СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕАКЦИИ УПРАВЛЯЕМОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА Российский патент 2000 года по МПК G21B1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, в частности к источникам энергии, основанным на управляемом ядерном синтезе.

Оно может быть использовано в энергетике народного хозяйства страны в целях замены первичных источников энергии на тепловых и атомных электростанциях и для создания движителей, работающих на воде, для наземных подвижных объектов и судов надводного и подводного плавания.

Целью изобретения является указание способа осуществления реакции управляемого ядерного синтеза, приводящего к созданию дешевого, экономичного, экологически чистого источника энергии.

К настоящему времени проблема создания действующего реактора управляемого ядерного синтеза не решена, хотя исследования в области управляемого термоядерного синтеза интенсивно ведутся во всех развитых странах мира с начала 50-х годов данного столетия с вкладыванием для этих целей значительных финансовых средств.

Все известные к настоящему времени способы осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза могут быть аналогами предлагаемого способа. В частности, аналогами предлагаемого изобретения могут считаться все способы осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза, основанные на принципе получения и магнитного удержания горячей (t^o = 10⁷ - 10^9 oK) плазмы (токамаки, сферомаки, стеллараторы, различного рода магнитные ловушки и др. ), а также способы, основанные на принципе инерционного удержания реакции путем осуществления микровзрывов малых доз рабочей смеси (облучение твердой мишени лучами лазеров, пучками заряженных частиц и др.).

Отличительной особенностью всех существующих способов осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза является то, что они рассчитаны на возможность протекания реакции после ее инициации в виде самостоятельного разряда. При этом все исследования ориентируются на выполнение условий, определяемых критерием Лоусона /Л2. стр.22/, который для реакции в рабочей смеси дейтерия с тритием (D + T) принимает вид,

а для реакции D + D

где n - концентрация заряженных частиц рабочей смеси,
τ_E - время существования горячей плазмы.

Данный критерий увязывает важнейшие необходимые требования для осуществления реакции по n, τ_E и T^o и пригоден в основном для случая инициации реакции. Однако он не учитывает изменений параметров рабочей смеси, происходящих в результате инициации реакции, а именно, повышение электропроводности плазмы и, как следствие, снижение потенциала, необходимого для дальнейшего развития инициированной реакции, а также мощности, необходимой для ее удержания. Вследствие чего требования по мощности к источникам импульсов энергии, инициирующих реакцию, оказались завышенными в 10-20 раз; источники электропитания к реакторам и сами реакторы оказались чрезмерно сложными, большими по массо-габаритным показателям и чрезвычайно дорогими. При этом конечная цель всех проводимых до настоящего времени исследований - создание длительно (круглосуточно) работающего реактора управляемого термоядерного синтеза - осталась не осуществленной. Например, стоимость одного из отечественных "Токамаков", построенного в 80-х годах, составила 3 миллиарда рублей. Только стоимость лазера на 150 кДж к установке "Шиванова" (США) составила 150 млн. долларов /Л4, стр.347/. Стоимость демонстрационного реактора, разрабатываемого в настоящее время по международному проекту, оценивается в несколько миллиардов долларов.

Таким образом, все известные способы осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза отличаются чрезвычайной сложностью, дороговизной и затрудненностью реализации действующего реактора.

Поставленная цель настоящего изобретения - указание способа осуществления реакции управляемого ядерного синтеза, приводящего к созданию дешевого, экономичного, экологически чистого источника энергии - достигается при новом принципиальном подходе к решению проблемы.

Предлагается способ осуществления реакции управляемого ядерного синтеза, при котором реактор строится состоящим из рабочей камеры, системы питания рабочей смесью, источников инициации реакции, выпрямителей электрического напряжения промышленной частоты, поддерживающих инициированную реакцию, системы отбора выделяемой энергии и полезных продуктов реакции, системы очистки от вредных продуктов реакции, системы защиты от радиоактивного заражения, системы электропитания, отличающийся тем, что реакцию, в результате ее инициации любым способом, осуществляют не в виде самостоятельного, а в виде несамостоятельного разряда, с поддержкой разряда электрическим током в течение всего сеанса работы реактора, от момента начала инициации реакции до конца работы реактора, включая установившийся режим его работы, с подачей напряжения поддержки непосредственно от выпрямителей электрического напряжения промышленной частоты в виде двухуровневых подставок, один уровень напряжения которых скоррелирован с потенциалом зажигания рабочей смеси и образуется только на время запуска реактора, а другой, постоянно действующий уровень, скоррелирован с потенциалом горения рабочей смеси, с выработкой модулированной по амплитуде горячей плазмы.

Таким образом, существенная новизна данного изобретения состоит в том, что реакцию осуществляют в виде несамостоятельного разряда с поддержкой ее электрическим током, подаваемым в виде подставок непосредственно от выпрямителей электрического напряжения промышленной частоты, без прерывания поддержки в течение всего сеанса работы реактора.

При осуществлении управляемой реакции ядерного синтеза по предлагаемому способу производят следующий порядок действий.

