Der Farnsworth Fusor – Fusion im Wohnzimmer

Kalte Fusion gibt es nicht…

Dieser Satz bewahrheitet sich immer öfters. Denn seit dem Start des Projekts blieb eine Fusion bisher aus…Was jedoch nicht heißt, dass der Fusor nicht funktioniert oder dass das Projekt auf Eis gelegt wurde. Das Projekt läuft immer noch auf Hochtouren, ich bin vielleicht sogar näher an einer Fusion, als man glaubt!


Der Farnsworth-Hirsch Fusor ist ein rezirkulierender Beschleuniger aus einer kugelsymmetrischen Zwei-Gitteranordnung. Mit dieser speziellen Gitteranordnung erreicht man einen elektrostatischen Trägheitseinschluss von Ionen in der inneren Elektrode, die gleichzeitig von beschleunigten Ionen bombardiert werden. Durch eine ausgeklügelte Elektroden- und Ionenquellenanordnung ist es möglich so hohe Energien auf die Ionen zu übertragen, dass sie miteinander fusionieren.

Geschichtlicher Hintergrund
Auf die Idee zur Funktionsweise eines Fusors kam Philo T. Farnsworth während seiner Arbeit als Fernsehröhrenmechaniker. Farnsworth arbeitete bereits 1960 an der Technologie des »elektrostatischen Trägheitseinschlusses« (englisch: inertial electrostatic confinement, IEC). In den 1930er Jahren entdeckte er beim Experimentieren an verschiedenen Designs von Fernsehröhren den »Multiplikator Effekt«, d.h. die Vervielfachungen von freien Elektronen in Vakuum unter Einwirkung eines el. Feldes und mit Wechselwirkung der Elektrodenanordnung. Treffen schnelle Elektronen auf eine Metalloberfläche, so können sie dort weitere Sekundärelektronen herausschlagen, die ebenfalls vom E-Feld beschleunigt werden. Diese können wiederum weitere Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Es resultiert ein Lawineneffekt.
Farnsworth erkannte, dass mit dieser Anordnung eine sogenannte virtuelle Elektrode erzeugt werden konnte und geladene Ionen in dieser virtuelle Elektrode gefangen genommen werden konnten. Gerade das ist wichtig für eine Fusion, denn das heiße Plasma soll nicht an die kalten Metallwände gelangen, wo es sich abkühlen würde.
1968 meldete Farnsworth nach vielen Arbeitsstunden seinen Fusor beim Patent an.
In den späten 1960er Jahren entwickelte Robert L. Hirsch das System von Farnsworth weiter (zu den technischen Details später mehr). Deshalb wird ihnen zu Ehren das System als Farnsworth-Hirsch-Fusor bezeichnet.

Farnsworth beim Experimentieren an seinem Fusor.

Funktionsweise

Der elektrostatische Trägheitseinschluss
Anschaulich geschieht der elektrostatische Trägheitseinschluss folgendermaßen:
Die Ionen, die durch die Ionenquellen durch Elektronenstöße oder Feldüberhöhung aus dem Gas erzeugt wurden, werden durch ein el. Feld in einem kleinen Raumbereich gehalten. Dieses el. Feld wird durch ein geschlossenes Drahtgitter erzeugt, das sich in der Mitte der Anordnung befindet. Im Innern des Drahtgitters ist das Feld nahezu Null (Faradayscher Käfig). Es kommen noch andere Effekte hinzu, aber dazu später mehr. Am Rand der inneren Elektrode jedoch gibt es einen sehr starken Feldanstieg, der die geladenen Teilchen im Innern des Gitters hält.

Vektorfeld, das von der inneren Elektrode erzeugt wird. Man erkennt, dass in der Mitte der Raum fast Feldfrei ist.

