DE3313179A1 - Verfahren und einrichtung zum erzeugen und einschliessen eines plasmas - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas, insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen eines im Mittel magnetischen Behälters in einem Umkehrfeldpinch.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Plasmaeinrichtungen, und zwar insbesondere auf die Einschließung und Stabilisierung von Plasmen in Fusionseinrichtungen mittels eines im Mittel magnetischen Behälters. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf die Kombination von Plasmaquerschnittformen bzw. -formung und dem Plasmapincheffekt bei einem kleinen Längen- bzw. Streckungsverhältnis für die Erzeugung eines mittelmagnetischen Behälters in einem toroidalen Umkehrfeldpinch.

Toroidale Plasmaeinrichtungen sind solche Einrichtungen, in denen Plasma in einem topologisch toroidalen Raum, der gewöhnlich axialsymmetrisch ist, erzeugt und darin durch geeignete begrenzende Magnetfelder eingeschlossen wird. Toroidale Plasmaeinrichtungen sind für die Erzeugung, Einschließung, Erhitzung, Untersuchung und Analyse von Plasmen geeignet. Insbesondere sind derartige Einrichtungen für die Reaktion von Deuterium und Tritium, Deuterium und Deuterium oder von anderen zur Nuklearfusion bringbaren Mischungen geeignet, wobei Hochenergieneutronen und energetische, insbesondere hochenergetisehe, geladene Teilchen als Produkte der Nuklearfusionsreaktionen erzeugt werden.

Die Probleme in Nuklearfusionseinrichtungen bestehen in weitem Umfang darin, das Plasma auf eine Temperatur zu erhitzen, die hoch genug ist, daß das Auftreten der ge-

Wünschten Reaktionen ermöglicht wird, sowie darin, das erhitzte Plasma während einer Zeit einzuschließen, die lang genug ist_f damit überschüssige Energie über diejenige Energie hinaus freigesetzt wird, die zum Erhitzen des Plasmas auf die Reaktionstemperatur erforderlich ist, Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die magnetische Einschließung eines solchen Plasmas und ist insbesondere in derartigen Einrichtungen und ihren Anwendungen anwendbar, und zwar unter Einschluß von experimentellen Einrichtungen und der Verwendung derselben bei Experimenten und Untersuchungen, die sich auf toroidale Plasmaeinrichtungen beziehen.

Es ist eine Anzahl von toroidalen Plasmaeinrichtungen vorgeschlagen und gebaut worden. Diejenigen, die mit der vorliegenden Erfindung in engstem Zusammenhang stehen, sind Tokamakeinrichtungen und Pincheinrichtungen, und zwar unter Einschluß von Umkehrfeldpinch-Einrichtungen, die nachstehend auch abgekürzt als RFP-Einrichtungen bezeichnet werden. In derartigen Einrichtungen wird Gas in einem toroidalen Einschließungsbehälter eingeschlossen und erhitzt, so daß ein Plasma gebildet wird, das durch geeignete magnetische Felder generell von den Wänden des Einschließungsbehälters ferngehalten wird. Solche Einrichtungen sind alle topologisch toroidal und gewöhnlich axialsymmetrisch. Ein topologischer Torus ist jede geometrisch zusammenhängende Form, die durch eine vorstellbare elastische Deformation eines anfänglich kreisförmigen Torus erzeugt werden kann. Ein axialsymmetrischer Torus wird dadurch erhalten, daß man irgendeine ebene geometrische Form um die Haupttoroidachse rotiert. Eine axialsymmetrische toroidale Einrichtung ist eine solche, in der alle Größen gegenüber der Drehung um die Haupttoroidachse invariant sind. Eine notwendige Bedingung für die toroidale magnetische Einschließung von Plasmen besteht

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darin, daß man als Resultat des vollständigen Satzes von magnetischen Feldkomponenten einen Satz von ineinandergeschachtelten, toroidal geschlossenen magnetischen Oberflächen erhält. Eine magnetische Oberfläche ist als eine mathematische Oberfläche definiert, auf welcher das magnetische Feld keine senkrecht dazu verlaufende Komponente hat. Die magnetische Oberfläche, welche das Volumen Null in der Mitte der Schachtelung einschließt, wird als elliptische magnetische Achse bezeichnet. Die meisten Einrichtungen haben nur eine einzige elliptische magnetische Achse und einen einzigen Satz von ineinandergeschachtelten Oberflächen. Jedoch gibt es auch Doublett-Einrichtungen, die zwei elliptische magnetische Achsen haben, sowie Multipoleinrichtungen, die zwei oder mehr Sätze von ineinandergeschachtelten Oberflächen besitzen.

In einigen toroidalen Einrichtungen, wie beispielsweise in Tokamak- und Pincheinrichtungen, weist das einschließende magnetische Feld magnetische Feldkomponenten auf, die durch Ströme erzeugt werden, welche durch das eingeschlossene Plasma selbst fließen. Wenn ineinandergeschachtelte magnetische Oberflächen vorhanden sind, dann wird dieser Strom merklich in denjenigen magnetischen Oberflächen konzentriert, die näher an der elliptischen magnetischen Achse bzw. an den elliptischen magnetischen Achsen liegen. Derartige Bereiche von größerer Stromdichte relativ zum Rest des Plasmas werden als Stromkanäle bezeichnet.

In denjenigen toroidalen Einrichtungen, in denen das erforderlich ist, wird ein toroidaler Plasmastrom gewöhnlich mittels eines Transformators erzeugt, wobei das toroidale eingeschlossene Plasma als die Sekundärwicklung wirkt, während die Primärwicklung ein zentrales Solenoid ist. Bei Änderung des Stroms in dem Solenoid wird ein

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toroidales elektrisches Feld erzeugt, so daß das Gas ionisiert und der Plasmastrom um den Torus herum getrieben wird.

Wenn elektrischer Strom, der durch das Plasma fließt, durch sein eigenes magnetisches Feld beeinflußt wird, so daß ein Einschließungsdruck auf das Plasma ausgeübt wird, tritt ein Pincheffekt auf. Der große Strom heizt das Plasma gleichzeitig ohmisch. Jedoch ist diese einfache Konfiguration, die auch als Bennettpinch bezeichnet wird, für sich allein instabil, und der größte Teil des Plasmas trifft bald auf den Eihschließungsbehälter auf, so daß infolgedessen das Plasma gekühlt und jede Reaktion verhindert wird. Aus diesem Grund werden zusätzliche Maßnahmen ergriffen, um die Stabilität des Systems zu verbessern.

Die magnetohydrodynamische Stabilität, die auch als MHD-Stabilität bezeichnet wird, eines magnetisch eingeschlossenen Plasmas hängt von dem Abstand der magnetischen Feldlinien ab, die die magnetische Achse oder die magnetischen Achsen umschließen. Dieser Abstand ist definiert durch die Gleichung

P = lim ^_ (1)

worin Δ"ζ die Entfernung ist, welche längs der Richtung der magnetischen Achse durchlaufen worden ist, während k die Anzahl von Malen ist, in welcher die Achse umschlossen wird, und zwar beides, während man einer Feldlinie folgt. Diese Grenze ist die gleiche für alle möglichen Feldlinien auf einer gegebenen magnetischen Oberfläche. In toroidalen Plasmaeinrichtungen ist es üblich, statt dessen den Sicherheitsfaktor q zu benutzen, der definiert ist durch

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q = P/<R> (2)

Hier ist <R> der mittlere Hauptradius der in Frage stehenden magnetischen Oberfläche. R ist der Hauptradius, der radial von der Haupttoroidachse zur magnetischen Oberfläche gemessen ist. Das Längenverhältnis A eines Torus ist definiert durch A=Rn/a, worin R_n der Hauptradius zur elliptischen magnetischen Achse bzw. der elliptischen magnetischen Achse ist, während a der mittlere kleine Radius der Plasmaoberfläche ist. Für einen generell topologischen Torus ist <R> = <C> /2Tt , worin <C> der mittlere Hauptumfang der in Frage stehenden nichtaxialsymmetrischen magnetischen Oberfläche ist. Es gibt eine ■ entsprechende Beziehung zwischen dem Abstand P und dem Sicherheitsfaktor q für noch allgemeinere Systeme. Damit toroidale Plasmaeinrichtungen magnetohydrodynamisch stabil sind, müssen sie gewisse notwendige Bedingungen bezüglich q erfüllen. Wenn r der mittlere kleine Radius ist, dann lassen sich diese Bedingungen gewöhnlich einfach angeben als:

(a) |q| ^ 1; und

(b) s= — -|3 muß groß genug sein, um die relevanten Kriterien zu erfüllen, einschließlich des Mercier- und des Robinson-Kriteriums; insbesondere darf dq/dr innerhalb des Plasmas nicht das Vorzeichen wechseln, und es darf nur auf einer magnetischen Achse Null sein.

Die Bedingungen (a) und (b) zusammengenommen erfordern für Einrichtungen mit großem Längenverhältnis, daß in Plasmen mit Stromkanälen, wie es beispielsweise Tokamaks und Pinches sind, entweder q >1 auf der Achse ist und au

ßerdem überall im Plasma monoton zunimmt; oder daß sonst |ql<l überall monotqn mit zunehmendem Abstand von der Magnetaph.se abnimmt ₍ glatt durch Null geht, und dann monoton mit BWne^men<^em Abstand von der magnetischen Achse in dqn äußeren fyareichen des Plasmas zunimmt. Der Fall 1 wird in Tokamak^ realisiert, während der Fall l in ym^ehf^eldpinches realisiert wird. Die obige Bedingung (a) ist üblicherweise erforderlich, damit eine ernstliche Instabilität gegen Knickung vermieden wird, IQ Sie. zustande kommtr wenn q»l ist. Ein allgemeineres Kriterium für Knickbetriebsstabilität gibt das Energieprinzip von I.B. Bernstein et al. in der Zeitschrift "Proceedings of The Royal Society of London" A, 244 (1958), Seiten 17 bis 40. Für niedrige Werte des poloidalen Beta

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ß , das durch ß = 2μ_ορ/Β definiert ist, ist es möglich, Plasmagleichgewichte zu finden, die selbst dann, wenn q = 1 ist, gegen Knickbetriebsweisen stabil sind. Hierin sind ρ und B das Mittel über das Plasmavolumen des Drucks ρ und das Quadrat der poloidalen Magnetfeldintensität B , und μ₀ ist die magnetische Permeabilität im Vakuum. Zum Beispiel ist, wenn A<2/ß , die Bedingung (a) nicht immer notwendig.

