DE2353285A1 - Kuehlvorrichtung fuer einen fusionsreaktor - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

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BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 , 8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 4β

BERLIN: DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY

Europäische Atoingenminschaft

(EURATOM) Berlin, den 22„ Oktober 1973

Kühlvorrichtung für einen Fusionsreaktor

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Fusionsreaktor, insbesondere für einen Fusionsreaktor mit magnetischer Einschließung eines Plasmas und unter Verwendung einer Lithium-Erutzone.

Diese Kühlvorrichtung kann für einen Fusionsreaktor angewendet werden , der entweder eine ringförmige oder geradlinige Gestaltung aufweist.

Es ist bei Fusionsreaktoren dieser Art bekannt, daß der Plasma-Hohlraum durch eine ringförmige Kammer umschlossen wird, die flüssiges Lithium enthält und die Hauptfunktion hat, die kinetische Energie der Neutronen in Wärmeenergie umzuwandeln und überschweren Wasserstoff in einem größeren Maße als beim Fusionsprozeß verbraucht wird, zu erzeugen_e

Diese Brutzone ist dabei wiederum von einer anderen ring-förmigcn Kammerj in welcher der Graphitabsorber enthalten ist, und von einer weiteren Moderator- und Strahlenschutzzone in den mehr nach außen hin liegenden Lagen umschlossen*

BERLIN: TELEFON (O3O) 8 31 2Ο8Θ MÜNCHEN: TELEFON (O811) 22 85 88 KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84037 KABEIU: PROPlNDUS · TELEX OS 3«24*

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Bis jetzt ist keine befriedigende Lösung für das Hauptproblem der Kühlung der Brutzonen und der Rückgewinnung des überschweren Wasserstoffs gefunden worden«,

Es ist bereits eine Ausführung bekannt, bei der die Kühlung der Brutzone durch den umlauf von Lithium in radialen, modulieren Zellen erreicht wird«, Hierbei sind jedoch nach außen angeordnete Wärmetauscher erforderlich und es treten dabei Schwierigkeiten auf, einen direkten Kreisumlauf des Gases in der Turbine zu erreichen«,

Es muß außerdem die Rückgewinnung des überschweren Wasserstoffs außerhalb des Systems bewirkt werden. Ferner ist der Kühlwirkungsgrad eingeschränkt und es treten hohe Kraftverluste durch das Pumpen des Litbitims im magnetischen Feld auf«

Bei einer weiteren bekannten. Aissftilsrang wird die Kühlung der Lithium—Brutzone darcb den UmlaiEf des Heliums mittels von Bündeln vob in die Lithiuiu-Brutzone eingetauchter Kanäle erzielt, wodurch zwar ein direkter Kreisuialauf des Gases in der Turbine erreicht wird, jedoch aoeis die Schwierigkeit verbleibt, den überschweren Wasserstoff abzuscheiden und wieder zurückzugewinnen. Darüber hinaus können durch eventuelles Lecken eines Helium enthaltenden: Kanals innerhalb des Lithiums ernsthafte Gefahren für die Brutzone hervorgerufen werden«, Es ist auch eine weitere Ausführung bekannt, bei der die Kühlung der Lithium-Brutzone durch den Kreislauf des Lithiums selbst in einem Satz paralleler Kanäle erreicht wird, die einge Hohlräume zwischen zwei anliegenden Kanälen abgrenzen, die als Wärmekanäle benutzt; werden, um den Kühl wirkungsgrad der mehr an der Außenseite befindlichen Lithiumkanäle zu verbessern und um den überschweren Wasserstoff durch Diffusion des Wasserstoffgases durch die Metallwände der Kanäle selbst, zurückzugewinnen.

