DE1414772C

DE1414772C - Method and device for generating extremely strong magnetic fields

Info

Publication number: DE1414772C
Authority: DE
Inventors: Jiri George Dr. Frascati Linhart (Italien)
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Publication date: 1972-07-20

Description

i 414i 414

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung außerordentlich starker Magnetfelder, bei dem das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters durch Implodieren eines den Leiter ringförmig umgebenden Metallrohres komprimiert wird, indem eine dieses umgebende Sprengstoffladung zur Explosion gebracht wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for generating extremely strong magnetic fields the magnetic field of a current-carrying conductor by imploding the conductor in a ring shape surrounding metal pipe is compressed by an explosive charge surrounding it to explode is brought. The invention also relates to an apparatus for carrying out this method.

Es sind bereits zahlreiche Systeme zur Abgrenzung von Plasmen durcli starke Magnetfelder ausprobiert worden. Solche Systeme sind in der belgischen Patentschrift 592 646 vom 5. Juli 1960 auf den Namen von J. G. Linhart unter dem Titel »Procede et dispositif pour Ia production de champs magnetiques intenses en vue du confinement d'un plasma« besonders beschrieben.Numerous systems for delimiting plasmas by strong magnetic fields have already been tried been. Such systems are in Belgian patent 592 646 of July 5, 1960 to the Name of J. G. Linhart under the title "Procede et dispositif pour Ia production de champs magnetiques intenses en vue du confinement d'un plasma «.

Weiterhin ist aus der experimentellen wissenschaftlichen Literatur ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem starke Magnetfelder dadurch erzeugt werden, daß der Fluß eines durch eine Primärspule erzeugten axialen Magnetfeldes durch die Implosion eines axial geschlitzten, gleichsam eine Sekundärspule mit einer Windung bildenden Metallmantels komprimiert wird. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt vor allem darin, daß es für die Zwecke der kontrollierten Fusion praktisch völlig ungeeignet ist, da die geometrischen Instabilitäten einer ein axiales Feld komprimierenden Hülle so groß sind, daß sie praktisch augenblicklich eine etwa in der Spule eingeschlossene Plasmasäule zerreißen würden. Allein die erzeugten hohen Felder lassen sich nur bis zu 2 (is aufrechterhalten.Furthermore, a method has become known from the experimental scientific literature, in which strong magnetic fields are generated by the flow of a through a primary coil axial magnetic field generated by the implosion of an axially slotted, as it were a secondary coil is compressed with a coil forming metal jacket. The disadvantage of this procedure lies above all in the fact that it is practically completely unsuitable for the purposes of controlled fusion, since the geometric instabilities of an axial field compressing envelope are so great that they practically instantly a plasma column enclosed in the coil would tear. Alone the high fields generated can only be maintained up to 2 (is.

An wissenschaftlichen und experimentiellen Grundlagen ist weiterhin bekannt (s. J. G. Linhart, »Plasma Physics«; Nord-Holland Publ. Comp., Amsterdam, 1960), daß das zum Abgrenzen eines Plasmas während einer sehr kurzen Zeit erforderliche Magnetfeld B durch die BeziehungIn terms of scientific and experimental principles, it is also known (see JG Linhart, "Plasma Physics"; Nord-Holland Publ. Comp., Amsterdam, 1960) that the magnetic field B required to delimit a plasma for a very short time is due to the relationship

B¹ = \6nnkT B ¹ = \ 6nnkT

Typische Werte für diese verschiedenen Parameter sindTypical values for these various parameters are

wonachafter which

ro = 0,1 cm, χ= 100, Q = 1,
B =88-108Gauß. ro = 0.1 cm, χ = 100, Q = 1,
B = 88-108Gauss.

Ein Magnetfeld einer solchen Intensität ist mit Hilfe rein elektromagnetischer Mittel schwer zu erzielen. A magnetic field of such intensity is difficult to achieve using purely electromagnetic means.

ίο Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung von außerordentlich starken Magnetfeldern, die so lange stabil aufrechterhalten werden können, daß sie eine zentrale Plasmasäule nicht vorzeitig zerreißen und damit die Voraussetzungen für die Einleitung von Fusionsreaktionen bieten. The object of the invention is accordingly in the creation of a method and apparatus for producing extraordinary strong magnetic fields that can be stably maintained for so long that they are central Do not tear the plasma column prematurely and thus provide the prerequisites for initiating fusion reactions.

Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung solcher Magnetfelder vorgeschlagen, daß das magnetische Feld das azimutale Feld eines geradlinigen Leiters ist.According to the invention it is proposed to generate such magnetic fields that the magnetic Field is the azimuthal field of a straight conductor.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der geradlinige Leiter eine Säule aus ionisiertem Gas oder eine Plasmaas säule ist.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the straight conductor is a column of ionized gas or a plasma column.

Der Magnetfluß wird für die beabsichtigte Kompressionsdauer (die eine Größenordnung von 10 Mikrosekunden hat) beibehalten, wobei das Magnetfeld anwächst in dem VerhältnisThe magnetic flux is maintained for the intended duration of compression (which is on the order of 10 microseconds) maintained with the magnetic field increases in proportion

G = BoljBol = {Wc/Wm) + 1, G = BoljBol = {Wc / Wm) + 1,

in dem Bo 1 und BoI die Werte des Feldes an der Oberfläche des zentralen Leiters bei Beginn bzw. Ende der Kompression sind, während Wc die ursprüngliche kinetische Energie des Metallrohrs und Wm die ursprünglich gespeicherte magnetische Energie ist.where Bo 1 and BoI are the values of the field at the surface of the central conductor at the beginning and end of compression, respectively, while Wc is the original kinetic energy of the metal tube and Wm is the originally stored magnetic energy.

Der kürzeste Abstand zwischen dem zentralen Leiter und dem Metallrohr im Zeitpunkt seiner maximalen radialen Ausweichung ist durch:The shortest distance between the central conductor and the metal pipe at the time of its maximum radial deflection is due to:

gegeben ist, in der η die lonendichte des Plasmas und T seine absolute Temperatur bedeutet, während k die Boltsmannkonstante (1,38 · 10""' erg/grad) ist, so daß der entsprechende magnetische Druck ρ dann also:is given, in which η is the ion density of the plasma and T is its absolute temperature, while k is the Boltsmann constant (1.38 · 10 ""'erg / grad), so that the corresponding magnetic pressure ρ is then:

Für die Erfahrungswerte η = 10-° Ionen/cm³ und Τ = 5·10^Η°Κ der Fusionstechnik braucht man also:For the empirical values η = 10- ° ions / cm ³ and Τ = 5 · 10 ^Η ° Κ of the fusion technique one needs:

B = 16,6- 10«Gauß,
P= 13,8· l()«bar(hps). B = 16.6-10 "Gauss,
P = 13.8 * l () «bar (hps).

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Um jedoch eine in einem thermonuklearen Reaktor anwendbare positive Energiebilanz zu erzielen, muß das Magnetfeld einen Mindestwert haben, der durch die Formel (s. die bereits erwähnte Patentschrift) However, in order to achieve a positive energy balance applicable in a thermonuclear reactor, the magnetic field must have a minimum value, which is determined by the formula (see the patent specification mentioned above)

B = 2,8· W"/(m-x-q)'i B = 2.8 x W "/ (mxq) 'i

gegeben ist, in der w der Mindestradius der Reaktionszone ist, λ· die Abgrenzungszeit darstellt und Q der Wirkungsgrad des Energiewiedergewinnungskreislaufs ist.is given, in which w is the minimum radius of the reaction zone, λ represents the delimitation time and Q is the efficiency of the energy recovery cycle.

dr = {ro/G) log (R If ro) . dr = {ro / G) log (R If ro).

gegeben, worin ro den Radius des zentralen Leiters und R 1 den ursprünglichen Radius des Metallrohrs bedeutet.given, where ro is the radius of the central conductor and R 1 is the original radius of the metal tube.

Schließlich ist nachweisbar, daß eine ein azimutales Feld komprimierende Hülle stabil ist und daß sie insbesondere stabiler ist als eine ein axiales Feld komprimierende Hülle.Finally, it can be demonstrated that an envelope compressing an azimuthal field is stable and that it is in particular more stable than a shell compressing an axial field.

Nachstehend wird an Hand der Zeichnung beispielsweise, jedoch nicht beschränkend eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.In the following, an embodiment is shown by way of example, but not by way of limitation, with reference to the drawing of the invention described.

Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines Schnittes durch eine Einrichtung zur magnetischen Kompression. The figure shows a side view of a section through a device for magnetic compression.

