ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР И СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИИ В НЕМ Российский патент 2001 года по МПК G21B1/02 

Это изобретение было сделано при поддержке Правительства согласно контракту N MP-94-04; B283616, предоставленному Департаментом энергетики, и гранту N N00014-90-J-1675, предоставленному Ведомством по военно-морским исследованиям. Правительство имеет определенные права на это изобретение.

Изобретение относится к термоядерным устройствам и способам и, более конкретно, к термоядерному реактору, в котором пучки протонов и ионизированного бора вводятся в удерживающее магнитное поле со скоростями пучков, выбранными так, чтобы захватить пучки на орбитах с оптимальным эффективным сечением для реакции с выделением энергии в спонтанных термоядерных реакциях.

Известны разные термоядерные устройства, основанные на разных принципах конфигураций удержания, в которых плазма генерируется в реакционной камере и удерживается магнитным полем. Плазма нагревается разными способами, такими как электрический нагрев, радиочастотный нагрев и нагрев нейтральным пучком, до таких температур, при которых ядра в плазме должны реагировать, чтобы выделять энергию. Как раскрыто в патенте США N 4,894.199, широко известными реагентами являются ядра дейтерия и трития (т.е. дейтероны и тритоны). Ядерный синтез таких реагентов, как известно, дает альфа-частицу и нейтрон и выделяет энергию в количестве более чем 17 МэВ; примерно 14 МэВ в виде кинетической энергии нейтрона и остальное в виде кинетической энергии альфа-частицы. Энергию обычно захватывают в зоне воспроизводства и преобразуют в тепло и используют для получения полезного электричества.

Основная проблема с такими термоядерными устройствами заключается в удержании плазмы в течение достаточно долгого времени, чтобы произошло достаточно реакций, чтобы оправдать энергию, необходимую на работу устройств, а из этой энергии основную часть составляет работа удерживающих магнитных полей. К числу таких устройств относятся устройства с тороидальной геометрией, такие как токамаки, и устройства с линейной геометрией, такие как термоядерные установки с магнитными зеркалами.

Реакция ядер водорода (т. е. протонов) с ядрами бора была исследована ранее. Однако трудность, связанная с этой реакцией, состоит в том, что требуется очень высокая температура ионов для получения умеренной реакционной способности. Энергетические потери посредством тормозного излучения или электромагнитного излучения при столкновении быстрых электронов с ядрами пропорциональны Z³, кубу атомного числа ядер, и можно ожидать, что они будут значительны для такого большого ядра, как у бора, атомное число которого составляет 5. Таким образом, зажигание или работа реактора в установившемся режиме на основе такой реакции, как было известно, это в лучшем случае небольшая возможность.

Настоящее изобретение направлено на термоядерное устройство и способ и, в частности, на термоядерный реактор, в котором используется пучок протонов и пучок ионизированного бора, которые вводятся в систему с конфигурацией реверсированные поля со сталкивающимся пучком при скоростях и температурах, которые дают возможность воспользоваться резонансом в эффективном сечении ядерного синтеза реакции бор-протон; 0,65 МэВ с шириной около 280 кэВ. Одно ядро протона и одно ядро бора синтезируются с получением трех альфа-частиц с кинетическими энергиями, которые можно преобразовать в полезную энергию. Как будет обсуждено более подробно ниже, реакция способна происходить в установившемся режиме.

Пучки нейтрализуются при добавлении электронов и затем направляются во, в принципе, постоянное однонаправленное магнитное поле в реакционной камере. Пучки вводятся перпендикулярно направлению магнитного поля и таким образом приобретают электрическую самополяризацию благодаря магнитному полю. Затем поляризация дренируется (разряжается) из-за электронной проводимости вдоль силовых линий магнитного поля, когда пучки достигают внутренней части камеры, так что пучки захватываются магнитным полем. Конкретнее, дренированные пучки захватываются так, чтобы двигаться по круговым орбитам, как в бетатроне. Вращающиеся по орбите ионы генерируют электрический ток, который, в свою очередь, создает полоидальное магнитное поле с измененной полярностью поля. Термоядерные реакторы с конфигурацией реверсированного подробно описаны в работе "Конфигурации реверсированного поля с компонентом энергетических частиц" Дж. М. Финна и Р. Н. Сьюдана в "Nuclear Fusion", том 22, номер 11 (1982). Скорости ионов и напряженность магнитного поля заставляют ионы оставаться на своей орбите внутри камеры. Ионные пучки циркулируют в одном и том же направлении вокруг тороидальной катушки, размещенной в центре камеры для стабилизации тока плазмы.

Ионы для получения лучшего результата вводятся с энергиями, которые в принципе оптимизируют эффективное сечение для их совместной реакции. В частности, скорости пучков выбираются таким образом, что относительная скорость в принципе равна резонансу реакции бор-протон. Например, скорости пучков могут быть выбраны такими, что пучок протонов имеет энергию 1 МэВ, тогда как ионизированный пучок бора имеет энергию примерно 0,412 МэВ, так что относительная скорость пучков имеет энергию примерно 0,65 МэВ - точка резонанса эффективного сечения реакции синтеза протон-бор. Однако ионные пучки должны иметь температуру менее 100 кэВ, чтобы воспользоваться резонансом.

Топливо впрыскивается короткими импульсами для избежания значительных изменений энергии топлива из-за замедления электронами. Это также позволяет избежать разогрева электронов и сопровождающих это потерь энергии на тормозное излучение из системы.

Поскольку пучки движутся в одном и том же направлении с высокой скоростью и быстро образуют смещенные распределения Максвелла, столкновения между ионами при вращении пучков по орбите не изменяют распределений или средних скоростей ионных пучков. Более того, при такой конфигурации ионы остаются при полезных температурах и при выбранных значениях энергии и удерживаются в течение относительно длительных периодов, что позволяет произойти желаемым реакциям до того, как ионы теряются из пучков или до того, как их температуры снижаются ниже полезной величины.

