DE1068824B - - Google Patents

Description

• Anordnung und Verfahren zur Erzeugung einer ringartigen Plasmaströmung in einer kreissymmetrischen Reaktionskammer Es ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, in Plasmaströmen Kernreaktionen, insbesondere Kernfusionen zum Zwecke der Energieerzeugung auszulösen (Kernfusionsreaktor), ohne daß bisher ein Experiment bekanntgeworden wäre, bei dem eine technisch beherrschte Fusionsreaktion gelungen wäre. Nach einem dieser Vorschläge soll die Reaktionskammer und damit auch die Plasmaströmung in dieser Kammer Toroidform besitzen.
• Die vorliegende Erfindung schlägt nun eine Anordnung zur Erzeugung eines Plasmatoroids für Versuchsapparaturen, in denen Kernreaktionen erzwungen werden sollen, vor und gibt entsprechend ein Verfahren an, nach welchem der Plasmatoroid in einer kreissymmetrischen Reaktionskammer mit zentralem rotations- und achsensymmetrischem Magnetfeld erzeugt und die Verlustwärme und etwa bei Kernreaktionen frei werdende Energie nutzbringend auf ein Arbeitsmittel übertragen wird. Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Anordnung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Ionen- und Elektronenquellen, von denen die ersteren die Reaktionskammer umgeben und mit ihr über Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehen und von denen die letzteren innerhalb der Reaktionskammer auf den Polen des das zentrale Magnetfeld erzeugenden Elektromagneten angeordnet sind.
• Das Verfahren zur Erzeugung des Plasmatoroids ist gemäß weiterer Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ionenquellen emittierten Ionenstrahlen additiv und unter Mitwirkung des zentralen Magnetfeldes eine ringartige Ionenströmung erzeugen, die von den in sie einfallenden Elektronen in eine neutrale Plasmaströmung (Plasmatoroid) übergeführt werden.
• Endlich läuft der Reaktionsprozeß in der Reaktionskammer zyklisch in folgenden drei Stufen ab: Einschießen von Ionen und Elektronen zum Aufbau des Plasmatoroids - Auslösung, von Kernreaktionen im Plasma und Expansion des Plasmatoroids -Durchleitung eines Kühlmittels durch die Reaktionskammer. Im folgenden sei dieser Prozeß zusammen mit einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer Reaktionskammer erläutert, es zeigt Fig. 1 die Reaktionskammer schematisch im Waagerechtschnitt und Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 schematisch im Senkrechtschnitt.
• Die Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 besteht aus der kreissymmetrischen Kammer 1 mit dem rotations-und achsensymmetrischen Magnetfeld 2 und einer Vielzahl von Ionenquellen 3, welche die Reaktionskammer 1 umgeben und Fokussierungseinrichtungen 4 besitzen. Als Ionenquellen kommen in erster Linie solche in Frage, die Protonen, positiv geladene Deuteronen, T- oder He3-Kerne mit thermischen oder epithermischen Energien liefern. Bei einem Ringdurchmesser der Reaktionskammer von etwa 10 m, einem gegenseitigen Abstand der Ionenquellen von 10 cm und einer Ionenstromstärke von nur 0,5 A pro Ionenquelle läßt sich ein Gesamtionenstoß von etwa 1500 A erzielen.
• Zwischen die Ionenquellen 3 und die Durchtrittsöffnungen 5 der Reaktionskammer sind die geschlitzten Elektroden 6, ? eines Zylinderkondensators eingefügt, in dessen Feld 8 die Ionen auf etwa 1 MeV beschleunigt werden. In der Reaktionskammer 1 erzeugen sie, nachdem sie zuvor in den Magnetfeldern 9 der Durchtrittsöffnungen abgelenkt wurden, additiv eine ring; artige Ionenströmung. Wie Fig. 1 besonders deutlich zeigt, bilden die eintretenden Ionenstrahlen unter dem Einfluß des zentralen Magnetfeldes 2 die genannte Ringströmung in einer Weise, die man - mechanisch gesehen - als »Aufwicklung« bezeichnen kann. Die Ionenstrahlen wickeln sich sozusagen wie Fäden auf eine Spule auf.
• Damit die Aufwicklung nicht durch die ständig zunehmende positive Ionenraumladung zu früh zum Erliegen kommt, muß die Ionenringströmung, elektrisch neutralisiert werden. Zu diesem Zweck sind, wie Fig. 2 zeigt, auf jedem Polschuh des zur Erzeugung des zentralen Magnetfeldes 2 dienenden Elektromagneten 10 Elektronenquellen 11 angebracht, die in Anpassung an die Ringströmung kreisförmig über die Polschuhflächen verteilt sind. Die Elektronenquellen emittieren parallel des zentralen Magnetfeldes 2 Elektronen in die Ringströmung und kompensieren dadurch die erwähnte Ionenraumladung. Zugleich tragen sie zur Stabilisierung des nun entstandenen elektrisch neutralen Plasmatöroids 12 bei. Denn wenn gerade so viele Elektronen oder negativ geladene Ionen im »Aufwickelgebiet« vorhanden sind als positive Ladungen, so werden sowohl die coulombschen Abstoßungskräfte zwischen den Ionen als auch die von ihnen ausgehenden magnetischen Kräfte kompensiert.
• Beim Aufbau des Plasmatoroids bildet dieses ein eigenes Magnetfeld aus, das sich dem zentralen Magnetfeld 2 überlagert und um dessen Achse die in das Plasmatöroid einfallenden Ionen- und Elektronenströme in beliebiger Ebene herumpendeln. Dadurch entsteht eine Ladungsverschiebung der positiv geladenen Ionen gegen die Plasmaelektronen in und am Plasmatoroid, d. h. eine Plasmaschwingung. Infolge der sich dadurch ausbildenden Anziehungskräfte zwischen den ungleichen Ladungen wird jedoch die erwähnte Pendelbewegung wieder weitgehend abgedämpft, so daß das Plasmatoroid eine Form annimmt, in der die Bedingungen für eine Ionenabstrahlung ungünstiger sind.
• Im plasmaeigenen Magnetfeld führen die Ionen ferner eine pendelartige Bewegung entlang ihrer Umlaufbahn aus. Sie erhalten dadurch die Möglichkeit, miteinander zu kollidieren. Sind ihre Relativgeschwindigkeiten groß genug, so werden sich Kernvereinigungen einstellen. Wirkliche Fusionsreaktionen - d. h. Kernreaktionen in einem endlichen Plasmavolumen und nicht nur zwischen vereinzelten Atomkernen -und gar solche, die technisch ausnutzbar wären, stellen sich vermutlich bestenfalls dann ein, wenn die Stromstärke im Plasma auf etwa 105 bis 10s A und die Teilchendichten der Deuteronen oder Tritonen hinreichend gewachsen sind.
• Um eine möglichst wirksame Stabilisierung des Plasmatoroids zu erreichen, können noch die im folgenden erläuterten Mittel angewandt werden: Zunächst empfiehlt sich, die Lamellen des Elektromagneten 10 als kreissymmetrische Zylindersegmente auszubilden, die Einrichtungen zur Einzelerregung besitzen und in radialer Richtung verschiebbar angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine räumliche und zeitliche Anpassung an die Geometrie des Plasmatoroids und an sein dynamisches Verhalten möglich. Ferner kann man vorsehen, das zentrale Magnetfeld 2, das ein Gleichfeld ist, mit der Zeit ansteigen zu lassen. Dadurch wird einem Auseinanderdiffundieren der Plasmateilchen entgegengewirkt.
• Auch durch konkave Ausbildung der Polschuhe kann das Plasmatoroid in seiner zentralen Gleichgewichtslage gehalten werden. Es bildet sich nämlich dann an den Polschuhrändern eine zylindrische verdichtete magnetische Wand aus, die das Plasma umgibt. Je länger die erwähnte Expansion des Plasmatoroids verhindert werden kann, desto mehr heizt sich das Plasma auf und werden die Voraussetzungen für Kernreaktionen verbessert.
• Aus dem bisher erläuterten Verhalten des Plasmatoroids und der Art seiner Erzeugung in der Anordnung gemäß der Erfindung ergibt sich für eine technische Ausnutzung der bei Reaktionen etwa freigesetzten Energien folgender - bereits zu Anfang erwähnter - zyklischer dreistufiger Prozeß : Einschießen von Ionen und Elektronen zum Aufbau des Plasmatoroids - Kernreaktionen im Plasma und Expansion des Plasmatoroids - Durchleitung eines Kühlmittels durch die Reaktionskammer.
• Die zeitliche Dauer der ersten Stufe ist so zu bemessen, daß die in das Plasma eingestrahlten Elektronen, die durch die Zusammenstöße mit den Ionen immer schneller werden, das zentrale Magnetfeld nicht zu sehr schwächen können.
• Weiter ist der Vorgang der zweiten Stufe dann beendet, wenn das Plasmatoroid infolge seiner Expansion die Wandungen der Reaktionskammer erreicht. In diesem Zeitpunkt schaltet man zweckmäßig die Ionen- und Elektronenquellen ab. Man betreibt sie also intermittierend gemäß dem vorstehenden Zyklus.
• Nach Abschaltung der Ionen- und Elektronenquellen leitet man in der dritten Stufe ein Kühlmittel, z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas, zur Ableitung der Wärmeenergie durch die Reaktionskammer und weiter in eine Arbeitsmaschine oder sonstige wärmeausnutzende Einrichtung. Da der Prozeß zyklisch abläuft, wäre es unter Umständen auch möglich, sofern man der technischen Beherrschung von Fusionsreaktionen nähergetreten ist, einem Fusionsreaktor auf diese Weise die nutzbare Energie zu entziehen.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zur Erzeugung einer ringartigen Plasmaströmung in einer kreissymmetrischen Reaktionskammer mit zentralem rotations- und achsensymmetrischem Magnetfeld, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Ionen- und Elektronenquellen, von denen die ersteren die Reaktionskammer umgeben und mit ihr über Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehen und von denen die letzteren innerhalb der Reaktionskammer auf den Polen des das zentrale Magnetfeld erzeugenden Elektromagneten angeordnet sind. 2. Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ionenquellen emittierten Ionenstrahlen additiv und unter Mitwirkung des zentralen Magnetfeldes eine ringartige Ionenströmung erzeugen, die von den in sie einfallenden Elektronen in eine neutrale Plasmaströmung (Plasmatoroid) übergeführt werden. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquellen geometrisch in Anpassung an die Ringströmung auf den Polschuhen des Elektromagneten mit Emissionsrichtung parallel zur Richtung des zentralen Magnetfeldes angeordnet sind. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquellen und die Durchtrittsöffnungen voneinander durch die geschlitzten Elektroden eines die Reaktionskammer konzentrisch umgebenden Zylinderkondensators getrennt sind, durch dessen Feld die Ionen beschleunigt werden. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die in den Durchtrittsöffnungen jeweils ein zur Achse der Reaktionskammer parallel gerichtetes zweites Magnetfeld bilden, welches die durchtretenden Ionen tangential in den Wirkungsbereich des ersten zentralen Magnetfeldes ablenkt, unter dessen Einfluß sie sich in einer Ringströmung vereinigen. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquellen Fokussierungseinrichtungen besitzen. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen des Elektromagneten aus kreissymmetrisch angeordneten zylindrischen Segmenten bestehen, welche Einrichtungen zur Einzelerregung derselben besitzen und in radialer Richtung verschiebbar angeordnet sind. B. Anordnung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhflächen konkav ausgebildet sind und die entsprechenden Magnet-Lamellen so erregt werden, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Radialverschiebung, daß unter dem Einfluß dieser Maßnahmen eine Stabilisierung des expandierenden Plasmatoroids bewirkt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Nucleonics 14, Nr.
2. 2, S. 43/44, 1956.