In der Figur ist ein massives ringförmiges Teil 1 aus Stahl dargestellt, dessen Außendurchmesser 365 mm beträgt. Der zentrale Hohlraum dieses Teiles bildet die Kammer für die magnetische Verdichtung. Diese Kammer 2 mit einem Durchmesser von 130 mm und einer Höhe von 60 mm ist durch zwei massive, ebenfalls aus Stahl gefertigte Böden 3 und 4 verschlossen. Diese beiden Böden werden durch eine Art von massiver, kreisbogenförmiger Zwinge 5 fest gegen das Teil 1 gehalten, wobei die Vakuumabdichtung zwischen den so zusammengefügten Teilen durch Toroiddichtungen 6 und 7 bewirkt wird.In the figure, a solid ring-shaped part 1 made of steel is shown, the outer diameter of which 365 mm. The central cavity of this part forms the chamber for the magnetic compression. This chamber 2 with a diameter of 130 mm and a height of 60 mm is through two massive floors 3 and 4, also made of steel, closed. These two floors will be held firmly against the part 1 by a kind of solid, circular arc-shaped clamp 5, the A vacuum seal between the parts thus assembled is effected by toroidal seals 6 and 7 will.

Der obere Boden 3 enthält eine öffnung 8, die durch ein dickes, zu Beobachtungen dienendes Fenster 9 verschlossen ist, dessen Vakuumabdichtung durch eine Toroiddichtung 10 gewährleistet ist. Der untere Boden 4 ist in seiner Mitte so aufgebohrt, daß er ein mehrere Aufgaben versehendes Gehäuse 11 aufnehmen kann.The upper floor 3 contains an opening 8 that passes through a thick window used for observation 9 is closed, the vacuum seal of which is ensured by a toroidal seal 10. the The lower base 4 is drilled open in its center so that it has a housing 11 which provides a number of tasks can accommodate.

Zunächst unterstützt dieses Gehäuse 11 die gesamte vorstehend beschriebene Einheit, wobei sein Zusammenbau mit der unteren Abschlußplatte 12 mittels in den Boden 4 geschraubter Bolzen, beispielsweise der Bolzen 13, erfolgt.First of all, this housing 11 supports the entire unit described above, being Assembly with the lower end plate 12 by means of bolts screwed into the bottom 4, for example the bolt 13 takes place.

Andererseits sind in das Gehäuse 11 Kanäle, beispielsweise die Kanäle 15 und 16, gebohrt, die dazu dienen, die Ausbreitung der Produkte der Explosion (Explosionsgase usw.) sowie die Spülung der Kammer 2 zu ermöglichen, die über eine bei 18 an das Gehäuse 11 angeschlossene Rohrleitung 17 mit nicht dargestellten Saugpumpen verbunden ist.On the other hand, channels, for example channels 15 and 16, are drilled into the housing 11, for this purpose serve, the spread of the products of the explosion (explosion gases, etc.) as well as the purging of the chamber 2 to enable the via a pipeline 17 connected to the housing 11 at 18 with not illustrated suction pumps is connected.

Schließlich hat dieses Gehäuse die Aufgabe einer ao der den zentralen Leiter 19 nach der Erfindung speisenden Elektroden. Dazu ist es durch Zwischenlegen geeigneter Stoffe, wie bei 20, gegen den Boden 4, wie bei 21, gegen die Bolzen 13 und, wie bei 22, gegen die Platte 12 sorgfältig isoliert. asFinally, this housing has the task of ao that feeds the central conductor 19 according to the invention Electrodes. This is done by placing suitable materials in between, as at 20, against the bottom 4, as at 21, against the bolts 13 and, as at 22, against the plate 12, carefully insulated. as

Die Abdichtung an der Isolierung 20 erfolgt mittels einer Labyrinthdichtung 23.The insulation 20 is sealed by means of a labyrinth seal 23.

Die andere Elektrode des zentralen Leiters besteht aus dem Boden 3 selbst. Die elektrische Schaltung ist durch die Leitungen 24 und 25, den Unterbrecher 26 und die Kondensatorenbatterie 27 symbolisch dargestellt. Die Kondensatorenbatterie hat eine Kapazität von 2000 μΈ bei 5 kV, was einer potentiellen Energie von 25 kJ entspricht.The other electrode of the central conductor consists of the base 3 itself. The electrical circuit is represented symbolically by the lines 24 and 25, the interrupter 26 and the capacitor battery 27. The capacitor battery has a capacity of 2000 μΈ at 5 kV, which corresponds to a potential energy of 25 kJ.