В данном изобретении холодную плазму низкой плотности можно вводить в реакционную камеру с единственной целью дренировать поляризацию поляризованных ионных пучков при начале ввода ионных пучков. Затем электроны, связанные с захваченными пучками, сами дренируют входящую затем часть пучков.

Предпочтительно, чтобы значительная часть продуктов реакции быстро покидала зону магнитного удержания, а остальная часть разогревала ионы и электроны топлива и улетучивалась рассеиванием.

Предыдущие конфигурации реакторов с участием пучков энергетических частиц и обычной плазмы-мишени высокой плотности и низкой энергии имели теоретическое усиление по энергии, ограниченное 3-4, потому что энергетические частицы слишком быстро теряли энергию в плазму и проводили слишком небольшое время на уровне энергии, при котором было велико эффективное сечение ядерного синтеза. Из-за пучков положительных горячих ионов высокой энергии, используемых в данном изобретении, пучок протонов спонтанно реагирует с пучком бора с возникновением термоядерной реакции. Ионные распределения пучков - это смещенные распределения Максвелла, которые не меняются из-за столкновений. Относительная энергия из-за скоростей пучков критична для реакции синтеза, и этот параметр можно выбирать, чтобы обеспечить большую скорость реакции при работе с указанными энергиями пучков при создании оптимального эффективного сечения для взаимной реакции.

Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что ионы приводятся к соответствующему уровню энергии и плотности вне устройства магнитного удержания системой ввода. Известно, что практически невозможно наращивать плотность или энергию плазмы внутри магнитной ловушки, не проходя через многие неустойчивости. Поэтому плазму нужно заставлять быстро проходить через неустойчивости, чтобы не дать неустойчивостям затруднять процесс. Для избежания этой проблемы ионы при высокой плотности и высоких уровнях энергии генерируются в данном изобретении вне магнитной ловушки. Описанный ниже способ ввода и захвата ионов обеспечивает быстрое прохождение через неустойчивости. Таким образом, рабочую точку реактора можно выбрать между такими неустойчивостями.

Ионные пучки генерируются с высокими плотностями и энергиями и затем нейтрализуются посредством отбора электронов для получения интенсивных нейтрализованных пучков. Полностью нейтрализованные пучки распространяются через магнитные поля с геометрией удержания посредством самополяризации и дрейфа ЕхВ. Когда поляризованные пучки достигают плазмы, поляризация электронов быстро дренируется, потому что плазма является хорошим проводником. После этого ионы в пучках движутся так, как определяют превалирующие магнитные поля удерживающего устройства, что создает захват пучков внутри области удержания.

Удерживающее поле - это, в принципе, постоянное однонаправленное магнитное поле, направленное нормально к ионным пучкам, что исключает необходимости в большом тороидальном магнитном поле для стабильности, поскольку под влиянием поля вращающиеся по большой орбите частицы не следуют силовым линиям. Таким образом, здесь не приемлем предел Крускала-Шафранова и нет необходимости для достижения стабильности генерировать большое тороидальное магнитное поле, как в реакторах типа токамака. Ввод энергии в это магнитное поле более не является необходимым. Поле симметрично по азимуту и однонаправлено по области захвата и предпочтительно сходится вне этой области, чтобы сохранять орбиты в этой области.

Эти и другие аспекты данного изобретения будут легко поняты после рассмотрения нижеследующего подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
Фиг. 1 - это график эффективного сечения ядерной реакции протон-бор как функции энергии протона;
Фиг. 2 - это график среднего эффективного сечения ядра протона-бора и относительной скорости по распределениям скоростей как функции кинетической температуры;
Фиг. 3 - это частичный вид в разрезе в перспективе термоядерного устройства в соответствии с данным изобретением;
Фиг. 4 - это представление в виде диаграммы поверхностей магнитного потока для конфигурации реверсированного поля данного изобретения;
Фиг. 5 - это график профилей плотности электронов, протонов и ионов бора как функции радиального расстояния в реакционной камере;
Фиг. 6 - это график магнитного поля как функции радиального расстояния в реакционной камере;
Фиг. 7 - это график электростатического потенциала как функции радиального расстояния в реакционной камере;
Фиг. 8 - это диаграмма вида с торца траекторий частиц в магнитном поле реакционной камеры; и
Фиг. 9 - это диаграмма вида с торца распределений частиц в реакционной камере.

Идеально термоядерный реактор для протона и ядра бора, дающий три альфа-частицы или ядра гелия, генерирует количество энергии около 8,68 МэВ:
p+B¹¹ - > 3He⁴ + 8,68 МэВ (1)
Поэтому было известно, что при этой реакции существует несколько проблем. В частности, для достижения даже умеренной реакционной способности требуется относительно высокая температура ионов. Например, чтобы достичь < σ v > = 2 • 10^-16 см³/сек (где σ - это поперечное сечение и v - это относительная скорость), требуется кинетическая температура 300 кэВ. Более того, потери энергии излучения из-за тормозного излучения высоки вследствие относительно большого атомного числа бора, Z = 5.

Как видно из фиг. 1, графика эффективного сечения реакции pB¹¹ как функции энергии протона, максимальное эффективное сечение, или резонанс, составляет примерно 0,65 МэВ. Ширина этого резонанса составляет примерно 100 кэВ. Внутри этой ширины энергии σ составляет приблизительно 7 • 10^-25 см² и v - примерно 1,13 • 10⁹ см/сек, так что σv - это примерно 7,9 • 10^-16 см³/сек; близко к пиковому тепловому среднему < σ v > для реактора дейтерия-трития. Значение < σ v > для реакции pB¹¹ показано как функция температуры на фиг. 2.

