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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Starkstrom-Ringentladungen in einer mit Gas gefüllten Ringkammer Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Starkstrom-Ringentladung in einem Gas, das in einer Ringkammer enthalten ist, wobei die Entladung die aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung eines Impulstransformators darstellt. Derartige Ringentladungen finden Verwendung in Anlagen zum Studium der Bedingungen für die Herbeiführung von Kernfusionsprozessen.
Bei einer bekannten Anlage dieser Art besteht der elektrische Stromkreis im wesentlichen aus einem Kondensator, welcher von einer äusseren Stromquelle aufgeladen und über die Primärwicklung des Transformators wieder entladen wird. Wenn die Spannung am Kondensator sich umzukehren beginnt, erfolgt die Zündung eines an der Wicklung angeschlossenen Igni- trons und sowohl die primären als auch die Entladungsströme klingen von ihren Höchstwerten expo- nential ab. Der Zweck des Zündens des Ignitrons in diesem Zeitpunkt besteht darin, eine Umkehrung der am Kondensator vorhandenen Spannung zu verhindern.
Um thermonukleare Fusionsreaktionen zwischen den Ionen des im Ringkessel vorhandenen Gases ablaufen zu lassen, müssen diese Ionen durch mit Elektronen in der Ringentladung erfolgende Kollisionen erhitzt werden. Die Ionen und Elektronen benötigen eine bestimmte Zeit zum Erreichen thermischen Gleichgewichts und die Art des oben beschriebenen Stromkreises kann unter Umständen den Entladungsstrom nicht auf einen genügend hohen Wert für eine Zeitdauer halten, die zum Erzielen dieses Gleichgewichts genügt. Infolgedessen kann eine Brenngas- menge verbraucht werden, die nicht genügt, um den Betrieb des Reaktors ökonomisch zu gestalten.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung von Mitteln, um einen hohen Wert an Entla- dungsstrom für lange Zeit aufrechterhalten zu können.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung, bei welcher eine Starkstromringentladung im Gas eines Ringkessels durch Anwendung eines kurzen Hochspannungsimpulses von einem ersten Erregerkreis auf die Primärwicklung eines Impulstransformators erzeugt wird, dessen aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung durch die genannte Ringentladung gebildet ist, weist einen zweiten Erregerstromkreis auf, der bezüglich des ersten Erregerstromkreises einen niedrigeren Spannungsimpuls von längerer Dauer erzeugen kann, und besitzt Mittel, um den genannten zweiten Erregerstromkreis mit der durch die Ringentladung gebildeten Sekundärwicklung zu verkoppeln,
wodurch der Entladungsstrom nach dem Absinken des Hochspannungsimpulses auf einen niedrigen Wert für einen der Dauer des niedrigen Impulses entsprechenden Zeitraum auf einem hohen Wert gehalten wird.
Die genannten ersten und zweiten Erregerstromkreise können hintereinander an der gleichen Primärwicklung des genannten ersten Impulstransformators angeschlossen sein, wobei die genannte niedrige Spannung in dem genannten, in Reihe geschalteten Kreis vor Beginn des kurzen Hochspannungsimpulses auftritt. Schaltmittel können vorgesehen sein, um den ersten Erregerstromkreis einem Kurzschluss zu unterwerfen, wenn dessen Hochspannungsimpuls auf einen niedrigen Wert gesunken ist.
Der genannte erste Erregerstromkreis kann aus einem Kondensator und aus zweiten Schaltmitteln bestehen, um den genannten Kondensator über die Primärwicklung des genannten Impulstransformators zu entladen. Der genannte zweite Erregerstromkreis kann eine belastete Verzögerungsleitung aufweisen und sich
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zum Aufspeichern von Hochspannungsenergie eignen, wobei ein zweiter Impulstransformator zum Heruntertransformieren der genannten Hochspannung auf die erforderliche niedrige Spannung vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung zieht aus der Tatsache Nutzen, dass nach erfolgtem Eintritt der Entladung die Impedanz zum grossen Teil aus einem Ohmschen Widerstand besteht und einen sehr niedrigen Wert aufweist, so dass eine verhältnismässig kleine Spannung einen Primärstrom erzeugt, der genügt, um den Entladungsstrom auf einem hohen Wert zu halten.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein halbschematisches Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung für einen Kernfusionsversuchsreaktor und Fig. 2 Strom- und Spannungsverläufe, wie sie im Stromkreis gemäss Fig. 1 auftreten.
