DE1439780A1 - Plasmahaltige Reaktionskammer - Google Patents

Description

UJiTi!'-;¹ j ΙνΙ.:"ίί.-Κύ- --/Cm..!'; :■;"-.".-TlGi. Ai OHO Xl¹!', Patents "Brinell,
11-1-^J, Oharle- II otreob, L ο η ά ο η, 8.'.v.l., Engla

yür üier.e Änmelduur. ^Tvii\.: ö.ie jTiorix Lt aus der brii;lochen, i-atarrfc-•-..ni"'!.Gldu:.i^ i.T. 4·-91/^1 vom m« ^.O'bruar 1961 beansprucht.

Plf!,rmaiial-';ige Reaktionskaran-er.

Die Erfindung bezieht eich 'auf Plasma-Begrenzungsvorrieh-■Gun;<eii b^riw. Vorrichtungen üum Zunarnpienhalten oder Konzentrieren
von jt. lasiiia /plasma confinement apparatus/.

Zur Gewinnung von thermonuklearer. leistung igt die.Schaffung von i'.itteln sum Eingrenzen oder Zusammenhalten eines heißen Plasmas eines Brentsioffgaaes, ohne daß dabei dan Plasma mit physifca-

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lisch en oder körperlichen Grenzen in Beriihrunp; koniiut, erfor-■ derlich.

Im weitesten Sinne schafft die vorliegende Erfindung eine Plasma-Konzeatriei'vorrichtung mit einem Behälter zum. Aufnehmen. eines Gases mit niedrigem .Druck, Iv,iti.eln zum Herstellen eines liadiofrequenz-Drehinagnetf eldes /radio-frequencj^ rotating magnetic field/ innerhalb des Behälters und Mitteln zum ,Herstellen eines · stationären bzw. feststehenden Magnetfeldes im Behälter, das zum sich drehenden Magnetfeld senkrecht steht, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die Elektronen im Plasma", nicht aber die Ionen, mit dem Drehfeld rotieren und so einen ^€>trom bilden, der mit dem stationären Feld reagiert_f uw das Plasma an solchen Stellen au konzentrieren, die von den V/änden des Behälters entfernt liegen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird durch sie eine Plasma-Konzentriervörrichturig geschaffen mit einem Behälter zur Aufnahme eines Gases von niedrigem Druck, Mitteln zur Herstellung eines durch Radiofrequenz in .Drehung versetzten ieldes mit der Feldstärke B und der T/inkelfrequenz w in dem Behälter, so daß

wobei w . und w die Ionen- bzw» Elektronen-Zyl.Jotronenfre-

Qx C Θ - - - .. ■

quenzen in einem leid mit der Feldstärke B sind, und daß"

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wobei η die Zahl der Ionen pro Yolumeneinheit des Plasmas, e die elektronische Ladung und I^die Resistivitiit des Plasmas ist, und schließlich mit Mitteln zum .Herzten en einen feststehenden I>^:iagnetieldes in dem "Behälter von der 'otärke von B , das senkrecht zum sich drehenden Kagnetleld ist, ho daß

wobei 1Ϊ die Gesamtzahl der Elekt 'inea pro Längeneinheit des Plasmas ist.

Der !Behälter ist vorzugsweise von kreisförmigem Querschnitt und kann ein gerade-s Rohr sein»

Di-e Erfindung soll nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden. Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt bzw,, zeigen:

"?ig. 1 eine scnematisehe "Darstellung zur .!tfrläuterung der Theorie der Erfindung, die

Ii¹X^n. 2, 3 und 4- Kurven von luagnetfeldquerßchnitten und Partikeldichteverteilungen, wie sie mit der Erfindung erzielbar sind, während ·

i'ig. 5 einen Teilquerschnitt der eri'indungsgernäßen Vorrichtung darstellt, wobei der elektrische »Stromkreis schematisch angezeichnet ist_e

Zur Erläuterung von Fig. 1 stelle man sich ein gerades Rohr vor,- das ein Plasma, d.h. ein volliorisjertre Gas, enttf.lt. Die

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Anordnung ist so getroffen, daß mittels einer Mehrphasenwieklung ' auf dem Benalter (Rohr) ein sich drehendes Magnetfeld bzw„ Mag-, netdrehfeld B senkrecht zur Achse des Behälters erzeugt wird« Das Feld B dreht sich im. G-egenuhrdrdEinn mit der Winkelfrequenz w, wie durch den Pfeil gezeigt. .".