Согласно изобретению пучки протонов и ионов бора, нейтрализованные электронами, вводятся в камеру, показанную в устройстве на фиг. 3 с соответствующим образом выбранными величинами энергии и температуры, чтобы реагировать на резонансном эффективном сечении (т.е. 0,65 МэВ). Пучки протонов и ионов бора высокой энергии импульсной природы могут генерироваться, например, с помощью ионных диодов и генераторов Маркса, как изложено в патенте США N 4.894.199, выданном Ростокеру. Поскольку нейтрализованный ионный пучок имеет равное число совместно движущихся положительных ионов и электронов, получающийся пучок является электрически нейтральным и не имеет в чистом виде тока или заряда. В одном примере выполнения настоящего изобретения протоны ускоряются до примерно 1 МэВ, а ионы бора ускоряются до примерно 0,412 МэВ с применением ускорителей, широко известных для специалиста. Ток пучка частиц протонов составляет примерно 0,294 • 10⁵ А/см, тогда как ток пучка частиц бора составляет 1,22 • 10⁵ А/см в течение работы устройства в устоявшемся режиме. Топливо впрыскивается импульсами через каждую 1 миллисекунду по 11,5 А/см за каждый импульс. Оба пучка предпочтительно вводятся при температуре примерно 70 кэВ.

Поляризация нейтрализованного ионного пучка происходит, когда имеются равные количества положительных и отрицательных зарядов, двигающихся ортогонально к относительно однородному магнитному полю. Положительные заряды - это ионы ядерного реагента высокой энергии и высокой плотности, а отрицательные заряды - это нейтрализующие электроны, добавленные к ядерным реагентам до ввода в реакционную камеру. Этот нейтрализованный пучок переносится через удерживающее магнитное поле без отклонения согласно хорошо известному эффекту поляризации, описанному в патенте США N 4.548.782. Магнитное поле действует на противоположно заряженные частицы в противоположных направлениях, но получающиеся пространственные заряды притягивает, оставляя нейтрализованный пучок нетронутым, но поляризованным.

Как видно на фиг. 3, предпочтительной конфигурации термоядерного устройства данного изобретения, показана стенка реакционной камеры 10, имеющая в принципе цилиндрическую форму, образующую удерживающую реакционную камеру 12 с продольной или главной осью 13. Концентрично оси камеры 12 расположен центральный цилиндр 15, имеющий тороидальную катушку 18 для формирования тороидального магнитного поля для управления нестабильностью режима прецессии в ионном токе. Тороидальное магнитное поле не должно оказывать удерживающего усилия на плазму и потому ему не нужно быть таким сильным, каким обычно бывает тороидальное магнитное поле в реакторе типа токамак. Катушки 20 бетатрона создают относительно постоянное магнитное поле, силовые линии которого проходят по оси вдоль продольной оси камеры 12. Поле симметрично по азимуту и проходит по оси над областью удержания 23. Зеркальные катушки 25 расположены друг к другу ближе, чем катушки бетатрона 20, и размещены на концах реакционной камеры 12, чтобы создать более сильное поле с большим числом изгибов, чем у поля в области удержания 23, тем самым обеспечивая эффект смыкания на концах кольцевой области удержания 23. Компрессионные катушки 27 и отклоняющая катушка 30 также используются для получения распределения магнитного потока, показанного на фиг. 4.

Для каждого из ионных пучков ядерного реагента имеются отдельные инжекторные отверстия. Боковой инжектор 32 позволяет инжектировать ионы бора, тогда как центральный инжектор 34 используется для инжектирования протонов. Конечно, рассматривается возможность использования большего числа инжекторов для ввода ионных пучков.

Можно создать и поддерживать ионный слой 37 путем ввода повторных импульсов протонов и ядер бора из ионных диодов (не показаны), проходящих (простреливаемых) через соответствующие каналы ввода ионов 32 и 34. В самом начале можно использовать плазменную пушку (не показана) для ввода плазмы 40 холодных ионов низкой плотности в реакционную камеру 12 для обеспечения дренажа поляризации пучков. Возбуждение плазменной пушки и ионных диодов можно синхронизировать посредством подходящих систем синхронизации (не показаны), широко известных в технике. Плазменная пушка может быть разрядным устройством, испускающим пучок протонов вдоль силовых линий магнитного поля.

После запуска быстро образуется циркулирующий ионный ток и стабилизируется в области удержания 23, которая формирует свое собственное магнитное поле, приводящее к конфигурации измененного на обратное поля, показанного как диаграмма на фиг. 4. Симметричные по азимуту осевые силовые линии магнитного поля 50, образованные катушками возбуждения 53, окружают полоидальные силовые линии 56, образованные циркуляцией ионного тока 60 плазменного топлива. Внутри тора плазменного тока 60 полоидальные силовые линии 62 направлены в противоположную сторону относительно силовых линий магнитного поля 50. Сепаратрисса 65 образует границу между силовыми линиями магнитного поля, следуя линиям 50 и линиям полоидального поля 60 и 62. Внутри тока плазмы 60 магнитный поток снижается до нуля. Катушки возбуждения 53 становятся более близко расположенными друг от друга у каждого конца системы, создавая магнитное самостягивание разряда, которое стремится удержать ток плазмы 60 в области удержания.

В соответствии с важным аспектом изобретения энергетические ионы протона высокой плотности и ионизированные пучки бора вводятся с разными средними скоростями и удерживаются для совместного движения в одном и том же направлении. Как таковая, спонтанная реакция синтеза возникает без зажигания, потому что в пространственной системе координат ядер бора протоны имеют оптимальную резонансную энергию 0,65 МэВ для максимального эффективного поперечного сечения, если только значения температуры пучка меньше чем 100 кэВ, чтобы воспользоваться этим резонансом. Напротив, в случае реакторов типа токамак с использованием дейтерия и трития необходимо удерживать получившиеся альфа-частицы в 3,5 МэВ, чтобы сохранить их энергию для зажигания. Для того чтобы удерживать альфа-частицы с 3,5 МэВ, меньший радиус токамака должен быть, как минимум, в 10 раз больше гиро-радиуса (радиуса вращения) альфа-частиц, что составляет 10,7 см в магнитном поле 50 кГ. По этой и другим причинам реактор типа токамак с зажиганием должен быть очень большим.

