DE2350256A1 - METHOD AND APPARATUS FOR CONTAINING A HIGH TEMPERATURE PLASMA - Google Patents
METHOD AND APPARATUS FOR CONTAINING A HIGH TEMPERATURE PLASMAInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zum Einschliessen eines HochtemperaturplasmasMethod and apparatus for enclosing a High temperature plasma
Die Erzeugung von brauchbarer Energie durch Kernfusion war etwa zwanzig Jahre lang Gegenstand umfangreicher Forschungen in einer Anzahl von Ländern. Eine vor kurzem erstellte weltweite Übersicht über verschiedene Forschungsvorhaben bezüglich der Kernfusion sowie von Fusionsvorrichtungen an Forschungsstellen ergibt sich aus "World Survey of Major Facilities in Controlled Fusion" (Amasa S. Bishop ed. 1970). Obwohl jedoch viele Versuche und Vorschläge gemacht wurden, hat es bisher keinen Erfolg bei der Erzeugung brauchbarer Mengen von gesteuerter, nicht explosiver Energie durch Kernfusion gegeben. 'The generation of useful energy by nuclear fusion has been the subject of greater concern for about twenty years Research in a number of countries. A recent global overview of various research projects with regard to nuclear fusion and fusion devices at research sites results from "World Survey of Major Facilities in Controlled Fusion "(Amasa S. Bishop ed. 1970). However, although many attempts and suggestions have been made, it has not yet met with success given in generating useful amounts of controlled, non-explosive energy by nuclear fusion. '
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_ ρ —_ ρ -
' Die Untersuchungen zur Erzeugung von Energie durch Kernfusion richten sich im wesentlichen auf das Problem des Einschlusses eines Gases verhältnismässig geringer Dichte, etwa Deuterium, das auf. eine zum Eintreten von Fusionsreaktionen ausreichende Temperatur erhitzt wurde, in einem Vakuum. Bei Temperaturen, die für das Stattfinden von Fusionsreaktionen benötigt werden, sind derartige Gase vollständig ionisiert und werden als Plasma bezeichnet. Ein grundsätzliches Hindernis für die brauchbare Erzeugung von nicht explosiver Energie durch Kernfusion besteht zurzeit in der fehlenden Möglichkeit eines Ein-'The investigations into the generation of energy by nuclear fusion are essentially directed towards the problem of Inclusion of a gas of relatively low density, about deuterium that is on. a temperature sufficient for fusion reactions to occur has been heated, in a vacuum. At temperatures necessary for that to take place are required by fusion reactions, such gases are fully ionized and are referred to as plasma. There is a fundamental obstacle to the useful generation of non-explosive energy by nuclear fusion currently in the lack of an opportunity to
Schlusses derartiger Hochtemperaturplasmen für eine ausreichend lange Zeit, so dass man aus. den Fusionsreaktoren im Plasma mehr Energie gewinnt als dem Plasma zugeführt wird.Cessation of such high temperature plasmas for a long enough time so that one can get out. the fusion reactors gains more energy in the plasma than is supplied to the plasma.
Eine Anzahl von Anordnungen zum Einschluss von Hochtemperaturplasmen in einem Vakuum wurden bereits vorgeschlagen, wobei die meisten auf der Verwendung von einem oder mehreren Magnetfeldern beruhten, die auf die das Plasma bildenden, elektrisch geladenen Teilchen Kräfte ausüben. Verschiedene dieser magnetischen Einschlussanordnungen, die gelegentlich als "magnetische Flaschen" .bezeichnet werden, sind in "Progress Toward Fusion Power", Fowler und Post, 215 Scientific American 27 (1966); "The ProspectsA number of arrangements for the containment of high temperature plasmas in a vacuum have already been proposed, with most relying on the use of one or based on several magnetic fields, which exert forces on the electrically charged particles forming the plasma. Several of these magnetic containment arrangements, sometimes referred to as "magnetic bottles" are in "Progress Toward Fusion Power", Fowler and Post, 215 Scientific American 27 (1966); "The Prospects
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of Fusion Power", Gough und Eastlund, 224 Scientific American 50 (1971); "The Road to Controlled Nuclear Fusion", Artsimovich, 239 Nature 18 (1972) sowie.in . den US-PS 3 009.080 und 3 088 894 beschrieben. Keine dieser magnetischen Einschlussanordhungen ist jedoch in der Lage, einen Plasmaeinschluss für mehr als kurze Zeitspannen aufrecht zu erhalten, um eine brauchbare Energieerzeugung zu ermöglichen. Die Unfähigkeit der bekannten magnetischen Einsehlussvorriehtungen, den Plasroaeinschluss für mehr als sehr kurze Zeitspannen aufrecht zu erhalten, wurde der Instabilität de-s Plasmas zugeschrieben und führte zu Untersuchungen von möglichen Instabilitäten verschiedenster Plasmakonfigurationen sowie von Verfahren zur Beseitigung dieser Instabilitäten (vergleiche beispielsweise "Elementary Plasma Physics", Arzimovich (1963, 1965), Kapitel.8).of Fusion Power, "Gough and Eastlund, 224 Scientific American 50 (1971);" The Road to Controlled Nuclear Fusion ", Artsimovich, 239 Nature 18 (1972) and in. U.S. Patents 3,009,080 and 3,088,894. No however, this magnetic confinement arrangement is capable of confining plasma for more than maintain short periods of time to enable usable energy generation. The inability of the known magnetic containment devices the plasma containment for more than very short periods of time sustained has been attributed to the instability of the plasma and has led to investigations of possible Instabilities of various plasma configurations as well as methods for eliminating these instabilities (compare, for example, "Elementary Plasma Physics", Arzimovich (1963, 1965), Chapter 8).
Ein verbreitet angewendetes Verfahren zur Erzielung von Plasmaeinschlüssen besteht, in, der Bildung des Plasmas in einem torusförmigen Gefäss, so dass das Plasma die Form einer torusförmigen Schleife annimmt. Anwendungsbeispiele sind die "Stellarator"-, "Scyllac"- und "Tokomak"-Maschinen, die in den vorstehenden Artikeln beschrieben sind, sowie die Vorrichtungen gemäss der vorstehend genannten US-PS 3 009 080 und 3 088· 894. Obwohl dieseA widely used method of achieving plasma inclusions consists in the formation of the plasma in a toroidal vessel so that the plasma the Takes the form of a toroidal loop. Application examples are the "Stellarator", "Scyllac" and "Tokomak" machines, which are described in the preceding articles, as well as the devices according to the above U.S. Patents 3,009,080 and 3,088,894. Although these
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Lösungen und entsprechende Abwandlungen seit Jahren bekannt sind und benutzt werden, wurde bisher keine. Plasmastabilität über längere Zeitspannen erzielt, die zur Erzeugung-von brauchbarer Energie mittels Kernfusion ausreichen würden.Solutions and corresponding modifications have been known and used for years, so far none has been. Plasma stability achieved over longer periods of time leading to the generation-of usable energy by means of nuclear fusion would be sufficient.
Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Energie durch Kernfusion und insbesondere auf den Einschluss von Hochtemperaturplasmen für eine'· ausreichend lange Zeitspanne, um in einem, derartigen Plasma Energie durch Fusionsreaktionen zu erzeugen, die die dem Plasma zugeführte Energie übersteigt, um die EnergieVerluste im Plasma auszugleichen und gegebenenfalls das Plasma auf eine ausreichend hohe Temperatur zu halten. - -The invention relates to the generation of energy by nuclear fusion and, more particularly, to the containment of High-temperature plasmas for a sufficiently long period of time to generate energy in such a plasma by fusion reactions, the energy supplied to the plasma to compensate for the energy losses in the plasma and, if necessary, to keep the plasma at a sufficiently high temperature. - -
Hierbei wird von der Peststellung ausgegangen, dass es eine Klasse von torusförmigen, magnetischen Einschlussanordnungen gibt, die sich durch "strukturelle Stabilität" auszeichnen. Als "strukturelle Stabilität" wird .diejenige Eigenschaft der durch diese Klasse von magnetischen Einschlussanordnungeh gemäss der Erfindung eingeschlossenen Plasmen verstanden, durch die derartige Plasmen für ausreichend lange Zeitspannen verhältnismässig unempfindlich gegen Annäherungen, Toleranzen und Änderungen der Parameter der Form, des Aufbaus und des Betriebes derartiger Anordnungen sind. .'■ This is based on the assumption that there is a class of toroidal, magnetic confinement arrangements which are characterized by "structural stability". "Structural stability" is understood to mean that property of the plasmas enclosed by this class of magnetic confinement arrangements according to the invention, which make such plasmas relatively insensitive to approaches, tolerances and changes in the parameters of the shape, structure and operation of such plasmas for sufficiently long periods of time Arrangements are. . '■
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Bei einem Plasma mit TorusfOPm1 das achsensymmetrisch ist, zeichnet sich die Klasse von magnetischen Einschlussanordnungen gemäss der Erfindung dadurch aus, dass magnetische Feldlinien an der Oberfläche des torusförmigen Plasmas die Forderungen für die statische strukturelle Stabilität erfüllen. Diese Forderungen umfassen die Bedingungen, dass nur eine endliche aAnzahl von magnetischen Feldlinien geschlossen sind. Ferner ist es erforderlich, dass das magnetische Feld überall ungleich Null ist, um Flasmaableitungen zu verhindern. Darüber hinaus ist es aus den später dargelegten Gründen erforderlich, dass die Grenzperioden (limit cycles) der magnetischen Feldlinien geradzahlig und ungleich Null sind und dass der Rotations-Transformationswinkel der magnetischen Feldlinien gleich und dauernd Null ist, . ·In the case of a plasma with TorusfOPm 1 that is axially symmetrical, the class of magnetic confinement arrangements according to the invention is characterized in that magnetic field lines on the surface of the toroidal plasma meet the requirements for static structural stability. These requirements include the conditions that only a finite number of magnetic field lines are closed. It is also necessary that the magnetic field is not equal to zero everywhere in order to prevent plasma leakage. In addition, for the reasons explained later, it is necessary that the limit cycles of the magnetic field lines are even and not equal to zero and that the rotation transformation angle of the magnetic field lines is equal and permanently zero,. ·
Magnetische Feldlinien, die diese Bedingungen erfüllen, lassen sich durch einen Satz von stromführenden Leitern herstellen, die in richtiger Weise bezüglich der aüsseren Form des Plasmas angeordnet sind, so dass die vom Strom in den Leitern an der Oberfläche des Plasmas erzeugten resultierenden Feldlinien eine endliche, gerade Zahl von geschlossenen, torusförmigen Feldlinien aufweisen, die die Plasmaöberflache in eine entsprechende gerade Anzahl von Torusbereichen aufteilen, wobei die poloidalen FeldlinienMagnetic field lines that meet these conditions can be passed through a set of current-carrying conductors that are properly arranged with respect to the outer shape of the plasma so that the flow in the conductors on the surface of the plasma generated the resulting field lines a finite, even number of closed, Have toroidal field lines that form the plasma surface in a corresponding even number of Divide torus areas, with the poloidal field lines
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in jedem Bereich entgegengesetzt gerichtet sind, zu den poloidalen Feldlinien des oder der benachbarten Bereiche und wobei der Rotations-Transformationswinkel aller magnetischen Feldlinien in allen Bereichen gleich Null ist. Von derartigen magnetischen Feldlinien eingeschlossene torusförmige Plasmen bilden eine Klasse von Plasmen, in der jedes Klassenmitglied durch einen nicht konvexen, poloidalen Querschnitt gekennzeichnet ist, beispielsweise durch einen Querschnitt der'entweder einer Niere, d.h. einer Annäherung der Pascalschen Schnecke, oder einer bananenförmigen Kurve ähnelt, und wobei der poloidale Querschnitt eines solchen Plasmas eine endliche, gerade Anzahl von Staupunkten (stagnation points) aufweist, die nach Anzahl und Ort den geschlossenen magnetischen FeId-linien auf der Oberfläche des Plasmas entsprechen.in each area are directed opposite to the poloidal field lines of the adjacent area or areas and where the rotation transformation angle of all magnetic Field lines in all areas is zero. Enclosed by such magnetic field lines toroidal plasmas form a class of plasmas in which each class member is represented by a non-convex, is characterized by a poloidal cross-section, for example by a cross-section of either a kidney, i.e. resembles an approximation of Pascal's snail, or a banana-shaped curve, and being the poloidal Cross-section of such a plasma has a finite, even number of stagnation points, which correspond in number and location to the closed magnetic field lines on the surface of the plasma.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Figur 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung .und teilweise im Schnitt die verschiedenen Stromleiter sowie andere Elemente eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.Figure 1 shows schematically in perspective .and partly in section the various current conductors as well as other elements of an embodiment of the invention.
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Figur 2A zeigt im Querschnitt einen'Teil de-r Anordnung gemäss Figur I3. wobei der nicht konvexe Querschnitt des Plasmas für die statische, strukturelle Stabilität erforderlich ist.Figure 2A shows in cross-section einen'Teil de-r I arrangement according to FIG. 3 the non-convex cross-section of the plasma is required for static, structural stability.
Figur 2B zeigt im Querschnitt eine Abwandlung gegenüber der Darstellung aus Figur 2Ä.Figure 2B shows a modification in cross section the illustration from FIG. 2A.
Figur 3A zeigt in perspektivischer Darstellung einenFIG. 3A shows a perspective representation
Teilschnitt der Familie von magnetischen Flächen, die von den Stromleitern gemäss Figur 2A erzeugt • werden.Partial section of the family of magnetic surfaces generated by the conductors according to FIG. 2A • will.
