МАГНИТНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2000 года по МПК G21B1/00 

Магнитный термоядерный реактор относится к области прикладной физики, а именно к конструкции термоядерного реактора типа токамак, в частности к его обмотке и электропитанию для удержания плазмы полем в теплоизоляции.

Известны конструкции магнитных термоядерных реакторов /см. Лукьянов С.Ю. "Горячая плазма и управляемый ядерный синтез". М.: Наука, - 1976 г., стр. 280, 292, рис. 31.1/, содержащие тороидальной формы вакуумную камеру, наполненную ядерным топливом, например дейтериево-тритиевой смесью, медный кожух, соленоидную обмотку и железный сердечник трансформатора, проходящий через центральное сквозное отверстие камеры.

Важнейшим принципиальным недостатком конструктивной схемы известного реактора токамак с замкнутой магнитной ловушкой в тороидальной камере является невозможность физического образования внутри его камеры потока носителей электрических зарядов в виде плазменного витка, удерживаемого на осевой окружности в теплоизоляции, т.е. невозможность отделения плазмы вакуумным пространством от стенки камеры.

Сущность технической идеи, заложенной в устройство реактора токамак, состоит в "навивании" ларморовских токов частиц плазмы, хаотически движущихся по камере с тепловыми скоростями, винтовыми траекториями на продольные силовые линии магнитного поля.

Частицы плазмы хаотически движутся по всему объему камеры и вблизи стенки, и отражаясь от нее, и нет такого физического фактора, который мог бы воспрепятствовать "навиванию" ларморовских токов на продольные силовые линии магнитного поля, проходящие не только в средней части камеры, но и проходящие в непосредственной близости у ее стенки.

Таким образом, полностью весь объем камеры реактора токамак неизбежно заполнен винтовыми траекториями ларморовских токов, и если смотреть на них вдоль продольных линий магнитного поля, то они будут представляться окружностями, по которым в одном направлении вращаются точечные заряды плазмы, но направления токов в местах расположения соседствующих между собой таких окружностей всегда будут встречными, а поэтому окружности ларморовских токов отталкиваются друг от друга, создавая благоприятные условия развитию неустойчивости типа "язык" с выбросом в радиальных направлениях плазмы на стенку камеры, что экспериментально неоднократно подтверждено при испытаниях целого поколения установок токамак, показавших в сто и более раз меньшее время существования плазмы по сравнению с теоретически ожидаемым.

Два независимых между собой тока, вводимых в реактор токамак, из которых один питает традиционную соленоидную обмотку, а другой, индуцируемый трансформатором, разогревает ядерное топливо до плазменного состояния, образуют в камере различные по кофигурации магнитные поля, накладываемые друг на друга и осложнющие их физическую картину.

Радиус окружностей ларморовских траекторий частиц плазмы содержит в себе техническое противоречие, заключающееся в том, что его длина прямо пропорциональна скорости частицы и обратно пропорциональна напряженности магнитного поля, а поэтому стремление к увеличению мощности обоих токов, обеспечивающих в камере токамака величину магнитного поля до 6 Тл и нагрев плазмы до пороговых термоядерных значений до 10 КэВ /см. В.И. Пустинович, Г.Е. Шаталов. "Термоядерный реактор на основе токамак". Итоги науки и техники, сер. физика плазмы, М.: ВИНИТИ, - 1981 г., стр. 139, 140, 169/, не в состоянии улучшить качественно физическую картину взаимодействия частиц разогретой плазмы с силовыми линиями увеличенной напряженности магнитного поля, т.к. при одновременном увеличении мощности импульсов обоих независимых токов радиус ларморовских окружностей остается таким же, что и до увеличения токов, но увеличенная кинетическая энергия тока ларморовских витков в итоге приводит к скоротечному интенсивному их разбрасыванию на стенку камеры с опасностью ее разрушения.

Необходимо отметить, что в известных источниках информации по реакторам токамак отсутствуют научные обоснования качественной картины физической осуществимости начальной стадии превращения хаотического теплового движения ионизированных частиц плазмы в упорядоченно-направленный поток по осевой окружности камеры во время импульсов тока трансформатора и состояние плазмы в промежутках между ними, а также отсутствует научное обоснование средств осуществления необходимой конфигурации магнитного поля, способного физически удерживать сформированный плазменный виток длительное время в теплоизоляции на осевой окружности камеры.

