СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В ЗАМКНУТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ Российский патент 2000 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области техники, связанной с проблемой создания управляемого термоядерного реактора.

Хорошо известны и используются в экспериментах способы квазистационарного магнитного удержания высокотемпературной термоядерной плазмы в замкнутых ловушках типа токамак и стелларатор (см., например, Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. - М.: Наука, 1963). В настоящее время на токамаках JET и JT-60U получена мощность термоядерной реакции, сравнимая с мощностью создания плазмы, и на этой базе проектируется международный токамак-реактор ИТЭР. Таким образом, возможность создания управляемого термоядерного реактора на основе удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке практически доказана и на первый план выступают такие характеристики реактора, как эффективность, технологичность, цена получаемой электроэнергии, экологичность.

Важной характеристикой, определяющей эти параметры термоядерного реактора с магнитным удержанием, является параметр β, определяемый как отношение давления плазмы (произведение плотности и температуры плазмы) к давлению удерживающего магнитного поля (квадрат модуля магнитного поля). Поскольку мощность термоядерной реакции напрямую определяется только давлением плазмы, то, естественно, надо стремиться к значениям параметра β, близким к единице, когда полностью используется удерживающая способность созданного магнитного поля. К сожалению, системы токамак и стелларатор, имеющие практически однородное вдоль магнитной оси магнитное поле, устойчиво работают только при малых значениях параметра β ~ 0,05. Такие малые значения параметра β находятся в хорошем соответствии с предсказаниями современной теории магнитного удержания. Известно, что значение параметра β может быть близким к единице в гофрированных системах с неоднородным магнитным полем (пробкотронах, гофрированных торах и др.), однако эксперимент до сих пор показывал плохое удержание плазмы в таких системах.

Существенным продвижением в развитии гофрированных систем явился наиболее близкий к предлагаемому способ удержания термоядерной плазмы в замкнутой ловушке, изобретенный Глаголевым В. М., Трубниковым Б.А., Шафрановым В.Д. (Способ удержания плазмы в замкнутой магнитной ловушке. Авторское свидетельство N 1062795, заявка N 3334859, приор. 28.08.81, регистр. 22.08.83, опубл. 23.12.83, Бюл. N 47). В этом способе участки однородного аксиально-симметричного магнитного поля с цилиндрическими магнитными поверхностями соединялись замыкающими криволинейными участками с круглыми сечениями магнитных поверхностей, конфигурация которых подбиралась так, чтобы в пределах каждого криволинейного участка выполнялось условие
(1)
где s - длина дуги магнитной оси замыкающего участка, отсчитываемая от его середины;
L- длина этого участка;
k(s) - кривизна оси;
B(s) - напряженность магнитного поля на оси;
C(s) - текущий угол вращательного преобразования магнитных силовых линий.

Условие (1) обеспечивало внутреннее замыкание вторичных плазменных токов и невыход их в однородные аксиально-симметричные участки, что позволяло делать однородные участки достаточно длинными и получать на них плазму с высоким значением параметра β.
В описании известного способа удержания плазмы в замкнутой ловушке приведен вариант замыкающего магнитного элемента в форме трех участков тороидального однородного поля, повернутых на 120^o (авторы назвали эту систему Дракон). Незначительные технологические изменения в систему Дракон внесены Максимовым Ю. С. (Устройство для удержания термоядерной плазмы. Авторское свидетельство N 1508288, заявка N 4259058, приоритет 9.06.87, регистр. 15.05.89).

Теоретические исследования показывают, что в известном способе можно использовать также прямолинейные аксиально-симметричные участки с неоднородным магнитным полем и криволинейные замыкающие элементы с эллиптическим сечением. При этом условие (1) обобщается и принимает достаточно сложный вид (см. V.M.GIagolev, B.B.Kadomtsev et al. in Proceedings of 10-th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Moscow, 1981, v.l, E-8)
(2)
где exp(η) - отношение осей эллиптической магнитной поверхности;
δ(s) - угол главной нормали к оси и малой оси эллипса;
- кручение оси.

Заметим, что главный предмет изобретения Глаголева В.М., Трубникова Б.А. и Шафранова В.Д., состоящий в использовании при создании замкнутых ловушек сочетания аксиально-симметричных прямолинейных участков и специальных криволинейных магнитных элементов с замыканием вторичных плазменных токов внутри, при этом полностью сохраняется.

