DE1165776B - Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperierten Plasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer: 1 165 776

Aktenzeichen: U 6416 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 7. August 1959

Auslegetag: 19. März 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperierten Plasmas, bei dem energiereiche Molekülionen eines thermonuklearen Brennstoffes einer innerhalb einer evakuierten Reaktionskammer gezündeten stromstarken Bogenentladung zugeführt werden und in der Reaktionskammer ein parallel zur Richtung der Bogenentladung verlaufendes Magnetfeld (Längsfeld) mit an den Enden der Reaktionskammer liegenden permanenten Spiegelbereichen aufrechterhalten wird.

Es ist bereits ein Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperierten Plasmas in einer evakuierten Reaktionskammer bekannt, bei dem ein das Plasma umschließendes Magnetfeld erzeugt wird, welches zwei magnetische Spiegelbereiche bildet, die in einem axialen Abstand voneinander angeordnet sind.

Es wurde auch schon ein Verfahren zum »Ausbrennen« neutraler Teilchen durch Ionisation neutraler Teilchen in einer Plasmavorrichtung vorgeschlagen (s. deutsche Auslegeschrift 1 090 346).

Das obengenannte bekannte Verfahren ist zur Erzeugung eines energiereichen Plasmas geeignet, jedoch ist die räumliche Ausdehnung des erzeugten Plasmas infolge der räumlichen Begrenzung einer für die Durchführung 'dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung beschränkt. Werden wesentlich größere Vorrichtungen gebaut, um wesentlich größere Plasmavolumina zu erhalten, dann ist das Ausbrennen der restlichen neutralen Teilchen äußerst schwierig. Dieses Ausbrennen der restlichen neutralen Teilchen ist jedoch eine wesentliche Bedingung für die Vergrößerung eines Plasmavolumens bis zu einer Größe, bei welcher das Plasma stärker erhitzt werden kann. Das Ausbrennen ist in einer größeren Vorrichtung kaum erzielbar, da ausreichend starke Molekülionenströme nicht ohne weiteres erhalten werden können.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Durchführung des bekannten Verfahrens besteht darin, daß sich der Bogen innerhalb der Plasmagrenzen befindet. Dieser Bogen kann als ein Körper betrachtet werden, durch den Verunreinigungen hereingebracht werden, welche wiederum das Plasma abkühlen. Außerdem enthält der Bogen Ionen, deren kinetische Temperaturen um Größenordnungen kleiner sind als die des Piamas. Das Injizieren von energiereichen Ionen zur Beseitigung dieser Verunreinigungen ist zwar sehr wirksam, jedoch mit ungewöhnlich hohen Kosten verbunden. Es ist deshalb sehr schwierig, ausreichend energiereichen Brennstoff einer großen Vorrichtung so schnell nachzuführen, wie diese Vorrichtung ausbrennt.

Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperierten Plasmas

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

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

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Persa Raymond Bell,

Robert James Mackin jun.,

Albert Simon, Oak Ridge, Temv(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. August 1958

(Nr. 753 846)

Mit Rücksicht auf die oben angeschnittenen Probleme bei der Erzeugung größerer Mengen energiereichen Plasmas, vor allem mit Rücksicht auf das Problem der Beseitigung von Verunreinigungen und auf das Problem der Beschickung einer großen Vorrichtung mit energiereichem Brennstoff ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin zu sehen, ein Verfahren zu schaffen, das die angedeuteten Schwierigkeiten zu beheben gestattet.

Das Verfahren nach der Erfindung ist durch die Kombination folgender Verfahrensschritte gekennzeichnet:

(a) Erzeugung eines magnetischen Längsfeldes mit zwei permanenten Spiegelbereichen durch getrennt erregbare Spulenabschnitte (17) und Spiegelspulen (2 und 3) (s. Fig. 1);

(b) Erzeugung eines zusätzlichen Spiegelbereiches mit einem Spiegelverhältnis von 3,5 : 1 (temporärer Spiegelbereich) zwischen den beiden permanenten Spiegelbereichen (2, 3) zur Herstellung eines magnetisch eingeschlossenen Subvolumens [Raum zwischen der Spiegelspule (2) und dem Spulenabschnitt (17), der dem Molekülioneneinschußkanal (16) unmittelbar nachgeordnet ist];

409 539/390

(c) Zünden einer Bogenentladung (10) zwischen der Kathode (8) und der Anode (9);

(d) Einschießen von energiereichen Molekülionen (ungefähr 600 keV Energie, Molekülionenstrom ungefähr 1 Ampere) in die Bogenentladung zum Aufbau eines heißen Plasmas im erwähnten Subvolumen;

(e) Verstärkung der Magnetfelder in allen Bereichen (einschließlich der Spiegelbereiche) um mindestens das Fünffache unter gleichzeitiger Abschaltung der Bogenentladung und des energiereichen Molekülstroms;

Arbeitsvolumen der Vorrichtung mit einem energiereichen Plasma gefüllt ist.

Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Fig. 1 und 2 beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform einer solchen Vorrichtung;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer geeigneten Plasmavorrichtung;

F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Die in der F i g. 1 dargestellte Vorrichtung weist

(f) Einschießen von energiearmen Brennstoffteilchen . _T. . , _a ■ , , . _. .. __ ,

(kalter Brennstoff) in das heiße Plasma des ¹⁵ eme Kathode 8 welche im Bauteil 33 angeordnet ist Subvolumens unter einem Winkel, der größer ^{und ei}"^e Anode 9 auf, die in einem BrutmantelIl ist als der kritische Winkel zur Einschließung angeordnet ist. Es kann zweckmäßig sein, die Anode des Plasmas, Vergrößerung des Subvolumens am äußersten rechten Ende der Vorrichtung außerdurch Abbau des temporären Spiegelbereiches ^h/\^des standigen Spiegels 2, 3 anzuordnen, so daß des Subvolumens und sukzessive Verlagerung ²⁰ der Bogen über die volle Lange der Vorrichtung ver-

- lauft. Von einer Vorratsquelle 34 wird Gas durch ein

Rohr 35 der Innenfläche der Kathode 8 zugeführt. Eine Bogenzündhilfseinrichtung, beispielsweise eine Hochfrequenzspannungsquelle 36, ist mit der Kathode 8 durch Leitungen 37 und 38 und mit der Anode 9 über eine Leitung 39, einen Schalter 40,

des temporären Spiegelbereiches auf die jeweils nächstfolgenden Spulenabschnitte (17), so daß am Ende dieses Zyklus der gesamte Raum zwischen den beiden permanenten Spiegelbereichen (2, 3) von heißem Plasma erfüllt ist.

