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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.
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Plant for the generation of controlled nuclear fusion reactions The subject of the present invention is a plant for the generation of controlled nuclear fusion reactions in gas discharges, which has a toroid-shaped tank for receiving the gas, the thick, electrically conductive walls and at least one electrically insulated parting line across the in has closed center line of the boiler, pulse transformation means for generating a rectified compressed pulse ring discharge of high amperage in the gas, and a winding for generating a magnetic field in the boiler parallel to its center line,
in order to reduce spatial instabilities of the discharge channel.
The system according to the invention is characterized in that the boiler has a lining to shield the said separating joint from the gas discharge.
In the accompanying drawing, an embodiment of the system according to the invention is shown; It shows: Fig. 1 a diagrammatic general view of the system with partially broken away walls and a staggered boiler half, Fig. 2 a plan view of the boiler, showing the transformer cores in section, Fig. 3 in side view of the transformer unit with support yoke, Fig. 4 in on a larger scale a cross-section through the boiler with its lining, Fig. 5 in section the boiler, showing the arrangement of the inner lining, Fig. 6 on a larger scale showing a detail of the inner boiler lining in section,
7 shows a section through the upper support means of an inner boiler lining, FIG. 8 shows a cross section of the lower fixing means for an inner boiler lining, FIG. 9 shows a cross section through a seal arranged between the two boiler halves, FIG. 10 shows a section along line XX in Fig. 2, showing details of the observation windows, the pump manifold and the pumps,
11 shows a partial section along the line XI-XI in FIG. 10 and FIG. 12 shows a circuit diagram of the most important electrical circuits and gas flow paths of the system.
According to FIGS. 1-3, the system has a hollow metal tank T which is divided along a diameter into two equal halves 1, each of which is mounted on a roller stool 2. In Fig. 1 the closer half of the boiler is shown separated from the other half of the boiler; the latter half is shown in its normal operating position. In Fig. 2, the two boiler halves 1 on the flanges 3 to form the complete toroidal boiler T are drawn together.
At the diametrically opposite points of the flanges 3 (FIG. 2), transformer cores 4 surrounding the boiler T are provided. The two cores 4 are supported in a yoke 5 (FIG. 3) and the entire structure is enclosed in a massive biological armor S made of concrete. In the following, more details about the dimensions of the system are given; For a better understanding, however, it should already be noted that the diameter of the closed cup (torus) center line is about 3 m; this dimension can be easily estimated by comparison with the hand rails H in FIG.
Each transformer core 4 is provided with a distributed toroidal high-voltage winding 6
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see which has full copper cross-section. Each of the two transformer windings 6 is arranged in such a way that the individual windings (shown cross-hatched in Fig. 2) can be connected in a plurality of series-parallel circuits for the purpose of creating the primary winding of a pulse converter which has a single, short-circuited secondary winding, which is gas is formed in the torus T.
An almost identical arrangement of individual turns (not hatched), the connections of which are on the opposite side of the transformer core, form a direct current control winding on each core.
As FIG. 9 shows, electrical insulations 20 and 21 are arranged between the flanges 3 of the boiler in order to prevent the metallic boiler itself from forming a short-circuited turn.
A stabilizer winding 16 (Fig. 2) is also arranged on the torus vessel to create an axial field which serves to reduce the unavoidable instabilities of the gas discharge to a level at which the collisions of the cores in the gas with the wall can be neglected. The winding 16 is arranged in eleven shaped parts 16a, 16b, 16c in each torus quadrant. For the sake of clarity, the molded parts are shown in FIG. 2 for only one quadrant.
As can best be seen from FIG. 2, the boiler T is composed of a plurality of short cylinder parts, so that approximately the shape of a torus is obtained. Chambers 7 are arranged at a right angle to the diameter connecting the flanges 3. As will be described in more detail later, these chambers are provided with windows 8 which allow the gas discharge inside the boiler to be observed.
