DE1186155B - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen eines Plasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

U 6275 VIII c/21 g
11.Juni 1959
28. Januar 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen eines von einem Magnetfeld eingeschlossenen Plasmas, das in einer evakuierten Zone durch ein Resonanzfeld induktiv erregt wird, so daß es eine Bewegung mit Zyklotronfrequenz ausführt.

Wenn der Versuch gemacht wird, Energie auf ein Plasma durch ein magnetisches Resonanzfeld zu übertragen, das nicht die erforderliche Periodizität besitzt, entwickeln sich Raumladungen, die eine wirksame Energieübertragung ausschließen. Diese Raumladungen sind die Folge der verschiedenen Zyklotronfrequenzen der Ionen und der Elektronen in dem Plasma. Wegen dieses Unterschiedes können die Elektronen des Plasmas den Ionen nicht folgen, wenn diese beschleunigt werden, so daß sich die Ionen von den Elektronen unter Erzeugung einer Raumladung trennen. Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung eines magnetischen Resonanzfeldes das Plasma zu erhitzen. Dies wird erreicht, indem gemäß der Erfindung aneinandergrenzende Bereiche des Plasmas gleichzeitig mit oder annähernd mit ihrer Ionenzyklotronfrequenz in entgegengesetzten Richtungen erregt und die daraus resultierenden Bewegungsenergien thermalisiert werden.

Eine Vorrichtung, bestehend aus einem elektrischen Entladungsgefäß, das von einer Wicklung zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes umgeben ist, und einer Einrichtung zum Zünden einer Plasmaentladung, ist zur Durchführung dieser Maßnahmen dann geeignet, wenn gemäß der Erfindung ein Teil des Entladungsgefäßes von abschnittsweise jeweils in entgegengesetzten Richtungen vom elektrischen Strom durchflossenen Magnetfeldwindungen umgeben ist und eine Einrichtung zur periodischen Erregung dieser Magnetfeldwindungen und Einrichtungen zur Erzeugung mindestens eines an den Teil 103 anschließenden Thermalisierungsabschnitts vorgesehen sind.

Es sind bereits Einrichtungen zur Erzeugung rasch fliegender Ladungsträger unter Benutzung einer elektrodenlosen Ringentladung bekanntgeworden. Mit diesen bekannten Anordnungen konnten jedoch die oben aufgeführten Probleme nicht gelöst werden.

Es ist ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung eines hochionisierten Plasmas bekannt, bei dem dieses Plasma mit seiner Ionenzyklotronfrequenz erregt wird. Dieses bekannte Verfahren bezweckt lediglich die Erzeugung eines hochionisierten Plasmas und nicht die Erhitzung oder Einschließung eines Plasmas. Problemstellung und Zweck dieser bekannten Maßnahmen sind von denen, die der Erfindung zugrunde liegen, verschieden.

Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen eines
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:

Thomas Howard Stix, Princeton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Juni 1958 (745 778)

Ein Plasma ist ein gasförmiger Zustand eines Stoffes, bei welchem einige oder alle Atome ionisiert sind und die Gesamtionenentladung durch Elektronen neutralisiert ist.

Ionen und Elektronen, die eine Bewegungsquerkomponente quer zu den Kraftlinien eines magnetischen Feldes haben, haben die Neigung, um die Kraftlinien eine Gyrationsbewegung auszuführen. Ein Plasma befindet sich in einem magnetischen Umschließungsfeld, wenn seine Ionen und Elektronen durch ihre Gyration um die Kraftlinien zeitweilig lokalisiert sind.

Die Quergyration eines Ions in einem magnetischen Umschließungsfeld wird als »Ionenzyklotronbewegung« bezeichnet. Die Frequenz einer Ionenzyklotronbewegung ist gegeben durch den Ausdruck

f = ^ZieBJL· m

J lonenzyklotron ~ 1 ^v '

wobei

Z₁ = Ordnungszahl des Ions,
e = Ladung eines Elektrons,
B₀ = Flußdichte des magnetischen Feldes,

m; = Masse des Ions,
c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Nach der Erfindung ist es möglich, Energie mit einem hohen Wirkungsgrad von einer Hochfrequenzenergiequelle auf ein Plasma zu übertragen, das sich in einem magnetischen Umschließungsfeld befindet,

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und zwar durch Erregen bestimmter Resonanzen im Plasma. Diese Resonanzen umfassen Ionenzyklotronbewegungen, Ionenzyklotronwellen und hydromagnetische Torsions- und Verdichtungswellen.

Der Ausdruck »Ionenzyklotronwelle« bezieht sich auf eine Eigenschwingung oder -welle in einem Plasma, das sich in einem magnetischen Umschließungsfeld befindet, wobei die Bewegung der Plasmaionen, die an der Eigenschwingung oder -welle teilnehmen, in der Hauptsache quer zu den Kraftlinien des magnetischen Umschließungsfeldes verläuft; die Wellenlänge (gemessen längs einer Kraftlinie) ist dabei verhältnismäßig kurz, und die Frequenz liegt geringfügig unter der Ionenzyklotronfrequenz für die Ionen.

