DE1216447B - Verfahren zum Erzeugen, Einengen und Konzentrieren eines Plasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ħW PATENTAMT Int. α.:

G21b

AUSLEGESCHRIFT

H05h

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer: 1216 447

Aktenzeichen: L 36915 VIII c/21 g

Anmeldetag: 29. August 1960

Auslegetag: 12. Mai 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen, Einengen und Konzentrieren eines Plasmas in einem zylindrischen, von einer isolierenden Wand umschlossenen Reaktionsraum mittels elektrischer Entladung zwischen zwei einander darin gegenüberliegenden Elektroden.

Es sind Entladungsräume bekannt, die für den eingangs genannten Zweck bestimmt sind, bei denen das zur Bildung des Plasmas bestimmte Gas axial durch die Elektroden zugeführt und lediglich durch das Eigenmagnetfeld des Entladungsstromes bei einem geringen Vakuum von einigen 10-¹ Torr ein Konzentrationseffekt ausgeübt werden soll. Auf diesem Wege läßt sich eine für Zwecke der Kernfusion und andere Zwecke ausreichende Ladungsträgerkonzentration nicht erreichen.

Die gleiche Feststellung gilt auch für toroidale Entladungsräume, in die das Reaktionsgas durch über ihren Umfang verteilte, schrägliegende Öffnungen eingeführt wird, wobei die Ladungsträgerkonzentration ao durch Induktionswirkung von Wanderwellen bewirkt werden soll und ebenfalls kein erhebliches Vakuum vorgesehen wird.

Bei einem bekannten Plasmamotor sind über die Wand eines zylindrischen Entladungsraumes in axialer Richtung geneigt verlaufende Öffnungen für die Zufuhr eines als Kühl- und Antriebsmittel dienenden Lithiumstrahles vorgesehen.

Für die Zwecke der Leckbestimmung hat man bereits bei mit Deuterium unter einem Druck von 6 · 10~^B Torr arbeitenden Vorrichtungen Drücke zwischen 1 und 3 · 10~⁶ Torr angewandt.

Es wurde auch schon versucht, ein Magnetfeld dadurch zu verstärken, daß man es in das Innere einer hohlen Plasmasäule konzentrierte. Dabei verwendet man ein Entladungsrohr in der axialen Zone sowie zwei umlaufende Scheiben, wobei die hohle Plasmasäule einer elektromagnetischen Induktion unterworfen wird. Das Entladungsrohr verringert dabei den Bereich der radialen Konzentrationswirkung in nachteiliger Weise.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen, Einengen und Konzentrieren eines Plasmas angegeben, das die Nachteile der vorerwähnten bekannten Verfahren vermeidet und die Voraussetzungen für die Erzielung hoher Ladungsträgerdichten in dem Plasma mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand zu schaffen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies durch Erzeugung einer zylindrischen Gasschicht in dem auf ein Hochvakuum in der Größenordnung von 10~⁶ Torr evakuierten Reaktionsraum durch Einspritzen eines gasförmigen Verfahren zum Erzeugen, Einengen und
Konzentrieren eines Plasmas

Anmelder:

Jiri George Linhart, Frascati (Italien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,

Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Jiri George Linhart, Frascati (Italien)

Beanspruchte Priorität:

Belgien vom 3. Dezember 1959 (464 273)

Reaktionsstoffes durch radial gerichtete, in an sich bekannter Weise über den Umfang der Wand gleichmäßig verteilte Öffnungen erreicht.

Dabei wird als Reaktionsstoff zweckmäßig eine Mischung aus Deuterium und Tritium verwendet.

Die Wirksamkeit des Verfahrens läßt sich dadurch erhöhen, daß der Reaktionsstoff vor dem Einbringen in den Reaktionsraum ionisiert wird.

Bei einer großen Anzahl von bereits untersuchten Vorrichtungen, wie beispielsweise der in F i g. 1 der Zeichnung schematisch dargestellten, verursacht das plötzliche Anlegen einer hohen Spannung 3 zwischen zwei Elektroden 1 und 2 das Zerreißen des aus einer Gassäule 4 bestehenden Isolators. Der Entladungsstrom I (5 in F i g. 1) ist infolge des Skineffekts hauptsächlich auf den Außenumfang dieser Säule konzentriert. Diese Stromschicht zieht sich unter Einwirkung des azimutalen Magnetfeldes B ψ (6 in F i g. 1) zusammen. Während dieser Kontraktion trifft die Stromschicht auf neutrale Gasmoleküle, vermittelt ihnen eine gewisse Energie und ionisiert sie. Dies verlangsamt die Bewegung der Stromschicht und hindert die Entladung am Erreichen einer hohen kinetischen Energie je Teilchen, an ihrer Kontraktion zum Erreichen einer sehr kleinen Zone und an der Erzeugung einer positiven Energiebilanz.