Die Reaktionskammer besteht gemäss Fig. 1 aus einem metallenen Ringkessel 1, der Gas (Deuterium oder eine Deuterium/Tritium-Mischung) enthält, in welchem eine eingeengte Ringentladung durch einen Transformator T1 erzeugt wird. Der Ringkessel 1 ist mit einer toroidförmigen Wicklung L 11 versehen, durch welche von einer Quelle 2 ein Strom geschickt wird, um ein axiales Magnetfeld zum Vermindern der räumlichen Instabilität der Entladung zu erzeugen. Der Transformator T1 ist mit einer Steuerwicklung L10 versehen, welche über eine Drosselspule L12 von einer Stromquelle 4 gespeist wird.
Die Primärwicklung des Transformators T1 ist in fünf separate Unterwicklungen L8, L9, L13, L14 und L15 unterteilt, welche von fünf identischen Erregerstromkreisen in Parallelschaltung gespeist werden. Nur einer dieser fünf Stromkreise ist im einzelnen dargestellt, nämlich der mit Wicklung L8 verbundene Stromkreis. Die anderen vier Stromkreise sind als Blöcke 11, 12, 13 und 14 jeweils dargestellt und an die betreffenden Wicklungen L9, L13, L14 und L15 angeschlossen.
Der im einzelnen dargestellte Stromkreis weist einen Kondensator C6 von 1820 Mikrofarad und 24 kV Betriebsspannung auf, welcher über einen Widerstand R6 von 250 Ohm und einen Jennings Hochvakuumschalter S8 von einer Quelle 3 gespeist wird. Die Stromquelle 3 besteht aus einem Sechsphasentransformator und Gleichrichter, wobei die Eingangsleistung zum Transformator durch einen Induktionsregler servogesteuert ist, so dass die Stromquelle einen konstanten Ladestrom von 1 Amp. so lange liefert, bis der Kondensator C6 völlig auf 24 kV geladen ist. Hernach wird nur mit schwachem Strom zur Aufrechterhaltung der Spannung geladen.
Parallel zum Kondensator C6 und einem Widerstand R8 von 250 Ohm liegt ein Jennings-Schalter S10 als Sicherheitskurzschlussschalter. Der Kondensator C6 wird über die Wicklung L8 durch Zündung eines in Reihe geschalteten Ignitrons Il (BTH Typ BK 194) entladen. Ein zweites Ignitron 12 (BTH Typ BK 194) liegt zwischen der Kathode von Il und dem Erdungspunkt des Stromkreises, während ein Kondensator C7 von zwei Mikrofarad zusammen mit einem mechanischen Schalter S7 an die Anode des Ignitrons 11 und die Erdungsseite des Stromkreises angeschlossen sind.
Der Schalter S7 ist vom schnell funktionierenden, druckluftbetätigten Typ mit einer Ansprechzeit von ungefähr 57 Millisekunden und besitzt Kontakte mit einer Belastungsfähigkeit von annähernd 35k Amp. Ein in Reihe geschalteter Schutzwiderstand R7 von 0,08 Ohm ist im Entladungsstromkreis noch eingebaut, um den Kondensator C6 zu schützen, indem er irgendwelche vom zufälligen Versagen des 12 herrührende Schwingungen abdämpft.
Die Rückleitungen der fünf Primärwicklungen des Transformators T1 sind zu den geerdeten Seiten der fünf Stromkreise geführt, und zwar über die fünf Sekundärwicklungen L6, L16, L17, L18 und L19 eines Impulstransformators T2, der ähnlich wie T 1 eine Steuerwicklung aufweist, welche von einer Quelle 5 über einen Widerstand R10 erregt wird, um den maximalen Magnetflussausschlag zu erzielen. Die Primärwicklung L5 des Transformators T2 ist über einen, dem Schalter S7 ähnlichen, mechanischen Schalter S6 mit einer Verzögerungsleitung verbunden, welche aus vier Induktionsspulen L1-L4 und fünf Kondensatoren Cl-C5 von je 1820 Mikrofarad und 24 kV Arbeitsspannung besteht.