Im Falle von willkürlich geformten Flußoberflächen in axialsymmetrischen Toroiden kann die Gleichung (2) in der leicht anwendbaren Form

^F

geschrieben werden, worin B die toroidale und B die poloidale Magnetfeldintensität sind. Das geschlossene Linienintegral, in dem I die poloidale Bogenlänge ist, wird bei einem konstanten toroidalen Winkel um die Flußoberfläche herum genommen. Die hier verwendete Konven-

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tion besteht darin, daß B >0 auf der elliptischen magnetischen Achse des Umkehrfeldpinches ist. Infolgedessen ist q > 0 auf dieser Achse und nimmt monoton mit zunehmendem Abstand von dieser Achse ab, wobei es am Feldumkehrpunkt sein Vorzeichen ändert. In der entgegengesetzten Konvention, bei der B <0 auf dieser Achse ist, ist dann q<0 auf dieser Achse und nimmt monoton mit zunehmendem Abstand von dieser Achse ab. Die Größe s, die in der obigen Bedingung (b) erscheint, ist die magnetische Scherung, die einen Stabilisierungseffekt auf viele Klassen bzw. Arten von Instabilitäten ausübt, insbesondere auf ideale MHD-Austausch-Instabilitäten und auf viele Mikroinstabilitaten.

Eine andere wichtige Eigenschaft, die die Stabilität durch Unterdrückung solcher MHD-Instabilitäteri, die speziell durch Plasmadruck erregt werden, verbessert, ist ein im Mittel magnetischer Behälter oder minimales mittleres B, worin B die magnetische Feldstärke ist. Eine Übersicht über die Vorteile des im Mittel magnetischen Behälters, der hier auch als mittlerer magnetischer Behälter oder als durchschnittsmagnetischer Behälter bezeichnet wird, und vieler Konfigurationen, die diese Eigenschaft haben, wird von H.P. Furth in "Advances in Plasma Physics", Herausg. Simon und Thompson, 1 (Interscience Publishers, New York, 1968), Seiten 67 bis 100 gegeben. Das mittlere Quadrat der magnetischen Feldstärke <B²> auf einer Flußoberfläche wird berechnet durch

<B²> = (4)

J B ^L dl

worin die Integration dadurch erfolgt, daß man einer magnetischen Feldlinie über eine zur Abtastung der gesamten magnetischen Oberfläche erforderliche Entfernung folgt. Die einfachste Definition eines im Mittel magneti-

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sehen Behälters an der Grenze, an der der Plasmadruck klein ist, ist ein Minimum von <B²> innerhalb des Plasmas. Allgemeiner existiert ein im Mittel magnetischer Behälter dann, wenn ein Minimum in 5

<B²>+ 2μ₀ρ (5)

vorhanden ist. Die Bedingung (5) besitzt auch eine starke Korrelation zur Stabilität der Widerstandsaustauschbetriebsweisen bzw. -moden in Umkehrfeldpinch-Konfigurationen. Wenn <B²> + 2μ₀ρ mit zunehmendem Abstand von der elliptischen magnetischen Achse zunimmt, ist die Widerstandsaustauschbetriebsweise bzw. -mode stabil.

Ein im Mittel magnetischer Behälter impliziert, daß das Mittel der Größe des magnetischen Felds auswärts vom Zentrum der Einrichtung zunimmt. Daher trifft das Plasma, wenn es durch eine beginnende Instabilität nach auswärts getrieben wird, auf ein stärkeres magnetisches Feld, das seiner Auswärtsbewegung entgegenwirkt.

Die gegenwärtig allgemein am meisten verwendete toroida-Ie magnetische Einschließungskonfiguration ist das Tokamak, dessen prinzipielle definierende Charakteristik darin besteht, daß die q-Stabilitätserfordernisse durch Betrieb mit |qj>l und s^O erfüllt werden, indem eine genügend große toroidale Magnetfeldstärke B_ gemäß Gleichung (3) erzeugt wird. Da das Längenverhältnis A genereal 1 ^> 3 ist, muß das toroidale Feld, das durch ein großes Toroidalfeldspulensystem, welches um den Einschließungsbehälter herum angeordnet ist, erzeugt wird, groß sein. Typischerweise gilt B = 5 B bis 10 B . Infolgedessen sind das maximale toroidale Strom I , der im Plasma fließt und durch die Gleichung B = p„I /2TCr in Beziehung zur poloidalen Magnetfeldstärke B steht, und

„ . „ » I= OO »» · «β ··

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mit ihm die ohmische Erhitzung des Plasmas durch die maximal mögliche toroidale Feldstärke Β_φ, die ein praktisches Magnetsystem aushalten kann bzw. die durch ein praktisches Magnetsystem erzeugt werden kann, beschränkt. Ein kleiner magnetischer Behälter, der auch für die Tokamakstabilität wichtig ist, wird durch toroidale Effekte erhalten. Der theoretisch vorausgesagte maximale Plasmadruck, der eingeschlossen werden kann, ist auf ß^0,10 beschränkt und kann ebenso gut weniger sein, worin β = ρ/(Β²/2μ_η) das Verhältnis des volumengemxttelten Plasmadrucks zum magnetischen Druck des einschließenden Feldes ist. Es sei darauf hingewiesen, daß hier und in der übrigen Beschreibung und den Ansprüchen das Sl-mks-Einheitensystem benutzt wird. Wegen des kleinen ß beim Tokamak müssen Fusionsreaktorkonzepte, die darauf basieren, entweder groß sein oder eine außerordentlich hohe toroidale Magnetfeldstärke anwenden.

Das toroidale magnetische Feld, das durch das toroidale Feldspulensystem erzeugt wird, wird als ein Vakuum-Toroidfeld bezeichnet, wenn kein Plasma vorhanden ist. Das toroidale magnetische Feld ändert sich dann umgekehrt mit dem Hauptradius, und die Größe f= RB_T ist eine Konstante. Wenn f unabhängig von seiner in Betracht stehenden Flußoberfläche in einem Bereich des Plasmas ist, wird das toroidale magnetische Feld in diesem Bereich als ein Vakuum-Magnetfeld bezeichnet. Das bedeutet, daß das toroidale magnetische Feld in einem Plasma ein Vakuum-Toroidmagnetfeld ist, wenn sich Β_φ umgekehrt zu R ändert.

Pinches lassen sich am leichtesten von Tokamaks, an die sie .oberflächlich erinnern, dadurch unterscheiden, daß sie die Bedingung Jqj<l überall im Plasma erfüllen, und gewöhnlich erfüllen sie die Bedingung Jqj<<l. Ein an sich bekannter toroidaler Pinch, der die erforderlichen Bedin-

gungen hinsichtlich q erfüllt, ist der Umkehrfeldpinch, der abgekürzt mit RFP bezeichnet wird. Eine kürzliehe Übersicht über das Fachgebiet des RFP ist von H.A.B. Bodin und A.A. Newton in Nucl. Fusion 20 (1980), Seiten 1255 bis 1324 gegeben worden. Der RFP ist ein diffuser Pinch, in dem die magnetische Feldkomponente, die im wesentlichen parallel zur magnetischen Achse ist, eine Richtung in den äußeren Bereich des Plasmas hat, der entgegengesetzt zu demjenigen im inneren Bereich ist, und als Ergebnis hiervon· geht q(r) durch Null und ändert sein Vorzeichen innerhalb des Plasmas. Tatsächlich wurde eine in hohem Maße verminderte Instabilität in Pinchexperimenten beobachtet, wenn das umgekehrte q(r)-Profil hergestellt wird. Die Feld- und q-ümkehr wird durch Einfangen eines toroidalen Felds in einem eingeschnürten Plasma und durch Erfüllen von äußeren Grenzbedingungen derart, daß ein toroidales Feld von entgegengesetztem Vorzeichen zwischen dem Plasma und der Wand existieren kann, erzielt. Zur Stabilität ist außerdem eine leitende Umhüllung erfor,-derlich. Die Kombination von toroidalem Strom und umgekehrtem toroidalem magnetischem Feld, die in Umkehrfeldpinches erzielt wird, erzeugt einen Gleichgewichtszustand von sehr niedriger freier Energie, der bei niedrigem ß stabil ist. Diese Stabilität ist unabhängig von toroidalen Effekten. Daher können RFP-Längenverhältnisse willkürlich so gewählt werden, daß die technischen bzw. baulichen Parameter und die Reaktorparameter optimiert werden.

Im RFP ist das extern wirkende toroidale Feld kleiner als Β-. Daher ist,anders als im Tokamak, I nur durch die maximale Intensität von B , das in der Einrichtung ausgehalten wird bzw. erzeugt werden kann, begrenzt, und es ist eine große ohmische Erhitzung des Plasmas möglich.

Außerdem ist das maximale ß, das in RFP-Einrichtungen er-

zielbar ist, größer als in Tokamaks. Infolgedessen können Reaktorkonzepte, die auf dem RFP basieren, entweder kleiner sein als bei Tokamaks oder es können in diesen RFP-Konzepten niedrigere magnetische Feldstärken als bei Tokamaks angewandt werden.

Unglücklicherweise besitzt der RFP keinen magnetischen Behälter, und es wurde theoretisch vorhergesagt und in Rechnerplasmasimulationen beobachtet, daß eine Widerstandsaustauschinstäbilität von m = 0 in eine große bzw. zu einer großen konvektiven Zelle in der Nähe der Oberfläche q = 0 anwächst und die Plasmaeinschließung begrenzt. Hier ist m die Poloidalbetriebszahl bzw. die poloidale Modenummer der in Frage stehenden Instabilität.

Es gibt Daten, die die Vermutung nahelegen, daß diese Instabilität in gegenwärtigen RFP-Experimenten vorhanden ist. Widerstandsaustauschinstabilitäten befinden sich unter solchen Instabilitäten, die durch einen magnetischen Behälter stabilisiert werden können.

Multipolplasmaeinschließungseinrichtungen beruhen auf einem unterschiedlichen Konzept gegenüber toroidaler Plasmaeinschließung. In Multipoleinrichtungen wird der toroidale Plasmastrom durch zwei oder mehr feste leitende Ringe, die intern bezüglich des Plasmas angeordnet sind, ersetzt, welche einen Satz von ineinandergeschachtelten geschlossenen magnetischen Oberflächen um jeden Ring erzeugen. Aufgrund von Konvention ist die Anzahl der Pole gleich dem zweifachen der Anzahl der Leiter. So wird z.B.

eine Einrichtung mit zwei inneren Leitern als ein Quadrupol bezeichnet; eine Einrichtung mit vier inneren Leitern wird als ein Octopol bezeichnet, etc. Da der Strom durch starre Leiter strömt, ist der Stromfluß stabil. Es besteht keine Notwendigkeit für ein starkes toroidales magnetisches Feld. Die Stromringe werden so angeordnet, daß

sie ein multipolares magnetisches Feld und wenigstens eine hyperbolische magnetische Achse innerhalb des Raums, der grob poloidal durch die Ringe eingeschlossen ist, erzeugen. Eine hyperbolische magnetische Achse tritt auf einer Flußoberfläche auf, wenn mehr als zwei mögliche Richtungen vorliegen, in der die magnetische Feldlinie gezogen werden kann. Weiterhin sind diese Ringe und die hyperbolische magnetische Achse oder Achsen von einem äußeren Satz von ineinandergeschachtelten geschlossenen magnetischen Oberflächen umgeben. Die magnetische Oberfläche oder die magnetischen Oberflächen, die durch die hyperbolische magnetische Achse hindurchgeht bzw. -gehen und die die äußeren magnetischen Oberflächen von denjenigen magnetischen Oberflächen, welche nur einen einzigen Ring umschließen, trennt bzw. trennen, werden Separatrixmagnetoberf lachen genannt. In experimentellen Multipoleinrichtungen konnte eine ausgezeichnete Einschließung demonstriert werden. Eine Scherung kann mittels nur eines kleinen toroidalen Felds hinzugefügt werden.

