CH646830A5

CH646830A5 - Plasmaeinrichtung und verfahren zum betrieb derselben.

Info

Publication number: CH646830A5
Application number: CH773979A
Authority: CH
Inventors: Tihiro Ohkawa
Original assignee: Ga Technologies Inc
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1984-12-14
Also published as: FR2447662B1; IT7968709A0; US4302284A; CA1164109A; JPS55102200A; AU5455580A; AU529873B2; DE2933800A1; IT1125945B; FR2447662A1; GB2046007A; GB2046007B; SU1217269A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmaeinrichtung der eingangs genannten Art, welche gekennzeichnet ist durch erste und zweite Wicklungen, die im wesentlichen schraubenlinienförmig im gleichen Drehsinn und mit im wesentlichen derselben Steigung um den Behälter gewickelt sind und die abwsechselnd und im wesentlichen gleich beabstandet um die Achse herum angeordnet sind, eine Einrichtung zur Durchleitung eines ersten Gleichstroms durch die erste Wicklung und eines zweiten Gleichstroms durch die zweite Wicklung in der Gegenrichtung zum ersten Gleichstrom zur Erzeugung eines schraubenlinienförmigen Magnetfeldes, das mit dem genannten, durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld zusammenwirkt, um eine Änderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand vom Zentrum des Plasmastroms in jeder Richtung quer zum Strom zu erzeugen, wobei sich das Vorzeichen des q-Faktors in der Nähe des Randes des Plasmastromes umkehrt und wobei der q-Faktor als über eine Feldfläche, d.h. eine von keiner Feldlinie durchdrungenen Fläche, gemittelte Anzahl Durchgänge einer magnetischen Feldlinie durch die Plasmastromlänge bei einem Umgang um den Plasmastrom definiert ist und innerhalb des Plasmastromes einen Absolutwert von weniger als 1 besitzt.

Die Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zum Betrieb einer Plasmaeinrichtung, wobei im genannten Raum ein Plasmastrom in Richtung der Innenachse erzeugt wird, der ein Magnetfeld hervorruft, das um die Achse herum verläuft, und ein schraubenlinienförmiges Magnetfeld erzeugt wird, indem erste und zweite Gleichströme in den ersten bzw. zweiten Wicklungen erzeugt werden, welche im wesentlichen schraubenlinienförmig im gleichen Drehsinn und mit im wesentlichen der gleichen Steigung um den Einschliessungsbehälter gewickelt sind, wobei die ersten und zweiten Wicklungen abwechselnd und im wesentlichen beabstandet um den Behälter angeordnet sind, wobei der zweite Gleichstrom

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in Gegenrichtung zum ersten die Wicklungen durchfliesst, und wobei das schraubenlinienförmige Magnetfeld mit dem durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld überlagert wird, um eine Änderung des Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand vom Zentrum des Plasmastromes in jeder Richtung quer zum Strom zu erzeugen, wobei sich das Vorzeichen des q-Faktors in der Nähe des Randes des Plasma umkehrt.

Insbesondere kann die Plasmaeinrichtung, nach der Erfindung gemäss Anspruch 14 als toroidale Anordnung ausgebildet sein.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen, die sich generell von den bisher bekannten Einrichtungen unterscheidet. Sie erzeugt die gewünschte magnetische Einschliessungskonfiguration durch Ströme in schraubenlinienförmigen Wicklungen und durch einen Plasmastrom, und sie arbeitet mit |q| < 1 und mit einem umgekehrten q in der Nähe des Plasmarandes, wie es beim Umkehrfeld-Pinch geschieht. Jedoch ist es gemäss der vorliegenden Erfindung, die mit nichtkreisförmigen Feldflächen arbeitet, so,

dass der Sicherheitsfaktor q, der als Mittel auf einer Fluss-oberfläche definiert ist, selbst in Abwesenheit eines Nettoto-roidalfelds (gemittelt über einen Kreis) begrenzt bzw. endlich sein kann. Eine Konfiguration mit umgekehrtem q kann aufgestellt werden, ohne dass ein Nettotorbidalfeld ausserhalb des Plasmas vorhanden ist. Die Erfindung ermöglicht ausserdem die Einführung eines kleinen externen Nettotoroidal-felds, das durch eine geringe Ungleichheit zwischen den positiven und negativen schraubenlinienförmigen Spulenströmen erzeugt wird, und zwar zum Zweck der Verschiebung der Stelle q = 0 in eine Radialposition, die für die Stabilität des Plasmas optimal ist.

Der Wert von q ist dabei in der Nähe der Mitte des Plasmas im wesentlichen bedingt durch die poloidalen und toroidalen Plasmaströme. Die poloidalen Plasmaströme erzeugen ein Nettotoroidalfeld innerhalb des Plasmas. Dieses Nettofeld nimmt nach dem Rand des Plasmas ab und verschwindet ausserhalb des Plasmas. In der Nähe des Randes des Plasmas hat q die Tendenz, sein Vorzeichen zu ändern, und zwar wegen des über die Flussoberfläche gemittelten Toroidalfelds von den schraubenlinienförmigen Spulen, welches Feld dem Nettotoroidalfeld, das von dem poloidalen Plasmastrom erzeugt wird, entgegenwirkt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein q-Profil erzielt, das für die Plasmastabilität bei hohem Beta geeignet ist, und das für eine leistungsfähige Ohmsche Erhitzung in einer Konfiguration geeignet ist, die nicht durch die Magnetfluss-Diffu-sion begrenzt ist, sondern so lange weiterbesteht, solange die Ströme in den schraubenlinienförmigen Spulen und im Plasma aufrechterhalten werden. Der Plasmastrom wird durch ein mittiges Solenoid induziert, wie es in der üblichen Tokamak-Einrichtung der Fall ist. Bei der vorliegenden Erfindung hängt es nicht von der Toroidizität ab, dass eine Stabilität des Plasmas erzielt wird, und die erfindungsgemässe Einrichtung kann als Torus mit einem hohen Längenverhältnis betrieben werden, ähnlich wie ein Fahrradreifen, so dass Aus-legungs- bzw. Aufbauzwänge bezüglich der mittigen Induktionsspule für das Treiben eines Plasmastroms und bezüglich des Aufbaus des Mantels bzw. Blankets in einer Reaktoranwendung erleichtert werden. Die vorliegende Erfindung erfordert keine anderen toroidalen Feldspulen als die schraubenlinienförmigen Spulen. Diese Spulen werden vorzugsweise so betrieben, dass ein Null-Nettotoroidalfeld oder schwaches Nettotoroidalfeld erzeugt wird. Die Abwesenheit eines starken Nettotoroidalfelds vermindert die Kräfte zwischen den Wicklungen und die Belastungen. Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Grenzfläche, die nachstehend auch als Separatrix bezeichnet ist, vorgesehen, die das Plasma begrenzt. Diese Grenzfläche definiert bzw. begrenzt eine geschlossene Oberfläche, innerhalb deren geschlossene und ineinandergeschachtelte Feldflächen vorhanden sind. Die Radialposition der Grenzfläche nimmt mit dem Plasmastrom zu, und die Grenzflächen wirkt als ein magnetischer Begrenzer zum Einschliessen bzw. -engen des Plasmastromkanals weg von der Wand während des Beginns bzw. Aufbaus der Entladung. Am Beginn der Entladung wird eine geeignete magnetische Konfiguration erzielt, ohne dass die Notwendigkeit einer Schnellfeld-Programmierung besteht oder ein turbulenter Übergang in den gewünschten Zustand erfolgt. Die Grenzfläche erleichtert ausserdem die Einführung einer Ablenkeinrichtung bzw. eines Divertors, die bzw. der zum Vermindern von Verunreinigungen im Plasma wünschenswert sein kann.

Insbesondere umfasst die Erfindung auch einen toroidalen Einschliessungsbehälter, der einen toroidalen Raum begrenzt und ein Gas darin einschliesst, gemäss den Merkmalen von Anspruch 14. Ein mittiges Solenoid erzeugt einen Magnetfluss, der auf den toroidalen Raum wirkt, so dass ein toroidales elektrisches Feld erzeugt wird, das einen Plasmastrom darin treibt. Entsprechend den Merkmalen der Erfindung nach Anspruch 1 sind erste Wicklungen im wesentlichen schraubenlinienförmig um den Behälter herum sowie im wesentlichen in gleichförmigen Abständen um dessen Innenachse herum gewickelt. Ferner sind zweite Wicklungen im wesentlichen schraubenlinienförmig um den Behälter herum sowie im wesentlichen in der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden ersten Wicklungen angebracht. Durch die jeweiligen ersten und zweiten Wicklungen wird Gleichstrom in entgegengesetzten Richtungen geleitet, wobei der Strom in den jeweiligen ersten und zweiten Wicklungen gleich oder etwas ungleich ist. Die Grösse des Plasmastromes relativ zur Grösse der Ströme in den ersten und zweiten Wicklungen erzeugt eine Grenzfläche in dem toroidalen Raum, diese definiert bzw. begrenzt eine geschlossene Oberfläche, welche einen Bereich begrenzt und einschliesst, innerhalb dessen geschlossene und ineinandergeschachtelte Feldflächen vorhanden sind. Der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklungen und die Richtung des Plasmastroms erzeugen eine Variation im Sicherheitfsaktor q mit dem kleineren Radius und bei jedem poloidalen Winkel, so dass sich dadurch das Vorzeichen von q in der Nähe des äusseren Randes des Plasmas umkehrt, wobei q ein Mittel über eine Feldfläche ist, und zwar der Anzahl von Durchgängen, die um den Torus in der Toroidalrichtung von einer magnetischen Feldlinie, bei einem einzigen Durchgang in der poloidalen Richtung ausgeführt werden. Das Vorzeichen von q wird durch den Sinn der Richtung, in der der toroidle Durchgang durchgeführt wird, bestimmt.

