-
Anordnung zur Erzeugung von magnetischen Stabilisierungsfeldern für
Hochtemperatur-Plasmaentladungen Für die Stabilisierung von Hochtemperaturplasmen,
wie sie insbesondere beim Studium von Kernfusionsreaktionen verwendet werden, sind
außerordentlich hohe statische Magnetfelder bis weit über 10 000 Oerstedt erforderlich.
Diese Felder mit Magnetfeldspulen auf längere Zeit mit genügender Konstanz aufrechtzuerhalten,
erfordert großen Aufwand und sehr hohe elektrische Leistungen, die für die Spule
unter anderem eine extrem hohe thermische Belastung darstellen. Die verwendeten
Spulen müssen daher sehr gut gekühlt werden. Eine ausreichende Kühlung ist aber
deshalb schwierig, weil die Stromwärme im Inneren des Drahtes der Spule erzeugt
wird, aber nur dessen Oberfläche direkt gekühlt werden kann.
-
Die für die Stabilisierungsfelder bei Plasmaentladungen verwendeten
Magnetfeldspulen müssen nicht nur intensiv gekühlt werden, sondern auch vor einer
Erwärmung durch das heiße Plasma, insbesondere vor dessen Strahlungswärme, geschützt
werden. Wird eines davon oder beides nicht voll erreicht, so ergibt sich der folgende
Kreislauf, daß die Eigenerwärmung der Spule eine Herabsetzung des in ihr fließenden
Stromes hervorruft, die eine Abnahme des magnetischen Feldes zur Folge hat. Dadurch
läßt die stabilisierende Wirkung des magnetischen Feldes nach, und die Entladung
dehnt sich aus, wodurch die heiße Zone näher an die Spule heranrückt. Dadurch wird
aber die Spule heißer, und der beschriebene Kreislauf ist geschlossen.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von magnetischen
Stabilisierungsfeldern für Hochtemperatur-Plasmaentladungen mit mindestens einer
supraleitenden Magnetfeldspule.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die weiteren Mittel anzugeben,
durch die die oben beschriebene Anordnung zu realisieren ist, und zwar durch Angabe
eines solchen ausgewählten, zwischen der Plasmaentladung und der supraleitenden
Spule angeordneten Wärmeschutzes, durch dessen besondere Eignung für die Anordnung
deren Realisierung ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, die erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen der Plasmaentladung und einer supraleitenden
Spule Abschirmbleche vorgesehen sind.
-
In Weiterbildung der Erfindung sind aus nichtmagnetischem Material
bestehende Abschirmbleche vorgesehen. Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung
ist zwischen der Plasmaentladung und der supraleitenden Spule eine Kühlflüssigkeit,
insbesondere flüssige Luft, vorgesehen. Für die Spule ist die Verwendung von hartsupraleitendem
Material vorgesehen.
-
Harte Supraleiter sind im Gegensatz zu weichen Supraleitern Materialien,
die ihre supraleitenden Eigenschaften auch in größeren magnetischen Feldern noch
nicht verlieren, wobei die maximale magnetische Feldstärke, bei der noch Supraleitung
besteht, eine materialabhängige Größe ist. Besonders geeignete Substanzen sind zur
Zeit Niob-Zinn-Legierungen, die je nach Zusammensetzung und Gefüge verschieden hohe
kritische Feldstärken haben. In an sich bekannter Weise spielt auch die Stromdichte
im stromleitenden Material für die supraleitenden Eigenschaften eine Rolle, jedoch
sind bereits Verfahren bekannt oder vorgeschlagen, nach denen Spulen für magnetische
Felder aufgebaut werden.
-
In »Westinghouse Engineer«, Bd. 22, H. 1, Januar 1962, ist
zwar schon die Vermutung zum Ausdruck gebracht worden, daß sich mit einem sogenannten
»supraleitenden Magneten« die @Nürrscneir_lichheit der Realisierung einer sogenannten
magnetischen Flasche für die Gewinnung nützlicher Kernenergie vergrößere. Eine Lehre
zum technischen Handeln ist dort jedoch nicht gegeben. Auch in »Westinghouse Engineer«,
H. 2, vom März 1962, S. 64, rechte Spalte, ist für die Lösung der obenerwähnten
Aufsabe keine Lehre zum technischen Handeln gegeben. Es ist lediglich ausgesagt,
daß für Forschungszwecke unter anderem auf dem Gebiet des Plasmas und der Kernfusion
supraleitende Spulen, jedoch ohne näheren Hinweis auf Verwendungszweck und Verwendungsart,
zum Kauf angeboten werden.