Es sei angenommen,, daß n die Anzahl der Elektronen (oder Ionen) pro Volumeneinheit .-des Plasmas, e. die elektronische Ladung und/77die "Resistivität des Plasmas sind, w sei so gewählt,

wobei w . und "W jeweils die Ionen- und die Elektronen-Zyklotronenfrequenzen sind, die einem .PeId von der Stärke B entsprechen. Diese PrequenzDeschränkung-wirkt sich dahingehend aus, daß die EMKs /e.nuf 's/ Tdzwo elektromotorischen Erafte, die flurcii das sich drehende Feld B induziert werden, zu schnell wechseln, als daß ' ■ die Ionen reagieren oder ansprechen könnten, und so werden nur die Elektronen dadurch "beeinflußt.

Unter diesem Umständen zeigt sich, daß, wenn

und h *

wobei jQ der Elektronenstrom pro Einheit der Quersclmittsflache, der .um die Achse des Rohrs* herum beim Eadius r fließt,, und 3_Z der Elektronenstrom ist, der in Axialrichtung fließt.

In physikalischer Hinsicht bedeutet dies, daß die -Elektronen"' sich um die Itohraohse mit der gleichen Winkelgeschv/indi^keit w wie das Magnetfeld B drehen. Die Ione'n drehen sich nicht mit" dem ^eId, sondern sind innerhalb des Körpers der rotierenden Elektronen durch Eaumladungskräxte /space-charge forces/ gebunden oder gehalten.

Der zirkulierende bzw. Umlaufende Strom Jq erzeugt ein· axiales Magnetfeld innerhalb des Behälters. Wenn dem Behälter ein zusätzliches gleichförmiges Axialfeld B mittels äußeren Spulen in einer Richtung entgegengesetzt der des Bigenfeldes des umlaufenden Stroms übermittelt wird, so kommt eine nach innen gerichtete Radialkrait auf das Plasma infolge der """Wechselwirkung zv/ischen 3 baw. 3_Q und B zur Auswirkung. Als ein Ergebnis oder eine üOlge kann gezeigt oder nachgewiesen werden, daß dann, wenn JJ <iie Elektrone?!liniendichte, d.h_e die Gesamtzahl'der Elektronen pro Einheit der Axiallänge· des Plasmas ist, die" Slektronenteilchendichte η sich mit dem Hadius. r gemäß der .formel

B- ¹I ew η = ^Q ~-SL

if ew '

-?'.■■■■■ -.: ' , .'.j

ändert, wobei k die Boltzmaii'sche Eööstanti und^lH.und ί·,·,.jeweils die Ionen- bzw. Elektronenteöiperaturen sind»' '..;.', :-.:-·-:' ·, . - ·

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Wenn M die Gesamtzahl der Elektronen pro längeneinnext des * Plasmas außerhalb des iiaaius r ist, dann ist

' ' . .. B_z = B_Q -2^ew _ . -—(2).

wobei. B₁₇ das resultierende Axialfeld "beim Radius r ist,

Das Axiali'eld. infolge des umlaufenden dtroms allein ist somit 21iew "beim ll-'-dius r und an der -Achse 2fe" ew. - "" ' " -

Au η deri-Grlelchungen (1) und (2) ergibt sieb;

(a) wenn B, j> 21s ew, dann riimixit η ^leichraüßig-"bzw"» stetig '

/ffionotonically/.mit r a"b, und B hf-i; die gleiclte liictitung v;ie der Behälter₀

("b) Wenn Ii ew ^ ΰ ^2ί·ί ew ist., dann ist η ein maximum in einigem

Auatand von der Achse, und B~ wechselt (das Torzeiehen) im - ν Axialbereich, d.h* :.ist .in der entgegengesetKten■-Sichtung,. ζμ,_;.,.Β ο B-.' <£¥₀©w. ist, dann ist-das.₅umgelcßhrte Xnnenfeld _:(B_o-2ir_oew'

-.<£¥₀©w. ist, dann istdas.₅umgelcßhrte Xnnenfeld _:(B_o2ir_o • ■- ..größer; als das äußere Seid :(B }, und_; das_; Plasma wird.vo.n 'de^r Achse aus nach a.uJäen getrieben.) · . -.. , .. ■ ,.