Ionenzyklotronwellen werden im Plasma durch ein Resonanzfeld, dessen Frequenzen geringfügig unter der Ionenzyklotronfrequenz liegt, und durch verhältnismäßig kurze Wellenlängen (Wellenlänge gemessen längs einer Kraftlinie) erregt. Die kurze Wellenlänge ist erforderlich, da eine unerwünschte Ionenraumladung, die sich aus der Wellenbewegung ergibt, hierdurch durch längs der Kraftlinien fließende Elektronen neutralisiert wird. Die induktive Wirkung dieses neutralisierenden Elektronenstroms verringert die Resonanzfrequenz der Ionenzyklotronwelle unter die Ionenzyklotronfrequenz und setzt die Plasmaerhitzungswirkung der Ionenzyklotronwelle herab. Der Betrag, um welchen die Resonanzfrequenz verringert wird, wird beträchtlich, wenn die Wellenlänge nicht kurz ist. Für die Ionenzyklotronbewegung wird, wenn die Wellenlänge nicht kurz ist, durch eine sehr ähnliche induktive Wirkung der Betrag der Erhitzung herabgesetzt, welche bei einem gegebenen induzierten elektrischen Feld erzielt wird.

Die Ionenzyklotronbewegungen und die Ionenzyklotronwellen sind besonders zur Erhitzung eines Plasmas geeignet.

Die Resonanzfrequenz für Ionenzyklotronwellen ist annähernd gegeben durch

f=fi

1 +

Ionenzyklotron

(X

K²

»ι = Zahl der Ionen je Kubikzentimeter,
/. = Wellenlänge des Resonanzfeldes.

Ionen in einem Plasma, das von einem annähernd gleichmäßigen Magnetfeld eingeschlossen ist, können durch Erregung dieser Resonanzen und durch Thermalisierung der Wellenenergie erhitzt werden. Infolge der Querbewegung zum Magnetfeld können die erhitzten Ionen zeitweilig in einem begrenzten räumlichen Bereich durch die Verwendung magnetischer Spiegel eingeschlossen werden.

Die Thermalisierung der aus Ionenzyklotronbewegungen resultierenden Energie kann durch den Prozeß der Zyklotrondämpfung, wie nachstehend beschrieben, in annähernd der Zeit stattfinden, die für Ionen-Ionen-Zusammenstöße bzw. für Ionen zur Bewegung längs einer Kraftlinie durch den Erhitzungsbereich notwendig ist, je nachdem, welche Zeit kürzer ist. Die Thermalisierung von Ionenzyklotronwellen kann ebenfalls durch Zyklotrondämpfung geschehen, wenn die Frequenz der Schwingung ziemlich nahe der Ionenzyklotronfrequenz der Plasmaionen liegt.

Es sei hier eine kurze Beschreibung des als »Zyklotrondämpfung« bezeichneten Prozesses gegeben. Ionen bewegen sich in einem umschließenden Magnetfeld in einer spiraligen Bahn. Sie bewegen sich

i" spiralig um eine magnetische Kraftlinie mit einer Frequenz, die als ihre Ionenzyklotronfrequenz (Gleichung 1) bezeichnet wird, und bewegen sich unbehindert längs der Kraftlinie. Ein Ion kann durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden. Wenn ein Ion durch ein oszillierendes elektrisches Feld in der Weise beschleunigt wird, daß die Beschleunigung des Ions in Phase mit der Schwingungsgeschwindigkeit des Ions ist, nimmt das Ion Energie auf. In ähnlicher Weise kann ein Ion in einem Plasma Energie aus einem oszillierenden elektrischen Feld aufnehmen, dessen Frequenz annähernd gleich der Ionenzyklotronfrequenz ist. Wenn das elektrische Feld im Plasma ferner eine periodische räumliche Veränderung (die Entfernung gemessen längs einer Kraftlinie) hat, »empfindet« ein längs einer Kraftlinie sich bewegendes Ion bzw. Elektron das elektrische Feld mit einer Frequenz, die von der des elektrischen Feldes verschieden ist, und zwar wegen des Dopplereffektes. Selbst wenn die Frequenz des elektrischen Feldes im Plasma nicht genau gleich der Ionenzyklotronfrequenz für Ionen des Plasmas ist, sind stets doch einige Ionen vorhanden, welche sich gerade mit solchen Geschwindigkeiten bewegen, daß sie das elektrische Feld mit ihrer Ionenzyklotronfrequenz »empfinden«. Für diese Ionen bleibt die Beschleunigung infolge des oszillierenden elektrischen Feldes für eine verhältnismäßig lange Zeit in Phase mit der Schwingungskomponente der Ionengeschwindigkeit. Solche Ionen nehmen große Mengen Energie aus dem elektrischen Feld auf. Die aufgenommene Energie ist Bewegungsenergie der Ionen quer zu den Kraftlinien des magnetischen Umschließungsfeldes. Wenn Ionen aus dem Beschleunigungsbereich austreten oder wenn Ionen geringfügige Geschwindigkeits-Veränderungen längs der Kraftlinien infolge von Zusammenstößen mit anderen Ionen erfahren, wird diese Querenergie teilweise in dem Sinne thermalisiert, daß die resultierende Verteilung der Querenergie und Geschwindigkeiten fast zufällig verteilte Phasen und Amplituden enthalten. Wenn das elektrische Feld durch eine Ionenzyklotronwelle erzeugt wird, verursacht die Energieabsorption aus der Welle durch Ionen die Unterdrückung der Welle entweder mit Bezug auf die Zeit oder auf die Entfernung oder mit Bezug auf beide. Das elektrische Feld kann gegebenenfalls das induzierte Feld einer Induktionsspule sein. In jedem Falle beruht die Zyklotrondämpfung auf der Energieabsorption aus dem elektrischen Feld durch diejenigen Ionen, welche durch das elektrische Feld gerade mit den richtigen Geschwindigkeiten längs der Kraftlinien hindurchtreten, daß sie das elektrische Feld mit ihren eigenen Ionenzyklotronfrequenzen »empfinden«.

