DE1094382B

DE1094382B - Plasmaeinschliessungs- und Erhitzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE1094382B
Application number: DEU6222A
Authority: DE
Inventors: William Randolph Baker; Alexander Bratenahl; Harold Paul Furth
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1958-05-20
Filing date: 1959-05-20
Publication date: 1960-12-08
Also published as: GB886165A; FR1224646A; US3029199A; NL239339A; CH357478A

Description

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Einschließung und Erhitzung eines thermonuklearen Brennstoffes. Bei den hier in Frage kommenden Temperaturen wird der Brennstoff völlig ionisiert, wodurch ein Plasma gebildet wird, das freie Elektronen und positive Ionen enthält. Das Plasma wird durch die kombinierten Kräfte eines elektrischen und eines magnetischen Feldes (ElH) in rasche Rotation versetzt und in der Magnetfeldmulde durch die Fliehkraft gehalten und erhitzt.

Die Plasmaeinschließungs- und Erhitzungsvorrichtung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine ringförmige Innenelektrode und eine konzentrisch um diese angeordnete Außenelektrode, durch Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Innen- und der Außenelektrode, durch Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, dessen Richtung zu der des elektrischen Feldes im wesentlichen senkrecht ist und das die Ebene der Innenelektrode senkrecht schneidet, und durch einen Vorratsbehälter für ein ionisierbares Gas, der mit dem Entladungsraum zwischen der Innen- und der Außenelektrode in Verbindung steht.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese in Verbindung mit der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Plasmaeinschließungsvorrichtung, bei der Teile weggebrochen sind,

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1 und

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht, welche Teile der Vorrichtung sowie den Verlauf der magnetischen Feldlinien in der Plasmaeinschließungsvorrichtung zeigt.

In den Fig. 1 und 2 ist eine ringförmige Außenelektrode 11 gezeigt, die aus einem Material von hoher Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer, besteht und einen halbkreisförmigen Querschnitt hat, der zur Mitte des Umdrehungskörpers konkav ist, so daß die Außenwand eine ringförmige Kammer 12 bildet. Die Außenelektrode 11 ist elektrisch eine kurzgeschlossene Spule mit einer einzigen Windung.

Gleichachsig zur Außenelektrode 11 ist ein hohler zylindrischer Isolator 13 angeordnet, der die Kammer 12 mit umschließt. In der Mitte der Kammer 12 von halbkreisförmigem Querschnitt und benachbart dem zylindrischen Isolator 13 ist eine ringförmige Spule 14 symmetrisch angeordnet. Die Spule 14 ist aus schwerem Kupfer oder einem ähnlichen Material gewickelt und kann als Hohlleiter ausgebildet sein, durch den Kühlflüssigkeiten hindurchgeleitet werden Plasmaeinschließungsund Erhitzungsvorrichtung

Anmelder:
United States Atomic Energy

Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Mai 1958

William Randolph Baker, Orinda, Calif.,
Alexander Bratenahl und Harold Paul Furth,

Berkeley, Calif. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

können. Die Windungen der Spule 14 sind voneinander durch eine geeignete Isolation getrennt. Über die Fläche der Spule 14 ist eine ringförmige, elektrisch leitende Innenelektrode 15 von halbkreisförmigem Querschnitt angeordnet. Die Elektrode 15 ist von der Spule 14 durch eine Isolation 16 isoliert. Zur Vermeidung einer Störung des magnetischen Feldes kann die Oberflächenabdeckung oder Elektrode 15 sehr dünn gemacht werden, so daß eine beträchtliche Magnetflußdurchdringung bei der kurzen Impulsanstiegszeit stattfindet, die bei der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wird. An die Enden der Spule 14 ist eine Magnetfeld-Stromversorgungsquelle 17 angeschlossen, so daß ein starkes Magnetfeld um diese herum erzeugt werden kann, das den in der Fig. 2 angegebenen Verlauf hat (magnetische Kraftlinien 18).

Die Innenelektrode 15 und die Außenelektrode 11 sind an eine Spannungsquelle 19 angeschlossen; das zwischen diesen Elektroden erzeugte elektrische Feld (Feldlinien 21) steht senkrecht zum Magnetfeld. Der Verlauf sowohl der magnetischen Feldlinien 18 als auch der elektrischen Feldlinien 21 ist ähnlich dem Verlauf in der einen Hälfte einer Koaxialleitung üblicher Art. Ferner sind Gaseinlaß- und Gasauslaß-Anschluß stücke 22 und 22' an sich bekannter Art vorgesehen, durch welche ein geeignetes ionisierbares Gas in die Kammer 12 eingeleitet werden kann. An allen Verbindungsstellen zwischen den Bauelementen

009 677/396

der Vorrichtung müssen, wo es zur Aufrechterhaltung des vakuumdichten Verschlusses der Kammer 12 erforderlich ist, Vakuumdichtungen vorgesehen sein.

