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Anordnung zur Erzeugung extrem hoher Temperaturen
Das Hauptproblem bei Kernfusionsprozessen ist die Erzeugung und Halterung eines Deuteriumgases bzw. eines Deuterium-Tritiumgemisches von extrem hoher Temperatur (Deuterium 400. 106 oC, Deuterium-Tritium 50. 106 oC). Bei diesen hohen Temperaturen sind diese Gase völlig ionisiert und werden in diesem Zustand nachstehend als Plasma bezeichnet.
Ein solches Plasma kann in einer geeignet gewählten Magnetfeldanordnung zusammengehalten werden. Das Magnetfeld wirkt in diesem Falle wie ein Gefäss, man spricht daher auch von einer"magneti- schen Flasche". Die Voraussetzung für die Erzeugung eines Plasmas höchster Temperatur ist eine solche "magnetische Flasche", in der das Plasma isoliert von materiellen Wänden zusammengehalten werden kann. Die z. Zt. bekannten"magnetischen Flaschen"haben nur eine begrenzte Lebensdauer (maximal einige Millisekunden). Durch das Auftreten von Instabilitäten, die durch Rückwirkung des Plasmas auf das Magnetfeld verursacht werden, wird die Magnetfeldanordnung gestört. und das Plasma kann austreten.
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Energieerzeugung, brauchbar sein soll, muss über eine Mindestzeitdauer stabil sein.
Diese Mindestzeitdauer wird durch die Reaktionszeit, d. h. durch die Zeit, innerhalb welcher in nennenswertem Masse Fusions- prozesse im Plasma stattfinden, bestimmt. Die Reaktionszeit ist dabei, wie es sich gezeigt hat, von der Teilchendichte im Plasma bestimmt. Genauere Rechnungen und theoretische Überlegungen haben ergeben, dass bei einem Fusionsreaktor das Produkt aus Teilchendichte und Stabilisierungsdauer grösser sein muss als eine angebbare konstante Grösse. Die Temperatur und das Produkt aus Teilchendichte und Stabilisierungsdauer bestimmen also primär, ob eine Anordnung für eine wirtschaftliche Energiegewinnung in Betracht kommen kann oder nicht. Die hier zu lösende Aufgabe ist demnach eine doppelte.
Einmal müssen Plasmen erzeugt werden, die eine Temperatur in der Grössenordnung von 100. 10 6 OC besitzen, und ausserdem müssen die Dichte und die Stabilisierungszeit so gross sein, dass das Produkt grösser als die obenerwähnte Konstante ist, die für Deuterium-Tritium-ReaktionenetwazulOMTeilehenprocm. secan- genommen werden kann.
Keine der beiden Forderungen konnte bisher erreicht werden. Bei den Fusionsanlagen in England beträgt z. B. die erreichte Temperatur nur 5. 106 Oc und das Produkt aus Teilchendichte und Stabilisierungs- dauer etwa 10 Teilchen pro cm3. sec. Die Differenz zwischen dem Gewünschten und dem Erreichten beträgt somit noch viele Grössenordnungen. Im Augenblick sind vor allem die Bemühungen darauf gerichtet, höhere Temperaturen zu erzielen. Da aber jedes Aufheizen eine gewisse Mindestzeit benötigt, sind damit zwangsläufig auch längere Stabilisierungszeiten erforderlich.
Eine bestimmte Art, ein Plasma durch Magnetfelder einzufassen, ist durch die sogenannte Toruspinchanordnung gegeben. Hiebei handelt es sich um einen ringförmigen Plasmaschlauch, in dem induktiv der Strom für die erforderlichen Magnetfelder erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung extrem hoher Temperaturen mittels einer ringförmigen, durch das Eigenmagnetfeld kontrahierten Gasentladung (Pinchentladung), welche die Sekundärwicklung eines Impulstransformators bildet und bei der die zur Ausbildung der Pinch-
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entladung benötigte Energie einem Energiespeicher entnommen wird. Um die Erfordernisse hinsichtlich Aufheizung und Stabilisierung erfüllen zu können, ist die Verwendung eines Energiespeichers nötig, der kurzzeitig entladen werden kann. Grundsätzlich hat man schon vorgeschlagen, hiefür kapazitive oder induktive Speicher zu benutzen. Bisher hat man allerdings im allgemeinen nur kapazitive Speicher verwendet.