Die Thermalisierung sowohl von Ionenzyklotronbewegungen als auch von Ionenzyklotronwellen kann auch durch Zusammenstöße von geladenen Teilchen von verschiedener Masse stattfinden. Während Ionen-Elektronen-Zusammenstöße die Energie einer

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Plasmabewegung in eine regellose Bewegung mit der Entfernung, gemessen längs einer Kraftlinie,

einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit um- Hierdurch wird Energie auf das Plasma übertragen,

wandeln, kann eine schneilere Thermalisierung da- Nach der Erfindung werden zur Erzeugung des

durch erreicht werden, daß man lediglich die Ionen- Plasmas wenigstens zwei reaktive Ionenarten mit

Zyklotronbewegungen oder Ionenzyklotronwellen 5 verschiedenen Verhältnissen von Ladung und Masse

einer Ionenart in einem Plasma erregt, das zwei oder verwendet.

mehrere Arten von Ionen, beispielsweise von Deu- Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist ein terium und Tritium, enthält. Wenn das Plasma ein Ionenzyklotronwellen-Thermalisierungsabschnitt beGemisch von zwei oder mehreren lonenarten mit nachbart dem Erzeugungsabschnitt vorgesehen, woverschiedenen Verhältnissen von Ladung zur Masse io bei durch diesen Thermalisierungsabschnitt all die enthält, ist die Kollektivbewegung der verschiedenen Kraftlinien des magnetischen Umschließungsfeldes, lonenarten sehr verschieden. Die Amplitude der KoI- die auch durch den Erzeugungsabschnitt hindurchlektivbewegung ist für die Resonanzionen viel größer, treten, verlaufen. In dem Thermalisierungsabschnitt und die Thermalisierung wird durch Zusammenstöße wird das magnetische Umschließungsfeld allmählich von Resonanzionen und nicht in Resonanz befind- 15 in seiner Intensität mit zunehmender Entfernung vom liehen Ionen herbeigeführt. Erzeugungsabschnitt verringert. Die lonenzyklotron-

Der Wirkungsgrad für die Erregung einer Reso- wellen werden vom Erzeugungsabschnitt in den Ther-

nanz mit einer sehr kurzen Wellenlänge in einem malisierungsabschnitt ausgebreitet und erfahren in

Plasma durch eine Induktionsspule mit einer entspre- diesem mit zunehmender Entfernung vom Erzeu-

chend kurzen Wellenlänge ist im allgemeinen gering. 20 gungsabschnitt eine Strukturänderung dadurch, daß

Jedoch kann die Wellenlänge, für welche die Lei- sich ihre Wellenlänge verringert und das Verhältnis

stungsübertragung wirksam ist, so lang sein, daß eine der Ionenzyklotronwellenfrequenz zur örtlichen

Thermalisierung der Wellenenergie in dem Plasma Ionenzyklotronfrequenz sich dem Wert Eins nähert,

innerhalb der Induktionsspule nur sehr langsam statt- Daher findet in einem Teil des Thermalisierungs-

findet. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist 25 abschnitts, in welchem das Verhältnis nahe dem

die Wellenlänge der Induktionsspule derart be- Wert Eins liegt, eine Zyklotrondämpfung und somit

messen, daß die Übertragung wirksam ist. So ist be- eine teilweise Thermalisierung der Wellenenergie

nachbart dem einen Ende der Induktionsspule ein statt.

Thermalisierungsabschnitt vorgesehen, in den die .Gemäß einem weiteren Merkmal der Vorrichtung Ionenzyklotronwellen zur Ausbreitung gebracht wer- 30 nach der Erfindung befindet sich benachbart dem den. Im Thermalisierungsabschnitt besteht ein Be- Thermalisierungsabschnitt ein magnetischer Spiegel, reich eines langsam abnehmenden magnetischen FeI- Mit Spiegelabschnitten in der Nähe jeden Endes des in der von der Induktionsspule wegführenden eines Erzeugungsabschnitts kann ein Plasma zeit-Richtung. Das abnehmende Feld hat zur Folge, daß weilig auf den räumlichen Bereich zwischen zwei die Wellenlänge immer kürzer wird und die Frequenz 35 Spiegelabschnitten eingeschlossen werden. Wenn nur sich dabei der örtlichen Ionenzyklotronfrequenz an- in der Nähe eines Endes eines Erzeugungsabschnitts nähert, so daß eine Zyklotrondämpfung stattfinden ein Spiegelabschnitt vorgesehen ist oder Spiegelkann. Ionen, welche durch die Ionenzyklotronwelle abschnitte von ungleicher Stärke in der Nähe der in diesem Bereich hindurchtreten, nehmen Energie Enden eines Erzeugungsabschnitts vorgesehen sind, aus der Schwingung auf, während die Wellenampli- 4° diffundiert das Plasma von dem einen Ende des Ertude unterdrückt wird. Diejenigen Ionen, welche Zeugungsabschnitts schneller als von dem anderen Energie- oder Geschwindigkeitszuwachsbeträge durch Ende weg. Eine solche Vorrichtung bzw. ein solches Zyklotrondämpfung aufnehmen, haben eine axiale Verfahren kann dazu verwendet werden, ein Gas von Geschwindigkeitsverteilung, und die Phasen ihrer einem räumlichen Bereich zu einem anderen zu Geschwindigkeitszuwachsbeträge werden inkohärent, 45 pumpen und Ionen mit verschiedenen Verhältnissen wenn diese Ionen sich in Achsrichtung weiterbewe- von Ladung und Masse voneinander zu trennen. Ein gen. Diese Phasenmischung ergibt eine wirksame solches Verfahren kann auch bei einem Ionenantriebregellose Verteilung der Ionenbewegungen, wodurch Raketenmotor herangezogen werden, um den stromeine Erhitzung des Plasmas eintritt. führenden Leitern, welche die magnetischen Spiegel-