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Diese Ausführung leans jedioeia. einmal nicht verbind ern₉ daß die Wärmet au scher, außerhalb ies Eeakto.-rs angeordnet werden müssen und zum anderen köimeii die Xraftverluste hinsichtlich des Pumpens Ton Lithium im magnetischem Feld nicht !beseitigt oder vermindert werden«,

Die innere Auskleidung der Holilräuiae durch einen kapillar== förmigen Docht weist aiaßeräea eine sehr komplizierte Form auf 5, wodurch ernsthafte_s praktische .und technische Schwierig= keiten auftauchen anä die gesamte Kühlvorrichtung nicht sehr zuverlässig arbeitete

Der Erfindung liegt äie Aafgalse zugrunde₉ unter Vermeidung der vorgenannten' Nachteile eine betriebssichere Kühlvorricli= tung zu schaffenj, die einen hoben Kühl wirkungsgrad' sowie die Rückgewinnung öes übe.rschsiejreii Wasserstoffs mit einfachen Mitteln gewährleistet_o

Diese Aufgabe wird -erfindhiaisgsgemäß gelöst durch innere und äußere konzentrische^ ringfönaige Kammern₉ einer dia KamiaerM trennenden festen Zsiisetieiawasiö_s wotoei die innere Kammer Lithium und die äußere Kammer ein M@iai;ronen=>Moderatormaterial enthält und .eine Vielzahl von in deis Kammern radial angeordneter und durch die feste Zwischenwand hindurchgehender Wärmekanäle zum Überführen von Wärme von äer inneren zur äußeren Kammer₉ und durch Mittel _s die die lilserführte Wärme von der äußeren Kammer abbauen_o

Nach einer bevorzugten Ausfiätaaiig enthält das Neutronen-Moderatorinaterial Grapliit_o .

Wenn die Kühlvorrichtung beispielsweise bei einem Fusions-Reaktor verwendet wird_s umschließt öie Kühlvorrichtung den Plasma-Hohlraum und kann als Wärmetauscher und als Wasserstoffabscheider wirken» Die Wärinekanäle sind röhrenförmig ausgebildet und haben' ihre Verdampfungszone im LitIaium in der inneren Kammer und ihre

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Kondensationszone im Neutronen-Moderatormäterial in der äußeren Kammer angeordnet, um die Wärme zur äußeren Kammer zu übertragen, wobei der überschwere Wasserstoff in der inneren Kammer erzeugt wird.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, um die übertragene Wärme abzuführen und den überschweren Wasserstoff von der äußeren Kammer abzuscheiden. Weiterhin weist beispielsweise die äußere Kammer Einrichtungen für den Kreisumlauf des Kühlmittels Helium auf, um die übertragene Wärme von der äußeren Kammer abzuführen und den übertragenen überschweren Wasserstoff von der inneren Kammer durch die Wärmekanäle abzuführen, wobei Vakuumkanäle an die äußeren Enden der Wärmekanäle angeschlossen sind.

Die Brutzone und die anderen Zonen umschließen gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung den Plasma-Hohlraum, der in eine gewisse Anzahl von in der Modular-Bauweise hergestellter Segmente, die im wesentlichen übereinstimmen und austauschbar sind. Jedes Segment bzw» jeder Baustein ist je nach Art des Reaktors entweder aus einem einen Teil des Reaktors überdeckenden zylindrischen Ring gebildet (im Falle einer linearen Gestaltung) oder aber aus einem einen Teil der Brutzone zwischen zwei Radien überdeckenden ringförmigen Segment (im Falle einer ringförmigen Gestaltung).

Das erfindungsgemäße Kühlsystem hat den Vorteil, daß durch die Verwendung von Wärmekanälen es ermöglicht wird, innerhalb des Reaktors beide Systeme, d.h. das der Kühlung des Lithiums und das der Rückgewinnung d-es schweren Wasserstoffes, anzuordnen, wodurch folgerecht das Kühlmittel Helium direkt zu den Turbinen geschickt werden und der überschwere Wasserstoff direkt vom Reaktor ausgeschieden werden kann. Darüber hinaus werden durch Vermeidung des Pumpens von Lithium zwischen dem Reaktor und dem Wärmetauscher außerhalb des Reaktors Pumpenkraftverluste beseitigt, sowie Strömungsprobleme, verbunden mit der Korrosious-

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Charakteristik des Lithiums vermieden.

