DE2636485A1

DE2636485A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung und nutzbarmachung eines zusammengesetzten plasmaaufbaus

Info

Publication number: DE2636485A1
Application number: DE19762636485
Authority: DE
Inventors: Paul M Koloc
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1978-02-16
Also published as: US4023065A

Description

TlEDTKE - BüHLING - KlNNE - GrUPE

Bavariarlng 4, Postfach 20 24 8000 München 2

Tel.: (Q 89) 53 96 53 -56

Telex:5 24845tipat

cable. Germaniapatent München

13. August 1976 B 7537 · case 192-001-6

Paul· M. Ko.lpc
Maryland, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Nutzbarmachung eines zusammengesetzten Plasmaauf b aus

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung, Handhabung und Nutzbarmachung von Materie im Plasmazustand, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung, Handhabung und Nutzbarmachung eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus, welcher ein toroidisch.es zentrales Plasma mit elektrischen Strömen enthält, das von einem im wesentlichen ellipsoidi-

'809807/0314

I Dresdner Bank (Manchen) Kto. 3Θ30 844 Poittcheck (München) Kto. 670-43-804

sehen Mantel aus ionisierten Teilchen umgeben ist.

Da die Erfindung auf dem Gebiet der Hochenergie-Plasmaphysik liegt und darauf abzielt, einen Schritt nach vorne bei der Suche nach Techniken zur Aufrechterhaltung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen zu liefern, erscheint eine kurze Diskussion neuerer Entwicklungen auf dem Gebiet der thermonuklearen Reaktoren angebracht. Um eine nukleare Fusion zu erzielen, ist es, was das wesentliche anbelangt, notwendig, eine geringe Menge an Fusionsbrennstoff über ihren Zündungspunkt zu erhitzen, die erhitzte Brennstoffcharge lange genug von ihrer Umgebung zu isolieren, daß die freigesetzte Fusionsenergie die hineingesteckte Wärmeenergie übersteigt, und schließlich die freigesetzte Energie in eine brauchbare Form umzuwandeln. Das wohlbekannte Problem beim Versuch, eine Kernfusion zu erzielen, liegt in der Tatsache, daß relative kinetische Energien von 10 keV oder mehr erforderlich sind, um eine Fusion der Brennstoffteilchen zu bewirken. Diese Energie entspricht einer kinetischen Temperatur von 100 Millionen Grad, woraus sich die Notwendigkeit eines magnetischen Einschlusses des Fusionsplasmas ergibt. Das Problem, welches einen zufriedenstellenden Einschluß von Plasmen durch magnetische Felder bisher verhindert hat, sind die Instabilität, die dem eingeschlossenen Plasma bei den meisten Feldformen innewohnt, und die durch Feldunstetigkeiten erzeugten Randverluste Infolge der Instabilitäts- und Kandverlustprobleme waren existierende Vorrichtungen in der Vergangenheit nicht dazu in der Lage, ein zu Erzielung einer Fusion ausreichend hohes NT-Produkt zu erreichen. Nach den Lawson-Kriterien muß das NV-Produkt größer als 10 sec/cm sein, was Einschlußzeiten zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Sekunden für im stationären Zustand arbeitende Reaktoren bedeutet. Selbst die fortschrittlichsten der bekannten Vorrichtungen, wie etwa der Tokomak, waren nicht in der Lage, Ein-

809807/03H

Schlußzeiten der entsprechend dem Lawson-Kriterium richtigen Größenordnung zu erzielen. Laser- oder "Mikroexplosions"-Vorrichtungen ist es in ähnlicher Weise nicht gelungen, Zeit-Dichte-Produkte zu erreichen, wie auch nur irgendwo in der Nähe der durch das Lawson-Kriterium geforderten, gelegen wären. Ausführlichere Analysen bekannter Vorrichtungen finden sich in folgenden Artikeln:

Bishop, Amasa, "Project Sherwood: U.S. Program in Controlled Fusion", Addison Wesley Publishing Company, Reading, Massachusetts, U.S.A.', 1958;

Post, Richard P. "Prospects for Fusion Power", Physics Today, Bd. 26, April, 1973, Seiten 3O-38;

Tupk, James L. "L¹ Energie de Fusion", LA Recherche, Bd. 3, Oktober, 1972, Seiten 857-872.

Gough, William C. and Eastlund, Bernard J., "The Prospects of Fusion Power", Scientific American, Bd. 224, Nr. 2, Seiten 50-64, 1971.

In Anbetracht der Tatsache, daß es bisher existierenden Systemen und Techniken nichb gelungen ist, einen zufriedenstellenden Einschluß der Brennsfcoffplasmen zu erzielen, und in Anbetracht der Tatsache, daß bisherige Vorrichtungen Abwandlungen einiger weniger Grundtechniken des Plasmaeinschlusses waren, existiert ein dringendes Bedürfnis nach einem neuen Lösungsweg für die durch die Kernfusion aufgegebenen Probleme, und insbesondere existiert ein ebensolches Bedürfnis nach einer Nutzbarmachung eines neuartigen Plasmaaufbaus.

Es ist daher Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren zur Erzeugung eines neuartigen zusammengesetzten Plasmaaufbaus anzugeben.

809807/03U

Ferner ist es Ziel der Erfindung, eine neue Vorrichtung zur Erzeugung eines neuartigen zusammengesetzten Plasmaaufbaus zu schaffen.

Darüber hinaus ist es Ziel der Erfindung, neue Verfahren zur Handhabung und Nutzbarmachung eines neuartigen zusammengesetzten Plasmaaufbaus zu schaffen.

Schließlich ist es Ziel der Erfindung, eine neue Vorrichtung zur Handhabung und Nutzbarmachung eines neuartigen zusammengesetzten Plasmaaufbaus zu schaffen.

Kurz zusammengefaßt, werden diese Ziele erreicht, indem eine Hochenergiespannung durch eine Brennstoffatmosphäre entladen wird» die zur Bildung eines wendeiförmigen Strompfads in einer wendeiförmigen Bahn ionisiert ist. Dieser wendeiförmige Strom entwickelt sich nachfolgend zu einem toroidischen Strom, der den Kern eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus bildet. Die Hochtemperaturenergie des Plasmakerns ionisiert die umgebende Atmosphäre, wobei sich ein den Plasmakern umgebender Mantel aus geladenen Teilchen entwickelt, welcher einer Kompression durch mechanische Kräfte zugänglich ist. Die Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahrensschritte enthält auch ein System, durch welches der Druck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums auf den entstehenden zusammengesetzten Plasmaaufbau aufgebracht werden kann, um das Plasma mechanisch zusammenzudrücken. Alternativverfahren und -vorrichtungen werden ebenfalls beschrieben.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Bei dieser ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Verfahrensschritts im erfindungsgemäßen Verfahren, welche all-

809807/03U

gemein die Ionisation einer Atmosphäre und speziell eine solche in einer wendeiförmigen Bahn zeigt,

Fig. 2 eine Darstellung eines zweiten Verfahronsschritte dos erfindungsgemäßen Verfahren, welche die Stroment.ladung und die zugehörigen Magnetkräfte des Plasmas im Vakuumbereich läng.s der ionisierten Bahn der Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Magnetfeldkopplung benachbarter Windungen,, wie sie durch die in Fig. 2 dargestellte Entladung erzeugt werden,

Fig. h eine schematische Darstellung eines toroidischen Strome.s und das zugehörige unzusammengezwängte poloidische Magnetfeld;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des inneren toroidischen Magnetfelds und der poloidischen Oberflächenströme, wie sie in einem Plasmatorus erzeugt werden,

Fig. 6 eine Darstellung eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus einer Plasma-Mantel-Kern-Konfiguration (ΡΜΚ), welche das innere poloidische Magnetfeld der PMK zeigt;

