DE1111747B

DE1111747B - Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrecht-erhaltung eines energiereichen Plasmas

Info

Publication number: DE1111747B
Application number: DEG29824A
Authority: DE
Inventors: Donald William Kerst
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1959-06-10
Filing date: 1960-06-07
Publication date: 1961-07-27
Also published as: US3026447A; CH386015A; FR1258754A; GB918741A; BE591678A; NL252424A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G29824VIIIc/21g

■7. JUNI 1960

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 27. JULI 1961

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die ein energiereiches Plasma enthält, insbesondere auf Vorrichtungen dieser Art, die mit Mitteln zur Erzeugung eines Begrenzungsdruckes auf das energiereiche Plasma versehen sind.

Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines energiereichen Plasmas in einer gasdichten Kammer gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Entladungsstroms in der Kammer, der ein konzentrisch zu ihm gelegenes Magnetfeld erzeugt, wobei Strom und Magnetfeld hinsichtlich Richtung und Stärke variabel sind, und durch Mittel zur Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes in der Kammer, das sich hinsichtlich Richtung und Größe in bezug auf das konzentrische Magnetfeld derart verändert, daß das Zusammenwirken zwischen dem konzentrischen und dem zusätzlichen Magnetfeld einen kontinuierlichen Begrenzungsdruck auf das Plasma ergibt.

Das Zusammenhalten eines Hochtemperaturplasmas stellt ein schwieriges Problem dar, da der Wärmeübergang auf die Wände eines Plasma-Behälters schnell das Plasma abkühlt und zum Bruch des Behälters führen kann. Aus diesem Grunde werden in den meisten Plasma-Behältern magnetische Begrenzungsfelder erzeugt, die das Plasma von den Behälterwänden wegdrängen. Ein solches Begrenzungsfeld bietet den weiteren Vorteil, daß es das Plasma einschnürt oder zusammendrückt und damit das Plasma durch adiabatische Kompression weiter erhitzt.

Ein bekannter Weg zum Aufbau eines geeigneten magnetischen Begrenzungsfeldes besteht darin, ein konzentrisches, magnetisches Feld, das durch starken Stromfluß durch das Plasma erzeugt wird und den sogenannten »Pinch«-Effekt hervorruft, mit einem magnetischen Feld rund um das Plasma, das durch einen Strom durch eine oder mehrere Spulen, die längs des Plasma-Behälters angeordnet sind, fließt und das allgemein als Stabilisierungsfeld bezeichnet wird, zu kombinieren.

Üblicherweise werden magnetische Begrenzungsfelder so stark wie möglich gemacht, um in geeignet starkem Maße das Plasma einzuengen. Derartige Felder werden durch Pulsströme durch die Spulen und einen Pulsentladungsstrom durch das Plasma erzeugt. Solche Pulsströme führen zwar zu einer geeigneten Eingrenzung des Plasmas beim Pulsanstieg, nach dem Pulsabfall wird jedoch die auf das Plasma während des Pulsanstieges übertragene Energie auf die Wände des Behälters abgeführt, so daß die Möglichkeit von Rißbildungen im Behälter besteht. Überdies führt die erforderliche Pulsschaltung Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines energiereichen Plasmas

Anmelder:

General Dynamics Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann, Dr.-Ing. A. Weickmann

und Dipl.-Ing. H. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Juni 1959

Donald William Kerst, La Jolla, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

für die hohen Entladungsströme zu praktisch unlösbaren Schaltproblemen.

Die Erfindung geht von der Feststellung aus, daß durch Verwendung von Wechselstrom zur Erzeugung der magnetischen Begrenzungsfelder ein kontinuierlicher Druck auf das Plasma aufrechterhalten werden kann und daher das Plasma daran gehindert wird, die Wände des Plasma-Behälters zu erreichen. Überdies liegt der Erfindung die Feststellung zugrunde, daß es bei Anwendung der Wechselstromtechnik möglich ist, Energie aus dem Reaktionsplasma in verhältnismäßig einfacher Weise abzuziehen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und an Hand der Figuren beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Plasma-Kammer nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht teilweise im Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer Plasma-Kammer nach der vorliegenden Erfindung.

