УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ И НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H05H1/00 G21G4/02 

Изобретение относится к области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, а также генерации нейтронного излучения.

Известно устройство для получения высокотемпературной плазмы, содержащее два электродинамических ускорителя с импульсным напуском газа, два плазмопровода, камеру торможения или взаимодействия, а также систему синхронизации этих ускорителей (см. статью А.М.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов, "Удержание высокотемпературной плазмы с β = 1 в открытой ловушке", Письма в ЖЭТФ, т.39, вып.6, с.247-249, 1984 г.). Ускорители устанавливались на расстоянии 7 м навстречу друг другу и запитывались от конденсаторных батарей емкостью 1150 мкФ. Камеры ускорителей соединялись с камерой торможения тонкостенными металлическими плазмопроводами диаметром 30 см, в которых с помощью наружных многовитковых соленоидов создавалось квазистационарное профилированное магнитное поле. Камера торможения представляла собой аксиально-симметричную ловушку пробочной конфигурации длиной 2 м с напряженностью поля в пробках 14,4 кЭ. В результате столкновения двух плазменных потоков в ловушке образовывалась плазма с ионной температурой 2 кэВ, погонной плотностью 1,5•10¹⁷ 1/см и энергосодержанием 15 кДж. Время удержания плазмы при этом возросло с 18 до 40 мкс.

Недостатками известного устройства являются невысокие начальная (на выходе ускорителей) температура плазменных сгустков и конечная температура плазмы в зоне их столкновения, большие линейные размеры ускорителей и плазмопроводов, а также сложность осуществления процессов термоизоляции и проводки плазменных сгустков по плазмопроводам и ввода их в камеру взаимодействия (без продольного магнитного поля вообще нельзя ввести в плазмопровод и провести на расстояние 5 м - до камеры взаимодействия потока плазмы с параметрами, обеспечивающими их некулоновское взаимодействие).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для получения высокотемпературной плазмы (см. авт. св. СССР N 1268080, МПК H 05 H 1/00, авторы Гаранин С. Ф., Данов В.М., Долин Ю.Н. и др., заявлено 11.01.85, опубликовано 19.06.95, бюл. N 17), содержащее плазменную камеру, состоящую из отсека ускорения и отсека торможения плазмы, образованных внешним и внутренним коаксиальными электродами, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов отсека ускорения, а также источник начального магнитного поля, подключенный к электродам отсека торможения, и основной источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам отсека ускорения. Электроды плазменной камеры отделены друг от друга двумя изоляторами. Оба отсека камеры заполнены дейтерием или смесью изотопов водорода.

К недостаткам устройства-прототипа можно отнести недостаточно высокие температуру плазмы и уровень нейтронного излучения, а также отсутствие возможности изучения процессов столкновений плазменных потоков и ударных волн в замагниченной плазме.

Решаемая задача - создание условий для изучения процессов столкновений плазменных потоков и ударных волн в замагниченной плазме и оценки влияния их на температуру плазмы и уровень нейтронного излучения.

Технический результат изобретения - повышение температуры плазмы и уровня нейтронного излучения.

Технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения высокотемпературной плазмы, содержащим плазменную камеру с отсеками ускорения и торможения плазмы, образованных внешним и внутренним коаксиальными электродами, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между продолжениями электродов отсека ускорения плазмы, а также источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам отсека ускорения, новым является то, что устройство дополнено вторым отсеком ускорения плазмы и вторым основным источником электромагнитной энергии, при этом второй отсек ускорения расположен за отсеком торможения плазмы и выполнен симметрично первому отсеку ускорения, второй основной источник электромагнитной энергии подключен к электродам второго отсека ускорения, а источник начального магнитного поля включен в разрыв внешнего электрода или подключен к внешнему и внутреннему электродам камеры в средней части отсека торможения.

Кроме того, источник начального магнитного поля подключен к внутреннему электроду плазменной камеры при помощи набора радиальных спиц, перфорированного или сплошного диска.

Введение в устройство второго отсека ускорения, расположенного за отсеком торможения и выполненного симметрично первому отсеку ускорения, и второго основного источника электромагнитной энергии, подключенного к этому отсеку, обеспечивают то, что физические процессы в прототипе и в предлагаемом устройстве качественно и количественно отличаются друг от друга:
- в прототипе создается один плазменный поток и обмен энергией происходит между "горячими" высокоэнергетическими ионами, ускоренными в отсеке ускорения, и "холодными" ионами отсека торможения, в результате чего остаточная температура плазмы в отсеке торможения не превышает 3 кэВ;
- в предлагаемом устройстве создаются два плазменных потока и, кроме взаимодействия "горячих" ионов из первого и второго отсеков ускорения с "холодными" ионами общего отсека торможения, дополнительно происходит взаимодействие "горячих" ионов из первого и второго отсеков ускорения. А так как плазменные потоки имеют большую скорость и направлены навстречу друг другу, то столкновение ионов и ударных волн происходит в "лоб" и наблюдается значительное энерговыделение, причем большая часть этой энергии идет на нагрев плазмы в общем или сообщающихся отсеках торможения. Согласно расчетам остаточная температура плазмы в общем или сообщающихся отсеках торможения предлагаемого устройства должна составлять примерно 10 кэВ.

Включение источника начального магнитного поля в разрыв внешнего электрода или подключение его к внешнему и внутреннего электродам в средней части отсека торможения обеспечивает:
- в первом случае, образование одного общего отсека торможения с одним направлением начального азимутального магнитного поля и создание различных условий взаимодействия двух разнонаправленных - встречных потоков замагниченной плазмы с этим полем. В результате в отсеке торможения потоки плазмы могут завихряться, прокручиваться и перемешиваться друг с другом;
- во втором случае, образование двух сообщающихся подотсеков торможения плазмы со своим (левовинтовым и правовинтовым) направлением начального азимутального магнитного поля и создание идентичных условий взаимодействия потоков термоядерной плазмы с начальным магнитным полем в обоих подотсеках торможения.

В целом, такое подключение источника начальной магнитной энергии позволяет прояснить физические процессы, происходящие в отсеке торможения, и механизм генерации нейтронного излучения.

На фиг. 1 изображен вариант предлагаемого устройства для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения с включением источника начальной магнитной энергии в разрыв внешнего электрода; на фиг. 2 показан вариант устройства с подключением источника начальной магнитной энергии к внешнему и внутреннему электродам камеры; на фиг. 3 представлена схема начальных токов и магнитных полей в каждом из подотсеков торможения плазмы.

Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения(фиг. 1) содержит плазменную камеру 1 с двумя отсеками ускорения плазмы 2 и 3 и одним общим отсеком торможения плазмы 4, образованных внешним 5 и внутренним 6 коаксиальными электродами.

Первый 2 и второй 3 отсеки ускорения плазмы выполнены симметрично друг другу и представляют собой промежутки (рабочие объемы) между боковыми поверхностями внешнего 5 и внутреннего 6 электродов.

Внешний 5 и внутренний 6 электроды камеры изолированы друг от друга в приосевой части камеры с помощью изоляторов 7 и 8, в периферийной части - с помощью двух кольцевых зазоров 9 и 10, выполненных в виде двух встречно направленных сопел Лаваля.

Отсек торможения плазмы 4 расположен в средней части плазменной камеры - между отсеками ускорения 2 и 3 камеры, и представляет собой кольцевой зазор между продолжениями электродов 5 и 6.

В устройство (фиг. 1) входят также источник начального магнитного поля 11 и два основных источника электромагнитной энергии 12 и 13.

Источник начального магнитного поля 11 включен в разрыв внешнего электрода 5 в средней части отсека торможения 4. Основные источники электромагнитной энергии 12 и 13 подключены к электродам 5 и 6 камеры в первом (правом) 2 и втором (левом) 3 отсеках ускорения соответственно.

Внешний электрод 5 камеры имеет форму бака. Внутренний электрод 6 выполнен в виде двух эллипсоидов вращения, соединенных по центру друг с другом. Материал обоих электродов - бескислородная медь. Изоляторы 7 и 8 выполнены из керамики. Плазменная камера заполнена дейтерием или смесью изотопов водорода при давлении 1-2 Top. Длина камеры 21 см, диаметр 20 см.

В качестве источника начального магнитного поля 11 может быть использована конденсаторная батарея с кабельным понижающим трансформатором. В качестве основных источников электромагнитной энергии 12 и 13 могут служить взрывомагнитные генераторы тока с устройствами быстрого переключения - размыкателями тока, которые обеспечивают переброс энергии в камеру на уровне 0,12 МДж за время 2 мкс (см. книгу Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М., Мир, 1972, с.221).

Устройство (фиг. 2) отличается от устройства фиг. 1 только тем, что источник начального магнитного поля 11 подключен к внешнему 5 и внутреннему 6 электродам камеры в средней части отсека торможения, при этом подключение источника 11 к внутреннему электроду 6 может быть выполнено, например, при помощи набора радиальных спиц 14, размещенных равномерно в объеме камеры и изолированных от внешнего электрода 5 камеры. В результате отсек торможения 4 разделяется на два сообщающихся подотсека 4' и 4'' с различным: правовинтовым и левовинтовым направлением начального азимутального магнитного поля.

Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.

