DE1192335B

DE1192335B - Plasma-Vorrichtung der Bauart >>Stellarator<<

Info

Publication number: DE1192335B
Application number: DEU6440A
Authority: DE
Inventors: Russell Marion Kulsrud; Lyman Spitzer Jun
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1958-08-20
Filing date: 1959-08-20
Publication date: 1965-05-06
Also published as: FR1233894A; NL242235A; NL278261A; GB875941A; US3012955A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G 21

Deutsche Kl.: 21 g - 21/21

Nummer: 1192335

Aktenzeichen: U 6440 VIII c/21 g

Anmeldetag: 20. August 1959

Auslegetag: 6. Mai 1965

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Vorrichtung der Bauart »Stellarator« zum Erzeugen und Erhitzen eines Plasmas auf hohe Temperaturen in einem endlosen, torusförmigen Entladungsrohr, auf dem neben einer zirkulär gewickelten Spule zur Erzeugung des toroidalen Hauptmagnetfeldes noch mehrere Spiralwicklungen zur Erzeugung von dem Hauptmagnetfeld überlagerten spiraligen Magnetfeldern vorgesehen sind.

Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art werden durch die verschiedenen Wicklungen Potentialflächen des magnetischen Führungsfeldes erzeugt, die die Form von Spiralflächen aufweisen.

Demgegenüber hat die Erfindung zur Aufgabe, den Querschnitt des magnetischen Führungsfeldes kreisförmig auszubilden, wodurch der Divertor und die magnetischen Pumpabschnitte des »Stellarators« mit höherem Wirkungsgrad arbeiten und somit stabilere Betriebsverhältnisse gewährleisten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einen Enden von jeweils zwei nebeneinander angeordneten und vom Strom in entgegengesetzten Richtungen durchflossenen Windungen der Spiralwicklungen durch Stromschleifen miteinander verbunden sind.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise weggeschnitten, eine Plasma-Vorrichtung der »Stellarator«-Bauart mit einer Ausführungsform des Zirkularisators,

Fig. 2 eine Strichzeichnung, welche die spiraligen Wicklungen und eine durch diese gebildete spiralige magnetische Fläche sowie eine kreisförmige magnetische Fläche darstellt, in welche die spiralige magnetische Fläche umgewandelt wird,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Teils des »Stellarator«-Rohrs, die spiralige Wicklungen und Stromschleifen zeigt, welche das Prinzip des Zirkularisators darstellen,

F i g. 4 eine schematische Ansicht eines Teils des »Stellarator«-Rohrs, welche spiralige Wicklungen und eine Stromschleife nach Art eines Rechtecks gemäß einer Ausführungsform des Zirkularisators zeigt,

F i g. 5 eine schematische Ansicht eines Teils des »StellaratoK-Rohrs, welche spiralige Wicklungen und eine Stromschleife nach Art einer Raute gemäß einer Ausführungsform des Zirkularisators zeigt, welche sich längs des »Stellaratorc-Rohrs über die Hälfte des Abstandes zwischen benachbarten spiraligen Wicklungen erstreckt,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Teils des Plasma-Vorrichtung der Bauart »Stellarator«

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

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

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Russell Marion Kulsrud,

Lyman Spitzer jun., Princeton, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. August 1958
(756 502)

»Stellarator«-Rohrs, welche spiralige Wicklungen und eine Stromschleife nach Art einer Raute gemäß einer weiteren Ausführungsform des Zirkularisators zeigt, welche sich längs des »Stellarator«-Rohrs um den Abstand zwischen zwei benachbarten spiraligen Wicklungen erstreckt,

F i g. 7 eine schematische Ansicht einer Endschleife für den Stellarator, die Teile mit positiver und negativer Krümmung aufweist.