An den genannten Kondensatoren sind kurzschliessende Sicherheitsschalter S1-S5 vom Jenningstyp in Reihe mit Widerständen R1-R5 von je 250 Ohm angeschlossen. Die Streuinduktivität der Primärwicklung L5 stellt eine fünfte Induktivität in der Verzögerungsleitung dar. Die Kondensatoren Cl-C5 der Verzögerungsleitung werden von einer der Quelle 3 ähnlichen Stromquelle 11 über einen Jenningsschalter S9 und einen Widerstand R9 von 250 Ohm aufgeladen. Die Ignitrons 13 und 14 sind an den Kondensatoren Cl bzw. C5 angeschlossen. Der an die Primärwicklung des Transformators T2 angeschlossene Stromkreis stellt einen zweiten Erregerstromkreis dar.
Der Transformator T2 besitzt Anzapfungen, welche die folgenden Verhältnisse in Abwärtstransfor- mierung vorsehen 6/ 12/ 24/ 36/ 48/ 72/ 96/ 144/ 192:1. Die Spulen Ll-L4 haben Anzapfungen, die es ermöglichen, ihre Induktivitäten zwischen 5 und 320 m Henry zu ändern. Die fünf Primärwicklungen am Transformator T1 sind an der Oberfläche des Torus gewickelte, verteilte Wicklungen und können in drei Reihenparallelschaltungen angeordnet werden, um Abwärtsverhältnisse von 6[ 12/ 24:1 zu liefern.
Die Wirkungsweise der Schaltung gemäss Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt, welche Verläufe der an den fünf Primärwicklungen herrschenden Spannung V und des durch diese Wicklungen fliessenden Stromes 1 zeigt. Es sei angenommen, dass die Kondensatoren C6 in jedem der fünf Stromkreise und auch die Kondensatoren C1-C5 im Verzögerungsnetzkreis aufgeladen, alle Schalter offen und alle Ignitrone ungezündet sind. Der Schalter S6 wird dann zu einem Zeitpunkt t1 ge-
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schlossen und der Transformator T2 erregt.
Infolge des Abwärtsverhältnisses des Transformators T2 steht somit eine verhältnismässig kleine Spannung an der Sekundärwicklung L6 zur Verfügung, die jedoch nicht an die Primärwicklungen angelegt wird, da der Stromkreis der Ignitrone I1, 12 und des Schalters S7 offen ist. Zur Zeit t2, ungefähr zwei Millisekunden nach dem Zeitpunkt t1, wird das Ignitron Il gezündet, und die volle Spannung am Kondensator C6, zuzüglich der an der Sekundärwicklung L6 herrschenden Spannung, wird an den Unterwicklungen L8, L9 usw. angelegt. Der in jeder Wicklung fliessende Strom und der im Ringkessel fliessende Entladungsstrom steigen rasch an, während die Spannung am Kondensator C6 anfängt zu sinken und das Verzögerungsnetzwerk sich zu entladen beginnt.
Der Hauptteil der anfänglich in C6 aufgespeicherten Energie wird zum Aufbau der Entladung im Ring- kessel benutzt und wird im Magnetfeld der Entladung aufgespeichert. Wenn die Entladung einmal aufgebaut ist, wird ihre Impedanz hauptsächlich Ohmscher Widerstand und von sehr geringer Grösse, so dass eine ziemlich geringe Spannung an den Primärwicklungen genügt, um einen Primärstrom zu erzeugen, welcher den Entladungsstrom auf dessen Höchstwert halten kann. Zum Zeitpunkt t3, wenn der Strom 1 annähernd seinen Höchstwert erreicht hat und die Spannung am Kondensator C6 ungefähr zum Nullwert gesunken ist, wird das Ignitron 12 gezündet und bewirkt Kurzschluss an C6.
Dadurch wird eine Umkehrung der Spannung am Kondensator C6 verhindert und eine daraus folgende Beschädigung des Kondensators vermieden, aber es bleibt an L8 die an L6 herrschende Spannung angelegt, welche aus den oben erklärten Gründen jetzt genügt, um den Entladestrom aufrechtzuhalten. Da die Ignitrone Il und 12 ungenügende Belastbarkeit zum Leiten des Höchststromes für längere Zeit besitzen, so wird der mechanische Schalter S7 kurz (ungefähr zwei Millisekunden) nach dem Zünden von 12 zum Zeitpunkt t4 geschlossen.
