DE2431593A1

DE2431593A1 - Thermo-nuclear reaction chamber - inducing pinch effect compression by displacement of chamber side walls

Info

Publication number: DE2431593A1
Application number: DE2431593A
Authority: DE
Inventors: Tihiro Ohkawa
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1973-07-02
Filing date: 1974-07-01
Publication date: 1975-02-06
Also published as: JPS5039490A

Abstract

Reaction chamber contains a conducting fluid e.g. lithium, quicksilver, copper or sodium is within the long central cylindrical bore formed by the walls of the chamber. An externally applied magnetic field induces a rotation of the fluid at a velocity sufficient to create an evacuated void coi-incider with the central axis of the chamber by centrifugal force. A plasma introduced into the void by laser or other means is magnetically restrained and its density increased by a 'pinch-effect' created by an inward movement of the side walls reducing the void vol. and increasing the plasma temp. to thermo-nuclear level. The chamber is used in plasma physics and dimensionally smaller plant can be employed with a reduced magnetic field requirements.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines zusammengepreßten Plasmas Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Kernphysik, und zwar im einzelnen auf ein Verfallren und eine Linrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plssmas hoher kinetischer Energie bei thermonuklearen Temperaturen. Method and device for generating and maintaining a Compressed Plasma The invention relates generally to the field of Nuclear physics, specifically on a decay and a direction for generating and confining a high kinetic energy plasma at thermonuclear temperatures.

Grob gesagt gibt es zwei äußerste Fälle, in denen eine thermonukleare Fusion erhalten bzw. aufrechterhalten werden kann, nämlich die Methode der magnetischen Einschließung bei niedriger Dichte wie auch die Methode der Trägheitseinschließung bei hoher Dichte. Die Erfindung jedoch befaßt sich mit einer Methede, die zwischen den beiden äußersten Fällen liegt und mi@ einer Finrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas bei den gewünschten hohen thermonuklearen Temperaturen oder Energieniveaus. Die Teilchen des Plasmas werden auf hohe kine-tische Energien beschleunigt und danach durch eine Kombination durch von elektrischem Strom aufgebauten wachsenden magnetischen Feldern, welche die Plasmateilchen nach einwärts zu einer Zentralachse einengen oder treiben, mit einem mechanischen Antrieb, der einen Impuls von einwärts gerichteter Kraft; erzeugt, komprimiert.Die Einrichtung soll mit Teilchendichten von ungefähr 1019 p16O cm@ (1019 cm-3) und magnetischen Feldern von ungefahr 106 Gauss (G) betrieben werden, Das Phänomrsn, bei dem magnetische Felder dazu verwendet werden das Plasma nach einwärts zu einem zusammengeschnürten bzw.Roughly speaking, there are two extreme cases in which one is thermonuclear Fusion can be obtained or maintained, namely the method of magnetic Low density containment as well as the inertial containment method at high density. The invention, however, is concerned with a method that is between the two extreme cases and with a direction of creation and inclusion of a plasma at the desired high thermonuclear temperatures or energy levels. The particles of the plasma are accelerated to high kinetic energies and then by a combination of growing magnetic ones built up by electric current Fields which the plasma particles move inwards to a central axis constrict, or drive, with a mechanical drive that generates an inward impulse directed force; generated, compressed. The device is said to be with particle densities of about 1019 p16O cm @ (1019 cm-3) and magnetic fields of about 106 Gauss (G), the phenomenon in which magnetic fields are used the plasma is constricted inwards into a constricted resp.

eingedrängten Volumen zu -treiben und dadurch die Temperatur und die Dichte des Plasmas stark zu erhöhen, wird als"Pincheffekt" bezeichnet und is-t in vielen Druckschriften der Literatur beschrieben, die sich auf gesteuerte thermonukleare Reaktionen und nukleare Fusion bezieht. Wenn beispielsweise magnetische Spulen dau benutzt werden das Plasma direkt zu komprimieren, wobei ein magnetisches Feld innerhalb des Bereichs von 150 bsi 200 kG erforderlich ist, benötigen die bisher bekannten Einrichtungen einen Zylinder, der ungefähr 1,609 km lang ist.to -drive intruded volume and thereby the temperature and the Significantly increasing the density of the plasma is known as the "pinching effect" and is an integral part of it many pamphlets in the literature are described that relate to controlled thermonuclear Reactions and Nuclear Fusion relates. For example, if magnetic coils last used to compress the plasma directly, leaving a magnetic field inside of the range from 150 to 200 kG is required, require the previously known Facilities a cylinder that is approximately 1.609 km long.

Wenn eine leitfähige feste Einlage zuL Verstärkung des magnetischen Feldes benutzt wird, benötigen die bisher bekannten Einrichtungen einen elektrischen Schalter zur Entladung eines großen Energiebetrages, beispielsweise in der Größenordnung von 10 Joules. Außerdem muß die Einlage nach jedem Impuls ersetzt werden.When a conductive solid insert toL reinforcement of the magnetic Field is used, the previously known devices require an electrical Switch for discharging a large amount of energy, for example of the order of magnitude of 10 joules. In addition, the insert must be replaced after each pulse.

Demgemäß soll mit der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verfügung gestellt werden, die in der Lage sind, den Pincheffekt beim Plasma zur Erreichung thermonuklearer Temperaturen zu erzeugen und die trotzdem bei kleineren physikali scher bzw. körperlichen Abmessungen arbeiten und weniger Anfangsenergieerfrodernisse in Termen der anfänglichen magnetischen Felder stellen.Accordingly, the invention is intended to provide a method and an apparatus are made available that are able to reduce the pinch effect in plasma to achieve thermonuclear temperatures and still at smaller ones physical or physical dimensions work and less initial energy consumption in terms of the initial magnetic fields.

Weiterhin soll mit der Erfindung ein Verfal-Iren und eine Einrichtung der erwähnten Art zur Verfügung gestellt werden, die den gewünschten Pincheffekt zur Erhöhung der Temperatur und der Dichte des Plasmas durch magnetischen Druck, der durch Anwendung eines mechanischen Abriebs verstärkt wird, erzeugen.Furthermore, the invention is intended to provide a method and a device of the type mentioned are made available, which have the desired pinching effect to increase the temperature and density of the plasma through magnetic pressure, which is reinforced by the application of mechanical abrasion.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines zusrniimengepreßten Plasmas und zum Erhöhen der Temperatur eines Plasmas auf thermonukleare Niveaus vorgeschlagen, das sich durch folgende Verfahrensschritte csuszeichnet: (a) Rotieren eines eingeschlossenen Körpers vou elektrisch leitfähiger Flüssigkeit, so daß ein langgestreckter Raum innerhalb des Körpers erzeugt und aufrechterhalten wird; (b) Erzeugen eines Plasmas längs der Achse des Raumes; (c) Anwendung eines magnetischen Feldes längs des Raumes; und (d) mechanische Herabsetzung des Durchmessers des Raulrles, so daß das magnetische Feld zusammengedrückt und dadurch das Plasma zusammengepreßt bzw. eingeschnürt und bewirkt wird, daß das Plasma eine thermonukleare Temperatur erreicht.The invention provides a method of creating and maintaining a compressed plasma and to raise the temperature of a plasma proposed thermonuclear levels, which can be achieved by the following process steps csusigns: (a) Rotation of an enclosed body vou more electrically conductive Liquid so that an elongated space is created and maintained within the body will; (b) creating a plasma along the axis of space; (c) Applying a magnetic field along space; and (d) mechanical reduction in diameter of the Raulrles, so that the magnetic field is compressed and thereby the plasma compressed or constricted and causes the plasma to be thermonuclear Temperature reached.

Außerdem wird mit der Erfindung eine Einrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines zusammengepreßten Plasmas und zum Erhöhen der Temperatur eines Plasmas auf thermonukleare Niveaus zur Verfügung gestellt, die gleichzeitig zur Durchführung des vorerwähnten Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist, und sich durch folgende Kombination auszeichnet: (a) Eine Einschließungseinrichtung, in der eine langgestreckte Ausnehmung, Bohrung o. dgl. vorgesehen ist, die einen Schalter definiert bzw. begrenzt; (b) einen Kö rp er von elektrisch leitfähigem Material, der sich innerhalb des Behälters befindet, diesen jedoch nicht vollständig füllt; (c) eine Induktionseinrichtung zum induktiven Rotieren des Körpers von elektrisch leitfähigem Material in der flüssiegen Phasc, zur Zwecke der Erzeugung einer Zentrifugalkraft, welche ausreicht, einen sich längs der Achse der Ausnehmung, Bohrung o. dgl. erstreckenden Raum zu erzeugen und aufrechtzuerhalten; (d) eine Plasmaerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Plasmes längs der Achse der Ausnehmung, Bohrung o. dgl. innerhalb des Raumes; (e) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Anwenden eines Magnetfeldes längs der Ausnehmung, Bohrung o. dgl.; und (f) eine Kompressionseinrichtung zum mechanischen Herabsetzen des Durchmessers der Ausnehmung, Bohrung o. dgl. und dadurch zum Herabsetzen des Durchmessers des Raumes zum Zwecke des Zusammendruckens des magnetischen Feldes, so daß ein Pinch-Effekt am Plasma erzeugt und dadurch bewirkt wird, daß das Plasma thermonukleare Temperaturen erreicht.In addition, the invention provides a device for generating and Maintaining a compressed plasma and increasing the temperature of a plasma made available to thermonuclear levels at the same time is suitable for carrying out the aforementioned method according to the invention, and is characterized by the following combination: (a) A containment facility, In which an elongated recess, bore or the like. Is provided, the one Switch defined or limited; (b) a body of electrically conductive Material that is inside the container, but not all of it fills; (c) an induction device for inductively rotating the body electrically conductive material in the liquid phase, for the purpose of generating a centrifugal force, which is sufficient, one extending along the axis of the recess, bore or the like To create and maintain space; (d) a plasma generating device for Generating a plasma along the axis of the recess, bore or the like. Inside of space; (e) a magnetic field generating device for applying a magnetic field along the recess, bore or the like; and (f) a compression device for mechanical reduction of the diameter of the recess, bore or the like. And thereby to reduce the diameter of the space for the purpose of compressing the magnetic field, so that a pinch effect is generated on the plasma and thereby effected will cause the plasma to reach thermonuclear temperatures.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die eine Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung im Prinzip veranschaulicht, näher erläutert.The invention is described below with reference to a particularly preferred one Exemplary embodiment and with reference to the drawing, which shows an embodiment a device according to the invention illustrated in principle, explained in more detail.

Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung besitzt eine gerade Konfiguration im Gegensatz zu einer toroidalen oder anderen geomatrischen Konfiguration, wie beispielsweise der Konfiguration der sogenannten Tokamaks oder Stellaratoren; es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch auf andere geometrische Konfigurationen angewandt werden kann, insbesondere auf die vorerwähnten Konfigurationen. Da viele der einzelnen geometrischen Konfigurationen spezielle Probleme haben, sind die gerade und die toroidale Konfiguration aus @ründen, die nachstehend näher erläutert werden, zu bevorzugen, Infolgedessen wird, allgemein gesagt, die Erfindung in Verbindung mit der geraden Einrichtung bzw. dem geraden @erät, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Diese Einrichtung umfaßt einen Behälter bzw. eine Einschließungsvorrichtung 10 mit einer langgestreckten zylindrischen Bohrung 12, die von einem Paar stationärer, allgemein flacher oberer und unterer Wände 14 und 16 und einem Paar beweglicher Seitenwänd-18 und 20 gebildet wird, wobei letztere gegenüberliegende bogenförmig verlaufende Seiten 22 besitzen; die Anordnung ist so, daß die gegenüberliegenden Oberflächen der Wände 14, 16, 18 und 20 allgemein eine langgestreckte Bohrung 12 begrenzen, die beispielsweise ungefähr 10 m lang ist. Die Seitenwände 18 und 20 sind relativ zueinander und relativ zu den oberen und unteren Wänden 14, 16 bewegbar, so daß dadurch der wirk-Falle Durchmesser der Bohrung 12 verändert werden knn. Es ist leicht zu erkennen, daß dann, wenn die Seitenwände 18 und 20 aufeinander zu bewegt werden, der Durchmesser der Bohrung 12 eingeengt oder herabgesetzt wird. Zu Giesem Zweck befinden sich die oberen und unteren Oberflächen der Seitenwände 18, 20 vorzugsweise in Dichtungseingriff mit den benachbarten Oberflächen der oberen und unteren Winde 14 und 16, so daß irgendwelches Strömungsmittel oder irgendwelche Flüssigkeit, dio darin enthalten is-t, nicht zwischen den Zwischenraum zwischen aneinander anliegenden Oberflächen austreten kann.The device shown in the drawing has a straight Configuration as opposed to a toroidal or other geomatic configuration, such as the configuration of the so-called tokamaks or stellarators; It should be noted, however, that the invention also applies to other geometric Configurations can be applied, particularly to the aforementioned configurations. Since many of the individual geometric configurations have special problems round out the straight and toroidal configurations, which are explained in more detail below Thus, generally speaking, the invention is put in conjunction with the straight device or the straight @ device shown in the drawing is explained in more detail. This device comprises a container or containment device 10 with an elongated cylindrical bore 12, which is supported by a pair of stationary, generally flat top and bottom walls 14 and 16 and a pair of movable ones Sidewalls 18 and 20 are formed, the latter being opposite arcuate have running sides 22; the arrangement is such that the opposite Surfaces of the walls 14, 16, 18 and 20 generally have an elongated bore 12 limit, which is for example about 10 m long. The side walls 18 and 20 are movable relative to each other and relative to the upper and lower walls 14, 16, so that thereby the effective trap diameter of the bore 12 can be changed. It it is easy to see that when the side walls 18 and 20 approach one another are moved, the diameter of the bore 12 is narrowed or reduced. For this purpose, the top and bottom surfaces of the side walls are located 18, 20 preferably in sealing engagement with the adjacent surfaces of the upper and lower winches 14 and 16 so that any fluid or any Liquid, dio is contained therein, not between the spaces can emerge between abutting surfaces.

Geeignete Endplatten (nicht dargestellt) sind vorgesehen, um die Endoberflächen abzudichten und dadurch wirksam ein Reserveir innerhalb der Bohrung 12 zu begrenzen.Appropriate end plates (not shown) are provided around the end surfaces to seal and thereby effectively limit a reserve within the bore 12.

Es sei darauf hingewiesen, daß obwohl in der Zeichnung eine gerade Einrichtung dargestellt ist, auch beispielsweise ein Torus oder eine toroidale Konfiguration benutzt werden kann, in welchem Falle Endplatten nicht erforderlich sind. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß, obwohl nur die Seitenwände 18 und 20 in der Zeichnung als bewegliche Seitenwände zur Herabsetzung des Durchmessers der Bohrung dargestellt sind, die Einrichtung auch so ausgebildet sein kann, daß die Wände drei oder mehr sich bewegende bzw. bewegbare Teile aufweisen können, sofern das gewünscht wird.It should be noted that although in the drawing there is a straight Device is shown, also for example a torus or a toroidal configuration can be used, in which case end plates are not required. Be it It should also be noted that, although only the side walls 18 and 20 in the drawing shown as movable side walls to reduce the diameter of the bore are, the device can also be designed so that the walls three or more may have moving parts, if so desired.

Zur weiteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine flüssige Einlage oder eine flüssige Ausfütterung ?/F in die Bohrung; 12 eingebracht, so daß diese fast gefüllt ist, wobei als flüssige Einlage vorzugsweise ein geschmolzenes bzw. flüssiges Metall benutzt wird, wie beispielsweise Quecksilber, Lithium, Kupfer oder Natrium. Jedoch wird Lithium als flüssige Ausfütterung bevorzugt, da es Tritium bei der Fusionsreaktion brühtet und außerdem als Abschirmung bzw. Blanket dient. Obwohl Natrium, Quecksilber und Kupfer auch als Abschirmungen bzw. Blankets wirken, brüten sie kcin. Tritium.To further carry out the method according to the invention, a liquid insert or a liquid lining? / F in the bore; 12 introduced, so that it is almost filled, with the liquid insert preferably a melted one or liquid metal is used, such as mercury, lithium, copper or sodium. However, lithium is preferred as the liquid lining because it is tritium scalds during the fusion reaction and also serves as a shield or blanket. Although sodium, mercury and copper also act as shields or blankets, brood kcin. Tritium.

Ein Satz von Induktionsspulen, von denen eine bei 26 in der Zeichnung dargestellt ist, ist parallel zur Achse der Bohrung angeordnet, welcher bei Erregung der Induktionsspulen eine induktive Rotation des flüssigen Leiters um die Achse der Bohrung mit einer ausreichenden Winkelges ehwindigkeit bewirkt, so daß durch di.e Zentrifugalkraft ein zylindrischer Raum oder ein zylindrisches Vakuum 28 von vorbestimmtem Durchmesser längs der Achse erzeugt wird. Der Dampfdruck von geschmolzenem Lithium ist annehmbar (1 mm Quecksilber bei 700°C), und die Zentrifugalkraft aufgrund der Rota-tiol ftnt ZU der Tendenz, daß der Dampf nahe der Grenzfläche des zylindrischen Raums 28 gehalten wird. Eine magnetische Spule 30 ist so angeordnet, daß sie den Behälter bzw die Einschließungsvorrichtung 10 umgibt, und ein relativ schwaches magnetisches Feld von einigen tausend Gauss längs des Zylinders parallel zur Achse zur Einrwirkung bringt. Das Plasma 32 wird in dem zylindrischen Vakuumraum 28 durch gewisse unabhängige Einrichtungen (nicht dargestellt) erzeugt, wie beispielsweise ein Laserstrahlenbündel, ein Elektronenbündel hoher Energie odcr eine Gas entladung Um das magnetische Feld und das Plasma einzuschnüren, damit das Plasma thermonukleare Tempera-turen errreicht, wird der rotierende Leiter 24 zusammengepreßt,und zwar durch, daß m&n die Seitenwände 18 und 20 mit einer für die Wirksamkeit ausreichenden Geschwindigkeit physisch aufeinander zu bewegt.A set of induction coils, one of which is at 26 in the drawing is shown is arranged parallel to the axis of the bore, which when energized induction coils induce an inductive rotation of the liquid conductor around the axis the bore with a sufficient Winkelges eh Speed causes so that through di.e centrifugal force a cylindrical space or a cylindrical vacuum 28 of predetermined diameter is generated along the axis. The vapor pressure of molten lithium is acceptable (1 mm of mercury at 700 ° C), and the centrifugal force due to the rota-tiol there is a tendency for the steam to close to the interface of the cylindrical space 28 is held. A magnetic coil 30 is arranged so that it surrounds the container or containment device 10 and a relative weak magnetic field of a few thousand gauss parallel to the cylinder brings to action on the axis. The plasma 32 is in the cylindrical vacuum space 28 generated by certain independent entities (not shown) such as a laser beam, a high energy electron beam or a gas discharge To constrict the magnetic field and the plasma so that the plasma is thermonuclear Temperatures reached, the rotating conductor 24 is compressed, namely by that m & n the side walls 18 and 20 with a sufficient for the effectiveness Speed physically moving towards each other.