Each half 1 of the boiler T is provided with a lining at least in the area of each insulated parting line so that this parting line is shielded against ion bombardment, as will be explained in more detail below. However, the entire boiler is expediently provided on the inside with a lining which, as shown in FIGS. 4 and 5, has a plurality of sections 11 in the example shown. Each section 11 is supported independently of the others below and above by means of electrically insulated and adjustable support means, as can be seen in FIGS. 7 and 8. Although each section 11 overlaps the adjacent section, they are separated from each other by an insulating gasket.
Thus, the potential difference that would form between the ends of a metallic, continuous lining in each boiler half 1 (since this would represent an open secondary winding half) is divided into series, and only a relatively small potential difference arises at each sealing point.
The means for evacuating the boiler T have distribution lines 9 and pumps 10 (FIGS. 10 and 11) which are arranged on the underside of the chambers 7; they are used to evacuate the space inside the lining of the boiler. Furthermore, lines 156 and pumps 155 (FIGS. 1 and 2) are provided, which are connected to openings in the boiler wall approximately halfway between the chambers 7 and the flanges 3 in each quadrant of the toroidal boiler (only one pair of the four identical pairs of pumps of the system drawn) in order to be able to lower the pressure in the space between the lining and the boiler wall even further.
According to the circuit diagram shown in FIG. 12, the above-mentioned elements of the system are the boiler T, the transformer cores 4, the toroidal windings 6 of the transformer, the annular stabilizing windings 16 and the vacuum pumps 10 and 155 (only one pump is shown in FIG. 12 drawn, and the windings are only indicated schematically).
The main elements of the electrical circuit for generating high-power pulses in the toroidal transformer coils 6 are a capacitor 12, a high-voltage direct current source 13 for charging the capacitor via a valve 14 and a mechanical switch 15 for discharging the capacitor via an electric circuit that connects the windings 6 includes; the discharge should take place approximately every 10 seconds. After each closing of the switch 15, the current in the windings 6 has the form of a single, directed pulse, the length of which is determined by the time constant of the circuit and can be changed by changing the series-parallel circuit arrangement of the windings 6.
The control winding 66 is used to control the transformer cores 4 for the purpose of saturating the latter in one direction, so that a pulse supplied to the winding 6 reverses the flux for the purpose of saturation in the opposite direction. The use of a controlled core allows the core cross-section to be kept as small as possible, the core material being selected so that the control power is a minimum.
After the above general description of the system, the individual elements of the system will be described in more detail below.
The boiler T (FIGS. 1 and 2) is welded together from a plurality of short, cylindrical sections made of commercially available aluminum, so that the shape of the boiler comes close to an exact torus. The bore of the boiler is 1.05 m and the mean diameter is 3.20 m, which gives a volume of about 10,000 liters. The wall thickness of the boiler is about 2.5 cm, so that the electromagnetic mirror forces required to stabilize the discharge are achieved.
In order for the torus vessel not to form a short-circuited turn itself, there must be at least one isolated joint, and so that the potential differences at each joint remain small, it is advisable to make the vessel from a plurality of
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short, mutually isolated sections. In contrast, to avoid the spread of the eddy currents that generated the mirror forces, there should be a minimum of joints.
For practical reasons, two separating lines located between the flanges 3 are provided in the example shown; the manner in which an insulated, vacuum-tight seal is formed at these locations is best seen in FIG. There are no mechanical fastening means for holding the two boiler halves 1 together; the atmospheric pressure that is effective after evacuation of the boiler is sufficient for this purpose. Each parting line is filled with an intermediate layer 20 made of polyethylene, which adheres to a flange 3 by means of a composite insulating ring 21 made of synthetic resin-impregnated wood glued in layers, which insulating ring has a curved inner surface 22 which is adapted to a corresponding outer surface of the intermediate layer 20.
The composite insulating ring 21 is formed from two layers with different sections, the joints in one layer being offset from the joints in the other layer; The ring is fastened to the flange 3 by means of bolts 23. Annular aluminum inserts 24 form undercut lips 25 which, together with rings 26 with a dovetail shape in cross section, press two O-rings 27 made of rubber against the adjacent surface of the flanges 3.
