NASA: Nuclear Fusion Reactions in Deuterated Metals

Nukleare Fusionsreaktionen in deuterierten Metallen

Vladimir Pines and Marianna Pines
PineSci Consulting, Avon Lake, Ohio

Arnon Chait and Bruce M. Steinetz
Glenn Research Center, Cleveland, Ohio

Lawrence Forsley
JWK Corporation, Annandale, Virginia

Robert C. Hendricks, Gustave C. Fralick, and Theresa L. Benyo
Glenn Research Center, Cleveland, Ohio

Bayarbadrakh Baramsai, Philip B. Ugorowski, and Michael D. Becks
Vantage Partners, LLC, Brook Park, Ohio

Richard E. Martin
Cleveland State University, Cleveland, Ohio

Nicholas Penney
Ohio Aerospace Institute, Brook Park, Ohio

Carl E. Sandifer II Glenn Research Center, Cleveland, Ohio

Zusammenfassung

Es werden Kernfusionsreaktionen von D–D in einer Umgebung untersucht, die aus Kaltbrennstoff hoher Dichte besteht, welcher in ein Metallgitter eingebettet ist, in dem ein kleiner Teil des Brennstoffs durch heiße Neutronen aktiviert wird. Eine solche Umgebung sorgt aufgrund von Leitungs- und Hüllenelektronen des Metallgitters oder durch Plasma, das durch ionisierende Strahlung induziert wird ([math]\gamma[/math]-Quanten), für eine verbesserte Abschirmung der Coulomb-Barriere. Es wird gezeigt, dass Neutronen bei der Übertragung von kinetischer Energie auf Brennstoffkerne (D) zur Auslösung von Fusionsprozessen weitaus wirksamer sind als energiereiche geladene Teilchen wie etwa leichte Teilchen ([math]e^-, \, e^+[/math]) oder schwere Teilchen ([math]p, \, d, \, \alpha[/math]). Es ist wohlbekannt, dass sich durch eine Abschirmung die Wahrscheinlichkeit für ein Durchtunneln der Coulomb-Barriere erhöht. Durch die Elektronenabschirmung wird auch die Wahrscheinlichkeit für eine Coulomb-Streuung der reagierenden Kerne in einem großen statt in einem kleinen Winkel signifikant erhöht, um so nachfolgende Kernreaktionen per Tunnelung zu ermöglichen. Diese Wahrscheinlichkeit fließt in den astrophysikalischen Faktor [math]S(E)[/math] ein. Darüber hinaus werden Aspekte der Abschirmungseffekte bewertet, um eine Berechnung der Kernreaktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen, einschließlich der Coulomb-Streuung und der lokalen Erhitzung des Kaltbrennstoffs, der primären D–D-Reaktionen und der Folgereaktionen, sowohl beim Brennstoff als auch bei den Gitterkernen. Die Wirkung der Abschirmung zur Erhöhung der Gesamtkernreaktionsrate ist eine Funktion zahlreicher Parameter, einschließlich der Brennstofftemperatur und der relativen Streuwahrscheinlichkeit zwischen dem Brennstoff und den Metallgitterkernen. Durch die Abschirmung erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen heißem Brennstoff und Gitterkernen signifikant, was wiederum die Wahrscheinlichkeit von Oppenheimer-Phillips-Prozessen erhöht, die ihrerseits einen potenziellen Weg zur Reaktionsvervielfachung eröffnen. Wir zeigen auf, dass das abgeschirmte Coulomb-Potenzial des Zielions durch das nichtlineare Vlasov-Potenzial und nicht so sehr durch das Debye-Potenzial bestimmt wird. Generell erlangt der Abschirmungseffekt seine besondere Bedeutung dann, wenn das Projektil nur eine geringe kinetische Energie aufweist. Der Anwendungsbereich wird sowohl für den analytischen als auch für den asymptotischen Ausdruck für die allbekannte Elektronenabschirmungs-Gitterpotentialenergie [math]U_e[/math] untersucht, welche nur für [math]E \gg U_e[/math] anwendbar ist ([math]E[/math] ist die Energie im Bezugsrahmen des Massenzentrums). Wir weisen nach, dass bei [math]E \ge U_e[/math] für das abgeschirmte Coulomb-Potenzial eine direkte Berechnung des Gamow-Faktors erforderlich ist, um unangemessen hohe Werte für den Verstärkungsfaktor [math]f(E)[/math] durch die analytischen – und mehr noch durch die asymptotischen – Formeln zu vermeiden.

Einführung

Für das effiziente Zustandekommen von Kernfusionsreaktionen ist eine Elektronenabschirmung unerlässlich. Es wurde nachgewiesen, dass Abschirmungseffekte auf die Fusionsreaktionsraten, wie sie in deuterierten Materialien gemessen werden, von großer Bedeutung sind. Die Kernreaktionsrate umfasst zwei Hauptfaktoren: zum einen die Coulomb-Streuung der Projektilkerne an den Zielkernen, und zum anderen das Tunneln der Kerne durch die Coulomb-Barriere hindurch. Während der elastischen Streuung von geladenen Projektilen an einem Zielkern, wie z. B. an einem Deuteron, wird ein Teil der Energie des Projektilteilchens auf den Zielkern übertragen, wodurch dieser erhitzt wird. In Abhängigkeit von der Energie der Projektilteilchen und der Effizienz der kinetischen Energieübertragung während des Streuereignisses kann das Zieldeuteron so energiereich werden, dass nachfolgende Kernfusionsreaktionen durch eine Durchtunnelung der Coulomb-Barriere ermöglicht werden. Wie in den begleitenden experimentellen Arbeiten von Steinetz und anderen gezeigt werden konnte, könnte die Elektronenabschirmung aufgrund der Wechselwirkung von heißem Brennstoff mit den Gitterkernen in der stark abgeschirmten Umgebung in diesem Prozess eine bedeutende Rolle spielen (Ref. 1). In der aktuellen Arbeit wird der Effekt der Elektronenabschirmung auf die Coulomb-Streuung und den Tunnelprozess in Verbindung mit geladenen Projektilen analysiert. Anschließend demonstrierten wir, wie effizient die energiereichen Neutronen bei der Übertragung kinetischer Energie auf die Deuteron-Zielkerne sind, was wiederum zu nachfolgenden Kernreaktionen führt. Ein solcher Prozess stellt einen Schlüsselfaktor für das Erreichen und die Aufrechterhaltung von Kernreaktionen dar.