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Einrichtung zur Erzeugung gesteuerter Kernverschmelzungsreaktionen in Gasentladungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung gesteuerter Kernverschmelzungsreak- tionen in Gasentladungen und im besonderen auf thermonukleare Verschmelzungsreaktionen.
Für das Anlaufen von nuklearen Reaktionen in leichten Elementen, insbesondere zur Herstellung von Neutronen, hat man sich bisher in erster Linie bemüht, Prallflächen aus Deuteriumverbindungen bzw. solche enthaltenden Verbindungen oder aus leichten Elementen, mit Protonen, Deuteronen oder Heliumkernen zu bombardieren, welche genügend stark beschleunigt wurden, um Kernreaktionen zu ermöglichen.
Um das nützliche Reaktionsverhältnis zu erhöhen, sollten die Kerne aufeinander derart einwirken, dass weder ihre Energie beim Bombardement einer relativ massiven Prallfläche, noch frei gewordene Energie in der Prallfläche verlorengeht. Zu diesem Behufe ist vorgeschlagen worden, dass die Reaktionskerne von Deuterium und bzw. oder Tritium die Bestandteile eines heissen ionisierten Gases oder Plasmas bilden, in dem durch Reaktionen zwischen den Kernen freigewordene Energie dazu dienen würde, ihre Energie aufrecht zu erhalten und die Strahlungsverluste zu kompensieren. In einem derartigen System ist es notwendig, das Gas einzuengen, so dass es den Wänden seines Behälters nicht nahekommt, denn in diesem Falle würde Energie durch Bombardement der Wände verlorengehen und die Entladung könnte durch Verdampfung des Materials der Wände verunreinigt werden.
Ein Vorschlag zur Herstellung der notwendigen Bedingungen besteht darin, einerseits ein torusförmiges Gefäss zu verwenden, welches an den Kern eines Impulstransformators angeschlossen ist, und ander- seits'eine in gleicher Richtung pulsierende Ringentladung im Gas innerhalb des Gefässes herzustellen, indem der Primärwicklung des Transformators ein Hochspannungsimpuls aufgedrückt wird. Die Ringentladung bildet die nur eine winzige Windung umfassende Sekundärwicklung und es wird der Stromkanal, ge- nügend hohe Stromstärke vorausgesetzt, dank der Wirkung seines eigenen Magnetfeldes eingeschnürt, derart, dass die Gaskerne innerhalb des Kanals eingeengt und im Abstand von den Wänden des Gefässes gehalten werden.
Räumliche Unbeständigkeiten des eingeengten Kanales könnten durch die kombinierte Wirkung a) eines Magnetfeldes, welches parallel zur Entladungsachse verläuft, die während der Einengung des Kanales innerhalb desselben festgehalten wird, sowie b) der dicken, elektrisch leitenden Wände des Gefässes, in denen durch die Bewegungen der Entladung Wirbelströme induziert werden, gesteuert werden. Eine Besprechung von Vorschlägen dieser Art ist z. B. im"Journal of Applied Physics" vom Mai 1957, S. 519-521, und in"ScientificAmerican". vom Dezember 1957, S. 73-74, enthalten.
Bei Anordnungen der vorgeschilderten Art muss das torusförmige Gefäss mit wenigstens einer elektrisch isolierenden Verbindung ausgestattet sein, welche quer zur endlosen Achse des Gefässes verläuft und dazu dient, zu verhindern, dass das Gefäss selbst als Kurzschlusswindung des Transformators wirkt. Diese Verbindung bzw. Verbindungen sind jedoch Ionenbombardements und Ultraviolettstrahlungen durch die Entladung unterworfen, Einflüsse, welche zu einer Zerstörung der Isolierung im Betrieb führen können. Es ist nunmehr Gegenstand der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche derartige Zerstörungen verhindert.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung gesteuerter Schmelzreaktionen in Gasentladungen, bestehend aus einem torusförmigen, für das Gas bestimmten Gefäss, welches dicke, elektrisch leitende Wände mit wenigstens einer elektrisch isolierende ! : Verbindung quer zur endlosen Gefässachse besitzt, einem Impulstransformator zur Lieferung einer gebündelten, in einer Richtung wirken-
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den pulsierenden Ringentladung hoher Stromstärke im Gas und einer Wicklung zum Aufbau eines magnetischen Feldes im Gefäss, parallel zur endlosen Achse desselben, um räumliche Unbeständigkeiten des Entladungskanales zu vermindern und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskleidung für das Gefäss vorgesehen ist, welche dazu dient, die isolierende Verbindung gegen die Entladung abzuschirmen.
Die Auskleidung kann aus zylinderförmigen Segmenten bestehen, die gegen das Gefäss und gegeneinander isoliert sind und sie kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen der Segmente aufweisen.
Bei einer beispielsweisen Einrichtung gemäss der Erfindung sind zwei ringförmige Kerne an gegen- überliegenden Enden eines Durchmessers des torusförmigen Gefässes vorgesehen, welche Kerne Vormagnetisierungswindungen tragen, so dass der Stromimpuls eine maximale Schwankung der Feldstärke für einen gegebenen Kernquerschnitt erzeugen kann. Das torusförmige Gefäss hat eine dicke Metallwandung mit zwei quer verlaufenden isolierenden Verbindungen, die je an einem Ende des erwähnten Durchmessers liegen.
Erfindungsgemäss ist weiters eine Mehrzahl von einander überlappenden metallenen, zylin- derförmigen Auskleidungssegmenten vorgesehen, welche koaxial zum torusförmigen Gefäss verlaufen und dazu dienen, die beiden Verbindungen gegen Ionenbombardements und Ultraviolettstrahlungen abzuschirmen, welche andernfalls eine Zerstörung der Isolierung der beiden Verbindungen im Betrieb zur Folge haben würden. Die eingeengte Hochspannungsringentladung erfolgt im wesentlichen längs der Achse des torusförmigen Gefässes infolge des Gases in demselben, welches Gas eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines die beiden genannten Kerne umfassenden Impulstransformators bildet. Unmittelbar vor Beginn jedes Impulses wird durch Einführung eines kleinen Wertes radiofrequenter Energie in das torusförmige Gefäss ein leitender Pfad hergestellt.
