DE1196801B

DE1196801B - Verfahren zur Erzeugung und Einschliessung eines Plasmas hoher Energie

Info

Publication number: DE1196801B
Application number: DES85669A
Authority: DE
Inventors: Dr Alois Koller; Dr Alfred Michel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-06-14
Filing date: 1963-06-14
Publication date: 1965-07-15
Also published as: US3408527A; GB1064047A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G 21

Deutsche KL: 21g-21/21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1196 801
S85669Vnic/21g

14. Juni 1963

15. Juli 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und Einschließung eines Plasmas hoher Energie mittels alternierender z- und Θ-Pinchentladungen in einem zylindrischen oder toroidalen Entladungsgefäß.

Die Methoden zur Einschließung eines Plasmas durch ein Magnetfeld lassen sich in zwei große Gruppen einteilen: in stationäre und in instationäre Verfahren. Zu den ersteren gehören die Spiegel· maschine, die statische Cusp-Geometrie, der Stellarator und das rotierende Plasma. Zu den letzteren der z-Pinch und der 0-Pinch.

Der Einschließungszeit der stationären Verfahren wird durch die Diffusion quer zum Magnetfeld, durch Teilchenveriuste an den Spiegelenden und infolge von Instabilitäten eine Grenze gesetzt, die in der Größenordnung von Millisekunden liegt. Die Teilchendichten sind bei diesen Methoden sehr klein (etwa 10¹⁰ bis IG¹² Teilchen · cm-³).

Die instationären Einschließungsmethoden ergeben höhere Teilchendichten (etwa 10¹⁵ bis 10¹⁸ Teilchen · cm~^s), jedoch kürzere Einschließungszeiten (10-e bis ΙΟ"⁵ Sekunden). Bei den Pincheffekten treten Instabilitäten auf.

Es sind eine Anzahl von Verfahren zum Einschließen von Plasmen hoher Energie bekanntgeworden. So werden nach einem bekannten Verfahren (deutsche Auslegeschrift 1116834) außerhalb eines im wesentlichen zylindrischen Reaktionsgefäßes Elektronen auf relativistische Geschwindigkeit gebracht und diese Elektronen dann unter einem kleinen Winkel zu einer zu dem Magnetfeld orthogonalen Ebene tangential in das Gefäß eingeführt und auf eine Bahn geleitet, die innerhalb des Gefäßes auf einer gedachten koaxialen Zylinderfläche verläuft. Durch Änderung der magnetischen Feldstärke an der Einführungsstelle werden die Elektronen eingefangen und parallel zu der Achse von der Einführungsstelle durchgeführt und hierdurch eine zylindrische Schicht aus um die Achse des Magnetfeldes mit relativistischer Geschwindigkeit umlaufenden Elektronen erzeugt. Vorzugsweise werden Atome niederen Atomgewichts in das Reaktionsgefäß eingeleitet.

In der deutschen Auslegeschrift 1117789 ist ein Gerät zur Erzeugung und Einengung eines Plasmas hoher Energie beschrieben. Hierbei ist eine ringförmige Reaktionskammer durch eine Mittelelektrode und eine diese im Abstand konzentrisch umgebende Ringelektrode in radialer Richtung begrenzt Zur Ionisierung des gasförmigen Reakti&nsstofies ist eine so energiereiche Hochspannungsimpulsquelle vorgesehen und mit Elektroden verbunden. Zur Erzeu- Verf ahren zur Erzeugung und Einschließung
eines Plasmas hoher Energie

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Wemer-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Alois Koller,

Dr. Alfred Michel, Erlangen

gung von Teilchenumlaufbahnen um die Mittelelektrode und zur Erhitzung des Plasmas ist weiterhin ein Magnet vorgesehen, dessen Kraftlinien die Ringkammer durchsetzen und unter einem Winkel ·—vorzugsweise senkrecht — zur Ringkammer eben verlaufen.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1111747 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltüng eines energiereichen Plasmas bekanntgeworden. Die dort beschriebene Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Entladungsstromes 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. Dieser Vorrichtung liegt bereits der Gedanke zugrunde, die Einschließungszeit bei instationären Verfahren dadurch zu verlängern, daß der z-Pinch und der 0-Pinch einander in periodischem Wechsel ablösen.

