NO126713B - - Google Patents

Description

Apparat for frembringelse av styrte fusjonsreaksjoner.

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for frembringelse av styrte nukleære fusjonsreaksjoner i gassutladninger, spesielt termonukleære fusjonsreaksjoner.

For å starte kjernereaksjoner i lette

elementer, spesielt for frembringelse av neutroner, har det hittil vært lagt vekt på å bombardere mål som er utført av eller inneholder deuteriumforbindelser eller lette elementer med protoner, deutero-ner eller heliumkjerner som er aksellerert i tilstrekkelig grad til å tilfredsstille betin-gelsene for kjernereaksjoner.

For å øke den reaksjonshastighet som

kan benyttes må kjernene samvirke seg i mellom på en slik måte at deres energi ikke tapes ved bombardement av et rela-tivt massivt mål og slik at heller ikke utløst energi tapes i målet. I denne hensikt har det vært foreslått at de reagerende kjerner av deuterium og/eller tritium skal utgjøre bestanddeler av en varm jonisert gass eller plasma hvor energi som utløses ved reak-sjoner mellom kjernene utnyttes til å vedlikeholde deres energi og å oppveie tap ved stråling. I et slikt anlegg er det nødvendig å inneslutte gassen slik at den ikke kom-mer for nær veggene i det omsluttende kar. Ellers vil energi tapes ved bombardement av veggene og utladningen kan bli foruren-set ved fordampning av veggmaterialet.

Et forslag for frembringelse av de nød-vendige betingelser er å benytte et toroidformet omsluttende kar som forbinder kjernen i en pulstransformator, og å frembringe en ensrettet pulserende ringutladning i gass i karet ved å påtrykke en høy-spenningspuls på transformatorens primærvikling. Ringutladningen danner en envindings sekundærvikling og hvis strøm-styrken er tilstrekkelig stor innsnevres tverrsnittet av strømkanalen på grunn av dens eget magnetfelt slik at gasskjernene innesluttes inne i kanalen og holdes borte fra veggene i karet. Rom-instabiliteter i den innsnevrete kanal kan kontrolleres ved den sammensatte virkning av et pålagt magnetisk felt parallelt med utladnings-aksen, som sperres inne i kanalen når denne innsnevres og de tykke, elektrisk ledende vegger i karet hvor det induseres hvirvelstrømmer ved bevegelse av utladningen. Forslag i denne retning er f. eks. diskutert i «Journal of Applied Physics», mai 1957, s. 519—521, og i «Scientific Ame-rican», september 1957, s. 73—84.

Ved anordninger av den ovenfor nevnte art må det toroidformete kar være utstyrt med minst en elektrisk isolerende skjøt på tvers av den sammenhengende akse for å forhindre at karet selv virker som en kortsluttet vikling i transformatoren. Skjøten eller skjøtene utsettes for bombardement av joner og ultrafiolett stråling fra utladningen hvilket kan med-føre ødeleggelse av isolasjonen ved drift. Foreliggende oppfinnelse går ut på anordninger for å hindre slik ødeleggelse.

Et apparat for frembringelse av styrte fisjonsreaksjoner i gassutladninger i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter et toroidformet kar til å inneslutte gassen, hvor karet har tykke, elektrisk ledende vegger med minst en elektrisk isolerende skjøt på tvers av den sammenhengende akse for karet, pulstransformatoranordninger for opprettelse av en innsnevret sterkstrøms ensrettet pulserende ringutladning i gassen og en vikling for oppsetting av et magnetisk felt inne i karet og parallelt med den sammenhengende akse for dette for å redusere rom-instabiliteter i utladningskanalen, og det særegne er at karet er utstyrt med en foringsanordning for å skjerme den isolerende skjøt fra utladningen. Foringsanordningen kan omfatte sylindriske segmenter som er isolert fra karet og fra hverandre og kan omfatte anordninger for kjøling av segmentene.

I et apparat som omfatter oppfinnel-sen er det anordnet to ringkjerner ved motsatte ender av en diameter i torusen, idet det er anordnet forspenningsviklinger på disse kjerner slik at strømpulsen kan frembringe en størst mulig svingning i kraftlinjetettheten for et gitt kjernetverr-snitt. Torusen har en tykk metallvegg med to tversgående isolerte skjøter, en i hver ende av den nevnte diameter, og i henhold til foreliggende oppfinnelse inneholder torusen flere overlappende sylindriske me-tallforings-segmenter som er koaksiale med torusen og som bevirker skjerming av de to skjøter mot jonebombardement og ultrafiolett stråling som ellers ville medføre ødeleggelse av skjøtene under drift. Den innsnevrete sterkstrømsringutladning oppset-tes omtrent langs aksen for torusen som følge av at gassen i torusen danner en kortsluttet sekundærvikling i en pulstransformator omfattende to kjerner. En ledende bane innledes ved å innføre en liten meng-de høyfrekvensenergi i torusen umiddel-bart før hver puls begynner. Energi fra en utvendig kilde tilføres således i form av pulser, strømsløyfen opprettes bare i perio-den for hver puls og fusjonsreaksjoner fin-ner bare sted i disse perioder. Diameteren på boringen er omtrent 1 meter, og ampli-tuden og varigheten av primærstrømpulsen er slik at det induseres en sekundær mak-simal strøm i gassen på minst 100 kA ved et gasstrykk i området 10—" — 10—<4> mm Hg i minst 1 millisekund. Det er sørget for kontinuerlig eller avbrutt tapping av brukt gass og innføring av ny gass i torusen.