Im Prinzip ergeben sich die bei Anwendung
des Erfindungsvorschlags eintretenden Vorteile auch bei Verwendung magnetischer
Wechselfelder, die unter Umständen ebenfalls für die Stabilisierung von Plasmaentladungen
entweder allein oder zusammen mit magnetischen Gleichstromfeldern verwendet werden.
Auch die Amplituden der Feldstärke der Wechselfelder müssen konstant gehalten werden
oder sollen doch zumindest nicht von einer Eigen- oder Fremderwärmung der Spule
abhängig sein.
-
Der Vorteil der Anordnung nach der Erfindung gegenüber der üblichen
Anordnung mit normalen Magnetfeldspulen ist, daß bei fast gleichbleibender Wärmeisolierung
der Spule gegenüber der Plasmaentladung durch Wegfall der Stromeigenerwärmung in
einer supraleitenden Spule sehr hohe magnetische Felder erzeugt werden können und
deren Feldstärke nicht mehr durch die Strom-Eigenerwärmung unerwünscht beeinflußt
wird. Erforderlich ist nur, daß die Spule auf die die Supraleitung voraussetzende
niedrige Temperatur abgekühlt wird, was in an sich bekannter Weise etwa mit flüssigem
Helium durchgeführt wird.
-
Es genügt, die Oberfläche der Spule gekühlt zu halten, denn im Inneren
der Spule wird keine Wärme erzeugt. Die Verwendung supraleitenden Materials ermöglicht
daher eine sehr gedrängte Bauform der Spule.
-
Die Untersuchungen, die zu der Erfindung führten, ergaben, daß unter
den vielen, für Wärmeschutzzwecke bekannten Maßnahmen gerade diejenigen der Verwendung
von Abschirmblechen im Zusammenhang zwischen Hochtemperaturplasma und Supraleitung,
insbesondere die Verwendung von Abschirmblechen in Verbindung mit flüssigen Kühlmedien
zusätzlich zu den an sich bekannten Maßnahmen zur Kühlung einer supraleitenden Spule
mit z. B. flüssigem Helium eine besonders vorteilhafte Lösung ist, die auf wenige
Grad Kelvin abgekühlte Magnetspule vor der Einwirkung des viele Millionen Grad heißen
Plasmas zu schützen. Ein technischer Fortschritt, den die Erfindung bringt, liegt
schon in der Realisierbarkeit der Verwendung supraleitender Spulen für die Erzeugung
der Stabilisierungsfelder für Hochtemperatur-Plasmaprozesse.
-
Da mit einer Anordnung nach der Erfindung eine gleichbleibend hohe
Magnetfeldstärke im Plasma erzeugt werden kann, wird, eventuell unter Zuhilfenahme
weiterer Stabilisierungsmaßnahmen, etwa durch Hochfrequenzfelder, eine gute Stabilisierung
der für Kernfusionsstudien zu verwendenden Hochtemperaturplasmen erreicht.
-
Stabilisierungsmaßnahmen, die hierfür geeignet sind, sind an sich
bereits vorgeschlagen worden; sie bestehen insbesondere im wesentlichen darin, daß
mittels der einen oder mehreren Spulen, die das Plasma wenigstens teilweise umgeben,
ein oder mehrere elektrische Wechselfelder mit ihren magnetischen Vektoren im wesentlichen
senkrecht zur Ebene des Kontraktionsquerschnittes im Bereich der Plasmaentladung
erzeugt werden. Vorzugsweise sind die magnetischen Vektoren dieser Wechselfelder
in dem Bereich, in dem die Kontraktionswirkung ausgeübt werden soll, parallel bzw.
antiparallel zum Vektor des oben beschriebenen magnetischen Gleichfeldes gerichtet.