Originale Konstruktionspläne von Farnsworth. Man sieht den Potentialverlauf der Elektrodenanordnung am unteren Ende des Bildes. In der Mitte bildet sich ein Potentialminimum aus (Bezeichnung 330), in dem sich die Ionen sammeln können. Rechts unten im Bild ist die Anordnung der Ionenquellen zu sehen, die Farnsworth dazu verwendete um Ionen nachzuliefern und um die Ionen auf hohe Geschwindigkeiten zu bekommen.

Da die eingeschlossenen Ionen auch mit freien Elektronen rekombinieren können und so el. neutral werden, muss man von außen andauernd Ionen nachführen, dies geschieht durch eine externe Ionenquelle. Werden die Ionen unter hoher Geschwindigkeit in den Raumbereich injiziert (mit einem Beschleuniger oder einer starken externen Ionenquelle), so können die beschleunigten Ionen bei genügend hoher Energie mit den eingesperrten Ionen fusionieren. Das ist das Prinzip des Farnsworth Fusors.
Im Gegensatz zu Kernfusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss ist die Energie beim Stoß also nicht durch die Temperatur des Plasmas bestimmt, sondern durch die hohe Beschleunigungsspannung. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass die Geschwindigkeit der Ionen nicht Boltzmann-verteilt, sondern sehr monochromatisch ist. Somit kann die Coulomb-Barriere beim Stoß mit den Ionen im Innern der Anordnung öfter überwunden werden, was in einem höheren Wirkungsquerschnitt resultiert.

Der Farnsworth Fusor
Die ursprünglichen Entwürfe von Farnsworth bestanden aus einem zylindersymmetrischen Gitter, mit dem Deuteriumionen in einem kleinen Raumgebiet elektrostatisch gehalten werden konnten. Mit einer Ionenquelle wurden dann Deuteriumionen auf die in der Mitte gefangenen Deuteriumionen beschleunigt, so kam es zur Deuteriumfusion mit den in dem Drahtgitter gefangenen Deuteriumionen und den Deuteriumionen aus der Ionenquelle.

Schematischer Potentialverlauf der Elektrodenanordnung im Fusor. Die geladenen Teilchen rollen sozusagen den Potentialberg hinab und sammeln sich in der Mitte. Dort werden sie von weiteren Ionen bombardiert.

Originale Zeichnungen von Farnsworth zur Konstruktion seines Fusors.

Dies sind die möglichen Trajektorien für ein Ion in der Elektrodenanordnung von Farnsworth. Sind mehrere Ionen im Spiel, verkomplizieren sich die Trajektorien durch die Coulombwechselwirkung zwischen den Ionen.

Verbesserungen durch Robert Hirsch
Robert Hirsch baute in den 1960er Jahren einen Fusor mit sechs Ionenquellen und einer Hochspannungsversorgung von 150kV. Damit erreichte er Neutronenraten von bis zu 1E8 Neutronen pro Sekunde, was zu dieser Zeit eine beachtliche Leistung war.
Außerdem schlug Hirsch einen Fusor ohne Ionenquelle vor.

Der Hirsch-Fusor besitzt zwei konzentrisch angeordnete Kugelgitter, an die eine Hochspannung angeschlossen wird. Die durch die Hochspannung zündende Glimmentladung erzeugt durch Elektronenstöße die gewünschten Deuterium-Ionen, die dann zur inneren Elektrode (Kathode, negativ HV) hin beschleunigt werden.
Dort reichern sich die Deuterium-Ionen im Potentialminimum an und erzeugen so in der Kathode eine virtuelle Anode (gleicher Potentialwert wie der an der äußeren Anode). Diese führt dazu, dass Elektronen, die von der Kathode emittiert werden zur virtuellen Anode hin beschleunigt werden. Die so von der virtuellen Anode beschleunigten Elektronen führen wiederum zu einem Potentialminimum in der Mitte der Kathode, in dem sich abermals Deuterium-Ionen anreichern können. Dieser Mechanismus ist noch nicht ganz klar, neueste Untersuchungen haben allerdings ergeben, dass sich in der Kathode (neg. HV) zwar eine virtuelle Kathode aus Elektronen bildet, es aber keine erhöhte Deuterium-Ionen-Konzentration darin gibt.
Außerdem bewirkt die virtuelle Anode, dass Deuterium-Ionen, die sich auf die virtuelle Anode zubewegen eine repulsive Kraft verspüren. Somit sättigt die virtuelle Anode sehr schnell.
Einige Ionen können aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit das Potentialminimum wieder verlassen und in den Zwischenraum der Elektrodenanordnung gelangen, wo sie wiederum zur inneren Elektrode (Kathode) beschleunigt werden.
Die virtuelle Anode ist also ein mit Ladung gesättigter Raum, der Ionen nach Außen emittiert. Wird die negative Spannung an der Kathode erhöht, werden die Ionen stärker in den Innenbereich
beschleunigt, wo sie mit anderen Ionen stoßen. Außerdem wird der Radius der virtuellen Anode kleiner, weshalb der Druck im Innenbereich ansteigt. Bei ausreichend hoher Spannung (typ. 20kV) reicht die kinetische Energie der Ionen aus um den Coulombwall zu überwinden und um miteinander fusionieren zu können.