So wird ein Impuls auf die Seitenwände ausgeübt, und zwar durch mechanisch getriebene Hämmer 34, die benachbart einer Sehlagoberfläche 76. angeordnet sind und auf diese Schlagoberfläche aufschlagen können, wobei letztere einstückig mit jeder der Seitenwände 18 und 20 ausgebildet oder an jeder der Seitenwände 18 und 20 angebracht ist, wobei man die Seitenwände 18 und 20 in Analogie zu einem Paar gegenüberliegender Kolben ansehen kann. Die Hämmer 34 werden vorzugsweise durch geeignete hydraulische Antriebseinrichtungen (nicht dargestellt) angetrieben, so daß die erforderliche Kraft über die Schlagoberflächen 36 auf die Seitenwände zu Einwirkung gebracht wird. Auf diese Weise wird die rotierende Einlage 24 aus leitfähiger Flüssigkeit zusammengepreßt, so daß dadurch der Durchmesser des zylindrischen Raums 28 in der Einlage 24 herabgesetzt wird, welcher auf das magnetische Feld auftrifft und dadurch das Plasma 32 einschnürt, so daß das Plasma thermonukleare Temperaturen in der Größenordnung von ungefähr 10 KeV bei einer Teilechendichte von 1019 cm annimint.So an impulse is exerted on the side walls, by mechanical means powered hammers 34 disposed adjacent a blow hitting surface 76 and can hit this striking surface, the latter being integral with each of the side walls 18 and 20 formed or on each of the side walls 18 and 20 is attached, the side walls 18 and 20 in analogy to a pair opposite piston can view. The hammers 34 are preferably by suitable hydraulic drive devices (not shown) driven, so that the required force on the striking surfaces 36 to the side walls Action is brought. In this way the rotating insert 24 becomes more conductive Liquid compressed, thereby reducing the diameter of the cylindrical space 28 is reduced in the insert 24, which impinges on the magnetic field and thereby constricts the plasma 32 so that the plasma thermonuclear Temperatures on the order of about 10 KeV at a particle density of 1019 cm annimint.

Im einzelnen sei bezüglich der zugrunde liegenden Theorie, welche die Funktionalität der vorliegenden Erfindung befrifft, darauf hingewiesen, daß das Lawson-Kriterium von n## 1014 cm-3 Sekunden entweder für die gerade Einrichtung, die in d.er Zeichnung gezeigt ist, oder für eine toroldale Einrichtung erfüllt sein muß (n bedeutet die Teilchendichte und ist in der Anzahl der Teilchen pro Cubikzentimeter ausgedrückt, während ~; die Einschließungszeit ist und in Sekunden ausgedrückt wird).In detail, with regard to the underlying theory, which the functionality of the present invention concerned, it should be noted that the Lawson criterion of n ## 1014 cm-3 seconds for either the straight setup, which is shown in the drawing, or for a toroidal facility must (n means the particle density and is in the number of particles per cubic centimeter expressed while ~; is the containment time and is expressed in seconds).

Bei der geraden Konfiguration kann davon ausgegangen werden, daß die Endverlustzeit dnr dominierpnde Verlust ist, Dann wird die Einschließungszeit # gegeben durch die Gleichung ##L/vs , worin L die Länge der Einrichtung und vs die Schallwellengeschwindigkeit ist. Wenn das Plasma eine Temperatur von 10 keV erreicht, Ist v5 = 108 cm/sec und existiert die folgende Beziehung: Wenn das Plasma 32 durch Kompression erhitzt wird, sind die Gleichungen wie folgt: n=α no wobei das tiefgestellt angefügte Zeichen o den Anfangszustand bedeutet, wobei ferner α das Kompressionsverhältnis ist (d.h.In the straight configuration, the final loss time can be assumed to be dnr dominant loss. Then the containment time # is given by the equation ## L / vs, where L is the length of the device and vs is the sound wave velocity. When the plasma reaches a temperature of 10 keV, then v5 = 108 cm / sec and the following relationship exists: When the plasma 32 is heated by compression, the equations are as follows: n = α no where the subscript o denotes the initial state, further α being the compression ratio (ie

das Volumen einer bestimmten Menge von Plasma im Anfangszustand geteilt durch das Volumen der gleichen Menge von Plasma im komprimierten Zustand), T ist die Temperatur, und γ ist das Verhältnis der spezifischen Wärme (dieses ist unabhängig von der Kompression und eine Konstante für ein Gas; es ist gegeben durch Y = 2/(f+2), worin r der Frei@eitsgrad ist.) Die Kompressionszeit #c muß kürzer sein als die anfängliche Endverlustzeit L/vso. Infolgedessen ist das Verhältnis #/#c begrenzt auf Für die Kollisionskompression, γ= 5/3, wird dieses Verhältnis #/#c#α-1/3 Sel@st für α = 103 muß die Kompressionszeit kürzer als 10 # sein. Beispielsweise muß mit L = 10 m und # = 10 µse@ die Kompression bei α = 103 in einer Zeitdauer erfolgen, die kürzer als 100 µsec ist. Für eine langsame Kompression von #c = 1 msec muß die Länge L der in der Zeichnung gezeigten Einrichtung 100 m sein.the volume of a certain amount of plasma in the initial state divided by the volume of the same amount of plasma in the compressed state), T is the temperature, and γ is the ratio of the specific heat (this is independent of the compression and a constant for a gas; it is given by Y = 2 / (f + 2), where r is the degree of freedom.) The compression time #c must be shorter than the initial end loss time L / vso. As a result, the ratio # / # c is limited to For collision compression, γ = 5/3, this ratio is # / # c # α-1/3 Sel @ st for α = 103 the compression time must be less than 10 #. For example, with L = 10 m and # = 10 µs @, the compression at α = 103 must take place in a period of time that is shorter than 100 µsec. For a slow compression of #c = 1 msec, the length L of the device shown in the drawing must be 100 m.

Die mittlere freie Weglänge # der Kollision hat das Maß bzw.The mean free path # of the collision has the dimension or

die Größe #=α 1/@ #o Wenn das Plasma im Endzustand ein zusammenstoßendes Plasma Ist, dann ist es ein zusammenstoßendes Plasma während der Kompression. Für Teilchendichten von n = 1019 cm 3 und eine Temperatur von T = 10 keV beträgt der mittlere freie Kollisions-bzw. Zusammenstoßweg 50 cm. Daher ist das Plasma 32 in einer 10 m-Einrichtung zu jeder Zeit ein zusammenstoßendes Plasma.the size # = α 1 / @ #o If the plasma in the final state is a colliding one If plasma is, then it is a colliding plasma during compression. For Particle densities of n = 1019 cm 3 and a temperature of T = 10 keV is the mean free collision or. Collision path 50 cm. Therefore, the plasma is 32 in one 10 m facility a colliding plasma at any time.

ß, das als Verhältnis des Plasmadruckes und des magnetischen Felddruckes definiert ist, läßt sich messen als im Falle der adiabatischen Kompression. Diese Gleichung wird nicht erfüllt, wenn das Plasma eine scharfe Grenze hat, was der Fall ist, wenn die Kompressionszeit viel kürzer als die Skin-Zeit #s ist, die gemessen wird als worin /v0 eine Universalkonstante in MKS-Einheiten ist und gleich 4 # x 107 beträgt, worin ferner r der Plasmaradius und # die Leitfähigkeit des Plasmas bedeuten. Für # = 109 (Ohm m)-1 und r = 1 cm beträgt die Skin-Zeit @ #@ 10-1 Sekunde, was viel länger als die Kompressionszeit ist. Daher ist ß wahrscheinlich nahezu 1.β, which is defined as the ratio of the plasma pressure and the magnetic field pressure, can be measured as in the case of adiabatic compression. This equation is not satisfied when the plasma has a sharp boundary, which is the case when the compression time is much shorter than the skin time #s, which is measured as where / v0 is a universal constant in MKS units and is equal to 4 # x 107, where furthermore r denotes the plasma radius and # denotes the conductivity of the plasma. For # = 109 (Ohm m) -1 and r = 1 cm the skin time is @ # @ 10-1 second, which is much longer than the compression time. Hence, ß is likely to be close to 1.

