DE2010710A1

DE2010710A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Thermonuklearplasma

Info

Publication number: DE2010710A1
Application number: DE19702010710
Authority: DE
Inventors: Petr Leomdowich Moskau M Kapitsa
Original assignee: INST FISICHESKIKH AKADEMII NAU
Current assignee: INST FISICHESKIKH AKADEMII NAU
Priority date: 1969-08-22
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1971-04-08
Also published as: GB1256686A; DE2010710C3; FR2059615A1; DE2010710B2; FR2059615B1; US3749639A

Description

201071(J

Patentanwälte Dipl.-Ing. R. BEtETZ sen. Dipl-Ing. K. UAMPRZCHT Dr.-Ing. R. B E E T Z jr.

8München22, Steinsdorfstr. ¹⁰Cj-JO-15.469P 6.3» 1970

Institut Fizicheskikh problem Akademii Nauk SSSR, MOSKAU (UdSSR)

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Thermonuklearplasma

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung von thermonuklearen Reaktionen, insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Thermonuklearplasmas, die nicht nur entsprechend ihrer Zweckbestimmung, sondern auch z. B. bei physikalischen Untersuchungen von Eigenschaften und Kennwerten eines Hochtemperatur-Plasmas oder zur Untersuchung und zur Durchführung von chemischen Wechselwirkungen mit Plasma benutzt werden können·

Es ist bereits ein Verfahren zur Erzeugung eines Thermonuklearplasmas mit Hilfe einer elektrischen Entladung bekannt, die durch Einwirkung von hochfrequenten elektromagnetischen Schwingungen auf ein Arbeitegas, z. B. auf ein

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Deuterium- und Tritiumgemisch, hervorgerufen wird.

Zur Durchführung des erwähnten Verfahrens sind Einrichtungen bekannt geworden, die mit Arbeitsgas gefüllte Resonatoren enthalten, denen elektromagnetische Hochfrequenzschwingungen über Koppelelemente zugeführt wurden (vgl. z. B. US-PS 3 022 236, Klasse 176-I).

In diesen Einrichtungen wird ein sphärischer Resonator mit einem Arbeitsgas unter niedrigem Druck von ca» Torr angewandt, und es ist schwierig, das Plasma zu stabilisieren und von den Resonatorwänden fernzuhalten, da im Plasma zahlreiche Instabilitäten entstehen, die es zerstören und eine längere Plasmabildung und -erwärmung verhindern·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines Thermonuklearplasmas zu entwickeln, das die Erzeugung eines beständigen, stabilen und dichten Hochtemperatur-Plasmas ermöglicht, und für die zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmte Einrichtung die Voraussetzungen zur Bildung des Thermonuklearplasmas durch Änderung der Arbeitsbedingungen und der Form des Resonators mit einem Arbeitsgas zu schaffen«

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung von Thermonuklearplasma durch Bildung einer elektrischen Entladung in einem Arbeitsgas, wie einem Deuterium- und Tritiumgemisch, durch Einwirkung von elektromagnetischen Hochfrequenzschwingungen auf das Arbeitsgas dadurch gelöst, daß das Arbeitsgas ungefähr bis zum atmosphärischen Druok oder bis zu einem höheren Druckwert komprimiert und in eine Drehbewegung um die Horizontalachse der elektri-

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sehen Entladung versetzt wird, und daß die elektromagnetischen Hochfrequenzschwingungen nach Modus und Frequenz eine maximale Konzentration des elektrischen Feldes in der Entladungsζone gewährleisten.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der eine elektrische Entladung in einem mit einem Arbeitsgas gefüllten Resonator bei Einwia kung über ein Koppelelement dem Resonator zügeführjfce elektromagnetischer Hochfrequerizs^hwingungeri^äfijF das Arbeitsgas entsteht, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch Mittel zur Kompression des Arbeitsgases im Resonator und zur Drehung des Arbeitsgases um die Horizontalachse des Resonators, der die Stabilisierung der elektrischen Entladung in der mittleren Zone des Resonators gewährleistet, wobei der Resonator und das Koppelelement so ausgeführt sind, daß in der mittleren Zone des Resonators die maximale Konzentration des elektrischen Feldes erreicht wird.

Der Resonator kann als Hohlzylinder ausgeführt sein, was seine Herstellung bedeutend vereinfacht.

Zur Senkung der an den Resonatorstirnseiten entstehenden Energieverluste der elektrischen Entladung ist es zweck mäßig, den Resonator als ringförmiges Toroid auszuführen.

