DE1929240A1

DE1929240A1 - Gesteuerter thermo-nuklearer Reaktor mit einer magnetischen Falle

Info

Publication number: DE1929240A1
Application number: DE19691929240
Authority: DE
Inventors: Hirsch Robert Louis
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1968-06-12
Filing date: 1969-06-10
Publication date: 1969-12-18
Also published as: FR2022094A1; US3655508A

Description

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Gesteuerter thermo-nuklearer Reaktor mit einer magnetischen Falle.

Die Erfindung befasst sich mit einem gesteuerten thermo-nuklearen Reaktor mit einer magnetischen Falle, die aus einer durch relativ weit voneinander entfernten Feldlinien bestimmten zentralen Region und im wesentlich durch diese Feldlinien geschlossenen Grenzregionen besteht. Um thermo-nukleare Verschmelzungsreaktionen zu erhalten, die' mehr Energie erzeugen als sie verbrauchen, wird allgemein angenommen, dass der Verschmelzer zu einem Zündpunkt ansteigen muss oder - mit anderen Worten - dass die Teilchen des Verschmelzers genügend Energie aufweisen, die zu ihrer Verschmelzung ausreicht. Eines der Hauptprobleme ist, dass der Zündpunkt 100 Millionen von Celsius-Graden entspricht. Wenn z.B. Deuterium verschmolzen werden soll, kann theoretisch nachgewiesen werden, dass, wenn man mit einer Masse von Deuterium-Gas mit Standardtemperatur und Standarddruck startet, eine Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius in der Masse die Verschmelzung einiger Deuterium-Atome ergibt, wodurch Energie'frei wird. Der Druck der Masse bei dieser Temperatur wird ungefähr I6.5OO kg/mm (22.000.000 p.s.i.) betragen. Bei dieser Temperatur und diesem Druck hält sich jedoch die Reaktion nicht selbst aufrecht, sie erhält sich erst ab einer Temperatur von etwa 350.000.000 C aufrecht.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, dass, wenn die zur Aufrechterhaltung einer Verschmelzung notige Energie in das Plasma durch Bewegungsenergie der Plasmateilchen, oder - anders ausgedrückt - durch Erhöhung der Plasmatemperatur eingeführt wird, der Plasmadruck bei Normaltemperatur in der Grössenordnung von l/lOOOO Atmosphärendruck sein muss, damit bei 350.000,000° C der Gasdruck noch innerhalb kontrollierbarer Grenzen

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30. Mai 1969 '

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bleibt. Es ist klar, dass das Arbeiten mit Gasen so niedrigen Druckes verschiedene schwierige Probleme beinhaltet» Andererseits können die Wände eines Behälters für das Plasma nicht auf die Temperatur des Plasmas gebracht werden, weil kein bekannter flüssiger oder fester Stoff diesen Temperaturen standhält. Wenn andererseits die Behälterwände nicht auf der Temperatur gehalten werden, geht die Energie der Plasmateilchen, die auf die Wände auftreffen, verloren, und eine fortdauernde Verschmelzung ist daher nicht möglich.

W Ein Versuch zur Lösung des Problems, ein sehr heisses Gas in einem Behälter zusammenzuhalten, ohne dass ein beträchtlicher Teil des Gases die Behälterwände erreicht, besteht in der Anwendung eines magnetischen Feldes, das die Plasmateilehen von den Behälterwänden fernhält. Eine Anordnung zur Ergänzung eines derartigen Magnetfeldes wird mit "Pyrotron" oder "Magnetischer Spiegel" bezeichnet. Ein derartiges Magnetfeld erzeugt einen zentralen Plasmabereich von im wesentlichen gleichförmiger Intensität und Endbereiche von erhöhter Feldintensität. Im zentralen Bereich sind die Feldlinien weit voneinander entfernt und bilden einen relativ grossen Raum, in den Endbereichen sind die Feldlinien zusammengepresst und bilden für den zentralen Bereich die Endverschlüsse (Spiegel). Bei derartigen Anordnungen ist die Höhe der Plasmatemperatur begrenzt, weil sehr starke Hits/erluste infolge Wärmeleitung in den Endbereichen längs der magnetischen Feldlinien zu dem kalten Plasma und den- ausserhalb des zentralen Bereichs befindlichen Behälterwänden auftreten. Obgleich diese "Magnetischen Spiegel" viele Teilchen reflektieren, entweicht jedoch ein beträchtlicher Teil der Teilchen aus dem zentralen Bereich längs der sich über die Endbereiche sich fortsetzenden Kraftlinien.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil zu beheben und eine Anordnung zu realisieren, bei der im wesentlichen alle Teilchen in den zentralen Bereich reflektiert werden.

