DE1263938B - Vorrichtung zur immateriellen Begrenzung eines Hochtemperaturplasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21b

H05h

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer: 1263 938

Aktenzeichen: C 31609 VIII c/21

Anmeldetag: 6. Dezember 1963

Auslegetag: 21. März 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur immateriellen Begrenzung eines Hochtemperaturplasmas mit Hilfe einer Anordnung von magnetischen Spiegeln, welche gleichachsig und beiderseits einer zur gemeinsamen Symmetrieachse senkrechten Symmetrieebene angeordnete Spulen aufweist, wobei die Richtung des elektrischen Stromes durch die Spulen auf der einen Seite der Symmetrieebene der Stromrichtung in den Spulen auf der anderen Seite der Symmetrieebene entgegengesetzt ist.

Ein Plasma läßt sich bekanntlich für die Zwecke der Kernspaltung nur dann verwenden, wenn seine Temperatur und seine Dichte über eine hinreichend lange Zeit auf einem sehr hohen Wert gehalten werden können. Die Einschließung eines solchen Plasmas innerhalb fester Wände scheitert aus Materialgründen, da es kein Material gibt, das den erforderlichen hohen Temperaturen über längere Zeit gewachsen wäre. Dementsprechend ist es üblich geworden, immaterielle Mittel für die Einschließung des Plasmas heranzuziehen und insbesondere mit magnetischen Feldern zu arbeiten.

In Anwendung dieses Prinzips sind zunächst Vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen ein axialsymmetrisches magnetisches. Feld mittels einer Art von Spiegelwirkung ein zylinderförmiges Plasma nicht über die Stirnflächen des Zylinders hinaustreten läßt. Vorrichtungen zum Begrenzen eines Plasmas, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 1087 287, den Seiten 51 bis 64 des Buches von Bishop »Project Sherwood«, 1958, und den Seiten 145 bis 156 des Bandes 34 von 1962 der »Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften« beschrieben. Außer der auf diese Weise erzielbaren Begrenzung des Plasmas in axialer Richtung ist jedoch auch eine radiale Umschließung erforderlich. Auch diese läßt sich mit magnetischen Mitteln erzielen. Ein Beispiel für eine entsprechende Vorrichtung ist in der deutschen Auslegeschrift 1 094 889 beschrieben, bei der zwei einander gegenüberliegende Spulen von entgegengesetzten Strömen durchflossen werden. Dadurch entsteht ein Magnetfeld, bei dem nicht nur in Richtung der Kraftlinien durch deren Zusammenlaufen an den Enden der Nutzzone, innerhalb deren das Plasma eingeschlossen werden soll, eine Begrenzung erfolgt, sondern auch senkrecht zu diesen Kraftlinien dadurch, daß diese gegenüber dem Plasma eine konvexe Form aufweisen. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind also zwei Bedingungen erfüllt: es herrscht einmal in Axialrichtung im Inneren der Nutzzone ein Feldstärkeminimum, und es ergibt sich Vorrichtung zur immateriellen Begrenzung eines Hochtemperaturplasmas

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Jean Andreoletti,

Le Chesnay, Seine-et-Oise (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 12. Juli 1963 (941 318)

andererseits durch den konvexen Verlauf der Kraftlinien eine stabile Begrenzung des Plasmas senkrecht zu den Kraftlinien. Nachteilig ist jedoch bei dieser Vorrichtung, daß das Plasma relativ leicht verlorengeht. Das Feldstärkeminimum im Bereich der Ein-Schließungszone hat nämlich den Wert Null; ein solches System ist zwar gegenüber den hydromagne-¹ tischen Austauschkräften stabil, erfährt jedoch durch den Nullwert des Magnetfeldes eine erhebliche Schwächung der Einschließungskräfte für die unabhängigen Teilchen. Diese diffundieren daher in erheblichem Ausmaß in den Verlustkegel des Einschließungsfeldes, und demzufolge vermindert sich die effektive Einschließungszeit der Plasmateilchen erheblich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art eine Einschließung des Plasmas nicht wie bei den bekannten Vorrichtungen im Zentrum und bei einem Wert Null für die magnetische FeIdstärke, sondern an anderer Stelle in der Weise vorzunehmen, daß das Plasma parallel und senkrecht zu den Kraftlinien stabil begrenzt ist und nicht verlorengehen kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Magnetfeldstärke zwischen den jeweiligen beiden Endspulen der beiderseits der Symmetrieebene angeordneten Gruppen von Spulen ein Minimum auf-

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mindern. Man gelangt auf diese Weise zu einer Vorrichtung, bei der die beiden Windungsgruppen etwa die Form zweier Kegelstümpfe aufweisen, deren Basen nahe der Ebene liegen.