Das Mittel zur Drehung des Arbeitsgases kann durch Düsen gebildet werden, die man tangential zu den Resonatorwänden so anordnet, daß das Arbeitsgas in den Resonator tangential eingeführt wird.

Eine· bevorzugte Ausführung besteht darin, daß*der Resonator zur besseren Wärme!solation des Plasmas, besonders

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seiner Ionenkomponente, in einem Solenoid angeordnet ist, das bei Gleichstromdurchfluß durch das Solenoid im Resonator ein konstantes Magnetfeld erzeugt.

Es ist ebenfalls zweckmäßig, zur zusätzlichen Erwärmung des Plasmas, besonders seiner Ionenkomponente, im Resonator eine die Zone der elektrischen Entladung umfassende Spule anzuordnen, die in dieser Zone beim Wechselstromdurchfluß durch die Spule ein veränderliches Magnetfeld erzeugt, das zusammen mit dem konstanten Magnetfeld magnetoakustische Schwingungen oder eine adiabatische Kompression des Plasmas bewirkt.

Zur Nutzung der Energie, die im Plasma bei der thermonuklearen Kernfusion erzeugt und von den Neutronen abgeführt wird, muß das Verhältnis der Resonatorabmessungen und des durch das Mittel zur Kompression des Arbeitsgases im Resonator erzeugten Drucks so gewählt werden, daß die freie Weglänge der Neutronen kleiner als die Resonatorabmessungen ist und die ganze Neutronenenergie in dem die Entladung umgebenden Arbeitsgas freigesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung gestatten es, ein stationäres und beständiges Plasma zu erzeugen, wobei die Möglichkeit geboten wird, das Plasma bis zu den erforderlichen hohen Temperaturwerten zu erhitzen, da beim Verfahren gemäß der Erfindung das Plasma infolge seiner Zusammenwirkung mit dem umgebenden dichten Arbeitsgas festgehalten wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungebeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen in der Zeichnung:

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Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem als Hohlzylinder ausgeführten Resonator (Längsschnitt)j

Fig. 2 die Einrichtung im Schnitt II-II von Fig. 1;

Figo 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem als ringförmiges Toroid ausgeführten Resonator (im Schnitt entlang der Medianebene des Toroids);

Fig. h diesen Schnitt IV-IV in Fig. 3;

S :

Fig. 5 die Einrichtung nach Fig. 1 mit einem Solenoid zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes Im Längsschnitt)}

Fig. 6 diese im Schnitt IV-IV nach Fig. 5i

Fig. 7 die Einrichtung nach Fig. 3 mit einem Solenoid zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes (Schnitt in der Medianebene des Toroids mit teilweise dargestelltem Solenoid)j

Fig. 8 diese im Schnitt VIII-VIII nach Fig. 7?

Fig, Q die Einrichtung nach Flg. 5 mit einer Spule zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes (Längsschnitt)j

Flg. 10 diese im Schnitt X-X in Fig. 9|

Fig. 11 die Einrichtung nach Fig. 7 mit einer Spul· zur

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Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes
(Schnitt in der Medianebene des Toroids mit
einer Teildarstellung des Solenoids)}

Fig. 12 diese im Schnitt XII-XII in Fig. 11}

Fig. 13 eine Gesamtansicht der Einrichtung nach Fig. mit einem Außenkreis, in dem die durch die Neutronen aus der Entladungszone abgeführte Energie abgegeben wird (Längsschnitt des Resonators und Ansicht des Außenkreises)«

Alle nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung enthalten einen mit einem Arbeitsgas (Deuterium- und Tritiumgemisch) gefüllten Resonator» dem über ein Koppelelement elektromagnetische Hochfrequenzschwingungen zugeführt werden, die im Arbeitsgas eine elektrische Entladung auslösen. Die Einrichtung besitzt auch Mittel für die Kompression des Arbeitsgases im Resonator und für die Drehung des Arbeitsgases um die Horizontalachse des Resonators, wodurch die Entladung in der mittleren Zone des Resonators festgehalten wird.

Der Resonator und das Koppelelement sind so aufgebaut, daß die maximale Konzentration des elektrischen Feldes in der Mittelzone des Resonators entsteht.

Das Arbeitsgas kann aus Deuterium, Tritium, Lithiumdämpfen und anderen Stoffen bestehen» die ein teilweise
oder vollständig ionisiertes Plasma im vorgegebenen Temperaturbereich bilden können*

Nachstehend werden die AusfUhrungabeiapiele der Ein-

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richtung zur Erzeugung eines Thermonuklearplasmas auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben.

Im ersten Ausführungsbeispiel der Einrichtung* die in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, hat der Resonator 1 die Form eines Hohlzylinders, in dessen mittlerem Teil die Zone der elektrischen Entladung 2 liegt, und das Koppelelement ist als Koaxialleitung 3 (Fig. i) ausgebildet. Als Koppelelement kann auch ein Hohlleiter dienen. Das Mittel zur Kompression des Arbeitsgases im Resonator 1 ist nicht gezeigter Kompressor, der das Arbeitsgas dem Resonator 1 in der Richtung der Pfeile A (Fig. 2) zuführt und dieses Gas bis zum atmosphärischen Druck oder bis zu einem höheren Druckwert je nach den Kenndaten der Ein_r richtung komprimiert. Als Mittel zur Drehung des Arbeitsgases um die Horizontalachse des Resonators 1 dienen Düsen h_t die tangential an den Resonatorwänden so angeordnet sind, daß das Arbeitsgas in den Resonator 1 tangential eingeführt wird. Das Arbeitsgas tritt aus dem Resonator 1 über Stutzen 5 (Fig. i) in der Richtung der Pfeile B aus.

Bei dem zweiten in Fig. 3 und h gezeigten Ausführungsbeispiel der Einrichtung hat,der Resonator 6 die Form eines ringförmigen Toroids, auf dessen Achse die elektrische Entladung 7 erfolgt. Das Koppelelement und die Mittel zur Kompression und zur Drehung des Arbeitsgases um die Horizontalachse des Resonators 6 sind ebenso wie beim ersten Ausführungsbeiepiel ausgeführt.

Das dritte und das vierte Ausführungsbeispiel der Einrichtung. (Fig. 5t 6 bzw. 7 und 8) sind konstruktiv dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich. Der Unter-

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schied besteht darin, daß zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes im Inneren der Resonatoren 1 und 6 die letzteren jeweils in einem Solenoid 8 bzw. 9 angeordnet sind.

Der Aufbau des fünften und sechsten Ausführungsbeispiels der Einrichtung (Fig. 9, 10 bzw. 11 und 12) ist dem des dritten und vierten Beispiels ähnlich« Der Unterschied besteht nur darin, daß zur Erzeugung eines nichtstationären Magnetfeldes in den Zonen der elektrischen Entladungen 2 und 7 im Innern der Resonatoren 1 und 6 Spulen 10 bzw. 11 angeordnet sind, deren Windungen diese Zonen umfassen,

Zur Erleichterung der Ableitung der bei der thermonuklearen Reaktion freigesetzten und von den Neutronen aufgenommenen Energie wird im fünften Ausführungsbeispiel der Einrichtung das Verhältnis zwischen den Abmessungen des Resonators 1 (Fig. 13) und dem durch den Kompressor 12 erzeugten Druck so gewählt, daß der größte Teil der Neutronenenergie im Arbeitsgas abgegeben wird. (Diese Bedingung für die Wahl der Abmessungen kann auch für den Resonator angewandt werden). Zur Entnahme dieser Energie besitzt die Einrichtung einen Außenkreis, zu dem außer dem Kompressor 12 auch eine Turbine 13t ^β^^η elektrischer Generator 14 und Verbindungsrohrleitungen 15 gehören.

Die Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels der Einrichtung zur Durchführung des gemäß der Erfindung entwickelten Verfahrens ist wie folgt»

Das Arbeiirsgas (ein Deuterium- und Tritiumgemisch) wird im Resonator 1 mittels des Kompressors bis zum atmosphärischen Druck oder bis zu einem höheren Druckwert, wie oben beschrieben, komprimiert»

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Über die Koaxialleitung 3 werden dem Resonator 1 elektromagnetische Hochfrequenzschwingungen mit einer Frequenz zugeführt, die bei vorgegebener Form des Resonators 1 in letzterem Schwingungen mit maximaler Konzentration des elektrischen Feldes in der zentralen Zone des Resonators 1, d. h. in einem von seiner Wand entfernten Gebiet, gewährleistet« Diese Bedingung erfüllen z. B₀ Schwingungen vom Modus E , die im zylindrischen Resonator 1 erregt werden, wobei der Index η gleich zwei oder ^ größer sein muß. In diesem Fall bilden sich im Inneren -,

des Resonators 1 auf seiner Achse ein Bauch oder mehrere Bäuche des elektrischen Feldes je nach dem Indexwert n.

In einem dieser Feldbäuche zündet die elektrische Entladung 2. Die Wärmeisolätion des Plasmas ist dadurch gesichert, daß die Entladung 2 von der Wandung entfernt ist und frei in der Mittelzone des Resonators 1 hängt, woim Feldbauch die Energie des elektrischen Feldes konzentriert ist. Ein durch Auftrieb bedingtes Auftauchen der Entladung 2 verhindert man durch Rotation des Arbeitsgases um die Horizontalachse des Resonators 1, die mit der Horizontalachse der Entladung 2 zusammenfällt. Die Rotation (^ des Arbeitsgases erfolgt, indem es dem Resonator 1 durch die Düsen h zugeführt wird. Da das zugeführte Arbeitsgas eine tangentiale Kömpoanente aufweist, wird es in' eine Drehbewegung um die Horizontalachse der Entladung 2 versetzt. Das Arbeitsgas wird aus dem Resonator 1 durch die Stutzen 5 herausgeführt.

Das durch die erfindungsgeraäße Einrichtung durchgeführte Verfahren sichert eine gute Wärmeisolation der Elektronen, indem es physikalische Vorgänge an der Grenze zwischen dem Plasma und dem Arbeitegas ausnutzt, das die

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Entladung umgibt und sie von den Wänden des Resonators 1 isoliert. Die elektrische Entladung 2 hat vorwiegend die Form eines Ellipsoids, das in eine Fadenform mit scharf umrissenen Grenzen übergeht.

Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das erfindungsgemäße Verfahren auch durch die nach Fig. 3 und h ausgeführte Einrichtung durchgeführt werden. Die Elemente dieser Einrichtung und ihr Zusammenwirken sind den oben beschriebenen ähnlich, der Resonator 6 hat aber keine Zylinderform, sondern ist als ringförmiges Toroid ausgebildet. Der Modus der elektromagnetischen Hochfrequenzschwingungen wird für den Resonator 6 ebenso wie beim zylindrischen Resonator 1 gewählt, und zwar wählt man Schwingungen mit einer Longitudinalkomponente des elektrischen Feldes und mit maximaler Konzentration dieses Feldes längs der Horizontalachse des Resonators 6 in der Zone der elektrischen Entladung 7» In diesem Fall hat die elektrische Entladung 7 die Form eines geschlossenen Ringes,

Da die Entladungen 2 und 7 die Wand der Resonatoren und 6 überhaupt nicht berühren, erhält man in diesen Entladungen ein vollständig ionisiertes Plasma mit einer Temperatur, die hoch genug ist, um im Deuterium- und Tritiumgemisch thermonukleare Reaktionen hervorzurufen.

Um günstigere Verhältnisse für die Entstehung der thermonuklearen Reaktionen zu schaffen, ist es zweckmäßig, die in Fig. 5 bis 8 dargestellten Einrichtungen zu benutzen. Diese Einrichtungen funktionieren ähnlich den beschriebenen Einrichtungen bis auf den Unterschied, daß die Entladungen 2 und 7 in einem konstanten Magnetfeld erfolgen, das durch einen Gleichstrom erzeugt wird, der die um die

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Resonatoren 1 und 6 angeordneten Solenoide 8 bzw. 9 durchfließt. Auf diese Weise wird die Wärmeleitfähigkeit des Plasmas vermindert und die Wirksamkeit seiner Erwärmung durch das Hochfrequenzfeld erhöht. Der Wirkungsgrad der Einrichtung kann vergrößert werden, wenn man anstelle eines gewöhnlichen Solenoids ein supraleitendes Solenoid verwendet.

In den Fällen, wo eine weitere Temperaturerhöhung erforderlich wird, können die in Flg. 9 bis 12 gezeigten Einrichtungen benutzt werden. In diesen Einrichtungen wird die zusätzliche Plasmaerwärmung entweder mit Hilfe von magnetoakustischen Schwingungen oder durch periodische adiabatische Plasmakompression erzielt.

Dies - erreicht man dadurch, daß dem konstanten Magnetfeld eine gleichgerichtete Komponente eines nichtstationäen Magnetfeldes überlagert wird, die sich periodisch in ihrer Größe ändert. Hierbei kommen an der Plasmaoberfläche Druckänderungen zustande, die der Magnetfeldstärke proportional sind und sich mit dem Änderungswert dieses Feldes multiplizierten. Die erwähnte veränderliche Feldkomponente wird durch die Spulen 10 und 11 erzeugt, deren Windungen, wie oben beschrieben wurde, die Entladungszonen 2 und 7 umfassen, ohne die Entladungen zu berühren, und im Inneren der Resonatoren 1 und 6 orthogonal zu den elektrischen Feldlinien angeordnet sind, um das Hochfrequenzfeld nicht zu stören.

