DE1181831B - Vorrichtung zum Erzeugen eines hochtempe-rierten Plasmas und deren Verwendung als Neutronenquelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21 Deutsche KL: 21g-21/21

Nummer: 1181 831

Aktenzeichen: U 6292 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 19. Juni 1959

Auslegetag: 19. November 1964

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines hochtemperierten Plasmas, bestehend aus einer toroidförmigen, mit Deuterium oder einer Mischung von Deuterium und Tritium gefüllten Kammer aus elektrisch isolierendem Material, aus einem diese Kammer umgebenden und den elektrischen Strom leitenden Mantel, der in ein Paar von im Abstand voneinander angeordneten und an eine Stromquelle angeschlossenen Elektroden endigt, um das Gas zu ionisieren und in dem dadurch entstandenen Plasma einen Strom zu induzieren, der es einengt und erhitzt, aus einer ersten Magnetspule, die den Mantel umgibt sowie diesen als Rückstromleitung verwendet und die mit einer Stromquelle verbunden werden kann, um ein im wesentlichen konstantes, axiales Magnetfeld in der Kammer zu erzeugen, wodurch das Plasma eingeengt, das von dem Mantel erzeugte axiale Magnetfeld in der Kammer verdichtet und das Plasma durch die Überlagerung dieses Magnetfeldes und des in Umfangsrichtung gerichteten Magnetfeldes infolge der Einengung stabilisiert und erhitzt wird.

Es ist bekannt, ein Plasma in einem starken Magnetfeld einzuschließen. Diese unter dem Begriff »Pinch-Effekt« bekannte Erscheinung tritt infolge des gerichteten Stroms in dem Plasma auf. Dieser Strom erzeugt ein azimutales Eigenmagnetfeld, das die einschnürende Wirkung auf das Plasma ausübt. Wenn der Entladungsstrom durch das Plasma groß genug ist, kann die einschnürende Wirkung dieses Eigenmagnetfeldes das Plasma von den Wandungen des Entladungsgefäßes abhalten, so daß das Plasma nur von dem Magnetfeld umschlossen ist. Wenn ein toroidförmiges Entladungsgefäß verwendet wird, wird das ionisierte Gas längs der Achse dieses Gefäßes konzentriert. Zwischen dem Gas und der Wandung der Kammer befindet sich lediglich ein Magnetfeld, das teilweise durch den elektrischen Strom in dem Gas erzeugt wird und das dieses Gas von der Gefäßwandung isoliert, wodurch die Wärmeverluste durch die Wand in tragbaren Grenzen gehalten werden. Der starke elektrische Strom, der nötig ist, um das Gas einzuschnüren, dient ebenfalls zur Ohmschen Erhitzung des Gases, durch das er fließt. Temperaturen in der Größenordnung von 1 Million Grad CeI-sius können dadurch erhalten werden.

Es ist weiterhin bekannt, zur Stabilisierung das Plasma mit einem guten elektrischen Leiter zu umgeben und ein longitudinales Magnetfeld im Plasma zu verwenden.

Neben Wärmeverlusten durch Wärmeleitung sind im Plasma noch andere Energieverluste gegeben. In Vorrichtung zum Erzeugen eines hochtemperierten Plasmas und deren Verwendung
als Neutronenquelle

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Gausstr. 6

Als Erfinder benannt:

James Alfred Phillips,

Bergen Randolph Suydam,

James Leslie Tuck, Los Alamos, N. Mex.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Juni 1958
(743 220)

erster Linie wird ein Teil der bei der Kernreaktion freigesetzten Energie durch schnelle Neutronen weggeführt, die unvermeidlich aus dem Plasma austreten. Diese dadurch verlorengehende Energie ist in bezug auf die Erhitzung des Gases ein voller Verlust. Sie kann jedoch außerhalb der Vorrichtung durch geeignete Absorber rückgewonnen werden. Ein noch größerer Verlust kommt dadurch zustande, daß ein schnelles Elektron, das sich in der Nähe eines positiven Ions vorbeibewegt, durch das starke elektrostatische Feld abgelenkt wird. Die daraus resultierende Beschleunigung' des Elektrons kann zu einer elektromagnetischen Strahlung führen. Dieser durch die Elektronen verursachte Energieverlust ist als Bremsstrahlung bekannt und an sich eine bekannte Erscheinung (s. beispielsweise W. Heitier, »The Quantum Theory of Radiation«, second edition [Oxford University Press, Oxford, 1954], Chapter V, Section 17). Da das Plasma für das Strahlungsspektrum der Bremsstrahlung gut durchlässig ist, führt diese Erscheinung zu einem Energieverlust aus dem Gas (auch in diesem Fall kann diese Energie als Wärme außerhalb des Gases durch äußere Absorber

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wiedergewonnen werden). Da der Bremsstrahlungsquerschnitt proportional dem Quadrat der Ordnungszahl des Streuions ist, sind, wenn das Gas nur Isotopen von Wasserstoff enthält, die Bremsstrahlungsverluste noch erträglich. Durch die Anwesenheit einer beträchtlichen Menge von Stoffen hoher Ordnungszahl, wie z. B. Eisen, Silicium oder Aluminium aus den Gefäßwänden, wird jedoch der Brennstoff in dem Sinne vergiftet, daß die Bremsstrahlungsverluste die aus möglichen thermonuklearen Reaktionen zu erwartende Energie überschreiten. Es ist ferner klar, daß die Bremsstrahlungsverluste weniger hoch werden, wenn höhere Plasmatemperaturen erzielt werden.

Die Verhinderung der Verunreinigung des Brennstoffs durch Stoffe von hoher Ordnungszahl ist ein Wandungsproblem. Solche Stoffe können in das System eintreten, wenn die Wandung zu stark entweder örtlich oder allgemein über seine Innenfläche erhitzt wird. Eine der Aufgaben der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu treffen, bei welcher die Bremsstrahlung absorbiert und damit die Wandung des Gefäßes gegen diese Wärmequelle geschützt wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines guten Wärmeleiters, damit die von diesem aufgenommene Energie abgeleitet wird, bevor sie einen nachteiligen Temperaturanstieg bewirkt. Wenn die Oberflächentemperatur niedrig gehalten wird, kann die Verunreinigung aus den Wandungen unter Kontrolle gehalten werden, da bei einer auf einer niedrigen Temperatur gehaltenen Wandung keine Teilchen wegverdampft werden.

Entsprechend diesen Ausführungen liegt der Erfindung ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, in der die Verunreinigung eines in einem Magnetfeld eingeschlossenen Plasmas durch Wandungsteilchen des Entladungsgefäßes vermieden wird.

Die genannten Aufgaben werden gelöst, indem erfindungsgemäß eine innerhalb der Kammer angeordnete Wandabschirmung vorgesehen ist, die aus einer elektrischen Wicklung besteht, deren Enden kurzgeschlossen sind, wobei diese Wicklung koaxial zu dem Mantel angeordnet ist und die Form einer hohlen Spirale besitzt, welche nahe der inneren Oberfläche der Kammer angeordnet ist und deren benachbarte Windungen sich überlappen und elektrisch voneinander getrennt und bezüglich der Richtung des Stromes, welcher durch den Mantel fließt, einen solchen Windungssinn aufweisen, daß infolge der elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Mantel und dieser Wicklung ein dem Magnetfeld der ersten Wicklung entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt wird, wobei diese Wicklung aus einem Material hoher Güte und niederer Ordnungszahl hergestellt ist.

Die Vorrichtung kann auch erfindungsgemäß von einem Moderatorkühlmittelmantel umgeben sein, der hinreichend stark ist, um Neutronen mit der höchsten Energie in thermische Neutronen umzuwandeln.

In dieser Vorrichtung kann gemäß der Erfindung auch der Moderatorkühlmittelmantel von einem zweiten Mantel umgeben sein, der aus einem spaltbare und brütbare Isotope enthaltenden Material in nicht kritischer Zusammensetzung besteht.

Die Vorrichtung nach der Erfindung erzeugt mindestens 10⁷ Neutronenstöße pro Arbeitszyklus bei einer Deuteriumgasfüllung von einem Druck von 2 Mikron und einem magnetischen Initialfeld in Achsenrichtung von 2,5 Kilogauß sowie einem Einengungsstufengradienten von 150 V/cm.