Die Spiegelspulen, welche einen temporären magnetisch umschlossenen Subvolumenbereich erzeugen, haben beim Anfahren beispielsweise ein eine Leitung 41 und eine Leitung 42 verbunden. Eine Bogenbetriebsspannung, beispielsweise eine veränderbare Gleichspannungsquelle 43, ist über

Fünftel ihrer normalen Betriebswerte. In diesem 30 Leitungen 44 und 38 mit der Kathode 8 und über

Subvolumen wird ein Plasma, beispielsweise durch eine Leitung 45, einen Schalter 46, eine Leitung 47

Injizieren energiereicher Molekülionen in einer und eine Leitung 42 mit der Anode 9 verbunden.

Menge gezündet, die größer ist als der kritische Eine energiereiche Bogenentladung 10, welche durch

Eingangsstrom für das Ausbrennen neutraler Teil- eine Öffnung 28 in einer Endplatte 14 und einer

chen in dem temporären Bereich, welcher sich inner- 35 Öffnung 29 im Brutmantel 1 hindurchtritt und den

halb einer energiereichen Bogenentladung befindet. magnetischen Feldlinien folgt, welche, wie gezeigt.

Durch die Bogenentladung wird ein Teil der injizierten Molekülionen zu Atomionen dissoziiert, welche durch das Magnetfeld eingefangen werden. Der Eingangsstrom der injizierten Molekülionen wird auf diesem Wert gehalten, bis eine ausreichende Anzahl neutraler Teilchen ionisiert wird, so daß sich dann ein heißes Plasma bildet. Unmittelbar nach der Bildung des heißen Plasmas werden die Magnetdurch die magnetischen Spiegelspulen erzeugt werden, kann durch eine der vorerwähnten, bereits früher vorgeschlagenen Vorrichtungen gezündet und unterhalten werden.

Die Reaktionskammer 26 wird durch den Brutmantel 1 begrenzt, der von magnetischen Spiegelspulen 2 und 3 und von einer Anzahl Magnetspulen 17 umgeben ist. Die Magnetspulen 17 liegen anein-

felder in allen Bereichen einschließlich der tempo- 45 andergereiht zwischen den Spiegelspulen 2 und 3.

raren Spiegel, beispielsweise etwa um einen Faktor 5 verstärkt. Gleichzeitig wird der Bogen abgeschaltet, die Injektion energiereicher Teilchen eingestellt und die Injektion von »kaltem Brennstoff« mit einem Die Reaktionskammer 26 wird außerdem durch zwei Endplatten 14 und 15 begrenzt, welche von elektrischen Isolatoren 31 und 32, die an der Außenkammerwandung 21 befestigt sind, getragen werden.

Winkel, der größer ist als der kritische Winkel für 50 Da die Endplatten 14/15 isoliert sind, können sie

die Einschließung des Plasmas, begonnen. Unter dem Ausdruck »kalter Brennstoff« ist ein Brennstoff mit einer kinetischen Temperatur zu verstehen, die unterhalb derjenigen für optimale Reaktionsgeschwindigdurch Ionen geladen werden; folglich werden weitere Ionen in das Reaktionsvolumen zurückgestoßen. Die Magnetspulen 17 dienen ferner zur Erzeugung temporärer Spiegelbereiche. Die Reak-

keiten liegt. Die Zufuhr von ausreichend kaltem ₅₅ tionskammer 26 wird durch nicht gezeigte Vakuum-

Brennstoff hat zur Folge, daß die Temperatur des Plasmas abfällt. Die Injektion wird vorzugsweise so lange fortgesetzt, bis die Temperatur auf diejenige abfällt, welche der maximalen Reaktionsgeschwinpumpen über Rohrstücke 24 und 25 evakuiert. Eine äußere Vakuumkammer 30, welche die Reaktionskammer 26 umschließt, wird durch nicht gezeigte Vakuumpumpen über Rohrstücke 22 ynd 23

digkeit für eine gegebene Vorrichtung entspricht. 60 evakuiert. Von einer stromstarken Ionenquelle 4

Zu diesem Zeitpunkt wird die kalte Beschickung so eingestellt, daß die optimale Reaktionstemperatur aufrechterhalten wird. Nachdem das Subvolumen mit heißem Plasma gefüllt worden ist, wird das kritische Volumen allmählich durch eine entsprechende Manipulation des Stroms in den die Vorrichtung umgebenden Magnetspulen vergrößert und die Brennstoffeinspeisung geregelt, bis das gesamte an sich bekannter Bauart werden energiereiche Molekülionen, beispielsweise Ό->\ mit einer Energie von 600 keV über ein Beschleunigerrohr 5, ein Rohr 48 und eine Öffnung 16 in einer der Magnetspulen 17 und im Mantel 1 in die Bahn- der energiereichen Bogenentladung 10 injiziert, wo ein Teil von ihnen zur Bildung eines magnetisch eingeschlossenen Umlaufrings 7 von Atomionen dissoziiert wird. Die

Wärme aus den Reaktionen, die in der Kammer 26 stattfinden, und den Kernreaktionen, welche im Brutmantel 1 stattfinden, wird durch den Umlauf einer Druckflüssigkeit durch Rohre 18 sowie durch Rohre 20, die an der Endplatte 14 angebracht sind, und durch Rohre 19, die an der Endplatte 15 angebracht sind, abgeleitet. F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Umwandlung dieser Wärme in elektrische Energie.