Es sind nun Versuche bekanntgeworden, die dieses Ziel erstrebten, jedoch am ungünstigen Zusammenwirken der beiden Magnetfelder scheiterten. Insbesondere führt die Überlagerung des zirkulären Magnetfeldes des z-Pinches mit dem axialen Magnetfeld des β-PiQches zu einem schraubenförmigen Feld und folglich zu Wendeliastabilitäten. Berechnungen und Experimente von van der Laan and Rietjens

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(Nuclear Fusion Supplement, 1962, Part. 2, S. 693) ergaben ferner eine instabile z-Pinch-Fhase.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1079 233 ist wiederum eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Starkstrom-Ringentladungen bekannt, die es ermöglicht, zwei aus zwei verschiedenen Schaltkreisen gespeiste z-Pinch-Phasen zeitlich abgestimmt aufeinanderfolgen zu lassen; dabei kann der zweite Schaltkreis aus einer Ladeverzögerungsleitung bestehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufeinanderfolge von z-Pinch und ©-Pinch und umgekehrt so zu steuern, daß eine alternierende Wiederholung und damit eine instationäre Einschließung des Plasmas über längere Zeit ermöglicht wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeweils zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden ζ- und Θ-Pinch-Phasen eine magnetfeldfreie Trägheitsphase erzeugt wird.

Unter einer magnetfeldfreien Trägheitsphase wird folgendes verstanden:

Um eine Überlagerung oder ein anderes ungünstiges Zusammenwirken der beiden durch den z-Pinch bzw. Θ-Pinch verursachten Magnetfelder zu vermeiden, soll das von der jeweils zeitlich vorangehenden Entladung herrührende Magnetfeld im wesentlichen abgeklungen sein, bevor die nächste Entladung einsetzt. Mit dem Magnetfeld verschwindet ein Teil der Einschließungskräfte. Aus eigenen Untersuchungen ist bekannt, daß zumindest beim linearen z-Pinch die Trägheitskräfte einen wesentlichen Teil zur Ein-Schließung beitragen. Diese Einschließungsphase, die lediglich auf den Trägheitskräften beruht, wird »magnetfeldfreie Trägheitsphase« genannt.

Diese magnetfeldfreie Trägheitsphase wird erfindungsgemäß dadurch erzeugt, daß vor dem Einschalten des Entladungsstromes des jeweils nachfolgenden Pinches der Entladungsstrom des zeitlich vorhergehenden Pinches kurzgeschlossen wird. Zum Kurzschließen eignen sich z. B. insbesondere Funkenstrecken mit kurzen Löschzeiten oder andere gesteuerte Gasentladungsstrecken, wie z.B. gittergesteuerte Gasentladungsröhren. Um den ©-Pinch an den z-Pinch anzuschließen, muß der z-Strom in einem geeigneten Moment der Kontaktionsphase abgeschaltet werden. Das Plasma kontrahiert dann auf Grund seiner Trägheit weiter; die äußeren Partien werden zum Teil bereits umkehren. Das zirkuläre Magnetfeld, das sich während dieser Zeit abbauen soll, wirkt noch komprimierend. Bevor ein wesentlicher Teil des Plasmas die Wand des Entladungsgefäßes erreicht hat, muß-der Θ-Pinch einsetzen, der dann ein magnetfeldfreies Plasma vorfindet.

