СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИИ УПРАВЛЯЕМОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G21B1/00 

Изобретения относятся к области ядерной физики, более конкретно - к управляемому ядерному синтезу, а именно к способу проведения реакции управляемого ядерного синтеза и устройству для его осуществления.

Как известно, решение проблемы управляемого ядерного синтеза происходит по нескольким направлениям. Эти направления различаются путями преодоления кулоновского барьера и поддержания условий, при которых становится возможным сближение ядер, в течение времени, достаточно продолжительного для осуществления взаимодействия и слияния многих пар ядер с выделением энергии, превосходящей затраченную. Наибольшее развитие получили два из них. Первое направление характеризуется тем, что магнитными полями специальной формы удерживают в зоне реакции перегретую и сверхплотную плазму из тяжелых изотопов водорода. Вторым направлением является так называемый инерционный термоядерный синтез, при котором оказывают реализуемое в виде взрыва сверхсильное давление на частицы ядерного топлива, заполненные тяжелыми изотопами водорода, с помощью системы инициирования - мощного лазера, источника рентгеновского излучения, мощного импульсного электрического разряда или пучков тяжелых ионов (Е.П. Велихов, С.В. Путвинский. Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе. Доклад, сделанный 22.10.1999 в Energy Center of the World Federation of Scientists [1], http://thermonuclear.narod.ru/rev.htm#vp).

Установки, предназначенные для осуществления термоядерного синтеза в рамках первого направления, в частности типа "токамак", чрезвычайно сложны, в том числе вследствие наличия ряда факторов, порождающих неустойчивость плазмы, и необходимости борьбы с ними (см.: М. Хеглер, М. Кристиансен. Введение в управляемый термоядерный синтез. Москва, изд. "МИР", 1980, 232 с. [2]).

Не менее сложна реализация ядерного синтеза и по второму направлению (см.: Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. Под ред. Б.Ю. Шаркова. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2005, 264 с. [3]). Основная физическая задача в этом направлении управляемого термоядерного синтеза заключается в снижении полной энергии упомянутого взрыва до уровня, который позволит сделать практический термоядерный реактор.

Ни одно из этих направлений не привело пока к созданию практически эксплуатируемых систем. Как указано в [1], работы в обоих направлениях подошли лишь к созданию экспериментальных машин с положительным выходом энергии, в которых будут проверены основные элементы будущих термоядерных реакторов.

Авторами работы [2] (с.16) отмечается существование еще одного направления. Таким направлением является термоядерный синтез в сталкивающихся пучках частиц (ионов).

Известны технические решения в данном направлении. Так, в патенте Российской Федерации на изобретение №2237297 [4], опубл. 28.08.2002, предлагается осуществлять реакцию синтеза во встречных пучках, вводимых в межплоскостные промежутки кристалла, используя явление каналирования частиц в кристалле (М.А. Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. Москва. Энергоатомиздат, 1986, 161 с. [5]). В патенте Российской Федерации на полезную модель №46211 [6], опубл. 10.06.2005, реакцию термоядерного синтеза предлагается осуществлять в прямолинейном цилиндрическом коллайдере, выполненном из диэлектрического материала. В обоих технических решениях по патентам [4], [6] используемые для каналирования пучков средства способствуют уменьшению рассеяния частиц, которое для данного направления в работе [3] рассматривается как причина существенных энергетических потерь, приводящая к невозможности компенсировать затраты на ускорение ионов и получить положительный выход энергии. Однако при присущей этим техническим решениям геометрии частицы, образующие прямолинейный пучок, лишь однократно имеют возможность столкнуться с частицей встречного пучка. Плотность энергии, производимой в таких реакторах, слишком мала, вследствие чего к ним применим скептический вывод авторов работы [2] относительно перспективности данного направления.

Вместе с тем в работе [2] (с.16) отмечается возможность исключения из такого вывода. Этим исключением является мигматрон. Последнему посвящен ряд патентов, в частности патент Канады №987035 [7], опубл. 06.06.1976, и патент Великобритании №1422545 [8], опубл. 28.01.1976, а также патент США №4788024 [9], опубл. 29.11.1988, в котором описано усовершенствование технических решений по патентам [7], [8]. Особенностью мигматрона является то, что в нем имеет место накопление частиц, осуществляющих периодическое движение, благодаря чему они участвуют в "попытках" столкновения многократно. Это достигается за счет весьма сложной конфигурации магнитного поля, создаваемого в рабочем объеме, в который инжектируются частицы. Частицы движутся по близким к круговым траекториям, смещенным к периферии указанного объема, одновременно прецессируя таким образом, что центры описываемых ими окружностей сами движутся по окружностям большего радиуса. Траектории частиц проходят через центр упомянутого объема, благодаря чему в центральной области для каждой частицы всегда найдется другая движущаяся навстречу ей по своей круговой траектории частица. Строго говоря, в мигматроне, в отличие от технических решений по патентам [4] и [5], нет сталкивающихся пучков как таковых. Вместе с тем, в отличие от решений, предусматривающих использование высокотемпературной плазмы, в которой частицы движутся хаотически, в мигматроне используются частицы, принадлежащие одному и тому же исходному пучку, движущиеся по упорядоченным траекториям, что и позволяет отнести мигматрон к той же группе, что и решения по патентам [4] и [5]. В патенте США №5034183 [10], опубл. 23.07.1991, описано техническое решение, реализующее сходный принцип. За счет усложнения магнитной системы, управляющей формированием траекторий частиц, последние похожи на восьмерки с точкой пересечения в центре рабочего объема: они имеют вид дуг окружностей в периферийной части рабочего объема, сопряженных с прямыми линиями, сходящимися в центре рабочего объема. Достигнув центра, частица далее движется по радиусу в периферийном направлении, затем описывает дугу окружности и снова возвращается по радиусу к центру. Благодаря этому достигается более высокая концентрация частиц в центральной зоне рабочего объема.

В качестве общей особенности различных вариантов ([7]-[10]) конструкции мигматрона и реализуемых с их помощью способов следует отметить то, что в них не используется плазма. Благодаря этому они свободны от всех проблем, связанных с нею, в том числе от необходимости обеспечивать ее сверхвысокую температуру. В этом смысле соответствующие реакторы можно было бы не называть термоядерными (что и отмечают авторы изобретений по указанным патентам), однако участвующие в реакциях синтеза частицы все же имеют весьма высокие скорости и, следовательно, в зоне их высокой концентрации имеет место высокая температура. Вместе с отмеченной общей особенностью имеет место и другая, обусловленная необходимостью формирования магнитных полей весьма сложной конфигурации и высокой напряженности (так, согласно патенту [9], необходимо создание полей с индукцией до 6 тесла; кроме того, согласно этому патенту дополнительно требуется электростатическое управление). Тем не менее отмеченные факторы не сравнимы с проблемой магнитного удержания плазмы в "токамаках".

К данному направлению примыкает техническое решение по патенту Российской Федерации №2462009 [11], опубл. 20.09.2012. Одно из изобретений этого патента относится к конструкции коллайдера, предназначенного в том числе для осуществления взаимодействия пучков заряженных частиц с целью проведения термоядерной реакции.

Описание использования и работы этого коллайдера раскрывает способ проведения такой реакции, предусматривающий инжектирование ускоренных ионов тяжелых изотопов водорода в вакуумированный кольцевой канал в одном и том же или встречных направлениях. Введенные в канал ионы транспортируют по каналу с совершением ими множества оборотов в процессе перемещения в направлении продольной осевой линии канала. Указанный канал должен быть выполнен из материала, способного к электризации, причем должно быть соблюдено соотношение в виде неравенства

$$E/Q<Rd{U}_{пр}/h,\left({}^{\ast }\right)$$

связывающего следующие параметры:

- наименьший радиус R кривизны продольной осевой линии указанного канала, которая должна быть выпуклой гладкой кривой (в частном случае, когда эта линия является окружностью, - радиус этой окружности);

- наибольшая энергия Е, которую могут иметь заряженные частицы при транспортировании их по каналу;

- заряд Q частиц, для работы с которыми предназначен коллайдер;

- наименьшая толщина d стенки канала (при постоянной толщине стенки - просто эта толщина);

- электрическая прочность U_пр материала стенки канала;

- наибольшее расстояние h между двумя точками внутренней поверхности канала, расположенными в поперечном сечении канала на одной и той же нормали к указанной поверхности (при круглой форме поперечного сечения канала - то же самое, что его внутренний диаметр, т.е. диаметр просвета).

Способ и коллайдер по патенту [11] наиболее близки к предлагаемым изобретениям.

При указанном характере движения ионов их взаимодействие со слиянием ядер происходят равновероятно в любом месте внутреннего пространства канала в пределах общей для обоих пучков ионов части объема этого пространства.

Конструкция известного коллайдера, наиболее близкого к предлагаемому устройству, как видно из приведенного выше описания, весьма проста. При соблюдении приведенного соотношения обеспечивается движение заряженных частиц (упомянутых ионов) в канале без контакта с его стенками благодаря электризации последних самими инжектируемыми частицами. При этом частицы каждого из пучков, осуществляя описанное многооборотное движение в канале, имеют возможность столкновения с частицами другого пучка (встречного при противоположных направлениях движения пучков или "догоняющего" при одинаковом направлении движения) на протяжении всего времени движения и во всем объеме внутреннего пространства канала, занимаемого пучками. В описании патента [11] показана принципиальная возможность осуществления реакций типа дейтрон-дейтрон или дейтрон-тритон с положительным выходом энергии.

Вместе с тем соблюдение приведенного выше соотношения (*) не гарантирует сохранения в движущихся пучках ионов, участвовавших во взаимодействии, которое не привело к слиянию ядер и способно вызвать рассеяние частиц с отклонением их от первоначального направления движения, вплоть до попадания на стенку канала. Кроме того, соблюдение этого соотношения может оказаться невозможным, в частности, при большой энергии частиц (например, при использовании ионов более тяжелых элементов, чем изотопы водорода) или большом диаметре канала.

Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в предотвращении подобных ситуаций, т.е. рассеяния ионов, испытавших сближение, не приведшее к слиянию ядер, и обеспечении продолжения движения частиц в пучке с сохранением условий для их участия в дальнейших актах взаимодействия, в том числе при невозможности соблюдения соотношения (*). В конечном счете это позволит повысить вероятность взаимодействий с получением нейтронов и положительным выходом энергии. При этом сохраняются способствующие такому результату факторы: возможность одновременного участия в актах взаимодействия всех находящихся в канале частиц в течение всего времени их движения при совершении ими многих миллионов оборотов в кольцевом канале и во всем объеме его внутреннего пространства, занимаемого пучками частиц. Достигаемый технический результат заключается также в том, что энергия Е ионов может быть увеличена по сравнению с той, которая при заданных свойствах материала стенки и геометрии канала определяется правой частью неравенства (*), а при заданной энергии Е ионов радиус R кривизны канала может быть выбран меньше, а диаметр h просвета канала - больше, чем это определяется левой частью неравенства (*), ограничивающей снизу отношение R/h.

Ниже при дальнейшем раскрытии изобретений могут быть названы и другие виды достигаемого технического результата.

В предлагаемом способе проведения реакции управляемого ядерного синтеза, как и в наиболее близком к нему известном способе, реализуемом при использовании коллайдера по патенту [11], осуществляют инжектирование ускоренных ионов легких элементов в вакуумированный кольцевой канал со стенкой, выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось в виде выпуклой гладкой линии, создавая два пучка указанных ионов, движущихся в одном и том же или встречных направлениях, и транспортируют ионы указанных пучков с многократным прохождением ими указанного канала в направлении его продольной осевой линии, обеспечивая этим возможность взаимодействия ионов со слиянием ядер в любом месте общей для обоих указанных пучков части внутреннего пространства указанного канала.

Для достижения указанного технического результата, в отличие от наиболее близкого известного способа по патенту [11], в предлагаемом способе используют указанный канал, дополнительно снабженный прилегающей к внешней поверхности его стенки электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием. На указанные оболочку или покрытие подают потенциал, индуцирующий на внутренней поверхности стенки указанного канала положительный заряд с получением в этом канале потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию инжектируемых в него ионов.

В различных частных случаях осуществления предлагаемого способа при инжектировании ускоренных ионов легких элементов в указанный канал могут быть использованы:

- ионы изотопа водорода дейтерия D для создания обоих указанных пучков,

- ионы изотопа водорода дейтерия D для создания одного из указанных двух пучков и ионы изотопа водорода трития Т - для создания другого пучка,

- ионы изотопа водорода дейтерия D для создания одного из указанных двух пучков и ионы изотопа гелия He³ - для создания другого пучка,

- ионы водорода Н (протоны) для создания одного из указанных двух пучков и ионы изотопа лития Li⁶ - для создания другого пучка.

Предлагаемое устройство для проведения реакции управляемого ядерного синтеза, как и наиболее близкое к нему известное устройство (коллайдер по патенту [11]), содержит вакуумированный кольцевой канал со стенкой, выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось в виде выпуклой гладкой линии, и два инжектора ускоренных ионов легких элементов, установленных с возможностью введения в указанный канал этих ионов в одном и том же или встречных направлениях.

Для достижения указанного технического результата, в отличие от наиболее близкого известного устройства по патенту [11], в предлагаемом устройстве указанный канал снабжен прилегающей к внешней поверхности его стенки электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием. Указанные оболочка или покрытие являются электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

Они предназначены для подачи на них при работе устройства потенциала, индуцирующего на внутренней поверхности стенки указанного канала заряд, обеспечивающий получение в этом канале возле внутренней поверхности его стенки потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию инжектируемых в канал ионов. Индуцированный положительный заряд может существенно превосходить заряд, создаваемый при осуществлении наиболее близкого известного способа на стенке канала в наиболее близком известном устройстве ионами самих движущихся в канале пучков, и практически может быть сделан любым, позволяющим обеспечить создание потенциального барьера, непреодолимого для ионов пучков. Данная мера позволяет обеспечить достижение и сохранение всех названных выше видов технического результата. Следует также особо отметить, что благодаря этой мере предлагаемые способ и устройство по-прежнему свободны от необходимости создания высокотемпературной плазмы и одновременно от всех сопутствующих этому проблем, в частности использования сложнейших средств для создания магнитных полей особой конфигурации. Благодаря отмеченной выше возможности более широкого варьирования энергии ионов и геометрических параметров канала обеспечиваются как большая свобода выбора при проектировании, в зависимости от тех или иных предпочтений, так и возможность использовать одно и то же устройство при изменении энергий инжектируемых ионов.

В частном случае реализации предлагаемого способа в нем дополнительно осуществляют улавливание ионов, могущих выделяться из материала стенки указанного канала, в частности в результате вторичной эмиссии под действием попадающих на эту стенку инжектированных в указанный канал и движущихся в нем ионов. Другой, более существенной причиной такой эмиссии являются попадающие на стенку канала ионы и нейтроны, являющиеся продуктами осуществляемой реакции термоядерного синтеза. Упомянутое улавливание производят с помощью электропроводящей сетки, размещенной в указанном канале вблизи внутренней поверхности его стенки без контакта с нею. Для этого на указанную сетку подают потенциал, вызывающий локальное изменение распределения потенциала в просвете канала с образованием провала в промежутке указанная сетка - внутренняя поверхность стенки. Такая мера предотвращает попадание упомянутых вторичных ионов в рабочую зону канала, которое могло бы привести к снижению вероятности термоядерных процессов.

Соответственно, предлагаемое устройство может дополнительно содержать электропроводящую сетку, установленную в указанном канале вблизи внутренней поверхности его стенки без касания с нею. Эта сетка является дополнительным электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых показаны:

- на фиг.1 - предлагаемое устройство для осуществления способа по предлагаемому изобретению в случае использования встречных пучков;

- на фиг.2 - распределение потенциала в просвете канала предлагаемого устройства при отсутствии и при наличии сетки, установленной вблизи внутренней поверхности стенки канала.

Предлагаемое устройство содержит (фиг.1) вакуумированный кольцевой канал 1 со стенкой 2, выполненной из материала, способного к электризации, например стекла, керамики с хорошими электроизоляционными свойствами, высокой электрической прочностью и термостойкостью. Канал 1 имеет продольную ось 3 в виде выпуклой гладкой (не имеющей скачков производной) линии (на чертеже показана только часть этой линии, являющейся в данном частном случае окружностью радиуса R с центром О). В правой части фиг.1 в увеличенном виде показано поперечное сечение канала 1 в частном случае, когда оно является круглым; h - диаметр просвета канала, d - толщина его стенки. Круглая форма поперечного сечения канала является предпочтительной, но не обязательной. Возможна, например, эллиптическая или овальная форма. Устройство содержит также два инжектора, схематически представленных позициями 4a и 4b, предназначенных для введения в указанный канал ускоренных ионов легких элементов.

В представленном на фиг.1 случае инжекторы 4a и 4b установлены таким образом, что пучки ионов после введения их в канал 1 направлены навстречу друг другу, как показано стрелками A и B. Для обеспечения движения пучков в одном и том же направлении (случай "догоняющих пучков") оба инжектора должны быть ориентированы относительно кольцевого канала одинаковым образом. Кроме того, согласно фиг.1 инжекторы 4a и 4b установлены со стороны кольцевого канала 1, обращенной к центру кольца. Такое размещение не является обязательным, инжекторы могут быть установлены и с другой стороны.

Канал 1 снабжен прилегающей к внешней поверхности его стенки 2 электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием. Указанные оболочка или покрытие показаны позицией 5 только на правой части фиг.1, поскольку масштаб левой части не позволяет сделать это.

При инжектировании в канал 1 ионов в нем возникают встречные ионные пучки или пучки, один из которых "догоняет" другой, в зависимости от того, как установлены инжекторы 4a и 4b. Эти пучки, движущиеся встречно или в одном и том же направлении, но с разными скоростями, "проходят" один сквозь другой, что создает условия для сближения ионов одного пучка с ионами другого и слияния их ядер с выделением энергии.

Наличие на электропроводящей оболочке (покрытии) 5 внешней поверхности стенки 2 потенциала, индуцирующего на внутренней поверхности стенки 2 положительный заряд, обеспечивает возникновение в канале возле этой поверхности потенциального барьера. Соответствующее спадающее к центру распределение потенциала U(r) в просвете канала вдоль радиуса его поперечного сечения показано на фиг.2 сплошной линией (координата r отсчитывается от центра поперечного сечения канала и поэтому имеет наибольшее значение h/2). Упомянутый потенциал подбирают так, чтобы энергия движения ионов в поперечном направлении была недостаточна для преодоления величины U_B потенциального барьера.

В результате ион, отклонившийся от первоначального направления движения после несостоявшегося слияния ядер этого и другого сблизившегося с ним иона, не может попасть на стенку канала и "не выходит из игры". Вместе с тем создаваемый потенциальный барьер не является непреодолимым препятствием для ионов, являющихся продуктами осуществляемой реакции термоядерного синтеза (см. ниже), поскольку их энергия существенно выше энергии ионов исходных инжектируемых пучков. Благодаря этому стенка канала, на которую попадают такие ионы, способна преобразовать их кинетическую энергию в тепловую и может служить источником тепла для дальнейших использования и преобразования, выходящих за рамки предлагаемых изобретений. Стенка 2 канала играет, таким образом, роль первой стенки термоядерного реактора, в котором могут быть использованы предлагаемые способ и устройство. Изменяя величину указанного потенциала, обеспечивающего создание потенциального барьера, можно регулировать количество способных к сближению ионов инжектируемых пучков и тем самым влиять на вероятность протекания процессов термоядерного синтеза.

В процессе работы устройства упомянутый потенциальный барьер с некоторой вероятностью может все-таки быть преодолен отдельными ионами инжектируемых пучков. Такие ионы, попадая на внутреннюю поверхность стенки диэлектрического канала, способны вызвать эмиссию ионов из вещества стенки. Такое же действие оказывают ионы и нейтроны, возникающие в результате осуществления в устройстве термоядерной реакции. Появление эмитируемых ионов в канале оказывает влияние, аналогичное ухудшению вакуума, и способно уменьшить вероятность взаимодействия ионов инжектируемых пучков, приводящего к слиянию их ядер.

Для предотвращения этого явления в частном случае выполнения предлагаемого устройства и осуществления с его помощью предлагаемого способа предусмотрено наличие сетки 6, установленной вблизи внутренней поверхности стенки 2 канала 1 без касания с нею. Сетка 6, как и оболочка или покрытие 5, показана только на правой части фиг.1.

На сетку 6 подают вспомогательный потенциал, вызывающий такое локальное изменение распределения потенциала в просвете канала, которое создает провал в промежутке сетка 6 - внутренняя поверхность стенки 2. Измененное распределение потенциала в просвете канала вдоль радиуса его поперечного сечения изображено на фиг.2 штриховой линией. Отрезок Δr соответствует расстоянию между сеткой 6 и внутренней поверхностью стенки 2 канала 1. В результате сетка 6 оказывается способной "улавливать" вторичные ионы, эмитируемые внутренней поверхностью стенки канала. Электроны, которые при этом тоже могут эмитироваться поверхностью стенки, не представляют опасности, так как оседают на ней, поскольку она имеет положительный заряд. Для улавливания эмитируемых стенкой 2 вторичных ионов достаточна небольшая (несколько процентов от U_B) величина ΔU потенциальной ямы (провала в распределении потенциала, см. фиг.2), поскольку энергия этих ионов невелика. Выйдя из стенки 2, такие ионы находятся в указанной потенциальной яме и не могут преодолеть локальный потенциальный барьер ΔU и попасть рабочую в зону канала, в которой происходит взаимодействие инжектируемых ионных пучков. Очевидно, что при выборе вспомогательного потенциала, приводящем к слишком малой глубине провала в распределении потенциала (доли процента или менее), улавливание вторичных ионов может оказаться недостаточно эффективным. В случае же отклонения при выборе этого потенциала в противоположную сторону может произойти столь существенное искажение картины индуцирования положительных зарядов на внутренней поверхности стенки 2, что вообще станет невозможным получение требуемого потенциального барьера.

Оболочка-покрытие и сетка не должны иметь разрывов, чтобы по всей длине канала они находились под одним и тем же потенциалом.

В процессе инжектирования ионов в канал происходит их накопление, в результате чего ток, создаваемый каждым из пучков, может достигать больших значений. Благодаря этому, а также фокусирующему влиянию, оказываемому на ионы обоих пучков положительно заряженной внутренней поверхностью стенки канала, в канале возникает тонкий шнур с весьма высокой плотностью носителей заряда, способных к сближению, и может быть достигнута 100%-ная вероятность возникновения термоядерной реакции. Существенную роль при этом играет то обстоятельство, что ионы обоих пучков совершают круговое движение в канале, делая огромное количество оборотов и проходя огромное расстояние. Достижению указанной вероятности способствует также отмеченное выше уменьшение рассеяния ионов, предотвращение ухода из пучка ионов, отклонившихся от первоначального направления движения после несостоявшегося слияния ядер.

В зависимости от сочетания видов ионов, инжектируемых в канал, которые были названы выше, возможно протекание следующих реакций с выделением энергии в виде кинетической энергии заряженных частиц и нейтронов n:

$$D+D\to H{e}^3+n+\mathrm{3,27}МэВ,\left(1\right)$$

$$D+D\to T+H+\mathrm{3,27}МэВ,\left(2\right)$$

$$D+T\to H{e}^4+n+\mathrm{17,58}МэВ,\left(3\right)$$

$$D+H{e}^3\to H{e}^4+H+\mathrm{18,34}МэВ,\left(4\right)$$

$$H+L{i}^6\to H{e}^4+H{e}^3+4МэВ,\left(5\right)$$

(реакции (1) и (2) могут протекать одновременно).

Теоретические оценки, сделанные для реакции (3), показывают, что возможно получение суммарной мощности порядка 100 мегаватт при энергии инжектируемых ионов 100 кэВ и токе пучков порядка 30 А в предлагаемом устройстве, имеющем радиус осевой линии кольцевого канала R=4 м и диаметр просвета канала h=0,2 м (см. фиг.1); потенциальный барьер U_б при этом имеет величину 300 кэВ. При указанных параметрах расстояние, проходимое ионом до сближения с другим ионом, приводящего к слиянию ядер с вероятностью 1, составляет примерно 9·10⁶ м, однако только около 2% ионов оказываются способными совершить такое сближение. Коэффициент преобразования энергии инжектируемых ионов в энергию, выделяемую в результате реакции, составляет примерно 33.

Как и в проектируемых термоядерных реакторах (см. [2]), при проведении реакции (3) в предлагаемом устройстве соответствии с предлагаемым способом, необходимо использование отсутствующего в природе трития. Аналогично тому, как это предусматривается в проектируемых реакторах, воспроизводство трития возможно в бланкете путем облучения нейтронами изотопа лития Li⁶ в соответствии с реакцией:

$$L{i}^6+n\to H{e}^4+T+\mathrm{4,6}МэВ,\left(6\right)$$

с получением при этом дополнительной энергии.

Следует заметить, что приведение рассмотренного выше примера, относящегося к реакции (3), обусловлено тем, что она считается (см., например, [2]) наиболее легко осуществимой при традиционном подходе, предусматривающем создание высокотемпературной плазмы, поскольку этой реакции присуща самая низкая "температура зажигания". Однако предлагаемые способ и устройство, как уже отмечалось, полностью свободны от проблем, связанных с плазмой. Поэтому при их осуществлении нет препятствий к использованию других реакций, в том числе реакций (4) и (5), не требующих применения и воспроизводства трития и не создающих проблем с торможением и преобразованием энергии нейтронов и защитой от них.

Энергия, выделяемая в процессе работы предлагаемого устройства в соответствии с предлагаемым способом, может быть использована в утилитарных целях известными методами, разработанными применительно к другим развиваемым путям проведения управляемой термоядерной реакции. Например, известны средства для непосредственного преобразования энергии заряженных частиц, в частности α-частиц, которыми являются ядра гелия Не⁴, возникающие в реакциях (3)-(5), в электрическую (см., например, патент США №7417356 [12], опубл. 26.08.2008). Несмотря на то, что для использования подобных средств необходимо решение задачи их сопряжения с предлагаемым устройством, необходимо еще раз подчеркнуть перспективность использования сочетаний инжектируемых ионов, используемых в реакциях (5) и (6). В этих реакциях не возникают нейтроны, и вместе с тем для них в условиях предлагаемых способа и устройства не является существенным недостатком более высокая "температура зажигания".

Преимущественной сферой практического использования предлагаемых изобретений являются экспериментальные исследования в области термоядерной энергетики.

Источники информации

1. Е.П. Велихов, С.В. Путвинский. Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе. Доклад от 22.10.1999, сделанный в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists (http://thermonuclear.narod.ru/revhtm#vp).

2. М. Хеглер, М. Критиансен. Введение в управляемый термоядерный синтез. Москва, изд. "МИР", 1980, 232 с.

3. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. Под ред. Б.Ю. Шаркова. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2005, 264 с.

4. Патент РФ на изобретение №2237297, опубл. 28.08.2002.

5. М.А. Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. Москва, Энергоатомиздат, 1986, 161 с.

