DE1094889B - Vorrichtung zur Umschliessung eines Plasmas von hoher Temperatur - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und zur stabilen Umschließung eines Plasmas von hoher Temperatur in einer evakuierten Zone.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung einer Plasma-Magnetfeld-Konfiguration in einer evakuierten Zone mit einer Grenzfläche zwischen dem Plasma und dem Ivlagnetfeld, die zum Plasma überall konvex ist derart, daß das Plasma Scheitel aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist an Hand der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Umriß einer zweidimensionalen Plasma-Magnetfeld-Konfiguration mit vier Scheiteln als Beispiel eines feldfreien Plasmas, das durch eine Grenzfläche von einem Vakuum-Magnetfeld getrennt ist;

Fig. 2 zeigt einen Umriß von drei zweidimensionalen Plasma-Magnetfeld-Konfigurationen als Beispiele der kleinsten und der größten Plasmaumschließungskonfiguration für eine besondere Wicklungsund Stromanordnung und einer Plasma-Magnetfeld-Konfiguration mit einer Grenzfläche, die zum Plasma überall konvex ist, jedoch mit einem Plasma ohne Scheitel;

Fig. 3 zeigt einen Umriß einer dreidimensionalen Plasma-Magnetfeld-Konfiguration, die durch Drehung des in Fig. 1 dargestellten Plasmas um eine durch zwei Scheitel gelegte Achse erhalten wird; sie ist als Beispiel einer Plasma-Magnetfel'd-Konfiguration mit einem Linienscheitel und zwei Punktscheiteln gegeben; Fig. 4 zeigt einen Umriß einer Plasma-Magnetfeld-Konfiguration mit drei kreisförmigen Linienscheiteln und zwei Punktscheiteln;

Fig. 5 zeigt einen Umriß einer ringförmigen Plasma-Magnetfeld-Konfiguration mit mehreren durch Linienscheitel verbundenen Abschnitten;

Fig. 6 zeigt eine Linienzeichnung eines ringförmigen Plasma-Magnetfeldes, das durch Drehen des in Fig. 1 dargestellten Scheitelplasmas um eine außerhalb des Plasmas in dessen Ebene liegende Achse erhalten wurde;

Fig. 7 zeigt einen Umriß einer Plasma-Magnetfeld-Konfiguration, die durch Verschiebung der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration längs der senkrechten Richtung zu ihrer Ebene erhalten wurde;

Fig. 8 zeigt einen Umriß eines stromführenden Leiters in der Plasma-Magnetfeld-Konfiguration nach der Fig. 3;

Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung eine stromführende Spulenanordnung zur Erzeugung der Plasma-Magnetfeld-Konfiguration nach der Fig. 3;
Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung eine Re-Vorrichtung

zur Umschließung eines Plasmas
von hoher Temperatur

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 2. Juli 1958

Kurt Otto Friedrichs und Harold Grad,

New Rochelle, N. Y. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

aktionskammer mit der Spulenanordnung und die Plasma-Magnetfeld-Konfiguration nach der Fig. 9.

In Fig. 1 ist eine zweidimensionale Plasma-Magnetfeld-Konfiguration dargestellt, die durch ein Plasma 10 und Liniengleichströme 12 bis 18 gebildet wird. Die Linienströme 12/18 bzw. 14/16 fließen in entgegengesetzter Richtung und erzeugen Magnetfelder 20 bis 26. Das Plasma 10 bildet in Zusammenwirkung mit den Magnetfeldern 20 bis 26 Grenzflächen 28 bis 34, welche eine Begrenzung des Plasmas 10 bilden, die zu diesem überall konvex ist. Die Magnetfelder 28 bis 34 werden erregt, nachdem das Plasma 10 erzeugt worden ist. Da das Plasma 10 ein hochleitfähiger Materiezustand ist, bestehen Ströme, welche durch Induktion in den Grenzflächen 28 bis 34 fließen. Die durch diese Ströme erzeugten Magnetfelder treten mit den Magnetfeldern 28 bis 34 in Wechselwirkung, um das Plasma 10 auf eine Scheitelform mit den Scheiteln 36 bis 42 zu verdichten.

Je höher die Temperatur des Plasmas 10 ist, desto größer ist der Verlust an Plasmaionen durch, die Scheitel 36 bis 42. Dieser Verlust kann durch ein Magnetfeld im Plasma herabgesetzt werden.

