DE1941225A1 - Vorrichtung zum Erhitzen eines in sich geschlossenen Plasmas - Google Patents

Description

U.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven /Holland

Vorrichtung zum Erhitzen eines in sich geschlossenen Plasmas

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen eines Plasmas in einem ununterbrochenen, ringförmigen Raum mittels eines elektrischen Hochfrequenzstroms, wobei der Entladestrom eines Kondensators in Form elektrischer Impulse dem mittels des Hochfrequenzstroms erzeugten Plasma induktiv elektrische Energie zuführt.

Solche Vorrichtungen sind von großer Bedeutung für wissenschaftliche Forschung und für praktische oder industrielle Verwendung thermo-molekularer und nuklearer Prozesse in einem gasförmigen Medium.

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Die erfordern ehe hohe Temperatur wird in "bekannten Vorrichtungen eingangs erwähnter Art kurzzeitig durch die Entladung eines auf hohe Spannung aufgeladenen Kondensators hoher Kapazität über einen induktiv mit dem in einem torusartigen Raum konzentrierten, in sich geschlossenen Plasma gekoppelten Leiter erhalten. Bei der Entladung "bildet der EntladeStromkreis des eingeschalteten Kondensators eine kurzgeschlossene Windung in bezug auf das mit dem Hochfrequenzgenerator induktiv gekoppelte Plasma, wodurch die Zufuhr von Hochfrequenzenergie an das Plasma unterdrückt werden kann oder jedenfalls zu wenig Energie übertragen wird, um das durch Wärmeverlust an die Umgebung sich schnell löschende Plasma aufrechtzuerhalten, nachdem die Kondensatorentladung sich vollzogen hat. Wenn das Plasma sich nach jeder.Kondensatorentladung löscht, kann erst wieder ein Plasma durch die wiederhergestellte Hochfrequenzenergie entstehen, nachdem der Kondensator abgeschaltet ist, wodurch die Wiederholungsfrequenz der aufeinanderfolgenden Kondensatorentladungen durch die Abschaltgeschwindigkeit des Kondensators und durch die Wiederherstellungszeit des Plasmas beschränkt wird.

Es ist bekannt, daß thermo-molekulare und nukleare Prozesse in einem Plasma mit verhältnismäßig hohem Druck von z.B. 50 mm Hg erfolgen, in dem bei hinreichend hoher Temperatur zwei Deuteriumionen sich unter Auslösung eines Neutrons mit sehr hoher kinetischer Energie zu Helium vereinigen. Die dazu notwendige, sehr hohe Temperatur kann durch die impulsartige Energiezufuhr erreicht werden. Der erforderliche hohe Druck erklärt sich dadurch, daß die erzielbare Energieumwandlung von den Möglichkeiten eines Zueammenstosses zwischen Deuteriumteilchen und den ausgelösten, sehr schnellen Neutronen mit Deuteriumteilchen abhängig ist.

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Wenn durch Störung der Zufuhr von Hochfrequenzenergie .-das Deuteriumpiasina erlischt, kann der Prozeß bekanntlich nicht anders als durch Einführung einer Zündphase wiederhergestellt werden, die darin besteht, daß zunächst ein leicht zündbares Gas.bei niedrigem Druck, z.B. Argon zugeführt, wird, worauf nach Einleitung der Zündung das Argon allmählich durch Deuterium hohen Drucks bei gleichzeitiger Erhöhung der Zufuhr von Hochfrequenzenergie ersetzt wird. Zum Vermeiden der Unterbrechung des daraus erfolgenden Zeitverlustes zum Wiederherstellen des Hochdruckplasmas ist vorgeschlagen worden, zum Kondensator im wesentlichen aus Induktivitäten bestehende Euter in Reihe zu schalten, um den Hochfrequenzstrom des Speisegenerators zurückzuhalten, während sie den Entladestrom des Kondensators gut durchlassen. Es ist jedoch unvermeidlich, solchen für die erforderlichen, sehr hohen Entladeströme (bis zu einigen Zehn χ 1000 Ampere) brauchbaren Filtern unpraktisch~ große Abmessungen zu geben, wobei außerdem die erhöhte Dämpfung die Anstiegzeit der Entladeimpulse verlängert, wodurch die Energieübertragung auf das Plasma beeinträchtigt wird.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden. Nach der Erfindung sind für die Kopplung des Entladestroms mit dem vom Hochfrequenzstrom induzierten, aufrechterhaltenen Plasma Stromkreise vorgesehen, die aus mindestens zwei konzentrischen, nahezu in sich geschlossenen rohrförmigen leitern mit einer schmalen Unterbrechung bestehen, wobei, die "unterbrechung in dem Innenleijfcer durch eine Wand aus elektrisch nicht leitendem Material geschlossen ist und wobei eine galvanische Verbindung zwischen den auf der gleichen Seite der. Unterbrechung