Die Plasma-Vorrichtung nach der Fig. 1 weist ein torusförmiges, unmagnetisches Rohr 10 auf, das eine endlose Kammer 11 begrenzt. Diese endlose Kammer besteht aus zwei parallelen Abschnitten 12 und 14 von gleicher Länge, die an ihren jeweiligen Enden durch halbkreisförmige Abschnitte 16 und 18 verbunden sind. Ein Rohrstück 21 im Abschnitt 16 dient sowohl als Einlaß für den Plasma-Brennstoff 23 als auch zum Evakuieren der Kammer 11 auf ein hohes Vakuum, beispielsweise von 10~⁶ mm Hg.

In der Kammer 11 wird ein toroidales Magnetfeld durch eine elektrische Wicklung 20 erzeugt (von der ein Teil auf den parallelen Abschnitten 12 und 14 und den halbkreisförmigen Abschnitten 16 und 18 dargestellt ist), die in der üblichen Weise durch eine

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nicht gezeigte Gleichspannungsquelle erregt wird. Die gungsionen-Kollektorplatten 60 und 62 bilden eine elektrische Wicklung 20 ist um das Rohr 10 über Umschließung 63, innerhalb der die elektrische Wickdessen volle Länge gewickelt. Die durch diese Wick- lung 52 angeordnet ist. Diese Umschließung 63 teilt lung erzeugten magnetischen Kraftlinien sind um den die Kammer 48 in Unterkammern 64 und 66 auf. Torus herum kontinuierlich. Unter der Wicklung 20 5 Die auf diese Weise in die Unterkammer 64 einbefinden sich auf einem Teil der Länge des Rohrs 10 tretende magnetische Kraftlinie 56 tritt durch die spiralige Wicklungen 22. Vorzugsweise sind die Kollektorplatten 60 und 62 hindurch in die Unterspiraligen Wicklungen 22 überall um das Rohr 10 kammer 66 ein und gelangt aus dieser von neuem in mit Ausnahme am Divertorabschnitt 42 und am das Rohr 10, wobei die Verunreinigungsionen im magnetischen Pumpabschnitt 67 gewickelt. Vorzugs- io Divertor bleiben, aus dem sie durch Pumpen entweise sind vier oder sechs derartige Wicklungen vor- fernt werden.

gesehen, die gleichmäßig auf dem Rohr 10 verteilt Im geraden Teil 12 ist ein Ionenzyklotron-Resosind, wie sich aus dem Querschnitt 25 ergibt. Be- nanzerzeugungsabschnitt 67 zur Plasmaerhitzung annachbarte spiralige Wicklungen 22 werden entgegen- geordnet. Dieser Abschnitt 67 weist eine elektrische gesetzt erregt und teilen dem durch die Wicklung 20 15 Wicklung 68 auf, die um ein Rohr 70 aus Isoliererzeugten axialen Magnetfeld eine Feldkomponente material, das einen Teil des »Stellarator«-Rohrs 10 mit, derart, daß ein rotierendes Magnetfeld mit bildet, gewickelt ist. Das Isolierrohr 70 und die elekradialer Variation resultiert. Jede durch die Wick- irische Wicklung 68 sind innerhalb einer Kammer 102 lungen 20 und 22 in Zusammenwirkung erzeugte des Erzeugungsabschnittgehäuses 104 und zu dem magnetische Kraftlinie erfährt dabei, nachdem sie 20 geraden Rohrstück 12 gleichachsig angeordnet. Das das Rohr 10 einmal durchlaufen hat, eine gewisse Isolierrohr 70 ist an der Toruswandung abgedichtet, winkelige Verlagerung, so daß sie sich nicht in sich um die Wicklung 68 vom Plasma zu isolieren. Das selbst schließen kann. Wegen der radialen Variation Erzeugungsabschnittgehäuse 104 weist ringförmige nimmt diese winkelige Verlagerung mit dem Abstand Endplatten 106 und 108 auf, welche mit dem Teil 12 einer magnetischen Kraftlinie von der magnetischen 25 des Rohrs 10 hermetisch abgedichtet sind. Die Wick-Achse 24 des Rohrs 10 zu. Die magnetischen Kraft- lung 68 besteht aus Wicklungssegmenten 72, 74, 76 linien, welche von der Achse 24 der Kammer 10 wei- und 78. Die äußeren Wicklungssegmente 72 und 78 ter entfernt sind, laufen daher um die Achse 24 in (welche den Enden des Rohrs 70 am nächsten geenger werdenden Schraubenlinien herum. legen sind) sind um das Isolierrohr 70 herum in der