Die Erfindung kann demzufolge eine Plasmaeinschliessung in einer toroidalen Plasmaeinrichtung bewirken, und zwar durch die Kombination eines poloidalen Magnetfelds, das durch Plasmastrom erzeugt wird, und eines schraubenlinienförmigen Magnetfelds, das durch entsprechende Wicklungen erzeugt wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf toroidale Plasmaeinrichtungen beschränkt, sondern sie bezieht sich generell auf Plasmaeinrichtungen und Verfahren zum Betreiben solcher Einrichtungen gemäss den Ansprüchen 1 und 24.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. I bis 8 der Zeichnung anhand besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Form einer toroidalen Fusionseinrichtung, in der eine Plasmaeinrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei gewisse Teile schematisch dargestellt und der Halte- bzw. Trägeraufbau, Hilfswindungen und Vakuumverteiler weggebrochen sind;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Hälfte der in Fig. 1 gezeig5

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ten Einrichtung, und zwar längs der Symmetrieachse des Torus, wobei gewisse Teile des Halte- bzw. Trägeraufbaus und des Vakuumsystems in Aufrissansicht gezeigt sind;

Fig. 3 eine teilweise Aufrissansicht der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung, wobei zur Veranschaulichung der schraubenlinienförmigen Wicklungen ein Teil der Isolierung weggebrochen ist;

Fig. 4 eine Aufsicht auf den leitenden toroidalen Mantel der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung, und zwar in einem gegenüber dieser Figur verringerten Massstab ;

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 2 vergrösserte Schnittansicht eines Teils des in Fig. 4 gezeigten leitenden Mantels, und zwar längs der Linie 5-5 der Fig. 4;

Fig. 6 eine graphische Veranschaulichung der Gleichgewichtsprofile des Stroms, der Flussdichte und des Sicherheitsfaktors unter gewissen Betriebsbedingungen der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung;

Fig. 7 eine graphische Veranschaulichung von Feldflächen an zwei speziellen Radien der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung, und zwar unter den gleichen Bedingungen; und

Fig. 8 eine vereinfachte Ansicht der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfasst eine toroidale Plasmaeinrichtung 10 ein primäres Einschliessungsgefäss in der Form einer toroidalen Auskleidung 12, die eine primäre toroidale Kammer 14 einschliesst und begrenzt, welche geeignetes Gas unter einem geeigneten niedrigen Druck enthält. In dem dargestellten Aufbau ist die Auskleidung 12 aus dünnwandigem rostfreiem Stahl ausgebildet, der ein schnelles Eindringen des toroidal elektrischen Feldes zum Aufbauen und Treiben eines Plasmastroms in der primären toroidalen Kammer 14 gestattet. Die toroidale Auskleidung 12 ist innerhalb eines sekundären Einschliessungsbehälters in der Form eines toroidalen Mntels 16 angeordnet und wird von diesem gehalten. Der Mantel 16 ist, wie dargestellt, aus einer relativ dicken Kupferwand ausgebildet, die eine sekundäre toroidale Kammer 18 bildet. Die sekundäre Kammer 18 wird durch Leitungen 20 und eine Sammelleitung 22 mittels einer nicht dargestellten Vakuumpumpen-Einrichtung evakuiert. Die primäre Kammer 14 wird durch Leitungen 24 und eine Sammelleitung 26 mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Vakuumpumpen-Einrichtung evakuiert.

Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, weist der Mantel 16 einen keramischen Unterbrecher 28 auf, der dazu dient, den toroidalen leitenden Weg um den Mantel 16 herum zu unterbrechen, durch den anderenfalls der toroidale leitende Weg durch das Plasma kurzgeschlossen werden würde. Die Leitfähigkeit der Auskleidung 12 ist mit Bezug auf die Leitfähigkeit des Plasmas genügend niedrig, so dass sie zu keiner Energieverschwendung führt. Das bedeuet, dass ein Magnetfeld den leitfähigen Mantel 16 wegen des keramischen Unterbrechers 28 leicht durchdringen kann und dass es auch die Auskleidung 12, weil diese relativ dünn ist und eine niedrigere Leitfähigkeit als das Material hat, welches den Mantel 16 bildet, durchdringen kann. Gleichzeitig bildet die Auskleidung 12 eine elektrische Brücke über den keramischen Unterbrecher 28 und isoliert das ionisierte Plasma von der elektrischen Unterbrechung, die auf diese Weise in dem leitfähigen Mantel 16 ausgebildet ist. Der leitende Mantel 16 trägt gleichzeitig zur Stabilisierung des Plasmas bei, indem er den Plasmastrom, der sich nach der Wand des Mantels 16 zu bewegen will, zurückstösst.

Wie bei den Tokamak-Einrichtungen wird der Plasmastrom mittels eines toroidalen elektrischen Feldes erzeugt, das durch eine Solenoidspule 30 induziert wird, die axial bezüglich der Symmetrieachse der toroidalen Auskleidung 12 und auf der Innenseite des Torus vorgesehen ist. Das toroidale elektrische Feld wird durch Betreiben der Solenoidspule 30

erzeugt, und es sind zusätzliche Wicklungen 32 vorgesehen, um den poloidalen Fluss ausserhalb der Auskleidung 12 zu kanalisieren. Die Solenoidspule 30 und die zusätzlichen Wicklungen 32 werden in einer konventionellen Weise mittels einer nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung erregt, so dass die Änderung des elektrischen Stroms in der Spule eine Änderung des magnetischen Flusses bewirkt, welcher die aus einer einzigen Wicklung bestehende Sekundärwicklung, die von der Auskleidung 12 und ihrem Inhalt gebildet wird, verknüpft. Die Änderung des Flusses erzeugt ihrerseits einen Plasmastrom innerhalb der primären Kammer 14.

Eine Mehrzahl von ersten Wicklungen 34 ist im wesentlichen schraubenlinienförmig um eine Spulenform 36 gewik-kelt, die den Mantel 16 umgibt. Wie man am besten aus dem Querschnitt der Fig. 2 ersieht, sind die ersten Wicklungen im wesentlichen in gleichmässigen Abständen um die Mittelachse der Spulenform 36 angeordnet, wobei letztere die Form von zwei Hälften haben kann, die zusammengeschraubt sind, wie dargestellt. Eine Mehrzahl von zweiten Wicklunen 38 ist im wesentlichen schraubenlinienförmig um die Spulenform 36 sowie im wesentlichen in der Mitte zwischen jeweiligen aufeinanderfolgenden ersten Wicklungen gewickelt. Jede Wicklung 34 und 38 kann aus einer Mehrzahl von Leitern 40 ausgebildet sein, die im Querschnitt quadratisch und voneinander isoliert sein können. Die Leiter 40 können mittige Kanäle 42 zum Umwälzen eines Kühlmittels zum Zwecke des Kühlens der Leiter aufweisen.

Die erste und zweite Wicklung 34 und 38 können als schraubenlinienförmig angesehen werden, obwohl sie nicht wirkliche Schraubenlinien in dem Sinne bilden, als wären sie um kreisförmige Zylinder gewickelt. Die Wicklungen 34 und 38 sind während ihres Fortschreitens um den Torus herum gleichförmig gewickelt, so dass die ersten Wicklungen, wenn sie einen vollständigen Umlauf des Torus durchlaufen haben, mit ersten Wicklungen zusammentreffen, wodurch kontinuierliche erste Wicklungen um den gesamten Wegverlauf um die Symmetrieaphse des Torus herum ausgebildet sind. Das bedeutet, dass dort, wo zwei erste Wicklungen vorhanden sind, die Anzahl der Umgänge ganzzahlig sein oder in der Hälfte dazwischen liegen muss. In dem letzteren Fall wird die eine erste Wicklung beim nächsten Umgang zur anderen ersten Wicklung. Das gleiche gilt für die zweiten Wicklungen 38.

Die ersten Wicklungen 34 werden mittels einer Gleichstromquelle 44 erregt, während die zweiten Wicklungen 38 durch eine Gleichstromquelle 46 erregt werden. Die Gleichstromquellen 44 und 46 sind entgegengesetzt gepolt, so dass durch die jeweiligen ersten und zweiten Wicklungen der Strom in entgegengesetzten Richtungen fliesst. Diese Ströme erzeugen ein stationäres schraubenlinienförmiges Magnetfeld innerhalb der primären Kammer 14, das mit dem poloidalen Magnetfluss kombiniert wird, der durch den Plasmastrom erzeugt wird, damit der Plasmastrom von den leitfähigen Wänden der Auskleidung 12 ferngehalten wird. Die Wicklungen 34 und 38 sind vorzugsweise mit einer solchen Steigung angeordnet, dass relativ kleine Kräfte zwischen den Wicklungen und eine gute Plasmastabilität erzeugt werden. Ein Winkel von etwa 45° zur Innenachse des Torus ist geeignet.

