DE102009052623A1 - Method for enclosing plasma in chamber filled with gas at preset pressure or low pressure, involves producing plasma within chamber, where gas and plasma are brought to permanent rotation and lighter plasma is displaced to axis of rotation - Google Patents

Method for enclosing plasma in chamber filled with gas at preset pressure or low pressure, involves producing plasma within chamber, where gas and plasma are brought to permanent rotation and lighter plasma is displaced to axis of rotation Download PDF

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Abstract

The method involves producing plasma (2) within a chamber, where gas (1) and plasma are brought to permanent rotation. The lighter plasma is displaced to an axis of rotation by buoyant force acting against centrifugal force while cool, and heavier non-ionized surrounding gas remains on a periphery. The gas mass is brought to rotation by rotating the chamber. The plasma is enclosed in a short time and for longer time or infinitely. The enclosed plasma is brought to intermittent temperature by energy impulses.

Description

Die Erfindung betrifft den Einschluss von Plasma. Das Problem des Plasmaeinschlusses ist von großer Bedeutung in vielen Technikgebieten, wo Plasma genutzt wird, vor allem im Gebiet der Kernfusion. Das bisher am meisten entwickelte Verfahren beruht auf dem Prinzip des magnetischen Einschlusses, indem ein heißes Plasma, aus frei beweglichen Ionen und Elektronen durch starke Magnetfeldern zusammen gehalten wird. Es hat aber den grundlegenden Mangel der fehlenden Stabilität des Plasmas. Ein zeitlich unbegrenzter magnetischer Plasmaeinschluss lässt sich beim derzeitigen Stand der Technik nicht erreichen. Außerdem entsteht beim Bau von Reaktoren mit großen Magneten ein enormer technischer Aufwand.The invention relates to the inclusion of plasma. The problem of plasma confinement is of great importance in many areas of technology where plasma is used, especially in the field of nuclear fusion. The most advanced method to date is based on the principle of magnetic confinement, in which a hot plasma composed of free-moving ions and electrons is held together by strong magnetic fields. But it has the basic lack of the lack of stability of the plasma. An indefinite magnetic plasma confinement can not be achieved in the current state of the art. In addition, the construction of reactors with large magnets creates a huge technical effort.

Beim so genannten Trägheitseinschluss benötigt man keine Magnetfelder, aber das Plasma wird nur für sehr kurze Zeiten eingeschlossen. Die Anwendung dieses Prinzips besitzt im Detail ebenso viele Probleme wie die Benutzung des magnetischen Einschlusses.The so-called inertial confinement requires no magnetic fields, but the plasma is confined only for very short times. The application of this principle has as many problems in detail as the use of magnetic confinement.

Literatur:Literature:

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum dauernden Einschluss vom Plasma anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren ermöglichen, gegenüber dem Stand der Technik stabile Plasmen zu gewinnen.The invention has for its object to provide a method for continuous confinement of the plasma. In particular, the method is intended to enable stable plasmas to be obtained over the prior art.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der neuen Problemlösung kein Magnetfeld für den Plasmaeinschluss eingesetzt.This object is achieved by the method specified in claim 1. In contrast to the prior art no magnetic field is used for the plasma confinement in the new problem solution.

Das Verfahren soll anhand der Zeichnungen mit der 1 und 2 erläutert werden.The method is based on the drawings with the 1 and 2 be explained.