Die Aufgabe des vorerwähnten guten elektrischen Leiters besteht im wesentlichen darin, einen stabilisierenden Einfluß dadurch auszuüben, daß die Bewegung der magnetischen Linien verhindert wird. Die Anordnung der Längskomponente des magnetischen Feldes derart, daß sie innerhalb des Plasmas am größten ist, wird dadurch erreicht, daß dieses ίο Feld (das nachfolgend der Kürze halber als B₂-FeId bezeichnet wird) angelegt wird, bevor das Gas eingeschnürt wird. Auf diese Weise wird durch das Einschnüren des Gases auch das S₂-FeId eingeschnürt, so daß dieses im Plasma stark und im Raum zwisehen dem eingeschnürten Plasma und der Behälterwandung schwach ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich von den bekannten dadurch, daß sie eine Einrichtung zur weiteren Stabilisation des Plasmas aufweist. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird ein »B₂-Gegenfeld« in dem Bereich zwischen dem Plasma und der Wandung des Entladungsgefäßes erzeugt. Dieses Gegenfeld erzeugt eine zusätzliche Torsion, wodurch das eingeschnürte Plasma weiter stabilisiert wird. Ein weiterer Voneil der Anwendung des Gegenfeldes besteht in einer erhöhten Gaserhitzung, wenn durch die Abwicklung bzw. Mischung der B₂-Feldlinien ein elektrisches Feld (längs den B₂-Feldlinien) erzeugt wird, das wiederum einen Stromfluß durch das Plasma bewirkt. Dieser Strom bewirkt eine Erwärmung des Plasmas. Das B₂-Gegenfeld kann erhalten werden, indem eine in sich kurzgeschlossene elektrische Schraubenwindung in dem und koaxial zu dem den elektrischen Strom leitenden Mantel angeordnet ist. Eine solche Anordnung besitzt zusätzlich den Vorteil, daß ein Kühlmittel durch die schraubenförmig angeordnete Windung und dadurch innerhalb der Kammer zirkulieren kann, um auf diese Weise den Mantel von der Bremsstrahlung abzuschirmen, die im Bereich nahe der Mittellinie der Kammer erzeugt wird. Diese Anordnung führt zu einer spürbaren Verringerung der Wandverunreinigungen. Das konstante axiale Magnetfeld kann ebenfalls mit einer elektrischen Spule erzeugt werden, die außerhalb der Kammer angeordnet und so gewickelt ist, daß sie ein der Richtung des von der 5₂-Wicklung erzeugten Feldes entgegengerichtetes Feld erzeugt. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maßnahme und deren Vorteile können kurz wie folgt zusammengefaßt werden: Das B₂-FeId, das im Plasma eingeschlossen ist, erzeugt in Verbindung mit dem Querschnitts- oder B₁₉-FeId (Eigenmagnetfeld des umlaufenden Stromes) eine Torsion des magnetischen Feldes, d. h., die Feldlinien sind in benachbarten Schichten nicht parallel. Diese Torsion oder Scherung der Feldlinien führt zur Stabilität, wobei die Tendenz zur Stabilität um so größer ist, je größer die Torsion ist. Unstabilität wird andererseits durch einen radialen Druckgradienten im Plasma erzeugt, wobei die Frage der Stabilität dadurch entschieden wird, welcher dieser beiden Einflüsse vorherrscht. Wenn nun das Plasma und das B₂-FeId eingeschnürt werden, bleibt ein gewisses B₂-FeId, nämlich dasjenige, das anfänglich außerhalb des Plasmas war, und der volle Drall der B-Linien wird etwas weniger als 90° sein. Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, durch welche ein Strom geleitet werden kann, der so gestaltet werden kann, daß

das ,S₂-FeId im Bereich außerhalb des Plasmas, nachdem es eingeschnürt worden ist, aufgehoben oder sogar umgekehrt wird. Nachdem dies geschehen ist, ist der volle Drall der Feldlinien gleich oder sogar beträchtlich größer als ein voller rechter Winkel. Daher wird durch die Erfindung eine zusätzliche Kontrolle über die Stabilität des Plasmas dadurch geschaffen, daß sie ein Mittel an Hand gibt, die Torsion der magnetischen Linien nach Belieben zu verstärken.

Die Bedeutung dieser Möglichkeit, eine zusätzliche Torsion in den B-Linien dadurch zu erzeugen, daß das S₂-FeId außerhalb des Gases umgekehrt wird, ist ziemlich groß. Selbst wenn eine Kontraktion (Pinch) ohne diese Maßnahme stabil sein sollte, würde durch Diffusion eine Neuverteilung des Plasmas und des Feldes eintreten, bis eine unstabile Konfiguration erreicht wird. In diesem Fall würde eine Umkehrung des B₂-Feldes und damit die Erzeugung einer überschüssigen Torsion ein Zurückdrehen der Feldlinien ermöglichen oder anders ausgedrückt, eine Vermischung des B₂- und des B^-Feldes für einen längeren Zeitraum ermöglichen, bevor Instabilität erreicht wird. Die Umkehrung des B₂-Feldes hat daher zwei Vorteile: erstens einen längeren Zeitraum vor dem Erreichen der Instabilität, zweitens eine stärkere Erhitzung des Gases. Letzteres ist dadurch bedingt, daß durch das Zurückdrehen der B-Linien, verursacht durch Diffusion, ein elektrisches Feld längs der B-Linien induziert wird, welches seinerseits einen Stromfluß ebenfalls längs der B-Linien verursacht. Dieser Strom bewirkt eine Erhitzung, die um so größer ist, je größer die anfängliche Torsion ist.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten toroidalen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des Ringkörpers, welche die äußeren Bauteile zeigt,

F i g. 3 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 2,

F i g. 4 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie B-B in Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Gaszufuhr,

F i g. 6 eine schematische Darstellung des Vakuumsystems,

F i g. 7 eine teilweise schematische Darstellung des Primär-Gasionisierungssystems,

Fig. 8 ein Schaltbild der Primärwicklungsschaltung und des zugeordneten elektrischen Energie- und Versorgungssystems,

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die zeitlichen Verhältnisse zwischen den verschiedenen Spannungen, Strömen und Temperaturen in bezug auf die eingeschnürte Entladung zeigt,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Spannung und des Stromes während eines Arbeitszyklus,

Fig. 11 eine graphische Darstellung, welche die eingeschnürte oder verengte Entladung in Abhängigkeit von der Zeit zeigt,

F i g. 12 eine schematische Darstellung, welche die Geometrie des Plasmas und die Lage der verschiedenen Magnetfelder in Abhängigkeit von der Zeit zeigt,

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Βφ-Feldes (Eigenmagnetfeld des Entladungsstromes) in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der durch die Wicklung 135 auf das B₂-FeId außerhalb des verengten Plasmas bedingten Verhältnisse.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung und das Verfahren für deren Betrieb näher beschrieben, wobei Bezugsziffern unter 115 nicht verwendet sind. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine solche Ausführungsform, bei welcher die Einzelheiten der

ίο Kühleinrichtung weggelassen wurden, um das Grundprinzip der Vorrichtung übersichtlich darzustellen. Die Vorrichtung besitzt eine Ringkammer 115 aus Porzellan, Quarz oder aus einem anderen Isoliermaterial. Diese Kammer kann als solche vorgefertigt werden, oder sie kann dadurch hergestellt werden, daß ein Glasüberzug auf einen leitenden Mantel aufgespritzt wird, wobei geeignete Mittel zur Überbrückung des Schlitzes bzw. der Unterbrechung 117 im Mantel vorgesehen sind. Stoffe von niedriger Ordnungszahl, z. B. Lithiumborid, sind bevorzugt, um eine Verunreinigung des Plasmas durch Stoffe von hoher Ordnungszahl zu vermeiden. Die Ringkammer dient als der ursprüngliche Behälter für das Gas und begrenzt das Volumen, innerhalb welchem ein thermonuklearer Brennstoff ionisiert, verengt und für verhältnismäßig lange Zeiträume stabilisiert wird. Die Ringkammer 115 ist von einem leitenden Mantel 116 eingeschlossen, der aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden Material besteht. Der leitende Mantel 116 ist die Primärwicklung zur Erzeugung des eingeschnürten bzw. verengten Plasmas und zum Induzieren umlaufender Ströme in der Wicklung 135, wie nachstehend näher beschrieben wird. Der leitende Mantel 116 weist einen Schlitz bzw. eine Unterbrechung 117 auf, welche durch zwei voneinander beabstandete und isoliert gehaltene Platten 118 und 119 begrenzt wird.

Um den Mantel 116 herum ist eine B₂-Wicklung

120 angeordnet, welche das magnetische Längsfeld innerhalb des Plasmas erzeugt. Das eine Ende der B₂-Wicklung 120 ist mit einer Spannungsqpelle 121 (B₂-Quelle) verbunden, während ihr anderes Ende 122 mit der Platte 118 verbunden ist. Die Spannungsquelle 121 ist außerdem mit dem leitenden Mantel 116, und zwar auf der dem Wicklungsende 122 entgegengesetzten Ende verbunden, so daß der Mantel 116 die Rückleitung für die Spahnungsquelle

121 bildet. Die Bewicklung 120 ist ein Rohr, durch welches destilliertes Wasser oder ein anderes Kühlmittel geleitet wird.