Et apparat som omfatter foreliggende oppfinnelse skal nu beskrives som et ek-sempel, under henvisning til vedføyete teg-ninger. Fig. 1 viser i perspektiv et oversiktsriss av apparatet, idet deler av de omsluttende vegger er skåret vekk og en del av apparatet, dvs. en halvdel av torusen, er for-skjøvet av tilgjengelighetshensyn. Fig. 2 viser et grunnriss av torusen, og viser transformatorkjernene i snitt. Fig. 3 viser et oppriss av transformator-sammenstillingen og bæreåket. Fig. 4 viser et snitt i større målestokk gjennom torusen og viser en indre foring. Fig. 5 viser et snitt gjennom den sammenhengende akse for torusen og viser anordningen av de indre foringer. Fig. 6 viser et snitt i ennu større målestokk av detaljer ved de indre foringer. Fig. 7 viser et snitt gjennom den øvre bæreinnretning for en av de indre foringer. Fig. 8 viser et snitt av den nedre innretning for å holde en indre foring på plass. Fig. 9 viser et snitt gjennom tetnin-gen mellom de to halvdeler av torusen. Fig. 10 viser et snitt etter linjen X—X i fig. 2 og viser detaljer ved inspeksjons-vinduer, pumpesamlerør og pumper. Fig. 11 viser et delsnitt etter linjen

XI—XI i fig. 10.

Fig. 12 viser et skjema for de vesentlige elektriske og gass-strømkretser i apparatet. Fig. 1—3 viser en hul metalltorus T som er utført slik at den kan deles langs en diameter i to identiske halvdeler 1, som hver er understøttet av en vogn 2. I fig. 1 er den nærmeste av de to halvdeler vist trykket ut fra den annen, som er vist i sin normale driftstilling. I fig. 2 er halv-delene 1 ført sammen ved flenser 3 for å danne den fullstendige torus T. Transfor-matorkjerner 4 er anordnet rundt torusen ved de diametralt motsatte steder hvor flensene 3 ligger slik som vist i fig. 2. De to kjerner 4 holdes inne i en svær åk-konstruksjon 5 (fig. 3) og det hele er anbragt inne i en massiv biologisk skjerm S av betong. Detaljerte dimensjoner for apparatet er angitt nedenfor, men for å lette forståelsen skal det på dette trinn nevnes at diameteren på den sammenhengende akse for torusen er omtrent 3 meter, hvilket vil kunne bedømmes ut fra størrelsen på rekkverkene H i fig. 1.

Hver transformator kjerne 4 er utstyrt med en fordelt toroidformet sterkstrøms-vikling 6 av kobber med stort tverrsnitt. Anordningen av hver transformatorvikling 6 er slik at de enkelte vindinger, som er vist skravert i fig. 3, kan kobles i flere forskjellige serie-parallell-anordninger for å utgjøre primærviklingen i en pulstransformator med en en-vindings kortsluttet sekundærvikling som utgjøres av gass-torusen T. En i det vesentlige identisk anordning av individuelle vindinger 66, som ikke er skravert, og som har klemmer på motsatte sider av transformatorkjernen ut-gjør en likestrøms forspenningsvikling på hver kjerne.

Det er anordnet elektrisk isolasjon 20, 21 mellom flensene 3 i torusen, slik som vist i fig. 9, for å hindre at metalltorusen selv skal utgjøre en kortsluttet vinding.

En toroidformet stabiliseringsvikling 16 (fig. 2) er anordnet på torusen for å skaffe et aksialt felt som tjener til å minske de naturlige instabiliteter i gassutladningen til et nivå hvor kollisjoner med veggen ikke lenger er av betydning. Viklingen 16 er anbragt i elleve spoler 16a, 16b og 16c på hver kvadrant av torusen. For klarhets skyld er disse spoler bare vist på en kvadrant i fig. 2.

Torusen T er, som det fremgår av grunnrisset i fig. 2, satt sammen av flere korte sylindriske seksjoner slik at det blir tilnærmet en sann torus. På en diameter perpendikulært til diameteren gjennom flensene 3 er det anordnet kasser 7. Disse kasser som skal beskrives nærmere nedenfor er utstyrt med vinduer 8 for inspek-sjon av gassutladningen inne i torusen.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er hver halvdel 1 av torusen T utstyrt med en foring, i det minste i områdene for hvert isolert gap, for å beskytte gapet mot jonebombardement, slik det skal beskrives nedenfor. Det er imidlertid å foretrekke å skjerme torusen fullstendig ved hjelp av en foring som omfatter flere segmenter 11 slik som vist i fig. 4 og 5. Hvert segment holdes uavhengig øverst og nederst ved hjelp av elektrisk isolerte og innstillbare innretninger som er vist i fig. 7, henholdsvis 8, og selv om hvert segment 11 overlap-per sin nabo er de adskilt ved hjelp av en isolerende pakning. Den potensialforskjell som ville oppstå mellom endene av en me-tallisk sammenhengende foring i hver halve torus 1, på grunn av at den er åpen sekundær halvvinding, er således serie-messig oppdelt og det opptrer således bare en forholdsvis liten potensialforskjell over

hver pakning.