Zu diesem Zweck wird von einer äusseren Stromquelle Leistung in Form von Impulsen geliefert, und es wird die Stromschleife lediglich während des Zeitraumes jedes Impulses hergestellt ; es finden Verschmelzungsreaktionen nur während dieser Zeiträume statt. Die lichte Weite des torusförmigen Gefässes beträgt zirka 1 m, und die Amplitude und die Dauer des primären Stromimpulses werden so gewählt, dass sie einen sekundären Spitzenstrom von wenigstens 100 kA bei einem Gasdruck in der Grössenordnung von 10-3 bis 10-4 mm Hg für mindestens eine Millisekunde induzieren. Endlich sind Vorkehrungen zum kontinuierlichen oder intermittierenden Abzug gebrauchten Gases sowie zur Einführung neuen Gases in das torusförmige Gefäss vorgesehen.
Eine beispielsweise Ausführungsform der eifindungsgemässen Vorrichtung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Gesamtansicht der Apparatur in Perspektive, wobei Teile der Umschliessungs0mauern entfernt sind und ein Teil der Apparatur zum besseren Verständnis aus seiner Normallage entfernt ist.
Fig. 2 ist ein Grundriss des Torus und zeigt die Transformatorkerne im Querschnitt. Fig. 3 ist ein Aufriss des Transformatoraufbaues zusammen mit dem tragenden Joch. Fig. 4 ist ein Schnitt durch den Torus in grösserem Massstabe und zeigt gleichzeitig die Innenauskleidung. Fig. 5 stellt im Schnitt die fortlaufende Achse des Torus dar, wobei die Anordnung der Innenauskleidung deutlich wird. Fig. 6 zeigt im Querschnitt und grösserem Massstab Einzelheiten der inneren Auskleidung. Fig. 7 stellt einen Schnitt durch die Trageinrichtung für einen der Auskleidungsteile dar. Fig. 8 zeigt im Schnitt die unteren Halteorgane für aie Auskleidung, und Fig. 9 ist ein Schnitt durch die zwischen den beiden Torushälften angeordnete Dichtung. Fig. 10 zeigt einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 2, wobei Einzelheiten der Schaufenster, der Pumpenkanäle und der Pumpen deutlich werden.
Fig. 11 ist ein Teilschnitt nach der Linie XI-XI in Fig. 10 und Fig. 12 ein Schema, welches die wesentlichen elektrischen und Gas-Kreisläufe der Apparatur erkennen lässt.
Gemäss den Fig. 1 - 3 ist ein hohler Torus T aus Metall so konstruiert, dass er längs eines Durchmessers in identische Hälften 1 geteilt werden kann, von denen jede auf einem mit Rädern versehenen Fahrgestell 2 aufruht. In Fig. 1 ist die dem Beschauer näher gelegene Hälfte nach vorne gezogen, während die entferntere Hälfte in ihrer normalen Arbeitsstellung dargestellt ist. In Fig. 2 liegen die Hälften mittels der Flansche 3 aneinander, um den vollständigen Torus T zu bilden. Transformatorkerne 4 umgeben den Torus an den einander diametral gegenüberliegenden Stellen, an denen die Flansche 3 angeordnet sind (s. Fig. 2). Die beiden Kerne 4 sind innerhalb einer mächtigen Jochkonstruktion 5 (Fig. 3) gehalten und das Ganze ist umschlossen von einer massiven Wand S aus Beton zum Schutz von Lebewesen gegen Strahlung.
Dimensionen der Apparatur werden später noch angegeben, doch zum besseren Verständnis soll jetzt schon gesagt werden, dass der Durchmesser der geschlossenen Achse des Torus in der Grössenordnung von 3. 04 m liegt, eine Abmessung. welche grob aus dem Geländer H in Fig. 1 geschätzt werden kann.
Jeder Transformatorkern 4 ist mit einer auf ihm verteilten, hohe Stromstärken führenden torusförmi-
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gen Windung 6 mit schwerem Kupferquerschnitt versehen. Die Anordnung jeder Transformatorwindung 6 ist eine derartige, dass die einzelnen Windungen (in Fig. 3 schraffiert dargestellt) in eine Vielfalt von
Serien-Parallel-Anordnungen verbunden werden können, welche die Primärwindung eines Impulstransfor- mators bilden, der mit einer eine Einzelwindung bildenden kurzgeschlossenen Sekundärwindung versehen ist, welche aus Gas im Torus T besteht. Eine im wesentlichen identische Anordnung einzelner Windun- gen 66 (nicht schraffiert), welche ihre Klemmen an der entgegengesetzten Seite des Transformatorkernes haben, bildet eine Gleichstrom-Vormagnetisierungswindung auf jedem Kern.
Zwischen den Flanschen 3 des Torus befindet sich eine elektrische Isolation 20. 21 (Fig. 9), um zu verhindern, dass der metallene Torus selbst eine Kurzschlusswindung bilde. Am Torus ist eine torusförmi- ge Stabilisierungswindung 16 (Fig. 2) angeordnet, zum Zwecke, ein axiales Feld zu bilden, welches da- zu dient, die der Gasentladung innewohnenden Unstabilitäten auf ein Niveau herabzusetzen, bei dem
Kollisionen mit den Wandungen nicht mehr von Bedeutung sind. Die Windung 16 ist in elf Formstücken
16a, 16b und 16c pro Quadrant des Torus untergebracht. Zum Zwecke der Deutlichkeit sind diese Form- stücke nur in einem Quadranten der Fig. 2 dargestellt, während die Formstücke der andern Quadranten fortgelassen sind.
Der Torus T ist, wie aus dem Grundriss der Fig. 2 ersehen werden kann. auf einer Anzahl von kurzen zylindrischen Teilstücken aufgebaut, so dass ein annähernd genauer Torus entsteht, und es sind an einem rechtwinkelig zu dem die Flansche 3 enthaltenden Durchmesser gelegenen Durchmesser Kasten 7 vorge- sehen. Diese Kasten sind, wie später noch genauer ausgeführt werden wird, mit Fenstern 8 ausgestattet, um eine Beobachtung der Gasentladung innerhalb des Torus zu ermöglichen.
