Fusion in hochdichtem DeuteriumDr. Steinbock, Schulstr. 29

76351-Linkenheim-Hochstettenlothar@sibex.de

Inhalt: Holmlids HDD-Veröffentlichung und Pressekonferenz von 2009

Fusionsreaktionen: D-D, D-T, D-3He, p-11B, Vorteile-Nachteile

aktueller Stand der Fusion: ITER, NIF, HiPer, -Fusion

Holmlids Arbeiten: Rydberg-Materie, Erzeugung, Eigenschaften

Bose-Einstein-Kondensation (BEC): SL, HeII, Alkali-BEC, DBEC

Erzeugung Hochdichtes Deuterium: KFeO2-Katalysator, D(1)-->D(-1), Theorien von Winterberg und Bedaque, Experimente von Holmlid

Presseerklärung von Prof. Holmlid am April 28, 2009

Ultra-dense deuterium may be the nuclear fuel of the futureA material that is a hundred thousand times heavier than water and more dense than the core of the Sun is being produced at the University of Gothenburg. The scientists working with this material are aiming for an energy process that is both more sustainable and less damaging to the environment than the nuclear power used today.

Imagine a material so heavy that a cube with sides of length 10 cm weighs 130 tonnes, a material whose density is significantly greater than the material in the core of the Sun. Such a material is being produced and studied by scientists in Atmospheric Science at the Department of Chemistry, the University of Gothenburg.

The photograph shows an experiment in which dense deuterium is irradiated by a laser. The white glow in the container in the centre of the photograph is from deuterium. Photo: Leif Holmlid.Literaturecherche: Rydberg matter, Bose-Einstein-condensate, hyper dense Deuterium, KFeO2

?

Bindungsenergien

Aus http://www.leifiphysik.de/web_ph12/umwelt_technik/11fusion/binden002.gifFusionsreaktionen setzen mehr Energie pro Masse frei als die Spaltung von Uran

Fusionsreaktionen

DD hat einfachen Ausgangsstoff aber Neutronenaktivierung und höhere EnergieschwelleD+T hat 4-fache Energie gegenüber d+d, geringste Energieschwelle, knappe Ausgangsstoffe (T,Li) +nB+p hat sehr hohe Energieschwelle, gute Rohstoffbasis und ist fast neutronenfreiPlasmatemperatur ~kT = ?? eVNeutronenausbeute → Aktivierung

http://www.leifiphysik.de/web_ph12/umwelt_technik/11fusion/wirk_quer_fus2.gif

Brennstoffe,Temperaturen, Dichten und Einschlußzeiten für Fusionsreaktoren

LiD in H-Bombe, 107K, 1023/cm3, ~? ns• ITER-Plasma, 107K, 1014/cm3 , ~1000 s• D2_flüssig für ICF 22K, 1022/cm3, 3 ns (NIF)

• -Fusion, 22K, 1022/cm3 , 2,2 s• D(-1) (Holmlid), ~500 K, 1029/cm3, (~5 ns)Lawson-Kriterium : ne\E > (12kT)\(

Für DD: 1014 s/m3 für DT: 5x1012 s/m3 1014/1029~10-15→ für D(-1) reichen fs-Laser zur

Zündung

Trägheitsfusion mit Lasern (NIF)

192 Laser (18,75 kJ pro Strahl) heizenin einem Goldzylinder eine feste 2 mmDT-Kugel auf

Bild aus: thefutureofthings.com/.../ignition-process.jpg

Innenansicht derFusionskammer der NationalIgnition Facilitywww.crisisfronts.org/.../10/NIF_Interior.jpg

Myonische Fusion

http://welsch.com/index.php5?chap=5_2&gid=587&lastsearch=&dis=18 Elektronendichte und Coulomb-Potential im H2 und D2-Molekül, Radien vom Proton bzw. Deuteron : 0,84184 fm bzw. 2.1402 fm mit Myon (Masse =207xe-Masse) schrumpft der Abstand 106 pm auf ~500 fm.Damit ist per Tunneleffekt D+D-Fusion möglich und beim CERN in den 60erJahren gemessen worden! Ein Myon lebt 2,2 s und katalysiert im Mittel 100Fusionen. Myonen werden von der kosmischen Strahlung erzeugt.Kann man Elektronen so schwer wie Myonen machen?

Fermi- und Bose-Teilchen

• In der Mikrowelt • - sind Teilchen ununterscheidbar• - wird die Bahn durch eine komplexwertige

Wellenfunktion =a+ib ersetzt. Das Quadrat ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit.