Eine Kammer wird mit Gas 1 unter einem bestimmten Druck oder Niederdruck gefüllt. Die Gasmasse wird dann entweder (1) durch Drehen der ganzen Kammer, oder (2) durch Einsatz einen oder mehreren Ventilatoren, oder nach beiden Verfahren (1) und (2) zusammen, oder nach einer anderen Art und Weise zur Rotation gebracht. Danach wird im zentralen Bereich der Kammer nach einem von bekannten Verfahren, z. B. Strom, Hochfrequenzwellen usw., das Plasma 2 erzeugt. Bei der Rotation entsteht in der Gasmasse die Zentrifugalkraft FZ = mω2r worin m – die Masse, ω – die Winkelgeschwindigkeit, r – die Entfernung vom Zentrum sind. Weil das Plasma leichter als nichtionisiertes Gas ist, wird es durch den Auftrieb FA, der entgegen der Zentrifugalkraft FZ wirkt, zum Drehzentrum 3 verdrängt. Das Plasma wird dabei im Bereich von Dreheachse eingeschlossen. Das das Plasma umgebene Gas dient als Thermoisolation und verhindert Zerstörung des Plasmas durch Kontakt mit den Wänden der Kammer.A chamber is gas 1 filled under a certain pressure or low pressure. The gas mass is then rotated either (1) by turning the whole chamber, or (2) by using one or more fans, or by both methods (1) and (2) together, or in another way. Thereafter, in the central region of the chamber according to a known method, for. As power, high frequency waves, etc., the plasma 2 generated. During rotation, the centrifugal force is created in the gas mass F Z = mω 2 r where m - mass, ω - angular velocity, r - distance from the center. Because the plasma is lighter than non-ionized gas, it becomes the center of rotation due to the buoyancy F A acting counter to the centrifugal force F Z 3 repressed. The plasma is enclosed in the area of rotation axis. The gas surrounding the plasma serves as thermal insulation and prevents destruction of the plasma by contact with the walls of the chamber.

Das Verfahren kann beim kontinuierlichen Betrieb eingesetzt werden, dabei das Plasma durch ständige Energiezuführung vom Außen aufrechterhaltet wird. Es ist auch ein intermittierender Betrieb möglich, während dessen beim kontinuierlichen Betrieb das Plasma durch zusätzliche Energiezuführungen, z. B. durch Ionenstrahlen, in bestimmten Zeitabschnitten stark erhitzt wird. Dabei können bei mäßigen Konstruktionsbelastungen höhere Plasmatemperaturen erreicht werden.The method can be used in continuous operation, while the plasma is maintained by external energy supply from the outside. It is also an intermittent operation possible during which during continuous operation, the plasma by additional power supplies, z. B. by ion beams, is heated strongly in certain periods. At moderate design loads higher plasma temperatures can be achieved.

Beim intermittierenden Betrieb dehnt sich das Plasma während der pulsierenden starken Zusatzerhitzung vom Drehezentrum aus und befindet sich dabei unter der Wirkung der Corioliskraft (S. 2, 4 – Ausdehnungsrichtung, 5 – Plasmabewegung unter der Wirkung der Corioliskraft). Diese Wirkung kann unter Umständen die schnelle Ausdehnung verlangsamen und dadurch zur zusätzlichen Einschluss des Plasmas führen.In the intermittent operation, the plasma expands during the pulsating strong additional heating from the rotation center and is under the effect of the Coriolis force (S. 2 . 4 - expansion direction, 5 - plasma movement under the action of Coriolis force). This effect may slow the rapid expansion and cause additional plasma entrapment.

