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

Изобретение относится к области ядерной физики и технике высоких плотностей энергии и может быть использовано для осуществления реакции термоядерного синтеза, генерации термоядерных нейтронов, α- частиц и γ- квантов.

Известен способ осуществления реакции термоядерного синтеза (Дюдерштадт Дж. , Мозес Г., Инерциальный термоядерный синтез. М.: Энергоатомиздат, 1984 г. ), заключающийся в том, что с помощью лазерного излучения или интенсивных пучков заряженных частиц проводят быстрое сжатие микроскопических капель термоядерного топлива до плотности, в несколько раз превышающей плотность твердого тела, и температуры порядка 10⁸ K, требуемых для эффективного термоядерного горения. При таких условиях горение термоядерной реакции протекает так быстро, что выделение большого количества энергии синтеза происходит до того, как топливо успевает разлететься. К недостаткам данного способа можно отнести следующее: 1 - малую эффективность термоядерной реакции; 2 - небольшой выход нейтронов. Это обусловлено неоднородностью облучения поверхности топливной мишени и развитием магнитогидродинамических неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ осуществления реакции термоядерного синтеза (Мохов В.Н., Чернышев В.К. и др. "О возможности решения проблемы управляемого термоядерного синтеза на основе магнитогазодинамической кумуляции энергии", Докл. АН СССР, том 247, N1, 1979 г., с. 83-86), заключающийся в том, что сферическую проводящую оболочку с термоядерным горючим обжимают давлением импульсного магнитного поля. Источником импульсного магнитного поля может быть взрывомагнитный генератор (ВМГ), в котором происходит процесс преобразования химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную. Под действием давления продуктов взрыва заряда происходит магнитная кумуляция энергии. Оболочку обжимают до таких значений плотности и температуры, при которых осуществляется зажигание термоядерной реакции с достаточно высоким энерговыделением. Недостатками такого способа являются 1 - малая эффективность термоядерной реакции; 2 - небольшой выход нейтронов - это обусловлено тем, что не достигается высокая степень симметрии сжатия мишени из-за неоднородности давления магнитного поля на поверхности оболочки (отклонения в давлении на поверхности оболочки не должны превышать 0,5%) и неоднородности самой оболочки, а также подверженность оболочки (лайнера) магнитогидродинамическим неустойчивостям типа Рэлея-Тейлора.

Решаемой задачей при создании данного изобретения является объединение двух альтернативных концепций - инерциального термоядерного синтеза и магнитного удержания термоядерной плазмы.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности термоядерной реакции и выхода нейтронов за счет увеличения плотности и температуры термоядерной плазмы путем увеличения отбора энергии от импульсного магнитного поля, симметрии обжатия оболочки, стабилизации магнитогидродинамических неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора и генерации внутри оболочки сверхсильного магнитного поля В≈100 МГс.

Этот результат достигается тем, что по сравнению с известным способом осуществления реакции термоядерного синтеза, заключающегося в том, что сферическую проводящую оболочку с термоядерным горючим в виде газа обжимают давлением импульсного магнитного поля, новым является то, что перед обжатием оболочке дополнительно придают вращение и подают ее в зону обжатия магнитным полем так, чтобы ось вращения оболочки была параллельна вектору напряженности магнитного поля.

Способ осуществления реакции термоядерного синтеза основан на сжатии вращающейся проводящей оболочки сверхсильным импульсным магнитным полем и на использовании специфических физических эффектов, возникающих в процессе сжатия.

Вращение позволяет сохранить сферичность оболочки при ее схлопывании под действием аксиального сверхсильного магнитного поля, например взрывомагнитного генератора МК-1 (Павловский А.И., Людаев Р.З. Магнитная кумуляция. В кн. Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики. Под редакцией акад. Александрова А.П., Л.: Наука, 1984 г.). Использование сферической геометрии оболочки в процессах кумуляции увеличивает плотность кинетической энергии и повышает степень сжатия по сравнению с цилиндрической. Вращение приводит к более эффективному отбору энергии от взрывомагнитного генератора и тем самым к увеличению скорости схлопывания, т.к. вращающуюся оболочку труднее сжать. Возникающие в оболочке при ее вращении центробежные и кориолисовы силы снижают опасность развития неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора. Кроме того, возникающий в результате сжатия вращающейся оболочки αω--динамо-эффект (Паркер Е.Н. Космические магнитные поля, М.: Мир, 1982), заключающийся в том, что сильные магнитные поля азимутальной или полоидальной конфигурации генерируются при помощи гиротропной турбулентности и дифференциального вращения из начального магнитного поля, приводит к генерации сверхсильных магнитных полей с амплитудой, еще большей, чем в самом взрывомагнитном генераторе, которые в свою очередь приводят к удержанию и дополнительному разогреву термоядерной плазмы в центре сжатой оболочки (Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Физика термоядерного синтеза, М.: Знание, 1988 г.).

Сжатие вращающейся оболочки с термоядерным горючим сильным импульсным магнитным полем можно условно разделить на несколько стадий:
диффузия начального магнитного поля в проводящую вращающуюся оболочку,
схлопывание вращающейся оболочки под действием быстронарастающего магнитного поля с образованием дифференциального вращения,
сжатие и нагрев термоядерного горючего сходящейся сферической ударной волной с образованием в ее центре высокой плотности и температуры,
самонагрев термоядерной плазмы,
возникновение αω-динамо-эффекта, удержание и дополнительный разогрев термоядерной плазмы сильными магнитными полями.

Рассмотрим каждую из стадий более подробно.

Сначала происходит диффузия начального магнитного поля в полость вращающейся оболочки, заполненной термоядерным горючим.

Дифференциальное вращение в оболочке и в газе возникает в результате действия на них кориолисовых сил и соответствует закону сохранения момента количества движения. Дифференциальное вращение изгибает силовые линии начального магнитного поля, вытягивая их в азимутальном направлении, а омическая диссипация перезамыкает их, образуя азимутальное магнитное поле.

Вследствиe сферической кумуляции внутренние слои оболочки приобретают большую радиальную скорость схлопывания (по расчетам в рамках системы одномерных МГД - уравнений со сферической геометрией оболочки -ν >10⁷ см/с, где ν - скорость внутренней поверхности оболочки). Схождение внутренних слоев оболочки к центру происходит с образованием ударной волны, поэтому при ударе большая часть поступательной кинетической энергии оболочки переходит в упругую энергию сжатия и нагрев веществa. В центре вещество нагревается до температуры от 2 до 5 кэВ и сжимается до плотностей ρ >50 г/см³.

При ρR > 0,5 г/см² (R - внутренний радиус оболочки, ρ - плотность плазмы) будет происходить самонагрев топлива α- частицами до температуры 20 кэВ.

Сильный нагрев и сжатие центральной части топлива приводит к перемешиванию горячего вещества с холодным и образованию турбулентных движений. При наличии вращения, градиента плотности и градиента температуры турбулентность становится гиротропной. Гиротропная турбулентность, дифференциальное вращение и начальное крупномасштабное магнитное поле азимутальной или полоидальной конфигурации приводят к возникновению в конвективной зоне αω--динамо-эффекта, который приводит к генерации сверхсильных магнитных полей полоидальной и азимутальной конфигурации. В плазме теплопроводность (перенос энергии) обусловлена движением электронов, поэтому при генерации полей свыше 100 МГс (оценка по тем же расчетам в рамках системы одномерных МГД-уравнений) плазма становится "замагниченной", т.е. когда частота соударений электронов будет меньше их циклотронной частоты. Замагниченность плазмы приводит к уменьшению теплового потока в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям. Это приведет к уменьшению радиального теплового потока в оболочку. За счет удержания электронной компоненты термоядерной плазмы сильными магнитными полями происходит дополнительный ее разогрев до температуры порядка 100 кэВ. При такой температуре термоядерная реакция протекает очень эффективно и с почти полным выгоранием термоядерного горючего.

На фиг.1 изображена схема для осуществления заявляемого способа реакции термоядерного синтеза; на фиг. 2-5 - различные стадии сжатия вращающейся оболочки.

На фиг. 1 изображено: 1 - взрывомагнитный генератор сверхсильного магнитного поля, 2 - оболочка-соленоид, 3 - заряд взрывчатого вещества (ВВ), 4 - диэлектрическая трубка, 5 - гироскоп с бесконтактным подвесом, 6 - вращающаяся проводящая оболочка, 6' и 6'' - положение оболочки в различные моменты времени.

На фиг. 2-5 изображены различные стадии сжатия вращающейся сферической оболочки:
2 - диффузия начального магнитного поля в проводящую вращающуюся сферическую оболочку;
3 - схлопывание вращающейся оболочки под действием нарастающего магнитного поля;
4 - генерация азимутального магнитного поля дифференциальным вращением;
5 - генерация полоидального магнитного поля гиротропной турбулентностью.

Способ осуществляется следующим образом. Сферическую проводящую оболочку 6 с термоядерным горючим обжимают давлением импульсного магнитного поля. Источником импульсного магнитного поля служит взрывомагнитный генератор 1, в котором в момент, соответствующий максимуму начального поля, производится подрыв взрывчатого вещества 3. Образовавшаяся сходящаяся цилиндрическая ударная волна ускоряет соленоид-оболочку 2 к центру, и она сжимает начальный магнитный поток, а тот в свою очередь сжимает вращающуюся оболочку 6, заполненную термоядерным горючим.

Перед обжатием оболочки 6 ей дополнительно придают вращение в гироскопе 5 с бесконтактными подвесами (Мартыненко Ю. Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М. : Наука, 1988 г.). Полость гироскопа вакуумируется. После раскрутки оболочка вращается по инерции. Далее быстро убираются нижние подвесы и оболочку подают в зону обжатия магнитным полем. Этой зоной является область сверхсильного магнитного поля взрывомагнитного генератора, окруженная вакуумированной диэлектрической трубкой 4. Для устранения момента, пропорционального [Ω×H] (Ω - угловая скорость оболочки, H - напряженность магнитного поля в генераторе), нарушающего устойчивое вращение тела, необходимо, чтобы динамическая ось вращения оболочки совпадала с направлением магнитного поля в генераторе. Для симметричного обжатия вращающейся оболочки необходимо, чтобы область однородного магнитного поля в генераторе была много больше геометрических размеров оболочки.

Таким образом, по сравнению с прототипом, где температура плазмы 4 - 5 кэВ, а плотность 20 г/см³, при реализации заявляемого способа возможно увеличение температуры плазмы до 100 кэВ и плотности плазмы ρ >50 г/см³. При этом ожидается существенное увеличение эффективности термоядерной реакции и выход нейтронов. Увеличениe плотности и температуры термоядерной плазмы происходит за счет более эффективного отбора энергии от импульсного магнитного поля, симметрии обжатия оболочки, стабилизации магнитогидродинамических неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора и генерации внутри оболочки сверхсильного магнитного поля В≈100 МГс.

Изобретение относится к области ядерной физики и технике высоких плотностей энергии и может быть использовано для осуществления реакции термоядерного синтеза, генерации термоядерных нейтронов, α-частиц и γ-квантов. Способ осуществления реакции термоядерного синтеза заключается в обжатии сферической проводящей оболочки с термоядерным горючим в виде газа давлением импульсного магнитного поля. Перед обжатием оболочке дополнительно придают вращение и подают ее в зону обжатия магнитным полем так, чтобы ось вращения оболочки была параллельна вектору напряженности магнитного поля. При осуществлении способа повышается эффективность термоядерной реакции и выход нейтронов за счет увеличения плотности и температуры термоядерной плазмы при увеличении отбора энергии от импульсного магнитного поля, симметрии обжатия оболочки, стабилизации магнитогидродинамических неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора и генерации внутри оболочки сверхсильного магнитного поля с индукцией ≈ 100 МГс. 5 ил.

Способ осуществления реакции термоядерного синтеза, заключающийся в том, что сферическую проводящую оболочку с термоядерным горючим в виде газа обжимают давлением импульсного магнитного поля, отличающийся тем, что перед обжатием оболочке дополнительно придают вращение и подают ее в зону обжатия магнитным полем так, чтобы ось вращения оболочки была параллельна вектору напряженности магнитного поля.