DE1162005B - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen starker Magnetfelder zwecks Umgrenzung und Erhitzung eines Plasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer: 1 162 005

Aktenzeichen: L 39218 VIIIc /21g

Anmeldetag: 13. Juni 1961

Auslegetag: 30. Januar 1964

Bekanntlich sind auf sehr hohe Temperaturen (in der Größenordnung von mehreren Millionen Grad) gebrachte Gase völlig ionisiert (Plasmazustand). Unter dieser Voraussetzung können bestimmte Atomkerne unter Freisetzung von Energie miteinander verschmelzen.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Erhitzung des Plasmas (Joulesche Wärme, magnetische Pumpen usw.) sowie seiner Umgrenzung (Verwendung von Magnetfeldern) ausgearbeitet und in den »Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 32, 1958, beschrieben worden.

Andererseits hat der Erfinder in dem am 3. Dezember 1959 angemeldeten belgischen Patent 585 281 Verbesserungen an den Verfahren und Einrichtungen zur Erzeugung hochtemperierter Plasmen beschrieben, die das Eintreten von Kernfusionen möglich erscheinen lassen.

Die Bezeichnungen in diesem belgischen Patent ao werden in der vorliegenden Erfindung wieder verwendet, und zwar bedeutet

JV die lineare Ionendichte des Plasmas,

R₀ den Radius des angenommenen zylindrischen Plasmas,

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen starker Magnetfelder zwecks Umgrenzung und Erhitzung eines Plasmas

Anmelder:

Jiri George Linhart, Frascati (Italien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner,

Berlin 33, Podbielskiallee 68,

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, München 22,

Patentanwälte

Als Erfinder benannt:

Jiri George Linhart, Frascati (Italien)

Beanspruchte Priorität:

Belgien vom 5. Juli 1960 (Nr. 470 828)

Belgien vom 7. April 1961 (Nr. 479 469)

χ den Gütefaktor der Umgrenzung, d. h. das Verhältnis zwischen der thermischen Durchschnittsgeschwindigkeit w (10⁸ cm/s) und der radialen Expansionsgeschwindigkeit s. Die Energieerzeugungsbedingung in einem Gemisch aus Deuterium und Tritium (in cgs-Einheiten) lautet daher einem Magnetfeld B umgrenzten Plasmas stets durch die Bedingung:

*->2nkT

— >-2·10²².
f?_ X

B — magnetische Induktion,

k = Boltzmannkonstante,

T = absolute Temperatur des Plasmas (10^{9 0}K),

begrenzt ist, wird das Umgrenzungsmagnetfeld durch die Ungleichheit

B > [Gauß]

Aus dieser Ungleichheit ergibt sich, daß JV groß, R₀ klein und χ groß sein muß.

Falls der Wert des Gütefaktors niedriger als oder gleich 100 ist, so müssen die Umgrenzungsmagnetfelder für einen Radius R₀ = 1 cm die Größenordnung von 10⁷ Gauß haben. Es ist also zweckmäßig, den Wert von χ auf 1000 festzusetzen, wodurch man außerdem eine Umgrenzungsdauer in der Größenordnung einer Mikrosekunde und einen technisch vertretbaren Energieverlust erreicht.

Unter diesen Bedingungen und bei Berücksichtigung der Tatsache, daß die räumliche Dichte η des von bestimmt.

Es zeigt sich, daß diese Bedingung für R₀ = 0,1 cm ein Magnetfeld von B > 20 Megagauß erfordert. Ein Feld von einer solchen Stärke ist bei Verwendung von festen Leitern nicht erzielbar.

Ziel der Erfindung sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von starken Magnetfeldern von mehreren Megagauß zwecks Umgrenzung und Erhitzung eines Plasmas.