В данном изобретении можно получать полезную энергию, не достигая зажигания. Ионные пучки высокой энергии вводятся, захватываются и удерживаются, так что рассеивание, которое, как известно, происходит чаще, чем синтез, не будет быстро приводить к потере ионов высокой энергии или к вводу энергии в пучок. Поскольку они циркулируют как плазменный ток в одном и том же направлении с высокой скоростью, столкновения между ионами при вращении пучков по орбите не меняют распределений или средних скоростей ионных пучков. Таким образом, ядерные реагенты остаются при желаемых уровнях энергии и удерживаются относительно долгие периоды времени, что позволяет происходить желаемым реакциям до того, как ионы теряются из пучков, или до того, как их температуры падают ниже полезной температуры.

Один пример работы реактора данного изобретения в установившемся режиме раскрыт ниже. Для простоты используется упрощенная модель с конфигурацией бесконечно длинной цилиндрической реакционной камеры, так что систему можно трактовать в одном измерении. В этой модели координата горизонтальной оси реакционной камеры считается осью z, тогда как одномерный вид магнитного и электрического полей и положение частиц считаются находящимися на радиусе r, выходящем из оси z. Азимутальный угол - это θ.

Предполагается, что ионные пучки быстро разовьются и стабилизируются в энергетических распределениях Максвелла. Такая функция распределения имеет форму

где, если то распределение - это жесткое роторное распределение (ω - это обычно угловая скорость). Температура электронов T_e не равна температуре ионов T_i. Плотность частиц n_j имеет вид

где - это потенциалы. Электрическое и магнитное поля задаются как E = - ▿Φ и B = ▿x(A_θθ). Равновесное решение уравнений Власова-Максвелла получается при одновременном решении

Σn_je_j ≅ 0. (5)
Последнее уравнение просто указывает, что суммарный заряд системы нейтральный. Если плотность частиц n_j зависит от r и z, требуются числовые методы для решения системы уравнений. Если n_j зависит только от r, можно получить аналитические решения. Для функций распределения, подобных уравнению (2), уравнение Власова можно заменить уравнениями для текучих сред для сохранения момента:



Σ_i означает, что сумма только по ионам с зарядом Z_ie. Уравнение (5) для электронов можно решить для E_r, которое затем можно исключить из уравнения момента ионов. После дифференцирования в отношении r получается дифференциальное уравнение, включающее в себя только плотности

где n_e определяется уравнением (7) и ξ = r²/2. Точное решение системы уравнений (9) можно получить в виде n_i = A_i, n_e, где A_i - это константы. Для двух разновидностей ионов


На равновесные уравнения для текучих сред (6) не влияет добавление тороидального магнитного поля B_θ(r) = B_θ0(r_a/r), потому что компонента скорости текучей среды V_z = 0. Поэтому решение уравнения (11) в равной степени хорошо применимо с азимутальной составляющей магнитного поля B_θ (r). У границ реактора, а именно у r = r_a, центральный тороидальный цилиндр, и у r = r_b, стенка камеры, решение то же самое, что и в уравнении (11) за исключением того, что квадрат радиуса циркуляции плазмы r₀ ² = 1/2 (r²a + r²b); в этом случае n(r_a) = n(r_b), что является подходящим граничным условием. Идеализация, что центральная тороидальная катушка имеет пренебрежимо малый радиус, т.е. r_a -> 0, допустима, в этом случае
Для реактора пБ¹¹ данного изобретения считается, что начальная плотность электронов n_e0 равна 2 • 10¹⁵ см^-3 и
Протоны: (1) п Z₁ = 1 A₁ = 4/9
Бор: (2) Б¹¹ Z₂ = 5 A₂ = 1/9.

Дальнейшие предположения такие:
(1/2) М₁ (r₀ ω₁ )² = 1 МэВ,
(1/2) М₂ (r₀ ω₂ )² = 0,412 МэВ,
(1/2) М₁ (V₁ - V₂)² = 0,65 МэВ,
V₁ = r₀ ω₁ = 1,398 • 10⁹ см/сек,
V₂ = r₀ ω₂ = 0,271 • 10⁹ см/сек,
r₀ = 30 см,
ω₁ = 0,466 • 10⁸ сек^-1,
ω₂ = 0,903 • 10⁷ сек^-1,
и для электронов ω_e = 0.

В реакции ¹¹Б (p, 3α) полученная полезная энергия - это
Q₀ = (M₁ + M₂ - 3M_α)с² = 8,68 МэВ.

Суммарная энергия реакции в лабораторных рамках - это
Q = Q₀ + 1/2 (m₁v² ₁) + 1/2 (m₂v²) = 10,1 МэВ.

Энергия, получаемая путем ядерного синтеза, не делится по равному между тремя альфа-частицами. Реакция продолжается в основном посредством последовательного затухания, Б¹¹(п, α) -> Be⁸ и Be⁸ -> 2α. Большее количество энергии находится во вторичных альфа-частицах. Разумно предположить, что 2 альфа-частицы несут большее количество энергии. Большинство расчетов не очень помогают понять, как энергия распределяется при генерировании альфа-частиц.

Во время работы реактора в установившемся режиме температуры T₁, T₂ и T_e, соответствующие температурам протонов, ядер бора и электронов в плазме, определяются переносом энергии от продуктов синтеза и от излучения. Предпочтительно, согласно изобретению устройство должно работать так, что получаемые значения температур при равновесии для протонов и ядер бора оба составляют около 70 кэВ, а для электронов примерно 50 кэВ. Следующий расчет равновесия показывает разумность выбора T₁ = T₂ = 70 кэВ и T_e = 50 кэВ. Данное изобретение также может работать так, что другие величины температур ниже 100 кэВ поддерживаются в ионном облаке при некотором равновесии. Однако, как говорилось выше, значения температуры ионов нужно поддерживать ниже 100 кэВ, чтобы воспользоваться резонансом эффективного поперечного сечения. Кроме того, желательно не давать электронам нагреваться от продуктов синтеза.