F i g. 2 zeigt nähere Einzelheiten der Außenseiten der Plasmavorrichrung nach der Erfindung. Die B₂-Wicklung 120 ist mit ihrem Ende 122 über eine Rohrleitung 123 mit einem nicht gezeigten Wärmeaustauscher verbunden. Eine ähnliche, nicht gezeigte Verbindung ist an ihrem anderen Ende vorgesehen. Der Wärmeaustauscher und die Rohrleitung 123 skid von der Wicklung 120 und der Quelle 121 elektrisch isoliert. Für die Ringkammer 115 ist ein Gaseinlaßrohr 124 vorgesehen, durch das der thermonukleare Brennstoff, vorzugsweise ein Tritium-Deuterium-Gemisch von gleichen Anteilen "in die Ringkammer' 115 fließt. Mit dem leitenden Mantel 116 ist eine Vielzahl nichtleitender Kühlmitteleinlaßrohre 125 zur Kühlung des leitenden Mantels 116 und zur Ableitung eines großen Teils der durch in der Ringkammer 115 auftretenden Reaktionsprozesse erzeugten Wärme verbunden.

Wie sich aus der Fig. 3 ergibt, sind die Kühlmitteleinlaßrohre 125 über den leitenden Mantel 116 mit Kühlmittelauslaßrohren 126 und 131 verbunden. Die Kühlmitteleinlaßrohre 125 sind mit zwei Einlaßsammelleitungen 127 und 128 verbunden, die der oberen bzw. unteren Hälfte des geteilten leitenden Mantels 116 zugeordnet sind. Der leitende Mantel 116 besteht aus zwei voneinander gesonderten Teilen, damit ein nichtleitender Pfad für das S₂-FeId vorhanden ist; der leitende Mantel kann jedoch auch aus einem einzigen Stück geringer Dicke hergestellt werden, um eine ausreichend schnelle Dämpfung von Wirbelströmen zu ermöglichen. Die Sammelleitung 127 ist über einen Kanal 129 im leitenden Mantel 116 mit einer Auslaßsammelleitung 130 verbunden, deren elektrisch isolierte Auslaßrohre 126 das erhitzte Wasser und/oder den Dampf einem gemeinsamen Dampfsammeibehälter zur Verwendung für die Erzeugung von Leistung zuführen. Die Sammelleitung 128 ist in ähnlicher Weise mit einer Auslaßsammelleitung 131 verbunden; der nicht dargestellte untere Teil der F i g. 3 ist mit dem gezeigten oberen Teil identisch. Der elektrische Isolator 132, welcher den oberen und den unteren Teil des leitenden Mantels 116 voneinander trennt, braucht nur eine Dicke von etwa 3 mm zu haben, da er nur der Spannung einer einzigen Windung der Bewicklung 120 Widerstand leisten muß. Beide Teile des leitenden Mantels 116 sind in Parallelschaltung an die gleiche elektrische Quelle angeschlossen, so daß an den Isolator 132 kein elektrisches Potential gelegt wird. Die Bewicklung 120 wird von dem leitenden Mantel 116 durch Abstandsstücke 133 in Abstand gehalten, so daß Raum für Bolzen 134 besteht, die die halbkreisförmigen Abschnitte des leitenden Mantels 116 um die Ringkammer 115 herum zusammenhalten.

F i g. 4 gibt eine Darstellung der Anordnung der einzelnen Teile in der Ringkammer. Das Kühlmittel (destilliertes Wasser) wird durch die Einlaßrohre 125 in die Sammelleitung 127 gepumpt; von dieser Sammelleitung aus tritt es in eine Vielzahl von Kanälen 140 ein, welche durch die Wände 141 der Sammelleitung 127 gebildet werden. Die Wände 141 bestehen ebenso wie die Sammelleitung 127 und die Einlaßrohre 125 aus isoliertem Material. Die Kanäle 140 sind mit Auslaßöffnungen 142 im leitenden Mantel 116 verbunden. Die Öffnungen 142 sind mit dem Kanal 129 im leitenden Mantel 116 verbunden. Daher tritt in die Einlaßrohre 125 gepumptes Wasser in den Kanal 129 und in die Auslaßsammelleitung ein, die in der gleichen Weise wie die Einlaßsammelleitung 127 ausgebildet und nicht mit näheren Einzelheiten gezeigt ist.

Benachbart und innerhalb des leitenden Mantels 116 ist die Ringkammer 115 angeordnet, die eine leitende hohle Wandungsschutzwicklung 135 enthält, die innerhalb derselben angeordnet ist. Diese Wicklung besitzt einen Wassereinlaß 136, der durch eine Öffnung 144 in der Anordnung der Sammelleitungen geführt ist, die mit dem Kanal 143 innerhalb der Wicklung 135 verbunden ist, durch welchen das Kühlmittel fließt. Die Wicklung 135 ist so ausgebildet, daß jede Windung sich von jeder benachbarten Windung in Abstand befindet und kein Teil der Wandung der Kammer 115 mit Bezug auf die Mittellinie 138 der Ringkammer 115 freiliegt. Ferner sind der Wassereinlaß und der Wasserauslaß für die Wicklung 135 so angeordnet, daß das Wasser oder andere Kühlmittel, die durch den Kanal 143 der Wicklung 135 fließen, voll um die Innenseite der Ringkammer 115 zu einem Punkt hermnwandern, der sich benachbart dem Eintrittspunkt, jedoch im Abstand von diesem befindet und dort mit dem Auslaß 137 verbunden ist. Der Auslaß 137 geht durch den Gasauslaß 139 der Ringkammer 115 hindurch, während der Gasauslaß 139 diametral gegenüber dem Gaseinlaß 124 (s. Fig. 2) angeordnet ist. Die

ίο leitende hohle Wandungsschutzwicklung 135 besteht vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung sowohl mit einer niedrigen Ordnungszahl als auch mit einer hohen Güteziffer (nachstehend erläutert). Durch die hohle Wicklung fließt destilliertes Wasser, um die durch die Bremsstrahlung, wie nachstehend näher erläutert wird, zugeführte Wärme abzuleiten. Die Spule 135 bewirkt die Aufhebung oder Umkehrung des B₂-Feldes zwischen dem verengten Plasma und der Ringkammer 115 zur Bildung von Torsions-

ao magnetfeldern an der Grenze des Plasmas, wie nachstehend in Verbindung mit Fig. 14 näher erläutert wird, um eine Verunreinigung der Entladung durch Wandteilchen, die infolge der Bremsstrahlungserhitzung abgegeben werden, auszuschalten.

Das Gaszufuhrsystem

Wie erwähnt, wird in der Vorrichtung nach der Erfindung ein ionisiertes Gas von geringer Dichte verwendet. Dieses Gas, vorzugsweise entweder Deuterium, Tritium oder ein Gemisch hiervon, wird der Ringkammer 115 über den Gaseinlaß 124 zugeführt Die Zufuhreinrichtung besteht aus einem Gasvorratsbehälter 160, aus dem der reine thermonukleare Brennstoff über ein Druckregelventil 161 geleitet wird. Das geregelte Gas wird dann durch ein Palladium-Leak 162 geleitet. Eine Leitung 163 dient zum Evakuieren des Palladium-Leaks 162 vor dem eigentlichen Beginn des Betriebs. Ferner ist eine Um-

4c gehungsleitung 164 vorgesehen, in der sich ein normalerweise geschlossenes Ventil 165 befindet, so daß das gesamte Vakuumsystem sowie die Ringkammer 115 mit Gas unmittelbar aus der Gaszufuhreinrichtung gespült werden kann. Die Umgehungsleitung 164 sowie die Ausgangsseite des Palladium-Leaks 162 sind mit einem Druckmesser 166 verbunden, von dem aus eine Leitung über ein Ventil 167 zu einem Endrohr führt, das mit dem Einlaßrohr 124 verbunden ist. Der Druckmesser 166 zeigt die verschiedenen Drücke an, die zur Aufrechterhaltung der richtigen Gasmenge, welche in die Reaktionskammer gelangt, verwendet werden können.

Das Vakuumsystem

An die Gasauslaßleitung 139 ist das in F i g. 6 gezeigte Vakuumsystem angeschlossen. Der Auslaß 139 ist aus der Reaktionskammer über eine Rohrleitung 169 mit einem Strömungsregelventil 170 verbunden.

Dieses Ventil regelt die öffnung, durch welche das abgezogene Gas hindurchtritt, und regelt dadurch die Strömungsgeschwindigkeit desselben. An die Strömungsregelöffnung dieses Ventils ist das Vakuumsystem angeschlossen. Dieses System besteht aus einem Absperrhahn 171 mit einer großen öffnung, einem Flüssigkeitsluftfänger 172, einer zweistufigen Quecksilberdiffusionspumpe 173 und einer motorgetriebenen Vakuumpumpe 174 üblicher Art, die über

eine Auslaßleitung 175 mit einer geeigneten gasdichten Kammer in Verbindung steht. Die in dieser Kammer eingeschlossenen Reaktionsprodukte können dann in an sich bekannter Weise abgetrennt werden. Die letztgenannten Bauelemente sind alle an sich bekannt.

Das Primärionisationssystem

Das in der ringförmigen Reaktionskammer befindliche Gas muß ionisiert werden, bevor der eigentliche Arbeitszyklus begonnen hat. Zu diesem Zweck ist ein Gasionisierungs-Hochfrequenzsystem vorgesehen. Dieses Hochfrequenzsystem (s. F i g. 7) besteht aus den folgenden Bauelementen: Ein Steueroszillator 145 speist mit 5 bis 10 MHz einen Frequenzvervielfacher 146. Die Ausgangsspannung des Vervielfachers mit Frequenzen zwischen 5 und 110 MHz wird durch einen Leistungsverstärker 147 verstärkt, der eine Leistung von vielen Kilowatt abgibt. Der Ausgang des Verstärkers 147 ist über ein Koaxialkabel 148 mit einem Abstimmungskreis 149 verbunden.

Der Abstimmkreis 149 besteht aus einem Parallelschwingkreis 150 mit einer Impedanzwicklung 151, die zu einem Regelkondensator 152 parallel geschaltet ist. Der Parallelschwingkreis 150 hat mit der Ausgangsseite des Leistungsverstärkers 147 Impedanzkopplung, so daß er mit Hilfe des Regelkondensators 152 auf die Hochfrequenzausgangsspannung abgestimmt werden kann, welche die gleiche Frequenz hat wie die Treibstufe.

Zwei Leitungen 153 und 154 nehmen die Ausgangsspannung des Abstimmkreises 149 auf und sind mit halbzylindrischen kapazitiven Elektroden 155 und 156 verbunden. Die Elektrode 155 ist innerhalb der rohrförmigen Gaseinlaßleitung 124 (s. F i g. 2) abgedichtet. Die zweite Elektrode 156 ist innerhalb der Gasauslaßleitung 139 abgedichtet, die dem Gaseinlaß 124 gegenüber angeordnet ist. Mit Hilfe dieser beiden Elektroden kann das in der ringförmigen Reaktionskammer 115 vorhandene Gas ionisiert werden.

Die Primärkreise

Die verschiedenen, der Plasmavorrichtung nach der Erfindung zugeordneten elektronischen Schaltungen sind in F i g. 8 schematisch dargestellt. Die ßj-Wicklung 120 ist über eine Leitung 180 mit den Anoden von zündstiftgesteuerten Röhren 181 (als Röhren weiterhin bezeichnet) verbunden. Es sind zwei solcher Röhren in Parallelschaltung dargestellt, um anzudeuten, daß eine Vielzahl solcher Röhren für die besondere Schaltung erforderlich ist. Die Kathode jeder dieser Röhren ist mit einem Pol 182 eines zweipoligen, mit 183 bezeichneten, motorbetätigten Wechselschalters verbunden. Der zugeordnete Pol 184 jedes dieser Schalter ist über eine Leitung 185 mit dem leitenden Mantel 116 verbunden. Die Pole 182 sind ferner mit einem Ladekreis 186 und mit dem entgegengesetzt angeordneten Pol 187 des Schalters 183 verbunden. Die Pole 184 sind mit dem zugeordneten entgegengesetzten Pol 188 verbunden. Diese Kondensatoren stellen eine Kondensatorenbatterie mit einer Kapazität von 1400 Mikrofarad bei 10 kV dar. Bei der Betriebsbedingung von 5 kV beträgt die gespeicherte Gesamtenergie 1,75 ■ 10⁴ Joules. Die Zündelektroden 191 sind über einen Schalter 192 mit einer Zündspannungsquelle 193 verbunden. Die Leitung 180 ist über eine Spannungssteuerschaltung 194 und eine Leitung 195 mit einer Zündschaltung

196 verbunden. Die Platte 118 des leitenden Mantels 116 ist mit einer gemeinsamen Leitung 197 verbunden, während die Platte 119 des leitenden Mantels 116 mit einer gemeinsamen Leitung 222 verbunden ist.

Die Stufe I der Primärspannungsschaltung besteht

ίο aus Funkenstrecken 198 mit einer Zündelektrode 199. Die Funkenstrecken 198 isolieren die Kondensatoren 200, deren eine Seite mit der gemeinsamen Leitung 222 verbunden ist und deren andere Seite mit der einen Elektrode der Funkenstrecke 198 verbunden ist. Die andere Elektrode der Funkenstrecke ist mit der gemeinsamen Leitung 197 verbunden. Die Kondensatoren 200 stellen eine Kondensatorenbatterie mit einer Gesamtkapazität von 20 Mikrofarad bei 100 kV und einer gespeicherten Gesamtenergie von ΙΟ⁵ Joules dar. Die Zündelektrode 199 ist bei 201 leitend mit der Zündschaltung 196 verbunden. Die Kondensatoren 200 sind über Leitungen 202 mit einem gemeinsamen Ladekreis 203 verbunden.

Die Stufe II besteht aus zündstiftgesteuerten Röhren 204, deren Anoden mit der gemeinsamen Leitung

197 und deren Kathoden über Leitungen 205 mit einem Ladekreis 206 verbunden sind. Die Kathoden sind ferner mit der einen Seite von Kondensatoren 207 verbunden, deren andere Seiten mit einer gemeinsamen Leitung 222 verbunden sind. Die Zündelektroden 208 der Röhre 204 sind mit einer Zündschaltung 209 verbunden, die über eine Leitung 210 mit einer Spannungssteuerschaltung 211 verbunden ist, welche die Spannung auf der gemeinsamen Leitung 197 über die Leitung 212 steuert.

Die Stufe III der Primärspannungsschaltung besteht aus zündstiftgesteuerten Röhren 213, deren Anoden mit der gemeinsamen Leitung 197 und deren Kathoden über Leitungen 214 mit einem gemeinsamen Ladekreis 215 verbunden sind. Die Kathoden sind ferner mit zweipoligen, motorbetätigten Wechselschaltern 216 verbunden, die in der gleichen Weise, wie für die Schalter 183 beschrieben, geschaltet sind. Die Kondensatoren 217 stellen eine Kondensatorenbatterie mit einer Kapazität von 28 000 Mikrofarad bei 2OkV und einer gespeicherten Gesamtenergie von 5,6 · IG⁶ Joules dar. Die Zündelektroden 218 sind mit einer gemeinsamen Zündschaltung 219 verbunden, die mit einem zeitlich verzögerten Auslöser 220 verbunden ist; dieser Auslöser ist über eine Leitung 221 mit der Zündschaltung 209 verbunden. Die gemeinsame Leitung 197 ist über einen Trennschalter 225 mit einer Leitung 226 verbunden, die mit den Anoden von zündstiftgesteuerten Röhren 227 verbunden ist.

Die Kathoden der Röhren 227 sind über Leitungen 228 mit einem Ladekreis 229 verbunden. Die Kathoden der Röhren 227 sind ferner mit zweipoligen, motorgetriebenen Wechselschaltern 230 verbunden, die den vorangehend beschriebenen Schaltern 183 ähnlich sind. Die Kondensatoren 231, welche an die Mittelpole der Wechselschalter 230 angeschlossen sind, stellen eine Kondensatorenbatterie mit einer Gesamtkapazität von 10 F bei 500 Volt und einer gespeicherten Gesamtenergie von 1,25 · 10⁶ Joules dar. Die Zündelektroden 232 der Röhren 227 sind mit einer Spannungssteuerschaltung 233 verbunden, die über Leitungen 234, 235 mit der Leitung 197 verbunden ist. Die Spannungssteuerschaltung 233 steuert

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die Spannung auf der Leitung 235. Der Trennschalter 225 ist so eingestellt, daß er den Stromkreis bei 500 Volt mit Hilfe einer Spannungssteuerschaltung 236 unterbricht, die mit der gemeinsamen Leitung 1Γ7 nnd den Trennschalter 225 verbunden ist.

Di; Hilfsleitung 235 ist mit der Anode der zündstiftgesteuerten Röhre 237 und mit einer Spannungssteuerschaltung 238 verbunden, die über eine Leitung 239 mit der Zündelektrode 240 der Röhre 237 verbunden ist. Die Kathode der Röhre 237 ist über eine Leitung 241 mit der einen Seite eines nicht gezeigten Verbrauchers verbunden, dessen andere Seite mit der gemeinsamen Leitung 222 verbunden ist.