Nach der Erfindung wird in einer zylindrischen Kammer mit Hochvakuum eine zentrale Plasmasäule erzeugt, anschließend wird vom Umfang der Kammer

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her ein Gas eingeführt und das Gas einer Folge von zur zentralen Plasmasäule koaxialen elektrischen Entladungen unterworfen, wodurch eine ionisierte und zentripetal bewegte Ringsäule entsteht, die das magnetische Umgrenzungsfeld der zentralen Plasmasäule zusammendrückt.

Für die Ringsäule und für die zu umgrenzende zentrale Plasmasäule kann die gleiche stoffliche Zusammensetzung vorgesehen sein; sie kann jedoch auch unterschiedlich sein. Zum Beispie] kann die Ringsäule durch Verdampfen einer Folie mittels einer elektrischen Entladung erzeugt werden; diese Folie kann vorzugsweise aus einem Metall, wie beispielsweise Lithium oder Aluminium, bestehen.

Die zentrale Plasmasäule kann ein Gemisch aus Deuterium und durch Verdampfung eines Drahtes aus Lithiumtritiumdeuterid gewonnenem ionisiertem Tritium sein.

Das magnetische Umgrenzungsfeld der Ringsäule ist vorzugsweise gleichen Ursprungs wie das der zentralen Plasmasäule. Man verwendet zweckmäßig für die elektrischen Entladungen Stromquellen mit Spannungen von mindestens 20 kV.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung enthält eine zylindrische Kammer mit einer Wand aus elektrisch isolierendem und für Gase durchlässigem Material und zwei kreisrunden Basen, die mit mehreren ringförmigen zur Achse der Kammer konzentrisch angeordneten elektrischen Entladungsvorrichtungen versehen sind, die Folgen von elektrischen Entladungen von mindestens 20 kV erzeugen können.

Jede elektrische Vorrichtung enthält eine Ringelektrode, die durch einen isolierten Abschnitt in der Basis der Kammer in die Kammer hineinragt und über Unterbrecher an Kondensatorbatterien angeschlossen ist. Die Arbeitsweise der Unterbrecher ist in der Weise geregelt, daß das Schließen und öffnen sämtlicher Unterbrecher der gleichen Ringzone gleichzeitig zwischen einer äußeren und einer inneren elektrischen Ringelektrode jedoch zeitlich gestaffelt erfolgen, so daß während der Zentripetalbewegung einer ringförmigen Gassäule diese beim Vorbeigang an jeder der konzentrischen Ringelektroden durch elektrische Entladung aufeinanderfolgend einen Impuls erhält.

Die elektrischen Entladungsvorrichtungen können jeweils etwa hundeit Entladungen pro Sekunde erzeugen.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird angestrebt, das azimutale Magnetfeld B (3 in F i g. 1) der zentralen Plasmasäule 1 durch die konvergent auf die Plasmasäule bewegte periphere ringförmige Gassäule 2 so weit zu komprimieren, bis die gesamte kinetische Energie der peripheren ringförmigen Gassäule 2 in potentielle Energie des Feldes B und in Wärmeenergie der Plasmasäule 1 umgewandelt wird.

Falls die zentrale Plasmasäule starr ist, kann man, wie untenstehend dargelegt, die Verstärkung G des ursprünglichen Magnetfeldes B₀₁ (3 in Fig. 1) schematisch mit

Energie W_e dieser Hülle mit

W_c = NM w² (a)

ausdrücken, wobei Λ/ die durchschnittliche Ionenmasse bedeutet.
Da andererseits das Feld B dem Ausbreitungsgesetz

im Intervall von r (Radius der zentralen Säule 1) bis R (Innenradius der peripheren Säule 2) gehorcht, erhält man nach Integration der potentiellen Energieänderung dieses Feldes während der Kontraktion der peripheren Säule vom Radius R₁ auf den Radius R₂

2NMw² = Bl₁ · R] ■ In ^Rs - Bl · R] ■ In * . (b)

Andererseits drückt sich das integrierte Gesetz der Erhaltung des Flusses in

-⁸Oi · In y = £02 · In *

aus.

Diese Beziehung erklärt übrigens das Zusammendrücken des Feldes B.

Durch Auflösen der Gleichungen (b) und (c) nach

erhält man

+1.

Wenn man jetzt ein analoges System betrachtet, in dem der zentrale Leiter (mit einem Radius r) eine zusammendrückbare Plasmasäule mit einer linearen Dichte N₀ und mit einem von /^₁ auf r₂ veränderbarem Radius ist, kann die Kompression des Feldes B durch die konvergente Plasmahülle mit dem Radius R auch von den Erhaltungsgesetzen der Gesamtenergie und des Magnetflusses ausgehend ausgewertet werden.

Das Einbringen des zusammendrückbaren Plasmas wird durch eine neue Zustandsgieichung ausgedrückt, jedoch ist in dem vorliegenden Falle die Teilchendichte hoch genug, um annehmen zu können, daß die Zweierstöße in allen Fällen eine homogene Ausbreitung beliebiger Geschwindigkeiten herstellen. Somit lautet die Zustandsgieichung folgendermaßen:

Durch Kombination dieser Gleichung mit den Erhaltungsgleichungen ergibt sich:

2NMw² = Βΐη\τ\

0-ύ

B_n

G =

°²

bewerten.

Ohne Energieverluste und bei einer nicht zusammendrückbaren Plasmahülle läßt sich die kinetische

Andererseits kann auch angenommen werden, daß der magnetische Druck an der Grenze des Plasmas

gleich dem Druck des Plasmas ist, was zu der Beziehung

/ι

'"2

fühit.

Unter Berücksichtigung dieser letzten Beziehung, der Gleichung fe), und der Gleichungen

W₀₁ = ^l-NMw\

4 ^ri

ei hält man die Beziehung:

_{+ 1 G +}

Wm₁ Wm₁

Da man sich mit W₀₁ >■ Wm₁, also mit einer hohen Verstärkung G, zu arbeiten vornimmt, hat man annähernd

Wt₁ '

So erhält man schließlich die Werte der verschiedenen Parameter als Funktion von G:

T₂ = OT-T₁,

Ar = R₂-r₂ = T₁ -G-¹ -In

und das Verhältnis der in der potentiellen magnetischen Energie gespeicherten Wärmeenergie bei Beendigung der Kompression:

vorausgesetzt, daß Δ r <e r_a ist.

Schließlich ist die Bewegung der peripheren Säule 2 wegen der größeren Masse langsam, und folglich bleibt ihre Innenfläche für eine gewisse Zeit, die zum Erzielen eines hohen Wertes für den Begrenzungsfaktor χ ausreicht, in der Nähe der Außenfläche der zentralen Plasmasäule.

In der Praxis äußern sich diese Erscheinungen in Impulsen (etwa hundert pro Sekunde). Man erzeugt aufeinanderfolgende Reihen von Implosionen der peripheren Säule, die Umgrenzungen für die zentrale Plasmasäule während ausreichender Zeitspannen (in der Größenordnung einer Mikrosekunde) hervorrufen.

Schließlich bieten die Implosionen der peripheren Säule einen weiteren beachtlichen Vorteil: Sie unterdrücken die Unstabilitäten »hydromagnetischer« Art der zentralen Plasmasäure während der zum Aufheizen des Plasmas erforderlichen Umgrenzungsdauer. Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise eine Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfmdung:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine von einer ringförmigen Gassäule 2 umgebene zentrale Plasmasäule 1, und
F i g. 2 veranschaulicht schematisch den Aufbau

ίο einer Einrichtung in einem Schnitt in axialer Ebene.