Nachdem das Ausbrennen durch das vorangehend beschriebene Verfahren erzielt worden ist und der energiereiche Molekülionenstrom abgestellt worden ist, wird kalter neutraler Brennstoff als Strahl 13 von einer Quelle 11 über ein Rohr 12, das gegehenenfalls ein Beschleuniger sein kann, um dem Brennstoff Energie mitzuteilen, und durch eine Eintrittsleitung 49 in den Plasmabereich injiziert. Bei einer Vorrichtung vom Spiegeltyp, beispielsweise von der in der Fig. 1 dargestellten Art, ist es schwierig, kaltes Gas in das Innere eines Plasmas mit einem Winkel zu injizieren, der kleiner ist als der kritische Winkel zur Einschließung des Plasmas, was durch die kurze Lebensdauer eines kalten Atoms bedingt ist. Die mittlere Lebensdauer eines Atoms in einem Plasma ist

t =

η αν

wobei η die Ionendichte, ν die Ionengeschwindigkeit und σ gleich dem Ionisationsquerschnitt ist. Der Querschnitt σ beträgt annähernd 10 ¹⁶ cm² für die beschriebene Vorrichtung, und t ist dann ungefähr 10~⁶ Sekunden. Hieraus folgt, daß die mittlere Strecke, welche ein Atom von Raumtemperatur in das Plasma eindringen kann, bevor es ionisiert wird, einen Bruchteil eines Zentimeters beträgt. Da ein kaltes Ion das Magnetfeld nicht durchqueren kann, werden von der Seite injizierte kalte Atome daran gehindert, das Innere des Plasmas zu erreichen. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die kalten Brennstoffteilchen (neutrale Teilchen und/oder Ionen) durch einen der Spiegel mit einem Winkel zu injizieren, der größer ist als der kritische Winkel zur Einschließung des Plasmas. Dieser kritische'Winkel wird aus der Formel

sin<9_c =1/4·
K

erhalten, wobei R das vorhergehend erwähnte Spiegelverhältnis ist. Bei der Ionisation wird das !injizierte Teilchen dann zwischen den Spiegeln eingefangen und bewegt sich längs einer magnetischen : Feldlinie in das Plasma. Die Laufbahn des neutralen Atoms kann so gewählt werden, daß diese Feldlinie die innere Feldlinie des Plasmas ist.

Es wurde festgestellt, daß ein Spiegelverhältnis von etwa 3,5 : 1 erforderlich ist, um ein energiereiches Plasma zu erzeugen, wenn ein Gemisch aus ' Deuterium und Tritium von 50 : 50 als kalter Brenn-' stoff verwendet wird. Das Magnetfeld muß dabei ■ überall ausreichend stark sein, damit die meisten J der in der D-T-Reaktion erzeugten Alphateilchen eingeschlossen werden. Eine sich selbst unterhaltende D-D-Reaktion ist in Vorrichtungen mit magnetischen Spiegeln nur bei außerordentlich hohen Spiegelfeldverhältnissen möglich, die eine solche 'Vorrichtung jedoch unwirtschaftlich machen. Das Problem der Tritiumkonservation in einer Vorrichtung mit D-T-Brennstoff fordert, daß fast genau ein Tritiumatom für jedes Neutron erzeugt werden kann, das in einem 50 : 50-D-T-Gemisch erzeugt wird. Es ist in der Tat wünschenswert, zusätzliches Tritium im größtmöglichen Ausmaß zu brüten. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man das Reaktionsrohr mit einem hauptsächlich aus Lithium bestehenden Mantel 1 umgibt. Außer ίο Lithium kann der Mantel 1 aus Wasser, Beryllium und Eisen bestehen. Das Wasser dient dabei zum raschen Moderieren der Neutronen, während das Beryllium zusätzliche Neutronen durch (n, 2 n) Reaktionen erzeugt. Das Eisen dient dazu, das Lithium und das Wasser gesondert zu halten. Das auf diese Weise im Mantel erzeugte Tritium kann dann durch an sich bekannte Verfahren wiedergewonnen werden.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Plasmavorrichtung ist der Radius des Reaktionsrohrs 60 cm, die Manteldicke 60 cm, der Innendurchmesser der Spulen 17 240 cm, der Außendurchmesser der Spulen 17 480 cm, während die Länge der Reaktionskammer 50 m ist. In der Anfangsstufe des Betriebs der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung mit den vorangehend gegebenen Abmessungen wird ein Subvolumen magnetisch durch geeignete Erregungsäbschnitte der Spulen 17 isoliert. Ein zusätzlicher temporärer Spiegel wird etwa 1 m vom Spiegel 2 mit einem Spiegelverhältnis 3,5 : 1 erzeugt. Die gesamte Feldstärke wird in diesem Subvolumen auf ein Fünftel ihres normalen Arbeitsbereiches herabgesetzt. Daher beträgt das Feld in der Mittelebene des Subvolumens etwa 6000 Gauß auf der Achse und 21 000 Gauß in den Spulen. Nach jedem erregten Spulenabschnitt 17, also nach jedem temporären Spiegelbereich, folgt ein Spulenabschnitt 17 mit entgegengesetztem Stromfluß. Dies geschieht zur Erzeugung von einigen zur Wand t laufenden Magnetfeldlinien, wie in F i g. 1 durch gestrichelte Linien gezeigt ist.

Nach jeder Erregung eines Spulenabschnittes 17, d. h. nach jeder zeitweiligen Erregung eines Spiegelbereiches, folgt eine Stromumkehr in einem Spulenabschnitt 17. Alle anderen Spulenabschnitte 17, die nicht unmittelbar zur Bildung des zeitweilig erregten Spiegelbereiches beitragen, werden in derselben Weise wie bei Beginn des Erhitzens erregt.

Nun wird zwischen der Kathode 8 und der Anode 9 ein energiereicher Lichtbogen oder ein energiereicher Deuteriumbogen gezündet. Nach dem Zünden des Bogens wird die Injektion von molarem Ü2⁺- oder DT⁺-Ionen mit Energien von etwa 600 keV und einer Stromstärke von etwa 1 Ampere oder mehr durch die Verwendung eines Kaskadenbeschleunigers 5, wie erwähnt, begonnen.

Der anfängliche Druck in der Reaktionskammer 26 wird auf einem Wert von etwa 10~⁶ mm Hg gehalten. Der injizierte Molekülionenstrahl 6 wird durch die Bogenentladung 10 geleitet, in welcher beispielsweise 25% der Molekülionen dissoziiert und durch das Magnetfeld eingefangen werden, so daß sie einen umlaufenden Strahl 7 aus Atomionen bilden. Der anfängliche Zustand, der erreicht werden muß, ist derjenige des »Ausbrennzustands«. Der Druck ist ausreichend niedrig, und der eingefangene Strahl ist stark genug, so daß die neutralen Teilchen, welche im aktiven Volumen mit enthalten sind, durch Ioni-

7 8

sation und Ladungsaustausch zerstört werden. Die Der Zusatz von ausreichend »kaltem« Brennstoff

