СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ В МАГНИТНОМ ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ Российский патент 2003 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может найти применение для извлечения энергии ядерного синтеза и создания объемных нейтронных источников для технологических целей (например, для переработки ядерных отходов).

Известен способ получения энергии термоядерной реакции на основе принципа магнитной термоизоляции плазмы ("магнитный термоядерный реактор" [1]). В этом способе теплоизоляцию и удержание плазмы производят магнитным полем, а ее нагрев предлагают осуществлять омическим и высокочастотными полями и пучками быстрых нейтральных атомов. Известно также использование мощных импульсных лазеров для нагрева плазмы, поддержания безындукционного тока и контроля плазмомагнитной конфигурации [2, 3] в установках с магнитным удержанием.

К числу основных недостатков упомянутых способов относится низкое давление плазмы, которое ограничено величиной магнитного поля, и возможность возникновения неустойчивости срыва (в токамаках).

На основе принципа магнитного удержания в настоящее время проектируется экспериментальный магнитный термоядерный реактор-токамак ITER-FEAT [4], который планируется построить в ближайшие 10 лет и который выбран нами в качестве прототипа. Нагрев плазмы и поддержание безындукционного тока в этом реакторе предполагают производить с использованием высокочастотного нагрева и инжекторов быстрых нейтральных атомов, магнитная оптика которых уязвима для нейтронов. В этой способе осуществления термоядерных реакций плотность плазмы будет равной ~ 10¹⁴ см^-3. В силу того, что скорость протекания термоядерных реакций при упомянутой плотности будет невелика, планируемая установка должна иметь большие размеры и вытекающую отсюда высокую стоимость ее сооружения, а сама установка выглядит чрезмерно сложной. При осуществлении способа в будущем реакторе не исключается возможность опасной неустойчивости срыва плазмы и разрушения компонентов первой стенки.

Чтобы уменьшить размеры и стоимость реактора токамака, необходимо существенно увеличить давление (и плотность) плазмы. В то же время, в рамках магнитного удержания для этого потребовались бы неприемлемые с технической точки зрения магнитные поля.

Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и, в частности, устранение неустойчивости срыва разряда, увеличение скорости протекания термоядерных реакций посредством повышения плотности плазмы в реакторе, возможность расширения выбора топлива для реактора, а также снижение его стоимости.

Этот результат достигается за счет усовершенствования известного способа осуществления термоядерных реакций в магнитном термоядерном реакторе, включающего получение и удержание горячей плазмы, при котором в камеру с магнитным полем напускают рабочий газ и инжектируют топливные таблетки. Усовершенствование заключается в том, что в плазме создают высокое давление, по крайней мере не ниже атмосферного, путем облучения топливных таблеток импульсами лазера или пучками тяжелых частиц, при этом напуск рабочего газа в камеру производят таким образом, чтобы его давление снаружи плазменного витка было близким или равным давлению горячей плазмы.

На чертеже показана схема магнитного термоядерного реактора (МТР) токамачного типа, в котором реализуется предлагаемый способ осуществления термоядерных реакций.

Термоядерный реактор состоит из камеры 2, окруженной витками катушек 1. Камера 2 снабжена патрубком 3 - для инжекции топливных таблеток и патрубком 4 - для ввода излучения лазера. Патрубок 4 может быть совмещен с патрубком 3. Между границами плазменного витка 5 и стенками камеры 2 находится рабочий газ.

Термоядерные реакции осуществляют следующим способом.

Путем подачи тока в витки катушек 1 в камере 2 создают тороидальное магнитное поле. Объем камеры 2 заполняют рабочим газом высокого давления (по крайней мере не ниже атмосферного; предпочтительно давление ~10 атм). В объем камеры через патрубок 3 инжектируют топливные таблетки, которые облучают импульсами лазера или пучками тяжелых частиц. Известно, что при интенсивном облучении поверхности таблетки, вблизи нее, образуется плазменная "корона" с высокой плотностью плазмы, которая существенно (на много порядков величины) может превосходить обычную для токамаков (стеллараторов) плотность плазмы. Образующиеся при расширении плазменной короны высокоскоростные плазменные потоки с высокой энергией ионов распространяются вдоль силовых линий магнитного поля, заполняя за счет диффузионного расширения кольцевую трубку вблизи силовой линии, где была облучена топливная таблетка. При своем расширении лазерная плазма вытесняет к периферии рабочий газ (низкотемпературную плазму). При этом давление рабочего газа (низкотемпературной плазмы) в промежутке между границей плазменного витка 5 и стенкой камеры 2 будет близким или равным давлению горячей плазмы.

