EP4716381A1

EP4716381A1 - Mini fusions- oder spaltreaktor

Info

Publication number: EP4716381A1
Application number: EP25199499.2A
Authority: EP
Inventors: Heiko Kroll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2024-09-20
Filing date: 2025-09-02
Publication date: 2026-03-25
Also published as: DE102024127271A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Erhitzung eines Plasmas mit einem Vakuumrezipienten 2, der eine Hauptkammer 3 und mehrere Rückführkammern 4 umfasst. Die Rückführkammern 4 sind so konstruiert, dass sie einen Plasmateilchenstrom 16 aus der Hauptkammer 3 aufnehmen und in fokussierte Teilchenstrahlen 17 umlenken, die sich in der Mitte der Hauptkammer 3 treffen. Diese Vorrichtung 1 ermöglicht eine effiziente Erhitzung des Plasmas und die Bildung eines Bereichs mit erhöhtem Druck und Temperatur.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Plasmas. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Erhitzung eines Plasmas mit einer solchen Vorrichtung.
Bei der Erzeugung von Plasma kommen insbesondere im Bereich der Fusionstechnik bislang die Techniken des Trägheitseinschlusses oder der magnetischen Kompression zum Einsatz.
Bei dem ursprünglich überwiegend für militärische Anwendungen entwickelten Trägheitseinschluss wird ein Plasma mit einer in diesem ablaufenden und sich selbst tragenden Kernfusionsreaktion dadurch erzielt, dass ein Brennstoff in einem millimetergroßen, kugelförmigen Fusionstarget durch sehr schnelle, oberflächliche Energiezufuhr extrem verdichtet und auf die erforderliche Temperatur von etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt wird. Der Trägheitseinschluss erweist sich aufgrund der hohen Anforderungen an die an das Fusionstarget abgegebene Energie und an die Kontrolle der Symmetrie des implodierenden Brennstoffs, Effekten, wie die Verzögerung der Brennstofferwärmung, bis eine ausreichende Dichte erreicht ist, oder die vorzeitige Vermischung von heißem und kaltem Brennstoff durch hydrodynamische Instabilitäten, sowie Hindernissen beim Erreichen der Konvergenz der Schockwellen im Brennstoffzentrum als sehr schwierig zu realisieren.
Im Unterschied zum Trägheitseinschluss wird das Plasma bei der magnetischen Kompression wie ein Gas durch schnelles adiabatisches Zusammenpressen erwärmt. Zudem wird zugleich die Plasmadichte erhöht. Jedoch eignen sich zur magnetischen Kompression nur von Magnetspulen mit veränderbarer Stromstärke erzeugte Magnetfelder, welche eine Kraft auf das Plasma ausüben können, um dieses zusammen zu pressen. Im Vergleich zum Trägheitseinschluss lässt sich eine solche magnetische Kompression zum Erhitzen des Plasmas zwar einfacher realisieren, erfordert aber dennoch spezialisierte, veränderliche Magnetfeldanordnungen, mit welchen eine Kompressionskraft auf das Plasma ausgeübt werden kann. Diese sind kostspielig, erfordern eine sehr aufwändige Justage und komplexe Steuerung während des Betriebs. Zudem weist eine magnetische Kompressionsvorrichtung mit einer veränderlichen Magnetfeldanordnung einen technisch sehr komplexen Aufbau auf und ist im Betrieb sehr energieintensiv.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, eine Erhitzung eines Plasmas zu ermöglichen, ohne dass eine veränderliche Magnetfeldanordnung zum Ausüben einer Kompressionskraft auf das Plasma genutzt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einem Vakuumrezipienten mit einer Hauptkammer und mehreren Rückführkammern umfasst, wobei die Rückführkammern jeweils einen Einlassarm zum Einlass eines aus der Hauptkammer austretenden Plasmateilchenstroms, einen Injektionsarm zur Erzeugung eines in die Hauptkammer gerichteten, fokussierten Teilchenstrahls aus dem über den Einlassarm in die Rückführkammer eingetretenen Plasmateilchenstroms und einen im Wesentlichen torussegmentförmigen Rückführabschnitt zur Umlenkung des über den Einlassarm in die Rückführkammer eingetretenen Plasmateilchenstroms in den Injektionsarm aufweisen, wobei die Injektionsarme der Rückführkammern derart ausgerichtet sind, dass die Teilchenstrahlen, insbesondere zur Formung einer Plasmakugel, auf die Mitte der Hauptkammer gerichtet sind.
Durch die Ausrichtung der Injektionsarme können sich die Teilchenstrahlen in der Mitte der Hauptkammer treffen, was zu einem Bereich wachsenden Drucks und Temperatur führen kann. Die Erfindung bietet somit Verbesserungen in Bezug auf die Steuerung und Effizienz der Plasmateilchenströme, um das Plasma effektiv zu erhitzen. Mittels der Rückführkammern können aus der Hauptkammer austretende Plasmateilchen zurückgeführt werden, wodurch Plasmaverluste verringert und die Energieeffizienz gesteigert werden kann.
Das Plasma kann dabei in dem Vakuumrezipienten gehalten und auch erzeugt werden, bei welchem es sich um einen evakuierbaren Behälter handelt, in dem die Wechselwirkung des Plasmas mit Nicht-Plasmateilchen durch Erzeugung eines Vakuums minimiert werden kann. Die Hauptkammer stellt den zentralen Raum des Vakuumrezipienten dar, in dem die fokussierten Teilchenstrahlen aufeinandertreffen. Neben der Hauptkammer weist der Vakuumrezipient mehrere Rückführkammern nach Art von Nebenkammern auf, die mit der Hauptkammer verbunden sind und dazu dienen können, die aus der Hauptkammer austretenden Plasmateilchenströme in die Hauptkammer zurückzuführen. Jede Rückführkammer hat einen Einlassarm, einen Injektionsarm und einen Rückführabschnitt, um den Plasmateilchenstrom umzulenken und zu einem Teilchenstrahl zu fokussieren. Der Einlassarm der Rückführkammer, kann als Einlass für den aus der Hauptkammer austretenden Plasmateilchenstrom dienen und den Eintritt des Plasmateilchenstroms in die Rückführkammer ermöglichen. Der Rückführabschnitt ist ein Teil der Rückführkammer in Form eines Segments eines Torus, der den Plasmateilchenstrom in den Injektionsarm umlenken kann. Der Injektionsarm der Rückführkammer, kann dazu dienen, den fokussierten Teilchenstrahl aus dem Plasmateilchenstrom zu formen und in die Hauptkammer zu injizieren. Dabei bezieht sich der Plasmateilchenstrom auf den Strom von geladenen Plasmateilchen, der aus der Hauptkammer austritt und in die Rückführkammer eintritt, während der Teilchenstrahl den fokussierten Strom von Plasmateilchen meint, der durch den Injektionsarm in die Hauptkammer injiziert werden kann. Mit dem Teilchenstrahl können insbesondere Plasmateilchen mit einer Gesamtmasse der Plasmakugel zugeführt werden, welche der Gesamtmasse der von der Plasmakugel als Plasmateilchenstrom abgegebenen Plasmateilchen entspricht, um so den Masseverlust der Plasmakugel zu kompensieren.
Durch die Konfiguration der Rückführkammern kann eine effiziente Rückführung und Fokussierung des Plasmateilchenstroms ermöglicht werden. Auf diese Weise kann eine erhöhte Kollisionsrate und damit eine effektivere Erhitzung des Plasmas in der Hauptkammer erzielt werden.
Die Injektionsarme der Rückführkammern können derart eingerichtet sein und/oder betrieben werden, dass die von ihnen erzeugten Teilchenstrahlen über alle Injektionsarme zusammengenommen einen Massestrom bewirken, welcher der Hauptkammer und insbesondere dem in der Hauptkammer, insbesondere als Plasmakugel, befindlichen Plasma zugeführt wird und der dem Masseverlust des Plasmas, insbesondere der Plasmakugel, entspricht. Der Massestrom kann dabei die je Zeiteinheit zugeführte Masse der Plasmateilchen sein. Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Betrieb erzielbar sein bzw. erzielt werden, bei dem die Masse der Plasmakugel in der Hauptkammer im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Mit dieser Vorrichtung kann eine Kompression des Plasmas, insbesondere der Plasmakugel, durch asymmetrischen Impulsaustausch erzielt werden. Dabei können schnelle Plasmateilchen aus dem in der Hauptkammer befindlichen Plasma, insbesondere der Plasmakugel, austreten und durch langsame Plasmateilchen des Teilchenstrahls ersetzt werden. Die langsamen Plasmateilchen können insbesondere die zuvor ausgetretenen schnellen Plasmateilchen sein, welche in den Rückführkammern, insbesondere zur Energieextraktion, abgebremst und anschließend zurück in die Hauptkammer injiziert werden. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass zum Erhalt der Impulsbilanz ein nach innen, d.h. in Richtung des inneren des Plasmas, insbesondere der Plasmakugel, gerichteter Nettodruck entstehen, der das Plasma komprimiert und erhitzt. Auf eine Erhitzung durch externe Energiezufuhr, insbesondere durch eine Induktionsheizung, kann teilweise oder ganz verzichtet werden. Die Vorrichtung kann daher induktionsheizungslos ausgestaltet sein.
Der torussegmentförmige Rückführabschnitt kann als ein Torussegment ausgestaltet sein, welches sich über einen Winkelbereich von größer 180°, vorzugsweise von mindestens 220°, insbesondere von mindestens 270°, um die Rotationssymmetrieachse erstreckt. Dabei entspräche ein vollständiger Torus einem Torussegment, welches sich über einen Winkelbereich von 360° um die Rotationssymmetrieachse erstreckt. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zu einem rennbahnförmigen Rückführabschnitt kompaktere Bauform erzielt werden.
Weiter vorteilhaft kann es sein, wenn sämtliche Rückführkammern baugleich ausgestaltet sind.
Die spezifische Anordnung der Injektionsarme kann zur Minimierung von Energieverlusten beitragen, da die Plasmateilchen direkt in die Zentralregion der Hauptkammer geleitet werden können. Auf diese Weise kann die Effizienz des Erhitzungsprozesses gesteigert werden.
Auf die Verwendung einer veränderlichen Magnetfeldanordnung zum Ausüben einer Kompressionskraft auf das Plasma kann verzichtet werden. Eine im Vergleich zu magnetischen Kompressionsvorrichtungen energieeffizientere und technisch leichtere Vorrichtung kann erzielt werden. Gleichwohl können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere konstante, Magnetfelder oder elektrische Felder zum Auffangen und/oder Lenken der Plasmateilchen eingesetzt werden. Zudem kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Trägheitsfusion eine kontinuierlich, insbesondere nicht explosionsartig, verlaufende Kompression des Plasmas erzielt werden. Die Fusion oder Spaltung kann kontinuierlich geregelt werden. Erzeugte Energie kann kontrolliert abgeführt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rückführkammern jeweils derart ausgestaltet, dass ihr Einlassarm entlang einer Einlassachse und ihr Injektionsarm entlang einer Injektionsachse verläuft, wobei sich die Einlassachse und die Injektionsachse im Wesentlichen rechtwinklig schneiden. Die rechtwinklig zueinander erfolgende Anordnung der Einlassachse und Injektionsachse kann die Konstruktion und Montage der Rückführkammern erleichtern, da standardisierte Komponenten und Verbindungstechniken verwendet werden können. Die Injektionsachse kann jene Achse entlang des Injektionsarms sein, entlang welcher der fokussierte Teilchenstrahl in die Hauptkammer gerichtet ist. Die Einlassachse kann jene Achse entlang des Einlassarms sein, entlang welcher der aus der Hauptkammer austretende Plasmateilchenstrom im Wesentlichen in die Rückführkammer eintritt. Der rechtwinklige Schnitt der Achsen kann zur Kompaktheit der Vorrichtung beitragen, indem der Raumbedarf minimiert werden kann, was die Integration in bestehende Systeme erleichtert und die Anforderungen an den Aufstellort reduziert.
Weiter vorteilhaft kann es sein, wenn jeweils zwei, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene angeordnete, Rückführkammern eine Rückführschleife bilden. Die Bildung einer Rückführschleife durch zwei Rückführkammern kann die Effizienz der Plasmaerhitzung erhöhen, indem sie eine kontinuierliche Zirkulation und damit eine konstante Energiezufuhr ermöglicht. Durch die Anordnung der Rückführkammern in einer gemeinsamen Ebene kann die Struktur der Vorrichtung vereinfacht und die Komplexität der Plasmasteuerung reduziert werden. Die Anordnung in einer gemeinsamen Ebene kann zur Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit und Zugänglichkeit der Rückführkammern beitragen. Eine Verringerung von Ausfallzeiten und Wartungskosten kann erzielt werden. Die zwei Rückführkammern können im Wesentlichen derart angeordnet sein, dass sie gemeinschaftlich eine nach Art eines Unendlichkeitszeichens ausgeformte Rückführschleife bilden. Eine nach Art eines Unendlichkeitszeichens ausgeformte Rückführschleife ermöglicht es, dass die beiden Rückführkammern die Rückführschleife über die Hauptkammer als Verbindungselement bilden.
Insbesondere können sämtliche Rückführkammern der Vorrichtung Rückführschleifen aus jeweils zwei Rückführkammern bilden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Einlassarm und der Injektionsarm einer jeden Rückführkammer als baulich und funktional voneinander getrennte Elemente ausgebildet. Auf diese Weise können gemeinsame Kammerabschnitte, die je nach Bewegungsrichtung der Plasmateilchen entweder als Einlass- oder als Injektionsarm fungieren, vermieden werden.
Insbesondere können die Rückführkammern einer Rückführschleife so ausgestaltet sein, dass der Injektionsarm der ersten Rückführkammer nicht den Einlassarm der zweiten Rückführkammer der Rückführschleife bildet. Auf diese Weise können alle Ein- und Injektionsarme als separate Pfade realisiert werden, die gezielt mit der Hauptkammer verbunden sind, um eine klare und ungestörte Führung der Plasmateilchenströme und Teilchenstrahlen zu gewährleisten.
Vorzugsweise sind die Einlassarm und/oder die Injektionsarme, insbesondere die gesamten Rückführkammern, ionenweichenlos ausgestaltet. Auf diese Weise kann auf eine Ionenweiche verzichtet werden. Eine solche Ionenweiche, die typischerweise auf elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldern basiert, wäre erforderlich, um einen Plasmateilchenstrom selektiv, insbesondere abhängig von seiner Bewegungsrichtung, in einen weiteren Teil des Injektionsarms oder einen weiteren Teil des Einlassarms zu leiten. Durch den Verzicht auf eine solche Ionenweiche wird die Vorrichtung konstruktiv vereinfacht, ihre Robustheit erhöht und eine potenzielle Fehlerquelle eliminiert.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Einlassachse der ersten Rückführkammer der Rückführschleife parallel, insbesondere koaxial, zur Injektionsachse der zweiten Rückführkammer der Rückführschleife verläuft. Die parallele, insbesondere koaxiale, Ausrichtung der Einlass- und Injektionsachsen kann eine optimale Rückführung der Plasmateilchen ermöglichen. Beide Rückführkammern der Rückführschleife können auf diese Weise zusammenwirken, ohne gegeneinander gerichtete Teilchenstrahlen in die Hauptkammer zu injizieren.
Weiter vorteilhaft kann es sein, wenn die Einlassachse der ersten Rückführkammer der Rückführschleife im Wesentlichen rechtwinklig zur Einlassachse der zweiten Rückführkammer der Rückführschleife verläuft. Diese Ausrichtung der Einlassachsen der Rückführkammern der Rückführschleife erleichtert die Feinabstimmung und Synchronisation der Teilchenstrahlen, so dass diese in der Mitte der Hauptkammer aufeinandertreffen können, ohne einander entgegengesetzt zu sein. Auf diese Weise kann eine präzisere Kontrolle über die Plasmadichte und - temperatur in der Hauptkammer ermöglicht werden.
Vorzugsweise können mindestens zwei Rückführschleifen in zueinander verschiedenen Ebenen angeordnet sein, wobei sich diese beiden Ebenen in der Hauptkammer, insbesondere im Zentrum der Hauptkammer, schneiden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Rückführschleifen in paarweise verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass zwei Rückführschleifen der Vorrichtung in der gleichen Ebene liegen, d.h. keine zwei Rückführschleifen der Vorrichtung liegen in der gleichen Ebene. Die Anordnung in paarweise verschiedenen Ebenen kann eine räumliche Trennung der Rückführschleifen bewirken. Durch die räumliche Trennung der Rückführschleifen können gegenseitige Interferenzen der in den Rückführschleifen fließenden Ströme oder enthaltenen Felder minimiert werden, was die Stabilität und Effizienz der Vorrichtung erhöhen kann. Die paarweise Anordnung in verschiedenen Ebenen kann die Zugänglichkeit zu den Rückführschleifen und den einzelnen mit den Rückführschleifen verbundenen Komponenten für Wartungs- oder Reparaturarbeiten verbessern, da jede Rückführschleife über eine eigene Ebene zugänglich ist.
Um eine besonders effektive und dreidimensionale Kompression der Plasmakugel zu erzielen, kann die Vorrichtung mindestens drei Rückführschleifen aufweisen. Diese drei Rückführschleifen können in zueinander im Wesentlichen orthogonalen Ebenen angeordnet sein. Die Ebenen der drei Rückführschleifen können den von Achsen eines kartesischen Koordinatensystems aufgespannten Ebenen entsprechen, beispielsweise einer x-y-Ebene, einer y-z-Ebene und einer x-z-Ebene. Durch diese Anordnung können die Injektionsarme der jeweiligen Rückführschleifen derart ausgerichtet sein, dass die von ihnen erzeugten fokussierten Teilchenstrahlen aus drei zueinander orthogonalen Richtungen im Zentrum der Hauptkammer aufeinandertreffen. Auf diese Weise können Kollisionen der Teilchenstrahlen mit Impulsanteilen entlang derselben Achen im Zentrum der Hauptkammer vermieden werden.
Weiter vorteilhaft kann es sein, wenn der Injektionsarm der ersten Rückführkammer der Rückführschleife im Wesentlichen quer zum Injektionsarm der zweiten Rückführkammer der Rückführschleife verläuft. Dabei kann die Injektionsachse der ersten Rückführkammer der Rückführschleife im Wesentlichen rechtwinklig zur Injektionsachse der zweiten Rückführkammer der Rückführschleife verlaufen. Auf diese Weise kann eine koaxiale Kollision der Teilchenstrahlen der beiden Injektionsarm der Rückführschleife vermieden werden.
Vorzugsweise sind die paarweise verschiedenen Ebenen derart zueinander im Raum angeordnet, dass sie sich in der Hauptkammer, insbesondere der Mitte der Hauptkammer, schneiden. Auf diese Weise kann ein kompakter Vakuumrezipient und eine kompakte Vorrichtung erzielt werden.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens vier, insbesondere mindestens zehn, Rückführkammern auf. Die Rückführkammern der Vorrichtung können zwei, insbesondere fünf, Rückführschleifen bilden. Die Anzahl der Rückführkammern, kann zu einer verbesserten Effizienz führen, da mehr separate Wege für die Rückführung der Plasmateilchen zur Verfügung stehen und somit die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen mit der Wand des Vakuumrezipienten reduziert werden kann.
Gemäß einer konstruktiven Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das hauptkammerseitige Ende des Einlassarms als ein Einlasstrichter mit einem, insbesondere magnetischen und/oder elektrischen, trichterförmigen Ablenkfeld ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung des hauptkammerseitigen Endes des Einlassarms als ein Einlasstrichter mit einem trichterförmigen Ablenkfeld kann die Effizienz der Teilchenzuführung verbessern, indem Plasmateilchen gezielt in den Einlassarm einer Rückführkammer gelenkt werden. Der Einlasstrichter kann das in die Hauptkammer mündende Ende des Einlassarms sein, welches in Richtung der Hauptkammer trichterförmig aufweitend ausgestaltet sein kann. Das trichterförmige Ablenkfeld kann dazu dienen, den Plasmateilchenstrom zu lenken und zu bündeln, insbesondere durch die Verwendung eines magnetischen und/oder elektrischen ablenkenden Feldes. Das Ablenkfeld kann der Form des Einlasstrichters folgen.
Die Vorrichtung kann eine im Bereich des Einlasstrichters angeordnete Magnetanordnung, insbesondere aus Elektromagneten und/oder Permanentmagneten, zur Erzeugung eines magnetischen trichterförmigen Ablenkfelds und/oder eine Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen trichterförmigen Ablenkfelds aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Rückführkammer im Inneren ein, insbesondere magnetisches und/oder elektrisches, Führungsfeld zur Führung der Plasmateilchen und Vermeidung eines Kontakts dieser mit der Wand der Rückführkammer auf. Ein Führungsfeld im Inneren der Rückführkammer kann die Plasmateilchen effektiv führen und den Kontakt mit der Kammerwand verhindern, so dass ein unbeabsichtigter Plasmaverlust und eine Beschädigung der Wand der Rückführkammer verhindert werden kann. Ein internes Führungsfeld kann dazu beitragen, die Energieverluste zu minimieren, die durch unbeabsichtigte Stöße der Plasmateilchen mit der Kammerwand entstehen würden. Auf diese Weise kann die Effizienz der Vorrichtung gesteigert werden.
Die Vorrichtung kann eine im Bereich der Rückführkammer angeordnete Magnetanordnung, insbesondere aus Elektromagneten und/oder Permanentmagneten, zur Erzeugung eines magnetischen Führungsfelds und/oder eine Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Führungsfelds aufweisen.
Weiter vorteilhaft kann die Hauptkammer im Inneren ein, insbesondere magnetisches und/oder elektrisches, Schutzfeld zum Schutz der Wand der Hauptkammer vor einem Kontakt mit Plasmateilchen aufweisen. Das Schutzfeld kann Plasmateilchen vor einem Kontakt mit der Wand der Hauptkammer derart ablenken, dass diese nicht mit der Wand in Kontakt kommen. Eine Beschädigung der Wand der Hauptkammer kann auf diese Weise verhindert werden.
Die Vorrichtung kann eine im Bereich der Hauptkammer angeordnete Magnetanordnung, insbesondere aus Elektromagneten und/oder Permanentmagneten, zur Erzeugung eines magnetischen Schutzfelds und/oder eine Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Schutzfelds aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Hauptkammer eine magnetische und/oder elektrische Falle zum Halten einer Plasmakugel auf. Die Integration einer magnetischen und/oder elektrischen Falle kann eine stabile Positionierung und Aufrechterhaltung der Plasmakugel in der Hauptkammer ermöglichen. Auf diese Weise kann die Kontrolle über die Plasmakugel, insbesondere über ihre Position in der Hauptkammer, verbessert werden. Die Erhitzung des Plasmas kann besser gesteuert werden und effektiver erfolgen. Die Falle kann teil des Schutzfeldes der Hauptkammer sein.
Zusätzlich kann die Vorrichtung eine im Bereich der Hauptkammer angeordnete Magnetanordnung, insbesondere aus Elektromagneten und/oder Permanentmagneten, zur Erzeugung der magnetischen Falle und/oder eine Anordnung zur Erzeugung der elektrischen Falle aufweisen.
Es ist möglich, dass das hauptkammerseitige Ende des Injektionsarms als eine Injektionsöffnung ausgestaltet ist, welche kleiner als der Einlasstrichter, insbesondere kleiner als das trichterförmige Ablenkfeld, ist. Die Injektionsöffnung kann insbesondere eine sich in Richtung der Hauptkammer verjüngende Öffnung des hauptkammerseitigen Endes des Injektionsarms sein, welche in die Hauptkammer mündet. Die Konfiguration mit einer Injektionsöffnung, die kleiner als der Einlasstrichter und insbesondere als das trichterförmige Ablenkfeld ist, kann eine präzisere Injektion des Teilchenstrahls in die Hauptkammer ermöglichen. Die Genauigkeit des Injektionsprozesses kann verbessert werden. Ein direktes Eintreten von Plasmateilchen des Teilchenstroms in den Einlassarm derselben Rückführkammer ohne auftreffen auf die Plasmakugel und damit ein unbeabsichtigter Bypass kann vermieden werden. Durch die kleinere Injektionsöffnung kann das Risiko von Rückströmungen aus der Hauptkammer in den Injektionsarm verringert werden, wodurch die Betriebsstabilität der Vorrichtung erhöht werden kann.
Die Injektionsöffnung des Injektionsarms kann eine Öffnungsweite aufweisen, welche kleiner als eine kleinste Öffnungsweite des Einlasstrichters derselben Rückführkammer ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind im Bereich des hauptkammerseitigen Endes des Injektionsarms Fokussiermagnete zur Fokussierung des in die Hauptkammer gerichteten Teilchenstrahls angeordnet. Die Anordnung von Fokussiermagneten am hauptkammerseitigen Ende des Injektionsarms kann eine gezielte Bündelung des Teilchenstrahls ermöglichen. Die Effizienz bei der Einbringung von Plasmateilchen in die Hauptkammer kann erhöht werden. Durch die Fokussierung des Teilchenstrahls kann die Wechselwirkung mit den Kammerwänden minimiert werden, so dass die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert werden kann. Die Fokussierungsmagnete können eine präzise Fokussierung in der Nähe der Injektionsöffnung ermöglichen, um sicherzustellen, dass die Plasmateilchen effektiv zur Plasmakugel gelangen und nicht direkt in den Einlasstrichter zurückströmen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Bereich des Rückführabschnitts eine Plasmabremse zu Abbremsung der Plasmateilchen und/oder zur Energieextraktion aus dem Plasmateilchenstrom angeordnet. Mittels der Plasmabremse kann Energie aus dem Plasmateilchenstrom gezielt extrahiert werden. Auf diese Weise kann die Energieeffizienz der Vorrichtung gesteigert werden. Die extrahierte Energie kann für andere Prozesse und/oder zur Einspeisung in ein Stromnetz genutzt werden. Die Plasmabremse kann im Bereich des Rückführabschnitts im Inneren der Rückführkammer, in der Wand der Rückführkammer und/oder außerhalb der Rückführkammer angeordnet sein. Der Plasmateilchenstrom kann nach der Plasmabremse eine niedrigere Geschwindigkeit als beim Eintreten in die Rückführkammer aufweisen. Auch der nach der Plasmabremse aus dem Plasmateilchenstrom erzeugte Teilchenstrahl kann, insbesondere auch nach der Fokussierung, eine niedrigere Geschwindigkeit als der Plasmateilchenstrom beim Eintreten in die Rückführkammer aufweisen. Der Massenstrom der in dem Teilchenstrom rückgeführten Plasmateilchen kann jedoch, insbesondere zusammen mit dem Massenstrom der zusätzlich über eine Einleitvorrichtung zugeführten Gas- oder Plasmateilchen, dem Massenstrom der in den Einlassarm der Rückführkammer eintretenden Plasmateilchen entsprechen. Auf diese Weise kann die gleiche Masse je Zeiteinheit von der Rückführkammer in die Hauptkammer, insbesondere in die Plasmakugel, injiziert werden, wie aus der Hauptkammer in die Rückführkammer eintritt.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Plasmabremse ein MHD-Generator ist. Mittels eines MHD-Generators, d.h. eines magnetohydrodynamischen Generators, als Plasmabremse kann eine effiziente Umwandlung der kinetischen Energie der Plasmateilchen in elektrische Energie erfolgen. Die Gesamteffizienz der Vorrichtung kann gesteigert werden. Der MHD-Generator kann eine präzisere Steuerung der Plasmaparameter ermöglichen, wie Dichte und Temperatur, was zur Regelung der Plasmadynamik beitragen kann.