Die Arbeitsweise

Zur Vorbereitung für den Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung wird zuerst innerhalb der ringförmigen Reaktionskammer 115 ein hohes Vakuum hergestellt. Die Gaszufuhr 160 wird mit Hilfe des Ventils 161 abgeschaltet und das Palladium-Leak 162 (s. F i g. 5) über die Leitung 163 evakuiert, um alle Verunreinigungen in der Ringkammer 115 zu entfernen.

Als nächster Vorgang wird die Leitung 163 geschlossen, das Gaszufuhrventil 161 und das Ventil 165 geöffnet, damit das Palladium-Leak 162 vom Gas umgangen und das Gaszufuhrsystem und die Reaktionskammer mit dem als thermonuklearen Brennstoff zu verwendenden Gas gespült werden kann. Die Spülung des Systems wird anfänglich für einen verhältnismäßig langen Zeitraum fortgesetzt, um sicherzustellen, daß alle Stoffe mit hohen Ordnungszahlen aus der ringförmigen Reaktionskammer entfernt werden.

Hierauf wird das Umgehungsventil 165 geschlossen und die Gasströmung sodann durch das Palladium-Leak 162 und das Ventil 167 so eingeregelt, daß der stabilisierte Druck innerhalb der Ringkammer 115 einen Wert von etwa 1 bis 100 Mikron, vorzugsweise etwa 10 Mikron, von dem eigentlichen Beginn der elektrischen Entladung hat. Das Palladium-Leak 162 regelt die Gasströmung im Zufuhrsystem bis zum Ventil 167. Das Vakuumsystem (s. F i g. 6) kann das Gerät mit einer viel höheren Geschwindigkeit abziehen, als das Zufuhrsystem Gas zuführen kann. Ein elektrisch betätigbares Ventil 170 mit veränderlicher Öffnung und von in der Vakuumtechnik an sich bekannter Art dient dazu, das Gas innerhalb der Reaktionskammer vor dem Beginn der elektrischen Entladung auf eine konstante Dichte von etwa 10¹⁵ Teilchen je Kubikzentimeter zu halten. Auf diese Weise besteht während des Betriebes eine kontinuierliche Strömung thermonuklearen Brennstoffes durch die Kammer 115. Hierauf wird das Primärionisationssystem erregt, d. h., es wird zwischen den beiden Elektroden 155 und 156 (F i g. 7) ein Hochfrequenzfeld erzeugt. Da diese Elektroden zwischen den zwei einander diametral gegenüberliegenden Gasein- und -auslassen 124 bzw. 139 (F i g. 1) angeordnet sind, wird dieses Feld in zwei Bahnen unterteilt, von denen jede einen Halbkreis beschreibt. Das Gas innerhalb der Reaktionskammer 115, das diesem Feld ausgesetzt ist, wird anfänglich geringfügig ionisiert, was nachfolgend als Vorionisationsstufe bezeichnet wird.

Zur Vorbereitung der in F i g. 8 gezeigten elektrischen Schaltanordnung für den Betrieb werden die Kondensatoren 190 der Spannungsquelle 121 durch den Ladekreis 186 dadurch aufgeladen, daß die Pole 182 und 184 mit den Polen 189 verbunden werden.

Die Ladekreise 203, 206, 215 und 229 werden erregt und die Kondensatoren 200, 207, 217 und 231 bis zu ihrer Nennkapazität aufgeladen, wobei die Polarität der Kondensatoren 217 und 231 durch die Stellung der Schalter 216 und 230 vorgegeben ist.

ίο Diese Kondensatoren sind nun betriebsbereit.

Destilliertes Wasser, das bei der bevorzugten Ausführungsform als Kühlmittel verwendet wird, wird durch nichtleitende Kühlmittelrohre 125, durch die Kühlmitteleinlaßsammelleitung 127 um den Kanal 129 herum über die Kühlmittelauslaßsammelleitung 130 in die nichtleitenden Kühlmittelauslaßleitungen 126 geleitet. Durch die Bewicklung 120 wird destilliertes Wasser geleitet, das über die Leitung 123 einem außerhalb der Apparatur des Reaktors ange-

ao ordneten Wärmeaustauscher zugeführt wird. Die Wicklung 135 ist mit einem Kühlmitteleinlaß 136 versehen. Das durch diese Wicklung hindurchfließende Kühlmittel fließt um die ganze Ringkammer herum bis zu einer Stelle benachbart dem Einlaß 136, wo

as es durch den Auslaß 137 austritt. Dieses Wasser fließt dann durch einen nicht gezeigten Wärmeaustauscher und zum Einlaß 136 zurück. Der Einlaß 136 und der Auslaß 137 der Wicklung 135 sind miteinander elektrisch verbunden, so daß diese eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung zur Primärwicklung 116 bildet.

Weitere Kühlmittelmäntel können mit flüssigen metallischen Kühlmitteln versehen werden, die den gesamten Reaktor im wesentlichen umgeben und einen großen Anteil der Energie in Form von Strahlungen und Neutronen ableiten. Ein flüssiges metallisches Kühlmittel ist für die Primärwicklung sowohl wegen der höheren Arbeitstemperatur als auch wegen der wirksameren Wärmeübertragung vorzuziehen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung stellt eine ausgiebige Neutronenquelle dar, deren Neutronen auch für Brutzwecke in einem Spaltreaktoraggregat oder für die Herstellung von Tritium herangezogen werden können.

Die Plasmavorrichtung ist nun für den anfänglichen Betrieb bereit. Der Schalter 192 wird geschlossen, um die Zündspannungsquelle 193 mit den Zündelektroden 191 der Röhren 181 zu verbinden, wodurch diese leitend gemacht werden, so daß sich die Kondensatoren 190 über die Leitung 180 und die Wicklung 120 zur Verbindung 122 und zurück über den leitenden Mantel 116 und die Leitung 185 entladen. Wenn die Spannung auf der Leitung 180 auf Null abfällt, d.h. wenn der StromI_Bz maximal wird, wird durch die Spannungssteuerschaltung 194 die Zündschaltung 196 ausgelöst. Die Zündschaltung 196 gibt Impulse an die Zündelektroden 199 der Funkenstrecken 198 über die induktive Kopplung 201 ab, so daß sich die Kondensatoren 200 über die Funkenstrecken 198 entladen und die Spannung der Stufe I an den leitenden Mantel 116 legen. Wenn die Spannung auf der gemeinsamen Leitung 197 auf etwa 500VoIt abfällt, wird durch die Spannungssteuerschaltung 211 die Zündschaltung 209 ausgelöst. Die Zündschaltung 209 macht über die Zündelektroden 208 die Röhren 204 leitend und legt die Spannung der Kondensatoren 207 über die gemeinsamen Leitungen 197 und 222 an den leitenden Mantel 116.

Die Zündschaltung 209 gibt femer Impulse an einen zeitlich verzögerten Auslöser 220 über die Leitung 221 ab. Nach einer bestimmten Zeit, nachdem sich die Kondensatoren 207 entladen haben, bewirkt die Zündschaltung 219 die Anschaltung der Kondensatoren 217 an die gemeinsame Leitung 197 über die Röhren 213, wodurch die Spannung der Kondensatoren 217 an den leitenden Mantel 116 gelegt wird.

Die Spannungssteuerschaltung 233, welche die Spannung auf der Hilfsleitung 235 und auf der gemeinsamen Leitung 197 steuert, zündet zu dem Zeitpunkt, in welchem die Spannung von der Stufe III einen Wert von 500VoIt erreicht, die Röhren 227, wodurch die Spannung von den Kondensatoren 231 über die gemeinsamen Leitungen 197 und 222 an den leitenden Mantel 116 gelegt wird. Der Trennschalter 225 isoliert die Kondensatoren der Stufe IV wirksam von den vorher angelegten Spannungen und wird nur geschlossen, wenn die Spannungssteuerschaltung 236 anzeigt, daß die Spannung auf der gemeinsamen Leitung 197 500 Volt beträgt. Die Folge der Vorgänge hinsichtlich der Gasentladung innerhalb der Ringkammer 115, des leitenden Mantels 116 und der Z?.,-Wicklung 120 ist deji Fig. 9 und 10 graphisch dargestellt. Im allgemeinen befinden sich, da das Gas innerhalb der Kammer 115 ionisiert ist, zahlreiche freie Elektronen innerhalb des Gases. Der Stromfluß durch den leitenden Mantel 116 induziert einen Elektronenfluß innerhalb dieses Gases. Diese Elektronen sind der sekundäre elektrische Kreis für den primären elektrischen Kreis für den leitenden Mantel 116.