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liegenden Enden zweier rohrförmiger Leiter hergestellt ist, deren andere Enden über den Kondensator verbunden sind und die Spannungsquelle für den Hochfrequenzstrom mit den Enden des inneren oder des äußeren rohrförmigen Leiters 'verbunden ist.

Eine besonders einfache Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung wird dadurch erhalten, daß das Sjrstem aus zwei hohlen, rohrförmigen, konzentrischen Leitern aufgebaut wird, wobei das innere und das äußere Rohr je für sich an der gleichen Stelle ihres Umfanges eine schmale Unterbrechung aufweisen. In einer anderen Ausführ ungs form können beiderseits der Unterbrechung die Rohrenden des inneren und des äußeren Leiters elektrisch miteinander und mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden und kann der Aussenleiter mit einer zweiten schmalen Unterbrechung versehen sein, wobei die angrenzenden Rohrenden elektrisch mit dem Kondensator verbunden sind.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung an Hand von' Ausführungsformen konzentrischer Leiter für die Zufuhr; der Ilochfrequenzenergie und des elektrischen Entladestroms erläutert, wobei der eigentlichen Erfindung nicht zugehörende Bestandteile ausser Betracht gelassen werden oder nur schematisch dargestellt sind, wie z.B. bekannte Hilfsmittel zum Stabilisieren des Plasmas im- Entladungsraum,. Vakuumpumpen, KühlVersorgung usw.

In der Zeichnung zeigen '"■"■■■

Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die aus zwei konzentrischen Leitern besteht,

Pig. 2 eine andere Aubführungsform. .

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Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält einen Satz von zwei hohlen, rohrförmigen Leitern 1 und 2, die-je für sich an der gleichen Stelle ihres Umfanges eine schmale- Unterbrechung 3 aufweisen.

Die Unterbrechung 3 des Innenleiters 2 wird durch einen ¥andteil 4 aus Isoliermaterial umgeben, so daß der ringförmige Raum 5 im Innern des Leiters 2 in sich geschlossen und gasdicht verschlossen ist. Der Raum 5 ist mit einem geeigneten Gas gefüllt, zu welchem Zweck das Innenrohr 2 mit einer Gaszufuhr 6 und einer Abfuhr 7 versehen ist. Auf einer Seite der Unterbrechung 3 sind das Innenrohr 2 und das Außenrohr 1 durch einen Ring 8 elektrisch lei-, tend miteinander verbunden.

Es ist schematisch angedeutet, daß durch an den Kurzschlußring 8' und an das Ende des Inhenrohrs 2 auf der anderen Seite der Unterbrechung 3 die Hochfrequenzstromquelle angeschlossen ist. Letzterer Anschluß dient außerdem als Verbindung mit dem Kondensator 10, dessen andere Seite mit dem Außenrohr 1 verbunden ist. Als Beispiel des letzteren Stromkreises ist der Kondensator 10 mit einer Aufladevorrichtung 11, die eine hohe Gleichspannung liefert, und mit dem Widerstand 12 in Reihe geschaltet, während der Kondensator 10 sich über die Leiter 1 und 2 beim Schließen des Schalters 13 entlädt. Der durch die Leiter des Kondensators fließende Strom fließt in diesem Falle durch' die Leiter 1 und 2 in entgegengesetzter Richtung. Um die erforderlichen hohen Stromstärken zu schalten, können an sich bekannte Vorrichtungen mit ζ*B, elektrisch gesteuerten Gasentladungsröhren dienen.