Sin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher besehrieben. Es zeigen:

Fig. 1 vier nach der Modular—Bauweise hergestellte Segmente, wobei ein Segment im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung im vergrößerten Maßstab von einem Teil eines Bausteins nach Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungs— art der Kühlvorrichtung für einen Fusions—Reaktor von ringförmiger Ausgestaltung;

Fig. k eine Darstellung von einem Baustein der Kühlvorrichtung nach Fig. 3j

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung als Einzelheit von der äußeren Oberfläche eines Bausteins}

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung als Einzelheit von einer im Innern liegenden Stelle eines Bausteins entsprechend dem Plasma—Hohlraum;

Fig. 7 einen Querschnitt einer vergrößerten Einzelheit eines Bausteins ähnlich dem nach Fig. 1;

Fig. 8 eine ähnliche Darstellung nach Fig. 1, wobei der Aufbau des Bausteins in genauer Einzelheit dargestellt ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Bausteine 1 derart ausgebildet, daß, wenn sie zusammengesetzt und nebeneinander angeordnet werden, sie einen wulstförmigen Ring bilden. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung haben die Bausteine gleiche Abmessungen und zwar solcher Art, daß 25 aneinander anliegend an-

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geordnete Bausteine erforderlich sind, um den wu Istart ig en Ring zu bilden« Jeder Baustein oder jedes Segment weist einen Anteil des Ilauptteils des Reaktors auf, welcher den Plasma— Hohlraum 2, die das Lithium aufnehmende Brutzone 3» die den Graphit-Absorber als lieutronen-Moderatorraaterial aufnehmende Moderatorzone ^i, die Außenschale 5 und die Magnetspulen 6 umfaßt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist jedes Segment im Hinhlick auf die übrigen Segmente oder Bausteine vollständig abgeschlossen und im Hinblick auf die beiden inneren Vakuumräume oder Plasma-Hohlräume und der Umgebungsluft auch vollständig leckdicht.

Jedes Segment ist eingegrenzt an der Innenseite durch eine den Plasma—Hohlraum umgebenden ersten Wand 7» an jeder Seite durch zwei seitliche Stirnflächen 8 und 9 und an der Außenseite durch die äußere Schale 5o

Durch das Anbringen der Segmente Seite an Seite können die Vakuumräume von der Umgebungsluft abgedichtet werden. Zu diesem Zweck ist jedes Segment mit einer Metalldichtung IO an einer seiner seitlichen Stirnflächen versehen, wobei die Dichtung in einer Aussparung 11 in der äußeren Schale 5 eingeschlossen ist, v/o die Temperatur relativ niedrig ist. Die Metalldichtung 10 macht die Verbindung mit dem anliegenden Segment leckdicht.

Die innere Lithium—Brutzone 3 bildet den inneren Teil des Segmentes und weist die Form einer das quasi stagnierende Lithium 12 haltenden Kammer auf, die an der Innenseite durch die erste Wand 7 und auf der Außenseite durch die stabile, dicke Zwischenwand 13 begrenzt ist, welche das Lithium 12 von der Moderatorzone 4 trennt. Das Lithium kann mit- einen sehr geringen Betrag zum Zwecke des Zuführens, der Entnahme und der Ergänzung umlaufen.

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Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführung sart der Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung, die eine Vielzahl von Bausteinen oder Segmenten 1 umfaßt und die für einen Fusionsreaktor von ringförmiger Gestaltung geeignet ist. Andere Teile des Fusionsreaktors sind nicht dargestellt, wie "beispielsweise die Magnete, der äußere Behälter sowie die Sekundär- und Außenabschirmungen. ¥ie aus Fig. 3 ersichtlich ist, umschließt der wulstartige Ring den Plasmaiiohlraum 2 und ist in zwei konzentrischen Lagen ausgeführt, welche die Brutzone mit dem quasi stagnierenden Lithium und die Hoderatorzone h mit dem Graphitabsorber darstellt".