_; ... ICuryen* die zeigen, wie sich die Plasniadichte η und das resultierende...|·θ14 B -..mit dem Hadius r in einem B.ohr vom Radius R für_: die ob,en genannten I'älle (a) und (b) ändern, sind,, in. den Pigru 2. b,zw. ^g^filg^^^s^^elgp^alclaf^aS^ln^^lafn fällen das Plasma von, den Wänden des Rolir_:s \veg gehal.ten_vw:ir-d. -ilm^ die Zahl ^.er;, an den Enden des Behälters entweichenden Teilchen zu verkleinern, können

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kagnetfeldausbildungen der sogenannten '^uagnet Llaechqa"-Gattung /"magnetic bottle" tvpe/ an den linden vorgesehen werden, so daß eine Eadialmagnetfeldkomponente geladene teilchen, abstößt oder zurückweist, die es in der Axialrichtung zu kreuzen suchen, ähnlieh wie dies bei der sogenannten "Spiegelmaschine" /lairror iaa-chine/der I?all ist. Die in Ii¹Xg. 3 gezeigte Kurveni'orm trägt ihrer Hatur nach zu einem Magnetflascheneffekt bei, da das Magnet feld mit umgekehrten Vorzeichen in der Axialgegend zur 'JOlge hat, oder sich so auswirkt, daß die Magnetfeldlinien innerhalb des Behälters eine Kurvenform annehmen, um an den 33nden des .Plasmas geschlossene Schleifen zu bilden.

Gleichung ur große V/er te von r vereinfacht sich die/(1) auf die

α - Ae

wobei A und D Konstanten sind. Auf diese Weise wird, wenn der Radius des Behälters genügend groß gemacht wird, praktisch eine völlige Trennung zwischen dem Plasma und den "/änden erzielt, wie dies in y?±g» 4 gezeigt ist.

JSs sind Versuche zur Bestätigung bzw. Erklärung der vorstehenden Resultate unter Verwendung von Glasbehälterη von 20 cm Länge und 5 und 5 cm Durchmesser, die mit Argon, Xenon, ¥eon ader Helium bei Drücken von 1-50 /u Hg gefüllt waren, gemacht worden. (Magnet-) Drehmelder bis zu 1000 Gauss wurden mittels einer in l?ig. 5

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ten. Anordnung erzeug¹;, bei welcher zwei Paare von parallelen " Kupferstäben 2 und 3, die· am einen End« miteinander verbunden γ/ar en und in zueinander senkrechten. Ebenen angeordnet waren, um so eine Zweiphasenwicklung zu bilden-, von iCondensatorbänken- oder -gruppen /capacitor banks/ 4 und 5 her über l'unk ens trecken 6 und erregt wurden. Die lYondensatorbänke waren so in Resonanz bzw. so abgestimmt mit der Induktanz der Stäbe,." daß w = 8 χ 10.. rad/Selc (ungefähr 1,3 Megahertz /i„3 Mc/sec,/) betrug*

Die 90°-Phasendif'ferenz zwischen den Strömen in den Wicklungen wurde dadurch hergestellt,_daß die eine Funkenstrecke, einen₌

j nach der anderen zur Zündung gebracht wurde. Der Strom in den Stäben eiitp-orach einer gedämpften bzw» asynptotischen Schwingung mit einem Maximalwert von etwa 7000 Ampere.