Multipoleinrichtungen haben eine Anzahl von ernstlichen Schwierigkeiten bei Hochtemperaturplasma- und Fusionsanwendungen, die mit der Anordnung der leitenden Ringe innerhalb des Plasmas in Verbindung stehen. Die Ringe erfordern eine Trägerstruktur, welche geladene Teilchen behindert, die Symmetrie der Einrichtung zerstört und zu einer verminderten Einschließung von Plasma führt. Alternativ kann die Trägerstruktur durch die Verwendung von supraleitenden Ringen ausgeschaltet werden, die durch die Benutzung von magnetischen Feldern frei schweben gelassen werden, jedoch sind die Erfordernisse, den Supraleiter von den hochenergetischen Fusionsneutronen abzuschirmen, enorm.

Es ist möglich, eine Separatrixmagnetoberflache zu haben,

die zwei oder mehr Stromkanäle umschließt, von denen einer das Plasma ist, während der Rest außerhalb des Plasmas befindliche Leiter sind., In diesem Fall umschließt die Separatrix noch zwei oder mehr Sätze von ineinandergeschachtelten Flußoberflächen, jedoch befindet sich Plasma in nur einem Satz von ineinandergeschachtelten Flußoberflächen. Die hyperbolische Magnetachse erscheint auf der Separatrix dort, wo mehr als zwei mögliche Richtungen vorhanden sind, in denen der magnetischen Feldlinie gefolgt werden kann. Die Form der ineinandergeschachtelten Flußoberflächen in einem toroidalen Querschnitt durch die Oberflächen, der als Plasmaquerschnitt bezeichnet wird, ist normalerweise ein Satz von konzentrischen Kreisen für einen Umkehrfeldpinch. Wenn eine Separatrix in der Nähe des RFP gebildet wird, erscheint die hyperbolische magnetische Achse auf der Separatrix dort, wo die Flußoberfläche sich selbst kreuzt. Die Grenzfläche zwischen dem Plasma und dem umgebenden Vakuum ist eine magnetische Flußoberfläche und wird als die Plasmaoberfläche bezeichnet.

Ein anderes Einschließungsprinzip ist in der parallelen Anmeldung der Anmelderin beschrieben, die unter Inanspruchnahme der Priorität vom 14. Dezember 1981 angemel- det wurde und sich auf ein Multipolpinchverfahren sowie eine Multipolpincheinrichtung zum Erzeugen eines im Mittel magnetischen Behälters in einer Plasmaeinschließung bezieht. Die in dieser Anmeldung beschriebene Einrichtung kann als eine Multipoleinrichtung betrachtet werden, in der die festen inneren Ringe durch Hochstrompinchplasmastromkanäle ersetzt worden sind. Genau so wie in den feste Ringe aufweisenden Multipoleinrichtungen erzeugen angenähert gleiche Ströme, die parallel durch die Plasmastromkanäle fließen, eine hyperbolische magnetische Achse und Separatrixmagnetoberflachen im Plasma. Dadurch wird

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ein im Mittel magnetischer Behälter erzeugt, vorausgesetzt, daß die Komponente des magnetischen Felds in der Richtung der hyperbolischen magnetischen Achse nicht zu groß in der Nahe der hyperbolischen magnetischen Achse ist, was immer dadurch erreicht werden kann, daß die Plasmastromkanäle wie ümkehrfeldpinches betrieben werden, so daß es dazu kommt, daß q =0 in der Nähe dieser hyperbolischen magnetischen Achse ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein grundsätzlich unterschiedliches Exnschließungsprinzip, mit dem die besten Vorteile eines magnetischen Behälters und von RFP-Einrichtungen mit hohem ß erzielt werden. Das Grundprinzip bzw. die Grundeinrichtung der Erfindung kann als eine RFP-Einrichtung mit kleinem Längen- bzw. Streckungsverhältnis angesehen werden, in der ein magnetischer Behälter durch geeignete Formung des Plasmaquerschnitts erzeugt wird. Eine Separatrixmagnetoberflache mit wenigstens ej.ner hyperbolischen magnetischen Achse wird entweder außerhalb der Plasmaoberfläche oder auf der Plasmaoberfläche durch Ströme erzeugt, die durch äußere Spulen fließen. Durch Anordnen der hyperbolischen magnetischen Achse in der Nähe der Plasmaoberfläche in dem Bereich zwischen der elliptischen magnetischen Achse und der toroidalen Hauptachse wird der Plasmaquerschnitt nach einwärts nach der toroidalen Hauptachse zu verzerrt. Die Kombination eines stark umgekehrten Magnetfelds, des Formens des Plasmaquerschnitts und von toroidalen Effekten bei kleinem Längen- bzw. Streckungsverhältnis erzeugt einen im Mittel magnetischen Behälter bzw. einen mittleren magnetischen Behälter. Der im Mittel magnetische Behälter wird durch die Variation von <R> auf benachbarten Flußoberflächen wie in Tokamaks erzeugt. Nachstehend wird der Magnetbehälter-Umkehrfeldpinch als ein Umkehrfeldbehälter oder RFW bezeichnet.

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Aufgrund von Definition wird das toroidale Feld stark umgekehrt, wenn JB I größer als fei in der Nähe der Plasmaoberfläche ist und wenn B² « (B )². Wenn B außerdem im wesentlichen gleich wie ein bzw. wie in einem Vakuummagnetfeld ist, ändert es sich umgekehrt mit R. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird IbJ größer als |B j gemacht, und außerdem so, daß es sich umgekehrt mit R in der Nähe der Plasmaoberfläche ändert. Außerdem werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Plasmaflußoberflächen durch die hyperbolische magnetische Achse nach der Toroidachse zu verzerrt, und die Änderung von 1/<R> ist dadurch auf einer Flußoberfläche am stärksten durch die Stellen, die sich der Toroidachse am nächsten befinden, gewichtet. Die Anwendung eines kleinen Längen- bzw. Streckungsverhältnisses in der Einrichtung verbessert diese Gewichtung. Dann wird <B²> + 2μ_ηρ durch die Änderung von B_, dominiert und ist am größten auf der Plasmaoberfläche und nimmt anfänglich auf inneren Flußoberflächen, die weiter von der toroidalen Hauptachse weg und näher an der elliptischen magnetischen Achse sind, ab. Geht man von einer inneren Flußoberfläche nach der Plasmaoberfläche zu, dann sieht man eine Zunahme von <B²> + 2μ_βρ, was das Anzeichen eines im Mittel magnetischen Behälters in dem Plasma ist.

Pinchplasmen haben eine starke Tendenz, einen nahezu kreisförmigen poloidalen Querschnitt beizubehalten. Es ist daher eine Einrichtung vorgesehen, die verhindert, daß sich das Plasma zu einem RFP von kreisförmigem Querschnitt vereinigt. Weiter kann die genaue Form des Plasmas nötigenfalls mittels kleiner Ströme in toroidalen Spulen, die sich außerhalb der leitenden Umhüllung befinden, eingestellt und optimalisiert werden.

Die Stabilität in einem ümkehrfeldpinch mit einem magne-

tischen Behälter kann durch ein q-Profil und eine leitende Umhüllung wie in dem RFP erhalten werden, plus einen im Mittel magnetischen Behälter, wie in einem Tokamak. Da ein kleines Längenverhältnis erforderlich ist, nämlich A weniger als etwa 6, sind die Kriterien für eine Stabilität gegen Knickung nicht so streng, und es ist möglich, ein RFW herzustellen, das gegen Knickung selbst dann stabil ist, wenn jql = 1. In allgemeinen Termen gesagt, erhöht der im Mittel magnetische Behälter das maximale ß, das aufgenommen werden kann. Der Behälter in RFW-Einrichtungen hängt von toroidalen Effekten ab, und so muß das toroidale Längenverhältnis solcher Einrichtungen klein sein. Wie der RFP braucht auch der RFW nur kleine toroidale Felder; infolgedessen sind der Plasmastrom und die ohmisehe Erhitzung nur durch die maximalen poloidalen Felder beschränkt, denen die Einrichtung widerstehen kann bzw. die in der Einrichtung erzeugt werden können.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von Multipoleinrichtungen nach dem Stande der Technik deutlich insofern, als der magnetische Behälter ohne die Verwendung von festen Ringen, welche in das Plasma eingetaucht sind, und die Schwierigkeiten, die derartige Ringe mit sich bringen, erzielt werden kann.

Sie unterscheidet sich deutlich von den RFP-Einrichtungen nach dem Stande der Technik insofern, als eine Einrichtung zum Erzeugen von Plasmen mit einem im Mittel magnetischen Behälter durch Formung des Plasmaquerschnitts und eine Kombination von starker Feldumkehr und kleinem Längenverhältnis vorgesehen ist. Außerdem unterscheidet sie sich deutlich von spiralförmigen Pinches nach dem Stande der Technik, die in der US-Patentschrift 4 302 beschrieben sind und manchmal abekürzt als OHTE bezeichnet werden und die mehrfache hyperbolische magnetische Achsen auf der Plasmaoberfläche sowie keinen magneti-

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sehen Behälter haben.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich auch deutlich von den Tokamak-Einrichtungen nach dem Stande der Technik insofern, als q im Plasma sein Vorzeichen ändert. Ein kritischer Unterschied vom Gesichtspunkt der Leistungsfähigkeit und des Aufbaus . der Einrichtung besteht darin, daß die Tokamakstromkanäle toroidale Magnetfelder erfordern, welche viele Male größer als das durch den Plasmastrom erzeugte Feld sind; dagegen sind die Felder in den Pinchstromkanälen vergleichbar. Außerdem ist es mit einem gegebenen toroidalen Feld möglich, einen viel größeren Strom durch die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung zu treiben als durch eine Tokamak-Einrichtung, und die Erhitzung, die mit diesem Strom verbunden ist, vermindert die zusätzlichen Erhitzungserfordernisse bezüglich der Tokamak-Einrichtung drastisch. Die RFW-Einrichtung unterscheidet sich weiter von der Tokamak-Einrichtung durch ihre unterschiedlichen q-Profile. Das q-Profil des Tokamaks ist überall größer als 1, wohingegen in der RFW-Einrichtung q auf der elliptischen magnetischen Achse kleiner als 1 ist, sich monoton ändert und durch Null geht. Schließlich ändert sich das toroidale Feld in Tokamak-Einrichtungen nur wenig durch das gesamte Plasmavolumen hindurch, wohingegen es in RFW-Einrichtungen seine Richtung zwischen der elliptischen magnetischen Achse und der Grenze des Plasmas umkehrt. Eine bevorzugte RFW-Einrichtung hat eine Induktionsspule und ein damit verbundenes Leistungs- bzw. Stromzuführungssystem, die so ausgelegt sind, daß ein toroidales elektrisches Feld von wenigstens 100 V/m während der Plasmapinch-Bildungsphase des Entladungszyklus induziert wird; hingegen ist eine Tokamak-Einrichtung üblicherweise so ausgelegt, daß ein schwächeres toroidales elektrisches Feld induziert wird, und zwar ein sol-

ches elektrisches Feld, das weniger als 25 V/m beträgt, wie das in der Doublett-III-Einrichtung der General Atomic Company der Fall ist.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich auch deutlich von der Multipinch-Einrichtung der vorerwähnten parallelen Anmeldung insofern, als der RFW nur einen Stromkanal hat und den im Mittel magnetischen Behälter in einer vollständig unterschiedlichen Weise erzeugt. Der im Mittel magnetische Behälter der Multipinch-Einrichtung tritt auf, weil das magnetische Feld auf der hyperbolischen magnetischen Achse, die zwischen den Stromkanälen liegt, genau Null ist. Der im Mittel magnetische Behälter der RFW-Einrichtung tritt bei einem kleinen Längenverhältnis auf, wenn der Plasmaquerschnitt in geeigneter Weise geformt ist und sich das toroidale magnetische Feld im wesentlichen wie ein Vakuum-Magnetfeld in der Nähe der Plasmaoberfläche ändert. Die Separatrix erscheint entweder außerhalb des Plasmas oder auf der Plasmaoberfläche, anstatt daß sie innerhalb der Plasmaoberfläche erscheint, wie das in der Multipinch-Einrichtung der Fall ist.