Далее, основным недостатком схемы токамака является его традиционного типа соленоидная обмотка, обвивающая неравномерно поверхность камеры с наложением ее витков в несколько слоев по краям центрального сквозного отверстия, создающая у внутренней стенки камеры высокий градиент напряженности магнитного поля с резким убыванием его в сторону наружней стенки. Размещение в отверстии камеры нескольких слоев витков обмотки и железного сердечника трансформатора требует увеличения в значительных размерах диаметра центрального сквозного отверстия и габаритов реактора.

Известен также реактор типа токамак /см. Физику атомного ядра и плазмы, из серии "Над чем думают физики", из-во. Наука. - М., - 1974 г., стр. 138/, содержащий тороидальную вакуумную камеру, катушку азимутального магнитного поля и соленоидную катушку магнитного поля, уложенные вокруг камеры. В этом реакторе взамен трансформатора с железным сердечником, применены катушки азимутального магнитного поля, индуцирующие в камере импульсы электрического поля для генерации и разогревания ядерного топлива, что позволяет несколько уменьшить диаметр центрального сквозного отверстия в камере реактора и за счет этого изменить форму и увеличить объем камеры, придав поперечному ее сечению удлиненную овальную форму, обращенную заостренным концом овала к центру реактора.

Недостатком такого реактора является значительная неравномерность напряженности магнитного поля с убывающим ее градиентом в направлении к внешней стенке камеры, что еще в большей степени по сравнению с круглой формой поперечного сечения камеры, ухудшает условие удержания плазмы, которое подтверждено результатами его испытания.

Использование в конструкции токамаков некруглых в поперечном сечении камер, таких как: эллиптическое, Д-образное, дублет, увеличивающие их объем, не оправдали себя при испытаниях, показавших очень малое время существования плазмы.

Таким образом, традиционная соленоидная обработка реактора токамак, создающая традиционную конфигурацию магнитного поля в камере с силовыми линиями, расположенными концентрично ее осевой окружности, и налагаемое на нее магнитное поле, образованное индуцированнным током трансформатора, является физическим фактором, дистабилизирующим работу токамака, который не способен обеспечить длительное существование плазмы, создавая взрывоопасные выбросы ее на стенку камеры, а следовательно, техническая идея, заложенная в конструкцию реактора токамак, не может быть осуществима.

Трудность технического решения задачи, относящейся к устройству термоядерного реактора с замкнутой магнитной ловушкой в тороидальной вакуумной камере, состоит в формировании плазменного витка по осевой окружности камеры с отделением его вакуумным пространством от стенки и надежным его удержанием в равновесии и тепловой изоляции в течение длительного времени при сохранении соответствующей кинетической энергии плазмы, достаточной для термоядерной реакции.

Сущность предложенного технического решения задачи состоит в том, что в отличии от известных решений устройств реактора типа токомак, в которых используются по крайней мере две электромагнитные обмотки с раздельным электропитанием, в предложенном реакторе используется одна обмотка, выполненная спирально-продольными параллельно уложенными по поверхности тороидальной формы камеры касательно прилегающими по всей длине между собой витками и подключенная к выходным зажимам вторичной катушки индукционного преобразователя, превращающего постоянный ток источника электропитания, подключенного к первичной катушке преобразователя, в пульсирующий ток постоянного направления, при этом между противолежащими относительно друг друга концами сердечников, выступающими из катушек, расположены роторы переменной магнитопроводности, закрепленные на общей оси, вращательно установленной в подшипниках и кинематически присоединенной, например, к электромеханическому приводу с возможностью изменения ее частоты вращения.

Индукционный преобразователь оформлен немагнитопроводящим статором из алюминия, в котором закреплены концы сердечников катушек и подшипники оси роторов. Конструктивная особенность обмотки со спирально-продольными витками, используемой в предложенной конструкции реактора, позволяет выполнять тороидальной формы вакуумную камеру без центрального сквозного в ней отверстия, что обеспечивает компактность, увеличение энергоемкости и повышение эффективности реактора.

Через одну обмотку в предложенном реакторе протекает пульсирующий ток в одном постоянном направлении, минимальная величина которого постоянно, в течение длительного времени, обеспечивает в камере магнитную поверхность полоидальной конфигурации с убывающим от стенки камеры к ее осевой окружности градиентом напряженности, переходящим на ней в магнитную яму, в которой сформированный магнитной поверхностью плазменный виток удерживается в равновесии и тепловой изоляции, а необходимая величина тока его различных по значению и продолжительности пульсаций обеспечивает постоянный нагрев ядерного топлива, до полной ее ионизации, высокоэнергетические частицы которой начинают вступать в термоядерные реакции, поддерживая саморазогревание плазмы.