Die nachfolgenden theoretischen Betrachtungen dienen zum Analysieren der Gründe dieser Schwierigkeit.

3 4

In F i g. 2 der Zeichnung sei 7 ein Plasmazylinder Berücksichtigt man, daß während dieses Vorgangs

nur der Bruchteil — verlorengeht, so ergibt sich

durch geeignete Mittel auf eine Temperatur von jy \

0,5 · 10⁹° K gebracht worden ist, bei der die Reaktion 5 ^- > -^r · ² · 1°²²>

(D, T) mit einer optimalen Geschwindigkeit erfolgt. °

Die mittlere Geschwindigkeit der thermischen Bewe- wobei c der Wiedergewinnungsfaktor ist.

gung der D- und T-Kerne beträgt also annähernd Die Erfindung zeigt einen Weg auf, wie möglicher-

10⁶ cm/sec. Beim Fehlen einer zusätzlichen Zufuhr weise die Leistung solcher Plasmavorrichtungen unter

kinetischer Energie erkaltet das Plasma infolge der io Abstellung der vorstehend erörterten Mangel gesteigert

Verluste und nimmt an Volumen zu, indem es allen werden kann.

ihm entgegengestellten Führungsfeldern entgegen- Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine

wirkt. Sofern kein Führungsfeld verwendet wird, zylindrische Gasschicht in dem auf ein Hochvakuum

breitet sich das Plasma mit einer Geschwindigkeit w in der Größenordnung von 10~⁶ Torr evakuierten

(Pfeil 9) in radialer Richtung aus. Bei Verwendung 15 Reaktionsraum durch Einspritzen eines gasförmigen

eines Führungsfeldes wird diese Geschwindigkeit auf Reaktionsstoffes über radial gerichtete, in an sich

_w bekannter Weise über den Umfang der Wand des

s = Reaktionsraums gleichmäßig verteilte Öffnungen er-

^x zeugt.

vermindert, wobei in dieser Beziehung χ der Führungs- 20 Als Reaktionsstoff wird vorzugsweise eine Mischung gütefaktor genannt werden kann. Die Wahrscheinlich- aus Deuterium und Tritium verwendet. Die einer keitp einer Reaktion (D, T) während der Lebensdauer Hochspannungsquelle entnehmbare elektrische Enteines Plasmas ist: ladungsleistung liegt in der Größenordnung von 10 bis

η etwa 100 kV. Zweckmäßigerweise wird der Reaktions-

p = x —~—, 25 stoff vor dem Einbringen in den Reaktionsraum

^oN ionisiert.

wobei λ₀Ν die mittlere freie Weglänge zwischen zwei Die Zylinderwand des Reaktionsraums mit kreis-Reaktionen in einem Plasma mit einer Dichte von K₀ runden Grundflächen besteht aus isolierendem, vorist. X₀N ist gegeben durch die nachstehende Beziehung: zugsweise keramischem Material.

j 30 Die Erfindung wird in der nachfolgenden detaillier-

XqN = w^ ~ 0,5 · 10²⁴ · κ"¹ cm, ten Beschreibung an Hand der F i g. 3 der Zeichnung

on · Up K₀ beispielsweise näher erläutert.

in der on der wirksame Stoßquerschnitt ist. In F i g. 3 begrenzen zwei kreisförmige Elektroden 1

Jetzt kann man die Gleichung der Energie während und 2 einen zylindrischen Raum, in dessen Innerem der

der Lebensdauer des Plasmas aufstellen. Die je Zenti- 35 Druck eine Größenordnung von 10~⁶ Torr hat. Eine

meter verlorene Energie ist die Gesamtheit der anfangs Hochspannungsquelle 3 mit 10 bis etwa 100 kV liegt

gelieferten Wärmeenergie, d. h. zwischen den Elektroden 1 und 2. Die gekrümmte

, .„ „ . . _Λ Wand 10 des Zylinders ist aus einem isolierenden

5JSkl (erg/cmj, Material hergestellt. Diese Wand 10 enthält eine Reihe

wobei i\T die lineare Elektronendichte, k die Boltzmann- 40 kleiner Öffnungen 11, die in einem Abstand R12 von

Konstante und T die Temperatur in ⁰K bedeuten. Die der Umdrehungsachse 13 des Zylinders entfernt liegen.

durch die Fusionsreaktion gelieferte Energie beträgt Durch die Öffnungen 11 hindurch wird zwischen den

höchstens 0,5 N · ρ · Q, mit Elektroden 1 und 2 eine zylindrische Gasschicht 14 in

η 9 R 1 n-5 m Vt^- ^^as I^nnere ^^es Zylinders eingebracht. Dieses Gas kann

y ~ , · iU erg/KeaKtion. ^₅ vorher ionisiert werden, jedoch findet diese Ionisierung

Die Reaktorgleichung für eine Energieerzeugung auf jeden Fall statt, wenn zwischen den Elektroden 1

ist also und 2 die Hochspannung aus der Quelle 3 angelegt

2 wird. Wenn diese Schicht ionisiert ist, wird sie einer

-YN-p-Q>3NkT Kraft IB φ (Pfeil 15) ausgesetzt, bei der / der Wert des

50 Stromes der Entladung und B φ das durch diesen

oder auch: Strom erzeugte Magnetfeld bedeuten. Die ionisierte

Gasschicht zieht sich im Vakuum zusammen und ver-

N _> JL . 2. ίο²² ttert· dadurch nicht ihre kinetische Energie. Außerdem

R₀ χ ' wird diese Schicht auch in radialer Richtung kompri-

55 miert und erreicht eine Dicke 16, deren Wert etwa
Aus dieser Ungleichung kann man drei Schlüsse

ziehen: λ _ LOmNqKT

B²

a) N muß groß sein,

b) R muß klein sein beträgt, wobei N₀ die Elektronenzahl je Quadratzenti- \ ° η η · ' 60 meter der Schichtoberfiäche, k die Boltzmann-Kon-

cj χ muü groü sein. _{stante und T die Temperatur des} Piasmas bedeuten.

Diese Beziehung muß abgewandelt werden, wenn die Durch Substituieren der Werte der Symbolein der vorEntladung einem magnetischen Richtfeld ausgesetzt stehenden Gleichung:

wird und wenn das Plasma nach einem maximalen _{N β 10}„ _{TeilcheQ je Quadratzentime}t_er,

Schwinden bis auf eine Zone R₀ an Volumen zunimmt, 65 τ·_ιη6°Έτ

indem es dem magnetischen Führungsfeld entgegen-

T = 10^{6 0}K,

wirkt und so einen großen Teil seiner Wärmeenergie in ~~ Gauß

Form elektromagnetischer Energie wiedergewinnt. erhält man δ ~ 0,7 mm.

Daraus ergibt sich, daß die so gebildete minimale Zone R₀ der konzentrierten elektrischen Entladung (»pinch«) die gleiche Größenordnung hat wie δ, d. h. 1,5 bis 2 mm beträgt.

Auf diese Weise erzielt man einerseits auf Grund des Fehlens von Verlusten durch Kontraktion gegen eine Gassphäre und andererseits infolge der sehr dünnen Zone der konzentrierten elektrischen Entladung eine Entladung von sehr hoher Temperatur.

IO

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen, Einengen und Konzentrieren eines Plasmas in einem zylindrischen, von einer isolierenden Wand umschlossenen Reaktionsraum mittels elektrischer Entladung zwischen zwei einander darin gegenüberliegenden Elektroden, gekennzeichnet durch Erzeugung einer zylindrischen Gasschicht (14) in dem auf ein Hochvakuum in der Größenordnung von 10~⁶Torr evakuierten Reaktionsraum durch Einspritzen eines gasförmigen Reaktionsstoffes über radial gerichtete, in an sich bekannter Weise über den Umfang der Wand (10) gleichmäßig verteilte Öffnungen (11).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsstoff eine Mischung aus Deuterium und Tritium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsstoff vor dem Einbringen in den Reaktionsraum ionisiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 873 594;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 068 824;

britische Patentschrift Nr. 817 681, 822 462;

»E und M«, Elektrotechnik und Maschinenbau, Zeitschrift des elektrotechnischen Vereins Österreichs, Wien, 15. 9.1958, H. 18, S. 512, F i g. 6;

»Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy« Vol. 32, 1958, S. 42, 43, 48, 54 und 308, 309;

»Conference on Extremely High Temperatures«, 1958, S. 212, 213.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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