Figur 3B zeigt ein Paar Seitenansichten eines Plasmas, das erfindungsgemäss eingeschlossen ist, wobei die obere Darstellung eine Aussenansicht der magnetischen Feldlinien auf der äusseren oder grösseren Radiusfläche des Plasmas und die untere Ansicht eine Innenansicht der magnetischen Feldlinien und der Grenzperioden oder geschlossenen magnetischen Feldlinienumläufe an der inneren oder kleineren Radiusfläche des Plasmas zeigt.Figure 3B shows a pair of side views of a plasma that is included according to the invention, wherein the upper illustration is an external view of the magnetic Field lines on the outer or larger radius surface of the plasma and the lower view an interior view of the magnetic field lines and the boundary periods or closed magnetic Shows field line revolutions on the inner or smaller radius surface of the plasma.
Figur 4a zeigt in perspektivischer Darstellung teilweise im Schnitt ein toroidförmiges Plasma gemäss der Erfindung. ■ . · . ' ■FIG. 4a shows partially in a perspective view in section a toroidal plasma according to FIG Invention. ■. ·. '■
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Figur Hb zeigt einen Schnitt durch das torusförmige Plasma gemäss Figur 4.A. 'Figure Hb shows a section through the toroidal plasma according to Figure 4.A. '
Figur 5 zeigt, einen Schnitt durch ein anderes torusförmiges Plasma gemäss der .Erfindung, wobei' die Anzahl der poloidalen Staupunkte gleich "vier ist.Figure 5 shows a section through another toroidal Plasma according to the "invention, where" the number of poloidal stagnation points is the same "four is.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres torusförmiges Plasma gemäss der Erfindung.FIG. 6 shows a cross section through a further toroidal plasma according to the invention.
Figuren J3 8 und 9 zeigen Diagramme zur Erläuterung der theoretischen Grundlagen der Erfindung.Figures J 3, 8 and 9 show diagrams to explain the theoretical principles of the invention.
Fig. 10j Il und 12 zeigen mittels Computer errechnete Darstellungen spezieller Parameterwerte eines bevorzugten' Ausführungsbeispiels der Erfindung.FIGS. 10, 11 and 12 show representations calculated by means of a computer specific parameter values of a preferred embodiment of the invention.
Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch das torusförmige Plasma, wobei die Berechnung der erforderlichen Ströme zu erkennen ist.Fig. 13 shows a cross section through the toroidal plasma, with the calculation of the required Currents can be seen.
In den Figuren 1 und 2 ist ein hohler, stromführender Leiter 10 gezeigt, der entweder aus einem einzelnen, einstückigen Leiter oder einer Anzahl von Leitersegmen-In Figures 1 and 2, a hollow, current-carrying conductor 10 is shown, which consists of either a single, one-piece conductor or a number of conductor segments
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ten bestehen kann. Dieser Leiter 10 bildet eine Toruskammer 11, in der-eine geeignete, nicht leitfähige, torusförmige Umhüllung 12 befestigt ist, die auf einem elektrisch isolierenden, magnetisch permeablen Material, etwa Quarz oder Porzellan angeordnet ist. Sowohl Leiter 10 als auch Umhüllung 12 ,haben eine gemeinsame Achse Z, die im folgenden als "Torusachse" oder "Achse, des Toroids" bezeichnet wird. Das Innere der Umhüllung 12 ist durch eine Innenwand 120 in zwei gasdichte Kammern 121 und 122 unterteilt, und die Kammer 121 ist mit einem Gas, etwa Deuterium, unter verhältnismässigem niedrigem Druck, beispielsweise einem Druck von ein Tausendstel Atmosphäre gefüllt." In der Kammer 122 sind torusförmige oder azimutale, stromführende Leiter 123 und 126 vorgesehen, die ebenfalls die Z-Achse als ihregemeinsame Torusachse haben. Der Leiter 123 kann entweder aus einer Vielzahl von torusförmigen, stromführenden Drähten, die um eine Längsachse Ll angeordnet sind und die Z-Achse als gemeinsame Achse haben (als einen Punkt umschliessende Kreise in Figuren 1 und 2 dargestellt), oder aus einem einzigen torusförmigen, stromführenden Leiter bestehen, der um die Längsachse Ll angeordnet istj wie dies in Figur 3A dargestellt ist. Der Leiter 126 ist in einen Isolator eingebettet-, der gleichzeitig als Träger für den Leiter 123 dient-, und der Leiter 126 kann die Form einer Vielzahl stromführender Drähte haben, wie dies in den Figurenten can exist. This conductor 10 forms a toroidal chamber 11, in which a suitable, non-conductive, toroidal envelope 12 is attached, which on a electrically insulating, magnetically permeable material such as quartz or porcelain is arranged. Both head 10 and envelope 12 have a common axis Z, hereinafter referred to as "toroidal axis" or "axis of the toroid". The inside of the envelope 12 is through an inner wall 120 in two gas-tight chambers 121 and 122 are divided, and the chamber 121 is filled with a gas, such as deuterium, at a relatively low pressure, for example a pressure of one thousandth Atmosphere filled. "In the chamber 122 are toroidal or azimuthal current-carrying conductors 123 and 126, which also have the Z-axis as their common torus axis. The conductor 123 can either from a variety of toroidal, current-carrying Wires that are arranged around a longitudinal axis Ll and have the Z-axis as a common axis (as circles enclosing a point shown in Figures 1 and 2), or from a single toroidal, There are current-carrying conductors, which is arranged about the longitudinal axis Llj as shown in Figure 3A is. The conductor 126 is embedded in an insulator, which also serves as a carrier for the conductor 123, and conductor 126 may be in the form of a plurality of live wires as shown in the figures
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, 1, 2A und 3A gezeigt ist., 1, 2A and 3A.
Ausserhalb der Umhüllung 12 ist ein torusförmiger, stromführender Leiter 13 befestigt, der aus einer Vielzahl von torusförmigen, stromführenden Drähten besteht, die in den Figuren 1 und 2 als kleine Kreise dargestellt sind und alle die Z-Achse als gemeinsame Torusachse haben.-Outside the envelope 12, a toroidal, current-carrying conductor 13 is attached, which consists of a plurality of consists of toroidal, current-carrying wires, which in Figures 1 and 2 are shown as small circles and all have the Z-axis as a common torus axis.
Das Gas in der Kammer 121 wird zunächst ionisiert, um ein torusförmiges Plasma mit der Z-Achse als Torusachse zu erhalten. Dies-kann mit irgendeiner bekannten Anordnung (nicht gezeigt) erfolgen, wie sie beispielsweise in "Controlled Thermonuclear Reactions", Glasstone & Lovberg, Seiten 116 bis 163 (I960), beschrieben sind. Nach der Ionisierung des Gases in der Kammer 121 zur Bildung eines Plasmas werden die Leiter 10, 123 und 13 mittels der Xondensatorblöcke 130, 131, 132 an Spannung gelegt, wie dies in der US-PS 3 009 080 beschrieben wird, um das torusförmige Plasma in der Kammer 121" einzuschliessen,.so dass es die Form 14 gemäss Figuren 2A, 2B, 3A, 3B und 4A einnimmt. Durch den Leiter 10 wird poloidal Strom zugeführt, d.h. quer um die vom Leiter 10 umschlossene Toruskammer H3 wie dies durch die Pfeile in den Figuren 2A und 2B angedeutet ist. Gleichzeitig fliesst Strom durch die Leiter 123, 126 und 13, wobei der Strom durch die Leiter 123 und 126 in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom durch den Leiter 13 fliesst. Beispielsweise kann der Strom im Leiter 13 im Gegenuhrzeigersinn um die Torusachse fliessen, wie dies durch die in denThe gas in the chamber 121 is first ionized to obtain a toroidal plasma with the Z-axis as the toroidal axis. This can be done with any known arrangement (not shown), as described, for example, in "Controlled Thermonuclear Reactions", Glasstone & Lovberg, pages 116 to 163 (1960). After the gas has been ionized in the chamber 121 to form a plasma, the conductors 10, 123 and 13 are connected to voltage by means of the capacitor blocks 130, 131, 132, as described in US Pat. No. 3,009,080, around the toroidal plasma in the chamber 121 ″, so that it assumes the shape 14 according to FIGS. 2A, 2B, 3A, 3B and 4A. Poloidal current is supplied through the conductor 10, ie transversely around the toroidal chamber H 3 enclosed by the conductor 10 like this 2A and 2B. At the same time, current flows through conductors 123, 126 and 13, the current through conductors 123 and 126 flowing in the opposite direction to the current through conductor 13. For example, the current in the conductor 13 flow counterclockwise around the torus axis, as indicated by the in the
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Kreisen, die die Drähte des Leiters 13 bezeichnen, jeweils vorgesehenen "x" angedeutet ist, während der Strom durch die Leiter 123 und 126 im Uhrzeigersinn um die Torusachse Z fliesst, was in Figur 1 durch die Punkte in den die Drähte dieser Leiter bezeichnenden Kreise angegeben wird.Circles that denote the wires of the conductor 13, each provided "x" is indicated while the current flows through the conductors 123 and 126 clockwise around the toroidal axis Z, which is shown in FIG. 1 by the points in the Wires of these conductors are indicated in the designating circles.
Wie im einzelnen später erläutert wird, erzeugen die durch die Leiter 10, 123, 126 und 13 fliessenden Ströme im Inneren der Umhüllung 12 Sätze oder Familien Von torusförmigen magnetischen Feldflächen 124 und 125,- wie dies durch die mit Pfeilen versehenen, gestrichelten Linien in. Figur 2A gezeigt und durch die beispielhaften Flächen in Figur 3A angedeute't ist. Das Vorhandensein von zwei Staupunkteh 4 und 5 in der poloidalen Komponente des Magnetfeldes zeigt Figur 3A anhand'der Pfeilrichtungen, die die Richtung der magnetischen Feldlinien angeben, die von den Strömen in der Plasmafläche und den Drähten 123 und 126 erzeugt werden. Die Ströme induzieren ausserdem magnetische Feldlinien 19 auf der Oberfläche des Plasmas 14 (Figur 3B), wobei die magnetischen Hüllen 124, 125 und die magnetischen Feldlinien 19 gewisse für die Erfindung erwünschte Eigenschaften aufweisen, die später erläutert werden. .As will be explained in detail later, the generate by conductors 10, 123, 126 and 13 have currents flowing inside of wrapping 12 sets or families of toroidal magnetic field surfaces 124 and 125 - like this shown by the dashed lines provided with arrows in FIG. 2A and by the exemplary areas is indicated in Figure 3A. The presence of two Stagnation points 4 and 5 in the poloidal component of the Figure 3A shows the magnetic field by means of the arrow directions, which indicate the direction of the magnetic field lines caused by the currents in the plasma surface and the wires 123 and 126 are generated. The currents also induce magnetic field lines 19 on the surface of the Plasmas 14 (Figure 3B), the magnetic envelopes 124, 125 and the magnetic field lines 19 have certain properties which are desirable for the invention and which later explained. .
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Das von dem Stromfluss durch den Leiter 10 beigetragene magnetische Feld neigt zur Verschiebung der magnetischen Feldlinien 19 auf der Oberfläche des Plasmas 1*ί nach innen zur Längsachse L2, wodurch eine zusammendrückende Wirkung auf das Plasma um die Längsachse L2 ausgeübt und die magnetischen Feldlinien 19 auf der Oberfläche des Plasmas 1*J um die Torusachse Z gebogen werden. Die Ströme in den Leitungen 10, 123, 126 und 13 werden entsprechend den später erläuterten Kriterien der statischen strukturellen Stabilität eingestellt, um eine abschliessende Gleichgewichtskonfiguration des magnetischen Feldes zu erhalten.The magnetic field contributed by the current flow through the conductor 10 tends to shift the magnetic field Field lines 19 on the surface of the plasma 1 * ί inwards to the longitudinal axis L2, thereby exerting a compressive effect on the plasma around the longitudinal axis L2 and the magnetic Field lines 19 on the surface of the plasma 1 * J be bent about the torus axis Z. The currents in lines 10, 123, 126 and 13 are corresponding to The criteria of static structural stability explained later are set to a final equilibrium configuration of the magnetic field.
Das von dem durch die Leiter 123 und 126 fliessenden Strom, der gemäss der Erfindung eingestellt wird, erzeugte Mag-The magnet generated by the current flowing through the conductors 123 and 126, which is set according to the invention,
netfeld dient zur Bildung eines Bereiches auf der inneren Fläche des Plasmas 40, d.h. auf derjenigen Fläche, die . der Torusachse Z und der den kleineren Radius aufweisenden oder Innenwand 120 der Umhüllung 12 näher liegt, auf der die magnetischen Feldlinien 19 gebogen oder zur Längsachse L2 des Plasmas 14 hin gedrückt sind, so dass eine Vertiefung, entsteht und der poloidale Querschnitt -des Plasmas 14 nicht konvex ist. Dieser Bereich ist in der unteren Darstellung in Figur 33 zwischen den Linien 15 und 16 gezeigt. Der nicht konvexe, poloidale Querschnitt kann eine von verschiedenen Formen annehmen, beispielsweisenetfeld is used to create an area on the inner Surface of the plasma 40, i.e. on that surface which. the torus axis Z and that having the smaller radius or inner wall 120 of the envelope 12 is closer, on which the magnetic field lines 19 are bent or to the longitudinal axis L2 of the plasma 14 are pressed so that a depression arises and the poloidal cross-section of the plasma 14 is not convex. This area is between the lines 15 and 16 in the lower illustration in FIG. 33 shown. The non-convex, poloidal cross-section can take one of several shapes, for example
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'Nierenform l4l (Figuren 2A, 2B, 3A und 1IB), abgewandelte Nierenform-1-42 (Figur 5) oder Bananenform 153 (Figur 6).Kidney shape L4L (Figures 2A, 2B, 3A and 1 IB), modified form of kidney-1-42 (Figure 5) or banana shape 153 (Figure 6).
