Im Tokamak hält ein starkes Magnetfeld einen ringförmigen Deuterium-Tritium-Plasmaschlauch niedriger Dichte von der torusförmigen Gefäßwand fern und verwirklicht so einen magnetischen Einschluß. Der Induktions-Stromstoß beim Hochfahren des Magnetfeldes heizt das Plasma auf. Mit einer solchen Anordnung gelang eine Zündung der Fusionsreaktionen und deren kurzzeitige Aufrechterhaltung.

Ein längerer Betrieb war nicht möglich. Bislang ließ sich nicht mehr Energie freisetzen als zur Zündung erforderlich ist. Ein Brutprozeß, der mindestens soviel Tritium erzeugt wie beim Betrieb verbraucht wird, konnte bislang nicht realisiert werden. Im Hinblick auf die Betriebskosten sind die von schnellen Neutronen verursachten Strahlenschäden zu berücksichtigen, die einen häufigen Austausch komplexer und kostspieliger Baugruppen erforderlich machen. Wegen der niedrigen Leistungsdichte im Plasma müssen diese Baugruppen große Abmessungen haben.

Beim Trägheitseinschluß-Verfahren wird eine Ablatorschicht durch einen intensiven Strahlungsblitz verdampft und komprimiert über den Rückstoß die in einem kleinen Kugelvolumen eingeschlossene Deuterium-Tritium-Mischung. Den Strahlungsblitz löst ein Schwerionenpuls aus, der ein geeignetes Target aufheizt. Der Blitz gelangt als Hohlraumstrahlung auf den Ablator, so daß eine gleichförmige Erhitzung mit kugelsymmetrischer Kompression gewährleistet ist. Die von der Kugeloberfläche ausgehende Stoßwelle ist auf den Mittelpunkt fokussiert und erzeugt dort die zum Start der Fusionsreaktionen erforderliche Temperatur.

Zu diesem Verfahren existieren bislang nur theoretische Untersuchungen. Um die erforderliche Energie in hinreichend kurzer Zeit zuzuführen, ist ein Hochstrom-Schwerionenpuls erforderlich. Seine Erzeugung macht die Entwicklung eines speziellen Beschleunigers mit Hochstrom-Speicherringen und -Strahlführungen erforderlich.

Die kontrollierte Kernfusion bietet im Hinblick auf die Resourcen fusionsfähigen Materials die Möglichkeit einer Energiefreisetzung für Zeiträume jenseits jeder historischen Skala ohne langlebige radioaktive Abfälle zu erzeugen. Das als Reaktionsprodukt entstehende Helium ist ökologisch unbedenklich und durch die Kryotechnik mit einem hohen Reinheitsgrad aus den Abgasen der Reaktionskammer isolierbar. Die dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren vermochten bislang keine Nettoenergie zu liefern und bedürfen entweder umfangreicher weiterer Entwicklungsarbeiten oder befinden sich in einer Vorstufe hierzu.

Die hier vorgestellte Anordnung greift auf bekannte und erprobte Baugruppen oder deren überschaubare Weiterentwicklung zurück. Der vorgeschlagenen Moderator-Mantel gewährleistet auf Grund seiner Geometrie eine effektive Wärmeabfuhr auf hohem Temperaturniveau.. Durch eine entsprechende Werkstoffauswahl läßt sich eine kurze Lebensdauer der von den hochenergetischen Fusionsneutronen erzeugten Radionuklide und damit eine Rezyklierung des Projektil-, Gasgefäß- und Reaktionskammer-Materials gewährleisten.

Zeichnung 1-0 zeigt im Vertikalschnitt zwei kaskadierte Leichtgaskanonen höherer Schußfrequenz zusammen mit der schematisch dargestellten Steuerelektronik. Der Horizontalschnitt 1-1 gibt ein Dämpfungsrohr mit den noch nicht gezündeten, Horizontalschnitt 1-2 ein Treibrohr mit den leergebrannten Pulverkartuschen in vergrößerter Darstellung wieder. Das gleichfalls vergrößerte Detail 1-3 skizziert in einem Vertikalschnitt den Austausch einer Berstscheibe zum definierten Einlaß des Treibgases in das Projektilrohr.

