Es stellt sich damit die Aufgabe, die Gesamtenergiebilanz von Fusionsplasmen neu zu überdenken und Lösungen zu suchen, die mit geringerem technologisch-wirtschaftlichem Aufwand und vor allem kleineren Dimensionen zu Energie produzierenden Fusionsreaktoren führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) der magnetische Einschluß des Plasmas durch Permanentmagneten oder Kupferspulensysteme oder supraleitende Magnetspulensysteme mit sog. MBM (Minimum-B-Magnetfeldstrukturen) (B ist der Betrag des Magnetfeldes) erzeugt wird, wobei mehrere MBM entweder geradlinig hintereinander angeordnet werden können oder mit einem Winkelversatz von 360/N Grad und magnetischen Umlenkungen um 360/N Grad so angeordnet werden können, daß N MBM eine geschlossene, N-eckige Gesamtstruktur ergeben,
• b) die Plasmaheizung permanent und sehr effizient durch HF-Wellenabsorption bei der IZR-(Ionen-Zyklotron-Resonanz)-Frequenz in einem Resonanzvolumen erzielt wird, das einen Bruchteil von mindestens 0.4% des Gesamtplasmavolumens ausfüllt und dabei selektiv nur die Ionen heizt, wobei das Eindringen der HF-Welle in das Plasma entweder
  • (i) durch das Plasma umfassende Elektrodenpaare entgegengesetzter, hochfrequent wechselnder Polung
  • (ii) oder durch ein räumlich strukturiertes, magnetisches HF-Wechselfeld erreicht wird, das der MBM überlagert ist und in den räumlichen IZR-Bereichen des Plasmas die für die Heizung notwendigen lokalen elektrischen HF-IZR-Felder induziert
  • (iii) oder durch Einstrahlen je zweier Mikrowellen erzielt wird, deren Frequenzen über der Plasmafrequenz liegen und deren Differenzfrequenz gleich der jeweiligen Ionen-Zyklotron- Resonanzfrequenz ist, wobei die Differenzfrequenz im Plasma über nichtlineare Plasmawechselwirkungen erzeugt wird, die vor allem bei dichten Plasmen wirksam werden.
• c) die Ionenheizung dadurch unterstützt wird, daß in Gegenrichtung zu den sog. Fluchtrichtungen für Ionen aus der Magnetstruktur heraus positive oder negative Ionen in die Magnetstruktur mit Energien eingeschossen werden, die der Größenordnung der optimalen Fusionsenergie entsprechen.

Bei selektiver Ionen-Heizung bleibt die Elektronen-(Energie)-Temperatur gegenüber bisherigen Fusionsmaschinen klein. Es kann damit ein thermisches Ungleichgewicht zugunsten hoher Ionen-(Energie)-Temperatur gegenüber relativ kleiner Elektronen-(Energie)-Temperatur erzielt werden. Die Ionen können dann nach Erreichen von Energien > 1 keV als stoßfrei in Plasmadichten bis 2.10¹⁴ cm^-3 des geplanten ITER angesehen werden, so daß Ionen-Trajektorien-Berechnungen unter dem Einfluß eines elektrischen IZR-(Ionen-Zyklotron-Resonanz)-HF-(Hoch-Frequenz)-Heizfeldes eine gute Beschreibung des Gesamtplasmas liefern. Solche Rechnungen angewandt auf eine elektrische IZR-HF-Heizung in einer MBM ergeben eine hohe, in räumlicher Nähe des B-Minimums lokalisierte Ionenenergiedichte, die über den Ionen- Zyklotron-Radius nur durch die radiale räumliche Dimension des Plasmas und die Stärke des magnetischen Einschlusses begrenzt ist. Durch die IZR-HF-Heizung mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht auf den Magnetfeldlinien gewinnen die Ionen vor allem Rotationsenergie um die Magnetfeldlinien, so daß der Ionenverlust in sog. Fluchtrichtungen aus der MBM heraus wegen ihres dann großen magnetischen Moments vernachlässigbar (!) wird, so daß sich eine hohe, stabile, stationäre, lokalisierte Fusionsrate in räumlicher Nähe des B_min (B-Minimums) ergibt. Wenn im Resonanzvolumen die Magnetfeldstärke im Rahmen der oben definierten Grenzen zu einer räumlichen Zone mit B_min abfällt, führt das akkumulierte magnetische Moment sogar dazu, daß die Ionen eine Kraft in Richtung der räumlichen Zone von B_min erfahren und dort in Gegenrichtung zum Feldgradienten komprimiert werden. Diese Kompression wächst proportional zur Rotationsenergie der Ionen und führt damit zu einer umso höheren Ionendichte je höher ihre Rotationsenergie ist, so daß gerade die Ionen mit den für die Fusion interessanten Energien in räumlich gut definierten Bereichen zu höherer Dichte komprimiert werden als der Dichte des umliegenden Plasmas. Dieses Verhalten liefert nicht nur große Vorteile gegenüber bisherigen und geplanten Fusionsmaschinen, sondern zum ersten Mal eine wirklich kontrollierte Plasma-Fusions-Maschine, bei der die Fusions-Energieerzeugung kontinuierlich abläuft und bei der die Energieausbeute durch Regelung der Dichte der energiereichen Reaktionspartner kontrolliert werden kann. Diese Regelung der Dichte kann durch Erzeugung elektrischer Wechselfelder mehrerer, um Größenordnung Prozent unterschiedlicher Frequenzen verbessert werden, da dann die Kompression der Ionen über größere Resonanzvolumina erreicht werden kann, die sich durch eine stärkere Variation des Magnetfeldes als nur plus und minus 1% auszeichnen und sich mit anderen Frequenzen trotzdem vollständig in IZR bringen lassen.

Die effiziente, selektive Ionen-Heizung wird dadurch erreicht, daß der magnetische Einschluß des Plasmas in einer MBM mit großem HF-IZR-Volumen erfolgt, wie sie z. B. von Alton und Smithe für EZR-(Elektronen-Zyklotron-Resonanz)-Ionenquellen vorgeschlagen (siehe Referenz 2: G.D. Alton und D.N. Smithe, Review of Scientific Instruments, Vol. 65, S. 775-787 (1994)), und von mir zuerst in einer EZR-Ionenquelle realisiert wurde. Solche MBM sind dadurch ausgezeichnet, daß das Resonanzvolumen, in dem B_min bis auf Abweichungen von plus oder minus 1% konstant ist, mindestens 0.4% des Gesamtvolumens der Plasmakammer ausfüllt, während in bisherigen und geplanten Fusionsmaschinen das Resonanzvolumen überhaupt nicht in Erwägung gezogen wurde und deshalb nur Resonanzoberflächen mit extrem kleinem Resonanzvolumen existieren. In einem Plasmakammerzylinder der Länge l und des Radius r wird z. B. 1% des Gesamtvolumens in einem Resonanzvolumen mit Länge 1/4 und Radius r/5 erreicht, das z. B. mit Länge l/2 und Radius r/2 auf 12.5% und durch weitere Vergrößerung dieser Werte noch weiter gesteigert werden kann, wenn der notwendige technische Aufwand in Kauf genommen wird.

Da die Plasmafrequenz bei hoher Elektronendichte von etwa 2.10¹⁴ cm^-3 die Größenordnung 100 GHz erreicht und elektrische Wellen niedrigerer Frequenz nicht in ein solches Plasma eindringen können, muß die HF-IZR-Einkopplung bei Frequenzen der Größenordnung 1-200 MHz entweder

• (i) durch das Plasma umfassende Elektrodenpaare entgegengesetzter, hochfrequent wechselnder Polung
• (ii) oder durch räumlich strukturierte, magnetische HF-Wechselfelder erfolgen, die der MBM überlagert sind und in den räumlichen IZR-Bereichen des Plasmas die für die Heizung notwendigen lokalen elektrischen HF-IZR-Felder induzieren
• (iii) oder durch Einstrahlen je zweier Mikrowellen erzielt wird, deren Frequenzen f₁ und f₂ über der Plasmafrequenz liegen und deren Differenzfrequenz f₂-f₁ gleich der jeweiligen Ionen-Zyklotron-Resonanzfrequenz ist, wobei die elektrische Differenzfrequenzamplitude im Plasma über nichtlineare Plasmawechselwirkungen erzeugt wird, die vor allem bei dichten Plasmen wirksam werden,

Für B_min von etwa 2.8 (2.0) T können Deuteronen(Protonen) mit Energien von 100 keV bei einem Plasmakammerdurchmesser von 400 mm sehr gut im räumlichen Bereich B_min konzentriert werden, wobei die Energieverteilung bei selektiver EIIZRH keineswegs einer Maxwell- Boltzmann-Verteilung entspricht, wie sie bisher bei Fusionsmaschinen angenommen wird. Diese Energieverteilung kann weiter zugunsten hoher Ionenenergien durch Einschuß von Ionen hoher Energie verschoben werden.

Da jede MBM Fluchtrichtungen (-kegel) für Ionen aus der Magnetstruktur heraus besitzt, können diese Richtungen auch umgekehrt werden und für den Einschuß von Ionen in die MBM verwendet werden. So eingeschossene Ionen würden die MBM allerdings auf der Gegenseite sofort wieder verlassen, es sei denn ein Stoß mit einem Plasmateilchen oder die Wechselwirkung mit dem IZR-HF-Feld lenkt sie aus diesen Richtungen ab und führt so zum Einfang der Ionen in das Plasma. Die Einfangwahrscheinlichkeit nimmt daher mit der Plasmadichte, mit der IZR-HF-Feldstärke und mit abnehmender Ionenenergie zu. Schon wenige Prozent Einfangwahrscheinlichkeit machen den Ioneneinschuß in eine MBM wesentlich vorteilhafter als die technisch-wirtschaftlich sehr aufwendige Neutralteilcheninjektion in bisherige und geplante Fusionsmaschinen. Die Effizienz der hier vorgeschlagenen IJMBM (Ionen-Injektion in eine MBM) wird deutlich durch Verwenden negativer Ionen erhöht, da diese wegen der Neutralisierung in den Außenbereichen des Plasmas als vorübergehende Neutralteilchen vor ihrer weiteren Ionisierung in Plasmabereiche vordringen, aus denen keine Fluchtmöglichkeiten mehr bestehen.

Eine mit EIIZRH und IJMBM ausgestattete MBM wird also zu so hoher Ionenenergiedichte in räumlicher Nähe von B_min führen, daß zum ersten Mal ein stationäre, EPFM (Energie produzierende Fusions-Maschine) mit Dimensionen gebaut werden kann, die deutlich hinter den geplanten Dimensionen von ITER zurückbleiben, und sogar berechtigte Aussicht bietet, die saubere Protonen-Bor-Fusionsreaktion einzusetzen.

Als Ausführungsbeispiel für eine funktionsfähige EPFM kann eine quasi-axialsymmetrische MBM mit supraleitenden Spulen wie in Fig. 1 aufgebaut werden. Supraleitende Ringspulen (1) erzeugen ein axiales Spiegelfeld, dessen axiale Komponente B_z (2) auf der Symmetrieachse z (3) relativ zur Ordinate (4) aufgetragen ist, wobei hier drei Minima (5) von B_z im Resonanzvolumen (6) realisiert sind. Die Axialsymmetrie der Anordnung wird durch einen magnetischen Multipol, hier z. B. durch einen supraleitenden magnetischen Dekapol gestört, der z. B. mit 10 supraleitenden Drahtbündeln (7) mit alternierenden Stromrichtungen ausgeführt werden kann, und der notwendig ist, um die radiale Ausdehnung des Resonanzvolumens (6) und den radialen Anstieg des Betrags des Magnetfeldes vom Resonanzvolumen (6) aus zu erzeugen. Für die Erzeugung eines zur z-Achse transversalen elektrischen IZR-HF-Feldes im Resonanzvolumen (6) ist hier z. B. entweder ein Teil der Plasmakammerwände (8) als Elektroden (9) ausgeführt, die durch Isolatoren (10) vom Rest der Plasmakammer getrennt und so zusammengeschaltet (11) sind, daß das Plasma umfassende, effektive Elektrodenpaare entstehen, oder es wird der Magnetfeldstruktur mit zwei antiparallelen Magnetspulenpaaren (12) ein antiparalleles magnetisches HF-Feld überlagert, welches das transversale elektrische IZR-HF-Feld im Resonanzvolumen induziert. Die EIIZRH wird durch axialen Einschuß von Ionen (13) entgegen den sog. Fluchtkegelrichtungen und durch radialen Einschuß von Ionen (14) entgegen radialen Fluchtrichtungen ergänzt, wobei positive oder noch vorteilhafter negative Ionen Verwendung finden. Die zylindrisch ausgeführte Plasmakammer (8) sollte zwecks verbesserter Reduktion der Plasma-Wandwechselwirkung in der nur im Querschnitt A-A gezeigten gestrichelten Form (15) ausgeführt werden, da dann die Maxima des Dekapolmagnetfeldes nicht von materiellen Wänden geschnitten werden, wobei eine noch weitere radiale Entfernung der Wände wie z. B. bei den radialen Ioneneinschußstutzen (16) anzustreben sind, wenn und wo immer die Ringspulen (1) dies erlauben.

Die Effizienz des axialen Ioneneinschusses wird dadurch gesteigert, daß z. B. mehrere MBM der Fig. 1 linear hintereinander angeordnet werden, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt wird. Dadurch werden die Ionen, die mangels eines Stoßes oder wegen zu geringer IZR-HF-Wechselwirkung die erste MBM wieder auf der Gegenseite verlassen, in die zweite, dritte, usw. MBM eingeschossen. Die Effizienz der IJMBM wird dadurch in erster Näherung verdoppelt, verdreifacht, usw. Außerdem werden durch diese Anordnung eventuelle axiale Plasmaverluste halbiert, gedrittelt, usw.

Solche axialen Plasmaverluste können z. B. durch Anordnung einer Zahl N von MBM der Fig. 1 in Form eines N-Ecks mit N magnetischen Umlenkungen um 360/N Grad völlig vermieden werden, wie in Fig. 3 schematisch gezeigt wird. Die axiale IJMBM ist dann zwar nicht mehr möglich, kann aber durch radiale IJMBM ersetzt werden.