Fig. 7 zeigt eine dreidimensionale Plasmamagnetfeld-Konfiguration 44, die durch eine Bewegung der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration senkrecht zu

009 678/434

3 4

ihrer Ebene erhalten worden ist. In das Plasma 46 zieren im Plasma 85 Oberflächenströme. Diese Ober-

der Konfiguration 44 tritt ein Magnetfeld 45 ein. Der flächenströme wirken mit den durch die Spulen 92

Ionenverlust durch die Linienscheitel 48 bis 54 ist und 94 erzeugten Magnetfeldern zur Bildung des

verringert, da die Ionen des Plasmas 46 eine Gyra- Linienscheitels 90 und der Punktscheitel 86 und 88 tionsbewegung um die Feldlinien des Magnetfelds 45 5 zusammen.

ausführen, so daß sie in ihrer Bewegung beschränkt Hierauf wird das Plasma 85 weiter erhitzt, indem

sind. der Strom in den Spulen 92 und 94 rasch verstärkt

Die zweidimensionale Plasma-Magnetfeld-Konfigu- wird. Dies hat eine adiabatische Verdichtung des

iationen a, b und c der Fig. 2 zeigen, daß es bei einem Plasmas zur Folge, d. h. ohne Wärmeaustausch zwigegebenen Strom und einer gegebenen Spulenanord- io sehen dem Plasma und seiner Umgebung, was zu

iiung eine kleinste Konfiguration 56 und eine größte einer Erhitzung des Plasmas führt.

Konfiguration 58 gibt, die das Plasma umschließen. Die Anordnung nach Fig. 10 kann für das Erzielen

Fig. 2 c zeigt eine Plasma-Magnetfeld-Konfiguration, direkter Ionenströme zur Verwendung in der For-

clie größer ist als die größte Form 58, bei welcher schung und in der Industrie bei Anordnung von Tar-

kein Austritt von Ionen aus der Plasmazone erfolgt. 15 gets oder Auffängern in der Nähe der Scheitel be-

Die Scheitel sind verschwunden, und das Plasma geht nutzt werden. Sowohl vor als auch nach der Erregung

rasch durch die öffnungen 62 bis 68 zwischen den in der Plasma-Magnetfeld-Konfiguration 85 fließen

Grenzflächen 70 und 72, 72 und 74, 74 und 76 bzw. Plasmaströme aus der Konfiguration 85 durch die

76 und 70 verloren. Punktscheitel 86 und 88 längs einer durch diese ge-

In Fig. 3 und 9 ist eine Plasma-Magnetfeld-Kon- 20 legten Achse und durch den kreisförmigen Linieniiguration 85 gezeigt, welche zwei Punktscheitel 86 Scheitel in allen Auswärtsrichtungen, die in seiner und 88 und einen kreisförmigen Linienscheitel 90 auf- Ebene liegen, heraus. Innerhalb der Konfiguration 85 weist. Diese Konfiguration wird durch Drehung der befinden sich die Plasmaionen und Elektronen in in Fig. 1 dargestellten Konfiguration um eine durch regelloser Bewegung. Das Plasma fließt durch die die Scheitel 42 und 38 gelegte Achse erhalten. An 25 Punktscheitel 86 und 88 und den kreisförmigen Linien-Stelle der Linienströmung 12, 14, 16 und 18 sind scheitel 90 in gerichteten Strömen, da die Scheitel die stromführende Spulen 92 und 94 vorgesehen. Die Bewegung auf solche Ströme beschränken. Die AnSpulen 92 und 94 liegen in parallelen Ebenen und sind Ordnung nach Fig. 10 kann daher zur Umwandlung gleichachsig zu einer durch die Scheitel 86 und 88 eines Plasmas, in welchem die Ionen eine regellose gelegten Achse. Sie werden von einer nichtgezeigten 30 Bewegung haben, in ein Plasma verwendet werden, Gleichspannungsquelle erregt und leiten Strom in in welchem die Ionen eine gerichtete Bewegung haben, entgegengesetzten Richtungen, wie durch die Pfeile In einer Scheitelgeometrie können im wesentlichen 96 und 98 angegeben ist. alle Verfahren zur Erregung und Erhitzung eines

