ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1997 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к основным энергетическим установкам, способным преобразовывать энергию плазмы в электрическую с промежуточным нагревом теплоносителя и отбором ее от него в процессе получения электрической энергии, и может найти применение в качестве термоядерной электростанции.

Известен ротоклонный реактор (Машкова С. и Рычков В. Ядерная сковородка. Журнал "Изобретатель и рационализатор", 1991, N 2, c.9), содержащий камеру с впускными и выпускными каналами, из которых одни расположены внизу, а другие
вверху, причем камера снабжена перегородками и заполнена топливной смесью солей радиоактивных металлов и гелием, находящейся в режиме циркуляции через верхнюю часть камеры и ее впускные и выпускные каналы. Упомянутые перегородки образуют тепломассообменные каналы. Тепло и энергия ядерных реакций деления, например, урана -235, отводят из расплава топливной смеси гелием, который входит в камеру со скоростью 25 300 м/с, захватывает верхний слой расплава, дробит его на капли и пену и при прохождении через взвешенный слой капель расплава мгновенно нагревается до температуры расплава. Затем нагретый гелий отдает свое тепло пару в теплообменнике после прохождения каплеуловителя. после чего вновь подается в камеру.

Мощь реактора определяется концентрацией ядерного топлива в расплаве, емкостью ванны и количеством тепломассообменных каналов в камере.

Известный реактор обладает рядом достоинств: не нуждается в твэлах, воде; отработанный солевой расплав легко перерабатывается методами пирометаллургии.

Однако такой реактор имеет существенные недостатки, которые заключаются в необходимости периодической остановки для переработки расплава и выделения ядерных отходов, которые отправляют на захоронение в спецемкостях.

К числу недостатков относится к тот факт, что теплообмен происходитмежду газом и расплавом солей ядерного топлива.

Кроме того, известный ротоклонный реактор имеет много переменных параметров, от которых зависит мощь реактора, в частности, концентрация ядерного топлива в расплаве, емкости ванны, в которой происходит расплав, количество ротоклонных каналов.

В качестве прототипа выбран известный термоядерный реактор (Грачев Л.П. Есаков И.И. Мишин Г.И. Ходатаев К.В. Возможность осуществления термоядерного синтеза в резонансном стримерном СЧ-разряде высокого давления. Российская АН, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург, 1992, препринт N 1577, c. 50), включающий камеру, заполненную под давлением газом, например водородом, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне упомянутой камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне ранее указанной камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, причем зеркала СВЧ-резонатора установлены на расстоянии от внутренних стен камеры, которая выполнена прямоугольной формы и концентрично расположена внутри другой камеры, а зазор между ними заполнен текучим теплоносителем.

Этот термоядерный реактор устраняет отдельные недостатки предыдущего известного реактора. В частности, повышена экологическая защищенность, так как в прототипе не используют ядерное топливо, а текучий теплоноситель используют по замкнутой схеме.

Однако и прототип имеет существенные недостатки, а именно:
по теплоносителю хаотично передается энергия, полученная в результате термоядерного синтеза. Это обусловлено прямоугольной формой камеры и большим объемом, занимаемым теплоносителем в реакторе, которые не позволяют энергии плазмы, полученной в результате термоядерного синтеза, равномерно распределяться во все стороны от фокуса резонатора в массу теплоносителя;
потерями энергии, из-за толщины стен камеры, которые должны выдерживать высокое давление, не менее 40 атм. газа-водорода в камере и препятствуют выход энергии плазмы на теплоноситель;
перегревом зеркал у СВЧ-резонатора, которые выполняют из меди и не обеспечивают им охлаждение;
низкой частотой СВЧ-разрядов, что снижает мощность реактора, так как приходится учитывать не только способности газа в камере восстанавливать свое исходное состояние после очередного СВЧ-разряда, но и температуру перегрева зеркал СВЧ-резонатора.

Задача изобретения создание нового термоядерного реактора, обладающего оригинальными и неожиданными достоинствами: равномерным нагревом текучего теплоносителя, пониженным потерями мощности, стабильностью фокусирования СВЧ-энергии в камере при сохранении простой конструкции реактора.

Задача решается так, что в известном термоядерном реакторе, включающем камеру высокого давления, заполненную газом под давлением менее 40 атм, например, водородом, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, согласно настоящему изобретению, внутренняя поверхность камеры образована из двух теплопроводных змеевиков, заполненных текучим теплоносителем и имеющих между каждой парой витков теплопроводное соединение, а входная часть каждого змеевика охватывает тыльную сторону соответствующего зеркала СВЧ-резонатора, причем вход каждого змеевика расположен со стороны соответствующего торца камеры и подсоединен к системе подачи теплоносителя, а выходы обоих змеевиков выведены из камеры в плоскости соединения выходного витка одного змеевика с соответствующим витком другого змеевика и введены в общий вход преобразователя энергии.

Изобретение всей своей ранее неизвестной совокупностью существенных отличительных признаков позволяет получить термоядерный реактор с камерой, у которой внутренняя полость имеет форму цилиндра со сферическими торцами, что образовано двумя змеевиками, заполненными теплоносителем. Такой термоядерный реактор позволяет иметь управляемую систему отвода энергии из внутренней полости камеры при СВЧ-разрядах в ней, надежное функционирование входящих элементов, в частности, зеркал СВЧ-резонатора за счет охвата входной частью каждого змеевика тыльной стороны соответствующего упомянутого зеркала, так как по входной части всегда поступает холодная вода, а в плоскости соединения последних витков каждого змеевика температура теплоносителя максимальная и поэтому отсюда текучий теплоноситель поступает на преобразователь энергии.

Предлагаемый термоядерный реактор состоит из камеры 1, заполненной под давлением газом 2 и у которой внутренняя полость имеет вид цилиндра со сферическими торцами 3. Двухзеркальный 4 и 5 СВЧ-резонатор установлен внутри камеры 1, а его составные элементы, как-то устройство возбуждения 6 и СВЧ-генератор 7 изображены на чертеже условно.

Внутренняя поверхность камеры 1 образована двумя теплопроводными змеевиками 8 и 9, у которых вход 10 и 11 и выход 12 и 13 выполнены раздельными. Причем вход 10 змеевика 8 выходит из камеры 1 со стороны зеркала 4 СВЧ-резонатора, а входная часть этого змеевика 8 охватывает тыльную сторону упомянутого зеркала 4. Вход 11 змеевика 9 выходит из камеры 1 со стороны зеркал а 5 СВЧ-резонатора, а входная часть этого же змеевика 9 охватывает тыльную сторону уже зеркала 5 и соответствующий составной элемент СВЧ-резонатора, в частности устройство возбуждения резонатора 6, которое своим выходом взаимодействует с тыльной стороной зеркала 5, а входом с СВЧ-генератором 7.

Кроме того, входы 10 и 11 змеевиков 8 и 9 соединены с системой 14 подачи теплоносителя 15, которым заполнены указанные змеевики 8 и 9. Выходы 12 и 13 этих змеевиков 8 и 9 выходят из камеры 1 в плоскости соединения выходного витка одного змеевика, например, змеевика 8 и аналогичный другого змеевика 9 объединены во входе 16 преобразователя энергии 17, например, выполненную в виде газо-паровой или водяной турбины.

Каждая пара витков у каждого змеевика 8 и 9 имеет теплопроводное соединение 18, например, в виде пропайки.

Дополнительно стоит отметить, что с преобразователя энергии 17 есть выход на генератор 19 электрической энергии (изображен условно). С этого генератора идет запитка СВЧ-генератора, системы 14 подачи теплоносителя.

Кроме того, камера 1 с тыльной стороны зеркала 4 СВЧ-резонатора снабжена устройством 20 контроля мощности резонатора (изображена условно) и системой 21 (изображена условно) заполнения газом 2 камеры 1.

В основе принципа работы предлагаемого термоядерного реактора лежит обнаруженное существование в фокусе импульсного квазиоптического СВЧ-резонатора высокотемпературного резонансного стримера, в котором магнитное давление токов существенно превышает газокинетическое, что вызывает динамический пинч-эффект.

Энергетика процесса позволяет достигнуть термоядерных значений параметров плазмы внутри стримера.

Предлагаемый термоядерный реактор работает следующим образом.

Через систему 21 заполнения газа 2 подают водород в камеру 1 и заполняют ее им под давлением не менее 40 атм. Затем или одновременно системой 14 подают текучий теплоноситель 15, в данном случае воду, в змеевики 8 и 9. Потом включают СВЧ-генератор 7 и через устройство 6 возбуждают СВЧ-резонатор. В результате в течение одного СВЧ импульса возникает искровой канал, расположенный в фокальной пучности электромагнитного поля. В образовавшейся плазме происходит термоядерная реакция синтеза (Грачев Л.П. Есаков И.И. Мишин Г.И. Ходатаев К.В. Возможность осуществления термоядерного синтеза в резонансном стримерном СВЧ-разряде высокого давления. РАН, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, С.-П. 1992, препринт N 1577).

Продукты реакции уносят высвободившуюся энергию. Генератор 7 работает с некоторой частотой повторения, которая, в конечном счете, и определяет среднюю мощность реактора. Вода 15, находящаяся в теплопроводных змеевиках 8 и 9, отбирая тепло от плазмы, возникшей в фокусе двух зеркал 4 и 5 СВЧ-резонатора, нагревается и через выходы 12 и 13 в плоскости соединения двух последних витков каждого змеевика 8 и 9 друг с другом, поступает на вход 16 преобразователя 17 энергии, например турбину. С ее выхода, через генератор 19 электрической энергии часть электрической энергии возвращается на питание СВЧ- генератора, а часть поступает к потребителю.

Наличие двух теплопроводных змеевиков 8 и 9 и теплопроводных соединений 18 между их витками, у которых входные части охватили тыльную сторону соответствующих зеркал 4 и 5 СВЧ-резонатора, позволяет управлять интенсивностью съема энергии плазмы, непосредственно с внутренней поверхности 3 камеры. Это обеспечивается тем, что холодный теплоноситель 15 поступает на вход 10 или 11 змеевика 8 или 9 не успевает нагреваться до высокой температуры и за счет этого охлаждает зеркала 4 или 5 СВЧ-резонатора, увеличивая их срок эксплуатации, а в плоскости выхода 12 или 13 змеевика 8 или 9 теплоноситель 15 достигает температуры требуемой для преобразователя 17 энергии. Изменяя скорость подачи теплоносителя 15 в змеевики 8 и 9 можно стабилизировать частоту СВЧ-импульсов, так как контроль за мощностью резонатора можно осуществлять через соответствующее устройство 20.

Использование зобретения в народном хозяйстве страны позволит иметь компактную термоядерную электростанцию.

Использование: в энергетических установках, способных преобразовать энергию плазмы в электрическую через промежуточный нагрев теплоносителя. Сущность изобретения: термоядерный реактор содержит камеру высокого давления, заполненную газом под давлением не менее 40 атм, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры. Внутренняя поверхность камеры выполнена из двух теплопроводных элементов, заполненных текучим теплоносителем и охватывающих своей входной частью тыльную сторону соответствующих зеркал СВЧ-резонатора, а также имеющие выход в преобразователь энергии. Вход змеевиков соединены с системой подачи теплоносителя и каждый расположен со стороны соответствующего торца камеры. Термоядерный реактор позволяет управлять отбором энергии от плазмы с одновременной тепловой защитой своих конструктивных элементов. 1 ил.

Термоядерный реактор, включающий камеру высокого давления, заполненную газом под давлением не менее 40 атм, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне камеры, текучий теплоноситель, входящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры образована из двух теплопроводных змеевиков, заполненных текучим теплоносителем и имеющих между каждой парой витков теплопроводное соединение, а входная часть каждого змеевика охватывает тыльную сторону соответствующего зеркала СВЧ-резонатора, причем вход каждого змеевика расположен со стороны соответствующего торца камеры и подсоединен к системе подачи теплоносителя, а выходы обоих змеевиков выведены из соединения камеры в плоскости соединения выходного витка одного змеевика с соответствующим витком другого змеевика и введены в общий вход преобразователя энергии.