Fusion!
Fusion im Labor ist mit mäßigem zeitlichen und finanziellen Aufwand möglich! Die Einfachheit, die dahinter steckt, zeigt dieses Projekt.
Zur Fusion wird schwerer Wasserstoff benötigt, der mit ausreichender Hochspannung zuerst einmal ionisiert werden muss. Dies geschieht über eine Glimmentladung an den Elektroden. Durch Elektronenstöße wird das Wasserstoffmolekül in zwei einzelne Atome aufgespaltet, danach wird das Elektron vom Rumpf getrennt. Übrig bleiben die nackten Wasserstoffkerne, die beim schweren Wasserstoff Deuteronen genannt werden. Durch genügend Energie können zwei Deuteronen ihre gegenseitige Abstoßung überwinden und sich so nahe kommen, dass die starke Wechselwirkung greift. Die zwei Deuteronen fusionieren und die Energie, die dabei entsteht wird in Form von Neutronen abgegeben.

Die Reaktion mit dem größten Wirkungsquerschnitt hat die Deuterium-Tritium Reaktion, jedoch ist sie im Fusor nicht die dominante Reaktion, da nur primär Deuterium als Arbeitsgas verwendet wird (Schreibweise: 4He = Helium-4):

D + T -> 4He + 1n + 17,588MeV

Die eigentliche Reaktion, die bei etwa 15keV schon einsetzt, ist die Deuterium-Deuterium Reaktion. Sie kann auf zwei Arten ablaufen:

D + D -> 3He + 1n + 3,268MeV
D + D -> 3H + 1p + 4,03MeV

Man sieht also auch, dass in einem Fusor gefährliches Tritium produziert wird, allerdings nur in sehr geringen Mengen. Außerdem reagiert es sofort über die D-T Reaktion zu Helium-4 wobei sehr hochenergetische Neutronen erzeugt werden.

Wirkungsquerschnitt der verschiedenen Reaktionen.

Wirkungsquerschnitt der verschiedenen Reaktionen.

An den Plots erkennt man, dass die D-T Reaktion bei 15keV einen etwa 1000 mal größeren Wirkungsquerschnitt als die D-D Reaktion hat.

Der Aufbau meines Fusors
Die Vakuumkammer wurde aus einem nicht mehr benötigten Scattering-Versuch wiederverwertet. Der Pumpenstand besteht aus einer Vorvakuumpumpe und einer Turbomolekularpumpe, beide durch einen Shutter und einem Bypass voneinander getrennt.
Die Deuteriumregulierung geschieht über ein Nadelventil, darüber ist auch die Druckeinstellung möglich. Die Turbopumpe wird gebraucht um den niedrigen Druck zu erreichen, außerdem gewährt sie den Vorteil, dass man sehr schnell den gewünschten Druck erreicht, was ein langwieriges Vorpumpen verkürzt. Trotzdem ist eine Turbopumpe wartungsintensiv und schadensanfällig, wenn man sie falsch gebraucht. Der erreichte Druck ließ beim ersten Test zwar noch zu Wünschen übrig, aber für eine Fusion mit Deuteriumgas sollte er ausreichend sein.