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Bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art wird dies nach der Erfindung dadurch erreicht, dass die durch die Grenz- oder Endregionen entwichenen Teilchen einer Ladung durch erste elektrostatische Oberflächen, die für Teilchen entgegengesetzter Ladung durchlässig sind und die Teilchen entgegengesetzter Ladung durch zweite, den ersten Oberflächen benachbarte Oberflächen in die Plasmafalle reflektiert werden.

Dabei wird es als vorteilhaft erachtet, dass die elektrostatischen Oberflächen quer zu den Feldlinien des magnetischen Feldes angeordnet sind.

Ein Merkmal sieht vor, dass die zweiten Oberflächen undurchlässig für. Teilchen einer Ladung sind und ein Potential aufweisen, dessen Polarität entgegengesetzt zu dieser Ladung ist, so dass diese Oberflächen als Sammler für die Teilchen dieser Ladung dienen.

Nach einem weiteren Merkmal wird vorgesehen, dass die magnetische Falle axial symmetrise!, ist und die ersten Oberflächen durch z:;ai feldbilde::- de Elektroden, die an entgegengesetzten Enden der Grenzregiorie-i angeordnet und r.iit Ö'ff.'-iuifseii koaxial zur Achse des Magnetfeldes versehen sind, und die zweiten Oberflächen durch zwei becherförmige, koaxial zur Magnetfeldachse anEeoixlnete und symmetrisch entgegengesetzt zu den Öffnungen in den feldbilde:iden Elektroden angeordnete Elektroden gebildet werden und dass ferner ;c diesen" Jrenr.rejioneii zwischen den feldbildenden Elektroden und dor riasviaf.iile ebene Elektroden vorgesehen sind,die durchlässig für Partikel buiier Ladungen sind.

er wird es als zweckmässig betrachtet, dass jede der ebener. Elektroden eine koaxial ~u der Magnetfeldachse angeordnete öffnung hat und an die feldbilie:idea Elektroden eine positive Spannung und an die becherförmige.: -ilektrodor. eine negative Spannung; gelebt ist.

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Schliesslich sieht ein weiteres Merkmal vor, dass das Reaktorgefäss eine zylindrische Form aufweist.

Anhand der Ausführungsbeispiele der beigefügten Zeichnungen seien im folgenden die Erfindung und weitere ihrer Merkmale und Vorteile näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des gleichen Ausführungsbeispiels und dient zur Erläuterung der Theorie der Arbeitsweise.

Fig· 3 gibt eine Seitenansicht des gleichen Ausführungsbeispiels wieder und zeigt die Plasma-Kanonen, um Plasma durch die entgegengesetzten Enden der Anordnung einzuführen.

Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt eines Endes der Anordnung der Fig. J>.

In den Fig. 1 bis J5 besteht der thermo-nukleare -Reaktor aus einem länglichen Zylinder aus rostfreiem Stahl mit vergrösserten Endteilen 2 und 3, die einen Satz von feldformenden Elektroden 4 und 5 enthalten. Der Mittelteil 1 der Anordnung ist von einer der üblichen Anordnungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes umgeben. Beim Ausführungsbeispiel wird diese Anordnung durch ein Paar Spulen 6 und 7 gebildet, die axial voneinander entfernt angeordnet sind. An den entgegengesetzten Enden des zentralen Teiles 1 ist ein Paar Scheiben 8 und 9 vorgesehen, die mit koaxial darin angeordneten Öffnungen 10 und 11 versehen sind. Diese Scheiben 8 und 9 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der zentrale Teil 1, z.B. aus rostfreiem Stahl, und sind mit dem zentralen Teil 1 laufend verbunden.

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Jede der feldbildenden Elektroden 4 und 5 hat einen koaxial angeord-. neten ringförmigen Teil 12, 13, der mit einem Gitter 14, 15 von verhältnismässig grosser Maschenweite versehen ist. Die Gitter 14, 15 sind zentral angeordnet und sind gewölbt ausgebildet. Koaxial angeordnet in Bezug auf die Teile 12 und 13 und axial entfernt von diesen angeordnet, sind zwei becherförmige Elektroden l6 und 17 vorgesehen, deren Durchmesser etwas grosser als der Durchmesser der Öffnungen 18 und 19 in den ringförmigen Teilen 12 und 13 ist. Die becherförmig geformten Elektroden l6 und 17 sind durch die leitenden Bolzen 20 und 21 gehaltert, welche die Zentralleiter von üblichen Isolatoren 22 und 23 bilden, die an den Enden der Anordnung befestigt sind.

Die ringförmigen Teile 12 und 13 sind durch die Hülsen 24 und 25, z.B. aus rostfreiem Stahl, gehaltert. Diese Hülsen werden gehaltert und in ihrer Position gehalten durch die leitenden Bolzen der Isolatoren 26 und 27. Die zwei Elektroden 12 und 13 sind elektrisch isoliert von den Elektroden l6 und 17* und alle diese Elektroden sind von dem Gefäss 1 isoliert.

