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Anlage zur Erzeugung von gesteuerten Kernfusionsreaktionen Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zur Erzeugung von gesteuerten Kernfusions- reaktionen in Gasentladungen, die einen toroid- förmigen Kessel zur Aufnahme des Gases besitzt, der dicke, elektrisch leitende Wände und wenigstens eine elektrisch isolierte Trennfuge quer zur in sich geschlossenen Mittellinie des Kessels aufweist, Impulstransformationsmittel zur Erzeugung einer gleichgerichteten komprimierten Impuls-Ringentladung hoher Stromstärke im Gas, und eine Wicklung zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Kessel parallel zu dessen Mittellinie,
um räumliche Unstabilitäten des Entladungskanals zu vermindern.
Die Anlage nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kessel eine Auskleidung zur Abschirmung der genannten Trennfuge gegen die Gasentladung besitzt.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anlage dargestellt; es zeigt: Fig. 1 eine schaubildliche Generalansicht der Anlage mit teilweise weggebrochenen Wänden und einer versetzt angeordneten Kesselhälfte, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kessel, die Transformatorkerne im Schnitt zeigend, Fig. 3 in Seitenansicht die Transformatoreneinheit mit Tragjoch, Fig. 4 in grösserem Massstab einen Querschnitt durch den Kessel mit seiner Auskleidung, Fig. 5 im Schnitt den Kessel, die Anordnung der innern Auskleidung zeigend, Fig. 6 in grösserem Massstab eine Einzelheit der innern Kesselauskleidung im Schnitt zeigend,
Fig. 7 einen Schnitt durch die obern Tragmittel einer innern Kesselauskleidung, Fig. 8 im Querschnitt die untern Fixiermittel für eine innere Kesselauskleidung, Fig. 9 einen Querschnitt durch eine zwischen den zwei Kesselhälften angeordnete Dichtung, Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie X-X in Fig. 2, Einzelheiten der Beobachtungsfenster, der Pumpensammelleitung und der Pumpen zeigend,
Fig. 11 einen Teilschnitt nach der Linie XI-XI im Fig. 10 und Fig. 12 ein Schaltschema der wichtigsten elektrischen Stromkreise und Gasströmungswege der Anlage.
Gemäss den Fig. 1-3 besitzt die Anlage einen hohlen Metallkessel T, der längs eines Durchmessers in zwei gleiche Hälften 1 geteilt ist, die je auf einem Rollschemel 2 gelagert sind. In Fig. 1 ist die näher liegende Kesselhälfte von der andern Kesselhälfte getrennt dargestellt; die letztgenannte Hälfte ist in ihrer normalen Betriebslage gezeichnet. In Fig. 2 sind die beiden Kesselhälften 1 an den Flanschen 3 zur Bildung des vollständigen torusförmigen Kessels T zusammengefügt gezeichnet.
An den einander diametral gegenüberliegenden Stellen der Flanschen 3 (Fig. 2) sind den Kessel T umschliessende Transfor- matorenkerne 4 vorgesehen. Die beiden Kerne 4 sind in einem Joch 5 (Fig. 3) abgestützt und das ganze Gebilde ist in einem massiven biologischen Panzer S aus Beton eingeschlossen. Im folgenden sind nähere Angaben über die Abmessungen der Anlage gemacht; zum besseren Verständnis sei aber schon jetzt bemerkt, dass der Durchmesser der in sich geschlossenen Kessel-(Torus-)mittellinie etwa 3 m beträgt; diese Abmessung kann durch Vergleich mit den Handschienen H in Fig. 1 leicht abgeschätzt werden.
Jeder Transformatorenkern 4 ist mit einer verteilten toroidförmigen Starkstromwicklung 6 ver-
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sehen, die vollen Kupferquerschnitt aufweist. Jede der beiden Transformatorenwicklungen 6 ist derart angeordnet, dass die einzelnen Windungen (in Fig. 2 kreuzschraffiert gezeichnet) in einer Mehrzahl von Serie-Parallelschaltungen verbunden werden können, zwecks Schaffung der Primärwicklung eines Impulswandlers, der eine einzige, kurzgeschlossene Sekundärwicklung besitzt, welche durch Gas im Torus- kessel T gebildet wird.
Eine annähernd identische Anordnung einzelner Windungen (nicht schraffiert), deren Anschlüsse an der gegenüberliegenden Seite des Transformatorkernes liegen, bilden auf jedem Kern eine Gleichstrom-Steuerwicklung.
Zwischen den Flanschen 3 des Kessels sind, wie Fig. 9 zeigt, elektrische Isolationen 20 und 21 angeordnet, um zu verhindern, dass der metallische Kessel slbst eine kurzgeschlossene Windung bildet.
Auf dem Toruskessel ist ferner eine Stabilisatorwicklung 16 (Fig. 2) angeordnet, zwecks Schaffung eines Axialfeldes, das zur Herabsetzung der unvermeidbaren Unstabilitäten der Gasentladung auf ein Mass dient, bei welchem die Zusammenstösse der Kerne im Gas mit der Wand vernachlässigt werden können. Die Wicklung 16 ist in elf Formteilen 16a, 16b, 16c in jedem Torusquadranten angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Formteile in Fig. 2 nur für einen Quadranten eingezeichnet.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Kessel T aus einer Mehrzahl von kurzen, Zylinderteilen zusammengesetzt, so dass annähernd die Form eines Torus erhalten wird. An einem rechtwinklig zu dem die Flanschen 3 verbindenden Durchmesser sind Kammern 7 angeordnet. Wie später noch näher beschrieben, sind diese Kammern mit Fenstern 8 versehen, welche die Beobachtung der Gasentladung im Innern des Kessels erlauben.
Jede Hälfte 1 des Kessels T ist wenigstens im Bereich jeder isolierten Trennfuge mit einer Auskleidung versehen, so dass diese Trennfuge gegen Ionenbeschuss abgeschirmt ist, wie dies im folgenden noch näher erläutert ist. Zweckmässig ist aber der ganze Kessel innen mit einer Auskleidung versehen, welche, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, beim gezeichneten Beispiel eine Mehrzahl von Abschnitten 11 aufweist. Jeder Abschnitt 11 ist unabhängig von den andern unten und oben mittels elektrisch isolierten und einstellbaren Abstützmitteln abgestützt, wie dies in den Fig. 7 und 8 ersichtlich ist. Obwohl jeder Abschnitt 11 den benachbarten Abschnitt überlappt, sind sie durch eine Isolierdichtung voneinander getrennt.
Somit ist die Potentialdifferenz, die sich zwischen den Enden einer metallischen, durchgehenden Auskleidung in jeder Kesselhälfte 1 (da diese eine offene Sekundärwindungshälfte darstellen würde) bilden würde, seriemässig unterteilt, und an jeder Dichtungsstelle entsteht nur eine relativ kleine Potentialdifferenz.
Die Mittel zum Evakuieren des Kessels T besitzen Verteilleitungen 9 und Pumpen 10 (Fig. 10 und 11), die auf der Unterseite der Kammern 7 angeordnet sind; sie dienen zum Evakuieren des Raumes innerhalb der Auskleidung des Kessels. Ferner sind Leitungen 156 und Pumpen 155 (Fig. 1 und 2) vorgesehen, welche an Öffnungen in der Kesselwand annähernd halbwegs zwischen den Kammern 7 und den Flanschen 3 in jedem Quadranten des Torus- kessels angeschlossen sind (in der Zeichnung ist nur ein Paar der vier gleichen Pumpenpaare der Anlage gezeichnet), um den Druck im Raum zwischen der Auskleidung und der Kesselwand noch weiter senken zu können.
Gemäss dem in Fig. 12 gezeigten Schaltschema sind die bereits oben genannten Elemente der Anlage der Kessel T, die Transformatorkerne 4, die Torus- wicklungen 6 des Transformators, die ringförmigen Stabilisierungswicklungen 16 und die Vakuumpumpen 10 und 155 (nur eine Pumpe ist in Fig. 12 gezeichnet, und die Wicklungen sind nur schematisch angedeutet).
Die Hauptelemente -der elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Hochleistungsimpulsen in den ringförmigen Transformatorspulen 6 sind ein Kondensator 12, eine Hochspannungs-Gleichstromquelle 13 zum Laden des Kondensators über ein Ventil 14 und ein mechanischer Schalter 15 zum Entladen des Kondensators über einen Stromkreis, der die Wicklungen 6 umfasst; die Entladung soll etwa alle 10 Sekunden erfolgen. Nach jedem Schliessen des Schalters 15 besitzt der Strom in den Wicklungen 6 die Form eines einzigen, gerichteten Impulses, dessen Länge durch die Zeitkonstante des Stromkreises festgelegt ist und durch Verändern der Serie-Parallel- schaltungsanordnung der Wicklungen 6 geändert werden kann.
Die Steuerwicklung 66 dient zur Steuerung der Transformatorkerne 4 zwecks Sättigung der letzteren in der einen Richtung, so dass ein der Wicklung 6 zugeführter Impuls den Fluss zwecks Sättigung in der entgegengesetzten Richtung umsteuert. Die Verwendung eines gesteuerten Kernes gestattet es, den Kernquerschnitt so klein wie möglich zu halten, wobei das Kernmaterial so gewählt ist, dass die Steuerleistung ein Minimum ist.
Nach der vorangehend allgemeinen Beschreibung der Anlage sollen in der Folge die einzelnen Elemente der Anlage im einzelnen näher beschrieben werden.
Der Kessel T (Fig. 1 und 2) ist aus einer Mehrzahl von kurzen, zylindrischen Abschnitten aus handelsüblichem Aluminium zusammengeschweisst, so dass die Form des Kessels einem genauen Torus nahekommt. Die Bohrung des Kessels beträgt 1,05 m, und der mittlere Durchmesser beträgt 3,20 m, was ein Volumen von etwa 10 000 Liter ergibt. Die Wanddicke des Kessels beträgt etwa 2,5 cm, so dass die erforderlichen elektromagnetischen Spiegelkräfte zur Stabilisierung der Entladung erreicht werden.
Damit der Toruskessel nicht selbst eine kurzgeschlossene Windung bildet, muss mindestens eine isolierte Fuge vorhanden sein, und damit die Potentialdifferenzen an jeder Fuge klein bleiben, ist es zweckmässig, den Kessel aus einer Mehrzahl von
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kurzen, gegeneinander isolierten Abschnitten aufzubauen. Demgegenüber sollte zur Vermeidung der Ausbreitung der Wirbelströme, welche die Spiegelkräfte erzeugten, ein Minimum an Fugen vorhanden sein.
Aus praktischen Gründen sind beim gezeichneten Beispiel zwei zwischen den Flanschen 3 liegende Trennfugen vorgesehen; die Art der Bildung einer isolierten, vakuumfesten Dichtung an diesen Stellen ist am besten aus Fig. 9 ersichtlich. Es sind keine mechanischen Befestigungsmittel zum Zusammenhalten der beiden Kesselhälften 1 vorgesehen; der nach dem Evakuieren des Kessels wirkende Atmosphärendruck genügt für diesen Zweck. Jede Trennfuge ist mit einer Zwischenlage 20 aus Polyäthylen gefüllt, die mittels eines zusammengesetzten Isolier- ringes 21 aus kunstharzimprägniertem, schichtweise verklebtem Holz am einen Flansch 3 haftet, welcher Isolierring eine gebogene Innenfläche 22 besitzt, welche einer entsprechenden Aussenfläche der Zwischenlage 20 angepasst ist.
Der zusammengesetzte Isolierring 21 ist aus zwei Schichten mit verschiedenen Abschnitten gebildet, wobei die Stossstellen in der einen Schicht gegenüber den Stossstellen in der andern Schicht versetzt sind; mittels Bolzen 23 ist der Ring am Flansch 3 befestigt. Ringförmige Aluminiumeinsätze 24 bilden hinterschnittene Lippen 25, welche zusammen mit im Querschnitt schwalben- schwanzförmigen Ringen 26 zwei O-Ringe 27 aus Gummi gegen die benachbarte Fläche der Flanschen 3 drücken.
Die Dicke der Ringe 26 ist so gewählt, dass, wenn de Flanschen 3 gegeneinandergedrückt werden, die O-Ringe 27 so stark komprimiert werden, dass zwischen jedem Flansch 3 und der Zwischenlage 20 eine vakuumsichere Dichtung geschaffen ist. Die Einsätze 24 sind leicht demontierbar angeordnet, so dass sie leicht ausgewechselt werden können, wenn sie bei einem Undichtwerden der Trennfuge beschädigt werden.
Die zylindrischen Abschnitte 16, welche die Auskleidung des Kessels bilden, dienen der Abschirmung der beiden die Zwischenlage 20 enthaltenden Trennfugen gegen Ionenbeschuss und Ultraviolettstrahlung, welche, wie dies nachfolgend beschrieben ist, beim Betrieb der Anlage das Undichtwerden der Fugen bewirken könnten. Es sind 48 Abschnitte 11 vorgesehen, und somit ist die Potentialdifferenz im Spalt zwischen zwei Abschnitten der Potentialdifferenz an den Fugen des Toruskessels, so dass elektrische überschläge kaum zu erwarten sind.
Jeder Abschnitt 11 besitzt einen Rohrbogen 28 (Fig. 5-8), an dessen beide Seiten eine zylindrische Büchse (Fig. 6) angeschweisst ist. Die Achsen der Büchsen stehen unter einem kleinen Winkel geneigt zueinander und sind so der Form des Toruskessels angepasst. Die Aussenkante der einen Büchse ist, wie bei 29 gezeigt, gegabelt, während die Aussenkante der andern Büchse bei 30 abgesetzt ist, so dass die Ränder benachbarter Abschnitte ineinandergreifen und die Wände des Kessels T vollständig abgeschirmt sind.
Um sicherzustellen, dass die benachbarten Auskleidungsabschnitte sich nicht berühren, und um eine teilweise vakuumsichere Dichtung zwischen dem Raum innerhalb der Auskleidung und dem Ringraum zwischen der Auskleidung und der Kesselwand zu schaffen, sind zwischen je zwei benachbarten Auskleidungsabschnitten isolierende Dichtungen 153 aus Polytetrafluoräthylen angeordnet. Um die Abschnitte 11 in ihrer genauen Lage zu halten, sind elektrisch isolierende obere und untere vakuumdichte und einstellbare Stützen vorgesehen, wie dies am besten aus den Fig. 7 bzw. 8 ersichtlich ist.
Gemäss den Fig. 4 und 7 besitzt jede obere Stütze eine Büchse 31 aus isolierendem Material, die über einer Öffnung in der Wand des Kessels T befestigt sind und eine Vakuumdichtung 32 enthalten. Ein mit einer randierten Mutter 34 versehener Bolzen 33, der in eine Platte 35 eingreift, ist in einen Vorsprung 36 eingeschraubt, der an die Oberseite des obersten Auskleidungsabschnittes 11 angeschweisst ist, wo auch die Rohrschleife 28 angeordnet ist.
Die Bohrung der Büchse 31 ist so ausgebildet, dass der Bolzen vertikal hängt; zwischen dem Bolzen und der Büchse ist mittels einer Platte 37 und eines O-Ringes 37a eine Vakuumdichtung geschaffen. Der Auskleidungsabschnitt 11 kann somit mittels der randierten Mutter 34 vertikal eingestellt werden. Horizontales Einstellen des Auskleidungsabschnittes ist durch Schaffung eines relativ grossen Spiels zwischen der Büchse 31 und den Bolzen, welches die Büchse am Kessel T befestigen, gewährleistet.
Gemäss Fig. 8 besitzt jede untere Stütze eine längliche Büchse 38 aus Isoliermaterial mit einem Umfangsflansch 39. Die Büchse 38 ist mit einer Vakuumdichtung 80 versehen, welche an jener Stelle angeordnet ist, an welcher die Büchse durch eine Öffnung in. der Wand des Kessels T .ragt. Die Büchse 38 ist mittels drei Stellschrauben 81, die in gleichen Abständen am Flansch 39 angreifen und in eine metallische Schubplatte 82 eingeschraubt sind, sowie mittels drei Zapfen 83, welche abwechselnd mit den Schrauben 81 rund um den Flansch 39 angeordnet und in den Kessel eingeschraubt sind, vertikal ausgerichtet. Die Zapfen 83 sitzen lose im Flansch 39 und in der Platte 82 und sind mit Gewindemuttern 84 versehen.