Однако известный способ, как предсказывали некоторые теоретические расчеты, позволяет создать ловушку с удерживающими свойствами хуже, чем в стеллараторах и токамаках. Это явилось, по-видимому, одной из основных причин, по которым до сих пор не было проведено ни одного большого эксперимента с такой ловушкой. Причина плохого удержания в Драконе связана с наличием так называемых "супербанановых" дрейфовых траекторий горячих заряженных частиц плазмы. Эти траектории характеризуются очень большими радиальными отклонениями заряженных частиц плазмы от магнитных поверхностей, что должно вызывать быструю потерю плазмы на стенки ловушки. Появление "супербанановых" траекторий является следствием трехмерности магнитной конфигурации Дракона и нарушения топографии линий уровня модуля магнитного поля на магнитных поверхностях ловушки.

Технический результат, на который направлено изобретение, состоит в улучшении удержания плазмы в замкнутой магнитной ловушке, создаваемой известным способом, путем устранения возможности появления в ловушке заряженных частиц с "супербанановыми" траекториями.

Для достижения указанного результата согласно способу удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке с участками с аксиально-симметричным магнитным полем, соединенными замыкающими участками, конфигурацию магнитного поля которых подбирают из условия внутреннего замыкания вторичных плазменных токов (1) или (2), дополнительно требуют, чтобы все линии уровня модуля магнитного поля на магнитных поверхностях охватывали магнитную ось как на участках с аксиально-симметричным магнитным полем, так и на замыкающих участках. Как показано в работе Михайлова М.И., Шафранова В.Д. и др. Физика плазмы, 1998, т. 24, стр. 706, наличие "супербанановых" траекторий в любой магнитной ловушке связано с существованием топографических "островов" линий уровня модуля магнитного поля на магнитной поверхности. Требование охвата магнитной оси всеми линиями уровня модуля поля на всех магнитных поверхностях во всей замкнутой ловушке гарантирует отсутствие топографических "островов", и, следовательно, "супербанановых" траекторий и потерь плазмы, связанных с ними. К сожалению, предложенная Глаголевым В.М., Трубниковым Б. А. и Шафрановым В.Д. магнитная система Дракона не может удовлетворить этому требованию в принципе, поскольку на прямых участках линии уровня модуля магнитного поля обязаны охватывать магнитную ось, а на криволинейных тороидальных участках обязаны идти вдоль торов, не охватывая магнитную ось.

Кроме того, если ограничиться магнитной осью, лежащей в плоскости, то для достижения указанного результата изобретения выбирают кривизну магнитной оси из условия
(3)
Подставляя (3) в (2) и учитывая, что для плоской оси δ = υ = 0, получим выполнение условия (2) в случае равенства магнитных полей на концах замыкающих участков.

Существует много способов реализации указанных выше требований. Доказательство возможности совмещения замыкания вторичных плазменных токов и отсутствия супербананов в ловушке проще всего проводится на примере так называемого изометрического замыкателя. Изометрия означает одинаковость длин силовых линий между линиями уровня модуля магнитного поля на магнитных поверхностях (см. Сковорода А.А., Шафранов В.Д. Физика плазмы, 1995, т. 21, стр. 937). Если ловушка изометрична, то в ней нет островов модуля магнитного поля на магнитных поверхностях, т.е. указанное выше требование выполняется и в таких ловушках нет супербанановых траекторий. Для замкнутой изометрической ловушки известно выражение для вторичного плазменного тока (см. Физика плазмы, 1995, т. 21, стр. 937)
(4)
где ψ - магнитный поток внутри магнитной поверхности;
p - давление плазмы;
штрих означает производную по ψ,
угловые скобки означают усреднение по объему внутри магнитной поверхности.

Аксиально-симметричные участки тривиально изометричны просто из-за их симметрии и замкнутая изометрическая ловушка получается, если аксиально-симметричные участки замкнуть изометрическими замыкателями. При этом в получившейся ловушке на аксиально-симметричных участках ток обращается в нуль из-за первого сомножителя в правой части формулы (4). Итак, чтобы вторичные токи не выходили в аксиально-симметричные участки, т.е. замыкались внутри криволинейных замыкателей, и выполнялось требование отсутствия островов модуля магнитного поля на магнитных поверхностях, необходимо использовать изометрический замыкатель.