При запуске реактора:
инжектируют очередную дозу уплотненной рабочей смеси;
предварительно ионизируют рабочую смесь, не допуская ее несанкционированного взрыва либо вспышки;
подают двухуровневое напряжение поддержки от специально выделенных выпрямителей электрического напряжения промышленной частоты:
подают импульсы инициации реакции, при этом, если реакция инициируется электрическим способом, то длительность импульса электрического тока высокой плотности должна составлять единицы микросекунд, а его напряжение должно быть таким, что будучи сложенным с напряжением поддержки, их общее значение должно превышать потенциал зажигания рабочей смеси не менее чем в 2-3 раза.

При переходе в установившийся режим работу реактора:
выключает напряжение поддержки, уровень которого скоррелирован с потенциалом зажигания рабочей смеси, но оставляют при этом включенным напряжение поддержки, уровень которого скоррелирован с потенциалом горения рабочей смеси;
в зависимости от способа инжекции очередных доз рабочей смеси допускается снижение значения постоянно действующего напряжения поддержки, но не более чем на 25-50% от потенциала горения рабочей смеси.

Функциональная схема реактора (в укрупненных агрегатах) по предлагаемому способу осуществления реакции представлена на чертеже. Схема реактора включает рабочую камеру (1), систему питания рабочей смесью (2), источник инициации реакции (3), выпрямители электрического напряжения, поддерживающие инициированную реакцию (4), систему отбора выделяемой энергии и полезных продуктов реакции (5), систему очистки от вредных продуктов реакции (6), систему защиты от радиоактивного заражения (7), систему электропитания (8).

Осуществление реакции и работа самого реактора происходят следующим образом. Работа реактора в течение одного сеанса происходит в два этапа. На первом этапе осуществляется запуск реактора, на втором - переход реактора в устойчивое рабочее состояние. При запуске реактора на подготовленную рабочую смесь воздействует сначала двухуровневое напряжение поддержки, подаваемое от двух разных выпрямителей, один из которых вырабатывает напряжение поддержки, уровень его скоррелирован с потенциалом зажигания рабочей смеси, а второй вырабатывает постоянно действующее напряжение поддержки с уровнем, скоррелированным с потенциалом горения рабочей смеси. С подачей импульсов инициации реакции от источника (3) образуется горячая плазма, которая при регулярной подпитке рабочей смесью превращается в непрерывную. Как только плазма перейдет в устойчивое состояние будучи непрерывной, источник инициации реакции (3) и первый выпрямитель, вырабатывающий напряжение поддержки реакции при запуске, выключаются.

Управление работой реактора осуществляется как регулированием подачи рабочей смеси, так и регулированием электрического тока от выпрямителей напряжения, поддерживающих реакцию. Так как выпрямители напряжения промышленной частоты вырабатывают пульсирующие напряжение и ток, горячая плазма получается модулированной по амплитуде. При этом в целях повышения устойчивости работы реактора необходимо обеспечить, чтобы минимальные значения поддерживающего напряжения и тока между двумя соседними импульсами составляли не менее 15-20% от их амплитудных значений.

В случае использования предлагаемого способа осуществления реакции для построения движителей, работающих в прерывистом режиме с выработкой детерминированной последовательности микровзрывов малых доз рабочей смеси, выпрямители, вырабатывающие напряжение поддержки в установившемся режиме, могут отсутствовать.

Осуществление реакции по предлагаемому способу значительно упрощает сам реактор и снижает его стоимость. При этом длительность импульсов инициации реакции и мощность их в импульсе могут быть снижены в 10-20 раз, а допустимое время удержания горячей плазмы может быть ограничено миллисекундами вместо единиц секунд, вытекающих из условий выполнения критерия Лоусона.

Практическая осуществимость реакции по предлагаемому способу и реализация самого реактора может выступать в различных вариантах. Вариант построения дешевого реактора, работающего в прерывистом режиме с выработкой детерминированной последовательности микровзрывов малых доз рабочей смеси, представлен автором настоящей заявки в [5]. В нем реакция осуществляется в виде несамостоятельного разряда с инициацией реакции электрическим путем.

Реактор, работающий в непрерывном режиме с выработкой модулированной по амплитуде горячей плазмы, может быть построен с использованием существующих исследовательских установок с магнитным удержанием горячей плазмы при их соответствующей доработке. При этом необходимое время удержания горячей плазмы может быть не более 4 мс, в случае использования в качестве выпрямителей напряжения, поддерживающих реакцию, шестифазных выпрямителей напряжения промышленной частоты, и не более 2 мс в случае применения двенадцатифазных выпрямителей.

Реактор, работающий как в непрерывном, так и в прерывистом режиме, может быть выполнен также на основе применения в качестве источников инициации реакции существующих лазеров с энергией в импульсе, исчисляемой десятками килоджоулей и менее, вместо лазеров с энергией в импульсе, исчисляемой мегаджоулями, намечаемых к реализации с использованием существующих способов осуществления реакции.

