DE2632905A1

DE2632905A1 - Strahlbegrenzer fuer thermonukleare fusionsvorrichtungen

Info

Publication number: DE2632905A1
Application number: DE19762632905
Authority: DE
Inventors: Manfred Stephan Kaminsky
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1977-07-14
Also published as: US3980916A; FR2319271A1; CA1058335A; JPS5215996A; GB1531905A

Description

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Strahlbegrenzer für thermonukleare Fusionsvorrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf Plasmabehältermittel und auf Plasmaumschließungssysteme, wie beispielsweise solche, wie sie bei Untersuchungen der thermonuklearen Fusion verwendet werden. Die Erfindung ist sowohl bei Umschließungssystemen der Toroid-Bauart, wie beispielsweise Tokamaks, Levitrons oder Stellarators,und auch bei linearen Umschließungssystemen, wie beispielsweise bei linearen Theta-Pinch- und linearen Maschinen, verwendbar. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Strahlbegrenzervorrichtungen, welche ringförmige oder schraubenförmige Bauelemente aufweisen. Die einzelnen Ringe und einzelnen Windungen eines schraubenförmigen (spiralförmigen) Strahlungsbegrenzers können kreisförmig, elliptisch, D-förmig und mit anderen geschlossenen oder nahezu geschlossenen Formen ausgebildet sein.

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einige Plasmasysterne zur Plasmaumschließung starke magnetische Felder verwenden, können massive Ringe als Strahlenbegrenzer mit Intervallen entlang der Innenoberfläche des Vakuumgefäßes oder der das Plasma enthaltenden Auskleidung angeordnet sein. Der Strahlbegrenzerring kann dabei einen Teil der Innenoberfläche gegenüber dem Plasmateilchenaufschlag und der sich dadurch ergebenden Erosion abschirmen.

Die bislang verwendeten Strahlbegrenzerringe zeigen eine Anzahl von Nachteilen. Mit dem Strahlbegrenzer zusammenstossende Plasmateilchen haben in ernst zu nehmender Weise auf das Plasma hinweisende Teile des Rings zerstört. Die Kollision von Plasmateilchen am Begrenzer ruft die Verdampfung, Zersprühung und Blasenbildung hervor, was mit einer Freigabe von Strahlbegrenzermaterialien einhergeht. Dieses freigegebene Material erzeugt beim Eintreten in das Plasma ernsthafte Leistungsverluste infolge der Bremsstrahlung und Leitungsstrahlung, was zu einem abrupten Ende der Plasmaentladung führen kann. Einige dieser Probleme wurden in der folgenden Literaturstelle diskutiert: "Plasma Wall Interactions in the T.F.R. Machine" von Rebut u. A. in Journal of Nuclear Materials, Band 53, Seite 16, August 1974.

Zuvor verwendete Strahlbegrenzer verwendeten Ringe mit rechteckigen und konvex gekrümmten Querschnitten, und zwar mit einer Schnittebene, welche den Ring an zwei diametral entgegengesetzten Stellen schneidet. Diese beiden Querschnittsformen gestatteten, daß zersprühte, durch Blasenbildung entstandene oder verdampfte Begrenzermaterialien ohne weiteres in die Plasmazone eintreten. Ringe mit konvexem Querschnitt mit Scheiteln zum Plasma hin leiden am zusätzlichen Nachteil des verminderten Materials in dem am nächsten zum Plasma gelegenen Ringteil.

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Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine verbesserte Strahlbegrenzervorrichtung vorzusehen, und zwar zur Anwendung in Fusionsumschließungssystemen, um so Kollisionen zwischen den Plasmateilen und den Umschließungswänden des Systems zu verhindern. Die Erfindung sieht ferner eine Strahlbegrenzerkonstruktion vor, welche die Plasmaverunreinigung durch zersprühtes und durch Blasenbildung erzeugtes und verdampftes Material minimiert. Ferner bezweckt die Erfindung, eine Strahlbegrenzerkonstruktion anzugeben, welche die Plasmateilchenerosion kompensiert.

Die Erfindung sieht einen Strahlenbegrenzer vor, der die Kollision zwischen Plasmateilchen und der Innenoberfläche eines hohlen, das Plasma enthaltenden Körpers verhindert. Der Begrenzer umfaßt ein solides oder massives Glied, welches um die Innenoberfläche des Körpers herum angeordnet ist und eine Öffnung bildet, durch welche das Plasma laufen kann. Das massive Glied besitzt eine nahe gelegene Oberfläche in engem Eingriff mit der Innenoberfläche des Körpers und eine entfernt gelegene Oberfläche entgegengesetzt zur nahe gelegenen Oberfläche, aber mit vergrößerter Breite. Die Seitenoberflächen verbinden erfindungsgemäß die entfernten und nahe gelegenen Oberflächen, um einen Querschnitt von sich vergrößernder Breite zu bilden, und zwar über einen Hauptteil der Stärke von der nahe gelegenen zur entfernt gelegenen Oberfläche hin.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Teilansicht einer Plasmaumschliessungsvorrichtung mit einem Strahlbegrenzer im Querschnitt;

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Fig. 2 einen vergrößerten Tei!querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Strahlbegrenzers;

Fig. 3 eine alternative Ausbildung des Querschnitts eines Strahlbegrenzers.

Es sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt einen hohlen Körper 11, der ein Plasma enthalten kann und mit einem Strahlbegrenzer 13 ausgestattet ist, der am Innenumfang des hohlen Körpers 11 angeordnet ist. Der das Plasma enthaltende Körper 11 ist in vereinfachter Form und teilweiser Darstellung als ein hohles Gebilde gezeigt, um ein Plasma aus ionisiertem Gas zu enthalten. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Form des Körpers 11 nicht kritisch. Beispielsweise kann der Körper rohrförmig sein und verschiedene Querschnittsformen aufweisen. Der Körper enthält einen linearen, toroidförmigen oder in anderer Weise geformten Vakuumraum 15, um das ionisierbare Gas bei subatmosphärischem Druck zu enthalten. Aus Gründen der Klarheit sind in Fig. 1 nicht verschiedene weitere Komponenten dargestellt, die dem Fachmann für die Umschließung eines Plasmas bekannt sind. Beispielsweise werden oftmals Strahlungsabschirmungen, thermische Abschirmungen, Kühlkanäle und andere Komponenten abhängig vom speziellen Anwendungsfall verwendet.

Der Strahlbegrenzer 13 ist ein massives Glied, welches an der Innenoberfläche des hohlen Körpers 11 angeordnet ist und eine Öffnung 19 definiert, durch welche ionisiertes Gasplasma hindurchläuft. Eine typische Plasmaumschließungsvorrichtung kann eine Vielzahl von Strahlbegrenzerringen aufweisen, die um den Vakuumraum 15 herum angeordnet sind. Alternativ kann ein kontinuierlicher Strahlbegrenzer mit Spiralgestalt verwendet werden.

Das Plasma innerhalb des Vakuumraumes 15 kann durch eine elektrische Entladung oder andere derartige Mittel erzeugt werden, die schematisch als Plasmagenerator 17 dargestellt sind. Bei Umschiießungssystemen auf dem Gebiet der thermo-

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nuklearen Forschung kann der Plasmagenerator 17 beispielsweise Windungen aus elektrisch leitendem Material aufweisen, die mit einer Wechselstromquelle verbunden sind, um in dem Vakuumraum magnetische Wechselfelder zu erzeugen. Dadurch werden große ionisierende Ströme im ionisierbaren Gas induziert, um das Plasma zu erzeugen.

Ein vergrößerter Querschnitt eines Strahlbegrenzers 13 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Strahlbegrenzer 13 besitzt eine äussere oder nahe gelegene Oberfläche 23, die sich in engem Eingriff mit der Innenoberfläche 25 des Plasmaumschließungskörpers befindet. Die Querschnitte der Oberflächen 23 und 25 sind als flache oder gerade Kanten dargestellt. Wenn natürlich toroidförmige oder in anderer Weise kurvenförmig ausgebildete Umschließungen verwendet werden, so sind diese Kanten leicht gekrümmt. Dort jedoch, wo der Krümmungsradius verglichen mit dem Strahlbegrenzerquerschnitt groß ist, haben die Oberflächen 23 und 25 hervorragende, nahezu flache Kanten. Ein typisches Beispiel für einen solchen Fall ist in der Beschreibungseinleitung der genannten Literaturstelle gegeben._f

Entgegengesetzt und im ganzen parallel zur nahe gelegenen Oberfläche 23 befindet sich eine innere, entfernt gelegene Oberfläche 27, welche zur Plasmazone hinweist. Die entfernt gelegene Oberfläche 27 ragt mit einer im ganzen flachen oder geradlinigen Kante im Querschnitt in der Weise heraus, daß sie parallel zu der am meisten vorherrschenden Richtung des Plasmateilchenlaufs verläuft. Alternativ kann ein leicht konkaver Querschnitt an Oberfläche 27 verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Ausdruck "im ganzen flach¹¹ sowohl flache als auch leicht konkave Querschnittskanten, wobei aber konvexe Querschnittskanten ausgeschlossen sind.

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Seitenoberflächen 29 und 31 verbinden nahe gelegene und entfernt gelegene Oberflächen 23 und 27,um einen Querschnitt zu definieren, der von der nahe gelegenen Oberfläche 23 zur entfernt gelegenen Oberfläche 27 eine fortlaufend ansteigende Breite (die Horizontaldimension zwischen den Seitenoberflächen 29 und 31 der Fig. 2) aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung reicht es jedoch für die Breite des Strahlbegrenzers aus, wenn diese über einen Hauptteil der Dicke von der nahe gelegenen zur entfernt gelegenen Oberfläche (vgl. beispielsweise Fig. 3) ansteigt. Die Breite der Oberfläche 27 ist in hinreichender Weise größer als die Breite der Oberfläche 23 für eine gegebene Strahlbegrenzerdicke (die Vertikalabmessung zwischen Oberflächen 23 und 27), um eine nach aussen sich erstreckende Form zu den Seitenoberflächen 29 und 31 hin über Teile der Innenoberfläche 25 vorzusehen. Diese Form schirmt einen Teil der Innenoberfläche 25 gegenüber Plasmateilchen-Bombardement ab und fängt einen Teil des zersprühten, zerplatzten und verdampften Materials auf, welches sich aus dem Bombardement des Strahlbegrenzerrings ergibt.

Auf die Seitenoberflächen 29 und 31 auftreffende Plasmateilclitirt können durch Momentenübertragung Teile des Strahlbegrenzermaterials wegsprühen. Zudem ergibt sich eine Erwärmung und Verdampfung des Materials, wobei möglicherweise blasenförmige Teile durch Explosion der eingefangenen Gasblasen zerbrechen. Dieses freigesetzte Material, welches anderenfalls das Plasma verunreinigen würde, wird zu einem großen Ausmaß durch die überhängenden Seitenoberflächen 29 und 31 und an der Innenoberfläche 25 unterhalb dieser überhängenden Seitenoberflächen eingefangen.

Obwohl die Breite der Oberfläche 27 in hinreichender Weise größer ist als die Breite der Oberfläche 23, um in angemessener Weise das Plasma gegenüber freigesetztem Material abzuschirmen, so muß sie doch nicht so extrem sein, daß eine adequate Wärmeübertragung vom Begrenzer zum Umschließungskörper verhindert wird. Beispiele für die bevorzugten Dimensionsverhältnisse zur Erreichung der beiden genannten Zwecke

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sind eine Breite der Oberfläche 27 gleich ungefähr dem Doppelten der Breite der Oberfläche 23 und eine Dicke zwischen den Oberflächen 23 und 27 gleich ungefähr 1/2 der Breite der Oberfläche 23. Mit Seitenoberflächen 29 und 31, wie gezeigt, sieht dies einen Überhang von ungefähr der halben Breite der nahe gelegenen Oberfläche 23 unterhalb jeder Seitenoberfläche vor.

Fig. 3 zeigt einen alternativen Querschnitt für einen Strahlbegrenzerring. Der Ring umfaßt eine nahe gelegene Oberfläche 37 in intimer Berührung mit der Innenoberfläche 35 des Plasmaumschließungskörpers und eine im ganzen flache, entfernt gelegene Oberfläche 39, die zum Plasma hinweist. Gekrümmte konkave Seitenoberflächen 41 und 43 erstrecken sich nach aussen von der nahe gelegenen Oberfläche 37 aus, während flache Seitenoberflächen 45 und 47 sich zur entfernt gelegenen Oberfläche 39 fortsetzen. Die gekrümmten oder kurvenförmigen Seitenoberflächen 41 und'43 erstrecken sich über einen Hauptteil, beispielsweise im wesentlichen mehr als die Hälfte der Strahlbegrenzerdicke, und dienen zur Abschirmung des Plasmas gegenüber Verunreinigungsmaterial, welches infolge des Teilchenbombardements des Rings freigegeben wird. Flache Seitenoberflächen 45 und 47 lassen eine hinreichende Fläche für die Wärmeübertragung übrig, um die Umfangszonen nahe der entfernt gelegenen Oberfläche 39 zu kühlen.

Beispiele der bevorzugten AbmessungsVerhältnisse für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind grundsätzlich die gleichen wie für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, um eine gute Kühlung des Strahlbegrenzers sowie minimale Verunreinigung des Plasmas zu erhalten. Die Dicke zwischen Oberflächen 39 und 37 des Strahlbegrenzerrings ist etwas erhöht auf ungefähr 2/3 der Breite (zwischen den benachbarten Enden der Oberflächen 41 und 43) der Oberfläche 37. Die Breite der Oberfläche 37 ist annähernd die halbe Breite (zwischen Oberflächen 45 und 47) der Oberfläche 39. Auch ist die Dicke der Oberfläche (und von 47) vorzugsweise ungefähr 1/4 der Gesamtdicke zwischen Oberflächen 37 und 39. Die kurvenförmigen Oberflächen 41 und 43 besitzen vorzugsweise einen Krümmungsradius von

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ungefähr 3/4 der Gesamtdicke. Die Krümmung ist dargestellt als der Bogen eines Kreises zentriert an Oberfläche 35 am Schnitt der projizierten Linien von Oberflächen 45 und 47 auf Oberfläche 35.

Es ist natürlich klar, daß auch andere Querschnittsformen für den Strahlbegrenzer der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Seitenoberflächen 41 und 43 können von konstanter Krümmung, wie in.Fig. 3 gezeigt, oder veränderbarer Krümmung sein. Eine Vielzahl von abgestuften Oberflächen und Schulteroberflächen kann ebenfalls zwischen den entfernt gelegenen und nahe gelegenen Oberflächen des Strahlbegrenzers verwendet werden. Natürlich rufen kompliziertere Querschnitte größere Schwierigkeiten bei der Herstellungsbearbeitung der Begrenzer hervor, können aber auch verbesserte Abschirmung der Wärmeübertragungseigenschaft aufweisen.

Die Strahlbegrenzer sind vorzugsweise aus einem ein niedriges Atomgewicht aufweisenden Material mit niedrigem Dampfdruck, beispielsweise niedriger als ungefähr 10 Torr bei 1200⁰K hergestellt. Auch sollte das Material geringe Blasenbildung und Sprühneigung zeigen, wobei die bislang für Strahlbegrenzer verwendeten Materialien wie rostfreier Stahl oder Molybdän und andere feuerfeste Metalle respektiert werden. Eine besonders geeignete Gruppe von Materialien sind massive Materialien aus gesinterten teilchenförmigen Metallen, gesinteren Metalloxiden und gesinterte Kohlenstoff und Silikon enthaltende Materialien. Beispiele bevorzugter Materialien sind gesintertes teilchenförmiges Beryllium, Berylliumoxid, Aluminium und Aluminiumoxid.

Die massiven gesinterten Materialien für den Strahlbegrenzer werden aus feingepulverten Teilchen ausgebildet, die kompakt gemacht und gesindert werden, um eine geeignete Mikrostruktur

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vorzusehen, die kleine Korngrößen von beispielsweise 0,5 Mikron oder weniger aufweist. Diese kleinen Korngrößen verhindern den Aufbau von Gasblasen, wie beispielsweise aus Helium und haben
somit eine wesentliche Verbesserung des Widerstands gegenüber
Blasenbildung zur Folge.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine verbesserte Strahlbegrenzer-Konstruktion. Die erfindungsgemaße Konstruktion sieht mehr Material an denjenigen Teilen des Strahlbegrenzerrings
vor, die dicht am Plasmakern liegen, wo der größte Teil der
Erosion zu erwarten ist. Die Konstruktion minimiert auch die
Plasmateilchenkollision mit nicht abgeschirmten Oberflächen und trifft Maßnahmen für das Einfangen von zersprühtem, zerplatztem und verdampftem Material, um die Verunreinigung und die erhöhte Resistivität des Plasmas zu vermeiden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Strahlbegrenzer zur Verhinderung von Kollisionen zwihen einem Plasma und der Innenoberfläche eines hohlen Körpers, der das Plasma enthält, wobei der Strahlbegrenzer ein
massives Glied angeordnet an der Innenoberfläche des Körpers in engem Eingriff damit aufweist, um eine Öffnung zu bilden, durch die das Plasma laufen kann, dadurch gekennzeich net, daß das massive Glied (13) eine nahe gelegene Oberfläche (23) in engem Eingriff mit der Innenoberfläche (25) des
Körpers (11) aufweist, und wobei eine entfernt gelegene Oberfläche (27) entgegengesetzt zur nahe gelegenen Oberfläche (23) und mit größerer Breite als diese vorgesehen ist, und wobei
schließlich entgegengesetzt weisende Seitenoberflächen (29, 31) die entfernt gelegene Oberfläche (27) und die nahe gelegene
Oberfläche (23) verbinden, und wobei die nahe gelegene Oberfläche (23), die entfernt gelegene Oberfläche (27) und die
Seitenoberflächen (29 und 31) einen Querschnitt von wachsender Breite über den Hauptteil der Dicke von der nahe gelegenen Oberfläche (23) zur entfernt gelegenen Oberfläche (27) hin definieren.
2. Begrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die entfernt gelegene Oberfläche mit einer im ganzen flachen Kante in den Querschnitt ragt.
3. Begrenzer nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenoberflächen von der nahe gelegenen
Oberfläche aus nach aussen abfallen und sich über einen
Teil der Innenoberfläche des hohlen Körpers erstrecken.
4. Begrenzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nahe gelegene Oberfläche entgegengesetzt zu und im ganzen parallel zur entfernt gelegenen Oberfläche verläuft.

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5. Begrenzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nahe gelegene Oberfläche ungefähr die halbe Breite der entfernt gelegenen Oberfläche aufweist.
6. Begrenzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche/ insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke zwischen der nahe gelegenen und der entfernt gelegenen Oberfläche ungefähr 1/2 bis 2/3 der Breite der nahe gelegenen Oberfläche ist.
7. Begrenzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenoberflächen einen konkaven kurvenförmigen
Teil benachbart zur nahe gelegenen Oberflächen und einen flachen Teil benachbart zur entfernt gelegenen Oberfläche aufweisen, und wobei der gekrümmte Teil einen hinreichenden Krümmungsradius aufweist, um sich über einen Hauptteil der Dicke
des Strahlbegrenzers zwischen den nahe gelegenen und entfernt gelegenen Oberflächen zu erstrecken.

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