ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1997 года по МПК G21B1/00 H05H1/00 

Изобретение относится к термоядерной энергетике и к средствам экспериментального исследования высокотемпературной плазмы.

Известны устройства, использующие столкновения плазмидов, т.е. компактных сгустков плазмы в магнитном поле ловушечной конфигурации [1, 2] Эти устройства из-за конструктивных недостатков, сложной магнитной системы не могут рассматриваться в качестве энергетических термоядерных реакторов, так как затраты энергии на удержание и сжатие плазмы превышают ее выход.

Известно устройство для получения контролируемой ядерной реакции синтеза, содержащее источник ионов и электронов с ускорителями с каждой стороны, расположенные симметрично относительно реакционной камеры, окруженной магнитной катушкой и магнитами, смешивающими пучки ионов с электронами в плазменный пучок [3]
Используемая в известном устройстве магнитная система не оптимальна. Во-первых, повороты пучков электронов и ионов при необходимых в прототипе плотностях тока требуют мощных отклоняющих магнитов, что делает реактор экономически неэффективным. Во-вторых, если пучки заряженных частиц не двигаются вдоль силовых линий магнитного поля (как это происходит в прототипе) и встречают области поперечных составляющих поля (созданные отклоняющими магнитами), то часть плазмы будет отражена от "магнитного барьера". Таким образом, используемая в прототипе магнитная система неминуемо приводит к дезорганизации пучка плазмы, что не позволяет получить достаточную степень сжатия и высокую температуру плазмы.

Цель изобретения повышение температуры и степени сжатия плазмы путем оптимизации магнитной системы и расположения ускорителей.

Для достижения указанной цели предлагается в термоядерном реакторе, содержащем источники ионов и источники электронов с ускорителями, расположенные по торцам реактора с возможностью создания вакуумированного рабочего объема, окруженного бланкетом с теплоносителем и магнитной катушкой, дополнительно, на торцах рабочего объема разместить более чем по одному источнику электронов и ионов с ускорителями и нейтрализаторами, создающими квазинейтральный плазменный пучок. Они установлены в шахматном порядке или на коаксиальных окружностях так, что ускоренное движение ионов и электронов после выхода из ускорителей происходит вдоль силовых линий магнитного поля. Минимум величины его напряженности в центральной части рабочего объема создается магнитной катушкой и дополнительными витками тока, закрепленными снаружи катушки в изоляторах. Для компенсации зарядов потока частиц в качестве источника электронов в ускорителях установлены термические эмиттеры.

На фиг. 1 показан термоядерный реактор, продольный разрез; на фиг.2 вид реактора с торца.

Реактор содержит источники ионов с ускорителями 1, источники электронов с ускорителями 2 и нейтрализаторы 3, размещенные вокруг оси O-O, рабочий объем 4, окруженный бланкетом 5, внутри которого проходит теплоноситель. Магнитная катушка 6, создающая в рабочем объеме магнитное поле, силовые линии которого схематично показаны пунктирными линиями. В торцевой части рабочего объема имеются патрубки 7 для соединения с откачивающей системой. В центральной части рабочего объема для высокотемпературной плазмы 8 посредством дополнительных витков тока 9 формируется магнитное поле с минимумом напряженности. Витки тока размещены снаружи магнитной катушки и закреплены в изоляторах 10.

Реактор работает следующим образом.

Поток ускоренных ионов 1 и электронов 2, проникая через нейтрализаторы 3, продолжают свое движение в виде плазменных струй по силовым линиям магнитного поля в рабочем объеме 4. Форма рабочего объема, магнитные катушки 6 и дополнительные витки 9 выполнены так, что они обеспечивают максимальную степень сжатия квазинейтрального ионно-электронного пучка (КИЭП) в центральной части объема 4. По мере движения КИЭП и его сжатия он постепенно хаотизируется вследствие увеличения роли столкновений и превращается в сжатую плазму 8. В реакционном объеме 4 сжатая плазма 8 сталкивается с такой же встречной плазменной струей, что приводит к их дополнительному нагреву вследствие перехода кинетической энергии струй плазмы в тепловую. В результате реакции в центре рабочего объема 4 образуется высокотемпературная плазма 8. Термоядерная реакция образуется за счет диамагнитного эффекта в высокотемпературной плазме ("раздвигание" силовых трубок магнитного поля. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. -М. Атомиздат, 1964). Удержание плазмы от разлета поперек магнитного поля обеспечивается выбором сильного магнитного поля, у которого магнитное давление на границе плазмы равно газодинамическому давлению в плазме. Удержание от разлета вдоль силовых линий обеспечивается взаимодействием со встречной струей плазмы в течение всего рабочего цикла (импульса). Поток нейтронов из реакционного объема 4 поглощается веществом в бланкете 5. Для улучшения условий удержания плазмы вокруг соленоидальной обмотки 6 размещены витки тока 9, которые создают поле с минимумом величины напряженности в центре рабочего объема. Концы витков закреплены изолятором 10. Для обеспечения вакуума в рабочем объеме 4 используется откачивающая система, которая подключается к реактору посредством патрубков 7.

Для оценки характеристик реактора и обоснования его эффективности рассмотрим следующие соотношения.

1. Кинетическая энергия струй плазмы преобразуется в тепловую и тормозное излучение. Пренебрегая для первой оценки циклотронным излучением, имеем [4]

где I сила ускорителя, А;
U напряжение на ускорителе, В;
n концентрация ионов в реакционном объеме, равная концентрации электронов (отсюда множитель 2 в первом слагаемом правой части уравнения), м^-3;
T температура плазмы, К;
C 1,36•10^-40 Вт•м^-3•К^-1/2 константа;
V(t) реакционный объем плазмы, (м³;
t время, с;
k 1,38•10^-23 Дж/к постоянная Больцмана.

2. Считаем, что α-частицы и нейтроны уходят из реакционного объема и поглощаются в бланкете, а уходом ионов D и T может пренебречь, так же, как и реакцией DD, имеющей малое сечение по сравнению с DT-реакцией. Тогда уравнение баланса частиц в объеме 8 имеет вид:

здесь параметр скорости реакции DT;
e заряд электрона.

3. Пусть напряженность (индукция) магнитного поля B выбирается из условия равенства магнитного давления газодинамическому 2μ_o•n•k•T, а выравнивание давления в объеме 8 происходит так быстро, что можно считать его одинаковым во всем объеме. Тогда
T = B²/(4μ_o•k•n), (3)
где μ_o магнитная проницаемость вакуума.

Уравнения (1) (3) позволяют расчитать неизвестные функции n(t), T(t), V(t) по заданным характеристикам поля и ускорителей.

4. Для простой оценки характеристик реактора рассмотрим стационарный режим, т.е. dn/dt 0. В этом случае из (1) (3) имеем

где индексом c обозначены стационарные параметры.

Например, для случая DT реакции и бланкета, заполненного ⁶L_i, получаем при I 10 А n 10²¹ м^-3:
V_c=0,52 м³; U_c=89 кВ; T_c=43 кэВ (при B 6 Тл).

Мощность реактора

где E_я=24 МэВ энергетический выход ядерных реакций в расчете на один акт синтеза.

Коэффициент эффективности, равный отношению мощности реактора к мощности ускорителей K 240.

Для бланкета с²³⁸U или ²³²Th мощность реактора и коэффициент эффективности увеличатся примерно в 10 раз. Поток нейтронов из реакционного объема равен в рассмотренном случае N 1,2•10¹⁴ н/с.

Диффузию ионов из области 8 ортогонально силовым линиям магнитного поля не учитывали вследствие их малости. Это один из основных вопросов, определяющих возможность практической реализации предлагаемой конструкции (как, впрочем, и других конструкций термоядерных реакторов с магнитной изоляцией). По имеющимся эмпирическим данным, относящимся в основном к реакторам типа токамаков, время удержания частиц в плазме порядка [4]
τ_у= a²/8D_c, (5)
где a размер камеры;
D_c 0,2 0,3 м/с.

Если предположить, что эта оценка пригодна и для нашей конфигурации поля, то, подбирая размеры камеры и величину индукции поля, можно получить достаточно большие времена удержания. Из литературы известно, что в плазме при значениях магнитного поля порядка используемых в нашей конструкции вследствие очень большой величины постоянной Холла магнитное поле практически подавляет диффузию в направлении, поперечном магнитному полю.

Характеристики такого плазменно-струйного термоядерного реактора будут зависеть от достижимого времени удержания плазмы при заданной величине удерживающего магнитного поля.

В подтверждение принципиальной возможности осуществления предложенного способа удержания плазмы приведем некоторые дополнительные оценки. Рассмотрим движение заряженных частиц в неоднородном магнитном поле. Предполагаем, как обычно, что сохраняются магнитный момент μ = W_⊥/B (адиабатический инвариант) и полная энергия W частиц, здесь перпендикулярная и параллельная составляющая скорости частиц (ионов). Инвариантность магнитного момента (Нортроп Т. Адиабатическая теория движения заряженных частиц. -М. Атомиздат, 1967, с.60) обозначает, что магнитное поле мало меняется за время порядка циклотронного периода. Будем считать, что это условие выполняется. Следовательно, из этих законов сохранения имеем
W_⊥(O)/B(O) = W_⊥(z)/B(z) (6)

здесь z произвольная координата вдоль оси устройства (в силу симметрии рассматриваем одну половину реактора);
за ноль принята координата выхода из ускорителя.