Der im Gas induzierte Strom, d. h., der Fluß der freien Elektronen und Ionen innerhalb des Gases nimmt seinen Weg um die Ringkammer 115 herum. Da diese Elektronen beschleunigt werden, geht ihre Energie auf Ionen durch Zusammenstoß über. Diese Zusammenstöße führen, wie erwähnt, zu einer Bremsstrahlung. Ferner nimmt der sekundäre Strom während der Anwesenheit des primären induzierenden Stromes weiterhin zu und erreicht einen Höchstwert durch einen mehrstufigen Prozeß von mehr als 5 Megaampere. Dieser starke Stromfluß erfährt eine Einschnürung durch den Pincheffekt. Die Elektronen und die Ionen werden zur Mitte der Ringkammer 115 gebracht.

Die genaue Folge der Vorgänge hinsichtlich der verschiedenen Betriebsstufen ist in F i g. 9 gezeigt. Der durch die Klammer 247 bezeichnete Bereich ist die Vorionisationsstufe und die Stufe, bei welcher das magnetische Längsfeld (Z?.,) angelegt wird. Der Bereich 248 wird als Ionisierungs- und Teilverengungsstufe bzw. als Stufe I bezeichnet. Der Bereich 249 ist die Joulesche Erhitzungsstufe oder die Stufe II. Der Bereich 250 ist die Stufe für die adiabatische Verdichtung und Erhitzung oder die Stufe III. Der Bereich 251 ist die Vermischungs-Erhitzungsstufe oder die Stufe IV, während der Bereich 252 die Vermischungs-Erhitzungs- und 2?_Z-Rückgewinnungsstufe ist. So umfaßt die Vorionisationsstufe 247 die Zeit, in der das Gas teilweise durch das Hochfrequenzsystem ionisiert wird und die Kurve 254 des im Plasma eingeschlossenen Z?_z-Feldes ihren Höchstwert 255 ohne Verdichtung erreicht, der bei der dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung etwa 50 K Gauß beträgt. Dieser Höchstwert wird erreicht, wenn die Bespannung den Wert Null erreicht und der Strom I_{B z} seinen Höchstwert hat, wie in F i g. 9 gezeigt. Bei diesem Höchstwert 255 wird die Stufe I der Primärspannung in den leitenden Mantel 116 entladen und der Spannungsimpuls 256 (s. Fig. 10) dem leitenden Mantel 116 aufgeprägt. Dieser Impuls fällt rasch ab und hat nach etwa 2 Mikrosekunden einen Wert von 0,5 kV am Punkt 257 erreicht. Während dieses Impulses von 2 Mikrosekunden ist, wie die Entladestromkurve 258 zeigt, der innerhalb des

ίο Gases fließende elektrische Strom auf einen Wert von etwa 700 Kiloampere am Punkt 259 angestiegen.

Aus der Kurve 260 (s. F i g. 9) ergibt sich ferner, daß der Durchmesser der Gasentladung innerhalb der Kammer 115 mit dem Innendurchmesser der Wicklung 135 während der Vorionisationsstufe 247 übereinstimmt; dieser Durchmesser nimmt jedoch während des Primärspannungsimpulses 296 um etwa 10% ab. Dies bedeutet, daß sich das Plasma am Punkt 261 nicht mehr mit der Innenauskleidung der Kammer 115 in Berührung steht. Während dieses gleichen Primärspannungsimpulses der Stufe I, wie der Kurve 254 des eingeschlossenen B₂-Feldes entnommen werden kann, hat die Flußdiehte innerhalb des Plasmas um etwa 10% zugenommen

as (Punkt 262).

Die Temperatur des Gases ist durch die Kurve 263 dargestellt. Vor der Stufe I betrug die Temperatur des Gases im wesentlichen Null, und während des Primärspannungsimpulses stieg diese Temperatur auf einen Wert von etwa 0,1 keV an. Wenn der Primärspannungsünpuls 256 den Punkt 257 erreicht, werden die Kondensatoren der zweiten Stufe ausgelöst und eine Joulesche Erhitzungsstufe eingeleitet.
Die Stufe II hält eine Spannung von etwa 0,5 kV an der eingeschnürten Entladung aufrecht, wobei während dieser Zeit die Entladestromkurve 258 von 700 Kiloampere auf etwa 1 Megaampere ansteigt; die Plasmaradiuskurve 260 und die Z?₂-Kurve 254 zeigen im wesentlichen keine Änderungen. Während

+o dieser Zeit, die von einem Mindestwert von etwa 100 Mikrosekunden auf etwa 500 Mikrosekunden eingeregelt werden kann, steigt jedoch die Temperatur des Plasmas auf einen Wert von etwa 500 keV am Punkt 265 der Kurve 263 an.

Durch die vorangehend beschriebenen üblichen Zeitverzögerungsmethoden wird die dritte Stufe des Primärspannungsimpulses eingeleitet, nachdem die Vorerhitzungsstufe abgeschlossen worden ist. Daher wird am Punkt 265 (F i g. 10) die dritte Stufe der Kondensatoren von — 20 kV in den leitenden Mantel 116 über ein Zeitintervall von etwa 620 Mikrosekunden entladen. Die daraus resultierende Verstärkung des elektrischen Feldes hat die Beschleunigung der Elektronen und Ionen im Plasma zur Folge, wodurch der Entladestrom auf einen Wert von etwa 5 Megaampere am Punkt 267 erhöht wird. Demzufolge wird das Plasma durch den Pincheffekt am Punkt 268 auf einen Durchmesser eingeschnürt, der etwa ein Drittel seines ursprünglichen Wertes beträgt. Dies bedeutet, daß das B₂-FeId innerhalb der eingeschnürten Plasmazone um den Faktor 10 von etwa 55 auf 550 Kilogauß verstärkt wird (Punkt 266) und daß die Temperatur am Punkt 269 Werte von 2 keV erreicht.

Wenn der Impuls der Stufe III in seinem Wert auf etwa 0,5 kV am Punkt 270 herabgesetzt worden ist, wird die Kapazität der Stufe IV mit dem Primärkreis verbunden. Zu diesem Zeitpunkt hält die vierte Stufe einen Wert von 0,5 kV am stark verengten Plasma

aufrecht. Der Durchmesser des verengten Plasmas wird auf etwa einem Drittel seines ursprünglichen Wertes gehalten. Die Temperatur zeigt jedoch ein stetiges Ansteigen während des weiteren zeitlichen Ablaufes des Impulses der Stufe IV, was durch die Vermischungserhitzung bedingt ist, und erreicht Werte von etwa lOkeV. Das S₂-FeId (B₂-Kurve 254, s. F i g. 9), das nun einen Wert von 550 Kilogauß hat, nimmt infolge der einsetzenden Diffusion der

schlossenen Volumen 274. Während der Ionisierungsund Teilverengungsstufe 248 werden die B₂-Linien, wie bei 275 gezeigt, verdichtet. Das Volumen 276 enthält das Se-FeId, also das Eigenmagnetfeld der 5 Plasmaentladung. Daher werden während der Stufe 248 die B₂-Feldlinien innerhalb des Plasmas verdichtet und innerhalb der Stromhülle 273 begrenzt und ein Magnetfeld im Volumen 276 durch den in der verengten Entladung fließenden Strom erzeugt

B₂-Feldlinien durch die Stromhülle und durch das io Am Punkt 265 am Ende der Stufe 249 wird durch die Verengung umgebende Be stetig ab, wie nach- den Impuls von der Stufe HI das S₂-FeId innerhalb stehend näher beschrieben wird. Nach etwa einer der Verengung weiterverdichtet und ein stärkeres Zehntelsekunde oder geringfügig früher hat der S₁₉-FeId im Volumen 276 wegen des verstärkten Innendruck des verengten Plasmas durch das Frei- Stromfiusses im verengten Plasma erzeugt. Vom Zeitsetzen energiereicher Teilchen aus Kernreaktionen so 15 punkt 270 an diffundieren das S₁₉-FeId und eingezugenommen, daß der durch die umgebenden Ma- schlossene B₂-FeId dann ineinander, wobei die magnegnetfelder ausgeübte Außendruck überschritten wird, tische Energie zur weiteren Erhitzung des eingeso daß sich das verengte Plasma auszudehnen beginnt. schnürten Plasmas ausgenutzt wird. Die S₂- und Be-Felder dehnen sich aus und ziehen In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß

sich zusammen, wodurch von neuem Spannungen in so die Wicklung 135 mehrere wichtige Aufgaben hat der Wicklung 135 und in dem leitenden Mantel 116 Erstens verhindert sie, daß das B₂-FeId das Volumen induziert werden. Die im Mantel 116 induzierte Span- 276 durchdringt. Zweitens kann, da die Wicklung nung ist in ihren Vorzeichen der ursprünglichen 135 in jeder gewünschten Richtung gewickelt werden Spannung entgegengesetzt, die an der Außenseite an- kann, der in ihr durch induktive Kopplung mit dem gelegt wurde, und wird dazu verwendet, die Konden- 35 leitenden Mantel 116 induzierte Strom so gestaltet satoren der Stufen III und IV von neuem aufzuladen werden, daß er innerhalb des Volumens 276 ein dem (s. die Kurve 272 in F i g. 10). S₂-FeId entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld er-