Die impulsförmig gelieferte Energie kann, wie grundsätzlich bekannt ist, die Temperatur eines im Raum 5 in sieh geschlossenen, durch die Hochfrequenzquelle 9 hervörgeru-

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fenen und aufrechterhaltenen Hochdruckplasmas bei Verwendung von Deuterium,auf einen so hohen ¥ert bringen, daß ein Kernfusionsprozeß eingeleitet wird.

Der Innenleiter 2 kann durch die Zufuhr von Kühlflüssigkeit an den Raum 14 zwischen dem Innen- und Außenleiter bzw.'1 gekühlt werden. Der Außenleiter 1 ist zu diesem Zweck mit Kühlflüssigkeitszufuhr und -abfuhröffnungen und 16 versehen, die schematisch angedeutet sind. In diesem Falle wird außer dem Abschluß des Rohrendes mittels des Ringes 8 noch ein Abschluß zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr 1 auf der. anderen Seite der Unterbrechung vorgesehen, welcher Abschluß nicht elektrisch leitend ist.

In bezug auf die Anschlußklemmen 17 und 18 für den Hochfrequenzgenerator 9bildet der innere Leiter 2 die Induktivität, während in bezug auf die Klemmen18 und 19 für den Kondensator 10 die Rohre 1 und 2 gemeinsam in entgegengesetzten Richtungen von dem Entladestrom durchflossen werden. Der Hochfrequenzstrom durchfließt das Innenrohr und ruft in der Gasfüllung dieses Rohres einen für die Zündung des Plasmas günstigen Zustand hervor. Ist das Plasma.einmal gezündet, was bei Verwendung von Argon keine Schwierigkeiten mit sich bringt, so kann das Argon durch ein anderes Gas ersetzt werden, das zum Erzeugen eines Kernfusionsprozesses vorzugsweise aus Deuterium besteht. Mittels des Hochfrequenzstroms wird die für diesen Prozeß erforderliche hohe Temperatur nicht erreicht und die Kondensatorentladung dient dazu, die Temperaturerhöhung herbeizuführen. Der etwaige Anschluß des Konden- :. sators ist für die Belastung des Hochfrequenzgenerators praktisch unwesentlich. Aus den durch die auftretenden Ströme in den Leitern des ringförmigen Systems induzierten Magnetfeldern gemeinsam mit dem durch den Strom im

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elektrisch leitenden Plasma hervorgerufenen Magnetfeld kann abgeleitet werden, · daß nur ein kleiner Teil des Hochfrequenzströmes bei angeschlossenem und entladenem Kondensator in dem Außenringleiter wirksam ist, so daß sowohl beim Anschluß der Hochfrequenzstromquelle an den Innenringlei_vter, in welchem Falle der Kondensator in Reihe mit dem Außenringleiter parallel zur Hochfrequenzstromquelle liegt, als auch beim Anschluß der Stromquelle an den Außenringleiter, in welchem Falle der Kondensator zum Außenringleiter in Reihe- liegt, der parallel liegende Stromkreis keine erhebliche Bela'stung der Hochfrequenzstromquelle bei eingeschaltetem Kondensator .und nach der Kondensatorentladung hervorruft.

Wenn die Hochfrequenzstromquelle 9 wirksam gemacht ist, fließt der Strom durch den Innen- oder den Außenleiter 2 bzw. 1. Das erzeugte Magnetfeld umfaßt den ringförmigen Raum 5 und beim Zünden des Plasmas entsteht in dem leitenden Gas e-in Strom in entgegengesetzter Richtung, Dieser Induk^ tionsstrom erzeugt' ein Magnetfeld, das in den beiden Leitern 2 und 1 eine mit den Strömen mitwirkende E.M.K. erzeugt, die in dem den Plasmaring mit dem kleineren Abstand

umfassenden Innenleiter größer als im Außenring ist. In-■ quelle j

folgedessen verteilt sich der von der Hochfrequenz-^ gelieferte Strom über die Leiter 1 und 2 derart, daß der Strom vorzugswßise ganz durch den Innenleiter 2 fließt. Die Größe des Stroms durch den Außenleiter 1 ist im Terglei-ch dazu vernachlässigbar, wenn beide Ringe angeschlossen sind, was der Fall ist, wenn der Schalter 13 noch geschlossen ist, also nach Beendigung der Entladung. Infolgedessen bildet der Kondensator somit kein wesentliches Hindernis für die Abgabe von Hochfrequenzenergie an das Plasma, wobei es einerlei ist, ob der Schalter 13 geöffnet oder geschlossen ist.