Der minimale Plasmaradius wird durch Wärmeleitungs- und Skineffektbetrachtungen bestimmt. Die klassische Energieeinschließungs- bzw. -confinementzeit #E ist gegeben durch worin me die Elektronenmasse, mi die Ionenmasse und D die klassische Diffusionskonstante bedeuten. Setzt man D = µo-1#-1ß, darm erhält man Für ß = 1, # = 109 ohm -1m-1, µo = 4# x 107 und me/mi = 1/3600 für das Deuteron, erhält man #E#15 r2(m) und ein Radius von 1 mm reicht aus, daß #E#10-5 sec wird.The minimum plasma radius is determined by considering heat conduction and skin effect. The classic energy confinement or confinement time #E is given by where me is the electron mass, mi is the ion mass and D is the classical diffusion constant. If one sets D = µo-1 # -1ß, one gets For ß = 1, # = 109 ohm -1m-1, µo = 4 # x 107 and me / mi = 1/3600 for the deuteron, you get # E # 15 r2 (m) and a radius of 1 mm is sufficient that # E # becomes 10-5 sec.

Es hat keinen Sinn, den Plasmaradius viel' kleinei als die Skintiefe des leitenden Strömungsmittels zu wählen, weil die gespeicherte magnetische Energie im Strömungsmittel ein zu großer Anteil der Gesamtenergie wird. There is no point in choosing the plasma radius to be much smaller than the skin depth of the conductive fluid, because the stored magnetic energy in the fluid becomes too large a proportion of the total energy.

Hierin ist #f die elektrische Leitfähigkeit des Strömungsmittels. Für #f = 106 ohm-1m-1 und # = 10-4 sec ergibt sich r#1 cm. Where #f is the electrical conductivity of the fluid. For #f = 106 ohm-1m-1 and # = 10-4 sec the result is r # 1 cm.

Solange die Plasmasäule gerade ist, sind #-Pinchplasmen als stabil bekannt. Jedoch kann die Säule aufgrund von Ungenauigkeiten im System leicht gebogen und dann für eine Instabilität enfällig sein. Die Säule ist instabil gegen eine Ausdehnungs-bzw. Aufblähungsweise, wenn ß<rR #2/L2, worin R der Radius der Krümmung der Biegung ist. Durch Einführung von #, der Versetzung der Säule (Abweichung der Säule gegenüber der geraden Linie), wird die Stabilitätsbedingung zu ##ß-1r. Wenn die Säule innerhalb ihres Radius gerade bleibt, ist sie s-tabil gegen die Ausdehnungs- bzw. Aufblähungsweise.As long as the plasma column is straight, # -pinch plasmas are considered stable known. However, the column can easily bend due to inaccuracies in the system and then be void for instability. The column is unstable against a Expansion or. Way of inflation if ß <rR # 2 / L2, where R is the radius of curvature the bend is. By introducing #, the displacement of the column (deviation of the Column opposite the straight line), the stability condition becomes ## ß-1r. if the column stays straight within its radius, it is stable against the expansion or inflation.

Bei einer Einrichtung, die 10 m Länge besitzt, erreicht das Plasma eie Temperatur von 10 keV, wenn die Teilehendichte n = 9 cm 3 ist, die magnetische Feldstärke, die durch di.e Spule 30 erzeugt worden ist, 2000 Gauss beträgt, die Einschließungszeit # 10-5 sec und die Kompressionszeit #c 10-4 sec sind.At a device that is 10 m long, the plasma reaches A temperature of 10 keV when the part density n = 9 cm 3 is the magnetic one The field strength generated by the coil 30 is 2000 Gauss, the Containment time # 10-5 sec and the compression time #c 10-4 sec.

Zum Verständnis der dynamischen Vorgänge der Kompression oder des Implodierens des Einlagematerials 24 durch die Bewegung der Seitenwände 18 und 20 aufeinander zu, werden in der nachfolgenden Beschreibung die Faktoren erläutert, die sich in Termen eines Modells eines Zylinders von incompressiblem Material in einem Vakuum erbeben bzw. in diesein Modell inbegriffen sind, wobei dieses Modell das einfachste beschreibbare Modell ist. Es sei auf die Zeichnung Bezug genommen, in welcher die rotierende flüssige Einlage 24 analog zu einem Zylinder betrachtet werden kann, der einen inneren Radius ng, einen äußeren Radius r2 und eine Dichte #besitzt. Bei t = 0 sei angenommen, daß Druck p rings um den Zylinder zur Anwendung gebracht wird. Die folgenden Gleichungen beschreiben die Bewegung: Um eine angenäherte Lösung zu erhalten wird der Zeitdifferentialkoeffizient des logarithmischen Terms vernachlässigt, so daß man erhält und Wenn jedoch der Druck während der Kompression konstant ist, dann ergibt sich: Wenn der Druck als ein Impuls zur Anwendung kommt, dann erhat man: Um den Druck für eine maximale Kompression zu minimalisieren sollte der Druck während des größten Teils der Kompressionsperiode anhalten. Die Kompressionszeit #c wird gegeben durch Für einen Druck von p = 104 atm, eine Dichte von # = 1 g /cm3 und für r1 = 10 cm beträgt die Kompressionszeit #c angenähert 200 µsec.In order to understand the dynamic processes of compression or imploding of the insert material 24 through the movement of the side walls 18 and 20 towards one another, the following description explains the factors which, in terms of a model of a cylinder of incompressible material, vibrate or move in a vacuum. included in this one model, this model being the simplest writable model. Referring to the drawing, the rotating liquid insert 24 can be viewed as analogous to a cylinder having an inner radius ng, an outer radius r2 and a density #. At t = 0 it is assumed that pressure p is applied around the cylinder. The following equations describe the motion: In order to obtain an approximate solution, the time differential coefficient of the logarithmic term is neglected, so that one obtains and However, if the pressure is constant during compression, then we get: If the pressure is applied as an impulse then one gets: To minimize the pressure for maximum compression, the pressure should be sustained for most of the compression period. The compression time #c is given by For a pressure of p = 104 atm, a density of # = 1 g / cm3 and for r1 = 10 cm, the compression time #c is approximately 200 µsec.

Bei diesem hohen Druck läßt sich die Annahme der Inkompressibi lität nicht anwenden, sofern nicht die Durchgangs- bzw. Übergangszeit der Schallwelle viel kürzer als die Kompressionszeit ist. Die Schallwellengeschwindigkeit ist in der Größenordnung von 105 cm/sec, und die Durchgangs- bzw. Übergangszeit ist kürzer, jedoch vergleichbar. Die Einbeziehung der Kompressibilität verändert die Ergebnisse nicht merkbar, und infolgedessen sind die Gleichungen auf die flii.gsige Einlage 24 anwendbar.At this high pressure, the assumption of incompressibility can be do not apply unless the passage or transition time of the sound wave much shorter than the compression time. The speed of sound waves is in of the order of magnitude of 105 cm / sec, and the transit or transition time is shorter, however comparable. Including compressibility changes the results not noticeable, and consequently the equations are on the fluid deposit 24 applicable.

Die Verzögerung beginnt, wenn das magnetische Feld innerhalb des Zylinders komprimiert und sein Druck bedeutsam bzw. signifikant wird. Aufgrund der Gesetze der Flußerhaltung ergibt sich: worin der angehängte Buchstabe m die Werte bezeichnet, bei denen die Kompression endet und Bm in der magnetischen Feldstärke.The delay begins when the magnetic field within the cylinder compresses and its pressure becomes significant. Based on the laws of river maintenance: where the appended letter m denotes the values at which the compression ends and Bm denotes the magnetic field strength.

Durch Integration über die Zeit erhält man und worin r1 = rm ch # Wenn die implodierende zylindrische Einlage 24 verzögert wird, dann wird sie aufgrund der Raleigh-Taylor-Plasmainstabilität instabil. Die Zuwachsrate G ist gegeben durch worin g die Verzögerung und k die Wellenzahl ist, wobei letztere durch den Ausdruck m/r gegeben ist, ih dem m eine ganze Zahl ist. Die Verzögerung wird gegeben durch die Gleichung dr12/dt oben und beträgt Für eine magnetische Feldstärke von Bm von 106 Gauss, für rm = 1 cm und # = 1 g /cm3 erhält man Die Anstiegs- bzw. Zunahmezeit ist vergleichbar mit der gewünschten Einschließungszeit und der dynamischen Verweilzeit mit Ausnahme für Bedingungen von großem m.Integration over time gives you and where r1 = rm ch # If the imploding cylindrical liner 24 is decelerated, it becomes unstable due to the Raleigh-Taylor plasma instability. The growth rate G is given by where g is the delay and k is the wavenumber, the latter being given by the expression m / r, where m is an integer. The delay is given by the equation dr12 / dt above and is For a magnetic field strength of Bm of 106 Gauss, for rm = 1 cm and # = 1 g / cm3 one obtains The rise time is comparable to the desired containment time and dynamic residence time, except for conditions of large m.