Schematische Zeichnung des Pumpenstandes.

Der Schaltplan des Fusors ist denkbar einfach…

Der Bau des Fusors begann im Juni 2011. Ich hatte im Internet über diese Art von Fusion gelesen und dachte, dass der Fusor ein sehr guter Versuch zum Nachbauen ist. Nach langer Vorbereitungs- und Planungszeit, leitete ich die ersten Schritte für das hauseigenen Fusionskraftwerk ein :) Die nächsten Bilder stammen aus der Zeit kurz nach dem Beginn des Projekts.

Gesamter Fusor beim Aufbau. Zu erkennen ist die Steuerung der Vakuumpumpe (Mitte rechts), das Druckmessgerät (Mitte links), die alte Hochspannungsquelle (oben). Das runde Metallgehäuse ist die Vakuumkammer in der sich die ganze Physik abspielen soll.

Die äußere Elektrode besteht aus normalem Eisendraht, wobei die sowohl mechanische als auch elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Ringen mit normalem Weichlot erfolgte. Die Anordnung ist verbesserungswürdig, aber vorerst haben andere Dinge Priorität.

Äußere Elektrode aus einem Drahtgeflecht. Die einzelnen Ringe haben einen Durchmesser von etwa 20cm.

Innere Elektrode aus Wolframdraht. Die Ringe haben einen Durchmesser von 6cm. Das Wolfram wird gebraucht, da Temperaturen von über 1000 Grad Celsius zu erwarten sind. Die hohe Temperatur kommt vom ständigen Ionenbeschuss. Gehalten werden die Wolframringe von einem für mich extra angefertigten Stahl-Plastikgestell.

Äußere Elektrode und Boden der Vakuumkammer. Man sieht den Anschluss der Turbomolekularpumpe.

Blick in die Vakuumkammer bei ausgeschalteter Hochspannung. Man sieht deutlich die innere Elektrode (Rührbesen), die das Potentialminimum für das Einsperren der Ionen erzeugt.

Blick in die Vakuumkammer. Dies ist ein erster Test mit Luftfüllung bei einem Druck von 10E-3 mbar und einer Hochspannung an den Elektroden von 2kV.

Das gleiche Bild nur bei dunkler Umgebung. Man kann schon leicht die sternförmige Glimmentladung erahnen, die sich um die innere Elektrode sammelt.

Die nächsten Bilder wurden erst vor kurzem aufgenommen. Sie zeigen den Fusor an seinem endgültigen Standort in der Beschleunigerhalle. Auf die Vakuumkammer wurde ein Neutronendetektor montiert, mit dem ich nachher (wenn der Versuch funktioniert) die Energie und die Rate der Neutronen bestimmen möchte.

Der Fusor von der Seite.

Fusor von vorne in der Beschleunigerhalle.

Quellen:
http://www.fusor.net/board/view.php?bn=fusor_theory&key=1316715351
http://www.rapp-instruments.de/index5.htm
The Farnsworth/Hirsch Fusor – Richard Hull
Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases – Robert L. Hirsch
D-3He-Fusion in an Inertial Electrostatic Confinement Device – Ashley, Kulcinsky, Santarius, Krupakar Murali, Piefer
Plots zu den Wirkungsquerschnitten: Bethge, Klaus: Kernphysik

Veröffentlicht am Juni 28, 2012 in Beschleuniger, Farnsworth Fusor, Farnsworth Fusor und mit , , , , , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. 3 Kommentare.

  1. Hallo Alechmist,

    neben deinen ganzen Projekten tust auch noch bissle studieren, oder?
    Cool. Völlig verrückt, aber echt cool!

    Grüßle
    Miri

  2. Hallo,
    das ist tatsächlich Genial! Weiter so!
    Joe

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