СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕАКЦИЙ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА Российский патент 2004 года по МПК G21B1/02 

Изобретение относится к области термоядерной физики, а именно к стимулированию процессов термоядерного синтеза и их управления, и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике, физике твердого тела и кристаллов, в ядерной энергетике.

Как известно, трудности управляемого ядерного синтеза связаны с преодолением кулоновского барьера, препятствующего сближению ядер настолько, чтобы ядерный синтез стал реально возможным.

Научные и технические решения проблемы развиваются по нескольким направлениям, в которых используются различные способы преодоления указанной трудности. Например, мощными тороидальными магнитами или сильными электромагнитными полями специальных конструкций удерживается перегретая и сверхплотная плазма из тяжелых изотопов водорода; повышают энергию частиц плазмы, в которой инициируется синтез и принудительное удержание частиц на малых расстояниях достаточно продолжительное время (JAERI Developed new technique for continuous operation of JT-60. Atoms Jap., 2000, V.44, p.16; Димов Г.И. "Амбиполярная ловушка: экспериментальные результаты, проблемы и перспективы". Физика плазмы, 1997. Т.23, стр.883-908). Используя способ не достигнуто эффективного управления ядерным синтезом.

К силовому методу относится и другой способ, в котором дейтерий-тритиевая смесь сдавливается мощным лазерным облучением равномерно со всех сторон (Селемир В.Д., Карелин В.И. и др. "Комплекс для исследований высокотемпературного нагрева макрообъектов лазерной плазмы". Труды ученых ядерных центров России, 1998. Т.6, стр.160-170). Используя способ не достигли эффективного управления ядерным синтезом.

Существует также способ, основанный на "стягивании" ядер легких атомов на малые расстояния отрицательно заряженной частицей большой массы. Такой частицей является мю-мезон, имеющий массу в 200 раз больше массы электрона и время жизни ~10^-6 секунды. Мюон (μ), внедренный в рабочую смесь, образует молекулярное соединение (μdt), где дейтрон (d) и тритон (t) преобразуются в гелий ⁴Не и нейтрон и выделяет энергию ~17,6 МэВ. Эффективность здесь определяется средним числом актов ядерного синтеза, инициированного мюоном за время его жизни (Гернштейн С.С., Петров Ю.В., Пономарев Л.И. "Мюонный катализ и ядерный бридинг". Успехи физических наук, 1990. Т.160, вып.8, стр.3-46). Способу характерно малое число реакций ядерного синтеза, а выделившейся при этом энергии недостаточно для покрытия энергетических затрат.

Наиболее близким способом к предлагаемому является способ получения пучка ускоренных заряженных частиц внутри кристалла, пространственно ориентированных параллельно оси кристалла и имеющих малые энергетические потери, что называют каналированием частиц в кристалле (Кумахов М.А. "Излучение каналированных частиц в кристаллах". Москва. Энергоатомиздат, 1986 г.). Способ не использовался для управления ядерным синтезом.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в расширении возможностей осуществления реакций термоядерного синтеза и получении при этом огромного энерговыделения, как из генератора нового типа, в реакциях ядерного синтеза, происходящих между частицами, каналированными в кристалл.

Указанный технический результат достигается в предлагаемом способе осуществления реакций термоядерного синтеза, включающем эффект туннелирования ядерных частиц сквозь кулоновский барьер, получение пучка заряженных частиц, налетающего на мишень, созданием встречных пучков ускоренных ядер или ионов легких атомов, например, пучков изотопов водорода, гелия или лития, осуществлением стимулирования термоядерных реакций синтеза в особых средах, имеющих упорядоченную внутреннюю структуру и фокусирующее свойство, например, кристаллах, проведением каналирования встречных пучков ускоренных ядер внутри кристалла таким образом, чтобы столкновение этих ядер происходило на траектории каналирования.

На фиг.1 приведена схема встречных пучков А и В ускоренных частиц (легких ядер), например, дейтроны и тритоны, а на фиг.2 - схема пучка частиц, каналированного вдоль плоскостей кристалла. На фиг.3 показана относительная плотность каналированных частиц ρ(х), где расстояние между узлами решетки принята за 1, плотность исходного пучка считается однородной ρ₀=1. На фиг.4 приведена схема встречных пучков частиц А и В, каналированных в кристалл.

Создание встречных пучков ускоренных частиц (легких ядер) с помощью системы, по меньшей мере, из двух ускорителей или ускорителя-тандема для производства пучков дейтронов и встречного пучка тритонов или ³Не способствует увеличению вероятности столкновения частиц. Для того, чтобы инициировать процессы термоядерного синтеза, нужно сблизить частицы на расстояния такие, на которых ядерные процессы происходят с большой вероятностью. Этого можно добиться, перенеся встречные пучки ускоренных частиц А и В, которыми могут быть, например, дейтроны и тритоны, в среду с фокусирующими свойствами для этих пучков. Тогда плотность частиц пучка увеличивается до больших значений. Указанные свойства имеют среды с упорядоченной внутренней структурой, в частности, кристаллы.

Как показано на фиг.1, вероятность столкновения частиц ничтожно мала, что обусловлено малой плотностью частиц в пучках А и В, а простое увеличение плотности ведет к эффекту расползания пучков, и что технически трудно выполнимо и не оправдано.

Иная ситуация возникает при установлении на пути пучка частиц кристаллическое твердое тело. При определенных условиях - выборе свойств кристалла, энергии и углов падения частиц на кристалл возникает эффект каналирования частиц вглубь кристалла вдоль его оси или плоскостей. Исходный пучок, как показано на фиг.2, распадается на множество мини-пучков, идущее вдоль соседних плоскостей кристалла. Плоскостное каналирование описывается как движение заряженной частицы между двумя одноименно заряженными частицами.

Существенным фактором является процесс формирования каналированного пучка, его эффективного сжатия плоскостями кристалла. Фокусировка пучка обусловливается эффективным потенциалом кристалла, отталкивающим частицы пучка от плоскостей вглубь в межплоскостное пространство, как показано на фиг.3, где расстояние между узлами решетки принято за 1, плотность исходного пучка считается однородной ρ₀=1. Быстрые частицы, движущиеся внутри кристалла между его плоскостями или вдоль его осей симметрии, в силу явления каналирования, имеют минимальные потери при движении по таким "каналам", а плоскости кристалла создают фокусирующий эффект для каналированных частиц.

При направлении пучков частиц А и В навстречу друг другу их траектории внутри кристалла могут многократно пересекаться, как показано на фиг.4, и при плотности пучка, достаточной для того, чтобы встречные частицы многократно сталкивались внутри кристалла, вероятность их ядерного синтеза становится значительной.

Кроме того, выбором энергии ускоренных частиц и углов вхождения в кристалл, синхронизацией мест встречи пучков с помощью вспомогательной микрофокусирующей системы добиваются совпадения траектории встречных пучков внутри кристалла на микроуровне, при этом увеличиваются области столкновения встречных частиц, следовательно повышается в огромной степени вероятность реакций термоядерного синтеза.

Используя предложенный способ осуществления реакций термоядерного синтеза, достигнута нелинейная генерация энергии и энергичных нуклонов в реакциях d+t→n+⁴He+17,6 МэВ и d+³He→р+⁴Не+18,3 МэВ.

Изобретение относится к области термоядерной физики, а именно к стимулированию процессов термоядерного синтеза и их управления, и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике, физике твердого тела и кристаллов, в ядерной энергетике. В способе осуществления реакций термоядерного синтеза, включающем эффект туннелирования ядерных частиц сквозь кулоновский барьер, получают встречные пучки ускоренных ядер или ионов легких атомов, налетающих на мишень, например, пучки изотопов водорода, гелия или лития. При этом проводят каналирование встречных пучков ускоренных ядер внутри этой мишени таким образом, чтобы столкновение этих ядер происходило на траектории каналирования. В качестве мишени используют особые среды, имеющие упорядоченную внутреннюю структуру и фокусирующее свойство, например, кристаллы. Технический результат – расширение возможностей осуществления реакций термоядерного синтеза и получение энергии реакций ядерного синтеза частиц, каналированных в кристалл. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ осуществления реакций термоядерного синтеза, включающий эффект туннелирования ядерных частиц сквозь кулоновский барьер, получение пучка заряженных частиц, налетающего на мишень, отличающийся тем, что создают встречные пучки ускоренных ядер или ионов легких атомов, например, пучки изотопов водорода, гелия или лития.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стимулирование термоядерных реакций синтеза осуществляют в особых средах, имеющих упорядоченную внутреннюю структуру и фокусирующее свойство, например, кристаллах.3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что проводят каналирование встречных пучков ускоренных ядер внутри кристалла таким образом, чтобы столкновение этих ядер происходило на траектории каналирования.