Wie die Fig. 1,2 und 3 zeigen, können zwei erste Wicklungen und zwei zweite Wicklungen um die Innenachse des Torus vorgesehen sein. Es können auch drei von jeder dieser Wicklungen verwendet werden, wodurch die primäre Kammer stärker mit Plasma gefüllt wird, jedoch möglicherweise mit geringerer Stabilität. Unter gewissen Umständen kann auch eine grössere Anzahl möglich sein. Die Stromversorgungseinrichtungen können so geschaltet sein, dass der Strom durch die ersten Wicklungen gleich oder ein wenig grösser als der Strom durch die zweiten Wicklungen ist, so dass dadurch

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ein Null- oder ein Netto-Toroidalmagnetfeld durch die Wiek- werden, dann kann die Erläuterung sehr vereinfacht werden, lungen 34 und 38 erzeugt wird. Allgemein ist der Gesamt- Beispielsweise ist es aus praktischen Gründen wünschens-

strom in den zweiten Wicklungen 38 in seiner Grösse ver- wert, mit einem hohen Längenverhältnis zu arbeiten, d.h. das gleichbar mit der Hälfte des Plasmastroms. Verhältnis des grösseren Radius zum kleineren Radius des

Die zusätzlichen Wicklungen 32 können so betrieben wer- 5 Torus kann sehr gross sein, ähnlich wie etwa bei einem Fahr-den, dass ein vertikales Magnetfeld auf das Plasma zur Ein- radreifen. In solchen Fällen können die Toroidaleffekte Wirkung gebracht werden kann, um die Wirkung der Ring- zugunsten einer zylindrischen Approximation vernachlässigt kraft auszugleichen, die das Bestreben hat, das Plasma auf werden. Das Hauptfeld ist B8-0(r), das durch den Plasmastrom den grösseren Radius auszudehnen, oder um das Gleichge- erzeugt wird. Eine spiralförmige Wicklung erzeugt ein wichtsplasma für die bestmögliche Stabilität einzustellen. 10 Magnetfeld, das durch ein statisches Potential <I> gegeben ist,

Die Einrichtung kann Beobachtungsdurchgänge 48 aufweisen. <t> = (b/k) I/(kr) cos (70 + kz) (3)

In einem typischen Betrieb einer Einrichtung, wie sie in den Fig. 1 bis 5 gezeigt ist, beträgt der Plasmastrom, der durch worin I; die modifizierte Bessel-Funktion der Ordnung 1 und k einen Betrieb der Solenoidspule 30 und der zusätzlichen is die Wellenzahl und b eine Konstante ist. Für die Definition Wicklungen 32 erzeugt wird, etwa 40 kA maximal, wozu eine der Grössen r, z, 0 wird auf die vorstehenden Ausführungen Magnetflussschwingung bzw. ein Magnetflussswing von etwa verwiesen. "

0,3 Vs mit einer Anstiegszeit von etwa 10 ms erforderlich ist. Die Komponenten des Magnetfelds sind gegeben durch

Zum Erzielen eines Verhältnisses Beta des Plasmadrucks zum

Magnetfelddruck von etwa 0,1 bei Aufrechterhaltung einer 20 g = - b I' (kr) COS ( £0 + kz) ( 4) guten Stabilität ist eine Temperatur T des Plasmas von etwa / r &

100 eVbei einer Dichte von n= 1013 Teilchen/cm3, eine 1

magnetische Flussdichte B von Vio Tesla, eine Energieeindäm- 1 _b£ ,, > . ... , , .

mungszeit xE von 0,3 ms und eine ImpulsdauerTImpuls von 30 ) = kr Sin (Ä0 + Kz) (5)

ms erforderlich. Der Gesamtstrom in den ersten Wicklungen 25 I ist etwa 20 kA und in den zweiten Wicklungen ist er auch I

etwa 20 kA. Das Verhältnis des mittleren Radius des Plasma- 13 = b I „ (kr) sin (£6 + kz) (g\

stroms rp zum mittleren Radius der Wicklungen rw beträgt z etwa 0,75. Unter solchen Bedingungen sind die Gleichgewichtsprofile bestimmter Parameter berechnet worden, wobei 30 Hier ist I/(kr) die Ableitung von I/(kr) nach seiner unab-sich qualitativ die in Fig. 6 gezeigten Werte ergaben. hängigen Variablen. Das gesamte Feld kann in Termen der

Die Beziehungen zwischen den verschiedenen Parametern Flussfunktion i|/* ausgedrückt werden, die gegeben ist durch des Systems und ihre Beziehungen zum Betrieb des Systems sind kompliziert und hängen von vielen unterschiedlichen i|/* = \|/*-(br/i) I(kr) sind (i0 + kz) (7)

Faktoren ab. Zum Zwecke der Erläuterung sind die Kurven 35

der Fig. 6 basierend auf bestimmten Parametern, die etwas worin i|/* = — | B0iO dr bedeutet.

willkürlich ausgewählt worden sind, erstellt worden. Für die Oberflächen, die durch \j/* = konstant definiert sind, sind dargestellten Kurven ist das Längenverhältnis der primären die Flussoberflächen. Die Formen der Feldflächen können Kammer 14, d.h. das Verhältnis der grösseren zu den kleine- angenähert berechnet werden, indem man folgenden Ansatz ren Radien des Torus, hoch. Im einzelnen sind die hier darge- *»o einführt:

stellten Parameter folgende : jz ist die Stromdichte in der Rieh- . .

tung der Innenachse des Torus; jB ist die Stromdichte in der r = a+ El0 + — Zi (8)

Richtung um die Torusinnenachse herum; Bz ist die Netto- \ A j

Magnetflussdichte in der Richtung der Innenachse; Be ist die

Magnetflussdichte um die Torusinnenachse herum; und q ist « wobei a eine Länge und £, eine Bogenlänge in Funktion des der Sicherheitsfaktor, der sich auf Bz und die Steigung der genannten Argumentes ist. Durch Entwicklung ergibt sich: Magnetfeldlinien bezieht, wie weiter oben bereits definiert.

Der Parameter r/rs ist das Verhältnis der Koordinate des klei- . 3 *

neren Radius zum kleineren Radius der Grenzfläche, und die- Tj>* (a) + - K ~ COnst. (9)

ses Verhältnis ist längs eines Winkels von 45° zur X/rs-Achse so der Fig. 7 berechnet. Die Fig. 7 veranschaulicht die Magnet- oder flussoberflächen, die unter diesen Bedingungen an den Stel- ~( \* { 1 - \*( ) (lo)

len A und B der Fig. 6 erzeugt werden. Eine Bedingung für £ ^ I V 'a' 9r

^taKÎHtât HpctpVìt Harin Hass n Hurrh 0 apht *

o

Stabilität besteht darin, dass q durch 0 geht.

Die Betreibsweise nach der vorliegenden Erfindung mit 55 _

dem sich ergebenden stabilen Plasma kann mathematisch ~ ( if)* (a) — ( a )

beschrieben werden. Die mathematische Beschreibung wird n jedoch für bestimmte Konfigurationen sehr kompliziert.

Wenn gewisse praktische Approximationen durchgeführt Es folgt:

[ba/D I[(ka)/ ^B0fO^ I sin (£0 + kz) . (11)

Die Translationstransformation kann berechnet werden durch die Flussliniengleichungen dz_ z (12)

ae b6

Indem man den Ansatz (8) benutzt, ergibt sich:

9

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dz de brl^(kr)sin (IQ + kz)

3B

Be/o + ar

9 ,o

£ + (b£/kr) (kr)sin (£0 + kz)

(13)

Der Mittelwert wird dann gegeben durch:

-b2ri„(kr) / SB

/dz N

<dë>~

(— B 6f°r (r/£) I|(kr) + (£/kr)(kr) 1^] 0 / o

2B

0,0

Der Sicherheitsfaktor q beträgt, wie oben definiert:

q =

R

^ de '

(14)

(1)

Das Volumen AV zwischen zwei Flussoberflächen y* und V|/* + Ai|/* kann errechnet werden aus

AV =

i(j*+ AiJ/*

rdr dddz

(15)

Wenn man den Ansatz r=a +1 benutzt, dann erhält man

AV = 2iraR

/ ae ( 1 + II ) 11 + l

«(2ti)2 a H Aa = (2tt)^ aR

Ç/a) da

Ai);*

('SY1

(16)

Der Longitudinalfluss \\i wird berechnet aus

*=/

B rdrde z

Wenn man die Gleichungen (6), (8) und (10) benutzt, dann erhält man

- ( akI£ a

A* « 2£b^ t—+ 1 + a jUn e,o V £ 3a

Die Kombination der Gleichungen (16) und (18) ergibt

(17)

[£]) (*r--

(18)

ATT -> 2£BQ ^ / akl! ~

jY a (2ir) R e,° j i- + 1 + a l-£n

A$ b2lAl, l I.

aI£

LBe,o J

-l

(19)

Das ist eine abnehmende Funktion von a und indiziert bedeutet die magnetische Quelle bzw. Senke, dass das mitt-d2V/di|/2<0. Diese Charakteristik wurde als eine magnetische 65 lere longitudinale Magnetfeld zunimmt, wenn man sich vom Quelle bzw. Senke bezeichnet (C. Mercier, Lectures in Plasma Plasma wegbewegt, wobei «mittleres» Flussoberflächenmittel Physics, Fontenay-aux-Roses [1974]). Im Grenzfall von ß—>-0 bedeutet. Die maximale Quellen- bzw. Senkentiefe tritt für wird dadurch Stabilität sichergestellt. Mehr intuitiv gesagt r = 0 auf.