Anordninger for å tømme torusen omfatter samlerør 9 og pumper 10 (fig. 10 og 11) som er anbragt på undersiden av kassene 7 for å tømme rommet innenfor foringen, og rør 156 og pumper 155 (fig. 1 og 2) som er koblet til åpninger i torus veggen omtrent midtveis mellom kassene 7 og flensene 3 på hver kvadrant av torusen for ytterligere å redusere trykket i rommet mellom foringen og torus-veggen. Bare en av de fire like pumper er vist på tegningen.

Diagrammet i fig. 12 viser bare hoved-delene, som allerede er kort beskrevet, nemlig torusen T, transformatorkjernene 4, de toroidformete transformatorviklinger

6, de toroidformete stabiliseringsviklinger 16 og vakuumpumpene 10 og 155, idet bare

en pumpe er vist og viklingene er vist rent skjematisk.

De viktigste elektriske deler for ut-vikling av periodiske høyeffektpulser i de toroidformete transformatorviklinger 6 omfatter en kondensator 12, en høyspen-nings likestrømskilde 13 som er innrettet til å lade kondensatoren gjennom et rør 14, og en mekanisk bryter 15 for utladning av kondensatoren omtrent hvert 10. sekund gjennom en strømkrets som omfatter viklingene 6. Strømmen i viklingene 6 etter hver lukking av bryteren 15 får således form av en eneste likerettet puls hvis lengde er bestemt av tidskonstantene for strømkretsen og kan varieres ved å endre serieparallell-ell-anordningen av viklingene 6. Den fordelte forspennings vikling 66 er innrettet til å forspenne transformatorkjernene 4 til metning i en retning, slik at en puls kan påtrykkes viklingen 6 som vil bringe fluksen opp til metning i den motsatte retning. Ved å benytte en forspent kjerne, kan kjerne-tverrsnittet holdes så lavt som mulig og kjernematerialet er valgt slik at forspenningsenergien holdes på et minimum.

Etterat hele apparatet nå er kort beskrevet skal de forskjellige deler beskrives nærmere og hver for seg.

Torusen T er fremstillet ved å sveise sammen flere korte sylindriske seksjoner av handelsaluminium slik at det dannes en omtrent sann torus med en boring på ca. 1,1 m og en middeldiameter på 3,2 m, hvilket gir et volum på 10 000 liter. Vegg-tykkelsen er omtrent 2,5 cm for å oppnå de nødvendige elektromagnetiske speilkrefter til å stabilisere utladningen. For å hindre at metalltorusen selv skal utgjøre en kortsluttet vinding må det anordnes minst et isolert gap og for å minske potensialfor-skjellen over hvert gap vil det være ønske-lig å bygge torusen av flere korte seksjoner som er innbyrdes isolert. For imidlertid å hindre at fordelingen av de hvirvel-strømmer som frembringer speilkreftene blir forstyrret er det en fordel å ha det minst mulige antall gap.

Av praktiske grunner er det anordnet to gap mellom flensene 3 og fremgangs-måten for anordning av en isolert vakuum-tett tetning er vist i detalj i fig. 9. Det er ingen mekanisk festeanordning for å holde de to halvdeler 1 av torusen sammen idet lufttrykket er tilstrekkelig for dette formål når torusen er evakuert. Hvert av de ønskete gap er fylt av en skive 20 av poly-ten som holdes på en av flensene 3 ved hjelp av en sammensatt isolasjonsring 21 av harpiksimpregnert og sammensatt ved som har en innvendig skråflate 22 som pas-ser sammen med en tilsvarende ytre flate på skiven 20. Den sammensatte ring 21 består av to lag av adskilte segmenter, hvor skjøtene i et lag er forskjøvet i forhold til skjøtene i det annet lag, og er festet til flensen 3 ved hjelp av bolter 23. Ringformete aluminiumsinnlegg 24 danner under-skårne lepper 25 som sammen med svale-haleformete seksjonsringer 26 holder to gummiringer 27 med O-tverrsnitt på plass mot flaten på hver flens 3. Tykkelsen av svalehaleringene 26 er slik at når flensen 3 trykkes sammen blir O-ringene 27 pres-set sammen akkurat tilstrekkelig til å bevirke en vakuumtetning mellom hver flens og skiven 20. Innleggene 24 er innrettet til lett å kunne skiftes hvis de skulle bli ska-det ved overslag over gapet mellom dem.

De sylindriske segmenter 11 som gjør en foring for torusen er innrettet til å skjerme de to gap som er fylt av skivene 20 mot jonebombardement og ultrafiolett stråling som ellers ville bevirke ødeleggelse av gapene under de driftsforhold som skal beskrives nedenfor. Det er 48 segmenter 11 og potensialet over gapene mellom hvert segment er således 1/24 av potensialet over gapene i torusen, og under disse driftsforhold er elektrisk sammenbrudd lite sannsynlig.