Das vom Leiter 13 erzeugte Magnetfeld wirkt auf das Plasma 14, um eine Auswärtsbewegung dieses Plasmas von der Torusachse Z weg zur äusseren Wand bzw. zu der den grösseren Radius aufweisenden Seite der Kammer 121 zu verhindern.The magnetic field generated by the conductor 13 acts on the plasma 14 to cause this plasma to move outward from the torus axis Z away to the outer wall or to the larger one To prevent radius having side of the chamber 121.
Die kombinierte Wirkung des von den Strömen durch die Leiter 10a 123, 126 und 13 gebildeten Magnetfeldes dient zum Einschluss des Plasmas 14, so dass die Anforderungen für die statische, strukturelle Stabilität erfüllt werden, wie dies später erläutert werden wird.The combined effect of the magnetic field formed by the currents through the conductors 10 a 123, 126 and 13 serves to contain the plasma 14 so that the requirements for static, structural stability are met, as will be explained later.
Die beiden Familien oder Sätze' von Magnetfeldern oder magnetischen Flächen 124, 126 gemäss· Figur 33 die in der Umhüllung 12 durch den Strom in den Leitern 10,. 123, 126 und 13 erzeugt werden, sind durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet. Die Gruppe von Magnetfeldern 24 ist torusförmig um den Leiter 123 und die andere Gruppe von Magnetfeldern 125 "torjasförmig zwischen der Umhüllung 12 und den äusseren Grenzen der Gruppe von Magnetfeldern 124 und dem Plasma angeordnet. Die magnetischen Feldlinien vom Leiter 126 treten in den das Plasma-14 umgebenden Vakuümraum ein und verlassen diesen. An der Stelle,The two families or sets' of magnetic fields or magnetic surfaces 124, 126 according to Figure 3 · 3 in the enclosure 12 by the current in the conductors 10 ,. 123, 126 and 13 are characterized by the following properties. The group of magnetic fields 24 is arranged in a toroidal shape around the conductor 123 and the other group of magnetic fields 125 "in a toroidal shape between the envelope 12 and the outer boundaries of the group of magnetic fields 124 and the plasma. The magnetic field lines from the conductor 126 enter the plasma. 14 surrounding vacuum space and leave it.
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an der der Eintritt und der Austritt vom Leiter 126 erfolgt, ergibt sich eine Diskontinuität der Tangentialkomponente des Magnetfeldes und die Grosse der Diskontinuität wird durch die Werte der Ströme in diesen Leitern bestimmt. Aus den Figuren 3A und 3B ergibt sich, dass die poloidale Komponente des magnetischen Feldes an der Oberfläche des Plasmas 14 keine gleichförmige Richtung hat, sondern sich durch zwei einander entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder auszeichnet. Das innere Segment '4/6/5» das aus dem Bogen 4 bis 6 und dem Bogen 6 bis 5 der Grenzfläche Γ des poloidalen Querschnitts des Plasmas 14, .d.h. dem Grenzbereich des poloidalen Querschnittes des Plasmas 14, der dem Leiter 123 und der Torusachse Z näher ist, weist somit die poloidale magnetische Feldlinie auf, die eine Richtung hat, welche entgegengesetzt der Richtung der poloidalen Feldlinie auf dem äusseren Segment 4/7/5 (Bogen 4 bis 7 und Bogen 7 bis 5) des Grenzbereiches Γ ist, der sich nahe der äusseren Wand der Umhüllung 12 und weiter von der Torusachse Z .des Plasmas 14 weg befindet. Als Folge davon sind die poloidalen Komponenten der magnetischen Feldlinien 19 auf der Oberfläche des Plasmas 14 in zwei Gruppen unterteilt, die jeweils der Richtung der nächst benachbarten Gruppe von magnetischen Feldern und 125 folgen, die in der Kammer 121 erzeugt werden.where the entry and exit from conductor 126 occurs, there is a discontinuity in the tangential component of the magnetic field and the size of the discontinuity is determined by the values of the currents in these conductors. It can be seen from FIGS. 3A and 3B that the poloidal component of the magnetic field on the surface of the plasma 14 does not have a uniform direction, but is characterized by two oppositely directed magnetic fields. The inner segment '4/6/5 » that consists of the arc 4 to 6 and the arc 6 to 5 of the interface Γ of the poloidal cross section of the plasma 14, ie the border area of the poloidal cross section of the plasma 14, the conductor 123 and the Torus axis Z is closer, thus has the poloidal magnetic field line, which has a direction which is opposite to the direction of the poloidal field line on the outer segment 4/7/5 (arc 4 to 7 and arc 7 to 5) of the border area Γ , which is located near the outer wall of the envelope 12 and further away from the torus axis Z of the plasma 14. As a result, the poloidal components of the magnetic field lines 19 on the surface of the plasma 14 are divided into two groups, each of which follows the direction of the next adjacent group of magnetic fields 125 and 125 that are generated in the chamber 121.
4098 19/0692.4098 19/0692.
Wie den Figuren 3A und 3B zu entnehmen ist, haben die
poloidalen Komponenten der magnetischen.Feldlinien 19
auf dem inneren Segment 4/6/5' des Grenzbereiches Γ die
gleiche. Richtung wie die benachbarte Gruppe von magnetischen Flächen 124, während die polpidalen Komponenten
der magnetischen Feldlinien 19 auf dem äusseren Segment 4/7/5 des Grenzbereiches / der Richtung der benachbarten
Gruppe von magnetischen Flächen 125 folgen. ' ·As can be seen from Figures 3A and 3B, the
poloidal components of magnetic field lines 19
on the inner segment 4/6/5 'of the border area Γ the same. Direction like the neighboring group of magnetic surfaces 124, while the polar components of the magnetic field lines 19 on the outer segment 4/7/5 of the border area / follow the direction of the neighboring group of magnetic surfaces 125. '·
Wie im einzelnen später erläutert werden wird, muss der Rotations-Transformationswinkel der magnetischen Feldlinien
auf der.Oberfläche des Plasmas l4 im axial
symmetrischen Fall erfindungsgemäss für alle ausreichend' kleinen Abweichungen der Parameter des Gesamtsystems'
identisch und dauernd Null sein. Diese Forderung ist
in den Figuren 2-A und 3B gezeigt, in denen die magne-· .
tischen Feldlinien 19 auf der Plasmaoberfläche durch
die magnetischen Feldlinien 15 und 16 auf der Oberfläche des Plasmas 14 in zwei Bereiche unterteilt sind.
Die Feldlinien 15 und 16 sind geschlossen, d.h. sie beschreiben auf der Oberfläche des Plasmas 14 eine geschlossene,
kreisförmige Torusbahn. Gemäss den Grund- · lagen der Erfindung muss die Anzahl N der geschlossenen
magnetischen Feldlinien, beispielsweise' der Feldlinien 15, 16 geradzahlig sein, d.h. -N =2, 4, 6, ..., undAs will be explained in detail later, the rotation transformation angle of the magnetic field lines on the surface of the plasma must be l4 im axial
symmetrical case according to the invention for all sufficiently 'small deviations in the parameters of the overall system'
be identical and permanently zero. This requirement is
shown in Figures 2-A and 3B, in which the magne- ·. table field lines 19 on the plasma surface
the magnetic field lines 15 and 16 on the surface of the plasma 14 are divided into two areas. The field lines 15 and 16 are closed, ie they describe a closed, circular toroidal path on the surface of the plasma 14. According to the principles of the invention, the number N of the closed magnetic field lines, for example the field lines 15, 16, must be an even number, ie -N = 2, 4, 6,..., And
409819/0692409819/0692
diese geschlossenen Feldlinien teilen die Oberfläche des Plasmas I1J in eine entsprechende Anzahl von N Torusbereichen. Wie in Figur 3B (Innenansicht) dargestellt, teilen die beiden geschlossenen magnetischen Feldlinien 15 und 16 somit die Oberfläche des Plasmas 14 in ein entsprechendes Paar von Torusbereichen. Später wird erläutert werden, wie die Stromstärken in den Leitern 10, 123, 126 und 13 zu errechnen sind, um auf der Oberfläche des Plasmas 14 ein Magnetfeld mit diesen gewünschten Eigenschaften zu erhalten.these closed field lines divide the surface of the plasma I 1 J into a corresponding number of N torus areas. As shown in FIG. 3B (interior view), the two closed magnetic field lines 15 and 16 thus divide the surface of the plasma 14 into a corresponding pair of torus regions. It will be explained later how the current intensities in the conductors 10, 123, 126 and 13 are to be calculated in order to obtain a magnetic field with these desired properties on the surface of the plasma 14.
In den Oberflächenbereiehen des Plasmas zwischen den geschlossenen magnetischen Feldlinien beschreiben alle anderen magnetischen Feldlinien nicht geschlossene, torusförmige Verläufe, die sich asymptotisch den geschlossenen Feldlinien annähern oder sich von innen entfernen. Dies ergibt sich beispielsweise aus Figur 3B (Innenansicht), wo die nicht geschlossenen magnetischen Feldlinien 19 sich asymptotisch von der geschlossenen Feldlinie 15 entfernen und sich asymptotisch der geschlossenen Feldlinie 16 annähern, ohne jedoch eine der geschlossenen Feldlinien 15 und 16 zu schneiden. Figuren 2A und 3B zeigen ferner, dass der Verlauf einer nicht geschlossenen Feldlinie.19 während jeder Bahn um den Umfang des Plasmas IH um einen endlichen Winkel cf versetzt ist.In the surface areas of the plasma between the closed magnetic field lines, all other magnetic field lines describe non-closed, toroidal courses that asymptotically approach the closed field lines or move away from the inside. This results, for example, from FIG. 3B (interior view), where the non-closed magnetic field lines 19 move asymptotically away from the closed field line 15 and asymptotically approach the closed field line 16, but without intersecting one of the closed field lines 15 and 16. FIGS. 2A and 3B also show that the course of a non-closed field line 19 is offset by a finite angle cf during each path around the circumference of the plasma IH.
, 10 -9 8 19/0-692, 1 0 -9 8 19 / 0-692
Dieser Winkel kann bei' einem gegebenen Umlauf um den Umfang des Plasmas Ik nicht 2"7Toder 36O übersteigen, da die nicht.geschlossene Feldlinie 19 die geschlossenen Feldlinien I5 und 16 nicht schneiden kann.· Der gesamte Verschiebungswinkel <f nach η-Umläufen einer magnetischen Feldlinie 19 um den Umfang des Plasmas kann aus den gleichen Gründen 2TT nicht übersteigen.With a given rotation around the circumference of the plasma Ik, this angle cannot exceed 2 "7T or 36O, since the non-closed field line 19 cannot intersect the closed field lines I5 and 16. · The total displacement angle <f after η-rotations of a magnetic one Field line 19 around the circumference of the plasma cannot exceed 2TT for the same reasons.
Per Definition ist der Rotations-Transformationswinkel der magnetischen Feldlinien 19 die Grenze des Verhältnisses des gesamten Versehiebungswinkels Q zu 2 TTn für einen beliebig grossen Wert von n, d.h. **m 5By definition, the rotation transformation angle of the magnetic field lines 19 is the limit of the ratio of the total displacement angle Q to 2 TTn for an arbitrarily large value of n, ie ** m 5
η -*<*» 2irn.η - * <* »2irn.
Da ei 27Tnicht überschreiten kann, um mit den strukturellen Stabilitätsprinzipien gemäss der ErfindungSince ei can not exceed 27T, in order to comply with the structural stability principles according to the invention
Sn S n
übereinzustimmen, ist das Grenzverhältnis ^ für einagree, the limit ratio is ^ for a
beliebig grosses η = Null und bleibt für nicht geschlossene magnetische Feldlinien I9 immer Null. Da ausserdem' infolge ihrer Geschlossenheit alle geschlossenen Feldlinien einen Rotations-Transformationswinkel von Null haben, sind sowohl die geschlossenen als auch die nicht geschlossenen magnetischen Feldlinien ,auf der Oberfläche des Plasmas 14 durch einen Rotations-Transformationswinkel von Null gekennzeichnet. Die Forderung nach einer endlichen, geraden Anzahl geschlossener-Feldlinien bezüglich derer alle anderen Feldlinien auf der Oberflächearbitrarily large η = zero and remains for non-closed magnetic field lines I9 always zero. In addition, because of their closeness, all closed field lines have zero rotation transform angle, those are both closed and not closed magnetic field lines, on the surface of the plasma 14 by a rotation transformation angle marked by zero. The requirement for a finite, even number of closed field lines with respect to which all other field lines on the surface
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asymptotisch sind, stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar. Hyperbolische Staupunkte des poloidalen Feldes müssen bei einem beschriebenen kritischen Radius durch eine spezifische Konfiguration der äusseren Ströme erzeugt werden, die nach" den zu beschreibenden Prinzipien gemäss der Erfindung berechnet werden»are asymptotic, is an essential feature of the invention. Hyperbolic stagnation points of the poloidal Field must at a described critical radius through a specific configuration of the external currents are generated, which are calculated according to "the principles to be described according to the invention"
Man erkennt, dass ein durch die in der Beschreibung definierte strukturelle Stabilität, charakterisiertes Plasma durch Erzeugung von Magnetfeldern erhalten werden kann, die sich von den hier beschriebenen unterscheiden, wenn nur den angegebenen, erfindungsgemässen Grundlagen gefolgt wird. So können in dem das Plasma umgebenden Vakuumraum Leiter angeordnet werden, die an anderen Stellen, an den gleichen Stellen oder an Teilen von Stellen der Leiter 13, 123 und 126 vorgesehen sind. So sind beispielsweise,in Figur 2B eine Vielzahl von Leitern 21, 22 und ein Leiterpaar 23a, 23b vorgesehen, die magnetische Dipole im poloidalen Feld darstellen. Sowohl bekannte analytische als auch numerische Verfahren können zur Auswahl und Anordnung geeigneter Leiter angewendet werden.It can be seen that a plasma characterized by the structural stability defined in the description can be obtained by generating magnetic fields which differ from those described here if only the stated principles according to the invention are followed. Thus, conductors can be arranged in the vacuum space surrounding the plasma, which conductors are provided at other locations, at the same locations or at parts of locations on the conductors 13, 123 and 126. For example, in FIG. 2B, a plurality of conductors 21, 22 and a pair of conductors 23a, 23b are provided, which represent magnetic dipoles in the poloidal field. Both known analytical and numerical methods can be used to select and arrange suitable conductors.