Nach dem Erfindungsvorschlag wird das Reso- 50 felder erzeugen, einen Impuls mitzuteilen,

nanzfeld im Erzeugungsabschnitt mit einer Frequenz Die Erregung von Teilchen- und Plasmaresonan-

verändert, die annähernd gleich der Frequenz ist, zen durch Energieübertragung auf das Plasma nach

welche das Plasma als Eigenresonanz hat, beispiels- dem Erfindungsvorschlag kann auch für andere

weise die Resonanzen von Ionenzyklotronwellen und Zwecke als zur Erhitzung des Plasmas angewendet

der hydromagnetischen Torsions- und Verdichtungs- 55 werden. Eine solche Anwendungsmöglichkeit besteht

wellen, wodurch solche Wellen erzeugt werden und in der Erzeugung und in der Feststellung von Reso-

Energie auf das Plasma übertragen wird. nanzen, wie von hydromagnetischen Torsions- und

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist Verdichtungswellen und Ionenzyklotronwellen und

der Erzeugungsabschnitt von besonderer Bauart und -bewegungen für diagnostische Zwecke. Hierdurch

wird nachstehend als periodischer Erzeugungsab- 60 läßt sich eine Information über diejenigen Parameter

schnitt bezeichnet. Innerhalb dieses Abschnitts ver- des Plasmas und seiner Umgebung erzielen, welche

ändert sich die Intensität des Resonanzfeldes peri- den Charakter der Resonanzen beeinflussen. Solche

odisch mit der Entfernung — gemessen längs der Parameter sind beispielsweise die Dichteverteilung

Kraftlinien des magnetischen Umschließungsfeldes — der verschiedenen lonenarten im Plasma, die Elek-

und periodisch mit der Zeit. Die Entfernungsperiodi- 65 tronen- und Ionentemperaturen und die Stärke des

zität ist die gleiche wie diejenige der im Plasma indu- magnetischen Feldes. Die besagten Wellen können

zierten Schwingbewegungen. Die induzierten Be- durch ihre magnetischen und elektrischen Felder

wegungen haben vorzugsweise eine Periodizität mit festgestellt werden, wobei für ihre Feststellung eine

magnetische Aufnahmespule verwendet werden kann, die sich innerhalb des Plasmas oder außerhalb desselben befindet oder dieses umgibt.

Die Erfindung ist besonders geeignet zur Erhitzung eines Plasmas in einer Vorrichtung vom Stellaratortyp. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung für diesen Vorrichtungstyp beschränkt; sie kann beispielsweise zur Erhitzung des Plasmas in einer Vorrichtung vom Pyrotrontyp angewendet werden.

Eine Vorrichtung vom Stellaratortyp weist ein endloses torusförmiges Rohr auf, in welchem ein vollionisiertes Plasma von hoher Temperatur eingeschlossen ist. Das Plasma ist innerhalb des Rohres durch ein statisches, einseitig gerichtetes magnetisches Feld eingeschlossen, das durch zwei verschiedene Arten von elektrischen Wicklungen auf dem Rohr erzeugt wird. Erstens ist eine Wicklung vorgesehen, die ein starkes, ringförmiges magnetisches Feld im Ringrohr erzeugt. Zweitens ist eine Wicklung vorgesehen, durch welche im ringförmigen magnetischen Feld eine Rotationstransformation und eine radiale Veränderung desselben mitgeteilt wird. Ein solches von außen erzeugtes magnetisches Feld mit einer Rotationstransformation und einer radialen Veränderung in einem torusförmigen Rohr kann in stabiler Weise ein Plasma von der Rohrwandung weg begrenzen. Das Rohr wird auf ein hohes Vakuum evakuiert, in das ein reines Gas aus thermonuklearem Brennstoff eingeleitet wird. Das Gas wird dabei zunächst in ein Plasma durch eine Hochfrequenzentladung oder durch einen hohen elektrischen Feldimpuls übergeführt, und dann wird das ionisierte Gas durch äußere Mittel auf eine möglichst hohe Temperatur gebracht.

Im Stellarator-Entladungsrohr ist mindestens ein Divertor zur Entfernung von Verunreinigungsionen aus dem Plasma vorgesehen. Verunreinigungsionen bestehen aus solchen Ionen, welche sich in der Nähe der Rohrwandung befinden und sowohl aus dem Plasma als auch aus der Rohrwandung durch Beschüß mit energiereichen Teilchen stammen und unerwünscht sind. Im Divertor ist eine elektrische Wicklung vorgesehen, welche entgegengesetzt zu den Wicklungen erregt wird, die das magnetische Hauptumschließungsfeld erzeugen.

Die Divertorwicklung krümmt die Feldlinien des magnetischen Hauptumschließungsfeldes in der Nähe der Wandung des Ringes derart, daß diese Feldlinien in einen erweiterten Abschnitt des Ringrohres eintreten. Dieser Abschnitt oder die Divertorkammer besitzt eine ringförmige, unmagnetische leitende Kollektorplatte, deren Innenradius mindestens ebenso groß wie der Nebenradius des Ringrohres ist. Die magnetischen Linien des magnetischen Hauptumschließungsfeldes, welche in die Divertorkammer gekrümmt werden, treten durch die Kollektorplatte hindurch und dann von neuem in das Ringrohr ein. Die Verunreinigungsionen, welche sich benachbart der Ringrohrwandung befinden, folgen den magnetischen Linien in den Divertor und werden durch die Kollektorplatte daran gehindert, von neuem in das Reaktorrohr einzutreten. Sie werden aus dem Divertor durch eine Vakuumpumpe entfernt.