Sin 'Stetiges Axialmägnetfeld B wurde mittels der Wicklungen 9 in .Stärken bis zu 1000 G-auss übermittelt.

kit der Vorrichtung konnten Plasrüäteilchendiehten von der Größenordnung von 4 x 10 /cm bis 10 /cm bei der Behälterachse hergestellt werden..

Teilchen-bzw. Partikeldichten und Magnetfeldquerschnitte /magnetic fMd profiles/, die sich in guirer 'ubemnstimmung mit den Grleichungen (1) und (2) befanden, sind durch Messung festgestellt worden; die ''ieilchendichte-Terteilungen und idagnetfeld-

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querschnitte sind so, wie sie la den yi_t".xi<, 2 und 3 - dargestellt sino, durch "Beobachtung geet'it.ü>:t wordent ^n nei darauf, hingewienen, Caß diene Zueaninienhalthedingungen oder ^zustünde nur einige ßikr.onokunden lang dauerten, und js'-.'ar. infolge des raschen Abbaur: dos IJrehm^gniiMTfeldes., '/iirde das aich drehende iv.Hgrtetfeld

-¹I

für eitle längere Zeitdauer aufrechterhalten, ;;o -'uvuen die ''u::auinienh'-.ltebedingungon entsprechend l*i.n :er andauern_Q ·

. Auf·; "Versuchen, bei denen an Utelle eines «ylindrir.chen ein. toroicialförmiger .'ishiil i;er b-nw« Hohlring verwende'jvrurae, er^;nb eich, daß el ίο 'heorie auch iür die 'iiaroidal-O-eOiaetrie gilt, v;aa den Vorteil mit sieh bring 1,, daß Bnd-Effekte "Termieden werden«

Bei Geräten der ^stellarator- oder. T; /stellarator or Toroi;jal. j± nch tyoe/ ist dar, Zusammenhalten dee .Plaom-ir, relativ aohlec.hfc, und %vxr infolge von uni^dentifizierten ünf-'t-ibllitilten, Sine VrohiOldvorrichtun;;; -b^w*- eiu Drehf eldereieu^ ger der berehrieberien ö-attun¹-; könnte in Verbindung mit dienen <ie~ rät on vorweiidet \forden, um aas Zusammenhalten. oder Bingrenzen su verbessern, .. .

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Vorf ihran zum ^uvunmenh-ilten von i'laeraa, gekennzeichnet 'lurch rollende /eriN.hrrmnn trugen:" Halten eine? Ήηββ bei niedrigem ^ruel:; Ln einem ;iöh'ilt,er_t »lerntellen eine«. Tiidiofrequen«;-">rehmagnetfelclepi im BehUlter und Herstellen eine.- otntion'iren .'•Jaijnetrelde-· im "ioh ltcjr, \-\? -finlcrocht surr; eich drehenden Magnetfeld int, no d-i'i die i-lektronen,nicht aber die Ionen, in dem Plasma mti: Jörn 'nrehffilfi rot Loren, ivodurch ein ^?trom aufgebaut '.virj, dor al ü dem pt"itlon^:iz*en ''elil reagiert, um -las laama von den v.'-'imlrm dep Beh'iltei^ weg zu. konzentrieren.

2, Verf hren ζίώ. ZuHammenhalten von Plan na , gekennzeichnet durch folgende Verfahrenestufen: Halten eines >liiaee bei niedrigem 3ruclc in einem Behälter, Herstellen einea auroh Radiofrequtn* in V ;hung versetzten Magnetfeldes von der Feldstärke

w
B und dor ' inkelCroquenz/in dem Behälter, derart, daß

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ν U39700

wobei w _Λ und w. die Ionen- bssw. iÜektronen-Z.yklotron-Freoi oe

quensen in einen Feld der Htftrke B sind, und derart, daß

wobei η die Zahl der Ionen pro Volumeneinheit den -flanmae, e die elektronische Ladung und m die Reeietivlt'it des Plaemae ist, und Herstellen eines stationären Magnetfeldes von der stärke B im Behälter, dap senkrecht sun sich drehenden Magnetfeld ist, derart da8

"β*" < ^Bo

wobei N die Gesamtzahl der Elektronen pro Längeneinheit dee Plaanaa iet·

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