Dichte der neutralen Teilchen fällt ab, und das hat zur Folge, daß die Temperatur des Plasmas abPlasma beginnt sich aufzubauen, wodurch mehr fällt. Die Injektion wird so lange fortgesetzt, bis die neutrale Teilchen ausgebrannt werden. Das System Temperatur des Plasmas auf einen Wert abfällt, reinigt daher das Innere des Plasmas von neutralen 5 welcher der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit Teilchen. Ein injizierter Strom von 1 Ampere er- (welche etwa 78 keV beträgt) für die nachstehend zeugt einen »kritischen« Eingangsstrom von Atom- beschriebene Vorrichtung entspricht. Zu diesem ionen, der größer ist als derjenige, welcher für das Zeitpunkt wird die »kalte« Einspeisung so ein-Ausbrennen im Subvolumen erforderlich ist. Nachdem gestellt, daß die Temperatur auf diesem optimalen das Ausbrennen im Subvolumen stattgefunden hat, i° Wert gehalten wird. Dies hat zur Folge, daß irgendwird der Ausbrennzustand im Inneren des Plasmas welche durch das Zündverfahren bedingte Verunaufrechterhalten, und zwar so lange, bis das Sub- reinigungen im Plasma, nachdem die Injektion von volumen sich über den gesamten Piasmaraum aus- kaltem Deuterium und Tritiumgas begonnen ist, gebreitet hat. rasch verschwinden.

Nach dem Ausbrennen folgt unmittelbar die 15 Wenn die mittlere Energie des Plasmas oberhalb Bildung eines heißen Plasmas im Subvolumen. Die eines ersten stationären Betriebspunktes und unterresultierende Ionendichte hängt von dem eingefange- halb eines zweiten stationären Betriebspunktes (zwinen Strom und den Spiegelverlusten ab unter der sehen 60 und 122 keV für /" = 0,15) liegt, besteht Voraussetzung, daß β ig ¹Iz. Der Ausdruck β ist im Plasma die Neigung, sich selbst zu erhitzen. Andedas Verhältnis des Plasmadrucks zum Magnetfeld- 20 rerseits, wenn »kalter« Brennstoff schneller injiziert druck. Als Druckeinheit wird Dyn pro Quadrat- wird, als er aus dem System verlorengeht, hat dies Zentimeter verwendet. Das Verhältnis dieser beiden eine Neigung zur Herabsetzung der Temperatur Drücke kann aus der Gleichung des Plasmas zur Folge. Durch den Ausgleich dieser

beiden Wirkungen ist es möglich, die mittlere Energie

β = η ■ k ■ T 25 auf einer festen Höhe zu halten und den Gesamt-

(B ²Ih ^) brennstoff im Volumen ständig zu erhöhen. Die

nächste Maßnahme ist dann die allmähliche Beerhalten werden, wobei η die Dichte der Teilchen, wegung des temporären Spiegels nach rechts (F i g. 1) T die absolute Temperatur, k die Boltzmann- durch eine selektive Regelung des Stroms für die Konstante und B die Magnetfeldstärke in Gauß 3° Magnetspulen 17, was die Füllung des gesamten ist. Arbeitsvolumens zur Folge hat. Die Endstufe ist

Es wird angenommen, daß für Werte von β < ¹J₂ die Herabsetzung der Plasmatemperatur auf den das Plasma durch das Magnetfeld in einem stabilen ersten stationären Betriebspunkt (der bei etwa Gleichgewicht gehalten wird. Bei einem Feld von 60 keV liegt).

10 000 Gauß, /" = 0,15. und bei einem eingefan- 35 Nachfolgend wird die Theorie der Arbeitsweise genen Eingangsstrom von 200 mA ist die Teilchen- für die im vorangehenden Absatz erwähnte Ausdichte durch die Bedingung β = ¹Jz für Energien gleichswirkung gegeben.

von der Größenordnung von 100 keV oder höher Es sei angenommen, daß der magnetische Druck

begrenzt. Der Eingangsstrom kann daher unmittel- konstant bleibt und daß der Plasmadruck ebenfalls bar nach dem Ausbrennen herabgesetzt werden, so 40 unverändert gehalten wird. In diesem Falle ist dia daß ein Plasma erhalten wird, bei welchem β 5Ϊ ¹Iz Geschwindigkeit der Veränderung der Zahl der' ist. Teilchen im Plasma wie folgt:

Der vorerwähnte Ausdruck P ist die Wahrschein- ,. „

lichkeit der Streuung in den Austrittskegel, wie —^M- = / — «² a_c ν PV—2η_ΰητ odtvV, (1) vorangehend beschrieben, und ist annähernd gleich 45

1 —cos 0_C oder P s 1 — \\ — \jR. wobei η die Gesamtionendichte (n = hd + n_T) be-

Für ein Spiegel verhältnis von 3,5 : 1, welches bei zeichnet, a_c = der »Coulombsche Querschnitt« für der in der F i g. 1 dargestellten Vorrichtung besteht, eine Streuung von 90° durch wiederholte Zusammenist P = 0,15. stoße mit kleinem Winkel und ν die relative Stoß-Im unmittelbaren Anschluß an die Bildung des 50 geschwindigkeit ist. Der injizierte Teilchenstrom heißen Plasmasubvolumens werden die Magnet- von Ionen ist mit / und mit V das Gesamtvolumen felder in allen Bereichen (einschließlich des temporä- des Plasmas bezeichnet.

ren Spiegels) um einen Faktor von etwa 5 verstärkt. In ähnlicher Weise ist die zeitliche Änderungs-

Der permanente Spiegel und der temporäre Spiegel geschwindigkeit der Energie E des Systems durch ; werden daher auf 105 000 Gauß verstärkt, wäh- 55 die folgende Gleichung gegeben: rend das Mittelebenenfeld des Subvolumens auf

30 000 Gauß ansteigt. Gleichzeitig wird der Licht- djnEV) _v r f π p\ -> π

bogen abgeschaltet, die Injektion des energiereichen d/ "^{T a}'^{)T v} ■■ * ~ ' ~" *

Molekülionenstromes unterbrochen und mit der (2)

Injektion von »kaltem« Brennstoff aus einem 50 : 50- 60 — ^ 4 _

Gemisch von Deuterium und Tritium aus der ^Vn ' ^{Gc v}rt —F^,,,* ■ V-^nL

j 4 ^ y

Gemisch von Deuterium und Tritium aus der ^Vn ' ^{Gc v}rt —F^,,,* ■ V-^nL~,

Quelle 11 unter einem Winkel begonnen, der größer

ist als der kritische Winkel zur Umschließung des wobei Ea (= 3,5 Mev) die in das Gas durch das