Aus Fig. 9 ergibt sich, daß das Plasma mit einem zeugt. Daher ist, wenn dieses durch die Wicklung Faktor 10 verdichtet wird und daß die Verdichtung, 135 erzeugte Feld mit dem durch die verengte Entauf die die gegenseitige Vermischung folgt, das Mit- 30 ladung erzeugten B^-Feldes zusammengenommen tel ist, durch welches die Temperaturen von der wird, das resultierende Feld in 276 eine Spirale mit Größenordnung von 10 Millionen Grad Celsius er- einer Richtung, die derjenigen des eingeschlossenen reicht werden. Hierbei ist ferner zu erwähnen, daß S₂-Feldes entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wird diese Verdichtung mit Hilfe von magnetischen FeI- eine stärkere Torsion an der Plasmabegrenzung erdern erreicht wird, so daß zu dem Zeitpunkt, in 35 zeugt. Daher ist, beispielsweise bezogen auf F i g. 12, welchem sich das verengte Plasma ausdehnt und mit das eingeschlossene B₂-FeId nach rechts gerichtet

Das Be-FeId verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene, während das B₂-FeId, das durch den Strom der Spule 135 erzeugt wird, in Richtung des Pfeils 277 ver-40 läuft. Daher müßten, damit B₂-Feldlinien aus der eingeschnürten Entladung austreten können, diese nicht nur die stromführende Umhüllung 273 durchdringen, sondern auch durch ein Magnetfeld im Volumen 276 hindurchtreten, das um mindestens 90° phasenver- 250, 251 und 252, welche den Stufen in F i g. 9 und 45 schoben ist und sich einem Phasenunterschied von 10 entsprechen, in Aufeinanderfolge nach rechts dar- 180° annähern kann.

gestellt sind. An dem Punkt, an welchem die Stufe Am Ende der Vermischungs-Erhitzungsstufe (Stufe

247 endet und die Ionisationsstufe 248 beginnt, wird IV) wird ein nicht gezeigter Schalter, an den die das Gas von den Wänden weggezogen und eine Enden der Wicklung 135 während der vorangehen-Stromhülle 273 erzeugt, die im wesentlichen rohr- 50 den Stufen angeschlossen sind, geöffnet. An diesem förmig ist und das primäre Volumen darstellt, durch Punkt hat die Wicklung 135 ihre Aufgabe, die Einweiches der Strom längs der verengten Entladung schnürung zu stabilisieren, erfüllt; sie muß schon fließt. Am Ende der Stufe 248 und während der Jou- deswegen unterbrochen werden, um die aus den umleschen Erhitzungsstufe 249 ist der Durchmesser der laufenden Strömen sich ergebenden hohen /²i?-Vereingeschnürten Entladung wesentlich geringer als der 55 luste zu vermeiden, welche durch die sich ausdehnenursprüngliche. Gerade während dieser Stufen werden den Magnetfelder induziert werden, starke Ströme und hohe Temperaturen erreicht. Die Fig. 13 gibt Aufschluß über die Größe des

Stufe 250 für die adiabatische Verdichtung und Er- ß_e-Feldes an der Einschnürung und an der Kammerhitzung zeigt, daß die eingeschnürte Entladung, wand als Funktion der Zeit. So hat am Punkt 257 in welche alle S₂-Linien enthält, auf ein Drittel ihres 60 Fig. 13 (s. auch Fig. 10) das B₈-FeId an der Grenzursprünglichen Durchmessers verringert worden ist, fläche zwischen dem Plasma und dem Vakuum einen woraus sich ergibt, daß das innerhalb der Strom- geringfügig höheren Wert (B _θρ) erreicht — an der hülle 273 enthaltene Gas etwa um einen Faktor 10 Wandung CB _{β W}-Wert), wie den Kurven 278 und 279 verdichtet worden ist. entnommen werden kann. Am Punkt 265, d. h. beim

In Fig. 12 ist schematisch der zeitliche Ablauf 65 Anlegen der Kondensatoren der Stufe III, steigt Be_p des Einschnürprozesses dargestellt. Während der Vor- sehr viel rascher an als Β_θη, und erreicht während ionisationsstufe 247 verlaufen die B₂-Linien gleich- der Stufen 251 und 252 Werte, welche dreimal so mäßig in dem innerhalb der Wicklung 135 einge- groß wie die Werte von B_{8 w} sind. Dies ist verständ-

der Wicklung 135 in Berührung kommt, die durch die Wände während der Wärmeübertragung auf das Kühlmittel erreichten Temperaturen unter dem Schmelzpunkt der gewöhnlichen Stoffe liegen.

Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm, welches die relative Lage des verengten Plasmas zur Wicklung 135 zeigt. Die Vorionisationsstufe 247 ist auf der linken Seite der Fig. 11 gezeigt, während die Stufen 248, 249,

lieh, da der Durchmesser der Einschnürung auf ein Drittel seines ursprünglichen Wertes verringert worden ist.

Fig. 14 zeigt in graphischer Darstellung die Verhältnisse zwischen der an den leitenden Mantel 116 angelegten Spannung (Kurve 256), dem .B₂-FeId innerhalb der eingeschnürten Plasmazone (Kurve 254) und dem B₂-FeId außerhalb der Einschnürung in der Nähe der Plasma-Vakuum-Zwischenfläche (Kurve Stoff

Güteziffer

(willkürlicher

Maßstab)

B₄C

Wolfram

Borcarbid,

Molybdän

Graphit

Kupfer

280), wobei die Kurven 254 und 256 mit den gleichen io Tantal

Kurven in Fig. 9 und 10 identisch sind. Die Kurven Beryllium

254 und 280 sind während der Periode 247 vor dem Silber

Anlegen der ersten Spannung an den leitenden Man- Zirkon

tel 116 identisch. Zum letzteren Zeitpunkt induziert Gold

das magnetische Feld, das den ansteigenden Strom 15 Nickel

in 116 umgibt, einen Strom in der kurzgeschlossenen Eisen

Wicklung 135, der ein U₂-FeId erzeugt, das dem- Nickelstahl

jenigen im Plasma entgegengesetzt verläuft. Da der Berylliumoxyd

Hauptteil des ursprünglichen £₂-Feldes innerhalb des Siliciumcarbid

sich einschnürenden Plasmas eingeschlossen ist, hebt ao Aluminium .., das durch die Wicklung 135 erzeugte B₂-FeId den Berylliumcarbid übrigen Teil des ursprünglichen Feldes auf und geht rasch in den negativen Bereich über, um ein umgekehrtes Differenz-B₂-Feld im Vakuum zu erzeugen, dessen Betrag von der Größe des angelegten Spannungsimpulses und der Induktivität der Wicklung 135 abhängt.

Infolge der zeitlichen Verzögerung zwischen dem angelegten Spannungsimpuls und dem Stromanstieg in der Wicklung 135, wie in der Kurve 281 (F i g. 13) dargestellt ist, fällt dieses umgekehrte JS₂-FeId am Ende des ersten Spannungsimpulses nicht zusammen; es steigt vielmehr weiterhin langsam an, bis der zweite Impuls bei 265 angelegt wird, was ein zweites Zirkonoxyd
Aluminiumoxyd
Pyrex

18,510 14,430 11,800 9,610 9,340 8,300 7,640 7,260 7,150 6,900 6,720 6,000 5,500 4,690 4,440 3,500 2,830 1,690 1,630 340

Da eine Verunreinigung des Plasmaraumes nicht völlig vermieden werden kann, ist zu vermeiden, daß Metalle von höherer Ordnungszahl, wie Wolfram, dem Plasma ausgesetzt sind. Der beste Kompromiß scheint darin zu liegen, eines der Metalle zu verwenden, die eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie eine verhältnismäßig hohe Gütezahl und eine nicht zu hohe Ordnungszahl haben, wie z. B. Kupfer, Aluminium oder Beryllium. Die Möglichkeit der Ver-

Ansteigen von S₂ in der umgekehrten Richtung zur 35 Wendung neuer intermetallischer Verbindungen, z. B. Folge hat. Am Ende dieses Impulses, am Punkt 270, setzt die Vermischungserhitzung ein, da das eingeschlossene B₂-FeId aus dem Plasma herauszudiffundieren beginnt. Dieser Zeitpunkt ist verzögert und die Stabilität des eingeschnürten Plasmas durch die starke Torsion an der Plasmabegrenzung als Folge des umgekehrten Β.,-Feldes im Vakuum verlängert worden.

