Transcript Fusionsenergie zu niedrigsten Kosten mit Lasern

Energie zu niedrigen Preisen
durch lasergetriebene
Kernfusion?
Heinrich Hora
University of New South Wales,
Sydney, Australien
Wieso billigste Energie, wo Forschung noch am
Druchbruch ist und der Magnetfusions-ITER
$5Milliarden kosten soll bis 2015 und Laserfusion
mit NIF $3Milliarden bis 2009.
Ziel der sauberen, sicheren, praktisch unerschöpflichen, überall verfügbaren Energie ist so hoch,
dass zu den bisherigen Riesenaufwendungen
weitere gerechtfertigt erscheinen zur Erforschung
der aufgetauchten neuartigen Probleme, von
denen viele meist schon gelöst wurden.
Siehe P. Kaw in Sonderheft von Nulcear Fusion Nr. 10A (2005)
Hora druckte schon vor 40 Jahren:
Laserfusion ist die Lösung.
Hier eine neue Botschaft, wie erst die
neulich entdeckten TW-ps Laser eine
experimentell gesicherte Lösung bringen
sollten.
Picosekunden Laser Pulse von
15
TW...petawatt PW(10 Watt) Leistung
ÜBLICH: Relativistische Effekte
100 MeV Elektronen, GeV Ionen,
10 MeV Gammas, Kernreaktionen, Paarerzeugung,
Ursache: relativistische Selbstfokussierung
Relativistic Self-focusing (Hora 1975):
Relativistic change of electron mass results
in shorter optical propagation at higher
intensity than at lower intensity
UNÜBLICH:
Ionen statt üblicher 22 MeV Energie nur 0.5 MeV
Badziak et al, Laser and Particle Beams 17, 1999
Nur sehr geringe statt üblicher hoher Röntgenemission
Jie Yhang et al. Phys. Rev. E 1998
nichtlinearer
mit
beschleunigt
Plasmafront
Ebene
(ponderomotischer) Kraft
Sauerbrey Physics of P lasmas 1996
Ursache: keine Selbstfokussierung we gen hohem
Kontrastverhältnisses 108 (Unterdrückung von
Vorpulsen)
Scheme for demonstration of the essential different geometry of the laser-plasma
interaction volumes for subsequent volume-force nonlinear electron acceleration
with separation by the ion charge Z.
Wechselwirkung in ebener Geometrie
In festem Volumen der Skinlayer oder Corona
Durch nichtlineare (ponderomotorische) Kraft
Rechnungen 1978 (Univ. NSW, Sydney)
H.H., V.F. Lawrence... Plasm as at High Tem perature and Density (Springer,
Heidelberg 1991)
„Skinlayer Acceleration“ durch nichtlineare Kraft
H.H., J. Badziak et al, Opt. Commun. (2002)
Nonlinear Force at Perpendicular Incidence
Plasma in one dimension (x-direction)
fNL = (n2 -1) E2 / 8p
fNL = - (/x) (E2 + H2) / (8p)
Force Density in Plasma
f = fth + fNL thermokinetic force fth = - p
General nonlinear force
fNL = .[EE + HH - 0.5(E2+ H2)1 + (1 + /t)/)(n2 -1) EE]/(4p)
- /t) E x H / (4pc)
Reformulated Lorentz and gauge invariant and
complete
fNL = j x H/c + E + P.E/4p + (1/ )(/t) E.(n2 -1) E/(4p)
+ [1 + (1/ )(/t)] .(n2 -1) E.E/ 4p
Lorentz term fNL = j x H/c
Coulomb term fcoulomb = E
Kelvin ponderomotive term fkelvin = P.E/4p = (n2 -1) E2/
8p - (n2 -1) E x ( x E) / 4p
New nonlinear terms
Density ne(x) of a plasma with collisions exceeding the cut-off density
with an incident purely penetrating laser beam (hv) which can also be
constructed in this case by the WKB approximation. The variation of
the quantity Ey2 + Hz2 results in the nonlinear forces fNL.
Generation of blocks of deuterium plasma moving with velocities above 109
cm/s against the neodymium glass laser light (positive velocities v to the right)
and moving into the plasma interior (negative velocities) at irradiation by a
neodymium glass laser of 1018 W/cm2 intensity onto an initially 100eV and
100µm thick bi-Rayleigh profile with minimum internal reflection.
Scheme of skin depth laser interaction where the non-linear force
accelerates a plasma block against the laser light and another block
towards the target interior. In front of the blocks are electron clouds of the
thickness of the effective Debye lengths of less than 500 nm.
Plasma Blöcke, raumladungsneutral, niedrige
Temperatur, gerichtet mit Ionenstromdichten
von
j > 1011 Amp/cm2.
Hinweis auf Fusionsenergie: John Nuckolls 1960
(Strahlungszündung).
Edward Teller Lectures, Imperial College Press, 2005, S.
Zurück zur Fusionsenergie
John Nuckolls 1960: Strahlungszündung
der Fusion mittels Laserstrahlung
Edward Teller Lectures, Imperial College Press London 2005,S. 85
Jedoch:
Bobin 1974: HOHE SCHWELL WERTE
IGNITION OF FUSION FLAME
N
I SOLID DT
Necessary DT ioncurrent density of 80 keV
j > j* = 10
10
Amp/cm
2
(1)
Necessary energy flux density Ef of
8
2
Ef > E* = 10 J/cm
Bobin (1971, 1974), Chu (1972)
(2)
Alternative to fusion flame:
Spark ignition
Compress Fuel Pellet such that
hot, low density core ignites and
develop as fusion ignition into
surrounding low temperature
very high density DT.
Energy flux density at igniting
8
2
interface: about 10 J/cm .
PW-ps Laserpuls für „FAST IG NITER“
Max Tabak et al. 1994, E.M. Campbell
Vorkompression von DT auf
Festkörperdichte mit ns-Lasern
Zündung mit PW-ps Puls
Periphere Zündung
P. Mulser Hain, Phys. Rev. Letters
2000-fache
Alternative: J.H. Nuckolls und L.
Wood (2002)
PW-ps laser erzeugt sehr intensiven
5MeV Elektronenstrahl
zur Zündung von großem Volumen
von fast unkomprimiertem festem DT.
10 kJ Laserpuls erzeugt 100 MJ
Fusionsenergie: 10.000fache Ausbeute
Zur Verfehmung der Trägheitsfusionsenergie durch andere Fusionskonzepte:
Wenn John Nuckolls diese Alternative der
Fusionenergie mit Lasern offen diskutiert, kann man
den Nutzen für andere Anwendungen ausschließen.
NEU:
statt Elektronenstrahl aus 1000fach
vorkomprimiertem DT, nunmehr
Ionenstrahl ohne alle
Vorkompression von DT
H.Hora, J. Badziak, et al Laser and Part icle Beams 23, 423 (2005)
Zündung von unkomprimiertem festem DT mit
nichtlinearer-Kraft-getriebenen
Plasmablöcken
sollte zu sehr vereinfachtem Fusionskraftwerk
führen: Energie vielfach billiger als alle anderen
bekannten Quellen.
Nach Erfüllung der Bobin-Bedingungen sind
Einzelfragen der Wechselwirkung zu klären.
Danke für Aufmerksamkeit