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10

Wenn man das Bezeichnungssystem von Mercier benutzt, zylindrischen Approximation berechnet werden, indem man wozu auf die genannte Publikation verwiesen wird, dann die Gleichung benutzt, die gegeben ist durch kann das magnethydrodynamische Gleichgewicht in der

TP + 2h&r2 r2 df2 2 dp =

LF + 7"~5 5 TY~ö * + 7 5 5 öT dp dF (2o)

p+h2r2)2 2^2+h2r2J

Die schraubenlinienförmige Variable u = IQ — hz in den + hre h) (F +_h2r2) — 1 definieren die Schraubenlinie. Das zylindrischen Koordinaten (r, 0, z) und der Vektor iT = (le z Magnetfeld B lässt sich schreiben als

"f

B = fu + u x grad F

Die Operation L ist definiert durch

Es ist praktisch, die Variable G zu benutzen, die definiert ist durch

3G

F - r 3?

Dann ergibt sich 2

r )

Es ist instruktiv, ein einfaches Beispielsgleichgewicht zu berechnen, in dem f = const. und p' = const. gilt. Dann wird Gleichung (20) zu r

» i - 2hitr2 * -*■ -2

arl £2+h2r2

il.2+h2r2^J

Durch Integrieren erhält man worin C eine Konstante ist.

(21)

L = r j-j- (22)

3r £ +h r Sr Su2

(23)

LF = r ^ ^ (24)

V G + 7 \~2~ f + r P = ° (25)

y2G - ~~~ö + P' = &2+fr2 C <26>

hr2 r

Nimmtman G = GQ(r) + 9(*"/U) ' (27) dann erhält man

L. m _ £2+h2r2 + AhV c (28)

r dr V 0/ hr2 2 r2

2 rt (29)

V g = 0

Das ist ein Spezialfall, in dem das Vakuumfeld g herausgetrennt worden ist. Um die Singularität auf der Achse in Abwesenheit eines internen Leiters zu vermeiden, setzt man r = =L.

C hA (3o)

11

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Durch Integration der Gleichung (28) erhält man rG ' = o

2£2+h2r2

, hr c

P 21

(31)

Das externe Vakuumfeld g wird gegeben durch die Gleichung g = ' (b/h) Is (hr) sin (£6 - hz)

(32)

Die Funktion F wird dann gegeben durch F = rG^ + rg '

(*2L2+h2r2 ^p' - f + br Ii(hr) x sin " hz)

(33)

Die Magnetfelder sind

B0 »

■rl , b £ — p + HF

In sin (u)

Kr

(34)

Bz <= t/Z +

hr

2 p ' - bl& sin (u)

(35)

Wenn kein Solenoidalfeld angewandt wird, dann verschwindet das Axialfeld am Plasmarand r = ro. Dann erhält man m - ~(hxo2/2\p'

(36)

Das zeigt an, dass das Plasma ein paramagnetisches Axi- f = 0 ein externes Feld von - (hro^:) p' erforderlich. Das alfeld von f/7 auf der Achse erzeugt. Andererseits ist, wenn Plasma ist zu diesem Feld diamagnetisch.

Die Stromdichte j ist gegeben durch

ï--[è

If +

(AhV) §

u - u x grad f

(37)

Die Azimutalkomponente ist.

3e = "

1 df "

2 dF

(^2+h2r2)

dp dF

hr

2 2 2 £ +h r

£ 3_f

£2+h2 9r

(38)

Natürlich führt die Bedingung f = const. nicht zu kleinem Es sei ein Fall betrachtet, in dem f=(2h//)F und jÖ. Die Gleichgewichte mit kleinem j0 sind diejenigen, die von P'= const. sind. Die Gleichgewichts-Gleichung ist gegeben Interesse sind. durch

LF +

,,2 2 4h r

(,2+ h2r2) 2

F +

,,2 2 4h r

2 ' 2 2 2 £ £ £ + h r

)

F + r2p' = 0

(39)

Setzt man

F = - (l2/4^ p'r2 + H

(4o)

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dann wird die Gleichung (39) zu

12

LH +

au2 2 4h r

(l2+ h2r2]2

H +

.,2 2 4h r

2(t2+ h2r2)

H = 0

(41)

In diesem Fall wird der Druck durch azimutalsymmetri- ein kraftfreies Feld. Das Feld und der Strom werden gegeben sehe jzB9-Kraft ausgehalten, und das spiralförmige Feld H ist durch r ~ r 3u

Bq = - (S. r/2)p' +

Bz = *2A2r2

[

2hH - hr

+ ff]

+ h r L J

]

M

3r

(42)

(43)

(44)

3^ = "

3« =

2h 3H rÄ 3u

A2A2r2

j - - £p* + —2 2 2

2 JT+ h-r j^(4h2A2)H + 2h ||J

£-(4h2/Jl)H + (2h2r/S,)||J

(45)

(46)

(47)

Es sei darauf aufmerksam gemacht, dass nur jz und B0 nichtschraubenlinienförmige Komponenten haben.

Die Gleichungen (42) bis (47) beschreiben ein Gleichgewicht, das keinen nichtschraubenlinienförmigen Beitrag zu Bz 40 auf der Achse hat. Andererseits hat das Gleichgewicht, das von den Gleichungen (34) bis (38) beschrieben wird, eine sehr grosse nichtschraubenlinienförmige Bz-Komponente. Zwischen diesen zwei Gleichgewichten liegen Gleichgewichte, die eine dazwischenliegende Bz-Komponente haben und ein «

passendes q-Profil geben. Infolgedessen kann man durch Überlagerung der beiden beschriebenen Beispielsgleichgewichte ein Gleichgewicht eines gewünschten Betrags des sole-noidalen Axialfeldes erhalten. Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen qualitativ die Art des Gleichgewichts, das erwünscht ist. Es wird erwartet, dass ein solches Gleichgewicht gemäss dem Mercier-Kriterium für Beta-Werte über 10% stabil ist.

Das Kriterium von Mercier, das für das Plasma erfüllt sein muss, damit dieses stabil ist, ist gegeben durch

1 !_ É£ +

2 q2 d*

/ «1J_

J Jgrad $

7

B2dS

grad ip dS

dp -2 d2V

d* q d*2

-/

= |2dS

grad

>0

(48)

Die Quantität H, die von Mercier benutzt wird, ist proportional dem Druckgradienten, und der letzte Term entspricht dem Destabilisierungseffekt des Drucks.

1 ( d£nq \2

4r2

Das Kriterium reduziert sich für einen zylindrischen Pinch zum Suydamschen Kriterium, das gegeben ist durch

2 du r 2 dr — z

(49)

13

646 830

Es ist bekannt, dass Pinche durch Profilierung von Bz und q stabil gemacht werden können. Der äussere Teil des Plasmas wird durch eine grosse Scherung und ein kleines Beta in bezug auf das axiale Feld stabilisiert. Der innere Teil wird dadurch stabil gemacht, dass man eine Hohldruckverteilung s hat. In diesen Konfigurationen wird das Axialfeld umgekehrt, d.h. es ergibt sich ein Null-Abgleich des Axialfeldes im Plasma. Für die Stabilität muss das Profil während der gesamten Dauer der Entladung aufrechterhalten werden. Das ist eine der experimentellen Schwierigkeiten des Umkehrfeld- i« Pinchs.

Wenn Bz dazu verwendet wird, die Axialtransformation in dem Kriterium zu repräsentieren, wird der äussere Teil des Plasmas stabilisiert, und zwar wegen der Scherung und einer grossen Transformation. Der innere Teil muss durch ein Axi- «5 alfeld stabilisiert werden, das von dem Plasmastrom erzeugt wird und/oder durch ein Ungleichgewicht der Ströme in den schraubenlinienförmigen Wicklungen, um der Axialtransformation entgegenzuwirken, so dass man auf diese Weise ein q-Profil hat, das gleichartig bzw. ähnlich wie beim Umkehrfeld- 20 Pinch ist. Bei jedem Ausmass wird das q-Profil in diesem Falle extern gesteuert. Der Betrag des Axialfelds wird dadurch gesteuert, dass man die Ströme in den positiven und den negativen schraubenlinienförmigen Wicklungen ins Ungleichgewicht bringt. Ein angemessenes bzw. geeignetes 25 q-Profil kann unabhängig von der Plasmahaut- bzw. Plasma-Skin-Zeit aufrechterhalten werden.

Bezieht man dieses physikalisch auf den in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Aufbau und auf die Kurven der Fig. 6 und 7, dann führen das verdrillte Magnetfeld, das von dém Plasmastrom 30 erzeugt wird, und das schraubenlinienförmige Magnetfeld, das von den Wicklungen 34 und 38 erzeugt wird, zu Magnetfeldflächen, worin der Sicherheitsfaktor q als Funktion der radialen Versetzung von der Innenachse des Toroids eine wesentliche Neigung hat und sich monoton ändert, wobei er 35 sein Vorzeichen in der Nähe des äusseren Randes des Plasmas umkehrt. Durch Addieren oder Subtrahieren eines kleinen Betrages eines toroidalen Magnetflusses relativ gleichförmig über den Torus kann der Netto-Toroidalfluss als Funktion der radialen Versetzung nach aufwärts oder abwärts «o bewegt werden, so dass er Null in einem optimalen. Radius zum Einschliessen des Plasmas kreuzt. Ein solcher zusätzlicher Toroidalmagnetfluss wird durch ein Ungleichgewicht der spiralförmigen Magnetfelder erzeugt, die ihrerseits durch die jeweiligen ersten und zweiten Wicklungen 34 und 38 45 erzeugt werden.

Wie oben definiert, ist eine Feldfläche eine Fläche, auf der die Magnetflussdichte, die an irgendeiner Stelle auf der Fläche berechnet worden ist, keine Komponente senkrecht dazu hat. Mit anderen Worten bedeutet das, dass eine Feld- so fläche eine Fläche ist, die keine Magnetfeldlinien durchdringen. Die Feldlinien liegen auf den Feldflächen. Die Feldflächen sind ineinander verschachtelt. Ein Kriterium für die Stabilität besteht darin, dass die Feldflächen ineinander verschachtelt und von der Einschliessungswand getrennt sind. In 55 der toroidalen Konfiguration müssen die Feldflächen geschlossen sein.