Beim Betrieb wird eine geeignete Speisespannung an die zwei Spulen 6 und 7 gelegt, so dass sie ein Magnetfeld erzeugen, welches im wesentlichen die. gleiche Konfiguration wie ein Solenoit aufweist. Das durch : die zwei axial voneinander entfernt angeordneten Spulen 6 und 7 erzeugte magnetische Feld nimmt die Form an, wie sie durch die Feldlinien angegeben ist. Die Feldlinien bestimmen die Grenzen der Plasmafalle. Diese besondere Anordnung der Spulen 6 und 7 und die Form des von ihnen erzeugten elektrischen Feldes sind üblich und erfordern daher keine weitere Erläuterung. Der Raum 29 innerhalb des Feldes ist die magnetische Falle oder der Konzentrationsbereich des Plasma und enthält Plasma 30 von hoher Energie, bestehend aus negativ und positiv geladenen Teilchen wie z.B. Elektronen und Ionen des Deuterium und des Tritium. Das Plasma ist elektrisch neutral und hat einen relativ hohen Druck.

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Zu Beginn wird das Gefäss 1 evakuiert und dann Deuterium- und Tritium-Gas, um das Plasma 30 zu bilden, eingeführt. Das Plasma 30 kann mit einem der bekannten Mittel gebildet werden. Eines dieser Mittel ist in den Figuren 3 und 4 wiedergegeben, bei denen an den Enden des Gefässes 1 Plasmakanonen 31 angeordnet sind, um Plasmapartikel in den Bereich des Gefässes zwischen den Spulen 6 und 7 einzuführen.

Jede der becherförmig geformten Elektroden l6a der Fig. 5 ist mit einer zentralen Öffnung l6b versehen. Durch diese Öffnungen strömen die von ™ den Kanonen 31 erzeugten Plasmateilchen in das Gefäss. Die Elektrode l6a ist durch die Zentralleiter der Isolatoren 32 gehaltert.

In den Grenz- oder Endregionen 33 und 3^ der magnetischen Fal]e 29 sind die Feldlinien eng zusammengepresst und bilden Endverschlüsse für die Falle 29. Die Öffnungen 10 und 11 sind in Koinzidenz mit diesen Endregionen 33 und 3^- angeordnet und weisen eine Grosse auf, die durch die nachfolgende Beschreibung näher erläutert wird. Axial über den Spulen 6 und 7 streben die Feldlinien auseinander, und die Öffnungen l8 und 19 in den Elektroden 12 und 13 haben eine derartige Form und Grosse, dass sie die bei der Bildung der Endregionen 33 und 3^· dichter zusammengedrängten Feldlinien aufnehmen. Die becherförmig geformten Elektroden 16 und 17 hak ben eine derartige Form und Grosse, dass sie die einzelnen Feldlinien auffangen. Die inneren Oberflächen dieser zwei Elektroden 16 und 17 sind im wesentlichen senkrecht zu diesen Feldlinien angeordnet.

Die Gitter 14 und 15 innerhalb der Öffnungen 18 und 19 sind so gewölbt, dass sie im wesentlichen senkrecht zu den durch sie gehenden Feldlinien sind. /

Spannungen werden an die verschiedenen Elektroden angelegt. Das Gefäss 1 ist geerdet. Relativ hohe und positive und negative Spannungen liegen an den Elektroden 12, 13 und 16, 17.

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Innerhalb der Öffnungen l8, 19 der zwei Elektroden 12, £3 werden Äquipotentialflächen, die im wesentlichen mit den Gittern 14 und I5 übereinstimmen, gebildet. Äquipotentialflächen werden auch in unmittelbarer Nachbarschaft zu den inneren Oberflächen der Elektroden l6 und 17 gebildet, welche dieselbe Form aufweisen.