Um die Einlage 214 zu stabilisieren, kann d.i.ese durch die Induktinsspule 26 rotiert werden, und zwar iln wesentlichen In der gleichen Weise wie die Betriebsweise eines Induktionsmotors ist. Wenn der Einlage anfänglich eine Winkelgeschwindigkeit von #o verliehen wird, dann erhöht die Kompression die Winkelgeschwindigkeit. Die Radialverteilung der Winkelgeschwindigkeit hangt von der Viskosität ab. Die Zeitkonstante für die viskoss Dämpfung #v ist lang bzw. groß für ein übliches Strömungsmittel wie beispielsweise Quecksilber. Sie ist gegeb en durch #r2 #v# # worin # die Viskosität ist, die für Quecksilber 1.5 Centipoise beträgt. F'ür r = 1 cm ist die Zeitkonstante 800 sec, und infolgedessen ist die Viskosität vernachlässigbar und das Winkelmoment des Strömungsmittelelements wird aufrecht- bzw. beibehalten. Die Winkelgeschwindigkeit # ist gegeben durch # = #o r2 (t = 0)/r2.In order to stabilize the insert 214, d.i.ese can be done by the inductor coil 26 can be rotated in essentially the same manner as the mode of operation of an induction motor. When the deposit initially has an angular velocity is conferred by #o, then the compression increases the angular velocity. the Radial distribution of the angular velocity depends on the viscosity. The time constant for the viscous damping #v is long or large for a common fluid such as mercury. It is given by # r2 # v # # where # is the viscosity which for mercury is 1.5 centipoise. For r = 1 cm is the time constant 800 sec, and consequently the viscosity and the angular moment are negligible of the fluid element is maintained. The angular velocity # is given by # = #o r2 (t = 0) / r2.

Die Zentrifugalkraft an der Übergangsstelle erhält man durch die Gleichung: #r14 (t = 0)#o2 r1 -3.The centrifugal force at the transition point is obtained from the equation: # r14 (t = 0) # o2 r1 -3.

Mit der Zentrifugalkraft wird die Anstiegs- bzw. Zunahmerate zu Die Stabilitätsbedingung ist gegeben durch mit einer Verzögerung von g = 10m/sec -2, mit r1(t=0)/r1=30 und r1 = 1 cm ergibt sich dann #o>20 sec -1 # 1200 Umdrehungen pro Minute.With the centrifugal force, the rate of increase or increase increases The stability condition is given by with a delay of g = 10m / sec -2, with r1 (t = 0) / r1 = 30 and r1 = 1 cm, the result is #o> 20 sec -1 # 1200 revolutions per minute.

Dies er Wer-t l,eßt sich leicht erzielen. Wenn die Winkelgeschwindigkeit zu groß ist, dann endet die Kompression bevor der innere magnetische Druck auf den gewünschten Wert aufgebaut worden ist.This value can easily be achieved. When the angular velocity is too large, then the compression ends before the internal magnetic pressure is exerted on the desired value has been built up.

Dadurch wird eine obere Grenze f für Q0 gesetzt. Diese Bedingung ist gegeben durch Für das obige Beispiel gilt, daß 1500 Umdrehungen pro Minute >#o @ 1200 Umdrehungen pro Mimite sind. Infolgedessen muß die anfängliche Winkelgeschwindigkeit vor den Beginn der Kompression durch die Seitenwände 18 und 20 zwischen 1200 Umdrehungen pro Minu-te und 1500 Umdrehungen pro Minute für die beschriebenen Werte liegen.This sets an upper limit f for Q0. This condition is given by In the example above, 1500 revolutions per minute are>#o @ 1200 revolutions per minute. As a result, the initial angular velocity prior to the onset of compression by the side walls 18 and 20 must be between 1200 revolutions per minute and 1500 revolutions per minute for the values described.

Ein Weg für die Kompression der Einlage 24 ist die Anwendung eines magnetischen Druckes, der durch eine um die Einlage herum gewickelte Spule erzeugt wird. Die minimale Energie Wm , die für die zylindrisch geformte Einlage erforderlich ist, wird gegeben durch Für eine magnetische Feldstärke von Bm = 2 x 106 Gauss, für rm = 1 cm und L = 10 m ist die erforderliche minimale Energie Wm = 1200 MJ.One way of compressing the liner 24 is to use magnetic pressure created by a coil wound around the liner. The minimum energy Wm required for the cylindrically shaped insert is given by For a magnetic field strength of Bm = 2 x 106 Gauss, for rm = 1 cm and L = 10 m, the required minimum energy is Wm = 1200 MJ.

Das erforderliche magnetische Feld Bc, das durch diese Spule erzeugt werden muß, wird dann gegeben durch Bc = ( µo Wm/L # rc2)½ worin rc der Radius der Spule ist und ein Wirkungsgrad von 100 % angenommen wird. Für Wm = 108 J, L = 10 m, und rc = 0,3, ist das durch die Spule zu erzeugende magnetische Feld Bc ungefähr 60 kG. Bei einem realistischen Wert für den Winkungsgrad liegt das Feld wehrscheinlich im Bereich von 150 # 200 KG, und die betreffende Gesamtenergie ist in der Größenordnung von 109 J, was zu dem Erfordernis einer Hochenergiequelle wie auch eines elektrischen Schalters, der hohe Energiewerte schalten kann, führt.The required magnetic field Bc generated by this coil is then given by Bc = (µo Wm / L # rc2) ½ where rc is the radius of the Coil and an efficiency of 100% is assumed. For Wm = 108 J, L = 10 m, and rc = 0.3, the magnetic field Bc to be generated by the coil is approximate 60 kg. With a realistic value for the degree of angulation, the field is likely to be in the range of 150 # 200 KG, and the total energy involved is of the order of magnitude of 109 J, resulting in the requirement of a high energy source as well as an electric one Switch that can switch high energy values leads.

In Übereinstimmung mit eine wichtigen Aspekt der Erfindung und unter Beachtung der Tatsache5 daß die Kompression mechanisch mit einer Einlage erfolgt, hat ein mechanischer Antrieb zu dessen Kompression gegenüber einem magnetischen Antrieb hierfür mehrere Vorteile. Ein hydraulischer Antrieb ist unter den verschiedenen mechanischen Methoden zu bevorzugen, da er den zusätzlichen Vorteil der Eliminierung einer festen Einlage infolge der Verwendung der leitfähigen Flüssigkeitseinlage 24 als hydraulisches Strömungsmittel besitzt. Die Schlüsselfrage für diese Methode ist, ob die Kompression schnell genug ausgeführt werden kpff0fl.In accordance with an important aspect of the invention and under Note the fact5 that the compression is done mechanically with an insert, has a mechanical drive for its compression compared to a magnetic one Drive this has several advantages. A hydraulic drive is among the various mechanical methods are preferable as it has the added benefit of elimination a solid insert due to the use of the conductive liquid insert 24 as a hydraulic fluid. The key question for this method is whether the compression can be performed fast enough kpff0fl.

Um zu bestimmen, ob eine derartige hydraulische Kompression mit ausreichender Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, sei der Vakuumraum 28 von zylindrischem Radius r1, der durch die Einlage 24 aus rotierendem Strömungsmittel, welche den Radius r2 besitzt, umgeben ist. Die axialsymmetrischen Hämmer oder Kolben 34 ergeben einen Impuls beim Radius r2. In dem Fall, in welchem der Impuls langsam angewandt wird, d.h., wenn die Wellenlänge der Schallwelle, die der Zeitdauer des Impulses entspricht, größer als r2 ist, sind die Berechnungen, die vorstehend für das Modell eines Zylinders von inkompressiblem Material dargelegt wurden, anwendbar.To determine whether such hydraulic compression is sufficient Speed can be carried out, let the vacuum space 28 of cylindrical Radius r1 passed through the liner 24 of rotating fluid containing the Has radius r2, is surrounded. The axially symmetrical hammers or pistons 34 result an impulse at radius r2. In the case where the pulse is applied slowly becomes, i.e. when the wavelength of the sound wave is equal to the duration of the pulse is greater than r2, the calculations above are for the model a cylinder of incompressible material are applicable.

Für einen Impuls von kürzeren Zeitdauern muß man Kompressibilität, infolgedessen die Schallwelle, in die Rechnung einbeziehen.For a pulse of shorter duration one has to have compressibility, consequently, include the sound wave in the calculation.

Die Bewegungsgleichungen werden gegeben durch #p #(ovr) + 1/r = 0 .The equations of motion are given by #p # (ovr) + 1 / r = 0.

#t #r Das Dichtepotential r# wird eingefügt, und es ist definiert durch Durch Übergang von Euler-Koordinaten (r, t) zu Lagrang-Koordinaten oder Materialkoordinaten (#, t) ergibt sich #r v= #t #2r #p = - r #t2 # # Durch V@@wendung von dp/dp - @2 als Schallgeschwindigkeit 5 erhält man oder Für eine Welle kleiner Amplitude ergibt sich r2 = ro2 + 2 # .#t #r The density potential r # is inserted and it is defined by The transition from Euler coordinates (r, t) to Lagrang coordinates or material coordinates (#, t) results in # rv = #t # 2r #p = - r # t2 # # By using V @@ using dp / dp - @ 2 as the speed of sound 5 is obtained or For a wave of small amplitude this results r2 = ro2 + 2 #.

Hierbei ist #o die nichtverteilte Dichte und rO ist d.ie Anfangsposition der Strömungsmittelelemente. Dann ergibt sich Das ist eine S Standardschallwellengleichung. Die Lösung wird gegeben durch # = #(vst - kro) worin k die Wellenzahl ist.Where #o is the nondistributed density and r0 is the initial position of the fluid elements. Then it arises This is a standard S sound wave equation. The solution is given by # = # (vst - kro) where k is the wave number.

