DE1216447B - Process for generating, concentrating and concentrating a plasma - Google Patents
Process for generating, concentrating and concentrating a plasmaInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ħW PATENTAMT Int. α.:FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN ħW PATENT OFFICE Int. α .:
G21bG21b
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
H05hH05h
Deutsche Kl.: 21g-21/21German class: 21g-21/21
Nummer: 1216 447Number: 1216 447
Aktenzeichen: L 36915 VIII c/21 gFile number: L 36915 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 29. August 1960 Filing date: August 29, 1960
Auslegetag: 12. Mai 1966Opening day: May 12, 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen, Einengen und Konzentrieren eines Plasmas in einem zylindrischen, von einer isolierenden Wand umschlossenen Reaktionsraum mittels elektrischer Entladung zwischen zwei einander darin gegenüberliegenden Elektroden.The invention relates to a method for generating, concentrating and concentrating a plasma in a cylindrical reaction space enclosed by an insulating wall by means of electrical Discharge between two electrodes located opposite one another in it.
Es sind Entladungsräume bekannt, die für den eingangs genannten Zweck bestimmt sind, bei denen das zur Bildung des Plasmas bestimmte Gas axial durch die Elektroden zugeführt und lediglich durch das Eigenmagnetfeld des Entladungsstromes bei einem geringen Vakuum von einigen 10-1 Torr ein Konzentrationseffekt ausgeübt werden soll. Auf diesem Wege läßt sich eine für Zwecke der Kernfusion und andere Zwecke ausreichende Ladungsträgerkonzentration nicht erreichen.There are discharge spaces are known which are intended for the mentioned purpose, in which the a concentration effect is to be applied to form the plasma certain gas fed axially through the electrodes and only by the self-magnetic field of the discharge current at a low vacuum of some 10- 1 Torr . In this way, a charge carrier concentration that is sufficient for nuclear fusion and other purposes cannot be achieved.
Die gleiche Feststellung gilt auch für toroidale Entladungsräume, in die das Reaktionsgas durch über ihren Umfang verteilte, schrägliegende Öffnungen eingeführt wird, wobei die Ladungsträgerkonzentration ao durch Induktionswirkung von Wanderwellen bewirkt werden soll und ebenfalls kein erhebliches Vakuum vorgesehen wird.The same statement also applies to toroidal discharge spaces into which the reaction gas passes through its circumference distributed, inclined openings is introduced, the charge carrier concentration ao should be caused by the induction effect of traveling waves and also no significant vacuum is provided.
Bei einem bekannten Plasmamotor sind über die Wand eines zylindrischen Entladungsraumes in axialer Richtung geneigt verlaufende Öffnungen für die Zufuhr eines als Kühl- und Antriebsmittel dienenden Lithiumstrahles vorgesehen.In a known plasma motor, a cylindrical discharge space is axially across the wall Direction inclined running openings for the supply a lithium jet serving as a coolant and drive means is provided.
Für die Zwecke der Leckbestimmung hat man bereits bei mit Deuterium unter einem Druck von 6 · 10~B Torr arbeitenden Vorrichtungen Drücke zwischen 1 und 3 · 10~6 Torr angewandt.For purposes of the leak determination have been employed already operating with deuterium under a pressure of 6 x 10 ~ B Torr pressures devices 1-3 · 10 -6 Torr.
Es wurde auch schon versucht, ein Magnetfeld dadurch zu verstärken, daß man es in das Innere einer hohlen Plasmasäule konzentrierte. Dabei verwendet man ein Entladungsrohr in der axialen Zone sowie zwei umlaufende Scheiben, wobei die hohle Plasmasäule einer elektromagnetischen Induktion unterworfen wird. Das Entladungsrohr verringert dabei den Bereich der radialen Konzentrationswirkung in nachteiliger Weise.Attempts have also been made to strengthen a magnetic field by pushing it into the interior of a Concentrated hollow plasma column. One uses a discharge tube in the axial zone as well two rotating discs, the hollow plasma column being subjected to electromagnetic induction will. The discharge tube reduces the area of the radial concentration effect in a disadvantageous way Way.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen, Einengen und Konzentrieren eines Plasmas angegeben, das die Nachteile der vorerwähnten bekannten Verfahren vermeidet und die Voraussetzungen für die Erzielung hoher Ladungsträgerdichten in dem Plasma mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand zu schaffen ermöglicht.The invention provides a method for generating, Concentration and concentration of a plasma indicated that the disadvantages of the aforementioned known Process avoids and the prerequisites for achieving high charge carrier densities in the plasma to create with comparatively little equipment effort.