• Eigenschaften der Wellenfunktion für 2 Teilchen bei Vertauschung :

rrr2r1→Fermion → Besetzungsdichte <=2rrr2 r1→Boson → Besetzungsdichte <=ooBose-Einstein-Condensation=kollektives Verhalten von

Bosonen im Grundzustand: Elektronenpaare → SL4He → Suprafluidität < 2,12K, 3He → SF < K,7Li, 23Na ,41K, 87Rb,.. → kalte Quantengase

Bose-Einstein-Kondensation

• Gasatome im Eierkarton-Potential (gekreuzte Laserfelder)• Besetzungsdichte <=2 für Fermionen, 0-oo für Bose-Teilchen

Alkali-Atome im Laserfeld

Bose-Einstein-Condensate mit Metallgasatomen (BEC)

• 7Li, 23Na, 41K, 52Cr, 85Rb, 87Rb, 133Cs , 174Yb sind Bosonen.• Nobelpreis 2001: Cornell, Ketterle, Wieman für BEC von Rb und Na• Li-BEC (http://physics.aps.org/story/v2/st22):

BEC mit Wasserstoff?

Bose-Einstein Condensation of Atomic HydrogenDale G. Fried, Thomas C. Killian, Lorenz Willmann, David Landhuis, Stephen C. Moss, Daniel Kleppner, and Thomas J. GreytakPhys. Rev. Lett. 81, 3811 (1998)Published November 2, 1998

The peak condensate density is 4.8±1.1×1015cm-3, corresponding to a condensate population of 109 atoms. The BEC transition occurs at about T = 50μK and n = 1.8×1014cm-3. HBEC ist dichter als ITER-Plasma!

Fragen: Sind alle 109 Protonen am gleichen Ort?Warum findet keine Fusion statt?

Conductive dense hydrogen,(in a diamond anvil cell)

M.I.Eremets, I.A.Troyan, MPG-Chemie in MainzNature Materials 13.11.2011

The phases of deuterium at extreme densitiesPaulo F. Bedaque, Michael I. Buchoff and Aleksey Chermanz, Maryland Center for Fundamental

PhysicsExtrakt:.....the deuterons at zero temperature will crystallize into a lattice. The temperature at

which the crystal melts scales as a0Tcrys ~1/180(a0/l) *), where is the electromagnetic coupling constant.

On the other hand, the deuterons Bose-condense at temperatures below a0Tcond ~ 42/3 (Ma0)

-1 (a0/l)2, where M is the deuteron mass [2]. Therefore, at high enough densities (l <= a0), there is a range of temperatures T, Tcrys < T < Tcond, where a quantum liquid of deuterons should form. Since deuterons are charged bosons, the quantum liquid will be a superconducting superfluid....

*) l: interparticle distance, a0 : Bohrscher Radius

Quanten-Elektrodynamik

für DBEC:

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1007/1007.1972v2.pdf (2010)

Phasendiagramm von DBEC nach Bedaque

Rydberg-Atome und -Materie• Wasserstoffatom-Linienspektrum:• 1/ = Ry(1/n1

2 -1/n22), n=1,..100. Ry:Rydbergkonstante

← Balmer-Linien

Atom mit Rydberg-» Elektron und 2tes» eingefangenes » Atom auf dem» Radius der » Rydbergbahn» Unten: Wellen-» funktion+Dichte

Kondensierte Rydbergmaterien d (nm) D (cm−3)1 0.153 2.8×1023

4 2.45 5 3.84 6 5.52 10 15.3 2.8×1017

40 245 80 983 100 1534 2.8×1011

Bilder und Tabelle aus Wikipedia über Rydbergmaterie (Holmlid),Oben links: K19,H19 oder D19-PizzaH(1)n und D(1)n haben metallische LeitungsbänderUnten links: Elektronendichte und Potential

Rydberg-MaterieBindungsmechanismus im Rydberg-Molekül

http://www.internetchemie.info/news/2009/apr09/rydberg-molekuele.html

Barry Dunning und seinen Mitarbeitern an der Rice University in Houston ist es nun gelungen Kaliumatome in Rydbergzustände zu versetzen. Der Radius der Elektronen"bahnen" betrug ca. 1 mm, d.h. diese Atome könnte man mit dem bloßen Auge beobachten (falls sie undurchsichtig wären).