Für eine Welle großer Amplitude muß die Gleichung numerisch gelöst werden. Der Haupt effekt der begrenzten Amplitude ist die Wellenfront steiler zu machen, vorausgesetzt, daß die Dämpfung bei höheren harmonischen Frequenzen vernachlässigbar ist. In dem interessierenden Frequenzbereich von 104 sec -1 ist die Dämpfung vernachlässigbar.For a wave of large amplitude, the equation must be solved numerically will. The main effect of the limited amplitude is that the wavefront becomes steeper make, provided that the attenuation at higher harmonic frequencies is negligible is. In the frequency range of interest of 104 sec -1, the attenuation is negligible.

Die Schallgeschwindigkeiten für ein typisches Strömungsmittel, wie beispielsweise Quecksilber, liegen bei 1,5 x 105 cm/sec.The speeds of sound for a typical fluid such as for example mercury, are 1.5 x 105 cm / sec.

Die Wellenlänge, welche einer Frequenz von 104 sec -1 entspricht, beträgt 90 cm, was größer jedoch vergleichbar mit einem typischen Wert für den Radius ist.The wavelength, which corresponds to a frequency of 104 sec -1, is 90 cm, which is larger but comparable to a typical value for the radius is.

Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung kann der Impuls durch die Kombination des Hammers 34 und der beweglichen Seitenwände 18, 20, die wie ein Kolben wirken, erzeugt werden.According to an important aspect of the invention, the pulse can through the Combination of the hammer 34 and the movable side walls 18, 20, which like a piston act, be generated.

Bei einer zylindrischen geometrischen Konfiguration muß der Kolben in einer solchen Weise geformt sein, d.aß er keinen angenähert exialsymmetrischen Impuls erzeugt, was zu dem Erfordernis der begenförmig verlaufenden Oberfläche 22 der Seitenwände 18, 20 führt. Die Verzögerungszeit des Hammers 34 muß auf die Frequenz der erzeugten Welle abgestimmt sein.In the case of a cylindrical geometric configuration, the piston must be shaped in such a way that it is not approximately symmetrical Impulse is generated, resulting in the requirement of the sloping surface 22 the side walls 18, 20 leads. The delay time of the hammer 34 must be on the frequency be matched to the generated wave.

Für einen Hammer mit einer Masse M pro Flächeneinheit des Strömungsmittels und einer Anfangsgeschwindigkeit u erhält man # Mu # p # #1 vs2 = #ovsu , worin # die Winkelfrequenz, p der erzeugte Druck und #1 der Dichtezuwachs bzw. das Dichteinkrement ist. Durch Gleichsetzung der Verzögerungszeit und der Schallfrequenz ergibt sich M = #o/k Da kr2 # 1 ist, ist die Masse des Hammers mit der Strömungsmittel@asse vorgleichbar. Die Geschwindigkeit des Hammers 34 wird gegeben durch u = p/(#ovs) Für p = .1010 dyn/cm2, welcher Wert einem magnetischen Druck von 500 kG entspricht, und für #o = 10 gm-3 sowie v = 1,5 x 105 cm/sec ergibt sich eine Anfangsgeschwindigkeit u des Hammers 34 von 6 x 103 cm/sec, die relativ leicht erzielbar ist.For a hammer with a mass M per unit area of the fluid and an initial speed u one obtains # Mu # p # # 1 vs2 = #ovsu, where # the angular frequency, p the pressure generated and # 1 the density increase or the density increment is. Equating the delay time and the sound frequency results M = # o / k Since kr2 is # 1, the mass of the hammer with the fluid is @ asse comparable. The speed of the hammer 34 is given by u = p / (# ovs) For p = .1010 dyn / cm2, which value corresponds to a magnetic pressure of 500 kG, and for #o = 10 gm-3 and v = 1.5 x 105 cm / sec there is an initial speed u of the hammer 34 of 6 x 103 cm / sec, which is relatively easy to achieve.

In Fortsetzung der Erläuterung der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß das maximale magnetische Feld, welches durch die Kompression der flüssigen Einlage 24 erzielbar ist, durch die maximale Stromdichte in der leitenden Flüssigkeit oder dem Leiter begrenzt werden kann. Eine grobe Abschätzung läßt sich dadurch erhalten, daß man die Zeit #b berechnet, die der Wechsel der Phase des Leiters erfordert. Infolgedessen ergibt sich worin # der mittlere spezifische Widerstand, j die Stromdichte, C der Wärmeinhalt pro Volumen und Tb und To die Siede- oder Schmelzpunkte und die Anfangstemperatur bedeuten. Für die Kupfereinlagen gilt C#106 cal/m3, Tb#1000 °C, ##>x 108 ohm.In continuing the explanation of the invention, it should be pointed out that the maximum magnetic field which can be achieved by the compression of the liquid insert 24 can be limited by the maximum current density in the conductive liquid or the conductor. A rough estimate can be obtained by calculating the time #b it takes to change the phase of the conductor. As a result, it results where # is the mean specific resistance, j is the current density, C is the heat content per volume and Tb and To are the boiling or melting points and the initial temperature. For the copper inlays, C # 106 cal / m3, Tb # 1000 ° C, ##> x 108 ohm applies.

Mit## = 10-4 sec ergibt sich die Stromdichte zu Das maximale Feld und die Stromdichte sind verknüpft durch die Beziehung Bm = µoj# worin # die Skintiefe ist, die gegeben ist durch # = (µo/#b#)-½ .With ## = 10-4 sec the current density results in The maximum field and the current density are related by the relationship Bm = µoj # where # is the skin depth given by # = (µo / # b #) - ½.

Dann wird Bm zu Für Kupfer wird Bm angenähert 500 kG. Dieser Wert ist pessimistisch, da Kupfer noch ein relativ guter Leiter ist, nachdem es geschmolzen werden ist. Auch kann der hohe Druck zur Erhöhung der Schmelzpunkte beitragen. Bei einem flüssigen Leiter wird die maximale magnetische Feldstärke durch die Verdampfungsrate begrenzt. Die Verdampfung an der Grenzfläche zwischen Vakuum und Strömungsmittel bewegt die stromtragende Schicht zurück. Wenn die Verschiebung im Vergleich mit der Skintiefe klein ist, dann kann die Verdampfung toleriert werden. Die Begrenzung auf das Feld wird gegeben durch worin H die Verdampfungswärme pro Volumeneinheit, # die Skintiefe und # die Dauer ist. Durch Verwendung der Formel für die Skintiefe erhalt man Bm2/µo<H Für einem typischen Wert von H = -4 x 104 J/cm3 ergibt sich Bm#2 2 x 106 G.Then Bm becomes For copper, Bm is approximately 500 kG. This value is pessimistic as copper is still a relatively good conductor after it has been melted. The high pressure can also contribute to increasing the melting point. With a liquid conductor, the maximum magnetic field strength is limited by the evaporation rate. The evaporation at the interface between vacuum and fluid moves the current-carrying layer back. If the displacement is small compared to the skin depth, then the evaporation can be tolerated. The limitation to the field is given by where H is the heat of vaporization per unit volume, # the skin depth and # the duration. Using the formula for the skin depth, we get Bm2 / µo <H For a typical value of H = -4 x 104 J / cm3 we get Bm # 2 2 x 106 G.

Wie bereits weiter oben erörtert wurde, umfaßt die Erfindung insbesondere auch die toroidale Konfiguration, obwohl diese in der Zeichnung nicht speziell dargestellt ist.As discussed above, the invention encompasses in particular also the toroidal configuration, although not specifically shown in the drawing is.

Eine toroidale Flasche hat keine Lekage längs Flußlinien, aber das Plasma muß sich in einem toroidalen Gleichgewicht befinden, wozu eine gewisse Form eines poleidalcii Magnetfeldes erforderlich ist. Die Einschließungszeit (für die auch im gesamten Umfang der Beschreibung in gleicher Weise der Begriff "Einengungszeit" gesetzt werden kann) wird durch den Transportvorgang bestimmt. Ein toroidaler #-Pinch mit toroidalem Plasmastrom ist die einfachste Konfiguration, vorausgesetzt daß die Konfiguration magnetohydrodynamisch stabil ist. Bei einem Torus mit einem Flächen- bzw. Seitenverhältnis R/r erfordert das magnetohydrodynamische Gleichgewicht ß@# R/r. Das bedeutet, daß die poloidale magnetische Feldstärke B@ in der Größenordnung von ist, worin Bt die toroidale Stärke ist. Ein Hoch- ß -Gleichgewicht erfordert eine beträchtliche poloidale Feldstärke.A toroidal bottle has no leakage along lines of flux, but the plasma must be in toroidal equilibrium, which requires some form of a poleidalcii magnetic field. The containment time (for which the term "constriction time" can be used in the same way throughout the scope of the description) is determined by the transport process. A toroidal # pinch with toroidal plasma flow is the simplest configuration, provided that the configuration is magnetohydrodynamically stable. In the case of a torus with an area or aspect ratio R / r, the magnetohydrodynamic equilibrium requires ß @ # R / r. This means that the poloidal magnetic field strength B @ is of the order of is where Bt is the toroidal strength. A high ß equilibrium requires a considerable poloidal field strength.