При распространении потока заряженных частиц в "сходящемся" (усиливающемся в направлении движения) магнитном поле происходит перераспределение энергии между параллельной и перпендикулярной составляющими скорости. Назовем координату, где достигается равенство "точкой равенства" Z_p. Из (1) и (2) (Кролл Н. Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М. Мир, 1975, с.487) можно получить для магнитного поля в точке равенства

Очевидно в этой точке (в этом сечении)

Плотность потока энергии в "сечении равенства" от ускорителей к центру камеры (реакционного объема 8) в предположении, что энергия переносится ускоренными ионами (кинетической энергией электронов в компенсированном ионно-электронном пучке пренебрегаем) равна
N_i e•U•n_i•v_i/2 U•I/2S, (10)
где U напряжение на ускорителе;
n_iv_i плотность потока ионов;
I ток ускорителя;
S сечение КИЭП;
e заряд электрона.

Полагаем, что только в "сечении равенства" достигаются хаотизация и концентрация частиц, достаточные для применения здесь представлений магнитной гидродинамики. Тогда для этого сечения можно подобрать такие условия, что давление термоядерной плазмы будет уравновешено динамическим давлением КИЭП, т.е.

n_pkT m_in_iv²/2, (11)
где n_p, T концентрация и температура в реакционном объеме;
m_i масса (в случае d,t пучка m_i это средняя масса d и t ядер);
n_i концентрация и v_i скорость ионов в "сечении равенства" соответственно. С учетом (9)
v² eU/m_i, (12)
где U напряжение на ускорителе.

Но в сечении z_p концентрации частиц n_p и n_i должны быть по определению одинаковы. Тогда из (11) и (12) имеем
T eU/2k. (13)
Например, для наших условий при U 89 кВ, получаем T 5•10⁸ K (43 кэВ), что иллюстрирует возможность выполнения условия равенства давлений (11) в точке Z_p и тем самым подтверждает принципиальную возможность существования границы между плазмой и КИЭП в "магнитном канале подачи" и, следовательно, отсутствие механизма теплопроводности между сечениями Z_p и ускорителями.

При сделанных предположениях основными механизмами уноса энергии из реакционного объема должны быть: а) тормозное и циклотронное излучение; б) уход нейтронов; в) уход альфа-частиц. Причем все эти механизмы могут рассматриваться как полезные, так как связаны с передачей энергии бланкету.

Рассмотрим подробнее вопрос о возможности ухода электронов из реакционного объема. Вообще ни о каком механизме теплопроводности диффузного характера в наших условиях говорить нельзя.

Если предположить, что уходу электронов ничто не препятствует, то поток энергии в единицу времени, выносимой из реакционной зоны, можно оценить по формуле
N_e= S•n_em_ev3e

/2 = (S/2)n_em_e(kT/m_e)^3/2, (14)
где S сечение сжатого пучка (кстати видно, что перенос энергии электронами зависит от достижимой степени сжатия пучка). Соответствующий ток переноса

отсюда объемный заряд, приобретаемый плазмой за время t

Из этих простых формул видно, что через10^-9с при T 10⁸ K, S 10 мм², n_e 10¹⁵ см^-3 на границе реакционного объема (для простоты примем его формулу сферической с радиусом r_o) получим напряженность электрического поля E~ 10⁷-10⁸ В/м. По формуле
r_x= (1/r_o-kT/2q•4πε_o/e), (17)
которая является следствием закона сохранения энергии
m_ekT/m_e-qe/(4πε_or_o) = -qe/(4πε_or_o), (18)
где r_x расстояние, на которое может удалиться электрон от заряда q,
оцениваем
r_x r_o ≈ 1 см,
здесь r_o радиус реакционного объема.

При этом . Эти оценки показывают, что беспрепятственный выход электронов из квазинейтрального реакционного объема плазмы невозможен. Уже через время порядка 1 нс возникающее поле достаточно для возврата термоядерных электронов. Если с течением времени будет продолжаться утечка электронов, то заряд q быстро возрастает и существенно уменьшается расстояние, на которое может уйти электрон.

Выход α-частиц из зоны реакции вдоль силовых линий поля и их участие в поддержании высокой температуры в реакционном объеме являются серьезной проблемой для любых типов термоядерных устройств. Ток a-частиц равен

где 0 <k <1 доля α-частиц, уходящих вдоль поля.

Для n 10²¹ м^-3, T 50 кэВ, объема V_p=5•10^-3 м³, скорости dt реакции 10^-21 м³/с, получаем I_α= 0,8•k_αA. Этот выход положительных зарядов может быть скомпенсирован либо уменьшением электронного тока, либо увеличением ионного тока в пучках.

Следует отметить, что в заявляемом устройстве даже полный уход a-частиц из реакционного объема не означает неработоспособности устройства, а их энергия (или ее часть) поглощается в бланкете. При достаточно сильных полях часть a-частиц будет оставаться в объеме, постепенно терять энергию и нейтрализоваться (например, при B 5 Тл циклонный радиус d,t α-частиц (T_α=3,5 МэВ), 10 см и часть a-частиц может многократно пронизывать реакционный объем).

Рассмотрим теперь вторую возможность: перенос энергии вдоль сжатых пучков одновременно электронами и ионами, т.е. плазмой, образующейся в реакционном объеме.

Условием удержания плазмы в сжатом канале является равенство давления со стороны реакционного объема и динамического давления со стороны КИЭП. При этом выше предполагалось равенство концентраций в некотором сечении. В более общем случае может возникнуть некоторый переходный слой (аналогично ударной волне), по обе стороны которого концентрации будут различны. Тогда вместо условия (13) получим более общее выражение:
U 2 (n_p/n_i) kT/e, В (21)
что в зависимости от перепада концентраций n_p/n_i изменяет количественную оценку, но не изменяет принципиального вывода о возможности удержания плазмы в реакционном объеме (точнее, в некотором сечении "магнитного канала подачи").

Механизм электронной теплопроводности вдоль силовых линий по существу относится к случаю, когда магнитные каналы полностью заполнены термической плазмой. Этого можно избежать при указанных выше условиях.

К технико-экономическим преимуществам заявляемого термоядерного реактора следует отнести возможность оптимального программирования изменения индукции магнитного поля во времени (например, его возрастание, ведущее к дополнительному сжатию плазмы) и в пространстве (добавочно ловушечная конфигурация), а также очевидную возможность программирования работы ионных и электронных ускорителей с целью оптимизации характеристик реактора. Реактор может быть использован в качестве устройства для получения высокотемпературной плазмы различного состава, нейтронного и рентгеновского излучений. Реактор имеет более высокую эффективность по сравнению с прототипом за счет меньших затрат энергии на питание более оптимальной магнитной системы и снижение потерь заряженных частиц за счет существенного уменьшения рассеяния их на поперечных движению составляющих магнитного поля, что стало возможным благодаря оптимальному сонаправленному расположению силовых линий и начальных траекторий заряженных частиц как внутри ускорителей, так и вне их.

Положительный эффект заявляемого устройства заключается в повышении температуры плазмы и, как следствие, в увеличении эффективности работы реактора за счет существенного уменьшения потерь заряженных частиц и затрат энергии на питание магнитной системы путем оптимизации магнитной системы и расположения ускорителей.

Источники информации:
1. Патент США N 4068147, 1978.

2. Патент США N 4267488, 1981.

3. Патент США N 3859164, кл. 176-2, 1975.

4. Кокорев Л.С. Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергетические установки. -М. Атомиздат, 1980.

Использование: в термоядерной энергетике, в частности для экспериментального исследования высокотемпературной плазмы. Сущность изобретения: реактор содержит источники электронов и ионов с ускорителями, расположенные по торцам реактора с образованием вакуумированного рабочего объема, окруженного бланкетом с теплоносителем и магнитной системой. Ускорители электронов и ионов размещены так, что ускорение и дальнейшее движение заряженных частиц происходит вдоль силовых линий магнитного поля с минимумом величины напряженности в центральной части рабочего объема. Магнитное поле в рабочем объеме создается с помощью магнитной катушки и дополнительных витков тока, закрепленных снаружи катушки в изоляторе. Источники электронов и ионов с ускорителями нейтрализаторами создают квазинейтральный плазменный пучок, направленный в центр рабочего объема, и могут быть расположены в шахматном порядке или на коаксиальных окружностях. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоядерный реактор, содержащий источники ионов и источники электронов с ускорителями, расположенные по торцам реактора с возможностью создания вакуумированного рабочего объема, окруженного бланкетом с теплоносителем и магнитной катушкой, отличающийся тем, что на торцах рабочего объема размещены более чем по одному источнику электронов и ионов с ускорителями и нейтрализаторами, создающими квазинейтральный плазменный пучок, причем они установлены так, что ускоренное движение ионов и электронов после выхода из ускорителей происходит вдоль силовых линий магнитного поля с минимумом величины напряженности в центральной части рабочего объема, создаваемого магнитной катушкой и дополнительными витками тока, закрепленными снаружи катушки в изоляторе. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что ускорители электронов и ионов расположены в шахматном порядке. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что ускорители электронов и ионов расположены на коаксиальных окружностях. 4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника электронов установлены термические эмиттеры.