Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein geschlossener thermoelekrischer Stromkreis wird als Torus ausgebildet, dessen Kernzylinder (1) einen Thermoschenkel darstellt, während der Torusmantel (2) den anderen Thermoschenkel bildet. Durch heizen und kühlen der Verbindungsstellen (3, 4) stellen sich hohe Ströme (7) ein, die in der Ringkammer (8) ein starkes Magnetfeld (9) hervorrufen. In der Höchststromausführung besteht der eine Thermoschenkel aus Kernzylinder (1), innerem Torusmantel (2b) und äußerem Torusmantel (2c), während der andere Thermoschenkel aus einer Schicht (22) gebildet wird, auf der sich ein Temperaturgefälle ausbildet und die inneren Torusmantel (2b) und äußeren Torusmantel (2c) leitend verbindet.

Es ist bekannt (VDI nachrichten, 25.01.2002, Nr. 4, Seite 3: Ist Fusion machbar ?) in Kernfusionsreaktoren das ringförmige Magnetfeld zum Einschluss des Plasmas durch supraleitende Elektromagneten mit Strömen von 80 kA herzustellen. Die Speisung dieser gekühlten Elektromagneten erfolgt durch Schwungradgeneratoren und Stromricher-Anlagen.

Ferner ist aus einen Demonstrationsversuch für den Physikunterricht (Oskar Höfling: Lehrbuch der Physik, Oberstufe – Ausgabe A, 1966, Seite 608 und Firma PHYWE Systeme GmbH, Göttingen, Artikel-Nr. 06593.01: Thermo-Elektromagnet) bekannt, daß mit einem thermoelektrischen Stromkreis im quasi Kurzschlussbetrieb hohe Gleichströme mit kräftigen Magnetfeldern erzielt werden können.

• a) Die Baugröße konventioneller Kernfusionsreaktoren ist durch die Anordnung separater Spulen nach unten hin begrenzt.
• b) Die Spulen benötigen eine aufwändige, räumlich verteilte Kühlvorrichtung. Es besteht ein extrem großer Temperaturgradient zwischen dem heissen Plasma und den gekühlten Spulen auf engem Raum, was eine aufwändige Wärmedämmung erfordert.
• c) Die Speisung der Spulen erfolgt mit großem Aufwand und Energieverbrauch über Schwungradgeneratoren (die auch nur kurzzeitig volle Leistung abgeben) und eine Stromrichteranlage.
• d) Das durch die Einzelspulen erzeugte, ringförmige magnetische Feld ist räumlich gerippelt.
• e) Der aus Wechselströmen erzeugte Spulenstrom vom 80 kA hat einen Restbrumm, wodurch auch das ringförmige magnetische Feld zeitlich gerippelt ist.
• f) Zwischen den Einzelspülen treten große mechanische Kräfte auf, die durch ein aufwändiges Stützgerüst aufgefangen werden müssen.
• g) Durch die Stromzuführungen zu den Spulen wird das ringförmige Magnetfeld örtlich gestört.
• h) Die Spulen sind im konventionellen Fusionsreaktor in der Torusgeometrie aufwändig zu justieren und gegen Wärmedehnungen im Stützgerüst abzusichern
• i) Der Nachteil des Thermo-Elektromagneten der Fa. PHYWE besteht darin, dass die Leiterquerschnitte der Thermoschenkel relativ klein sind und dass keine Leiter zur Verringerung des ohmschen Widerstandes im Stromkreis parallel geschaltet sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache, in der Herstellung und Betrieb kostengünstige Vorrichtung zu schaffen, die ein räumlich und zeitlich hochkonstantes Magnetfeld zum Einschluss des Plasmas in Kernfusionsreaktoren erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 6 gelöst.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

1: Schaltung des geschlossenen thermöelektrischen Kreises

2: Thermoelektrischer Torusmagnet mit Zusatzeinrichtungen

3: Thermoelektischer Torusmagnet mit Nebenschlüssen

4: Detailansicht einer Revisionsöffnung im Torusmantel.

5: Thermoelektischer Torusmagnet in Höchststromausführung In 1 ist die elektrische Schaltung des thermoelektrischen Torusmagneten dargestellt. Der Leiter (1a) des Kernzylinders (1) und der Leiter (2a) des Torusmantels (2) sind an den Verbindungsstellen (3, 4) leitend zu einem geschlossenen Stromkreis miteinander verbunden. Wenn nun die heisse Verbindungsstelle (3) einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, während die kalte Verbindungsstelle (4) auf einer niedrigen Temperatur verbleibt, so entsteht eine treibende Spannung im mV-Bereich (Seebeck-Effekt). Zum Zwecke der Temperaturmessung sind einige Paarungen metallischer Werkstoffe in sogenannten Grundwertreihen nach DIN EN 60584-1 genormt, wobei Temperaturdifferenzen bis 1.820 K und Spannungen bis 76 mV auftreten können. Diese treibende mV-Spannung hat keinerlei Innenwiderstand und erzeugt im geschlossenen thermoelektrischen Stromkreis einen Kurzschlussstrom (7), der sich nach dem ohmschen Gesetz aus dem Quotienten vorgenannter treibender mV-Spannung und der Summe der Widerstände der Leiter (1, 2) zuzüglich der Übergangswiderstände der Verbindungsstellen (3, 4) ergibt. Nach o.g. zitierter Literaturstelle aus Höfling kann der Kurzschlussstrom beliebig hoch werden, wenn die Summe der Widerstände beliebig klein sind.

2 zeig t ein Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Torusmagneten mit Zusatzeinrichtungen für das Heizen und Kühlen der Verbindungsstellen (3, 4). Der geschlossene thermoelektrische Stromkreis wird gebildet aus dem Kernzylinder (1) und dem Torusmantel (2) mit unterschiedlichen Werkstoffen. Vorteilhaft besteht der Kernzylinder (1) aus dem Werkstoff mit dem größerem spezifischen elektrischen Widerstand, z.B. der Legierung CuNi (Konstantan), da dieser die kleinere Leiterlänge aufweist. Demgegenüber besteht der Torusmantel (2) aus dem Werkstoff mit kleinerem spezifischen elektrischen Widerstand, z.B. Kupfer, da dieser eine größere Leiterlänge aufweist.

Die Werkstoffauswahl für den Kernzylinder (1) und den Torusmantel (2) muss nach folgenden Kriterien optimiert werden:

• a) Hohe Thermospannung
• b) Kleiner spezifischer elektrischer Widerstand
• c) Geringer Temperaturkoeffizient für den elektrischen Widerstand
• d) Niedrige Wärmeleitfähigkeit

Gegenüber dem o.g. Demonstrationsversuch der Firma PHYWE hat diese Torusanordnung einen extrem niedrigen Summenwiderstand, da

• – die Querschnittsfläche des Kernzylinders (1) groß bemessen werden kann.
• – der dickwandige Torusmantel (2) eine Vielzahl vor parallel geschalteten Einzelwiderständen darstellt.

Infolge des extrem niedrigen Summenwiderstandes im Torus ergibt sich ein hoher thermoelektrischer Strom (7), aufgeteilt in große Stromdichten. Diese erzeugen in der Ringkammer (8) des Torus ein ringförmiges Magnetfeld (9) hoher Feldstärke zum Einschluss des Plasmas.

Zum heizen der heissen Verbindungsstelle (3) ist in der Trennschicht eine Vielzahl von elektrischen Heizpatronen (10) angebracht, so dass diese nicht die thermoelektrischen Ströme (7) beeinträchtigen. Um die Temperatur an dieser Verbindungsstelle (3) auf einem hohen Wert konstant zu halten, ist als Zusatzeinrichtung eine stetige Temperaturregelung, bestehend aus Temperatursensor (11), Temperaturregler (12) und Stromrichter (13) vorgesehen, wobei letzterer auf die elektrische Versorgungsleistung der Heizpatronen (10) einwirkt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Heizeinrichtung ist die Unterseite des Torusmantels (2) mit einer Wärmedämmung (14) versehen.

Die kalte Verbindungsstelle (4) wird durch eine Siedekühlvorrichtung (6) auf niedriger Temperatur gehalten, da die Siedekühlung hier am vorteilhaftesten und mit geringem Aufwand konstante Temperaturverhältnisse ermöglicht. Dazu ist die Oberseite des Torusmantels (2) mit vielen Kühlrrippen (15) und einem Behälter (16) versehen, in dem eine Flüssigkeit (17) mit niedrigem Siedepunkt, z.B. Wasser siedet. Der entstehende Wasserdampf wird in einem Luftkühler (18) kondensiert und wieder dem Siedebehälter (16) rückgeführt. Aus Übersichtsgründen nicht dargestellt sind Regeleinrichtungen für Füllstand, Druck und die Verlustwasserzuführung für diese Siedekühlvorrichtung (6).

Um für den vorteilhaften Einschluss des Plasmas in Kernfusionsreaktoren das ringförmige Magnetfeld entsprechend auszugestalten, können zur Veränderung von Betrag und Richtung der thermoelektrischen Ströme (7) bzw. deren Stromdichte – die äusseren Konturen des Kernzylinders (1) und/oder des Torusmantels variiert werden.

• – die Wandstärke des Torusmantels (2) unterschiedlich bemessen sein.
• – der Torusmantel (2) mit Schlitzen versehen werden, die mit Luft oder Isolierstoff gefüllt sind.

Ferner zeigt 3, dass das ringförmige Magnetfeld (9) auch durch Nebenschlusswindungen (19) in Betrag und Richtung manipuliert werden kann. In 3 sind aus Übersichtsgünden Heiz- und Kühlvorrichtungen weggelassen worden.

In 4 ist ein Ausschnitt des Torusmantels (2) mit einer Revisionsöffnung dargestellt. Über diese Revisionsöffnung ist die Ringkammer (8) ausserhalb des Fusionsprozesses zugänglich.

Hierzu ist in dem Torusmantel (2) eine Öffnung eingelassen, deren Seitenkontur konisch geschliffen ist, so dass passgenau ein kegeistumpfförmiger Verschlussdeckel (21) in die Öffnung passt. Dieser Verschlussdeckel (21) besteht aus dem gleichen Werkstoff wie der betreffende Torusmantel (2). Ähnlich wie bei einer Widerstandsstöpseldekade ergibt sich hierbei durch die Keilwirkung des Konus ein sehr niedriger Übergangswiderstand zwischen Torusmantel (2) und Verschlussdeckel (21).

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel (Höchtsstromausführung), bei dem trotz höherem spezifischen elektrischen Widerstand eines Thermoschenkelwerkstoffes (z.B.

CuNi) höchste Ströme und Magnetfelder erzielt werden können.

Dies wird dadurch erreicht, daß dieser Thermoschenkel mit dem höheren elektrischen Widerstand als dünne Schicht (22) zwischen einem inneren Torusmantel (2b) und einem äußeren Torusmantel (2c) angeordnet wird, so daß diese dem thermoelektrischen Strom (7) eine extrem große Querschnittsfläche bietet, hingegen aber die Leiterlänge durch die kurze Schichtdicke gebildet wird. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach 2 benötigt diese Höchststromausführung weder Heiz- noch Kühlvorrichtung, da die innere Hitze in der Ringkammer (8) des Kernfusionsreaktors und das Temperaturgefälle im Torusnantel genutzt wird. Der thermoelektrische Gegenschenkel zur Schicht (22) wird durch den Kernzylinder (1), dem inneren Torusmantel (2b) und dem äußeren Torusmantel (2c) gebildet, wobei hierbei der Thermoschenkelwerkstoff (z.B. Cu) derjenige mit dem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand ist. Zwischen inneren Tourusmantel (2b) und äußerem Torusmantel (2c) liegt die Schicht (22) mit der heissen Verbindungsstelle (3) und der kalten Verbindungsstelle (4). An der Stoßstelle ist der innere Torusmantel (2b) von dem äußeren Torusmantel (2c) und dem Kernzylinder (1) durch den Isolierring (23) isoliert. Zur Bodenauftsellung dient ein Fußkörper (24) aus Isolierwerkstoff.

• a) Kernfusionsreaktoren können kompakter realisiert werden, da auf engem Raum und ohne äussere Stromzuführungen hohe magnetische Feldstärken erzielbar sind.
• b) Einfache Konstruktion durch Wegfall von Stromversorgungseinrichtungen, Kühlanlagen und Stützgerüst.
• c) Geringere Energiekosten für das Magnetfeld.
• d) Örtlich und zeitlich hochkonstantes Magnetfeld durch Wegfall der Rippel und des Restbrumms.
• c) Keine Feldbeeinfussung durch Stromzuführungen van aussen.
• d) Die Masshaltigkeit der Toruskonturen ist leichter herzustellen als die Anordnung mit Einzelspulen.
• e) Das Magnetfeld kann leichter manipuliert werden.
• f) Mit kleiner Leistung kann ein stationäres Magnetfeld erzeugt werden. (Wegfall der Schwungradgeneratoren.)
• g) Bei der Höchststromausführung steigen theromelektrische Ströme und Magnetfeldstärken mit Zunahme der Temperatur in der Ringkammer.