In Weiterbildung der Erfindung mündet in den Injektionsarm mindestens einer Rückführkammer eine Einleitvorrichtung zum Einleiten von Gasteilchen, insbesondere Plasmateilchen, in die Rückführkammer und die Hauptkammer. Die Einleitvorrichtung in den Injektionsarm kann eine gezielte Zuführung von Gasteilchen in die Rückführkammer und die Hauptkammer ermöglichen. Auf diese Weise kann eine verbesserte Steuerung der Plasmazusammensetzung und Plasmadichte ermöglicht werden. Durch die Möglichkeit mit der Einleitvorrichtung Plasmateilchen oder Gasteilchen nachzufüllen, kann mit der Vorrichtung auf Veränderungen im Plasmazustand reagiert werden und eine gleichbleibende Plasmadichte und -qualität aufrechterhalten werden. Eine präzise Steuerung der Teilcheninjektion durch die Einleitvorrichtung kann zur Optimierung des Plasmaeinschlusses beitragen und die Effizienz von Fusionsreaktionen oder Spaltreaktionen verbessern.
Die Einleitvorrichtung kann zum Einleiten von Gasteilen ausgestaltet sein, welche erst in der Vorrichtung erhitzt und in ein Plasma überführt werden, so dass Plasmaverluste ausgeglichen werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann die Einleitvorrichtung einen Plasmabeschleuniger zum Einleiten von Plasmateilchen umfassen, mit welchem Gasteilchen erhitzt und in ein Plasma überführt werden, so dass Plasmaverluste ausgeglichen werden können. Auf diese Weise können direkt weiterer Plasmateilchen in die Vorrichtung eingeleitet werden.
Es ist möglich, dass jede Rückführschleife oder jede Rückführkammer eine eigene Einleitvorrichtung aufweist, insbesondere im Injektionsarm. Auf diese Weise kann eine Kompensation von Plasmaverlusten und/oder das initiale Befüllen der Vorrichtung auf effektive Weise ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines Pellets im zentralen Bereich der Hauptkammer sowie ein Lasersystem aufweist. Auf diese Weise kann ein Pellet eingeführt und mittig in der Hauptkammer positioniert werden. Mithilfe des Lasersystems kann das Pellet zur Beschleunigung des Startprozesses schlagartig in ein Plasma überführt werden, insbesondere derart, dass ein kugelförmig nach innen gerichteter Impuls erzeugt wird, der das Plasma zusammendrückt.
Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, ein Energiesignal, insbesondere von der Plasmabremse, zu empfangen. Die Steuereinheit kann derart eingerichtet sein, dass sie anhand des empfangenen Energiesignals und eines vorbestimmten, insbesondere in einer Speichereinheit abgespeicherten, Konvertierungsfaktors die Menge der nachzufüllenden, d.h. zu ersetzenden, Plasmateilchen ermittelt. Der Konvertierungsfaktor kann die pro Plasmateilchen, welches in der Plasmabremse absorbiert oder auf andere Weise dem Plasmateilchenstrom entnommenen wird, extrahierte Energie angeben. Die Steuereinheit kann ferner derart eingerichtet sein, dass sie die Einleitvorrichtung entsprechend der ermittelten Menge nachzufüllender Plasmateilchen ansteuert, um einen gleichbleibenden Massenstrom aufrechtzuerhalten.
Die Steuereinheit kann derart eingerichtet sein, dass sie lesend auf die Speichereinheit zugreifen kann. Die Speichereinheit und die Steuereinheit können als Teile eine Kontrolleinheit der Vorrichtung ausgebildet sein.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe vorgeschlagen, dass eine Vorrichtung verwendet wird, welche in der zuvor beschriebenen Weise ausgebildet ist, wobei die einzelnen fokussierten Teilchenstrahlen in der Mitte der Hauptkammer aufeinandertreffen, so dass sich das Plasma erhitzt und insbesondere einen Bereich wachsenden Drucks und Temperatur bildet.
Die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination auch bei dem Verfahren zur Anwendung kommen. Es ergeben sich die gleichen Vorteile, welche bereits beschrieben wurden.
Das Aufeinandertreffen der fokussierten Teilchenstrahlen in der Mitte der Hauptkammer kann zu einer lokalen Erhöhung von Druck und Temperatur führen, was für die Initiierung und Aufrechterhaltung von Kernfusionsreaktionen, Spaltreaktionen oder anderen Hochtemperaturprozessen beitragen kann. Die zentrale Kollision der Teilchenstrahlen kann zur Bildung einer stabilen, hochenergetischen Plasmakugel führen, die für kontrollierte Fusionsreaktionen und die Erzeugung von Hochleistungsplasmen vorteilhaft ist.
Die Fokussierung der Teilchenstrahlen auf eine zentrale Plasmakugel kann eine effiziente Energienutzung ermöglichen, da die Teilchenstrahlen, insbesondere mit ihrer Energie, direkt zur Plasmaerhitzung beitragen können, anstatt in der Kammerwand verloren zu gehen.
Das Funktionsprinzip des Verfahrens basiert auf der Erzeugung eines nach innen gerichteten Impulses, der das Plasma zusammenpresst. Hierzu kann eine Plasmakugel in einem Vakuum erzeugt werden, die eine vorgegebene Temperatur und Zusammensetzung aufweist. Das Plasma in der Kugel kann aus einer Mischung von Deuterium, Tritium und gegebenenfalls anderen Materialien wie Lithium oder spaltbaren Materialien bestehen.