Diese Kegelstümpfe können entweder durch gegebenenfalls zu Spulen zusammengefaßte Windungen oder durch ein zusammenhängendes Blech gebildet werden, das man beispielsweise mit pulsierendem Strom speist.

In der Zeichnung ist schematisch ein Ausf ührangsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Achse der Vorrichtung ist mit Oz bezeichnet, die Spur der Symmetrieebene auf der Zeichenebene mit Or. Oberhalb der Achse Oz ist die Vorrichtung im Schnitt

weist und die zweite Ableitung der Funktion B(f) nach r kleiner ist als——, wobei B die Magnetfeldstärke und r der auf der gemeinsamen Achse vom Schnittpunkt der Achse mit der Symmetrieebene aus gerechnete Abstand ist.

Die Erfindung beruht dabei auf der im folgenden näher erläuterten Erkenntnis, daß man die beiden eingangs genannten, für die Begrenzung des Plasmas wesentlichen Bedingungen (Feldminimum und Begrenzung des Plasmas durch konvex gekrümmte Feldlinien) nicht nur im Zentrum einer Gruppe von zwei entgegengesetzt stromdurchflossenen Spulen (wie bei der bekannten Ausführung), sondern auch

bei einem von Null verschiedenen Wert des Achs- 15 veranschaulicht. Sie wird durch zwei symmetrisch abstandes oder Radius r erfüllen kann, wobei sich angeordnete Gruppen von je fünf ringförmigen dann ein vom Wert Null verschiedenes Minimum Spulen 1, 2, 3, 4 und 5 bzw. 1', 2', 3', 4' und 5' gedes Magnetfeldes B ergibt. bildet. Die Lage der Mittelpunkte der Spulenquer-

Nimmt man an — was der einfachste Fall ist, von schnittsflächen sowie die durch die Spulen fließenden dem man sich in der Praxis meist nicht allzu weit 20 Ströme gehen aus folgender Tabelle hervor: entfernen wird —, daß die von den beiden Windungsgruppen gebildeten Flächen symmetrisch zu
der genannten Ebene liegende Rotationsflächen
(bezogen auf die senkrecht auf der Ebene stehende
Achse der beiden Windungsgruppen) sind, und be- 25
zeichnet man die Höhe eines beliebigen Punktes
einer Kraftlinie, d. h. den Abstand von der genannten
Ebene, mit z, so ergibt sich die Bedingung der konvexen Form der zur Symmetrieebene benachbarten
Kraftlinien leicht aus der Gleichung, die die Auf- 30
rechterhaltung des Magnetflusses F in einem Kraft-

Spule	Mittlerer Radius	Mittlere Höhe	Strom
1	(mm)	(mm)	(Awdg)
2	45	44	100
3	75	34	25,5
4	105	24,5	15,5
5	135	20,5	24
164	20,5	27,8

linienrohr ausdrückt (2nrzB = F):
2 52 + 2 ß'²r² + 2 BB'r

BB

co

Die Striche bedeuten hierbei die Ableitungen nach r. Da für das Minimum gilt: B' = 0, folgt aus Gleichung (I)

B" < —.

Hieraus ergibt sich ein Magnetfeld, das ein Minimum zwischen den Spulen 3 und 3' aufweist. Das »Spiegelverhältnis«, d.h. das Verhältnis des Wertes des Feldes an einem seiner Maxima (zwischen den Spulen 1 und 1' einerseits und den Spulen 5 und 5' anderseits) zu dem Wert des Feldes beim Minimum beträgt 1,085. Das Feld im Ursprung O ist selbstverständlich Null. Die Stromversorgung der Spulen ist nicht veranschaulicht, da sie keine Besonderheit aufweist. Ebenso sind die Einführung des zu ionisierenden Gases sowie die Pumpeinrichtungen nicht dargestellt. Die Ionisation ergibt sich in bekannter Weise aus dem Anwachsen des Stromes in den Spulen.