Zur Betrachtung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei angenommen, daß ein fusionsfähiger gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Deuterium, in die Kammer 12 eingeleitet worden ist. Zuerst wird der Spule 14 Strom aus der Magnetfeld-Stromversorgungsquelle 17 zugeführt, um um diese herum, wie beschrieben, ein starkes Magnetfeld zu erzeugen. Hierauf wird an die Elektroden 11/15 eine hohe Spannung angelegt, somit über die Kammer 12 ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch der Brennstoff rasch in den Plasmazustand übergeführt wird. Die Spannungsquelle 19 für das elektrische Feld muß daher auch einen für die Gasentladung ausreichenden Strom liefern. In der Kammer 12 tritt deshalb zuerst eine starke Gasentladung auf, in der der Spannungsabfall zwischen den Elektroden auf einem verhältnismäßig niedrigen Wert gehalten wird. Daher findet am so Anfang ein sehr starker Stromstoß statt, der in der Hauptsache durch die starke Verdrängung positiver Ionen zur negativen Elektrode hin infolge des elektrischen Feldes bedingt ist. Die Elektronenverdrängung ist dabei relativ schwächer als die der positiven Ionen. Bei ihrer Bewegung zur negativen Elektrode müssen die positiven Ionen jedoch magnetische Feldlinien kreuzen, so daß auf die Ionen eine azimutale Kraft in einer zur ursprünglichen Ionenverdrängung senkrechten Richtung ausgeübt wird.

Eine ähnliche Kraft wird auf die Elektronen ausgeübt, so daß das gesamte Plasma sich in einer azimutalen Bahn in der Kammer 12 herumbewegt. Eine solche Rotationsbewegung hat das Entstehen einer nach außen gerichteten Fliehkraft zur Folge, jedoch wirkt das Magnetfeld 18 als wirksame beschränkende Kraft gegen die radiale Verschiebung des Plasmas nach außen. Es besteht jedoch keine Beschränkung der Plasmabewegung in einer zu den magnetischen Feldlinien 18 parallelen Richtung, so daß die nach außen gerichtete Fliehkraft zur Folge hat, daß sich die Ionen im Bereich radial nach außen von der Innenelektrode 15 innerhalb eines Begrenzungsbereiches oder -volumens 23 konzentrieren, der durch die eingezeichneten Plasmabegrenzungslinien 24 eingeschlossen ist. Das Plasma wird nach außen zu dem vom Rotationsmittelpunkt am weitesten abgelegenen Bereich verdrängt, ohne daß es Magnetfeldlinien 18 kreuzt. Da die Magnetfeldlinien 18 innerhalb der Kammer einen gekrümmten Verlauf haben, wird das Plasma durch Fliehkraft wirkung auf den Bereich 23 konzentriert.

Eine weitere Kraft, die das Bestreben hat, das Plasma im Bereich 23 zu halten, besteht in den magnetischen Spiegeln, die durch das Magnetfeld 18 erzeugt werden. Im allgemeinen entsteht ein magnetischer Spiegel, wenn magnetische Kraftlinien das Bestreben haben, zu konvergieren. Ein solcher Kraftlinienverlauf bewirkt die Verdrängung geladener Teilchen aus dem Bereich des Feldes von hoher Dichte in einen Bereich geringerer Dichte. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind zwei solche magnetische Spiegel einander zugekehrt angeordnet.

In Fig. 1 und 3 sind die Mittel dargestellt, durch welche ein solcher Spiegel gebildet wird. In Fig. 3 sind die Außenelektrode 11, der zylindrische Isolator 13 und die Innenelektrode 15 schaubildlich dargestellt. Die magnetischen Linien 18, die um die Innenelektrode 15 herum bestehen, sind, wenn Strom hindurchgeleitet wird, auf der radial inneren Seite dichter als auf der radial äußeren Seite. Die magnetischen Kraftlinien 18 sind daher im Raum diametral nach außen von der ringförmigen Innenelektrode 15, der dem Bereich 23 entspricht, am geringsten konzentriert. Daher bewirken sowohl die Spiegelkräfte als auch die Fliehkraft eine Einschließung des Plasmas im Bereich 23. Der Spiegeleffekt trägt ferner dazu bei, das Austreten energiereicher Plasmateilchen nach innen zum Isolator 13 zu verhindern. Wenn ein magnetisches Spiegelfeld ohne die Fliehkraft besteht, können Teilchen, die eine niedrige Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den magnetischen Feldlinien haben, durch das Spiegelfeld austreten. Durch die Fliehkraft werden diejenigen Teilchen, welche die niedrigere Geschwindigkeitskomponente haben, die sonst durch das Spiegelfeld austreten könnten, eingeschlossen. Daher wirken die beiden Kräfte zusammen, um viel mehr Teilchen einzuschließen, als es mit einer der Kräfte allein möglich wäre.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der zylindrische Isolator 13 nicht dem Beschüß mit energiereichen Plasmateilchen ausgesetzt. Die Isolationseigenschaften des Isolators 13 würden durch eine solche Beschießung nachteilig beeinflußt werden und Verunreinigungen in die Kammer 12 gelangen.

Es seien nun die Vorgänge einer Betrachtung unterzogen, durch welche das Plasma erhitzt wird, um die relative Geschwindigkeit der Teilchen innerhalb des Plasmas zur Überwindung der abstoßenden, zwischen den Ionen bestehenden Coulombkraft zu erhöhen. Ein Plasmaerhitzungsfaktor ist ein Geschwindigkeitsgradient, der längs des Halbmessers der Plasmakammer besteht, wobei das der Innenelektrode 15 benachbarte Plasma eine höhere Rotationsgeschwindigkeit hat als das Plasma, das sich näher der Außenelektrode 11 befindet, und diese Geschwindigkeitsveränderung annähernd proportional dem reziproken Wert des Halbmessers ist.

Infolge der Ringform der Innenelektrode 15 und der Außenelektrode 11 nimmt die azimutal gerichtete Kraft, die auf das Plasma durch das magnetische Feld ausgeübt wird, ab, wenn der Bahnradius infolge der sich verringernden Konzentration der elektrischen Feldlinien bei zunehmendem Abstand von der Innenelektrode 15 zunimmt. Ein bestimmtes Segment des Plasmas hat daher eine von der radialen Stellung abhängige Rotationsgeschwindigkeit. Die radial nach innen und außen anschließenden Plasmasegmente haben eine höhere bzw. eine geringere Rotationsgeschwindigkeit, wodurch zwischen den Plasmasegmenten ein Reibungs- oder Viskositätseffekt erzeugt wird.

Die Viskositätserhitzung wird durch zykloidale Bahnen der einzelnen Ionen stark erhöht. Von jedem Ion kann angenommen werden, daß es eine mittlere kreisförmige Führungszentrumsbahn um die Plasmakammer hat. Das Ion bewegt sich jedoch auf einem viel komplizierteren zykloidalen Larmorpfad, der schwingende radiale Abweichungen nach jeder Seite der Führungszentrumsbahn aufweist, wie durch den Bahnpfad 26 in Fig. 1 dargestellt ist. Wie vorangehend beschrieben, haben Ionen, die verschiedene Führungszentrumsradien aufweisen, verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten. Infolge des zykloidalen Feinstrukturpfades der Ionen stoßen die einzelnen Ionen, die unterschiedliche Führungszentrumsbahnen und Rotationsgeschwindigkeiten haben, jedoch zusammen. Der zykloidale Pfad, dem irgendein Ion folgt, hängt von der zufälligen Richtung und Geschwindigkeit des Ions in dem Augenblick ab, in wel-

ι uy4

chem das elektrische Feld angelegt wird. Während des viskosen Erhitzungsprozesses wird durch Wechselwirkung zwischen den Ionen eine beträchtliche kinetische Energie übertragen, was zur Erhitzung des Plasmas führt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Plasmas nimmt in dem Maße ab, je mehr Rotationsenergie in kinetische Wärmeenergie umgewandelt wird.