Um den z-Pinch an den ©-Pinch anzuschließen, muß der ©-Strom in einem geeigneten Moment abgeschaltet werden, damit sich das axiale Magnetfeld abbauen kann. Der ©-Pinch soll dabei nach Möglichkeit kein eingescHlossenes Magnetfeld enthalten, da ja eine Vermischung von Magnetfeldern vermieden werden soll. Bevor in der folgenden Periode des Abbaues des axialen Magnetfeldes ein wesentlicher Teil des Plasmas die Wand erreicht hat, soll ein z-Strom eingeschaltet «werden, der eine erneute Kompression bewirkt. s

Eine andere Methode zur Erzeugung der magnetfeldfreien Trägheitsphase besteht erfindungsgemäß darin, den Entladungsstrom durch einen geeigneten Widerstand im äußeifen Stromkreis in hinreichend kurzer Zeit kritisch zli dämpfen. Das geschieht dadurch, daß in den Entladungsstromkreis ein Widerstand R eingebaut wird, dessen Größe folgender Bedingung genügt:

R =

Hierin bedeutet L die Gesamtinduktivität des Entladungsstromkreises und C die Kapazität des Entladungskondensators. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, daß die Kurzschlußvorrichtungen eingespart werden können.

Das Verfahren nach der Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß Lorentzkräfte ihren wichtigsten Einfluß ausüben, solange sich das Plasma am Rande des Entladungsgefäßes befindet. Es genügt daher, daß die Lorentzkräfte zu diesen Zeiten wirken. Bei kleineren Radien wird das Plasma dann seinen Trägheitskräften überlassen. Die Rolle des Magnetfeldes besteht nicht darin, einen dauernden Druck auf die Plasmasäule auszuüben, sondern darin, dem Plasma periodisch impulsmäßige, radial nach innen gerichtete Beschleunigungen zu erteilen, sobald es sich in der Nähe der Wand befindet. Gegenüber den bisher bekannten Verfahren zum Einschließen von Plasmen, bei denen das Magnetfeld den gesamten plasmafreien Raum erfüllt, bedeutet das eine Einsparung an zugeführter Energie.

Der periodische Wechsel der beiden Pincheffekte mit dazwischenliegender magnetfeldfreier Trägheitsphase stellt ein wirksames Verfahren zur Bekämpfung der Kink-, Wurst-, Wendel- und Flute-Instabilitäten dar. Diese Instabilitäten treten stets dann auf, wenn sich Ungleichmäßigkeiten senkrecht zu den magnetischen Feldlinien ausbilden, und sie wirken erst nach der erfolgten Kompression zerstörend auf die Einschließung. Ungleichmäßigkeiten längs der magnetischen Feldlinien können sich durch Alfvenwellen ausgleichen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung können die zerstörenden Wirkungen der Instabilitäten nicht mehr auftreten, da im Augenblick der stärksten Kontraktion das komprimierende Magnetfeld keinen wesentlichen Einfluß mehr ausübt. Ungleichmäßigkeiten senkrecht zu den magnetischen Feldlinien, die sich während der Kompressionsphase unvermeidlich ausbilden, haben in der darauffolgenden Kompressionsphase Gelegenheit sich zu glätten, da dann die magnetischen Feldlinien um 90° gedreht sind und die zuvor entstandenen Ungleichmäßigkeiten durch Alfvenwellen längs der Feldlinien ausgeglichen werden können.

Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispieles das Verfahren gemäß der Erfindung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Ausführungsform einer Entladungselektrode, schematisch dargestellt.

In der F i g. 1 ist mit 1 das zylindrische Entladungsgefäß bezeichnet, das aus einem isolierenden Rohrmantel 2 mit zwei isolierenden Abdeckplatten 3, der zylindrischen geschlitzten metallischen Stromzuführung 4 für den z-Pinch, an die oben ein geschlitzter metallischer Ring 5 angebracht ist, sowie dem als ©-Pinch-Spule wirkenden metallischen Mantel 6 aufgebaut ist. Der Ring 5 ist mit metallischen Bolzen 7 versehen, die durch die obere Abdeckplatte 3 vakuum-