Auch bei der bekannten ZETA (Zero Energy Thermonuclear Assembly)-Anlage, bei der ein inter- mittierend arbeitender Transformator verwendet wird, dient als Energiespeicher ein Kondensator.
Die induktive Speicherung hat jedoch in der nachstehend erläuterten Anordnung wesentliche Vorteile gegenüber der kapazitiven.
Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Gleichstromquelle und den intermittierend arbeitenden Haupttransformator ein Zusatztransformator eingeschaltet ist, der nach Erreichung des maximalen Stromes in der Primärwicklung des Haupttransformators primärseitig kurzgeschlossen wird.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung erfolgt das Abschalten des Stromes in der Primärspule des Haupttransformators durch Umschalten dieses Stromes auf einen Widerstand und vorzugsweise derart, dass die zum Aufladen benötigte Stromquelle gleichzeitig aus dem PrimSrkreis ausgeschaltet wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung, insbesondere die Anordnung der notwendigen Umschalteinrichtungen. sollen nachstehend an Hand der Zeichnungen noch näher erläutert werden.
Die Fig. l zeigt das prinzipielle Schaltschema, welches gemäss der Erfindung benutzt werden soll.
Das Plasma 1 bildet dabei die Sekundärwicklung eines Haupttransformators, wobei die Spulen für die induktive Speicherung 2 die Primärwicklung dieses Transformators bilden. Zwecks Aufladung wird die Spule 2 zunächst aus einer Gleichstromquelle 3 mit Strom versorgt, u. zw. bei geschlossenem Schalter 4.
Dieser Schalter 4 dient dazu, die Gleichstromquelle 3 aus dem Kreis auszuschalten und den Strom auf den Widerstand 5 umzuleiten. Bei geöffnetem Schalter 4 klingt der Strom in der Speicherspule 2 des Transformators mit einer durch den Widerstand 5 festlegbarenZeit ab. Dadurch wird gleichzeitig im Plasma ein Strom induziert. Die Zeitkonstante hängt ausser von der Grösse des Widerstandes noch von der Induktivität des Primärkreises und der Streuinduktivität des Haupttransformators ab.
Die Grösse des Widerstandes im Primärkreis ist durch die technisch maximal bewältigbare Spannung an diesen Widerstand und durch den maximalen Primärstrom bestimmt. Die Induktivität und die Streu- induktivitÅathängen von den räumlichen Verhältnissen und der gegenseitigen Zuordnung der einzelnen Bauelemente der Anordnung ab (vgl. Fig. 2 und 3).
Denkt man an einen ringförmigen Aufbau der Apparatur, wobei der grosse Ringhalbmesser 10 m beträgt, der kleine Halbmesser (der Primärwicklung) ungefähr 1 m ist und dass der Plasmaschlauch im Entladungszustand einen Durchmesser von 40 cmhat, dannergebensich bei einer Maximaispannung von 100 kV am Widerstand 5 ein Strom von 800 kA und bei 10 Windungen primärseitig eine Zeitkonstante von 1/100 sec.
Der Widerstand ist dabei 0, 13 Ohm, also gross gegenüber dem Widerstand des Plasmapinches, der kleiner ist als 0, 01 Ohm. Die genannten Grössen liegen in einem technisch realisierbaren Bereich, insbesondere erscheint es auch möglich, derartige Leistungen zu schalten.
Es ist aber oft leichter, mit grösseren Spannungen und kleinerem Strom zu arbeiten. Um dies zu ermöglichen, kann eine Schaltung nach Fig. 4 gewählt werden. Darin bedeuten 1 den Plasmakreis, 2 die Speicherspule des Haupttransformators, 4 den Umschalter auf den Widerstand 5 und 6 einen Zusatztransformator mit möglichst geringer Streuinduktivität und dem gewünschten ÜDersetzungsverhältnis. 3 ist die Gleichstromquelle und 7 ein Schalter zum Kurzschliessen des Primärkreises des Zusatztransformators 6.
Zum Ein-und Ausschalten der Gleichspannungsquelle 3 dient ein Schalter 8. Schliesst man nun den Schalter 8, so wird über den Zusatztransformator 6 mit dem gewählten Übersetzungsverhältnis ein Strom zum Aufladen der Speicherspule induziert. Fliesst in der Speicherspule 2 der gewünschte Maximalstrom, dann wird der Schalter 7 unter gleichzeitigem Öffnen der Schalter 8 und 4 geschlossen. Der Kurzschluss durch den Schalter 7 ist ein sekundärseitiger Kurzschluss des Zusatztransformators 6 bei vernachlässigbar kleiner Streuinduktivität. Die Umschaltung des Gleichstromes auf den Widerstand 5 erfolgt daher unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben durch das Öffnen des Schalters 4. Ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 100 würde bei dem beschriebenen Beispiel die Verwendung einer Stromquelle mit einer Leistung von 8 kA und 32 kV erlauben.
Die auch bei kapazitiver Speicherung benötigte Induktionsspule wird also bei der vorgeschlagenen Anordnung gleichzeitig als Speicher benutzt. Diese Speicherung stellt also die für die ringförmige Gasentladung angepasste Speicherart dar, was durch den Wegfall eines Speicherkondensators erhebliche Einsparungen an Raum und Kosten mit sich bringt.
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Ein wesentliches Element der vorgeschlagenen Anordnung ist ein Stromschalter für extrem hohe Leistungen. Es hat sich nun gezeigt, dass sich hiezu ein Umschalter eignet, der unter Zuhilfenahme eines parallel zum Schalter liegenden Sicherungselementes arbeitet. Es ist dann erfindungsgemäss nur notwendig, das Sicherungselement parallel zum Schalter und zu der in Reihe mit dem Schalter liegenden Sekundärwicklungeineszusatztransformatorseinzuschalten.
Diehiedurch gegebene Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Aufgabe besteht darin, den im Stromkreis 9 und bei geschlossenem Schalter 4 fliessenden Strom auf einen Stromkreis 11 umzuleiten, in welchem sich z. B. gemäss der bereits erläuterten Anordnung ein Widerstand 5 befindet.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch bewirkt, dass zunächst mittels eines Schalters 13 eine Kondensatorbatterie 14 in den Transformator 15 entladen wird. Die hiedurch in dem Stromkreis 9 für eine bestimmte Zeit induzierte Spannung wird hiebei so bemessen, dass der fliessende Strom für diese Zeitdauer nur über eine Sicherung 16 geleitet wird, deren Widerstand gegenüber dem Widerstand 5 klein ist.
Während dieser Zeit ist also der Schalter 4 stromlos. Diese Zeit soll dann für das Öffnen dieses Schalters 4 ausreichen.
Die Trägheit der Sicherung 16 wird dabei zweckmässig so gross gewählt, dass sie erst nachdem Öffnen des Schalters 4 durchbrennt. Nach dem Durchbrennen dieser Sicherung fliesst der Strom nur noch über den Widerstand 5, d. h. der Strom ist umgeschaltet.
Das Sicherheitsdrähtchen der Sicherung 16 kann hiebei zweckmässig so gestaltet werden, dass das Eigenmagnetfeld den beim Durchbrennen entstehenden Lichtbogen ausbläst. Eine solche Anordnung ist in der Fig. 6 dargestellt. Das Sicherheitsdrähtchen 17 liegt hier kreisförmig um den Kopf eines Isolators 18.
Für ein wiederholtes Schalten ist es vorteilhaft. das Sicherheitsdrahtchen 17 aus einem flüssigen Leiter zu machen, der sich gemäss der Fig. 7 in einer Rinne befindet. Hiebei ist 19 der flüssige Leiter, während die Rinne von dem Isolator 20 gebildet wird.
PATENT ANSPRÜCHE : 1. Anordnung zur Erzeugung extrem hoher Temperaturen mittels einer ringförmigen, durch das Eigenmagnetfeld kontrahierten Gasentladung (Pinchentladung), welche die Sekundärwicklung eines Impulstransformators bildet und bei der die zur Ausbildung der Pinchentladung benötigte Energie einem Energiespeicher entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Gleichstromquelle (3) und den intermittierend arbeitenden Haupttransformator (2) ein Zusatztransformator (6, 15) eingeschaltet ist, der nach Erreichung des maximalen Stromes in der Primärwicklung des Haupttransformators primärseitig kurzgeschlossen wird.