Витки спирально-продольной обмотки и плазменный виток реактора совместно представляют собой первичную и вторичную обмотки безжелезного трансформатора, находящиеся между собой в индуктивной взаимосвязи, передавая энергию пульсаций тока постоянного направления.

Конструктивная схема предложенного магнитного термоядерного реактора изображена на чертежах:
фиг. 1 - вид на реактор сбоку с частичным его поперечным разрезом;
фиг. 2 - поперечный разрез реактора по А-А на фиг. 1 с изображением магнитных силовых линий;
фиг. 3 - схема спирально-продольной обмотки реактора, ее верхней и нижней половин в развернутом на плоскости виде;
фиг. 4 - изображение некоторых траекторий движения заряженных частиц плазмы в полоидальной магнитной поверхности, на продольном разрезе участка камеры;
фиг. 5 - поперечный разрез варианта реактора с тороидальной формой камеры без центрального в ней сквозного отверстия;
фиг. 6 - график кривой зависимости значений пульсаций тока, питающего обмотку реактора, от времени их протекания;
фиг. 7 - конструктивная схема индуцированного преобразователя, питающего обмотку реактора, пульсирующим током постоянного направления, вид сбоку;
фиг. 8 - вид на преобразователь со стороны его торца, по стр. "Б" на фиг. 7.

Магнитный термоядерный реактор содержит тороидальной формы вакуумную камеру /1/, заполненную ядерным топливом, например дейтериево-тритеевой смесью, спирально-продольную обмотку /2/, уложенную на поверхности камеры, силовые линии /3/ магнитного поля возникающие вокруг каждого витка обмотки /2/, магнитную поверхность /4/ полоидальной конфигурации, образованную внутри камеры силовыми линиями /3/, плазменный виток /5/ и силовые линии его собственного магнитного поля /6/, возникающие вокруг него. Концы обмотки реактора, обозначенные на чертежах буквами "Н" и "К", присоединены к выходным зажимам /7/ индукционного преобразователя постоянного тока в пульсирующий ток постоянного направления, изображенного на фиг. 7 и 8 с источником электропитания - генератором постоянного тока, схематически обозначенного буквой "Г" и подключенного к концам первичной катушки /8/, установленной на сердечнике магнитопровода /9/, составленного из пластин трансформаторного железа. Вторичная катушка /10/, с большим чем у первичной катушки количеством витков, выходные зажимы которой присоединены к концам обмотки /2/ реактора, укреплена на сердечнике магнитопровода /11/, также составленного из пластин трансформаторного железа. Между противолежащими относительно друг друга концами сердечников /9/ и /11/, выступающими из катушек, расположены роторы /12/ и /13/ переменной магнитопроводности, выполненные из дисков пластинчатого трансформаторного железа /см. фиг. 7/ с двумя в них, например, сегментной формы отверстиями, параллельно смещенными в противоположные стороны /см. фиг. 8/ и закрепленные на общей оси /14/, вращательно установленной в подшипниках /15/ и кинематически присоединенной, например, к электромеханическому приводу /не показанному/ с возможностью изменения частоты ее вращения.

Выступающие из катушек /8/ и /10/ концы сердечников /9/ и /11/, а также подшипники /15/ оси /14/ закреплены в немагнитопроводящем статоре /не изображенного на фиг. 7 и 8/ индукционного преобразователя.

Направления магнитных силовых линий и магнитной поверхности на чертежах обозначены круговыми стрелками. Направление тока, текущего по обмотке /2/, обозначено стрелкой /Р/, а текущего по плазменному витку обозначено стрелкой /П/. Радиус осевой окружности тороидальной формы камеры /1/ реактора обозначены буквой "R", радиус окружности поперечного сечения камеры обозначен буквой "r", а радиус окружности поперечного сечения плазменного витка /5/ обозначен буквой "a". Траектории движения электронов на фиг. 4 обозначены буквой "Э", а траектории движения положительных ионов /протонов/ обозначены буквой "И".

Работа предложенного магнитного термоядерного реактора протекает следующим образом. По виткам обмотки /2/ реактора постоянно в направлении стрелки, обозначенной буквой /Р/, протекает пульсирующий ток, поступающий от индукционного преобразователя постоянного тока через его зажимы /7/. Зависимость значений величины пульсаций тока от времени их протекания изображено кривыми /16/ и /17/ на графике фиг. 6. Из графика следует, что несколько первичных пульсаций тока, изображенных кривыми /16/ графика, время протекания которых примерно полсекунды, необходимых для одновременного обеспечения в камере: магнитной поверхности /4/ полоидальной конфигурации, разогревания и ионизации ядерного топлива, формирования из него плазменного витка /5/, а последующие пульсации тока, согласно кривым /17/ графика, протекающие, например, за три секунды каждая, длительное время обеспечивают пульсирующий режим плазменного витка, постоянно находящегося в теплоизоляции на осевой окружности радиуса "R".