In der Nähe der Außenwandung des Stellaratorrohres werden eine Neutronenbremseinrichtung und eine Kühleinrichtung angeordnet, um in diesen in Form energiereicher Teilchen und elektromagnetischer Strahlung freigesetzte Energie zu absorbieren.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung, teilweise im Schnitt, eine Ansicht einer Vorrichtung vom Stellaratortyp gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt die Bewicklung des Erzeugungsabschnittes und den zugehörigen Erregerkreis;

F i g. 3 zeigt eine weitere Bewicklungsart für den Erzeugungsabschnitt;

ίο F i g. 4 zeigt die Änderung der Intensität des magnetischen Unischließungsfeldes in den verschiedenen Teilen einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der von dem Plasma absorbierten Energie von der Stärke des Umschließungsfeldes für zwei Ionenarten (Helium und Wasserstoff) bei einer bestimmten Erregungsfrequenz.

In F i g. 1 ist ein ringförmiges unmagnetisches Rohr 10, das eine endlose Kammer 11 bildet, gezeigt.

Dieses Rohr besteht aus zwei parallelen Abschnitten 12 und 14 von gleicher Länge, die an ihren jeweiligen Enden durch halbkreisförmige Abschnitte 16 und 18 miteinander verbunden sind. Ein radialer rohrförmiger Kanal 21, der in den Abschnitt 16 mündet, dient sowohl als Einlaß für reaktive Gasatome 23 von einer nicht gezeigten Quelle reaktiven Gases als auch zum Evakuieren der Kammer 11 auf ein hohes Vakuum, beispielsweise auf 10~⁶ mm Hg, z. B. mit Hilfe einer nicht gezeigten Vakuumpumpe.

In der Kammer 11 wird überall ein ringförmiges Magnetfeld durch eine elektrische Wicklung 20 erzeugt (von der ein Teil auf jedem der halbkreisförmigen Abschnitte 16 und 18 dargestellt ist), die in an sich bekannter Weise durch eine nicht gezeigte Gleichspannungsquelle erregt wird. Die elektrische Wicklung 20 ist um das Rohr 10 mit der nachstehend beschriebenen Ausnahme über seine volle Länge gewickelt. Die durch diese Wicklung erzeugten Kraftlinien verlaufen kontinuierlich um das Ringrohr.

Unter der Wicklung 20 befinden sich über einen Teil der Länge des Rohres 10 spiralige Windungen 22. Es sind vorzugsweise vier oder sechs solcher Windungen in gleichen Abständen um das Rohr 10 herum verteilt vorgesehen, wie im Querschnitt 25 gezeigt ist.

Benachbarte Windungen 22 werden entgegengesetzt erregt und teilen dem durch die Wicklung 20 erzeugten axialen Feld eine derartige Feldkomponente mit, daß das resultierende Feld durch eine Rotationstransformation mit einer radialen Veränderung ge- kennzeichnet ist. Die Wirkung der Rotationstransformation besteht darin, daß jede in Zusammenwirkung durch die Wicklungen 20 und 22 erzeugte magnetische Linie, nachdem sie das Rohr 10 einmal durchlaufen hat, eine bestimmte winkelige Verlagerung hat und somit nicht in sich geschlossen ist. Wegen der radialen Veränderung nimmt diese winkelige Verlagerung mit der Entfernung einer Feldlinie von der magnetischen Achse 24 des Rohres 10 zu, derart, daß magnetische Linien, die von der Achse 24 der Kammer 10 weiter entfernt sind, um die Achse 24 in immer enger werdenden Schraublinien herumlaufen.

Um das Rohr 10 herum ist an dessen Abschnitt 18 ein Ferritring 26 angeordnet. Um den Ring 26 ist eine elektrische Wicklung 28 angeordnet. Längs der Achse 24 der Kammer 11 tritt, wenn die Wicklung 28 an ihren Klemmen 30 und 32 durch eine nicht gezeigte Hochfrequenzspannungsquelle erregt wird, eine

ίο

Die Kondensatoren 88 und 90 sind so gewählt, daß die Eingangsimpedanz der Wicklung 68 der Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators 80 angepaßt ist. Der Hochfrequenzgenerator 80 erzeugt 5 mit Hilfe der Wicklung 68 ein Magnetfeld, das sich längs der Achse 24 des Isolierrohres 70 (periodisch sowohl mit der Zeit als auch mit der Entfernung) verändert.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich ist, sind das Isolier-

Hochfrequenzentladung auf, mit deren Hilfe das Gas ionisiert wird.

Um den geraden Abschnitt 14 des Rohres 10 herum
ist ein geschichteter Eisenring 34 zur Ohmschen Erhitzung des Plasmas in der Kammer 11 angeordnet.
Der Ring 34 ist mit einer Wicklung 36 versehen, die
an ihren Klemmen 38 und 40 durch eine nicht gezeigte Hochfrequenzspannungsquelle erregt wird. Der
geschichtete Eisenring 34 und dessen Erregungswicklung 36 bewirken eine Ohmsche Erhitzung des io rohr 70 und die Wicklung 68 innerhalb einer Kammer Plasmas durch Ohmsche Verluste in diesem. 102 des Gehäuses 104 des Erzeugungsabschnittes 103