Bei der Beurteilung der möglichen Stoffe für die Wicklung 135 ist davon auszugehen, daß der Temperaturanstieg Δ T einer Fläche, auf die ein Energiefluß Q einfällt, aus der Formel

sich ergibt, wobei

C = Wärmeleitfähigkeit, K = Wärmekapazität, ρ — Dichte,
t = Zeit

Zum Vergleich möglicher Stoffe wird eine Güteziffer M durch ßi^1/a definiert, wobei AT_MP den Schmelzpunkt des verwendeten Stoffes bezeichnet, also

M = Q *Va = konstant · fCK_v · Δ Tmp ■

Die hiernach bestimmten relativen Gütezahlen möglicher Stoffe für die Wicklung 135 sind in der Tabelle zusammengestellt:

MgBe₁₃, soll nicht unbeachtet bleiben.

Wie sich aus der rechten Seite der Fig. 9 ergibt, wird bei etwa 0,1 Sekunde die Streuung desB₂-Feldes beträchtlich, so daß Bg und B₂ nicht mehr die Werte haben, die erforderlich sind, um die Einschnürung stabil zu halten.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß ein Arbeitszyklus etwa 0,1 Sekunde dauert und daß zumindest während der Hälfte dieses Zyklus Kernreaktionen stattfinden und Energie in Form von Bremsstrahlung, Neutronen und geladenen Teilchen erzeugt wird. Das reagierende Plasma enthält Reaktionsprodukte, die in ein Gasrückgewinnungs- und Reinigungssystem abgeführt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind 0,9 Sekunden nach der Energieerzeugung zur Wärmeabfuhr vorgesehen. Es ist daher eine Arbeitsperiode von einer Sekunde bevorzugt.
Obwohl keine Abmessungen für die beschriebene Ausführungsform gegeben worden sind, da sie durch an sich bekannte Verfahren festgelegt werden können, ist zu erwähnen, daß ein ringförmiges Gasvolumen mit einem Hauptdurchmesser von 200 cm und rund 20 cm² Querschnitt bei einem Fülldruck von 100 Mikron von 50% D₂, 50% T₂ geeignet ist. Die aus einer Plasmavorrichtung nach der Erfindung austretenden Teilchen und Strahlungen, z. B. Protonen, He³-Kerne, Alphateilchen, Bremsstrahlung usw., werden entweder in der Wicklung 135 oder in derem Kühlmittel absorbiert, wodurch deren bzw. dessen Temperatur erhöht wird. Die im Plasma erzeugten Neutronen sind schnelle Neutronen mit Energien von 2 bis 14 MeV, die vom Strukturmaterial der

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Apparatur wenig absorbiert werden und daher zum größten Teil aus dieser austreten.

Neutronen dieser Art können in verschiedener Weise ausgenutzt werden. So kann in Verbindung mit einem Brutmantel aus Lithium, wie symbolisch in F i g. 4 dargestellt ist, Tritium nach der Reaktion

_oni + ₃Li6 _► jH³ + ₂He⁴

hergestellt werden. Ferner können in Verbindung mit Brutmänteln aus Uran oder Thorium spaltbare Isotope erbrütet werden. Es ist ferner ohne weiteres möglich, bei der Plasmavorrichtung nach der Erfindung einen Mantel oder eine Hülle aus spaltbaren Isotopen, wie U²³⁵ oder Pu²³⁹ in einer nichtkritischen Konfiguration zu verwenden, wodurch ein Kernspaltungsreaktor erhalten wird, für den keine Regelstäbe erforderlich sind und die verfügbare Energie um ein Mehrfaches erhöht wird.

Ein solcher Mantel kann gleichachsig mit der Ring- oder linearen Plasmakammer oder in Form einer sphärischen Hülle angeordnet werden, die die ganze Kammer umgibt. Der Spaltreaktor kann für den Betrieb mit ungebremsten schnellen Neutronen, die im Plasma freigesetzt werden, ausgebildet werden; aber auch ein Betrieb mit Neutronen von geringeren Energien, beispielsweise durch eine homogene Dispersion des spaltbaren Materials in einem Moderator oder durch die Zwischenschaltung einer Moderatorhülle ist möglich. Es ist sogar möglich, die Neutronenenergie direkt auszunutzen, beispielsweise dadurch, daß ein Mantel aus einem Moderator-Kühlmittel vorgesehen wird, der dick genug ist, um die Neutronen auf thermische Energien zu bringen. Besondere Vorrichtungen hierzu sind nicht gezeigt, da ihr Aufbau dem Fachmann an sich bekannt ist.

Die vorangehend beschriebene Ausführungsform wurde wiederholt zur Erzeugung von Neutronenimpulsen von mindestens 10⁷ je Zyklus bei Deuteriumgasfüllungen von 2 Mikron mit einem anfänglichen S₂-FeId von 2,5 Kilogauß und einem Verengungsstufengradienten von 150 Volt/cm verwendet. Obwohl die Erfindung vorangehend im einzelnen nur in Verbindung mit einer toroidalen Geometrie beschrieben wurde, bestehen für den Fachmann nunmehr keine Schwierigkeiten mehr, sie auf andere Formen, beispielsweise auf lineare Entladungsvorrichtungen anzuwenden.

Der technische Fortschritt bei der Plasmavorrichtung nach der Erfindung ist einerseits in der Erhöhung der Stabilität der Plasmaeinschnürung, wodurch eine stärkere Erhitzung des thermonuklearen Brennstoffs und eine längere Zeitdauer für Kernreaktionen ermöglicht wird, und andererseits in einer wesentlichen Verringerung der Wandverunreinigungen zu erblicken, was geringe Bremsstrahlungsverluste zeitigt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines hochtemperierten Plasmas, bestehend aus einer toroidförmigen, mit Deuterium oder einer Mischung von Deuterium und Tritium gefüllten Kammer aus elektrisch isolierendem Material, aus einem diese Kammer umgebenden und den elektrischen Strom leitenden Mantel, der in ein Paar von im Abstand voneinander angeordneten und an eine Stromquelle angeschlossenen Elektroden endigt, um das Gas zu ionisieren und in dem dadurch entstandenen Plasma einen Strom zu induzieren, der es einengt und erhitzt, aus einer ersten Magnetspule, die den Mantel umgibt sowie diesen als Rückstromleitung verwendet und die mit einer Stromquelle verbunden werden kann, um ein im wesentlichen konstantes, axiales Magnetfeld in der Kammer zu erzeugen, wodurch das Plasma eingeengt, das von dem Mantel erzeugte axiale Magnetfeld in der Kammer verdichtet und das Plasma durch die Überlagerung dieses Magnetfeldes und des in Umfangsrichtung gerichteten Magnetfeldes infolge der Einengung stabilisiert und erhitzt wird, gekennzeichnet durch eine innerhalb der Kammer (115) angeordnete Wandabschirmung, die aus einer elektrischen Wicklung (135) besteht, deren Enden kurzgeschlossen sind, wobei diese Wicklung (135) koaxial zu dem Mantel (116) angeordnet ist und die Form einer hohlen Spirale besitzt, welche nahe der inneren Oberfläche der Kammer (115) angeordnet ist und deren benachbarte Windungen sich überlappen und elektrisch voneinander getrennt und bezüglich der Richtung des Stromes, welcher durch den Mantel fließt, einen solchen Windungssinn aufweisen, daß infolge der elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Mantel (116) und dieser Wicklung (135) ein dem Magnetfeld der ersten Wicklung entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt wird, wobei diese Wicklung (135) aus einem Material hoher Güte und niedriger Ordnungszahl hergestellt ist.

2. Plasmavorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Moderator-Kühlmittelmantel umgeben ist, der hinreichend stark ist, um Neutronen mit der höchsten Energie in thermische Neutronen umzuwandeln.

3. Plasmavorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator-Kühlmittelmantel von einem zweiten Mantel umgeben ist, der aus einem spaltbare und brütbare Isotope enthaltenden Material in nicht kritischer Zusammensetzung besteht.

4. Verwendung einer Plasmavorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Neutronenquelle zur Erzeugung von mindestens Neutronenstößen pro Arbeitszyklus bei einer Deuteriumgasfüllung von einem Druck von Mikron mit einem Anfangsfeld in Achsenrichtung von 2,5 Kilogauß und einem Einengungsstufengradienten von 150 Volt/cm.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 873 594, 905 765,

905766; »Nucleonics«, Vol. 14. Nr. 2, Februar 1956,

S. 43/44.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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