Auf diese Weise wird gemäss der vorliegenden Erfindung durch die Kombination des poloidalen Magnetfelds, das durch den Plasmastrom erzeugt wird, und des schraubenli- 60 nienförmigen Magnetfelds, das durch die Wicklungen erzeugt wird, ein magnetischer Begrenzer erzielt, der den Plasmastrom von der Einschliessungswand des Plasmabehälters trennt. Dies erzeugt die Grenzfläche oder Separatrix, die eine geschlossene Oberfläche definiert, welche den Bereich, inner- 65 halb dessen die geschlossenen und ineinandergefügten Feldflächen vorhanden sind, beschränkt und einschliesst.

R

(1)

worin q der Sicherheitsfaktor ist, während R der Radius zur Symmetrieachse des Torus ist und dz/d0 die mittlere Länge bedeutet, die in der Toroidalrichtung pro Einheit des poloidalen Winkels der Drehung einer Magnetfeldlinie auf einer Magnetflussoberfläche durchquert wird. Gemäss dieser Definition führt eine mittlere Magnetfeldlinie in einer Feldfläche q Durchgänge um den Torus in der Toroidalrichtung aus, wenn sie einen einzigen Durchgang in der Poloidalrichtung ausführt. (Im vorliegenden Falle ist q ein Bruch, der kleiner als 1 ist.) Auf diese Weise ist der Sicherheitsfaktor q auf einer speziellen Feldfläche das Verhältnis der mittleren Ganghöhe der Magnetfeldlinien in dieser Feldfläche zum grösseren Umfang des Torus, worin die erwähnte Ganghöhe die Versetzung in der Toroidalrichtung für einen einzigen Durchgang, oder Zyklus, in der Poloidalrichtung ist. Wie durch die Gleichung (12) ausgedrückt ist, ist dz/d0 auch gegeben durch dz de rB

B

e

(12)

worin r der Radius bzw. Innenachse, Bz das longitudinale oder toroidale Magnetfeld und B0 das poloidale Magnetfeld sind.

<dz/d0> ist die Translationstransformation.

Infolgedessen ergibt sich q =

<r VBeV

R

(5o)

worin die winkligen Klammern ein Mittel über eine Feldfläche bezeichnen. Für kreisförmige konzentrische Feldflächen in einem axialsymmetrischen System ist das Mittel ein einfaches Mittel über den Poloidalwinkel 0; d.h.

2tt q =

1 / (r B /B ) d6 2ir Jo 20

(51)

jedoch gilt, dass weder Bz noch Bb stark von 0 abhängen,

B .B. B = r z/ 6 z r

R Bn R

(52)

für diesen Fall. Die Gleichung (52) ist für eine Tokamak-Einrichtung oder einen Umkehrfeld-Pinch angemessen. Für Tokamak-Einrichtungen ist |q| überall grösser als 1, und für den Umkehrfeld-Pinch verschwindet q nur dann, wenn Bz verschwindet. In diesem Falle ist Bz ein Netto-Toroidalfeld, was bedeutet, dass es weiter besteht, wenn man das Mittel über den Poloidalwinkel 0 bildet.

Im Falle der vorliegenden Erfindung ergibt sich in dem Ausführungsbeispiel, in welchem die Ströme in den schraubenlinienförmigen Wicklungen ausgeglichen bzw. im Gleichgewicht sind, kein Netto-Bz mit Ausnahme desjenigen, das von den Poloidalplasmaströmen herrührt. Jedoch kann ein mittleres Bz auf einer Feldfläche vorhanden sein. Das lässt sich anhand der Fig. 8 verstehen, die eine vereinfachte Ver-

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14

sion der Fig. 2 ist. Die Wicklungen 34 und 38 sind durch einzelne Leiter repräsentiert, und der übrige Teil der Vorrichtung ist aus Gründen der Klarheit dieser Erläuterung weggelassen. Die strichpunktierten Linien 50 und 52 sind dazu vorgesehen, um den Raum in der Kammer 14 in Quadranten zu unterteilen. Auf diesen Linien ist das toroidale Magnetfeld null. In den Quadranten I und III wird das toroidale Feld durch die ersten Wicklungen 34 bewirkt, und es ist nach aufwärts aus der Ebene der Fig. 8 für die gezeigte Verdrillung herausgerichtet. In den Quadranten II und IV ist das toroidale Feld entgegengesetzt zu diesem. Das toroidale Feld, das über eine kreisförmige Schleife 54 gemittelt wird, ist Null, weil es in gleicher Weise durch alle vier Quadranten hindurchgeht. Wenn der Kreis zu einer Ellipse 56 verzerrt wird, dann ist das über die Schleife gemittelte toroidale Feld nun von Null verschieden. Bei der Schleife 56 ist der Verlauf in den Quadranten I und III länger und in den Quadranten II und IV kürzer. Auch ist der Verlauf den ersten Wicklungen 34 in den Quadranten I und III, in denen das toroidale Feld stärker ist, näher, und er ist von den zweiten Wicklungen 38 in den Quadranten II und IV, in einem verminderten toroidalen Feld, weiter entfernt. Sowohl die Extralänge des Verlaufs als auch als stärkere Feld führen zu einer solchen Gewichtung des Mittels, dass die Quadranten I und III dominieren. Das ergibt ein mittleres toroidales Feld auf der Schleife 56, das nach aufwärts aus der Ebene der Fig. 8 gerichtet ist. In der Nähe der Mitte des Plasmas wird das Netto-Toroidalfeld durch poloidalen Plasmastrom erzeugt. An einer Stelle in der Nähe des Randes des Plasmas ist die Wirkung des verbleibenden poloidalen Plasmastroms, nämlich desjenigen, der zwischen dieser Stelle und dem Rand bleibt, relativ viel kleiner und kann durch das mittlere Flussoberflächen-Toroidalfeld, das von den spiralförmigen Spulen herrührt, überwunden werden. Das ergibt die Umkehr von q mit aufeinander abgeglichenen Spulen, wenn geeignete Ströme und Felder mit richtiger Polarität angewandt werden.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wie sie beschrieben worden ist, unterscheidet sich sowohl im Prinzip als auch im Aufbau von den Einrichtungen nach dem Stande der Technik, wie sie beispielsweise durch die Tokamak-Ein-richtungen, Stellaratoren und Umkehrfeld-Pinch-Einrichtun-gen repräsentiert werden, obwohl die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung gewisse Merkmale mit jeder dieser Einrichtungen gemeinsam hat. Im einzelnen erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ebenso wie die Tokamak-Einrichtung einen Plasmastrom zum Erzeugen der geeigneten Magnetflusskonfiguration, und die Konfiguration zerfällt nicht im Zeitmassstab der Flussdiffusion. Andererseits erfordert die Tokamak-Einrichtung Toroidalfeldspulen und nicht spiralförmige Feldspulen, wogegen die Einrichtung nach der Erfindung schraubenlinienförmige Feldspulen erfordert und nicht Toroidalfeldspulen. Die Tokamak-Einrichtung erfordert, dass | q | grösser als 1 ist, wogegen die Einrichtung nach der Erfindung das nicht erfordert. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung erfordert, dass q Null als eine Funktion der Radialversetzung bzw. -Verschiebung schneidet, wogegen das die Tokamak-Einrichtung nicht erfordert.

Wie der Stellarator erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung schraubenlinienförmige Feldspulen, jedoch erfordert sie im Gegensatz zum Stellarator keine Toroidalfeldspulen. Wie beim Stellarator zerfällt die magnetische Konfiguration nicht im Zeitmassstab der Flussdiffusion, jedoch erfordert der Stellarator im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung keinen Plasmastrom zum Erzeugen der magnetischen Konfiguration. Der Stellarator erfordert einen grossen toroidalen Fluss Bz, wogegen die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung nicht irgendeinen angewandten

Netto-Toroidalfluss erfordert, obwohl ein angewandtes kleines Bz für die Optimalisierung wünschenswert sein kann. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung erfordert, dass q als eine Funktion der radialen Versetzung durch Null hindurchgeht, was der Stellarator nicht erfordert. Im Gegensatz hierzu erfordert ein Stellarator mit einem wesentlichen Plasmastrom allgemein, dass zur Stabilität J q | > 1 ist.

Wie Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen erfordert auch die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung einen Plasmastrom zum Erzeugen der magnetischen Konfiguration und zu dem Zweck, dass q durch Null hindurchgeht. Keine erfordert, dass | q | grösser als 1 ist. Andererseits erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung Spiralspulen, was bei den Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen nicht der Fall ist, und die erfindungsgemässe Einrichtung hat eine Grenzfläche bzw. Separatrix, welche der Umkehrfeld-Pinch nicht hat. Die magnetische Konfiguration zerfällt in den Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen im Zeitmassstab der Flussdiffusion, das geschieht jedoch nicht in der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Diese und andere Unterschiede ergeben wesentliche Vorteile bei der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die Tatsache, dass kein grosses Toroidalmagnetfeld erforderlich ist, ermöglicht eine grosse Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung und einen leichten Betrieb und bewirkt, dass die erfindungsgemässe Einrichtung eine praktischere Einrichtung ist. Die grossen Toroidalmagnetfelder, die bei Tokamak-Ein-richtungen und Stellaratoren erforderlich sind, erfordern offensichtlich superleitende bzw. supraleitfähige Magnetspulen und implizieren grosse Kräfte zwischen den Wicklungen, die Beanspruchungen hervorrufen, welche schwierig zu beherrschen sind.

Einrichtungen nach dem Stande der Technik haben oftmals eine Neutralstrahlerhitzung vorgesehen, die sich als untauglich, unrationell sowie leistungsschwach und unbrauchbar, raumaufwendig und teuer erwiesen hat und die Schwierigkeiten bewirkt, wenn der Strahl eine Wand trifft. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist allgemein relativ kleiner, sie ist in der Lage, ein hohes Beta zu liefern, ein grosses Längenverhältnis, und sie hat kein angewandtes Netto-Toroidalfeld, und schliesslich ermöglicht sie eine adäquate Ohmsche Erhitzung in Verbindung mit dem induzierten Plasmastrom.

Eine Schwierigkeit, die insbesondere bei Tokamak-Einrichtungen auftritt, besteht in dem relativ kleinen Raum, der für die Plasmaerhitzungsspulen verfügbar ist. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat in. ihrer bevorzugten Form ein relativ grosses Längenverhältnis, wodurch mehr Raum für diese Spulen und anderes Zubehör, andere Ausrüstungen, andere Apparaturen oder dergleichen zur Verfügung gestellt werden kann, wie beispielsweise für eine Reaktorhülle bzw. ein Reaktorblanket. Dadurch werden die Aufbau- und Auslegungserfordernisse für die Erhitzungsspulen erleichtert. Ausserdem wird es dadurch ermöglicht, zu Einrichtungen von grösserem Massstab überzugehen, indem man nur den grösseren Radius erhöht, während man den kleineren Radius gleich bleiben lässt.

Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung ergibt ein höheres Beta, das Verhältnis von Plasmadruck zu Magnetdruck, wodurch ein leistungsfähigerer Betrieb bzw. ein Betrieb mit grösserem Wirkungsgrad bei niedrigeren bzw. schwächeren Magnetfeldern ermöglicht wird.

Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung ergibt einen inhärenten magnetischen Begrenzer, wodurch sich die Grenzfläche bzw. Separatrix nach auswärts bewegt, wenn der Plasmastrom zunimmt, und zwar unter Aufrechterhaltung einer stabilen Konfiguration. Das ist deswegen der Fall, weil sich ausserhalb der einschliessenden Flussoberfläche keine Ein-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

15

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Schliessung befindet, und jedes Plasma, das sich auf der Aus-senseite der Grenzfläche bzw. Separatrix befindet, geht sofort an die Einschliessungswand verloren, ohne dass es in unnützer, energieverzehrender Weise irgendeinen wesentlichen Strom mit sich führt. 5

Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung erleichtert auch die Einbeziehung einer Ablenkeinrichtung bzw. eines Divertors, die bzw. der in Tokamak-Einrichtungen schwierig einfügbar ist.

Ein Vorteil der Erfindung gegenüber den Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen besteht darin, dass diese Einrichtungen mit einem q-Profil arbeiten, das sich so ändert, dass es schlechter wird, wenn der Magnetfluss aus dem System diffundiert. Die Zeit ist so kurz, dass die Entwicklung eines praktischen Reaktors, der auf dem Umkehrfeld-Konzept is basiert, zu ernsthaften Beschränkungen unterliegt.

Obwohl die neuartigen Aspekte einer Plasmaeinrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert worden sind, sind verschiedenste Abwandlungen dieser Einrichtung innerhalb des 20 Gegenstandes der Erfindung möglich, wie insbesondere in den Abmessungen und der Form und in den Treib- bzw.

Betriebsströmen. Beispielsweise kann der Gleichstrom in den Wicklungen 34 und 38 die Form von relativ langen Impulsen, die in einer Richtung verlaufen, haben. Die Einrichtung kann ausserdem verschiedenes, an sich bekanntes Zubehör von Fusionseinrichtungen umfassen, wie beispielsweise Stromversorgungseinrichtungen, Vakuumpumpen, Instrumentierung, Hüllen bzw. Blankets, Halte- und Trägeraufbauten, und Wärmeaustauscher.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein toroidales System ist, kann die Erfindung auch in einem geraden zylindrischen System benutzt werden, das in angemessener Weise begrenzt ist. Da die Länge L eines toroidalen Systems der grössere Umfang 2jtR ist, kann der Sicherheitsfaktor q in Termen von L definiert werden:

osiT<ff> (51)

Dieser Sicherheitsfaktor, der auf diese Weise definiert ist, ist auf ein gerades zylindrisches System der Länge L anwendbar.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Plasmaeinrichtung mit einem Einschliessungsbehälter (12), der sich in durch den Verlauf einer Achse vorgegebener Längsrichtung erstreckt und dessen Wandung die Achse umgibt, um einen Raum für den Einschluss von Gas zu bil- 5 den, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmastromes darin in der Achsrichtung, wobei der Plasmastrom ein Magnetfeld um diese Achse innerhalb des Plasmas erzeugt, gekennzeichnet durch erste und zweite Wicklungen (34,38), die im wesentlichen schraubenlinienförmig im glei- i« chen Drehsinn und mit im wesentlichen derselben Steigung um den Behälter (12) gewickelt sind und die abwechselnd und im wesentlichen gleich beabstandet um die Achse herum angeordnet sind, eine Einrichtung (44,46) zur Durchleitung eines ersten Gleichstromes durch-die erste Wicklung (34) und 15 eines zweiten Gleichstroms durch die zweite Wicklung (38) in der Gegenrichtung zum ersten Gleichstrom zur Erzeugung eines schraubenlinienförmigen Magnetfeldes, das mit dem genannten, durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld zusammenwirkt, um eine Änderung eines Sicherheitsfaktors q 20 mit dem Abstand vom Zentrum des Plasmastromes in jeder Richtung quer zum Strom zu erzeugen, wobei sich das Vorzeichen des q-Faktors in der Nähe des Randes des Plasmastroms umkehrt und wobei der q-Faktor als über eine Feldfläche, d.h. eine von keiner Feldlinie durchdrungenen Fläche, gemit- 25 telte Anzahl Durchgänge einer magnetischen Feidlinie durch die Plasmastromlänge bei einem Umgang um den Plasmastrom definiert ist und innerhalb des Plasmastroms einen Absolutwert von weniger als 1 besitzt.
2. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 zeichnet, dass die Anordnung so getroffen ist, dass das schraubenlinienförmige Magnetfeld in Überlagerung mit dem durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld ineinandergeschachtelte Feldflächen erzeugt, die in sich geschlossen und von der Behälterwandung (12) beabstandet sind. 35
3. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung so getroffen ist, dass die ineinandergeschachtelten Feldflächen innerhalb des Plasma liegen und wobei die Flächen in Querrichtung zur Achse in sich geschlossen sind. . 40
4. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung so getroffen ist, dass das schraubenlinienförmige Magnetfeld und das durch den Plasmastrom erzeugte Magnetfeld eine Grenzfläche, d.h. eine Separatrix innerhalb des genannten Raumes bilden, wel- 45

che das Gebiet begrenzt, innerhalb welchem die ineinandergeschachtelten magnetischen Feldflächen bestehen.
5. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Grenzfläche vom Zentrum des Plasmastroms mit zunehmendem Plasmastrom wächst.
6. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Trennen des Plasmastroms von der Behälterwandung (12, 16).
7. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklung (34, 38) und die Richtung des Plasmastroms die Änderung des Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand vom Plasmastrom verursachen.
8. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (44,46) zur Durchleitung von Gleichströmen so ausgestaltet sind, dass der erste und der zweite Gleichstrom im wesentlichen gleich sind.
9. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Unausgeglichenheit im angelegten Magnetfeld zur Erzeugung einer resultierenden Komponente in Richtung des Plasmastromes.
10. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung einer Unausgeglichenheit im angelegten Magnetfeld Mittel zur Aufhebung der Gleichheit zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichstrom aufweist.
11. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wicklung mit einer solchen Steigung angeordnet sind, dass die Kräfte zwischen den Windungen unterhalb der Festigkeit der mechanischen Struktur bleiben, wenn diese vom ersten und zweiten Gleichstrom durchflössen sind.
12. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen einen Steigungswinkel von angenähert 45° zur Achsrichtung besitzen.
13. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsfaktor q innerhalb des Plasmastroms die Summe zweier Komponenten ist, wovon die eine zur Achse symmetrisch und im wesentlichen proportional zum Verhältnis zwischen dem axialen Magnetfeld und dem zirkumaxialen Magnetfeld und die andere nicht symmetrisch zur Achse und im wesentlichen zur Schraubenlinie symmetrisch ist, und im wesentlichen durch die Grösse

-b^rl£(kr)ir

B0 oL 0,0

3B

0,o

Be,o3r

(r/H) Ij_(kr) + (t/kr) I^Ckr)

gegeben ist, wobei b ein Mass für die Stärke des von den schraubenlinienförmigen Wicklungen erzeugten Magnetfeldes, L die Länge des Plasmastromes im genannten Raum, r der mittlere Radius der magnetischen Feldfläche, Bt|>0 das zirkumaxiale Magnetfeld erzeugt durch den axialen Plasmastrom, 5B<)i0/8r dessen partielle Ableitung nach r, / die Anzahl erster Wicklungen, k die Wellenzahl des durch die ersten und zweiten Wicklungen erzeugten Magnetfelds, I/(kr) die modifizierte Bessel-Funktion /-ter Ordnung und I' /(kr) deren Ableitung bezüglich ihres Argumentes ist.
14. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche I bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschliessungsbehälter (12) als toroidaler Behälter mit Wandungen zur Festlegung eines toroidalen Raumes ausgebildet ist, wobei die erwähnte Achse durch die Torusinnenachse gebildet und die erwähnte

Achsrichtung die Richtung ist, in welcher sich die Torus-55 innenachse erstreckt.
15. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Flusses eine Solenoidspule aufweist, die koaxial mit der Symmetrieachse des toroidalen Raumes ange-

60 ordnet ist.
16. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 und

15, dadurch gekennzeichnet, dass der toroidale Einschliessungsbehälter (12) eine leitende, dünne, toroidale Wand (12) aufweist.