The thickness of the rings 26 is chosen so that when the flanges 3 are pressed against one another, the O-rings 27 are compressed so much that a vacuum-tight seal is created between each flange 3 and the intermediate layer 20. The inserts 24 are arranged to be easily removable so that they can be easily replaced if they are damaged if the parting line leaks.
The cylindrical sections 16, which form the lining of the boiler, serve to shield the two separating joints containing the intermediate layer 20 from ion bombardment and ultraviolet radiation, which, as described below, could cause the joints to leak during operation of the system. 48 sections 11 are provided, and thus the potential difference in the gap between two sections is the potential difference at the joints of the torus, so that electrical flashovers are hardly to be expected.
Each section 11 has a pipe bend 28 (Fig. 5-8), on both sides of which a cylindrical sleeve (Fig. 6) is welded. The axes of the bushes are inclined to one another at a small angle and are thus adapted to the shape of the torus. The outer edge of one sleeve is forked, as shown at 29, while the outer edge of the other sleeve is offset at 30, so that the edges of adjacent sections interlock and the walls of the boiler T are completely shielded.
To ensure that the adjacent lining sections do not touch each other and to create a partially vacuum-proof seal between the space within the lining and the annular space between the lining and the boiler wall, insulating seals 153 made of polytetrafluoroethylene are arranged between each two adjacent lining sections. In order to hold the sections 11 in their precise position, electrically insulating upper and lower vacuum-tight and adjustable supports are provided, as best shown in FIGS. 7 and 8, respectively.
According to FIGS. 4 and 7, each upper support has a sleeve 31 made of insulating material which is fastened over an opening in the wall of the vessel T and which contains a vacuum seal 32. A bolt 33 provided with a rimmed nut 34, which engages in a plate 35, is screwed into a projection 36 which is welded to the upper side of the uppermost lining section 11, where the pipe loop 28 is also arranged.
The bore of the sleeve 31 is formed so that the bolt hangs vertically; a vacuum seal is created between the bolt and the bushing by means of a plate 37 and an O-ring 37a. The lining section 11 can thus be adjusted vertically by means of the edged nut 34. Horizontal adjustment of the lining section is ensured by creating a relatively large play between the sleeve 31 and the bolts which fasten the sleeve to the tank T.
According to FIG. 8, each lower support has an elongated sleeve 38 made of insulating material with a peripheral flange 39. The sleeve 38 is provided with a vacuum seal 80 which is arranged at the point at which the sleeve through an opening in the wall of the vessel T . asks. The bushing 38 is secured by means of three adjusting screws 81, which engage the flange 39 at equal intervals and are screwed into a metallic thrust plate 82, and by means of three pins 83, which are arranged alternately with the screws 81 around the flange 39 and screwed into the boiler , aligned vertically. The pins 83 sit loosely in the flange 39 and in the plate 82 and are provided with threaded nuts 84.
The ends of the adjusting screws 81 are thus pressed by the nuts 84 onto the pin 83 against the ring cup, and the vertical position and alignment of the bush 38 can be adjusted by means of the adjusting screws 81.
In the middle of the bottom of each lining section 11, a disk-shaped pipe connection 85 (FIG. 5) is provided to which the pipe loops 28 are connected. Two threaded sockets 86 protrude from the pipe connection 85 into a bore 87, which is oval in cross-section, in the sleeve 38, so that the pipe connection pieces for the supply of a cooling fluid are connected to the pipe loops 28.
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can be sen. A sealing ring 88 is provided between the pipe connection 85 and the sleeve 38. The two bolts 89, which protrude into the thicker part of the wall of the sleeve 38, are used to fasten the pipe connection to the sleeve.
Details of the window chambers 7 and the associated pumps are shown in FIGS. Each chamber has an aluminum forging which is secured between flanges 40 on adjacent sections of the vessel T. Slit-like glass windows 8 are provided on the front side and on the upper sides of the chambers 7, and a cylindrical collecting line 9 is attached to the underside of the chambers, with an insulating plate 41 in between. At the bottom of the collecting line 9, another window 42 is in alignment the upper window 8 is provided.