Hvert segment 11 omfatter en rørsløy-fe 28 (fig. 5—£) og på hver side av denne er det sveiset en sylindrisk hylse slik som vist i fig. 6. Aksene for hylsene danner en liten vinkel med hverandre tilsvarende for-men på torusen. Den ytre kant av en hylse er gaffelformet som vist ved 29 og kanten på den annen hylse er bøyet ut som vist ved 30 slik at kantene på nabosegmenter er bladet inn i hverandre og veggene i torusen T er fullstendig skjermet. For å sikre at nabosegmenter av foringen ikke rører hverandre, og for å skaffe en delvis vakuumtetning mellom rommet innenfor foringen og det ringformete rom mellom foringen og torusveggen er det anbragt iso-lasjonspakninger 153 av polytetrafluorety-len mellom hvert par nabosegmenter.

For å innstille segmentene 11 er det anordnet øvre og nedre innstillbare, elektrisk isolerte og vakuumtette holdere slik som vist i fig. 7 henholdsvis 8. Som vist i fig. 4 og 7 omfatter hver øvre holder en gjennomføring 31 av isolasjonsmaterial innrettet til å boltes over et hull i veggen av torusen T og utstyrt med en vakuumtetning 32. En bolt 33 som holdes av en riflet mutter 34 som ligger mot en plate 35 er skrudd inn i en bøssing 36 som er sveiset til toppen av et foringssegment 11 der rørsløyfen 28 ligger.

Boringen i gjennomføringen 31 hvor-igjennom bolten 33 er ført er klokkeformet for å sikre at bolten henger vertikalt og en vakuumtetning mellom bolten og gjennom-føringen er oppnådd véd hjelp av en plate 37 og en O-ring-pakning 37a. Foringsseg-mentet 11 kan således innstilles vertikalt ved hjelp av den riflete mutter 34. Horison-talinnstilling bevirkes ved at det er en stor klaring mellom gjennomføringen 31 og de bolter som fester den til torusen T.

Som vist i fig. 8 omfatter hver nedre holder en trommelformet gjennomføring 38 isolasjonsmaterial og med en rund flens 39. Gjennomføringen 38 er utstyrt med en vakuumpakning 80 der hvor den er ført gjennom et hull i veggen i torusen T og er rettet inn vertikalt ved hjelp av tre sett-skruer 81 som er jevnt fordelt rundt flensen 39 og som er skrudd inn i en metall-støtplate 82, og ved hjelp av tre bolter 83 som ligger mellom skruene 81 rundt flensen 39 og som er skrudd inn i torusen T. Boltene 83 har løs pasning i flensen 39 og platen 82, og er utstyrt med muttere 84. Endene av settskruene 81 holdes således mot torusen ved hjelp av muttere 84 og på boltene 83, og den vertikale stilling og innretning av gjennomføringen 38 kan innstilles ved hjelp av settskruene 81.

En skiveformet rørpropp 85, som også er vist i fig. 5, er festet til det nedre midt-punkt av hvert foringssegment 11 og opp-tar endene av rørsløyfen 28. To gjengete hylser 86 henger ned fra proppen 85 inn i en oval boring 87 i gjennomføringen 38 slik at rørforbindelser for en kjøle væske kan kobles til rørsløyfen 28. En pakningsring 88 er anordnet mellom rørproppen 85 og gjen-nomføringen 38, og to bolter 89 som går gjennom de tykke deler av veggen i gjen-nomføringen 38 fester proppen til gjen-nomføringen.

Detaljer ved vinduskassene 7 og de til-hørende pumper er vist i fig. 10 og 11. Hver består av et aluminiumsstykke som er innrettet til å feste mellom flenser 40 på til-støtende seksjoner av torusen T. Sliss-lignende glassvinduer 8 er anordnet på front-og topp-flatene av kassene 7 og et sylindrisk samlerør 9 er festet på undersiden av dem med en elektrisk isolerende plate 41 som mellomlegg. Langs bunnen av røret 9 er det et ytterligere vindu 42 i linje med det øvre vindu 8. Røret 9 står i forbindelse med et T-formet stykke 43, som også er vist i fig. 1, og hvor det på hvert ben er anbragt en diffusjonspumpe 10 med 36 cm boring. De åtte pumper 155 har 15 cm boring og er ved hjelp av rør 156 og flensskjøter 158 koblet til korte rørlengder 157 som ved hjelp av flensskjøter er forbundet med hull i torusveggen. Plensskjøtene 158 er utstyrt med polytenpakninger (ikke vist) for å vedlikeholde isolasjonen av torusen. En lignende isolasjon er anordnet ved de forskjellige andre gass- og væske tilknytninger for torusen og foringen. De tolv pumper er alle koblet til en felles tilbakeledning.