В качестве выпрямителей электрического напряжения, поддерживающих реакцию, могут быть использованы серийные выпрямители напряжения частоты 50 (60) Гц. Однако автором настоящего изобретения разработаны и реализованы в виде технологических образцов новые сильноточные выпрямители электрического напряжения, которые в 3-4 раза меньше серийных аналогов по массо-габаритным показателям и отличаются способностью работать в условиях больших перепадов нагрузки и перекосов фаз при их работе от трехфазной сети. Данные выпрямители могут выступать в качестве прототипов выпрямителей, поддерживающих инициированную реакцию.

Осуществление реакции по предлагаемому способу проверено на практике с прототипами, вырабатывающими холодную (10³ - 10^5 o К) плазму.

В результате аванпроектной проработки вопросов осуществления реакции управляемого ядерного синтеза при новом подходе к решению проблемы и опыта разработки и реализации источников электропитания, во многом определяющих сложность и стоимость реакторов, можно сделать ориентировочно следующие выводы:
1. Действующий реактор ядерного синтеза может быть реализован в короткие сроки на основе предлагаемого способа осуществления реакции с использованием существующих исследовательских термоядерных установок, как основанных на магнитном удержании горячей плазмы, так и на инерционном удержании реакции, при соответствующей доработке установок.

2. Предлагаемый способ осуществления может быть положен в основу для разработки реакторов для замены первичных источников энергии на ТЭЦ и АЭС и для построения движителей, работающих на воде, для наземных подвижных объектов и судов надводного и подводного плавания. Реально достижимый эквивалент замены ориентировочно составит 1 л воды вместо 50(60) литров бензина (дизельного топлива).

3. Предлагаемый способ осуществления реакции с применением способа построения реактора управляемого ядерного синтеза, предложенного автором [5], обеспечивает построение реактора с малой эмиссией радиоактивных частиц, так как обеспечивается получение ядерных температур порядка 10^9 oК, вследствие чего рабочие смеси могут составляться без компонентов, интенсивно образующих радиоактивные частицы в ходе реакции, к примеру, без литий-тритиевых компонентов, если реактор не предназначен выполнять роль бридера, наработчика ядерного горючего для АЗС.

4. Предлагаемый способ осуществления реакции обеспечивает возможность создания в короткие сроки сравнительно дешевых реакторов управляемого ядерного синтеза, в несколько раз дешевле атомных реакторов давления, используемых на действующих АЭС.

Однако с целью определения оптимальных параметров будущих реакторов ядерного синтеза целесообразно проведение НИОКР со сроком проведения в 2-2,5 года. Ориентировочная стоимость работы составит 25-30 млн долларов, включая стоимость полевых испытаний прототипа реактора. При этом стоимость технических средств составит порядка 15-17 миллионов долларов, включая стоимость серийных дизельных электростанций и фидерных линий для передачи электроэнергии на расстоянии до 1 км.

До изыскания дешевого с небольшой энергоемкостью источника инициации реакции управляемого ядерного синтеза предлагаемый способ осуществления реакции в сочетании с электрическими способами инициации реакций может быть принят в качестве основы для построения будущих реакторов.

Литература
1. Арцимович Л.А. Что каждый физик должен знать о плазме. - М.: Атомиздат, 1977.

2. Воронов Г. С. Штурм термоядерной крепости. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985, (Библиотечка "КВАНТ", вып. 37).

3. Басов Н. Г., Лебо Н.Г., Розанов В.Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. - М.: Знание, 1988.

4. Атомная энергия. Том 53, вып.5, 1982.

5. Алексеев М.Г. Способ построения реактора управляемого ядерного синтеза. Заявка на выдачу патента на изобретение N 98100365 от 6 января 1998 г.

Изобретение может быть использовано в энергетике народного хозяйства путем замены источников энергии на ТЭЦ и АЭС, создания движителей, работающих на воде. Технический результат - возможность создания дешевого, экономически чистого источника энергии. Инициированную любым способом реакцию осуществляют в виде несамостоятельного разряда, с поддержкой разряда электрическим током в течение всего сеанса работы реактора, с подачей тока непосредственно от выпрямителей напряжения промышленной частоты. 1 ил.

Способ осуществления реакции управляемого ядерного синтеза, при котором реактор строится состоящим из рабочей камеры, системы питания рабочей смесью, источников инициации реакции, выпрямителей электрического напряжения, поддерживающих инициированную реакцию, системы отбора выделяемой энергии и полезных продуктов реакции, системы очистки от вредных продуктов реакции, системы защиты от радиоактивного заражения, системы электропитания, отличающийся тем, что реакцию в результате ее инициации любым способом осуществляют не в виде самостоятельного, а в виде несамостоятельного разряда, с поддержкой разряда электрическим током в течение всего сеанса работы реактора от момента начала инициации реакции до конца работы реактора, включая установившийся режим его работы, с подачей напряжения поддержки непосредственно от выпрямителей электрического напряжения промышленной частоты в виде двухуровневых "пьедесталов", один уровень напряжения которых скорректирован с потенциалом зажигания рабочей смеси и образуется только на время запуска реактора, а другой, постояннодействующий уровень, скоррелирован с потенциалом горения рабочей смеси.