MHD-Plasmaionisationswandler
MAGNETOHYDRODYNAMIK. - Neue Art von magnetohydrodynamischen Wandler: Induktionsgeräte. Anmerkung (*) von Jean-Pierre Petit und Maurice Viton, vorgestellt von Herrn André Lichnérowicz. CRAS 1976.
...Ein neuartiger, diskförmiger, induktiver MHD-Beschleuniger mit kontrollierter Ionisation wird vorgestellt. Mit einem leichten und leistungsfähigen elektrischen Generator verbunden, könnte dieses Gerät zu einem induktiven und ionisationsgesteuerten MHD-Aerodyne führen. Lösungen zur Einschließung des Plasmas an der Wand werden diskutiert.
...Ein neuartiger induktiver MHD-Beschleuniger, scheibenförmig und mit kontrollierter Ionisation, wird vorgestellt. In Verbindung mit einem leichten und leistungsfähigen elektrischen Generator könnte er zu einem MHD-Aerodyne werden. Lösungen zur Einschließung des Plasmas an der Wand werden angegeben.
Einleitung. In einer früheren Mitteilung (1) wurden MHD-Wandler mit einer recht ungewöhnlichen Geometrie beschrieben, die einen starken Hall-Effekt nutzten. Einige dieser Geräte befinden sich derzeit in der experimentellen Untersuchung.
...In dieser Mitteilung geht es diesmal um einen MHD-Beschleuniger mit wechselndem Magnetfeld. Betrachten wir eine Scheibe aus einem isolierenden Material, an deren Rand ein Spule angebracht ist, durch die ein Wechselstrom fließt (*Abb.*1). Die Änderung des Magnetfeldes tendiert dazu, in der umgebenden Flüssigkeit kreisförmige induzierte Ströme zu erzeugen. Der Hall-Effekt wird vernachlässigt. Diese induzierten Ströme wirken zusammen mit dem augenblicklichen Wert des Feldes B und erzeugen radiale Kräfte, die abwechselnd zentrifugal und zentripetal wirken. Aufgrund der Symmetrie des Systems führen diese Kräfte lediglich zu radialer Aufregung, während der Impulsintegral über einen Zyklus null ist. Die Stärke des induzierten Stroms hängt von der Spitzenwert des Feldes B und von seiner Periode T ab. Unterhalb eines bestimmten Verhältnisses B/T bleiben die induzierten Ströme gering.
Beschleuniger mit Ionisationskontrolle. - Dies ändert sich, wenn man die Wände der Scheibe mit einem beliebigen System zur Erzeugung von Ionisation ausstattet (Abb.2). Dank dieses Geräts kann man nun die Stärke der induzierten Ströme an jedem Punkt in der Nähe der Wand des Beschleunigers kontrollieren. Wir modulieren nun die Stromversorgung der Ionisatoren gemäß Abbildung 3. Wir befinden uns in Bedingungen, bei denen die Relaxationszeit der Ionisation klein gegenüber der Periode T des Feldes B ist.
...Es ist leicht zu erkennen, dass die radialen Lorentzkräfte, sobald sie auftreten, in der oberen Nähe der Scheibe zentrifugal wirken und in der unteren Nähe zentripetal. Die ionisierte Luft wird dann pulsierend beansprucht, und es entsteht eine Strömung gemäß dem Schema der Abbildung 4.
MHD-Aerodyne. - Wenn dieser Beschleuniger eine eigenständige elektrische Energiequelle besitzt, entsteht ein induktives und ionisationsgesteuertes MHD-Aerodyne. In einer früheren Mitteilung (1) wurde bereits ein MHD-Motor erwähnt. Es handelt sich um einen Zwei-Takt-Motor, bei dem am Ende der MHD-Kompressionsphase innerhalb eines Gasgemisches Fusionen stattfinden. Das Plasma dehnt sich dann aus, und das Gerät verhält sich in dieser zweiten Phase wie ein elektrischer Generator nach dem Hall-Prinzip.
Zur Erinnerung sei auf einen kürzlich erschienenen Artikel von Ralph Moir (2) hingewiesen. Dieser schlägt ebenfalls einen alternierenden MHD-Motor mit einer anderen Formel vor, der scheinbar einfacher ist. Das wesentliche Element ist eine toroidale Kammer, die nichts anderes als ein Tokamak ist. Moir schätzt, dass die Lawson-Bedingungen bei einer MHD-Kompression erreicht werden können, die bei diesem Gerät eine Theta-Pinch-Art von Kompression darstellt. Die Expansion des Fusionsplasmas komprimiert dann die Feldlinien des Magnetfeldes, wodurch direkt durch Induktion elektrischer Strom erzeugt wird. Der Vorteil dieser doppelten Form: Aerodyne und Motor, die durch Induktion arbeiten, besteht darin, dass keine starken Ströme durch Elektroden fließen müssen.
Einschließung des Plasmas an der Wand. - Der induzierende Solenoid des diskförmigen Beschleunigers erzeugt ein Magnetfeld, das an der Wand maximal ist. Der magnetische Druck neigt daher dazu, die Entladung von der Wand weg zu treiben. Wenn man die Lage der MHD-Wechselwirkung kontrollieren möchte, muss man eine Geometrie wählen, bei der das Magnetfeld nicht an der Wand, sondern in deren Nähe maximal ist. Dies kann durch eine Geometrie mit mehreren Solenoiden erreicht werden, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Berechnung zeigt, dass die magnetische Feldstärke dann auf einer annähernd konischen Fläche maximal ist. Es wird empfohlen, für die Wand des Aerodyns eine Bahn zu wählen, die senkrecht zu den Feldlinien verläuft, damit die Lorentz-Kraft tangential zu dieser verläuft. Die Idee des MHD-Aerodyns stammt von Jean-Pierre Petit, die Idee der mehrfachen Solenoid-Geometrie zur Einschließung vom Plasma von Maurice Viton.
(*) Sitzung vom 8. Dezember 1976
(1) J.P. Petit, Comptes rendus, 281, Serie B, 1975, S. 157
(2) R. Moir, Direct Conversion of Energy from Fusion, Bericht UCRL 76096 des Lawrence Livermore Laboratory, Kalifornien, USA