Gemäss der Erfindung ist jede Hälfte 1 des Torus T wenigstens in der Zone jedes isolierenden Spaltes mit einer Auskleidung versehen, um den Spalt vor einem Ionenbombardement zu schützen, wie dies spä- ter noch näher erläutert wird. Vorgezogen wird es jedoch, den Torus mittels einer Auskleidung vollstän- dig zu schützen, welche Auskleidung aus einer Reihe von in den Fig. 4 und 5 dargestellten Segmenten besteht. Jedes Segment ist unabhängig an seiner Kopf- und Fussseite durch elektrisch isolierte und einstellbare Glieder (Fig. 7 und 8) gehalten und, gleichwohl jedes Segment das Nachbarsegment überlappt, sind dieselben durch eine isolierende Dichtung voneinander getrennt gehalten.
Auf diese Weise wird die
Potentialdifferenz. die zwischen den Enden der metallenen endlosen Auskleidung in jedem halben Torus
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es tritt lediglich eine verhältnismässig kleine Potentialdifferenz an jeder Dichtung auf.
Die Mittel zum Evakuieren des Torus bestehen aus Exhaustorleitungen und Pumpen 10 (Fig. 10 und 11). welche unterhalb der Kasten 7 zur Evakuierung des Raumes innerhalb der Auskleidung montiert sind, ferner aus Rohrleitungen 156 und Pumpen 155 (Fig. 1 und 2), welche an Einmündungen in der Toruswand ungefähr in der Mitte zwischen den Kasten 7 und den Flanschen 3 jedes Torusquadranten vorgesehen sind, um weiterhin den Druck in dem Raum zwischen der Auskleidung und der Toruswand herabzusetzen (lediglich eines der vier gleichen Pumpenpaare ist in den Figuren dargestellt).
Was nun das Kreislauf-Diagramm (Fig. 12) anlangt, sind die hauptsächlichsten Bestandteile, die bereits kurz beschrieben worden sind, der Torus T, die Transformatorkerne 4, die torusförmigen Transfomatorwindungen 6, die torusförmigen Stabilisierungswindungen 16 und die Vakuumpumpen 10 und 155.
Aus Gründen der besseren Übersicht ist nur eine Pumpe dargestellt, und die Windungen sind nurschematisch gezeichnet.
Die wesentlichen elektrischen Komponenten zur Herstellung wiederkehrender Hochleistungsimpulse in den torusförmigen Transformatorwindungen 6 (s. Fig. 12) sind ein Kondensator 12, eine Hochspan- nungsgleiehstromquelle 13, welche dazu dient, den Kondensator durch eine Röhre aufzuladen, und ein mechanischer Schalter 15 zur Entladung des Kondensators durch einen die Windungen 6 enthaltenden Kreis in Zyklen von ungefähr je 10 Sekunden. Der Strom in den Windungen 6 nimmt nach jedem Schlie- ssen des Schalters 15 auf diese Weise die Form eines einzigen, in einer Richtung wirkenden Impulses an, dessen Länge von den Zeitkonstanten des Kreises bestimmt wird und durch Änderung der Serien- ParallelAnordnung der Windung 6 variiert werden kann.
Die aufgeteilte Vormagnetisierungs-Windung 66 ist vorgesehen, um die Transformatorkerne 4 auf Sättigung in einer Richtung vorzumagneüsieren, wobei ein Impuls auf die Windung 6 aufgebracht werden kann, welcher den magnetischen Fluss in der Gegenrichtung bis zur Sättigung treibt. Der Gebrauch eines vormagnetisierten Kernes ermöglicht, den Kernquerschnitt so klein als möglich zu halten, wobei das Kernmaterial so gewählt wird, dass die Vormagnetisierungskraft auf einem Minimum gehalten werden kann.
Nach dieser kurzen Beschreibung der ganzen Apparatur sollen nun die verschiedenen Bestandteile derselben im einzelnen erläutert werden.
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Der Torus T (Fig. 1 und 2) wird durch Verschweissen einer Anzahl kurzer zylindrischer, aus Kommerzaluminium bestehender Abschnitte hergestellt, in der Weise, dass annähernd ein echter Torus mit einer Bohrung von 1 m und einem mittleren Durchmesser von 3, 20 m entsteht, der ein Volumen von ungefähr 10000 A beinhaltet. Die Wandstärke beträgt ungefähr 25,4 mm und ist gross im Vergleich zur Tiefe der Wirbelströme, welche in der Wand durch die Entladung bei der niedrigsten auftretenden Frequenz induziert werden. Diese dicke Wandung übt eine räumliche Stabilisierung auf den Entladungskanal aus, da jedem Bestreben dieses Kanals, sich der Wand zu nähern, von elektromagnetischen Kräften entgegengewirkt wird, welche den Kanal als Ergebnis von Wirbelströmen beeinflussen, die in der Wand bei Annäherungen des Kanals induziert werden.
Um zu verhindern, dass der metallene Torus selbst eine Kurzschlusswindung wird, muss wenigstens ein isolierender Spalt vorhanden sein, und um die Potentialdifferenz über jedem Spalt zu verkleinern, wäre es erwünscht, den Torus aus einer Mehrzahl von gegeneinander isolierten'Abschnitten aufzubauen. Um jedoch zu verhindern, dass die Verteilung der die Stabilisierungskräfte herstellenden Wirbelströme aus der Ordnung gebracht wird, ist es vorteilhaft, ein Minimum an Spalten vorzusehen.
Aus praktischen Erwägungen sind zwei Spalte zwischen den Flanschen 3 angeordnet und das Verfahren zur Schaffung einer isolierenden vakuumdichten Dichtung ist in aller Einzelheit in Fig. 9 gezeigt.