Im geraden Abschnitt 14 des Rohres 10 ist ein angeordnet und zum geraden Abschnitt 12 des Ring-Divertor 42 zum Entfernen von Verunreinigungs- rohres 10 gleichachsig. Das Isolierrohr 70 ist gegen ionen aus diesem angeordnet. Dieser Divertor besitzt d^;e Rin^rohrwandung abgedichtet, um die Wicklung ein Gehäuse 46, das eine Kammer 48 begrenzt, welche 15 68 vom Plasma zu isolieren. Die Wicklung 68 kann eine Erweiterung der Kammer 11 darstellt. Die jedoch auch in anderer Weise vom Plasma isoliert Kammer 48 wird durch eine nicht gezeigte Vakuum- werden, beispielsweise durch Verwendung eines isopumpe über einen Kanal 50 evakuiert. Die um das lierten Drahtes für die Wicklung 68. Das Gehäuse Rohr 10 herumgewickelte elektrische Wicklung 52 104 weist ringförmige Endplatten 106 und 108 auf, wird durch eine Gleichspannungsquelle (beispiels- 20 die mit dem Abschnitt 12 des Rohres 10 hermetisch weise durch die gleiche Spannungsquelle, welche zur abgedichtet sind. Zusätzlich weist das Gehäuse 104 Erregung der Wicklung 20 verwendet wird) in Rieh- eine äußere zylindrische unmagnetische Wandung tung des Pfeils 54 erregt, so daß in der Kammer 48 110 und eine innere zylindrische unmagnetische Wanein magnetisches Feld erzeugt wird, welches das dung 112 mit einem Ringraum 111 zwischen diesen durch die Feldlinien 17 dargestellte magnetische 25 auf. Die elektrische Wicklung 114 ist derjenige Teil Umschließungsfeld örtlich verzerrt. Dies hat zur der Wicklung 20, der sich im Erzeugungsabschnitt Folge, daß die Feldlinien des magnetischen Um- 103 befindet, und ist im Ringraum 111 angeordnet, Schließungsfeldes in der Nähe der Wandung des um in Zusammenwirkung mit den Windungen 22 das Rohres in die Kammer 48 gekrümmt werden, wie magnetische Plasmaumschließungsfeld innerhalb des durch die Feldlinien 56 und 58 dargestellt ist. Par- 30 Isolierrohres 70 zu erzeugen.

allele unmagnetische metallische Verunreinigungs- F i g. 3 zeigt eine andere an Stelle der Wicklung 68

ionen-Kollektorplatten 60 und 62 bilden eine Um- innerhalb der Wicklung 114 angeordnete Wicklung Schließung 63, in der die elektrische Wicklung 52 an- 116. Die Wicklung 116 besteht aus Wicklungsgeordnet ist und die die Kammer 48 in zwei mit- abschnitten 118 und 120, die um die Achse des einander in Verbindung stehende Unterkammern 64 35 Rohres 70 in entgegengesetzten Richtungen gewickelt und 66 unterteilt. Die auf diese Weise in die Unter- sind. Wenn die Wicklung 116 durch die Hochfrequenzquelle 80 erregt wird, erzeugen die Abschnitte 118 und 120 entgegengesetzt gerichtete magnetische Felder längs der Achse 24 des Rohres 10, wie durch 40 die Pfeile 200 und 202 angedeutet ist.

In der F i g. 1 ist eine Wicklung 121 zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten im Thermalisierungsabschnitt 123 um das Rohr 10 herum benachbart jedem Ende des Erzeugungsabschnitts 103 dargestellt, innerhalb des Gehäuses 104 angeordnet ist, und aus 45 Diese Wicklung weist eine Anzahl von Windungen einer um das Isolierrohr 70 gewickelten Induktions- mit allmählich zunehmenden Abständen zwischen spule 68. den Windungen, d. h. längs der Achse 24 des Rohres

Wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist, besteht die 10 vom Ende des Erzeugungsabschnitts 103 weg, auf. Wicklung 68 aus Wicklungsabschnitten 72, 74, 76 Diese Wicklung hat bei ihrer Erregung zur Folge, und 78. Die äußeren Wicklungsabschnitte 72 und 78 5° daß das magnetische Umschließungsfeld im Rohr 10 (bezogen auf die Enden des Rohres 70) sind in der um etwa 20% in seiner Intensität über die Länge des einen Richtung um das Isolierrohr 70 gewickelt, während die inneren Wicklungsabschnitte 74 und 76 in
der entgegengesetzten Richtung um die Rohrachse
gewickelt sind. Obwohl eine geradzahlige Anzahl von 55
Windungsabschnitten dargestellt ist, kann ihre Zahl
ungeradzahlig sein, jedoch größer als Eins. Die elektrische Wicklung 68 wird durch einen Hochfrequenzgenerator 80 über eine Hochspannungsleitung 82 erregt, welche mit den Platten 84 und 86 der Konden- 60 werden und erzeugt eine hohe Flußdichte über den satoren 88 und 90 verbunden ist. Die Platte 92 des Spiegelabschnitt 126 im Vergleich zu dem Plasma-Kondensators 90 ist mit der Verbindungsstelle 94 der Umschließungsfeld an den anderen Stellen des Rohres Wicklungsabschnitte 74 und 76 durch eine Leitung 10. Die spiraligen Windungen 22 befinden sich soverbunden. Niederspannungsleitungen 96 und 98 wohl unter der Wicklung 121 zur Erzeugung eines (beispielsweise mit Erdpotential) verbinden den 65 magnetischen Gradienten als auch unter der Spiegel-Hochfrequenzgenerator 80 mit den entgegengesetzten wicklung 122. Bei abgeänderten Ausführungsformen Enden der Wicklung 68. Die Platte 100 des Konden- einer Vorrichtung nach der Erfindung kann jedoch sators 88 ist ebenfalls mit der Leitung 98 verbunden. dem durch die Wicklung 20 auf den anderen Teilen

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kammer 64 eintretenden magnetischen Feldlinien 56 und 58 treten durch die Kollektorplatten 60 und 62 hindurch und in die Unterkammer 66 ein, von der aus sie wieder in das Rohr 10 eintreten.