The collecting line 9 is connected to a T-piece 43 (FIG. 1), to the two legs of which a diffusion pump 10 (14 inch bore) is connected. The eight pumps 155 have a 6 inch bore and are connected to short lengths of pipe 157 by pipes 156 and flange connections 158. The pipe sections 157 are connected to openings in the wall of the boiler T by flange connections. The flange connections 158 are provided with seals made of polyethylene, not shown, in order to seal the boiler from the outside. The same seals are provided at the various other gas and liquid connection points of the boiler and the boiler lining.
All twelve pumps are connected to a common return line.
Oil diffusion pumps can also be used in a system employing deuterium, allowing the oil to be saturated with deuterium. In a system that works with tritium, mercury pumps are expediently used, and suitable safety measures such as ensuring a low level of back diffusion and effective cold shielding must be taken in order to prevent back diffusion of mercury into the aluminum ring bowl.
11 also shows how the lining sections 11 meet the side walls 165 of the window chambers in the area of the window chambers, vacuum seals being created by annular grooves 164 on the outside of these walls.
In a side wall of the one window chamber, a body 124 is mounted, which resembles a spark plug customary in automobile construction with an elongated center electrode bent at right angles.
As can be seen in FIGS. 1 and 3, the transformer cores 4 are annular and supported in a yoke 5. The yoke 5 has two identical end pieces 50 made of steel, as shown in Fig. 3 in view. The end pieces 50 are arranged on a base 51 made of steel profiles and connected by means of a plurality of tie bolts 52.
Each core 4 has a plurality of plate-shaped ring elements 53 (FIG. 2), each made from spiral-shaped, cold-treated transformer steel sheets 47, which are held between inner and outer steel tires 48 and 49, respectively. There are twelve complete ring elements 53 in each core, each ring element having an inner diameter of 1.8 m, an outer diameter of 3.6 m and a thickness of 10 cm. At each end there are three ring elements 54 of graduated size, together with large and small ring plates 55 and 56, respectively, which are made of synthetic resin-impregnated and glued wood.
Each core sits on ten supports 57 which extend between the end pieces 50 of the yoke 5 and is held at each end by eight radial arms 58 which extend radially inward from the end piece 50 and are each fastened to the outer insulating plate 56 by means of two bolts 59 . No tension bolts extend through the core, since the ring elements 53 are held together by the pressure exerted by the yoke 5 via the arms 58.
The winding on each core consists of 54 individual turns (Fig. 2), each of which is about 5.5 m long and consists of rubber-insulated cable, which is rated for 11 kV and has an outside diameter of approximately 3 cm. The cables extend through the insulating tubes 60 and are held in place by brackets 61 which are attached to the outer insulating plates 56. The 27 excitation windings 6 to which the pulses are delivered are indicated by cross-hatching and are connected to one another in groups of three by links 62 at their ends.
One end of each winding group is connected to the other end of the next group by a link 63, so that in reality nine turns are created on each core, which are connected in series by means of a link 64, so that a total of 18 turns between the end terminals 65 lie. The 27 control windings are connected on the opposite side of the core so that three groups of nine parallel-connected windings are formed; the three groups are connected in series. The control windings on the two cores are also connected in series, so that six series-connected turns are formed. The ends of the excitation windings and the control windings end in connection terminals 67 (Fig. 1).
The stabilizing windings 16 on the tank T are only shown in FIG. 2, and for the sake of clarity only one in one quadrant of the torus tank. The winding 16 is arranged on each boiler quadrant in nine shaped pieces 16b, one shaped piece 16a in the area of the flanges 3 and one shaped piece 16c in the area of the window chamber 7. The fittings 16b each contain three layers of five turns, while the fitting 16a four layers of five turns and the
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Form piece 16c contain six layers of four turns.
The additional turns on the end fittings of each quadrant compensate for the larger gap in the end fittings, which is caused by the flanges 3 and the chambers 7, in order to produce an approximately constant magnetic field along the closed center line of the vessel. The complete winding 16 thus consists of 716 turns connected in series and generates a magnetic field of approximately 1000 Gauss at a current of 1200 amperes. The winding 16 is fed by a conventional direct current source 17.