Mechanische Befestigungen, um die beiden Hälften 1 des Torus aneinander zu halten, sind nicht vorgesehen, da ja der atmosphärische Druck bei Evakuierung des Torus für diesen Zweck ausreicht. Jeder der erforderlichen Spalte oder Zwischenräume ist mit einem Beilagering 20 aus Polyäthylen gefüllt, der an einem der beiden Flansche 3 mittels eines zusammengesetzten Isolierringes 21 aus harzimprägniertem und vereinigtem Holz mit schräger Innenfläche 22 gehalten wird, welches sich an eine entsprechend geformte Aussenfläche des Beilageringes 20 anlegt. Der zusammengesetzte Ring 21 ist aus zwei Schichten separater Segmente aufgebaut, wobei die Verbindungsstellen einer Schicht gegen die Verbindungsstellen der andern Schicht versetzt sind, und ist an dem Flansch 3 mittels Schraubbolzen befestigt.
Ringförmige Aluminiumeinsätze 24 besitzen Unterschneidungslippen 25, die, zusammen mit im Querschnitt schwalbenschwanzförmig ausgebildeten Ringen 26 zwei Gummiring 27 mit kreisförmigem Querschnitt gegen die Stirnfläche jedes Flansches 3 halten. Die Dicke der schwalbenschwanzförmigen Ringe 26 ist derart gewählt, dass bei Zusammendrücken der Flansche 3 die Ringe 27 gerade genügend gedrückt werden, um eine Vakuumdichtung zwischen jedem Flansch und dem Beilagering 20 herzustellen. Die Einsatzstücke 24 können leicht ausgetauscht werden, wenn sie durch einen Überschlag zwischen ihnen beim Spalt beschädigt werden sollten.
Die zylindrischen Segmente 11, welche eine Auskleidung für den Torus bilden, schützen die beiden von Dichtungsringen 20 gefüllten Spalte vor dem Ionenbombardement und der ultravioletten Strahlung, welche andernfalls zu einem Überschlag der Spalte und den im nachfolgenden beschriebenen Arbeitsbedingungen führen würde. Es sind 48 Segmente 11 vorgesehen, wodurch der Spannungsunterschied an den Spalten zwischen den Segmenten 1/24 von jenem Spannungsunterschied über die Spalte des Torus beträgt und der elektrische Überschlag unter diesen Arbeitsbedingungen unwahrscheinlich ist.
Jedes der Segmente 11 besitzt eine Rohrschleife 28 (Fig. 5 - 8), an deren jeder Seite eine zylindrische Hülse - wie in Fig. 6 zu ersehen-angeschweisst ist. Die Achsen der Hülsen stehen in kleinem Winkel zueinander, um so der Form des Torus zu entsprechen. Der Aussenrand einer Hülse ist, wie bei 29 ersichtlich, gegabelt, während der Aussenrand der andern Hülse - wie bei 30 ersichtlich - gekröpft ist, so dass die Ränder benachbarter Segmente ineinander geschoben werden können und die Wandungen des Torus vollkommen abgeschirmt sind.
Um sicherzugehen, dass benachbarte Auskleidungssegmente sich nicht berühren und um eine teilweise Vakuumdichtung zwischen dem Raum innerhalb der Auskleidung und dem Ringraum zwischen der Auskleidung und der Toruswand zu schaffen, werden Isolierstücke 153 aus Polytetrafluorocthylen zwischen jedes Paar aneinanderliegender Segmente eingeschoben.
Um die Stellungen der Segmente 11 nach oben und nach unten hin einstellbar zu machen, werden elektrisch isolierte und vakuumdichte Tragelemente vorgesehen, wie diese in den Fig. 7 bzw. 8 dargestellt sind. Wie aus den Fig. 4 und 7 ersichtlich, besteht jedes obere Tragelement aus einer Büchse 31 aus isolierendem Material, welche so ausgebildet ist, dass sie in ein Loch der Wandung des Torus T von oben her eingeführt werden kann, und welches mit einer Vakuumdichtung 32 versehen ist. Ein
Schraubbolzen 33, der von einer an einer Platte 35 anliegenden randrierten Mutter 34 getragen wird, ist in einen an die Oberseite des Auskleidungssegmentes 11 angeschweissten Klotz 36 hineingeschraubt, an der Stelle der Rohrschleife 28.
Die Bohrung in der Büchse 31, durch welche der Tragbolzen 33 hindurchragt, läuft nach unten zu auseinander, damit der Bolzen vertikal hängt und eine Vakuumdichtung zwischen dem Bolzen und der
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Büchse mittels der Platte 37 und dem ringförmigen Dichtungsteil 37a hergestellt werden kann. Das. Auskleidungssegment 11 kann auf diese Weise mittels der rsndrierten Mutter 34 vertikal eingestellt werden. Eine horizontale Einstellung wird hervorgerufen durch Ausbildung eines grossen Zwischenraumes zwischen der Büchse 31 und den Bolzen, welche dieselbe an dem Torus befestigen.
Gemäss Fig. 8 besteht die untere Trageinrichtung für die Innenauskleidung aus einer zylinderförmigen Büchse 38, aus Isoliermaterial mit einem ringförmigen Flansch 39. Die Büchse 38 besitzt eine Vakuumdichtung 80 an der Stelle ihres Durchganges durch die Wandung des Torus und ist vertikal mittels dreier Einstellschrauben 81, die gleichmässig um den Flansch 39 verteilt sind und in eine metallene Druckplatte 82 eingeschraubt sind, ausgerichtet sowie durch drei Schraubbolzen, welche mit den Schrauben 81 rund um den Flansch 39 abwechseln und in dem Torus verschraubt sind. Die Schraubbolzen 83 sitzen lose im Flansch 39 und in der Platte 82 und sind mit Muttern 84 ausgerüstet.
Auf diese Weise werden die Enden der Einstellschrauben 81 mittels der Muttern 84 an den Schraubbolzen gegen den Torus gehalten und die vertikale Lage und Ausrichtung der Büchse 38 kann mit Hilfe der Einstellschrauben 31 erreicht werden.