Die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes ist insbesondere 0,01- bis 2mal
größer, vorzugsweise aber größer als die sogenannte Wechselfeldzyklotronfrequenz
der Teilchen im Wechselfeld, worin die Wechselfeldzyklotronfrequenz gegeben ist
durch n1 .. o. Darin sind e und m Ladung und Masse der Teilchen und
Ba der Spitzenwert der Amplitude der größten, und zwar am Rande der Plasmaentladung
auftretenden magnetischen Feldstärke. Für die Ermittlung der Werte der Wechselfeldzyklotronfrequenz
werden die Werte der Ladung und Masse der Ionen bzw. im Fall des Vorhandenseins
mehrerer Ionensorten deren Mittelwerte zugrunde gelegt. Bei langsam veränderlichem
»statischen« Magnetfeld ist für Bo das Maximum der Feldstärke B einzusetzen oder,
noch besser, ist die zeitliche Änderung von B durch entsprechende zeitliche Änderung
der Frequenz des Wechselfeldes zu berücksichtigen.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem in der Figur dargestellten
und in der Beschreibung näher erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel hervor.
-
In der Figur ist im Schnitt das an sich bekannte Prinzip einer »magnetischen
Flasche«, die allgemein zur Konzentration von Plasmaentladungen verwendet wird,
angegeben. Es sind auch andersgestaltete Anordnungen, insbesondere in Form eines
Toroids, bekannt, die dem gleichen Zweck dienen und auf die sich der Erfindungsvorschlag
ebenfalls anwenden läßt.
-
Mit 1 ist die Plasmaentladung bezeichnet, die in dem Gefäß 2 nach
bekannten Verfahren unterhalten wird. 3 bzw. 3' sind Rohrleitungen, durch die das
Gas in der Plasmaentladung eingeleitet bzw. aus ihr abgeführt werden kann. Mit
4 ist eine supraleitende Spule bezeichnet, die im Zusammenhang mit einer
Plasmaentladung bisher lediglich als die Möglichkeit der Realisierung einer sogenannten
magnetischen Flasche für Kernfusionszwecke vergrößernd beschrieben worden ist. Diese
Spule 4 befindet sich in einem Gefäß 5, in dem sie beispielsweise durch verflüssigte
Gase, insbesondere flüssiges Helium, auf Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur
des supraleitenden Materials abgekühlt und gehalten wird. Das der Abkühlung der
Spule 4 dienende Medium wird durch die Leitungen 6, 6' in das Gefäß 5 eingeleitet
bzw. abgeführt.
-
Die möglichst wenig Energie verbrauchende bzw. abführende Wärmeabschirmung
des Gefäßes 5 gegen die Plasmaentladung 1 wird durch Abschirmbleche 7, die das Gefäß
2 umgeben, erreicht, von denen beispielsweise drei Stück in der Figur dargestellt
sind. Zur Vermeidung induzierter elektrischer Ströme, die durch das Feld der einen
oder mehreren Spulen in den Abschirmblechen erzeugt werden könnten, werden die Bleche
7 in an sich bekannter Weise geschlitzt und die Schlitze der einzelnen Bleche gegeneinander
versetzt angeordnet. Allgemein erweist es sich als zweckmäßig, das eine oder die
mehreren Bleche 7 oder einige von ihnen, insbesondere die weiter außen liegenden,
noch zusätzlich durch an ihnen vorbeiströmende Gase oder Flüssigkeiten, die beispielsweise
durch Zu- bzw. Ableitungen 10, 10'
zu- bzw. abgeführt werden können, zu kühlen.
Die Schlitze überbrückt man dann bei einigen oder bei allen Blechen zweckmäßigerweise
mit wärmebeständigem Material, etwa Keramik, damit die Abschirmungen die Form geschlossener
Zylinderflächen bekommen.
Auf diese Weise wird eine für die insbesondere
durch verflüssigtes Helium bewirkte Abkühlung der supraleitenden Spule ausreichende
Wärmeabschirmung gegenüber der heißen Plasmaentladung erreicht. Sinngemäße Anordnungen
der Abschirmung sind für andere Formen der Plasmaentladung zu wählen, beispielsweise
Abschirmbleche in der Form eines Toroids oder eines Teiles eines solchen, die wenigstens
über den Rand der die Entladungszone ganz oder teilweise umgebenden supraleitenden
Spule reichen.
-
Mit 8 und 9 sind weitere Spulen bezeichnet, die zur Konzentration
der Entladung, d. h. zum Verschluß der »magnetischen Flasche« nach der Figur erforderlich
sind. Sie können, wie die Spule 4, ebenfalls als supraleitende Spulen ausgeführt
werden und wie diese aufgebaut sein.