Die.Kühlvorrichtung nach Fig. 3 umfaßt 25 Bausteine oder Segmente, wobei ein Baustein bzw. Segment in Fig. h in perspektivischer Darstellung gezeigt ist. Die seitlichen Stirnflächen und 9 sind gewellt und der Baustein selbst hat einen zellenartigen Anbau-. In der gezeigten Ausführungsart umfaßt jeder liaxistein sechs Reihen von Zellen, die von jeder anliegenden Reihe durch ein gewelltes Blatt getrennt sind, welches als Verrippung wirkt. Jede Reihe besteht aus 25 radial angeordneten Zellen, so daß jeder Baustein I50 Zellen aufweist und die gesamte Brutzone 3750 Zellen enthält₀ .

Jeder Baustein enthält einen metallischen Aufbau, der aus identischen, untereinander verbundenen Zellen gebildet ist.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, umschließt die erste Wand 7 aus zusammengepreßten, gewellten, dünnen Blättern Ik den Plasma—Hohlraum 2. Die Wellungen durchkreuzen sich und überlappen sich nicht. Ein Rahmen 15 verläuft parallel zur Anordnung der Achse, d.h. zur Achse des wulstartigen Ringes und der andere Rahmen 16 verläuft rechtwinklig zum ersten Rahmen. Die Wellungen dienen einem doppelten Zweck, und zwar einmal zum Erhöhen der transversalen Steifigkeit der Wand 7 und zum anderen um ohne besondere Beanspruchung einen Widerstand für abgeleitete Wärmeausdehnungen darzustellen«

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Die feste Zwischenwand 13 der Kammer ist mit der Wand 7 durch einen zellenartigen Aufbau verbunden, der aus einer Anordnung von zusammengefalteter Metallstreifen 17 "besteht und in einer Weise wirkt, daß.der Druck des Lithiums von der elastischen Wand 7 auf die feste Zwischenwand 13 übertragen werden kann. Die Metallstreifen 17 sind zickzackf öruiig zusammengefaltet, um sich, wenn sie Seilte an Seite angeordnet sind, zu einem Aufbau von Zellen 18 zu formieren, die einen nahezu rhoinboidförmigen Querschnitt aufweisen.

Die Kammer 4 enthält den mit Helium als Kühlmittel gefüllten Graphitabsorber 19, umschließt die Lithium-Brutzone 3 und ist an der Innenseite durch dieselbe feste Zwischenwand 13 der Lithium-Brutzone und an der Außenseite durch die gewellte Außenwand 20 begrenzt.

Die Wand 20 weist einen gewellten Aufbau auf und setzt sich aus zwischen zwei Satz gewellter Streifen gelegten dicken Platten 21 zusammen, wobei ein Satz Streifen 22 parallel zur Stellung der Achse und der andere Satz Streifen 2-3 rechtwinklig dazu, jedoch nicht den ersten Satz überlagernd, verläuft.

Was die Wand 7 anbelangt, so nehmen die Wellungen die abgeleiteten Wärineausdehnungen ohne besondere Beanspruchung auf,,

Die feste Zwischenwand 13 und die gewellte Außenwand 20 sind durch einen zellenartigen Aufbau 24 verbunden, der eine ähnliche Zusammensetzung wie der der Zwischenwand 13 mit der Wand 7 aufweist und sich aus Zellen 25 zusammensetzt, die eine ähnliche Form wie die Zellen 18 haben. Vermittels dieses zellenartigen Aufbaus, wird der auf die gewellte Außeuwand 20 ausgeübte Druck des Helium-Kühlmittels auf die feste Zwischenwand 13 übertragen,

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Aus diesem Grund bilden die innere· Kammer der Lithium-Brutzone 3 und die umschließende Kammer 4t des Graphitabsorbers 19 einen sehr festen Zusammenbau, der fähig ist, den Innendrücken des Lithiums 12 und des Heliumkühlmittels standzuhalten.