Plasmas. Durch die Verstärkung der Magnetfelder He⁴-Reaktionsprodukt eingebrachte Energie und wird der. Larmorradius der geladenen Reaktions-65 /Vem« der Bremsstrahlungsverlust ist. Der letzte

produkte (He⁴) weitgehend verringert, so daß sie Ausdruck auf der rechten Seite stellt die Arbeit dar,

nicht auf die Wandung der Reaktionskammer auf- welche gegen das Magnetfeld durch das Plasma

treffen können. geleistet wird. Der Druck ist unter der Voraus-

setzung, daß die Elektronentemperatur und die wobei Ionentemperatur gleich sind,

r __ rip ητ opt ν Ea (1 — P)-

" Pbrems

Bei konstantem Druck ist

iiE = konstant.
Daher ist

at

(3)

(4)

= V [nn ητ odt νEa (1 — P) — Pbrems] —

— [2 no ητ odt ν + η² o_c v P] EV = EV {f— 1) (2 n_D ητ odt ν + η² o_c ■ ν P),

E [2 «ο ητ (TDT ν + η² σ₀ νP] '

/ist das Verhältnis der in den Brennstoff eingebrachten Leistung abzüglich des Bremsstrahlungsverlustes zu der Energie, die erforderlich ist, den frischen Brennstoff zu erhitzen, der bei dem Wert des stationären Zustandes der Betriebstemperatur eingespritzt

ίο wird. Daher nimmt bei einem festen Druck das Volumen mit der Zeit zu, wenn /> 1, und ab, wenn /< 1.

Dieses Ergebnis ist natürlich von den Bedingungen abhängig, die mit der Gleichung (1) vereinbar sind.

Im besonderen erfordert dies, wenn sowohl η als auch E feste Werte bleiben sollen, daß

7_e

η² (Tc ν P V— 2 no ητ odt ν ■ V),

wie sich aus der Gleichung (1) durch Multiplikation mit -IrE ergibt.

Durch Vergleich mit der Gleichung (4) ergibt sich, daß

£= [| (/"-I)+ \\{n²o_cvP

odt ν). (6)

Daher muß neutrales Gas mit einer Geschwindigkeit eingespeist werden, die durch die Gleichung (6) bestimmt ist, welche größer ist als die Verlustgeschwindigkeit, wenn /> 1, und kleiner, wenn /< 1 ist.

Wenn das Plasmavolumen mit der größtmöglichen Geschwindigkeit vergrößert werden soll, muß mit dem Maximalwert der Funktion/gearbeitet werden. Dieses Maximum tritt bei E = 78 keV für P = 0,15 auf und hat den Wert /= 1,3. Daher ergibt sich aus der Gleichung (4)

In

+ η² o_c ν P). (7)

Das Volumen nimmt exponentiell mit einer Zeitkonstante T zu, so daß

In

e (/■— 1) 3 · 0,3 · [2 n_D n_T odt v+ n²o_cvP]'

(8)

₅₀

Natürlich nimmt, wie sich aus der Gleichung (6) ergibt, die Einspeisung von neutralen Teilchen notwendigerweise ebenfalls exponentiell zu.

Unter den vorliegenden Bedingungen ist die mittlere Verweilzeit τ s 0,84 Sekunden und T = 6,5 Sekunden.

Die Gesamtausdehnung des Volumens, welche für das Füllen der gesamten Vorrichtung erforderlich ist, beträgt etwa 10³. Daher ist die erforderliche Zeit etwa

Tm = 6,9 T = 45 Sekunden.

Daher kann die gesamte Vorrichtung in etwa 45 Sekunden gefüllt werden.

Dieses Ergebnis zeigt ferner, daß die temporären Spiegel keine besonderen Wicklungen erfordern, da eine vorübergehende Überlastung eines Wicklungsabschnitts für ein Intervall von dieser Dauer ohne nachteilige Folgen bleibt. S₅

Damit das Plasma seine Eigentemperatur behält, ist es erforderlich, daß die in das Gas durch die geladenen Teilchen eingebrachte Energie gleich dem Energieverlust durch Bremsstrahlung plus der Energie ist, die notwendig ist, um die eintretenden kalten Gasteilchen auf die Temperatur des Systems zu erhitzen. Die je Volumeinheit in der Zeiteinheit eingebrachte Energie ist

Pdep = ηρητ opt ν Ea (1 — P), (9)

wobei np = Deuteriumionendichte,
ητ = Tritiumionendichte,
odt = Kernquerschnitt,

ν = relative Geschwindigkeit,
Ea = Energie des geladenen Alphateilchens

(= 3,5 MeV),

1 -P = Wahrscheinlichkeit, daß das Alphateilchen nicht in den Spiegelverlustkegel emittiert wird.

Wenn die Plasmateilchen nach einem Maxwell-Boltzmann-Gesetz verteilt werden, sind die Größen σ und ν durch öT zu ersetzen. Dies zeigt den Mittelwert von σ ν über eine Boltzmannverteilung an. Bei einer Maschine vom Spiegeltyp ergibt sich ein Maximum der Verteilung zum höheren Ende des bevorzugten Verlustes von kälteren Ionen durch die Spiegel. Aus diesem Grunde werden σ und ν unter Zugrundelegung einer isotropen Geschwindigkeitsverteilung von Ionen mit einer Energie, welche gleich der mittleren Energie der Plasmateilchen ist, berechnet. In diesem Falle

30

35 V2 = \

_i

+ VT² — -2 Vd v_T cos Θ) d cos θ

Man wählt daher

ν= ΐ ^l

vt² =

wobei E = mittlere Energie eines Ions im Plasma,
Mp = Deuteronenmasse,
Mt = Tritonenmasse.

Dementsprechend ist die effektive Energie der Geschoßteilchen des Deuterons

Ed si E + ^E = |£.

409 539/390

Der Leistungsverlust
Bremsstrahlung ist

je Volumeinheit infolge

P ₌ ^B

z³ ri¹

3 2 τι m ti c³ \ 3 m '

VP

l· 3/w

(H)

wobei

Pfuel =

(12)

Iin - ri^l a_c ν P + 2

ητ

ν.

(13)

Der erste Ausdruck auf der rechten Seite berücksichtigt den Brennstoffverlust durch die Spiegelbereichsenden. Daher ist a_c der Coulombsche Querschnitt für die Streuung über 90°, während die Spiegelaustrittswahrscheinlichkeit je 90° Zusammenstoß mit P bezeichnet ist. Der zweite Ausdruck berücksichtigt den Brennstoffverlust durch Kernreaktionen.