Obwohl die Anordnungen gemäss Figuren 1 und 2A Leiter an Flussoberflächen oder übereinstimmend mit Fluss-Although the arrangements according to Figures 1 and 2A ladder on river surfaces or in correspondence with river
9/06929/0692
Singularitäten enthalten, beispielsweise das äussere Element der Gruppe von Flächen 125 oder das innere Element der Gruppe von Flächen 124, ist es klar, das& andere als die Flüssflächen gewählt werden können, wenn geeignete übliche magnetische Dipoleinrichtungen gewählt werden (Figur 2B), die zur Bildung des Magnetfeldes dienen, das sonst von denLeitern an den Flussflächen erzeugt wird.Contain singularities, for example the outer one Element of the group of surfaces 125 or the inner element of the group of surfaces 124, it is clear, the & other as the liquid surfaces can be chosen if appropriate conventional magnetic dipole means are chosen (Figure 2B), which serve to create the magnetic field that is otherwise generated by the conductors on the flux surfaces is produced.
Wenngleich für ein axialsymmetrisches, torusförmiges Plasma ein Rotations-Transformationswinkel von Null benötigt wird, ist es klar, dass bei einem/topologischen, torusförmigen Plasma, das nicht axialsymmetrisch ist, beispielsweise einem torusförmigen Plasma, welches wendelförmig verdreht ist, eine strukturelle Stabilität gemäss der Grundlagen der Erfindung erzielt wird, indem ein derartiges Plasma eine rationale Rotationszahl und mindestens, jedoch nicht mehr als eine endliche, gerade Anzahl von geschlossenen, magnetischen Feldlinien auf der Plasmaoberfläche hat, wobei die Anzahl ungleich Null ] ist.Although a rotation transformation angle of zero is required for an axially symmetrical, toroidal plasma, it is clear that with a / topological, toroidal plasma that is not axially symmetrical, for example a toroidal plasma that is helically twisted, structural stability according to the principles of the invention is achieved in that such a plasma has a rational number of rotations and at least, but not more than a finite, even number of closed magnetic field lines on the plasma surface, the number not being equal to zero ] .
4 0 9 SI 9/Ό 6.1S 24 0 9 SI 9 / Ό 6. 1 S 2
Im folgenden werden die nachstehenden Bezeichnungen verwendet:The following terms are used in the following:
B Vektor des magnetischen Feldes B vector of magnetic field
r Radiusvektor · "r radius vector "
J . c Vektor des elektrischen StromsJ. c vector of electric current
β magnetische Feldstärke (Länge I? oder ϊ^:ϊΓ) β magnetic field strength (length I? or ϊ ^: ϊΓ)
α*, .magnetische Permeabilität α *, .magnetic permeability
BZ/2f^ magnetischer Druck B Z / 2f ^ magnetic pressure
ρ Plasmafluiddruckρ plasma fluid pressure
Δ Verhältnis von Plasmafluiddruck zu grösserem Δ ratio of plasma fluid pressure to greater
magnetischem Druckmagnetic pressure
^ die Grenzschicht zwischen Plasma und Vakuum ^ the boundary layer between plasma and vacuum
bildende Fläche, d.h. Plasmagrenze η ■ Normalen- Vektor auf S* s Bogenlänge entlang der Feldlinieforming surface, i.e. plasma boundary η ■ normal vector on S * s arc length along the field line
tk bezeichnet den positiven Grenzsatz einer tk denotes the positive limit theorem of a
Feldlinie φ . bezeichnet den negativen Grenzsatz einerField line φ. denotes the negative limit theorem of a
FeldlinieField line
(x., x„) Ortskoordinaten auf Σ1 (X1, X2) Komponenten von· B im Ortskoordinatensystem auf Σ7 y geschlossene Feldlinie auf 57 (topologischer Kreis(x., x „) spatial coordinates on Σ 1 (X 1 , X 2 ) components of · B in the spatial coordinate system on Σ7 y closed field line on 57 (topological circle
4 0 9 '8 1 9 / Q 6 34 0 9 '8 1 9 / Q 6 3
_ 21 -_ 21 -
/ Qz) Zylinderkoordinaten/ Q z ) cylindrical coordinates
f\y Punktion des magnetischen Flusses f \ y puncture of the magnetic flux
Γ Schnitt von J? mit der Ebene Θ = O " Γ cut from J? with the plane Θ = O "
2> partieller Differentialoperator 2> partial differential operator
d Differentialoperatord differential operator
V Hamiltonoperatqr"V Hamiltonoperatqr "
Δ Laplacescher Operator Δ Laplace operator
A^ · Stokescher Operator A ^ Stokes operator
V VolumenV volume
S Oberflä.chenbereichS surface area
rf kritischer Radius rf critical radius
c Indikator c indicator
In der folgenden Beschreibung der theoretischen Grundlagen, auf der die Erfindung beruht, wird nur die statische, strukturelle Stabilität im einzelnen betrachtet, obwohl es zwei unterschiedliche Erscheinungen der strukturellen Stabil!-, -tat eines torusförmigen Plasmas gibt, die statische und die dynamische strukturelle Stabilität. Bei einem durch, die statische strukturelle ,Stabilität gemäss den Grundlagen der Erfindung charakterisierten, torusförmigen Plasma kann die dynamische strukturelle Stabilität mittels bekannter Verfahren erreicht werden, etwa systematischer, theoretischer Mehrkanal-Entwurfsverfahren wie sieIn the following description of the theoretical basis on which the invention is based, only the static, structural Stability considered in detail, although there are two different phenomena of structural stability! -, -tat of a toroidal plasma there, the static and the dynamic structural stability. At one through, the static structural, stability according to the fundamentals The toroidal plasma characterized by the invention can achieve dynamic structural stability by means of known methods can be achieved, such as systematic, theoretical multi-channel design methods such as them
19/06S2 19 / 06S 2
beim Entwurf und bei der Entwicklung von Stabilisierungssystemen für Raumfahrzeuge angewendet werden. Somit wird durch Verwendung der Bezeichnung "strukturelle Stabilität" im folgenden nur die statische strukturelle Stabilität bezeichnet, falls nicht ausdrücklich etwas anderes erwähnt ist.be used in the design and development of stabilization systems for spacecraft. Thus becomes by using the term "structural stability" in the following, only the static structural stability unless expressly stated otherwise.
Es sei ein Plasma betrachtet, das in einem gewissen, endlichen, begrenzten-Raumbereich von einem Magnetfeld B eingeschlossen ist, wobei das Plasma keine inneren Stromleiter enthält und wobei sich ein geringes oder kein Magnetfeld im Inneren des Plasmas befindet. An der Plasmagrenze oder -fläche ^ , die die Grenzschicht zwischen Plasma und dem Magnetfeld B bildet, ist es erforderlich, dass der Gesamtdruck pT kontinuierlich über die Plasma/ Vakuum-Grenze ist, wobei pT die Summe aus Plasmafluiddruck ρ und magnetischem Druck B /2.u mit ,u als Per-Let us consider a plasma which is enclosed in a certain, finite, limited area of space by a magnetic field B, the plasma containing no internal current conductors and wherein there is little or no magnetic field inside the plasma. At the plasma boundary or surface ^ , which forms the boundary layer between the plasma and the magnetic field B, it is necessary that the total pressure p T is continuous across the plasma / vacuum boundary, where p T is the sum of the plasma fluid pressure ρ and the magnetic pressure B. /2.u with, u as per-
2
meabilität ist, d.h. p„ = ρ + B /2,u. Somit muss der2
meability, ie p "= ρ + B / 2, u. So the
β -ηβ -η
Gesamtdruck an jeder Seite der Oberfläche ^, gleich sein. Bei Verwendung des Index "i" für den Druck im Inneren des Plasmas und des Index "o" für den Druck ausserhalb des Plasmas ergibt sichTotal pressure on each side of the surface ^, be the same. Using the index "i" for the pressure inside the plasma and the index "o" for the pressure outside the plasma results
Da der Plasmafluiddruck ρ ausserhalb des Plasmas gleich O ist, kann die Gleichung (2) x^ie folgtSince the plasma fluid pressure ρ is the same outside the plasma O, the equation (2) x ^ ie follows
.Q 9 -11 9/0692.Q 9 -11 9/0692
geschrieben werden:to be written:
Der Wert Δ ist definiert als das Verhältnis von Plasmafluiddruck p." im Inneren des"Plasmas zum magnetischenThe value Δ is defined as the ratio of the plasma fluid pressure p. "Inside the" plasma to the magnetic one
Druck B /2,u ausserhalb des Plasmas, d.h. '■■Pressure B / 2, u outside the plasma, i.e. '■■
/P-Pi / (Bo 2/2p). (M/ P-Pi / (B o 2 / 2p). (M
Aus dieser Definition ergibt sich, dass der Parameter zwischen O und 1 liegt. Durch die Forderung, dass im Inneren des Plasmas ein geringes oder kein Magnetfeld . vorhanden ist (dies lässt sich bei einem hochle.itfähigen Plasma dadurch erreichen, dass in der Plasmafläche Ströme induziert werden, die das Eindringen des Magnetfeldes ver hindern; dies ist durch schnelles Einschalten der Ströme in den äusseren Leitern möglich)., lässt sich die Gleichung (3) wie folgt schreiben ' This definition shows that the parameter is between 0 and 1. By requiring that there is little or no magnetic field inside the plasma. is present (this can be achieved in a highly conductive plasma by inducing currents in the plasma surface that prevent the penetration of the magnetic field; this is possible by quickly switching on the currents in the outer conductors)., the equation (3) write as follows '
:..ρί?.ψΕ , (5) : ..ρ ί? .ψΕ , (5)
Durch Einsetzen von Gleichung (5) in (4) ergibt sich, dass/3 unter diesen Bedingungen gegen eins "geht.. Betrachtungen der Transportyorgänge, insbesondere des endlichen spezifischen Widerstandes zeigen, dass für die geforderte dynamische Stabilität des Plasmas der Wert von Δ sich so stark wie möglich, jedoch nicht unbedingt, 1 (hoher A -Wert) nähern sollte..By inserting equation (5) into (4) it results that / 3 goes to one "under these conditions. Considerations of the transport processes, in particular the finite specific resistance, show that the value of Δ for the required dynamic stability of the plasma should approach 1 (high A value) as much as possible, but not necessarily.
Bei Δ - 1.unter Gleichgewichtsbedingungen hat der Fluiddruck im Inneren des Plasmas überall- den gleichen WertAt Δ - 1 under equilibrium conditions, the fluid pressure inside the plasma has the same value everywhere
4 US '8 1 9/1OS 9 2 · ■■US 4 '8 1 9/1 9 2 OS · ■■
- 21» -- 21 »-
ungleich O, so dass sich ein im allgemeinen stetiger Pluidstrom im· Plasma ergib.t. Dann ist gemäss Gleichung (5) der magnetische Druck ausserhalb des Plasmas überall auf den Grenzen oder der Oberfläche des Plasmas ungleich 0.not equal to O, so that there is a generally continuous Pluid current in the plasma results. Then according to the equation (5) the magnetic pressure outside the plasma anywhere on the boundaries or surface of the plasma not equal to 0.
Die Plasmafläche S soll ausserdem keine Wendepunkte oder Kanten haben und muss geschlossen sein,-d.h." kann keine topologischen Grenzen haben. Ferner soll 2* orientierbar sein, in dem Sinne, dass die Fläche eine eindeutige Aussenseite und Innenseite hat, d.h. kein Teil von % kann einen anderen Teil von Σ durchdringen. "The plasma surface S should also have no turning points or edges and must be closed, ie "cannot have any topological boundaries. Furthermore, 2 * should be orientable in the sense that the surface has a clear outside and inside, ie no part of % can penetrate another part of Σ . "
Eine andere Grenzbedingung für Σ besteht darin, dass die Normalkomponente des Magnetfeldes ausserhalb des Plasmas über Σ kontinuierlich ist, was impliziert, dass das Magnetfeld an der Oberfläche des Plasmas tangential zu S verläuft und daher überall auf Z* einen nicht verschwindenden tangentialen Vektor des Magnetfeldes bildet.Another boundary condition for Σ is that the normal component of the magnetic field outside the plasma is continuous over Σ , which implies that the magnetic field on the surface of the plasma is tangential to S and therefore forms a non-vanishing tangential vector of the magnetic field everywhere on Z * .
Es lässt sich mittels des Festpunkttheorems von Lefsehetz-Hopf (Lefsehetz-Hopf fixed point thec^-em) zeigen, dass Σ1 für die vorstehend genannten Flächtmbed'ingunnen (compact orientable 2-manifold) ohne feste Punkte undIt can be shown by means of the fixed point theorem of Lefsehetz-Hopf (Lefsehetz-Hopf fixed point thec ^ -em) that Σ 1 for the aforementioned flat bed'ingunnen (compact orientable 2-manifold) without fixed points and
4Q98 19/Q6924Q98 19 / Q692
für einen kontinuierlichen Verlauf der Normalkomponente des Magnetfeldes auf S? ausserhalb des Plasmas topologisch ein Torus sein muss- d.h. das topologische Produkt zweier topologischer Kreise.for a continuous course of the normal component of the magnetic field on S? outside of the plasma topologically must be a torus - i.e. the topological product of two topological circles.
Die nächste Forderung besteht darin, dass der Einschluss eines torusförmigen Plasmas -statisch "strukturell stabil" sein soll,.d.h. ein derartiges -Plasma muss Gleichgewichtseigenschaften haben, die.unempfindlich gegenüber geringen Änderungen solcher Systemparameter sind,, die die qualitativen oder topologischen Eigenschaften der magnetischen Feldlinienkonfiguration auf 5Γ bilden, so dass diese Konfiguration durch derartige Änderungen nicht geändert wird. Die notwendigen und erforderlichen Kriterien für die strukturelle Stabilität eines willkürlichen Vektorfeldes auf einem topologisehen Torus sind angegeben von M. Peixoto (Literaturangaben in "Foundations of Mechanics", Abraham (1967)) und von V.A. Pliss (wie durch den Ausdruck "coarseness" in "Nonlocal Problems in.the Theory of Oscillations (1964, I966) angegeben). Ferner sei verwiesen auf "Systemes Grossiers", Andronov & Pontriagin, Ik "Dokl. Akad. Nauk. SSSR (1937). Es handelt sich hierbei um: . ■ -■The next requirement is that the confinement of a toroidal plasma should be statically "structurally stable", that is, such a plasma must have equilibrium properties that are insensitive to small changes in such system parameters, such as the qualitative or topological properties of the magnetic Form field line configuration to 5Γ so that this configuration is not changed by such changes. The necessary and required criteria for the structural stability of an arbitrary vector field on a topological torus are given by M. Peixoto (references in "Foundations of Mechanics", Abraham (1967)) and by VA Pliss (as indicated by the expression "coarseness" in " Nonlocal Problems in the Theory of Oscillations (1964, 1966). Reference is also made to "Systemes Grossiers", Andronov & Pontriagin, Ik "Dokl. Akad. Nauk. SSSR (1937). These are:. ■ - ■
(a) es gibt nur eine endliche Anzahl von Singularitäten, alle generischj(a) there are only a finite number of singularities, all genericj
(b) die Oi - und W-Grenzsätze jeder Bahn können nur Singularitäten oder geschlossene Umläufe sein; · '(b) the Oi and W boundary sets of each orbit can only be singularities or closed revolutions; · '
(c) keine Bahn verbindet Sattelpunkte;(c) no track connects saddle points;
(d) es gibt nur eine endliche Anzahl von geschlossenenUmläufenj die alle einfach sind.(d) there are only a finite number of closed circulationsj all of which are simple.
Die Angabe "Singularitäten" in den vorstehenden Bedingungen (a) und (b) bezieht sich auf Punkte, an denen das Vektorfeld verschwindet. Derartige Punkte werden in diesem Zusammenhang üblicherweise als "Staupunkte" bezeichnet. Ein "Sattelpunkt" ist eine Art von Singularität, die auch als "hyperbolischer Staupunkt" bezeichnet wird.The term "singularities" in conditions (a) and (b) above refers to points at which the Vector field disappears. Such points are usually referred to as "stagnation points" in this context. A "saddle point" is a type of singularity also known as a "hyperbolic stagnation point".
Wendet man diese Kriterien der strukturellen Stabilität auf ein Plasma in einem Magnetfeld unter den vorstehend genannten Bedingungen, nach denen die Plasmagrenzen einem topologischen Torus und das Magnetfeld dem Vektorfeld entsprechen seil, so werden die Kriterien (a) und (c) erfüllt, da das Magnetfeld an allen Stellen auf der Plasmafläche 57 ungleich O ist, was bedeutet, dass keine Singularitäten vorhanden sind.If one applies these criteria of structural stability on a plasma in a magnetic field under the conditions mentioned above, according to which the plasma boundaries a topological torus and the magnetic field correspond to the vector field, so criteria (a) and (c) fulfilled, since the magnetic field is not equal to 0 at all points on the plasma surface 57, which means that none Singularities are present.
Die Begriffe "Bahnen" und "Umläufe" beziehen sich aufThe terms "tracks" and "circulations" relate to
die Bogenlängen-Parametisierung der magnetischen Feldlinien, die man durch Integration der gewöhnlichen nichtlinearen Vektor-Differentialgleichung ^= Bo(r) ^o (r) · auf S1 erhält'. Der "K "- oder " ω "-Grenzsatz (Limit set) dieser magnetischen Feldlinien ist die Gesamtheit der Grenzpunkte auf/den Linien in der Grenze des Bogenlängen-Parameters s_, der sich jeweils -oo oder -fco nähert. Da keine Singularitäten vorhanden sind, ergibt sich aus dem Kriterium (b), dass die Grenzsätze geschlossene oder endlose Umläufe sein müssen, d.h. die Grenzsätze müssen Grenzzyklen oder geschlossene Umläufe sein, die in den Q{ - oder co -Grenzsätzen anderer-unterschiedlicher magnetischer Feldlinien liegen.the arc-length parameterization of the magnetic field lines, which is obtained by integrating the usual non-linear vector differential equation ^ = Bo ( r ) ^ o ( r ) · on S 1 '. The "K " or " ω " limit set of these magnetic field lines is the totality of the limit points on / the lines in the limit of the arc length parameter s_, which approaches -oo or -fco in each case. Since there are no singularities, it follows from criterion (b) that the limit sets must be closed or endless revolutions, ie the limit sets must be limit cycles or closed revolutions in the Q { or co- limit sets of other-different magnetic field lines lie.
Das Kriterium (d) fordert, dass die" Zahl der geschlossenen Umläufe sowohl endlich als auch "einfach" sein muss. Um "einfach" zu sein, giltThe criterion (d) requires that the "number of closed Circulations must be both finite and "simple". In order to be "simple", the following applies
exp( fMl +1%.W^ 1,exp (fMl + 1% .W ^ 1,
;yU.xi; y U.xi
wobei der Integrand der Gleichung (6) die zweidimensionale r Divergenz' des Magnetfeldes auf der Plasmafläche S. ist und in der x^ und X2 die Ortskoordinateri auf der Plasmafläche, X^. und Xp die entsprechenden Koordinaten der magnetischen Feldlinien an diesen Koordinaten und f der betrachtete geschlossene Umlauf sind.where the integrand of equation (6) is the two-dimensional r divergence 'of the magnetic field on the plasma surface S. and in which x ^ and X 2 are the spatial coordinates on the plasma surface, X ^. and Xp are the corresponding coordinates of the magnetic field lines at these coordinates and f is the considered closed circuit.
0 9B19/OS920 9B19 / OS92
Durch Kombination der Kriterien der' strukturellen Stabilität mit den Maxwellschen Gleichungen und dem Bernoullischen Theorem für einen stetigen Fluidstrom lässt sich zeigena dass, wie durch Betrachtung der Gleichung (3) deutlich wird, die Magnetfeldlinienkonfiguration auf der Oberfläche des Plasmas die folgenden Kriterien erfüllen muss, um strukturelle Stabilität zu erreichen:By combining the criteria of 'structural stability with Maxwell's equations and the Bernoulli's theorem for a continuous fluid flow can be shown a that, as is by considering the equation (3) clearly, the magnetic field line configuration on the surface of the plasma meet the following criteria must to achieve structural stability:
•(a) der Rotations-Transformationswinkel der magnetischen Feldlinien auf der Oberfläche des Plasmas ist identisch Null;-• (a) the rotation transformation angle of the magnetic field lines on the surface of the plasma is identical to zero; -
(b) die Anzahl N der geschlossenen Umläufe ist endlich und geradzahlig (N = 2,4,6, ...); und(b) the number N of closed revolutions is finite and even (N = 2,4,6, ...); and
(c) die geschlossenen Umläufe sind nicht nur einfach, sondern müssen paarweise auftreten, wobei die Teile jedes Paares für zunehmende oder abnehmende Bogenlängen (nachdem eine bestimmte Zuordnung für den Sinn der zunehmenden Bogenlänge gemacht wurde) asymptotisch stabil sind. .(c) the closed circuits are not only simple, but must occur in pairs, the parts of each pair for increasing or decreasing arc lengths (after a certain assignment was made for the sense of increasing arc length) asymptotically are stable. .
Eine Anwendung dieser Kriterien auf den einfachsten Fall zweier geschlossener magnetischer Feldlinien (dieser Fall ist nicht redundant, da alle anderen Fälle für geradzahlige N die Verdoppelung gex^isser Elemente erfordern), zeigt, dass eine der beiden geschlossenen Feldlinien ,An application of these criteria to the simplest case two closed magnetic field lines (this case is not redundant, since all other cases are for even-numbered N require the doubling of all elements), shows that one of the two closed field lines,
asymptotisch stabil ist, d.h. die benachbarten Feldlinienis asymptotically stable, i.e. the neighboring field lines
409819/0692409819/0692
nähern sich ihr asymptotisch an, und dass die andere geschlossene Feldlinie asymptotisch instabil ist, in dem Sinne, dass benachbarte Feldlinien sich asymptotisch von ihr weg bewegen, ("asymptotisch" bezieht sich hierbei auf Parameterisierung durch Bogenlänge, nicht durch Zeit)* Es seien beispielsweise die geschlossenen Feldlinien 15 und 16 und die Nachbärfeldlinien 19 in Figur 3'B betrachtet. Es lässt sich zeigen, dass die Forderung, dass die beiden Feldlinien mit geschlossenem Umlauf einfach sind, äquivalent zur Forderung ist, dass der "Fluss"j der auf der Plasmaoberfläche S durch die Bog'enlängenparämeterisierung der Feldlinien in der unmittelbaren Nachbarschaft der beiden geschlossenen Feldlinien induziert wird, im Mittel nicht inhaltstreu (area-preserving) ist. ·approach it asymptotically, and that the other closed field line is asymptotically unstable, in the sense that neighboring field lines move asymptotically away from it ("asymptotically" here refers to parameterization by arc length, not by time) * Let it be for example the closed field lines 15 and 16 and the neighboring field lines 19 in Figure 3'B considered. It can be shown that the requirement that the two field lines are simple with closed circulation is equivalent to the requirement that the "flow" j of the on the plasma surface S by the arc length parameterization of the field lines in the immediate vicinity of the two closed field lines is induced, is on average not area-preserving. ·
Es wird im folgenden dargelegt, dass unter den vorstehend genannten Bedingungen die Gleichungen für das Gleichgewicht in magneto-fluid Dynamik, einen eindeutigen Lösungstyp in ..Form einer Gruppe von physikalisch realisierbaren, torusförmigen Plasmakonfigurationen haben. Diese Gruppe von physikalisch realisierbaren, torusförmigen Plasmakonfigurationen ist durch die folgenden Eigenschäften gekennzeichnet : .It is shown below that, under the above conditions, the equations for equilibrium in magneto-fluid dynamics, a unique type of solution in ..Shape of a group of physically feasible, toroidal Have plasma configurations. This group of physically realizable, toroidal plasma configurations is characterized by the following properties :.
(1) Die beiden geschlossenen magnetischen Umlauf-Feldlinien sind zwei Grenzzyklen auf der Plasmaoberfläche, von denen eine asymptotisch stabil(1) The two closed magnetic orbital field lines are two boundary cycles on the plasma surface, one of which is asymptotically stable
«09919/0892 ■ - ' '■«09919/0892 ■ - '' ■
und die andere asymptotisch instabil ist.and the other is asymptotically unstable.
(2). Der poloidale Querschnitt des Plasmas ist gekennzeichnet durch zwei Staupunkte im poloidalen Magnetfeld auf der 'Plasmaoberflache, wobei jeder Staupunkt dem poloidalen Querschnitt einer der beiden Grenzzyklen auf der Plasmaoberflache entspricht.(2). The poloidal cross-section of the plasma is characterized by two stagnation points in the poloidal magnetic field on the plasma surface, each stagnation point on the poloidal cross-section of one of the two limit cycles corresponds to the plasma surface.
(3) D&r poloidale Querschnitt ist nicht konvex.(3) D & r poloidal cross-section is not convex.
Kein bisher angewendetes Plasmaeinschlussverfahren hat diese Charakteristik der statischen strukturellen Stabilität einsehZiesslich eines' nicht inhaltstreuen Flusses in der Nachbarschaft jeder (isolierten) geschlossenen Feldlinie, da keines die Möglichkeit asymptotischer Feldlinien auf der Plasmaoberfläche benutzte ^ und insbesondere ist in den bisherigen Plasmaeinschlusseinrichtungen keine geschlossene Feldlinie isoliert. Dies steht nicht im Widerspruch zur inhaltstreuen Beschaffenheit des entsprechenden Vakuumfeldflusses, da die nächstliegenden magnetischen Vakuumflachen weder mit 2f verkettet noch, im Vakuum,, homolog zu 5Γ sind. Wie vorstehend in Zusammenhang mit Figur 3A erläutert, wurde festgestellt, dass es eine Gruppe von physikalisch realisierbaren Anordnungen für den magnetischen Einschluss von Plasmen in einem-No plasma confinement method used to date has this characteristic of static structural stability There is also a 'non-content-oriented river in the neighborhood of each (isolated) closed Field line, since none used the possibility of asymptotic field lines on the plasma surface ^ and in particular is none in the previous plasma containment facilities closed field line isolated. This does not contradict the content-accurate nature of the corresponding Vacuum field flux because the closest magnetic Vacuum areas neither linked with 2f nor, in a vacuum, are homologous to 5Γ. As above in context As explained with FIG. 3A, it was found that there is a group of physically realizable arrangements for the magnetic confinement of plasmas in a
19/063219/0632
Vakuum gibt, die aus mindestens zwei einp>arametrigen Familien verschachtelter, torusförmiger Magnetflächen, die jeweils unmittelbar mindestens einem Bereich des Plasmas benachbart sind, und einer dritte'n, ein einzelnes Element aufweisenden, magnetischen Flächenfamilie bestehen, die die Plasma/Vakuum-Grenzschicht bildet, wobei keine der ' ersten beiden Familien von Flächen homolog zur dritten Flächenfamilie ist und wobei die dritte Flächenfamilie sich gleichzeitig durch-einen Rotations-Transformationswinkel von Ö auszeichnet. Eine spezielle Gruppe von Familien verschachtelter Magnetflächen, die die Krite-· rien erfüllen, ist in Figur 3A gezeigt, in der die Familie 124 homolog zum Leiter 123 (Nichtbeachtung des Leiters 126) und die Familie 125 homolog sowohl zur Umhüllung 12 als auch zur geometrischen Vereinigung ■ der Familie 124 mit der Oberfläche des Plasmas 14 ist..Vacuum exists that consists of at least two single parametric families nested, toroidal magnetic surfaces, each directly at least one area of the plasma are adjacent, and a third, a single element having magnetic surface family exist which forms the plasma / vacuum interface, with none of the 'first two families of surfaces being homologous to the third Is face family and where the third face family is at the same time through-a rotation transformation angle distinguished by Ö. A special group of families of nested magnetic surfaces that meet the criteria rien are shown in Figure 3A, in which the family 124 is homologous to the conductor 123 (failure to observe the Ladder 126) and family 125 homologous to both cladding 12 and to the geometric union ■ of the family 124 with the surface of the plasma 14 is ..
Die in der Beschreibung verwendeten Bezeichnungen "homolog", "Vereinigung" (union) und "homotopisch" (homotopic) sind im Bereich der mathematischen Topologie allgemein bekannt. Ferner sei darauf hänger wiesen, dass die in der vorliegenden Anmeldung ver.-." wendeten Bezeichnungen "Vakuum" oder "Vakuumraum" den geomethrischen Raum bezeichnen, der das Plasma umgibt, unabhängig vom Vorhandensein oder Fehlen magnetisch permeabler.Substanzen und ausgenommenThe terms "homologous", "union" and "homotopic" used in the description (homotopic) are in the field of mathematical topology well known. Furthermore, it should be pointed out that the ver.- in the present application. " The terms "vacuum" or "vacuum space" were used to denote the geometrical space of the plasma surrounds, regardless of the presence or absence, of magnetically permeable substances and exempted
■ 4098Ί9/06 9 2 . -■ 4098Ί9 / 06 9 2. -
-3t--3t-
die elektrischen Leiter. In. diesem Raum befindet sich ein Magnetfeld, das das Plasma einschliesst, so dass dieses gemäss den Grundlagen der Erfindung strukturell stabil ist.the electrical conductors. In. In this space there is a magnetic field that encloses the plasma, so that this structurally according to the principles of the invention is stable.
Die folgenden Eigenschaften der praktischen Realisierung der Erfindung unter Berücksichtigung von deren theore-The following properties of the practical implementation of the invention, taking into account their theoretical
tischen Grundlagen ergeben sich alle aus einer technischen Betrachtung:The technical basics all result from a technical consideration:
(a) endliches Plasmavolumen(a) finite plasma volume
(b) Verbindung (connectedness) des Plasmavolumens(b) Connection (connectedness) of the plasma volume
(c) örtliche homotopische Trivialität des Plasmavolumens (insbesondere keine inneren Leiter) .(c) local homotopic triviality of plasma volume (especially no inner conductors).
(d) Verschluss der Vorrichtung(d) Closure of the device
(e) die Plasmaoberfläche ist eine kompakte, orientierbare Mehrfachfläche (manifold)(e) the plasma surface is a compact, orientable multiple surface (manifold)
(f) Nicht-Redundanz der Grenzzyklen(f) Non-redundancy of the limit cycles
(g) Axialsymmetrie (diese Einschränkung wird nur zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet)(g) Axial symmetry (this restriction is only used to simplify the description)
(h) statische strukturelle Stabilität.(h) static structural stability.
Unter diesen Voraussetzungen haben die Standardgleichungen des Gleichgewichts einen eindeutigen Lösungstyp, der sich . radikal von den bisherigen Betrachtungen auf diesem Gebiet unterscheidet. Die folgenden Ausführungen stellen wesentliche Elemente des mathematischen Rahmens fürUnder these assumptions, the standard equations have of equilibrium has a unique type of solution that is. radically different from previous considerations in this area differs. The following explanations represent essential elements of the mathematical framework for
4 01S 8 1 9 / 0 6 9 24 0 1 S 8 1 9/0 6 9 2
diesen Lösungstyp dar.this type of solution.
Es sei ζ eine Koordinate auf der Torus-Symmetrieachse und es seien (r3 Θ) Polarkoordinaten in irgendeiner Ebene durch die z-Ächse, d.h. irgendeiner poloidalen Ebene. Dann bildet (r, 0, z) ein Standardsystem von Zylinderkkoordinaten, und der Vektor B in diesem Koordinatensystem hat die Komponenten (B. B^, "B), Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann das Vakuumfeld durch willkürliche Konstanten c und ρ sowie eine skaläre, magne^ (ra χ) bezeichnet werden, Let ζ be a coordinate on the torus symmetry axis and let (r 3 Θ) be polar coordinates in any plane through the z-axis, ie any poloidal plane. Then (r, 0, z) forms a standard system of cylindrical coordinates, and the vector B in this coordinate system has the components (B. B ^, "B) , magne ^ (r a χ),
Die Punktion "ψ ist allgemein bekannt ebenso wie die Tatsache, dass ihr Gradient Vf zwangsläufig senkrecht. .zur Qberflache 3 steht» Die Konstante c wird durch den Strom in den äusseren, polOidalen Leitern (oder äquivalent entlang der z-Achse) bestimmt. Die Konstante ρ bezeichnet den Gleichgewichts-Plasmafluiddruck.The puncture " is well known, as is the fact that its gradient Vf is necessarily perpendicular to the surface 3 " The constant c is determined by the current in the outer, polOidal conductors (or equivalently along the z-axis) The constant ρ denotes the equilibrium plasma fluid pressure.
Die Konstante c -bestimmt das torusförmige Magnetfeld vollständig. Das poloidale Feld ist eindeutiß durch die Konstante ρ und die Punktion *Ψ -bestimmt. Wie; jedoch im folgenden gezeict werden wird, ist Ύ* eindeutig durch* die Wahl von e, ρ und die Geometrie von Z bestimmtThe constant c -determines the toroidal magnetic field completely. The poloidal field is unambiguously determined by the constant ρ and the puncture * Ψ . As; however, as will be shown in the following, Ύ * is uniquely determined by * the choice of e, ρ and the geometry of Z.
4 0 0819/06ta4 0 0819 / 06ta
-3fr---3fr--
Nachdem s"omit c und ρ einmal festgelegt sind, ist das Vakuumfeld allein durch die Wahl der Geometrie yon S" eindeutig bestimmt.Once s "omit c and ρ have been determined, that is Vacuum field solely through the choice of the geometry of S " clearly determined.
> Diesen Zustand erläutern die Figuren hA und JJB, in denen 14 den topologisehen Torus, der das Plasmavolumen darstellt, und 2* die Oberfläche des Plasmavolumens bezeichnet. Der pöloidale. Querschnitt dieses Torus ist l4l, und Γ bezeichnet den poloidalen Querschnitt der Fläche i» und ist die Kurve Γ: ^(r, z) - O. (8) > Figures hA and JJB explain this state, in which 14 denotes the topological torus, which represents the plasma volume, and 2 * denotes the surface of the plasma volume. The spoiled one. Cross-section of this torus is l4l, and Γ denotes the poloidal cross-section of the surface i »and is the curve Γ: ^ (r, z) - O. (8)
Auf X ist der Druckgleichgewichtszustand:On X is the pressure equilibrium state:
J2 -2,.P0*2 - c2. . (9)J2 -2, .P 0 * 2 - c 2 . . (9)
V*V *
Es ergibt sich deutlich, dass für ein ausreichend kleines r die rechte Seite der Gleichung (9) "C O3 während die linke Seite "immer ^O ist. Es gibt somit ein Minimum von r, nämlich r , das die Gleichung (9) erfüllt, d.h. es gibt ein Minimum von r, r ,bei dem eine physikalisch reale Lösung existiert.'Wie in den Figuren ^}A, 4B und 5 gezeigt, muss somit das Plasmavolumen immer links von der senkrechten Linie r = r liegen. Der kritische Radius r ist gegeben durch !„Ι '' ' f\n\ It can be clearly seen that for a sufficiently small r the right side of equation (9) "CO 3 while the left side" is always ^ O. There is thus a minimum of r, namely r, which satisfies equation (9), ie there is a minimum of r, r for which a physically real solution exists. As shown in FIGS , the plasma volume must therefore always be to the left of the vertical line r = r. The critical radius r is given by! "Ι "'' f \ n \
und die Grenzbedingung, die zusammen mit Gleichung (8) n eine Lösung der Stokeschen. Gleichung auf dem Äusserenand the boundary condition which, together with equation (8) n, is a solution of Stokes'. Equation on the exterior
409819/0692409819/0692
3Γ- ■; ■■·..■ ..3Γ- ■; ■■ · .. ■ ..
von / bestimmt, istdetermined by / is
= + I vf I = π- c /if . -1 * _ ι ι JVC} = + I vf I = π- c / if. -1 * _ ι ι JVC}
Falls /vollständig links von r liegt, muss eine Vorzeichenwahl in Gleichung (11) erfolgen, da 'ί)/γ.'-/'S nnirgends auf Λ verschwinden kann. Dies impliziert, dass das Vektorfeld auf Σ zwangsläufig- immer einen Rotations-Transformationswinkel ungleich O hat, wodurch die Voraussetzung (ä) der strukturellen Stabilitätskriterien gemäss der Erfindung verletzt wird.If / lies completely to the left of r, a sign must be selected in equation (11), since 'ί) / γ. '- /' S cannot disappear anywhere on Λ. This implies that the vector field on Σ inevitably always has a rotation transformation angle not equal to 0, as a result of which the prerequisite (a) of the structural stability criteria according to the invention is violated.
Falls im übrigen, wie in Figur 93 Λ als die Grenze C eines willkürlich konvexen Körpers gewählt wird, der r an gerade einem Punkt, 18, berührt,- dann ergibt sich aus Gleichung (11), dass das poloidale Feld an dieser Stelle einen Staupunkt haben· muss, da überall dort, wo / r berührt,If, moreover, as in FIG. 9 3 is chosen as the limit C of an arbitrarily convex body which touches r at just one point, 18, then it follows from equation (11) that the poloidal field at this point has a Must have stagnation point, wherever it touches
ein Staupunkt vorhanden ist. Der Punkt 18 muss eine · elliptische Singularität sein, wenn man das Vorhandensein eines festen Leiters an dieser Stelle voraussetzt, und falls das Plasma einen äusseren Leiter bei l8.berühren sollte, würde dies die für gesteuerte Fusions-reaktionen erforderliche Wärmeisolierung zerstören. Indem man jedoch rechts und links von /einander entgegengesetzt gerichtete Stromflächen erzeugt, und indem man die Quadratwurzel in Crleichunc (11) an einem Punkt, v/o / r 'berührt, das Vorzeichen ändern läspt, kannthere is a stagnation point. Point 18 must be a be an elliptical singularity if one assumes the presence of a solid conductor at this point, and if the plasma were to touch an outer conductor at 18, this would be the one for controlled fusion reactions destroy required thermal insulation. However, by looking to the right and left of / opposite each other generated directed current surfaces, and by taking the square root in Crleichunc (11) at a point v / o / r 'touches, lets change the sign, can
Ii 0.3 8 1 9/0-692Ii 0.3 8 1 9 / 0-692
man die Forderung eines Rotations-Transformationswinkels von 0 durch Umwandlung der elliptischen Singularität in eine hyperbolische erfüllen. Es ist klar, dass dann ein · zweiter Berührungspunkt mit r , der einen nichtkonvexen, poloidalen Querschnitt voraussetzt, eine erneute Änderung des Vorzeichens auf den ursprünglichen Wert ermöglicht, was für die Gleichung (11) erforderlich ist, damit O *γ /Qn keine Diskontinuitäten auf Γ hat. Anderenfalls hätte die Stokesche Gleichung keine physikalisch realisierbare Lösung. Der sich ergebende nierenförmige oder nicht konvexe poloidale Querschnitt 1^1 (Figuren 4a, *!B) ist zusammen mit dem zugehörigen Magnetfeld nicht nur eine Folge der Wahl eines nicht konvexen, poloidalen Plasmaquerschnittes 141, sondern auch der Wahl einander entge-. gengesetzt gerichteter, torusförmiger Stromflächen, was eine Vorzeichenänderung von Ο'ψίΦη ermöglicht, wie dies an den Punkten H und 5 in Figur 4B angedeutet ist.one fulfills the requirement of a rotation transformation angle of 0 by converting the elliptic singularity into a hyperbolic one. It is clear that a second point of contact with r, which requires a non-convex, poloidal cross-section, enables the sign to be changed again to the original value, which is required for equation (11) so that O * γ / Qn no discontinuities on Γ has. Otherwise Stoke's equation would not have a physically feasible solution. The resulting kidney-shaped or non-convex poloidal cross-section 1 ^ 1 (FIGS. 4a, *! B), together with the associated magnetic field, is not only a consequence of the choice of a non-convex, poloidal plasma cross-section 141, but also the choice of mutually opposite. oppositely directed, toroidal flow surfaces, which enables a change in sign of Ο'ψίΦη , as is indicated at points H and 5 in FIG. 4B.
Indem man / als nicht konvexe Form wählt, die die Linie r = r an zwei Punkten, 4 "und 5, berührt, wird die Forderung zweier Grenzzyklen auf ^ erfüllt. Da bei H und 5 r = rc ist ergibt sich aus Gleichung (11) /^7V/ = O und damit B=B=O. Die einzige bei H und 5 vorhandene Magnetfeldkomponente ist somit torus*förmig (azimutal) und die beiden Feldlinien Vj und 16 (Figur-.3B), die durch den Punkt H bzw. 5 verlaufen, sind Kreise auf 2* parallelBy choosing / as the non-convex shape that touches the line r = r at two points, 4 "and 5, the requirement of two limit cycles on ^ is met. Since at H and 5 r = r c results from equation ( 11) / ^ 7 V / = O and B = B = the only at H and 5 existing magnetic field component is O. thus torus *-shaped (in azimuth) and the two field lines Vj and 16 (FIG-.3B) defined by the Point H or 5 run, circles are parallel on 2 *
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zur Γθ-Ebene mit Mittelpunkten auf der z-Achse. Auf dem Segment 1I/6/5 auf Γ kann Q1Y1-0 η > O und auf dem Segment 4/7/5 'w ' /wn^O (oder umgekehrt) angenommen werden.to the Γθ-plane with centers on the z-axis. On segment 1 I / 6/5 on Γ , Q 1 Y1-0 η> O and on segment 4/7/5 'w' / wn ^ O (or vice versa) can be assumed.
Die postulierte Diskontinuität der Normalen von B über 2? \irird durch Oberflächenströme auf 2> erreicht. Diese Ströme in zwei Bereichen auf %" , die durch die beiden Grenzzyklen gemäss der Linien 15 und 16 in Figur 3B definiert sindj sind entgegengesetzt gerichtet. In dem redundanten Fall von N> 2 Grenzzjiklen ergeben sich N/2 Paare geschlossener magnetischer Feldlinien, die die Plasmaoberfläche in N benachbarte Torusbereiche oder N/2 Paare von benachbarten Torusbereichen teilen. •Entsprechend hat der nicht konvexe, poloidale Querschnitt einer derartigen Fläche N poloidale Staupunkte entsprechend der Anzahl und geometrischen Lage der N-Grenzzyklen. In Figur 5 sind beispielsweise N=. H Staupunkte dargestellt. Daher sind N torusförmige Stromflächen vorhandenj jeweils eine an jedem der N benachbarten Torusbereiche, wobei jede Stromfläche entgegengesetzt zu den Stromflächen der beiden unmittelbar benachbarten Torushereiche ist. .The postulated discontinuity of the normals of B over 2? \ iris achieved by surface currents on 2> . These currents in two areas on % " , which are defined by the two limit cycles according to lines 15 and 16 in FIG. 3B, are directed in opposite directions Divide the plasma surface into N neighboring torus areas or N / 2 pairs of neighboring torus areas. Correspondingly, the non-convex, poloidal cross-section of such a surface has N poloidal congestion points corresponding to the number and geometric position of the N limit cycles. In Figure 5, for example, N =. H Therefore, there are N toroidal flow areas, one at each of the N adjacent torus regions, each flow area being opposite to the flow areas of the two immediately adjacent torus regions.
Die Kurve 20 .in Figur 4B ist eine ""Slussflache", d.h. eine Fläche j = konstant. Annähernd auf eine derartige Fläche gebrachte torusföri'iige Ströme erzeugen zusammenThe curve 20 in FIG. 4B is a “slus surface”, ie an area j = constant. Toroidal currents brought together approximately on such a surface produce together
mit induzierten torusförmigen Plasma-Oberflächenströmen das poloidale Vakuumfeld. Ausserdem werden einander entgegengesetzt gerichtete torusförmige Ströme an jedem der Punkte 8 (im folgenden wird gezeigt werden, dass diese Punkte auf einem Zweigschnitt liegen) benötigt. Gegebenenfalls kann jedoch der Strom an den Punkten 8 durch eine Familie torusförmiger Ströme ersetzt werden, die etwa auf einer der nächsten Plussflächen, etwa 9, liegen, die den äussersten der Punkte 8 umgibt. Ausserhalb der durch axiale Drehung der Kurve 20 erzeugten Fläche erzeugen starke poloidale Ströme (nicht gezeigt) zusammen mit induzierten poloidalen Oberflächenströmen ~ das torusförmige Magnetfeld im Vakuum.with induced toroidal plasma surface currents the poloidal vacuum field. In addition, oppositely directed toroidal currents are required at each of the points 8 (in the following it will be shown that these points lie on a branch section). If necessary, however, the current at the points 8 can be replaced by a family of toroidal currents which lie approximately on one of the next plus surfaces, approximately 9 , which surrounds the outermost of the points 8. Outside the area generated by the axial rotation of the curve 20, strong poloidal currents (not shown) together with induced poloidal surface currents generate the toroidal magnetic field in a vacuum.
Die Existenz einer.analytischen Lösung der Stokeschen Gleichung in der Nachbarschaft von wird durch das Cauchy-Kovalevskische Theorem bewiesen, vorausgesetzt, dass / eine analytische Kurve ist und dass ^dj I^ η auf Γ analytisch ist. Letzteres bildet die Grundlage der physikalischen Realisierbarkeit der Erfindung.The existence of an analytical solution of Stokes equation in the neighborhood of is proved by the Cauchy-Kovalevsk theorem, provided that / is an analytic curve and that ^ dj I ^ η on Γ is analytic. The latter forms the basis of the physical feasibility of the invention.
Zur Vereinfachung der Berechnung sei angenommen, dass / die Form einer Pascalsehen Schnecke hat3 obwohl dies nicht zu einer optimalen Konfiguration führen kann., da der resultierende Zweisschnitt 8 unbequem nahe am Plasma •liegt, Eine andere Möglichkeit besteht darin, 'To simplify the calculation it is assumed that / has the shape of a Pascal see screw 3 although this may not lead to an optimal configuration, since the resulting two-cut 8 is inconveniently close to the plasma • Another possibility is to '
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als bananenförmige Kurve zu wählen, wie dies in Figur β dargestellt ist. Dies kann durch Verwendung von "capcyclide"-Koordinaten erfolgen. In diesem Fall stellt man zwei mögliche Singularitäten, wie etwa bei Sl und 62 fest. Für den vorliegenden Fall, nämlich des Plasmaeinschlusses, ergibt sich jedoch kein wesentlicher Un- · terschied zwischen den Formen von f gemäss Figuren kB und 6.to be chosen as a banana-shaped curve, as shown in Figure β. This can be done using "capcyclide" coordinates. In this case there are two possible singularities, such as S1 and 62. For the present case, namely the plasma inclusion, there is, however, no essential difference between the forms of f according to FIGS. KB and 6.
Um die "Einfachheit" der Grenzzykien durch k und 5 gemäss Figur 3B zu bestätigen (wie dies für die strukturelle Stabilität gefordert ist) kann man die Lösung für das Magnetfeld in der Nachbarschaft jedes Grenzzyklus durch ■eine Entwicklung von B und / in Potenzreihen darstellen, die nahe dem Grenzzyklus konvergieren.In order to confirm the "simplicity" of the limit cycles through k and 5 according to FIG. 3B (as is required for structural stability), the solution for the magnetic field in the vicinity of each limit cycle can be represented by ■ an expansion of B and / in power series, which converge near the limit cycle.
Die vorstehenden Ausführungen sind grundsätzliche Betrachtungen für den Nachweis des Vorhandenseins und der Eindeutigkeit einer-Lösung, die die letztgenannten Forderunge'n (a, b, c, d, e, f, g, h) erfüllt. Wird die Bedingung (f) der Nichtredundanz fallengelassen, dann sind Lösungen der in Figur 5 gezeigten'Art möglich, bei denen die Anzahl der Grenzzyklen und damit die Staupunkte, um ein Vielfaches von 2 erhöht ist. *The above statements are fundamental considerations for the proof of the existence and the uniqueness of a solution that meets the latter requirements (a, b, c, d, e, f, g, h) fulfilled. Will the condition (f) the non-redundancy dropped, then solutions of the kind shown in Figure 5 are possible in which the number of limit cycles and thus the stagnation points is increased by a multiple of 2. *
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- te -- te -
Es sei darauf hingewiesen, dass das Vakuumvolumen mindestens "dreifachverbunden" ist, d.h. es gibt in den Volumen mindestens drei unabhängige, nicht homologe geometrische Zyklen einschliesslich einem, der homotopisch zu einem Punkt ist. Diese Zyklen sind beispielsweise 1H in Figur hk, ι und 42 in Figur 4B. Somit setzen die Bedingungen (a, b, c, d, e) und (g, h) eine Plasmakonfiguration voraus, die ein topologischer Torus ist, die axialsymmetrisch zu einem nichtkonvexen, poloidalen Querschnitt ist und die mit dem zugehörigen Vakuumvolumen mindestens dreifach verbunden ist (falls nicht Dipole verwendet werden^ wie dies in Figur 2B gezeigt ist).It should be noted that the vacuum volume is at least "triple-connected", that is, there are at least three independent, non-homologous geometric cycles in the volumes including one that is homotopic to a point. These cycles are, for example, 1 H in Figure hk, ι and 42 in Figure 4B. Thus, the conditions (a, b, c, d, e) and (g, h) assume a plasma configuration, which is a topological torus, which is axially symmetrical to a non-convex, poloidal cross-section and which is connected at least three times to the associated vacuum volume (if dipoles are not used, as shown in Figure 2B).
■Bei Verwendung der auf diesem Fachgebiet üblichen Terminologie, nach der ein "Tokomak" als ein Torusplasmamonopol mit niedrigem Beta und ein "GuIf Energy and Environmental Systems Doublet" als ein Torusplasmamonopoldublet mit niedrigem Beta bezeichnet wird (vergleiche "The Tokomak Approach in Fusion Research", Coppi und Rem, 227 Scientific American 65 (1972)), kann man die bevorzugte Form der Erfindung als Torusplasmadipol mit hohem (high-beta toroidal plasma dipole) bezeichnen.■ When using the terminology customary in this field, after the a "Tokomak" as a toroidal plasma monopoly with low beta and a "GuIf Energy and Environmental Systems Doublet "is referred to as a low beta torus plasma monopoly doublet (see" The Tokomak Approach in Fusion Research ", Coppi and Rem, 227 Scientific American 65 (1972)), one can choose the preferred one Designate the form of the invention as high-beta toroidal plasma dipole.