dicht geführt sind und mit der oberen nicht gezeichneten Entladungselektrode in gutem elektrischem Kontakt stehen. An die O-Pinch-Spule 6 wird bei 8 der Strom zu- und bei 9 der Strom abgeführt. Die Stromabführung für den z-Pinch erfolgt an der unteren nicht gezeichneten Entladungselektrode bei 10. Mit 11 bis 18 sind Funkenstrecken, mit 19 bis 22 Kondensatoren, mit 23 bis 26 handelsübliche Verzögerungsgeräte, mit 27 bis 30 induktive Spannungsgeber für die Verzögerungsgeräte, mit 31 bis 40 Lei- tungsinduktivitäten, mit 41 bis 50 ohmsche Widerstände und mit 51 ein handelsüblicher Impulsgenera- . tor bezeichnet.

Durch ein Startsignal vom Impulsgenerator 51 wird die Funkenstrecke 13 gezündet. Der Kondensator 20 entlädt sich über das zylindrische Entladungsgefäß 1 und erzeugt einen z-Pinch. Die Induktivität 35, sowie der ohmsche Widerstand 45 sind die Induktivität und der Widerstand des Entladungsgefäßes bis zu den nicht gezeichneten Elektroden. Die Induktivität 33 und der ohmsche Widerstand 43 sind die Induktivität und der Widerstand des äußeren Kreises, bestehend aus Kondensator, Funkenstrecke und Zuleitungen. Die Entladung des Kondensators 20 liefert ein Eingangssignal, hervorgerufen durch den induktiven Spannungsgeber 28, der z.B. als Rogowski-Spule ausgeführt sein kann, für das Verzögerungsgerät 24. Dieses erzeugt zwei untereinander verzögerte Ausgangsimpulse. Der erste verzögerte Impuls triggert die Kurzschlußfunkenstrecke 14 mit der Induktivität 34 und dem Widerstand 44. Der zweite, zeitlich abermals etwas verzögerte Impuls triggert die Funkenstrecke 16 und führt so zur Entladung des Kondensators 21 über die 0-Pinch-Spule 6 und erzeugt einen Θ-Pinch. Der Entladungsstrom des Kondensators 21 bewirkt außerdem in dem induktiven Spannungsgeber 29 ein Eingangssignal für das Verzögerungsgerät 25. Dieses Verzögerungsgerät erzeugt wiederum zwei gegen Eingangssignal und untereinander verzögerte Ausgangsimpulse. Der erste verzögerte Impuls des Verzögerungsgerätes 25 triggert die Kurzschlußfunkenstrecke 15 und der zweite abermals verzögerte Impuls des Verzögerungsgerätes 25 triggert den nächsten z-Pinch-Kreis über die Funkenstrecke 11. Der Kondensator 19 entlädt sich, einen neuen z-Pinch erzeugend, über das zylindrische Entladungsgefäß 1. Die Entladung des Kondensators 19 liefert ein Eingangssignal über den induktiven Spannungsgeber 27 für das Verzögerungsgerät 23. Dieses erzeugt wiederum zwei Ausgangsimpulse. Der erste verzögerte Impuls triggert die Kurzschlußfunkenstrecke 12 mit der Induktivität 32 und dem Widerstand 42. Der zweite, zeitlich abermals etwas verzögerte Impuls triggert die Funkensirecke 18 und führt so zur Entladung des Kondensators 22. Der Kondensator 22 entlädt sich über die 0-Pinch-Spule 6 und erzeugt wiederum einen Θ-Pinch. Der Entladungsstrom des Kondensators 22 bewirkt in dem induktiven Spannungsgeber 30 einen Eingangsimpuls für das Verzögerungsgerät 26. Dieses erzeugt wiederum zwei verzögerte Ausgangsimpulse. Der erste verzögerte Impuls triggert die Kurzschlußfunkenstrecke 17 mit der Induktivität 39 und dem Widerstand 49. Der zweite, zeitlich abermals etwas verzögerte Impuls triggert wiederum einen nicht eingezeichneten z-Pinch-Kreis.

In dem Ausführungsbeispiel beträgt die Kapazität der Entladungskondensatoren C₁₉ bis C₂₂ etwa 20 μΈ, zwischen den Entladungselektroden für den z-Pinch sowie an der Θ-Pinch-Spule liegt eine Spannung von 20 kV, der Entladungsstrom beträgt 200 kA, die Widerstände R_i± bis R₅₀ mit Ausnahme von R₁₅ betragen 0,1 Ohm. Der Widerstand R_i5 ist ein reiner Leitungswiderstand. Das Entladungsgefäß besteht aus Glas und hat eine Länge von 50 cm und einen Durchmesser von 20 cm. Es ist mit Deuteriumgas unter einem Druck von 3 Torr gefüllt. Die Löschzeiten der verwendeten Funkenstrecken betragen 2 · 10~⁵ Sekunden.

Um die Reproduktivität der η-fachen Wiederholung zu verbessern, ist es zweckmäßig, nicht fest vorgegebene Verzögerungszeiten zu verwenden, sondern das Signal, das die Zündung der jeweils nächsten Entladung auslöst, dem Plasma selbst zu entnehmen. Dieses Signal kann von einer diagnostischen Vorrichtung, z. B. einer Sonde, oder einer optischen Vorrichtung geliefert werden. Um die jeweils nächste Entladung zu zünden, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: das optische Signal oder das Sondensignal und der Impuls des Verzögerungsgerätes der vorhergehenden Entladungen müssen vorliegen (logische »Und«-Schaltung).

In der F i g. 2 ist eine Ausführungsform der Elektroden, zwischen denen die Entladung im Entladungsgefäß stattfindet, schematisch dargestellt. Die Elektroden bestehen aus kreisförmigen Platten 200, z. B. aus Kupfer oder Wolfram—Kupfer. Damit die Energie des 0-Pinches nicht durch Wirbelströme in den Elektroden verzehrt wird, sind diese mit Schlitzen 201 versehen. Die Metallbolzen 203 stellen die leitende Verbindung zur Stromzuführung bzw. zum Rückleiter dar. Die Metallbolzen sind vakuumdicht durch die isolierende Abdeckplatte3 (Fig. 1) geführt, die den isolierenden Rohrmantel abdeckt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, daß statt des zylindrischen ein torusförmiges Entladungsgefäß benutzt wird. Bei diesem wird der Θ-Pinch, wie oben beschrieben und aus der Literatur bekannt, erzeugt. Das Gefäß soll dabei eine M- und S-Konfiguration haben, um die toroidalen Drifterscheinungen zu verhindern. Der Begriff M- und S-Konfiguration ist in der Zeitschrift »Physical Review Letters«, Bd. 10 (1963), S. 5, näher erläutert. Der z-Pinch wird elektrodenlos als Induktionspinch erzeugt. Die stromführenden Spulen laufen längs des toroidalen Entladungsgefäßes orthogonal zu den Spulen des β-Pinches.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung und Einschließung eines Plasmas hoher Energie mittels alternierender z- und 0-Pinchentladungen in einem zylindrischen oder toroidalen Entladungsgefäß, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden z- und 0-Pinch-Phasen eine magnetfeldfreie Trägheitsphase erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einschalten des Entladungsstromes des jeweils nachfolgenden Pinches der Entladungsstrom des zeitlich vorhergehenden Pinches kurzgeschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsstrom des zeitlich vorhergehenden Pinches durch Funkenstrek-

ken oder andere Gasentladungsstfecken kurzgeschlossen wird.

4. V&ffahien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einschalten des Entladungsstfömes des jeweils nachfolgenden Pinch«* der Entladungsstrom des zeitlich vorhergehenden Pinches Mittels eines geeigneten Widerstandes im äußeren Stromkreis auf einen hinreichend kleinen Wert kritisch gedampft wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für die Zündung der η-ten Entladung mit Hilfe einer diagnostischen Vorrichtung durch den Bewegungszustand des Plasmas gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die z-Pinchentladung geschlitzte Entladungselektroden verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen