ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2014 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается получения энергии за счет управляемой реакции синтеза легких ядер в высокотемпературной плазме с помощью установок с тороидальными камерами.

По замыслу термоядерный реактор токамак должен представлять собой тороидальную камеру, заполненную ядерным топливом - смесью изотопов водорода - дейтерия (D) и трития (Т). Тороид надет на ярмо трансформатора, создающего в нем магнитное поле. При изменении этого поля индуцируется электрическое поле, направленное вдоль тороида, которое вызывает пробой газа и нагрев образующейся при этом плазмы. На корпус камеры намотаны дополнительные катушки, по которой пропускается ток, создающий внутри тороида осевое магнитное поле, которое сжимает плазму к центру тороида. Когда температура плазмы превысит 100 миллионов Кельвин, а плотность станет выше критической, начинает идти ядерная реакция синтеза: D+Т=4Не+n+17,6 МэВ. Выделяющаяся при этом энергия отводится с помощью окружающего камеру бланкета (⁶Li или вода). Бланкет одновременно служит для производства необходимого для реакции, но не существующего в природе трития.

Причина неудач токамаков кроется в нестабильности плазмы и невозможности ее удержания в течение достаточно длительного времени (более 0,1 с).

В первых установках типа токамак для нагрева плазмы использовался нарастающий во времени электрический ток магнита, который создавал в камере магнитное поле и эдс индукции. Так как скорость нарастания должна быть большой, то по своей сути нагрев мог быть только кратковременным и должен прекращаться в момент достижения в обмотке магнита максимального тока. В 1964 году нами было предложено нагрев и сжатие плазмы осуществлять сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным полем [1]. При этом отпала необходимость в магните, повысилась напряженность сжимающего магнитного поля, которая пропорциональна частоте, и появилась возможность работы реактора в непрерывном режиме. В выдаче авторского свидетельства было отказано, так как считалось, что СВЧ-плазма не может быть горячей (с температурой выше 1000 К) [2]. Однако академик П.Л.Капица экспериментально показал ошибочность существовавшей теории. В 1973 году им были получены авторские свидетельства на способ [3] и устройство [4] получения высокотемпературной плазмы с помощью СВЧ-поля. В настоящее время СВЧ-нагрев стал общепринятым и, по словам академика Е.П.Велихова, «наиболее перспективным для использования в будущих реакторах «Токамаках» [5] (см. напр. [6]). Поэтому ограничения времени удержания плазмы нарастающим током оказались снятыми.

Причина нестабильности плазменного шнура при СВЧ-нагреве, по нашему мнению, кроется в ошибочном подходе к проектированию тороидальной камеры. Тороид служит для СВЧ-поля резонатором, который проектируется и настраивается на резонансную частоту питающего СВЧ-генератора. При проектировании и испытаниях полагается, что резонатор образован отрезком круглого волновода с замкнутыми друг на друга концами. Однако такое исходное положение ошибочно: как только происходит пробой газа, по оси тороида возникает плазменный шнур, являющийся проводником электрического тока. В результате тороидальный резонатор превращается в замкнутый отрезок не полой круглой, а коаксиальной линии, имеющей проводник вдоль оси. Тип колебаний, распределение электрического и магнитного поля, согласование с генератором, а также резонансная частота коаксиального резонатора резко отличаются от круглого резонатора. Поэтому сразу же после возникновения плазменного шнура питающее СВЧ-поле становится не резонансным и не согласованным с нагрузкой, в результате чего плазма гаснет.

Целью изобретения является повышение стабильности плазменного шнура и времени его удержания.

Для решения поставленной задачи по центру сечения тороидальной камеры в намечаемом месте нахождения плазменного шнура изначально устанавливается замкнутый проводник. Благодаря этому резонатор проектируется и настраивается изначально, в холодном состоянии как коаксиальный, каким он и является в рабочих условиях, после загорания плазмы. Так устраняется указанная причина расстройки СВЧ-генератора и неустойчивости плазмы.

Схема тороидальной камеры реактора поясняется чертежом.

Предлагаемый термоядерный реактор содержит заполненный ядерным топливом (например, смесью дейтерия и трития) металлический тороид 1. По центру сечения тороида в холодном состоянии установлен проводник 2, закрепленный на нитях или жестких опорах, не показанных на чертеже. Предпочтительно выполнение проводника 2 из ⁶Li, являющегося одновременно и ядерным топливом. Для нагрева ядерного топлива используется СВЧ-генератор 3, настроенный на резонансную частоту коаксиального тороидального резонатора, образованного стенками тороида 1 и проводником 2. Проводник 2 превращается в плазменный шнур в горячем состоянии реактора, после включения СВЧ-генератора 3.

Реактор содержит также не показанные на чертеже магнитные катушки, систему подачи ядерного топлива и откачки отходов, бланкет, защиту и другие детали, аналогичные имеющимся в известных токамаках.

Реактор работает следующим образом. Согласование и резонансная настройка камеры с СВЧ-генератором 3 производится в холодном состоянии. Так как средняя длина окружности тороида 1 берется равной целому числу n длин волн СВЧ-генератора 3, то при включении последнего внутри камеры возникают резонансные колебания электромагнитного поля типа ТЕМ_00n, где n=1, 2, 3, … - целое число. Такой тип колебаний коаксиального резонатора содержит круговое магнитное поле Н и электрическое поле, возбуждающее электрический ток i, направленный вдоль проводника 2. СВЧ-ток i нагревает проводник, расплавляет и испаряет его, превращая в плазму, а магнитное поле Н вместе с полем внешних катушек сжимает образующийся плазменный шнур. В плазму вовлекаются частицы ядерного топлива, заполняющего камеру. Температура и плотность сжимаемой плазмы растут, достигая значений, необходимых для начала термоядерной реакции синтеза. Выделяемый ⁴Не откачивается насосами, а нейтроны поглощаются бланкетом и защитой. Выделяемая тепловая энергия преобразуется в электрическую и подается потребителю. Часть этой энергии идет на питание СВЧ-генератора 3.

Если в качестве проводникового материала 2 используется литий-6, то это способствует ускорению начала термоядерной реакции за счет дополнительной реакции ⁶Li+D=2⁴Не+22,4 МэВ.

Управление реакцией осуществляется регулированием мощности СВЧ, а также количества подаваемого ядерного топлива.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДОКУМЕНТЫ

1. В.М.Петров. Установка для создания управляемой термоядерной реакции. Заявка на изобретение №893912 от 13.04.1964, кл. H05h 1/18.

2. Л.А.Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. М., 1963, с.425.

3. П.Л.Капица. Способ получения высокотемпературной плазмы. А. с.СССР №333889 от 22.08.1969, кл. H05h 1/18.

4. П.Л.Капица. Устройство для получения высокотемпературной плазмы. А. с.СССР №333890 от 22.08. 1969, кл. H05h 1/18.

5. Е.Велихов. Теория и ее приложения. На соискание государственной премии СССР. Газета «Правда», 16.09.1986, с.2.

6. Г.И.Мишин и др. Термоядерный реактор. Пат. РФ №2076358. Кл. G21B 1/00. Заявл. 10.06.1994, опубл. 27.03.1997.

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается получения энергии за счет управляемой реакции синтеза легких ядер в высокотемпературной плазме с помощью установки типа «токамак». Реактор содержит тороидальную камеру с ядерным топливом, питающий генератор СВЧ, магнитные катушки, бланкет, защиту, систему подачи топлива и другие элементы. Для повышения стабильности плазменного шнура и времени его удержания при холодной настройке вдоль оси тороида устанавливают замкнутый проводник, который может быть выполненным из лития-6. Благодаря проводнику тороидальная камера для поля СВЧ становится коаксиальным резонатором с ТЕМ_00n-типом колебаний. При повышении мощности СВЧ-генератора проводник испаряется, на его месте образуется плазменный шнур, не меняющий типа колебаний. Техническим результатом является возможность избежать срыва начавшейся термоядерной реакции. 1 ил.

Термоядерный реактор, содержащий тороидальную камеру, заполненную ядерным топливом, питающий генератор сверхвысокой частоты, магнитные катушки, бланкет, защиту, системы подачи топлива и откачки, отличающийся тем, что внутри камеры в намечаемом месте нахождения плазменного шнура в холодном состоянии установлен замкнутый проводник, образующий со стенками камеры коаксиальный резонатор на частоту генератора.