СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G21B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области термоядерной энергетики и может быть использовано при создании станций теплоснабжения и электростанций, использующих термоядерную энергию.

Уровень техники

Цель изобретения: увеличение эффективности преобразования энергии потока выделенного в ходе термоядерной реакции ионизирующего излучения в тепловую энергию применительно к реакторам с инерциальным удержанием плазмы.

Известен способ поглощения энергии (патент США №4158598, от 19.06.1979, G21B 1/03), при котором реакционная камера не имеет твердой первой стенки, а литиевый поглощающий теплоноситель под действием центростремительной силы образует параболическую отражающую полость, в фокусе параболы которой посредством падающего на мишень лазерного излучения инициируется термоядерная реакция. При этом ионизирующее излучение имеет возможность покидать полость реакционной камеры через окно ввода лазерного излучения и термоядерных мишеней, что снижает эффективность преобразования энергии.

Известен способ поглощения энергии (патент США №4344911, от 17.08.1982, G21B 1/03), при котором реакционная камера не имеет твердой первой стенки, а литиевый поглощающий теплоноситель течет струями, образующими завесу вокруг термоядерной мишени. Однако поглощающий теплоноситель обтекает окна ввода лазерного излучения и отверстие для ввода термоядерных мишеней. При этом ионизирующее излучение имеет возможность покидать полость реакционной камеры через эти отверстия, что снижает эффективность преобразования энергии.

Известен способ поглощения энергии (патент США №3762992, от 02.10.1973, G21B 1/03), при котором реакционная камера имеет сферический канал между первой и задней стенками для прокачки литиевого поглощающего теплоносителя, обтекающего окна ввода лазерного излучения, отверстие для ввода термоядерных мишеней и полость для сбора осадочных продуктов реакции. При этом ионизирующее излучение имеет возможность покидать полость реакционной камеры через эти отверстия, что снижает эффективность преобразования энергии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ поглощения энергии (патент РФ №2461083, от 10.09.2012, G21B 1/00), при котором реакционная камера имеет сферический канал между первой и задней стенками для прокачки поглощающего теплоносителя на водной основе, обтекающего окна ввода лазерного излучения и отверстие для ввода термоядерных мишеней. При этом ионизирующее излучение имеет возможность покидать полость реакционной камеры через эти отверстия, что снижает эффективность преобразования энергии.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения: увеличение эффективности преобразования энергии потока выделенного в ходе термоядерной реакции ионизирующего излучения в тепловую энергию применительно к реакторам с инерциальным удержанием плазмы.

Предлагаемый способ увеличения эффективности преобразования энергии лазерного термоядерного синтеза отличается тем, что поглощающий теплоноситель формирует сплошную завесу вокруг источника ионизирующего излучения.

На фиг.1 изображен разрез предлагаемой реакционной камеры.

Устройство содержит сферический корпус 1 реакционной камеры, в полость которой направляются лазерные пучки 2, проходящие через окна 3, слой поглощающего теплоносителя 4, а также первую стенку 5, фокусируясь на термоядерной мишени 6, доставленной механизмом подачи мишеней 7, закрепленном во входном цилиндрическом канале 8, за которым по ходу движения поглощающего теплоносителя 4 следуют сферический канал 9 и выходной цилиндрический канал 10.

Высоким коэффициентом пропускания для лазерного излучения обладают окна 3, поглощающий теплоноситель 4 и первая стенка 5, при этом первая стенка 5 обладает высоким коэффициентом пропускания для ионизирующего излучения, а поглощающий теплоноситель 4 обладает высоким коэффициентом поглощения этого излучения.

Механизм подачи мишеней 7, закрепленный во входном цилиндрическом канале 8, обладает высоким коэффициентом пропускания для ионизирующего излучения.

Термоядерная мишень 6 содержит смесь изотопов водорода, участвующих в реакции термоядерного синтеза.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 изображен разрез предлагаемой реакционной камеры. Плоскость разреза проходит через геометрический центр сферического корпуса и через ось симметрии входного и выходного цилиндрических каналов. Механизм подачи мишеней изображен условно.

Осуществление изобретения

В рассмотренных конструкциях аналогичных реакционных камер поглощающий теплоноситель не формирует сплошную завесу вокруг источника ионизирующего излучения. В наиболее близком варианте конструкции теплоноситель обтекает окна, предназначенные для ввода лазерного излучения, а также отверстия, необходимые для подачи термоядерных мишеней, в результате чего эти же отверстия выпускают ионизирующее излучение из полости реакционной камеры.