R M W van Bijnen et al 2011 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 44 184008 doi:10.1088/0953-4075/44/18/184008

Adiabatic formation of Rydberg crystals with chirped laser pulses

KFeO2, Katalysator für die Styrol-SyntheseExtrakte aus Dissertation von Yvonne Joseph (2001)

TOF-MS von Münzrollen-Protium

KFeO2-Emitter in ~5x10-8 mbar

Spannung gegen Catcher FoilNd-YAG-Laser, 532nm, 5 ns

TOF-MF-Spektren für HN

Coulomb-Explosionen (CE)http://de.wikipedia.org/wiki/Coulomb-Explosion :• Die Coulomb-Explosion ist ein Verfahren, bei dem, z. B. durch einen

gebündelten Laserstrahl, ein festes Material in den Plasmazustand übergeht: Das Photonenfeld befreit die Elektronen aus der Bindung und die Kerne streben aufgrund der Coulomb-Abstoßung auseinander.

Münzrollen-Wasserstoff aus H7-“Münzen“

Stapeln von H7 bzw. D7-Clustern an der Oberfläche von KFeO2

Auslösen von neutralen oder geladenen Clustern (H7)3

+

mit einem Nd-YAG-Laserpuls (~0,1J, 5 ns)

Bindungsenergien von HN

In einer Coulomb-Explosion wird die elektrostatische Energieder Kerne frei: W = e2 /40d

Daraus kann der Bindungsabstand berechnet werden.Für (H7)3

+ ist die gemessene TOF =2,49 ms bei 500V.

Daraus folgt 9,4 eV kinetische Energie. Damit berechnet Holmlid einen Kernabstand von 152 pm.Das ist der 3-fache Bohrsche Radius.

Efficient source for the production of ultradense deuterium D(-1) for laser-induced

fusion (ICF)Patrik U. Andersson, Benny Lönn, and Leif Holmlid

Kinetic Energy Release (KER) of D(-1)

The CE fragmentation processes in the material D(-1) indicatea common KER of 630 eV. This means an interatomicdistance of 2.3 pm and aDensity of ~ 130000 gram/cm3

Bildung von D(-1) durch Wirbelbildung der Rydbergelektronen nach Winterberg:

the ultradense state is a tower of piled up deuterium Rydberg atoms. Since under normal conditions it is not possible to have a configuration where the deuterons move around the electrons, this points into the direction of a large effective mass for the electrons, possible if the electron fluid forms vortices, because vortices have a large effective mass.

Apparatur zum Nachweis der Fusion

von Deuterium im Zustand D(-1)

Fusionsausbeute als Funktion der Laserleistung

Fusionsausbeute als Funktion der Laserleistung

Verteilung der Fusionsprotonen mit kT~ 8 keV

HDD-Generation im magnetischen Feld

Ultra-dense deuterium D(−1) is predicted to be a superconductor type-II at room temperature. Here we show that a magnetic field stronger than approximately 0.05 T prevents the formation of, and even removes the D(−1) material from the magnetic field. The observed lifting of the clusters from the magnet surface agrees with theory for the Meissner effect. Each chain or bead cluster of D(−1) probably contains a central vortex, and it will have electrons with large orbits in the superconductive state. The experiments show strong magnetic effects and in the Coulomb explosion spectra, D(−1) is missing completely in amagnetic field stronger than 0.05 T.

Holmlids Conclusion

Holmlids Meinung zu DBEC:

Dear Dr. Steinbock,

I agree with what you say and from a theoretical point of viewyou may be right that one is expecting BEC at these densities in deuterium.I am certainly not a specialist in that field.

However, there is proof from the experiments that the condensation isnot mainly due to BEC as I wrote to you. Some of that information is not yet published.The forms of D(-1) suggested by Winterberg in the form of "towers"of bound deuterium atoms have neither been identified experimentally.

Maybe BEC exists for D(-1) but only gives a small contribution to the bonding.Since the d-d bonds are stronger than p-p in p(-1) this may be the case.It seems difficult to extract bond energies etc. from BEC theory.

Thus, I cannot on experimental grounds support the view that BEC is responsiblefor the bonding in D(-1).