Im Gleichgewichtszustand können schnelle, heiße Plasmateilchen die Plasmakugel über die Oberfläche verlassen, während gleichzeitig Plasmateilchen in die Plasmakugel injiziert werden können, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Zum Erhalt der Gesamtmasse der Plasmakugel können die in die Plasmakugel injizierten Plasmateilchen die gleiche Masse aufweisen, wie die von der Plasmakugel als Plasmateilchenstrom abgegebenen Plasmateilchen. Durch das Injizieren von Plasmateilchen, welche im Vergleich zu den die Plasmakugel verlassenden Plasmateilchen langsamer sind, kann ein nach innen gerichteter Impuls zur Erhaltung der Impulsbilanz entstehen, der das Plasma zusammenpresst. Dieser Impuls kann durch das Verhältnis der Geschwindigkeiten der austretenden Plasmateilchen und eintretenden, d. h. rückgeführten und/oder zusätzlich mittels der Einleitvorrichtung eingeleiteten, Plasmateilchen bestimmt werden. Hinsichtlich des Impulses der von der Plasmakugel kommenden Plasmateilchen und der in diese injizierten Plasmateilchen kann somit eine asymmetrische Situation erzeugt werden, welche zu einer Erhöhung von Druck und Temperatur führen kann.
Bei dem Verfahren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Aufrechterhaltung von Spalt- und/oder Fusions-Reaktionen, insbesondere als Energiequelle nach Art eines Spalt- und/oder Fusions-Reaktors, genutzt werden.
Um die austretenden Plasmateilchen einzufangen, kann der Einlassarm, insbesondere der Einlasstrichter mit einem Ablenkfeld, genutzt werden. Die eingefangenen Plasmateilchen können dann über die Rückführkammer wieder in die Plasmakugel zurückgeführt, d. h. in diese injiziert, werden.
Eine Energieentnahme aus dem Plasma kann über die Plasmabremse erfolgen, welche die kinetische Energie der Plasmateilchen in elektrische Energie umwandeln kann. Die abgeleitete Energie kann genutzt werden, um weitere Plasmateilchen, insbesondere mittels der Einleitvorrichtungen und den Injektionsarmen, in die Plasmakugel einzubringen und das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Das vorliegende Verfahren bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Fusionsverfahren. Es ermöglicht eine kontinuierliche Kompression des Plasmas, im Gegensatz zu explosionsartigen Kompressionsmethoden. Die Fusion oder Spaltung kann kontinuierlich geregelt werden und die erzeugte Energie kann kontrolliert abgeführt werden. Darüber hinaus ist der Aufbau des Einschlussverfahrens energieeffizienter und technisch leichter umsetzbar als herkömmliche magnetische oder elektrostatische Einschlussverfahren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Erzeugung hoher Drücke und Temperaturen für Fusions- oder Spaltreaktionen auf einfache und robuste Weise. Sie kann eine effiziente und kontrollierbare Methode zur Energieerzeugung bieten und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, wie z.B. in der Stromerzeugung oder in der Materialforschung.
Ferner bevorzugt ist es, wenn aus der Menge der über die Plasmabremse abgeleiteten Energie die Menge der mittels der Einleitvorrichtung nachzufüllenden Plasmateilchen ermittelt wird. Die Ermittlung der nachzufüllenden Menge Plasmateilchen basierend auf der abgeleiteten Energie der Plasmabremse kann eine ressourceneffiziente Betriebsweise ermöglichen. Anhand der abgeleiteten Energie kann die Menge der Plasmateilchen bestimmt werden, welche bei der Energieextraktion durch Rekombination oder Wechselwirkung mit der Plasmabremse vernichtet wurde, um diese Plasmateilchenmenge durch Einleitung einer entsprechenden Menge an Gas oder Plasma mittels der Einleitvorrichtung nachzufüllen, d.h. um den bei der Energieextraktion auftretenden Verlust zu kompensieren. Dabei kann ein zuvor, insbesondere anhand von messtechnisch erfasster Werte, bestimmter Konvertierungsfaktor verwendet werden, um aus der abgeleiteten Energie die Menge an nachzufüllenden Plasmateilchen zu ermitteln. Die Anpassung der Teilchenzufuhr an die abgeleitete Energie kann zur Stabilisierung des Plasmas beitragen und die Lebensdauer der Vorrichtung verlängern, insbesondere indem thermische Belastungen und Materialermüdung reduziert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsformen, Weiterbildungen und Beispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Hauptkammer des Vakuumrezipienten der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3: perspektivische, schematische Darstellungen einer ersten Ausgestaltung eines Vakuumrezipienten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 4: perspektivische, schematische Darstellungen einer zweiten Ausgestaltung eines Vakuumrezipienten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Vakuumrezipienten 2 gezeigt. Der Vakuumrezipient 2 umfasst eine Hauptkammer 3 und mehrere Rückführkammern 4, von denen in Fig. 1 zwei dargestellt sind.
Neben dem Vakuumrezipienten 2 weist die Vorrichtung 1 Fokussiermagnete 19, Plasmabremsen 11 und eine Einleitvorrichtung 15 auf. Weitere Elemente der Vorrichtung 1 wie Anordnungen zur Erzeugung von Führungsfeldern 13, von Ablenkfeldern 9, von Schutzfeldern zum Schutz der Wand der Hauptkammer 3 oder einer Falle zum Halten der Plasmakugel 18 in der Hauptkammer 3 sind in Fig. 1 nicht dargestellt, können gleichwohl vorhanden sein.
Bei der Vorrichtung 1 zur Erhitzung des Plasmas befindet sich in der Hauptkammer 3 eine aus Plasma bestehende Plasmakugel 18. Aus dieser Plasmakugel 18 treten heiße, schnelle Plasmateilchen aus. Teilmengen dieser Plasmateilchen treten als Plasmateilchenströme 16 in die Einlassarme 5 der Rückführkammern 4 ein, welche derart mit der Hauptkammer 3 verbunden sind, dass sie ein zusammenhängendes Volumen einschließen.
Um eine möglichst große Teilmenge der aus der Plasmakugel 18 austretenden Plasmateilchen aufzufangen, weist der Einlassarm 5 einen Einlasstrichter 8 auf. In diesem wird durch eine nicht dargestellte Felderzeugungsanordnung ein Ablenkfeld 9 erzeugt, das die Plasmateilchen des Plasmateilchenstroms 16 in den Einlassarm 5 umlenkt, welcher nach dem Einlasstrichter 8 einen im Wesentlichen geradlinigen Anfangsabschnitt der Rückführkammer 4 bildet.
In Fig. 2 ist der Vakuumrezipient 2 im Bereich der Hauptkammer 3 näher gezeigt. Zu erkennen ist ein von der Plasmakugel 18 kommender Plasmateilchenstrom 16, der durch das trichterförmige Ablenkfeld 9 in den Einlasstrichter 8 und damit in den im oberen Bildbereich dargestellten Einlassarm 5 der Rückführkammer 4 gelenkt wird, welche in Fig. 1 oben rechts dargestellt ist. Das Ablenkfeld 9 ist dabei von der Wand 14 des Einlasstrichters 8 beabstandet, um den Plasmateilchenstrom 16 in die entlang der Einlassachse E verlaufende axiale Mitte des Einlasstrichters 8 zu lenken.