Infolgedessen wird mit der vorliegenden Erfindung primär eine magnetische Einschließung eines Umkehrfeldpinchplasmas mit einem im Mittel magnetischen Behälter vorgeschlagen, wie sie insbesondere durch Anwendung von Plasmaquerschnittformung bei kleinem Längenverhältnis erzielt wird.
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Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 der Zeichnung anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen:

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Fig- 1 magnetische Oberflächen, die erzielt werden, wenn der Plasmaquerschnitt in angemessener Weise gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geformt wird; 5

Fig. 2 eine poloidale Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Erzeugen der in Fig. 1 gezeigten magnetischen Oberflächen;
10

Fig. 3 eine Aufsicht auf die in Fig. 2 veranschaulichte Einrichtung;

Fig. 4a und 4b die Flußoberflächen für die beiden einfachsten Anordnungen, in denen hyperbolische magnetische Achsen in der Nähe der PlasmaOberfläche zur Erzeugung von Plasmaformen mit einem im Mittel magnetischen Behälter erzeugt werden; und 20

Fig. 5a und 5b Profile eines im Mittel magnetischen Behälters, nämlich den Verlauf von <B²> + 2μ_βρ, des Sicherheitsfaktors q und der toroidalen Komponenten des magnetischen Felds B sowie der Stromdichte J , die aus einer spezifi

schen toroidalen MHD-Gleichgewichts-Lösung berechnet worden sind und der Einrichtung nach den Fig. 2 und 3 entsprechen.

Ein zentraler Punkt des Konzepts der Erfindung ist die Formung und die Steuerung bzw. Kontrolle eines toroidalen Pinchplasmastromkanals derart, daß ein im Mittel magnetischer Behälter bzw. ein mittlerer magnetischer Behälter innerhalb des Plasmas unter Verwendung eines stark umgekehrten toroidalen magnetischen Feldes und ei-

ner externen hyperbolischen magnetischen Achse erzeugt wird. In der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform werden, wo das möglich ist* Techniken und Einrichtungen v§rwencl£t( ^wi^e sie nach dem Stande der Technik für die Erzeugung und Anwendung von heißen, magnetisch eingeschlossenen Plasmen benutzt werden. Eine bevorzugte Ausführungßform der Erfindung, die zur Verwendung als Plasmaforschungseinrichtung geeignet ist, ist in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht, und diese Einrichtung erzeugt magnetische Oberflächen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Wie in den Fig. I₇ 2 und 3 dargestellt ist, wird ein Plasma, das einen Pinchentladungskanal 10 hat, innerhalb einer primären Vakuumkammer erzeugt, die durch eine Wand 14 gebildet ist, und zwar so, daß eine tränentropfenförmige Plasmaoberfläche 28 und eine elliptische magnetische Achse 20 mit ineinandergeschachtelten geschlossenen magnetischen Oberflächen 24 entstehen. Der Kanal 10 und die Kammerwand 14 sind bezüglich der toroidalen Hauptachse 30 und einer Mittelebene 32 symmetrisch.

Der im Mittel magnetische Behälter bzw. der mittlere magnetische Behälter wird in dem Kanal 10 durch die Kombination von vier Effekten erzeugt. Erstens ist das toroidale magnetische Feld stark umgekehrt, derart, daß JB₁J > |B_p] auf der Flußoberfläche 28 und B² e» B^ erfüllt ist. Zweitens befindet sich eine hyperbolische magnetische Achse 27 auf der Mittelebene 32 am inneren Rand einer leitenden Umhüllung 36, wo die Umhüllung der toroidalen Hauptachse 30 am nächsten ist. Dadurch wird die Flußoberfläche 28 zu der Tränentropfenform verzerrt.

Drittens ist das Längenverhältnis des Kanals klein, nämlich A = 2,6. Viertens ändert sich das toroidale magnetische Feld im wesentlichen wie ein Vakuummagnetfeld auf der Flußoberfläche 28. Das Flußoberflächenmittel von B² wird dann durch die Stellen, die sich der toroidalen

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Achse, wo R am kleinsten ist, am nächsten befinden, dominiert. Iß I ist am größten auf der Flußoberfläche 28 in der Mittelebene auf der Seite, die sich der toroidalen Hauptachse 30 am nächsten befindet. B² ist auch an dieser Stelle am größten. Die Verzerrung der Flußoberfläche durch die hyperbolische magnetische Achse verbessert diesen Effekt derart, daß das Flußoberflächenmittel um die Oberfläche 28 auch durch die Stellen, die sich der hyperbolischen magnetischen Achse am nächsten befinden, dominiert wird. Die Oberflächen 24, die weiter weg von der toroidalen Achse sind, haben einen kleineren Wert von B und einen kleineren Wert von <B²>. Das reicht aus, den im Mittel magnetischen Behälter bzw. den mittleren magnetischen Behälter auszubilden.

Die Fig. 4a und 4b demonstrieren alternative Stellen für hyperbolische magnetische Achsen 27. Die Fig. 4a veranschaulicht eine Flußoberflächenkonfiguration mit einer einzigen hyperbolischen magnetischen Achse 27, während die Fig. 4b eine Flußoberflächenkonfiguration mit zwei symmetrischen hyperbolischen magnetischen Achsen 27 zeigt. Die Konfiguration der Fig. 4a entspricht der in Fig, I gezeigten Konfiguration. Die hyperbolische magnetische Achse 27 auf einer Separatrix 29 ist zwischen der ellipti-5 sehen magnetischen Achse 20 und der toroidalen Hauptachse 30 auf der Mittelebene 32 angeordnet. Die Plasmaoberfläche 28 ist durch die hyperbolische magnetische Achse 2 7 nach einwärts nach der toroidalen Hauptachse 30 hin verzerrt. In Fig. 4b liegen die hyperbolischen magnetischen Achsen 27 nicht mehr auf der Mittelebene 32, jedcch ist die Plasmaoberfläche 28 noch nach einwärts nach der toroidalen Hauptachse 30 zu verzerrt. Die in Fig. 4a gezeigte Flußoberflächenkonfiguration kann durch die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Einrichtung ausgebildet werden. Die Ausbildung der in Fig. 4b dargestellten Fluß-

Oberflächenkonfiguration erfordert eine andere Anordnung der vertikalen Feldspulen 38, um die Form der Separatrixoberfläche 29 zu approximieren.

Die hyperbolische magnetische Achse 27 wird als nahe an der Plasmaoberfläche 28 liegend angesehen, wenn sie innerhalb von einem kleinen Radius der Plasmaoberfläche liegt. Da die hyperbolische magnetische Achse 27 näher an der Plasmaoberfläche 28 angeordnet ist, nimmt der Betrag der Verzerrung der Flußoberflächen einwärts nach dem toroidalen Hauptradius hin zu. Die in Fig. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform weist die hyperbolische magnetische Achse an der Schnittstelle der Umhüllung 36 und der Mittelebene 32 in dem Punkt auf, der sich der toroidalen Hauptachse 30 am nächsten befindet.

Die Tiefe des mittleren magnetischen Behälters, der hier auch als mittelmagnetischer Behälter oder durchschnittsmagnetischer Behälter bezeichnet wird und auch als mitt- lere magnetische Vertiefung, mittlere magnetische Mulde oder mittlerer magnetischer Potentialtopf bezeichnet werden kann, ist der Unterschied in der Größe von <B²> + 2μ_βρ zwischen dem Wertminimum und dem Wert an der Plasmaoberfläche. Die Tiefe des im Mittel magnetischen Behältres ist physikalisch wichtig, wenn sie größer als der quadratische Mittelwert der Magnetfeldschwankungen, Δβ^ζ, ist. Bei einem Längenverhältnis von 6 hat die erzielbare Tiefe des Behälters die gleiche Größe wie die experimentell beobachteten Werte von Δβ². Das Längenverhältnis sollte daher für einen effektiven Behälter kleiner, als 6 sein. Wenn A abnimmt, nimmt die erzielbare Behältertiefe zu. Der bevorzugte Wert von A ist so klein wie physikalisch möglich, abhängig von technischen bzw. baulichen Beschränkungen, die durch Induktionsspulen 84, 46 und 48 sowie toroidale Feldspulen 58 bedingt

sind. Bei der in Fig. 5a bevorzugten Ausführungsform ist die Behältertiefe mehr als das 3-fache der Größe νοηΔβ , und A beträgt 2,6.

Wenn die Behältertiefe zunimmt, nimmt auch die Größe des Sicherheitsfaktors an der Plasmaoberfläche zu. Bei der in Fig. 5a veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform ist der Wert von q an der Plasmaoberfläche -3. Für eine leitende Wand 36 in der in Fig. 2 gezeigten Position läßt sich durch eine theoretische Analyse der Knickbetriebsweise bzw. -mode unter Verwendung des Energieprinzips vorhersagen, daß das Plasma stabil ist. Das ist angemessen, da das Längenverhältnis kleiner als 2/ß bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.

Wie in Fig. 5a gezeigt, tritt der Minimalwert von <B²> + 2μ_βρ außerhalb des Feldumkehrpunkts auf, wo der Sicherheitsfaktor q das Vorzeichen ändert. Der Bereich des im Mittel magnetischen Behälters ist dort vorhanden, wo IqI größer als der Wert von Jq| an der elliptischen magnetischen Achse ist.

Die Kammerwand 14 kann aus nichtmagnetischem rostfreiem Stahl, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl 316, oder aus Inconel-Legierung hergestellt sein, mit einer Dicke von ungefähr 0,3 mm. Der toroidale Widerstand der Kammerwand ist größer als 5 m&, was genügend hoch ist, daß ein Eindringen des induzierten toroidalen elektrischen Feldes in viel weniger als 1 ms zur Ionisierung von Wassestoff oder anderen Gasen ermöglicht wird, die bei einem Druck von etwa 1 mTorr in die Kammer injiziert werden, sowie zum Antrieb eines toroidalen Plasmastroms. Die Innenseite der Wand 14 kann in situ durch eine Kombination von Gleichstrom-Glimmentladungsreinigung und Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 100⁰C oder durch andere

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wirksame Techniken gereinigt werden, um eine atomar saubere Oberfläche mit einer niedrigen Entgasungsrate bzw. Gasaustrittsrate zu erzeugen. Andere Materialien, die eine niedrige elektrische Leitfähigkeit haben und mit der Hochvakuumtechnik kompatibel sind, wie sie in Fusionseinrichtungen praktiziert wird, können auch verwendet werden. Wie dargestellt, ist die Kammerwand 14 mit einer Mehrzahl von Durchlässen 34 für verschiedenste Zwecke versehen, welche das Beobachten und die Ausführung von Messungen des Plasmas und das Evakuieren der Kammer auf einen Druck von 10 Torr einschließen. Für diesen Zweck können Standardturbomolekular- oder Cryopumpen-Vakuumpumpsysteme, die nicht dargestellt sind, verwendet werden. Die Kammerwand 14 ist so geformt, daß sie die gewünschte Form des Plasmas eng approximiert.

Der Hauptradius R_n einer speziellen exemplarischen Plasmaeinrichtung, wie sie dargestellt ist, beträgt 0,65 m von der Hauptachse 30 zur elliptischen magnetischen Achse 20. Die durch die Wand 14 begrenzte Kammer ist 0,48 m hoch und an ihrer breitesten Stelle 0,55 m breit. Die Breite der Mittelebene der dargestellten Ausführungsform ist 0,55 m, aber der genaue Wert dieser Abmessung kann gewünschten- oder erforderlichenfalls für eine verbesserte Plasmaleistungsfähigkeit oder einen besseren Plasmawirkungsgrad verändert werden, ohne daß dadurch die Art der Erfindung geändert wird. Die Kammerquerschnittsdimensionen können so bemessen sein, daß sie größere oder kleinere Abmessungen haben. Der Hauptradius der Kammer sollte gleichzeitig mit den Querschnittsdimensionen erhöht oder vermindert werden, damit ein geeignetes kleines toroidales Längenverhältnis aufrechterhalten wird.

Die charakteristische Grenzform, deren Zweck es ist, die Bildung des Stromkanals 10 und den tränentropfenförmigen

Plasmaquerschnitt zwangsweise zu bewirken, wird durch die geformte Umhüllung 36 und die verteilten vertikalen Feldwicklungen 38 aufgeprägt. Geformte leitfähige Umhüllungen sind seit vielen Jahren dazu benutzt worden, Plasmen spezielle Formen aufzuprägen, wobei die meisten entsprechenden Anwendungsfälle nach dem Stande der Technik in Multipoleinrichtungen mit inneren Leitern vorgesehen sind, wie sie in der US-Patentschrift . 3 194 739 beschrieben sind, sowie in Doubletteinrichtungen, wie sie in der US-Patentschrift 3 692 626 beschrieben sind. Es sei außerdem auf die weiter oben angegebene anhängige Patentanmeldung verwiesen, die sich auf eine Multipinch-Einrichtung bezieht. Die genaue Form der Umhüllung 36 wird durch Lösung der Grad-Shafranov-Gleichung für das MHD-Gleichgewicht bestimmt, wie in den nachfolgenden Absätzen beschrieben ist, damit man ein Plasma mit den vorgesehenen Eigenschaften erhält. Gleichzeitig unterstützt die Umhüllung 36 die Stabilisierung des Plasmas, indem jeder Plasmastrom, der versucht, sich nach der Wand 14 hin zu bewegen, aufgrund des Verfahrens bzw. Vorgangs der Bildströme zurückgeworfen wird. In einer kleinen Plasmaforschungseinrichtung, wie es die dargestellte Einrichtung ist, beträgt der Zwischenraum 40 zwischen der Kammerwand 14 und der Umhüllung 36 ungefähr 3 mm.

Die geformte Umhüllung 36, die hier auch als Ummantelung bezeichnet wird, ist aus in hohem Maße leitfähigem Metall hergestellt, wie beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, und sie ist in der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform 6 mm dick. Die Umhüllung 36 weist eine elektrisch nichtleitende Trennstelle auf, damit der Fluß eines NettotoroidalStroms in der Umhüllung verhindert wird, die sonst als kurzgeschlossener Sekundärkreis für die vertikalen Feldwicklungen 38 wirken würde. Die Trennstelle sollte auf 10 kV isoliert sein, um

Stoßspannungen widerstehen zu können. Eine entsprechende poloidale elektrisch nichtleitende Trennstelle 33 ist dazu vorgesehen, ein Eindringen des toroidalen Flusses während unterstützer toroidaler Magnetfeldumkehr zu ermöglichen. Dadurch wird die erforderliche Flußschwankung einer Induktionsluftspule 84 zum Antrieb des toroidalen Stroms herabgesetzt.

Die Kammerwand 14 allein ist zu dünn, um ohne Zusammenbrechen atmosphärischem Druck zu widerstehen. Daher wird, nachdem die Kammer innerhalb der Umhüllung 36 in ihrer korrekten Position ausgerichtet worden ist, wie beispielsweise mittels kleiner elektrisch isolierender Abstandsteile, der Zwischenraum 40 mit einer flüssigen Siliconmischung gefüllt, die in situ zu einem elastischen, massiven, adhäsiven Silicongummi bzw. -kautschuk gehärtet werden kann, wodurch die Kammerwand 14 und die Umhüllung 36 fest aneinander gebunden werden. Infolgedessen ist es die Umhüllung 36 und nicht die dünne Kammerwand 14, welehe dem atmosphärischen Druck widersteht. Es sind Silicongummis bzw. -kautschuke verfügbar, die leicht 100⁰C, der maximalen Grundmaterialwandtemperatur während des Ausheizens und Reinigens, widerstehen. Der maximale Wandtemperaturanstieg, der zu erwarten ist, wenn eine Energie von 100 kJ während einer Testentladung gleichförmig auf die Wand abgegeben wird, beträgt nur 20⁰C.

Die Induktionsspulen 84, 46 und 48 induzieren ein toroidales elektrisches Feld, durch das Gas innerhalb der Kammer 14 ionisiert und dadurch Plasma erzeugt wird, und so daß genügend toroidaler Strom durch das Plasma zur Widerstandserhitzung desselben auf hohe Temperatur getrieben wird. Das durch den Pinchstrom erzeugte poloidale magnetische Feld trägt außerdem zum Hauptteil der magnetischen Einschließung des heißen Plasmas durch den Pincheffekt

bei, und daher muß dieser Strom für die gewünschte Dauer der Plasmaeinschließung aufrechterhalten werden. Die Induktionsluftspule 84 erzeugt die Flußschwankung, die zum Treiben des toroidalen Stroms erforderlich ist. Dieser
Aspekt der Einrichtung und die grundsätzlichen Aufbaubetrachtungen für dieselbe sind bei der vorliegenden Erfindung die gleichen wie im RFP, Tokamak und anderen ohmisch erhitzten toroidalen Plasmaeinrichtungen.

Die vertikalen Feldspulen 38 ergänzen die Ummantelung 36 beim Formen des Plasmas. Weil der magnetische Fluß durch eine Ummantelung der Dicke w, der kleineren Halbbreite b und der elektrischen Leitfähigkeit O* in einer Zeit Y
mantelung gegeben ^{ist du}rch die Gleichung

T₁₁ ^₁ = u_nöwb/2 (6)

Ummantelung U

verschwindet dessen Kraft bzw. Leistung zur Steuerung
der Form des Plasmas nach dieser Zeit. Bei der in den

Fig. 2 und 3 dargestellten Einrichtung beträgt t_Ununantelung = 18 ms. Jedoch kann die Plasmaform auch genau mittels
Strom gesteuert werden, der in äußeren Leitern verteilt
ist, so daß dadurch magnetische Grenzbedingungen erzielt werden, die identisch mit denjenigen der Ummantelung sind.

Diese Bedingungen schließen auch das sogenannte vertikale Feld ein, das der Tendenz des toroidalen Plasmas, im
Hauptradius zu expandieren, entgegenwirkt. Das Formen
durch äußere Spulen ist sowohl in den Doublett-II-A- und in den Doublett-III-Experimenten demonstriert worden. In Fig. 2 sind die einzelnen Windungen der vertikalen Feldspulen 38 mit einer Verteilung dargestellt, durch die
der gewünschte Zweck erzielt wird. Es kann eine unendliche Zahl solcher Verteilungen gefunden werden, jedoch erhält man die leistungsfähigste und wirksamste Formung,

wenn die Wicklungen eng an der geformten Ummantelung 36

angeordnet sind, wie dargestellt. Zufriedenstellende Anordnungen können auch mit einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen? als es c}ie dargestellte Anzahl ist, erhalten wer4ent Infolgedessen erfolgt der Übergang von der Plasmaformung 4urqh J^ildströme in der Ummantelung 36 zur Formung durch das magnetische Feld, welches durch die spezielle Verteilung der Stromleiter der vertikalen Feldspulen 38 erzeugt wird, glatt und stoßfrei, und die Dauer des Plasmas ist nicht durch ^ummantelung beschränkt.

Die Induktionsspulen 84, 46 und 48 werden in konventioneller Weise erregt. Wenn beispielsweise die Spulen 84, 46 und 48 in Reihe geschaltet sind, induziert eine Kondensatorbank, die auf 20 kV aufgeladen ist, ein elektrisches Feld von 245 V/m in der Toroidalrichtung. Ein solches elektrisches Feld hat sich als mehr als angemessen zur Herstellung von heißen Plasmen in RFP-Experimenten entsprechender Größe erwiesen.

Die magnetischen Feldspulen 38 ergeben außerdem einen flexibleren Grad an Kontrolle über die Form und Position des Plasmas. Das Prinzip ist ähnlich demjenigen, das zur Formung von Plasmen in Doublett-II-A- und in Doublett-III-Experimenten benutzt wird. Jede Spule kann unabhängig von den anderen Wicklungen z. B. mittels einer Thyristor-Zerhacker-Stromversorgung erregt werden. In diesem Falle werden die vertikalen Feldspulen 38 als Trimmspulen bezeichnet. Die Trimmspulen können so betrieben werden, daß sie ihre Funktionen in negativen Rückkopplungsschleifen bzw. in Gegenkopplungsschleifen erfüllen, indem Magnetfeldaufnehmer bzw. -sensoren um den Umfang des Plasmas herum hinzugefügt werden, so daß der Zustand des Feldes ermittelt wird und eine Reaktion über geeignete Verstärker erfolgt, durch welche die Thyristor-Zerhacker-Stromversorgungseinrichtungen oder andere Stromversor-

gungseinrichtungen gesteuert werden.

Eine Mehrzahl von toroidalen Feldspulen 58 ist um das Plasma, die Kammerwand 14, die Ummantelung 36, die vertikalen Feldspulen 38 und die Induktionsspulen 46 und 4 8 herum angeordnet, um das toroidale magnetische Feld zu erzeugen,das für einen stabilen Pinchbetrieb erforderlich ist. Die maximale toroidale Feldstärke, die erzeugt werden muß, ist wesentlich geringer als diejenige, die in Tokamakplasmen, wie beispielsweise im Doublett-III-Experiment, erforderlich ist. Wenn die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform 300 kA toroidalen Plasmastrom führt, dann brauchen die toroidalen Feldspulen nur die bescheidene Feldstärke von 1,0 T oder weniger zu liefern. Infolgedessen kann nahezu jeder konventionelle Toroidalfeldspulenaufbau verwendet werden. Die bevorzugte Ausbildung erleichtert eine Demontage zum Zwecke eines leichten Zugangs zu der Induktionsspule, der Ummantelung und der Kammer. In dem Beispiel der dargestellten Anordnung bzw. Auslegung werden Kupferleiter 60 und 62 von rechteckigem Querschnitt, 0,014 m χ 0,04 m,

durch geschraubte bzw. mit Bolzen bewirkte Verbindungsstellen 64 zu einer Spule von 60 Windungen verbunden, welche die toroidalen Bauteile gleichförmig umschließt. 60 Windungen ist eine ausreichende Anzahl, so daß die Welligkeit der toroidalen Feldstärke, die sich aus der Diskretheit der Spulenleiter ergibt, kein Problem ist.

Die toroidalen Feldspulen 58 sind durch Zylinder 66 und Ringe 68, 69, 70, 71, 72 und 74, die elektrisch isolierend sind und aus Kunststoffverbundmaterial, das mit Glasfasern oder in anderer Weise verstärkt ist, bestehen können, ausgerichtet. Durch vertikale Teile 76 und die Zylinder 66 in Verbindung mit radialen Balken bzw. Trägern 78 und 80

werden die toroidalen Feldspulen fest an Ort und Stelle befestigt. Die Zylinder 66 nehmen auch die radiale Druckkraft auf_f die durch die toroidalen magnetischen Felder auf die Spulen 58 ausgeübt wird, während die Ringe 72 und 74 die toroidalen Feldspulen 58 gegen ein Auswärtsbiegen in der Richtung des Hauptradius verstärken. Die Ringe 68, 69, 70 und 71 positionieren und haltern die Spulen 58 in der Vertikalrichtung. Die Ringe 68, 69, 70 und 71 werden ihrerseits durch die radialen Träger 78 und 80 gehaltert, die auch vorzugsweise aus Kunststoffverbundmaterial hergestellt sind. Die erforderliche Steifigkeit gegenüber Drehmomentaiin den toroidalen Feldspulen 58, die sich aus der Querkraft zwischen der vertikalen Magnetfeldkomponente und der vertikalen Feldspule 38 und dem Strom in den toroidalen Feldspulen ergibt, wird durch die Zylinder 66 und die diagonale Anordnung der radialen Balken bzw. Träger 78 und 80, die aus Fig. 3 ersichtlich ist, erzielt. Die toroidalen Feldspulen 5 8 werden durch eine nicht gezeigte externe Einrichtung erregt, beispielsweise mittels eines gepulsten Gleichstrom-Gleichrichtersystems, oder in kleineren Forschungsexperimenten, durch eine Kondensatorbank. Ein Strom von 20,8 kA durch den Kupferleiter reicht aus, um 1,0 T zu erzeugen.

Die Induktionsluftspule 84 des Ausführungsbeispiels liefert die Flußschwankung zum Treiben des toroidalen Stroms. Der äußere Radius der dargestellten Luftspule 84 ist 0,15 m. Beim Aufbau aus konventionellem gehärtetem Kupfer ist die im Kern mögliche Flußschwankung, die auch als Flußswing bezeichnet werden kann, größer als 0,7 Wb, wogegen eine Extrapolation von experimentellen RFP-Daten zeigt, daß nur etwa 0,35 Wb zur Ausbildung eines 300 kA-Pinchplasmas dieser Abmessung nötig sind. Die übrigen 0,35 Wb des Flusses können dazu verwendet werden, den

Plasmastrom, wenn dieser einmal erzeugt worden ist, aufrechtzuerhalten, bis der Fluß durch Plasmawiderstand aufgebraucht ist.

Die Luftspule 84 wird durch den unteren Zylinder 66 auf den Trägern 80 abgestützt. Die Torusanordnung, welche die Kammerwand 14, die Ummantelung 36, die vertikale Feldspule 38, die Induktionsspulen 46 und 48 sowie die toroidalen Feldspulen 58 umfaßt, wird auf Säulen 96 gehalten. Die zentrale Luftspule 84 ist konzentrisch mit der Hauptachse 30 der Torusanordnung.

Wie in der oben erwähnten anhängigen Anmeldung über eine Multipincheinrichtung erwähnt ist, wurde das allgemeine Verhalten von Pinchplasmen, die wenigstens ein kleines toroidales Magnetfeld enthalten, erfolgreich durch J.B. Taylor in Phys. Rev. Lett. 33 (1974), Seiten 1139 bis 1141 erklärt. Ein derartiges Plasma enthält eine magnetische Spiraligkeit K, die durch die Gleichung

K = / A. . B dV (7)

definiert ist, worin B das Magnetfeld ist, während A das magnetische Vektorpotential ist, welches derart definiert ist, daß V χ Ä* = B* und A = 0 an der leitenden Ummantelung sind, und die Integration erfolgt über das umschlossene toroidale Volumen. Gemäß Taylor kann ein Plasma durch Plasmainstabilitäten Energie viel schneller als magnetische Spiraligkeit verlieren, selbst wenn das Plasma eine begrenzte Widerstandsfähigkeit hat. Daher verliert ein Plasma seine überschüssige Energie sehr schnell, während es virtuell seine anfängliche Spiraligkeit beibehält, bis der minimale Energiezustand erreicht ist, der mit dem festen K und der Geometrie der toroidalen Ummantelung kompatibel ist. Das wird als entspannter Zustand

bezeichnet, und er ist sowohl bei idealen als auch bei widerstandsbedingten MHD-Instabilitäten stabil, weil keine freie Energie verfügbar ist, sofern K nicht verändert wird. Taylor hat gezeigt, daß der entspannte Zustand der folgenden Bedingung

M_QJ = 7 χ 2 = μΒ (8)

folgt, worin J die Stromdichte und μ eine Konstante mit Dimensionen von (Länge) ist. Plasmen, die der Gleichung (8) folgen, haben keinen Druckgradienten, weil die Gleichung Vp = J χ B erfüllt ist, und sie sind daher druckfrei. Die Lösungen der Gleichung (8) sind besonders einfach für Tori mit sehr großem Längenverhältnis und mit kreisförmigem Querschnitt. Die Form niedrigster Ordnung ist dann

P UJ.
B_T = B₀J₀(Mr) (9)

worin J_Q und J, die Bessel-Funktionen sind, wahrend r der kleine Radius, gemessen von der kleinen Achse des Torus, ist, und worin B_n die Feldstärke auf dieser Achse ist. Die Indizes P und T beziehen sich auf die Poloidal- bzw. Toroidalrichtung. Wenn yr\ > 2,405, die erste Wurzel von J_Q, kehrt sich das toroidale Feld um.

Taylors Entspannungs- bzw. Relaxationstheorie beschreibt die prinzipiellen Merkmale von RFP-Plasmen mit kreisförmigem Querschnitt, wie sie in Experimenten beobachtet worden sind. Insbesondere haben Plasmen die Tendenz, sich der Konfiguration, welche durch die Gleichung (9) beschrieben wird, unabhängig von ihrem Anfangszustand und dem speziellen Verfahren, das zu ihrer Erzeu-

gung angewandt worden ist, anzunähern. Wirkliche Plasmen unterscheiden sich wegen unvermeidbarer Beschränkungen ein wenig von den idealen Taylor-Zuständen, und daher wird ein niedriges Niveau von Restinstabilität und Turbulenz in allen kürzlichen Pinchexperimenten beobachtet. Diese Beschränkungen sind prinzipiell folgende:

(1) Wirkliche Plasmen müssen einen endlichen Druck haben; weiterhin sind beträchtlich hohe Drücke für Fusionsanwendungsfalle'erwünscht.

(2) B und infolgedessen J gemäß Gleichung (8) sind in Taylor-Zuständen stets groß. In der Nähe der begrenzenden Ummantelung sind wirkliche Plasmen kalt und haben infolgedessen einen hohen Widerstand, und infolgedessen sind sie unfähig, den durch die Taylor-Zustände vorgeschriebenen großen Strom in diesem Grenzbereich zu führen.

Wie in der Multipolpinch-Einrichtung gemäß der vorerwähnten anhängigen Anmeldung besteht ein prinzipieller Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie im Kontext der vorhergehenden Erörterung angegeben ist, darin, ein zentrales Plasma, das ein Taylor-Gleichgewicht eng approximieren kann, mit einem magnetischen Behälter zu umgeben. Der zusätzliche Stabilisierungseffekt des Behälters wirkt dahingehend, daß er Instabilitäten, die durch den Druck des Plasmas und durch den Niedrigstrom-Grenzbereich hervorgerufen werden, verhindert oder wenigstens vermindert. Das wird in einer RFW-Konfiguration mit einem tränentropf enföi» migen Querschnitt, wie in den Fig. 1, 2 und 3 veranschaulicht, erreicht.

Entsprechend dem Multipolpinch-Verfahren der vorerwähnten anhängigen Anmeldung der Anmelderin besteht das direkteste

Verfahren zum Erzeugen von JPiasmen, die einen gewünschten Taylor-Zustan<3 approximieren_f in folgendem:

(1) Eg wird e.ine formend Umhüllung aus leitfähigem Me-

tall aufgebaut, deren Form im wesentlichen identisch mit der For^i der gewünschten Plasmaoberfläche ist.

(2) Vor dem Ausbilden des Plasmas wird ein toroidales Magnetfeld innerhalb des eingeschlossenen evakuierten Toroidvolumens durch eine geeignete Toroidalfeldspuleneinrichtung erzeugt. Die Stärke dieses Feldes wird so gewählt, daß es einen toroidalen Magnetfluß innerhalb der Umhüllung liefert, der gleich dem toroidalen Fluß des gewünschten Plasmazustands ist.

(3) Das Gas, das zu einem Plasma ionisiert werden soll, wird unter Benutzung irgendeiner konventionellen Einrichtung injiziert. Wahlweise kann das Gas vorionisiert sein.

(4) Ein toroidales elektrisches Feld wird mittels einer externen Induktionsspule um den Torus herum induziert. Es wird ein großes elektrisches Feld, typischerweise > 100 V/m anfänglich benötigt, um das Gas vollständig zu ionisieren und den toroidalen Strom auf das Niveau des gewünschten Zustands zu treiben.

(5) Wenn der gewünschte Zustand einmal hergestellt worden ist,wird er durch Vermindern des induzierten elektrischen Felds auf einen Wert aufrechterhalten, der gerade angemessen ist, um das Fließen des toroidalen Stroms durch den elektrischen Widerstand des Plasmas aufrechtzuerhalten, typischerweise <, 10 V/m. Es kann langsam Gas in die Kammer eingelassen wer-

den, um das Gas zu ergänzen bzw. zu ersetzen, welches durch die Metallwände absorbiert worden ist, wie das auf dem Plasmafachgebiet üblich ist.

(6) Die Form der Flußoberfläche ändert sich nicht radikal, wenn das Betriebsamplitudenverhältnis bzw. das Betriebsweisenamplitudenverhältnis geändert wird. Daher kann eine einzige formende Ummantelung 36 dazu verwendet werden, ein Kontinuum an benachbarten Gleichgewichten durch magnetischen Feinabgleich der Grenzbedingungen mittels kleiner Ströme durch die außerhalb der Ummantelung befindlichen vertikalen Feldspulen 38 zu untersuchen.

(7) Da kein Transformator eine elektromotorische Kraft unendlich lange induzieren kann, endet die Plasmaentladung schließlich. Die Dauer der Entladung wird erhöht, wenn die mögliche Flußänderung des Transformators erhöht wird.
20

Axialsymmetrische toroidale Plasmagleichgewichte mit endlichem Plasmadruck und einer generell spezifizierten toroidalen Stromdichte von J = J_(Y) können durch Lösen der Grad-Shafranov-Gleichung
25

V²Hf = - μ₀Κ J_T (10)

berechnet werden, worin

R = Radialabstand von der Hauptachse 30, z= Vertikalabstand von der Mittelebene 32 und

T/2% = polodialer Fluß
bedeuten,

2 ₌ a² _ ι _a_ a²

ÖR^Z R 9R 9z^z

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Weiter gilt

R - iR²
B_p - (B_R

τη τ - ^{B<r df} + ρ ^d

J_m - —— -νπτ + R

worin J die poloidale Stromdichte ist, während B_n und

ir JK

B die Komponenten des magnetischen Felds in Zylinderkoz

ordinaten sind.

Der Druck und die toroidalen Feldfunktionen p(Y) und f("!T) können willkürlich spezifiziert werden. Jedoch sind nicht alle derartige Gleichgewichtslösungen stabil. Taylor-Zustände, die der Gleichung (8) gehorchen, sind stabil als Pinche innerhalb einer leitenden Ummantelung. Toroidale Taylor-Zustände lassen sich aus den Gleichungen (10) bis

(14) erhalten, wenn dp/dT = 0 und df/dY = μ, Taylors Parameter. Realistische Abweichungen vom ideale Taylor-Zustand können dadurch eingeschlossen werden, daß man einen endlichen Druck benutzt und ein df/d^T, das im inneren Plasma virtuell konstant ist und am Rand klein oder Null wird, so daß dadurch zwangsweise bewirkt wird, daß sich J gemäß den Gleichungen (13) und (14) in der gleichen Weise verhält. Die magnetischen Flußoberflächen der Fig. 1 sind aufgrund einer numerischen Lösung der Grad-Shafrano.v-Gleichung mit endlichem Druck gezeichnet worden, jedoch mit df /άψ = μ (1 - Tⁿ) , ψ" = (Ϋ '

C C

ι» β * ««SI

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worin "Ψ = zentraler Wert von "Ψ(an der elliptischen Achse) und Y". = Grenzwert von "¹ST . Für Fig. 1 hat das Längenverhältnis A den Wert von 2,6, μ = 5,7/a, dp/d^ ^ und η = 7. Der Exponent η = 7 ergibt taylorähnlich J/B nahezu eine Feldumkehr, jedoch wird der Strom außerhalb der Umkehr sehr schnell gedämpft. Die Kurvendarstellungen von q, B_T, J_T und <B²> + 2μ_ηρ, die von dieser numerischen Lösung abgeleitet worden sind, sind in den Fig. 5a und 5b als Funktion von R durch die elliptische Achse 20 für R₀ = 0,65 m und I = 300 kA, welches die Parameter für das Beispiel der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Einrichtung sind, aufgetragen. Das toroidale Feld ist stark umgekehrt, was das RFP-ähnliche umgekehrte q-Profil ergibt. Die lokalen Minima in <B²> + 2μ«ρ, welche aus Fig. 5a ersichtlich sind, sind der Beweis für den im Mittel magnetischen Behälter. Infolgedessen wird der gewünschte magnetische Behälter mittels der vorliegenden Erfindung bei einer realistischen Plasmastromverteilung mit endlichem Druck erhalten, wobei bzw. indem eine Plasmaquerschnittsformung und eine Kombination eines stark umgekehrten toroidalen Magnetfelds und eines kleinen Längenverhältnisses benutzt werden.

Das Auftreten des im Mittel magnetischen Behälters in dem RFW kann auch in vereinfachten qualitativen Termen erklärt werden. Es ist eine Folge der Axialsymmetrie, daß das Produkt aus dem toroidalen Feld und dem Hauptradius B_R auf jeder gegebenen magnetischen Oberfläche eine Konstante bleibt. Diese Bedingung ist in Gleichung (12) angegeben. In den nach dem Stande der Technik gegenwärtig am meisten üblichen toroidalen magnetischen Einschließungssystemen, nämlich in den Tokamak- und Stellaratorfamilien, übersteigt das toroidale Feld in hohem Maße das poloidale, und daher kann ein im Mittel magnetischer Behälter nur dadurch erzielt werden, daß

man die relativen mittleren Hauptradiuspositionen <R> von benachbarten magnetischen Oberflächen variiert. Bei dem Umkehrfeldpinch mit kleinem Längenverhältnis ermöglicht die Tränentropfenform der in den Fig. 1, 2, 3 und 4a veranschaulichten Ausführungsform eine entsprechende Variation der mittleren Hauptradiusposition <R> von benachbarten magnetischen Oberflächen. Wenn die Bedingung Ib I > IBpI in der Nähe der Plasmaoberfläche im RFW erfüllt ist, dann erzeugen B²äj B₁I und die Variation in <R> den im Mittel magnetischen Behälter bzw. den mittleren magnetischen Behälter.

Es ist vorteilhaft, in der vorliegenden Erfindung mit dem Verhältnis von toroidalem Plasmastrom und Magnetfeld öder dem Parameter μ der Pinchstromkanäle in Termen von Taylors Theorie derart zu arbeiten, daß das toroidale Feld über angenähert das äußere eine Drittel der Flußoberflächen umgekehrt wird. Das ergibt ein umgekehrtes toroidales Feld in der Nähe der Plasmaoberfläche, welches größer als das poloidale Feld ist. Die Variation in <R> von benachbarten magnetischen Oberflächen der Tränentropfenform erzeugt dann den magnetischen Behälter. Das ist in Fig. 5a dargestellt. Das Vorhandensein der Minima in der Kurve von <B²> + 2μ_ηρ zeigt die Gegenwart eines mittleren magnetisehen Behälters in dem Plasma. Die relativen Positionen der Umkehr und des Behälters können so variiert werden, daß die beste Plasmaeinschließung für einen speziellen Aufbau erzielt wird, und zwar aufgrund empirischer Bestimmung.

In der RFP-Einschließung nach dem Stande der Technik wurde eine leitende Ummantelung, die eng am Plasma angeordnet ist, als notwendiges Erfordernis für die Plasmastabilität angesehen. Die primäre Funktion der Ummantelung besteht darin, den langwelligen Knickungsinstabilitäten

■ »β ♦ · *

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des Plasmas, die das heiße Plasma an der Kammerwand der Einrichtung auslöschen können, durch den Bildstromeffekt Widerstand entgegenzusetzen. Jedoch fallen die Bildströme exponentiell mit einer charakteristischen Rate ab, dxe ungefähr gleich ^^^e^g"¹ ist. Es ist daher zu erwarten, daß RFP-Entladungen, die länger als etwa t , , dauern, ein kompliziertes Rückkopplungssystem erfordern können, um die erwähnte Instabilität gegen Knickung zu verhindern. Jedoch setzt das äußere Feld, insbesondere derjenige Teil, der durch Ströme in vertikalen Feldspulenleitern in der Nähe der Mittelebene 32 erzeugt wird, Verlagerungen des Plasmastromkanals 10 sowohl in der z- als auch in der R-Richtung Widerstand entgegen. Daher kann es sich als möglich erweisen, daß man die leitende Ummantelung 36 unter bestimmten Bedingungen wegläßt, ohne daß sich dadurch eine Plasmainstabilität ergibt, wodurch man eine größere Aufbau- bzw. Auslegungsflexibilität und eine einfachere Einrichtung erhält. In diesem Falle erfolgt die Formung des Plasmas zu der RFW-Pinchkonfiguration vollständig mittels der äußeren Spulen 3 8 oder Äquivalenten derselben.

Mit der vorliegenden Erfindung werden daher ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von magnetisch eingeschlossenen toroidalen Plasmen aus der ümkehrfeldpinch-Vielfalt mit einem einfassenden mittleren magnetischen Behälter zur Verfügung gestellt. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein idealer stabiler Taylor-Pinchzustand eng approximiert.Die Anordnung des mittleren magnetischen Behälters gemäß der vorliegenden Erfindung ist derart, daß ein stabilisierender Einfluß auf Instabilitäten ausgeübt wird, die durch den Druck des Plasmas, insbesondere in dem äußeren einen Drittel des Plasmavolumens, veranlaßt werden. Die Stelle des mittleren magnetischen Behälters ist außerdem für die Verbesserung von Effekten

vorteilhaft, welche aus verminderten Plasmaströmen in der Nähe der Plasmagrenze im Vergleich mit dem idealen stabilen Taylor-Zustand daraus entstehen. Daher können Vorteile größerer Stabilität und/oder von größerem ß, die allgemein als verbesserte Plasmaeinschließung bezeichnet werden können, im Vergleich mit RFP-Einrichtungen nach dem Stande der Technik, die keinen mittleren magnetischen Behälter haben, erwartet werden.