Величина значений тока и продолжительность его пульсаций в обмотке /2/ реактора обеспечивается изменением частоты вращения оси /14/, кинематически соединенной, например, с электромеханическим приводом, не изображенным на чертежах фиг. 7 и 8 индукционного преобразователя.

Совместно с осью /14/ вращаются закрепленные на ней два ротора /12/ и /13/ переменной магнитопроводности, через которые проходит поступающий из концов сердечника /9/ первичной катушки /8/ созданный ею постоянный магнитный поток, преобразуемый далее вращающимися роторами в плавно нарастающие и резко спадающие пульсации магнитного потока, который, проходя по сердечнику магнитопровода /11/ в витках вторичной катушки /10/, возбуждает индуцированный пульсирующий ток высокого напряжения и постоянного направления, питающий через зажимы /7/ обмотку /2/ реактора, в камере которого протекает плазменный процесс управляемого термоядерного синтеза. Вокруг каждого витка обмотки /2/ возникают магнитные силовые линии /3/, которые /направление их по правилу буравчика/, суммируясь на периферии внутренней поверхности камеры /1/, образуют магнитную поверхность /4/ полоидальной конфигурации, градиент напряженности которой убывает до минимума в радиальных, по сечению камеры, направлениях от стенки к ее осевой окружности радиуса "R", образуя на ней кольцевую магнитную яму. За короткие промежутки нескольких пульсаций тока /кривые /16/ на фиг. 6/ ядерное топливо в камере /1/ разогревается индуцированным электрическим полем до полной ионизации ее атомов, в результате которой носители электрических зарядов, образующие плазму, движущиеся хаотически с тепловыми скоростями по камере, пересекают силовые линии полоидальной конфигурации магнитной поверхности /4/ и мгновенно, под воздействием лоренцевых сил, искривляют траекторию своего движения, направляясь в магнитную яму расположенную по осевой окружности радиуса "R" камеры, и при попутном движении между собой, сближаясь, формируются в плазменный виток /5/, в котором текущий по направлению стрелки /П/ плазменный ток, образует вокруг него, собственными силовыми линиями, свое магнитное поле /6/, сжимающее поток /5/ в поперечном сечении, уменьшая его радиус "a" с разогревающим уплотнением плазмы. Вокруг плазменного витка /5/, при этом, возникает вакуумное пространство толщиной, равной разности радиусов /r - a/, являющееся тепловой изоляцией его от стенки камеры. Время пульсаций тока в обмотке /2/ более чем достаточно для процесса формирования плазменного витка /5/ из частиц плазмы за весьма малые доли секунды.

Поскольку в обмотке /2/ и в плазменном витке /5/ токи встречного направления, обозначенные на чертежах буквами /Р/ и /П/, а их силовые линии магнитных полей /4/ и /6/ одностороннего направления, то такие токи отталкиваются друг от друга, в результате чего плазменный виток /5/, находясь в окружении витков обмотки /2/ испытывают, в радиальных направлениях по сечению камеры, силы взаимного отталкивания, которые постоянно и удерживают его в устойчивом равновесии в магнитной яме на осевой окружности радиуса "R" камеры. Для пояснения этого на плоскости продольного разреза участки камеры /см. фиг. 4/ изображены некоторые траектории движения электронов и положительных ионов /протонов/, соответственно обозначенные буквами "Э" и "И", показывающие качественную физическую картину начального процесса формирования плазменного витка, на которой изображенные полуокружности силовых линий полоидальной магнитной поверхности /4/, перпендикулярно расположенные к плоскости чертежа, выходят из него у внутренней стенки и огибая осевую окружность радиуса "R", входят в плоскость чертежа у ее внешней стенки, с которыми в результате взаимодействия движущиеся с тепловыми скоростями частицы плазмы направляются в магнитную яму, формируясь при попутном движении между собой в плазменный виток /5/. Необходимо отметить, что направление тока в плазменном витке /5/, указанное стрелкой /П/, не зависит от первоначального направления движения частиц плазмы и определяется только направлением силовых линий полоидальной магнитной поверхности /4/.

Значение минимальной величины пульсирующего тока "I₁" /см. фиг. 6/, текущего в обмотке /2/ реактора, достаточно для поддержания требуемой напряженности полоидальной конфигурации магнитной поверхности /4/, необходимой для удержания сформированного плазменного витка /5/ в равновесии по осевой окружности камеры, обеспечивающего условия теплоизоляции плазмы. Последующие пульсации тока в обмотке /2/, согласно кривым /17/ на /фиг. 6/, индуцируют электрическое поле в плазменном витке /5/, под воздействием силы которого виток может длительное время ускорять свое круговое вращение по осевой окружности камеры, постоянно накапливая кинетическую энергию.

Величина пульсаций тока питающего обмотку /2/, находится в прямой, а продолжительность их в обратной зависимости от частоты вращения оси /14/, изменение частоты которой определяет режим управления работы реактора. При достаточной затрате электропитания пульсирующего тока высокоэнергетичные электроны и протоны из коллектива частиц полностью ионизированной плазмы при соударениях между собой вступают в начальные ядерные реакции и выделяемая энергия в условиях теплоизоляции плазменного витка /5/ способствует саморазогреванию ядерного топлива.

Таким образом, одна обмотка со спирально-продольными витками, питаемая через индукционный преобразователь пульсирующим током постоянного направления с изменяемой величиной и продолжительностью его пульсаций, используемая в предложенном реакторе, обеспечивает в нем управляемый режим разогревания ядерного топлива до полной ее ионизации с меньшей затратой энергии, высокоэнергетичные частицы которой из общего их числа последовательно вступают в термоядерную реакцию, поддерживая ее продолжение саморазогреванием плазменного витка в условиях его теплоизоляции, который совместно с витками спирально-продольной обмотки составляют вторичную и первичную обмотки безжелезного трансформатора, находящиеся между собой в индуктивной взаимосвязи.

Магнитный термоядерный реактор относится к области прикладной физики, а именно к конструкции термоядерного реактора типа токамак, в частности к его обмотке и электропитанию для удержания плазмы магнитным полем в теплоизоляции. В предложенном термоядерном реакторе спиральнопродольной формы обмотка, витки которой уложены по поверхности камеры касательно между собой прилегающими по всей их длине, подключена к выходным зажимам вторичной катушки индукционного преобразователя постоянного тока в пульсирующий ток постоянного направления. Концы первичной катушки преобразователя, количество витков которой меньше числа витков вторичной катушки, подключены к генератору постоянного тока, при этом между противолежащими концами сердечников, выступающими из катушек, расположены переменной магнитопроводности роторы, собранные из пластин трансформаторного железа, закрепленные на общей оси, вращательно установленной в подшипниках и кинематически присоединенной, например, к электромеханическому приводу с возможностью изменения частоты ее оборотов, а концы сердечников катушек и подшипники оси закреплены в статоре преобразователя. Техническим результатом является новая форма обмотки, позволяющая выполнять компактную тороидальной формы вакуумную камеру без центрального в ней сквозного отверстия. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Магнитный термоядерный реактор, содержащий вакуумную камеру тороидальной формы, наложенную дейтериево-тритиевой смесью ядерного топлива, и обмотку, уложенную по внешней поверхности камеры спирально продольными витками, прилегающими друг к другу, отличающийся тем, что тороидальная камера выполнена без наружного в центре отверстия, радиус ее осевой окружности равен радиусу окружности поперечного сечения камеры, а обмотка подключена к выходным зажимам индукционной вторичной катушки преобразователя тока постоянного в ток пульсирующий одностороннего направления, непрерывно периодически изменяющийся по величине, первичная катушка возбуждения которого с количеством витком меньшим, чем во вторичной, соединена с генератором постоянного тока, причем обе катушки расположены на отдельных сердечниках, набранных пакетами, параллельно плоскости, по ним пролегающей, из прямоугольных пластин электротехнической стали, между противолежащими укрепленными неподвижно концами которых, выступающими из торцов катушек, установлены на неферромагнитной оси два составляющих ротор диска, набранных пакетами из круглых пластин электротехнической стали, в каждом из которых образована переменного сечения форма обода, выполненная в них двумя диаметрально противолежащими отверстиями сегментной формы, согласно закрепленных на оси с возможностью вращения при минимальных зазорах с концами сердечников, кинематически присоединенной к электромеханическому приводу изменяемой частоты вращения. 2. Магнитный термоядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что корпус с двумя боковыми крышками преобразователя тока выполнен из алюминия, в крышках которого укреплены концы сердечников катушек и подшипники оси ротора.