Возникающий в результате расширения плазмы (например, с двумя сортами ионов [5]) кольцевой ионный ток стимулирует образование бутстреп-тока, в результате создается магнитная конфигурация токамачного типа и осуществляются условия для магнитной термоизоляции плазмы. Аналогичная схема может быть реализована для стелларатора, за исключением того, что вместо создания полоидального поля производится, с помощью лазеров, компенсация паразитных бутстреп-токов на периферии плазменного витка [5]. В случае адиабатической ловушки удержание плазмы улучшается за счет создания газовой "подушки" (высокого давления рабочего газа) на границе плазмы. Выведение реактора на стационарный режим осуществляют при высоком давлении рабочего газа и инициировании термоядерного горения посредством облучения инжектируемых топливных таблеток. Принципиальным является то, что способ осуществляют в условиях, когда давление окружающего горячую плазму рабочего газа сравнимо (т.е. близко или равно) с давлением плазмы. Дополнительный нагрев можно производить высокочастотными волнами. Однако применение пучков быстрых нейтральных атомов водорода невозможно из-за их коротких пробегов в газе высокого давления.

Таким образом, в предлагаемом способе задача термоизоляции горячей плазмы решается в основном за счет создания замкнутой магнитной конфигурации (типа токамака или стелларатора), в то время как удержание плазмы осуществляется главным образом давлением газа (стеночное удержание). Тем самым используются преимущества магнитной термоизоляции и стеночного удержания, что позволит исключить опасную неустойчивость срыва разряда, а само устройство сделать компактным и более простым (например, отказавшись полностью или частично от полоидальных катушек в токамаке, от сложных и дорогостоящих систем нагрева плазмы и т.д.). Так как давление в реакторе будет поддерживаться высоким, по сравнению с традиционным магнитным удержанием, можно будет существенно увеличить скорость термоядерных реакций и, следовательно, расширить выбор топлива для реактора (например, осуществить реакцию D+He³).

Источники использованной информации
1. И.Е. Тамм, А.Д. Сахаров. Теория магнитного термоядерного реактора. Ч. 1, 2, 3. В сб. "Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций", т. 1, с. 3-41. Под ред. М.А. Леонтовича. М.: Атомиздат, 1958.

2. A. F. Nastoyashchii. Laser based plasma heating and curent drive scenarios in tokamak and stellarator. 2^nd IAEA Technical Committee Meeting on Steady State Operations of Magnetic Fusion Devices. Plasma Control and Plasma Facing Components. Proceedings Vol. III pp. 705-712 (October 25-29, 1999, Fukuoka, Japan).

3. A. F. Nastoyashchii, V.D. Pustovitov and K. Yamazaki. Lasers for the magnetic configuration control in tokamaks and stellarators. High-Power Lasers in Energy Engineering, V. 3886, p. 82-88. Ed. s: K. Mima, G.L. Kulcinski, W. Hogan. Osaka, Japan, 1999.

4. N. Fujisawa, H. Matsumoto, V. Mukhovatov and M. Shimada. Plasma design of steady state operation for RTO/RC-ITER. 2^nd IAEA TCM on SSO of Magnetic Fusion Devices. Proceedings Vol. II pp. 434-489 (October 25-29, 1999, Fukuoka, Japan).

5. A.F. Nastoyashchii, V.D. Pustovitov and K. Yamazaki. Possibilities of laser applications for the control of periphery currents. J. Plasma Fusion Res. SERIES Vol. 3 pp. 530-533 (2000).

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для извлечения энергии термоядерного синтеза и создания объемных источников нейтронов для технологических целей (например, для переработки ядерных отходов). Способ осуществляется посредством облучения лазерными импульсами излучения или пучками тяжелых частиц топливных таблеток, инжектируемых в камеру реактора, где поддерживается высокое (не ниже атмосферного) давление рабочего газа. При этом одновременно решаются задачи создания горячей плазмы, поддержания безиндукционного тока и контроля плазмомагнитной конфигурации. Конструктивная схема МТР предлагаемого типа позволяет выводить установку непосредственно на стационарный режим, минуя обычную достаточно сложную схему организаций горячей плазмы (пробой газа при низком давлении рабочего газа, предварительный разогрев плазмы омическим током и т. д. ). В реакторе предлагаемого типа можно успешно сочетать преимущества магнитной термоизоляции и стеночного удержания плазмы, которое реализуется посредством создания "газовой подушки" высокого давления на границе плазмы. Предлагаемый способ применим к установкам с конфигурацией магнитного поля типа токамака, стелларатора или адиабатической ловушки. В токамаках применение стеночного удержания позволит избежать опасной неустойчивости срыва разряда. В связи с тем, что в реакторе предлагаемого типа можно поддерживать высокое, по сравнению с традиционным магнитным удержанием, давление (и плотность) плазмы, его можно использовать для производства реакций синтеза с небольшим сечением реакций (как, например, в случае реакции слияния ядер D+He³). 1 ил.

Способ осуществления термоядерных реакций в магнитном термоядерном реакторе, включающий получение и удержание горячей плазмы, при котором в камеру с магнитным полем напускают рабочий газ и инжектируют топливные таблетки, отличающийся тем, что в плазме создают высокое давление, по крайней мере не ниже атмосферного, путем облучения топливных таблеток, введенных в рабочую камеру, импульсами лазерного излучения или пучками тяжелых частиц, при этом напуск рабочего газа в камеру производят таким образом, чтобы его давление снаружи плазменного витка было сравнимым или равным давлению горячей плазмы.