Fig. 7 eine teilweise aufgeschnittene schematische Darstellung einer möglichen Abwandlung der PMK der Fig. 6, welche die poloidischen Ströme im Mantel und das durch den poloidischen Stromkern erzeugte innere toroidische Magnetfeld zeigt,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs-

809807/03U

4ί

gemäßen Verfahrens, und

Fig. 10 eine senematsi die Darstellung einer dritten Ausführungsform einer,Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung ist im folgenden eine Definition der in der Beschreibung verwendeten Terminologie gegeben:

a) Der Kern besteht aus einem Plasmatorus, poloidischen und toroidischen Strömen, und den entsprechenden toroidischen und poloidischen Magnetfeldern,

b) Der Mantel ist ein Leiter aus Materie bzw. einem Plasma, welches in der Lage ist, die externen magnetischen Felder des Kerns bzw. wendeiförmigen Plasmas einzuschließen und zu komprimieren. Er soll die körperliche Grenzfläche zwischen

- der die PMK unfcettenden Matterie und den Kernfeldern sein.

c) Kernplasma und Mantel sind durch einen Vakuumbereich räumlich getrennt und unterscheiden sich gewöhnlich in der Temperatur.

d) Der Mantel umgibt und schließt die externen magnetischen Felder des Kerns im wesentlichen lückenlos ein.

e) Das zusammengesetzte Plasma bezeichnet wenigstens zwei räumlich getrennte und verschiedene Plasma— oder leitfähige Körper, wie man sie in der Plasma-Mantel-Kern-Kon-

figuration findet, und welche über auf jeden der beiden Körper auftreffende elektromagnetische oder magnetische Felder miteinander in Wechselwirkung stehen.

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchgängig identische oder entsprechende Teile. Fig. 1 zeigt schematisch einen ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,

809807/03U

Eine Atmosphäre aus gasförmigem Deuterium 10 oder irgendeinem äquivalenten, zur Erzeugung eines Hochenergieplasmas geeigneten Material wird in einem Gebiet zwischen zwei Hochspannungselektroden 12 und 1k erzeugt. Die Elektroden 12 und 14 sind an eine geeignete Hochspannungsquelle 16" angeschlossen, Eine Ionisationsenergiequelle 18 ist so ausgerichtet " daß sie Ionisationsenergie in einen Bereich der, beispielsweise, Deuteriumatmosphäre 10 im Gebiet zwischen den Elektroden 12 und 14 projiziert bzw. fokussiert. Die projizierte Ionisationsenergie wird vorzugsweise zu einer

im wesentlichen wendeiförmige Bahn fokussiert bzw. gebildet, so daß ein im wesentlichen wendeiförmiges Gebiet aus ionisierten Teilchen 20 zwischen den Elektroden 12 und ~\k gebildet wird. .Wenn das von der Hochspannungsquelle 16 erzeugte Hochspannungspotential durch Schließen eines Schalters 22 an die Elektroden 12 und 14 angelegt wird, dann führt die Hochspannungs-Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden zu einer Entladung in der Atmosphäre 10, die der ionisierten Bahn 20 folgt. Das Ergebnis ist die Bildung eines wendeiförmigen Stromüberschlags 2k, wie er in Pig. 2 dargestellt ist. Die extrem kurze Anstiegszeit des Stromüberschlags 24, die von der hohen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 14 herrührt, bewirkt einen ausreichend schnellen Aufbau von magnetischer Energie, so daß das den Kanal umgebende ionisierte Gas explosionsartig verdrängt wird. Diese Kraft führt zur Schaffung eines Niederdruck-bzw. im wesentlichen evakuierten Bereichs 2.6, der den wendeiförmigen Stromüberschlag 2k umgibt. In ähnlicher Weise führen die Hochenergie- und Hochtemperaturstrahlung des Stromüberschlags 2k auch zur Bildung und Aufrechterhai tung einer ionisierten Grenzschicht bzw. "eines Mantels 28, welcher eine Zwischenschicht zwischen der Atmosphäre und dem halbevakuierten Gebiet 26 bildet. Zusätzlich zur Schockexpansion des ionisierten Gases als Folge der schnellen

809807/03U

Anstiegszeit erzeugt der Stromüberschlag 24 eine Intensivierung der Ionisation an der magnetischen und Ionisiertgas-Grenze bzw. dem Mantel 28.

Die wendeiförmige Bahn, welcher der Stromüberschlag 24 folgt, ist wegen ihrer magnetischen Eigenschaften wichtig. Die Entladungsbahn kann zwar aus einer einzigen Schleife bestehen, jedoch enthält, wie im einzelnen in Fig. 3 gezeigt, der Stromüberschlag 24 in der Regel mehrere Schleifen, von denen nur zwei bei 30 und 32 dargestellt sind. Jede dieser Stromschleifen erzeugt ein magnetisches Feld, wie es in Fig. 3 durch Feldlinien 3k dargestellt ist. Die von den verschiedenen Stromschleifen erzeugten Magnetfelder koppeln miteinander und ziehen die Stromschleifen zu einer einzigen toroidischen Stromschleife 36, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, zusammen. Die toroidische Stromschleife 36 wird der Plasmakern des erfindungsgemäß gebildeten zusammengesetzten Plasmaaufbaus. Der Plasmakern 36 erzeugt ein ihn umgebendes poloidisches Magnetfeld, welches durch die Feldlinien 34 dargestellt ist.

Fig. 5 gibt den dynamischen Energieaufbau des Plasmakerns 36 genauer wieder und zeigt im einzelnen einen kreisförmigen Oberflächenstrom 38, welcher um die kleine Achse des toroidischen Kerns umläuft. Der Oberflächenstrom 38 führt zu einem durch die Feldlinien 40 dargestellten toroidischen Magnetfeld im Inneren des Kerns 36. Die Erzeugung dieses Oberflächenstroms geschieht weitgehend auf die gleiche Weise wie die oben beschriebene Erzeugung des toroidischen Stromes. Um sich dies klar zu machen, betrachte man das Kollabieren eines zusammengesetzt gewendelten Plasmastrompfads. Solche Wendelformen finden sich bei gewissen Glühlampenfäden. ·

Unter nochmaligem Bezug auf Fig. 2 wird daran erinnert, daß um den Stromüberschlag 24 herum, bevor dieser zu dem toroidischen

809807/03U

/7*7

Kern 36 kollabiert, eine ionisierte Schicht bzw. ein ionisierter Mantel 28 gebildet wird. Sowie der toroidische Kern 36 gebildet ist, verlieren sich die Abschnitte des Stromüberschlags zu beiden Seiten des wendel- oder schleifenförmigen Abschnitts rasch, ebenso wie dies die zu diesen nicht gewendelten Abschnitten des Stromüberschlags gehörigen Mantelteile tun. Dies bedeutet im Ergebnis, daß der Mantel 28 dazu tendiert, in eine im wesentlichen ellipsoidische, den Kern 36 umgebende Form zu kollabieren, wie sie im wesentlichen in Fig. 6 gezeigt ist. Der in Fig. 6 gezeigte zusammengesetzte Plasmaaufbau wird als Plasma-Mantel-Kern-Konfiguration oder PMK 42 bezeichnet. Bei dieser Konfiguration handelt es sich insofern um eine stabile Konfiguration, als der hohe Strom des heißen Kerns 36 in einem Vakuum existiert und sich daher nicht schnell zerstreut. Der Kernstrom erzeugt außerdem ein starkes poloidisches Feld, dargestellt durch die Feldlinien 34, welches die ionisierten Teilchen des Mantels 28 trägt und dadurch verhindert, daß der Mantel in das Gebiet niedrigen Drucks und niedriger Dichte hinein kollabiert. Ein Ausdehnen des Mantels 28 ist jedoch verhindert, da der Druck des internen poloidischen Felds einen Gleichgewichtszustand mit dem Druck des externen Mediums erreicht. Als weitere Möglichkeit kann der Kern aus einem beliebigen anderen Medium ausreichender elektrischerLeitfähigkeit zusammengesetzt sein, welches sich dazu verwenden läßt, die Kernfelder einzuschließen, und dazu herangezogen werden könnte, die Felder des Kerns zus ammenzudrück en.

Fig. 7 zeigt einen poloidischen Strom 44, welcher um den Mantel 28 umläuft und sich durch die Mitte des toroidischen Kerns 36 hindurchzieht, wobei er den durch den Kern 36 erzeugten poloidischen Feldlinien folgt. Der poloidische Strom 44 bewirkt die Bildung eines toroidischen Felds, dar-

809807/03U

gestellt durch. Feldlinien 46, innerhalb des Niederdruckgebiets 26. Die Summe aus dem toroidischen Feld und dem poloidischen Feld der Fign. 6 bzw. 7 ist nicht gezeigt. Jedoch ist die Überlagerung aus poloidischem und toroidi— schem Feld wichtig und steht zu dem als Kruskal-Shafranov-Grenzwert bekannten Stabilitätsparameter in Beziehung. Die Langzeitstabilität dieser Konfiguration wird durch die Tatsache unterstützt, daß sich das Verhältnis aus poloidischen und toroidischen Stromkomponenten innerhalb gewisser Grenzen mit der Zeit ändert. Dies geht auf die unterschiedlichen entsprechenden Komponenten der toroidischen und poloidischen Leitfähigkeiten und magnetischen Energien Kiirüok, die in ihrem ¥ert mit verschieden Geschwindigkeiten abfallen. Dies wird üblicherweise als dynamische Stabilisierung bezeichnet.

Die Anfangsenergie zur Bildung der wendeiförmigen ionisierten Bahn kann irgendeine von vielen Formen sein. Beispielsweise kann Röntgenstrahlenergie· ebenso verwendet werden wie Elektronen- oder Ionenstrahlen. Ferner kann eine herkömmliche Koronaentladungsanordnung ebenso verwendet werden wie Laserenergie. Ebenso läßt sich eine extrem starke Blitzlampe in Verbindung mit einem optischen Fokussiersystem zur Erzeugung der gewendelten ionisierten Bahn verwenden. Zu weiteren Techniken zur Bildung der wendeiförmigen ionisierten

£1 2

Bahn gehört ein Draht aus Li oder LiH„ , der durch Anwendung eines extrem hohen Stromes oder einer extrem hohen Spannung explosionsartig erregt werden kann. Ein Gaswirbel mit einer wendeiförmigen Verdünnung kann ebenso verwendet werden wie gewisse Instabilitäten linearer Entladungen, die wendeiförmige Kanäle verursachen. Natürlich gibt es zahlreiche weitere Techniken zur Bildung der ionisierten wendeiförmigen Bahn, die im Ermessen des Fachmanns liegen.

809807/03U

Im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Bildung des Keims 36 der PMK 42 wurde dargelegt, daß die anfangs wendeiförmige Stromentladung zu einer einzigen toroidischen Schleife kollabiert. Dieses Kollabieren des Stromes und gewisse magnetische Wechselwirkungen haben die Bildung der zirkulären Oberflächenströme 38 zur Folge, die um den kleinen Radius des toroidischen Kerns 36 fließen und dabei das toroidische Feld 40 erzeugen und die Konfiguration des Kerns stabilisieren. Die auf der Oberfläche des Mantels 28 fließenden poloidischen Ströme können sich in einigen Fällen durch Störungen in den Feldern, die durch die anfängliche Bildung der PMK erzeugt werden, automatisch bilden. Andererseits können solche Ströme -dadurch induziert werden, daß eine zweite Entladung zwischen den Elektroden 12 und 14 ausgelöst wird, die durch die offene Mitte des toroidischen Keiuis 36 hindurch verläuft. Auch die poloidischen Ströme 44, die das innere toroidische Feld 46 erzeugen, wirken in Sinne einer Stabilisierung der PMIi-Konfiguration. Die Viskosität und der Druck des äußeren, den Mantel der PMK umgebenden Mediums (Gas oder Flüssigkeit) hat ebenfalls einen Dämpfungs- und Vbluinenbegrenzungseinfluß auf jedes Ausdehnen oder Zusammenziehen des Kerns durch magnetische Kopplung und wirkt dadurch weiter im Sinne einer Stabilisierung der PMK-Konfiguration.

Das Gebiet mit niedrigem Teilchendruck bzw. das nahezu evakuierte Gebiet 26 und der hohe magnetische Druck nahe des Torus innerhalb der PMK verhindern, daß der Kernstrom durch Diffusion von Stromteilchen an Leitfähigkeit verliert. Als Folge davon kann der Kernstrom über einen wesentlichen Zeitraum hinweg existieren, während welchem der Hauptenergieverlust durch Hochtemperaturstrahlung an den Mantel 28 vor sich geht. Natürlicherweise schwankt die

809807/03U

Lebensdauer des Kernstromes und der resultierenden PMK sehr stark abhängig von der Gesamtenergie und den Temperaturen der PMK, dem Druck der umgebenden Gasatmosphäre, den Verunreinigungen in der Atmosphäre, dt;r Qualität des Vakuums im Niederdruckgebiet 26 und von Plasmainstabilitäten.

Aus dem vorstehenden sollte ersichtlich sein, daß die PMK-PIasmakonfiguration zu ihrer Existenz nicht von irgendeinem externen magnetischen oder elektrischen Feld abhängig ist. Sie gleicht vielmehr einer geladenen Batterie insofern, als sie abhängig von der Temperatur, dem umgebenden Gas- oder Flüssigkeitsdruck und ihrem anfänglichen Energieinhalt, über einen vergleichsweise bedeutsamen Zeitraum Energie speichern bzw. zurückbehalten kann. Jedoch läßt sich der PMK weitere Energie zuführen, indem man sie mit Gas- oder Flüssigkeitsdruck mechanisch zusammenpreßt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die den ionisierten Mantel 28 bildenden geladenen Teilchen im allgemeinen das durch den den Kern ^6 bildenen Kreisstrom erzeugte intensive poloidische Feld nicht durchdringen werden. Daher läßt sich zum Zusammendrücken des Mantels 28 körperlicher Gas- oder Flüssigkeitsdruck auf den Mantel ausüben. Das Zusammenpressen des Mantels erzwingt dann aber über einen "Hebel- und-Drehpunkt"-Effekt ein Zusammendrücken des durch die Feldlinien > 34 angedeuteten poloidischen Felds, und hat ein Anwachsen der Energie und der Temperatur des Kerns zur Folge. Dementsprechend läßt sich die innere Temperatur und Energie der PMK durch Ausüben eines mechanischen Gas- oder Flüssigkeitsdruck auf die äußere Oberfläche des Mantels 28 steigern. In Anbetracht der Kleinheit des Kernplasmas im Verhältnis zum Manteldurchmesser würde das Dipolfeld mit dem Kehrwert der dritten Potenz des Radius abfallen. Eben-

809807/0314

so 1st zu bemerken, daß bei Verwendung eines Gases oder einer Flüssigkeit zur Ausübung des Druckes auf den Mantel natürlich. Teilchen durch den Mantel diffundieren und diesen durchdringen. Jedoch werden diese Teilchen ionisiert, sobald sie den vom Korn 36 abgestrahlten intensiven kurzwelligen Photonen . oder Neutronen ausgesetzt werden, wodurch sie im Ergebnis zu Teilen des Mantels 28 werden und deshalb nicht mehr in der Lage sind, in erheblichem Ausmaß das magnetische Feld innerhalb der PMK zu durchdringen. Daher verhindert die der PMK innewohnende innere Energie, daß Moleküle des umgebenden Flüssigkeits- oder Gasmediums in das Niederdruckgebiet 26 eindringen, so daß dieses Gebiet seinen Beinahevakuumzustand beibehält.

Es liegt für den Fachmann auf der Hand, daß sich Energie der PMK auch durch externe elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder zuführen läßt. Darüber hinaus lassen sich externe magnetische und elektrische Felder dazu verwenden, die PMK körperlich handzuhaben. In ähnlicher Weise lassen sich externer Gas- oder Flüssigkeitsdruck und sogar mechanische Vorrichtungen zum Bewegen oder Handhaben der PMK verwenden, da sie sich bis zu einem gewissen Grad wie ein halbstarrer physikalischer Körper, im Sinne einer gewöhnlichen Seifenblase verhält. Eine Bewegung der __ PMK durch mechanische Werkzeuge, beispielsweise einen Metallkolben ist wegen der durch Strahlungen und Streufelder der PMK im Metallkolben induzierten .Spiegelströme,die zu einer Abstoßung des PMK-Körpers führen, möglich.

Eine Vorrichtung zur Bildung der PMK nach dem oben beschriebenen Verfahren ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Wie gezeigt, weist ein Schalenaufbau 48 mit im

809807/03U

wesentlichen ovalem Querschnitt die zwei oben beschriebenen Elektroden 12 und 14 auf, die innerhalb des eingeschlossenen Volumens angebracht sind. Eine transparente Trennwand 50» beispielsweise aus Quarz, läßt sich zur Trennung des Schalenaufbaus 48 in eine PMK-Auslöse- oder Zündkammer 52 und eine Ionisationsenergiekammer 54 verwenden. Ein gewendelter Hochintensitätsblitzlampenfaden 56, welcher an eine geeignete Spannungsquelle 58 angeschlossen ist, ist in der lonisationsenergiekammer 54 angebracht. Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß die Hochintensitätsblitzlampe 56 nur für eine von vielen an dieser Stelle verwendbaren Typen von Ionisationsenergiequellen steht. Ähnlich versteht sich die transparente Trennwand 50, sofern eine verwendet wird, als eine solche, die für den Typ von Energie transparent ist, der durch die zur Verwendung ±n. der lonisationsenergiekammer 54 ausgewählte Energiequelle erzeugt wird. Auf einer Innenfläche der lonisationsenergiekammer 54 ist eine geeignete reflektierende Oberfläche ausgebildet bzw. durch Beschichtung aufgebracht, die dazu dient, die durch den Hochintensitätsblitzlampenfaden 56 (oder durch irgendeine andere geeignete Energiequelle) erzeugte Energie in einem Brennpunkt bzw. einem Brennbereich 62 innerhalb der Zünd— kammer 52 zu fokussieren. Als weitere Möglichkeit kann die Trennwand 50 zvlt Fokussierung der lonisationsenergie als Linse ausgelegt sein. Die durch Zündung des Blitzlampenfadens hervorgerufene intensive Lichtstrahlung erzeugt in der Atmosphäre 10 der Ionisationskammer 52 die gewünschte wendeiförmige ionisierte Bahn. Daher wird durch Schließen des Schalters 22 exakt in dem Moment, in dem die wendeiförmige ionisierte Bahn 20 durch den Brennpunkt oder den Brennbereich 62 voll ausgebildet ist, ein wendeiförmiger Stromübersehlag 24 der in Fig. 2 gezeigten Art erzeugt, was,

809807/03U

wie oben beschriebe^ die Ausbildung einer PMK zum Ergebnis

Der Anfangsdruck der Atmosphäre 10 innerhalb des Schalenauf baus 48 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 und 5 Atmo Sphären.

Di <> PMK-Plasmakonfiguration kann mit in weitem Bereich veränderten Anfangsenergien und Größen hergestellt werden. Pur einen Torusdruck von 87O Atmosphären und einem Manteldruck von einer Atmosphäre würde man die folgenden PMK-Manteldurchmesser, totale magnetische Energien, Ströme und Torus— durchmesser finden:

Manteldurchmesser (cm) Energie (Kilojoule) Strom (Megaampere) Torusdurchmesser (cm)

Das Hauptmerkmal dieses Schemas ist die Fähigkeit, das Kernplasma durch Anwenden'eines mäßigen mechanischen Drucks auf den Mantel auf bisher unvorstellbare Drücke zusammenzupressen. Die Felder außerhalb eines magnetischen Dipols nehmen mit dem Kehrwert der dritten Potenz ihres radialen Abstands ab. Dies bedeutet, daß die Energiedichte bzw. der Druck mit dem Kehrwert der sechsten Potenz abfüllt. Dieses Gesetz gilt nicht für kleine Abstände, jedoch Wäre 'für diese Zwecke hier die Energieverteilung (l/r ) , wobei € ^ 1 ist und vom Verhältnis des Mantelradius b zum großen Ringradius R abhängt. Ein Schlüsselfaktor der bei der Bildung der PMK allgemein beachtet werden muß, ist jedoch ein schneller Stromanstieg, also kurze Anstiegszeit, damit der evakuierte Bereich 26 geschaffen werden kann. ¥enn diese Stromanstiegszeit ge-

809807/03U

7	3	27	5	60	*A..*	100
1,	26	90	5	1000		6000
0,		0,	2	k
h	6,	9	13

geben ist, hängt die zur Erzeugung der PMK eingebende Spannung bzw. Energie in erster Linie von wohlbekannten physikalischen Charakteristiken, wie dem Druck der Atmosphäre 10, dem ¥iderstand der Atmosphäre, der Induktivität des Entladungskanals und dem Abstand zwischen den Elektroden 12 und 14, ab. Daher läßt sich eine kleine PMK mit einem Durchmesser von der Größenordnung 10 cm in einer kleinen Auslösekammer mit einem Durchmesser von 20 bis 100 cm mit einer gesamten zugeführten l Energie von einigen 10 Kilojoule bilden. Solch eine kleine Niederenergie-PMK kann eine Lebensdauer in der Größenordnung von 1 see, abhängig von den genauen atmosphärischen Bedingungen einschließlich des Druckes und der Art des verwendeten Gases, haben.

Die Anfangsenergie zur Erzeugung der PMK erhält man von herkömmlichen Hochspannungsquellen, wie etwa Kondensatorenbänken des Typs wie sie jetzt bei Blitzsimulationsmaschinen und verschiedenen Typen von Kernforschungseinrichtungen verwendet werden. Die genaue Temperatur des Kerns hängt natürlich von der Energie der PMK, der Teilchendichte und Atommassenzahl, dem magnetischen Druck und vielen anderen Paktoren ab. Die Manteltemperatür schwankt ähnlich, abhängig von den genauen Bedingungen, unter denen die PMK gebildet wird. Jedoch liegt die Manteltemperatur bedeutend unter der Kerntemperatur. Die Kerntemperatur für eine staik komprimierte PMK überschreitet die zur Kernfusion nötige Temperatur, und der kühlere Mantel wirkt als Strahlungs- und magnetic ches Schild zwischen dem Kern und den Kammerwänden.

Eine zweite Methode und Vorrichtung zur Herstellung der PMK-Konfiguration ist in Fig. 9 dargestellt. Die Ausführungsform der Pig, 9 zeigt einen Druckbehälter 6k, welcher der Auslösekammer 52 der Pig. 8 entsprechen soll. Aufbau, Werkstoff und Druckfestigkeit des Druckbehälters 64 sind, wie für den

809807/0314

Fachmann auf der Hand liefet, durch, die Größe und Energie der herzustellenden PMK bestimmt. Eine Vakuumpumpe 66 ist über ein geeignetes Druckventil 68 mit dem Inneren des Druckbehälters 6h verbunden und dient dazu, ihn abzupumpen. Eine herkömmliche, ein Plasma oder ein Plasmoid erzeugende Kanone 70 ist in einer geeigneten in der Wand des Druckbehälters 6k befindlichen Öffnung 72 angebracht. Wie denn Fachmann bekannt ist, ist die Plasmakanone 70 dafür geexgnete plasmoide irgendeines geeigneten Aufbaus zu erzeugen und in das Innere des Druckbehälters 6h einzuschießen.

-I

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Plasmakanone 70 vorzugsweise so ausgewählt, daß sie, wie bei ¹Jk sehematisch angedeutet, toroidische Plasmoide erzeugt. Eine Hochenergiespule bzw. eisenlose Spule 76 mit im wesentlichen zylindrischem Aufbau ist an den Wänden des Druckgefäßes 6h befestigt und so ausgerichtet, daß ihre zentrale Öffnung 78 ¹^*- ^^er Plasmakanone 70 ausgerichtet ist, so daß die durch die Plasmakanone 70 erzeugten toroidischen Plasmoide ¹Jh die zentrale Öffnung der Spule 76 durchlaufen. Zur Erregung der Spule 76 ist eine Hochenergiespannungsversorgung 80 über einen geeigneten Stromkreisunterbrecher 82 mit der Hochenergiespule 76 verbunden. Die Spannungsversorgung 80 für die Spule ist vorzugsweise eine herkömmliche Spannungsquelle hoher Leistung des Typs, wie er zur Erzeugung holier Magnetfelder bei bekannten Kornfuslonsforschungsanlagen verwendet wird. Diese Spule (es kann sich auch um mehrex-e Spulen handeln) ist so aufgebaut, daß sie poloidische und toroidische Magnetfelder zur Erregung der geeigneten Strommoden im Kern, wie vorhin in Verbindung mit dem bevorzugten Verfahren beschrieben, erzeugt. An die Plasmakanone 7° ist eine Plasmakanonensteuerung 84 angeschlossen, die die Erzeugung eines Plasmoids und seinen Einschuß in den Druckbehälter 6h in Gang setzt. Die Plasmakanonensteuerung ist zu deren Betätigung auch mit dem

809807/03U

Stromkreisuiiterbrecher 82 für die Spule und einer Membransteuerung 86 verbunden. Die Membransteuerung 86 ist ihrerseits mit einer Anzahl von Druckgasquellen 88 verbunden, die symmetrisch um die innere Oberfläche des Druckbehälters 6k verteilt angeordnet sind. Jede der Druckgasquellen ist anfänglich durch eine zerbrechbare Membran 90 verschlossen. Bei den Druckgasquellen 88 kann os sich um Zylinder oder um Behälter mit komprimiertem Gas handeln, die durch eine Membran verschlossen sind, welche auf ein elektrisches Zündungssignal der Membransteuerung 86 hin explosionsartig zerstört wird. Als weitere Möglichkeit können die Druckgasquellen einfach gewisse Mengen eines geeigneten Gases enthalten, welches in einem explosiven Gehäuse untergebracht ist, welches durch ein Signal der Membransteuerung 86 gezündet wird. Natürlich lassen sich zahllose äquivalente Typen herkömmlicher Druckgasquellen anstelle der beschriebenen spezifischen Ausführungsformen verwenden. Im Betrieb wird der Druckbehälter 6k zunächst durch die Vakuumpumpe 66 evakuiert. Hierauf wird die Hochenergiespule j6 durch ihre Spannungsversorgung 80 erregt, so daß sich in der Umgebung der Spule 76 und insbesondere im Bereich der zentralen Öffnung 78 ein starkes Magnetfeld aufbaut. Hierauf wird die Plasmakanonensteuerung 8k ausgelöst, was dazu führt, daß ein toroidisches Plasmoid 7k erzeugt und durch die zentrale Öffnung 78 der Hochenergiespule 76 hindurch eingeschossen wird. Als weitere Möglichkeit kann die Hochenergiespule gegenüber der Plasmakanone 70 im Druckbehälter 6k angeordnet sein. Das toroidische Plasmoid würde dann gegen die zentrale Öffnung der Spule hin eingeschossen uiid von ihr unter Absorption von Energie reflektiert werden. Die Plasmakanonensteuerung 84 ist mit dem Spulenstromkreisunterbreeher 82 zur Lieferung eines zeitlich bestimmten Unterbrechersignals verbunden, so daß der Spulens tromkreisunt erbre eher in exakt dem Augenblick geöffnet wird, in welchem das toroidische Plasmoid 7k

809807/0314

die zentrale Öffnung 78 durchläuft. Als weitere Möglichkeit kann die Ionisation des toroidischen Plasmas durch elektromagnetische oder Teilchenstrahlmittel, entsprechend etwa denen, die zur Ionisation des Kanals beim Verfahren der Fig. 8 vorgeschlagen wurden, induziert oder verstärkt werden, wobei die eingestrahlte Ionisationsenergie ein toroidisches Plusmoid in der Nachbarschaft der Blende 78 bildet. Man sieht natürlich, daß die Hochenergiespule 76 in Wirklichkeit eine Luftkerr. Spule ist und die zentrale Öffnung 78 d<->r Luftkran der Spule ist. Als weitere Möglichkeit kann die Spule einen permeablen Kern mit einem geeigneten LuftZwischenraum im Kernmaterial enthalten, wodurch die Plasmakernbildung in der Nähe dieses Zwischenraums . ermöglicht wird. Da im gleichen Augenblick, wie das Plasmoid 74 den Luftkern durchlimf t, der Spulenstrornkreis unterbrochen wird, findet eine starke Übertragung

von magnetischer Energie von dem zusammenbrechenden Feld der Spule 76 auf das Plasmoid statt. Das Plasmoid lh taucht daher aus der Spule 76 mit erheblich erhöhter Energie wieder auf. Sowie das Plasmoid zur Mitte des Druckbehälters 64 wandert, betätigt ein zweites, zeitlich geeignet festgelegtes Signal der Plasmakanonensteuerung 84 die Membransteuerung 86, was dazu führt, daß die einzelnen Membranen 90 explosionsartig brechen, so daß als Ergebnis eine Stoßwellenfront 92 durch das aus den Druckgasquellen 88 entweichende Hochdruckgas erzeugt wird. Diese Stoßwellenfront umschließt das toroidische Plasmoid und wird durch die Strahlungen des nun in einem hohen Energiezustand sich befindlichen toroidischen Plasmoids lh, welches zu einem toroidischen Stromschleifenkern 36 des weiter oben beschriebenen Typs geworden ist, ionisiert. Die ionisierte Wellenfront 92 wird dann dem weiter oben beschriebenen Mantel 28 äquivalent. Das Ergebnis ist die Bildung einer PMK im Druckbehälter 64.

809807/03U

Es sind verschiedene Abwandlungen der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung möglich. Beispielsweise kann die Spule aus dem Inneren des Druckgefäßes 64 entfernt werden, sobald die PMK gebildet ist, um eine Zerstörung durch die
große Hitze innerhalb des Behälters zu vermeiden. Ferner kann die in Fig. 8 gezeigte Vorrichtung mit der in Fig. gezeigten in dem Sinne kombiniert werden, daß die Plasmakanone 70 der Fig. 9 durch die Hochintensitätsblitzlampe 56, oder eine äquivalente Energiequelle, des unter Bezug auf Fig. 8 beschriebenen Typs ersetzt wird. Somit könnte die PMK im Behälter der Fig. 9 gemäß dem unter Bezug auf Fig. 8 beschriebenen Verfahren gebildet werden. Die D_ruckgasvorrichtung der Fig. 9 würde dann dazu verwendet werden, die PMK, ,mu-hdem sie bereits gebildet ist, zu komprimieren, um die Energiekonzentration in dem Plasmakern 36 zu steigern.

Während bisher die allgemeinen Eigenschaften der PMK und die Verfahren zu ihrer Erzeugung beschrieben wurden, soll im folgenden der Schwerpunkt auf den Techniken liegen,
welche die einzigartigen Eigenschaften der PMK für die
Kernfusion nutzbar machen. Insbesondere ist eine der bemerkenswertesten Eigenschaften der PMK ihre Fähigkeit,
sich durch eine mechanische Kraft, wie etwa einen Gasoder Flüssigkeitsdruck, zusammenpressen zu lassen. Diese Eigenschaft gestattet es, die Energie der PMK auf dramatisch einfache Weise durch Verwendung herkömmlicher und
billiger mechanischer oder chemischer Energiequellen,
etwa herkömmlicher Hydrauliktechniken oder· dergleichen, zu steigern.

Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Fusionsenergie unter Verwendung einer PMK. Die Vorrichtung" umfaßt eine Auslösekammer 9h, die der Auslösekammer 52 der Fig. 8 oder dem Druckbehälter 64 der Fig.

809807/03U

entsprechen kann. In Fig. 10 sind zwei Elektroden 12 und 14 dargestellt und entsprechen den in Fig. 8 dargestellten, zur Bildung einer PMK nachdem vorstehend beschriebenen Entladeverfahren. Bei Anwendung dieses Verfahrens zur Bildung der PMK muß eine Vorrichtung zur Lieferung der Ionisationsenergie des in Figur dargestellten Typs vorgesehen sein. Eine solche Vorrichtung ist zwar in Fig. 10 nicht dargestellt, jedoch versteht sich, daß sich diese Vorrichtung leicht an die Auslösekammer 9h der Fig, 10 anschließen läßt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Elektroden 12 und 14 wogzulassen und ein Plasmakanonensystem des in Fig. 9 dargestellten Typs zur Erzeugung der PMK zu verwenden. In diesem Fall müßten die in Fig. 9 gezeigte Steuerausrüstung und Einrichtung zur Erzeugung der Stoßwellen der Auslösekammer 9h der Fig. 10 hinzugefügt werden. Somit kann eine PMK durch irgendeine Technik in der Auslösekammer 9h der Vorrichtung der Fig. 10 in Gang gesetzt werden. Sobald die PMK in Gang gesetzt ist, wird ein Gas- bzw. Flüssigkeitsdrucksystem mit einer Gas- bzw. Flüssigkeitsdruckquelle 96, die durch eine Gas- bzw. Flüssigkeitsdrucksteuerung 98 geregelt wird, eingesetzt, um die PMK zu komprimieren. Im einzelnen enthält die Gas- bzw. Flüssigkeitsdruckquelle einen Vorrat aus einem geeigneten Gas bzw. einer geeigneten Flüssigkeit, welcher über eine Druckleitung 100 an eine geeignete Anzahl von längs des Außenrandes der Zündkammer 9h angeordneten Druckeingängen 102 angeschlossen ist. Es versteht sich natürlich, daß gegebenenfalls eine Anzahl fernsteuerbarer Ventile (nicht gezeigt) zum Öffnen oder Schließen der Druckeingänge 102 verwendet werden kann. Vorzugsweise ist in einem Abschnitt der Wand der Auslösekammer 9h ein Drucksensor 104 angeordnet, um eine Rückführungsinformation an die Gas- bzw. Flüssigkeitsdrucksteuerung 98 hinsichtlich des tatsächlich in der Auslösekammer 9h herrschenden Drucks zu liefern. Im Betrieb wird die PMK zuerst gezün—

809807/Q3U

det und nachfolgend der Gas- bzw. Flüssigkeitsdruck dann innerhalb der Zündkammer 9^ gesteigert, um die PMK auf einen geeigneten Durchmesser zusammenzupressen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine mechanische Vorrichtung oder ein elektrisches oder magnetisches Feld eingesetzt, um die PMK physisch in eine Brennkammer 106 zu transportieren, welche innerhalb des an der Auslösekammer 9h angebrachten Brennkammergehäuses 108 angeschlossen ist. In Fig. 10 ist die Einrichtung zur Bewegung der PMK als ein durch einen Kolbenantrieb 112 betätigter Kolben 110 dargestellt. Der Kolbenantrieb kann eine herkömmliche Hydraulik, eine Explosionskammer, eine Kombination aus hydraulischen und Explosionsvorrichtungen oder irgendeine andere geeignete Kraftquelle sein. Ein zusätzlicher Drucksensor (nicht gezeigt) kann in der Brennkammer 106 vorgesehen sein, damit ein Druckregelsystem an die Brennkammer angeschlossen werden kann.

Der Kolben 110 wird dazu verwendet, die PMK in die Brennkammer 106 zu bewegen, und kann darüber hinaus auch dazu verwendet werden, die PMK weiter zusammenzudrücken, sobald sie sich in der Brennkammer befindet. Als weitere Möglichkeit kann zusätzlicher Gas- bzw. Flüssigkeitsdruck in Form eines Gases oder einer Flüssigkeit aus fusionierbarun Kernen von einer Brennstoffquelle 114 zugeführt werden. Außerdem kann eine druckvariable Druckquelle 116 zur weiteren Erhöhung des Druckes in der Brennkammer in Verbindung mit der Wirkung des Kolbens 110 verwendet werden. An die Wände der Brennkammer 106 ist eine Energieaus tauschervorrichtung 118 mit Hilfe einer Leitung 120 an- ' geschlossen, welche dazu dienen kann, ein Kühlmittel, wie etwa flüssiges Lithium oder irgendein anderes geeignetes Reaktorkühlmittel, durch ein Netzwerk von Kühlkanälen in den Wänden der Brennkammer 106 strömen zu lassen. Die Ener-

809807/03U

gietransfertechnik 1st natürlich hoch entwickelt, und es kann irgendeine geeignete bekannte Energietransfervorrichtung anstelle der in Fig. 10 schematisch gezeigten verwendet werden. Nicht innerhalb magnetischer Begrenzerspulen kühlen zu müssen, ist ein großer Vorteil der Erfindung gegenüber Tol'oninks und ähnlichen durch große Spulen zusammengehaltenen Tori.

Die Abmessungen und der Aufbau der in Pig. 10 gezeigten Vorrichtung sind durch die gewünschte Größe und Ausgangsleistung der PMK bestimmt. ' Dementsprechend ändert sich die Größe der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung in weiten Gronzen. Jedoch gelten die weiter oben in Bezug auf den in Fig. 8 gezeigten Aufbau genannten Zahlen auch für den Aufbau der Fig. 10 und ebenso für den der Fig. 9.

Mit der Vorrichtung der Fig. 10 lassen sich Drufcke von 1 000 Atmosphären oder mehr unter Verwendung herkömmlicher bekannter Techniken erzielen. Bei solchen Druckzunahmen nimmt die Energiekonzentration der PMK erheblich zu, wobei die Temperatur und Dichte der PMK und möglicherweise ihre Lebensdauer zunimmt. ¥enn die Anfangsgröße der PMK ausreichend groß ist, kann die Druckzunahme und Volumenabnahme leicht zu einer solchen Zunahme der Kernplasmaenergie führen, daß Temperaturen oberhalb der Kernfusionstemperatur entstehen, wodurch dann in der Brennkammer eine Fusion stattfindet. Zur Erzielung einer kontinuierlichen Abgabe von Fusionsenergie wird in Erwägung gezogen, eine Batterie von Vorrichtungen des in Fig. 10 gezeigten Typs zu konstruieren und aufeinanderfolgend zu erregen. Auf diese Weise liefert jede Vorrichtung Energie, wenn ihre PMK brennt, und sowie die PMK ausbrennt, werden nachfolgende Zünd- und Brennvorrichtungen in Betrieb genommen, um die Energieerzeugung fortzusetzen.

809807/03U

Es sind zahlreiche Abwandlungen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann bei der Ausführungsform der Pig. 9 die Plasmakanone entfernt und ein toroidisch.es Plasmoid einfach durch Verwendung einer Hochenergiespule in dem Druck einer vorionisierten Atmosphäre des in Fig. 9 dargestellten Typs erzeugt werden. Bei dieser Abwandlung ist es jedoch notwendig, ein externes Feld vorzusehen, um das toroidische Plasmoid aus dem Luftspalt der Spule 76 an eine geeignete Stelle in der Nähe der Mitte des Druckbehälters 6k bewegen zu können, so daß das Toroid nach seiner Erzeugung symmetrisch innerhalb der Stoßwelle 92 angeordnet wird.

Ferner ist es wichtig zu bemerken, daß bei der Ausführungsform der Fig. 8 und bei dem vorher beschriebenen Entladeverfahren zur Erzeugung der PMK die Entladung zwischen den Elektroden 12 und 14 exakt im Augenblick maximaler Ionisation der wendeiförmigen Bahn 20 vorsieh gehen sollte. Daher ist eine geeignete Zeitgeber- und Steuereinrichtung vorzugsweise zwischen die Ionisationsenergiequelle 58 und den Hochspannungsschalter 22 geschaltet, so daß der Hochspannungsschalter 22 in einem geeigneten Moment nach dem Auslösen der lonisationsenergiequelle geschlossen wird.

Ferner läßt sich das Verfahren der Fig. 9 auf das Verfahren der Fig. 8 anwenden, wobei ein Ionen-, Gas- oder Plasmastrahl die Materie für die wendeiförmige Entladungsbahn in einer vorher evakuierten Kammer erzeugen könnte und der Mantel mit Hilfe einer Gas- bzw. Flüssigkeitsdruckwelle erzeugt wird. Diese ¥elle kann durch elektromagnetische Wellen oder Teilchenstrahlen vorionisiert oder vorerwärmt sein, um das Ein schließen der mit der Bildung des Rings verbundenen magnetischen Felder zu verstärken.

809807/03U

Die Erfindung -wird zwar in erster Linie im Hinblick auf ihre Nutzbarmachung als eine Technik zum Studium eines einzigartigen Plasmaaufbaus und zur Erzeugung von Kernfusionsenergie beschrieben, sie hat jedoch viele zusätzlich Anwendungsgebiete. Beispiels-weise kann die Hochenergie-PMKL als extrem intensive Lichtquelle zum Pumpen von Lasern oder irgendeinem anderen "weck verwendet werden. Ähnlich kann die PMK als intensive elektromagnetische Wärmequelle verwendet werden. Ferner kann die PMK als Vorrichtung zur Speicherung und Transferierung großer Mengen an elektromagnetischer Energie, die für kurze Zeiten existieren, herangezogen werden. Darüber hinaus kann die PMK als Vorrichtung zur Simulation anderer Typen von magnetischen und elektromagnetischen Hochenergiephänomenen verwendet werden. Für den Fachmann ergeben sich darüber hinaus noch weitere Anwendungsgebiete der PMK und der beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen.

Es ist zu bemerken, daß sich ununterbrochene Fusionsreaktionen gemäß Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung durch geeignete Auswahl des Brennstoffmaterials aufrecht erhalten lassen. Die Auswahl von geeigneten Materialien gestattet, ein kontinuierliches Eindiffundieren einer geringen Menge der den Rohbrennstoff bildenden Kerne in das Hochtemperaturplasma und so die Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten.

Bei der Ausführungsform der Fig. 9 kann die Plasmakanone 70 entfernt und die Öffnung 62 mit einer transparenten Trennwand des bei 50 in Fig. 8 gezeigten Typs verschlossen werden. Somit kann eine Ionisationsenergiequelle außerhalb des Druckbehälters 6h angeordnet werden, wodurch die Vorrichtung der Fig. 9 auf die gleiche Betriebsweise wie die Vorrichtung der Fig. 8 umgestellt wird.

809807/Q3U

Zusammengefaßt schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung und Nutzbarmachung eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus. Der Plasmaaufbau enthält ein zentrales toroidisches Plasma mit elektrischen Strömen, welches von einem im wesentlichen ellipsoldisehen Mantel aus ionisierten Teilchen oder elektrisch leitender Materie umgeben ist. Die bevorzugten Verfahren zur Bildung dieses verbundenen Plasmaaufbaus enthalten die Verfahrensschritte des Bildens einer wendeiförmigen ionisierten Bahn in einem gasförmigen Medium und des gleichzeitigen Entladens einer Hochspannung durch die ionisierte Bahn zur Erzeugung eines wendeiförmigen Stroms, welcher in sich selbst zu einem toroidischen Strom zusammenfällt, oder der Erzeugung eines toroidischen Plasmoids, der Zuführung magnetischer Energie an das Plasmoid und der Ausübung eines externen Gas- bzw. Flüssigkeitsdrucks auf das Plasmoid. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine Druckkammer, in welcher der zusammengesetzte Plasmaaufbau durch Gas bzw. Flüssigkeit oder andere Formen mechanischen oder magnetischen Drucks isoliert oder zusammengepreßt werden kann.

809807/03U

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus in einem Aufnahmemedium, gekennzeichnet durch

Erzeugen eines toroidischen Plasmas mit einem darin umlaufenden intensiven Strom in dem Aufnahmemedium und

Ausbilden eines Mantels aus ionisierten Teilchen um das toroidische Plasma herum, wobei der Verfahrensschritt des Ausbildens den Verfahrensschritt der Erzeugung einer das toroidisch.e Plasma umgebenden Druckwellenfront einschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des Plasmas durch

Bilden einer wendeiförmigen ionisierten Bahn in dem Aufnahmemedium und Entladen einer Hochspannung längs der ionisierten Bahn erfolgt.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -das Erzeugen des Plasmas durch

Bilden eines toroidischen Plasmoids und Zuführen einer wesentlichen Menge magnetischer Energie an das toroidische Plasmoid erfolgt.

809807/031

ORIGINAL !WSFECTED

k. Verfahren nach Anspruch _3> dadurch gekennzeichnet, daß das · die Energiezufuhr durch

Erregen einer Luftkernspule und

Übertragung der in der S pule gespeicherten magnetischen Energie auf das toroidische Plasmoid erfolgt.

5· Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Vorsehen einer Atmosphäre aus ,einem geeigneten Gag in dem Aufnahmemedium vor dem Verfahrens schritt des Erzeug-ens.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Abpumpen des Aufnahmemediums vor dem Verfahrensschritt des Erzeugens.

7. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch das Anwenden eines Gas- bzw. Flüssigkeitsdrucks außen auf den Mantel.

8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das körperliche Bewegen des zusammengesetzten Plasmas von einer Stelle des Aufnahmemediums an eine andere.

9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erzeugung eines eingeschlossenen, eine Grenze zwischen dem toroidischen Plasma und dem Mantel bildenden magnetischen Felds.

10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Zusammendrücken des zusammengesetzten Plasmaaufbaus zur Erhöhung der Temperatur und Dichte.

809807/0314

11. Verfahren zur Erzeugung eines verbundenen Plasmaaufbaus in einem Aufnahmemedium, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Erzeugen eines toroidischen Plasmas mit einem darin umlaufenden intensiven Strom in dem Aufnahmemedium und

Bilden eines Mantels aus ionisierten Teilchen um das toroidische Plasma herum und Zusammendrücken des zusammengesetzten Pias— maaufbaus zur Erhöhung ,seiner Temperatur und Dichte.

12. Vorrichtung zur Erzeugung und Nutzbarmachung eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Aufnahme des zusammengesetzten Plasmaaufbaus (42), eine Energieversorgungseinrichtung zur Erzeugung wendelförmig umlaufender Ströme (24) in der Aufnahme einrichtung und ein Medium (iO) in der Aufnahmeeinrichtung zur Bildung eines die äußeren Felder (34) der umlaufenden Ströme im wesentlichen einschließenden Mantels (28) aus ionisierten Teilchen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung einen Druckbehälter (64; 48) aufweist,

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung eine Ionisationsenergiequelle (56, 58) zur Erzeugung einer wendeiförmigen ionisierten Bahn (20) im gasförmigen Medium (1O) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (48) einen den Durchtritt der Ionisationsenergie in das gasförmige Medium (1O) gestattenden

809807/03U

transparenten Abschnitt (50) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch Λ2., dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung innerhalb der Aufnahmeeinrichtung in Berührung mit dem gasförmigen Medium (1O) zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden (12, 14), eine an die Elektroden angeschlossene Hochspannungsquelle (16) zur Erzeugung eines Entladestroms durch das Medium, und eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Steuereinrichtung zur Steuerung des Beginns des Entlade-Stroms aufweist.

17« Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (1O) leichte fusionierbare Kerne umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung eine ** Spuleneinrichtung (76); eine an die Spuleneinrichtung angeschlossene Spannungsversorgung (80) zur Erzeugunge starker Magnetfelder im Inneren der Spuleneinrichtung und eine an die Spannungsversorgung angeschlossene Steuereinrichtung zur Steuerung des Anlegens von Spannung an die Spuleneinrichtung aufweist.

19· Vorrichtung nach Anspruch i8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Zuführen von gas- bzw. Flüssigkeitsdruck zur Erzeugung einer Gas- bzw. Flüssigkeitsdruckwellenfront (92) in der Aufnahmeeinrichtung umfaßt.

2Ϊ). Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung von Gas- bzw. Flüeaigkeits- druck eine Anzahl von längs einer inneren Fläche der Aufnahmeeinrichtung angeordneten Gas- bzw. Flil&si&keltsdruck-

809807/03U

quellen und eine an die Druckquellen und die Energieversorgungseinrichtung angeschlossene Steuereinrichtung zur Koordination ihrer Wirkungsweise aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene und mit ihr in Verbindung stehende, gegenüber hohen Innendrucken beständige Kompressionskammer (1O6) und eine Einrichtung zum Anlegen eines hohen Druckes innerhalb der Kompressionskammer aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bewegungseinrichtung (110, 112) in der Aufnahmeeinrichtung zur Bewegung einer darin erzeugten PMK in die Kompressionskammer (1O6) aufweist,

23· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Aufnahmeeinrichtung verbundene Energieaustauscheinrichtung (118) zur Entnahme von Energie vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Aufnahmeeinrichtung eine Druckzuführeinrichtung (9-6, 100, 102) zur Erhöhung des Druckes in der Aufnahmeeinrichtung angeßchlossen ist.

25· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung zur Erwärmung von Materiekomponenten des zusammengesetzten Plasmaaufbaus vorges ehen ist.

26, Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene und mit ihr in Verbindung stehende, gegenüber hohen Innen-

809807/03U

drucken beständige Kompressionskammer (106) und eine Einrichtung zur Anlegung eines hohen Gas- bzw. Flüssigkeit sdrucks innerhalb der Kompressionskammer vorgesehen ist.

27· Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungseinrichtung (11O, 112) in der Aufnahmeeinrichtung zur Bewegung einer darin erzeugten PMK in die Kompressionskammer (1O6) vorgesehen ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene Energieaustauschereinrichtung (118) zur Abnahme von Energie vorgesehen ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene Einrichtung (96, 100, 102) zum Zuführen von Gas- bzw. Flüssigkeitsdruck zur Erhöhung des Druckes in der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist.

30. Vorrichtung zur Erzeugung und Nutzbarmachung eines zusammengesetzten Plasmaaufbaus, gekennzeichnet durch eine Aufnahmeeinrichtung für den zusammengesetzten Plasmaaufbau (42), eine Energieversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines umlaufenden toroidischen Stromes (26) in der Aufnahmeeinrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine Luftkernspule (76), eine an die Spule angeschlossene Spannungsversorgung (80) zur Erzeugung eines intensiven Magnetfelds im Kern der Luftkern ~ spule und eine an die Spannungsquelle angeschlossene Steuereinrichtung zur Steuerung der Spannungsaniegung an die Luftkernspule aufweist, und eine Einrichtung

809807/Ü3Ü

zur Zuführung eines Gas- bzw. Flüssigkeitsdruckes (88, 90) zur Erzeugung einer Gas- bzw. Flüssigkeitsstoßwellenfront (92) innerhalb der Aufnahmeeinrichtung.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30» dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung einen Druckbehälter (6k; 9k) enthält.

32. Vorrichtung nach Anspruch 3O, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene und mit ihr in Verbindung stehende, gegenüber hohen Innendrucken beständige Kompressionskammer (106) und eine Einrichtung (116) zur Anlegung eines hohen Gas- bzw. Flüssigkeitsdruckes innerhalb der Kompressionskammer umfaßt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungseinrichtung (IIO, 112) in der Aufnahmeeinrichtung zur Bewegung einer darin erzeugten PMK in die Kompressionskammer (106) vorgesehen ist,

34. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene Energieaustauschereinrichtung (118) zur Entnahme von Energie vorgesehen ist.

35· Vorrichtung nach Anspruch 30> dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossene Gasbzw. Flüssigkeitsdruckzuführungseinrichtung (96, 100, 102) zur Erhöhung des Druckes in der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist.

' 809807/03U

36. Verfahren zur Erzeugung eines zusammengesetzten Plasmas in einem Aufnahmemediura, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte :

Erzeugen eines Plasmatorus mit darin umlaufenden hohen Strömen in dem Aufnahmemedium, Erzeugen eines den Plasmatorus umgebenden Vakuumgebiets , und

Bildung eines die äußeren magnetischen Felder des ionisierten Plasmatorus im wesentlichen einschließenden Mantels aus ionisierten Teilchen.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Plasmatorus die Verfahrensschritte umfaßt:

Erzeugen einer wendeiförmigen ionisierten Bahn und Intensivierung der elektrischen Ströme in der ionisierten Bahn,

Erzeugen eines Vakuumgebiets um die wendeiförmigen Plasmaströme herum, und

Herstellen eines die äußeren Felder der Ströme im wesentlichen einschließenden Mantels in dem Aufnahmemedium.

38. Verfahren nach Anspruch 3^» dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Plasmatorus die Verfahrensschritte umfaßt:

Erzeugen eines toroidischen Plasmoids, und _# Zuführen einer wesentlichen Menge magnetischer Energie an das toroidische Plasmoid.

39« Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens die Verfahrensschritte umfaßt:

Erregen einer Spule , und

809807/03U

Übertragen der in der Spule gespeicherten '■': magnetischen Energie auf das toroidische Plasmoid.

40. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bildung den Verfahrensschritt umfaßt:

Erzeugung einer den Plasmatorus und sein äußeres Mag netfeld umgebenden Druckwellenfront.

. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: .,. ...

Vorsehen von ionisierbarer Materie in dem Aufnahme— medium vor dem Verfahrensschritt der Erzeugung des Plasmatorus.

42. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:

Evakuieren des Aufnahmemediums vor dem Verfahrensschritt der Erzeugung des Plasmatorus«

43. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:

Anlegen von äußerem Druck und Einwirken auf den Mantel.

44. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:

Körperliches Bewegen des zusammengesetzten Plasmas von einer Stelle des Aufnahmemediums an eine andere.

45. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:

809B07/03U

Zusammenpressen des verbundenen Plasmas zur Erhöhung seiner magnetischen Energie und seines Druckes in einer Weise, daß sich eine Druckübersetzung von der äußeren Grenze zwischen magnetischem und Materiedruck zur inneren Grenze Magnetfeld-Plasma ergibt,

46. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Zusammenpressen .des zusammengesetzten Plasmas zur Erhöhung seiner Teilchentemperatur und -dichte und Erwärmen des Plasmatorus durch Anwendung elektromagnetischer Wellen,

809807/03U