Der Entladungsgefäßabschnitt 103 zur Erhitzung des Plasmas ist in dem geraden Abschnitt 12 des Rohres 10 angeordnet und besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 104, einem Isolierrohr 70, das

Thermalisierungsabschnitts 123 abfällt. Die Wicklung 121 bildet einen Teil der Wicklung 20 und kann gemeinsam mit dieser erregt werden.

Wie aus der F i g. 1 weiter ersichtlich ist, ist eine Spiegelmagnetfeldwicklung 122 im Spiegelabschnitt 126 um die Abschnitte 16 und 18 des Rohres 10 gewickelt. Die Spiegelwicklung 122 bildet einen Teil der Wicklung 20, kann gemeinsam mit dieser erregt

Claims (7)

11 12

des Rohres 10 erzeugten Feld eine ausreichende Kraft des magnetischen Umschließungsfeldes über

radiale Transformation und radiale Veränderung den Abstand (I₁ ausgesetzt (solange es sich innerhalb

mitgeteilt werden, so daß die spiraligen Windungen des Erzeugungsabschnitts befindet), einer allmählich

auf dem Thermalisierungsabschnitt 123 und auf dem abnehmenden magnetischen Kraft über den Ab-

Spiegelabschnitt 126 nicht erforderlich sind. 5 stand d., (solange es sich innerhalb des Thermali-

Der Betrieb der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung sierungsabschnitts befindet) und einer intensiven mageht wie folgt vor sich: Das Rohr 10 wird über das gnetischen Kraft über den Abstand d_s (solange es Rohr 21 evakuiert, und Atome eines reaktiven Gases sich innerhalb des Spiegelabschnitts befindet).
23 werden in die Kammer eingeleitet. Die elektrische Zur Erhitzung des Plasmas wird die Wicklung 68 Wicklung 20 für das axiale magnetische Um- io durch die Hochfrequenzquelle 80 mit einer Frequenz Schließungsfeld und die mit dieser zusammenwirken- erregt, die zur Erzeugung von Ionenzyklotron- oder den Teile 22, 114, 121, 122 und 52 werden durch hydromagnetischen Torsionswellen im Rohr 70 im eine nicht gezeigte Spannungsquelle annähernd zur Bereich verhältnismäßig hoher magnetischer Feldgleichen Zeit mit der Einleitung der reaktiven Atome stärke geeignet ist. Diese Ionenzyklotronwellen 23, z. B. Deuterium, in die Kammer 11 erregt. So- 15 breiten sich längs magnetischer Kraftlinien durch den dann werden die reaktiven Atome anfänglich zu einem Thermalisierungsabschnitt 123 aus. Hier nimmt die Plasma durch eine Hochfrequenzentladung ionisiert, Intensität des magnetischen Umschließungsfeldes mit die, wie erwähnt, durch den Ferritring 26 erzeugt der Entfernung, gemessen längs einer Kraftlinie vom wird. Der Ohmsche Erhitzungsring 34 wird dazu ver- Erzeugungsabschnitt 103, allmählich ab, so daß beiwendet, das Plasma in einen Zustand fast völliger 20 spielsweise eine 20%ige Verringerung in der Intensi-Ionisation zu bringen, um das Plasma in einem ge- tat vom Erzeugungsabschnitt 103 zum Spiegelwissen Grade zu erhitzen. Der Betrag der erforder- abschnitt 126 erfolgt. Diese Veränderung wird durch liehen Ohmschen Erhitzung hängt von den jeweiligen die Wicklung 121 erzeugt, deren Windungsabstand Betriebsbedingungen, wie Druck und Temperatur, vom Erzeugungsabschnitt 103 aus immer größer wird, ab. Hierauf wird das Plasma mit Hilfe des Er- 25 Dies hat zur Folge, daß die Wellenlänge der Ionenzeugungsabschnitts 103 erhitzt. zyklotronwelle allmählich abnimmt. Wenn die Wellen-

Im Erzeugungsabschnitt 103 bildet die Wicklung länge ausreichend kurz wird, tritt eine beträchtliche 68 zusammen mit den Kondensatoren 88 und 90 Zyklotrondämpfung auf. Die Wellenamplituden einen Resonanzkreis, der durch die Hochfrequenz- nehmen ab, und die Wellenenergie wird in Energie quelle 80 erregt wird. Da die Abschnitte 72 und 76 30 von regellos verteilten Ionen-Querbewegungen umsowie die Abschnitte 74 und 78 elektrischen Strom in gewandelt, so daß die Ionenzyklotronwellen eine entgegengesetzten Richtungen um die Achse 24 des Thermalisierung durch Zyklotrondämpfung erfahren. Rohres 70 führen, sind die durch diese erzeugten Fig. 5 zeigt Versuchsdaten über die Energie-Magnetfelder wechselweise um 180° phasen ver- absorption durch ein aus Helium- und Wasserstoffschoben. 35 ionen bestehendes Plasma aus der Induktionsspule

Zur Übertragung von Energie auf das Plasma durch 68. Der Versuch wurde an der Universität von

Ionenzyklotronbewegungen liegt die Frequenz der Princeton mit einem Modell des Stellarators durch-

durch den Generator 80 erzeugten Hochfrequenz- geführt. Die Frequenz des Resonanzfeldes betrug

spannung bei der Ionenzyklotronfrequenz der Plasma- 10,6 Megahertz und seine Wellenlänge 22,86 cm.

ionen, wie sie aus der Gleichung 1 gegeben ist. Wäh- 40 Auf der Abszisse ist die Stärke des magnetischen

rend des Betriebs sind bei dieser Ausführungsart die Umschließungsfeldes in Kilogauß angegeben, wah-

elektrischen Wicklungen 121 und 122 nicht erregt. Es rend auf der Ordinate das Verhältnis W der durch

sind jedoch dann an ihren jeweiligen Stellen Ab- das Plasma absorbierten Hochfrequenzleistung zur

schnitte der Hauptfeldwicklung 20 vorgesehen. Hochfrequenzleistung aufgetragen ist. Da der Ohmsche

Bei einer anderen Betriebsweise erzeugt der Hoch- 45 Verlust die Hauptquelle des Energieverlustes bei der frequenzgenerator 80 in der Kammer 11 mittels der Leistungsübertragung ist, zeigt ein Wert von W=I Wicklung 68 ein sich veränderndes magnetisches einen Wirkungsgrad der Leistungsübertragung von Feld. Dieses Feld hat die Resonanzfrequenz für 50% an, während höhere Werte von W höhere Zyklotronwellen oder hydromagnetische Torsions- Wirkungsgrade der Leistungsübertragung anzeigen, wellen. Bei dieser Betriebsart werden die elektrischen 50 Die senkrechten Linien 150 und 152 zeigen die Werte Wicklungen 121 und 122 des Thermalisierungs- des magnetischen Feldes, für welche die Hochabschnitts 123 und des Spiegelabschnitts 126 entweder frequenz des Erzeugungsabschnitts 103 gleich der an dem einen Ende oder an beiden Enden des Er- Ionenzyklotronfrequenz für Wasserstoff (annähernd Zeugungsabschnitts 103 erregt. 6,6 Kilogauß) bzw. des doppelt ionisierten Heliums

In der Fig. 4 ist der Verlauf des magnetischen 55 (annähernd 13,1 Kilogauß) ist.

Hauptumschließungsfeldes im Rohr 70, das durch Die Spitzenwerte 154 und 156 (nahe den oder bei

die Wicklung 114, das magnetische Gradientenfeld den Ionenzyklotronfrequenzwerten) zeigen, daß be-

innerhalb der Wicklung 121 und das Spiegelfeld trächtliche Bruchteile der der Spule 68 zugeführten

innerhalb der Wicklung 122 erzeugt wird, dargestellt. Hochfrequenzleistung durch das Plasma vorzugs-

Der in der F i g. 4 gezeigte Block stellt den Er- 60 weise bei den und in der Nähe der Ionenzyklotron-

zeugungsabschnitt 103 dar. Die Position längs der frequenzen von Wasserstoff bzw. Helium absorbiert

ΑΓ-Achse mißt den Abstand von der Mitte des Er- wurden.

Zeugungsabschnitts 103. Die Position längs der PatentansDriiche·

Y-Achse mißt den reziproken Wert der Intensität des rateniansprucne.

magnetischen Umschließungsfeldes. Ein Ion, das sich 65 1. Verfahren zum Erhitzen eines von einem

vom Mittelpunkt des Erzeugungsabschnitts 103 in der Magnetfeld eingeschlossenen Plasmas, das in

ΑΓ-Richtung bewegt, z. B. am Schnittpunkt der einer evakuierten Zone durch ein Resonanzfeld

X-Achse und der Y-Achse, ist einer konstanten induktiv erregt wird, so daß es eine Bewegung

mit Zyklotronfrequenz ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß aneinandergrenzende Bereiche des Plasmas gleichzeitig mit oder annähernd mit ihrer Ionenzyklotronfrequenz in entgegengesetzten Richtungen erregt und die daraus resultierenden Bewegungsenergien thermalisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Resonanzfeldes periodisch mit der Zeit und mit einer Frequenz annähernd gleich der Zyklotronfrequenz der Ionen in dem Plasma verändert wird, um Ionenzyklotronwellen zu erzeugen, deren Frequenz nach der Formel

' Ionenzyklotron

1 -Ι

K*

bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Plasmas wenigstens zwei reaktive Ionenarten mit verschiedenen Verhältnissen von Ladung und Masse verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, bestehend aus einem elektrischen Entladungsgefäß, das von einer Wicklung zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes umgeben ist, und einer Einrichtung zum Zünden einer Plasmaentladung, dadurch ge-

25

kennzeichnet, daß ein Teil (103) des Entladungsgefäßes von abschnittsweise jeweils in entgegengesetzten Richtungen vom elektrischen Strom durchflossenen Magnetfeldwindungen (72 bis 78) umgeben ist, daß eine Einrichtung zur periodischen Erregung dieser Magnetfeldwindungen und Einrichtungen zur Erzeugung mindestens eines an den Teil (103) anschließenden Thermalisierungsabschnitts (123) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermalisierungsabschnitt (123) eine Wicklung (121) zur Erzeugung eines solchen Feldgradienten in dem das Plasma umschließenden Magnetfeld aufweist, daß die Flußdichte des magnetischen Umschließungsfeldes in dem Thermalisierungsabschnitt vom Ende des Teils (103) weg abnimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermalisierungsabschnitt als magnetischer Spiegel ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im äußersten Bereich des Thennalisierungsabschnitts eine Wicklung (122) zur Erzeugung eines relativ starken Magnetfeldes (126) zwecks Einschließung des Plasmas vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 905 765, 905 766;
»Nature«, Vol. 180, 28. Dezember 1957, S. 1468, 1469.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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