Der Höchststrom wird nun für die Zeit, welche das Verzögerungsnetzwerk zum Vollenden seiner Entladung braucht, aufrechterhalten, zu welchem Zeitpunkt t5 das Ignitron 14 gezündet wird und Strom und Spannung exponentiell abklingen.
Da die Schalter S6 und S7 Magnetschalter sind, benötigen sie eine verhältnismässig lange Ansprechzeit (ungefähr 40 bzw. 57 Millisekunden). Daher wird der Schalter S7 im Zeitpunkt t6 und der Schalter S6 kurz darauf, zur Zeit t7 angeschlossen. Das Schliessen der Schalter S6 und S7 wird durch eine Reguliervorrichtung 6 gesteuert, die ihrerseits durch einen Hauptzeitmesser 7 gesteuert wird, welcher die Ladeschalter S8 und S9 betätigt. Eine elektromechanische Sperrvorrichtung gewährleistet, dass der Schalter S6 geschlossen ist, bevor das Ignitron Il gezündet wird und dass der Schalter S7 angeschlossen wird, bevor das Ignitron Il gezündet hat.
Das Ignitron 12 wird durch einen Steuerstromkreis 8 gezündet, welcher durch ein parallel zum Kondensator C6 geschaltetes Potentio- meter in Funktion gesetzt wird. Das Ignitron 14 wird durch einen ähnlichen Steuerkreis 9 gezündet, dessen Schaltung durch ein Potentiometer R12 erfolgt, das benachbart dem Schalter S6 am Verzögerungsnetzwerk angeschlossen ist.
Das Ignitron 13 ist am äussersten Ende des Verzögerungsnetzwerkes angeschlossen, wird durch einen Steuerkreis 10 gezündet, der von einem am Verzögerungsnetzwerk angeschlossenen Potentiometer R13 geschaltet wird, und dient dazu, um die Möglichkeit einer Spannungsumkehr an den Kondensatoren Cl-C5 zu verhindern, wenn die Spannungsfront vom äussersten Ende der Leitung, beispielsweise infolge eines Kurzschlusses am beim Schalter S6 befindlichen Ende, reflektiert wird.
Die Wiederholungsperiode der Ringentladungen kann 50 bis 150 Sekunden dauern. Da dies eine relativ lange Zeitdauer darstellt, wird .der Ringkessel zwischen den Entladungen durch eine Anzahl kleinerer Entladungen mit höherer Wiederholungsfrequenz vorzugsweise konditioniert gehalten, und aus diesem Grund ist der Transformator T1 mit einer weiteren Primärwicklung L20 versehen, welche mit einem Erregerkreis 12 von niedriger Energie. verbunden ist. Die Wiederholungsperiode des Stromkreises 12 wird durch den Zeitschalter 7 so gesteuert, dass sie ungefähr 10 Sekunden beträgt.
Die Spannung, welche an den Sekundärwicklungen L6, L16, L17, L18 und L19 entwickelt wird, lässt sich durch Verstellen der Anzapfungen am Transformator T2 und/oder der Spannung ändern, auf welche die Kondensatoren Cl-C5 durch die Quelle 11 aufgeladen werden. Zum Anpassen der Impedanz des Verzögerungsnetzwerkes an den Widerstand der Entladungsstrecke, nachdem der letztgenannte durch die Wandler T1 und T2 transformiert wurde, können die Werte der Induktivitäten L1-L4 mittels daran vorhandener Anzapfungen eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Impedanz des Verzögerungsnetzwerkes von 1,8 Ohm bis 14,35 Ohm verändert werden.
Dies ändert natürlich auch die Entladungszeit des Verzögerungsnetzwerkes, d. h. den zwischen t2 und t5 liegenden Zeitraum, von einem Minimum von 30 Millisekunden bis zu einem Maximum von 230 Millisekunden. Es ist ferner auch möglich, die Impedanz durch Ändern der Werte der Kondensatoren Cl-C5 zu verstellen, von denen jeder einzelne aus einer Mehrzahl kleinerer, parallel geschalteter Kondensatoren besteht.