Вначале в плазменную камеру 1 путем пропускания по внешнему электроду 5 и внутреннему электроду 6 электрического тока от источника 11 вводят начальное азимутальное магнитное поле напряженностью 15-25 кЭ. Начальное магнитное поле вводят достаточно медленно за 200-300 мкс, чтобы избежать электрических пробоев в области сопел 9 и 10 и по поверхностям керамических изоляторов 7 и 8 в отсеках ускорения плазмы (по кривой Пашена для водорода пробойное напряжение составляет примерно 250 В). После этого к камере подключают синхронно оба основных источника электромагнитной энергии 12 и 13, которые выдают токовые импульсы нарастающей амплитуды с крутым фронтом. Электрический контур камеры, образованный электродами 5 и 6, имеет индуктивность 10-20 нГн. Благодаря этой индуктивности между электродами 5 и 6 камеры появляется напряжение достаточно большой величины (до 50 кВ), что моментально возникают шунтирующие скользящие пробои по поверхностям керамических изоляторов 7 и 8 между боковыми стенками внешнего электрода 5 и боковыми поверхностями эллипсоидов внутреннего электрода 6. Газ в этих местах ионизируется и становится проводящим. Проводимости достаточно для вмораживания начального магнитного поля в образовавшуюся плазму. Нарастающие токи и давления основных магнитных полей в камере (керамические изоляторы 7 и 8 прозрачны для потоков электромагнитной энергии) ускоряют плазму одновременно в правом 2 и левом 3 отсеках ускорения по направлению к соплам Лаваля 9 и 10. При достаточно быстром нарастании напряженностей основных магнитных полей до 60-80 кЭ и достаточно малой ширине сопел Лаваля 9 и 10 напряженности магнитных полей в отсеках ускорения 2 и 3 растут быстрее, чем в общем отсеке торможения 4, и скорость плазменных струй на выходе из сопел Лаваля становится выше местной альфвеновской скорости звука. В результате на выходе из сопел Лаваля 9 и 10 за счет противодавления начального магнитного поля формируются ударные волны, в которых происходит торможение и нагрев плазмы, и генерируется нейтронное излучение.

Потоки замагниченной плазмы и ударные волны из левого 9 и правого 10 сопел Лаваля сталкиваются и интерферируют друг с другом в общем отсеке торможения 4, при этом происходит дополнительный нагрев плазмы, возрастают амплитуда и длительность нейтронного излучения. Как показывают магнитогидродинамические расчеты, за фронтом ударной волны вблизи плоскости столкновения плазменных потоков (в средней части отсека торможения 4) плотность плазмы должна увеличиться примерно в 4 раза, а температура в 10 раз. Уровень нейтронного излучения должен увеличиться соответственно в 10 раз.

Работает устройство (фиг. 2) в начальной стадии как и устройство (фиг. 1). На финише работа устройств (фиг. 1 и 2) несколько отличается:
- в устройстве (фиг. 1) плазменные потоки из правого и левого сопел Лаваля втекают в общий отсек торможения 4 с общим (например, левовинтовым) начальным магнитным полем. Соответственно силы Лоренца и Холла, действующие на правый и левый плазменные потоки, будут иметь различные направления и правый плазменный поток будет отклоняться к периферии камеры, а левый плазменный поток - к оси камеры.

- в устройстве (фиг. 2) плазменные потоки из правого и левого сопел Лаваля втекают в подотсеки торможения 4' и 4'' со своим (левовинтовым и правовинтовым) начальным магнитным полем. Соответственно силы Лоренца и Холла, действующие на правый и левый плазменные потоки, будут иметь одинаковые направления и оба плазменных потока будут отклоняться в одну сторону: или к периферии камеры, или к оси камеры.

Таким образом, по сравнению с аналогом предлагаемое устройство позволяет проводить научные исследования по изучению столкновительных и кумулятивных процессов в замагниченной термоядерной плазме с меньшими затратами на сооружение экспериментальных установок и с меньшими потерями энергии на транспортировку плазменных потоков.

По сравнению с прототипом в предлагаемое устройство изначально вводится вдвое большая электромагнитная энергия (от двух основных источников) и достигается значительно большие (по крайней мере на порядок) температурные параметры плазмы и уровень нейтронного излучения. Кроме того, в предлагаемом устройстве можно оценить влияние на термоядерные процессы поляризации начального магнитного поля (или эффекта Холла).

Использование: в области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, генерации нейтронного излучения, а также для повышения температуры плазмы и уровня нейтронного излучения. Сущность изобретения: устройство содержит плазменную камеру с отсеками ускорения и торможения плазмы, образованных внешним и внутренним коаксиальными электродами. Кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в виде сопла Лаваля, отсек торможения - в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов отсека ускорения. Источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии подключены к электродам отсека ускорения. Устройство дополнено вторым отсеком ускорения, расположенным за отсеком торможения и выполненным симметрично первому отсеку ускорения, и вторым основным источником электромагнитной энергии, подключенным к электродам второго отсека ускорения. Источник начального магнитного поля включен в разрыв внешнего электрода или подключен к внешнему и внутреннему электродам камеры в средней части отсека торможения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, содержащее плазменную камеру с отсеками ускорения и торможения плазмы, образованных внешним и внутренним коаксиальными электродами, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов отсека ускорения, а также источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам отсека ускорения, отличающееся тем, что устройство дополнено вторым отсеком ускорения плазмы и вторым основным источником электромагнитной энергии, при этом второй отсек ускорения расположен за отсеком торможения и выполнен симметрично первому отсеку ускорения, второй основной источник электромагнитной энергии подключен к электродам второго отсека ускорения, а источник начального магнитного поля включен в разрыв внешнего электрода или подключен к внешнему и внутреннему электродам камеры в средней части отсека торможения. 2. Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения по п.1, отличающееся тем, что источник начального магнитного поля подключен к внутреннему электроду плазменной камеры при помощи набора радиальных спиц, перфорированного или сплошного диска.