Для принятых выше данных D = 2,55 см. Линейные плотности электронов и ионов следующие:

Это определяет эффективную толщину Δr слоя циркулирующего тока плазмы при максимальной плотности:

и линейные плотности выражаются так:
N_e=2,31•10¹⁷/см;
N₁=1,03•10¹⁷/см;
N₂=0,257•10¹⁷/см.

Магнитное поле в области удержания можно определить, интегрируя уравнение (7):

где

Чтобы определить напряженность магнитного поля B₀ в r₀, рассмотрим сохранение момента

Путем интегрирования этого уравнения от r = 0 до r = с использованием уравнения (7) B₀ определяется как

и = 39,7. Затем магнитное поле на границах r = 0 и r = задается как


Для этого равновесного состояния реактора магнитная энергия покоя составляет

Ток плазмы или ионов задается как

и дает для протонов
I₁=0,294•10⁵A/сm (22)
и для ядер бора
I₂=1,22•10⁵A/сm (23)
Из уравнения сохранения момента (16) индуктивность ионного тока составляет

Запасенная энергия ионов - это

Обращаясь теперь к фиг. 5, 6 и 7, рассчитанные выше рабочие условия в установившемся режиме дают профили плотности электронов, протонов и ионов бора как функцию радиального расстояния от оси реакционной камеры на фиг. 5, нормированную по плотности электронов; магнитное поле в килогауссах как функцию радиального расстояния от оси реакционной камеры на фиг. 6: и электростатический потенциал в килостатвольтах как функцию радиального расстояния от оси реакционной камеры на фиг. 7. Можно легко видеть, что ядерные реагенты так же, как электроны, остаются в основном хорошо удерживаемыми на выбранном радиусе их ввода.

На фиг. 8 указаны типичные орбиты частиц. Ввод ионных пучков приводит к тому, что почти все ионы топлива имеют < 0, что является диамагнитным направлением. Поэтому траектории ионов изгибаются по направлению к окружности с нулевым магнитным полем и являются орбитами бетатрона. Частицы с > 0 проявляют орбиты дрейфа, отклоняясь по кривой от окружности с нулевым магнитным полем. Магнитное поле B_z показано как профиль на нижней части фиг. 3.

Продукты синтеза - это альфа-частицы. Можно ожидать, что две из трех альфа-частиц обладают большей частью энергии. Они замедляются из-за взаимодействий с ионами топлива и электронами и потому имеют распределение, не являющееся распределением Максвелла. Разумно предположить, что средняя энергия альфа-частиц составляет (W_α) = примерно 5 МэВ. Их распределение в пространстве будет простираться за пределы ионов топлива, как указано на фиг. 9.

Если установившееся состояние можно поддерживать с равновесными параметрами, мощность синтеза будет

и мощность тормозного излучения будет

где T_e в электрон-вольтах и

Можно легко видеть, что потери на тормозное излучение малы по сравнению с энергетическим выходом реакции согласно вышеприведенным расчетам.

Система согласно данному изобретению проявляет стабильность. Ионы с большими орбитами, такие как ионы в данном изобретении, обычно усредняют флуктуации, так что перенос производится только флуктуациями длины волны, большей, чем гирорадиус (радиус вращения). Это объясняет результаты, полученные с неадиабатическими ионами в реакторах типа токамак. Для плазм данного изобретения, где, в принципе, все ионы являются неадиабатическими, микронеустойчивости не важны. Требуется длительная стабильность длины волны, но следует отметить, что отсутствуют магнитогидродинамические (МГД) неустойчивости, такие как волны Альфвена, поскольку магнитогидродинамика здесь не применима. Две нестабильности длинных длин волн признаны для конфигураций с реверсированным полем: вращательный режим с изломом (пульсацией), который был исключен квадрупольными обмотками, и режим с наклоном, который стабилизируется конечным гирорадиусом. Возможно, что оба режима можно стабилизировать энергетическими частицами. Эксперименты с вращающимися по большим орбитам вокруг оси электронами проводились с изменением поля на обратное и без такого изменения. В обоих случаях центральный проводник, создающий тороидальное магнитное поле, играл главную роль в стабилизации прецессии и режимов с изломами. Такое поле не вызывает описываемых здесь равновесий. Однако оно значительно влияет на орбиты частиц и потому на стабильность.

Способ испытания частиц для оценки замедления и диффузии основан на операторе столкновений Фоккера-Планка, когда выбирается одна частица, а остальные частицы имеют распределения Максвелла.

где m_j v_j ²= T_j, ln Λ = примерно 20, испытуемая частица обозначена i и суммирование проводится по всем видам частиц поля. Удобно отделить распределения от каждого вида частиц поля. Например, время на рассеяние по большому углу частицы i с энергией W_i электронами составляет

где

и (Δv² ┴)_ie означает член в сумме в уравнении (32) из-за электронов, и это единственный сохраненный член. Обычно удовлетворяемые неравенства это v_e > v, v_j, где v - это скорость испытательной частицы иона. Времена рассеяния следующие

Это время на установление распределения Максвелла для электронов. Оно значительно короче, чем время диффузии или время замедления. Поэтому функция распределения электронов все время должна быть близка к распределению Максвелла. Времена столкновений между ионами немного больше, т.е. на фактор примерно 70 для протонов и примерно 3,4 для Б¹¹. Однако эти времена тоже намного меньше любых других шкал времен
столкновений, так что функции распределения мало отходят от жестких роторных распределений Максвелла, принятых для равновесия.

Самые важные условия рассеяния между ионами и электронами и между разными видами ионов. Ионно-электронное рассеяние рассчитывается с приближением v₁ >> v₂, где v - это скорость ионов и mv² _e = T_e - температура электронов. Тогда

= 7,62 сек для протонов
= 2,35 сек для Б¹¹,
где W_i - это кинетическая энергия ионов. Столкновения между протонами и Б¹¹ также нужно учитывать. В этом случае подходящее приближение - это v >> v_i.

= 1,10 сек для τ₁₂
= 1,42 сек для τ₂₁
где v_rel=v₁-v₂=1,13•10⁹ см/сек.

При столкновении двух тождественных ионов не происходит диффузии, потому что центр массы не меняется. Среднее смещение центра массы для разных частиц после столкновения при рассеянии по большому углу такое:

где a₁, a₂ - это гирорадиусы. Если m₂ >> m₁, Δρ = a₂. Для a₁ = V₁/ Ω₁ = 1,47 см и a₂ = v₂/Ω₁ = 0,627 см, Δρ = 0,455 см. Расчет коэффициента диффузии по обоим видам рассеяния, например, дает

где Гирорадиусы были рассчитаны для магнитного поля в 95 кГ, что является напряженностью магнитного поля, описанного здесь на границах. Время диффузии для Б¹¹ - это

что положительно сравнимо со временем сгорания

Время замедления иона электронами задается как

где

t_1e = 0,174sec=0,492•10^-3T_e ^3/2 (45)
t_2e=0,0764sec=0,216•10^-3T_e ^3/2 (46)
где T_e выражена в кэВ.

Продукты ядерного синтеза, три альфа-частицы с объединенной энергией 10,1 МэВ, являются продуктами реакции. Альфа-частицы будут выполнять орбиты бетатрона, если они движутся в диамагнитном направлении ( < 0), или дрейфовые орбиты, если > 0, как показано на фиг. 8. В координатах центра массы реагирующих частиц топлива распределение скоростей альфа-частиц должно быть изотропным, так что почти половина альфа-частиц переносится с > 0. В конечной конфигурации магнитного поля, как показано на фиг. 4, на концах должно быть радиальное магнитное поле. Сила Лоренца F_r = - (1/c) B_r фокусируется, если < 0, и расфокусируется, если > 0. Частицы с будут быстро покидать область удержания. В дополнение, частицы с 1/2 m_α v² _z -> 0,2 МэВ не будут удерживаться, поскольку магнитное поле не достаточно большое. Приблизительно 50% альфа-частиц будут быстро улетать, а остальные будут улетать по шкале времени столкновений и тем самым будут нагревать ионы и электроны плазмы. Кроме того, поскольку угловой момент, соответствующий , быстро теряется, остающиеся альфа-частицы могут передавать момент ионам топлива и снижать уровень замедления за счет ионно-электронных столкновений.

Если установившийся режим можно поддерживать, приблизительно половина энергии синтеза будет быстро высвобождаться в виде альфа-частиц, которые имеются для прямого преобразования в полезную энергию в зоне воспроизводства и т. п. Это составит 9,7 кВт/см. Остальная часть альфа-частиц разогревает ионы топлива и электроны и затем улетает путем рассеяния, когда > 0. Для поддержания установившегося режима, очевидно, нужно будет впрыскивать топливо непрерывно. Скорость, с которой потребляются ионы топлива

После интегрирования по диску 2πrdr

Ток инжекции, требуемый для поддержания установившегося режима в реакторе, составит

Если топливо впрыскивается при расчетной энергии, мощность, потребная на создание впрыскивания, будет

Эта энергия могла быть регенерирована, но учитывая, что ускорители эффективны на 50%, R_I следует считать потерей.

Поддержание установившегося режима означает, что начальное равновесие незначительно изменяется из-за столкновений. Например, время жизни иона Б¹¹ составляет 1,42 сек. В течение этого времени должно быть мало диффузии. Время диффузии составляет 1,25 сек, что удовлетворяет это требование.

Аналогичным образом, энергии ионов топлива не должны значительно меняться из-за замедления электронами, не более чем 100 кэВ за 1,42 сек, или резонансное значение (σv)_F не будет превалировать. Классическое замедление фактически происходит слишком быстро. Однако это можно компенсировать впрыскиванием топлива импульсами короткой длительности в сравнении с 1,42 сек; например, импульсами в 1 миллисекунду и в 11,5 А/см. Когда ток затухает между импульсами, будет возникать азимутальное электрическое поле E_θ(r) = -(L/2πr₀)(dl/dt). Поскольку L = 17,3 мкГн/см, это уменьшит скорость замедления с классического значения для одной частицы, как минимум, на один порядок.

Плотность альфа-частиц, получаемых в результате реакции синтеза, определяется скоростью реакции и временем рассеяния для альфа-частиц, Когда альфа-частица рассеивается, так что > 0, она будет рассеиваться быстро. Принимается, что 1/2 альфа-частиц улетают быстро. В установившемся режиме

где τ_F = 1,42 сек и

время для рассеяния под большим углом <W_α> - это средняя энергия альфа-частицы. Частицы при рождении имеют распределение, которое удлиняется замедлением, причем <W_α> предположительно составляет 5 МэВ. Основанные на этом расчеты не очень чувствительны к этим предположениям, т.е. будет не так уж важно, разделена ли энергия поровну между тремя альфа-частицами. Количество g - это фактор коррекции, который необходим, потому что распределение альфа-частиц выходит за пределы распределения топлива, как показано на фиг. 9.

Температуры электронов и ионов определяются переносом энергии продуктов синтеза к ионам и электронам топлива. Перенос мощности от ионов к электронам составляет

где

Выражения для и т.п. приходят из уравнений (29) и (32) и только член для электрона сохраняется в суммах. Результат

где выражение для t_ie дается уравнением (44) и
t_ae=3,76•10^-3T^3/2 _eg (56)
T_e выражена в кэВ. Выражение для t_ie модифицировано фактором g, как в уравнении (46).

Температуры T₁, T₂ и T₃ определяются следующими уравнениями.

Для установившегося режима временные производные стремятся к нулю, комбинируя вышеприведенные уравнения


так что t_α1 = 0,15 g сек и t_α2 = 0,533 g сек. Члены S₁₂ и S₂₁ описывают перенос энергии между ионами топлива:

В уравнении (60) зависит от температур ионов, потому что он пропорционален D². P_в имеет аналогичную зависимость. зависит от фактора g таким же образом, как и t_α1, t_α2 и t_α3, так что он сокращается из уравнения. P_в можно выразить как 0,478 и можно решить для T_e = 49,5 кэВ.

Возвращаясь к уравнениям (57) и (58), можно рассчитать температуры ионов топлива. Они


с тем результатом, что T₁ ≈ T₂ ≈ 70 кэВ.

Эти температуры показывают устойчивость к условиям использования параметров, принятых как базис для приведенных выше расчетов. Регулировку и контроль можно достичь, изменяя смесь p и Б¹¹.

Многочисленные модификации и изменения в практике изобретения, как ожидается, могут возникнуть для специалистов после рассмотрения вышеприведенного подробного описания изобретения. Следовательно, такие модификации и изменения должны включаться в объем нижеследующей формулы изобретения.

Очевидно, многие модификации и изменения настоящего изобретения возможны в свете изложенного. Таким образом, нужно понимать, что в объеме прилагаемой формулы изобретения изобретение можно осуществить иначе, чем конкретно описано выше.

