DE2520766C2

DE2520766C2 - Method and device for spatially resonant influencing of toroidal plasmas

Info

Publication number: DE2520766C2
Application number: DE2520766A
Authority: DE
Inventors: Friedbert Dr. 8000 München Karger; Horst Dr. 8051 Neufahrn Wobig
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1975-05-09
Filing date: 1975-05-09
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE2520766A1

Description

bestimmten magnetischen Oberfläche des Plasmas, d. h. daß das äußere helikale Feld in »räumlicher Resonanz« mit den zu beeinflussenden Magnetfeldlinien stehtcertain magnetic surface of the plasma, d. H. that the outer helical field is in "spatial resonance" with the magnetic field lines to be influenced

Ein Vorteil dieser »Methode der resonanten helikalen Felder« (RHF) liegt darin, daß durch Ausnutzung des Effekts der räumlichen Resonanz äußere helikale Felder, die sehr klein im Vergleich zum Feld des Plasmastromes, bzw. zur Feldstärke der die Verscherung bewirkenden Felder sind, ausreichen, um das Plasma gezielt merklich zu beeinflussen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es für die verschiedensten Zwecke mit Erfolg verwendet werden kann. Bei Anwendung auf ein TOKAMAK-Piasma gibt es z. B. folgende Möglichkeiten:One advantage of this "method of resonant helical fields" (RHF) is that by using the Effect of spatial resonance external helical fields, which are very small compared to the field of the plasma flow, or the field strength of the fields causing the shear are sufficient to target the plasma noticeably affect. Another advantage of the method according to the invention is that it is suitable for various purposes can be used with success. When applied to a TOKAMAK piasm are there e.g. B. the following possibilities:

Unterdrückung unerwünschter OszillationenSuppression of unwanted oscillations

Es wurde nachgewiesen, daß durch Anlegen eines kleinen konstanten resonanten helikalen Feldes (RHF) die Amplituden von destabilisierenden Oszillationen in einem TOKAMAK-Plasina drastisch gesenkt werden können. Diese Dämpfung läßt sich durch Geg.nkopplungsmaßnahmen (»feedback-Regelung«) noch verstärken. It has been shown that by applying a small constant resonant helical field (RHF) the amplitudes of destabilizing oscillations in a TOKAMAK plasina are drastically reduced can. This attenuation can be increased by means of counter-coupling measures ("feedback control").

Stabilisierung des PlasmasStabilization of the plasma

Es wurde nachgewiesen, daß es durch Anlegung eines RHF möglich ist, in bestimmten Plasmaparameterbereichen die gefährliche Abbruchinstabilität zu vermeiden.It has been proven that it is possible to apply a RHF in certain plasma parameter ranges avoid dangerous demolition instability.

Verbesserung der EinschlußparameterImprovement of the inclusion parameters

Es wurde nachgewiesen, daß durch Anlegen eines RHF in bestimmten Plasmaparameterbereichen, eine Erhöhung der Plasmaeinschlußzeit möglich istIt has been proven that by applying a RHF in certain plasma parameter ranges, a Increasing the plasma containment time is possible

Zusätzliche PlasmaheizungAdditional plasma heating

Da bestimmte magnetische Oberflächen im Plasma gezielt beeinflußt werden können, ist ein Energietransport an diese Oberflächen im Inneren des Plasmas und damit eine Aufheizung des Plasmas in den betreffenden Bereichen möglich.Since certain magnetic surfaces in the plasma can be specifically influenced, there is an energy transport to these surfaces inside the plasma and thus a heating of the plasma in the relevant Areas possible.

Erweiterung der PlasmadiagnostikExpansion of plasma diagnostics

Mil Hilfe der RHF-Methode ist es möglich, »Insviln« auf bestimmten magnetischen Oberflächen zu erzeugen, d. h. Bereiche des Plasmas, die von geschlossenen magnetischen Oberflächen, die die Torusseele nicht umschließen, umgeben sind. Durch Messung der Emission von weichen Röntgenstrahlen lassen sich diese Inseln und dadurch die magnetischen Oberflächen lokalisieren und das für die Plasmadiagnostik wichtige plasmastromdichte Profil bestimmen, was bisher noch nicht möglich •var.With the help of the RHF method, it is possible to create "Insviln" on certain magnetic surfaces, d. H. Areas of the plasma that are covered by closed magnetic surfaces that do not enclose the toroidal core are surrounded. By measuring the emission of soft X-rays, these islands can be and thereby localize the magnetic surfaces and the plasma current density, which is important for plasma diagnostics Define profile what has not yet been possible • var.