Hierbei ist zu erwähnen, daß ein Spiegelverhältnis von 3 : 1 zu klein ist, um einen selbstunterhaltenden Betrieb bei konstanter Dichte zu ermöglichen. Bei einem Spiegelverhältnis von 3,5 : 1 ist jedoch ein selbstunterhaltender Betrieb bei konstanter Dichte sowohl bei E = 60 keV als auch bei E = 122 keV möglich. Je niedriger die Betriebstemperatur eines Systems ist, desto höher ist die Dichte für eine feste Magnetfeldstärke

und daher die spezifische Leistung im Plasma. Dies ist normalerweise wünschenswert und führt zu Vorrichtungen mit einem kleineren Gesamtraumbedarf und niedrigeren Kapitalkosten. Aus diesem Grunde wird die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung bei E = 60 keV und bei einem Spiegelverhältnis von 3,5 : 1 betrieben. Ferner ist zu erwähnen, daß der Punkt /= 0 die wahre Zündtemperatur ist. Das Gas brennt bei einer höheren Temperatur weiter (wenn auch mit einer abnehmenden Geschwindigkeit) wenn keine kalte Einspeisung erfolgt.

Nachdem einmal die Betriebstemperatur des Systems festgelegt worden ist, kann die maximale Dichte durch die Angabe eines Wertes des magnetischen Feldes bestimmt werden. Wenn angenommen B = 300 000 Gauß, dann ist

kann. Wenn nun die Elektronen und Ionen die gleiche Temperatur und die gleiche Dichte haben, ist

Πι = -

1 B² . 1

2 8 π IkT

32 .-τ ■ i.

(15)

== 1,35 c 10¹⁴cm ³.

η = Gesamtionendichte = «d + «τ, m = Elektronenmasse.

Die zur Erhitzung des ankommenden Brennstoffs erforderliche Leistung ist

Die mittlere Verweilzeit im Spiegelsystem ist

	f =	0,15	τ	πι	1 ffr V P"	(16)
für			ergibt	dies
		r =	0,45	Sekunden.	(17)

Da im Gleichgewichtszustand die Summe des Teilchenverlustes durch den Spiegel und des Verlustes durch Brennen in der Reaktion gleich dem Eingangsstrom sein muß, ist der Eingangsstrom je Volumeinheit

Die im Plasma erzeugte spezifische Leistung ist

P = riDtiT ODT ν Edt· (18)

Nun ist

	ist	Edt	= 17,6MeV,
und
	(JDT =	5 barn
bei
	& = §	E = 100 keV.
Daher
	P =	42,2 w/cm3.

Schließlich ist die spezifische Neutronenerzeugungsgeschwindigkeit

ΙΟ¹³ cm ³ sec ^].

N =

edt ν = 1,5

nekT_e +

= β-

(14) Wenn der Radius der Vorrichtung vergrößert wird, nimmt die Kernenergieausbeute je Längeneinheit mit dem Quadrat des Radius zu. Andererseits verändert sich die magnetische Geamtleistung nicht, solange das Verhältnis des äußeren Spulenhalbmessers zum inneren Spulenhalbmesser unverändert bleibt. Es gibt daher einen Mindestbetriebshalbmesser, bei welchem die erzeugte Leistung ausreicht, die Spulen zu erregen.

Es wurde festgestellt, daß der Plasmaradius etwa 38 cm sein soll, um aus Kernreaktionen ebensoviel elektrische Energie zu erzeugen, wie in den Magnetspulen selbst verbraucht wird. Der Abstand von der Rohrwand und dem Rand des Plasmas sollte weit genug sein, um den Einschluß der He⁴-Ionen von 3,5 MeV zu gewährleisten, der etwa einen Radius von 9 cm in einem Feld von 30 000 Gauß besitzt.

Es ist wünschenswert, das Plasma und die Rohrwand voneinander durch wenigstens einen Abstand, der dem Durchmesser der He⁴-Ionenbahn entspricht, der 18 cm beträgt, zu trennen. Deshalb wurde ein Rohrradius von 60 cm gewählt.

Es sei angenommen, daß die Vorrichtung eine lange Magnetspule ist. Diese Annäherung kann mit Ausnahme in der Nähe der Spiegel als zutreffend betrachtet werden. In diesem Bereich ist die tatsächliche magnetische Leistung etwas größer als diejenige, welche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist.

Das Magnetfeld in einer Magnetspule ist gegeben durch die Beziehung

wobei β das maximale Verhältnis des Plasmadrucks zum magnetischen Druck ist. Es sei angenommen, daß ein maximaler Wert von β = Va erzielt werden AjU.
10

(19)

wobei / die Zahl der Amperewindungen je Längeneinheit ist. Wenn die Innen- und Außenhalbmesser

13 14

der Spulen mit η und rz bezeichnet werden und s als nommen, daß diese Energie mit einem Wirkungs-

Raumfaktor gleich dem Anteil des Bruttoquer- grad von 33¹Ia⁰Io in elektrische Energie umgewandelt

Schnitts der Spule definiert wird, der durch der werden kann. Die elektrische Energie ist dann
festen Leiter eingenommen wird, dann ist „ „ _o

/--5P^j₇, PO) ⁵ '.-^f**-.

Im stationären Zustand wird »kalter« Brennstoff

wobei /die Stromdichte im Leiter ist. Daher ist ^ebenso .^schne11 injiziert, als er verlorengeht. Diese

Geschwindigkeit wurde mit 3 · 10²¹ Atomen je 10 5 _nn ¹⁰ Sekunde oder mit annähernd 0,101 je Sekunde

*■ ⁼ 4 _{π s} (_{r<l γ}Λ · { > gemischtem Deuterium-Tritiumgas bei normaler

Temperatur und normalem Druck ermittelt. Die

Die ohmsche Leistung in den Spulen je Längen- Kennwerte des stationären Zustandes der voran-

einheit der Magnetspule ist dann gehend in der F i g. 1 beschriebenen Vorrichtung

ρ — /2 ν no\ ^{15 sm£}l iⁿ ^^er nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt:

wobei ρ der spezifische Widerstand des Leiters Kennwerte des stationären Zustandes

und V das Volumen des Leiters je Längeneinheit des _{Mitüere Plasmaenergie} .... ₆0 keV

Solenoids ist. ^ Spiegelverhältnis 3,5 : 1

Nun ist γ _{= π} s (_r ² — _r ²) m) ²° BrennstofTzusammensetzung 50% D, 50% T

V I' Ionendichte 1,35 · 10¹⁴ Ionen/cm³

„ , , _c „ j , ,-,, ■ , „, ., Magnetfeld (Magnetspule) 30 000Gauß

Daher kann auf Grund der Gleichungen (21 22 ^ «^ _Verwei4_it ^_-. ₀,45 Sekunden

und 23) die magnetische Leistung je Längeneinheit Spezifische Leistung 42,2 w/cm³

der Magnetspule wie folgt angeschrieben werden *5 _s|;_{eziiische NeutrO}nen-

0^ fr α- r\ m η erzeugung 1,5 · 10¹³

Pm = ■ (24) Neutronen cm3/Sek.