Ein weiterer Effekt, der zur Konzentration des Plasmas im Bereich 23 beiträgt, ist der Pincheffekt, der darauf beruht, daß bei parallelen Leitern mit einer gemeinsamen Richtung des Stromflusses ein resultierendes Magnetfeld entsteht, welches das Bestreben hat, die Leiter auf eine Mindestquerschnittsfläche zu konzentrieren. Beim Anlegen des elektrischen Feldes findet, wie erwähnt, ein Verdrängungsstrom statt. Dieser Strom erzeugt einen anfänglichen Pincheffekt, welcher das Bestreben hat, das Plasma auf den Bereich 23 zu konzentrieren. Obwohl ein solcher Verdrängungsstrom-Pincheffekt nur zu Beginn des Vorgangs wichtig ist, ist er vorteilhaft, da er das Plasma zu einem Zeitpunkt einschließt und verdichtet, bevor die volle Fliehkraft erzielt wird.

Die Gleichgewichtsgeschwindigkeit der Plasmarotation ist gegeben durch:

E +

mv_e ⁱ er

wobei

v_e = Rotationsgeschwindigkeit des Plasmas, c = Lichtgeschwindigkeit, H = magnetisches Feld durch das Volumen 23, E = elektrisches Feld,

m = Maße des Teilchens,

r = Plasmaradius,

e = Ladung eines Plasmateilchens.

Der zweite Ausdruck führt zu einer geringfügig verschiedenen Geschwindigkeit für Ionen als für Elektronen infolge des verschiedenen Vorzeichens der Ladung e für Elektronen und Ionen. Dieser Geschwindigkeitsunterschied für entgegengesetzt geladene Teilchen ergibt einen azimutalen elektrischen Strom. Da das Plasma ein Leiter von geringem Widerstand ist, kann der azimutale elektrische Strom sehr stark sein, *5 so daß das dadurch erzeugte resultierende zusätzliche magnetische Feld dazu beiträgt, das Plasma im Bereich 23 sowohl durch einen axialen Pincheffekt als auch durch Verzerrung des senkrechten Magnetfeldes zur Vertiefung der magnetischen Mulde einzuschließen. Der Pincheffekt, obwohl er allein nicht ausreicht, das Plasma wirksam einzuschließen, trägt daher zur Plasmaeinschließung bei. Da die Leitfähigkeit des Plasmas endlich ist, findet ein langsamer Auswärtsdrift des Plasmas quer zu den magnetischen Feldlinien 18 statt. Obwohl dieser Drift bei zunehmender Temperatur des Plasmas abnimmt, trägt ein solcher Driftstrom zu den Gesamterhitzungswirkungen mit bei.

Außer den durch die beschriebene Anordnung bedingten Erhitzungswirkungen können zusätzliche Erhitzungsverfahren angewendet werden, um den Geschwindigkeitsgradienten durch das Plasma hindurch zu verstärken, so daß die relative Geschwindigkeitsdifferenz des benachbart angeordneten Plasmasegments auf ein Höchstmaß gebracht wird. Wenn dem radialen elektrischen Feld eine rasch schwingende Komponente überlagert wird, so kann dies eine stehende hydromagnetische Halbwelle in einer Richtung längs der magnetischen Feldlinie zur Folge haben. Der durch die zugeordneten Geschwindigkeitsgradienten längs den Feldlinien erzeugte viskose Widerstand ist hoch und führt zu einer raschen Umwandlung gerichteter kinetischer Energie in Wärmeenergie. Geschwindigkeitsgradienten können auch durch Störung der zylindrischen Symmetrie der Elektroden erzielt werden.

Obwohl die Richtung des Drifts sowohl für die negativ als auch für die positiv geladenen Teilchen die gleiche ist, findet die radiale Verdrängung der Ionen und Elektronen in entgegengesetzten Richtungen ähnlich der Verdrängung in einem Dielektrikum statt. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zur Erhitzung eines Plasmas anwendbar, sondern kann auch als kapazitive Energiespeichereinrichtung verwendet werden. Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftretenden Lade- und Entladungsströme sind denjenigen ähnlich, welche bei einem großen Kondensator von hoher Güte mit einer sehr niedrigen Induktivität erzielbar sind, und ergeben Ausgangsstromimpulse mit sehr raschen Anstiegszeiten. Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung als zur Spannungsquelle 19 des elektrischen Feldes parallel geschalteter Kondensator wird ein rotierendes Plasma in der vorangehend beschriebenen Weise erzeugt. Ein solcher Vorgang ist mit dem Kondensatorladevorgang für einen Kondensator üblicher Art vergleichbar, wobei die Strom- und Spannungswellenformen Phasenverhältnisse haben, die den der üblichen Kondensator-Strom- und -Spannungswellenformen ähnlich sind. Die kinetische Energie des rotierenden Plasmas entspricht analog der Größe V2 CV² für die in einem gewöhnlichen Kondensator gespeicherte Gesamtenergie, wobei

C=Kapazität,

V=angelegte Spannung.