Für eine hohe Dichte von n = 1019 cm-3 ist die erforderliche Einschließungszeit nur 10 µsec, und sie ist nicht schwierig zu erreichen, wenn die Konfiguration magnetohydrodynamisch stabil ist. Infolgedessen ist der Schlüssel für die toroidale Kompression magnetohydrodynamisches Gleichgewicht und magnetohydrodynamische Stabilität.For a high density of n = 1019 cm-3 is the required containment time only 10 µsec, and it is not difficult to achieve if the configuration is magnetohydrodynamic is stable. As a result, the key to toroidal compression is magnetohydrodynamic Equilibrium and magnetohydrodynamic stability.

Wegen der toroidalen Krümmung ist eine negative Reifen- bzw.Because of the toroidal curvature, a negative tire resp.

Ringkraft in dem toroidalen Vakuumbereich vorhanden. Das heißt, daß der Hauptradius abnimmt, wenn der kleinere Radius zusammengedrückt wird. Ein poloidales Magnetfeld ist erforderlich, um Gleichgewicht sowohl für das Plasma als auch für die Einlage aufrecht zu erhalten. Die notwendige Stärke des poloidalen Feldes beträgt des toroidalen Feldes.Ring force present in the toroidal vacuum area. That is, the major radius decreases as the smaller radius is compressed. A poloidal magnetic field is required to maintain equilibrium for both the plasma and the liner. The necessary strength of the poloidal field is of the toroidal field.

Es besteht die Möglichkeit, anfänglich ein vertikales Feld anzwqenden und sowohl den Hauptradius bzw. den größeren Radius als auch den kleineren Radius einzuengen bzw. schrumpfen zu lassen. Der toreidale Vakuumbereich schrumpft in den größeren Radius, und zwar wegen der negativen Ring- bzw. Reif enkraft, und der größere Plasmaradius schrumpft wegen des wachsenden Vertikalfeldes.It is possible to initially apply a vertical field and both the major radius and the larger radius as well as the smaller radius constrict or shrink. The gateidale vacuum area shrinks into the larger radius, because of the negative ring or tire force, and the larger one Plasma radius shrinks because of the growing vertical field.

Im toroidalen Falle ist es schwierig, die Stabilität der Einlage durch Rotation zu stabilisieren. Ein poloidales Feld, welches mit dem toroidalen Feld. vergleichbar ist, stabilisiert sie.In the toroidal case it is difficult to maintain the stability of the insert Stabilize rotation. A poloidal field, which coincides with the toroidal field. is comparable, it stabilizes.

Das poleidale Feld kann entweder durch einen inneren Ring oder durch Plasmastrom erzeugt werten. Es gibt zwei Wege zur Erzeugung eines toreidalen Stroms, nämlich mittels eines Spaltes oder eines spiralförinigen Schnittes. Beim ersten Verfahren besitzt die Einlage einen überlappenden Spalt, und der Strom wird in Standardweise induziert. Sobald die Kompression beginnt, verkürzt sich der Spalt und wirkt als geschlossener Torus. Beim zweiten Verfahren werden spiralförmige Nuten in die toroidale Einlage geschnitten. Die Kompression induziert ein toroidales elektrisches Feld und infolgedessen einen toroidalen Strom. Die Nuten werden früh während der Kompression ausgeglättet, und der Torus wird axialsymmetrisch. Jedoch bedeutet der zur Verfügung stehende bzw. zur einmaligen Benutzung dienende Ring zusätzlich zu der zur Verfügung stehenden bzw.The poleidale field can either be through an inner ring or through Evaluate plasma current generated. There are two ways to create a gate-way current, namely by means of a gap or a spiral cut. The first In the process, the liner has an overlapping gap, and the flow is in standard manner induced. Once the compression begins, the gap shortens and acts as a closed torus. The second method is to create spiral grooves in the toroidal one Insert cut. The compression induces a toroidal electric field and consequently a toroidal current. The grooves are made early during compression smoothed out, and the torus becomes axially symmetric. However, that means available standing or one-time use ring in addition to the available standing or

zur einmaligen Benutzung dienenden Einlage keinen schweren Nachteil. Der große Vorteil besteht darin, daß das Plasma in diesem Falle genügend stabil ist. Die Kraft, die sich aufgrund des poloidalen Feldes ergibt, ist nach auswärts gerichtet, weil die Plasrnakompression durch das toroidale Feld erzeugt wird und Stabilität garantiert. Es ist schwierig, wenn es überhaupt möglich ist, das Plasma ohne den inneren Ring zu stabilisieren. Die Stabilisierung der Einlage erfordert ein poloidales Feld von ungefähr der gleichen Stärke wie derjenigen des toroidalen Feldes, und das führt dazu, daß die Schleifenart schwer zu stabilisieren ist.single-use insert does not have a serious disadvantage. The big advantage is that the plasma is sufficiently stable in this case is. The force resulting from the poloidal field is outward directed because the plasma compression by the toroidal field and guarantees stability. It's difficult, if at all possible is to stabilize the plasma without the inner ring. Stabilization of the deposit requires a poloidal field of roughly the same strength as that of the toroidal field, and this makes the loop type difficult to stabilize is.

Mit einem inneren Ring kann das Plasma genügend stabil gemacht werden. Die Kompression wird durch das toroidale Nagnetfeld erzeugt, und die Kraft, die aufgrund des poloidalen Feldes entsteht, ist; nach auswärts gerichtet und macht die Konfiguration magnetohydrodynamisch stabil. Die Verwendung eines verfügbaren bzw. zum einmaligen Gebrauch bestimmten Kinges zusätzlich zu einer zur Verfügung stehenden bzw. zum einmaligen Gebrauch dienenden Einlage bedeutet keinen großen Nachteil.The plasma can be made sufficiently stable with an inner ring. The compression is created by the toroidal magnetic field, and the force that arises due to the poloidal field; directed outwards and makes the configuration is magnetohydrodynamically stable. Using an available or Kinges intended for single use in addition to one available standing or single-use insert does not mean a large one Disadvantage.

Jedoch ist der Ring für die Instabilität anfällig, wenn der magnetische Druck die Belastungsgrenze des Rlnges übersteigt.However, the ring is prone to instability when the magnetic Pressure exceeds the load limit of the length.

Die toroidalen Konfigurationen sind viel komplizierter als die linearen Konfigurationen ungeachtet ihrer Potentialvorteile.The toroidal configurations are much more complicated than the linear ones Configurations regardless of their potential advantages.

Sie erfordern viel eingehendere Studien, bevor eine adäquate Abschätzung durchgeführt werden kann.They require much more in-depth study before an adequate assessment can be carried out.

Bezüglich einer Spitzen-, Scheitel-, Wendepunkt- oder Cuspiskonfiguration ("cusp configuration") (diese Konfiguration wird nachstehend als "Cusp-Konfiguration" bezeichnet) haben frühere Experimente gezeigt, daß die effektive Breite der Leitungscusps grob 2 #i (Ionenkreiselradius im externen Feld).With regard to a tip, apex, inflection point or cusp configuration ("cusp configuration") (this configuration is hereinafter referred to as the "cusp configuration" earlier experiments have shown that the effective width of the line cusps roughly 2 #i (ion gyro radius in the external field).

Die Einschließungszeit # ist gegeben durch = v @ = 4# rc#ivs worin rc der Radius des Leitungscusp und V das Volumen des Plasmas ist. Wenn der Forrnfaktor f definiert ist durch die Gleichung V = fr3c' dann wird die Einschließungszeit wiedergegeben durch # = frc2 eB 4n T Die Bemessung ist Bohm-artig. Für B = 106 G, T = 104 eV, n = 1019 cm-3, und f = 10-1, ergibt sich rc zu 30 cm, was beträchtlich klein ist.The containment time # is given by = v @ = 4 # rc # ivs wherein rc is the radius of the conduit cusp and V is the volume of the plasma. If the form factor f is defined by the equation V = fr3c 'then the containment time is given by # = frc2 eB 4n T The dimensioning is Bohm-like. For B = 106 G, T = 104 eV, n = 1019 cm-3, and f = 10-1, results in rc to be 30 cm, which is considerably small.

In der obigeil Berochyjng wird von der Annahme ausgegangen, daß der Formfaktor unabhängig von #1 ist, und er ist wahrscheinlich richtig für schare Grenzfälle. Wenn die Schichtdicke groß und vergleichbar mit der Plasmaabmessung wird, dann wird die Einschließungszeit viel kürzer als der Wert, der mit der obigen Gleichung gegeben ist.In the above Berochyjng it is assumed that the Form factor is independent of # 1, and it is probably correct for sharp borderline cases. If the layer thickness becomes large and comparable to the plasma dimension, then the inclusion time is much shorter than the value given by the above equation is.

Die Kompression eines Cusp unterscheidet sich von den #-Pinch in den Bemessungsgesetzen. Es gelten n = αn o T o B =α2/3 Bo # =α-γ+1 #o ß =αγ-4/3ß Das anfängliche Magnetfeld muß größer sein ald im Falle des #-Pinchs, jedoch kann die Kompressionszeit ein wenig länger sein. Obwohl der Vorteil des Cuss tatsächlich die kleine Abmessung ist, läßt sich die Cusp-Kompression weniger verstehen als die #-Pinch-Kompression.The compression of a cusp differs from the # -pinch in the Design laws. We have n = αn o T o B = α2 / 3 Bo # = α-γ + 1 #o ß = αγ-4 / 3ß The initial magnetic field must be greater than in the case des # -pinch, however the compression time can be a little longer. Although the The advantage of the cuss is actually the small size, the cusp compression can be used understand less than # -pinch compression.

Im Hinblick auf die Einlage 24 für eine Cusp-Konfiguration macht das ungleichniäßlge magnetische Feld die Instabilität schlecht. Die Zunalime- bzw. Anstiegsrate ist gegeben durch Obwohl das stabile Fenster für zur fast geschlossen ist, kann es nicht erforderlich sein, die Art und Weise bzw. den Weg vollständig zu stabilisieren jedoch die Anstiegs- bzw.With regard to the insert 24 for a cusp configuration, the uneven magnetic field makes the instability poor. The increase rate is given by Although the stable window is almost closed for us, it may not be necessary to completely stabilize the way or the path, but the rise or fall.

Zunahmerate herabzusetzen, bis sie vergleichbar mit der Einschließungszeit wird. Zusätzlich kann die Leitungsverbindung bei dieser kurzen Einrichtung dazu helfen, die Anstiegs- bzw. Zunahmerate herabzusetzen.Rate of increase decrease until it is comparable to the inclusion time will. In addition, the line connection can be added to this short device help to reduce the rate of increase or increase.

Wie die - obige Beschreibung und die obigen Erläuterungen der Erfindung zeigen, hat die beschriebene Einrichtung viele erwünscht Eigenschaften und Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Anfangsenergieerfordernisse für die Erhitzung des Plasmas auf die gewünschten thermonuklearen Temperaturen und im Hinblick auf den relativ unkomplizierten strukturellen Aufbau und die kompakten Abmessungen der Einrichtung. Im einzelnen wird mit der Einrichtung nach der Erfindung in wirksamer Weise die Notwendigkeit für einen Schalter für große elektrische Leistungen ausgeschaltet, indem das Erfordernis für ein magnetisches Feld extrem hoher Energie herabgesetzt wird, und zwar wegen der Einfügung eines mechanisches Antriebs, welcher die Einlage und das vorhandene magnetische Feld zusammendrückt, um dadurch den gewünschten Pinch-Effekt am Plasma zu erzeugen.Like the above description and the above explanations of the invention show, the device described has many desirable properties and advantages, particularly with regard to the initial energy requirements for heating the Plasmas to the desired thermonuclear temperatures and with regard to the relatively uncomplicated structural design and the compact dimensions of the device. In detail, with the device according to the invention in an effective manner Need for a switch for large electrical powers turned off, by reducing the requirement for an extremely high energy magnetic field is, because of the insertion of a mechanical drive, which the insert and compresses the existing magnetic field, thereby creating the desired pinch effect to generate on the plasma.

Zusätzlich besitzt die Verwendung einer rotierenden, elektrisch leitenden Flüssigkeit, wie beispielsweise von geschmolzenem Metall, zur Erzielung einer Einlage, die ein Vakuum längs der Achse hat, insofern Vorteile, als sie unter Verwendung des vorbeschreibenen mechanischen Antriebs zusammengedrückt werden kann und als die Einlage eine erhöhte Wiederholungsrate besitzt. Darüberhinaus kann die rotierende flüssige leitende Einlage auch als Abschirmung bzw Blanket dienen, vorausgesetzt, daß eine geeignete Flüssigkeit, wie beispielsweise geschmozenes Lithium, verwendet wird.In addition, it has the use of a rotating, electrically conductive Liquid, such as molten Metal, to achieve an insert that has a vacuum along the axis in that it has advantages in that it is under Can be compressed using the mechanical drive described above and as the insert has an increased repetition rate. In addition, the rotating liquid conductive insert also serve as a shield or blanket, provided that a suitable liquid such as fused lithium is used will.

Die Einri ehtung bzw. das Gerät gemäß der Erfindung ist zwar insbesondere dazu anwendbar, Plasma auf thermonukleare Temperaturen zu bringen, sie ist aber auch nützlich insofern, als si.e dazu benutzt werden kann, ein starkes magnetisches Feld auch für andere Zwecke als die Zwecke der Fusion zu erzeugen.The Einri ehtung or the device according to the invention is particular applicable to bringing plasma to thermonuclear temperatures, but it is also useful in that it can be used to create a strong magnetic Field also to be generated for purposes other than the purposes of the merger.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Method of creating and maintaining a compressed or constricted plasma and to raise the temperature of the plasma to thermonuclear Levels, g e -k e n n z. e i n e t d u r r the following procedural steps: (a) rotating an enclosed body of electrically conductive liquid, so that an elongated space is created and maintained within the body will; (b) creating a plasma along the axis of space; (c) Applying a magnetic field along space; and (d) mechanical reduction in diameter of space, so that the magnetic field is compressed and thereby the plasma compressed or constricted and causes the plasma to be thermonuclear Temperature reached.

2. Means for creating and maintaining a compressed or constricted plasma and to raise the temperature of the plasma to thermonuclear Levels and for performing the method according to claim 1, g e k e n n z e i c h n e t d u. r c h the following combination: (a) a containment facility (10), in which an elongated recess, bore or the like (12) is provided, which defines or delimits a container; (b) a body (24) of electrical conductive material that is inside the container, but not it completely fills; (c) an induction device (26) for inductively rotating the Body of electrically conductive material in the liquid phase for the purpose of Generating a centrifugal force which is sufficient to move along the axis of the Recess, bore or the like (12) to generate and maintain space (28) extending; (d) a plasma generating device for generating a plasma along the axis the recess, bore or the like.

(12) Inside the space (28); (e) a magnetic field generating device to apply a magnetic field along the recess, hole or the like.

(12); and (f) a compression device (34, 36) for mechanical Reduction of the diameter of the recess, hole or the like. And thereby to reduce the diameter of the space for the purpose of printing the magnetic field together, so that a pinch effect is created on the plasma and thereby caused the plasma thermonuclear temperatures reached.

3. Device according to claim 3, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the containment device (10) comprises a plurality of wall parts (14, 16, 18, 20) which are in sealing engagement with one another, with some the wall parts (18, 20) for the purpose of reducing the diameter of the recess, Hole or the like

(12) are movable relative to one another.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e -k e n n indicate that the containment means (10) have a pair of end caps or closures.

5. Device according to claim 2, 3 or 4, d a d u r c h g e k e n It is noted that the containment device (10) is a recess, bore or the like (12) which has an elongated cylindrical shape.

6. Device according to one of claims 2-5, d a d u. R c h g e it is not indicated that the containment device (lo) is essentially is straight and has two or more elongated wall parts (18, 20), the inner Surfaces (22) have which the recess, bore o. The like. (12) in general define or limit, these wall parts for the purpose of reducing the Durcknessers of the recess, bore or the like. Can be moved relative to one another.

7. Device according to one of claims 3 - 6, d a d u r c h g e k It should be noted that the containment device (10) is substantially straight is and two spaced apart, stationary, elongated wall parts (14, 16) has the opposite, generally flat or even surfaces own; as well as a Pair of spaced apart, elongated wall parts (18, 20), the inner, arcuate, one another have opposite surfaces (22) which relative to each other and to the stationary wall parts are movable, the opposing surfaces of the wall parts generally limit or define the recess, hole or the like (12), and further wherein the wall portions (18, 20) having an arcuate surface own, for the purpose of reducing the diameter of the recess, bore o. Like. (12) are movable towards each other.

8. Device according to one of claims 2-7, in particular according to one of claims 4 - 7, d u r c h g e n nz e i c h n e t that the length of the containment device (10) is approximately 10 m.

9. Device according to one of claims 2 - -8, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t that the body (24) made of electrically conductive material almost fills the container.

10. Device according to one of claims 2-9, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h-n e t that the body (24) is made of electrically conductive material is a molten vietal.

11. Device according to claim 10, d a d u r c h g e k e n nz e i c Note that the molten metal is mercury, copper, sodium, or lithium is.

12. Device according to one of claims 2-11, d a d u r c h g e it is not indicated that the body (24) is made of electrically conductive material is rotated in the liquid phase with such an angular velocity, that a cylindrically shaped space along the axis of the recess, We created a hole or the like (12).

13. Device according to claim 12, d a d u r c h g e k e n nz e i c That is, the angular velocity is within the range of 1200 to 1500 Revolutions per minute.

14. Einrichtullg according to one of claims 2-13, d a d u r c h g It is noted that the liquid rotating device is an induction coil having an axis which is parallel to the axis of the recess, bore or the like (12), wherein the induction coil in the excited state is able to to rotate the liquid around the axis of the recess, bore or the like.

15. Device according to one of claims 2-14, d a d u r c h g e it is not indicated that the compression device, which the recess, Bore or the like (12) a mechanical drive device (34) for applying a Impulse on the containment means (10).

16. Device according to claim 15, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the compression device, which the recess, bore o. The like. (12) reduced, a mechanical drive device (34) for applying a pulse on movable wall parts (18, 20) of the containment device (10).

17. Device according to claim 16, d a d u r c h g e k e n nz e i c Note that the mechanical drive device is hydraulically driven hammer devices (34) in the vicinity of the movable wall parts (18, 36; 20, 36) of the containment device (10) has that hit or impinge on the wall parts and these one on top of the other to be able to move.

18. Device according to one of claims 2-16, d a d u r c h g e I do not know that the thermonuclear temperatures are of the order of magnitude of 10 keV.