При использовании реакционной камеры с оптически прозрачным поглощающим теплоносителем, оптически прозрачной первой стенкой и оптически прозрачными окнами, появляется возможность вводить лазерное излучение через окна, слой теплоносителя и первую стенку. В результате, после инициирования термоядерной реакции в мишени, содержащей смесь изотопов водорода, выделенное ионизирующее излучение проходит через первую стенку, поглощаясь в слое поглощающего теплоносителя, и уже не может покинуть реакционную камеру, распространяясь по траекториям лазерного излучения. Та часть ионизирующего излучения, которая распространяется в направлении механизма подачи мишеней, проходит через его элементы с минимальным поглощением и улавливается в слое поглощающего теплоносителя во входном цилиндрическом канале. Поток нагретого поглощающего теплоносителя выводит энергию из реакционной камеры во внешний контур реактора. Вторичное излучение, возникшее при поглощении ионизирующего излучения термоядерной реакции в поглощающем теплоносителе, несет значительно меньше энергии. Таким образом, ионизирующее излучение практически полностью передает свою энергию поглощающему теплоносителю, что повышает эффективность системы.

Предполагается, что термоядерная мишень является мишенью непрямого облучения, что позволяет преобразовывать лазерное излучение в излучение с меньшей длинной волны (мягкое рентгеновское излучение), которое обеспечивает лучшие характеристики сжатия мишени, чем исходное излучение. Мишень состоит из полости-конвертора, имеющей отверстия для ввода лазерного излучения, внутри которой расположена микросфера, наполненная смесью дейтерия и трития [1]. Полость-конвертор может быть изготовлена из материалов с большим атомным весом, например таких, как вольфрам. Эта полость имеет с внутренней стороны покрытие в виде слоя золота толщиной 1 мкм. Микросфера, содержащая смесь изотопов водорода, может быть изготовлена из полимерных материалов. Предполагается, что на мишень воздействует импульсное лазерное излучение с длиной волны 350 нм, которое вводится в полость-конвертор через отверстия и поглощается ее внутренней поверхностью, испускающей при этом мягкое рентгеновское излучение со средней энергией кванта, приблизительно равной 170 эВ. Это рентгеновское излучение падает на наружную поверхность микросферы, вызывая испарение вещества и формирование реактивной силы, сжимающей и разогревающей содержащееся в микросфере топливо [2]. Смесь дейтерия и трития, вступая в реакцию, выделяет ионизирующее излучение в виде нейтронов и гамма-квантов в пропорции 90:10. Первая стенка должна быть изготовлена из материала, устойчивого к воздействию ионизирующего излучения в течение длительного времени. При этом материал должен с минимальным поглощением пропускать излучение лазера. В качестве такого материала можно использовать оптические стекла, например кварцевое стекло КУ-1, имеющее высокий коэффициент пропускания в широком диапазоне длин волн и обладающее радиационно-оптической стабильностью к нейтронам и гамма-квантам при длине волны лазерного излучения, равной 350 нм [3]. Этот же материал можно использовать для изготовления окон. Поглощающий теплоноситель, имеющий высокий коэффициент поглощения ионизирующего излучения и высокий коэффициент пропускания излучение лазера, может быть изготовлен на основе легкой воды. Вода имеет малый коэффициент поглощения электромагнитного излучения, который при 350 нанометрах равен 0,0204 (м-1) [4]. Согласно экспоненциальному закону затухания электромагнитного потока в среде, при толщине слоя воды, равной 30 сантиметрам, потери излучения будут равны 0,6%. В то же время, вода является эффективным замедлителем быстрых нейтронов и, при толщине слоя воды, равной 17 сантиметрам, уменьшает среднеквадратичную энергию нейтронов с 14,1 МэВ до 0,01 эВ, что соответствует тепловым нейтронам [5]. Уже на этой стадии эффективность преобразования энергии ионизирующего излучения в тепловую энергию приближается к 100 процентам. При поглощении тепловых нейтронов в воде возникает захватное гамма-излучение с энергией 2,23 МэВ, поток которого в 13-сантиметровом слое воды ослабевает примерно в 2 раза и поглощается корпусом реактора, а также, частично, кварцевыми окнами [5, 6, 7]. Ионизирующее излучение, прошедшее через окна, можно улавливать с помощью экранов, изготовленных с использованием свинца или его соединений. Таким образом, требуемая толщина слоя поглощающего теплоносителя может быть задана в промежутке между 20 и 30 сантиметрами. Элементы механизма подачи мишеней могут быть изготовлены из тяжелых металлов или сплавов, имеющих высокую температуру плавления и большой атомный вес (например, вольфрам, соединения вольфрама).