Im Abschnitt 16 ist um das Rohr 10 ein Ferritring 30 einen Richtung gewickelt, während die inneren Wick-

26 angeordnet. Um den Ring 26 ist eine elektrische lungssegmente 74 und 76 in der entgegengesetzten

Wicklung 28 gewickelt. Längs der Achse 24 der Richtung um die Rohrachse gewickelt sind. Obwohl

Kammer 11 tritt eine Hochfrequenzspannung auf, eine gerade Zahl von Wicklungssegmenten dargestellt

wenn die Wicklung 28 an ihren Klemmen 30 und 32 ist, kann auch eine ungerade Zahl von Wicklungen

durch eine nicht gezeigte Hochfrequenzspannungs- 35 vorgesehen sein, vorausgesetzt, daß ihre Zahl größer

quelle erregt wird. Als Folge hiervon tritt eine Hoch- als Eins ist. Die elektrische Wicklung 68 wird über

frequenzentladung im »Stellarator«-Rohr 10 auf, wo- einen Hochspannungsleiter 82 durch einen Hoch-

durch der Plasma-Brennstoff ionisiert wird. frequenzgenerator 80 erregt, der zwischen den Platten

Um den Abschnitt 16 des Rohrs 10 ist zur Ohm- 84 und 86 von Kondensatoren 88 und 90 geschaltet sehen Erhitzung des Plasmas in der Kammer 11 ein 40 ist. Die Platte 92 des Kondensators 90 ist mit der geschichteter Eisenring 34 angeordnet. Dieser Eisen- Verbindungsstelle 94 der Spulensegmente 74 und 76 ring besitzt eine elektrische Wicklung 36, die an ihren verbunden. Niederspannungsleiter 96 und 98 (bei-Klemmen 38 und 40 durch eine nicht gezeigte spielsweise an Erdpotential) verbinden den Hoch-Niederfrequenzspannungsquelle erregt wird. Der ge- frequenzgenerator 80 mit den entgegengesetzten Enden schichtete Eisenring 34 und dessen erregte Wicklung 45 der Wicklung 68. Die Platte 100 des Kondensators 88 36 verursachen eine Ohmsche Erhitzung des Plasmas ist ebenfalls mit dem Leiter 98 verbunden. Die Kondurch Ohmsche Verluste in diesem. densatoren 88 und 90 sind so gewählt, daß sie die

Im geraden Teil 12 des Rohrs 10 ist ein Divertor Eingangsimpedanz der Wicklung 68 an die Ausgangs-

42 angeordnet, um aus diesem Verunreinigungsionen impedanz des Hochfrequenzgenerators 80 anpassen,

zu entfernen. Dieser Divertor weist ein Gehäuse 46 50 Demzufolge erzeugt die Wicklung 68 ein sich ver-

auf, das eine Kammer 48 begrenzt, welche praktisch änderndes Magnetfeld (periodisch sowohl hinsichtlich

eine Erweiterung der Kammer 11 darstellt. Die Kam- der Zeit als auch der Entfernung) längs der Achse 24

mer 48 wird durch eine nicht gezeigte Vakuumpumpe des Isolierrohrs 70.

über ein Rohrstück 50 evakuiert. Eine elektrische Der in der F i g. 1 mit / bezeichnete Rohrabschnitt

Wicklung 52 in der Kammer 48 besitzt einen Innen- 55 umfaßt einen Teil der spiraligen Wicklung 22 und

durchmesser, der größer ist als der des Rohrs 10. eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß aus-

Diese Wicklung 52 wird durch eine Gleichspannungs- gebildeten Zirkularisators 110, wie nachfolgend näher

quelle (beispielsweise durch die gleiche Spannungs- beschrieben ist.

quelle, welche für die Erregung der Wicklung 20 ver- In der Fig. 2 ist eine größte magnetische Fläche

wendet wird) in der Richtung des Pfeils 54 erregt und 60 116 (die einen dreieckähnlichen Querschnitt besitzt)

erzeugt in der Kammer 48 ein Magnetfeld, welches dargestellt, welche ein Plasma begrenzt, sowie eine

das durch die magnetischen Kraftlinien 17 dar- Kreisfläche 118 angedeutet, in welche die Fläche 116

gestellte Begrenzungsmagnetfeld örtlich verzerrt. erfindungsgemäß übergeführt wird. Die Enden der

Dies hat zur Folge, daß die begrenzenden magne- benachbarten spiraligen Wicklungen 120 und 122

tischen Kraftlinien in der Nähe der Wandung des 65 sind ebenfalls mit dargestellt. Die Wicklungen 120

Rohrs 10 in die Kammer 48 gebogen werden, wie führen einen Strom / aus der Ebene der F i g. 2

durch die magnetischen Kraftlinien 56 angedeutet ist. heraus, während die Wicklungen 122 einen Strom /

Parallele, unmagnetische, metallische Verunreini- in die Ebene der F i g. 2 hinein führen. Ein Zirkulari-

Claims

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sator umfaßt eine Stromschleife zwischen nebenein- Krümmung der Rohrachse außerhalb der »Stellaanderliegenden Enden jeder spiraligen Wicklung 120 rator«-Rohrschleife liegt, während es bei der posi- und 122. Die Stromschleifen an den Enden der Wick- riven Krümmung umgekehrt ist. lungen 120 haben eine Polarität, die derjenigen an Für den Fall, daß eine Ladungstrennung infolge den Enden der Wicklungen 122 entgegengesetzt ist. 5 der Krümmung der Endschleife 19 stattfindet (welche

F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung den einen Stromfluß längs der magnetischen Kraftlinien Teil / des »StellaratorÄ-Rohrs. Der erfindungsgemäß im Rohr 10 verursacht), wird die Ladungstrennung, ausgebildete Zirkularisator weist in seiner allgemei- welche sich aus der Krümmung des Abschnitts 128 nen Form Stromschleifen 124 und 126 nach Art eines ergibt, durch eine gleiche, jedoch entgegengesetzt geRechtecks an den Endpunkten der spiraligen Wick- ίο richtete Ladungstrennung kompensiert, die sich aus lungen 120 und 122 an der Oberfläche des Rohrs 10 der Krümmung der Abschnitte 130 ergibt. Die Laauf. Zur Achse 24 des Rohrs 10 senkrecht verlaufende dungstrennung hat das Bestreben, den Wert des Ver-Ströme beeinflussen die Wirkungsweise des Zikulari- hältnisses aus Plasmadruck und Magnetfelddruck sators nicht. Sie verschieben im Bereich des Zirku- zu verringern. Für das Erzielen einer maximalen larisators lediglich die magnetischen Feldlinien nach 15 Leistungsausbeute bei einem »Stellarator« ist es innen oder nach außen. Eine Ausführungsform des zweckmäßig, daß das Verhältnis aus Plasmadruck Zirkularisators ist in der F ig. 4 gezeigt. Ander kreis- und Magnetfelddruck so groß als möglich ist. Im förmigen Schnittlinie (die mit 140 bezeichnet ist) »Stellarator« ist »Eins« der größtmögliche Wert einer Ebene mit der Rohrwandung ist jede spiralige dieses Verhältnisses.