Außerdem läßt sich mit Hilfe der RHF-Methode die Abbruchinstabilität im TOKAMAK-Piasma bewußt auslösen, z. B. zum Zwecke der Plasmadiagnostik.In addition, with the help of the RHF method, the instability of termination in the TOKAMAK piasm can be made aware trigger, e.g. B. for the purpose of plasma diagnostics.

Veränderung der MagnetfeldtopologieChange in the magnetic field topology

Durch Erzeugung von Inseln auf bestimmten magnetischen Oberflächen i^ct es möglich, die Topologie des Magnetfeldes in gewünschter Weise zu verändern, z. B. um die Dicke der sogenannten Abschälschicht bei Experimenten mit magnetischem Limiter zu variieren.By generating certain islands on magnetic surfaces ^c i t it possible to change the topology of the magnetic field in the desired manner, for. B. to vary the thickness of the so-called peeling layer in experiments with a magnetic limiter.

Daß die obigen Wirkungen und Effekte nur auf der räumlichen Resonanz der helikalen Feldkonfiguration, beruhen, ergibt sich daraus, daß bei dem Betrag nach gleichen, dem Vorzeichen nach jedoch entgegengesetzten Helizitäten von TOKAMAK-Magnetfeldern äußerer helikaler Feldkonfiguration kein Einfluß auf das Plasma beobachtbar istThat the above effects and effects are only based on the spatial resonance of the helical field configuration, are based, it follows that the amount is equal, but opposite in sign Helicities of TOKAMAK magnetic fields of external helical field configuration have no influence on that Plasma is observable

Zweck und Wirkung der helikalen Feldkonfiguration der RHF-Methode haben nichts zu tun mit dem ZweckThe purpose and effect of the helical field configuration of the RHF method have nothing to do with the purpose

ίο und den Wirkungen von helikalen Feldern, wie sie beispielsweise bei Stellaratoren bekannt sind. Ein Plasma mit einem rein toroidalen Magnetfeld hat aufgrund der Torusdrift das Bestreben, sich nach außen zu verlagern. Um das Plasma einschließen zu können, müssen die Magnetfeldlinien um die Torusseele verschraubt werden. Beim Tokamak geschieht dies mit Hilfe des Magnetfeldes eines starken elektrischen Stromes im Plasma selbst, der transformatorisch induziert wird. Der Stellarator hat dagegen ein Einschlußverhalten auch ohne Strom im Plasma, bei ihm erfolgt die Verschraubung der Magnetfeldlinien durch von außen angelegte heükale Felder. Damit diese Felder eine genügend große Rotationstransformation Mq erzeugen, die ein Maß für die Verschraubung darstellt, dürfen die zur Erzeugung der helikalen Felder notwendigen Windungen keinen zu großen Steigungsparameter l/n aufweisen (l/n< 1) und müssen starke Ströme führen.ίο and the effects of helical fields, as they are known, for example, from stellarators. A plasma with a purely toroidal magnetic field tends to move outwards due to the toroidal drift. In order to be able to enclose the plasma, the magnetic field lines must be screwed around the toroidal core. With the tokamak this is done with the help of the magnetic field of a strong electric current in the plasma itself, which is induced by a transformer. The stellarator, on the other hand, has an inclusion behavior even without electricity in the plasma, with it the screwing of the magnetic field lines takes place through externally applied heucal fields. In order for these fields to generate a sufficiently large rotational transformation Mq , which represents a measure for the screw connection, the turns required to generate the helical fields must not have an excessively large gradient parameter l / n (l / n < 1) and must carry strong currents.

Im Gegensatz dazu ist die Rotationstransformation, die bei der RHF-Methode durch die helikalen Windungen erzeugt wird, vernachlässigbar, und außerdem ist der Steigungsparameter Vn bei der RHF-Methode größer als 1. Die RHF-Methode ist auch nur auf ein bereits verschraubtes Magnetfeld anwendbar, die Verschraubung muß also durch andere Mittel erzeugt werden, sei es durch einen Strom im Plasma, wie beim Tokamak oder durch starke Magnetfelder erzeugende, entsprechend bemessene und von den RH F-Windungen getrennte helikale Windungen, wie beim Stellarator.
Räumlich selektiv wirkt die RHF-Methode nur, wenn eine radiale Abhängigkeit der Rotationstransformation, d.h. line Verscherung der Magnetfeldlinien, existiert Die Magnetfeldlinien der verschiedenen, ineinandergeschachtelten magnetischen Oberflächen habe.i dann jeweils verschiedene Steigungsparameter.In contrast to this, the rotation transformation that is generated by the helical windings in the RHF method is negligible, and the slope parameter Vn in the RHF method is greater than 1. The RHF method can also only be applied to an already screwed magnetic field The screw connection must therefore be produced by other means, be it by a current in the plasma, as in the tokamak or by strong magnetic fields, appropriately dimensioned and separated from the RH F-turns helical turns, as in the stellarator.
The RHF method is spatially selective only if there is a radial dependency of the rotational transformation, i.e. line shear of the magnetic field lines. The magnetic field lines of the various nested magnetic surfaces then have different slope parameters.

Da für die konventionellen helikalen STELLARATOR-Felder l/n<\ ist, und andererseits eine Plasmakonfiguration mit q<\ keine Stabilität besitzt, ist mit den konventionellen helikalen STELLARATOR-Windungen eine räumlich resonante Beeinflussung des Piasso mas, bei der Vn = q sein muß, nicht möglich. Der Steigungsparameter l/n der erfindungsgemäßen helikalen Feldkonfigurationen muß im Gegensatz zu dem der kop.verlicnellen helikalen STELLARATOR-Felder größer als 1 sein. Nur dann können die im Plasma stabil existierenden Oberflächen mit q größer als t resonant beeinflußt werden. Since l / n <\ for the conventional helical STELLARATOR fields and, on the other hand, a plasma configuration with q <\ has no stability, the conventional helical STELLARATOR windings have a spatially resonant influence on the Piasso mas, for which Vn = q , not possible. The slope parameter l / n of the helical field configurations according to the invention must, in contrast to that of the cop.verlicnellen helical STELLARATOR fields, be greater than 1. Only then can the surfaces that exist in the plasma in a stable manner be resonantly influenced with q greater than t.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigtIn the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing; it shows

F i g. 1 eine graphische Darstellung dreier magnetischer Oberflächen in einem TOKAMAK-Piasma,F i g. 1 is a graphic representation of three magnetic surfaces in a TOKAMAK piasm,

F i g. 2 eine F i g. 1 entsprechende Darstellung mit einer helikalen Windung, die mit einer bestimmten magnetischen Oberfläche in räumlicher Resonanz steht,F i g. 2 a fig. 1 corresponding representation with a helical winding that is associated with a certain magnetic Surface is in spatial resonance,

Fig.3 eine stark schematisierte Darstellung eines Teiles eines Ausführungsbeispieles einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Fig.4 bis 10 graphische Darstellungen zur Erläute-3 shows a highly schematic representation of part of an exemplary embodiment of a device for carrying out the method,
Fig. 4 to 10 graphic representations to explain

rung der Wirkungsweise und Eigenschaften der Einrichtung gemäß F i g. 3 undtion of the mode of operation and properties of the device according to FIG. 3 and

F i g. Il eine abgewickelte Darstellung mehrerer Sätze helikaler Windungen mit unterschiedlichen Steigungsparametern für eine Einrichtung zur Durchfüh- s rung des vorliegenden Verfahrens.F i g. II a developed representation of several sets of helical turns with different pitch parameters for a device for implementation initiation of the present proceedings.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines torusförmigen Plasmas, in dem ein verschraubtes und versehenes Magnetfeld herrscht. Das Magnetfeld bildet sogenannte »magnetische Oberflächen«, die jeweils durch Magnetfeldlinien mit gleichem Steigungsparameter gebildet werden. In F i g. 1 sind drei solcher magnetischer Oberflächen 10, 12 und 14 dargestellt. Für jede magnetische Oberfläche ist eine repräsentative Magnetfeldlinie 16, 18 bzw. 20 dargestellt. Die Magnetfeldlinie 16, die der Torusseele 22 am nächsten liegt, hat den kleinsten Steigungsparameter, die der Torusseele am weitesten entfernte Feldlinie 20 den größten Steigungsparameter. Das Magnet-Fig. 1 shows part of a toroidal plasma in which a screwed and provided magnetic field prevails. The magnetic field forms so-called "magnetic surfaces", each created by magnetic field lines be formed with the same slope parameter. In Fig. 1 are three such magnetic surfaces 10, 12 and 14 shown. For each magnetic surface there is a representative magnetic field line 16, 18 and 20, respectively shown. The magnetic field line 16, which is closest to the toroidal core 22, has the smallest slope parameter, and the field line 20 furthest away from the toroidal core has the largest slope parameter. The magnet

In F i g. 2 sind wieder die magnetischen Oberflächen 10,12 und 14 und die für die magnetische Oberfläche 12 repräsentative Magnetfeldlinie 18 dargestellt Das zugehörige Entladungsgefäß, der Transformator zum Erzeugen des Plasmastromes, die Hauptfeldwicklungen und alle anderen üblichen Teile einer TOKAMAK-Maschine sind zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen, sie können in bekannter Weise ausgebildet sein.In Fig. 2 are again the magnetic surfaces 10, 12 and 14 and those for the magnetic surface 12 Representative magnetic field line 18 shown The associated discharge vessel, the transformer for generating the plasma flow, the main field windings and all other common parts of a TOKAMAK machine have been omitted to simplify the drawing, they can be designed in a known manner.

Wie Fig.2 zeigt, ist das torusförmige Plasma von einer den Torus umschlingenden, helikalen (im wesentlichen wendeiförmigen) Windung 24 umgeben. Die Win- dung 24 hat den gleichen Steigungsparameter wie die Magnetfeldliiiie 18, d. h. es giltAs Figure 2 shows, the toroidal plasma is from a helical (essentially helical) turn 24 wrapping around the torus. The win- Generation 24 has the same slope parameter as Magnetfeldliiiie 18, i. H. it applies

η φη φ

(1)(1)

3535

Die heiikale Windung 24 steht also in »räumlicher Resonanz« mit den Magnetfeldlinien in der magnetischen Oberfläche 12, d. h. daß das Magnetfeld 26, das durch den die heiikale Windung 24 durchfließenden Strom erzeugt wird, im Idealfall längs jeder Magnetfeldlinie der magnetischen Oberfläche 12 immer die gleiche Lage bezüglich dieser Magnetfeldlinie hat. Der praktische Fall kann erheblich von diesem Ideaffali abweichen. Bei idealer Erfüllung dieser Bedingung erhält man selbstverständlich die maximale Beeinflussung, aber auch bei nur teilweiser Erfüllung der Bedingung sind die hier interessierenden Resonanzeffekte mehr oder weniger stark feststellbar.The hot turn 24 is thus in "spatial" Resonance "with the magnetic field lines in the magnetic surface 12, i. H. that the magnetic field 26, the by the current flowing through the hot winding 24 is generated, ideally always the same along each magnetic field line of the magnetic surface 12 Position with respect to this magnetic field line. The practical case can differ considerably from this Ideaffali. If this condition is ideally fulfilled, one obtains of course the maximum influence, but even if the condition is only partially fulfilled, they are The resonance effects of interest here can be determined to a greater or lesser extent.

F i g. 3 zeigt stark vereinfacht eine Ausführungsform einer Einrichtung '.om TOKAMAK-Typ. Auch hier sind wieder die konventionellen Teile einer TOKAMAK-Maschine ergänzt zu denken. Es ist lediglich ein torusförmiges Entladungsgefäß 28 schematisch dargestellt, auf das ein Satz helikaler Windungen 30, 32 vom Typ 1=2, /7=1 aufgebracht ist. Die Stromrichtung in den Windungen ist durch Pfeile angedeutet Der Strom wird während der Hauptplasmaentladung mit einer nicht dargestellten transistorgeregelten Kondensatorbank mit programmierbarem Stromprogramm oder einem Mittelfrequenzgenerator erzeugtF i g. 3 shows, in a highly simplified manner, an embodiment of a device of the TOKAMAK type. Here, too, the conventional parts of a TOKAMAK machine should be thought of as being supplemented. Only a toroidal discharge vessel 28 is shown schematically, onto which a set of helical turns 30, 32 of the type 1 = 2, / 7 = 1 is applied. The direction of current in the windings is indicated by arrows. The current is generated during the main plasma discharge with a transistor-regulated capacitor bank (not shown) with a programmable current program or a medium-frequency generator

Wenn die Helizitäten des TOKAMAK-Magnetfeldes und der durch die helikalen Windungen 30, 32 erzeugten, überlagerten helikalen Feldkonfigurationen gleichsinnig parallel sind, führt bei gegebenen Plasmaparame- es tem ein bestimmter, gut reproduzierbarer Wert Im* des Stromes in den helikalen Windungen 30, 32 zu einer Abbruchinstabilität Dies ist aus F i g. 4 ersichtlich, in derIf the helicities of the TOKAMAK magnetic field and the superimposed helical field configurations generated by the helical windings 30, 32 are parallel in the same direction, a certain, easily reproducible value Im * of the current in the helical windings 30, 32 leads to a given plasma parameters a termination instability This is from FIG. 4 can be seen in the längs der Abszisse die Zeit in Millisekunden und längs der Ordinaten der drei Diagramme von oben nach unten der Strom hd in den helikalen Windunger. 30, 32, der transformatorisch induzierte Plasmastrom l_pi,,„_u bzw. die längs der Plasmaseele herrschende elektrische Spannung (Ringspannung) aufgetragen sind. Für gegensinnige Helizitäten konnte kein Effekt gefunden werden, selbst wenn der Strom in den helikalen Windungen bis über das Dreißigfache des Abbruchstromwertes kd* gesteigert wurde.along the abscissa the time in milliseconds and along the ordinates of the three diagrams from top to bottom the current hd in the helical winding. 30, 32, the transformer-induced plasma current l _p i ,, _u and the electrical voltage (ring voltage) prevailing along the plasma core are plotted. No effect could be found for opposing helices, even if the current in the helical windings was increased to over thirty times the break-off current value kd * .

Wie aus F i g. 5 ersichtlich ist, in der längs der Abszisse der Steigungsparameter q(a) an der äußeren Grenze des Plasmas und längs der Ordinate der Strom fhei in den helikalen Windungen 30, 32 aufgetragen ist, fällt der kritische heiikale Strom /*,/* mit abnehmendem Steigungsparameter q(a) ebenfalls ab. Zum Beispiel ist bei einem q-Wert am Plasmarand von 3,5 ein Strom von 250 A in den helikalen Windungen ausreichend, um ei-"T₁ A^KUri:ch eines !00 k,^A. Plasmas zu induzierenAs shown in FIG. 5, in which the slope parameter q (a) is plotted along the abscissa at the outer boundary of the plasma and along the ordinate the current fhei in the helical turns 30, 32, the critical hot current / *, / * falls with decreasing Slope parameter q (a) also from. For example, with a q-value at the plasma edge of 3.5, a current of 250 A in the helical windings is sufficient to induce a- "T ₁ A ^KU ri: ch of a! 00 k, ^A. Plasma

Die Wirkung des RHF beruht nicht auf einer Erhöhung der Rotationstransformation (die Änderung der Rotationstransformation durch das RHF ist im allgemeinen kleiner als 0,01 %), sondern auf einem Resonanzeffekt Dieser kann durch eine Inselbildung erklärt werden, die aufgrund geometrischer Resonanz des ungestörten TOKAMAK-Feldes mit der überlagerten helikalen (/=2, n= 1)-Feldkonfiguration zustandekomnu. Um die.·, α Effekt numerisch zu untersuchen, wurden die magnetischen Oberflächen für den Fall einer Überlagerung der äußeren helikalen Feldkonfiguration auf das ungestörte TOKAMAK-FeId gerechnet. Diese Rechnungen zeigen, daß auf der (<7=2)-Oberfläche zwei Inseln entstehen, wie in F i g. 6 dargestellt ist, die die magnetischen Feldlinien in einem Meridionalschnitt durch das Plasma zeigt Die radiale Breite dieser Inseln steigt im wesentlichen mit fli^i an.The effect of the RHF is not based on an increase in the rotational transformation (the change in the rotational transformation caused by the RHF is generally less than 0.01%), but rather on a resonance effect. Field with the superimposed helical (/ = 2, n = 1) field configuration status comnu. In order to numerically investigate the. These calculations show that two islands arise on the (<7 = 2) surface, as in FIG. 6, which shows the magnetic field lines in a meridional section through the plasma. The radial width of these islands increases essentially with fli ^ i .

Aus den Rechnungen ergibt sich ferner, daß aufgrund des nichtlinearen Einflusses derToruskrümmung auf die Wechselwirkung zwischen dem Plasma-Magnetfeld und dem von außen durch die helikalen Windungen zur Einwirkung gebrachten helikalen Magnetfeldkonfiguration außerdem Resonanzen niedriger Amplitude auch für q>2 auftreten, die die Bildung einer entsprechenden Anzahl von Inseln auf den Oberflächen mit q = 3,4 und anderen rationalen Werten führen. In der der Fig.6 entsprechenden F i g. 7 sind beispielsweise die Inseln auf einer gestrichelt dargestellten magnetischen Oberfläche 34 mit <7=4, auf einer magnetischen Oberfläche 36 mit q=4,5 und einer magnetischen Oberfläche 38 mit q=5 dargestelltThe calculations also show that, due to the non-linear influence of the torus curvature on the interaction between the plasma magnetic field and the helical magnetic field configuration brought about from the outside by the helical windings, resonances of low amplitude also occur for q> 2 , which result in the formation of a corresponding Number of islands on the surfaces with q = 3.4 and other rational values. In the FIG. 6 corresponding FIG. 7, for example, the islands are shown on a magnetic surface 34 shown in dashed lines with <7 = 4, on a magnetic surface 36 with q = 4, 5 and on a magnetic surface 38 with q = 5