Список литературы

1. Ф.М. Абзаев, С.А. Белысов, А.В. Бессараб, С.В. Бондаренко, А.В. Веселое, В.А. Гайдаш, Г.В. Долголева, Н.В. Жидков, В.М. Изгородин, Г.А. Кириллов, Г.Г. Кочемасов, Д Н. Литвин, Е.И. Митрофанов, В.М Муругов, Л.С. Мхитарьян, С.И. Петров, А.В. Пинегин, В.Т. Пунин, А.В. Сеник, Н.А. Суслов. «Сжатие и нагрев сферических термоядерных мишеней при непрямом (рентгеновском) облучении на установке ИСКРА-5». Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики, 607190, Сэров, Нижегородская обл., Россия. ЖЭТФ. 1998, том 114, вып. 1(7), стр. 155-170.

2. Е.П. Велихов, С.В. Путвинский. «Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе». Доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists.

3. Б.А. Левин, Д.В. Орлинский, К.Ю. Вуколов, В.Т. Грицына. Исследование радиационной стойкости кварцевых стекол к нейтронному и гамма-облучению // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2003, выпуск 3, стр. 51-56.

4. F.M. Sogandares and E.S. Fry, "Absorption spectrum (340-640 nm) of pure water. I. photothermal measurements," Appl. Opt. 36, 8699-8709 (1997).

5. И.Н. Бекман. Ядерная физика. Лекции. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Химический факультет. Кафедра радиохимии. М.: 2010. - 511 с.

6. А.В. Матвеев, В.И. Козаченко, В.П. Котов; под ред. А.В. Матвеева. Практикум по дозиметрии и радиационной безопасности. Учебное пособие. ГУАП. - СПб.: 2006. - 88 с.

7. В.И. Арбузов. Основы радиационного оптического материаловедения. Учебное пособие. СПб: СПбГУИТМО. 2008. - 284 с.

Заявленное изобретение относится к способу увеличения эффективности преобразования энергии лазерного термоядерного синтеза. В заявленном способе поглощающий теплоноситель формирует сплошную завесу вокруг источника ионизирующего излучения, что реализуется посредством заявленного устройства. Устройство содержит корпус (1) реакционной камеры, в которую вводятся лазерные пучки (2) через окна (3), слой поглощающего теплоносителя (4), первую стенку (5), фокусируясь на термоядерной мишени (6), доставленной механизмом подачи мишеней (7), закрепленном во входном цилиндрическом канале (8), за которым следуют сферический канал (9) и выходной цилиндрический канал (10). После инициирования термоядерной реакции ионизирующее излучение проходит через первую стенку, поглощаясь в слое теплоносителя, и далее не может покинуть реакционную камеру, распространяясь по траекториям лазерного излучения. Техническим результатом является увеличение эффективности преобразования энергии потока выделенного в ходе термоядерной реакции ионизирующего излучения в тепловую энергию в реакторе с инерциальным удержанием плазмы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ увеличения эффективности преобразования энергии лазерного термоядерного синтеза, состоящий в формировании сплошной завесы поглощающего теплоносителя вокруг источника ионизирующего излучения, отличающийся тем, что ввод лазерного излучения в полость реакционной камеры осуществляется через оптически прозрачные окна, слой оптически прозрачного поглощающего теплоносителя и оптически прозрачную первую стенку, причем поглощение энергии выделенного в ходе термоядерной реакции ионизирующего излучения осуществляется поглощающим теплоносителем, омывающим первую стенку и механизм подачи мишеней, изготовленные из материалов с низким коэффициентом поглощения ионизирующего излучения.

2. Устройство для увеличения эффективности преобразования энергии лазерного термоядерного синтеза, содержащее реакционную камеру с каналами для прокачки поглощающего теплоносителя с установленным в ней механизмом подачи мишеней, отличающееся тем, что ввод лазерного излучения в полость реакционной камеры осуществляется через оптически прозрачные окна, изготовленные из кварцевого стекла, слой оптически прозрачного поглощающего теплоносителя на водной основе и оптически прозрачную первую стенку, изготовленную из кварцевого стекла, причем поглощение нейтронов и гамма-квантов осуществляется поглощающим теплоносителем, омывающим первую стенку и механизм подачи мишеней, изготовленный из соединений вольфрама.