СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОБЛАСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКОВ ОСЦИЛЛИРУЮЩИХ ИОНОВ В КОНФИГУРАЦИИ ОТКРЫТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКИ, ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕАКЦИЯМ СИНТЕЗА Российский патент 2016 года по МПК G21G5/00 

Изобретение относится к области атомной науки и техники, в частности к управляемому синтезу легких ядер.

При любом способе осуществления реакций синтеза ядер необходимо создать условия, при которых ионы должны обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Вероятность акта конкретной реакции целиком зависит от сечения ядерного взаимодействия, которое получено из экспериментальных данных и изменяется в зависимости от энергии сталкивающихся ионов. Ниже на фиг. 1 приведены сечения ядерного взаимодействия σ и величина [σ·ν] (где ν - скорость ускоренного иона) для разных реакций в зависимости от энергии налетающего ядра. Из рисунка видно, что максимальная вероятность реакции синтеза, например, для смеси дейтерий-тритий DT наступает при энергии ионов ~100 кэВ, что соответствует температуре ~10⁹ градусов.

Известные и реализуемые способы для осуществления управляемого термоядерного синтеза требуют либо создания и удержания в ловушках достаточно плотной горячей плазмы, термоизолированной от стенок, в течение длительного времени ~10³ сек (УТС - управляемый термоядерный синтез), либо за счет быстрого ввода энергии организуется взрыв микромишений, содержащих дейтерий и тритий (ИТС - инерциальный термоядерный синтез). Наиболее продвинуты в инженерной проработке устройства: для УТС-ИТЭР [A.J.H. Donn′e, А.Е. Costley, R. Barnsley, Н. Bindslev, R. Boivin, G. Conway, R. Fisher, R. Giannella, H. Hartfuss, M.G. von Hellermann, E. Hodgson, L.C. Ingesson, K. Itami, D. Johnson, Y. Kawano, T. Kondoh, A. Krasilnikov, Y. Kusama, A. Litnovsky, P. Lotte, P. Nielsen, T. Nishitani, F. Orsitto, B.J. Peterson, G. Razdobarin, J. Sanchez, M. Sasao, T. Sugie, G. Vayakis, V. Voitsenya, K. Vukolov, C. Walker, K. Young. The Progress in ITER Physics Basis, Chapter 7: Diagnostics. Nucl. Fusion 47 (2007) S. 337-S. 384], для ИТС-NIF [Privacy & Legal Notice LLNL-AR-412551]. Оба подхода ориентированы на осуществление реакций синтеза через образование плазмы и с использованием смеси дейтерия и трития.

В предлагаемом способе для осуществления реакций синтеза можно создать условия для столкновения потоков ускоренных ионов с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и в области, где сечения ядерных взаимодействий максимальны. К примеру, для реакции дейтерий-гелий 3 энергия ускоренных ионов должна быть ≈200 кэВ, для протон-боровой реакции - ≈500 кэВ, а для реакции дейтерий-тритий, о которой речь шла выше, энергия ускоренных ионов должна быть ≈100 кэВ.

Скорость наработки плотности продуктов реакций n_f, при плотности потоков ускоренных ионов n_i, определяемая как $$n_f\approx n_i^2\cdot \left(\sigma \cdot \nu \right)$$ , где (σ - сечение взаимодействия конкретной реакции, ν - скорость ускоренных ионов), должна быть достаточной для практического применения. Оценки показывают, что для мощности, выделяемой продуктами реакции в кубическом сантиметре ~1 Вт (1 МВт/м³), необходима плотность ускоренных ионов для дейтерий-тритиевой смеси n_i≈2·10¹³ см^-3. Для протон-боровой реакции n_i≈6·10¹³ см^-3, для дейтерий-гелиевой реакции n_i≈4·10¹³ см^-3.

Для реализации предлагаемого способа синтеза должна быть использована конфигурация магнитного поля, аналогичная конфигурации открытой магнитной ловушки, но без заполнения плазмой [Будкер Г.И. Термоядерные реакции в системе с магнитными пробками. К вопросу о непосредственном преобразовании ядерной энергии в электрическую. В сб. «Физ. плазмы и пробл. управляемых термоядерных реакций». Т. 3. М.: Изд-во АН СССР, 1958, с. 3-31]. В магнитной ловушке необходимо дополнительно установить источники плазмы для создания плазменного эмиттера на внешнем электроде и центральный проводник для создания электрического поля коаксиального типа, установить источники плазмы для создания плазменного эмиттера на внешнем электроде и центральный проводник для создания электрического поля коаксиального типа, в котором будут ускоряться ионы. Для создания электрического поля, в принципе, возможно использование электронного пучка, инжектируемого по центру ловушки. На фиг. 2 приведена принципиальная схема осесимметричной магнитной ловушки с дополнительными элементами.

Изобретение состоит в том, что устройство для осуществления реакций синтеза содержит плазменные эмиттеры, создаваемые плазменными пушками или разрядами в ВЧ-поле, регулируемый источник постоянного напряжения, который обеспечивает ускорение ионов от эмиттеров к центру ловушки до энергии, при которой сечение взаимодействия максимально, и столкновение их в центральной области открытой ловушки, помещенной в магнитное поле. Ускоряющее поле для ионов может быть создано либо между плазменным цилиндрическим эмиттером (в случае реакций с двумя сортами ионов необходимо два плазменных эмиттера) и проводящим потенциальным электродом, расположенным в центре, либо между эмиттером и электронным пучком, инжектируемым по центру ловушки. Таким образом, в области ускорения и столкновения ионов будут присутствовать только ионы, поэтому магнитная ловушка с дополнительными элементами по осуществлению реакций синтеза - не плазменная.