Es sei nun die dynamische struktureile Stabilität oder äquivalent dazu die (dynar-isehe) asymptotische'Stabilität des Plasma-Pseudogleichcev.'ichts der fünf Grossen elektrischer spezifischer Widerstand, Wärmeleitung, Kompressi-Let it now be the dynamic structural stability or, equivalent to it, the (dynar-isehe) asymptotic 'stability of the plasma pseudo-equivalency, not the five great electrical ones specific resistance, heat conduction, compressive
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bilität, Viskosität undMaxwellscher Verschiebungsstrom (Folge der endlichen und nicht unendlichen Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen) gleichzeitig be- _ -. trachtet, während bisher immer nur eine oder wenige dieser Grossen gleichzeitig betrachtet wurden. Die Reduktion der elf gleichzeitigen partiellen Differentialgleichungen der ENTPD (elektromagnetisch-thermofluidischdynamisch)-Wellenbewegung zu einer einfachen, statischen skalaren Gleichung, nämlich der Helmholtzschen Gleichung für die geometrischen Formen der stehenden Schallwellen,' plus einer polynomischen Dispersionsbeziehung 7· Grades . , für die komplexen Frequenzen der normalen Vibrationszustände des Plasmas machen die physikalische Natur der •makroskopischen Schwingungen des Plasmas verständlich. (Ein spezieller Fall der vorstehenden Analyse ergibt' sich aus der Determinante der simultanen, homogenen linearen Gleichungen (2.60) und' (2.6l) von R. J. Tayler in "Plasma Waves And Oscillations" .aus Physics of Hot Plasmas, S. 113» herausgegeben 1970 von Rye und Taylor,,, Oliver .und Boyd). Im Inneren des Plasmas gibt es grundsätzlich vier Arten von dreidimensionalen Wellen, nämlich (i) Entropiewellen ' .bility, viscosity and Maxwell's displacement current (consequence of the finite and not infinite speed of the electromagnetic waves) simultaneously be _ -. endeavors, while so far only one or a few of these greats have been considered at the same time. The reduction of the eleven simultaneous partial differential equations of the ENTPD (electromagnetic-thermofluidic-dynamic) wave motion to a simple, static scalar equation, namely the Helmholtz equation for the geometric shapes of the standing sound waves, plus a polynomial dispersion relationship of 7 degrees. , for the complex frequencies of the normal vibration states of the plasma make the physical nature of the • macroscopic vibrations of the plasma understandable. (A special case of the above analysis results 'from the determinant of the simultaneous, homogeneous linear equations (2.60) and' (2.6l) by RJ Tayler in "Plasma Waves And Oscillations". Edited from Physics of Hot Plasmas , p. 113 » 1970 by Rye and Taylor ,,, Oliver. And Boyd). There are basically four types of three-dimensional waves inside the plasma, namely (i) Entropy waves.
(ii.) "langsame" magnetoakustische Wellen (iii) "schnelle" magneto'akustische Wellen (iv) elektro-r.ar-'netoakustische Wellen.(ii.) "slow" magnetoacoustic waves (iii) "fast" magnetoacoustic waves (iv) electro-r.ar-netoacoustic waves.
Die -VJeIlen (ii) und (iii) sind modifizierte Schallwellen und modifizierte Alfven-Uellen oder umgekehrt (abhängigThe -VJeIlen (ii) and (iii) are modified sound waves and modified Alfven-Uellen or vice versa (depending on
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davon, welche langsamer ist) während die Wellen (iv) modifizierte elektro-magnetische Wellen sind. Eine neue Folgerung aus dieser Analyse besteht darin, dass von den bisher betrachteten Verfahren zum Säuleneinschluss von schlauchförmigen Plasmen nur diejenigen dynamische strukturelle Stabilität besitzen, die in die Kategorie der "unendlich langen" (d.h. mit offenen Enden) Theta-Pinche (d.h. Rotationstransformation von Null) fallen. Ein anderes Ergebnis (Figuren 7 und 8) besteht darin, dass es leichter ist, für hohe Beta (nahe /j - 1) als für niedrige. Beta (nahe /3 =0) dynamische strukturelle Stabi- ' lität zu erzielen. Insbesondere ergeben die nachfolgende Analyse und die Diagramme gemäss Figuren 7 und 8, dass ■idealisierte "Energiegrundlagen"-Berechnungen, bei denen vier der vorstehend genannten physikalischen Wirkungen nicht berücksichtigt wurden, nur für dynamische Instabilität bei hohem Beta zu physikalisch zuverlässigen Ergebnissen führen. Somit kann das von Teller angegebene geometrische Kriterium für die dynamische Instabilität von diamagnetischen Plasmen benutzt werden. Eine Anwendung dieses Kriteriums in der von Pfirsch & Wobeg angegebenen Art (vergl. Pfirsch & Wobeg, " Proceedings, Culham Conference on Nuclear Fusion", Vol. I, 1966, Seite 757), zeigt, dass Austausch- oder globale «Rinneninstabilitäten (flute instabilities) nicht auftreten können, da die vorliegende Konfiguration in passenden Sinne eines "minimalen, durchschnittlichem B" einen optimalen,of which is slower) while the waves (iv) are modified electromagnetic waves. A new conclusion from this analysis is that of the methods for column confinement of tubular plasmas considered so far, only those which fall into the category of "infinitely long" (ie with open ends) theta pinches (ie rotational transformation of zero ) fall. Another result (Figures 7 and 8) is that it is easier for high beta (near / j- 1) than for low. Beta (close to / 3 = 0) to achieve dynamic structural stability. In particular, the following analysis and the diagrams according to FIGS. 7 and 8 show that idealized "energy basis" calculations, in which four of the aforementioned physical effects were not taken into account, only lead to physically reliable results for dynamic instability at high beta. Thus the geometrical criterion given by Teller can be used for the dynamic instability of diamagnetic plasmas. An application of this criterion in the manner indicated by Pfirsch & Wobeg (cf. Pfirsch & Wobeg, "Proceedings, Culham Conference on Nuclear Fusion", Vol. I, 1966, page 757) shows that exchange or global «channel instabilities (flute instabilities) can not occur, since the present configuration in the appropriate sense of a "minimum, average B" an optimal,
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torusförmigen "magnetischen Wall" darstellt. Offenbar hat der äussere Bereich der Plasmaoberflache (zwischen den Punkten ^3 und hk in Figur ^B) eine ungünstige Krümmung und kann daher beispielsweise zu örtlichen Wellegkeitsinstabilitäten der als "örtlichen Rinneninstabilitäten" (Pfirsch & Wobeg, "Proceedings, Culhain Conference on Nuclear Fusion", Vol. I, 1966, Seite 757) bekannten Art führen. Derartige Instabilitäten nehmen zu, bis die in ihren Analysen angenommene Linearisierbarkeit nicht mehr gilt, sondern ein Anstieg bis zum Unendlichen erfolgt. Das unendliche Wachsen derartiger Instabilitäten , lässt sich wirksam in mindestens zwei unabhängigen Weisen unterdrücken:represents toroidal "magnetic wall". Apparently the outer area of the plasma surface (between points ^ 3 and hk in Figure ^ B) has an unfavorable curvature and can therefore, for example, lead to local wave instabilities known as "local channel instabilities" (Pfirsch & Wobeg, "Proceedings, Culhain Conference on Nuclear Fusion" , Vol. I, 1966, page 757) known type. Such instabilities increase until the linearizability assumed in their analyzes no longer applies, but increases to infinity. The infinite growth of such instabilities can be effectively suppressed in at least two independent ways:
(i) durch Wahl eines ausreichend grossen(i) by choosing a sufficiently large one
Torus-Seitenverhältnisses, d.h. des - Verhältnisses von grösstem .zu kleinstem Torusradius, unterdrückt.die äquivalente Oberflächenspannung, die durch die Linienbindung und die endlichen Larmor-Radiuswirkungen erzeugt werden, die Instabilitäten; (ii) durch automatische Rückkopplungsstabilisierung. Bisher wurde die Rückkopplungsstabilisierung nur überzeugend für gewisse Einrichtungen mit offenen Enden (lineare Theta-Pinche und ruhige oder "Q-Masehinen^-Mägnetspiegeleinrichtungen). gezeigt, die statische strukturelle Stabilität zu haben scheinen Dies ist nicht überraschend, da die statische strukturelle Stabilität der Flasmakonfiguration in den technischenTorus aspect ratio, i.e. the ratio of the largest to the smallest Torus radius, suppressed. The equivalent Surface tension caused by the line binding and the finite Larmor radius effects generated instabilities; (ii) through automatic feedback stabilization. So far, feedback stabilization has only been convincing for certain open ended devices (linear theta pinches and quiet or "Q-Masehinen ^" magnetic mirror devices). shown to have static structural stability. This is not surprising given the static structural stability Stability of the plasma configuration in the technical
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Systemen für die als Identifizierbarkeit bezeichnete Eigenschaft erforderlich ist, die wiederum für den rationalen Aufbau der Rückkopplungs-Stabilitätsvergrösserung oder der Stabilisationssysteme erforderlich ist.Systems for the property known as identifiability is required, which in turn for the rational structure of the feedback stability enlargement or the Stabilization systems is required.
Für gewöhnliche, lineare elektromagnetische Systeme mit einer endlichen Anzahl von Freiheitsgraden ist statische strukturelle Stabilität äquivalent der Forderung, dass es keine wiederholten (oder "degenerierten") komplexen Frequenzen gibt und dass keine der komplexen Frequenzen einen verschwindenden Realteil hat, während dynamische, asymptotische strukturelle Stabilität äquivalent der Forderung ist, dass alle komplexen Frequenzen negative Realteile haben müssen. Die gleichzeitige Anwendung dieser beiden (logisch unabhängigen) Forderungen beschränkt die Berücksichtigung auf eine Klasse von Systemen, die sich ausreichend "gut verhalten", um den üblichen technischen Verfahren zugänglich zu sein. Ein ziemlich allgemeines Verfahren zum Entwurf eines Rüokkopplungs-Steuersystems, das für die vorliegende Plasma-Konfiguration anwendbar ist, ist beispielsweise in "Magnetic Feedback Stabilization in A Tokomak" von Yu.'P. Ladikov und Yu. I. Samoilenko, Zuhrnal Technicheskoi Fiziki, Vol. 42, Nr, 10, S. 2062-2073, Oktober 1972 (englische übersetzung in Soviet Physics - Technical Physics, Vol. 17, Hr. 10, S. 161*1-1650, April 1973) beschrieben. Eine ähnliche BetrucJaur,^ für nichtlineare Systeme mit unendlich vielen Freiheitsgraden wird in den Grundlagen der Erfindung angewendet· 4 η q Q 19/0692 For ordinary, linear electromagnetic systems with a finite number of degrees of freedom, static structural stability is equivalent to the requirement that there are no repeated (or "degenerate") complex frequencies and that none of the complex frequencies have a vanishing real part, while dynamic, asymptotic structural stability equivalent to the requirement that all complex frequencies must have negative real parts. The simultaneous application of these two (logically independent) requirements limits the consideration to a class of systems that "behave well" enough to be accessible to the usual technical processes. A fairly general method of designing a feedback control system applicable to the present plasma configuration is, for example, in "Magnetic Feedback Stabilization in A Tokomak" by Yu.'P. Ladikov and Yu. I. Samoilenko, Zuhrnal Technicheskoi Fiziki, Vol. 42, No. 10, pp. 2062-2073, October 1972 (English translation in Soviet Physics - Technical Physics, Vol. 17, Hr. 10, pp. 161 * 1-1650, April 1973). A similar conception for non-linear systems with an infinite number of degrees of freedom is used in the principles of the invention. 4 η q Q 19/0692
Das Verfahren zur Berechnung der äusseren Ströme, die gemäss der Erfindung benötigt werden, ist ein numerisches Standardproblem auf dem Gebiet der Lösung von elliptischen, partiellen Differentialgleichungen, wozu beispielsweise auf den Abschnitt "Toroidal Equilibra With Scalar Pressure" im Kapitel über Computational Problems von J. Kileen, S. 231, 232 aus Physics of Hot Plasmas, herausgegeben 1970 von Rye und Taylor, Oliver und Boyd, verwiesen wird. Tatsächlich ergibt sich durch Einsetzen der Gleichungen (7) in die Vakuum-Magnetfeldgleiehungen The method for calculating the external currents that are required according to the invention is a standard numerical problem in the field of solving elliptical, partial differential equations, for which, for example, refer to the section "Toroidal Equilibra With Scalar Pressure" in the chapter on Computational Problems by J. Kileen, pp. 231, 232 of Physics of Hot Plasmas , edited 1970 by Rye and Taylor, Oliver and Boyd. Indeed, by substituting equations (7) in the vacuum magnetic field equations
die bekannte Stokesche Gleichung:the well-known Stoke equation:
~5~p- ~~"IF ä~F" ~*~ Z=Z*- " ' ■ ' ~ 5 ~ p- ~~ "IF ä ~ F" ~ * ~ Z = Z * - "'■'
die ausserhalb von Γ mit den Gauchyschen Daten (8) und (11) in der vorstehend beschriebenen Vfeise und wie in Figur 13 dargestellt gelöst wird. Die speziellen numerischen Beispiele gemäss Fig. 10, 11 und 12 wurden durch Anwendung einer Standard-Fünfpunkt-Differenz-Gleichungsannäherung der Gleichungen (8), (11) und (13) errechnet. 'which is solved outside of Γ with Gauchy's data (8) and (11) in the method described above and as shown in FIG. The specific numerical examples shown in Figures 10, 11 and 12 were calculated using a standard five point difference equation approximation of equations (8), (11) and (13). '
Die Fig. 10, 11 und 12 stellen maßstabsgezogene Wiedergaben" der v/irklich errechneten Kurven dar und" sind nach Festlegung eines Koordinatensystems-al« numerische Daten zum Aufbau eines speziellen Ausführungsboispiels der .Erfindung geeignet.Figures 10, 11 and 12 are drawn to scale representations of "the actually calculated curves and" are as determined of a coordinate system-al «numerical data for the construction of a special embodiment of the invention suitable.
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Obwohl die Erfindung vorstehend in Zusammenhang mit speziellen Ausführungsbeispielen und speziellen Anwendungen beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt, sondern es sind verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, die alle unter die Erfindung fallen.Although the invention has been described above in connection with specific exemplary embodiments and specific applications has been described, it is not limited to these, but various changes and modifications are made possible, all of which fall under the invention.
Die verwendeten Bezeichnungen und Ausdrücke dienten zur Beschreibung und bedeuten keine Einschränkung, insbesondere sollten hierdurch keine äquivalenten Merkmale ausgeschlossen werden. ' .The terms and expressions used were used for description and do not mean any restriction, in particular this should not exclude any equivalent characteristics. '.
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