Bei einem 6 :1 Wandlungsverhält- nis am Transformator T1 können Entladungsimpedanzen in einem Grössenbereich von 7,7 X 10-j bis 1,17 X 10-s Ohm durch Verstellen der Induktivitäten Ll-L4 angepasst werden, wobei der Bereich des Abwärtsverhältnisses am Transformator T2 in Betracht gezogen wird. Bei einem 6 : 1 Verhältnis am Transformator T1 beträgt die Impulsanstiegzeit, d. h. die Zeit t2-t3, ungefähr 1,8 Millisekunden; die Wandlungsverhältnisse 12: 1 und 24: 1 ergeben Anstiegzeiten von 3,6 bzw. 7,2 Millisekunden.
Der Kondensator C7 ist im Stromkreis eingeschlossen, so dass, falls eines der fünf Ignitrone etwas
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vor den übrigen zündet, die Spannung an den anderen vier Ignitronen nicht sofort sinkt und sie am Zünden hindert. Der Kondensator C7 zusammen mit der Induktanz der von ihm zur Primärwicklung L8 des Transformators führenden Leitung ruft eine kurze Verzögerung an einem Impuls hervor, der an der Anode des Ignitrons Il von einem der anderen vier Kreise eintrifft, und gibt ihm somit Zeit zum Zünden.
Zum Verringern der Stromkreisimpedanz werden koaxiale Kabel für die Stromimpulse führenden Verbindungen benutzt.
Es ist zu beachten, dass es noch andere Möglichkeiten gibt, gemäss welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. Zum Beispiel besteht der Grund zum Verwenden von fünf Primärwicklungen darin, dass die Strombelastbarkeit der Ignitrone zur Zeit noch begrenzt ist. Bei einem Entladungsstrom von 10s Amp. beträgt der gesamte Primärstrom bei einem Wandlungsverhältnis von 6 : 1 immerhin 165 k Amp., was die Leistungsfähigkeit eines einzigen Ignitrons bei weitem übertrifft. Indem nun fünf Primärwicklungen und fünf Ignitrone benutzt werden, wird der Strom in jedem einzelnen auf ungefähr 35 kAmp. verringert.
Eine weitere mögliche Abänderung besteht in der Verwendung separater Primärwicklungen zum Aufbau der Entladung (Zeitraum t2-t3) und zum Aufrechterhalten derselben (Zeitraum t4-t5). Tatsächlich besteht ein besonderer Vorteil der beschriebenen Stromkreise darin, dass die beiden Funktionen, a) des Aufbauens des Entladungsstromes und b) des Aufrechterhaltens desselben während dem Stattfinden von Reaktionen, voneinander getrennt sind. Die erste Funktion erfordert einen Stromkreis mit kurzer Zeitkonstante und ein starkes elektrisches Feld, um die dem Entladungskanal zugeordnete, magnetische Energie rasch aufzubauen; dieser Strom ist hauptsächlich durch die Induktanz des Stromkreises bestimmt und dabei wird verhältnismässig wenig Energie verschwendet.
Im zweiten Fall wird die zuzuführende Energie durch die Verluste bestimmt, die sich bei der Entladung ergeben (Radiation, Leitungsverluste an den Toruswänden usw.); der Strom ist resistiv und erfordert nur ein kleines elektrisches Feld, welches jedoch für relativ lange Zeit aufrechterhalten werden muss.
Der aufrechterhaltende Stromkreis braucht kein Verzögerungsnetzwerk zu enthalten, er könnte beispielsweise mit einem einfachen Kondensator versehen sein, falls eine Stromwellenform mit flacher Oberseite nicht wichtig ist, und durch Aufspeichern der aufrechterhaltenden Ladung bei niedriger Spannung in grossen Kondensatoren würde sich der Transformator T2 erübrigen. Dies stellt jedoch ein unökonomisches Verfahren zum Aufspeichern einer Ladung dar. Es könnte aber auch ein Gleichstromgenerator oder ein-z andere Vorrichtung verwendet werden, welche einen hohen Strom bei niedriger Spannung liefert, wodurch der Transformator T2 wieder überflüssig würde.
Ferner ist es auch möglich, den Aufbaustromkreis und den aufrechterhaltenden Stromkreis parallel mit Bezug auf die Primärwicklung anzuordnen, anstatt wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Serienschaltung durchzuführen, aber die Zeitregelung des Schalters und der Ignitrons ist bei solchen Anordnungen kritischer.
In der vorangehenden Beschreibung schliesst der Ausdruck Schaltermittel sowohl mechanische Schalter als auch Entladevorrichtungen, wie z. B. Ignitrone, ein.