Innerhalb der Rückführkammer 4 wird der Plasmateilchenstrom 16 durch ein Führungsfeld 13 im axialen Mittelbereich der Rückführkammer 4 gehalten, um Kontakt mit der Wand 14 zu vermeiden. In Fig.1 ist dieses Führungsfeld 13, welches durch nicht dargestellte Felderzeugungsanordnungen erzeugt wird, nur abschnittsweise durch die gepunkteten Linien angedeutet, erstreckt sich gleichwohl entlang der gesamten Rückführkammer 3.
An den im Wesentlichen geradlinigen Einlassarm 5 schließt sich ein nach Art eines Segments eines Torus ausgestalteter Rückführabschnitt 6 an, in welchen der Plasmateilchenstrom 16 eintritt und umgelenkt wird.
Eine Plasmabremse 11 ist am Rückführabschnitt 6 angeordnet, um die Plasmateilchen des Plasmateilchenstroms 16 abzubremsen oder Energie aus dem Plasmateilchenstrom 16 zu extrahieren. Dabei ist am Rückführabschnitt 6 jeder der Rückführkammern 4 eine Plasmabremser 11 angeordnet. Die Plasmabremsen 11 können beispielsweise als MHD-Generatoren ausgestaltet sein.
Die abgebremsten Plasmateilchen des Plasmateilchenstroms 16 werden weiter im Rückführabschnitt 6 umgeleitet, bis sie in den Injektionsarm 7 der Rückführkammer 4 eintreten. Der Injektionsarm 7 bildet einen im Wesentlichen geradlinigen Endabschnitt der Rückführkammer 4. Das hauptkammerseitige Ende des Injektionsarms 7 bildet eine Injektionsöffnung 10, welche kleiner als der Einlasstrichter 8 und kleiner als das trichterförmige Ablenkfeld 9 ist.
Die im Bereich der Injektionsöffnung 10 angeordneten Fokussiermagnete 19 erzeugen in der Injektionsöffnung 10 ein Feld, welches den Plasmateilchenstrom 16 zu einem Teilchenstrahl 17 fokussiert. Dieser Teilchenstrahl 17 wird dabei entlang der in Fig. 2 eingezeichneten Injektionsachse I des Injektionsarms 7 fokussiert. Auf diese Weise wird der Teilchenstrahl 17 auf die Plasmakugel 18 in der Mitte der Hauptkammer 3 fokussiert.
In den in Fig. 1 unten dargestellten Injektionsarm 7 mündet zudem eine Einleitvorrichtung 15. Mit dieser Einleitvorrichtung 15 können Gasteilchen in den Injektionsarm 7 der Rückführkammer 4 und somit indirekt in die Hauptkammer 3 eingebracht werden. Diese Gasteilchen können entweder erst in der Hauptkammer 3 in ein Plasma überführt werden oder es können direkt Plasmateilchen durch die Einleitvorrichtung 15 eingeleitet werden.
Die Einleitvorrichtung 15 leitet die Gasteilchen oder Plasmateilchen im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial, zur Injektionsachse I in die Rückführkammer 4 ein. Auf diese Weise werden die eingeleiteten Gasteilchen oder Plasmateilchen in den abgebremsten Plasmateilchenstrom 16 eingeleitet und können zusammen mit diesem fokussiert werden.
Der zum Zentrum der Hauptkammer 3 hin fokussierte Teilchenstrahl 17 ist auch in Fig. 2 gezeigt. Dieser Teilchenstrahl 17 ist von dem in Fig. 2 unten dargestellten Injektionsarm 7 aus auf die Plasmakugel 18 gerichtet, was zur Plasmaerhitzung führt. Nicht dargestellt ist der Teilchenstrahl 17, welcher von dem im rechten Bereich der Fig. 2 gezeigten Injektionsarm 7 entlang der Injektionsachse I in die Hauptkammer 3 injiziert wird.
Die Injektionsachsen I der beiden in Fig. 1 gezeigten Rückführkammern 4 sind derart ausgerichtet, dass sie sich in der Mitte der Hauptkammer 3 schneiden. Die von den jeweiligen Injektionsarmen 7 der Rückführkammern 4 in die Hauptkammer 3 injizierten fokussierten Teilchenstrahlen 17 treffen somit auf die Plasmakugel 18 und/oder aufeinander, was das Plasma erhitzt und einen Bereich wachsenden Drucks und Temperatur bildet.
Die beiden in Fig. 1 gezeigten und in derselben Ebene im Raum liegenden Rückführkammern 4 bilden dabei eine Rückführschleife 12. In Zusammenschau mit Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Einlassachse E der ersten Rückführkammer 4 der Rückführschleife 12 koaxial zur Injektionsachse I der zweiten Rückführkammer 4 der Rückführschleife 12 verläuft. Ebenso verläuft die Einlassachse E der zweiten Rückführkammer 4 der Rückführschleife 12 koaxial zur Injektionsachse I der ersten Rückführkammer 4 der Rückführschleife 12.
In Fig. 3 ist eine erste Ausgestaltung des Vakuumrezipienten 2 der Vorrichtung 1 perspektivisch von oben (Fig. 3a), von vorne (Fig. 3b) und von der rechten Seite (Fig. 3c) gezeigt.
Der Vakuumrezipient 2 weist neben der Hauptkammer 3 insgesamt vier Rückführkammern 4 auf. Jede der Rückführkammern 4 umfasst einen Einlassarm 5, einen Rückführabschnitt 6 und einen Injektionsarm 7, welche in der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise ausgestaltet sind. Diese sind dazu ausgelegt, die Plasmateilchenströme 16 effektiv in die jeweiligen Rückführkammern 4 zu lenken und die fokussierten Teilchenstrahlen 17 gezielt zurück in die Hauptkammer 3 zu injizieren.
Jeweils zwei dieser vier Rückführkammern 4 bilden eine Rückführschleife 12 in Form eines Unendlichkeitszeichens. Dabei sind die Rückführkammern 4 der jeweiligen Rückführschleife 12 über die Hauptkammer 3 miteinander verbunden.
Zu erkennen ist, dass die Rückführschleifen 12 in paarweise verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Diese beiden Ebenen können dabei im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufen. Jedoch schneiden sich die Ebenen in der Hauptkammer 3, so dass sich sämtliche in diesen beiden Ebenen verlaufenden fokussierten Teilchenstrahlen 17 in der Hauptkammer 3, insbesondere in deren Mitte, schneiden können und auf die dort befindliche Plasmakugel 18 gerichtet sind.