4 π (r₂ — n) s Plasmahalbmesser * 38 cm

-^ .~ , „,.j , π c i_ _A ..^ Reaktionsrohrhalbmesser... 60cm

Der spezifische Widerstand von Kupfer betragt 30 piuß an der Wand des

bei 20⁰C etwa 2 · 10-« Ohmzentimeter. Außerdem Reaktionsrohres 6,05 · ΙΟ*³

ist, wie ersichtlich, die Leistungsdichte in den Spulen Neutronen cm²/Sek

ziemlich niedrig. Der Raumfaktor kann daher Magnetische Leistung 1,34 Mw/m

ziemlich groß sein. Es sei angenommen , = 0,8. Mantelzusammensetzung .. Li, H₂O, Be, Fe

Die Wahl von r₂/n ist innerhalb gewisser Grenzen 35 Manteldicke 60 cm

willkürlich^ Hohe Werte dieses Verhältnisses ergeben innendurchmesser der Spule 240 cm

niedrige Werte der magnetischen Gesamtleistung, Außendurchmesser der Spule 480 cm

jedoch auf Kosten eines hohen Kapitalaufwands für „ ^F ₁,

Kupfer. Es sei angenommen, daß r^n = 2 einen ί J~

SrTT S^rL^dn^{arStellt FÜr dn FeId VOn 40} Gesfmtwärmeieisiung:::::: ώ
30 000 Gauß erhalt man Magnetische Gesamtleistung 67 Mw-

ρ _ 25 3 2 ■ 10~⁶ η _ιη4χ₂ Nutzbare elektrische

^rm — ~4^ 1 ' 0^8 ' ⁽ ' ' Leistung 67 Mw

, ,,. _in. ,' Gesamtgewicht des Kupfers 5,4 · 10³ Tonnen

= l,34-10⁴w/cm 45 ' *

— 1 34 Mw/ ^^{as m} ^^er 'ⁿ ^^er F ' £·' * dargestellten Vorrichtung erzeugte Plasma bewirkt die Erzeugung einer

Wie bereits erwähnt, beträgt die durch das Plasma großen Neutronenmenge und einer großen Energieerzeugte spezifische Leistung menge. Außerdem wird Energie durch die (η,γ)- p _ A-y j I ₃ 50 Reaktion im Lithiummantel erzeugt. Wie erwähnt, r — , w/cm . ν/'πά diese Energie in Form von Wärme aus dem In dieser Zahl war jedoch nicht die zusätzliche Mantel, der Rohrwandung und an den Endplatten Energie eingeschlossen, die aus der («,a)-Reaktion abgenommen und durch einen üblichen Wärmeim Lithium erzielt wird, welche 4,6 MeV beträgt. kreislauf geleitet. F i g. 3 zeigt einen üblichen Daher beträgt die erzeugte effektive Leistung 17,6 55 Wärmekreislauf, in welchem elektrische Leistung + 4,6 = 22,2 MeV je Reaktion statt 17,6 MeV. Bei erzeugt wird.

dieser Berichtigung ist die effektive spezifische Es wird beispielsweise Druckwasser durch die

Leistung Rohrschlangen im Mantel und an den Endplatten

p_„, ,3 geleitet, das dann zu einem an sich bekannten Wärme-

~ ' ' · 60 austauscher weitergeleitet wird, in welchem es seine

Die Kernenergieausbeute je Längeneinheit aus Wärme zur Dampferzeugung abgibt. Der Dampf

einem Plasma mit dem Halbmesser r ist dann treibt einen Turbogenerator zur Erzeugung elek-

p — <^ ·? 2 / irischer Leistung in der üblichen Weise an.

r_n - oj,z π r w/cm. _{Die Erfindung kann mit ihren} Merkmalen auf

Wie bereits erwähnt, wird diese Energie in Form 6-, eine torusförmige Vorrichtung angewendet werden,

von Wärme aus dem Mantel, der Rohrwandung Dies setzt voraus, daß die gegenwärtig angewendeten

und den Endplatten entnommen und durch einen theoretischen Gedankengänge für die Herstellung

Wärmekreislauf üblicher Art geleitet. Es sei ange- torusförmiger Behälter richtig sind. Eine solche

Vorrichtung ist in der F i g. 2 dargestellt; bei dieser Vorrichtung erstreckt sich ein energiereicher Bogen annähernd über die volle Länge der Reaktionskammer, obwohl der Betrieb eines kürzeren Bogens ebenfalls möglich ist. Der Bogen wird nach dem Ausbrennen der neutralen Teilchen beendet, worauf eine Verstärkung des Magnetfeldes erfolgt und eine Injektion von verhältnismäßig energiearmem Brennstoff zur Beschickung des Plasmas nach dem Ausbrennen in der gleichen Weise, wie für den Betrieb der Vorrichtung nach der F i g. 1 beschrieben, verwendet wird. Die Bogenelektroden sind in einem Bereich weit divergierender Magnetfelder angeordnet, so daß die Feldlinien die Wände des Reaktionsrohres schneiden. In der Nähe des divergierenden Bereiches wird ein xs temporärer Spiegelbereich erzeugt, wie in der F i g. 2 gezeigt ist. um einen statischen Spiegelbereich zu bilden. Außerdem wird, wie gezeigt, ein beweglicher Spiegelbereich erzeugt. Durch entsprechende Mittel, wie sie bereits bei der in der ao F i g. 1 dargestellten Vorrichtung angewendet werden, wird ein kleines kritisches Plasma in dem Subvolumen zwischen dem statischen Spiegel und dem beweglichen Spiegel gezündet. Nachdem die »Ausbrenn«-Bedingungen hergestellt worden sind und das Volumen gefüllt worden ist. wird das Magnetfeld auf den Wert verstärkt, der zur Einschließung der Reaktionsprodukte erforderlich ist. der Bogen dann gelöscht, die Injektion von kaltem Brennstoff abgestellt und der bewegliche Spiegel allmählich vom statischen Spiegel bis zum anderen Ende des divergierenden Bereiches hinbewegt. An diesem Punkt wird das Feld im divergierenden Bereich in den Normalzustand zurückgeführt, und die beiden Spiegelfelder werden weggenommen. Gegebenenfalls kann das Feld im divergierenden Bereich in den Normalzustand zurückgeführt werden, wenn der Bogen gelöscht wird.