Die Kammer 2 ist durch ein Metallrohr 28 umgeben, wobei zwischen diesem Rohr und dem Teil 1 eine ringförmige Sprengstoffladung 29 verdämmt ist. Bei einem Radius des zentralen Leiters ro — 1 cm, einem ursprünglichen Radius des Metallrohres R1 = 6 cm, einer ursprünglichen kinetischen Energie des Metallrohrs Wo — 550 kJ, einer ursprünglich gespeicherten magnetischen Energie Wm = 5 kJ und einem ursprünglichen Magnetfeld an der Oberfläche des neutralen Leiters BoI= 1,35· 1.0⁵ Gauß erzielt man: eine Verstärkung des Magnetfeldes G = IlO, ein Endmagnetfeld an der Oberfläche des neutralen Leiters BoI= 1,5 · 10⁷ Gauß, einen Enddruck ρ = 9 · 10^e bar (hps) und den kürzesten Abstand zwischen dem neutralen Leiter und der Metallhülle rfr = 0,16mm.The chamber 2 is surrounded by a metal tube 28, an annular explosive charge 29 being dammed between this tube and the part 1. With a radius of the central conductor ro - 1 cm, an original radius of the metal pipe R 1 = 6 cm, an original kinetic energy of the metal pipe Wo - 550 kJ, an originally stored magnetic energy Wm = 5 kJ and an original magnetic field on the surface of the neutral conductor BoI = 1.35 1.0 ⁵ Gauss, one obtains: a strengthening of the magnetic field G = 10, an end magnetic field on the surface of the neutral conductor BoI = 1.5 10 ⁷ Gauss, a final pressure ρ = 9 10 ^e bar ( hps) and the shortest distance between the neutral conductor and the metal shell rfr = 0.16mm.

Es zeigt sich, daß die Bedeutung der Erfindung in der hohen Energiedichte der chemischen Sprengstoffe gegenüber anderen bekannten Mitteln liegt. Vergleichsweise beträgt diese Dichte für die elektrische Energie von Kondensatoren 10~² J/cm³, für die mechanische Energie von Schwungrädern 10² J/cm³ und für die chemische Energie von leistungsfähigen Sprengstoffen 10* J/cm³, wobei die für die Abgabe von 10° J benötigte Zeit 5, 10⁵ bzw. 1 MikroSekunden beträgt.It turns out that the importance of the invention lies in the high energy density of the chemical explosives compared to other known agents. In comparison, this density for the electrical energy of capacitors is 10 ~ ² J / cm ³ , for the mechanical energy of flywheels 10 ² J / cm ³ and for the chemical energy of powerful explosives 10 * J / cm ³ , with that for the delivery The time required for 10 ° J is 5, 10 ⁵ or 1 microseconds.

Schließlich besteht bei einer besonderen Anwendung der Erfindung der neutralen Leiter aus einer Säule aus ionisiertem Gas oder aus Plasma, die von einem zum Bewirken ihrer Einschnürung geeigneten elektrischen Strom durchflossen wird. Die Kompression des asimtalen Feldes dieses Plasmas bewirkt seine Abgrenzung und gestattet die Durchführung thermonuklearer Fusionsreaktionen.Finally, in a particular application of the invention, the neutral conductor consists of one Column of ionized gas or plasma, followed by a suitable one to effect its constriction electric current flows through it. The compression of the asimal field of this plasma causes its delimitation and allows thermonuclear fusion reactions to be carried out.

Claims

Patent claims:

1. Process for generating extremely strong magnetic fields in which the magnetic field of a current-carrying conductor by implosion of a ring-shaped surrounding the conductor Metal pipe is compressed by a surrounding explosive charge detonated is, characterized in that the magnetic field is the azimuthal field of a straight conductor (19).

2. The method according to claim 1, characterized in that as a current-carrying conductor (19) ionized gas is used.

3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that that the metal tube is in a massive cylindrical chamber, the end faces closed vacuum-tight with electrically insulated conductive covers are, and that these covers are designed as electrodes for a plasma column in the Metal tube is maintained axially as a central current-carrying conductor (19).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that with the same cylinder height of Metal tube and chamber the radius of the metal tube is smaller than the chamber radius and that the cylindrical ring-shaped formed between the inner wall of the chamber and the outer wall of the metal tube Space serves as a chamber for receiving the explosives.

5. Device according to one of claims 3 and 4, characterized in that the axial current-carrying conductor is a column of ionized gas.

1 sheet of drawings