Erfindungsgemäß wird dies durch Erzeugung einer zylindrischen Gasschicht in dem auf ein Hochvakuum
in der Größenordnung von 10~6 Torr evakuierten Reaktionsraum durch Einspritzen eines gasförmigen
Verfahren zum Erzeugen, Einengen und
Konzentrieren eines PlasmasAccording to the invention, this is achieved by generating a cylindrical gas layer in the reaction space evacuated to a high vacuum in the order of magnitude of 10 ~ 6 Torr by injecting a gaseous process for generating, concentrating and
Concentrate a plasma
Anmelder:Applicant:
Jiri George Linhart, Frascati (Italien)Jiri George Linhart, Frascati (Italy)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. R. Müller-BörnerDipl.-Ing. R. Müller-Borner
und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. H. H. Wey, patent attorneys,
Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Jiri George Linhart, Frascati (Italien)Jiri George Linhart, Frascati (Italy)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Belgien vom 3. Dezember 1959 (464 273)Belgium of December 3, 1959 (464 273)
Reaktionsstoffes durch radial gerichtete, in an sich bekannter Weise über den Umfang der Wand gleichmäßig verteilte Öffnungen erreicht.Reaction substance by radially directed, in a manner known per se, uniformly over the circumference of the wall distributed openings achieved.
Dabei wird als Reaktionsstoff zweckmäßig eine Mischung aus Deuterium und Tritium verwendet.A mixture of deuterium and tritium is expediently used as the reaction substance.
Die Wirksamkeit des Verfahrens läßt sich dadurch erhöhen, daß der Reaktionsstoff vor dem Einbringen in den Reaktionsraum ionisiert wird.The effectiveness of the process can be increased by removing the reactant before it is introduced is ionized in the reaction space.
Bei einer großen Anzahl von bereits untersuchten Vorrichtungen, wie beispielsweise der in F i g. 1 der Zeichnung schematisch dargestellten, verursacht das plötzliche Anlegen einer hohen Spannung 3 zwischen zwei Elektroden 1 und 2 das Zerreißen des aus einer Gassäule 4 bestehenden Isolators. Der Entladungsstrom I (5 in F i g. 1) ist infolge des Skineffekts hauptsächlich auf den Außenumfang dieser Säule konzentriert. Diese Stromschicht zieht sich unter Einwirkung des azimutalen Magnetfeldes B ψ (6 in F i g. 1) zusammen. Während dieser Kontraktion trifft die Stromschicht auf neutrale Gasmoleküle, vermittelt ihnen eine gewisse Energie und ionisiert sie. Dies verlangsamt die Bewegung der Stromschicht und hindert die Entladung am Erreichen einer hohen kinetischen Energie je Teilchen, an ihrer Kontraktion zum Erreichen einer sehr kleinen Zone und an der Erzeugung einer positiven Energiebilanz.In the case of a large number of devices that have already been examined, such as the one in FIG. 1 of the drawing, the sudden application of a high voltage 3 between two electrodes 1 and 2 causes the insulator consisting of a gas column 4 to rupture. The discharge current I (5 in FIG. 1) is mainly concentrated on the outer circumference of this column due to the skin effect. This current layer contracts under the action of the azimuthal magnetic field B ψ (6 in FIG. 1). During this contraction, the current layer meets neutral gas molecules, imparts a certain amount of energy to them and ionizes them. This slows down the movement of the current layer and prevents the discharge from reaching a high kinetic energy per particle, from its contraction to reach a very small zone and from creating a positive energy balance.