Das Integral der Bewegung, der Plasmadrehimpuls, entspricht analog der an sich bekannten Kondensatorladungsgleichung Q=¹CV. Die Dielektrizitätskonstante des gleichpoligen Kondensators ist gegeben durch

4 ρ c²

wobei

K = Dielektrizitätskonstante, ρ = Plasmadichte,
c = Lichtgeschwindigkeit, H = Wert des senkrechten Magnetfeldes durch den Bereich 23.

Für die Energiedichte sind leicht Werte erzielbar, welche die Größe der maximalen Energiedichte überschreiten, die bei gewöhnlichen Kondensatoren möglich ist, so daß große Mengen elektrischer Energie in einem kleinen Volumen konzentriert werden können. Es sind daher sehr kurze Impulsanstiegszeiten mit hohen Energien erzielbar, da die Energieübergangszeit am Kondensator kurz ist und sehr kurze Verbindungskabel verwendet werden können, wodurch die induktiven Komponenten auf ein Mindestmaß verringert werden.

Nachdem ein rotierendes Plasma erzeugt worden ist, kann das Kondensatorverhalten zur weiteren Verdichtung und Erhitzung durch rasche Abschaltung der Spannungsquelle 19 für das elektrische Feld und das plötzliche Anlegen einer Kurzschlußverbindung von der Innenelektrode 15 zur Außenelektrode 11 ausgenutzt werden. Der resultierende sehr starke Strom durch den äußeren Kurzschluß erzeugt einen ähnlichen starken Strom im Plasma, und dieser starke Strom

ruft einen auf das Plasma wirkenden Pincheffekt hervor, wodurch das Plasma weiter erhitzt und verdichtet wird.

Bei anderen Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung ist die Außenelektrode ein Torus, welcher die Innenelektrode gleichachsig umschließt. Eine solche Konstruktion ist baulich starrer als die in Fig. 1 und 2 gezeigte, jedoch ist die Zugänglichkeit zur Innenelektrode für elektrische Verbindungsstücke schwieriger. Bei wieder anderen Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung hat die Außenelektrode 11 die Form einer Spule mit einer einzigen oder mehreren Windungen. Der starke Strom tritt dann durch die Außenelektrodenspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes hindurch. Die Innenelektrode der letztgenannten Ausführungsform wird dann in Form eines ununterbrochenen Ringes oder einer Spule, wie beschrieben, hergestellt. Es ist ferner möglich, die Funktionen der ringförmigen Spule 14 und der Innenelektrode 15 in einer einzigen Elektrode zu kombinieren, wobei die Spannungsquelle für das elektrische Feld und die Stromquelle für das magnetische Feld je eine gemeinsame Verbindung mit einer solchen Elektrode haben.

Claims

Patentansprüche:

1. Plasmaeinschließungs- und Erhitzungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine ringförmige Innenelektrode (15) und eine konzentrisch um diese angeordnete Außenelektrode (11), durch Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Innen- und der Außenelektrode, durch Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, dessen Richtung zu der des elektrischen Feldes im wesentlichen senkrecht ist und das die Ebene der Innenelektrode senkrecht schneidet, und durch einen Vorratsbehälter für ein ionisierbares Gas, der mit dem Entladungsraum (12) zwischen der Innen- und der Außenelektrode in Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ringförmige Außenelektrode, die einen wesentlich größeren Innenflächenbereich als die Innenelektrode hat.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine ringförmige Außenelektrode, welche eine der Innenelektrode zugekehrte konkave Fläche aufweist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine ringförmige Innenelektrode, die eine nach außen gerichtete Fläche und einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, durch eine ringförmige Isolierung (13), die in Verbindung mit der Innen- und der Außenelektrode eine Kammer (12) bildet.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zwischen der Isolierung (13) und der Innenelektrode (15) angeordnete elektrisch leitende ringförmige Spule (14).

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine an die Spule (14) und die Außenelektrode (11) angeschlossene Spannungsquelle (17) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, durch eine Stromquelle zur Speisung der erwähnten Spule mit elektrischem Strom und durch eine zwischen der Spule (14) und der Innenelektrode (15) angeordnete Isolierung (16).

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine an die Innen- und an die Außenelektrode angeschlossene Hochspannungsquelle (19) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und durch eine über die Außenfläche der Außenelektrode angeordnete Magnetfeldspule.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen