МУЛЬТИПОЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ЛОВУШКА ДЛЯ ПЛАЗМЫ Российский патент 2011 года по МПК H05H1/24 G21B1/00 

Изобретение относится к области физики плазмы, в частности, касается конструкции магнитной ловушки-галатеи типа тримикс, предназначенной для удержания замкнутого в тор плазменного объема магнитным полем вокруг трех катушек.

Хорошо известны и используются в экспериментах способы квазистационарного магнитного удержания высокотемпературной термоядерной плазмы в замкнутых ловушках типа токамак и стелларатор (Арцимович Л.А. «Управляемые термоядерные реакции», М., «Наука», 1963). В настоящее время на токамаках JET и JT-60U получена мощность термоядерной реакции, сравнимая с мощностью создания плазмы. Таким образом, возможность создания управляемого термоядерного реактора на основе удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке практически доказана.

Важной характеристикой, определяющей параметры термоядерного реактора с магнитным удержанием, является параметр β, определяемый как отношение давления плазмы (произведение плотности и температуры плазмы) к давлению удерживающего магнитного поля (квадрат модуля магнитного поля). Поскольку мощность термоядерной реакции напрямую определяется только давлением плазмы, то, естественно, надо стремиться к значениям параметра β, близким к единице, когда полностью используется удерживающая способность созданного магнитного поля. К сожалению, системы токамак и стелларатор, имеющие практически однородное вдоль магнитной оси магнитное поле, устойчиво работают только при малых значениях параметра β~0,05. Такие малые значения параметра β находятся в хорошем соответствии с предсказаниями современной теории магнитного удержания.

Существенным продвижением в развитии этой темы явился способ удержания термоядерной плазмы в замкнутой ловушке, описанный в SU №1062795 (опубл. 23.12.83). В этом способе участки однородного аксиально-симметричного магнитного поля с цилиндрическими магнитными поверхностями соединялись замыкающими криволинейными участками с круглыми сечениями магнитных поверхностей, конфигурация которых подбиралась так, чтобы в пределах каждого криволинейного участка выполнялось условие

где s - длина дуги магнитной оси замыкающего участка, отсчитываемая от его середины;

L - длина этого участка;

k(s) - кривизна оси;

B(s) - напряженность магнитного поля на оси;

C(s) - текущий угол вращательного преобразования магнитных силовых линий.

Условие (1) обеспечивало внутреннее замыкание вторичных плазменных токов и невыход их в однородные аксиально-симметричные участки, что позволяло делать однородные участки достаточно длинными и получать на них плазму с высоким значением параметра β.

В описании известного способа удержания плазмы в замкнутой ловушке приведен вариант замыкающего магнитного элемента в форме трех участков тороидального однородного поля, повернутых на 120°. Незначительные технологические изменения, внесенные в эту систему, описаны в SU №1508288 (опубл. 15.05.89).

Теоретические исследования показывают, что в известном способе можно использовать также прямолинейные аксиально-симметричные участки с неоднородным магнитным полем и криволинейные замыкающие элементы с эллиптическим сечением. При этом условие (1) обобщается и принимает достаточно сложный вид (V.M.Glagolev, B.B.Kadomtsev et al. in Proceedings of 10-th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Moscow, 1981, v.1, E-8)

где exp(η) - отношение осей эллиптической магнитной поверхности;

δ(s) - угол главной нормали к оси и малой оси эллипса;

- кручение оси.

Однако известный способ, как предсказывали некоторые теоретические расчеты, позволяет создать ловушку с удерживающими свойствами хуже, чем в стеллараторах и токамаках. Это явилось, по-видимому, одной из основных причин, по которым до сих пор не было проведено ни одного большого эксперимента с такой ловушкой. Причина плохого удержания в такой системе связана с наличием так называемых "супербанановых" дрейфовых траекторий горячих заряженных частиц плазмы. Эти траектории характеризуются очень большими радиальными отклонениями заряженных частиц плазмы от магнитных поверхностей, что должно вызывать быструю потерю плазмы на стенке ловушки. Появление "супербанановых" траекторий является следствием трехмерности магнитной конфигурации ловушки и нарушения топографии линий уровня модуля магнитного поля на магнитных поверхностях ловушки.

Более усовершенствованной ловушкой, принятой в качестве прототипа, принимается известная магнитная ловушка-галатея «Тримикс» с тремя миксинами, описанная в ж. «Физика плазмы», 2006, том 32, №3, стр.195-206, статья «Инжекция плазмы в Галатею «Тримикс», авторы А.И.Морозов, А.И.Бугрова, А.М.Бишаев, М.В.Козинцева, А.С.Липатов, В.И.Васильев и В.М.Струнников.

Концепция магнитных ловушек-галатей как кандидатов на роль системы удержания плазмы в термоядерном реакторе предполагает, что в этих ловушках с токонесущими проводниками, омываемыми плазмой ("миксинами") (Брагинский С.И., Кадомцев Б.Б. Сборник «Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций», под ред. М.А.Леонтовича, т.3. М., изд-во АН СССР, 1958, стр.300; Kerst D.W., Ohkawa T. «Nuovo Cimento», 1961. V.22, p.784; Peregood B.P., Lehnert В. «Nucl. Instrum. Methods», 1981, v.180, p.357; Yoshikawa S. «Nucl. Fusion», 1973, v.13, p.433; Prager S.K. «Nucl. Instrum. Methods», 1983, v.207, p.187; Жуков В.В., Морозов А.И., Щепкин Г.Я. «Письма в ЖЭТФ», 1969, т.9, стр.24), величина β₀ (β₀=2µ_oPmax/B²max, где Pmax и Bmax - максимальное давление плазмы и максимальное поле в реакторе) может достигать значений порядка единицы, а переносы быть классическими. Сегодняшние токамаки и стеллаторы не удовлетворяют указанным требованиям.

Исследование тороидальных мультипольных галатей (квадрупольных и октупольных) подтверждает реализуемость этих качеств, в том числе классический характер переносов. Однако изучавшиеся типы ловушек (равновесие в них рассчитывалось на основе уравнения Грэда-Шафанова) (Морозов А.И., Савельев В.В. «Успехи физических наук», 1998, т.168, №11, стр.1153) обладают существенным недостатком: расстояние между сепаратрисой и поверхностью миксины δ_s-m мало, что, естественно, ограничивает время удержания плазмы. Конечно, этот недостаток непринципиален и может быть просто преодолен пропорциональным увеличением всех размеров ловушки. Но на начальном этапе исследований, при ограниченных размерах имеющихся вакуумных камер, этот недостаток заставляет искать новые варианты мультипольных галатей, где при обычных размерах ловушки величина δ_s-m была бы значительной. Поиск привел к конфигурации "Тримикс", предложенной А.И.Морозовым (Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев A.M. «XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС», 24-28 февр. 2003, тез. докл., стр.70), которая представлена на фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображена магнитная конфигурация галатей "Тримикс" в отсутствие плазмы. Эта конфигурация формируется пятью соосными катушками 1-5. Ближе всего к оси находятся витки соленоида 5. Далее по радиусу располагаются обмотки трех миксин 1, 2 и 4, одна из которых 1 - «внутренняя», а две другие 2 и 4 - «внешние». Между "внешними" миксинами помещен «расталкиватель» 3, который ослабляет электродинамическое взаимодействие миксин. Катушки прикреплялись державками к опорной станине. Державки были изготовлены из нержавеющей трубки диаметром 10 мм, на которую были надеты трубки из кварца диаметром 15 мм.

На фиг.1 изображена линия ВО, вдоль которой (по направлению к миксине 2) проводилась инжекция плазменных сгустков. Там же показаны положения зондов (точки С и Д вдоль линии ВО), с помощью которых измерялась направленная скорость сгустка в ловушке. Пунктирной линией выделена сепаратриса. Распределение нормальной составляющей индукции магнитного поля вдоль линии ОВ показано на фиг.2.

Анализ результатов исследования плазменного объема в такой ловушке показал следующее. При наполнении ловушки плазмой с помощью плазменных сгустков в объеме ловушки формируется тороидальный плазменный объем. Линия ВО - наиболее оптимальное направление инжекции, так как сгусток при подходе к ловушке преодолевает передний магнитный барьер, проникает в область нулевого магнитного поля и полностью тормозится и термализуется на заднем магнитном барьере, в котором величина магнитного поля в 3-4 раза выше, чем в переднем.

Динамическое давление сгустка перед передним магнитным барьером:

ρV²=n·m_p·V²≈8,3·10² Па,

где m_p - масса протона, в то время как магнитное давление, рассчитанное по максимальной величине магнитного поля в переднем барьере B=B_max=2,2·10² Тл,

B²/(2µ₀)=1,9·10² Па.

Таким образом, динамическое давление сгустка заметно выше магнитного давления, и плазма должна легко входить в ловушку. Однако при прохождении плазменного сгустка в ловушку он вытесняет магнитное поле ловушки из своего объема. Поэтому энергия сгустка уменьшается на величину, пропорциональную объему вытесненного магнитного поля. Так как в ловушке «Тримикс» магнитное поле слабо спадает за пределами ловушки (поле имеет заметную величину на расстоянии 70 см от ловушки (см. фиг.2)), то энергия, которую сгусток тратит на вытеснение этого поля, может составлять значительную величину от начальной энергии сгустка.

Поэтому получение внутри ловушки плазмы с высокой плотностью и неразмытыми границами требует применения плазменной пушки для инжекции плазменных сгустков по линии ВО с достаточно высокими энергетическими показателями (энергия инжектируемого сгустка должна быть выше энергии магнитного барьера на самом слабом участке магнитного барьера).

Таким образом, захват плазмы оказывается эффективным, но при этом следует учесть, что часть энергии плазменного сгустка теряется при прохождении переднего магнитного барьера.

Вошедшая в ловушку плазма (области входа приписан азимут Θ=0°) растекается по азимуту симметрично в двух направлениях: по часовой стрелке (Θ<0) и против, до полного слияния противонаправленных потоков плазмы в тор.

Таким образом, в конструкции ловушки «Тримикс» получено, что граница плазмы совпадает с магнитной поверхностью, лежащей вблизи поверхности Окавы; плазма занимает объем порядка 100 л. Концентрация плазмы имеет максимум не в нуле магнитного поля, а на магнитной поверхности, лежащей ближе к центру ловушки, чем поверхность Окавы (фиг.3, где 1 - Окава А, γ - линия, ограничивающая плазму). Все это согласуется с классическими представлениями о процессах переноса в ловушке. Были также проведены исследования времени удержания плазмы в ловушке при различных режимах ее наполнения. Время удержания плазмы в ловушке уменьшается с увеличением плотности плазмы и увеличивается с увеличением магнитного поля быстрее, чем по линейному закону. Время удержания может достигать 1 мс.

Однако вопрос экономичности установки в части создания как плазменных сгустков, так и удерживающего магнитного поля остается серьезным препятствием для получения хорошо удерживаемого плазменного объема высокой плотности.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата по оптимизации формы плазменного объема и ее плотности в зоне действия максимальных по величине магнитных полей вокруг миксин и обеспечении возможности формирования в магнитной оболочке миксин участка уменьшенного магнитного поля для ввода плазменного сгустка в ловушку. Достигаемый результат направлен на получение следующих преимуществ:

- обеспечение инжекции плазменных сгустков по наиболее удобным и выгодным направлениям (с точки зрения преодоления плазмой магнитного барьера на входе и последующего удержания внутри ловушки);

- обеспечение возможности ввода СВЧ-мощности в плазменный объем;

- облегчение проведения оптических измерений и визуальных наблюдений.

Указанный технический результат достигается тем, что в мультипольной магнитной ловушке для плазмы, содержащей три миксины, каждая из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку, выполненную в виде замкнутого кольца, и которые расположены в параллельных плоскостях на расстоянии друга от друга с образованием в сечении треугольника, каждая вершина которого является центром сечения соответствующей миксины, при этом одна из миксин расположена между другими миксинами, а также расталкиватели, каждый из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку, выполненную в виде замкнутого кольца, причем миксины и расталкиватели дистанционно расположены относительно друг друга, а геометрические центры замкнутых колец размещены на общей оси, первые два расталкивателя одинакового диаметра размещены со стороны миксины меньшего диаметра и между этой миксиной и другими миксинами и выполнены диаметром, меньшим диаметра других миксин, а другие два расталкивателя одинакового диаметра размещены с внешней стороны миксин большего диаметра и между ними.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 изображена магнитная конфигурация ловушки-галатеи «Тримикс», прототип;

фиг.2 - распределение нормальной составляющей индукции магнитного поля вдоль линии инжекции ВО, начало координат соответствует центру миксины 2. А, В и γ - точки пересечения линии инжекции с границей Окавы А, границей Окавы В и границей γ плазмы соответственно, прототип;

фиг.3 - граница γ распределения плазмы в ловушке по прототипу;

фиг.4 - конструкция плазменной ловушки согласно изобретению;

фиг.5 - расположение катушек и конфигурация магнитного поля в ловушке согласно изобретению;

фиг.6 - распределение магнитного поля в ловушке по фиг.4;

фиг.7 - распределение нормальной компоненты Bn магнитного поля ловушки вдоль линии инжекции.

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция магнитной ловушки-галатеи типа тримикс, предназначенной для удержания замкнутого в тор плазменного объема магнитным полем вокруг трех катушек.

Новая конструкция магнитной ловушки для плазмы согласно изобретению преследует следующие цели:

- обеспечение инжекции плазменных сгустков по наиболее удобным и выгодным направлениям (с точки зрения преодоления плазмой магнитного барьера на входе и последующего удержания внутри ловушки);

- обеспечение возможности ввода СВЧ-мощности в плазменный объем;

- облегчение проведения оптических измерений и визуальных наблюдений.

Расчеты конфигурации магнитного поля ловушки для различных вариантов взаимного расположения катушек производились с помощью программы "FEMME".

Критерии выбора нужной конфигурации были следующие:

- плотность тока в катушках не должна превосходить плотность тока в катушках прототипа (130 МА/м²);

- осевые силы между миксинами должны быть равны нулю (это требование обусловлено тем, что миксины располагаются внутри плазменного объема, и державки этих катушек должны быть тонкими);

- магнитное поле по линии инжекции должно за пределами катушек ловушки резко спадать до нуля (другими словами, поле должно быть сосредоточено в объеме, занимаемом катушками ловушки);

- расположение магнитных катушек ловушки должно быть удобным для ввода в ловушку плазменных сгустков и СВЧ-мощности и таким, чтобы позволять исследовать параметры плазмы в ловушке с помощью оптических методов.

На фиг.4 представлена конструкция плазменной ловушки согласно изобретению.

Мультипольная магнитная ловушка для плазмы содержит три миксины 1, 2 и 4, которые расположены в параллельных плоскостях А, В и С на расстоянии друга от друга с образованием в сечении треугольника, каждая вершина которого является центром сечения соответствующей миксины, при этом одна из миксин 1 расположена между другими миксинами 2 и 4. Для ослабления электродинамического взаимодействия смежно расположенных миксин используются расталкиватели 3, 6, 7 и 8. Каждая миксина и каждый расталкиватель представляют собой токонесушую витковую обмотку, выполненную в виде замкнутого кольца. Геометрические центры замкнутых колец размещены на общей оси 9. Первые два расталкивателя 6 и 7 одинакового диаметра размещены со стороны миксины 1 меньшего диаметра и между этой миксиной 1 и другими миксинами 2 и 4, выполнены диаметром, меньшим диаметра других миксин 2 и 4, и расположены в плоскости этих других миксин. Два других расталкивателя 3 и 8 одинакового диаметра размещены с внешней стороны миксин 2 и 4 большего диаметра и между ними.

Катушки миксин и расталкивателей прикрепляются державками 10 (опоры из немагнитного материала) к опорной станине 11, которая также выполнена из немагнитного материала. Для удобства сборки ловушка выполняется из двух половин, которые в сборе удерживаются на двух частях станины, соединенных между собой стяжками 12. Державки позволяют пространственно сориентировать миксины и расталкиватели относительно друг друга, оставив саму конструкцию прозрачной для возможности применения исследовательского инструмента и выбора места ввода плазменных сгустков.

Таким образом, мультипольная магнитная ловушка для плазмы согласно настоящему изобретению состоит из 7 магнитных катушек: трех миксин (катушки под поз. 1, 2 и 4) и 4 расталкивателей (катушки под поз. 3, 6, 7 и 8). Сечение всех катушек является кругом с диаметром 2 см. Диаметры катушек (по центру сечения) были выбраны следующими: диаметр катушек-расталкивателей 6 и 7 равен 460 мм, диаметр катушки-миксины 1 - 400 мм, диаметр катушек-миксин 2 и 4 равен 700 мм, диаметр катушек-расталкивателей 3 и 8 - 900 мм. Расстояние по оси Z между катушками-расталкивателями 6 и 7 равно 220 мм, между катушками-миксинами 2 и 4 - также 220 мм, между катушками-расталкивателями 3 и 8 - 120 мм.

Номинальные параметры магнитных катушек сведены в таблицу.

№ катушки 1 2 3 4 6 7 8 Плотность тока, МА/м² 119,366 95,493 -56,25 95,493 -39,536 -39,536 -56,25                             Сила по оси Z, Н 0 0 -1,30·10³ 0 8,34·10² -8,34·10² 1,30·10³              

Знак «-» в графе «Плотность тока» указывает на то, что токи в миксинах и расталкивателях направлены в разные стороны, а в графе «Сила по оси Z» знак минус означает, что сила направлена в сторону, противоположную оси OZ. Из таблицы видно, что силы, действующие на миксины по оси Z, обращаются в ноль. В то же время силы притяжения между расталкивателями довольно значительны. Однако эти катушки находятся вне плазменного объема и указанные в таблице силы могут восприниматься (передаваться) на массивные державки расталкивателей.

Анализ исследований картины распределения магнитного поля и плазмы в ловушке при такой конструкции плазменной ловушки показал следующее.

На фиг.5 показано расположение катушек в ловушке, а также конфигурация магнитного поля в ней, найденные в результате выполненных расчетов и исследований по оптимизации магнитного поля ловушки. На этом чертеже OZ - ось магнитных катушек (то есть на чертеже представлено сечение магнитных катушек ловушки плоскостью ZOR). Тонкими линиями на этом чертеже дана конфигурация магнитных силовых линий в этом сечении.

На фиг.6 также показано распределение модуля магнитного поля в ловушке по изобретению. Из этого чертежа видно, что магнитное поле в области между катушками спадает до нуля. Эта область со всех сторон окружена магнитной коркой, причем минимальная величина магнитного поля в корке ~0,1 Тл. На этом же чертеже указана линия инжекции RO в данном сечении ловушки. Следует отметить, что при выбранной конфигурации магнитных катушек инжектировать можно по любому направлению Θ в плоскости Z=0, где Θ - азимутальная координата. В указанной плоскости можно осуществлять ввод СВЧ-мощности и оптические измерения.

На фиг.7 приведено распределение нормальной компоненты Bn магнитного поля ловушки по линии инжекции, т.е. по координате R. Расстояние по оси абсцисс на графике отсчитывается от поверхности миксины 1. Из фиг.7 видно, что при удалении от миксины 1 величина поля быстро спадает, на расстоянии ~8,5 см от нее проходит через минимум [Bn] ~0,017 Тл, а затем, не меняя знака, снова возрастает по модулю и на расстоянии 19,5 см от миксины 1 увеличивается до барьерного значения [Bn] ~0,095 Тл. Затем происходит дальнейший спад величины поля (вплоть до нулевого значения на расстоянии 26,8 см от миксины), и, после перехода через ноль, вновь достигается максимум 0,016 Тл на расстоянии 31 см от миксины. При дальнейшем увеличении расстояния происходит постепенный спад величины поля до нулевого значения. Таким образом, область с сильным магнитным полем, которую должен преодолеть сгусток перед передним магнитным барьером, имеет протяженность ~7 см. В прототипе эта область имела протяженность 30 см.

Программно была рассчитана полная энергия магнитного поля, созданного ловушкой, при номинальных параметрах, указанных в таблице (при этом ток в каждом витке провода ловушки равен 1500 А). Энергия магнитного поля оказалась равной ~2,14 кДж. Был рассчитан также и поток магнитного поля через плоскость R-O при этих параметрах. По этим данным индуктивность системы катушек ловушки, соединенных последовательно, составляет 1,9 мГн.

Таким образом, стало возможным сформировать участок магнитного поля по направлению R-O (фиг.6), в котором барьерное поле сосредоточено в узкой области ~7 см и существенно ослаблено вне ее, что позволяет пропускать плазменные сгустки из плазмовода, исключая при этом выход плазмы через эту барьерную зону.

Анализ результатов исследования плазменного объема в новой ловушке показал, что сформированный в форме тора плазменный объем внутри ловушки имеет более высокую плотность, чем плазменный объем в ловушке по прототипу. Магнитный барьер сформирован в области высоких значений индукции магнитного поля, но в зоне между расталкивателями 3 и 6 образован участок, величина магнитного поля на котором существенно ниже магнитного барьера на других участках, что позволяет применять плазменную пушку для инжекции плазменных сгустков по линии RO с высокими энергетическими показателями.

Применение четырех расталкивателей с определенной пространственной ориентацией по отношению к миксинам обеспечивает коррекцию барьера магнитного поля ловушки, формируя барьер как границу тора плазмы, что позволяет увеличить плотность плазмы в ловушке и исключить размытость границы, как это имеет место в прототипе.

Изобретение относится к области физики плазмы. Мультипольная магнитная ловушка для плазмы содержит три миксины, которые расположены в параллельных плоскостях на расстоянии друга от друга с образованием в сечении треугольника, каждая вершина которого является центром сечения соответствующей миксины, при этом одна из миксин расположена между другими миксинами, и расталкиватели. Каждая миксина и каждый расталкиватель представляют собой токонесущую витковую обмотку, выполненную в виде замкнутого кольца. Геометрические центры замкнутых колец размещены на общей оси. Первые два расталкивателя одинакового диаметра размещены со стороны миксины меньшего диаметра и между этой миксиной и другими миксинами и выполнены диаметром, меньшим диаметра других миксин, а два других расталкивателя одинакового диаметра размещены с внешней стороны миксин большего диаметра и между ними. Технический результат - оптимизация формы плазменного объема и ее плотности в зоне действия максимальных по величине магнитных полей вокруг миксин. 7 ил., 1 табл.

Мультипольная магнитная ловушка для плазмы, содержащая три миксины, каждая из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку, выполненную в виде замкнутого кольца, и которые расположены в параллельных плоскостях на расстоянии друга от друга с образованием в сечении треугольника, каждая вершина которого является центром сечения соответствующей миксины, при этом одна из миксин расположена между другими миксинами, а также расталкиватели, каждый из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку, выполненную в виде замкнутого кольца, причем миксины и расталкиватели дистанционно расположены относительно друг друга, а геометрические центры замкнутых колец размещены на общей оси, отличающаяся тем, что первые два расталкивателя одинакового диаметра размещены со стороны миксины меньшего диаметра и между этой миксиной и другими миксинами, выполнены диаметром, меньшим диаметра других миксин, и расположены в плоскости этих других миксин, а другие два расталкивателя одинакового диаметра размещены с внешней стороны миксин большего диаметра и между ними.