Beispiel 1. KernfusionsreaktorExample 1. Nuclear Fusion Reactor

Eine Anwendungsmöglichkeit derartig eingeschlossener Plasmen ist z. B. in dem Energiegewinn mittels Kernfusion gegeben. Im Fusionsreaktor wird eine großvolumige (ca. 1000 m3) zylinderförmige rotierende Kammer eingebracht und mit Wasserstoff/Deuterium/Tritium Gemisch gefüllt. Im Zentrum der Kammer wird das mittelheiße Plasma erzeugt und erfindungsgemäß dauernd eingeschlossen. Dann wird das Plasma durch Ionenstrahlen so stark erhitzt, dass die Zündbedingungen, also die benötige Temperatur und Dichte des Plasmas, erreicht werden. Die Impulse von Ionenstrahlen werden danach regelmäßig wiederholt und die Kernfusion findet pulsweise statt. Das Produkt der Fusionsreaktion Helium ist schwerer als Wasserstoff, es wird durch die Zentrifugalkraft aus der Reaktionszone entfernt und zur Wand der Kammer geschleudert, woher es später abgesaugt kann. Gebrauchte Deuterium und Tritium werden durch Ionenstrahlen nachgefüllt. Die freigesetzte Fusionsenergie wird von den Reaktorwänden absorbiert und in die Wärme umgewandelt.One application of such entrapped plasmas is z. B. given in the energy gain by nuclear fusion. In the fusion reactor, a large-volume (about 1000 m 3 ) cylindrical rotating chamber is introduced and filled with hydrogen / deuterium / tritium mixture. In the center of the chamber, the medium-hot plasma is produced and permanently enclosed according to the invention. Then the plasma is heated so strongly by ion beams that the ignition conditions, ie the required temperature and density of the plasma, are achieved. The pulses of ion beams are then repeated regularly and the nuclear fusion takes place in pulses. The product of the fusion reaction helium is heavier than hydrogen, it is removed by the centrifugal force from the reaction zone and thrown to the wall of the chamber, whence it later can sucked. Used deuterium and tritium are refilled by ion beams. The released fusion energy is absorbed by the reactor walls and converted into heat.

Beispiel 2. Plasma-RaketenantriebExample 2. Plasma rocket drive

In einer schnell rotierenden Zylinderkammer wird erfindungsgemäß Plasma eingeschlossen. Das Plasma wird am einen offenen Ende der Kammer herausgeschleudert. Dadurch entsteht eine Schubkraft. Vorteile gegenüber Stand der Technik: 1) hohe Plasmadichte und dadurch hohen Schub, 2) gute Thermoisolation der Kammer vom heißen Plasma und 3) leichtere Konstruktion des Raketenantriebs, da kein schweres Magnetsystem fürs Plasmaeinschluss verwendet wird.In a rapidly rotating cylinder chamber according to the invention plasma is included. The plasma is ejected at one open end of the chamber. This creates a thrust. Advantages over the prior art: 1) high plasma density and thereby high thrust, 2) good thermal insulation of the chamber from the hot plasma and 3) easier construction of the rocket engine, since no heavy magnet system is used for the plasma confinement.

Beispiel 3. Leistungsstarke LichtquelleExample 3. Powerful light source

In einem schnell rotierenden transparenten Zylinder wird erfindungsgemäß Plasma eingeschlossen. Optisch dickes Plasma strahlt ein kontinuierliches Spektrum aus. Je nach Temperatur des Plasmas wird sichtbares Licht, Ultraviolett oder Röntgenlicht ausgestrahlt. Dank der Möglichkeit ein großvolumiges Plasma einzuschließen und große Energiemenge hineinzupumpen, kann man sehr hohe Lichtintensität erreichen. Solche leistungsstarke Lichtquellen könnten z. B. für optisches Pumpen von Laser benutzt werden.In a rapidly rotating transparent cylinder, plasma is enclosed according to the invention. Optically thick plasma emits a continuous spectrum. Depending on the temperature of the plasma, visible light, ultraviolet or X-ray light is emitted. Thanks to the possibility of enclosing a large-volume plasma and pumping in large amounts of energy, it is possible to achieve very high light intensity. Such powerful light sources could z. B. be used for optical pumping of laser.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie einen stabilen und dauernden Plasmaeinschluss ermöglicht. Erfindungsgemäß ist ein zeitlich unbegrenzter Plasmaeinschluss realisierbar, auch bei den großvolumigen Plasmen.A first advantage of the invention is that it enables stable and continuous plasma confinement. According to the invention, an indefinite plasma confinement can be realized, even in the case of large-volume plasmas.

Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie eine Isolierung des Plasmas von den Wänden ermöglicht. Das nichtionisierte Umgebungsgas schließt eine Berührung des Plasmas mit den Wänden der Kammer aus, dies gewährleistet konstante Plasmaeigenschaften und verhindert das Ätzen den Wänden und die Verschmutzung von Plasma.A second advantage of the invention is that it allows isolation of the plasma from the walls. The non-ionized ambient gas precludes contact of the plasma with the walls of the chamber, ensuring constant plasma properties and preventing etching of the walls and contamination of plasma.

