DE2510210C3

DE2510210C3 - Plasmafokus-Reaktor

Info

Publication number: DE2510210C3
Application number: DE2510210A
Authority: DE
Inventors: Selim Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Mourad
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-03-08
Filing date: 1975-03-08
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2510210A1; FR2304244B3; DE2510210B2; GB1531326A; FR2304244A1

Description

JO

Die Erfindung bezieht sich auf <?ine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fokus von heißem Plasma mit einem evakuierbaren Gehäuse, zwei in diesem angeordneten voneinander elektrisch isolierten koaxialen Elektroden, einer zwischen die Elektroden schaltbaren Impulsspannungsquelle und einem Einlaß zwischen den Elektroden für ein Arbeitsgas, sowie die Verwendung derartiger Vorrichtungen in einem Plasmafokus-Reaktor.

Aus Phys. of Fluids, Band 8, 1965, Seite 366 ff, ist ein Plasmafokus-Reaktor bekannt, der zwei derartige Vorrichtungen enthält Mit einem derartigen Plasmafokus-Reaktor erreichte man Teilchendichten über 10²⁰Cm-³ bei Elektronentemperaturen zwischen 1 und 5keV.

Derartige Plasmafokus-Reaktoren können, wenn sie mit Deuterium als Arbeitsgas betrieben werden, zur Erzeugung von Neutronen für die Neutronographie bei Werkstoffprüfungen eingesetzt werden. In bisherigen Versuchen mit Plasmafokus-Reaktoren hat man festgestellt, daß besonders in der Umgebung des Plasmafokus die verwendeten Elektroden sehr rasch korrodieren. Diesen Nachteil versuchte man dadurch auszugleichen, daß die Elektroden in diesem Bereich aus besonders widerstandsfähigen Materialien, so z. B. aus Wolfram ■>■> gefertigt wurden. Da heutzutage mit Plasmafokus-Reaktoren jedoch hohe Zündfolgen etwa mit einem Impuls pro Sekunde erreicht werden, ist die Beanspruchung der Elektroden trotzdem sehr hoch.

Es ist allgemein bekannt, vgl. die US-Patentschrift 33 43 019, die thermische Beanspruchung von Elektroden durch Kühlung zu verringern. Im Zuge der Überlegungen zur Energieeinsparung ist ferner bereits allgemein vorgeschlagen worden, Energie, die bisher z. B. durch Kühlung ungenutzt abgeführt wurde, zurückzugewinnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Fokus von heißem Plasma der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der Wirkungsgrad erhöht und die Beanspruchung der Elektroden verringert wird.

Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Innenelektrode an ihrer Stirnseite, in deren Nähe der Plasmafokus erzeugt wird, eine Vertiefung aufweist, daß die Außenelektrode im Bereich der Stirnseite der fnnenelektrode gegen diese gebogen ist, daß zumindest die Innenelektrode ein Kühlsystem zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit aufweist, das mit einer Einrichtung zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie aus der Kühlflüssigkeit verbunden ist und daß die Innenelektrode an der Vertiefung mit einem verstärkten Metallbelag versehen ist, der innig mit dem Kühlsystem in Verbindung steht

Durch die Kühlung der Elektroden wird deren thermische Beanspruchung herabgesetzt Durch die Vertiefung in der Innenelektrode wird der Plasmafokus, an dem das Plasma zusammenbricht, gut zentriert Gleichzeitig wird dadurch, daß der Plasmafokus näher zu der Inneneleklrode rückt, hier ein sehr guter Wärmeübergang zu dem Kühlsystem erreicht, so daß ein hoher Anteil der zum Betrieb der Vorrichtung aufgebrachten Energie wieder rückgewonnen werden kann. Trotz der Nähe des Plasmafokus zur inneren Elektrode wird deren Korrosion nicht verstärkt, da durch die Vertiefung der Elektrode deren dem Plasmafokus zugewandte Oberfläche vergrößert ist Außerdem ist die Elektrode mit einem sich in Richtung des Plasmafokus verstärkten Metallüberzug versehen, mit dem die Korrosion ebenfalls vermindert wird. Die Zentrierung des Plasmafokus wird ferner dadurch verstärkt, daß die Außenelektrode im Bereich der Stirnseite der Innenelektrode gegen diese gebogen ist.

Gemäß einer bevorzugten Verwendung der Erfindung werden mehrere Vorrichtungen zum Erzeugen eines Fokus von heißem Plasma in einem Plasmafokus-Reaktor sternförmig angeordnet, wobei die Kühlsysteme aller Vorrichtungen miteinander verbunden sind. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, die Kühlflüssigkeit derart aufzuheizen, daß diese selbst oder eine mit ihr in Verbindung stehende weitere Arbeitsflüssigkeit verdampft wird und eine Turbine beaufschlagt, die mit einem Generator etwa zur Stromerzeugung verbunden ist

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert In dieser stellen dar

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fokus von heißem Plasma und

Fig.2 eine Anordnung aus mehreren derartigen Vorrichtungen in einem Plasmafokus-Reaktor.

Eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Plasmafokus besteht aus einem Sockel 2, auf dem eine hohle kupferne Innenelektrode 3 angeordnet ist Im Inneren der Elektrode 3 ist ein hier nur angedeutetes Kühlsystem 4 angeordnet, daß eine Hinleitung 5 und eine Rückleitung

6 aufweist. Zwischen den Leitungen ist eine Kühlwendel

7 angeordnet, die selbstverständlich in bekannter Weise auch durch andere geeignete Konstruktionen, etwa Kühlrippen, ersetzt werden kann. Die Elektrode ist auf ihrer Stirnseite mit einer Vertiefung 8 versehen, die mit einem korrosionsbeständigen Metall 9, etwa Wolfram, belegt ist.

Am Hals der Innenelektrode ist eine Glasisolierung 10 vorgesehen, auf der wiederum eine kupferne, die Innenelektrode umfassende Außenelektrode U angeordnet ist. Die gesamte Vorrichtung ist durch ein

Gehäuse 12 abgeschlossen, das mit einer Vakuumpumpe 13 verbunden ist Mit dem Gehäuse steht ferner ein Behälter 14 für ein Arbeitsgas, etwa Deuterium, in Verbindung, das über ein Ventil 15 nach der Evakuierung des Gehäuses 12 in dieses eingebracht werden kann. Die Außenelektrode U ist an einigen , Stellen durchbrochen, so daß das Arbeibgas auch zwischen die beiden Elektroden gelangt

Die beiden Elektroden 3 und 10 sind über eine Impulsspannungsquelle aus einer Kondensatorbatterie ι ο 16 und einem schnellen Schalter 17 miteinander verbunden. Der Kondensator kann konventionell aufgeladen werden. In besonderen Fällen kann auch eine Aufladung durch Blitzenergie in Betracht gezogen werden.

Das Kühlsystem ist mit einer Einrichtung 18, etwa einem Wärmetauscher in Art einer Sprühkammer, verbunden.

Insbesondere in der direkten Umgebung des Plasmafokus ist die Temperatur der Innenelektrode 3 sehr hoch. Um hier guten Wärmekonlakl zu schaffen und gleichzeitig übergroße Korrosion zu vermeiuen, weist die Innenelektrode an ihrer Stirnseite bei 8 eine Vertiefung auf und ist mit dem Metallbelag 9 versehen. Die Innenelektrode steht im Bereich der Vertiefung 8 mit dem Kühlsystem in inniger Verbindung. Durch den Aufheizeffekt des Plasmas wird die über eine Pumpe 20 durch dae Kühlsystem transportierte Kühlflüssigkeit stark erwärmt Nach mehrmaligem Zünden der Plasmakanone kann der Aufheizeffekt soweit getrieben werden, daß die Kühlflüssigkeit selbst oder eine mit ihr im Wärmetauscher 18 in Verbindung stehende weitere Flüssigkeit verdampft und eine Turbine eines stromerzeugenden Generators 21 beaufschlagt Außer durch die Form der Innenelektrode wird die Lokalisierung des Plasmafokus F und damit die Plasmaaufheizung zur Erzeugung von Energie auch dadurch verbessert, daß die Außenelektrode U bei 22 im Bereich der Stirnseite der Innenelektrode leicht gegen diese gebogen ist Damit wird erreicht daß der Plasmafokus zur besseren Wärmeübertragung näher an die Einbuchtung der Innenelektrode verlegt wird, die in diesem Bereich auch mit zusätzlichen Kühlrippen oder Einschnitten versehen sein kann.

In der F i g. 2 ist eine sternförmige Anordnung mehrerer derartiger Vorrichtungen ■■,>. einem Plasmafokus-Reaktor dargestellt Hiermit gelingt ".s, die Energierückgewinnung noch günstiger zu gestalten. Die Plasmakanonen können mit ihren Kollisystemen parallel oder seriell geschaltet werden, so daß eine rasche Aufhellung der Kühlflüssigkeit erzielt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Fokus von heißern Plasma mit einem evakuierbaren Gehäuse, zwei in diesem angeordneten, voneinander elektrisch isolierten koaxialen Elektroden, einer zwischen die Elektroden schaltbaren Impulsspannungsquelle und einem Einlaß zwischen den Elektroden für ein Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode (3) an ihrer Stirnseite, ι ο in deren Nähe der Plasmafokus (F) erzeugt wird, eine Vertiefung aufweist, daß die Außenelektrode (11) im Bereich der Stirnseite der Innenelektrode gegen diese gebogen ist, daß zumindest die Innenelektrode (3) ein Kühlsystem (4,5,6,7,20) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit aufweist, das mit einer Einrichtung (18) zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie aus der Kühlflüssigkeit verbunden ist und daß die Innenelektrode an der Vertiefung mit einem verstärkten Metallbelag (9) versehen ist, der innig mit dem Kühlsystem in Verbindung sieht

2. Verwendung von Vorrichtungen zum Erzeugen eines Fokus von heißem Plasma nach Anspruch 1 in einem Plasmafokusreaktor (1), in dem die einzelnen Vorrichtungen sternförmig angeordnet und die Kühlsysteme aller Vorrichtungen miteinander verbunden sind.