Wicklung 120, 122 usw. so gebogen, daß sie der 20 Der Betrag der Ladungstrennung längs einer Kraft-Schnittlinie folgt. Daher verläuft jede Wicklung, z. B. linie in jedem Abschnitt hängt vom Krümmungshalbdie Wicklung 120, längs der Schnittlinie 140, und messer, der Länge, dem Plasmadruck und dem zwar um die halbe Entfernung von der ihr benach- Magnetfeld ab. Damit die längs einer Kraftlinie batten spiraligen Wicklung, beispielsweise der Wick- aus einem Abschnitt fließenden Ströme, die durch lung 122 und dann im rechten Winkel parallel zur 25 Ladungstrennung im Abschnitt 128 erzeugt werden, Achse 24 um eine Strecke d (d = der Abstand zwi- gerade die Ladungstrennung längs der gleichen Kraftschen den benachbarten spiraligen Wicklungen 120 linie im Abschnitt 130 aufheben, muß das Verhältnis und 122). Ein Teil 141, der längs einer zur Schnitt- der beiden Magnetfelder richtig eingestellt sein, linie 140 parallelen Schnittlinie gewickelt ist, ver- Die in der F i g. 1 schematisch dargestellte Plasmabindet die Enden benachbarter Wicklungen paarweise 30 Vorrichtung wird wie folgt betrieben: und ist dann so gebogen, daß er Verbindung mit der Das Rohr 10 wird über das Rohrstück 21 evakuiert benachbarten spiraligen Wicklung 22 hat. und anschließend der Plasma-Brennstoff 23 in die

Eine zweite Ausführungsform des Zirkularisators Kammer 11 eingeleitet. Die elektrische Wicklung 20,

ist in der F i g. 5 dargestellt. Die Schraubenwindungen welche das axiale Begrenzungsmagnetfeld erzeugt,

120 und 122 sind an ihrer Schnittstelle mit dem 35 und die zusammenwirkenden Teile derselben, 22,140,

Kreis 140 so abgewinkelt, daß der Abstand d 120, 122 und 52, werden durch eine nicht gezeigte

zwischen den Windungen zweimal so groß ist wie Spannungsquelle etwa zum gleichen Zeitpunkt erregt,

j αι. j d ., , „ . -.„ ,, in welchem der Plasma-Brennstoff 23, z.B. Deu-

der Abstand _T zwischen dem Kre_ls 140 und dem ^.^ _{in die Kammer u} eingeleitet wird. Hierauf

ebenfalls mit gestrichelten Linien eingezeichneten 4° wird der Plasma-Brennstoff zu einem Plasma durch Parallelkreis um das Rohr 10, welche Kreise recht- eine Hochfrequenzentladung ionisiert, die, wie erwinklig zu der Achse 24 verlaufen. Das geradlinig wähnt, durch den Ferritring 26 erzeugt wird. Der verlaufende Drahtende, das mit I in F i g. 5 bezeichnet Ring 34 zur Ohmschen Erhitzung wird dazu verist, schneidet ebenfalls eine Linie, die parallel zur wendet, das Plasma in einen Zustand fast völliger Achse 24 und durch den Schnittpunkt des Kreises 140 45 Ionisation zu bringen und das Plasma etwas zu ermit der Wicklung 122 verläuft. Die Wicklungen sind hitzen. Der erforderliche Betrag der Ohmschen Erpaarweise durch einen zu dem Schnittkreis 140 par- hitzung hängt von den besonderen Betriebsbedingunallel verlaufenden Draht verbunden. gen, wie Druck und Temperatur im Plasmaraum, ab.