Fig. 10 zeigt einen Plasmabehälter 102, an dem die Plasmas angewendet werden. Vier parallele, in ihrer stromführenden Spulen 92 und 94 angebracht sind. 35 Richtung wechselnde Entladungen können in einem Der Plasmabehälter 102 besteht aus einem unmagne- sich in Längsrichtung erstreckenden Magnetfeld zur tischen Material, beispielsweise aus korrosionsbestän- Erregung der Plasma-Magnetfeld-Konfiguration nach digem Stahl, und weist Endplatten 104 und 106 sowie Fig. 7 erzeugt werden, oder es kann den Spulen in eine Seitenwand 108 auf. An den Endplatten 104 und einer der Scheitelkonfigurationen nach der Vorionisa-106 vorgesehene rohrförmige Ansätze 110 und 112 40 tion oder nach der Erzeugung des Plasmas durch eine begrenzen Kanäle 114 und 116, welche mit dem In- Stoßwelle, ein Impuls mitgeteilt werden, oder es kann neren des Behälters 102 in Verbindung stehen. Falls das Plasma in ein bereits bestehendes Vakuumerforderlich, kann der Behälter 102 durch einen ge- Magnetfeld von geeigneter Art durch eine Anordnung eigneten Wassermantel gekühlt werden. Die Spulen 92 von Plasmaspritzen eingebracht werden. Gegebenen- und 94 sind isoliert an den Endplatten 104 und 106 45 falls kann dem Magnetfeld ein Impuls von ausreichendes Plasmabehälters 102 angebracht. der Energie mitgeteilt werden, um das Plasma auf

Die Arbeitsweise der in Fig. 10 gezeigten Vorrich- sehr hohe Temperatur zu bringen.

tung ist wie folgt: Der Behälter 102 wird über die Fig. 8 zeigt einen stromführenden Leiter 118 in Kanäle 114 und 116 evakuiert und anschließend über einer Plasma - Magnetfeld - Konfiguration 128 gemäß die gleichen Kanäle mit Gas gefüllt. Für thermo- 50 der Erfindung. Der Stromfluß und seine Richtung im nukleare Untersuchungen wird vorzugsweise ein Gas Leiter 118 sind durch den Pfeil 122 angegeben. Die verwendet, das aus Deuterium- und/oder Tritium- Konfiguration 128 wird aus der Konfiguration nach atomen besteht. Das Gas wird in irgendeiner üblichen Fig. 3 im wesentlichen dadurch erhalten, daß der Lei-Weise, z. B. durch eine Hochfrequenzentladung, ioni- ter 118 so angeordnet wird, daß er durch die Scheitel siert und auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur 55 86 und 88 verläuft und durch eine Gleichspannung in an sich bekannter Weise, z. B. durch Ohm'sche erregt wird. Das aus dem Strom 122 resultierende Verluste, mittels eines Hochfrequenzstromflusses als Magnetfeld ist durch die Magnetfeldlinien 124 und Folge magnetischer Induktion erhitzt. Die erfor- 126 angedeutet. Die resultierende Plasma-Magnetfeldderliche Temperatur wird durch die Art des das Konfiguration 128 weist Linienscheitel 132 und 136 Plasma bildenden Gases bestimmt, soll jedoch aus- 60 auf. Die Magnetfeld-Linien 124 und 126 können das reichend hoch sein, damit das Plasma sich einem Plasma 128 nicht durchdringen, so daß sie es gegen ■v ollkommen leitenden Fluidum annähert. Das übliche die Grenzfläche 130 verdichten. Ein benachbart der Stoßwellenverfahren kann zufriedenstellend sowohl Fläche eines vollkommen leitenden Mediums erzeugtes zur Ionisierung des Gases als auch zur Erhitzung des Magnetfeld dringt wegen der durch magnetische InPlasmas auf die verhältnismäßig hohe Temperatur an- 65 duktionen verursachten Oberflächenströme nicht in gewendet werden. Nachdem das Plasma 85 einmal im dieses ein.

Behälter 102 erzeugt worden ist, werden die Spulen Die Plasma-Magnetfeld-Konfiguration 128 mit der

92 und 94 gleichzeitig durch Gleichstrom erregt. Die äußeren Grenzfläche 130 und der inneren Grenzfläche

durch das Fließen der Ströme 96 und 98 (Fig. 9) in 138, benachbart den Magnetfeld-Linien 124 und 126,

den Spulen 92 und 94 erzeugten Magnetfelder indu- 70 ist bei jeder Störung stabil. Es ist wirksamer, das