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Während der Kondensatorentladung tritt nicht die* Gefahr ' eines Iiö'schens des Plasmas auf, wobei sich zeigt, daß die Anwesenheit der Stromquellen in "den Unterbrechungen der torusfö'rmigen Rohre nicht hinderlich wirkt beim Aufrechterhalten des Plasmas bei kontinuierlicher Erzeugung durch die periodische Zufuhr zusätzlicher Energie, um das Plasma in einen Zustand zu bringen, der zum Einleiten einer Kernfusionsreaktion bei Verwendung eines dazu geeigneten Gases günstig ist.

Fig. 2 zeigt eine 'Ausführungsform, bei der beide Ringleiter 1 und 2₍beiderseits der Unterbrechung 3 auf einer Seite durch den Ring 8 und auf der anderen Seite durch den leitenden Ring 20 miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Ringen ist "die.Hochfrequenzstromquelle 9 angeschlossen. Der Außenring 1 hat eine Unterbrechung 21 diametral- gegenüber der -Unterbrechung 3, die auch an einer anderen Stelle am Umfang liegen.kann. An die sich an dieser Stelle nahekommenden Rohrenden ist die Stromquelle mit dem Kondensator 10 angeschlossen. Die weiteren Bezugsziffern dieser Figur haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.

Konstruktionen mit mehr als zwei Ringleitern"sind möglich, wenn der Innenringleiter mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden ist und von-zwei miteinander einseitig verbundenen Ringleitern umgeben wird, deren gesonderte Enden an den Kondensator, angeschlossen sind.

Bei Verwendung eines Außenringleiters für den Anschluß der Hochfrequenzstromquelle oder bei Verwendung eines einseitig elektrisch verbundenen Doppelsatzes von Ringleitern für die Zufuhr des Hochfrequenzstromes wirkt wahrscheinlich die gegenseitige Abschirmung hinderlich auf eine gute Wirkung ein.

Patentansprüche;

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Claims (4)

9 _ 19Λ1225 Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines.Plasmas in einem in sich geschlossenen, torusförmigen Raum mittels eines elektrischen Hochfrequenzstroms und des Entladestroms eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kopplung des Entladestroms mit dem durch den Hochfrequenzstrom induzierten, und aufrechterhaltenen Plasma Stromkreise vorgesehen sind, die aus mindestens zwei konzentrischen, nahezu in sich geschlossenen, rohrförmigen Leitern mit einer schmalen Unterbrechung "bestehen, wobei die Unterbrechung des Innenleiters durch eine Wand elektrisch nicht leitenden Materials geschlossen ist und eine galvanische Verbindung zwischen auf der gleichen·Seite der Unterbrechung liegenden Enden zweier rohrförmiger Leiter hergestellt ist, deren andere Enden an den Kondensator angeschlossen sind und wobei die Spannungsquelle für den Hochfrequenzstrom mit den Enden des inneren oder des äußeren Leiters verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise auf zwei-hohlen, rohrförmigen, konzentrischen Leitern bestehen, wobei das innere Rohr und das äußere Rohr je für sich an der gleichen Stelle am Umfang eine schmale Unterbrechung aufweisen und auf beiden Seiten der Unterbrechung die Rohrenden des Innen- " und des Außenleiters elektrisch miteinander und mit einer Stromquelle verbunden sind, welcher Außenleiter eine zweite schmale Unterbrechung aufweist und die dadurch' gebildeten Rohrenden elektrisch mit der anderen Stromquelle verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise aus einem rohrförmigen Innenleiter und zwei den Innenleiter umgebenden Außen-

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leitern bestehen, die auf einer Seite der Unterbrechung elektrisch miteinander verbunden und deren freie Enden
an den Kondensator angeschlossen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Unterbrechung die Öffnungen zwischen den Innen- und Außenleitern abgedichtet und die Räume zwischen diesen Leitern mit Kühlflüssigkeit gefüllt sind.

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