Zeichnung 2-0 zeigt schematisch je zwei kaskadierte Leichtgaskanonen für den Einschuß von Projektil und Gasgefäß in die Reaktionskammer mit der sie umgebenden Graphitkugelschüttung, dem Druckgefäß sowie dem biologischen Schild. Dargestellt in 2-1 sind, fertig montiert, das Projektil sowie das Gasgefäß. Die Detailzeichnung 2-2 zeigt die gasdichte Montage der Verschlußkappe nach Füllen des Gasgefäßes mit dem vorverdichteten Deuterium-Tritium-Gemisch.

In zwei Stadien gibt 2-3 das Eindringen des Projektils in das Gasgefäß sowie die Stoßwellenausbreitung wieder. Die vergrößerte Detaildarstellung 2-4 ist ein Schnitt durch den im Gasgefäß befestigten Zonenspiegel zur Fokussierung der Stoßwellen und zeigt den ungestörten Verlauf der Stoßwellennormalen.

Zeichnung 1-0 zeigt die ersten beiden kaskadierten Leichtgaskanonen höherer Schußfrequenz. Der Aufbau ist für das Projektil wie auch für das Gasgefäß analog, lediglich die Bohrungen in Treibrohr und Projektilrohr sowie der Treibsatz müssen für das schwerere Gasgefäß größer gewählt werden. Die folgende Darstellung beschreibt die Beschleunigung des Projektils, gilt aber sinngemäß auch für das Gasgefäß.

In der Darstellung auf Zeichnung 1-0 wurde die erste Leichtgaskanone gezündet und hat begonnen, das Projektil über die Heliumfüllung im zugehörigen Projektilrohr zu beschleunigen. Als Treibsatz der Leichtgaskanonen sind die einfach austauschbaren Pulverkartuschen 1.1 und 1.2 in dem massiven Zwischenstück 1.3 vorgesehen. Dargestellt sind sie in dem Horizontalschnitt 1-1 des Dämpfungsrohres.

Der Horizontalschnitt 1-2 des Treibrohres zeigt die Kartuschen in leergebranntem Zustand. Der Treibkolben 1.4 ist über das Rohr 1.5 mit dem Dämpfungskolben 1.6 verbunden. Dieser läuft in dem leicht schräg montierten Zylinder 1.7, an dessen verdichtungsseitigem Ende Hydraulikflüssigkeit vor dem perforierten Flansch 1.8 steht. Nach einer Zündung der Kartuschen bewegt sich 1.6 auf 1.8 zu und schiebt gegen Ende seines Weges ein zunehmendes Volumen der Hydraulikflüssigkeit vor sich her, wobei die Beschleunigung der Flüssigkeit eine wachsende Bremswirkung hat. Diese steigt stark an, wenn die Flüssigkeit durch die Bohrungen in 1.8 gepreßt wird und sich im Hohlraum hinter diesem Teil sammelt. Wenn 1.6 Kontakt mit 1.8 hat, ist auch der Treibkolben 1.4 im Treibrohr 1.9 gestoppt. Zuvor hat ein Lichtblitz des Impulslasers 1.10 eine kleine Sprengkapsel im Zentrum der gewölbten vorgekerbten Berstscheibe 1.11 gezündet und dem komprimierten Helium aus 1.9 den Weg zur Beschleunigung des Projektils 1.12 im Projektilrohr 1.13 freigegeben. Die Öffnung der Berstscheibe durch einen Laserblitz gewährleistet den gleichzeitigen Start der Beschleunigung von Projektil und Gasgefäß. Die Zündung des Laserblitzes sowie der Kartuschen 1.1 und 1.2 bewirkt der schnelle Zentralrechner 1.14, der den zeitlich Ablauf der Beschleunigung steuert und seine Signale im Interesse minimaler Laufzeiten via Glasfaser empfängt und aussendet. Während das Projektil nach Öffnung der Berstscheibe 1.11 im Projektilrohr 1.13 beschleunigt wird, bewegt sich der Treibkolben 1.4 noch im Endbereich des Treibrohres 1.8 und gewährleistet in erster Näherung einen unveränderten Gasdruck und damit eine konstante Beschleunigung. Wenn der Kolben 1.4 gestoppt wird, gelangt das Projektil in die Weiche 1.15. Die baugleiche Weiche 1.16 dient in der ersten Beschleunigungsstufe zum Einsetzen des Projektils 1.12.. Zuvor war in dem parallel zu 1.9 verlaufenden Treibrohr der nächsten Stufe der zugehörige Kolben durch Zündung der entsprechenden Kartuschen beschleunigt worden. Der Horizontalschnitt 1-2 zeigt die Kartuschen in leergebranntem Zustand und den Kolben am Endpunkt seines Weges. Die Berstscheibe ist in Sektoren gesprengt. Auch diese Zündung löst zeitgesteuert der Rechner 1.14 aus. Die schnellen Druckaufnehmer 1.17 und 1.18 am Projektilrohr 1.13 schicken ihre Signale an 1.14. Der Rechner sendet ein Zündsignal an den Impulslaser 1.19, welcher die zugehörige Berstscheibe öffnet, nachdem das Projektil die Weiche 1.15 passiert hat. Zeigt das Projektil oder das Gasgefäß einen zeitlichen Vorsprung beim Passieren dieser Weiche, errechnet 1.14 aus den Signalen von 1.17 und 1.18 eine Verzögerung für das Öffnen der entsprechenden Berstscheibe und gewährleistet die Kollision im Zentrum der Reaktionskammer.

Detail 1-3 zeigt eine Vorrichtung zum schnellen Austausch einer Berstscheibe nach dem Beschleunigungsvorgang und dem Öffnen des Auslaßventils 1.20 vor den Kartuschen. Die Berstscheibe befindet sich in einem hydraulisch ein- und ausfahrbaren Keil 1.21, der in dem Umlenkstück 1.22 dichtschließend geführt ist und dessen Einsatz 1.23 in ausgefahrenem Zustand zum Entfernen einer gesprengten und Einsetzen einer neuen Berstscheibe herausgeklappt werden kann. Nach Erneuerung der Berstscheibe wird der Raum vor 1.4 nach Einsetzen neuer Kartuschen über das Ventil 1.24 evakuiert und anschließend bei zurückfahrendem Kolben 1.4 über das Ventil 1.25 erneut mit Helium gefüllt. Das Zurückfahren von 1.4, des Rohres 1.5 und des Kolbens 1.6 bewirkt Stickstoff , der vor 1.6 über das Ventil 1.26 in das Dämpfungsrohr einströmt. Gleichzeitig saugt eine nicht mit eingezeichnete Vorrichtung die Hydraulikflüssigkeit hinter 1.8 über das Ventil 1.27 ab und führt sie über einen Kühler und einen Filter über das Ventil 1.28 in den Zylinder 1.7 zurück. Dieser Zylinder wird einschließlich des Raumes hinter 1.8 über die Ventile 1.29 und 1.30 erneut evakuiert und die Leichtgaskanone ist bereit zum nächsten Schuß. Am Ende von 1.7 befindet sich der permanent mit Gleichstrom gespeiste Elektromagnet 1.31, der über die an 1.5 befestigte Ankerplatte 1.32 nach Zündung der Kartuschen den Kolben 1.4 über das Rohr 1.5 so lange festhält, bis die Verbrennungsgase aus 1.1 und 1.2 einen hinreichend hohen Druck aufgebaut haben.

Zeichnung 2-0 zeigt schematisch die letzten beiden kaskadierten Leichtgaskanonen 2.1 und 2.2 zur Beschleunigung des Projektils und hierzu symmetrisch die Leichtgaskanonen 2.3 und 2.4 zur Beschleunigung des Gasgefäßes. Projektil und Gasgefäß treffen im Zentrum der Reaktionskammer 2.5 aufeinander, hergestellt aus einer temperaturbeständigen Legierung, deren neutroneninduzierte Radioaktivität nach angemessener Zeit abklingt. Am jeweiligen Ende der Beschleunigungsstrecken sind die als Druckstufen wirksamen Vakuumbehälter 2.6 und 2.7 angeordnet, welche die Gase aus den Projektilrohren der Leichtgaskanonen weitgehend vom Eindringen in die Reaktionskammer abhalten. Das in die Reaktionskammer eindringende restliche Helium vermittelt eine wirksame Spülung der Kammer und verhindert eine Ablagerung verdampfter Metalle auf der Kammerwand. Hinter diesen Vakuumbehältern können die Beschleunigungsstrecken für Projektil und Gasbehälter am Ende des jeweiligen Beschleunigungsrohres mit Hilfe von jeweils zwei rechtwinklig zueinander wirksamen und kleine Axialverschiebungen der Rohre tolerierende piezokeramischen Stellgliederpaaren ausgerichtet werden, wobei als Referenz ein Laserstrahl dient und während des Fluges durch die Reaktionskammer Projektil und Gasgefäß durch Rotation um die Längsachse stabilisiert werden können. Dargestellt in 2-0 sind nur die vertikal wirksamen Stellglieder 2.8 und 2.9.

Die Reaktionskammer ist von einer als Moderator der Fusionsneutronen wirksamen Graphitkugelschüttung 2.10 umgeben Diese Anordnung erlaubt bei einer Gaskühlung mit Helium die Erzeugung von Heißdampf und damit einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad. Der Hauptanteil der bei den Fusionsreaktionen freigesetzten Energie wird an die Kugelschüttung abgegeben und erhitzt das Helium. An der Oberfläche der Reaktionskammer wird die Energie der bei den Fusionsreaktionen freiwerdenden Alphateilchen abgeführt.. Mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen, die nicht mit dargestellt sind, können die Graphitkugeln aus dem Druckbehälter 2.11 abgelassen und von oben wieder zugeführt werden.

Unvermeidbare neutroneninduzierte Strahlenschäden im Gefüge der Reaktionskammer machen nach festen Zeiten einen Austausch dieses Bauteils erforderlich. Der Austausch sollte einfach und kostengünstig sein. Zunächst wird der gesamte Graphitkugel-Vorrat abgelassen. Die kaskadierten Leichtgaskanonen mit den letzten Beschleunigungsrohren, den Druckstufen und den Abschirmstopfen werden aus dem biologischen Schild 2.12 herausgefahren. Hierbei löst sich die gasdichte Gleitführung der Faltenbälge 2.13 und 2,14, die seitliche Justierbewegungen der Leichtgaskanonen zulassen, aus den Kupplungsstücken 2.15 und 2.16. Mit einem Kran sind die Deckplatte des biologischen Schildes sowie der gasdicht schließende Deckel des Druckbehälters 2.11 abzuheben. Nachdem die Kupplung des Abgasrohres 2.17, über welches verdampftes Projektil- und Gasgefäßmaterial sowie Gasreste abgeführt werden, gelöst wurde, lassen sich mit einem fernbetätigten Werkzeug die Kupplungsstücke 2.15 und 2.16 von den Endflanschen der mit der Reaktionskammer verschweißten Führungsrohre 2.18 und 2.19 trennen und zurückschieben, so daß die Reaktionskammer mit Hilfe des Krans ausgetauscht werden kann. Zeichnung 2-1 zeigt, fertig montiert, Projektil 2.20 und Gasgefäß 2.21. Als Projektil findet ein zylindrischer Stift aus Wolframkarbid Verwendung. Zur Beschleunigung in den Leichtgaskanonen umschließt die Graphithülse 2.22 das Projektil. Das konische mehrfach geschlitzte Endstück dieser Hülse gewährleistet ein einfaches Absprengen beim Eindringen in das Gasgefäß.

Das Gasgefäß 2.21 aus metallischem Wolfram mit zylindrischem Mittelteil und konischen Endstücken nimmt in einer Zentralbohrung die Hochdruck-Gasmischung aus Deuterium und Tritium auf. Auf dem Boden dieser Bohrung ist der Zonenspiegel 2.23 aus Wolframkarbid befestigt, der die vom Verschlußschild 2.24 ausgehende ebene Stoßwelle fokussiert.. Da die Trägheitskräfte den Zonenspiegel auf den Bohrungsboden pressen, ist eine Befestigung mit Metallkleber zulässig. Die Verschlußkappe 2.25 aus Leichtmetall verschließt die gasgefüllte Zentralbohrung hermetisch. In Zeichnung 2-2 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit deren Hilfe die Verschlußkappe nach der Evakuierung von 2.21 und der Füllung mit dem D-T-Gasgemisch auf die Ringschneide am äußeren Ende der Zentralbohrung von 2.21 gepreßt und durch konisches Aufweiten des Bundes an 2.25 in dieser Position gesichert wird.. Die Ringschneide gewährleistet neben dem hermetischen Verschluß ein einwandfreies Abscheren der Verschlußkappe beim Eindringen des Projektils. Auf die Innenseite der Verschlußkappe ist der ebene Verschlußschild 2.24 aus Wolframkarbid geklebt. Die Wahl von Wolframkarbid als Werkstoff großer Härte und hoher Schmelztemperatur für Verschlußschild 2.24 und Zonenspiegel 2.23 stellt während der Kompression des eingeschlossenen Gasgemisches die Form- und Temperaturbeständigkeit der Flächen sicher, zwischen welchen die Stoßwellen verlaufen. Das Projektil 2.20 ist an seiner Stirnseite konkav geformt und paßt sich der gewölbten Oberfläche der Verschlußkappe an. Beim Eindringen des Projektils wird die Verschlußkappe zwischen Projektil und Verschlußschild zusammengedrückt und dichtet die Gasfüllung ab. Im Interesse einer wirksamen Abdichtung muß eine hohe Oberflächengüte der Zentralbohrung in 2.21 gewährleistet sein. Zur Beschleunigung in der kaskadierten Leichtgaskanone umschließt die geschlitzte Graphithülse 2.27, ähnlich der des Projektils, das Gasgefäß.

In Zeichnung 2-3 ist die Verdichtung des Gasgemisches durch das eindringende Projektil in zwei Stadien dargestellt. Nach dem Beginn der Kompression löst sich im Gasgefäß eine ebene Stoßwelle vom Verschlußschild und bewegt sich auf den Zonenspiegel zu. Von diesem reflektiert durchläuft sie am Ende der Kompression einen Fokalbereich sehr kleiner Abmessung und erzeugt dort die Starttemperatur zur Auslösung von Fusionsreaktionen. Während des Kompressionsvorgangs überschreiten im bohrungsnahen Bereich von 2.21 die Zug- und Schubspannungen die statisch zulässigen Grenzwerte. Es kommt zu einer feinkörnigen Gefügezerstörung, dargestellt durch Kreuzschraffur, die mit Schallgeschwindigkeit (5220 m/s für Wolfram, 6655 m/s für Wolframkarbid) radial nach außen fortschreitet. Wegen der hohen Kompressionsgeschwindigkeit bleibt dieser Zerstörungsbereich klein. Die damit einhergehende geringfügige Aufweitung der Zentralbohrung wurde in der Zeichnung vernachlässigt.

Zeichnung 2-4 zeigt vergrößert einen Schnitt durch den im Gasgefäß befestigten Zonenspiegel 2.23. Eine Besonderheit der Stoßwellenreflexion ist die Ungleichheit von Einfalls- und Ausfallswinkel sowie deren nichtlinearer Zusammenhang, herrührend von unterschiedlichen Geschwindigkeiten der einfallenden und der reflektierten Stoßwelle. Da sich eine optische Qualität erübrigt, kann man in 2.23 die einfallende ebene Welle mit Hilfe zonenweise eingeschliffener Kugelkalotten bündeln. In 2-4 sind die Kalotten so konstruiert, daß sich für ihre mittleren Durchmesser konstante Stoßwellenlaufzeiten bis zum Fokus F ergeben. Durch die Laufzeitsprünge an den Zonengrenzen und die hohe Wärmeleitfähigkeit im Plasma kommt es zu einem ausgedehnten Fokalbereich herabgesetzter Temperatur. Diese ist jedoch groß genug, selbsterhaltende Fusionsreaktionen zu gewährleisten.