Ein scheibenförmiges Rohranschlussstuck 85 (Fig. 5 und Fig. 8) ist an der Bodenseitenmitte jedes Auskleidungssegmentes 11 befestigt und nimmt die Enden der Rohrschleife 28 auf. Zwei Schraubsockel 86 ragen vom Anschlussstück 85 in eine Ausnehmung 87 der Büchse 38 mit ovalem Querschnitt, so dass Rohrverbindungen für eine Kühlflüssigkeit an die Rohrschleife 28 angeschlossen werden können. Ein Dichtungsring 88 sitzt zwischen dem Rohranschlussstück 85 und der Büchse 38. und zwei Bolzen 89, welche durch die dicken Teile der Wand der Büchse 38 hindurchgehen, verbinden das Rohranschlussstück mit der Büchse.
Einzelheiten des Fensterkastens 7 und der zugeordneten Pumpen sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Jeder derselben besteht aus einem Aluminiumschmiedesttick, welches zwischen Flanschen 40 benachbarter Abschnitte des Torus T befestigt ist. Schlitzförmige Glasfenster 8 sind an der Vorderseite an den Vorder- und Oberseiten der Kasten 7 angeordnet und ein zylindrisches Absaugrohr 9 befindet sich an der Unterseite derselben, wobei eine elektrisch isolierende Platte 41 dazwischengelegt wurde. Längs des Bodens des Absaugrohres 9 ist ein weiteres Fenster 42 in Ausrichtung mit dem oberen Fenster 8 vorgesehen. Das Absaugrohr 9 führt zu einem T-Stück 43 (s. auch Fig. 1), an dessen jedem Arm eine Diffusionspumpe 10 mit 355 mm Bohrung montiert ist.
Die acht Pumpen 155 besitzen Bohrungen von 152 mm und sind mittels Rohren 156 und Flanschverbindungen 158 (Fig. 2) an Rohrstutzen 157 angeschlossen, die ihrerseits mittels Flanschverbindungen an Bohrungenin der Toruswand angeschlossensind. Die Flanschverbindungen 158 haben Polyäthylendichtungen, welche nicht dargestellt sind, um die Dichtung des Torus aufrechtzuerhalten. Gleiche Isolationen bestehen an den verschiedenen andern Gas- und Fllissigkeitsverbin- dungen des Torus und Auskleidungssystems. Alle zwölf Pumpen sind an eine gewöhnliche Rücklaufleitung angeschlossen.
Öldiffusionspumpen können in einem mit Deuterium arbeitenden System verwendet werden, wobei sich das Pumpenöl mit Deuterium sättigen kann. In einem System, welches Tritium verwendet, werden vorzugsweise Quecksilberpumpen benützt, wobei hinreichend bekannte Vorsichtsmassnahmen, wie eine Sicherstellung niedriger Rückdiffusion und eine wirksame Kühlfalle angewendet werden, um eine Rückdiffusion von Quecksilber in den Aluminiumtorus zu verhindern.
Fig. 11 zeigt auch die Art, wie die Ausfütterung 11 nächst der Fensterkasten die Seitenwände der Fensterkasten in teilweisen Vakuumdichtungen mittels ringförmiger Nuten 164 treffen, welche in den äusseren Stirnflächen dieser Wände gebildet sind. Zwischen den Auskleidungsteilen und den Nuten ist ein Isoliermaterial 153 vorgesehen, ähnlich wie jenes zwischen benachbarten Auskleidungssegmenten.
Eine Sonde 124 ist an der Seitenwand des Fensterkastens angebracht, welche ähnlich einer Automo- bil-Zündkerze ist und eine unter rechtem Winkel abstehende Zentralelektrode aufweist.
Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich, sind die Transformatorkerne 4 ringförmig ausgeführt und innerhalb eines Joches 5 gehalten, welches aus zwei ähnlichen Endgliedern 50 besteht, die aus Stahlplatten und U-Profilen zusammengesetzt sind und je im Aufriss in Fig. 3 dargestellt sind. Die Glieder 50 sitzen auf einer Grundplatte 51, die gleichfalls aus U-Stücken zusammengesetzt ist. Seitliche Zugbolzen 52 sind zur Verbindung der ganzen Konstruktion vorgesehen.
Jeder Kern 4 besteht aus einer Anzahl von ringförmigen plattenartigen Elementen 53 (Fig. 2), welche je aus spiralig gewundenen kalt gefrischten Transformatorstahlstreifen 47 aufgebaut sind und zwischen inneren und äusseren Stahlringen 48 bzw. 49 gehalten werden. Es gibt zwölf Elemente 53 in jedem Kern, welche die volle Abmessung besitzen. Jedes Element hat einen Innendurchmesser von 1524 mm, einen Aussendurchmesser von 3048 mm und eine Dicke von 100 mm. An jedem Ende sind drei Elemen-
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te 54 in abgestufter Grösse angeordnet, zusammen mit grossen und kleiuen ringförmigen Platten 55 bzw.
56 aus harzimprägniertem und verbundenem Holz.
Jeder Kern ruht auf zehn Tragorganen 57, welche sich zwischen den Endgliedern 50 des Joches 5 erstrecken, und er wird an jedem Ende von acht radialen Armen 58 gehalten, die sich von dem Endglied 50 radial nach innen erstrecken und mit der äusseren Isolierplatte 56 durch zwei Bolzen 59 verbunden sind.
Durch den Kern sind keine Spannbolzen gezogen, sondern die Elemente 53 werden durch einen Druck'zusammengehalten, der vom Joch 5 über die Arme 58 ausgeübt wird.
Die Wicklung auf jedem Kern besteht aus 54 Einzelwindungen (Fig. 2 und 3). von denen jede aus 5, 47 m langem gummiisolierten Kabel besteht, das normal für 11 kV ausgelegt ist und einen ungefähren Aussendurchmesser von 28, 7 mm besitzt, sowie sich durch die Isolierrohre 60 hindurcherstreckt und von Klammern 61 an den äusseren Isolierplatten 56 gehalten wird. Die 27 Erregungswicklungen 6, denen der Impuls aufgedrückt wird, sind in Fig. 3 schraffiert dargestellt und sind in Gruppen zu drei an ihren Enden durch Anschlussleitungen 62 verbunden. Jedes Ende jeder Gruppe ist mit dem andern Ende der nächsten Gruppe durch ein gekröpftes Glied 63 verbunden, so dass praktisch neun Windungen auf jedem Kern vorgesehen sind, welche von einem Glied 64 in Serie verbunden sind, um insgesamt achtzehn Windungen zwischen den Klemmen 65 zu ergeben.