Obwohl die neuartigen Aspekte einer Magneteinschließungsplasmaeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert worden sind, sind viele Abwandlungen und Änderungen innerhalb der Grundprinzipien der Erfindung möglich, wie insbesondere hinsichtlich der Abmessungen, Formen und Strom- sowie Feldstärken wie auch hinsichtlich der Anwendung von alternativen Verfahren und Techniken, welche auf dem Fachgebiet des Plasmas und der Fusion möglich sind. Zum Beispiel können die vertikalen Feldspulen 38 so ausgebildet sein, daß sie mit einem Eisenkern arbeiten, und die Anzahl der hyperbolischen Magnetachsen kann erhöht werden. Außerdem kann z. B. die leitende Ummantelung 36 aus einer gesonderten oberen und unteren Hälfte aufgebaut sein, die an ihrer mittelebenen Grenzfläche elektrisch voneinander isoliert sind, wodurch gewünschtenfalls ein Betrieb des Pinches in der an sich nach dem Stande der Technik bekannten unterstützten Umkehrbetriebsweise ermöglicht wird. Die Einrichtung kann außerdem verschiedene, an sich bekannte Zubehöreinrichtungen, Ausrüstungen, Apparaturen o. dgl. und Fusionseinrichtungen aufweisen, wie Stromversorgungseinrichtungen, Vakuumpumpen, Instrumentierungen, Hüllen, Blankets, Wärmeaustauscher, Halterungsaufbauten und Kontroll- bzw. Steuersysteme_t Die beschriebene spezielle Ausführungsform ist für experimentelle Zwecke und für Forschungszwecke ausgelegt.

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In größerem Maßstab vorgesehene Ausführungsformen, die für die Erzeugung von Fusion und Leistung vorgesehen sind, erfordern in entsprechender Weise diese und andere Einrichtungen, Apparate und dergl.

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Claims (31)

1. Patentansprüche

   /ϊ> Verfahren zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas in einem Umkehrfehldpinch mit einem magnetischen Behälter, dadurch gekennzeichnet,
   daß das Verfahren folgendes umfaßt:

   Erzeugen eines toroidalen Plasmas in einer toroidalen
   Kammer, die eine toroidale Hauptachse (30) und eine to-

   roidale Nebenachse sowie ein kleines Längenverhältnis
   (A) hat;

   Hindurchleiten eines Stroms durch das Plasma in der Richtung, in der sich die toroidale Nebenachse erstreckt, so daß eine stark umgekehrte Magnetfeldpinch-Konfiguration

   darin ausgebildet wird, die einen Satz von ineinandergeschachtelten geschlossenen Magnetflußoberflächen (24) erzeugt, welche eine elliptische magnetische Achse (20) in-

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   nerhalb des Plasmas definieren« die sich in der Richtung des Stromflusses erstreckt, und welche einen Sicherheitsfaktor (q) erzeugen, der sein Vorzeichen innerhalb des Plasmas an der Flußoberfläche (24) ändern, an der die Komponente des Magnetfelds in der Richtung, in der sich die toroidale Nebenachse erstreckt, das Vorzeichen ändert; und Erzeugen von wenigstens einer hyperbolischen magnetischen Achse (27) außerhalb im wesentlichen des gesamten Plasmas und zwischen der elliptischen magnetischen Achse. (20) und der toroidalen Hauptachse (30), so daß ein mittlerer magnetischer Behälter ausgebildet wird, der im wesentlichen das gesamte Plasma einschließt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß · die Ausbildung eines mittleren magnetischen Behälters einschließt, daß man die Komponente des magnetischen Felds in der Richtung, in der sich die toroidale Nebenachse erstreckt, im wesentlichen gleich derjenigen eines Vakuummagnetfelds innerhalb des Plasmas und außerhalb der Flußoberfläche (24), auf der die Magnetfeldumkehr auftritt, macht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis (A) geringer als etwa 6 ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine hyperbolische magnetische Achse (27) und die elliptische magnetisehe Achse (20) im wesentlichen coplanar sind.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Längenverhältnis (A) weniger als etwa 6 ist.

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6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine hyperbolische magnetische Achse (27) und die elliptische magnetische Achse (20) im wesentlichen coplanar sind.
7. 7. .Verfahren nach einem der. Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine hyperbolische Achse (27) dicht an der Plasmaoberfläehe (28) liegt, so daß die Oberfläche (28) nach der toroidalen Hauptachse (30) zu deformiert wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7,. dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter im wesentlichen an der magnetischen Flußoberfläche (24) innerhalb des Plasmas, an welcher der Sicherheitsfaktor (q) im wesentlichen kleiner als 0 ist, ausgebildet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e kennzeichnet, daß die magnetischen Flußoberflächen (24) durch eine oder mehrere Einrichtungen, die sich außerhalb des Plasmas befinden, geformt und positioniert werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter im wesentlichen an der magnetischen Flußoberfläche (24) innerhalb des Plasmas ausgebildet wird, wo der absolute Wert des Sicherheitsfaktors (q) größer als dessen absoluter Wert irgendwo innerhalb der magnetischen Flußoberfläche (24) ist, auf welcher die Magnetfeldumkehr auftritt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die magnetischen Flußoberflächen (24) durch eine oder mehrere Einrichtungen, die

    sich außerhalb des Plasmas befinden, geformt werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die magnetischen Flußoberflächen (24) durch eine oder mehrere Einrichtungen, die sich außerhalb des Plasmas befinden, geformt werden.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magne- tischen Flußoberflächen (24) durch eine oder mehrere Einrichtungen, die sich außerhalb des Plasmas befinden, geformt werden.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß der Behälter im wesentlichen an der magnetischen Flußoberfläche (24) innerhalb des Plasmas ausgebildet wird, an der der Sicherheitsfaktor (q) im wesentlichen kleiner als 0 ist.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Flußoberflächen (24) durch eine oder mehrere Einrichtungen, die sich außerhalb des Plasmas befinden, geformt und positioniert werden.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter im wesentlichen an der magnetischen Flußoberfläche (24) innerhalb des Plasmas ausgebildet wird, an der der absolute Wert des Sicherheitsfaktors (q) größer als dessen absoluter Wert irgendwo innerhalb der magnetischen Flußoberfläche (24) ist, auf welcher die Magnetfeldumkehr auftritt.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch ge-

    kennzeichnet , daß die magnetischen Flußoberflächen (24) durch eine oder mehrere Einrichtungen, die sich außerhalb des Plasmas befinden, geformt und positioniert werden.
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18. 18. Einrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas mit einem Umkehrfeidpinch mit einem magnetischen Behälter, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch g e kennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt:

    eine Einrichtung (14), welche eine toroidale Kammer begrenzt, die eine toroidale Hauptachse (30) und eine toroidale Nebenachse sowie ein kleines Längenverhältnis (A) hat;

    eine Einrichtung (46, 48, 84) zum Erzeugen eines Plasmas innerhalb der Kammer;

    eine Einrichtung (84) zum Hindurchleiten eines Stroms durch das Plasma in der Richtung, in welcher sich die toroidale Nebenachse erstreckt, so daß eine stark umgekehrte Magnetfeldpinch-Konfiguration darin ausgebildet wird, die einen Satz von ineinandergeschachtelten geschlossenen Magnetflußoberflächen (24) erzeugt, welche eine elliptische magnetische Achse (20) innerhalb des Plasmas definieren, die sich in der Richtung des Stromflusses erstreckt, und welche einen Sicherheitsfaktor (q) erzeugen, der sein Vorzeichen innerhalb des Plasmas an der Magnetflußoberfläche (24) ändert, an welcher die Komponente des magnetischen Felds in der Richtung, in welcher sich die erwähnte Nebenachse erstreckt, das Vorzeichen ändert; und

    eine Einrichtung zum Erzeugen von wenigstens einer hyperbolischen magnetischen Achse (27) außerhalb im wesentlichen des gesamten Plasmas und zwischen der elliptischen magnetischen Achse (20) und der toroidalen Hauptachse (30), so daß ein mittlerer magnetischer Behälter ausge-

    bildet wird, der im wesentlichen das gesamte Plasma einschließt.
19. 19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge· kennzeichnet, daß die Kammer und der Plasmastrom im wesentlichen axialsymmetrisch um die bzw. zur Hauptachse (30) der Kammer (14) sind.
20. 20. Einrichtung nach Anspruch 18, gekenn-

    zeichnet durch eine außerhalb des Plasmas vorgesehene Einrichtung zum Formen und Positionieren der Magnetflußoberflächen (24).
21. 21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch g e kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Formen und Positionieren der Magnetflußoberflächen (24) eine elektrisch leitende Ummantelung (36) in der für das Plasma gewünschten Form aufweist.
22. 22. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Formen und Positionieren der Magnetflußoberflächen (24) vertikale Feldspulen (38) aufweist.
23. 23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis (A) weniger als etwa 6 ist.
24. 24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ausbilden des Behälters im wesentlichen an der Magnetflußoberfläche (24) innerhalb des Plasmas, an welcher der Sicherheitsfaktor (q) im wesentlichen geringer als 0 ist.
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25. 25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis (A) geringer als etwa 6 ist.
26. 26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ausbilden des Behälters im wesentlichen an der Magnetflußoberfläche (24) innerhalb des Plasmas, an welcher der absolute Wert des Sicherheitsfaktors (q) größer als dessen absoluter Wert irgendwo innerhalb der Magnetflußoberfläche (24) ist, auf welcher die Magnetfeldumkehr stattfindet.
27. 27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch g e kennzeichnet, daß das Längenverhältnis (A) geringer als etwa 6 ist.
28. 28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von wenigstens einer hyperbolischen magnetische Achse (27) so betreibbar ist, daß sie diese Achse (27) innerhalb eines Nebenradius bzw. kleineren Radius der Plasmaoberfläche erzeugt, so daß die Plasmaoberfläche nach der toroidalen Hauptachse (30) zu deformiert wird.
29. 29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß das Längenverhältnis (A) geringer als etwa 6 ist.
30. 30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von wenigstens einer hyperbolischen magnetischen Achse (27) so betreibbar ist, daß sie diese Achse (27) im wesentlichen coplanar mit der elliptischen magnetischen Achse (20) erzeugt.

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31. 31.· Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß das Längenverhältnis (A) geringer als etwa 6 ist.

    32, Einrichtung zürn Erzeugen eines Plasmas in einem Qmkehrfeldpinch mit einem magnetischen Behälter, insbesondere nach einem der Ansprüche 18 bis 31, gekennzeichnet durch eine Wandeinrichtung (14), die eine toroidale Kammer bildet, welche eine toroidale Hauptachse (30) und eine toroidale Nebenachse sowie ein kleines Langenverhaltnis (A) hat; und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmas innerhalb der Kammer und zum Aufrechterhalten eines Sicherheitsfaktors (q), der das Vorzeichen innerhalb des Plasmas ändert, und zum Erzeugen eines mittleren magnetischen Behälters, der im wesentlichen das gesamte Plasma einschließt, umfassend eine Einrichtung zum Hindurchführen eines Stroms durch das Plasmas in einem Pinchstromkanal (10), der innerhalb des Plasmas angeordnet ist und sich in der Richtung erstreckt, in welcher sich die toroidale Nebenachse erstreckt, wobei dieser Kanal (10) einen Satz von ineinandergeschachtelten geschlossenen magnetischen Oberflächen (24) enthält, die eine elliptische magnetische Achse (20) in der Richtung des Stromflusses definieren, sowie eine Einrichtung zum Erzeugen von wenigstens einer hyperbolischen magnetischen Achse (27) außerhalb im wesentlichen des gesamten Plasmas und zwischen dem Kanal (10) und der toroidalen Hauptachse (30).