Plasma 128 durch Verstärkung des Stroms 122 als durch Verstärkung der Ströme in den Spulen 92 und 94 (Fig. 9 und 10), welche die Grenzfläche 130 erzeugen, adiabatisch zu verdichten. Die Plasma-Magnetfeld-Konfiguration nach Fig. 4 wird durch eine endweise Anordnung von zwei Konfigurationen der in Fig. 3 gezeigten Art und durch die Erweiterung der dazwischenliegenden Punktscheitel zu einem Limenscheitel erhalten. Die Plasma-Magnetfeld-Konfiguration 140 nach Fig. 4 ist durch Linienscheitel 142 bis 146 und Punktscheitel 148 und 150 gekennzeichnet. Fig. 5 zeigt eine Plasma-Magnetfeld-Konfiguration, weiche durch Biegen der Konfiguration nach Fig. 4 in eine Ringform erhalten wird. Die Plasma-Magnetfeld-Konfiguration 152 nach Fig. 5 ist durch eine Vielzahl von Plasma-Abschnitten 154 gekennzeichnet. Zwei benachbarte Plasma-Abschnitte 154 sind durch einen Linienscheitel 156 miteinander verbunden. Fig. 6 zeigt einen Abschnitt einer ringförmigen Plasma-Magnetfeld-Konfiguration, die durch Drehung der Konfiguration nach Fig. 1 um eine Achse (außerhalb des von den Leitern 12 bis 18 begrenzten Raums parallel zu einer durch zwei Scheitel gelegten Linie erhalten wird. Die Plasma-Magnetfeld-Konfiguration 158 nach Fig. 6 ist durch einen Querschnitt 160 gekennzeichnet, welcher der zwei dimensional en Konfiguration nach Fig. 1 ähnlich ist, und durch vier Linienscheitel 162 bis 168. Die Linienscheitel 162 bis 168 sind konzentrische Kreise.

Die Erfindung ist nicht auf Plasma-Magnetfeld-Konfigurationen beschränkt, die durch die Verwendung geradliniger oder kreisförmiger stromführender Leiter gebildet werden. Die gezeigten und vorangehend beschriebenen Leiter sollen lediglich Beispiele für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellen. im weiteren Sinne kann die Erfindung unter Verwendung eines beliebigen Stromflußverlaufs Anwendung finden, der mit einem Plasma zur Bildung einer Plasma-Magnetfeld-Konfiguration vom Typ mit freier Begrenzung zusammenwirkt, bei welchem eine Grenzfläche vorhanden ist, die zum Plasma überall konvex ist und das Plasma Scheitel aufweist.

Es hat sich für die Durchführung der Erfindung als zweckmäßig erwiesen, hierfür durch die Anwendung einer Flächen- und Raumgeometrie einen entsprechenden Verlauf des stromführenden Leiters zu schaffen. Beispielsweise ist es möglich, geeignete Plasma-Magnetfeld-Konfigurationen unter Verwendung einer Sechseckform zu entwickeln. Durch Beschreiben von Kreisen an jeder Ecke des Sechsecks, welche den Kreis, der an einer benachbarten Ecke beschrieben ist, tangieren, ergeben sich Scheitel innerhalb des Sechsecks. Wenn Linienströme an den Ecken des Sechsecks fließen und die Ströme wechselweise in das und aus dem Plasma des Sechsecks an benachbarten Ecken desselben gerichtet sind, wird eine Konfiguration erhalten, welche der in Fig. 1 dargestellten ähnlich ist, jedoch sechs Scheitel aufweist.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung und zur stabilen Umschließung eines Plasmas von hoher Temperatur in einer evakuierten Zone, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung einer Plasma-Magnetfeld-Konfiguration in dieser Zone mit einer Grenzfläche zwischen dem Plasma und dem Magnetfeld, die zum Plasma überall konvex ist derart, daß das Plasma Scheitel aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von stromführenden Leitern, welche erregt werden, um in Zusammenwirkung mit dem Plasma benachbarte Magnetfelder zur Bildung der erwähnten Scheitel zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier parallele stromführende Leiter, die senkrecht zu den Ecken eines Quadrats angeordnet sind, wobei die Leiter wechselweise Gleichstrom in entgegengesetzten Richtungen führen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei gleichachsige elektrische Spulen, die in parallelen Ebenen in der Nähe des Plasmas angeordnet sind, und durch Mittel zur Erregung der Spulen durch Gleichstrom.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Magnetfeldes, wobei das erste Magnetfeld benachbart einer ersten Grenzfläche und das zweite Magnetfeld benachbart einer zweiten Grenzfläche der Plasma-Konfiguration ist, und das zweite Magnetfeld durch einen Gleichstrom führenden Leiter im Plasma erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 009 678/434 12.