According to the circuit diagram shown in FIG. 12, the energy source 13 is a conventional 27 kV direct current source which has a three-phase transformer and rectifier. The capacitor 12 has a capacity of 1600 uF and can be charged with 25 kV; it also has 52 mineral oil-impregnated, paper-insulated capacities of 31 /(.F each, which are connected in parallel. Charging takes place linearly via a limiting resistor 100 of around 20 ohms and via a triode 14 (Osram E 1872), which is connected to a heating transformer 101 and a heating source 102 is provided.
The voltage source 103 for the grid of the triode 14, which is operated with emission limitation and results in an exactly constant charging current of 4-5 amperes, is controlled by a motor-driven timer 104.
The capacitor 12 is discharged via the windings 6 by means of a switch 15. The switch 15 is a quick-closing switch, the two contacts of which are isolated for a working voltage of 25 kV and which can close at a current of 90 kiloamps with a pre-arcing time of less than 500 microseconds. The switch 15 is a compressed air switch and is actuated by means of compressed air of approximately 10 kg / cm2 in order to prevent the formation of sparks when the contacts are closed.
Wear of the contacts is kept to a minimum by the arrangement of a large saturable choke coil 105, which is fed from a direct current source 106 via an insulating choke 107. The choke coil 105 can absorb 25 kV during the pre-arc time without the current rising above 1000 amperes. When saturated, the inductance is small enough to prevent the peak value of the pulse current from being affected. If the windings 6 are connected in such a way that they result in a turn ratio of 9: 1, the inductance of the choke coil 105 must be less than 100H.
A resistor 162 of approximately 100 ohms is connected in parallel with the choke coil 105 in order to provide a during the pre-arcing time. To allow current flow of about 200 amperes through the windings 6.
A non-linear resistor 109 is also arranged in series with the choke coil 105 in the main pulse circuit. The non-linear resistor 109 consists of a block of 300 Metroril units (registered trade mark) connected in parallel to reduce the reverse voltage when the pulse oscillates back in the circuit to a value which is less than 10 / o of the maximum forward voltage, so that the capacitor is protected. As a further safety measure, an Ignitron (B. T.
H., BK 178), namely it receives a trigger pulse from a control circuit 166 when the voltage on potentiometer 118 threatens to reverse.
The current in the gas discharge in the ring bowl T is triggered by a two-turn toroidal Rogowski pick-up coil 110 which is wound on the outside of the ring bowl. If the gas flow does not increase within 0.5 milliseconds after closing the switch 15, the output voltage of the coil 110 is used to excite a control circuit 112 of an Ignitron (BTH, BK 178), so that the Ignitron ignites and the windings 6 over a 2 ohm resistor 114 can be shorted.
The pulse causing the ignition of the ignitrone 113 is generated in the circuit 112 by the end portion of a pulse coming from the winding 159 of the reactor 105, the ignition pulse normally being suppressed by the pulse contained in the coil 110.
Further devices of the switching arrangement are an oscilloscope 117, which is operated by a tap on the potentiometer 118 and is used to display the capacitor voltage; Furthermore, an oscilloscope 119, which is operated via an inductive coupling in the pulse circuit and is used to display the primary pulse current, and an oscilloscope 121, which is operated from a tap of a voltage divider 122, which is connected in parallel to a winding on one of the cores and for Display of the voltage on this winding is used.
Furthermore, an oscilloscope 123 is connected to the gas flow generator coil 110 for the purpose of displaying the gas flow in the ring bowl. The time base for these oscilloscopes is controlled via a line 161 from a time circuit 160, which in turn is fed by the winding 159. There are two time base speeds available. Two Hughes Memotron storage oscilloscopes (not shown) can be switched on to check the waveform at selected points on the circuit.
The probe 124 (see also Fig. 10) is used to trigger the ionization of the gas in the ring bowl T before the main discharge. This ionization is achieved in that a high-frequency voltage is fed from a voltage source 126 between two lining sections 125 which are arranged approximately at a distance of half the circumferential length of two adjacent quadrants of the ring bowl. The high frequency voltage has a frequency of about 3 megahertz, and the voltage is set between 500 and 1000 volts to provide a
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Achieve current of about 5 amps.
This high frequency voltage is supplied continuously, except during the main pulses, where it is switched off by a signal from the timing circuit 160 in order to avoid interference with the various measuring instruments. The probe 124 is connected to the switch 15 by a suitable circuit so that it can operate a lock to prevent the switch from closing if the gas is insufficiently ionized.
The control windings 66 are supplied with direct current from a three-phase transformer and rectifier source 127 to which they are connected through an inductor 128 to isolate the source from the pulse voltage induced in the control winding.
To protect the operating personnel against discharges, a safety switch 129 is provided which grounds the capacitor 12 via the resistor 114 if any maintenance work is to be carried out on parts of the system carrying high voltage.
Fig. 12 also shows the vacuum device and gas delivery system; both units have the usual pumps and valves. The vacuum device has the four diffusion pumps 10 and the eight pumps 155 (FIG. 1), which are connected to a return line via a common rotating vane pump 140 (Kinney DVD 8810 type); the vane pump can be isolated by a valve 141, and for starting the pump it can be connected directly to the ring bowl T via a bypass 142 controlled by a valve 143.
The gas supply device has one or more cylinders 144 with deuterium or tritium which, at a pressure of two atmospheres, feed a reservoir 145 which is connected to one of the window chambers 7 via a nickel tube gas outlet 146 and a tube connection 147.
With an initial pumping capacity of 5000 liters per second, the vacuum reaches a residual gas pressure of less than 5 -10-6 mm Hg. A working gas pressure between 10-4 and 10-3 mm Hg within the lining is achieved after the introduction of deuterium and ioder tritium Maintain outlet 146 at a pumping rate of approximately 3800 liters per second. The annular space between the lining and the annular bowl wall is brought to an even lower pressure, specifically by means of the pumps 155, in order to further reduce the risk of the joint between the flanges 3 becoming leaky.
The device can be switched off by the valve 141, the pump 140 and the gas supply source 144 and operated as a closed flow path. Gas from the high pressure side of the diffusion pumps 10 is fed via a flap 150 through a line 148 to a feed pump device 149 which has a mercury vapor diffusion pump and in series with it a Töpler pump which increases the gas pressure to two atmospheres and calls the gas back into the reservoir 145. The flap 150 is arranged in the line 148 and serves to remove contaminants.
The cooling water supply to the pipe loops 28 of the inner lining 11 (FIGS. 5-8) takes place in a closed flow path by means of a pump 151 and a heat exchanger 152; the dissipated heat can be used for any suitable purpose.
To determine the neutrons generated by the nuclear fusion reactions, eight BF3 neutron counters and eight Geiger counters with an indium wall, which are surrounded with paraffin wax as a moderator, are provided. The counters are in range. of a quadrant of the ring bowl. A plastic phosphor scintillation counter is hung above the ring bowl and is used to measure fast neutrons and gamma rays. None of these known particle detectors is shown in the drawing.
During operation of the system, the boiler T is first pre-evacuated by means of the pump 140 with the valve 141 closed and the valve 143 open. Then the two valves are switched over and the diffusion pumps reduce the pressure in the boiler T to less than 5 - 10-6 mm Hg. Depending on the desired nuclear fusion reaction, deuterium and! Or tritium is supplied to the boiler from the cylinders 144 through the nickel tube outlet 146 in such an amount that a constant pressure between 10-4 and 10-3 mm Hg is maintained within the liner.
When the cooling water pump 151 is working, a high-frequency voltage is supplied between the sections 125 and when the control windings 66 and stabilizing windings 16 are suitably excited, a pulse discharge is triggered in the tank T under the control effect of the main timer 104.
It is assumed that the primary windings 6 of the transformer are connected as shown in such a way that they result in a turns ratio of 9: 1 between the turns of these primary windings and the one-turn secondary winding that is formed by the gas in the tank T. The circuit switched in this way, which also includes the capacitor 12, the saturable choke coil 105 and the non-linear resistor 109, has a total inductance of 1 mH, of which the transformer loss inductance forms approximately half.