Die 27 Vorerregerwicklungen 66 haben ihre Verbindungen ander gegenüberliegenden Seite des Kernes und sind verbunden, um Dreiergruppen von neun parallel verbundenen Wicklungen zu bilden, wobei die Dreiergruppe in Reihe liegen. Die Erregerwicklungen auf den beiden Kernen sind ferner auch in Reihe verbunden, um sechs seriengeschaltete Windungen zu ergeben. Die Enden der Erreger- und Vorerregerwicklungen werden schliesslich zu den Klemmen 67 (Fig. 1) geführt.
Die Stabilisierungswicklungen 60 am Torus T sind nur in Fig. 2 zu sehen und dort nur zwecks Deutlichkeit auf einem Quadranten. Auf jedem Quadranten ist die Wicklung in neun Formkörpern 16b untergebracht. von denen einer, mit 16a bezeichnet, neben den Flanschen 3 angeordnet ist und einer, mit 16c bezeichnet, neben dem Fensterkasten 7 liegt. Die Formkörper 16b enthalten je drei Schichten von fünf Windungen, wogegen der Formkörper 16a vier Windungen von fünf Schichten und der Formkörper 16c sechs Schichten von vier Windungen enthält, wobei durch die zusätzlichen Windungen der End-Formkör- per jedes Quadranten die durch die Flansche 3 und die Kasten 7 notwendige Vergrösserung des Abstandes des Formkörpers kompensiert wird und so ein im wesentlichen konstantes Magnetfeld längs der fortlaufenden Achse des Torus geliefert wird.
Die komplette Wicklung 16 besteht somit aus 716 reihegeschalteten Windungen und gibt bei einem Strom von 1200 A ein Feld von ungefähr 1000 Gauss. Die Wicklung 16 wird von einer normalen Gleichstromquelle 17 (Fig. 12) gespeist.
Gemäss dem Schaltschema (Fig. 12) ist die Energiequelle 13 eine übliche 27 kV Gleichstromanlage, welche aus einem Dreiphasentransformator und einem0 Gleichrichter besteht. Der Kondensator 12 besitzt eine Nennkapazität von 1600 IA F, kann auf 25 kV geladen werden und besitzt 52 mineralölgetränkte, papierisolierte Teilkondensatoren zu je 31 uF, die miteinander parallel geschaltet sind. Die Ladung erfolgt linear durch einen Begrenzungswiderstand 100 von zirka 20 ! 2 und die Triode 14 (Osram, Type E1872), die mit einem Heizfadentransformator 101 und Heizfadenspeisung 102 versehen ist.
Die Spannungsquelle 103 für das Gitter der Triode, die unter Emissionsbegrenzung betrieben wird und einen annähernd konstanten Ladestrom von 4 bis 5 A gibt, wird von einer motorgetriebenen Hauptverzögerungseinheit 104 gesteuert.
Der Kondensator 12 wird über die Wicklungen 6 mittels des Schalters 15 entladen, der ein Schnellschalter ist, dessen beide Kontakte für eine Arbeitsspannung von 25 kV isoliert sind und der für eine Schaltleistung von 90 kA mit einer Verzögerungszeit von weniger als 500 MiLrosekunden gebaut ist. Der Schalter ist ein Druckluftschalter und arbeitet mit Luftdruck bis zu 010, 5 kg/cm, um die Funkenbildung zwischen den sich schliessenden Kontakten herabzusetzen. Die Kontaktabnützung wird durch die Verwendung einer grossen, gesättigten Reaktanz 105 stark herabgesetzt, die von einer Gleichstromquelle 106 durch eine Trenndrossel 107 vorgespannt ist. Die Reaktanz 105 ist ausgelegt, um 25 kV während der Verzögerungszeit zu absorbieren, ohne dass der Strom auf mehr als 1000 A ansteigt.
Bei Sättigung ist die Induktanz niedrig genug, den Scheitelwert des Impulsstromes merklich zu beeinflussen. Wenn die Wicklungen 6 in Form eines Windungsverhältnisses von 9 ; 1 geschaltet sind, wird eine Selbstinduktion der Reaktanz 105 von weniger als 100 JL H erforderlich sein. Ein Widerstand 162 von beiläufig 100 a überbrückt die Reaktanz 105, um einen Stromfluss bis zu etwa 200 A durch die Wicklungen 6 während der Verzögerungszeit zu ermöglichen.
Weiters ist auch in dem Hauptimpulskreis in Serie mit der gesättigten Reaktanz ein nicht linearer Widerstand 109 vorgesehen. Der nicht lineare Widerstand 109 besteht aus einer Schalteinheit von 300 Silikonkarbidwiderständen, d. s. Metrosilwiderstände der Fa. Metropolitan-Vickers Electrical Co. Ltd., die
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parallel geschaltet sind nach der Formel V = 480 I' , und dient dazu, die Umkehrspannung beim Überschwingen in den Impulskreis auf weniger als 10% der maximalen Vorwärtsspannung zu reduzieren und so den Kondensator 12 zu schützen. Als eine weitere Schutzmassnahme ist quer zu den Wicklungen 6 ein Ignitron 163 (B.
T. H. Type BK 178) geschaltet, welches von einem Impuls eines Kontrollkreises 166 ausgelöst wird, wenn die Spannung an einem Potentiometer 118 beginnt, sich umzukehren.
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Rogowski-Auf-nahmespule 110 mit zwei Windungen überwacht, die rund um die Aussenseite des Torus gewickelt ist. Wenn der Gasstrom nicht innerhalb 0,5 Millisekunden nach Schliessung des Schalters 15 ansteigt, wird der Ausgang der Spule 110 benützt, um einen Kontrollkreis 112 eines Ignitrons 113 (B. T. H. Type BK 178) auszulösen, indem die Zündung des Ignitrons und der Kurzschluss der Wicklungen 6 durch eine Widerstandsschalteinheit 114 von 2 Q bewirkt wird.
Der das Ignitron 113 zur Zündung bringende Impuls wird im Kreis 112 von der hinteren Flanke eines Impulses erzeugt, die von einer Windung 159 an der Reaktanz gewonnen wird, wobei dieser ZÜl1dimpuls normalerweise durch den von der Spule 110 erhaltenen Impuls gehemmt wird.
Andere Überwachungseinrichtungen bestehen aus einem Oszillographen 117, der von einer Anzapfung des Potentiometers 118 betrieben wird, um die Kondensatorspannung anzuzeigen, weiters einem Oszillographen 119, der von einer induktiven Kupplung 120 im Impulskreis betrieben wird, um den Pri- märimpulsstrom anzuzeigen, und endlich einem Oszillographen 121, der von einer Anzapfung0 an einer Potentiometerteilung 122 betrieben wird, die eine Windung an einem der Kerne überbrückt, um die Spannung an den Windungen anzugeben. Ausserdem wird noch ein Oszillograph 123 an den Gasstrom angeschlossen, der die Spule 110 zur Anzeige des Gasstromes innerhalb des Torus überwacht. Die Zeitbasen für diese Oszillographen werden über einen Leiter 161 von einem Verzögerungskreis 160 ausgelöst. der seinerseits von der Wicklung 159 ausgelöst wird.
Es stehen zwei Zeitbasisgeschwindigkeiten zur Verfügung. Zwei Hughes"Memotron"Speicheroszillographen, die nicht dargestellt sind, können zugeschaltet werden, um die Wellenformen an bestimmten Punkten des Kreises zu prüfen. Die genannte Art von Oszillographen ist in einem Aufsatz von S. T. Smith und H. E. Brown in Proc. I. R. E., Band 41, S. 1167 (1953), beschrieben.
Die Sonde 124 (s. auch Fig. 10) dient dazu, die Ionisation im Gas innerhalb des Torus T vor der Hauptentladung zu überwachen. Diese Ionisation wird durch Anwendung einer Hochfrequenzspannung einer Quelle 126 zwischen zwei Auskleidungselementen 125 hervorgerufen, die ungefähr am halben Weg um zwei aneinander stossende Torusquadranten auseinander stehen. Die Hochfrequenz ist auf ungefähr 3 MHz/s und, die Spannung zwischen 500 und 1000 V eingestellt. um einen Strom von zirka 5 A zu ergeben. Diese Hochfrequenzspannung wird kontinuierlich, mit Ausnahme der Zeit des Hauptimpulses, angelegt, in welcher sie durch ein Signal vom Verzögerungskreis 160 abgesperrt ist, um eine Interferenz mit den verschiedenen Messinstrumenten zu vermeiden.
Die Sonde 124 ist durch einen geeigneten Kreis an den Schalter 15 angeschlossen, um eine Sperre durchzuführen und ein Einschalten zu vermeiden, wenn das Gas nicht hinreichend ionisiert ist.
Die Vorerregerwicklungen 66 sind mit Gleichstrom von einem Dreiphasentransformator und einem Gleichrichter 127 gespeist, an welche Teile sie über eine Drossel 128 angeschaltet sind, die dazu dient, die Stromquelle von der in der Vorerregerwicklung induzierten Impulsspannung zu isolieren. Ein Sicherheitsschalter 129 dient zum Schutz von Personen. Dieser entlädt den Kondensator 12 über den Widerstand 114 und erdet ihn, bevor irgendwelche Instandsetzungsarbeiten an Hochspannungsteilen der Apparatur durchgeführt werden.
Fig. 12 zeigt auch die Vakuumanlage und das Gaserzeugungssystem, welche beide aus Anordnungen üblicher Pumpen und Ventile bestehen. Das Vakuumsystem umfasst die vier Diffusionspumpen 10 und die acht Pumpen 155 (s. auch Fig. 1), denen eine gewöhnliche Drehflügelpumpe 140 vorgeschaltet ist (Kinney, Type DVD 8810), welche durch ein Ventil 141 von ihnen getrennt und, für die erste Pumpung, mit dem Torus T durch eine Nebenleitung 142 direkt verbunden werden kann, die von einem Ventil 143 gesteuert wird. Die Gasquelle umfasst einen oder mehlere Zylinder 144 mit Deuterium oder Tritium, welche bei einem Druck von 2 Atm. einen Behälter 145 versorgen, der an einen der beiden Fensterkasten 7 durch ein Heissnickelrohr mit Gasablass 146 und einen Rohranschluss 147 verbunden ist.
Das Vakuum geht bei einer anfänglichen Auspumpgeschwindigkeit von zirka 5000 1/sec auf einen Restgasdruck von weniger als 5. 10-6 mm Hg herunter. Ein Arbeitsgasdruck von zwischen 10-'und 10-s mm Hg-Säule innerhalb der Auskleidung wird nach Austritt von Deuterium und/oder Tritium durch den Ablass 146 mit einer Pumpgeschwindigkeit von zirka 3800 1/sec aufrechterhalten. Der Ringraum zwischen der Auskleidung und der Toruswand wird durch die Pumpen 155 auf einen niedrigeren Druck
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herabgesetzt, um das Risiko eines Überschlages an den Spalten zwischen den Flanschen 3 zu verkleinern.
Das System kann durch das Ventil 141 von der Vorpumpe J40 und von der Quelle 144 abgetrennt und als geschlossener Kreis betrieben werden. Von der Hochdruckseite der Diffusionspumpen 10 wird Gas über eine Auffangvorrichtung 150 durch ein Rohr 148 zu einer Zusatzpumpe 149 geleitet, die eine Quecksilberdampfdiffusionspumpe und eine Toepler-Pumpe in Serie enthält und den Druck auf 2 Atm erhöht, sowie das Gas zurück in den Behälter 145 leitet. Die Auffangvorrichtung ist in dem Rohr 148 eingeschaltet, um irgendwelche Unreinheiten zu entfernen.
Die Kühlwasserversorgung der Rohrschleifen 28 der inneren Auskleidung 11 (Fig. 5 - 8) wird als geschlossenes System betrieben, u. zw. durch eine Pumpe 151 und einen Wärmeaustauscher 152, wobei die abgezogene Wärme irgend einem nützlichen Zweck zugeführt werden kann.
Zum Erfassen der in Verschmelzungsreaktionen emittierten Neutronen sind acht BF-Neutronenzähler und acht von Indiumwänden umgebene Geigerzähler, die von Paraffinwachs als Moderator umgeben sind, nächst eines Quadranten des Torus montiert. Ein Szintillationszähler ist ebenso über dem Torus aufgehängt, um schnelle Neutronen und y-Strahlen zu messen. Keiner dieser üblichen Teilchenzähler ist in den Zeichnungen dargestellt.
Beim Betrieb der Apparatur wird der Torus T zuerst grob durch die Pumpen 140 bei geschlossenem Ventil 141 und bei geöffnetem Ventil 143 evakuiert. Die Stellung dieser beiden Ventile wird dann umgekehrt und die Diftusionspumpen werden betrieben, um den Druck im Torus auf einen Wert unter 5. 10-6 mm Hg herabzusetzen. Wie dies bei der Verschmelzungsreaktion erforderlich ist, wird hierauf Deuterium und/oder Tritium von den Zylindern 14 zu dem Torus durch das Nickelrohr 146 in solchem Masse gelassen, dass ein stetiger Druck von 10""'bis 10-3 mm Hg innerhalb der Auskleidung aufrechterhalten wird.
Ist die Kühlwasserpumpe 151 in Betrieb, Hochfrequenzenergie zwischen den Segmenten 125'aufgebracht und die Vorerregerwicklungen 66 und Stabilisierungswicklungen 16 genügend erregt, so wird eine Impulsentladung im Torus T durch den Hauptzeitverzögerer 104 initiiert.
Es sei angenommen, dass die Transformatorprimärwicklungen 6 je wie dargestellt derart verbunden sind, dass ein Windungsverhältnis von 9 : 1 zwischen ihnen und dem aus einer einzigen Windung bestehenden Sekundärkreis besteht. welcher aus dem Gas im Torus T gebildet wird. So geschaltet, besitzt der Kreis, der auch den Kondensator 12, die Sättigungsdrossel 105 und den nicht linearen Widerstand 109 umfasst, eine Gesamtselbstinduktion von 1 mH, von der die Transformatorstreuselbstinduktion ungefähr die Hälfte bildet.
Die Resonanzfrequenz des Kreises ist ungefähr 123 Hz, und wenn der Kondensator 12 plötzlich in den Kreis durch Schliessen des Schalters 15 entladen wird, geht ein Stromimpuls, der einen Scheitelwert von ungefähr 20 kA in I, 5 Millisekunden erreicht, durch die Wicklung 6, welche einen Stromimpuls von etwa neunfacher Grösse in dem ionisierten Gas innerhalb des Torus induziert. Das Ignitron 163 zündet, wenn die Spannung am Kondensator sich umzukehren beginnt, und der Primärstrom und der Gasstrom brechen exponentiell zusammen.
Der Ladewiderstand des Gases (die Sekundärwicklung ist von einer einzigen Windung gebildet) liegt bei ungefähr 0, OU1 Q. Der Scheitelstrom im Gas beträgt wenigstens 180 kA und übersteigt 3 Millisekunden lang 80'
Die Ionen sind weitgehend erhitzt als ein Ergebnis von Kollisionen zwischen ihnen und den Elektronen und es ist eine begrenzte Zeit erforderlich, damit die Ionen und Elektronen in das thermische Gleichgewicht kommen. Unter den Bedingungen der vorliegenden Ausführung kann diese Zeit auf in der Grössenordnung von 1 Millisekunde liegend geschätzt werden. Aus diesem Grund ist der die Entladung erregende Kreis so ausgelegt, dass er einen Stromimpuls in der Dauer von wenigstens 1 Millisekunde liefert.
Der Stromkreis, der wegen des Vorhandenseins des Widerstandes 162 durch die Wicklungen 6 während der 500 Mikrosekunden dauernden Vor-SchluMzeit fliessen kann, dient dazu, das Gas indem Torus vorzuhitzen und seinen Ionis'ltionsgrad vor der Aufbringung des Hauptimpulses zu erhöhen.
Das Schliessen des Schalters 15 wird unter der Steuerung des Hauptverzögerers 104 in einem Maximalverhältnis von einem Impuls pro 10 Sekunden wiederholt, derart, dass der Schalter während zirka einer Sekunde geschlossen bleibt, bis der Strom ungefähr bis auf 0 zurückgegangen ist. Wahlweise kön- nen Einzelentladungen von Hand aus vorgenommen werden.
Die Transformatorkerne 4 sind durch die Wicklungen 66 auf 17000 Gauss vorerregt und der Impuls erzeugt ein Aufschwingen der magnetischen Kraftliniendichte auf 34000 Gauss. Durch dieses Mittel ist die Kernquerschnittsfläche auf einem Minimum gehalten und beträgt in der Tat nur 2,387 m2.
Die Apparatur kann unter hoher Spitzenleistung betrieben werden, um die tatsächliche Zahl der
Windungen der Primärwicklung 6 herabzusetzen, also durcis. Parallelschaltung mehrerer der Windungen.
Die Wirkung besteht darin, dass die Resonanzfrequenz des Kreises erhöht und die Dauer des Impulses her-
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abgesetzt wird. Eine primäre Dreifachwindung an jedem Kein liefert eine Resonanzfrequenz von 900 Hz und einen primären Spitzenstrom von 90 ; kA.
Die beschriebene Apparatur ist insbesondere zur Steigerung der Deuteriumtemperatur in ein Gebiet bestimmt, in dem folgende an sich bekannte Verschmelzungsreaktionen auftreten :
EMI9.1
EMI9.2
EMI9.3
EMI9.4
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.