Die nachfolgenden theoretischen Betrachtungen dienen zum Analysieren der Gründe dieser Schwierigkeit. The following theoretical considerations serve to analyze the causes of this difficulty.
3 43 4
In F i g. 2 der Zeichnung sei 7 ein Plasmazylinder Berücksichtigt man, daß während dieses VorgangsIn Fig. 2 of the drawing, 7 is a plasma cylinder, taking into account that during this process
nur der Bruchteil — verlorengeht, so ergibt sichonly the fraction - is lost, so it turns out
durch geeignete Mittel auf eine Temperatur von jy \ by suitable means to a temperature of jy \
0,5 · 109° K gebracht worden ist, bei der die Reaktion 5 ^- > -^r · 2 · 1°22>0.5 · 10 9 ° K, at which the reaction 5 ^ -> - ^ r · 2 · 1 ° 22 >
(D, T) mit einer optimalen Geschwindigkeit erfolgt. ° (D, T) is done at an optimal speed. °
Die mittlere Geschwindigkeit der thermischen Bewe- wobei c der Wiedergewinnungsfaktor ist.The mean speed of thermal movement, where c is the recovery factor.
gung der D- und T-Kerne beträgt also annähernd Die Erfindung zeigt einen Weg auf, wie möglicher-generation of the D and T nuclei is thus approximately The invention shows a way of how possible-
106 cm/sec. Beim Fehlen einer zusätzlichen Zufuhr weise die Leistung solcher Plasmavorrichtungen unter10 6 cm / sec. In the absence of an additional supply, instruct the performance of such plasma devices
kinetischer Energie erkaltet das Plasma infolge der io Abstellung der vorstehend erörterten Mangel gesteigertkinetic energy cools the plasma as a result of the elimination of the deficiency discussed above
Verluste und nimmt an Volumen zu, indem es allen werden kann.Losses and increases in volume as it can become all.
ihm entgegengestellten Führungsfeldern entgegen- Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eineOpposite to him leadership fields. According to the method according to the invention, a
wirkt. Sofern kein Führungsfeld verwendet wird, zylindrische Gasschicht in dem auf ein Hochvakuumworks. Unless a guide field is used, a cylindrical gas layer in which a high vacuum is applied
breitet sich das Plasma mit einer Geschwindigkeit w in der Größenordnung von 10~6 Torr evakuiertenThe plasma spreads at a rate w on the order of 10 ~ 6 torr evacuated
(Pfeil 9) in radialer Richtung aus. Bei Verwendung 15 Reaktionsraum durch Einspritzen eines gasförmigen(Arrow 9) in the radial direction. When using 15 reaction space by injecting a gaseous one
eines Führungsfeldes wird diese Geschwindigkeit auf Reaktionsstoffes über radial gerichtete, in an sichA guidance field is this speed on reaction substance over radially directed, in itself
w bekannter Weise über den Umfang der Wand des w is known to be about the circumference of the wall of the
s = Reaktionsraums gleichmäßig verteilte Öffnungen er- s = evenly distributed openings in the reaction space
x zeugt. x testifies.
vermindert, wobei in dieser Beziehung χ der Führungs- 20 Als Reaktionsstoff wird vorzugsweise eine Mischung gütefaktor genannt werden kann. Die Wahrscheinlich- aus Deuterium und Tritium verwendet. Die einer keitp einer Reaktion (D, T) während der Lebensdauer Hochspannungsquelle entnehmbare elektrische Enteines Plasmas ist: ladungsleistung liegt in der Größenordnung von 10 bisreduced, whereby in this respect χ the leading 20 As a reaction substance, a mixture quality factor is preferably mentioned. The probable- used from deuterium and tritium. The one keitp a reaction (D, T) during the life of high voltage source removable electrical duck Ines plasma is: charging performance is in the order of 10 to
η etwa 100 kV. Zweckmäßigerweise wird der Reaktions-η about 100 kV. Appropriately, the reaction
p = x —~—, 25 stoff vor dem Einbringen in den Reaktionsraum p = x - ~ -, 25 substance before it is introduced into the reaction chamber
oN ionisiert. ON ionized.