Best regards, Leif Holmlid

Hochdichtes Deuterium, Zusammenfassung

• Herstellung aus kondensiertem Rydberg-Deuterium• Dichte von D(-1) bei ~200°: 130000g/cm3

• Suprafluid + supraleitend bei Raumtemperatur• Coulombenergie pro Deuteron ~ 630 eV • Metastabil bis ~ 500K• Zündfähig mit Nd-YAG-Laserpuls 0,1J, 5 ns• Gemessene Fusionsprotonen mit 8 keV mittlerer Energie

Publikationen von anderen Autoren

• The phases of deuterium at extreme densities, Bedaque, Paulo F.; Buchoff, Michael I.; Cherman, Aleksey, Journal of High Energy Physics, Volume 2011, article id. #94

• Ultradense deuterium, F. Winterberg - Journal of fusion energy, 2010 – Springer

• Conductive dense hydrogen, M.I.Eremets, I.A.Troyan, MPG-Chemie in Mainz,Nature Materials 13.11.2011

• Bose-Einstein Condensation of Atomic Hydrogen, Dale G. Fried, Thomas C. Killian, Lorenz Willmann, David Landhuis, Stephen C. Moss, Daniel Kleppner, and Thomas J. Greytak, Phys. Rev. Lett. 81, 3811 (1998)

• Metastability of the condensed state of excited atoms, Manykin, E. A.; Ozhovan, M. I.; Poluektov, P. P., Ukrainskii Fizicheskii Zhurnal (ISSN 0503-1265), vol. 34, Jan. 1989, p. 146-153. In Russian

Holmlids Arbeiten über Rydbermaterie (http://www2.chem.gu.se/~holmlid/features.html

The research results from the group are concerned with several different aspects of Rydberg species and Rydberg Matter. The first publication identifying Rydberg species in our experiments was published 1989, the first report on large Rydberg clusters (later concluded to be RM clusters) was published in 1991, and the first results on RM are also published 1991. The first publication mentioning RM in the title is from 1992.

125. J. Wang and L. Holmlid, "Planar clusters of Rydberg Matter KN (N = 7, 14, 19, 37, 61) detected by multiphoton fragmentation time-of-flight mass spectrometry". Chem. Phys. Letters 295 (1998) 500-508

150. S. Badiei and L. Holmlid, "Stimulated emission in Rydberg Matter - a thermal ultra-broadband tunable laser". Chem. Phys. Lett. 376 (2003) 812-817

178. L. Holmlid, "Clusters HN+ (N = 4, 6, 12) from condensed atomic hydrogen and deuterium indicating close-packed structures in the desorbed phase at an active catalyst surface". Surf. Sci. 602 (2008) 3381–3387

Publikationen von L. Holmlid204. P.U. Andersson, L. Holmlid, and S.R. Fuelling, "Search for superconductivity in ultra-dense deuterium D(-

1) at room temperature: depletion of D(-1) at field strength > 0.05 T".

• J. Supercond. Novel Magn. accepted

• 203. P.U. Andersson and L. Holmlid, "Cluster ions DN+ ejected from dense and ultra-dense deuterium by Coulomb explosions: fragment rotation and D+ backscattering from ultra-dense clusters in the surface phase".

• Int. J. Mass Spectrom. (2011) in print. DOI: 10.1016/j.ijms.2011.11.004

• 202. L. Holmlid, "Experimental studies of clusters of Rydberg matter and its extreme dense forms". Invited review.

• J. Cluster Sci. (2012) in print. DOI: 10.1007/s10876-011-0417-z.

• 201. P.U. Andersson and L. Holmlid, "Fusion generated fast particles by laser impact on ultra-dense deuterium: rapid variation with laser intensity".

• J. Fusion Energy (2011) in print. DOI 10.1007/s10894-011-9468-2.

• 200. L. Holmlid, "Sub-nanometer distances and cluster shapes in dense hydrogen and in higher levels of hydrogen Rydberg Matter by phase-delay spectroscopy".

• J. Nanopart. Res. (2011) 13 (2011) 5535-5546. DOI 10.1007/s11051-011-0543-4...

• 198. L. Holmlid, "Deuterium clusters DN and mixed K-D and D-H clusters of Rydberg Matter: high temperatures and strong coupling to ultra-dense deuterium".

• J. Cluster Sci. (2012) in print. DOI 10.1007/s10876-011-0387-1.

• 197. L. Holmlid, "High-charge Coulomb explosions of clusters in ultra-dense deuterium D(-1)".

• Int. J. Mass Spectrom. 304 (2011) 51–56. doi: 10.1016/j.ijms.2011.04.001.

• 196. P.U. Andersson and L. Holmlid, "Superfluid ultra-dense deuterium D(-1) at room temperature".

• Phys. Lett. A 375 (2011) 1344–1347. doi:10.1016/j.physleta.2011.01.035.