Der zellenartige Aufbau, als Verbindung der dünnen Wand 7 und der gewellten Außenwand 20 mit der festen Zwischenwand 13, ist ebenfalls fähig den Temperaturveränderungen und Teiuperaturan stieg en ohne libermäßige Beanspruchung standzuhalten und dient einem doppelten-.Zweck, und zwar einmal zum Tragen der dünnen Wand 7 und der gewellten Außenwand 20 sowie zum anderen.zum Erhöhen der Steifheit der Zwischenwand 13.

In der Absicht, daß die in der Lithium-Brutzone 3 erzeugte ¥änne rundum auf die Kammer 4, wo der Graphitabsorber 19 angeordnet ist, übertragen werden soll, ist ein Satz röhrenförmiger Wärmekanäle 26 in der Zwischenwand 13, durch die die Wärraekanäle 26 hindurchgehen, mittels leckdichter S.chweißung angeordnet.

Diese Wärmekanäle 26 sind radial gleichmäßig verteilt um den Plasma-rllohlraum 2 herum angeordnet und haben eine Verdampfungszone 27, die in das Lithium 12 bis nahe der Wand eintaucht, während eine in einen radialen Ausschnitt 29 untergebrachte Kondensationszone 28 den Graphitabsorber 19 kreuzt.und als Kühlluftabführung wirkt.' Die Wärmekanäle 26 sind leicht gebogen, so daß der direkte Durchgang der Abkühlung durch das Lithium umgangen wird.

Die Wärmekanäle 26 sind voneinander gleich weit entfernt angeordnet, entsprechend einem dreieckigen Gitter und sie sind in Gruppen eingeteilt, so daß jede Zelle , wie in der Zeichnung dargestellt, 36 Wärmekanäle enthält".' .

Die Kondensationszone 28 der Wärmekanäle 26 wird durch Helium

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-ΙΟ-in der Moderatorzone 4 des Graphitabsorbers 19 gekühlt, wobei jede Wärmekanal-Kondensationszone 28 in jeweils einer einzelnen Kühlluftabführung 29 untergebracht ist.

Jeder Zelle 25 wird über Einlaßkanäle 30 durch die gewellte Außenwand 20 Helium als Kühlmittel zugeführt.

In jeder Zelle 25 ist der Raum zwischen der Wand 20 und dem Graphitabsorber ±9 in zwei Hälften 31 und 32 mittels einer metallischen Scheidewand unterteilt. Eine Hälfte 3i jeder Zelle 25 enthält zum Zuführen des Kühlmittels Helium die Einlaßkanäle 30.

Das Helium fließt durch die Kühlluftabführungen 29 zur Hälfte der Wärmekanäle der Zelle in eine Kammer 32 zwischen der Zwischenwand 13 und dem Graphitabsorber 19 _f von wo aus es in umgekehrter Richtung über die Kühlluftabführungen 29 der restlichen Hälfte der Wärmekanäle in die zweite Hälfte 33 fließt. Von der Hälfte 33 jeder Zelle wird das Helium gesammelt und über eine Anzahl von Auslaßkanälen 3^;i durch die gewellte Außenwand 20 abgebaut. In der äußeren Oberfläche eines Bausteins gemäß Fig. 5 ist die Verteilung der Einlaßuiid Auslaßkanäle 30 und 34 für das Kühlmittel Helium zu den Zellen 25 erkennbar, wobei ein Teil der äußeren Wand regelmäßig verläuft.

Der feste Aufbau, gebildet durch die zwei Kammern der inneren Lithium-Brutzone 3 und der Moderatorzone 4 ist durch nicht stetig verlaufende Ansätze 35 der seitlichen Flächen mit der äußeren Schi.e 5 des Bausteins 1 verbunden.

Die Zone 36 zwischen der gewellten Außenwand 20 der Moderatorzone k und der äußeren Schale 5 enthält die Einlaß- und Auslaßkühlmittelkanäle, eine eventuelle äußere Lithium-Brutzone, einen entsprechend wärmeisolierten mit Bor vermischten Wasserkreislauf usw. und sie steht wie der Plasma-Hohlraum unter

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Vakuum rait der Absicht, die Rückgewinnung von überschwerem Wasserstoff zu ermöglichen. Tatsächlich dienen die Wärme— kanüle auch zum Zweck der Rückgewinnung des überschweren Wasserstoffs. Dabei wird der überschwere Wasserstoff von der Lithium—Brutzone 3 mittels Gasdiffusion durch die Metallwiiucle der Wärmekanäle ausgeschieden und an den Außenenden 37 der Wärmekanäle 26 in der Moderatorzone 4 gesammelt.

Die Rückgewinnung des überschweren Wasserstoffs erfolgt mittels von Kanülen 38, die unter Vakuum die Außenenden.37 der Y/Hrmekanäle 2b. mit der Zone 36 verbinden, von wo aus der überschwere Wasserstoff durch Pumpen ausgeschieden wird.

Patent anspräche:

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Claims (9)

Pate nt an Sprüche

1.j Kühlvorrichtung für einen Fusionsreaktor, insbesondere für einen Fusionsreaktor mit magnetischer Einschließung eines Plasmas und unter Verwendung einer Lithium-Brutzone, gekennzeichnet durch innere und äußere konzentrische, ringförmige Kammern (3, ^), einer die Kammern trennenden festen Zwischenwand (13), wobei die innere Kammer (3) Lithium (12) und die äußere Kammer (^;i) ein lieutronen-Mod eratormat erial enthält und eine Viol— · zahl von in der Kammer radial angeordneter und durch die feste Zwischenwand (13) hindurchgehender Wärmekanäle (26) zum Überführen von Wärme von der inneren zur äußeren Kammer, und durch Mittel (29,' 31, 32", 34), die die überführte Wärme von der äußeren Kammer abbauen.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronen-Moderatormaterial Graphit enthält.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verdampfungszone (27) der Wärmekanäle (26) im Lithium (12) der inneren Kammer (3) angeordnet ist, während die Kondensationszone (28) der Wärmekanäle im Neutronen-Moderatormaterial der äußeren Kammer (4) untergebracht ist.

h. Kühlvorrichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 3» el a durch gekennzeichnet, daß die äußere Kammer (

4) Mittel (37, 38) aufweist, die den von der inneren Kammer (3) durch die Wärmekanäle (26) übertragenen überschweren Wasserstoff abscheid en,

5, Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die äußere Kammer (h) mit Vakuumkanälen (38) versehen ist, die mit den Enden (37) der Wärmekanäle (26) zum Abscheiden des überschweren

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- 13 Wasserstoffs verbunden sind»

6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> d a — durch gekennzeichnet, daß die äußere Kammer (4) mit Mitteln (29_f 32, 34) für den Kreislauf von Helium als Kühlmittel versehen ist, um die übertragene Wanne von der äußeren Kammer abzuführen.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e kennzeichnet durch die Ausgestaltungeines ringförmigen Segments oder Bausteins (i).

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Segment (l) die Form eines zylindrischen Ringes aufweist, der einen Teil eines geradlinig angeordneten Plasma-Hohlraums (2) eines Fusionsreaktors bedeckt. -

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7₉dadurch ge-. kennzeichnet, daß das ringförmige Segment (l) einen Teil eines Plasma-Hohlraumes (2) eines Fusionsreaktors von ringförmiger Gestaltung bedeckt.

Be/Iio - 25 447 409819/07 92