6. Патент РФ на полезную модель №46211, опубл. 10.06.2005.

7. Патент Канады №987035, опубл. 06.06.1976.

8. Патент Великобритании №1422545, опубл. 28.01.1976.

9. Патент США №4788024, опубл. 29.11.1988.

10. Патент США №5034183, опубл. 23.07.1991.

11. Патент РФ на изобретение №2462009, опубл. 20.09.2012.

12. Патент США №7417356, опубл. 26.08.2008.

Заявленная группа изобретений относится к средствам для проведения реакции управляемого ядерного синтеза. Для этого осуществляют инжектирование ускоренных ионов легких элементов в вакуумированный кольцевой канал (1) со стенкой (2), выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось (3) в виде выпуклой гладкой линии. При этом с помощью инжекторов (4a) и (4b) создают два пучка ионов, движущихся в канале в одном и том же или встречных направлениях, и транспортируют ионы этих пучков с многократным прохождением ими канала в направлении его продольной осевой линии. Для транспортирования пучков частиц используют канал (1), снабженный прилегающей к его внешней поверхности электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием (5), на которое подается потенциал, индуцирующий на внутренней поверхности стенки канала 1 положительный заряд с получением потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию инжектируемых в него ионов. Вблизи внутренней поверхности стенки канала установлена сетка (6), на которую также подается потенциал. Техническим результатом является повышение вероятности осуществления ядерных реакций при отсутствии необходимости создания высокотемпературной плазмы и использования сложных средств для создания магнитных полей особой конфигурации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ проведения реакции управляемого ядерного синтеза, при котором осуществляют инжектирование ускоренных ионов легких элементов в вакуумированный кольцевой канал со стенкой, выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось в виде выпуклой гладкой линии, создавая при этом два пучка указанных ионов, движущихся в указанном канале в одном и том же или встречных направлениях, и транспортируют ионы указанных пучков с многократным прохождением ими указанного канала в направлении его продольной осевой линии, обеспечивая этим возможность их взаимодействия со слиянием ядер в любом месте общей для обоих указанных пучков части внутреннего пространства указанного канала, отличающийся тем, что используют указанный канал, снабженный прилегающей к внешней поверхности его стенки электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием, на которые подают потенциал, индуцирующий на внутренней поверхности стенки указанного канала положительный заряд с получением потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию инжектируемых в него ионов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при инжектировании ускоренных ионов легких элементов в указанный канал используют ионы дейтерия D для создания обоих указанных пучков, либо ионы дейтерия D для создания одного из указанных двух пучков и ионы трития Т - для создания другого пучка, либо ионы дейтерия D для создания одного из указанных двух пучков и ионы гелия He³ - для создания другого пучка, либо ионы водорода H для создания одного из указанных двух пучков и ионы лития Li⁶ - для создания другого пучка.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в нем дополнительно осуществляют улавливание ионов, могущих выделяться из материала стенки указанного канала, с помощью электропроводящей сетки, размещенной в указанном канале вблизи внутренней поверхности его стенки без контакта с нею, при этом на указанную сетку подают потенциал, вызывающий локальное изменение распределения потенциала в просвете указанного канала с образованием провала в промежутке указанная сетка - внутренняя поверхность стенки.

4. Устройство для проведения реакции управляемого ядерного синтеза, содержащее вакуумированный кольцевой канал со стенкой, выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось в виде выпуклой гладкой линии, и два инжектора ускоренных ионов легких элементов, установленных с возможностью введения в указанный канал этих ионов в одном и том же или встречных направлениях, отличающееся тем, что указанный канал снабжен прилегающей к его внешней поверхности электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием, являющимися электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электропроводящую сетку, установленную в указанном канале вблизи внутренней поверхности его стенки без касания с нею и являющуюся дополнительным электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что указанный канал выполнен с продольной осью в виде окружности.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что указанный канал в поперечном сечении является круглым.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что указанный канал выполнен с продольной осью в виде окружности.