Ein dritter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie ganz unterschiedliche Größe der Kammer von einigen Kubikzentimeter bis zu mehreren hunderten Kubikmeter und darüber, je nach Art und Weise des Verwendungszwecks, erlaubt.A third advantage of the invention is that it allows quite different chamber sizes from a few cubic centimeters to several hundred cubic meters and above, depending on the intended use.

Ein vierter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie sowohl im Niederdruck als auch im Atmosphärendruck und darüber angewendet werden kann. Dadurch können Plasmen mit ganz unterschiedlichsten Dichten gebildet werden.A fourth advantage of the invention is that it can be applied both in low pressure and in atmospheric pressure and above. As a result, plasmas with very different densities can be formed.

Ein fünfter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie, im Gegensatz zum Verfahren mit magnetischem Plasmaeinschluss, Verwendung von Ionenstrahlen statt Neutralpartikelstrahlen für die Erhitzung von Plasma erlaubt.A fifth advantage of the invention is that, unlike the method of magnetic plasma confinement, it allows for the use of ion beams rather than neutral particle beams for the heating of plasma.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • Manfred von Ardenne, Effekte der Physik und ihre Anwendungen, Harri Deutsch Verlag, 2005, Ausgabe 3, S. 269–272 [0003] Manfred von Ardenne, Effects of Physics and its Applications, Harri Deutsch Verlag, 2005, Issue 3, pp. 269-272 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Einschluss von Plasma in einer Kammer, die mit einem Gas unter einem bestimmten Druck oder Niederdruck gefüllt ist, wobei innerhalb der Kammer nach einem von bekannten Verfahren Plasma erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas und das Plasma zum ständigen Rotation gebracht werden.A method of confining plasma in a chamber filled with a gas under a certain pressure or low pressure, wherein plasma is generated within the chamber according to one of known methods, characterized in that the gas and the plasma are made to rotate continuously. Verfahren nach Anspruch 1, wobei leichteres Plasma durch den Auftrieb, der entgegen der Zentrifugalkraft wirkt, also zum Drehzentrum, zum Drehachse verdrängt wird, währenddessen das kälteres und schwereres nichtionisiertes Umgebungsgas auf der Peripherie bleibt.The method of claim 1, wherein lighter plasma is displaced by the buoyancy acting against the centrifugal force, ie to the center of rotation, to the axis of rotation, during which the colder and heavier non-ionized ambient gas remains on the periphery. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das das Plasma umgebenden nichtionisiertes Gas als Thermoisolation dient.The method of claim 1, wherein the non-ionized gas surrounding the plasma serves as a thermal insulation. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasmasse durch das Drehen der ganzen Kammer zur Rotation gebracht wird.The method of claim 1, wherein the gas mass is made to rotate by rotating the whole chamber. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasmasse durch Einsatz einen oder mehreren Ventilatoren zur Rotation gebracht wird.The method of claim 1, wherein the gas mass is made to rotate by use of one or more fans. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 3, wobei das Plasma kurzzeitig eingeschlossen wird.The method of claims 1 to 3, wherein the plasma is included for a short time. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 3, wobei das Plasma längere Zeit oder unendlich eingeschlossen wird.The method of claims 1 to 3, wherein the plasma is occluded for a long time or infinitely. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eingeschlossenes Plasma durch Energieimpulse zur intermittierenden Erhitzung gebracht wird.The method of claim 7, wherein trapped plasma is caused to intermittently heat by energy pulses. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die Erhitzung von Plasma die Ionenstrahlen benutzt werden.The method of claim 1, wherein the ion beams are used for the heating of plasma. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, wobei das Plasma unter der Wirkung von Corioliskraft während der Plasmaausdehnung zusätzlichen Einschluss bekommt.The method of claim 6 or 8, wherein the plasma receives additional inclusion under the action of Coriolis force during the plasma expansion.
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