Zum Auslösen einer Abbruchinstabilität mitteis der RHF-Methode pulst man beispielsweise das heiikale Magnetfeld für etwa 1 ms auf einen Wert über Bm* entsprechend he*- Dies läßt ungefähr 13 ms nach dem Impulsmaximum eine negative Spannungsspitze im Plasma entstehen, die dann die Abbruchinstabilität zur Folge hat, wie in F i g. 8 dargestellt ist Die Relaxationszeit für das Auftreten der Instabilität liegt in der Größenordnung von 1 ms, denn die Produktion von Inseln ist ein resistiver Prozeß. Der als ausgezogene Kurve dargestellte Magnetfeldimpuls A hat eine für die Einleitung der Abbruchinstabilität ausreichende Dauer, das Instabilwerden des Plasmas ist durch den Spannungsverlauf C dargestellt Der gestrichelt gezeichnete kürzere Magnetfeldimpuls B reicht für die Einleitung der Abbruchinstabilität nicht aus, obwohl seine Amplitude die Instabilitätsschwelle entsprechend Bm* übersteigt hier tritt also die negative Spannungsspitze nicht auf.To trigger a termination instability by means of the RHF method, for example, the hot magnetic field is pulsed for about 1 ms to a value above Bm * corresponding to he * - this causes a negative voltage peak in the plasma about 13 ms after the pulse maximum, which then results in the termination instability has, as in FIG. The relaxation time for the occurrence of the instability is of the order of 1 ms, because the production of islands is a resistive process. The magnetic field pulse A shown as a solid curve has a sufficient duration to initiate the termination instability; the plasma's becoming unstable is shown by the voltage curve C. The shorter magnetic field pulse B shown in dashed lines is not sufficient to initiate the termination instability, although its amplitude exceeds the instability threshold according to Bm * If it exceeds here, the negative voltage peak does not occur.

Wenn man ein resonantes helikales Feld anlegt, dessen Wert zwischen 60% und 95% des kritischen Feldstärkewertes Bhvi* liegt, wird ein stabilisierender Effekt beobachtet:If a resonant helical field is applied, the value of which is between 60% and 95% of the critical field strength value Bhvi * , a stabilizing effect is observed:

1. Die Amplituden der niederen MHD-Moden (vor allem /τι = 2) werden stark gedämpft, wie Fig.9 fcciigt, in der längs der Abszisse die Zeit t und längs der Ordinate oben die Amplitude der MHD-Moden und unten die Amplitude des helikalen Magnetfeides aufgetragen sind.1. The amplitudes of the lower MHD modes (especially / τι = 2) are strongly attenuated, as Fig.9 fcciigt, in which along the abscissa the time t and along the ordinate above the amplitude of the MHD modes and below the amplitude of the helical magnetic field are applied.

2. Für konstanten Plasmastrom kann die spontane Abbruchinstabilität vermieden werden, woraus eine reproduzierbare Verlängerung des Plasmastromimpulses bis zu einem Faktor 3 resultiert, wie Fig. 10 zeigt, in der längs der Abszisse die Zeit / und längs der Ordinate der Plasmastrom l_Pi.,_sma aufgetragen sind.2. For constant plasma stream spontaneous abortion instability in the along the abscissa the time / and along the ordinate of the plasma current I _P i can be avoided, resulting in a reproducible extension of the plasma current pulse results in up to a factor 3, as Fig. 10 shows., _{sma are} applied.

Der stabilisierende Effekt wird um so größer, je näher der Wert des RHF am Instabilitätswert liegt. Wahrscheinlich erzeugt das RHF eine feste heiische Struktur innerhalb des Plasmas, die eine Rotation der MHD-Moden und damit ein konvektives Anwachsen der Störung verhindert.The closer the value of the RHF is to the instability value, the greater the stabilizing effect. Probably the RHF creates a solid hot structure within the plasma that causes a rotation of the MHD modes and thus prevents a convective growth of the disturbance.

Die resonante Beeinflussung des Plasmas durch eine helikale Feldkonfiguration ist nicht auf das in Fig.3 dargestellte Beispiel /=2, /3= 1 beschränkt. Sie kann mit beliebigen Steigungsparameiern l/n größer 1 erfolgen. Vorzugsweise werden alle Windungen, mit denen eine Beeinflussung des Plasmas erfolgen soll, auf dem Entladungsgefäß angebracht.The resonant influencing of the plasma by a helical field configuration is not restricted to the example / = 2, / 3 = 1 shown in FIG. It can be done with any slope parameters l / n greater than 1. All turns with which the plasma is to be influenced are preferably applied to the discharge vessel.