В параксиальном приближении без вращательного преобразования плоская ось такого замыкателя должна иметь специальный закон изменения кривизны, совпадающий с формулой (3) (см. Физика плазмы, 1995, т. 21, стр. 937).

На чертеже показан пример магнитного поля в замкнутой ловушке, построенный с использованием формулы (3), при выборе следующих выражений


При этом максимальное пробочное отношение достигало 5, эллиптичность в замыкающем элементе изменялась в пределах 0,3 < exp(η/2) < 1,7. К аксиально-симметричным участкам изометрический замыкатель присоединялся очень плавно с выполнением условий:

На чертеже показаны: магнитная поверхность в плоскости магнитной оси XY (для удобства использованы безразмерные величины с разными масштабами по осям); силовые линии, образующие магнитную поверхность; линии уровня модуля магнитного поля показаны разными цветами (на ч/б ксерокопии разным тоном). Магнитная ось проходит внутри по центру магнитной поверхности. Видно, что один цвет всюду охватывает магнитную ось, т.е. требование отсутствия островов модуля магнитного поля на магнитной поверхности выполнено. На чертеже прямолинейные участки соответствуют аксиально-симметричным участкам. Заметим, что характерной чертой кривизны оси хорошего замыкателя является ее знакопеременность.

Приведенный пример доказывает принципиальную возможность осуществления предлагаемого способа удержания плазмы, он может быть использован при конкретной реализации ловушки. Как отмечалось выше, существует очень большой класс магнитных полей, который удовлетворяет требованиям предлагаемого способа удержания плазмы. При поиске реальных систем витков с током, обеспечивающих предлагаемый способ удержания плазмы, необходимо оптимизировать различные физико-технические параметры, например, необходимо обеспечить максимальную устойчивость плазмы. Это требует, как правило, отдельных тщательных расчетов.

Предлагаемый способ стационарного удержания плазмы осуществляется, например, следующей последовательностью приемов:
берут в качестве аксиально-симметричных участков два обычных пробкотрона с пробочным отношением порядка 3 и располагают в них тороидальные диверторы,
соединяют их двумя изометрическими замыкателями, построенными по формуле (3),
создают электронно горячую плазму в пробкотронах с использованием микроволнового электронного циклотронного резонансного разряда низкого давления и производят последующий нагрев ионов косой нейтральной инжекцией в пробкотронах,
чистота и магнитогидродинамическая устойчивость плазмы обеспечивается диверторами.

Изобретение позволяет создавать замкнутые магнитные ловушки, обеспечивающие удержание термоядерной плазмы большого давления с параметром β порядка единицы. Это открывает возможность использования новых малорадиоактивных термоядерных топлив, имеющих несомненные экологические преимущества, например, смеси дейтерий-гелий-3 (D³He) вместо используемой сейчас смеси дейтерий-тритий (DT).

Изобретение относится к способам создания управляемого термоядерного реактора. Технический результат заключается в улучшении удержания плазмы путем устранения возможности появления в ловушке заряженных частиц с траекториями с большими радиальными отклонениями от магнитных поверхностей. Для этого предложен способ удержания плазмы, заключающийся в том, что в замкнутой магнитной ловушке с участками аксиально-симметричного магнитного поля, соединенными с замыкающими участками, конфигурацию магнитного поля которых выбирают из условия внутреннего замыкания вторичных плазменных токов, дополнительно требуют, чтобы все линии уровня модуля магнитного поля на магнитных поверхностях охватывали магнитную ось как на участках с аксиально-симметричным магнитным полем, так и на замыкающих участках. Настоящее изобретение обеспечивает улучшение удержания плазмы в замкнутой магнитной ловушке. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке с участками аксиально-симметричного магнитного поля, соединенными с замыкающими участками, конфигурацию магнитного поля которых подбирают из условия внутреннего замыкания вторичных плазменных токов, отличающийся тем, что конфигурацию магнитного поля всей ловушки выбирают так, чтобы все линии уровня модуля магнитного поля на всех магнитных поверхностях охватывали магнитную ось ловушки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что k(s) плоской магнитной оси замыкающего участка выбирают из условия

где s - длина пути магнитной оси, отсчитываемая от его начала;
B(s) - напряженность магнитного поля на оси;
expη(s) - отношение осей эллиптической магнитной поверхности.