Eine zylindrische Kammer 4, in der ein Vakuum

in der Größenordnung von 10~^e mm Hg herrscht, enthält in der Nähe des Außenumfangs einen Zylinder 5 aus porösem oder mit Löchern 6 versehenem keramischem Material. Die beiden kreisrunden Basen 7, 7' der Kammer werden an elektrisch isolierenden Abschnitten 8 von mehreren konzentrischen Ringelektroden durchragt, von denen in der Zeichnung die Elektroden 9 und 10 dargestellt sind. An der Außenseite sind diese Elektroden über Unterbrecher 11 und 12 an aus einer Stromquelle 15 gespeisten Kondensatorbatterien 13 und 14 angeschlossen. Jede Elektrode kann, um die elektrischen Entladungen auf zylindrische Flächen gelangen zu lassen, an mehrere Kondensatorbatterien, wie beispielsweise 13 und 13' bzw. 14 und 14' angeschlossen sein, was durch ringförmige Gegenelektroden 9' und 10', die in der gegenüberliegenden Basis T den entsprechenden Elektroden gegenüber angeordnet sind, begünstigt wird. Die Gegenelektroden sind über Rückleitungen 16 an den Verteilungsleiter 17 angeschlossen.

Die Arbeitsweise der Unterbrecher 11 und 12 ist durch geeignete Mittel so geregelt, daß ihr öffnen und Schließen für alle Unterbrecher 11 bzw. für alle Unterbrecher 12 gleichzeitig, für die Unterbrecher 12 in bezug auf die Unterbrecher 11 jedoch zeitlich gestaffelt erfolgt, so daß zwischen den verschiedenen konzentrischen Elektroden eine Folge von elektrischen Entladungen erzielt wird, die mit der Frequenz in der Größenordnung von hundert pro Sekunde aufeinanderfolgen.

Die Einrichtung arbeitet wie folgt: Es sei angenommen, daß um die Achse der Einrichtung eine entweder aus einem Gemisch von Deuterium und Tritium bestehende oder eine durch Verdampfung eines Drahtes aus überschwerem Lithium mittels elektrischer Entladungen gebildete zentrale Plasmasäule 1 aufgebaut worden ist, und daß man unmittelbar darauf durch die Rohre 18 hindurch einen Gasstoß schiebt, dessen Masse zwischen 10~² und 10~⁴ g je Höhenzentimeter der zylindrischen Kammer 4 liegen kann. Wenn dieses Gas durch die öffnungen 6 der Wand 5 hindurchgetreten ist, ist es der elektrischen Entladung von mindestens 20 kV ausgesetzt, die nach dem Schließen der Unterbrecher 11 durch die Kondensatorbatterien 13, 13' hervorgerufen wird. Diese Entladung führt zur Ausbildung einer aus teilweise ionisiertem Gas bestehenden Ringsäule, die durch die Entladung gleichzeitig >eine [zentripetale Bewegung

erfährt, die Ringsäule wandert daher nach 2, wo sie durch das Schließen der Unterbrecher 12, das die Entladung der Kondensatorbatterien 14, 14' bewirkt, einem erneuten plötzlichen Kurzschluß ausgesetzt ist. Hierdurch erfährt die Ringsäule einen erneuten zentripetalen Impuls, der die Ringsäule auf die zentrale Plasmasäule 1 hintreibt, wodurch das magnetische Umgrenzungsfeld 3 der zentralen Plasmasäule zusammengedrückt wird.

Der zeitliche Ablauf dieser Verfahrensschritte ergibt sich größenordnungsmäßig durch nachfolgenden Zeitplan:

Zeitpunkt Null:

Beginn der Gaseinspritzung.

Nach 100 Mikrosekunden:

Schließen des Unterbrechers 11, Entladung der Kondensatorbatterien 13, 13', zentripetale Beschleunigung der Säule 2.

Nach weiteren 1,5 Mikrosekunden: Schließen des Unterbrechers 12.

Nach weiteren 0,5 Mikrosekunden:

Plötzlicher Kurzschluß der Kondensatorbatterien 14,14' über die Säule 2, zentripetale Kompression des Magnetfeldes durch die Säule

Nach einer weiteren Mikrosekunde:

Expansion des Magnetfeldes während 1 Mikro- ^ao Sekunde.