In F i g. 11 ist eine schematische Darstellung der entzerrten Abwicklung eines torusförmigen Entladungsgefäßes mit helikalen Windungen verschiedener /- und n-Werte in unterschiedlicher Markierung dargestellt.In Fig. 11 is a schematic representation of the rectified development of a toroidal discharge vessel with helical turns of different / - and n- values in different marking.

Zur Beeinflussung der z. B. (c/=i,5)-Oberfläche dienen helikale Windungen, die die Parameter /=3, η = 2 haben.To influence the z. B. (c / = i, 5) -surface are used for helical turns, which have the parameters / = 3, η = 2 .

Zur Beeinflussung der (ij = 2)-Oberfläche dient ein (/=4, /7 = 2) Windungssatz. Jedes Windungspaar entspricht dabei den Windungen 30 und 32 in F i g. 3. Die Windungspaare sind hier um 45° in bezug aufeinander versetzt und man kann dann wie bei den Windungspaaren, die um 90° gegeneinander versetzt sind, ein Drehfeld erzeugen oder diese Windungen in der beschriebenen Weise betreiben.A is used to influence the (ij = 2) surface (/ = 4, / 7 = 2) set of turns. Each pair of turns corresponds to turns 30 and 32 in FIG. 3. The Turn pairs are offset by 45 ° with respect to one another and you can then, as with the turn pairs, which are offset from one another by 90 °, generate a rotating field or these turns in the described Operate wisely.

Zur Beeinflussung der ((7=2,5)-Fläche dienen die helikalen Windungen, die die Parameter 1=5, η=2 haben. The helical turns, which have the parameters 1 = 5, η = 2 , serve to influence the ((7 = 2.5) surface.

Zur Beeinflussung der (<?=3)-Fläche bzw. der (m = 3)-MHD-Moden dienen helikale Windungen mit den Parametern 1—3, π = 1.To influence the (<? = 3) surface or the (m = 3) -MHD modes, helical windings with the parameters 1–3, π = 1 are used.

Bei manchen Windungskonfigurationen ist eine gewisse Beeinflussung, z. B. zur Stabilisierung von Störungen, auch bei gegensinniger Helizität von Plasmafeld und äußerem helikalen Feld nicht ausgeschlossen. Diese Gegensinnigkeit läßt sich einfach durch Umpolen des Plasmastromes oder des äußeren toroidalen Magnetfeldes erreichen.In some winding configurations there is some influence, e.g. B. to stabilize disturbances, not excluded even with opposing helicity of the plasma field and the external helical field. These Opposite directions can be achieved simply by reversing the polarity of the plasma current or the external toroidal magnetic field reach.

Durch Anlegen einer Wechselspannung bestimmter Frequenz an eine helikale Windung lassen sich pulsierende Inseln auf einer bestimmten magnetischen Oberfläche erzeugen. Diese pulsierenden Inseln können durch Messung der mit der gleichen Frequenz modulierten ausgestrahlten weichen Röntgenstrahlung iokaiisiert werden. Dadurch ist eine Lokalisierung der betreffenden magnetischen Oberfläche möglich. Mit dem in F i g. 11 gezeigten System helikaler Windungen, die alle bei ein und derselben Maschine vorhanden sein können, lassen sich z. B. vier verschiedene magnetische Oberflächen («7=1,5; <7=2; q = 2,5 und <7=3) lokalisieren und damit vier Punkte des Plasmastromdichteprofils bestimmen. By applying an alternating voltage of a certain frequency to a helical winding, pulsating islands can be created on a certain magnetic surface. These pulsating islands can be localized by measuring the emitted soft X-ray radiation modulated with the same frequency. This enables the relevant magnetic surface to be localized. With the in F i g. 11 shown system of helical windings, all of which can be present in one and the same machine, can be z. B. localize four different magnetic surfaces («7 = 1.5; <7 = 2; q = 2.5 and <7 = 3) and thus determine four points of the plasma flow density profile.

Erforderlichenfalls können die Parameter / und η der helikalen Windungen beliebig groß gewählt werden, soweit dies praktisch durchführbar ist. Man kann die idealen helikalen Feldkonfigurationen auch nur annähernd und beispielsweise durch beliebig auf dem Torusumfang verteilte Einzelspulen erzeugen.If necessary, the parameters / and η of the helical turns can be selected as large as desired, provided this is practicable. The ideal helical field configurations can also be generated only approximately and, for example, by individual coils distributed arbitrarily on the circumference of the torus.