The natural frequency of the circuit is about 123 Hz, and when the capacitor 12 is suddenly discharged through the circuit by closing the switch 15, a current pulse flows through the winding 6, the peak value of which reaches about 20 kA in 1.5 milliseconds, and induces the ionized Gas in the boiler generates an impulse about nine times as strong. The Ignitron 163 fires when the voltage in capacitor 12 reverses, and both the primary current and the
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Gas flow stop according to an exponential law.
The load resistance of the gas (secondary winding) is about 0.001 Ohm and the peak value of the gas flow reaches at least 180 kA; the gas flow exceeds the value of 80 kA for 3 milliseconds.
As a result of the ions colliding with the electrons, the ions are heated strongly, and the ions and electrons require a certain time to reach thermal equilibrium. Under the conditions that apply to the system described above, this time is approximately on the order of 1 millisecond. For this reason, the circuit causing the discharge is designed in such a way that it supplies current pulses with a duration of at least 1 millisecond.
The current flow made possible by the resistor 162 in the windings 6 during the 500 microsecond pre-arcing time serves to preheat the gas in the tank and increases its degree of ionization before the main pulse arrives.
The closing of the switch 15 takes place under the control effect of the main timer switch 104 in such a way that a maximum pulse sequence of one pulse every 10 seconds can be maintained, the switch remaining closed for about one second until the current has almost fallen to zero. On the other hand, individual discharges can also be triggered manually by operating the switch.
The transformer cores 4 are loaded to 17,000 Gauss by the windings 66, and the pulse generates a peak-to-peak flux density oscillation of 34,000 Gauss. The core area can thus be kept to a minimum and in the example described is only 22,200 em2.
The system can be operated under high performance conditions by changing the effective number of primary winding turns, e.g. B. is reduced by parallel connection of more turns. The effect is an increase in the natural frequency of the circuit and a shortening of the pulse duration. A three-turn primary winding on each core results in a natural frequency of 900 Hz and a peak value of the primary current of 90 kiloamps.
The system described is specially designed to bring deuterium to a temperature at which the following nuclear fusion reactions occur:
EMI7.24
The tritium and helium-3 react further as follows:
EMI7.27
H31 -I- H21> He42 -i- n 1 -f- 17.6 MeV He32 + H21 # - He42 -I- Hll -I- 18.3 MeV In the reactor described above, neutrons were generated under the following conditions: a) Deuterium pressure: 0.125 micron Hg, b) ion temperature: approximately 5 # 106 K (measured by Doppler expansion), c) peak current of gas discharge:
180 kA, d) axial direct current stabilization field: 160 Gauss, e) pulse duration: 3 milliseconds with a gas flow of more than 80 kA, f) capacitor voltage: 20 kV, g) transformer ratio: 9: 1.
The products of the nuclear fusion reactions are neutrons and high-energy ions. The neutrons leave the torus T and are captured by the biological shield S, while the ions give their kinetic energy to the sections 11 lining the walls of the T in the form of heat; this heat is dissipated by means of the water cooling system 28, 151 and 152.
Larger systems of the type described can be used to increase the temperature of deuterium to 10s K. At this temperature, the energy released by nuclear fusion reactions is greater than the energy required to maintain the discharge current and the heat generated in the boiler lining can be dissipated by a suitable coolant and z. B. used to generate steam. Instead of z. B. to arrange individual pipe loops 28 on each section 1 of the lining, a plurality of such pipe loops can be arranged distributed over the entire surface of each section. The thick walls of the boiler T can also be jacketed, with heat being able to be dissipated from these walls by means of a cooling fluid.
The intense neutron flux that is generated can also be used to enrich fissile material.
The power required for the aforementioned purpose is around 10,000 megawatts, while a multiple of this energy is released. By not continuously energizing the system, but by generating only short-term pulses at suitable intervals (recovery time) as in the example described, the average power generated can be brought down to the level required in conventional steam generating systems.