Was die Werte der verschiedenen Parameter betrifft, so können diese durch die nachstehenden Werte präzisiert werden:

W_n = 4 kJ/cm Wt₁ = 40 J/cm

R₁ = 35 cm

T₁ = 1 cm

T₁=S- 10^{5 0}K

woraus sich ergibt:

G ~280

r₂ = 0,055 cm

T₂ = 0,8 · 10^{8 0}K

Ar = 0,014 cm

Es können selbstverständlich mehr als zwei Ringelektroden in der Kammer 4 vorgesehen sein. Die durch die Wand 5 hindurchtretenden Gasstöße folgen dann aufeinander in einem Rhythmus, der so gewählt ist, daß mehrere konzentrische Ringsäulen von einem Ringelektrodenpaar zum anderen wandern.

Auf diese Weise werden Implosionsreihen erzielt, wobei jede Implosion die zentrale Plasmasäule für eine zur Einleitung von 1 Deuterium-Tritium-oder Deuterium-Tritium-Lithium-Verschmelzungsreaktionen im Plasma ausreichende Zeitspanne (1 Mikrosekunde) stabil umgrenzt.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen von starken Magnetfeldern zwecks Umgrenzung und Erhitzen eines Plasmas, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zylindrischen Kammer (4) mit Hochvakuum eine zentrale Plasmasäule (1) erzeugt wird, anschließend vom Umfang der Kammer her ein Gas eingeführt und das Gas einer Folge von zur zentralen Plasmasäule (1) koaxialen elektrischen Entladungen unterworfen wird, wodurch eine ionisierte und zentripetal bewegte Ringsäule (2) entsteht, die das magnetische Umgrenzungsfeld (3) der zentralen Plasmasäule (1) zusammendrückt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) und für die zentrale Plasmasäule (1) die gleiche stoffliche Zusammensetzung vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) und für die zentrale Plasmasäule (1) eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung vorgesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) eine Folie eines Elementes mit einer Ordnungszahl unter 31 verwendet wird, die durch die elektrische Entladung verdampft wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) eine Metallfolie verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) eine Lithiumfolie verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) eine Aluminiumfolie verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zentrale Plasmasäule (1) ein Gemisch aus Deuterium und ionisiertem Tritium verwendet wird, welches durch Verdampfung eines Drahtes aus Lithiumtritiumdeuterid gewonnen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ringsäule (2) und für die zentrale Plasmasäule (1) magnetische Umgrenzungsfelder des gleichen Ursprungs verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektrischen Entladungen Stromquellen mit Spannungen von mindestens 20 kV verwendet werden.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine zylindrische Kammer (4) mit einer Wand (5) aus elektrisch isolierendem und für Gase durchlässigem Material und durch zwei kreisrunde Basen (7, T), die mit mehreren ringförmigen, zur Achse der Kammer (4) konzentrisch angeordneten elektrischen Entladungsvorrichtungen versehen sind, die Folgen von elektrischen Entladungen von mindestens 20 kV erzeugen können.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede elektrische Entladungsvorrichtung eine Ringelektrode (9,10) enthält, die durch einen isolierten Abschnitt (8) in der Basis (7 oder T) der Kammer (4) in die Kammer hineinragt und über Unterbrecher (11, 12) an Kondensatorbatterien (13,14) angeschlossen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel zur Betätigung der Unterbrecher (11,12) derart, daß das Schließen und öffnen sämtlicher der Unterbrecher der gleichen Ringzone gleichzeitig, zwischen einer äußeren Ringelektrode (9) und einer inneren Ringelektrode (10) jedoch zeitlich gestaffelt erfolgen.

14. Einrichtung nach Anspruch 11 bis 13, gekennzeichnet durch elektrische Entladungsvorrichtungen zur Erzeugung von jeweils etwa hundert Entladungen pro Sekunde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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