Движение ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях будет происходить под действием сил электрического поля и силы Лоренца: F_L=q·E(r)+[v(r)·B]·q/c, где E(r) - радиальное электрическое поле-вектор, v(r) - скорость иона на радиусе r - вектор, B - ведущее магнитное поле-вектор, q и c - заряд иона и скорость света, все в системе CGSE. Ионы в своем движении вначале будут ускоряться по радиусу от плазменных эмиттеров к центру ловушки, затем под действием силы Лоренца радиальное движение ионов перейдет в азимутальное, и, пролетев вблизи центра ловушки (область взаимодействия), далее будут тормозиться и попадут на свои плазменные эмиттеры. Радиус области взаимодействия зависит от комбинации величин электрического и магнитного полей. Электрическое поле задается из условия необходимой энергии ускоряемых ионов для конкретной реакции, а магнитное поле для создания области взаимодействия с радиусом, при котором ускоряемые ионы пролетят близко, но не попадут на центральный электрод.

Из-за малых сечений ядерного взаимодействия только малая часть ионов из ускоренных потоков (или потока) может участвовать в реакциях синтеза, остальная часть ионов, двигаясь от центральной части (области взаимодействия) к периферии, тормозится в электрическом поле (см. фиг. 3) и возвратит свою энергию в источник, создающий ускоряющее поле. После такой осцилляции по радиусу ион оказывается вблизи плазменного эмиттера и начинает вновь ускорение по радиусу магнитной ловушки. В целом, движение ионов будет осциллирующим и происходить примерно по гипоциклоидам - кривым, которые представляют собой траектории точек окружности, катящейся по другой окружности и имеющей с ней внутреннее касание. В предлагаемом способе не будет потерь энергии в первом приближении на ускорение ионов, кроме тех ионов, которые будут участвовать в реакциях синтеза. Это обстоятельство очень важно, поскольку для осуществления реакций синтеза в предлагаемом способе не требуется мощной энергетики и в случае реакций безнейтронного синтеза (например, протон-литий или протон-бор) этот способ синтеза легких ядер может быть реализован в лабораторных условиях.

Применение: для получения тепловой энергии при торможении продуктов реакции в поглотителях при осуществлении реакций синтеза, уточнения сечений различных реакций синтеза, прямое преобразование энергии заряженных частиц - продуктов безнейтронных реакций в электрическую энергию с помощью рекуператоров, формирование направленных потоков заряженных частиц с последующей нейтрализацией заряда (например, на газовой мишени или с использованием электронного пучка) и получение потоков нейтральных частиц для получения реактивной тяги в летательных аппаратах.

Автором не обнаружено источников информации, в которых было бы описано подобное предложение или устройство, которое могло быть ориентировано на предлагаемое предложение по осуществлению реакций синтеза легких ядер.

На фиг. 1 изображены графики поведения сечений реакций ядерного синтеза σ для разных реакций и величина σ(v)·v в зависимости от энергии налетающего ядра.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема ускорения ионов в конфигурации осесимметричной магнитной ловушки с дополнительными устройствами.

На фиг. 3 изображена траектория движения одиночного протона i, стартующего с плазменного эмиттера в сечении, перпендикулярном оси ловушки.

Ниже приведены рисунки, поясняющие способ и устройство для ускорения и осцилляции положительно заряженных частиц. Ионы (см. фиг. 2) вытягиваются из плазменного цилиндрического эмиттера 2 под действием электрического поля в коаксиальной геометрии, создаваемого регулируемым источником постоянного напряжения 7, подключенного к центральному электроду 1 и плазменному эмиттеру 2. Устройство помещено в вакуумную цилиндрическую камеру 6, на внешней стороне которой расположены катушки магнитного поля 5 и плазменные пушки 4. Для изоляции центрального электрода 1 от камеры используются изоляторы 3. Ускоряемые ионы вначале двигаются по радиусу к центральному электроду 1, а затем под действием силы Лоренца они изменяют направление и после пролета области взаимодействия 8 (см. фиг. 3) двигаются против ускоряющего поля с торможением к плазменному эмиттеру 2. После остановки ионов вблизи эмиттера они вновь начинают ускорение в сторону центрального потенциального электрода. Такое движение ионов от эмиттера к области взаимодействия в направлении к центральному электроду и вновь к эмиттеру является осциллирующим.

Последовательность операций при реализации реакций синтеза легких ядер: включение необходимого продольного магнитного поля от источника, получение плазмы в плазменных эмиттерах из плазменных пушек или ВЧ-разрядов, включение источника высокого напряжения для ускорения ионов для конкретной реакции, регистрация продуктов реакций синтеза.

Изобретение относится к способу синтеза легких ядер. В заявленном способе предусмотрено столкновение ускоренных потоков осциллирующих ионов при использовании магнитной системы в конфигурации открытой осесимметричной магнитной ловушки. При этом используется дополнительный плазменный эмиттер на внешнем электроде и потенциальный электрод, расположенный по центру. Техническим результатом является снижение потребляемой мощности и возможность обеспечения непрерывного режима работы применяемого устройства. 3 ил.

Способ осуществления реакций синтеза легких ядер при взаимодействии потоков осциллирующих ионов в открытой осесимметричной магнитной ловушке, характеризующийся тем, что потоки ионов ускоряются постоянным электрическим полем в коаксиальной геометрии и движутся в поперечном магнитном поле, причем энергию ионов выбирают такой, при которой ядерное взаимодействие наиболее вероятно для конкретной реакции синтеза, например, для протон-боровой реакции энергия ионов бора ~500 кэВ, при этом область столкновения ионов определяется длиной ловушки и областью взаимодействия, в которой плотность ионов максимальна, на внешнем радиусе ловушки создают плазму, играющую роль эмиттера ионов, с поверхностью, обращенной к центральному потенциальному электроду или пучку электронов.