Wenngleich bei einer den Vakuumrezipienten 2 dieser Ausgestaltung nutzenden Vorrichtung 1 auch die in Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben weiteren Komponenten und Teile der Vorrichtung 1 vorhanden sind, so sind diese in Fig. 3 und Fig. 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Das Gleiche gilt auch für eine Vorrichtung 1, welche den untenstehend beschriebenen Vakuumrezipienten 2 gemäß Fig. 4 nutzt.
In gleicher Weise ist auch keine Einleitvorrichtung 15 in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt. Gleichwohl kann eine solche Einleitvorrichtung 15 vorhanden sein. Insbesondere kann jede Rückführschleife 12 eine eigene Einleitvorrichtung 15 aufweisen. Besonders bevorzugt ist jedoch jeder Injektionsarm 7 mit einer eigenen Einleitvorrichtung 15 ausgestaltet.
In Fig. 4 ist eine zweite Ausgestaltung des Vakuumrezipienten 2 der Vorrichtung 1 perspektivisch von oben (Fig. 4a), von vorne (Fig. 4b) und von der rechten Seite (Fig. 4c) gezeigt.
Dieser Vakuumrezipient 2 weist neben der Hauptkammer 3 insgesamt zehn Rückführkammern 4 auf, welche fünf Rückführschleifen 12 bilden. Jede der Rückführkammern 4 umfasst einen Einlassarm 5, einen Rückführabschnitt 6 und einen Injektionsarm 7, welche in der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise ausgestaltet sind.
Erkennbar sind die komplexe, ineinander verschlungene Anordnung der jeweils zwei Rückführkammern 4 umfassenden Rückführschleifen 12. Die Rückführschleifen 12 sind in paarweise unterschiedlich orientierten Ebenen angeordnet, so dass jede Rückführschleife 12 in einer eigenen Ebene im Raum liegt. Jedoch schneiden sich diese Ebenen in der Hauptkammer 3, wobei die Rückführkammern 4 der Rückführschleifen 12 über die Hauptkammer 3 miteinander verbunden sind. Sämtliche der durch die in diesen Ebenen liegenden Injektionsarme 7 fokussierten Teilchenstrahlen 17 schneiden sich daher in der Hauptkammer 3.
Dabei verlaufen die Einlassachsen E der Rückführkammern 4 einer Rückführschleife 12 auch bei dieser komplexen Anordnung koaxial zu der Injektionsachse I der jeweils anderen Rückführkammer 4 dergleichen Rückführschleife 12.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 1 sowie des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, Plasma zu erhitzen, ohne dass eine veränderliche Magnetfeldanordnung zum Ausüben einer Kompressionskraft auf das Plasma genutzt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Vorrichtung
2: Vakuumrezipient
3: Hauptkammer
4: Rückführkammer
5: Einlassarm
6: Rückführabschnitt
7: Injektionsarm
8: Einlasstrichter
9: Ablenkfeld
10: Injektionsöffnung
11: Plasmabremse
12: Rückführschleife
13: Führungsfeld
14: Wand
15: Einleitvorrichtung
16: Plasmateilchenstrom
17: Teilchenstrahl
18: Plasmakugel
19: Fokussiermagnet

E: Einlassachse
I: Injektionsachse

Claims

Vorrichtung (1) zur Erhitzung eines Plasmas umfassend einen Vakuumrezipienten (2) mit einer Hauptkammer (3) und mehreren Rückführkammern (4), wobei die Rückführkammern (4) jeweils einen Einlassarm (5) zum Einlass eines aus der Hauptkammer (3) austretenden Plasmateilchenstroms (16), einen Injektionsarm (7) zur Erzeugung eines in die Hauptkammer (3) gerichteten, fokussierten Teilchenstrahls (17) aus dem über den Einlassarm (5) in die Rückführkammer (4) eingetretenen Plasmateilchenstroms (16) und einen im Wesentlichen torussegmentförmigen Rückführabschnitt (6) zur Umlenkung des über den Einlassarm (5) in die Rückführkammer eingetretenen Plasmateilchenstroms (16) in den Injektionsarm (7) aufweisen, wobei die Injektionsarme (7) der Rückführkammern (4) derart ausgerichtet sind, dass die Teilchenstrahlen (17) auf die Mitte der Hauptkammer (3) gerichtet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführkammern (4) jeweils derart ausgestaltet sind, dass ihr Einlassarm (5) entlang einer Einlassachse (E) und ihr Injektionsarm (7) entlang einer Injektionsachse (I) verläuft, wobei sich die Einlassachse (E) und die Injektionsachse (I) im Wesentlichen rechtwinklig schneiden.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene angeordnete, Rückführkammern (4) eine Rückführschleife (12) bilden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassachse (E) der ersten Rückführkammer der Rückführschleife (12) parallel, insbesondere koaxial, zur Injektionsachse (I) der zweiten Rückführkammer der Rückführschleife (12) verläuft.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführschleifen (12) in paarweise verschiedenen Ebenen angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens vier, insbesondere mindestens zehn, Rückführkammern (4).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hauptkammerseitige Ende des Einlassarms (5) als ein Einlasstrichter (8) mit einem, insbesondere magnetischen und/oder elektrischen, trichterförmigen Ablenkfeld (9) ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführkammer (4) im Inneren ein, insbesondere magnetisches und/oder elektrisches, Führungsfeld (13) zur Führung der Plasmateilchen und Vermeidung eines Kontakts dieser mit der Wand (14) der Rückführkammer (4) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkammer (3) eine magnetische und/oder elektrische Falle zum Halten einer Plasmakugel (18) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das hauptkammerseitige Ende des Injektionsarms (7) als eine Injektionsöffnung (10) ausgestaltet ist, welche kleiner als der Einlasstrichter (8), insbesondere kleiner als das trichterförmige Ablenkfeld (9), ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des hauptkammerseitigen Endes des Injektionsarms (7) Fokussiermagnete (19) zur Fokussierung des in die Hauptkammer (3) gerichteten Teilchenstrahls (17) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Rückführabschnitts (6) eine Plasmabremse (11) zu Abbremsung der Plasmateilchen und/oder zur Energieextraktion aus dem Plasmateilchenstrom (16) angeordnet ist, vorzugsweise, dass die Plasmabremse (11) ein MHD-Generator ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Injektionsarm (7) mindestens einer Rückführkammer (4) eine Einleitvorrichtung (15) zum Einleiten von Gasteilchen, insbesondere Plasmateilchen, in die Rückführkammer (4) und die Hauptkammer (3) mündet.
Verfahren zur Erhitzung eines Plasmas mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die einzelnen fokussierten Teilchenstrahlen (17) in der Mitte der Hauptkammer (3) aufeinandertreffen, so dass sich das Plasma erhitzt und insbesondere einen Bereich wachsenden Drucks und Temperatur bildet.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Menge der über die Plasmabremse (11) abgeleiteten Energie die Menge der mittels der Einleitvorrichtung (15) nachzufüllenden Plasmateilchen ermittelt wird.