Изобретение относится к термоядерным устройствам и способам, а именно к термоядерным реакторам, в которых пучки протонов и ионизированного бора вводятся в удерживающее магнитное поле с определенными скоростями. Ионизированные бор и протоны используются в качестве ядерных реагентов в системе с конфигурацией реверсированного поля и подвергаются синтезу для получения трех альфа-частиц с кинетической энергией, преобразуемой в полезную энергию. Пучки бора и протонов вводятся из инжекторов соответственно в реакционную камеру так, чтобы иметь относительную энергию 0,65 МэВ, соответствующую резонансному максимуму в эффективном сечении реакции. Пучок бора имеет энергию 0,412 МэВ, а пучок протонов - энергию 1 МэВ. Более того, в устройстве согласно изобретению пучки стремятся циркулировать в одном и том же направлении, тем самым позволяя избегать быстрой перемены средних значений скоростей пучков из-за ионно-ионного рассеяния. Ионы остаются удерживаемыми в течение относительно длительных периодов времени, что повышает столкновения при ядерном синтезе. Оба ионных пучка не должны иметь температур выше 100 кэВ, потому что это ухудшит резонанс в эффективном сечении. Технический результат - ионы приводятся к соответствующему уровню энергии и плотности вне устройства магнитного удержания системой ввода. 2 с. и 29 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком и с конфигурацией реверсированных магнитных полей, в котором ядра разных элементов синтезируются для получения продуктов реакции с кинетическими энергиями, преобразуемыми в полезную энергию, содержащий реакционную камеру, расположенную вдоль главной оси, и в принципе, постоянное однонаправленное магнитное поле заранее определенной напряженности внутри как минимум части этой камеры и нейтрализованные ионы, вводимые в него, а также включающий в себя первый инжектор, инжектирующий первые ионы высокой плотности первого элемента, нейтрализованные электронами и движущиеся с первой скоростью под первым заранее определенным углом по отношению к главной оси, и второй инжектор, инжектирующий вторые ионы высокой плотности второго элемента, отличного от первого элемента, причем вторые ионы высокой плотности нейтрализованы электронами и движутся с второй скоростью под вторым заранее определенным углом по отношению к главной оси, причем первая и вторая скорости выбраны такими, что относительная скорость первых и вторых ионов высокой плотности соответствует энергии реакции и, в принципе, равна энергии для резонанса эффективного поперечного сечения термоядерной реакции первых и вторых ионов высокой плотности и первые и вторые ионы высокой плотности
реагируют в термоядерном реакторе со сталкивающимся пучком, имеющим конфигурацию реверсированных магнитных полей. 2. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.1, отличающийся тем, что первые ионы высокой плотности представляют собой бор. 3. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.1, отличающийся тем, что вторые ионы высокой плотности представляют собой протоны. 4. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.1, отличающийся тем, что первый заранее определенный угол, в принципе, ортогонален главной оси. 5. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.1, отличающийся тем, что второй заранее определенный угол, в принципе, ортогонален главной оси. 6. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.2, отличающийся тем, что первая скорость соответствует кинетической энергии первых ионов высокой плотности и составляет примерно 0,4 МэВ. 7. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.6, отличающийся тем, что вторые ионы высокой плотности представляют собой протоны и вторая скорость соответствует кинетической энергии вторых ионов высокой плотности и составляет примерно 1 МэВ. 8. Термоядерный реактор со сталкивающимся пучком по п.1, отличающийся тем, что указанное магнитное поле, в принципе, параллельно главной оси. 9. Способ, побуждающий атомные ядра в реакторе, имеющем конфигурацию реверсированных магнитных полей, реагировать для получения продуктов реакции с кинетическими энергиями, преобразуемыми в полезную энергию, отличающийся тем, что обеспечивают первый источник ионов с первой высокой плотностью и первой заранее определенной скоростью, обеспечивают второй источник ионов с второй высокой плотностью и второй заранее определенной скоростью и проводят реакцию между ионами первой и второй высоких плотностей в указанном реакторе, имеющем конфигурацию реверсированных магнитных полей, причем первую и вторую установленные скорости выбирают из условия, при котором относительная скорость ионов первой и второй высоких плотностей соответствует энергии реакции, приблизительно равной резонансной энергии эффективного сечения реакции. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что ионы первой высокой плотности включают ионы бора. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что ионы второй высокой плотности включают протоны. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что первую заранее определенную скорость выбирают для ее соответствия энергии ионов первой высокой плотности примерно 0,4 МэВ. 13. Способ по п.11, отличающийся тем, что вторую заранее определенную скорость выбирают соответствующей энергии ионов второй высокой плотности примерно 1,0 МэВ. 14. Способ по п.9, отличающийся тем, что обеспечивают побуждение протонов и бора реагировать для получения продуктов реакции с кинетическими энергиями, преобразуемыми в полезную энергию в указанном реакторе, направляют первый пучок бора высокой плотности, имеющий первую среднюю скорость, в указанный реактор, имеющий конфигурацию реверсированных магнитных полей, и направляют второй пучок протонов высокой плотности и высокой энергии, имеющий вторую среднюю скорость, в указанный реактор, причем вторая средняя скорость выше первой средней скорости, и первую и вторую средние скорости выбирают так, чтобы в покоящейся системе отсчета бора высокой плотности протоны высокой плотности и высокой энергии имели оптимальную резонансную энергию примерно 0,65 МэВ для максимального эффективного сечения реакции в указанном реакторе, имеющем конфигурацию реверсированных магнитных полей. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что первую среднюю скорость выбирают соответствующей энергии бора примерно 0,4 МэВ. 16. Способ по п.14, отличающийся тем, что вторую среднюю скорость выбирают соответствующей энергии протонов высокой энергии примерно 1,0 МэВ. 17. Способ по п.14, отличающийся тем, что температура первого пучка составляет менее примерно 100 кэВ. 18. Способ по п.14, отличающийся тем, что температура первого пучка составляет менее примерно 70 кэВ. 19. Способ по п.14, отличающийся тем, что температура второго пучка составляет менее примерно 100 кэВ. 20. Способ по п.14, отличающийся тем, что температура второго пучка составляет менее примерно 70 кэВ. 21. Способ по п.15, отличающийся тем, что вторую среднюю скорость выбирают соответствующей энергии протонов высокой энергии примерно 1 МэВ, а температура первого и второго пучков составляет менее примерно 100 кэВ. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что первый и второй пучки вводят в реактор, имеющий конфигурацию реверсированных магнитных полей, короткими импульсами. 23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что короткие импульсы отделяют друг от друга на примерно 1 мс. 24. Способ по п.15, отличающийся тем, что вторую указанную скорость выбирают соответствующей энергии протонов высокой энергии примерно 1 МэВ, а температура первого и второго пучков составляет примерно менее 70 кэВ. 25. Способ по п.24, отличающийся тем, что первый и второй пучки вводят в реактор, имеющий конфигурацию реверсированных магнитных полей, короткими импульсами. 26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что короткие импульсы отделяют друг от друга на примерно 1 мс. 27. Способ по п.9, отличающийся тем, что он включает в себя создание реакции ионов бора с протонами с обеспечением камеры, имеющей магнитное поле, силовые линии которого проходят в основном параллельно, но магнитно реверсированы внутри камеры с образованием ловушки, при этом генерируют первый пучок бора высокой плотности повторяющимися импульсами, направляют нейтрализованный импульсный пучок протонов высокой плотности и пучок бора высокой плотности, в принципе, перпендикулярно линиям магнитного поля и в ловушку, чтобы ионы бора и протоны циркулировали и реагировали внутри камеры, причем два пучка вводят в ионную ловушку при относительной скорости, в принципе, соответствующей резонансу реакции протонов с ионами бора. 28. Способ по п.27, отличающийся тем, что два пучка поддерживают в ионной ловушке, в принципе, при относительной скорости, в принципе, соответствующей резонансу реакции протонов с ионами бора. 29. Способ по п.9, отличающийся тем, что он включает в себя создание реакции ионов бора с протонами в реакционной камере, при котором образуют, в принципе, однонаправленное магнитное поле внутри камеры, при этом направляют первый пучок водорода высокой плотности повторяющимися импульсами и второй пучок бора высокой плотности повторяющимися импульсами в камеру, в принципе, перпендикулярно направлению, в принципе, однонаправленного магнитного поля, улавливают пучки высокой плотности для их движения по орбитам бетатрона внутри камеры для генерирования полоидального магнитного поля с реверсированием поля, контролируют скорости водорода высокой плотности и бора высокой плотности для обеспечения их принудительного вращения по орбитам внутри камеры на относительной скорости, достаточной для их реагирования друг с другом. 30. Способ по п.9, отличающийся тем, что он включает в себя создание реакции ионов бора с протонами с обеспечением камеры и, в принципе, однонаправленного магнитного поля внутри камеры, при этом генерируют первый пучок бора высокой плотности повторяющимися импульсами и второй пучок протонов высокой энергии и высокой плотности, нейтрализованных электронами, повторяющимися импульсами, направляют пучки высокой плотности в камеру, в принципе, перпендикулярно направлению, в принципе, однонаправленного магнитного поля для улавливания пучков высокой плотности внутри камеры, их перемещения по орбитам бетатрона и образования полиодального магнитного поля с реверсированием поля и контролируют скорости пучков высокой плотности и напряженности, в принципе, однонаправленного магнитного поля, чтобы помочь удержать и заставить реагировать ионы бора высокой плотности с протонами высокой плотности, циркулирующими внутри камеры. 31. Способ по п. 9, отличающийся тем, что он включает в себя создание реакции ионов бора-11 в реакторе с реверсированной конфигурацией поля со сталкивающимися пучками, причем реакция имеет эффективное сечение синтеза, при этом генерируют импульсный пучок бора-11 высокой плотности и импульсный пучок водорода высокой плотности при скоростях и температурах пучков, оптимизирующих реакционную способность реакции, причем скорости пучков выбирают так, чтобы относительная скорость пучка бора-11 высокой плотности и пучка водорода высокой плотности соответствовала энергии столкновения, в принципе, совпадающей с самым большим резонансом в эффективном сечении для реакции, вводят импульсный пучок бора-11 высокой плотности и импульсный пучок водорода высокой плотности в указанный реактор, в принципе, в том же самом направлении, в принципе, перпендикулярном осевому направлению магнитных полей указанного реактора, и магнитно удерживают пучок бора-11 высокой плотности и пучок водорода высокой плотности внутри реактора с конфигурацией реверсированного поля со сталкивающимися пучками так, чтобы указанные пучки сталкивались и реагировали.