Nach Fig. 1 befindet sich das Plasma in einer länglichen, im allgemeinen geradlinigen, rohrförmigen Kammer 10, die aus einem Material guter Wärmestabilität und geringer Atomkernzahl besteht, so daß

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mögliche Verunreinigungen des Plasmas vermindert werden. Die Kammer 10 ist von Luft und anderen unerwünschten Substanzen mittels einer geeigneten Vakuumpumpe 12 befreit. Ein geeignetes Gas, wie Deuterium oder Tritium, ist in die Kammer 10 aus einer geeigneten Quelle 14, die mit ihr verbunden ist, gepumpt. _'_

Eine oder mehrere Spulen 16 sind auf die Außenseite der Kammer 10 gewickelt und können ein stabilisierendes Magnetwechselfeld 18 in der Kammer 10 erzeugen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das magnetische Stabilisierungsfeld 18 durch eine einzige schraubenförmige Spule 16 erzeugt, die aus elektrisch leitendem Material besteht und rund um die Kammer 10 gewickelt ist. Die Spule 16 ist über einen Schalter 20 mit einer geeigneten Wechselstromquelle 22 verbunden. Ein Stromdurchfluß durch die schraubenförmige Spule 16 erzeugt ein magnetisches Stabilisierungsfeld 18, das sich im wesentlichen axial zur Kammer 10 ausbreitet. Das magnetische Stabilisierungsfeld kann auch durch andere bekannte Mittel erzeugt werden, beispielsweise durch Flachspulen, die längs der Kammer angeordnet sind, durch konzentrische Rohrstücke u. dgl.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein starker Entladungsstrom durch das Plasma in der Kammer 10 durch zwei in Abstand voneinander befindliche Elektroden 24 geschickt, die sich innerhalb der Kammer 10 befinden. Die Elektroden 24 sind über einen Schalter 26 an eine geeignete Wechselstromquelle 28 angeschlossen. Der Entladungsstrom kann auch durch andere bekannte Mittel erzeugt werden, beispielsweise durch Induktion des Entladungsstromes mittels der Wirkung eines Transformators usw.

Der Entladungsstrom erzeugt selbst ein konzentrisches Magnetfeld 30, das das Plasma einschnürt. Wird das konzentrische Magnetwechselfeld 30 durch elektrische Entladung erzeugt und liegt das stabilisierende Magnetwechselfeld 18, das von der Spule 16 erzeugt wird, dazu in Phase, addieren sich die Felder. Das resultierende Magnetfeld erreicht ein Maximum und fällt dann auf Null ab, was mit einem Energieübergang auf die Kammerwand 10 verbunden ist. Um einen kontinuierlichen Druck auf das Plasma aufrechtzuerhalten und um einen Energieübergang zur Kammerwand zu verhüten, werden das konzentrische Magnetfeld 30 und das Stabilisierungsfeld 18 derart erzeugt, daß sie nicht in Phase miteinander sind.

Um die bestmögliche Konstanz des magnetischen Druckes zu erhalten, ist die Phasendifferenz zwischen dem Entladungsstrom und dem Strom durch die Stabilisierungsspule 16 etwa 90° und ferner die Feldstärke des konzentrischen Magnetfeldes 30 etwa gleich der Feldstärke des Stabilisierungsfeldes 18 zu machen. Hierdurch erzeugt das resultierende Magnetfeld einen relativ konstanten Druck auf die äußere Oberfläche des Plasmas. Das Stabilisierungsfeld 18 hat einen Maximalwert, wenn das konzentrische Magnetfeld 30 sich dem Nullwert nähert und umgekehrt.

Es wurde gefunden, daß das resultierende magnetische Wechselfeld durch das Plasma hindurchdringt, was zu einer verstärkten Erhitzung des Plasmas führt. Ferner wurde gefunden, daß die Erhitzung des Plasmas auf einen Optimalwert gebracht werden kann, wenn man die richtige Frequenz zur Erregung der Stabilisierungsspule 16 und zur Erzeugung der elektrischen Entladung verwendet. Ist das Plasma erhitzt, kann die Frequenz gegenüber der Anfangsarbeitsfrequenz abgesenkt werden, und die Erhitzung dauert an. Selbstverständlich darf die Frequenz nicht zu weit abgesenkt werden, weil sich dann Instabilitäten im Plasma ergeben.

Ist das Plasma lange genug eingegrenzt und auf eine geeignete Dichte eingeschnürt und befindet es

ίο sich auf einer sehr hohen Temperatur, so besteht die Möglichkeit, daß einige der Kerne innerhalb des Plasmas zusammenstoßen und verschmelzen, wodurch sie eine außerordentlich hohe Energie freigeben. Um diese Reaktionsenergie im Plasma zu entziehen, kann der Druck auf der äußeren Oberfläche des Plasmas etwas variiert werden, um so dem Plasma zu gestatten, sich zu expandieren und zu kontrahieren. Dies kann durch Veränderung der Feldamplitude erreicht werden oder durch Hinzufügen einer zweiten Harmonischen der Frequenz zu dem Strom, der durch die Stabilisierungsspule 16 geleitet wird.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die zweite Harmonische erzeugt und zur gleichen Zeit Stabilität im Zentrum des Plasmas erreicht, indem

as ein geeigneter Gleichstrom von der Gleichstromquelle 32 in den Stabilisierungsspulenkreis geschickt wird. Es wurde gefunden, daß die zweiten Harmonischen nicht das Plasma in dem Maße durchdringen wie die ersten Harmonischen und daß sich daher das Plasma expandiert und kontrahiert, was zu entsprechenden Veränderungen des resultierenden Magnetfeldes führt. Eine derartige Expansion und Kontraktion des resultierenden Magnetfeldes kann verwendet werden, um Energie aus der Vorrichtung zu ziehen, und zwar durch Verwendung des bekannten elektrischen Generatorprinzips, d. h., es wird eine Spannung in benachbarten Schaltungen durch Expansion und Kontraktion des Magnetfeldes erzeugt. Auf diese Weise wird Energie der Reaktion mit der zweiten harmonischen Frequenz abgezogen.

Um die Vorrichtung sicher abzuschalten, werden die Amplitude des Wechselstromes, der durch die Stabilisierungsspule 16 geführt wird, und die Amplitude des Stromes, der die elektrische Entladung erzeugt, sehr langsam vermindert. Auf diese Weise kann die auf die Behälterwand abgegebene Energie genauso schnell abgefühlt werden, wie sie zugeführt wird, wozu geeignete Kühlmittel, wie etwa ein Wassermantel (nicht dargestellt), verwendet werden.

Die Prinzipien der Erfindung können auch bei anderen Kammerformen angewendet werden, beispielsweise bei einer Kammer in der Form der Zahl 8, einer Kammer der Form eines Toroids usw. Ein Teil einer toroidförmigen Kammer 34, die mit geeigneten Begrenzungsfeldern nach der Erfindung versehen ist, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Toroidkammer 34 wird durch eine geeignete Vakuumpumpe 36 evakuiert, und ein geeignetes Gas wird in die Kammer aus einer mit ihr verbundenen Quelle 38 gepumpt.

Ein Entladungsstrom mit dem ihn begleitenden konzentrischen Magnetfeld 40 wird in der Toroidkammer 34 dadurch erzeugt, daß ein Wechselstrom durch eine Mehrzahl von Rohrsegmenten 42 geschickt wird, die hintereinander um die Kammer 34 herum angeordnet sind. Eine geeignete Wechselstromleistungsquelle 44 ist über einen Schalter 46 mit jedem Paar benachbarter Segmente 42 verbunden.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, wird ein axialgerichtetes Stabilisierungsfeld 48 in der Toroidkammer34 durch eine Mehrzahl schraubenförmiger Spulen 50 erzeugt, die um die Segmente 42 herum angeordnet sind. Jede Spule 50 ist über einen Schalter an eine geeignete Wechselstromquelle 54 angeschlossen. Ein Gleichstromvorfeld ist in der Kammer durch eine geeignete Gleichstromleistungsquelle 56 erzeugt, die an den Stabilisierungsspulenkreis angeschlossen ist.

IO

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines energiereichen Plasmas in einer gasdichten Kammer, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Entladungsstroms in der Kammer, der ein konzentrisch zu ihm gelegenes Magnetfeld erzeugt, wobei Strom und Magnetfeld hinsichtlich Richtung und Stärke variabel sind, und durch Mittel zur Erzeugung eines zusatzliehen Magnetfeldes in der Kammer, das sich hinsichtlich Richtung und Größe in bezug auf das konzentrische Magnetfeld derart verändert, daß das Zusammenwirken zwischen dem konzentrischen und dem zusätzlichen Magnetfeld einen kontinuierlichen Begrenzungsdruck auf das Plasma ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Wechselstromentladung und durch Mittel zur Erzeugung eines Magnetwechselfeldes (zusätzliches Magnetfeld), das nicht in Phase mit dem konzentrischen Magnetfeld ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz zwischen dem zusätzlichen und dem konzentrischen Magnetfeld 90° beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärken des zusätzlichen Magnetfeldes und des konzentrischen Magnetfeldes ungefähr gleich sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Magnetfeld axial in der Kammer verläuft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen