DE2933800A1

DE2933800A1 - Plasmaeinrichtung und verfahren zum betreiben derselben

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Publication number: DE2933800A1
Application number: DE19792933800
Authority: DE
Inventors: Tihiro Ohkawa
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1980-08-07
Also published as: CA1164109A; AU529873B2; JPS55102200A; FR2447662B1; FR2447662A1; SU1217269A3; IT1125945B; GB2046007A; CH646830A5; GB2046007B; US4302284A; IT7968709A0; AU5455580A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Plasmaeinrichtungen und Verfahren zum Betreiben solcher Einrichtungen, sowie insbesondere auf die Stabilisierung von toroidalen Fusionseinrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Kombination eines schrauben- bzw. spiralförmigen (hierfür wird nachstehend zusammenfassend der Begriff "spiralförmig" verwendet) Magnetfeldes und eines (poloidalen) Magentfeldes, das durch den Plasmastrom erzeugt worden ist, für die Stabilisierung solcher Einrichtungen.

(Toroidale) Plasmaeinrichtungen sind Einrichtungen, in denen Plasma in einem (toroidalen) Raum erzeugt und durch geeignete Einschließungsfelder darin eingeschlossen wird. Solche Einrichtungen sind für das Studium und die Analyse von Plasmen brauchbar, sowie insbesondere für die Erzeugung, Ein Schließung, Einengung, Beschränkung o.dgl. (hierfür wird nachstehend zusammenfassend der Begriff "Einschließung" verwendet) , das Studium und die Analyse von wasserstoffhaltigen Plasmen. Derartige Einrichtungen sind im Hinblick auf Plasmaeinrichtungen für die Reaktion von Deuterium und Tritium unter Erzeugung von Hochenergieneutronen als Reaktionsprodukte brauchbar. Die vorliegende Erfindung findet spezielle Anwendung in solchen Einrichtungen und ihren Anwendungen, und zwar unter Einschluß von experimentellen Einrichtungen und der Verwendung derselben bei Experimenten und Untersuchungen im Hinblick auf toroidale Plasmaeinrichtungen bzw. in Verbindungen mit toroidalen Plasmaeinrichtungen.

Die allgemeinen Schwierigkeiten in Fusionseinrichtungen bestehen in weitem Umfange in der Erhitzung des Plasmas auf eine Temperatur, die hoch genug ist, um das Auftreten der gewünschten Reaktionen zu ermöglichen, sowie im Einschließen des erhitzten Plasmas während einer Zeit, die lang genug

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ist, um die Freisetzung von überschüssiger Energie über diejenige Energie, die zum Erteag ⁵:i der Reaktion erforderlich ist, zu gestatten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Einschließung eines solchen Plasmas, und zwar insbesondere eines toroidaien Plasmas,

Es wurde bereits eine Anzahl von toroidaien Plasmaeinrichtungen vorgeschlagen und gebaut. Diese Einrichtungen umfassen die Tokamak-Einrichtung, den Stellarator und den Umkehrfeld-Pinch. In solchen Einrichtungen wird Gas in einem toroidaien Einschließungsbehälter eingeschlossen und erhitzt, um ein Plasma zu bilden, das durch geeignete Felder allgemein entfernt von den Wänden des Einschließungsbehälters gehalten wird.

In den Tokamak-Einrichtungen wird ein toroidaler Plasmastrom durch einen Transformator erzeugt, wobei das toroidale eingeschlossene Gas als Sekundärwicklung wirkt und die Primärwicklung von einem mittigen Solenoid gebildet wird. Beim Erzeugen oder Erlöschen des Magnetfeldes, das durch den Strom in dem Solenoid erzeugt wird, wird ein toroidales elektrisches Feld erzeugt, welches das Gas ionisiert und einen Plasmastrom um den Torus herumtreibt. Der Pinch-Effekt des fließenden Stroms bewirkt, daß die geladenen Plasmateilchen nach der Mitte des Plasmastroms zu gedrückt werden. Jedoch ist der Plasmastrom als solcher unstabil, und ein gewisser Teil des Plasmas trifft auf den Einschließungsbehälter auf, so daß infolgedessen das Plasma abgekühlt und jede Reaktion behindert wird. Aus diesem-Grund weist die Tokamak-Einrichtung auch eine toroidale Feldspule auf, die um den Einschließungsbehälter herum angeordnet ist und dazu dient, ein sehr großes toroidales Magnetfeld zu erzeugen. Die Wechselwirkung des toroidaien Magnetfeldes mit dem poloidalen Magnetfeld, das von dem Plasmastrom erzeugt worden ist, erzeugt eine relativ stabile Plasmaeinschließung.

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In Stellaratoren erfolgt die Einschließung durch magnetische Felder, die mittels externer Spulen erzeugt werden, und beruht nicht auf dem Plasmastrom. In Stellaratoren liefert eine toroidale Feldspule, ähnlich wie diejenige der Tokamak-Einrichtung, ein relativ großes toroidales Magnetfeld, in dem das Plasma erzeugt wird. Zusätzlich zu dem toroidalen Magnetfeld wird ein spiralförmiges Feld mittels Spulen erzeugt, die spiralförmig um den toroidalen Einschließungsbehälter herum vorgesehen sind. Die Kombination des toroidalen Magnetfeldes mit dem spiralförmigen Magnetfeld erzeugt ein verdrilltes Netto-Magnetfeld, das der Plasmaeinrichtung relative Stabilität verleiht. Die spiralförmigen Spulen und die toroidalen Feldspulen können kombiniert werden, wie das in der Torsatron-Einrichtung der Fall ist. Die Schwierigkeit bei den Stellaratoren besteht in dem Problem, das Plasma in Einrichtungen von tragbaren Abmessungen zu erzeugen und das erforderliche sehr große Magnetfeld hervorzubringen.

Im Umkehrfeld-Pinch wird die Einschließung dadurch erzielt, daß man ein toroidales Feld in einem sich einschnürenden Plasma einfängt und ein toroidales Feld von entgegengesetztem Vorzeichen zwischen dem Plasma und der Wand induziert.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat gewisse Aspekte mit den Einrichtungen nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise der Tokamak-Einrichtung und dem Stellarator, gemeinsam, aber sie ist generell unterschiedlich, und zwar insbesondere insofern, als sie keine schweren toroidalen Feldspulen hat. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Stabilität durch die Kombination des poloidalen Magnetfeldes, das von dem Plasmastrom erzeugt wird, und des spiralförmigen Magnetfeldes, das von spiralförmigen Wicklungen erzeugt wird, erreicht. Das spiralförmige Feld, das dem poloidalen Feld überlagert ist, erzeugt eine Translationstransformation, wodurch die Flußlinien spiralförmig werden

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und verdrillte Flußoberflächen bilden.

Um magnethydrodynamisch stabil zu sein, müssen toroidale Plasmaeinrichtungen notwendige Bedingungen für den Sicherheitsfaktor q erfüllen, wobei q als mittlere Länge definiert ist, die in der Toroidalrichtung pro Einheit des poloidalen Winkels der Drehung der Magnetfeldlinie auf einer Flußoberfläche durchlaufen wird, geteilt durch den größeren Radius des Torus, d. h.:

worin ζ der in der Toroidalrichtung durchquerte Abstand, θ der Poloidalwinkel der Versetzung und R der größere Radius ist. Eine Flußoberfläche ist definiert als eine Oberfläche, auf der die magnetische Flußdichte keine Komponente hat, die senkrecht dazu verläuft. Wenn r der kleinere Radius ist, dann sind diese Gleichungen wie folgt:

(a) q k 1

(b)

(O

dq

/dr j ^ O und

L §3.
q dr

muß groß genug sein, um das

Mercier-Kriterium zu erfüllen. Tokamak-Einrichtungen und solche Stellarator-Einrichtungen, die einen wesentlichen Plasmastrom führen, erfüllen allgemein die Sicherheitsbedingung (a),indem sie durch das gesamte Plasma hindurch mit jq[> 1 arbeiten. Im Gegensatz hierzu arbeitet die Umkehrfeld-Pinch-Einrichtung mit Jq(^I im gesamten Plasma. Ein

genügend großes

, eine einbezogene Scherung, wird im

q dr
Umkehrfeld-Pinch dadurch erhalten, daß c in der nähe des Randes des Plasmas ein umgekehrtes Vorzeichen hat. Im Falle des Umkehrfeld-Pinchs sind die Flußoberflächen axialsymmetrisch und im Querschnitt kreisförmig, und-; hat eine ein-

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fache Definition in Termen des toroidalen Magnetfeldes B , des poloidalen Magnetfeldes B ,des größeren Radius R des Torus und des kleineren Radius r, und zwar im einzelnen

^BT r

für den Fall des kreisförmigen Umkehrfeld-Pinchs wie auch für die kreisförmige Tokamak-Einrichtung. Da B nur eine Richtung hat, kann die Umkehr von q nur durch eine entsprechende Umkehr von B in diesem Falle erzielt werden. Im Umkehrfeld-Pinch wird dieses vorübergehend über die Zeitskala für die Diffusion des magnetischen Flusses dadurch erreicht, daß man ein toroidales Feld in einem sich einschnürenden Plasma einfängt und ein toroidales Feld von entgegengesetztem Vorzeichen zwischen dem Plasma und der Wand induziert. Der Umkehrfeld-Pinch hat die Nachteile, daß (1) das Plasma vor der Erzeugung der gewünschten Feldkonfiguration für die Einschließung erzeugt werden muß und das beinhaltet entweder eine Schnellfeld-Programmierung oder eine turbulente Anfangsphase, in der das Plasma die Wand berühren kann und Verunreinigungen eingeführt werden können; und (2) daß das Plasma für das extern angewandte Magnetfeld, das in das Plasma eindringen und die gewünschte Konfiguration erzeugen soll, widerstandsfähig sein muß. Jedoch wird die Lebensdauer des Plasmas durch die Magnetfeld-Diffusion bestimmt, die im gleichen Zeitmaßstab wie das Eindringen erfolgt. Daher ist es schwierig, die gewünschte Konfiguration zu erzeugen und jie über eine wesentliche Zeitdauer hinweg aufrechtzuerhalten. Der Umkehrfeld-Pinch hat die Vorteile, daß (1) er ein relativ höheres Beta (ß),(das Verhältnis des Plasmadrucks zum magnetischen Druck) als die Tokamak-Einrichtungan hat; und (2) daß er eine leistungsfähige Ohm'sche Erhitzung besitzt, da der Betrieb bei einem relativ niedrigen q einen relativ größeren Plasmastrom und ein relativ größeres Längenverhältnis — des Torus ermöglicht.

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Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Plasmaeinrichtung, die einen Einschließungsbehälter aufweist, der Wände zum Begrenzen eines Raums und zum Einschließen eines Gases darin hat; und

eine Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmastroms innerhalb dieses Raums, wobei der Plasmastrom ein Magnetfeld innerhalb des Plasmas erzeugt;

eine Mehrzahl von ersten Windungen, die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter herumgewickelt und im wesentlichen in gleichförmigen Abständen um die Achse vorgesehen sind; eine Mehrzahl von zweiten Windungen, die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter herumgewickelt sind, und zwar in der Mitte zwischen jeweiligen aufeinanderfolgenden ersten Windungen; und

eine Einrichtung zum Erzeugen eines spiralförmigen Magnetfeldes durch Hindurchführen eines ersten Gleichstroms durch die ersten Windungen und durch Hindurchführen eines zweiten Gleichstroms durch die zweiten Windungen in einer Richtung, die entgegengesetzt dsm ernten Gleichstrom ict; wobei diese Einrichtung eine Kombination des spiralförmigen Magnetfeldes mit dem von dem Plasmastrom erzeugten Magnetfeld umfaßt bzw. aufweist.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Plasmaeinrichtung, die einen Einschließungsbehälter mit Wänden zum Begrenzen eines Raums und zum Einschließen eines Gases darin hat, wobei dieses Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Erzeugen eines Plasmastroms in dem Raum, wobei dieser Plasmastrom ein Magnetfeld erzeugt; und

Erzeugen eines spiralförmigen Magnetfeldes durch Hindurchführen eines ersten Gleichstroms durch eine Mehrzahl von ersten Windungen, die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter herumgewickelt und im wesentlichen in gleichen Abständen um die Achse des Behälters herum vorgesehen sind,

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und Hindurchführen eines zweiten Gleichstroms in der Gegenrichtung zu dem ersten Gleichstrom, und zwar durch eine Mehrzahl von zweiten Windungen/ die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter und im wesentlichen in der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden ersten Windungen um den Behälter herumgewickelt sind; und Kombinieren des spiralförmigen Magnetfeldes mit dem von dem Plasmastrom erzeugten Magnetfeld.

Insbesondere betrifft die Plasmaeinrichtung nach der Erfindung und das Verfahren zum Betreiben dieser Einrichtung ein toroidales Plasma.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur Verfügung gestellt, die sich generell von den bisher bekannten Einrichtungen unterscheidet. Sie erzeugt die gewünschte magnetische Einschließungskonfiguration durch Ströme in spiralförmigen Wicklungen und durch einen Plasmastrom, und sie arbeitet mit JqI^1 und mit einem umgekehrten q in der Nähe des Plasmarandes, wie es beim Umkehrfeld-Pinch geschieht. Jedoch ist es gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit nichtkreisförmigen Flußoberflächen arbeitet, so, daß der Sicherheitsfaktor q, der als Mittel auf einer Flußoberfläche definiert ist, selbst in Abwesenheit eines Nettotoroidalfelds (gemittelt über einen Kreis) begrenzt bzw. endlich sein kann. Eine Konfiguration mit umgekehrtem q kann aufgestellt werden, ohne daß ein Nettotoroidalfeld außerhalb des Plasmas vorhanden ist. Die Erfindung ermöglicht außerdem die Einführung eines kleinen externen Nettotoroidalfelds, das durch ein leichtes Ungleichgewicht zwischen den positiven und negativen Spiralspulenströmen erzeugt wird, und zwar zu Zwecken des Verschiebens der Stelle q = O in die Radialposition, die für die Stabilität des Plasmas optimal ist.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Wert von q in der Nähe der Mitte des Plasmas im wesentlichen bedingt durch die poloidalen und toroidalen Plasmaströme. Die poloidalen Plasmaströme erzeugen ein Nettotoroidalfeld innerhalb des Plasmas. Dieses Nettofeld nimmt nach dem Rand des Plasmas ab und verschwindet außerhalb des Plasmas. In der Nähe des Randes des Plasmas hat q die Tendenz, sein Vorzeichen umzukehren, und zwar wegen des über die Flußoberfläche gemittelten Toroidalfelds von den spiralförmigen Spulen, welches Feld dem Nettotoroidalfeld, das von dem poloidalen Plasmastrom erzeugt wird, entgegenwirkt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein q-Profil erzielt, das für die Plasmastabilität bei hohem Beta geeignet ist, und das für eine leistungsfähige Ohm'sche Erhitzung in einer Konfiguration geeignet ist, die nicht durch die Magnetfluß-Diffusion begrenzt ist, sondern so lange weiterbesteht, solange die Ströme in den spiralförmigen Spulen und im Plasma aufrechterhalten werden. Der Plasmastrom wird durch ein mittiges Solenoid induziert, wie es in der üblichen Tokamak-Einrichtung der Fall ist. Bei der vorliegenden Erfindung hängt es nicht von der Toroidizität ab, daß man eine Stabilität des Plasmas erzielt, und die erfindungsgemäße Einrichtung kann als Torus mit einem hohen Längenverhältnis betrieben werden, ähnlich wie ein Fahrradreifen, so daß Auslegungs- bzw. Aufbauzwänge bezüglich der mittigen Induktionsspule für das Treiben eines Plasmastroms und bezüglich des Aufbaus des Mantels bzw. Blankets in einer Reaktoranwendung erleichtert werden. Die vorliegende Erfindung erfordert keine anderen toroidalen Feldspulen als die spiralförmigen Spulen. Diese spiralförmigen Spulen werden vorzugsweise so betrieben, daß ein Null-Nettotoroidalfeld oder leichtes bzw. schwaches Nettotoroidalfeld erzeugt wird. Die Abwesenheit eines großen bzw. starken Nettotoroidalfelds vermindert die Kräfte zwischen den Windungen und die BeIa-

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stungen. Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Scheidelinie, die nachstehend auch als Separatrix bezeichnet ist, vorgesehen, die das Plasma begrenzt. Diese Scheidelinie definiert bzw. begrenzt eine geschlossene Oberfläche, innerhalb deren geschlossene und ineinandergefügte Magnetflußoberflächen vorhanden sind. Die Radialposition der Scheidelinie nimmt mit dem Plasmastrom zu, und die Scheidelinie wirkt als ein magnetischer Begrenzer zum Einschließen bzw. -engen des Plasmastromkanals weg von der Wand während des Beginns bzw. Aufbaus der Entladung. Am Beginn der Entladung wird eine geeignete magnetische Konfiguration erzielt, ohne daß die Notwendigkeit einer Schnellfeld-Programmierung besteht oder ein turbulenter übergang in den gewünschten Zustand erfolgt. Die Scheidelinie erleichtert außerdem die Einführung einer Ablenkeinrichtung bzw. eines Divertors, die bzw. der zum Vermindern von Verunreinigungen im Plasma wünschenswert sein kann.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen toroidalen Einschließungsbehälter, der einen toroidalen Raum begrenzt und ein Gas darin einschließt. Ein mittiges Solenoid erzeugt einen Magnetfluß, der den toroidalen Raum verbindet, so daß ein toroidales elektrisches Feld erzeugt wird, das einen Plasmastrom darin treibt. Eine Mehrzahl von ersten Windungen ist im wesentlichen spiralförmig um den Behälter herum sowie im wesentlichen in gleichförmigen Abständen um dessen kleineren Umfang herum gewickelt. Eine Mehrzahl von zweiten Windungen ist im wesentlichen spiralförmig um den Behälter herum sowie im wesentlichen in der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden ersten Windungen gewickelt. Durch die jeweiligen ersten und zweiten Windungen wird Gleichstrom in entgegengesetzten Richtungen geleitet, wobei der Strom in den jeweiligen ersten und zweiten Windungen gleich oder etwas ungleich ist. Die Größe des Plasmastroms relativ zur Größe der Ströme in den ersten und zweiten Windungen erzeugt eine Scheidelinie bzw. Separatrix in dem toroidalen Raunt- und

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diese Scheidelinie definiert bzw. begrenzt eine geschlossene Oberfläche, welche einen Bereich begrenzt und einschließt, innerhalb dessen geschlossene und ineinandergefügte Magnetflußoberflächen vorhanden sind. Der Drehsinn der ersten und zweiten Windungen und die Richtung des Plasmastroms erzeugen eine Variation im Sicherheitsfaktor q mit dem kleineren Radius und bei jedem poloidalen Winkel, so daß sich dadurch das Vorzeichen von q in der Nähe des äußeren Randes des Plasmas umkehrt, wobei q ein Mittel über eine Flußoberfläche ist, und zwar der Anzahl von Durchgängen, die um den Torus in der Toroidalrichtung von einer magnetischen Flußlinie ausgeführt werden, indem ein einziger Durchgang in der poloidalen Richtung erfolgt. Das Vorzeichen von q wird durch den Sinn der Richtung, in der der toroidale Durchgang durchgeführt wird, bestimmt. Insbesondere betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer toroidalen Plasmaeinrichtung.

Infolgedessen wird mit der Erfindung eine Plasmaeinschließung in einer toroidalen Plasmaeinrichtung erzielt, und zwar durch die Kombination eines poloidalen Magnetfelds, das durch Plasmastrom erzeugt wird, und eines spiralförmigen Magnetfelds, das durch spiralförmige Windungen bzw. Wicklungen erzeugt wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf toroidale Plasmaeinrichtungen beschränkt, sondern sie bezieht sich generell auf Plasmaeinrichtungen und Verfahren zum Betreiben solcher Einrichtungen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 der Zeichnung anhand besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Form einer toroidalen Fusionseinrichtung, in der ein Plasmaeinschließungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei gewisse

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Teile schematisch dargestellt und der Halte- bzw. Trägeraufbau, Hilfswindungen und Vakuumverteiler weggebrochen sind;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Hälfte der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung, und zwar längs der größeren Achse des Torus, wobei gewisse Teile des Halte- bzw. Trägeraufbaus und des Vakuumsystems in Aufrißansicht gezeigt sind;

Fig. 3 eine teilweise Aufrißansicht der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung, wobei zur Veranschaulichung der spiralförmigen Windungen ein Teil der Isolierung weggebrochen ist;

Fig. 4 eine Aufsicht auf den leitenden toroidalen Mantel der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung, und zwar in einem gegenüber dieser Figur verringerten Maßstab;

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 2 vergrößerte Schnittansicht eines Teils des in Fig. 4 gezeigten leitenden Mantels, und zwar längs der Linie 5-5 der Fig. 4;

Fig. 6 eine graphische Veranschaulichung der Gleichgewichtsprofile des Stroms, der Flußdichte und des Sicherheitsfaktors unter gewissen Betriebsbedingungen der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung;

Fig. 7 eine graphische Veranschaulichung von Magnetflußoberflächen an zwei speziellen Radien der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung, und zwar unter den gleichen Bedingungen; und

Fig. 8 eine vereinfachte Ansicht der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfaßt eine toroidale Plasmaeinrichtung 1o ein primäres Einschließungsgefäß in der Form einer toroidalen Auskleidung 12, die eine primäre t.oroidale

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Kammer 14 einschließt und begrenzt, welche geeignetes Gas unter einem geeigneten niedrigen Druck enthält. In dem dargestellten Aufbau ist die Auskleidung 12 aus dünnwandigem rostfreiem Stahl ausgebildet, der ein schnelles Eindringen des toroidal elektrischen Feldes zum Aufbauen und Treiben eines Plasmastroms in der primären toroidalen Kammer 14 gestattet. Die toroidale Auskleidung 12 ist innerhalb eines sekundären Einschließungsbehälters in der Form eines toroidalen Mantels 16 angeordnet und wird von diesem gehalten. Der Mantel 16 ist, wie dargestellt, aus einer relativ dicken Kupferwand ausgebildet, die eine sekundäre toroidale Kammer 18 bildet. Die sekundäre Kammer 18 wird durch Leitungen 2o und eine Sammelleitung 22 mittels einer nicht dargestellten Vakuumpumpen-Einrichtung evakuiert. Die primäre Kammer 14 wird durch Leitungen 24 und eine Sammelleitung 26 mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Vakuumpumpen-Einrichtung evakuiert.

Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, weist der Mantel 16 einen keramischen Unterbrecher 28 auf, der dazu dient, den toroidalen leitenden Weg um den Mantel 16 herum zu unterbrechen, durch den anderenfalls der toroidale leitende Weg durch das Plasma kurzgeschlossen werden würde. Die Leitfähigkeit der Auskleidung 12 ist mit Bezug auf die Leitfähigkeit des Plasmas genügend niedrig, so daß sie zu keiner Energieverschwendung führt. Das bedeutet, daß ein Magnetfeld den leitfähigen Mantel 16 wegen des keramischen Unterbrechers 28 leicht durchdringen kann und daß es auch die Auskleidung 12, weil diese relativ dünn ist und eine niedrigere Leitfähigkeit als das Material hat, welches den Mantel 16 bildet, durchdringen kann. Gleichzeitig bildet die Auskleidung 12 eine elektrische Brücke über den keramischen Unterbrecher 28 und isoliert das ionisierte Plasma von der elektrischen Unterbrechung, die auf diese Weise in dem leitfähigen Mantel 16 ausgebildet ist. Der leitende Mantel 16 trägt gleichzeitig zur

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Stabilisierung des Plasmas bei, indem er den Plasmastrom, der sich nach der Wand des Mantels 16 zu bewegen will, zurückstößt.

Wie bei den Tokamak-Einrichtungen wird der Plasmastrom mittels eines toroidalen elektrischen Feldes erzeugt, das durch eine Solenoidspule 3o induziert wird, die axial bezüglich der größeren Achse der toroidalen Auskleidung 12 und auf der Innenseite des Torus vorgesehen ist. Das toroidale elektrische Feld wird durch Betreiben der Solenoidspule 3o erzeugt, und es sind zusätzliche Windungen 32 vorgesehen, um den poloidalen Fluß außerhalb der Auskleidung 12 zu kanalisieren. Die Solenoidspule 3o und die zusätzlichen Windungen 32 werden in einer konventionellen Weise mittels einer nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung erregt, so daß die Änderung des elektrischen Stroms in der Spule eine Änderung des magnetischen Flusses bewirkt, welcher die aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung, die von der Auskleidung 12 und ihrem Inhalt gebildet wird, verknüpft. Die Änderung des Flusses erzeugt ihrerseits einen Plasmastrom innerhalb der primären Kammer 14.

Eine Mehrzahl von ersten Windungen 34 ist im wesentlichen spiralförmig um eine Spulenform 36 gewickelt, die den Mantel 16 umgibt. Wie man am besten aus dem Querschnitt der Fig. 2 ersieht, sind die ersten Windungen im wesentlichen in gleichmäßigen Abständen um den kleineren Umfang der Spulenform 36 angeordnet, wobei letztere die Form von zwei Hälften haben kann, die zusammengeschraubt sind, wie dargestellt. Eine Mehrzahl von zweiten Windungen 38 ist im wesentlichen spiralförmig um die Spulenform sowie im wesentlichen in der Mitte zwischen jeweiligen aufeinanderfolgenden ersten Windungen gewickelt. Jede der Windungen bzw. Wicklungen 34 und 38 kann aus einer Mehrzahl von Windungen von Leitern 4o ausgebildet sein, die im Querschnitt quadratisch und voneinander isoliert

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sein können. Die Leiter 4o können mittige Kanäle 42 zum Umwälzen eines Kühlmittels zum Zwecke des Kühlens der Leiter aufweisen.

Die erste und zweite Wicklung 34 und 38 können als spiralförmig angesehen werden, obwohl sie nicht wirkliche Spiralen in dem Sinne bilden, als wären sie um kreisförmige Zylinder gewickelt. Die Wicklungen 34 und 38 sind während ihres Fortschreitens um den Torus herum gleichförmig gewickelt, so daß die ersten Wicklungen, wenn sie einen vollständigen Umlauf des Torus durchlaufen haben, mit ersten Wicklungen übereinstimmend zusammentreffen, wodurch kontinuierliche erste Wicklungen um den gesamten Wegverlauf um die größere Achse des Torus herum ausgebildet sind. Das bedeutet, daß dort, v/o zwei erste Wicklungen vorhanden sind, die Anzahl von Windungen ganzzahlig oder in der Hälfte dazwischen liegen muß. In dem letzteren Fall, wenn die eine erste Wicklung das erste Mal herumgelaufen ist, ist die andere erste Wicklung das zweite Mal herumgelaufen. Das gleiche gilt für die zweiten Wicklungen 38.

Die ersten Wicklungen 34 werden mittels einer Gleichstromquelle 44 erregt, während die zweiten Wicklungen 38 durch eine Gleichstromquelle 46 erregt werden. Die Gleichstromquellen 44 und 46 sind entgegengesetzt gepolt, so daß durch die jeweiligen ersten und zweiten Wicklungen der Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt. Diese Ströme erzeugen ein stationäres spiralförmiges Magnetfeld innerhalb der primären Kammer 14, das mit dem poloidalen Magnetfluß kombiniert wird, der durch den Plasmastrom erzeugt wird, damit der Plasmastrom von den leitfähigen Wänden der Auskleidung 12 ferngehalten wird. Die spiralförmigen Wicklungen und 38 sind vorzugsweise mit einer solchen Steigung gewickelt, daß relativ kleine Kräfte zwischen den Wicklungen und eine gute Plasmastabilität erzeugt werden. Ein Winkel von etwa

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45° zur kleineren Achse des Torus ist geeignet.

Wie die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, können zwei erste Wicklungen und zwei zweite Wicklungen um den kleineren Umfang des Torus vorgesehen sein. Es können auch drei von jeder dieser Wicklungen verwendet werden, wodurch die primäre Kammer stärker mit Plasma gefüllt wird, jedoch möglicherweise mit geringerer Stabilität. Unter gewissen Umständen kann auch eine größere Anzahl möglich sein. Die Stromversorgungseinrichtungen können so geschaltet sein, daß der Strom durch die ersten Wicklungen gleich oder ein wenig größer als der Strom durch die zweiten Wicklungen ist, so daß dadurch ein Nulloder ein Netto-Toroidalmagnetfeld durch die spiralförmigen Wicklungen 34 und 38 erzeugt wird. Allgemein ist der Gesamtstrom in den zweiten Wicklungen 38 in seiner Größe vergleichbar mit der Hälfte des Plasmastroms.

Die zusätzlichen Windungen 32 können so betrieben werden, daß man ein vertikales Magnetfeld auf das Plasma zur Einwirkung bringt, um die Wirkung der Ringkraft auszugleichen,die das Bestreben hat, das Plasma auf den größeren Radius auszudehnen," oder um das Gleichgewichtsplasma für die bestmögliche Stabilität einzustellen.

Die Einrichtung kann Beobachtungsdurchgänge 48 aufweisen.

In einem typischen Betrieb einer Einrichtung, wie sie in den Fig. 1 bis 5 gezeigt ist, beträgt der Plasmastrom, der durch einen Betrieb der Solenoidspule 3o und der zusätzlichen Windungen 32 erzeugt wird, etwa 4o kA maximal, wozu eine Magnetflußschwingung bzw. ein Magnetflußswing von etwa o,3 Vsec mit einer Anstiegszeit von etwa 1o msec erforderlich ist. Zum Erzielen eines Verhältnisses Beta des Plasmadrucks zum Magentfeiddruck von etwa o,1 bei Aufrechterhaltung einer guten Stabilität ist eine Temperatur T des Plasmas von et;.-a 1oo eV

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bei einer Dichte von η = 1o Teilchen/cm , eine magnetische Flußdichte B von 1 Kilogauss, eine Energieeindämmungszeit χ von o,3 msec und eine Impulsdauer T₁-Js ^{von 3o} msec erforderlich. Der Gesamtstrom in den ersten Wicklungen ist etwa 2o kA und in den zweiten Wicklungen ist er auch etwa 2o kA. Das Verhältnis des mittleren Radius des Plasraastroms r zum mittleren Radius der Wicklungen r_w beträgt etwa o,75. Unter solchen Bedingungen sind die Gleichgewichtsprofile bestimmter Paramter berechnet worden, wobei sich qualitativ die in Fig. 6 gezeigten Vierte ergaben.

In Fig. 6 sind diese Gleichgewichtsprofile längs der horizontalen Achse dargestellt, während die vertikale Achse willkürliche Einheiten repräsentiert.

Die Beziehungen zwischen den verschiedenen Parametern des Systems und ihre Beziehungen zum Betrieb des Systems sind kompliziert und hängen von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Zum Zwecke der Erläuterung sind die Kurven der Fig. 6 basierend auf bestimmten Parametern, die etwas willkürlich ausgewählt worden sind, erstellt worden. Für die dargestellten Kurven ist das Längenverhältnis der primären Kammer 14, d. h. das Verhältnis der größeren zu den kleineren Radien des Torus, hoch. Im einzelnen sind die hier dargestellten Parameter folgende: j ist die Stromdichte in der Richtung der kleineren Achse des Torus; j_ ist die Stromdichte in der Richtung um die kleinere Achse herum; B ist die Netto-Magnetflußdichte in der Richtung der kleineren Achse; B ist die Magnetflußdichte um die kleinere Achse herum; und q ist der Sicherheitsfaktor, der sich auf B und die Steigung

der Magnetfeldlinien bezieht, wie weiter oben bereits definiert. Der Parameter r/r ist das Verhältnis der Koordinate des kleineren Radius zum kleineren Radius der Scheidelinie, und dieses Verhältnis ist längs eines Winkels von 45° zur X/r -Achse der Fig. 7 berechnet> Die

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Fig. 7 veranschaulicht die Magnetflußoberflächen, die unter diesen Bedingungen den den Stellen A und B der Fig. 6 erzeugt werden. Eine Bedingung für Stabilität besteht darin, daß q durch 0 geht.

Die Betriebsweise nach der vorliegenden Erfindung mit dem sch ergebenden stabilen Plasma kann mathematisch beschrieben werden. Die mathematische Beschreibung wird jedoch für bestimmte Konfigurationen sehr kompliziert. Wenn gewisse praktische Approximationen durchgeführt werden, dann kann die Erläuterung sehr vereinfacht werden. Beispielsweise ist es aus praktischen Gründen wünschenswert, mit einem hohen Längenverhältnis zu arbeiten, d. h. das Verhältnis des größeren Radius zum kleineren Radius des Torus kann sehr groß sein, ähnlich wie etwa bei einem Fahrradreifen. In solchen Fällen können die Toroidaleffekte zugunsten einer zylindrischen Approximation vernachlässigt werden. Das

Hauptfeld ist B_Q (r), das durch den Plasmastrom erzeugt ", ο

wird. Eine spiralförmige Wicklung erzeugt ein Magnetfeld, das durch ein statisches Potential φ gegeben ist,

Φ = (b/k) I₀ (kr) cos (IQ + kz) (3)

Xl

worin I· die modifizierte Bessel-Funktion der Ordnung JL ist. Die Komponenten des Magnetfelds sind gegeben durch

B = - b IJ(kr) cos (ZQ + kz) ⁽⁴⁾

B ' = ^ I₀(kr) sin (HQ + kz) (5)

ö Kr Jw

B = b I„ sin (iQ + kz) (6)

ζ &

Hier ist I^(kr) die Ableitung von I^(kr) nach seiner unabhängigen Variablen. Das gesamte Feld kann in Termen der Flußfunk-

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tion ψ* ausgedrückt werden, die gegeben ist durch

ψ* = ψ* - (br/£) Ι£(kr) sin (ÜB + kz) (7)

worin ψ* = -

dr bedeutet.

Oberflächen, die durch tf* = konstant definiert sind, sind die Flußoberflächen. Die Formen der Flußoberflächen können angenähert berechnet werden, indem man folgendes einsetzt:

r = a + ξ

Durch Entwicklung ergibt sich:

ψ* (a) + H^ ξ « const.

oder

_ξ ~

(■

( ψ* (a) - ψ*(_Β)

Es folgt: ξ ~ } {ha/Z)

(^Β _θ/Ο) } ^sin

^kz) ·

Die Translationstransformation kann berechnet werden durch die Flußliniengleichungen

, rB

de - B₉ ⁽¹²⁾

Indem man die Entwicklung (8) benutzt, ergibt sich:

dz_ de

I₀(kr)sin

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Der Mittelwert wird dann gegeben durch:

^2Βθ,ο

Der Sicherheitsfaktor q beträgt, wie oben definiert:

Das Volumen Δν zwischen zwei Flußoberflächen ψ* und ψ*+ Δφ* kann errechnet werden aus

/ψ*+ Δψ* rdr d6dz (15)

ψ*

Wenn man die Gleichung r = a + ξ benutzt, dann erhält man

AV = 2waR /dB ( 1 + If· I ^{{1 +} S/^a> ^da

J V . ^a / / *v (16)

* a R Aa = (2ττ) aR I ^- ] Δψ*

Der Longitudinalfluß y wird berechnet aus

ψ = C B_z rdrde ⁽¹⁷⁾

Wenn man die Gleichungen (6), (8) und (1o) benutzt, dann erhält man

b²!^!^ / akl'

/ MPl

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Die Kombination der Gleichungen (16) und (18) ergibt

(19)

2 — 2

Das ist eine abnehmende Funktion von a und indiziert d V/dty <O. Diese Charakteristik wurde als eine magnetische Quelle bzw. Senke bezeichnet (C. Mercier, "Lectures in Plasma Physics", Fontenay-aux-Roses (1974)). In dem Grenzfall von ß-»O wird dadurch Stabilität sichergestellt. Mehr intuitiv gesagt bedeutet die magnetische Quelle bzw. Senke, daß das mittlere longitudinale Magnetfeld zunimmt, wenn man sich vom Plasma wegbewegt, wobei "mittleres" Flußoberflächenmittel bedeutet. Die maximale Quellen- bzw. Senkentiefe tritt für r = O auf.

Wenn man das Bezeichnungssystem von Mercier benutzt, dann kann das magnethydrodynamische Gleichgewicht in der zylindrischen Approximation berechnet werden, indem man die Gleichung benutzt, die gegeben ist durch

tv + 2h£r² r² df² 2 dp

LF + _η-^ f + —p-- T~rS~ 7Tf~ ^{+ r} dP ~ ° (2°)

Die spiralige Variable u = jL© ~ hz in den zylindrischen Koordinaten (r, Θ, z) und der Vektor 1? = / £ e + hre. | (\ I ^z Qi

£² _+n ² _r ² ι ~1 definieren die Spirale. Das Magnetfeld -, *
B läßt sich schreiben als

B = f u + u χ grad F

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Die Operation L ist definiert durch

Es ist praktisch, die Variable G zu benutzen, die definiert ist durch

P-r|| (23)

Dann ergibt sich

^{LF = r} W Λ^7 ^ ^{y (24)}

Es ist instruktiv, ein einfaches Beispielsgleichgewicht zu berechnen, in dem f = const, und p' = const, gilt. Dann wird Gleichung (2o) zu

,²G ] ₊ _f^_g2„.._o

Durch Integrieren erhält man

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worin C eine Konstante ist.

Nimmt man G = G (r) + g(r,u) , dann erhält man

(27)

r dr Ui _hr2

r _ (28)

V²g = 0

^{29)

Das ist ein Spezialfall/ in dem das Vakuumfeld g herausgetrennt worden ist. Um die Singularität auf der Achse in Abwesenheit eines internen Leiters zu vermeiden, setzt man

^c - - EI

^(3o)

Durch Integration der Gleichung (28) erhält man

^rGo ⁼

Das externe Vakuumfeld g wird gegeben durch die Gleichung

g «» (b/h) I_Ä (hr) sin (ΑΘ - hz)

(32)

Die Funktion F wird dann gegeben durch

F = rG^. + rg '

-r² f,,2..2 2\_n# hr² = _ I 2£ ₊h r jp -jj-

x sin (Αθ - hz)

I£(hr)

(33)

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Die Magnetfelder sind

»β -

.2
Β_ζ «= f/£ + ~- ρ' - bl_t sin (u) (35)

Wenn kein Solenoidalfeld angewandt wird, dann verschwindet das Axialfeld am Plasmarand r = r . Dann erhält man

f/A - -ihr V2 IP' (36)

Das zeigt an, daß das Plasma ein paramagnetisches Axialfeld von 1/1 auf der Achse erzeugt. Andererseits ist, wenn f = ein externes Feld von - fhr /2} p¹ erforderlich. Das Plasma ist zu "diesem Feld diamagnetisch.

Die Stromdichte j ist gegeben durch

κ grad f (37,

. - Γΐ "L ₊ (ΛΛ²) |EJ δ - 5

Die Azimutalkomponente ist

(38)

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Natürlich führt die Bedingung f = const, nicht zu kleinem j_. Die Gleichgewichte mit kleinem j sind diejenigen, die von Interesse sind.

Es sei ein Fall betrachtet, in dem f = (2h/£)F und p¹ = const, sind. Die Gleichgewichts-Gleichung ist gegeben durch

Setzt man

F = - (l²/4) p'r² + H (4o)

dann wird die Gleichung (39) zu

2 2 2 2

LH +, H + , H = O (41)

⁺(AhVJ^{2 H +} £²(AhV;

In diesem Fall wird der Druck durch azimutalsymmetrische j B-Kraft ausgehalten, und das spiralförmige Feld H ist ein kraftfreies Feld. Das Feld und der Strom werden gegeben durch

1 3H
r r"

1 3H
^Br ⁼ " r" ¥£ (42)

B₆ = - (Ä r/2)p' + ^(2h²r/£)H + |f] (43)

h r

^Jr rl

2h 3H .₍45)

3_Θ ⁼ I (4h²A²)H + 2h f£

Jg

+ h²r L

|"-(4h²A)H + (2h²r/S,)|f J (47)·

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Es sei darauf aufmerksam gemacht, daß nur j und B nicht-

Z ö

spiralige Komponenten haben.

Die Gleichungen (42) bis (47) beschreiben ein Gleichgewicht, das keinen nichtspiraligen Beitrag zu B auf der Achse hat. Andererseits hat das Gleichgewicht, das von den Gleichungen (34) bis (38) beschrieben wird, eine sehr große nichtspiralige B -Komponente. Zwischen diesen zwei Gleichgewichten liegen Gleichgewichte, die eine dazwischenliegende B -Komponente haben und ein angemessenes q-Profil geben. Infolgedessen kann man durch Überlagerung der beiden beschriebenen Beispielsgleichgewichte ein Gleichgewicht eines gewünschten Betrags des solenoidalen Axialfeldes erhalten. Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen qualitativ die Art des Gleichgewichts, das erwünscht ist. Es wird erwartet, daß ein solches Gleichgewicht gemäß dem Mercier-Kriterium für Beta-Werte über 1o % stabil ist.

Das Kriterium von Mercier, das für das Plasma erfüllt sein muß, damit dieses stabil ist, ist gegeben durch

.1 1	B	+ /	S ·	²dS	3	i	dS	2	Ξ\| dS
^2q2	grad		grac	Ψ	ΙΨ I ³	2 d²V f	grad ψ
		dp -	*d² 7**
	dty ⁴

(48)

Die Quantität B r die von Mercier benutzt wird, ist proportional dem Druckgradienten, und der letzte Term entspricht dem Destabilisierungseffekt des Drucks.

Das Kriterium reduziert sich für einen zylindrischen Pinch zum.Suydam'sehen Kriterium, das gegeben ist durch

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1 /dJlng \² 2 1 dp . _n

2 I d£nr j Έ ~2 dr - ° <⁴⁹)

4r ^x / ^B _z

Es ist bekannt, daß Pinche durch Profilierung von B und q stabil gemacht werden können. Der äußere Teil des Plasmas wird durch eine große Scherung und ein kleines Beta in bezug auf das axiale Feld stabilisiert. Der innere Teil wird dadurch stabil gemacht, daß man eine Hohldruckverteilung hat. In diesen Konfigurationen wird das Axialfeld umgekehrt, d. h. es ergibt sich ein Null-Abgleich des Axialfeldes im Plasma. Für die Stabilität muß das Profil während der gesamten Dauer der Entladung aufrechterhalten werden. Das ist eine der experimentellen Schwierigkeiten des Umkehrfeld-Pinchs.

Wenn B dazu genommen wird, die Axialtransformation in dem Kriterium zu repräsentieren, wird der äußere Teil des Plasmas stabilisiert, und zwar wegen der Scheruny und einer großen Transformation. Der innere Teil muß durch ein Axialfeld stabilisiert werden, das von dem Plasmastrom erzeugt wird und/oder durch ein Ungleichgewicht des Stroms in den spiralförmigen Wicklungen, um der Axialtransformation entgegenzuwirken, so daß man auf diese Weise ein q-Profil hat, das gleichartig bzw. ähnlich wie beim Umkehrfeld—Pinch ist. Bei jedem Ausmaß wird das q-Profil in diesem Falle extern gesteuert. Der Betrag des Axialfelds wird dadurch gesteuert, daß man den Strom in den positiven und den negativen spiralförmigen Wicklungen ins Ungleichgewicht bringt. Ein angemessenes bzw. geeignetes q-Profil kann unabhängig von der Plasmahaut- bzw. Plasma-Skin-Zeit aufrechterhalten werden.

Bezieht man dieses physikalisch auf den in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Aufbau und auf die Kurven der Fig. 6 und 7, dann

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führen das verdrillte Magnetfeld, das von dem Plasmastrom erzeugt wird, und das spiralförmige Magnetfeld, das von den Wicklungen 34 und 38 erzeugt wird, zu Magnetflußoberflächen, worin der Sicherheitsfaktor q als Funktion der radialen Versetzung von der kleineren Achse des Toroids eine wesentliche Neigung hat und sich monoton ändert, wobei er sein Vorzeichen in der Nähe des äußeren Randes des Plasmas umkehrt. Durch Addieren oder Subtrahieren eines kleinen Betrages eines toroidalen Magnetflusses relativ gleichförmig über den Torus kann der Netto-Toroidalfluß als Funktion der radialen Versetzung nach aufwärts oder abwärts bewegt werden, so daß er Null in einem optimalen Radius zum Einschließen bzw. Einengen des Plasmas kreuzt. Ein solcher zusätzlicher Toroidalmagnetfluß wird durch ein Ungleichgewicht der..spiralförmigen Magnetfelder erzeugt, die ihrerseits durch die jeweiligen ersten und zweiten Wicklungen 34 und 38 erzeugt werden.

Wie oben definiert, ist eine Flußoberfläche eine solche Oberfläche, auf der die Magnetflußdichte, die an irgendeiner Stelle auf der Oberfläche berechnet worden ist, keine Komponente senkrecht zur Oberfläche hat. Mit anderen Worten bedeutet das, daß eine Flußoberfläche eine solche Oberfläche ist, die keine Magnetfeldlinien durchdringen. Die Feldlinien liegen auf den Flußoberflächen. Die Flußoberflächen sind ineinandergefügt. Ein Kriterium für die Stabilität besteht darin, daß die Flußoberflächen ineinandergefügt und von der Einschließungswand separiert werden. In der toroidalen Konfiguration müssen die Flußoberflächen geschlossen sein.

Auf diese Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Kombination des poloidalen Magnetfelds, das durch den Plasmastrom erzeugt wird, und des spiralförmigen Magnetfelds, das durch die Spiralwicklungen erzeugt wird, ein magnetischer

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Begrenzer erzielt, der den Plasmastrom von der Einschließungswand des Plasmabehälters trennt. Dies erzeugt die Scheidelinie oder Separatrix, die eine geschlossene Oberfläche definiert, welche den Bereich, innerhalb dessen die geschlossenen und ineinandergefügten Flußoberflächen vorhanden sind, beschränkt und einschließt.

Wie oben in Gleichung (1) definiert, gilt

worin q der Sicherheitsfaktor ist, während R der größere Ra dius des Torus ist und dz/d© die mittlere Länge bedeutet, die in der Toroidalrichtung pro Einheit des poloidalen Winkels der Drehung einer Magnetfeldlinie auf einer Magnetflußoberfläche durchquert wird. Gemäß dieser Definition führt eine mittlere Magnetfeldlinie in einer Flußoberfläche q Durchgänge um den Torus in der Toroidalrichtung aus, wenn sie einen einzigen Durchgang in der Poloidalrichtung ausführt. (Im vorliegenden Falle ist q ein Bruch, der kleiner als 1 ist.) Auf diese Weise ist der Sicherheitsfaktor q auf einer speziellen Flußoberfläche das Verhältnis des mittleren Abstands der Magnetfeldlinien in dieser Flußoberfläche zum größeren Umfang des Torus, worin der erwähnte Abstand die Versetzung in der Toroidalrichtung für einen einzigen Durchgang, oder Zyklus, in der Poloidalrichtung ist. Wie durch die Gleichung (12) ausgedrückt ist, ist dz/d© auch gegeben durch

d© - B_Q ⁽¹²⁾

worin r der kleinere Radius, B das longitudinale oder to-

roidale Magnetfeld und B_Q das poloidale Magnetfeld sind.

^q> ist die-Translationstransformation. -

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Infolgedessen ergibt sich

•r B

q = (5o)

worin die winkligen Klammern ein Mittel über eine Flußober fläche bezeichnen. Für kreisförmige konzentrische Flußober flächen in einem axialsymmetrischen System ist das Mittel ein einfaches Mittel über den Poloidalwinkel Θ; d. h.,

2ir
1 / (r B /BJ d6

2π ο ^{2 θ} (51)

_q =

jedoch gilt, daß weder B noch B stark von θ abhängen,

Z ö

B .B„ B
σ ^ r ζ/ θ _z_ r (52)

R B₆ R

für diesen Fall. Die Gleichung (52) ist für eine Tokamak-Einrichtung oder einen Umkehrfeld-Pinch angemessen. Für Tokamak-Einrichtungen ist q überall größer als 1, und für den Umkehrfeld-Pinch verschwindet q nur dann, wenn B ver-

schwindet. In diesem Falle ist B ein Netto-Toroidalfeld,

was bedeutet, daß es weiter besteht, wenn man das Mittel über den Poloidalwinkel θ bildet.

Im Falle der vorliegenden Erfindung ergibt sich in dem Ausführungsbeispiel, in welchem die Ströme in den spiralförmigen Wicklungen ausgeglichen bzw. im Gleichgewicht sind, kein Netto-B mit Ausnahme desjenigen, das von den Poloidal-

plasmaströmen herrührt. Jedoch kann ein mittleres B auf einer Flußoberfläche vorhanden sein. Das läßt sich anhand der Fig. 8 verstehen, die eine vereinfachte Version der Fig. 2 ist. Die Wicklungen 34 und 38 sind durch einzelne

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Leiter repräsentiert, und der übrige Teil der Vorrichtung ist aus Gründen der Klarheit dieser. Erläuterung weggelassen. Die strichpuntkierten Linien 5o und 52 sind dazu vorgesehen worden, um den Raum in der Kammer 14 in Quadranten zu unterteilen. Auf diesen Linien ist das toroidale Magnetfeld Null. In den Quadranten I und III wird das toroidale Feld durch die ersten Wicklungen 34 bewirkt, und es ist nach aufwärts aus der Ebene der Fig. 8 für die gezeigte Verdrillung herausgerichtet. In den Quadranten II und IV ist das toroidale Feld entgegengesetzt zu diesem. Das toroidale Feld, das über eine kreisförmige Schleife 54 gemittelt wird, ist Null, weil es in gleicher Weise durch alle vier Quadranten hindurchgeht. Wenn der Kreis zu einer Ellipse 56 verzerrt wird, dann ist das über die Schleife gemittelte toroidale Feld nun von Null verschieden. Bei der Schleife 56 ist der Verlauf in den Quadranten I und III länger und in den Quadranten II und IV kürzer. Auch ist der Verlauf den ersten Wicklungen 34 in den Quadranten I und III, in denen das toroidale Feld stärker ist, näher, und er ist von den zweiten Wicklungen 38 in den Quadranten II und IV, in einem verminderten toroidalen Feld, weiter entfernt. Sowohl die Extralänge des Verlaufs als auch das stärkere Feld führen zu einer solchen Gewichtung des Mittels, daß die Quadranten I und III dominieren. Das ergibt ein mittleres toroidales Feld auf der Schleife 56, das nach aufwärts aus der Ebene der Fig. 8 gerichtet ist. In der Nähe der Mitte des Plasmas wird das Netto-Toroidalfeld durch poloidalen Plasmastrom erzeugt. An einer Stelle in der Nähe des Randes des Plasmas ist die Wirkung des verbleibenden poloidalen Plasmastroms, nämlich desjenigen, der zwischen dieser Stelle und dem Rand bleibt, relativ viel kleiner und kann durch das mittlere Flußoberflächen-Toroidalfeld, das von den spiralförmigen Spulen herrührt, überwunden werden. Das ergibt die Umkehr von q mit aufeinander abgeglichenen Spulen, wenn geeignete Ströme und Felder mit richtiger Polarität angewandt werden.

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Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wie sie auf diese Weise beschrieben worden ist, unterscheidet sich fundamental sowohl im Prinzip als auch im Aufbau von den Einrichtungen nach dem Stande der Technik, wie sie beispielsweise durch die Tokamak-Einrichtungen, Stellaratoren und Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen repräsentiert werden, obwohl die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung gewisse Merkmale mit jeder dieser Einrichtungen gemeinsam hat. Im einzelnen erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ebenso wie die Tokamak-Einrichtung einen Plasmastrom zum Erzeugen der geeigneten Magnetflußkonfiguration, und die Konfiguration zerfällt nicht im Zeitmaßstab der Flußdiffusion. Andererseits erfordert die Tokamak-Einrichtung Toroidalfeldspulen und nicht spiralförmige Feldspulen, wogegen die Einrichtung nach der Erfindung Spiralfeldspulen erfordert und nicht Toroidalfeldspulen. Die Tokamak-Einrichtung erfordert, daß q größer als 1 ist, wogegen die Einrichtung nach der Erfindung das nicht erfordert. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung erfordert, daß q Null als eine Funktion der Radialversetzung bzw. -verschiebung schneidet, wogegen das die Tokamak-Einrichtung nicht erfordert.

Wie der Stellarator erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung Spiralfeldspulen, jedoch erfordert sie im Gegensatz zum Stellarator keine Toroidalfeldspulen. Wie beim Stellarator zerfällt die magnetische Konfiguration nicht im Zeitmaßstab der Flußdiffusion, jedoch erfordert der Stellarator im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung keinen Plasmastrom zum Erzeugen der magnetischen Konfiguration. Der Stellarator erfordert einen großen toroidalen Fluß B , wogegen die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung nicht irgendeinen angewandten Netto-Toroidalfluß erfordert, obwohl ein angewandtes kleines B für die Optimalisierung wünschenswert sein kann. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung erfordert, daß q als eine Funktion"der ra-

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dialen Versetzung durch Null hindurchgeht, was der Stellarator nicht erfordert. Im Gegensatz hierzu erfordert ein Stellarator mit einem wesentlichen Plasmastrom allgemein, daß zur Stabilität q > 1 ist.

Wie Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen erfordert auch die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung einen Plasmastrom zum Erzeugen der magnetischen Konfiguration und zu dem Zweck, daß q durch Null hindurchgeht. Keine erfordert, daß q größer als 1 ist. Andererseits erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung Spiralspulen, was bei den Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen nicht der Fall ist, und die erfindungsgemäße Einrichtung hat eine Scheidelinie bzw. Separatrix, welche der Umkehrfeld-Pinch nicht hat. Die magnetische Konfiguration zerfällt in den Umkehrfeld-Pinch-Einrichtungen im Zeitmaßstab der Flußdiffusion, das geschieht jedoch nicht in der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Diese und andere Unterschiede ergeben wesentliche Vorteile bei der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die Tatsache, daß kein großes Toroidalmagnetfeld erforderlich ist, ermöglicht eine große Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung und einen leichten Betrieb und bewirkt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung eine praktischere Einrichtung ist. Die großen Toroidalmagnetfeider, die bei Tokamak-Einrichtungen und Stellaratoren erforderlich sind, erfordern offensichtlich superleitende bzw. supraleitfähige Magnetspulen und implizieren große Kräfte zwischen den Wicklungen, die Beanspruchungen hervorrufen, welche schwierig zu beherrschen sind.

Einrichtungen nach dem Stande der Technik haben oftmals eine Neutralstrahlerhitzung vorgesehen, die sich als untauglich, unrationell sowie leistungsschwach und unbrauchbar, raumaufwendig und teuer erwiesen hat und die Schwierigkeiten be-

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wirkt, wenn der Strahl eine Wand trifft. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist allgemein relativ kleiner, sie ist in der Lage, ein hohes Beta zu liefern, ein großes Längenverhältnis, und sie hat kein angewandtes Netto-Toroidalfeld, und schließlich ermöglicht sie eine adäquate Ohm'sche Erhitzung in Verbindung mit dem induzierten Plasmastrom.

Eine Schwierigkeit, die insbesondere bei Tokamak-Einrichtungen auftritt, besteht in dem relativ kleinen Raum, der für die Plasmaerhitzungsspulen verfügbar ist. Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat in ihrer bevorzugten Form ein relativ großes Längenverhältnis, wodurch mehr Raum für diese Spulen und anderes Zubehör, andere Ausrüstungen, andere Apparaturen o.dgl. zur Verfügung gestellt werden kann, wie beispielsweise für eine Reaktorhülle bzw. ein Reaktorblanket. Dadurch werden die Aufbau- und Auslegungserfordernisse für die Erhitzungsspulen erleichtert. Außerdem wird es dadurch ermöglicht, zu Einrichtungen von größerem Maßstab überzugehen, indem man nur den größeren Radius erhöht, während man den kleineren Radius gleich bleiben läßt.

Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung ergibt ein höheres Beta, das Verhältnis von Plasmadruck zu Magnetdruck, wodurch ein leistungsfähigerer Betrieb bzw. ein Betrieb mit größerem Wirkungsgrad bei niedrigeren bzw. schwächeren Magnetfeldern ermöglicht wird.

Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung ergibt einen inhärenten magnetischen Begrenzer, wodurch sich die Scheidelinie bzw. Separatrix nach auswärts bewegt, wenn der Plasmastrom zunimmt, und zwar unter Aufrechterhaltung einer stabilen Konfiguration. Das ist deswegen der Fall, weil sich außerhalb der einschließenden Flußoberfläche keine Einschließung befindet, und jedes Plasma, das sich *uf der

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Außenseite der Scheidelinie bzw. Separatrix befindet, geht sofort an die Einschließungswand verloren, ohne daß es in unnützer, energieverzehrender Weise irgendeinen wesentlichen Strom mit sich führt.

Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung erleichtert auch die Einbeziehung einer Ablenkeinrichtung bzw. eines Divertors, die bzw. der in Tokamak-Einrichtungen schwierig einfügbar ist.

I5in Vorteil der Erfindung gegenüber:den Ufckehrfeld-Pinch-Einrichtungen besteht darin, daß diese Einrichtungen mit einem q-Profil arbeiten, das sich so ändert, daß es schlechter wird, wenn der Magnetfluß aus dem System diffundiert. Die Zeit ist so kurz, daß die Entwicklung eines praktischen Reaktors, der auf dem Umkehrfeld-Konζept basiert, zu ernsthaften Beschränkungen unterliegt.

Obwohl die neuartigen Aspekte einer Fusionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert worden sind, sind verschiedenste Abwandlungen dieser Einrichtung innerhalb des Gegenstandes der Erfindung und des allgemeinen Erfindungsgedankens möglich, wie insbesondere in den Abmessungen und der Form und in den Treib- bzw. Betriebsströmen. Beispielsweise kann der Gleichstrom in den Wicklungen 34 und 38 die Form von relativ langen Impulsen, die in einer Richtung verlaufen, haben. Die Einrichtung kann außerdem verschiedenes, an sich bekanntes Zubehör von Fusionseinrichtungen umfassen, wie beispielsweise Stromversorgungseinrichtungen, Vakuumpumpen, Instrumentierung, Hüllen bzw. Blankets, Halte- und Trägeraufbauten, und Wärmeaustauscher.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein toroidales System ist, kann die Erfindung auch in einem geraden zylindrischen System benutzt werden, das in angemessener

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Weise begrenzt ist. Da die Länge L eines toroidalen Systems der größere Umfang 2TR ist, kann der Sicherheitsfaktor q in Termen von L definiert werden:

(SI)

Dieser Sicherheitsfaktor, der auf diese Weise definiert ist, ist auf ein gerades zylindrisches System der Länge L anwendbar.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dim.-I'Hys, Da. K, j?incke

Dipl.-Ing. F. A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Li ska 2333800

SOOO MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

SPBR

G 1153 GEW

GENERAI, ATOMIC COMPANY 10955 John Jay Hopkins Drive San Diego, Calif. / V.St.A.

Plasmaeinrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben

Patentansprüche

Plasmaeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Einschließungsbehälter (12), der Wände zum Begrenzen eines Raums (14) und zum Einschließen eines Gases darin hat; eine Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmastroms innerhalb des Raumes (14), wobei dieser Plasmastrom ein Magnetfeld innerhalb des Plasmas erzeugt;

eine Mehrzahl von ersten Wicklungen (34), die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter (14) herum gewickelt und im wesentlichen in gleichmäßigen Abständen um die Achse des Behälters (12) herum angeordnet sind;

eine Mehrzahl von zweiten Wicklungen (38) , die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter herum gewickelt sind, :nd zwar im wesentlichen in der Mitte zwischen jeweiligen auieinander-

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folgenden ersten Wicklungen {34); und eine Einrichtung (44, 46) zum Erzeugen eines spiralförmigen Magnetfelds durch Hindurchleiten eines ersten Gleichstroms durch die ersten Wicklungen (34) und durch Hindurchleiten eines zweiten Gleichstroms durch nie zweiten Wicklungen (38) in der Gegenrichtung zu dem ersten Gleichstrom; umfassend -eine Kombination des spiralförmigen Magnetfelds mit dem durch den Plasmastrom erzeugten Magnetfeld.
2. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Einschließungsbehälter (12) eine Axialrichtung und Wände hat, die die Achse desselben umgeben.
3. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmastrom innerhalb des Raums (14) in der Axialrichtung erzeugt wird.
4. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem von dem Plasmastrom erzeugten Magnetfeld ineinandergefügte Magnetflußoberflächen erzeugt, welche Oberflächen im Abstand von den Wänden des Behälters (12) angeordnet und geschlossen sind.
5. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die ineinandergefügten Magnetflußoberflächen innerhalb des Plasmas sind, und daß die Oberflächen in der Richtung quer zur Achse geschlossen sind.
6. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) und die Richtung des Plasmastroms eine Veränderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand von der Mitte des Plasmastroms in jeder Richtung quer zum Plasmastrom erzeugen, wodurch sich die Polarität

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von q in der Nähe der Grenze des Plasmastroms umkehrt, wobei q als das Mittel der Anzahl von Durchgängen von der Länge des Plasmastroms einer Magnetflußlinie über eine Flußoberfläche definiert ist, wenn diese Magnetflußlinie einen einzigen Durchgang um den Plasmastrom herum ausführt.
7. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld und das von dem Plasmastrom erzeugte Magnetfeld eine Scheidelinie bzw. Separatrix innerhalb des Raums (14) erzeugen, der den Bereich begrenzt, in dem die ineinandergefügten Magnetflußoberflächen vorhanden sind.
8. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Abstand der Scheidelinie bzw. der Separatrix von der Mitte des Plasmastroms mit einem Ansteigen des Plasmastroms zunimmt.
9. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Trennen des Plasmastroms von den Wänden des Behälters (12).
10. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem vom Plasmastrom erzeugten Magnetfeld eine Änderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand von der Mitte des Plasmastroms in jeder Richtung quer zu dem Plasmastrom erzeugt, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe der Grenze des Plasmastroms umkehrt, wobei q als Mittel der Anzahl von Durchgängen von der Länge des Plasmastroms einer Magnetflußlinie über eine Flußoberfläche definiert ist, wenn diese Magnetflußlinie einen einzigen Durchgang um den Plasmastrom herum ausführt.

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-A-
11. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Gleichstrom im wesentlichen gleich sind.
12. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß sie weiterhin eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ungleichgewichts im Magnetfeld, das in der Richtung des Plasmastroms angewandt wird, aufweist.
13. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ungleichgewichts in dem angewandten Magnetfeld eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ungleichgewichts bzw. zum Ungleichmachen des ersten und zweiten Gleichstroms umfaßt oder ist.
14. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1o bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) mit einer solchen Steigung und/ oder einem solchen Abstand gewickelt sind, daß sie relativ kleine Kräfte zwischen den Wicklungen erzeugen, wenn der erste und zweite Gleichstrom durch sie hindurchgehen.
15. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklungen (34, 38) unter einem Winkel von angenähert 45° zur Axialrichtung gewickelt sind.
16. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen toroidalen Einschließungsbehälter (12), der Wände zum Begrenzen eines toroidalen Raums (14) hat; und

eine Einrichtung (44, 46) zum Erzeugen eines Magnetflusses, der den toroidalen Raum (14) verknüpft, so daß er einen to-

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roidalen Plasmastrom darin induziert, wobei der toroidale Plasmastrom ein poloidales Magnetfeld erzeugt; sowie eine Mehrzahl von ersten Wicklungen (34), die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter (12) gewickelt und im wesentlichen in gleichmäßigen Abständen um den kleineren Umfang des Behälters herum angeordnet sind, wobei das spiralförmige Magnetfeld eine Kombination mit dem poloidalen Magnetfeld bildet.
17. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem poloidalen Magnetfeld geschlossene und ineinandergefügte Magneflußoberflachen erzeugt, die sich im Abstand von den Wänden des Behälters (12) befinden-.-
18. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet , daß der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) und die Richtung des Plasmastroms eine Veränderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem kleineren Radius bei jedem Poloidalwinkel erzeugen, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe des äußeren Randes des Plasmastroms umkehrt, wobei q als Mittel der Anzahl von Durchgängen über eine Flußoberfläche, die um den Torus in der Toroidalrichtung von einer Magnetflußlinie ausgeführt werden, wenn ein einziger Durchgang in der poloidalen Richtung erfolgt, definiert ist.
19. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld und das poloidale Magnetfeld eine Scheidelinie bzw. Separatrix innerhalb des toroidalen Raums (14) erzeugen, die den Bereich begrenzt, in dem die ineinandergefügten Magnetflußoberflächen vorhanden sind.

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20. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Scheidelinie bzw. Separatrix von der kleineren Achse des toroidalen Raums (14) mit einem Anwachsen des Plasmastroms zunimmt.
21. Plasmaseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Trennen des Plasmastroms von den Wänden des Behälters (12).
22. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem poloidalen Magnetfeld eine Veränderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem kleineren Radius bei jedem poloidalen Winkel erzeugt, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe des äußeren Randes des Plasmastroms umkehrt, wobei q als das Verhältnis der mittleren Steigung der Magneflußlinien längs einer Flußoberfläche zu dem größeren Umfang des Torus definiert ist.
23. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Gleichstrom im wesentlichen gleich sind.
24. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß sie weiter eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ungleichgewichts in dem angewandten toroidalen Magnetfeld aufweist, so daß ein angewandtes Nettotoroidal-Magnetfeld in dem toroidalen Raum (14) erzeugt wird.
25. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ungleichgewichts in dem angewandten Nettotoroidal-Magentfeld eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ungleichgewichts bzw. einer Ungleichheit des ersten und zweiten Gleichstroms umfaßt oder ist.

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26. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25/ dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Magneflusses ein Solenoid (3o) umfaßt oder ist, das koaxial zu der größeren Achse des toroidalen Raums (14) ist.
27. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch q e kennzeichnet , daß der toroidale Einschließungsbehälter (12) eine leitfähige dünne toroidale Wand umfaßt.
28. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch g e zeichnet durch eine Einrichtung (2o, 22, 24, 26) zum Evakuieren des toroidalen Raums (14).
29. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet , daß die Mehrzahlen der ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) je zwei sind.
30. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet , daß die Mehrzahlen der ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) je drei sind.
31. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3o, gekennzeichnet durch einen toroidalen Mantel (16), der den Einschließungsbehälter (12) enthält und im Abstand von diesem angeordnet ist, wobei der Mantel (16) aus elektrisch leitfähigem Material ist und der leitfähige Weg in der toroidalen Richtung unterbrochen ist.
32. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) mit einer solchen Steigung und/ oder einem solchen Abstand gewickelt sind, daß sie relativ kleine Kräfte zwischen den Wicklungen erzeugen, wenn der erste und zweite Gleichstrom durch sie hindurchgeht·.

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33. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklungen unter einem Winkel von angenähert 45° zur kleineren Achse des Einschließungsbehälters (12) gewickelt sind.
34. Verfahren zum Betreiben einer Plasmaeinrichtung, insbesondere einer Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, die einen Einschließungsbehälter mit Wänden hat, welche einen Raum begrenzen und ein Gas darin einschließen, dadurch gekennzeichnet , daß das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfaßt:

Erzeugen eines Plasmastroms in dem Raum (14), wobei dieser Plasmastrom ein Magnetfeld erzeugt; und Erzeugen eines spiralförmigen Magnetfelds, indem man einen ersten Gleichstrom durch eine Mehrzahl von ersten Wicklungen (34) hindurchleitet, die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter (12) herum gewickelt und im wesentlichen in gleichförmigen Abständen um die Achse des Behälters (12) vorgesehen sind, und daß man einen zweiten Gleichstrom in der Gegenrichtung zu dem ersten Gleichstrom durch eine Mehrzahl von zweiten Wicklungen (38) hindurchleitet, die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter (12) herum gewickelt sind, und zwar im wesentlichen in der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden ersten Wicklungen (34) ; und daß man das spiralförmige Magnetfeld mit dem von dem Plasmastrom erzeugten Magnetfeld kombiniert.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet , daß der Einschließungsbehälter (12) eine Axialrichtung hat.
36. Verfahren nach Ansrpuch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrom in der Axialrichtung erzeugt wird.

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37. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Kombination des spiralförmigen Magnetfelds mit dem von dem Plasmastrom erzeugten Magnetfeld ineinandergefügte Magnetflußoberflächen erzeugt werden, wobei diese Oberflächen von den Wänden des Behälters (12) im Abstand angeordnet und geschlossen sind.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet , daß sich die ineinandergefügten Magnetflußoberflächen innerhalb des Raums (14) befinden, und daß die Oberflächen in der Richtung quer zu der Achse geschlossen sind.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet , daß der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) und die Richtung des Plasmastroms eine Änderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem Abstand von der Mitte des Plasmastroms in jeder Richtung quer zu dem Plasmastrom erzeugen, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe der Grenze des Plasmastroms umkehrt, wobei q definiert ist als Mittel der Anzahl von Durchgängen von der Länge des Plasmastroms einer Magnetflußlinie über eine Flußoberfläche, wenn diese Magnetflußlinie einen einzigen Durchgang um den Plasmastrom herum ausführt.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld und das von dem Plasmastrom erzeugte Magnetfeld eine Scheidelinie bzw. Separatrix innerhalb des Raums (14) erzeugen, die den Bereich begrenzt, in dem die ineinandergefügten Magnetflußoberflächen vorhanden sind.
41. Verfahren nach Anspruch 4o, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Scheideline ti :. Se-

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paratrix von der Mitte des Plasmastroms bei Anwachsen des Plasmastroms zunimmt.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmastrom von den Wänden des Behälters (12) abgesondert gehalten bzw. getrennt wird.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem von dem Plasmastrom erzeugten Magnetfeld eine Änderung in einem Sicherheitsfaktor q mit dem Abstand von der Mitte des Plasmastroms in jeder Richtung quer zu dem Plasmastrom erzeugt, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe der Grenze des Plasmastroms umkehrt, wobei q als das Mittel der Anzahl von Durchgängen von der Länge des Plasmastroms einer Magnetflußlinie über eine Flußoberfläche definiert ist, wenn diese Magnetflußlinie einen einzigen Durchgang um den Plasmastrom herum ausführt.
44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und zweite Gleichstrom im wesentlichen gleich sind.
45. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nettomagnetfeld in der Richtung des Plasmastroms angewandt wird.
46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet , daß das angewandte Nettomagnetfeld durch ein Ungleichgewicht zwischen dem ersten und zweiten Gleichstrom erzeugt wird.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmastrom durch Ver-

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änderung des Magnetflusses induziert wird, der den Raum (14) verknüpft.
48. Verfahren zum Betreiben einer Plasmaeinrichtung nach Anspruch 34, die einen toroidalen Einschließungsbehälter mit Wänden hat, welche einen toroidalen Raum begrenzen und ein Gas darin einschließen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Induzieren von Plasmastrom in dem toroidalen Raum (14), wobei dieser toroidale Plasmastrom ein poloidales Magnetfeld erzeugt; und

Erzeugen eines spiralförmigen Magnetfelds, indem ein erster Gleichstrom durch eine Mehrzahl von ersten Wicklungen (34) hindurchgeleitet wird, die im wesentlichen spiralförmig um den Behälter (12) herumgewickelt und im wesentlichen in gleichmäßigen Abständen um den kleineren Umfang des Behälters (12) angeordnet sind; und Kombinieren des spiralförmigen Magnetfelds mit dem poloidalen Magnetfeld.
49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem poloidalen Magnetfeld geschlossene und ineinandergefügte Magnetflußoberflächen erzeugt, die sich im Abstand von den Wänden des Behälters (12) befinden.
50. Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet , daß der Drehsinn der ersten und zweiten Wicklungen (34, 38) und die Richtung des Plasmastroms eine Änderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem kleineren Radius bei jedem Poloidalwinkel erzeugen, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe des äußeren Randes des Plasmastroms umkehrt, wobei q als das Mittel der Anzahl von Durchgängen über eine Flußoberfläche definiert ist, die eine Magnetflußlinie um den Torus herum in der toroidalen Richtung ausführt, wenn sie einen einzigen Durchgang in der poloidalen Richtung ausführt.

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51. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 5o, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld und das poloidale Magnetfeld eine Scheidelinie bzw. Separatrix innerhalb des toroidalen Raums (14) erzeugen, die den Bereich begrenzt, in dem die ineinandergefügten Magnetflußoberflächen vorhanden sind.
52. Verfahren nach Anspruch 51, dadurch g e k e η η-zeichnet , daß der Abstand der Scheidelinie bzw. Separatrix von der kleineren Achse des toroidalen Raums (14) durch Anwachsen des Plasmastroms zunimmt.
53. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 5o, dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmastrom von den Wänden des Behälters (12) abgesondert gehalten bzw. getrennt
54. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Magnetfeld in Kombination mit dem poloidalen Magnetfeld eine Änderung eines Sicherheitsfaktors q mit dem kleineren Radius bei jedem poloidalen Winkel erzeugen, wodurch sich die Polarität von q in der Nähe des äußeren Randes des Plasmastroms umkehrt, wobei q als das Verhältnis der mittleren Steigung der Magnetflußlinien längs einer Flußoberfläche zu dem größeren Umfang des Torus definiert ist. .... .... ,., :,,:,.
55. Verfahren nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und zweite Gleichstrom, ijn wesentlichen gleich sind. , ... r ,,
56. Verfahren nach Anspruch 54, dadurch g e_r k e ,B,. ρ. ~-_:ί-zeichnet , daß ein Nettotoroidal-Magnetfeld in dem toroidalen Raum (14) angewandt wird.

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57. Verfahren nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß das angewandte Nettotoroidal-Magnetfeld durch ein Ungleichgewicht bzw. eine Ungleichheit zwischen dem ersten und zweiten Gleichstrom erzeugt wird.
58. Verfahren nach einem der Ansprüche 54 bis 57,. dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmastrom dadurch induziert wird, daß man den Magnetfluß, der den toroidalen Raum (14) verknüpft, verändert,
59. Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die ein vertikales Magnetfeld innerhalb des toroidalen Raums (14) erzeugt, wobei dieses vertikale Feld senkrecht zur Äquatorialebene des toroidalen Raums (14) ist.
60. Plasmaeinrichtung nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfelds eine Mehrzahl von kreisförmigen Spulen umfaßt, die koaxial zu der größeren Achse des toroidalen Raums (14) sind.
61. Verfahren zum Betreiben eines Plasmaeinrichtung nach einem der Ansprüche 48 bis 53, dadurch gekennzeichnet , daß man ein vertikales Magnetfeld innerhalb des toroidalen Raums (14) erzeugt, wobei dieses vertikale Feld senkrecht zur Äquatorialebene des toroidalen Raums (14) ist.
62. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet , daß das vertikale Feld durch Ströme in kreisförmigen Wicklungen, die koaxial zu der größeren Achse des toroidalen Raums (14) sind, erzeugt wird.

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