Oljediffusjonspumper kan benyttes i et anlegg som arbeider med deuterium, idet pumpeoljen tillates å bli mettet med deuterium. I et anlegg hvor det benyttes tritium blir det fortrinnsvis benyttet kvikk-sølvpumper, idet det tas tilstrekkelige, kjente forholdsregler, f. eks. å sikre lav tilbakediffusjon og effektiv kuldeisolasjon, for å hindre at kvikksølvet tilbakediffuse-res inn i aluminiumstorusen.

Fig. 11 viser også hvorledes foringene 11 i nærheten av vinduskassene 7 møter sideveggene 165 i kassene i delvis vakuumtette tetninger ved hjelp av ringformete spor 164 i de ytre flater i disse vegger. Det er isolasjonsmaterial 153 mellom foringene og sporene på lignende måte som mellom naboforinger.

På en av sideveggene i en av vinduskassene er det anbragt en sonde 124 som ligner en bil-tennplugg med en forlenget og rettvinklet midtre elektrode.

Som vist i fig. 1 og 3 er transformatorkjernene 4 ringformet og holdes inne i en åk-konstruksjon 5 som omfatter to like endedeler 50 som er utført av stålplate og U-jern, som i oppriss er vist i fig. 3. Delene 50 er anbragt på en bunnramme 51 av U-jern og er sammenkoblet på sidene ved hjelp av flere strekkbolter 52.

Hver kjerne 4 består av flere ringformete platelignende elementer 53 (se fig. 2) som hvert er laget av spiral viklet koldvalset strimmelformet transformator-blikk 47 som holdes mellom indre og ytre stålbånd 48, henholdsvis 49. Det er tolv elementer 53 med full størrelse for hver kjerne og hvert av disse elementer har en indre diameter på 1,5 m, en ytre diameter på 3 m og en tykkelse på 10 cm. Ved hver ende er det anordnet tre elementer 54 med avtagende størrelse sammen med store og små ringformete plater 55, henholdsvis 56 som er utført av harpiksimpregnert og limet tre.

Hver kjerne hviler på ti bærere 57 som strekker seg mellom endedelene 50 i åk-konstruksjonen 5 og holdes ved hver ende ved hjelp av åtte radiale armer 58 som strekker seg radialt innover fra endedelen 50 og som hver er festet til den ytre isola-sjonsplate 56 ved hjelp av to bolter 59. Ingen av strekkboltene strekker seg gjennom kjernen idet elementene 53 holdes sammen ved endetrykk som utøves av kon-struksjonen 5 gjennom armene 58.

Viklingen på hver kjerne består av 54 enkeltsløyfevindinger (fig. 2) som hver er ca. 5,5 m lange av gummi-isolert 11 kV kabel med tilnærmet 2,85 cm ytre diameter, og som strekker seg gjennom isolasjonsrør 60 og holdes av klemmer 61 som er festet til de ytre isolasjonsplater 56. De 27 magne-tiseringsvindinger 6 som pulsen påtrykkes er vist skravert og er koblet i grupper på tre som er forbundet ved endene ved hjelp av lenker 62. En ende av hver gruppe er forbundet med den annen ende av den neste gruppe ved hjelp av en lenk 63, slik at det dannes ni vindinger på hver kjerne som er seriekoblet ved hjelp av en lenk 64 for i alt å gi atten vindinger mellom klemmer 65. De 27 forspenningsviklinger 66 har sine koblinger på den motsatte flate i kjernen og er koblet slik at de danner tre grupper på ni parallell-koblete vindinger hvor de tre grupper er koblet i serie. Forspenningsviklingene på de to kjerner er også koblet i serie for å gi seks seriekoblete vindinger. Endene på magnetiserings- og forspenningsviklingene er til slutt ført ut til klemmer 67 (fig. 1).

Stabiliseringsviklingenel6 på torusen T er bare vist i fig. 2, og de er der bare vist for en kvadrant for klarhets skyld. Viklingen er på hver kvadrant anbragt i ni spoler 16b, en spole 16a ved flensene 3, og en spole 16c ved vinduskassen 7. Hver spole 16b inneholder tre lag med fem vindinger mens spolen 16a inneholder fire lag med fem vindinger og spolen 16c inneholder seks lag med fire vindinger, idet de ytterligere vindinger på endespolene i hver kvadrant kompenserer for den økete avstand mellom endespolene som er nødvendig på grunn av flensene 3 og kassene 7 for å gi et omtrent konstant magnetisk felt langs den sammenhengende akse for torusen. Den fullstendige vikling 16 består således av 716 seriekoblede vindinger, og gir ved en merkestrømstyrke på 1200 A et felt på omtrent 1000 gauss. Viklingene 16 tilføres energi fra en vanlig likestrømskilde 17.

Den energikilde 13 som er vist i skje-maet i fig. 12 er en vanlig 27 kV likestrøms-energikilde som omfatter en 3-fase-transformator og likeretter. Kondensatoren 12 har en kapasitet på 1600 j.iF og kan lades til 25 kV. Den omfatter 52 kondensator-enheter som er isolert med mineralolje-impregnert papir, som hver er på 31 (.iF og som er koblet i parallell. Ladning utføres lineært gjennom en begrensningsmotstand 100 på omtrent 20 ohm og trioderøret 14 («Osram type E1872») som er utstyrt med en glødetransformator 101 og glødestrøms-kilde 102. Potensialkilden 103 for gitteret i trioden 14, som drives under emisjons-begrensete forhold som gir en omtrent konstant ladestrøm på 4—5 A, blir styrt av en motordrevet hoved-tidsstyreenhet 104.

Kondensatoren 12 utlades gjennom viklingene 6 ved hjelp av bryteren 15 som er en hurtiglukkende bryter med begge kon-takter isolert for en driftsspenning på 25 kV og som er i stand til å slutte for 90 kA med en førgniststid på mindre enn 500 mikrosekunder. Bryteren er av den trykk-luftdrevne type hvor luften sammentryk-kes til omtrent 10,5 kg/cm- for å redusere gnistdannelse mellom kontaktene når de sluttes. Kontaktslit er gjort minst mulig ved hjelp av en stor mettbar reaktans-spole 105 som er forspent fra en likestrømskilde 106 gjennom en isolerende strupespole 107. Reaktansspolen 105 er konstruert til å opp-ta 25 kV under førgnisttiden uten at strøm-styrken stiger over 1000 A. Når den er mettet er induktansen lav nok til at topp-verdien for pulsstrømmen ikke blir særlig påvirket. Når viklingene 6 er koblet slik at foi-holdet mellom vindingene i primær- og sekundærvikling er 9:1 må induktansen i reaktansspolen 105 være mindre enn 100 uH. En motstand 162 på omtrent 100 ohm er koblet over reaktansspolen 105 for at en strømstyrke på opp til 200 A skal kunne flyte gjennom viklingene 6 under førgnist-tiden.

Videre er det en ikke-lineær motstand 109 i hovedpulsstrømkretsen i serie med den mettbare reaktansspole 105. Den ikke-lineære motstand 109 består av et sett på 300 silisiumkarbidenheter som er koblet i parallell for å minske tilbakespenningen ved overstyring i pulsstrøm-kretsen til mindre enn 10 % av den største forover-spenning og på den måten å beskytte kondensatoren 12. Som en ytterligere beskyttelse er det over viklingene 6 koblet en ignitron 163 («B.T.H. type BK 178») som utløses ved hjelp av en puls fra en styre-strømkrets 166 når spenningen over et potensiometer 118 begynner å vendes.

Strømmen i gass-utladningen i torusen T kontrolleres ved hjelp av en tovindings-toroidformet Rogowski opptager-spole 110 som er viklet rundt utsiden av torusen. I det tilfelle at gasstrømmen ikke stiger i løpet av omtrent 5 mikrosekunder etter slutningen av bryteren 15, bevirker ut-

gangsenergien fra spolen 110 utløsning av en styrekrets 112 for en ignitron 113

(«B.T.H. type BK 178») slik at denne ten-nes og slik at viklingene 6 kortsluttes gjennom et 2 ohms motstandssett 114. Pulsen som tenner ignitronen 113 utvikles i strøm-kretsen 112 fra den bakre kant av en puls som fås fra en vikling 159 på reaktoren 105, idet denne tenningspuls normalt under-trykkes av den puls som oppnås fra spolen 110.

Andre kontrollanordninger omfatter et oscilloskop 117 som påvirkes fra et uttak på potensiometeret 118 for å angi kondensator-spenningen, et oscilloskop 119 som påvirkes fra en induktiv kobling 120 i puls-strømkretsen for å angi den primære puls-strømstyrke og et oscilloskop 121 som påvirkes fra et uttak på en potensialdeler 122 som er koblet over en vikling på en av kjernene for å angi spenningen over denne vikling. Et oscilloskop 123 er også koblet til gass-strømkontrollspolen 110 for å angi gass-strømmen i torusen. Tidsbasislinjene for disse oscilloskoper utløses gjennom en leder 161 fra en tidsstyrestrømkrets 160 som utløses fra viklingen 159. To tidslinje-hastigheter står til rådighet. To «Hughes Memotron» akkumuleringsoscilloskoper

(ikke vist) kan benyttes for ettervalg å

undersøke bølgeformene på utvalgte punk-ter i strømkretsen.

Sonden 124, som også er vist i fig. 10, er anordnet for å kontrollere joniseringen i gassen i torusen T før hovedutladningen. Joniseringen frembringes ved å påtrykke en høyfrekvent spenning fra en kilde 126 mellom to foringssegmenter 125 som er anbragt omtrent midt på hver sin av to nabokvadranter i torusen. Frekvensen på spenningen er omtrent 3 Mp/s, og spenningen innstilles mellom 500 og 1000 V slik at strømstyrken blir omtrent 5A. Denne høy-frekvente spenning påtrykkes sammenhengende unntagen under hovedpulsen, idet den da slås av ved hjelp av et signal fra tidsstyrekretsen 160 for å unngå påvirk-ning av de forskjellige måleinstrumenter. Sonden 124 er koblet gjennom en passende strømkrets til sluttebryteren 15 for å på-virke en sperre og hindre bryteren å slutte unntagen når gassen er tilstrekkelig jonisert.