Werden die Spulen 10 und 11 von einem Wechselstrom durchflossen, sobilden eich in den Entladungen 2 und 7 magneto akustische Wellen. Wenn den Spulen 10 und 11 Stromimpulse zugeführt werden, erfolgt die adiabatische Plasmakompression.

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Bei Benutzung des gemäß der Erfindung entwickelten Verfahrens kann man nicht nur die Bedingungen für eine thermonukleare Reaktion schaffen, sondern auch die dabei freigesetzte Energie gut abführen»

Zu diesem Zweck wird das Verhältnis der Abmessungen des Resonators 1 und des Arbeitsgasdruckes in der Einrichtung nach Fig. 13 so gewählt, daß die bei der Reaktion erzeugten Neutronen, wie oben beschrieben wurde, eine Weglänge frei durchlaufen, die kleiner als die Resonatorabmessungen ist, wobei die Neutronen einen bedeutenden Teil ihrer Energie an das den Resonator 1 füllende Arbeitsgas abgeben. Die für die Erwärmung des Arbeitsgases verbrauchte Leistung wird dann im Außenkreis beim Umlauf des Arbeitsgases abgegeben. In der Turbine 13 dehnt sich das aus dem Resonator 1 austretende Arbeitsgas adiabatisch aus, und im Kompressor 12 wird es bis zum Arbeitsdruck im Resonator 1 isothermisch komprimiert und tritt dann wieder in den Resonator 1 ein. Die Leistung der Turbine 13 abzüglich der vom Kompressor 12 aufgenommenen Leistung wird im elektrischen Generator 14 wiedergewonnen und dem elektrischen Stromkreis zur weiteren Nutzung zugeführt.

Das erfindunsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bahnen einen neuen Weg zur Durchführung von gesteuerten thermonuklearen Reaktionen und folglich zur Nutzbarmachung der thermonuklearen Energie,

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Claims

Patentansprüche '

1J Verfahren zur Erzeugung von Thermonukleärplasma· durch Bildung einer elektrischen Entladung in einem Arbeitsgas, wie einem Deuterium- und Tritiumgemisch, durch Einwirkung von elektromagnetischen Hochfrequenzschwingungen auf das Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas ungefähr, bis zum atmosphärischen Druck oder bis zu einem höheren Druckwert komprimiert und in eine Drehbewegung um die Horizontalachse der elektrischen Entladung versetzt wird, und daß die elektromagnetischen HochfrequenzscliwingungenrTiach^·—~— Modus und Frequenz eine maximale Konzentration des elektrischen Feldes in der Entladungszone gewährleisten»

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, in der eine elektrische Entladung in einem mit einem Arbeitsgas gefüllten Resonator bei Einwirkung über ein Koppelelement dem Resonator zugeführter elektromagnetischer Hochfrequenzschwingungen auf das Arbeitsgas entsteht, gekennzei ch net durch Mittel -zur Kompression des Arbeitsgases im Resonator (ij 6) und zur Drehung des Arbeitsgases um die Horizontalachse desJRej9o· nators, deir™di=e==S^abd4^i*ie^un^^de^^eiⁱ^kirl!^cTienEntiadung (Z bzw. 7) in der mittleren Zone des Resonators gewährleistet, wobei der Resonator und das Koppelelement so ausgeführt sind, daß in der mittleren Zone des Resonators die maximale Konzentration des elektrischen Feldes erreicht wird.

3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (i) ein Hohlzylinder ist·

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kt Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (6) als ringförmiges Toroid ausgeführt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Drehung des Arbeitsgases Düsen (h) sind, die tangential zur Wand des Resonators (1{ 6) so angeordnet sind, daß das Arbeitsgas in den Resonator tangential einführbar ist.

6, Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1 $ 6) in einem Solenoid (8; 9) angeordnet ist, das'beim Gleichstromdurchfluß durch das Solenoid im Resonator ein konstantes Magnetfeld erzeugt.

7· Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Resonators (1; 6) eine Spule (10; 11) angeordnet ist, die die Zone der elektrischen Entladung (2} 7) umfaßt und in dieser Zone beim Wechselstromdurchfluß durch die Spule ein nichtstationäres Magnetfeld erzeugt, das zusammen mit dem konstanten Magnetfeld magnet ο akustische Schwingungen oder eine adiabatische Kompression des Plasmas bewirkt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abmessungen des Resonators (i) und des durch das Mittel zur Kompression des Arbeitsgases im Resonator (i) erzeugten Druckes so gewählt sind, daß die Neutronen auf ihrer freien Weglänge den Innenraum des Resonators (1) nicht verlassen.

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