Unter der Annahme, dass das Plasma 30 Ionen und Elektronen hoher Energie, von z.B. 100 kev, enthält, sind diese Teilchen grösstenteils innerhalb des Volumens 29 durch die Wirkung der magnetischen Spiegel gefangen. Diese Spiegel sind jedoch nicht voll wirksam und "es entweicht Plasma durch die Endregionen 33 und 34. Die positiv und negativ geladenen Teilchen folgen, wenn sie die Endregionen 33 und 34 verlassen haben, den Feldlinien. Die positiv geladenen Teilchen treffen auf die positiven, · durch die Gitter l4 und 15 bestimmten Äquipotentialflächen. Die an die Elektroden 12 und 13 angelegte Spannung hat einen 'Solchen Wert, dass die positiven Teilchen verzögert, gestoppt und dann längs Reflexionswegen zurückgeführt werden in die magnetische Falle 29.. Diese Reflexions- oder Rückkehrwege stimmen im wesentlichen mit den Austrittswegen überein. Die Elektronen andererseits fliegen durch die Gitter 14 und 15 und treffen auf die Bremsfelder der negativen Elektroden l6 und 17. Die Spannungen dieser Elektroden sind hoch genug, um die Elektronen längs der Austrittswege durch die Elektroden 12 und 13 in die Plasmafalle 29 zurück, zureflektieren. Auf diese Weise werden die positiv und negativ geladenen Teilchen, die den Endregionen 33 und 34 entweichen, in die Plasmafalle 29 mit im wesentlichen derselben Energie wie bei ihrem Entweichen zurückgeführt. Die Energie der entweichenden Teilchen ist auf diese V/eise nicht verloren und in das Plasma 30 innerhalb der Falle 29 zurückgeführt.

Diese elektrostatische Reflexion erfolgt in zwei Schritten. Zuerst müssen die zwei Arten getrennt werden und dann jede in eine Region, die ihrer eigenen Ladung entspricht, reflektiert werden. Der Strom von Plasma aus dem Volumen 19, 20 setzt sich aus gleichen Strömen von Ionen und Elektronen zusammen. Es ist zweckmässig, die Ionen zuerst zu reflektieren,

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da ihre Raumladung grosser sein kann als die der Elektronen. Die Elektronen, die anwesend sind, werden teilweise die Ionenraumladung, die durch den Trenn- und Reflexionsprozess erzeugt ist, kompensieren.

Eines der Hauptprobleme bei gesteuerten Verschmelzreaktionen ist die Stabilisierung und die Zusammenhaltung des Plasma. In Bezug auf die Zusammenhaltung sind Probleme durch den Verlust von Teilchen hoher Energie längs der magnetischen Feldlinien aufgetreten. Durch die erfindungsgemässe Anordnung sind die Endregionen mit Hilfe der elektri-™ sehen Felder wirksam verstopft, welche entweichende Teilchen im wesentlichen längs ihrer Entweichungswege reflektieren. Anstelle von Energieverlust durch das Entweichen von Teilchen wird die Energie zurück- und dem Plasma wieder zugeführt, so dass die Plasmaintensität die gleiche wie vor dem Entweichen bleibt.

Beim Ausführungsbeispiel wurde eine elliptisch geformte Falle 29 verwendet. Es können jedoch auch anders geformte Fallen verwendet werden und die elektrostatischen Spiegel zur Rückkehr der Plasmateilchen in die Falle verwendet werden.

6 Patentansprüche

3 Blatt Zeichnungen mit k Fig.

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Claims

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Patentansprüche

( 1J Gesteuerter thermo-nuklearer Reaktor mit einer magnetischen Falle, die aus einer durch relativ weit voneinander entfernten Feldlinien ■bestimmten zentralen Region und im wesentlichen durch diese Feldlinien geschlossenen Grenzregionen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Grenz- oder Endregionen entwichenen Teilchen einer Ladung durch erste elektrostatische Oberflächen, die für Teilchen entgegengesetzter Ladung durchlässig sind und die Teilchen entgegengesetzter Ladung durch »feite, den ersten Oberflächen benachbarte Oberflächen in die Plasmafalle reflektiert werden.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatischen Oberflächen quer zu den Feldlinien des magnetischen Feldes angeordnet sind.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Oberflächen undurchlässig für Teilchen einer Ladung sind und ein ■ Potential aufweisen, dessen Polarität entgegengesetzt zu dieser Ladung ist, so dass diese Oberflächen als Sammler für die Teilchen dieser Ladung dienen.
4·. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Falle, axial symmetrisch ist und die ersten Oberflächen durch zwei feldbildende Elektroden, die an entgegengesetzten Enden der Grenzregionen angeordnet und mit Öffnungen koaxial zur Achse des Magnetfeldes versehen sind, und die zweiten Oberflächen durch zwei becherförmige, koaxial zur Magnetfeldachse angeordnete und symmetrisch entgegengesetzt zu den Öffnungen in den feldbildenden Elektroden angeordnete Elektroden gebildet werden und dass fer-' ner an diesen Grenzregionen zwischen den feldbildenden Elektroden und der Plasmafalle ebene Elektroden vorgesehen sind, die durchlässig für Partikel beider Ladungen sind.

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5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der ebenen Elektroden eine koaxial zu der Magnetfeldaohse angeordnete Öffnung hat und an die feldtdldenden Elektroden eine positive Spannung und an die becherförmigen Elektroden eine negative Spannung gelegt ist.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis o, dadurch gekennzeichnet,
dass das Reaktorgefäss eine zylindrische Form aufweist..

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