Eine dritte Ausführungsform des Zirkularisators ist Sodann wird das Plasma durch den Erzeugungs-

in der Fig. 6 dargestellt. Die Hälfte des Stromes in 50 abschnitt 67 erhitzt.

jeder Wicklung 120 ist durch eine Leitung 123 längs Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und

der Schnittlinie 140 zur benachbarten Wicklung 122 beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen be-

geshuntet. Der weitere Verlauf der einander zugeord- schränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens

neten Wicklungen 120 und 122 und deren zweiten verschiedene Abänderungen erfahren.

Shuntung durch einen zur Schnittlinie 140 parallelen 55 _

Draht 124 ist aus der F i g. 6 klar ersichtlich. ^L atentansprucne:

Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht einer End- 1. Plasma-Vorrichtung der Bauart »Stellarator«

schleife 19, wie sie bei einer Plasma-Vorrichtung ge- zum Erzeugen und Erhitzen eines Plasmas auf

maß der F i g. 1 vorgesehen werden kann. Die Teile hohe Temperaturen in einem endlosen, torusför-

128 haben eine positive Krümmung, während die 60 migen Entladungsrohr, auf dem neben einer

Teile 130 eine negative Krümmung haben. Die Teile zirkulär gewickelten Spule zur Erzeugung des

wechseln miteinander ab, wobei weiche Übergangs- toroidalen Hauptmagnetfeldes noch mehrere

flächen zwischen ihnen vorgesehen sind. Die Länge Spiralwicklungen zur Erzeugung von dem Haupt-

der Teile 130 ist geringfügig kürzer als die Länge der magnetfeld überlagerten spiraligen Magnetfeldern

Teile 128. Die kürzere Länge der Teile 130 ist da- 65 vorgesehen sind, dadurch gekennzeich-

durch kompensiert, daß sie einen größeren Rohr- net, daß die einen Enden von jeweils zwei

durchmesser haben als die Teile 128. Unter negativer nebeneinander angeordneten und vom Strom in

Krümmung ist zu verstehen, daß der Mittelpunkt der entgegengesetzten Richtungen durchflossenen Win-

düngen der Spiralwicklungen durch Stromschleifen miteinander verbunden sind.
2. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschleifen rechteckförmig ausgebildet sind.
3. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschleifen durch eine derartige Biegung der Enden der Windungen gebildet sind, daß sie zunächst auf dem Querschnittsumfang des Entladungsrohres verlaufen, dann vor der jeweils nächsten Windung um etwa 90° abbiegen und parallel zur Achse

des Entladungsrohres um eine Strecke _ weiterverlaufen, wobei d der Abstand zweier benachbarter Windungen in Achsenrichtung ist, und schließlich zwei jeweils auf diese Weise geführte Windungen miteinander verbunden sind.
4. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschleifen die so Form eines auf drei Seiten geschlossenen Parallelogramms besitzen.
5. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parallelogrammdiagonale parallel zur Achse des Entladungsrohres

verläuft und eine Länge von y besitzt.
6. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschleifen die Form eines allseitig geschlossenen Parallelogramms besitzen.
7. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden jeweils zweier benachbarter Windungen durch eine auf dem durch diese Enden verlaufenden Querschnittsumfang geführte Verbindung kurzgeschlossen sind und daß die gleichen benachbarten Windungen im Abstand d in Achsenrichtung durch eine weitere Verbindung geshuntet sind, so daß der Strom in den geshunteten Endteilen gleich dem halben Strom in den Windungen ist.
8. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 1, die ein torusförmiges Entladungsrohr mit bogenförmigen Endteilen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsrohr in an sich bekannter Weise einen oder mehrere Abschnitte negativer Krümmung und einen oder mehrere Abschnitte positiver Krümmung in wenigstens einem der gebogenen Endteile aufweist.
9. Plasma-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte negativer Krümmung einen größeren Durchmesser haben und kürzer sind als die Abschnitte positiver Krümmung.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 873 594, 905 766;
»Nucleonics«, Vol. 16, Nr. 5, Mai 1958, S. 122/123.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 568/314 4.65 ® Bundesdruckerei Berlin