wobei λ0Ν die mittlere freie Weglänge zwischen zwei Die Zylinderwand des Reaktionsraums mit kreis-Reaktionen in einem Plasma mit einer Dichte von K0 runden Grundflächen besteht aus isolierendem, vorist. X0N ist gegeben durch die nachstehende Beziehung: zugsweise keramischem Material.where λ 0 Ν is the mean free path between two The cylinder wall of the reaction space with circular reactions in a plasma with a density of K 0 consists of insulating, round bases. X 0 N is given by the following relationship: preferably ceramic material.
j 30 Die Erfindung wird in der nachfolgenden detaillier-j 30 The invention is described in the following detailed
XqN = w^ ~ 0,5 · 1024 · κ"1 cm, ten Beschreibung an Hand der F i g. 3 der ZeichnungXqN = w ^ ~ 0.5 · 10 24 · κ " 1 cm, th description on the basis of FIG. 3 of the drawing
on · Up K0 beispielsweise näher erläutert. on · Up K 0 explained in more detail, for example.
in der on der wirksame Stoßquerschnitt ist. In F i g. 3 begrenzen zwei kreisförmige Elektroden 1in which on is the effective impact cross-section. In Fig. 3 delimit two circular electrodes 1
Jetzt kann man die Gleichung der Energie während und 2 einen zylindrischen Raum, in dessen Innerem derNow we can use the equation of energy during and 2 a cylindrical space, inside of which the
der Lebensdauer des Plasmas aufstellen. Die je Zenti- 35 Druck eine Größenordnung von 10~6 Torr hat. Einethe service life of the plasma. Which is on the order of 10 ~ 6 Torr per centimeter of pressure. One
meter verlorene Energie ist die Gesamtheit der anfangs Hochspannungsquelle 3 mit 10 bis etwa 100 kV liegtmeter lost energy is the totality of the initially high voltage source 3 with 10 to about 100 kV
gelieferten Wärmeenergie, d. h. zwischen den Elektroden 1 und 2. Die gekrümmtesupplied thermal energy, d. H. between electrodes 1 and 2. The curved
, .„ „ . . Λ Wand 10 des Zylinders ist aus einem isolierenden,. "". . Λ Wall 10 of the cylinder is made of an insulating material
5JSkl (erg/cmj, Material hergestellt. Diese Wand 10 enthält eine Reihe 5JSkl (erg / cmj, material produced. This wall 10 contains a number
wobei i\T die lineare Elektronendichte, k die Boltzmann- 40 kleiner Öffnungen 11, die in einem Abstand R12 vonwhere i \ T is the linear electron density, k the Boltzmann 40 small openings 11, which are at a distance R12 of
Konstante und T die Temperatur in 0K bedeuten. Die der Umdrehungsachse 13 des Zylinders entfernt liegen.Constant and T mean the temperature in 0 K. Which are located at a distance from the axis of rotation 13 of the cylinder.
durch die Fusionsreaktion gelieferte Energie beträgt Durch die Öffnungen 11 hindurch wird zwischen denThe energy supplied by the fusion reaction is through the openings 11 between the
höchstens 0,5 N · ρ · Q, mit Elektroden 1 und 2 eine zylindrische Gasschicht 14 inat most 0.5 N · ρ · Q, with electrodes 1 and 2 a cylindrical gas layer 14 in
η 9 R 1 n-5 m Vt- ^as Innere ^es Zylinders eingebracht. Dieses Gas kann η 9 R 1 n-5 m Vt - ^ as I nnere ^ es cylinder introduced. This gas can
y ~ , · iU erg/KeaKtion. ^5 vorher ionisiert werden, jedoch findet diese Ionisierungy ~, iU erg / reaction. ^ 5 are ionized beforehand, but this ionization takes place
Die Reaktorgleichung für eine Energieerzeugung auf jeden Fall statt, wenn zwischen den Elektroden 1The reactor equation for power generation definitely takes place when between the electrodes 1
ist also und 2 die Hochspannung aus der Quelle 3 angelegtso and 2 the high voltage from source 3 is applied
2 wird. Wenn diese Schicht ionisiert ist, wird sie einer2 will. When this layer is ionized, it becomes one
-YN-p-Q>3NkT Kraft IB φ (Pfeil 15) ausgesetzt, bei der / der Wert des -YN-pQ> 3NkT force IB φ (arrow 15) at which / the value of the
50 Stromes der Entladung und B φ das durch diesen50 current of the discharge and B φ that through this
oder auch: Strom erzeugte Magnetfeld bedeuten. Die ionisierteor also: mean electricity generated magnetic field. The ionized
Gasschicht zieht sich im Vakuum zusammen und ver-The gas layer contracts in a vacuum and
N > JL . 2. ίο22 ttert· dadurch nicht ihre kinetische Energie. Außerdem N > JL. 2. ίο 22 ttert · thereby not their kinetic energy. aside from that
R0 χ ' wird diese Schicht auch in radialer Richtung kompri- R 0 χ ' this layer is also compressed in the radial direction
55 miert und erreicht eine Dicke 16, deren Wert etwa
Aus dieser Ungleichung kann man drei Schlüsse55 miert and reaches a thickness 16, the value of which is about
From this inequality one can draw three conclusions
ziehen: λ _ LOmNqKT pull: λ _ LOmNqKT
B2 B 2
a) N muß groß sein,a) N must be large,
b) R muß klein sein beträgt, wobei N0 die Elektronenzahl je Quadratzenti- \ ° η η · ' 60 meter der Schichtoberfiäche, k die Boltzmann-Kon-b) R is must be small, where N 0 is the number of electrons per Quadratzenti- \ ° η η · '60 meter the Schichtoberfiäche, k is Boltzmann's con-
cj χ muü groü sein. stante und T die Temperatur des Piasmas bedeuten.cj χ must be great. stante and T mean the temperature of the plasma.
Diese Beziehung muß abgewandelt werden, wenn die Durch Substituieren der Werte der Symbolein der vorEntladung einem magnetischen Richtfeld ausgesetzt stehenden Gleichung:This relationship must be modified when the substitution of the values of the symbols in the pre-discharge Equation exposed to a magnetic field:
wird und wenn das Plasma nach einem maximalen N β 10„ TeilcheQ je Quadratzentimeter,and if the plasma after a maximum N β 10 " particles per square centime t er ,
Schwinden bis auf eine Zone R0 an Volumen zunimmt, 65 τ·_ιη6°ΈτShrinkage up to a zone R 0 increases in volume, 65 τ · _ιη6 ° Έτ
indem es dem magnetischen Führungsfeld entgegen-by opposing the magnetic guiding field
T = 106 0K, T = 10 6 0 K,
wirkt und so einen großen Teil seiner Wärmeenergie in ~~ Gaußacts and so a large part of its heat energy in ~~ Gauss
Form elektromagnetischer Energie wiedergewinnt. erhält man δ ~ 0,7 mm.Recovered form of electromagnetic energy. one obtains δ ~ 0.7 mm.
Daraus ergibt sich, daß die so gebildete minimale Zone R0 der konzentrierten elektrischen Entladung (»pinch«) die gleiche Größenordnung hat wie δ, d. h. 1,5 bis 2 mm beträgt.It follows from this that the minimal zone R 0 of the concentrated electrical discharge (“pinch”) formed in this way is of the same order of magnitude as δ, that is to say 1.5 to 2 mm.
Auf diese Weise erzielt man einerseits auf Grund des Fehlens von Verlusten durch Kontraktion gegen eine Gassphäre und andererseits infolge der sehr dünnen Zone der konzentrierten elektrischen Entladung eine Entladung von sehr hoher Temperatur.In this way, on the one hand, due to the lack of losses due to contraction against a Gas sphere and, on the other hand, due to the very thin zone of the concentrated electrical discharge Very high temperature discharge.
IOIO
Claims (3)
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