Wie F i g. 2 zeigt, ist eine Kathode 55 isoliert in einem Raum i-n einer der Magnetspulen 71 und eine Anode 56 ebenfalls isoliert in einer der Magnetspulen 71 gelagert. Diese Elektroden sind so angeordnet, daß die Bogenentladung 57, welche zwischen ihnen gezündet wird, durch Öffnungen 75 und 76 im Mantel 70 und im Reaktionsrohr 74 hindurchtritt ur J dann den Magnetfeldlinien, wie durch gestrichelte Linien gezeigt ist. folgt. Die Reaktionskammer 72 besteht aus einem rohrförmigen Körper 74, welcher toroidförmig ausgebildet ist. Der rohrförmige Körper ist von einem Brutmantel 70 umgeben, der seinerseits von den Magnetspulen 71 umgeben ist. Ferner sind zusätzliche, nicht gezeigte Spulen vorgesehen, die dazu dienen, ein System von magnetischen Querfeldern senkrecht zum axialen Begrenzungsfeld zu erzeugen, um die Stabilität des Plasmas sicherzustellen. Ein schraubenförmiges Begrenzungsfeld ist beispielsweise eine einfache Form eines solchen Querfeldes. Die Wärme aus dem Reaktionsrohr und aus den im Mantel 70 stattfindenden Reaktionen wird durch Druckflüssigkeit abgeleitet, welche durch 6« im Mantel 70 angeordnete Rohre im Umlauf gesetzt wird. Diese Wärme wird dann in der gleichen Weise wie bei der in der F i g. 1 dargestellten Vorrichtung in elektrische Energie umgewandelt. Das Reaktionsrohr wird durch nicht gezeigte Vakuumpumpen über Rohrstücke 67 und 68 evakuiert. Die richtige Erregung der Magnetspulen 71 ergibt die divergierenden Magnetfelder und die temporären bpiegelfelder, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Von einer Quelle 58 aus werden energiereiche Molekülionen in ein Subvolumen 73 über ein Beschlrunigungsrohr 59 und über ein Rohr 60 in Form ei^-s Strahls 61 injiziert, welcher durch die Bogenentladung 57 hindurchtritt, wobei ein Teil der Molekülionen unter Bildung eines magnetisch eingefangenen umlaufenden Strahls von Atomionen 62 dissoziiert wird. Nachdem das Ausbrennen der neutralen Teilchen durchgeführt worden ist, kann die Injektion energiereicher Molekülionen abgestellt und die Injektion von kaltem Brennstoff begonnen werden. Dieser kalte Brennstoff kann während der Zeit, in der ein temporärer Spiegelbereich besteht, als Strahl 66 mit einem Winkel injiziert werden, der größer ist als der kritische Winkel zur Einschließung des Plasmas, und zwar von einer Quelle 63 aus über ein Rohr 64 und dann durch ein Rohr 65. Das Toroid ist dann mit einem energiereichen Plasma in der vorangehend beschriebenen Weise gefüllt.

Die Abmessungen der in der F i g. 2 dargestellten Vorrichtung sind im wesentlichen die gleichen wie bei der in der F i g. 1 beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung nach der F i g. 2 arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Vorrichtung nach der Fig. 1. so daß eine nähere Beschreibung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach der F i g. 2 nicht mehr erforderlich erscheint.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperierten Plasmas, bei dem energiereiche Molekülionen eines thermonuklearen Brennstoffes einer innerhalb einer evakuierten Reaktionskammer gezündeten stromstarken Bogenentladung zugeführt werden und in der Reaktionskammer ein parallel zur Richtung der Bogenentladung verlaufendes Magnetfeld (Längsfeld) mit an den Enden der Reaktionskammer liegenden permanenten Spiegelbereichen aufrechterhalten wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:

(a) Erzeugung eines magnetischen Längsfeldes mit zwei permanenten Spiegelbereichen durch getrennt erregbare Spulenabschnitte (17) und Spiegelspulen (2 und 3) (s. Fig. 1);

(b) Erzeugung eines zusätzlichen Spiegelbereiches mit einem Spiegel verhältnis von 3,5 : 1 (temporärer Spiegelbereich) zwischen den beiden permanenten Spiegelbereichen (2,3) zur Herstellung eines magnetisch eingeschlossenen Subvolumens [Raum zwischen der Spiegelspule (2) und dem Spulenabschnitt (17), der dem Molekülioneneinschußkanal(16) unmittelbar nachgeordnet ist];

(c) Zünden einer Bogenentladung (10) zwischen der Kathode (8) und der Anode (9);

(d) Einschießen von energiereichen Molekülionen (ungefähr 600 keV Energie, Molekülionenstrom ungefähr 1 Ampere) in die Bogenentladung zum Aufbau eines heißen Plasmas im erwähnten Subvolumen;

(e) Verstärkung der Magnetfelder in allen Bereichen (einschließlich der Spiegelbereiche) um mindestens das Fünffache unter gleichzeitiger Abschaltung der Bogenentladung und des energiereichen Molekülionenstroms;

(f) Einschießen von energiearmen Brennstoffteilchen (kalter Brennstoff) in das heiße Plasma des Subvolumens unter einem Winkel, der größer ist als der kritische Winkel zur Einschließung des Plasmas, Vergrößerung des Subvolumens durch Abbau des temporären Spiegelbereiches des Subvolumens und sukzessive Verlagerung des temporären Spiegelbereiches auf die jeweils nächstfolgenden Spulenabschnitte (17), so daß am Ende

dieses Zyklus der gesamte Raum zwischen den beiden permanten Spiegelbereichen (2, 3) von heißem Plasma erfüllt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kalte Brennstoff sowohl aus Ionen als auch aus neutralen Teilchen besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Nuclear Engineering«, 3, Nr. 27, Juni
S. 259 bis 263.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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