Somit sind die Enden der Stellschrauben 81 durch die Muttern 84 auf den Zapfen 83 gegen den Ringkessel gepresst, und die Vertikallage und Ausrichtung der Büchse 38 kann mittels der Stellschrauben 81 eingestellt werden.
In der Bodenmitte eines jeden Auskleidungs- abschnittes 11 ist ein scheibenförmiger Rohranschluss 85 (Fig. 5) vorgesehen, an welchen die Rohrschleifen 28 angeschlossen sind. Zwei mit Gewinde versehene Sockel 86 ragen vom Rohranschluss 85 in eine im Querschnitt ovale Bohrung 87 der Büchse 38, so dass die Rohranschlussstücke für die Zufuhr eines Kühlfluidums an die Rohrschleifen 28 angeschlos-
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sen werden können. Zwischen dem Rohranschluss 85 und der Büchse 38 ist ein Dichtungsring 88 vorgesehen. Die beiden Bolzen 89, welche in den dickeren Teil der Wand der Büchse 38 ragen, dienen der Befestigung des Rohranschlusses an der Büchse.
Einzelheiten der Fensterkammern 7 und der zugeordneten Pumpen sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Jede Kammer besitzt ein Aluminium- Schmiedestück, das zwischen Flanschen 40 an benachbarten Abschnitten des Kessels T befestigt ist. Schlitzartige Glasfenster 8 sind an der Frontseite und an den Oberseiten der Kammern 7 vorgesehen, und eine zylindrische Sammelleitung 9 ist an der Unterseite der Kammern befestigt, unter Zwischenlage einer Isolierplatte 41. Am Boden der Sammel- leitung 9 ist ein weiteres Fenster 42 in Flucht mit dem obern Fenster 8 vorgesehen.
Die Sammelleitung 9 ist an ein T-Stück 43 (Fig. 1) angeschlossen, an dessen beide Schenkel eine Diffusionspumpe 10 (14 Zoll Bohrung) angeschlossen ist. Die acht Pumpen 155 besitzen eine 6-Zoll-Bohrung und sind durch Rohre 156 und Flanschverbindungen 158 an kurze Rohrstücke 157 angeschlossen. Die Rohrstücke 157 sind durch Flanschverbindungen an Öffnungen in der Wand des Kessels T angeschlossen. Die Flanschverbindungen 158 sind mit nichtgezeichneten Dichtungen aus Polyäthylen versehen, um den Kessel nach aussen abzudichten. Gleiche Dichtungen sind an den verschiedenen andern Gas- und Flüssigkeits- anschlussstellen des Kessels und der Kesselauskleidung vorgesehen.
Alle zwölf Pumpen sind an eine gemeinsame Pücklaufleitung angeschlossen.
Öldiffusionspumpen können in einem mit Deuterium arbeitenden System ebenfalls verwendet werden, wobei man ein Sättigen des Öls mit Deuterium zulässt. In einem mit Tritium arbeitenden System werden zweckmässig Quecksilberpumpen verwendet, wobei geeignete Sicherungsmassnahmen wie Gewährleistung einer geringen Rückdiffusion und wirksame Kälteabschirmung getroffen werden müssen, um eine Rückdiffusion von Quecksilber in den Alumi- nium-Ringkessel zu verhindern.
Fig. 11 zeigt ebenfalls, wie die Auskleidungs- abschnitte 11 im Bereich der Fensterkammern auf die Seitenwände 165 der Fensterkammern treffen, wobei Vakuumdichtungen durch Ringnuten 164 an der Aussenseite dieser Wände geschaffen sind.
In einer Seitenwand der einen Fensterkammer ist ein Körper 124 montiert, der einer im Automobilbau üblichen Zündkerze mit einer verlängerten und rechtwinklig abgebogenen Mittelelektrode gleicht.
Wie in den Fig. 1 und 3 ersichtlich, sind die Transformatorkerne 4 ringförmig ausgebildet und im einen Joch 5 abgestützt. Das Joch 5 besitzt zwei gleiche Endstücke 50 aus Stahl, wie diese in Fig. 3 in Ansicht dargestellt sind. Die Endstücke 50 sind auf einer Basis 51 aus Stahlprofilen angeordnet und mittels einer Mehrzahl von Zugbolzen 52 verbunden.
Jeder Kern 4 besitzt eine Mehrzahl von platten- förmigen Ringelementen 53 (Fig. 2), die je aus spiralförmig gewundenen, kalt behandelten Transforma- toren-Stahlblechen 47, welche zwischen innern und äussern Stahlreifen 48 bzw. 49 gehalten sind. Es sind zwölf ganze Ringelemente 53 in jedem Kern vorgesehen, wobei jedes Ringelement einen Innendurchmesser von 1,8 m, einen Aussendurchmesser von 3,6 m und eine Dicke von 10 cm besitzt. An jedem Ende sind drei Ringelemente 54 von abgestufter Grösse vorgesehen, zusammen mit grossen und kleinen Ringplatten 55 bzw. 56, die aus kunstharz- imprägniertem und verleimtem Holz bestehen.
Jeder Kern sitzt auf zehn Trägern 57, die sich zwischen den Endstücken 50 des Jochs 5 erstrecken und ist an jedem Ende durch acht Radialarme 58 gehalten, die sich radial einwärts vom Endstück 50 erstrecken und je mittels zwei Bolzen 59 an der äussern Isolierplatte 56 befestigt sind. Durch den Kern hindurch erstrecken sich keine Zugbolzen, da die Ringelemente 53 durch den durch das Joch 5 über die Arme 58 ausgeübten Druck zusammengehalten sind.
Die Wicklung auf jedem Kern besteht aus 54 einzelnen Windungen (Fig. 2), wovon jede etwa 5,5 m lang ist und aus gummiisoliertem Kabel besteht, das für 11 kV bemessen ist und angenähert einen Aussendurchmesser von 3 cm besitzt. Die Kabel erstrecken sich durch die Isolierrohre 60 und sind durch Klammern 61 gehalten, die an den äussern Isolierplatten 56 befestigt sind. Die 27 Erregerwicklungen 6, an welche die Impulse abgegeben werden, sind kreuzschraffiert angedeutet und sind in Gruppen von je drei durch Lenker 62 an ihren Enden miteinander verbunden.
Das eine Ende jeder Wicklungsgruppe ist mit dem andern Ende der nächsten Gruppe durch einen Lenker 63 verbunden, so dass in Wirklichkeit neun Windungen an jedem Kern geschaffen sind, die mittels eines Lenkers 64 in Serie verbunden sind, so dass im ganzen 18 Windungen zwischen den Endklemmen 65 liegen. Die 27 Steuerwicklungen sind auf der gegenüberliegenden Kernseite so verbunden, dass drei Gruppen von neun parallel geschalteten Wicklungen gebildet sind; die drei Gruppen sind in Serie verbunden. Die Steuerwicklungen auf den beiden Kernen sind ebenfalls in Serie verbunden, so dass sechs in Serie geschaltete Windungen gebildet sind. Die Enden der Erregerwicklungen und der Steuerwicklungen enden in Anschlussklemmen 67 (Fig. 1).
Die Stabilisierungswicklungen 16 auf dem Kessel T sind nur in Fig. 2 dargestellt, und zwar aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine in einem Quadranten des Toruskessels. Auf jedem Kesselquadranten ist die Wicklung 16 in neun Formstücken 16b, einem Formstück 16a im Bereich der Flanschen 3 und einem Formstück 16c im Bereich der Fensterkammer 7 angeordnet. Die Formstücke 16b enthalten je drei Lagen zu fünf Windungen, während das Formstück 16a vier Lagen zu fünf Windungen und das
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Formstück 16c sechs Lagen zu vier Windungen enthalten.
Die zusätzlichen Windungen an den End- formstücken eines jeden Quadranten kompensieren den grösseren Spalt der Endformstücke, _ der durch die Flanschen 3 und die Kammern 7 bedingt ist, um längs der in sich geschlossenen Mittellinie des Kessels ein annähernd konstantes Magnetfeld zu ergeben. Die vollständige Wicklung 16 besteht somit aus 716 in Serie geschalteten Windungen und erzeugt bei einem Strom von 1200 Ampere ein Magnetfeld von annähernd 1000 Gauss. Die Wicklung 16 ist durch eine übliche Gleichstromquelle 17 gespeist.
Gemäss dem in Fig. 12 gezeigten Schaltschema ist die Energiequelle 13 eine übliche 27-kV-Gleich- stromquelle, die einen Dreiphasen-Transformator und Gleichrichter aufweist. Der Kondensator 12 besitzt eine Kapazität von 1600 ,uF und kann mit 25 kV geladen werden; er besitzt ferner 52 mit Mineralöl imprägnierte, papierisolierte Kapazitäten von je 31 /(.F, die parallel geschaltet sind. Das Laden erfolgt linear über einen Begrenzungswiderstand 100 von etwa 20 Ohm und über eine Triode 14 (Osram E 1872), die mit einem Heiztransformator 101 und einer Heizquelle 102 versehen ist.
Die Spannungsquelle 103 für das Gitter der Triode 14, die mit Emissionsbegrenzung betrieben wird und einen genau konstanten Ladestrom von 4-5 Ampere ergibt, ist durch einen motorgetriebenen Zeitschalter 104 gesteuert.
Der Kondensator 12 wird über die Wicklungen 6 mittels eines Schalters 15 entladen. Der Schalter 15 ist ein Schnellschliessschalter, dessen beide Kontakte für eine Arbeitsspannung von 25 kV isoliert sind und die bei einem Strom von 90 Kiloampere mit einer Vorlichtbogenzeit von weniger als 500 Mikrosekunden schliessen können. Der Schalter 15 ist ein Druckluftschalter und ist mittels Druckluft von etwa 10 kg/cm2 betätigt, um die Funkenbildung beim Schliessen der Kontakte zu verhindern.
Eine Abnützung der Kontakte wird durch die Anordnung einer grossen sättigbaren Drosselspule 105 klein gehalten, die von einer Gleichstromquelle 106 über eine isolierende Drossel 107 gespeist wird. Die Drosselspule 105 kann während der Vorlichtbogen- zeit 25 kV absorbieren, ohne dass der Strom über 1000 Ampere steigt. Bei Sättigung ist die Induktanz klein genug, um zu verhindern, dass der Spitzenwert des Impulsstromes beeinträchtigt wird. Wenn die Wicklungen 6 so geschaltet sind, dass sie ein Win- dungsverhältnis von 9 : 1 ergeben, muss die Induk- tanz der Drosselspule 105 kleiner als 100 H sein.
Parallel mit der Drosselspule 105 ist ein Widerstand 162 von etwa 100 Ohm geschaltet, um während der Vorlichtbogenzeit einen. Stromfluss von etwa 200 Ampere durch die Wicklungen 6 zu ermöglichen.
Ebenfalls im Haupt-Impulsstromkreis ist in Serie mit der Drosselspule 105 ein nichtlinearer Widerstand 109 angeordnet. Der nichtlineare Widerstand 109 besteht aus einem Block von 300 Metroril-Einheiten (eingetragene Handelsmarke), die parallel geschaltet sind, um die Umkehrspannung beim Zurückschwingen des Impulses im Stromkreis auf einen Wert herabzusetzen, der kleiner als 10 /o der maximalen Vorwärtsspannung ist, so dass der Kondensator geschützt ist. Als weitere Sicherungsmassnahme ist parallel zu den Wicklungen 6 ein Ignitron (B. T.
H., BK 178) angeordnet, und zwar erhält es einen Trigger-Impuls von einem Steuerstromkreis 166, wenn die Spannung am Potentiometer 118 umzukehren droht.
Der Strom in der Gasentladung im Ringkessel T wird durch eine zwei Windungen aufweisende torus- förmige Rogowski-Pickup-Spule 110 ausgelöst, welche auf die Aussenseite des Ringkessels gewickelt ist. Wenn der Gasstrom nicht innerhalb 0,5 Milli- sekunden nach dem Schliessen des Schalters 15 ansteigt, wird die Ausgangsspannung der Spule 110 zur Anregung eines Steuerstromkreises 112 eines Ignitrons (B. T. H., BK 178) verwendet, so dass das Ignitron zündet und die Wicklungen 6 über einen 2-Ohm-Widerstand 114 kurzgeschlossen werden.
Der die Zündung des Ignitrons 113 bewirkende Impuls wird im Stromkreis 112 vom Endteil eines aus der Wicklung 159 des Reaktors 105 kommenden Impulses erzeugt, wobei der Zündimpuls normalerweise durch den aus der Spule 110 enthaltenen Impuls unterdrückt wird.
Weitere Vorrichtungen der Schaltanordnung sind ein Oszilloskop 117, das von einer Anzapfung des Potentiometers 118 aus betätigt wird und zur Anzeige der Kondensatorspannung dient; ferner ein Oszilloskop 119, das über eine induktive Kopplung im Impulsstromkreis betätigt wird und zur Anzeige des Primärimpulsstromes dient und ferner ein Oszilloskop 121, welches von einer Anzapfung eines Spannungsteilers 122 aus betätigt wird, der parallel zu einer Wicklung auf einem der Kerne geschaltet ist und zur Anzeige der Spannung an dieser Wicklung dient.
Ferner ist ein Oszilloskop 123 an die Gasstrom-Erzeugerspule 110 angeschlossen zwecks Anzeige des Gasstromes im Ringkessel. Die Zeitbasis für diese Oszilloskope wird über eine Leitung 161 von einem Zeitstromkreis 160 gesteuert, der seinerseits von der Wicklung 159 gespeist wird. Es stehen zwei Zeitbasis Geschwindigkeiten zur Verfügung. Es können zwei Hughes Memotron -Spei- cher-Oszilloskope (nicht gezeichnet) eingeschaltet werden, zwecks Überprüfung der Wellenform an ausgewählten Stellen des Stromkreises.
Die Sonde 124 (siehe auch Fig. 10) dient zur Auslösung der Ionisation des Gases im Ringkessel T vor der Hauptentladung. Diese Ionisation wird dadurch erreicht, dass von einer Spannungsquelle 126 eine Hochfrequenzspannung zwischen zwei Ausklei- dungsabschnitte 125 zugeführt wird, die etwa im Abstand der halben Umfangslänge zweier benachbarter Quadranten des Ringkessels angeordnet sind. Die Hochfrequenzspannung besitzt etwa eine Frequenz von 3 Megahertz, und die Spannung ist zwischen 500 und 1000 Volt eingestellt, um einen
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Strom von etwa 5 Ampere zu erzielen.
Diese Hochfrequenzspannung wird kontinuierlich zugeführt, mit Ausnahme während der Hauptimpulse, wo sie durch ein Signal aus dem Zeitstromkreis 160 ausgeschaltet wird, um Interferenzen mit den verschiedenen Mess- instrumenten zu vermeiden. Die Sonde 124 ist durch einen geeigneten Stromkreis so an den Schalter 15 angeschlossen, d'ass sie eine Sperre betätigen kann, um zu verhindern, d'ass der Schalter schliessen kann, wenn das Gas nicht genügend ionisiert ist.
Die Steuerwicklungen 66 sind mit Gleichstrom aus einer Dreiphasen-Transformator- und Gleichrichterquelle 127 gespeist, mit welcher sie durch eine Drossel 128 verbunden sind, um die Quelle von der Impulsspannung, die in der Steuerwicklung induziert wird, zu isolieren.
Zum Schutz des Bedienungspersonals gegen Entladungen ist ein Sicherheitsschalter 129 vorgesehen, der den Kondensator 12 über den Widerstand 114 erdet, wenn irgendeine Unterhaltsarbeit an Hochspannung führenden Teilen der Anlage durchgeführt werden sollen.
Fig. 12 zeigt ebenfalls die Vakuumeinrichtung und das Gaszuführsystem; beide Aggregate weisen übliche Pumpen und Ventile auf. Die Vakuumeinrichtung besitzt die vier Diffusionspumpen 10 und die acht Pumpen 155 (Fig. 1), die über eine gemeinsame rotierende Flügelpumpe 140 (Bauart Kinney DVD 8810) an eine Rücklaufleitung angeschlossen sind; die Flügelpumpe kann durch ein Ventil 141 isoliert werden, und für das Anlassen der Pumpe kann sie über eine Umleitung 142, die durch ein Ventil 143 gesteuert wird, direkt an den Ringkessel T angeschlossen werden.
Die Gaszuführ- einrichtung besitzt einen oder mehrere Zylinder 144 mit Deuterium oder Tritium, welche bei einem Druck von zwei Atmosphären ein Reservoir 145 speisen, das über einen Nickelrohr-Gasauslass 146 und einen Rohranschluss 147 an eine der Fensterkammern 7 angeschlossen ist.
Das Vakuum erreicht bei einer anfänglichen Pumpleistung von 5000 Liter pro Sekunde einen Restgasdruck von weniger als 5 -10-6 mm Hg. Ein Arbeitsgasdruck zwischen 10-4 und 10-3 mm Hg innerhalb der Auskleidung wird nach der Einführung von Deuterium undjoder Tritium über den Auslass 146 bei einer Pumpleistung von etwa 3800 Liter pro Sekunde aufrechterhalten. Der Ringraum zwischen der Auskleidung und der Ringkesselwand wird auf einen noch geringeren Druck gebracht, und zwar mittels der Pumpen 155, um die Gefahr des Undichtwerdens der Trennfuge zwischen den Flanschen 3 weiter zu vermindern.
Die Einrichtung kann durch das Ventil 141, von der Pumpe 140 und der Gaszuführquelle 144 abgeschaltet und als geschlossener Strömungsweg betrieben werden. Gas von der Hochdruckseite der Diffusionspumpen 10 wird über eine Klappe 150 durch eine Leitung 148 einer Zuführpumpvorrichtung 149 zugeführt, welche eine Quecksilberdampf-Diffusionspumpe und in Serie damit eine Töplerpumpe aufweist, welche den Gasdruck auf zwei Atmosphären steigert und das Gas in das Reservoir 145 zurückfordert. Die Klappe 150 ist in der Leitung 148 angeordnet und dient der Ausscheidung von Verunreinigungen.
Die Kühlwasserzufuhr zu den Rohrschleifen 28 der innern Auskleidung 11 (Fig. 5-8) erfolgt in geschlossenem Strömungsweg mittels einer Pumpe 151 und eines Wärmeaustauschers 152; die abgeführte Wärme kann zu irgendeinem geeigneten Zweck verwendet werden.
Zur Feststellung der durch die Kernfusionsreak- tionen erzeugten Neutronen sind acht BF3-Neu- tronenzähler und acht eine Indiumwandung aufweisende Geigerzähler vorgesehen, die mit Paraffinwachs als Moderator umgeben sind. Die Zähler sind im Bereich. eines Quadranten des Ringkessels angeordnet. Ein Plastik-Phosphor-Scintillationszähler ist über dem Ringkessel aufgehängt und dient der Messung schneller Neutronen und Gammastrahlen. Keiner dieser an sich bekannten Partikeldetektoren ist in der Zeichnung dargestellt.
Beim Betrieb der Anlage wird zuerst der Kessel T bei geschlossenem Ventil 141 und offenem Ventil 143 mittels der Pumpe 140 vorevakuiert. Dann werden die beiden Ventile umgeschaltet und die Diffusionspumpen vermindern den Druck im Kessel T auf weniger als 5 - 10-6 mm Hg. Entsprechend der gewünschten Kernfusionsreaktion wird dem Kessel durch den Nickelrohrauslass 146 Deuterium und!oder Tritium aus den Zylindern 144 zugeführt, und zwar in solcher Menge, dass ein konstanter Druck zwischen 10-4 und 10-3 mm Hg innerhalb der Auskleidung aufrechterhalten wird.
Bei arbeitender Kühlwasserpumpe 151, Zuführung einer Hochfrequenzspannung zwischen die Abschnitte 125 und bei geeignet erregten Steuerwicklungen 66 und Stabilisierwicklungen 16 wird im Kessel T unter der Steuerwirkung des Hauptzeitschal- ters 104 eine Impulsentladung ausgelöst.
Es sei angenommen, dass die Primärwicklungen 6 des Transformators je wie gezeichnet so geschaltet sind, dass sie ein Windungsverhältnis von 9 : 1 zwischen den Windungen dieser Primärwicklungen und der Einwindungs-Sekundärwicklung ergeben, die durch das Gas im Kessel T gebildet wird. Der so geschaltete Stromkreis, der auch den Kondensator 12, die sättigbare Drosselspule 105 und den nichtlinearen Widerstand 109 umfasst, besitzt eine totale Induktanz von 1 mH, wovon die Transformatorver- lustinduktanz etwa die Hälfte bildet.
Die Eigenfrequenz des Stromkreises beträgt etwa 123 Hz, und wenn der Kondensator 12 plötzlich durch Schliessen des Schalters 15 über den Stromkreis entladen wird, fliesst ein Stromimpuls, dessen Spitzenwert in 1,5 Millisekunden etwa 20 kA erreicht, durch die Wicklung 6 und induziert im ionisierten Gas im Kessel einen etwa neunmal so starken Impuls. Das Ignitron 163 zündet, wenn die Spannung im Kondensator 12 umkehrt, und sowohl der Primärstrom als auch der
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Gasstrom setzen nach einem Exponentialgesetz aus.
Der Belastungswiderstand des Gases (Einwindungs- Sekundärwicklung) beträgt etwa 0,001 Ohm und der Spitzenwert des Gasstromes erreicht mindestens 180 kA; der Gasstrom übersteigt während 3 Milli- sekunden den Wert von 80 kA.
Als Folge von Zusammenstössen der Ionen mit den Elektronen werden die, Ionen stark erhitzt, und die Ionen und Elektronen benötigen eine gewisse Zeit, um thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Unter den für die vorangehend beschriebene Anlage geltenden Bedingungen liegt diese Zeit etwa in der Grössenordnung von 1 Millisekunde. Aus diesem Grund ist der die Entladung bewirkende Stromkreis so ausgelegt, dass er Stromimpulse von einer Dauer von mindestens 1 Millisekunde liefert.
Der durch den Widerstand 162 in den Wicklungen 6 während den 500 Mikrosekunden Vorlicht- bogenzeit ermöglichte Stromfluss dient zum Vorheizen des Gases im Kessel und erhöht dessen Ioni- sationsgrad vor dem Eintreffen des Hauptimpulses.
Das Schliessen des Schalters 15 erfolgt unter der Steuerwirkung des Hauptzeitschalters 104 derart, dass eine maximale Impulsfolge von einem Impuls alle 10 Sekunden eingehalten werden kann, wobei der Schalter während etwa einer Sekunde geschlossen bleibt, bis der Strom annähernd auf Null gefallen ist. Anderseits können einzelne Entladungen auch durch Betätigen des Schalters von Hand ausgelöst werden.
Die Transformatorkeme 4 sind durch die Wicklungen 66 auf 17 000 Gauss belastet, und der Impuls erzeugt eine Fluxdichteschwingung von Spitzenwert zu Spitzenwert von 34 000 Gauss. So kann die Kernfläche auf einem Minimum gehalten sein und beträgt beim beschriebenen Beispiel nur 22 200 em2.
Die Anlage kann unter Hochleistungsbedingungen betrieben werden, indem die wirksame Zahl der Pri- märwicklungswindungen, z. B. durch Parallelschaltung von mehr Windungen, herabgesetzt wird. Die Wirkung besteht in einer Erhöhung der Eigenfrequenz des Stromkreises und einer Verkürzung der Impulsdauer. Eine Dreiwindungs-Primärwicklung auf jedem Kern ergibt eine Eigenfrequenz von 900 Hz und einen Spitzenwert des Primärstromes von 90 Kiloampere.
Die beschriebene Anlage ist speziell dazu ausgebildet, Deuterium auf eine Temperatur zu bringen, bei der die folgenden Kernfusionsreaktionen auftreten:
EMI7.24
Das Tritium und das Helium-3 reagieren weiter wie folgt:
EMI7.27
H31 -I- H21 > He42 -i- n 1 -f- 17.6 MeV He32 + H21 #- He42 -I- Hll -I- 18.3 MeV Im vorangehend beschriebenen Reaktor erfolgte die Erzeugung von Neutronen unter den folgenden Bedingungen: a) Deuteriumdruck: 0,125 Mikron Hg, b) Ionentemperatur: annähernd 5 # 106 K (gemessen durch Doppler-Erweiterung), c) Spitzenstrom der Gasentladung:
180 kA, d) axiales Gleichstrom-Stabilisierungsfeld: 160 Gauss, e) Impulsdauer: 3 Millisekunden bei einem Gasstrom von mehr als 80 kA, f) Kondensatorspannung: 20 kV, g) Transformatorverhältnis: 9 : 1.
Die Produkte der Kernfusionsreaktionen sind Neutronen und energiereiche Ionen. Die Neutronen verlassen den Toruskessel T und werden durch den biologischen Schild S aufgefangen, während die Ionen ihre kinetische Energie an die die Wände des Kessels T verkleidenden Abschnitte 11 in Form von Wärme abgeben; diese Wärme wird mittels des Wasser- kühl'ungssystems 28, 151 und 152 abgeführt.
Grössere Anlagen der beschriebenen Art können dazu benützt werden, die Temperatur von Deuterium auf 10s K zu erhöhen. Bei dieser Temperatur ist die durch Kernfusionsreaktionen freigemachte Energie grösser als die zur Aufrechterhaltung des Entladungsstromes notwendige Energie und die in der Kesselauskleidung erzeugte Wärme kann durch ein geeignetes Kühlmittel abgeführt und z. B. zur Dampferzeugung verwendet werden. Anstatt z. B. einzelne Rohrschleifen 28 auf jedem Abschnitt 1 der Auskleidung anzuordnen, kann eine Vielzahl solcher Rohrschleifen über die ganze Fläche eines jeden Abschnittes verteilt angeordnet sein. Auch die dicken Wände des Kessels T können ummantelt sein, wobei Wärme von diesen Wänden mittels eines Kühlfluidums abgeführt werden kann.
Der intensive Neutronenfluss, der erzeugt wird, kann auch zur Anreicherung von spaltbarem Material verwendet werden.
Die zu vorgenanntem Zweck notwendige Leistung beträgt etwa 10 000 Megawatt, während ein Mehrfaches dieser Energie freigemacht wird. Indem die Anlage nicht dauernd erregt wird, sondern indem wie beim beschriebenen Beispiel nur Impulse von kurzer Dauer in geeigneten Abständen (Erholungszeit) erzeugt werden, kann die erzeugte mittlere Leistung auf das bei üblichen Dampferzeugungsanlagen notwendige Niveau heruntergebracht werden.