Forspenningsviklingene 66 tilføres like-strøm fra en trefasetransformator og likeretter 127 som de er koblet til gjennom en strupespole 128 for å skille tilførslen fra den pulsspenning som induseres i forspen-ningsviklingen.

En sikkerhetsbryter 129 er anordnet for beskyttelse av; personalet mot utladning og jording av kondensatoren 12 gjennom motstanden 114 før vedlikeholdsarbeid utføres på høyspenningsdelene i anlegget.

Fig. 12 viser også vakuumanlegget og gasstilførselsanlegget som begge består av anordninger av vanlige pumper og ventiler. Vakuumanlegget omfatter de fire diffu-sjonspumper 10 og de åtte pumper 155 (se også fig. 1) som støttes av en vanlig eksen-terpumpe 140 («Kinney type DVD 8810») som kan skilles ut ved hjelp av en ventil 141 og som, for den første pumping, kan kobles direkte til torusen T gjennom en forbiføring 142 som styres av en ventil 143. Gasstilførselsanlegget omfatter en eller flere sylindre 144 med deuterium eller tritium som ved et trykk på to atmosfærer føres til et magasin 145 som er forbundet med en av vinduskassene 7 gjennom en varm nikkelrørs gasslekk 146 og en rør-ledning 147.

Vakuumet skaffer en begynnelses-ut-pumpingshastighet på omtrent 5000 liter/ sekund ned til et gjenværende gasstrykk på mindre enn 5 x 10—" mm Hg. Etter til-føring av deuterium og/eller tritium gjennom lekken 146 vedlikeholdes et driftsgass-trykk på mellom 10—<1> og 10—' mm Hg inne i foringen med en pumpehastighet på omtrent 3800 liter/sekund. Trykket i det ringformete rom mellom foringen og torusveggen minskes ved hjelp av pumpene 155 for ytterligere å minske faren for overslag ved gapene mellom flensene 3. Anlegget kan, ved hjelp av ventilen 141 skilles fra grovpumpen 140 og tilførselen 144 og drives som en lukket krets. Gass fra høytrykk-siden av diffusjonspumpene 10 føres over en utskiller 150 gjennom et rør 148 til en hjelpepumpe 149 som omfatter en kvikk - sølvdampdiffusjonspumpe og en Toepler-pumpe i serie som hever trykket til 2 atm. og fører gassen tilbake til magasinet 145. Utskilleren 150 er anordnet i røret 148 for å fjerne eventuelle forurensinger.

Kjølevannstilførselen til rørsløyfene 28 i de indre foringer 11 (fig. 5—8) drives som et lukket anlegg ved hjelp av en pumpe 151 og varmeutveksler 152 og den varme som trekkes ut kan benyttes til et hvilket som helst formål.

For å oppdage de neutroner som sendes ut ved fisjonsreaksjoner er det nær en kvadrant i torusen anordnet åtte BF,( neutron-tellere og åtte indiumveggete Geigertellere som er omgitt av parafinvoks for å virke som en moderator. En fosforscintillasjons-teller av plast er også opphengt over torusen for å måle hurtige neutroner og gam-mastråler. Ingen av disse alminnelige par-tikkeldetektorer er vist Då teenineene.

Under drift av apparatet blir torusen T først grovtømt ved hjelp av pumpene 140 med ventil 141 lukket og ventil 143 åpen. Stillingen for disse to ventiler blir så vendt og diffusjonspumpene bevirker minsking av trykket i torusen til mindre enn 5x16—<fi >mm Hg. Alt etter den art av fisjonsreaksjon som ønskes, slippes deuterium og/eller tritium inn i torusen T fra sylindrene 144 gjennom nikkelrørslekken 146 med en slik hastighet at det opprettholdes et uforand-ret trykk på fra 10—<4> til 10—'<!> mm Hg inne i foringen.

Med kjølevannspumpen 151 i drift, høyfrekvent energi påtrykket mellom segmentene 125, og forspenningsviklingene 66 og stabiliseringsviklingene 16 passende energisert, blir en pulsutladning påbegynt i torusen T under styring av hovedtidsstyreenheten 104.

Det skal antas at hver av primærvik-lingene 6 på transformatoren er koblet slik at vindingsforholdet er 9—1 mellom dem og enkeltvindingssekundæren som utgjøres av gassen i Torusen T.

Koblet på denne måte har den strøm-krets som omfatter kondensatoren 12, den mettbare reaktor 105 og den ikke-lineære motstand 109 en total-induktans på 1 mH hvorav transformatorspredningsinduktan-sen utgjør omtrent halve delen. Egenfrekvensen for strømkretsen er omtrent 123 P/s, og når kondensatoren 12 blir plutselig utladet inn i strømkretsen ved å slutte bryteren 15, føres en strømpuls som når en toppverdi på omtrent 20 kA på 1,5 millisek. gjennom viklingen 6 og induserer en strømpuls med omtrent ni ganger denne størrelsen i den joniserte gass i torusen. Ignitronen 163 tenner idet spenningen på kondensatoren begynner å snu, og primær-og gasstrømmene dør bort eksponensialt.

Belastningsmotstanden i gassen, dvs. enkeltvindings-sekundærviklingen, er omtrent 0,001 ohm og topp-gass-strømmen er minst 180 kA idet den overstiger 80 kA i tre millisek.

Jonene blir sterkt oppvarmet som følge av kollisjoner de gjør med elektronene og det trengs en bestemt tid for at jonene og elektronene skal komme i termisk likevekt. Under de forhold som hersker i foreliggende utførelsesform er denne tid beregnet til å være omtrent 1 millisek. Av denne grunn er den strømkrets som energiserer utladningen konstruert til å levere en strømpuls med en varighet på minst 1 millisek.

Den strøm som motstanden 162 tillater å strømme gjennom viklingene 6 i løpet av de 500 millisek frir anistt.ennine- h<p>virk<p>r forvarming av gassen i torusen og øker dens joniseringsgrad før hovedpulsen til-føres.

Slutning av bryteren 15 foregår under styring av hovedtidsstyreenheten 104 slik at den gjentas med en største hastighet på en puls hvert tiende sek., idet bryteren holdes sluttet i omtrent 1 sek. inntil strøm-styrken er falt omtrent til null. Alternativt kan enkelt-utladninger utløses manuelt.

Transformatorkjernene 4 er forspent ved hjelp av viklingene 66 til 17 000 gauss og pulsen frembringer en største forskjell i flukstetthet på 34 000 gauss. På denne måte holdes transformatorkjernens tverrsnitt minst mulig og er faktisk bare 2,4 m<2>.

Apparatet kan drives med høye topp-energiforhold ved å minske det effektive antall vindinger i primærviklingen 6, dvs. ved å koble flere av vindingene i parallell. Virkningen er at egenfrekvensen for strøm-kretsen heves og at pulsvarigheten minskes. En trevindings primærvikling på hver kjerne gir en egenfrekvens på 900 P/s og en topp-primærstrøm på 90 kA.

Apparat som er beskrevet er spesielt konstruert til å heve deuterium til en temperatur hvor følgende fisjonsreaksjon fin-ner sted.

Tritium og helium-3 reagerer videre på følgende måte: ,HS -f 2He4 -f „ni + 17,6 MeV 2He:! -f ^ 2He<*> + + 18,3 MeV

Neutroner er blitt frembragt i den reaktor som er beskrevet overfor følgende betingelser. a) Deuteriumtrykk: 0,125 mikron Hg. b) Toppverdi av gassutladningsstrøm-styrke: 180 kA. c) Pålagt likestrøms aksialt stabiliserende felt: 160 gauss. d) Pulsvarighet. 3 millisek. (med gass-strømstyrke større enn 80 kA). e) Kondensatorspenning: 20 kV. f) Transformatoroversetningsforhold: 9:1.

Produktene fra fusjonsreaksj onene er neutroner og energiserte joner. Neutronene forlater torusen T og stanses av den bio-logiske skjerm S mens jonene avgir sin kinetiske energi i form av varmeenergi til segmentene 11 som er foring for veggene i torusen T. Varmeenergien føres bort ved hjelp av vannkjøleanlegget 28, 151 og 152.

Et apparat som er i det vesentlige identisk med det som er beskrevet, men i større målestokk kan benyttes til å heve deuteriu-met til en temperatur på IO<8> °K. Ved denne temperatur overskrider den energi som ut-løses som følge av fusjonsreaksjoner den energi som kreves for å vedlikeholde ut-ladningsstrømmen, og den varme som utvikles i torusforingen kan fjernes ved hjelp av et passende kjølemiddel og benyttes til å utvikle vanndamp. I stedet for enkle rør-sløyfer 28 på hvert segment 11 kan det f. eks. anordnes flere av slike rør som dekker hele overflaten av hvert segment. Videre kan de tykke vegger i torusen T forsynes med kjølekappe og varme fjernes ved hjelp av et kjølemiddel. Den intense fluks av neutroner som også dannes kan benyttes for slike formål som dannelse av spaltbart fisjonerbart material..

Den elektriske energi-tilførsel som kreves for å oppnå disse betingelser i løpet av hver puls er omtrent 10 000 Megawatt, og fusjonsenergi utløses som varme på et nivå som er mange ganger høyere.

Claims (3)

1. Apparat for frembringelse av styrte fusjonsreaksjoner i gassutladninger og som omfatter et toroidformet kar til å inneslutte gassen, hvor karet har tykke, elektrisk ledende vegger med minst en elektrisk isolerende skjøt på tvers av den sammenhengende akse for karet, pulstransformatoranordninger for opprettelse av en innsnevret sterkstrøms ensrettet pulserende ringutladning i gassen og en vikling for oppsetting av et magnetisk felt inne i karet og parallelt med den sammenhengende akse for dette for å redusere rom-instabiliteter i utladningskanalen, karakterisert ved at karet er utstyrt med en toroidformet metallforing for å minske nedbry-ting av isolasjonen.

2. Apparat som angitt i påstand 1, karakterisert ved at den toroidformete foring omfatter en flerhet overlappende sylindriske segmenter som er isolert fra karet og fra hverandre.

3. Apparat som angitt i påstand 2, karakterisert ved at det omfatter anordninger for kjøling av segmentene.