Das vorliegende Verfahren läßt sich auch auf lineare Plasma-Konfigurationen, in denen ein verschraubtes und versehenes Magnetfeld herrscht, anwenden.The present method can also be applied to linear plasma configurations in which a screwed and provided magnetic field prevails, apply.

Hierzu 11 Blatt ZeichnungenIn addition 11 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. A method for spatially resonant influencing of a toroidal plasma in which there is a screwed magnetic field with shear, characterized in that an at least approximately helical magnetic field configuration is generated separately from the screwing of the magnetic field and brought to act on the plasma, the magnetic field configuration being a helical Slope parameter l / n (1 = number of field periods along the small torus circumference, η - number of field periods along the large torus circumference), which is greater than 1 and in sign and amount at least approximately equal to the slope parameter q of the magnetic field lines to be influenced in a certain Surface of the plasma is

2. Device like a TOKAMAK for performing the method according to claim I, with a substantially toroidal discharge vessel and a transformer arrangement for generating a current flowing along the toroidal core in the plasma, characterized in that the discharge vessel (28) is connected to a power supply device additional winding arrangement (30, 32) is provided, which provides a helical magnetic field configuration with the pitch parameter l / n greater than 1

3. Einrichr -ng in the manner of a STELLARATORS for performing the method according to claim 1 with a toroidal discharge vessel and a surrounding, helical windings containing winding arrangement for generating the screwed and sheared magnetic field, characterized in that in addition to the helical turns a further Winding arrangement is arranged on the discharge vessel, which generates a helical magnetic field configuration with the slope parameter l / n greater than T.

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the winding arrangement is helical Contains turns (24; 30,32).

5. Device according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the winding arrangement has a plurality of Contains separately feedable winding pairs with the same pitch parameter.

6. Device according to claim 2, 3, 4 or 5, characterized in that the winding arrangement contains several pairs of windings with different pitch parameters.

7. Device according to claim 5, characterized in that the power supply device is on at least two different winding pairs deliver two different-phase currents.

8. Device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the power supply device can be controlled by a signal derived from a plasma parameter.

9. Device according to claim 6, characterized in that the pairs of turns are different Incline parameters can be connected separately to the power supply device and / or with alternating voltages different frequencies can be fed.

The present invention relates to a method and devices for spatially resonant influencing a toroidal plasma in which there is a screwed magnetic field with angularity

A preferred field of application of the invention are machines in which plasmas for the purpose of the desired Energy generation from controlled nuclear fusion are heated and held together, e.g. B. TOKAMAK and STELLARATOR machines.

Machines of the aforementioned type are known to have a toroidal configuration and to include the A magnetic field is used in plasma, the field lines of which surround the toroidal core in a helical manner. At the TOKAMAK is the screw connection of the magnetic field through the one sloping outwards from the torus core Magnetic field generated by a current flowing in the plasma. This automatically results in an increase the slope parameter of the magnetic field lines with increasing distance from the toroidal core, d. H. a magnctfcldvcrscherjng. Similar conditions also apply to certain STELLARATOR types.

The machines mentioned are still far from the goal of an energy-producing fusion reactor, what not least due to the fact that the plasma has so far not been influenced and diagnosed in this way can as it would be desirable.

It is true that DE-OS 22 58 501 discloses a method for regulating the inclusion of a toroidal plasma known, in which possibly an additional hot Winding is provided in a tokamak, but no operating conditions for a such additional device called the said additional, e.g. B. hot turn is used here as a means to Change of the plasma topology seen, possibly also without additional winding by influencing on the rotational transformation should take place.

From "Nuclear Fusion" Vol. 14, No. 1, 1974, pp. 87-91, is an arrangement of a Ste'larato. Field in which the screw connection l / n of the hot coils is smaller than 1. These coils generate a poloidal field. Influencing the hot field generated in this way is not considered.

The invention is based on the object of creating a method and corresponding devices, with which a toroidal plasma, in which there is a screwed and provided magnetic field, is targeted and can be influenced in a desired manner, namely by a local resonant change in the fields.

This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1.

Constructive configurations of the method according to the invention and the associated devices are specified in the subclaims.

In the method according to the invention, the plasma is influenced by means of an external, at least approximately helical (helical) magnetic field configuration, the helicity of which is related to the helicity of certain magnetic field lines within or at the edge of the plasma. The helical field configuration acting from the outside is chosen so that its helical slope parameter l / n (I = number of field periods along the small torus circumference (ring circumference), η = number of field periods along the large torus circumference (i.e. in the direction of the toroidal core) in algebraic sign and amount is equal to the slope parameter q of the magnetic field lines to be influenced in one