwischen senkrechtem Einfall in der Ebene gedreht werden, die von der senkrechten Einfallsrichtung und der normalen des Magnetfelds aufgespannt wird, wobei die Drehung in der Ebene erfolgt, die parallel zu den Spulen 13 ori ^¬ entiert ist. Weitere Einzelheiten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernfusions-Reaktors 100 sind in Figur 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Energiewand ^¬ lereinrichtung 40 eine elektrisch leitende Kugel, in deren Mitte die Magnetfeldeinrichtung 10 gemäß Figur 1 oder 2 ange- ordnet ist. Die Energiewandlereinrichtung 40 ist zum Beispiel aus Edelstahl mit einer Dicke von 10 mm und einem Durchmesser von mindestens 1 m hergestellt. Das kugelförmige Außengefäß des Reaktors hat von genügender Größe und von genügender Wandstärke hergestellt zu sein, um den mechanischen Schock der Fusionsreaktion auszuhalten. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass sich der mechanische Druck mit der Wurzel der Energie der Kernreaktion geteilt durch die Energie bei chemischen Reaktionen beträgt, welcher Faktor etwa 3000 ist. Der Schock auf die Kugelwand, übertragen vom Impuls der Summe der erzeugten Alphateilchen, entspricht dann etwa der Explosion von 5 Gramm TNT.

In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung sind alle Komponenten des Fusionsreaktors 100 mit abgerundeten Oberflächen gebildet, die frei von Ecken und Kanten sind. Vorteil- hafterweise wird damit eine Feldemission von Elektronen und die Bildung von Dunkelentladungen vermieden. Die gesamte Anordnung befindet sich unter Hochvakuum, das mit Vakuumpumpen (nicht dargestellt) erzeugt wird.

Die Kugeloberfläche der Energiewandlereinrichtung 40 weist mehrere Fenster auf, welche ein erstes Fenster 41 zur Einstrahlung der Magnetfeld-Laserpulse 3, ein zweites Fenster 42 zur Einstrahlung der Fusions-Laserpulse 4 und ein drittes

Fenster 43 zur Beschickung der Energiewandlereinrichtung 40 mit der Magnetfeldeinrichtung 10 und dem Fusionsbrennstoff 1 umfassen. Da das Innere der Energiewandlereinrichtung 40 evakuiert ist, werden das erste Fenster 41 und das zweite Fens- ter 42 durch druckdichte, transparente Scheiben, z. B. aus

Glas gebildet. Das dritte Fenster 43 ist offen und druckdicht mit einem angrenzenden Behälter gekoppelt und dient der Zuführung und Halterung der zentralen Magnetfeldeinrichtung 10 (Reaktionseinheit ) . Diese ist auf einem stabförmigen Brenn- stoffträger 44 vorgesehen, der außerhalb Energiewandlereinrichtung 40 mit dem Fusionsbrennstoff 1 beladen, insbesondere freischwebend und im Kugelzentrum lokalisiert, eingeführt wird. Der Brennstoffträger 44 und die Magnetfeldeinrichtung 10 befinden sich auf einem Potenzial von -1,4 MV relativ zu der Energiewandlereinrichtung 40 auf Massepotential. Der Brennstoffträger 44 besitzt beispielsweise die Gestalt eines Stabes mit einer Länge von mindestens einem halben Durchmesser der Energiewandlereinrichtung 40.

Im Inneren der Energiewandlereinrichtung 40 ist ein kugelförmiger oder anders, z. B. unregelmäßig geformter Faraday-Käfig 45 vorgesehen, der die Magnetfeldeinrichtung 10 einschließt. Der Faraday-Käfig 45, z. B. in Gestalt eines Geflechts oder Gitters, hat die Aufgabe, dass das statische Hochstromfeld die Vorgänge bei der Erzeugung des magnetischen Feldes der Magnetfeldeinrichtung nicht beeinflusst. Die Energiewandlereinrichtung 40 ist rundum abgeschirmt durch den Faradaykäfig 45. Der Brennstoffträger 44 mit der Magnetfeldeinrichtung 10 und dem Fusionsbrennstoff 1 auf dem elektrischen Potential von 1,4 MV kommt aus dem angrenzenden Behälter, der

elektrisch isoliert sich in gleichem Vakuum wie dem Inneren der kugelförmigen Energiewandlereinrichtung 40 befindet, so dass weitere Reaktoreinheiten nach jeder Reaktion in das Zentrum von der Energiewandlereinrichtung 40 auf demselben

Potential eingefahren werden. Der Zugang zum Inneren für die Ladeeinheiten der Reaktion erfolgt durch Vakuumschleusen.

Im laufenden Betrieb wird aufeinanderfolgend wiederholt je- weils eine Magnetfeldeinrichtung 10, beschickt mit Fusionsbrennstoff 1, in die Energiewandlereinrichtung 40 eingeführt, den magnetfelderzeugenden Laserpulsen zur Erzeugung des magnetischen Feldes ausgesetzt, während der Erzeugung des magnetischen Feldes den Blockfusions-Laserpulsen zur Blockfusion ausgesetzt, und anschließend durch eine neue Magnetfeldeinrichtung 10, beschickt mit Fusionsbrennstoff 1, ersetzt.

Die bei jeder Fusionsreaktion erzeugten zweifach geladenen Alphateilchen gleicher Energie (Heliumkerne) erreichen die kugelförmige Energiewandlereinrichtung 40 durch das Geflecht des Faraday-Käfigs 45 und geben an der Energiewandlereinrichtung 40 ihre Bewegungsenergie ab. Auf dem Potenzial von -1,4 MV ist die Energie der Alphateilchen verfügbar, wobei bei ei- ner Aufladung auf -1,4 MV die Energie als ein sekundenlanger Entladungsstrom von 714 A mittels der aus [16] bekannten Technik der Hochspannungsgleichstromübertragung bereitgestellt wird. Die Umwandlung des Hochspannungsgleichstromes in üblichen Drehstrom wird in bekannter Weise wie in der HGÜ- Technik vollzogen [16].

Die beim Fusionsprozess erzeugte gleiche Energie aller Alphateilchen von 2,9 MeV wird durch eine sekundäre Lawinenreaktion sowohl zu höheren als zu niedrigeren Energien zu einem Spektrum verbreitert, wodurch vorteilhafterweise die Energieausbeute der Energieumwandlung noch um einige Prozente verbessert werden kann.

Das Nachfüllen für eine erneute Reaktion auf dem Potential von -1,4 Millionen Volt kann dann in Sekundenschnelle erfolgen mit vorbereiteter Fixierung der Justierung der Laserpulse auf die zentrale Reaktionseinheit von Figur 2. Vor deren Ein ^¬ führen in die Reaktorkugel (Energiewandlereinrichtung 40) können die Reste der vorausgehenden Reaktion entfernt werden. Die Kosten jeder neuen Einheit einschließlich des HB11-

Fusionsbrennstoffs kann auf Bruchteile der Gewinnkosten der erzeugten Elektroenergie gehalten werden. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und de Ansprüchen ^■ offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, in Kombination oder in Sub-Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.