Unterhalb der Achse Oz sind zwei symmetrisch

Bei der vorliegenden Vorrichtung liegt das Feld- 45 zueinander verlaufende magnetische Kraftlinien 6,6' minimum auf einem Kreis in der Symmetrieebene. veranschaulicht. In der Höhe der Spulen 3 und 3' Das Plasma in dieser Nutzzone ist dabei von konvex
gekrümmten Kraftlinien begrenzt. Diese Vereinbarkeit zwischen der konvexen Form der auf die Symmetrieebene zu gerichteten Kraftlinien mit der-50
Existenz eines Minimums der Funktion B (r) läßt
sich wie folgt verstehen: Bei großen Werten von r
laufen die Kraftlinien in Richtung auf die Symmetrieebene zusammen (vgl. die Zeichnung); bei
kleinen Werten von r laufen sie dagegen — bei Be- 55 barter Kraftlinien im Hinblick auf das radiale Zutrachtung in einer senkrecht zu Oz liegenden Ebene sammenlaufen mit zunehmender Annäherung an die — in Richtung auf die Rotationsachse Oz radial zu- Achse Oz verkleinert.

sammen. Denkt man sich somit das durch die beiden

Im Interesse der Stabilität des Plasmas nimmt Spulengruppen erzeugte Magnetfeld durch eine Anman die Begrenzung zweckmäßig in der Nähe des 60 zahl von radial verlaufenden Kraftlinienrohren erdem Minimum von B entsprechenden Kreises vor, setzt, in denen der Magnetfluß konstant bleibt, so ist damit das Minimum von B (r) so ausgeprägt wie für die Vorrichtung wesentlich, daß sich mit zumöglich ist. Man gibt zu diesem Zweck dem Ver- nehmendem r der Querschnitt eines solchen Krafthältnis der extremen Radien große Werte. linienrohres zunächst vergrößert, dann ein Maximum

Zur Erzielung des Zusammenlaufens der magne- 65 erreicht (Feldminimum) und dann wieder abnimmt, tischen Kraftlinien zur Symmetrieebene bei großen wobei der genannte mittlere Bereich des Feld-Werten von r ist es anderseits zweckmäßig, die minimums von konvex gekrümmten Feldlinien beHöhe ζ der Windungen bei zunehmendem r zu ver- grenzt wird.

verlaufen sie noch — wenn auch nur geringfügig — auf die Symmetrieebene Oz zu; ihre konvexe Form ist also noch zum Plasma hin gerichtet.

Um sich das erwähnte Zusammenlaufen der Kraftlinien bei kleiner werdendem r zu vergegenwärtigen, denke man sich die Kraftlinien einer Spulengrüppe auf die Symmetrieebene Or projiziert. Man erkennt dann, daß sich der Abstand benach-

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur immateriellen Begrenzung eines Hochtemperaturplasmas mit Hilfe einer Anordnung von magnetischen Spiegeln, welche gleichachsig und beiderseits einer zur gemeinsamen Symmetrieachse senkrechten Symmetrieebene angeordnete Spulen aufweist, wobei die Richtung des elektrischen Stromes durch die Spulen auf der einen Seite der Symmetrieebene der Stromrichtung in den Spulen auf der anderen Seite der Symmetrieebene entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstärke zwischen den jeweiligen beiden Endspulen (1, 5) der beiderseits der Symmetrieebene (7) angeordneten Gruppen von Spulen ein Minimum aufweist und die zweite Ableitung der

Funktion B (r) nach r kleiner als —j- ist, wobei

B die Magnetfeldstärke und r der auf der gemeinsamen Achse vom Schnittpunkt der Achse mit der Symmetrieebene aus gerechnete Abstand ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem mittleren Abstand der achsfernsten Spule (5) und dem mittleren Abstand der achsnächsten

IO Spule (1) von der gemeinsamen Symmetrieachse größer als 2 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem mittleren Abstand der achsfernsten Spule (5) und dem mittleren Abstand der achsnächsten Spule (1) von der Symmetrieachse größer ist als der mittlere Abstand dieser Spulen von der Symmetrieebene.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Amperewindungen pro Längeneinheit, gemessen längs des Achsabstandes, im Bereich der Extremwerte des Abstandes größer ist als in mittleren Bereichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulengruppen die Form zweier abgestufter Kegelstümpfe aufweisen, deren Basen der Symmetrieebene benachbart sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1094 889,

287;
A. S. B i s h ο ρ, Project Sherwood, 1958, Reading,

USA, S. 51 bis 64;

Ergebnisse der exakten Naturwissenschaften,

Bd. 34, 1962, Berlin, S. 145 bis 156.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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