65 17. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis

16, gekennzeichnet durch Einrichtungen (22,26) zum Evakuieren des toroidalen Raumes.
18. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis

3

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17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wicklung je zwei Wicklungen aufweisen.
19. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis

17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wicklung je drei Wicklungen aufweisen.
20. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, gekennzeichnet durch einen toroidalen Mantel (16), der den Einschliessungsbehälter (12) enthält und von ihm beabstandet ist, wobei der Mantel (16) aus elektrisch leitendem Material besteht, und der Leitungspfad in toroidaler Richtung unterbrochen ist.

-b2rl£(kr)

2B« JL

u, o

3B

0,o

Bfl „3r

ö ,Q
21. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsfaktor innerhalb des Plasmastroms die Summe zweier Komponenten ist, wovon die eine achs-symmetrisch und im wesentlichen proportional zum Verhältnis zwischen dem toroidalen Magnetfeld und dem poloidalen Magnetfeld und die andere nicht symmetrisch zur Mittellinie und im wesentlichen zur Schraubenlinie symmetrisch ist und im wesentlichen durch die Grösse

(r/Ä)

I^(kr) +

U/kr) I£(kr)

gegeben ist, wobei b ein Mass für die Stärke des von den schraubenlinienförmigen Wicklungen erzeugten Magnetfei- 20 des, R der grosse Radius des toroidalen Raumes, r der mittlere kleine Radius der magnetischen Feldfläche, B0 O das poloidale Magnetfeld erzeugt durch den toroidalen Plasmastrom, SB0iO/5r dessen partielle Ableitung nach r, / die Anzahl erster Wicklungen, k die Wellenzahl des durch die ersten und 25 zweiten Wicklungen erzeugten Magnetfelds, I/(kr) die modifizierte Bessei-Funktion /-ter Ordnung und V, (kr) deren Ableitung bezüglich ihres Argumentes ist.
22. Plasmaeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung 30 zur Erzeugung eines vertikalen Magnetfeldes innerhalb des toroidalen Raumes, wobei das vertikale Magnetfeld senkrecht zur Äquatorebene des toroidalen Raumes verläuft.
23. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines 35 vertikalen Magnetfeldes mehrere runde Spulen (32), die koaxial zur Symmetrieachse des toroidalen Raumes verlaufen, aufweist.
24. Verfahren zum Betrieb der Plasmaeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- 40 net, dass im genannten Raum ein Plasmastrom in Richtung der Innenachse erzeugt wird, der ein Magnetfeld hervorruft, das um die Achse herum verläuft, dass ein schraubenlinien-förmiges Magnetfeld erzeugt wird, indem erste und zweite Gleichströme in den ersten bzw. zweiten Wicklungen erzeugt 45 werden, welche im wesentlichen schraubenlinienförmig im gleichen Drehsinn und mit im wesentlichen der gleichen Steigung um den Einschliessungsbehälter gewickelt sind, wobei die ersten und zweiten Wicklungen abwechselnd und im wesentlichen gleich beabstandet um den Behälter angeordnet 50 sind, wobei der zweite Gleichstrom in Gegenrichtung zum ersten die Wicklungen durchfliesst, und dass das schraubenlinienförmige Magnetfeld mit dem durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld überlagert wird, um eine Änderung des Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand vom Zentrum des Pias- 55 mastromes in jeder Richtung quer zum Strom zu erzeugen,

wobei sich das Vorzeichen des q-Faktors in der Nähe des Randes des Plasmastromes umkehrt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das schraubenlinienförmige Magnetfeld in Überlagerung 60 mit dem durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld ineinandergeschachtelte Feldflächen erzeugt, die in sich geschlossen und von der Behälterwandung beabstandet sind.

-b2rl^(kr)ir
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergeschachtelten Feldflächen innerhalb des Plasma liegen und wobei die Flächen in Querrichtung zur Achse in sich geschlossen sind.
27. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das schraubenlinienförmige Magnetfeld und das durch den Plasmastrom erzeugte Magnetfeld eine Grenzfläche, d.h. eine Separatrix, innerhalb des genannten Raumes bilden, welche das Gebiet begrenzt, innerhalb welchem die ineinandergeschachtelten magnetischen Feldflächen bestehen.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Grenzfläche vom Zentrum des Plasmastromes mit zunehmendem Plasmastrom wächst.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrom von der Behälterwandung getrennt ist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklung (34, 38) und die Richtung des Plasmastromes die Änderung des Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand vom Plasmastrom verursachen.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Gleichströme im wesentlichen gleich gross sind.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein resultierendes Magnetfeld in der Richtung des Plasmastromes angelegt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende Magnetfeld durch die Erzeugung einer Unausgeglichenheit zwischen ersten und zweiten Gleichströmen hervorgerufen wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrom induziert wird durch die Änderung des vom genannten Raum umschlossenen magnetischen Flusses.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsfaktor q innerhalb des Plasmastromes die Summe zweier Komponenten ist, wovon die eine zur Achse symmetrisch und im wesentlichen proportional zum Verhältnis zwischen dem axialen Magnetfeld und dem zirkumaxialen Magnetfeld und die andere nicht symmetrisch zur Achse und im wesentlichen zur Schraubenlinie symmetrisch ist, und im wesentlichen durch die Grösse

6,0 (rM) IJ(kr) + U/kr) I^kr) B0,o3r

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gegeben ist, wobei b ein Mass für die Stärke des von den schraubenlinienförmigen Wicklungen erzeugten Magnetfeldes, L die Länge des Plasmastromes im genannten Raum, r der mittlere Radius der magnetischen Feldfläche, B(lo das zir-kumaxiale Magnetfeld erzeugt durch den axialen Plasmastrom, 8Bn.o/Sr dessen partielle Ableitung nach r, I die Anzahl erster Wicklungen, k die Wellenzahl des durch die ersten und zweiten Wicklungen erzeugten Magnetfeldes, I/(kr) die modifizierte Bessel-Funktion 1-ter Ordnung und I\ (kr) deren Ableitung bezüglich ihres Argumentes ist. 1
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, wobei die Plasmaeinrichtung einen toroidalen Einschliessungsbehälter aufweist mit Wandungen zur Festlegung eines toroidalen Raumes und zum Einschliessen von Gas darin, wobei die erwähnte Achse durch die Torusinnenachse gebildet ist und die erwähnte Achsrichtung die Richtung ist, in welcher sich die Torusinnenachse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass im toroidalen Raum ein Plasmastrom induziert wird, der ein poloidales Magnetfeld erzeugt.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsfaktor innerhalb des Plasmastromes die Summe zweier Komponenten ist, wobei die eine achssymmetrisch und im wesentlichen proportional zum Verhältnis zwischen dem toroidalen Magnetfeld und dem poloidalen Magnetfeld und die andere nicht symmetrisch zur Mittellinie und im wesentlichen zur Schraubenlinie symmetrisch ist und im wesentlichen durch die Grösse

-b rl^(kr)

2Be.<,R

SB

0,o

V°3r

(r/i) I^(kr) + U/kr) I£(kr)

gegeben ist, wobei b ein Mass für die Stärke des von den bestehen in der Erhitzung des Plasmas auf eine Temperatur,

schraubenlinienförmigen Wicklungen erzeugten Magnetfei- die hoch genug ist, um das Auftreten der gewünschten Reak-des, R der grosse Radius des toroidalen Raumes, r der mitt- 25 tionen zu ermöglichen, sowie im Einschliessen des erhitzten lere kleine Radius der magnetischen Feldfläche, B0-o das Plasmas während einer Zeit, die lang genug ist, um die Frei-

poloidale Magnetfeld erzeugt durch den toroidalen Plasma- setzung von überschüssiger Energie über diejenige Energie, ström, 8Bf).0/Sr, dessen partielle Ableitung nach r, 1 die Anzahl die zum Erzeugen der Reaktion erforderlich ist, zu gestatten, erster Wicklungen, k die Wellenzahl des durch die ersten und Es wurde bereits eine Anzahl von toroidalen Plasmaein-

zweiten Wicklungen erzeugten Magnetfelds, I;(kr) die modifi- 30 richtungen vorgeschlagen und gebaut. Diese Einrichtungen zierte Bessel-Funktion 1-ter Ordnung und I,' (kr) deren Ablei- umfassen die Tokamak-Einrichtung, den Stellarator und den tung bezüglich ihres Argumentes ist. Umkehrfeld-Pinch. In solchen Einrichtungen wird Gas in
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekenn- einem toroidalen Einschliessungsbehälter eingeschlossen und zeichnet, dass ein vertikales Feld im toroidalen Raum erzeugt erhitzt, um ein Plasma zu bilden, das durch geeignete Felder wird, das senkrecht zur Äquatorebene dieses Raumes ver- 35 im allgemeinen von den Wänden des Einschliessungsbehäl-läuft. ters weggehalten wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, In den Tokamak-Einrichtungen wird ein toroidaler Plas-dass das vertikale Feld durch Ströme in kreisförmigen Wiek- mastrom durch einen Transformator erzeugt, wobei das toroi-lungen erzeugt wird, die koaxial mit der Symmetrieachse des dale eingeschlossene Gas als Sekundärwicklung wirkt und die toroidalen Raumes verlaufen. 40 Primärwicklung von einem mittigen Solenoid gebildet wird.

Beim Erzeugen oder Erlöschen des Magnetfeldes, das durch den Strom im Solenoid erzeugt wird, wird ein toroidales elektrisches Feld erzeugt, welches das Gas ionisiert und einen Plasmastrom um den Torus herumtreibt. Der Pinch-Effekt Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasmaeinrichtung 45 des fliessenden Stroms bewirkt, dass die geladenen Plasmami einem Einschliessungsbehälter, der sich in durch den Ver- teilchen nach der Mitte des Plasmastroms zu gedrückt wer-lauf einer Achse vorgegebener Längsrichtung erstreckt und den. Jedoch ist der Plasmastrom als solcher unstabil, und ein dessen Wandung die Achse umgibt, um einen Raum für den gewisser Teil des Plasmas trifft auf den Einschliessungsbehäl-Einschluss von Gas zu bilden, und mit einer Einrichtung zum ter auf, so dass infolgedessen das Plasma abgekühlt und jede Erzeugen eines Plasmastromes darin in der Achsrichtung, 50 Reaktion behindert wird. Aus diesem Grund weist die Toka-wobei der Plasmastrom ein Magnetfeld um diese Achse inner- mak-Einrichtung auch eine toroidale Feldspule auf, die um halb des Plasma erzeugt. den Einschliessungsbehälter herum angeordnet ist und dazu

Ein Beispiel für die angesprochenen Plasmaeinrichtungen dient, ein sehr grosses toroidales Magnetfeld zu erzeugen. Die sind solche, in denen das Plasma in einem (toroidalen) Raum Überlagerung des toroidalen Magnetfeldes und das poloida-erzeugt und durch geeignete Einschlussfelder darin einge- 55 len Magnetfelds, das von dem Plasmastrom erzeugt worden schlössen sind. Solche Einrichtungen sind für das Studium ist, erzeugt eine relativ stabile Plasmaeinschliessung.

und die Analyse von Plasmen brauchbar, sowie insbesondere In Stellaratoren erfolgt die Einschliessung durch magneti-

für die Erzeugung, Einschliessung, das Studium und die Ana- sehe Felder, die mittels externer Spulen erzeugt werden, und lyse von wasserstoffhaltigen Plasmen. Sie sind für die Reak- beruht nicht auf dem Plasmastrom. In Stellaratoren liefert tion von Deuterium und Tritium unter Erzeugung von Hoch- 60 eine toroidale Feldspule, ähnlich wie diejenige der Tokamak-energieneutronen als Reaktionsprodukte brauchbar. Die vor- Einrichtung, ein relativ grosses toroidales Magnetfeld, in dem liegende Erfindung kann sich insbesondere auf solche Ein- das Plasma erzeugt wird. Zusätzlich zu dem toroidalen richtungen und ihren Anwendungen beziehen, und zwar Magnetfeld wird ein schraubenlinienförmiges Feld mittels unter Einschluss von experimentiellen Einrichtungen und der Spulen erzeugt, die schraubenlinienförmig um den toroidalen Verwendung derselben bei Experimenten und Untersuchun- 65 Einschliessungsbehälter herum vorgesehen sind. Die Kombigen im Hinblick auf toroidale Plasmaeinrichtungen bzw. in nation des toroidalen Magnetfeldes mit dem Schraubenlinien-Verbindungen mit toroidalen Plasmaeinrichtungen. förmigen Magnetfeld erzeugt ein verdrilltes Netto-Magnet-

Die allgemeinen Schwierigkeiten in Fusionseinrichtungen feld, das der Plasmaeinrichtung relative Stabilität verleiht.

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Die schraubenlinienförmigen Spulen und die toroidalen Feldspulen können kombiniert werden, wie das in der Torsatron-Einrichtung der Fall ist. Die Schwierigkeit bei den Stellaratoren besteht in dem Problem, das Plasma in Einrichtungen von vernünftigen Abmessungen zu erzeugen und das erforderliche 5 sehr grosse Magnetfeld hervorzubringen.

Im Umkehrfeld-Pinch wird die Einschliessung dadurch erzielt, dass man ein toroidales Feld in einem sich einschnürenden Plasma einfängt und ein toroidales Feld von entge-, gengesetztem Vorzeichen zwischen dem Plasma und der 10 Wand induziert.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat gewisse Aspekte mit den Einrichtungen nach dem Stand der Technik gemein, wie beispielsweise der Tokamak-Einrichtung und dem Stellarator, aber sie unterscheidet sich davon insbe- is sondere insofern, als sie keine schweren toroidalen Feldspulen benötigt. Sie geht davon aus, dass die Stabilität durch die Kombination des poloidalen Magnetfeldes, das von dem Plasmastrom erzeugt wird, und des schraubenlinienförmigen Magnetfeldes, das von schraubenlinienförmigen Wicklungen 20 erzeugt wird, erreicht wird. Das schraubenlinienförmige Feld, das dem poloidalen Feld überlagert ist, erzeugt eine Translationstransformation, wodurch die Flusslinien schraubenli-nienförmig werden und verdrillte Flussoberflächen bilden. Um die zugrundeliegenden Zusammenhänge verstehen zu 25 können, sei zunächst auf folgende, an sich bekannte Grundsätze verwiesen.

Um magnethydrodynamisch stabil zu sein, müssen toroidale Plasmaeinrichtungen notwendige Bedingungen für den Sicherheitsfaktor q erfüllen, wobei q als mittlere Länge defi- 30 niert ist, die in der Toroidalrichtung pro Einheit des poloidalen Winkels der Drehung der Magnetfeldlinie auf einer Feldfläche durchlaufen wird, geteilt durch den Radius des Torus, bezüglich der Symmetrieachse ist, d.h.

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(dz/de>

q- -r— (i)

worin z der in der Toroidalrichtung durchquerte Abstand, 0 der Poloidalwinkel der Versetzung und R der Radius bezüg- 40 lieh der Symmetrieachse ist. Eine Feldfläche ist definiert als eine Oberfläche, auf der die magnetische Flussdichte keine Komponente hat, die senkrecht dazu verläuft. Wenn r der Radius bezüglich der Torusinnenachse ist, dann sind diese Gleichungen wie folgt: 45

(a)|q| * 1

(b) dq/dr ¥= 0 und

50

(c) |r/q dq/dr I

muss gross genug sein, um das bekannte Mercier-Kriterium zu erfüllen. Tokamak-Einrichtungen und solche Stellarator-Einrichten, die einen wesentlichen Pias- 55

mastrom führen, erfüllen allgemein die Sicherheitsbedingungen (a), indem sie durch das gesamte Plasma hindurch mit I q I > 1 arbeiten. Im Gegensatz hierzu arbeitet die Umkehrfeld-Pinch-Einrichtung mit I q I < 1 im gesamten Plasma. Ein genügend grosses so

|r/q dq/dr |, eine einbezogene Scherung, wird im Umkehr-feld-Pinch dadurch erhalten, dass q in der Nähe des Randes des Plasmas ein umgekehrtes Vorzeichen hat. Im Falle des Umkehrfeld-Pinchs sind die Feldflächen axialsymmetrisch und im Querschnitt kreisförmig, und q hat eine einfache Defi- 65 nition in Termen des toroidalen Magnetfeldes BT, des poloidalen Magnetfeldes Bp, des grösseren Radius R des Torus und des kleineren Radius r, und zwar im einzelnen für den Fall des kreisförmigen Umkehrfeld-Pinchs wie auch für die kreisförmige Tokamak-Einrichtung. Da Bp nur eine Richtung hat, kann die Umkehr von q nur durch eine entsprechende Umkehr von BT in diesem Falle erzielt werden. Im Umkehrfeld-Pinch wird dieses vorübergehend über die Zeitskala für die Diffusion des magnetischen Flusses dadurch erreicht, dass man ein toroidales Feld in einem sich einschnürenden Plasma einfängt und ein toroidales Feld von entgegengesetztem Vorzeichen zwischen dem Plasma und der Wand induziert. Der Umkehrfeld-Pinch hat die Nachteile, dass (1) das Plasma vor der Erzeugung der gewünschten Feldkonfiguration für die Einschliessung erzeugt werden muss und das beinhaltet entweder eine Schnellfeld-Programmierung oder eine turbulente Anfangsphase, in der das Plasma die Wand berühren kann und Verunreinigungen eingeführt werden können; und (2) dass das Plasma für das extern angewandte Magnetfeld, das in das Plasma eindringen und die gewünschte Konfiguration erzeugen soll, widerstandsfähig sein muss. Jedoch wird die Lebensdauer des Plasmas durch die Magnetfeld-Diffusion bestimmt, die im gleichen Zeitmassstab wie das Eindringen erfolgt. Daher ist es schwierig, die gewünschte Konfiguration zu erzeugen und sie über eine wesentliche Zeitdauer hinweg aufrechtzuerhalten. Der Umkehrfeld-Pinch hat die Vorteile, dass (1) er ein relativ höheres Beta (ß), (das Verhältnis des Plasmadrucks zum magnetischen Druck) als die Tokamak-Einrichtungen hat; und (2) dass er eine leistungsfähige Ohmsche Erhitzung besitzt, da der Betrieb bei einem relativ niedrigen q einen relativ grösseren Plasmastrom und ein relativ grösseres Längenverhältnis R/r des Torus ermöglicht.