СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕАКЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА Российский патент 1998 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к термоядерной энергетике и технике мощных источников нейтронного излучения.

Известен способ осуществления реакции термоядерного синтеза в камере термоядерного реактора, основанный на инжекции пучков ускоренных положительных ионов дейтерия и трития в камеру [1]. В этом способе кулоновское отталкивание частиц друг от друга на стадии транспортировки пучков к камере не позволяет получать большие концентрации частиц-реагентов, особенно при тех энергиях ускорения, о которых говорится в [1] (13 - 14 эВ), следовательно, такой способ является энергетически малоэффективным.

Наиболее близок к предлагаемому решению способ осуществления реакции термоядерного синтеза в камере термоядерного реактора, в котором в камеру с магнитным полем инжектируют пучки ускоренных дейтронов и тритонов [2]. В этом способе заряженные частицы, двигаясь в магнитном поле, которое находится внутри камеры, описывают замкнутые траектории, причем конфигурация магнитного поля выбрана так, что существуют точки сгущения траекторий, в которых происходят термоядерные реакции. В этом способе кулоновское отталкивание также не позволяет получать большие концентрации дейтронов и тритонов (суммарный ток не более 10^-3А).

Так как в способах [1, 2] не удается получать высокую концентрацию частиц-реагентов, то термоядерные реакторы, основанные на этих способах энергетически невыгодны. В связи с этим, технической задачей становится повышение концентрации частиц реагентов, как на стадиях транспортировки и инжекции в камеру, так и в реакционной зоне.

Техническим результатом в предлагаемом способе является повышение концентрации частиц реагентов в зоне инжекции и в реакционной зоне камеры термоядерного реактора.

Данный технический результат достигается тем, что способ осуществления реакции термоядерного синтеза в камере термоядерного реактора, при котором в камеру инжектируют по меньшей мере один не скомпенсированный по заряду пучок ускоренных частиц-реагентов, заключается в том, что эту инжекцию производят таким образом, чтобы суммарный ток инжекции превышал предельный ток. Если же пучки частиц-реагентов состоят из частиц разных сортов, то соотношение парциальных токов должно обеспечить совмещение образовавшихся виртуальных эмиттеров.

Известно, что при инжекции ускоренного пучка заряженных частиц в эквипотенциальную полость, когда ток инжекции превышает некоторое предельное значение (зависящее от энергии частиц, их массы, а также от геометрии камеры), внутри камеры формируется зона повышенной концентрации частиц, называемая виртуальным эмиттером (для отрицательно заряженных частиц - виртуальный катод, для положительно заряженных - виртуальный анод) и фактически являющаяся местом их торможения и разворота [3]. Виртуальный эмиттер характеризуется предельно возможной концентрацией (в гидродинамическом приближении - бесконечной) и высокой температурой [4], причем именно кулоновское отталкивание частиц способствует его формированию.

Предельное значение тока, например, для дейтронов и для тритонов выше в m_d,t/m_e раз предельного тока для электронов при одной и той же энергии ускорения и прочих равных условиях и, например, для энергии дейтронов примерно 1 МэВ составляет примерно 1 МА (здесь m_d - масса дейтрона, m_t - масса тритона, m_e - масса электрона). Такие параметры ионного пучка при настоящем уровне развития ускорительной техники вполне достижимы. Например, именно при таких параметрах пучка положительно заряженных ионов было экспериментально реализовано состояние с виртуальным анодом [5]. При этом "очистку" ионного пучка от нейтрализующего и препятствующего образованию виртуального анода электронного фона, как и в [5], можно осуществить наложением магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны направлению распространения ионного пучка и величина которого достаточна, чтобы завернуть электронные траектории в сторону, но не достаточна, чтобы возмущать ионные траектории.

Известно, что реакция синтеза дейтронов с тритонами энергетически наиболее выгодна, поэтому целесообразно осуществление такого варианта предлагаемого способа, в котором осуществляют инжекцию пучка частиц-реагентов двух сортов, дейтронов и тритонов. В общем случае в пучке могут образоваться два виртуальных эмиттера. Для увеличения энергетического выхода реакции здесь необходимо совмещение обоих виртуальных эмиттеров путем подбора парциальных дейтронного и тритонного токов.

Рассмотрим пример реализации этого варианта предлагаемого способа при помощи устройства, изображенного на чертеже.

Это устройство содержит эмиттер положительно заряженных дейтронов и тритонов 1, источник напряжения 2, изолятор 3, полый заземленный катод 4, реакторную камеру 5, систему соленоидов 6. Эмиттер 1, изолятор 3, катод 4 совместно с камерой 5 ограничивают вакуумный объем устройства, в котором поддерживается давление 10^-5 Тор.

Способ осуществляется следующим образом. Перед началом импульса возбуждают магнитное поле в системе пропусканием тока через обмотки соленоидов 6. Затем прикладывают импульс высокого ускоряющего напряжения положительной полярности от источника напряжения 2 через изолятор 3 на эмиттер 4 дейтронов и тритонов. При этом под действием этого напряжения эмиттер 1 испускает дейтроны и тритоны, а катод 4 - электроны. Под действием магнитного поля 7 электроны разворачиваются, образуя виртуальные катоды 8 и 9, и покидают эмиттер-катодный промежуток, чем обеспечивается "очистка" ионных пучков от электронного фона, тогда как дейтроны и тритоны пронизывают этот промежуток и попадают в реакторную камеру 5. Подбором геометрии камеры 5 можно добиться условий формирования виртуальных дейтронного и тритонного анодов, а их совмещение достигается при обеспечении заданного соотношения для плотностей токов дейтронного и тритонного пучков в плоскости инжекции: j_d/j_t= (m_d/m_t)^1/2. Совмещенные виртуальные аноды 10 показаны на чертеже.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа достигается увеличение концентрации взаимодействующих частиц в зоне инжекции (инжекция сверхпредельных токов) и в реакционной зоне (совмещение виртуальных эмиттеров), что повышает эффективность термоядерного синтеза.

Возможны несколько вариантов осуществления предлагаемого способа. Если инжектировать в реакторную камеру нескомпенсированный по заряду пучок частиц-реагентов одного сорта, например, дейтронов, то, если ток инжекции превышает предельный ток, в реакторной камере образуется виртуальный эмиттер, в котором идут термоядерные реакции синтеза, при этом частицы-реагенты могут быть как положительными ионами, так и отрицательными. Кроме того, можно инжектировать два и более пучков, при этом не обязательно добиваться возникновения виртуальных эмиттеров у всех пучков. Также возможны ситуации, когда в одном пучке содержатся частицы-реагенты разных сортов, например, дейтроны и тритоны, или когда в разных пучках содержатся частицы-реагенты разных сортов.

Источники информации.

1. Родимов Б. Н. Способ получения атомной энергии и устройство для его осуществления- авт.св. СССР N17359909, G 21 B 1/00, БИ N19, 1992.

2. Maglic B.C. Blevett J.P. Colleraine A.P. Harrison W.C. Fusvon Reactions in Seef-Colliding Orbits.-Phys Rev. Lett, 1971, v. 27, N14, p. 909-912.

3. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц.- М.: Мир, 1984.

4. Селемир В. Д. , Дубинов А.Е., Приходько И.Г. Динамика термолизации электронного потока в камере дрейфа виркатора.- Вопросы атомной науки и техники. Серия: теоретическая и прикладная физика, 1993, N1, с. 22-24.

5. Miyamoto S., Yasuike K. Shirai N, Imasaki K., Yamanaka C., Nakai S. Intense Light Ion Beam in Single and Two Stage Dioles/- IEEE Tpahs. Plasma Sc., 1993 v. 21, N5, p.567-572.

Способ осуществления реакции термоядерного синтеза заключается в том, что в реакторную камеру инжектируют пучки ускоренных частиц-реагентов таким образом, чтобы внутри камеры сформировался один или несколько виртуальных эмиттеров. 1 ил.

Способ осуществления реакции термоядерного синтеза в камере термоядерного реактора, при котором в камеру инжектируют по меньшей мере один не скомпенсированный по заряду пучок ускоренных частиц-реагентов, отличающийся тем, что эту инжекцию производят при суммарном токе инжекции, обеспечивающем образование по меньшей мере одного виртуального эмиттера в камере реактора.