ОБМОТКА ТОРОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ Российский патент 2018 года по МПК G21B1/05 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящая заявка относится к компактному термоядерному реактору, работающему при сильном тороидальном поле. В частности, хотя и не исключительно, изобретение относится к сферическому реактору-токамаку, пригодному для использования в качестве источника энергии или в качестве высокоэффективного источника нейтронов и имеющему систему удержания плазмы, включающую в себя обмотки (катушки) из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Проблема, связанная с получением термоядерной энергии, очень сложная. Были предложены многие альтернативные устройства, помимо токамаков, хотя ни одно из них еще не дало результатов, сопоставимых с лучшими работающими в настоящее время токамаками, такими как JET.

Мировые термоядерные исследования вошли в новую фазу после начала конструирования ITER - самого крупного и наиболее дорогого (15 млрд евро) из когда-либо построенных токамаков. Успешный путь к промышленному термоядерному реактору требует наличия длительного импульса, стабильной работы в сочетании с высокой эффективностью, требуемой для того, чтобы получение электроэнергии было экономически выгодным. Эти три условия являются особенно сложными для одновременного достижения, и запланированная программа потребует многолетних экспериментальных исследований на ITER и другом термоядерном оборудовании, а также теоретических и технологических исследований. В лучшем случае ожидается, что промышленный термоядерный реактор, разработанный указанным путем, не будет сконструирован ранее 2050 года.

Для получения термоядерных реакций, требуемых для экономически выгодного генерирования электроэнергии (т.е. намного больше энергии на выходе, чем энергии на входе), традиционный токамак приходится делать огромным (как, например, ITER) с тем, чтобы время удержания энергии (которое приблизительно пропорционально объему плазмы) могло быть достаточно большим с тем, чтобы плазма могла быть достаточно горячей для возникновения термического синтеза ядер.

В WO 2013/030554 описан альтернативный способ, включающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Важное значение в конструкции сферических токамаков занимает напряженность тороидального магнитного поля, BT, которое создается обмотками, проходящими через центральную колонну. Проблема, как сделать возможным поддержание центральной колонны достаточно небольшой для небольшого токамака при максимизации BT, решается в данном документе за счет использования высокотемпературного сверхпроводящего материала (ВТСП) в обмотках тороидального поля.

Оптимизация материала и конфигурации для таких ВТСП-обмоток имеет значительное влияние на получаемое поле и, таким образом, на эффективность реактора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена обмотка тороидального поля для создания тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе, содержащем тороидальную плазменную камеру с центральной колонной, содержащая множество витков, выполненных проходящими через центральную колонну и вокруг внешней стороны плазменной камеры. Каждый виток включает в себя кабель, содержащий множество пакетированных ВТСП-лент, причем каждая ВТСП-лента включает в себя один или более слоев высокотемпературного сверхпроводящего материала. ВТСП-ленты расположены таким образом, что лицевая поверхность каждой ВТСП-ленты перпендикулярна направлению максимального потока нейтронов во время работы реактора при прохождении кабеля через центральную колонну. Они могут быть торсионно скручены при прохождении кабеля вокруг внешней стороны плазменной камеры.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложена обмотка тороидального поля для создания тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе, содержащем тороидальную плазменную камеру с центральной колонной, содержащая множество витков, выполненных проходящими через центральную колонну и вокруг внешней стороны плазменной камеры. Каждый виток включает в себя кабель, содержащий множество ВТСП-лент, причем каждая ВТСП-лента включает в себя один или более слоев высокотемпературного сверхпроводящего материала. По меньшей мере один из кабелей, выполненный проходящим близко к центру центральной колонны, может иметь меньшее поперечное сечение, чем кабель, выполненный проходящим через центральную колонну дальше от центра.

По меньшей мере один из кабелей, выполненный проходящим близко к центру центральной колонны, может иметь меньшее поперечное сечение, чем кабель, выполненный проходящим через центральную колонну дальше от центра.

Упомянутый по меньшей мере один кабель, выполненный проходящим близко к центру центральной колонны, может переносить ток с более высокой плотностью тока, чем кабель, выполненный проходящим дальше от центра.

Пакетированные ВТСП-ленты могут быть необязательно расположены таким образом, что лицевая поверхность каждой ВТСП-ленты по существу параллельна тороидальному (и полоидальному) магнитному полю при прохождении кабеля через центральную колонну. Пакетированные ВТСП-ленты могут быть расположены таким образом, что они торсионно скручены при прохождении кабеля вокруг внешней стороны плазменной камеры.

Каждый кабель может включать в себя множество пакетированных лент ВТСП, необязательно расположенных таким образом, что лицевая поверхность каждой ВТСП-ленты по существу параллельна тороидальному (и полоидальному) магнитному полю при прохождении кабеля через центральную колонну. Пакетированные ВТСП-ленты могут быть расположены таким образом, что они могут быть торсионно скручены при прохождении кабеля вокруг внешней стороны плазменной камеры.

В качестве альтернативы, каждый кабель может включать в себя множество ВТСП-лент, расположенных вокруг медного сердечника.

Обмотка тороидального поля может дополнительно содержать систему охлаждения, предназначенную для охлаждения кабелей до 77 K или менее, более предпочтительно до 30 K или менее, более предпочтительно до 4 K или менее. Тороидальное магнитное поле при использовании составляет, необязательно, 3 Tл или более, предпочтительно 5 Tл или более, предпочтительно 10 Tл или более, более предпочтительно 15 Tл или более.

Изобретение также предлагает термоядерный реактор, содержащий плазменную камеру с центральной колонной и вышеописанную обмотку тороидального поля. Центральная колонна может содержать центральный сердечник, в котором расположен или в который вставляется соленоид. Реактор может содержать четыре или более обмотки тороидального поля.

Термоядерный реактор может быть выполнен с возможностью удержания плазмы в плазменной камере с наибольшим радиусом удерживаемой плазмы 1,5 м, предпочтительно менее чем 1,0 м, более предпочтительно менее чем 0,5 м. Реактор может иметь аспектное отношение 2,5 или менее и предпочтительно представляет собой сферический реактор-токамак с аспектным отношением 2,0 или менее.

Вокруг центральной колонны для снижения и устранения повреждения от нейтронов может быть предусмотрено экранирование. По меньшей мере участок внешней части центральной колонны может быть выполнен из не являющегося ВТСП материала, который обеспечивает экранирование против повреждения ВТСП-ленты нейтронами. Этот не являющийся ВТСП материал может быть предназначен переносить ток для усиления тороидального магнитного поля. Внешняя часть центральной колонны может быть подвергнута криогенному охлаждению, предпочтительно до 77 K, более предпочтительно до менее 40 K, для снижения резистивного нагрева. Не являющийся ВТСП материал может включать в себя бериллий и/или алюминий.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ генерирования нейтронов или энергии при работе термоядерного реактора, содержащего камеру тороидальной плазмы. Способ включает в себя возбуждение плазмы в плазменной камере, создание тороидального магнитного поля с использованием вышеописанной обмотки тороидального поля и испускание нейтронов и других энергетических частиц.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны лишь в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1A представляет собой поперечное сечение через конструкцию плазменной камеры и обмоток тороидального поля;

Фигура 1B представляет собой поперечное сечение через центральную колонну плазменной камеры по Фигуре 1A;

Фигура 2 показывает структуру одного примера ВТСП-ленты;

Фигура 3 представляет собой схематическую иллюстрацию секции кабеля, образованного многослойной лентой;

Фигура 4 иллюстрирует лифт-фактор при 20 K как функцию магнитного поля для YBCO-ленты для магнитного поля, перпендикулярного или параллельного ленте;

Фигура 5 показывает радиальное распределение (доминантного) тороидального магнитного поля в токамаке;

Фигуры 6A и 6B иллюстрируют примеры клиньев витков кабеля;

Фигура 7 показывает четверть поперечного сечения через сферический токамак с ВТСП-магнитами тороидального поля с ограниченным экранированием нейтронов и с различными конфигурациями центральной колонны для обеспечения большей устойчивости к нейтронной бомбардировке.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящая заявка основана на очень компактной форме токамака и применяет ряд инновационных особенностей, включая использование высокотемпературных сверхпроводящих магнитов. Эффективный компактный термоядерный реактор («Efficient Compact Fusion Reactor», ECFR) предназначен для обеспечения компактной термоядерной энергетической установки.

Термоядерные нейтроны получаются, когда дейтерий-тритиевая (D-T) или дейтерий-дейтериевая (D-D) плазма становится очень горячей, вследствие чего ядра сливаются, высвобождая энергетические нейтроны. На сегодняшний день наиболее многообещающим путем достижения этого является использование токамака; в традиционном подходе к термоядерному синтезу в токамаке (как реализовано с помощью ITER) плазма должна обладать высоким временем удержания, высокой температурой и высокой плотностью для оптимизации этого процесса.

Токамак демонстрирует сочетание сильного тороидального магнитного поля BT, высокого плазменного тока Ip и, как правило, большого объема плазмы и значительного вспомогательного нагрева для обеспечения горячей стабильной плазмы с тем, чтобы могло происходить слияние ядер. Для повышения температуры до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения ядерного синтеза и/или для поддержания плазменного тока, необходим вспомогательный нагрев (например, за счет десятков мегаватт инжекции пучка нейтральных частиц высокой энергии H, D или T).

Проблема состоит в том, что из-за крупного размера, сильных магнитных полей и обычно требуемых сильных плазменных токов расходы на постройку и на эксплуатацию высоки, и проектирование должно быть надежным, чтобы справляться с большой накапливаемой энергией как в магнитных системах, так и в плазме, которая имеет обыкновение «прерываться» – мегаамперные токи снижаются до нуля в течение нескольких тысячных секунды при сильной нестабильности.

Ситуация может быть улучшена за счет сжатия бубликообразного тора традиционного токамака до его предела, имеющего вид яблока с сердцевиной, – «сферического» токамака (spherical tokamak, ST). Первая реализация этой концепции в токамаке START в Кулхэме (Culham) продемонстрировала сильное повышение эффективности – требуемое для удержания горячей плазмы магнитное поле может быть снижено в 10 раз. В дополнение повышается стабильность плазмы, а затраты на постройку снижаются.

Недостаток ST состоит в том, что ограниченное пространство в центральной колонне препятствует установке значительного экранирования, необходимого для защиты центральных витков в нейтронной среде, то есть обычные витки для тороидального поля и традиционные центральные соленоиды (используемые для создания и поддержания плазменных токов) не практичны. Хотя были сконструированы энергетические установки на основе ST (с использованием сплошных медных центральных стержней с ограниченным экранированием, причем стержень заменяют каждый год или около этого при повреждении нейтронами), они обладают высоким рассеиванием энергии в центральной колонне из-за относительно высокого удельного сопротивления нагретой меди, что требует наличия крупного устройства для получения электричества, чтобы это было экономически выгодным.

Важным фактором является напряженность тороидального магнитного поля, BT. Термоядерная мощность от термического слияния ядер в токамаке пропорциональна четвертой степени BT, и поэтому токамаки проектируются на использование максимально возможной BT, совместимой со значительными нагрузками, которые на них падают, и со значительными затратами на электричество, требуемыми для энергоснабжения этих магнитов. Для минимизации этих затрат современные устройства с длительным импульсом, такие как ITER, характеризуются магнитами из низкотемпературного сверхпроводника (НТСП), охлаждаемыми жидким гелием.

Имеющееся ограничение связанного с сильным полем подхода подтверждается примером среднеразмерного проекта IGNITOR, в настоящее время разрабатываемого в качестве совместного российско-итальянского проекта: IGNITOR предназначен для достижения короткоимпульсного зажигания без необходимости в экстенсивном вспомогательном нагреве по причине его очень сильного поля BT, ~13 тесла, при наибольшем радиусе плазмы (1,43 м) и ~20 Тл на краю центрального пакета, полученного с помощью традиционных медных магнитов со стальной опорной конструкцией.

Недостатком ST-подхода является то, что из-за уменьшенного пространства в центральной колонне находящийся в ней магнит тороидального поля имеет ограниченный размер, и поэтому к настоящему времени в ST были достигнуты лишь относительно слабые тороидальные поля, менее чем 1 тесла. Эта проблема преодолевается в ECFR за счет использования высокотемпературных сверхпроводящих магнитов.

До настоящего времени предполагалось, что подход с меньшим масштабом не может привести к созданию экономически выгодной термоядерной энергетической установки, поскольку мощность инжекции входного пучка нейтральных частиц (neutral beam injection, NBI) относительно велика, а магнитные поля не достаточны для удержания горячих, заряженных альфа-частиц, полученных за счет термоядерных реакций в плазме, что, таким образом, ослабляет самонагрев, который они могут обеспечить, и что является ключевым признаком конструкций традиционных токамаков, предназначенных для получения термоядерной энергии. Однако недавние успехи в технологии могут дать возможность этим небольшим ST достичь сильного магнитного поля, как описано ниже.

Недавние успехи в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) имеют далеко идущие последствия для термоядерного синтеза. Тогда как традиционные магниты на основе низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) используют температуры в диапазоне жидкого гелия (~4 K), ВТСП могут дать сходные результаты при более удобной и легко достижимой температуре жидкого азота, составляющей 77 K или даже выше.

Но преимущества ВТСП сильно превышают затраты и удобство. Если ВТСП действительно работают при более низких температурах, чем 77 K, токонесущая способность сильно повышается, и проводник может работать при намного более сильных полях. Сочетание более сильного максимального поля, повышенной токонесущей способности и пониженной сложности средств охлаждения означает, что могут быть возможны ВТСП-магниты с очень сильными тороидальными полями в ограниченном пространстве сердечника токамака с низким аспектным отношением.

Технология высокотемпературных сверхпроводников продолжает быстро развиваться. Первое поколение ВТСП-материала, BSCCO, было быстро обойдено материалом YBCO. Кроме того, открытие новых ВТСП-материалов с принципиально более сильными критическими полями и критическими токами, быстрое улучшение технических показателей существующих материалов, таких как YBCO (или, в более общем виде, (Re)BCO, где Re – атом редкоземельного элемента), приводит к тому, что изготовленные из ВТСП магниты могут достигать все более сильных полей от все более небольших проводников. В настоящем описании будет понятно, что ВТСП-материалы включают в себя любой материал, который обладает сверхпроводящими свойствами при температурах выше примерно 30 K в слабом магнитном поле.

Характеристики ВТСП при интенсивной бомбардировке высокоэнергетическими нейтронами еще не известны, однако существует обеспокоенность, что он потребует более чем 10 см экранирования, чтобы оставаться эффективным в течение месяцев или лет работы. Эта величина экранирования может быть слишком велика для размещения вокруг центральной колонны небольшого сферического токамака. Для обеспечения возможности прохождения высокого тока через центральную колонну могут быть использованы некоторые альтернативные средства.

Фигура 1A представляет собой схематическое поперечное сечение через две обмотки 101, 104 шестиобмоточной конструкции 100 обмотки тороидального поля для использования в плазменной камере 107. Фигура 1B представляет собой поперечное сечение через центральную колонну 108 камеры 107, показывающее все шесть обмоток 101-106, каждая из которых занимает клин центральной колонны 108. Каждая обмотка 101, 102 содержит последовательность витков кабеля 109, которые включают в себя ВТСП-материал. Как более подробно описано ниже, в одном примере кабель 109 образован из слоев или других конфигураций ВТСП-ленты. Витки проходят через центральную колонну 108 и вокруг внешней стороны камеры 107. Геометрический фактор обмоток возбуждения (поля) задан как B/A, где A – наибольший радиус плазмы, удерживаемой обмотками, а B – радиус центральной колонны 108. В центральной колонне 108 обмотки отделены одна от другой не являющимся ВТСП материалом 110, таким как бериллий, медь или алюминий. Слой 111 не являющегося ВТСП материала, такого как бериллий, медь или алюминий, также может быть расположен вокруг внешней стороны витков ВТСП. Он обеспечивает экранирование от нейтронов и также может переносить некоторый ток. Обмотки охлаждаются криостатом (не показан) до низкой температуры, необязательно 77 K или предпочтительно 30 K или ниже, более предпочтительно 4 K. Экранирующий слой 111 также может быть охлажден до той же температуры.

Фигура 2 представляет собой схематическую иллюстрацию компонентов стандартной ВТСП-ленты 200. Такая лента 200, как правило, имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя электрополированную подложку 201 из сплава Хастелой толщиной приблизительно 50 микрон, на которой методом IBAD или магнетронного распыления осаждена серия буферных слоев 102 пакета, каждый толщиной приблизительно 0,2 микрона. Эпитаксиальный слой 303 ВТСП – (RE)BCO (осажденный методом химического осаждения из паров металлоорганических соединений, MOCVD) покрывает буферный слой и обычно составляет 1 микрон в толщину. На слой ВТСП распылением осажден двухмикронный слой 204 серебра, и на обе стороны ленты электроосаждением нанесены 20-микронные слои 205 медного стабилизатора. Для повышения тока в ленте толщина слоя ВТСП может быть повышена от примерно 1 микрона до 4-20 микрон. Это повышает переносимый ток от 2 до 5 раз и повышает допуск по нейтронам в 4-20 раз. Как упомянуто выше, общая толщина ленты обычно составляет 200 микрон, так что если выполнено только это изменение, увеличение толщины ленты будет составлять менее 20%.

Другой подход состоит в уменьшении толщины слоев меди 205 и сплава хастелой 201 (или других проводящих/поддерживающих слоев в ленте, не являющихся ВТСП). Деление пополам толщины этих не являющихся ВТСП слоев приблизительно удваивает плотность тока в ленте, высвобождая большее пространство для экранирования. Однако медь обладает выгодным эффектом обеспечения альтернативного пути тока, если сила тока в сверхпроводящем материале временно превышает критический ток в этом материале.

Также выгодно использование внешней, криогенно охлаждаемой бериллиевой, медной или алюминиевой центральной колонны с внутренней частью. В бериллии или алюминии могли бы возникать нежелательные резистивные потери, но они могут быть минимизированы за счет охлаждения, в идеале, до 30 K или ниже и путем соединения центральной колонны из бериллия или алюминия/ВТСП с внешними ВТСП-рукавами обмоток тороидального поля. Бериллий или алюминий выбирают, поскольку он обладает низким удельным сопротивлением при температурах 30 K или ниже и поскольку он является стойким к повреждению из-за высокоэнергетических нейтронов. Также могут быть использованы и другие элементы или материалы с этими или сходными свойствами.

Ленты могут быть выполнены в виде кабелей различными путями. Один способ состоит в наматывании участков ленты вокруг медного сердечника, чтобы медь могла обеспечить альтернативный путь тока, если сила тока в сверхпроводящем материале временно превышает критический ток в этом материале.

Альтернатива состоит в укладывании ленты слоями таким образом, чтобы нижняя лицевая поверхность одной ленты лежала непосредственно поверх верхней лицевой поверхности следующей ленты. Это позволяет очень плотно упаковывать ленту и ввести максимально возможное количество ВТСП-материала в кабель. Эта компоновка показана на Фигуре 3, которая представляет собой схематическое изображение короткого участка множества ВТСП-лент 301, уложенных одна поверх другой (пакетированных) с образованием кабеля 302. Как правило, для равномерного распределения тока между всеми лентами в кабеле целесообразно, чтобы кабель был скручен вдоль своей длины.

Однако важным и ценным признаком ВТСП-ленты на основе ReBCO является то, что хотя перпендикулярное магнитное поле обладает большим эффектом снижения критического тока, параллельное магнитное поле обладает намного менее неблагоприятными эффектами, как видно из Фигуры 4, которая показывает лифт-фактор при 20 K как функцию магнитного поля для YBCO-ленты для магнитного поля, перпендикулярного или параллельного ленте. Лифт-фактор представляет собой отношение критического тока к критическому току при 77 K и нулевом приложенном поле.

В токамаке возможно разместить ВТСП-ленты в центральной колонне 108 (местоположение наибольшего поля и наименьшего доступного пространства) таким образом, чтобы они лежали параллельно или почти параллельно тороидальному и полоидальному магнитным полям. Это позволяет критическому току материала в области с наибольшим магнитным полем быть как можно более высоким. Скручивание, требуемое для того, чтобы разделить ток между лентами в кабеле, может происходить во внешних ветвях, где магнитные поля слабее.

Даже при этом параллельном расположении лент в центральной колонне еще существует эффект сниженного критического тока в тех местоположениях, где магнитное поле наибольшее. Фигура 5 показывает радиальное распределение (доминантного) тороидального магнитного поля в токамаке, демонстрирующее максимум на краю проводника и снижение поля ближе к центру центральной колонны. Из этого очевидно, что магнитное поле вблизи центра колонны значительно ниже, чем на краю, и это означает, что критический ток для более близкого к центру ВТСП-материала будет поэтому выше, чем для ВТСП-материала вблизи края. Поэтому возможно, чтобы расположенный ближе к центру ВТСП-материал работал при более высокой плотности тока, чем расположенный ближе к краю.

Можно расположить кабели таким образом, чтобы плотность тока увеличивалась в местоположениях с наименьшим полем, особенно ближе к середине центральной колонны. Это увеличение плотности тока может быть достигнуто различными путями, включая:

i) наличие меньшего числа кабелей 601 в областях более слабого поля, но переносящих такой же ток, что и кабели 602 в областях более сильного поля (Фигура 6A), – это позволяет вместить в одно и то же пространство больше кабелей;

ii) наличие у всех кабелей 603 одинакового размера, но при этом кабели в областях более слабого поля переносят более высокий ток (Фигура 6B);

iii) сочетание обоих из вышеуказанных путей.

В каждом случае могут иметь место две или более области с различными размерами кабеля или с различным током, или с постепенной градацией от меньших кабелей в середине центральной колонны к большим кабелям ближе к внешней стороне центральной колонны и от большего тока в середине центральной колонны к меньшему току ближе к внешней стороне центральной колонны.

Магнит может быть навит в виде последовательности слоев с меньшими кабелями в областях более слабого поля, переносящими тот же ток, что и более крупные кабели в областях более сильного поля.

Для снижения вредных воздействий потока нейтронов на ВТСП-ленту она может быть расположена таким образом, чтобы полосы лежали перпендикулярно максимальному потоку нейтронов (т.е. были обращены радиально наружу от центральной колонны). Это приводит к нейтронным взаимодействиям, как правило повреждающим небольшие участки нескольких кусков ленты, а не большую полосу одиночного куска ленты. Это является выгодным, поскольку большая степень повреждения одиночного куска ВТСП-ленты и, в частности, линейный «след» по ширине ленты наиболее вероятно заставит сверхпроводник приобрести сопротивление, которое привело бы к избыточному тепловыделению, нарушая охлаждение остальной ленты. Серьезное повреждение может вызвать даже гашение магнита, что приведет к значительному повреждению обмоток. Напротив, если повреждение распределено по множественным лентам или множественным отдельным областям одной и той же ленты, повреждению в одной ленте требуется больше времени, чтобы накопиться до того момента, когда лента больше будет непригодна для использования. По сути, приемлемый срок службы ВТСП-обмоток увеличивается.

На критическое поле ВТСП-лент влияет деформация в лентах. Любая деформация будет действовать на снижение критического поля. Наматывание ленты в обмотки и испытываемые в ходе работы реактора силы имеют тенденцию вызывать деформацию (растяжение) в лентах, что снижает напряженность критического поля ВТСП и может вызвать потерю сверхпроводимости. Поэтому было бы выгодным придание лентам некоторого сжатия в процессе изготовления, вследствие чего результирующая деформация, возникающая при использовании, снижается или устраняется. Это сжатие может быть придано при наматывании обмотки или на более ранней стадии процесса. Растяжение происходит преимущественно вдоль продольной оси ленты (т.е. вдоль длины ленты, параллельно слою ВТСП) и поэтому придаваемое сжатие должно также быть вдоль этой оси. Сжатие, вызывающее деформацию в -0,2%, потенциально очень полезно и позволило бы работать с материалом вплоть до удвоения поля, возможного без предварительного сжатия. Даже повышение критического поля на 10-20% может быть крайне выгодным.

Четверть поперечного сечения сферического токамака с ВТСП-магнитами, пригодными для использования в качестве источника энергии или нейтронов, показана на Фигуре 7A. Важными особенностями этого токамака являются центральная колонна 61, которая может быть выполнена либо из ВТСП, либо из бериллия или алюминия, теплоизоляция и охлаждающие каналы 62 для обеспечения охлаждения центральной стойки, экранирование 63 для предотвращения повреждения нейтронами внешней обмотки 64, выполненной из ВТСП, криостат 65 для охлаждения ВТСП и вакуумная камера 66, которая может находиться внутри или снаружи от экранирования 63.

Существует несколько вариантов центральной стойки 61. Один вариант включает в себя ВТСП с экранированием от нейтронов или без него.

Другой вариант показан на Фигуре 7B и включает в себя внутреннюю часть 61a из бериллия, меди, алюминия или другого не являющегося ВТСП материала, канал 62a охладителя, вакуумную изоляцию 62b и тепловую изоляцию 62c. Резистивные потери в бериллии, меди или алюминии являются нежелательными, но они могут быть минимизированы за счет охлаждения, в идеале до 30 K или ниже, и за счет соединения бериллиевой, медной или алюминиевой центральной стойки с внешними ВТСП-рукавами обмоток тороидального поля. Бериллий, медь или алюминий выбраны потому, что они обладают низким удельным сопротивлением при температурах 30 K или ниже и из-за их стойкости к повреждению из-за высокоэнергетических нейтронов. Также могут быть использованы и другие элементы или материалы с этими или сходными свойствами.

Еще один вариант показан на Фигуре 7C и образован сочетанием, в котором внутренняя часть 61b выполнена из ВТСП, а внешняя часть 61c выполнена из бериллия, меди, алюминия или другого не являющегося ВТСП материала, который обеспечивает некоторое экранирование против повреждения, наносимого ВТСП нейтронами. Дополнительное экранирование от нейтронов, которое может быть добавлено в каждом варианте, подвержено пространственным ограничениям в сферическом токамаке. Оба они подвергаются криогенному охлаждению. Бериллиевая, медная или алюминиевая внешняя часть обеспечивает некоторое экранирование ВТСП. Охлаждение, в идеале до 30 K или ниже, и соединение центральной стойки из бериллия, меди или алюминия/ВТСП с внешними ВТСП-рукавами обмоток тороидального поля все еще необходимо для минимизации резистивных потерь.

Может быть использовано сочетание этих методов.

Следует учитывать, что компактные термоядерные реакторы, такие как описанные здесь, обладают намного большей площадью поверхности на единицу объема плазмы, чем токамаки больших размеров. Как правило, затраты и сложность реализации возрастают по меньшей мере линейно с ростом объема плазмы, тогда как выход энергии (которую можно рассматривать как ограниченную приемлемыми уровнями повреждения) возрастает линейно с ростом площади поверхности. В дополнение, хорошо известно, что затраты на «одно единственное в своем роде» устройство (или несколько их) будут выше, чем затраты на «многие из такого рода» устройств. Поэтому, представляется вероятным, что многие термоядерные реакторы меньших размеров будут дешевле на единицу чистой выходной мощности, чем один крупный термоядерный реактор.

Следует учитывать, что вариации вышеописанных вариантов осуществления все еще могут попадать в объем изобретения.

Изобретение относится к обмотке тороидального поля для создания тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе. Реактор содержит тороидальную плазменную камеру с центральной колонной, а обмотка тороидального поля содержит тороидальную плазменную камеру с центральной колонной, содержит множество витков, проходящих через центральную колонну и вокруг внешней стороны плазменной камеры. Каждый виток включает в себя кабель, содержащий множество пакетированных ВТСП-лент, причем каждая ВТСП-лента включает в себя один или более слоев высокотемпературного сверхпроводящего материала. ВТСП-ленты расположены таким образом, что лицевая поверхность каждой ВТСП-ленты параллельна тороидальному магнитному полю при прохождении кабеля через центральную колонну. Техническим результатом является создание более сильных магнитных полей. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Обмотка (101) тороидального поля для создания тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе, содержащем тороидальную плазменную камеру с центральной колонной, содержащая множество витков (109), выполненных проходящими через центральную колонну и вокруг внешней стороны плазменной камеры, при этом:

каждый виток (109) включает в себя кабель (302), содержащий множество пакетированных ВТСП-лент (301), причем каждая ВТСП-лента включает в себя один или более слоев высокотемпературного сверхпроводящего материала;

отличающаяся тем, что ВТСП-ленты расположены таким образом, что когда обмотка тороидального поля находится на месте в реакторе, лицевая поверхность каждой ВТСП-ленты по существу перпендикулярна направлению максимального потока нейтронов во время работы реактора при прохождении кабеля через центральную колонну.

2. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой пакетированные ВТСП-ленты расположены таким образом, что они торсионно скручены при прохождении кабеля вокруг внешней стороны плазменной камеры.

3. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой по меньшей мере один из кабелей, выполненный проходящим близко к центру центральной колонны, имеет меньшее поперечное сечение, чем кабель, выполненный проходящим через центральную колонну дальше от центра.

4. Обмотка (101) тороидального поля для создания тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе, содержащем тороидальную плазменную камеру с центральной колонной, содержащая множество витков (109), выполненных проходящими через центральную колонну и вокруг внешней стороны плазменной камеры, при этом:

каждый виток (109) включает в себя кабель (302), содержащий множество ВТСП-лент (301), причем каждая ВТСП-лента включает в себя один или более слоев высокотемпературного сверхпроводящего материала; и

отличающаяся тем, что по меньшей мере один из кабелей (601), выполненный проходящим близко к центру центральной колонны, имеет меньшее поперечное сечение, чем кабель (602), выполненный проходящим через центральную колонну дальше от центра.

5. Обмотка тороидального поля по п. 4, в которой каждый кабель включает в себя множество пакетированных ВТСП-лент.

6. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой пакетированные ВТСП-ленты расположены таким образом, что лицевая поверхность каждой ВТСП-ленты по существу параллельна полоидальному магнитному полю при прохождении кабеля через центральную колонну.

7. Обмотка тороидального поля по п. 4, в которой каждый кабель включает в себя множество ВТСП-лент, расположенных вокруг медного сердечника.

8. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой ВТСП-ленты предварительно сжаты вдоль продольной оси ленты.

9. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой упомянутый по меньшей мере один кабель, выполненный проходящим близко к центру центральной колонны, переносит ток с более высокой плотностью тока, чем кабель, выполненный проходящим дальше от центра.

10. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой верхняя и нижняя лицевые поверхности каждой ВТСП-ленты образованы из меди.

11. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой каждая ВТСП-лента содержит один или более слоев меди.

12. Обмотка тороидального поля по п. 1, дополнительно содержащая систему охлаждения, выполненную с возможностью охлаждения кабелей до 77 K или менее, более предпочтительно до 30 K или менее, предпочтительнее до 4 K или менее.

13. Обмотка тороидального поля по п. 1, в которой тороидальное магнитное поле при использовании составляет 3 Tл или более, предпочтительно 5 Tл или более, предпочтительно 10 Tл или более, предпочтительнее 15 Tл или более.

14. Термоядерный реактор (100), содержащий плазменную камеру с центральной колонной (108), отличающийся тем, что термоядерный реактор содержит обмотку (101) тороидального поля по любому из пп. 1-13.

15. Термоядерный реактор по п. 14, в которой центральная колонна содержит центральный сердечник, в котором расположен или в который вставляется соленоид.

16. Термоядерный реактор по п. 14, содержащий четыре или более обмотки тороидального поля.

17. Термоядерный реактор по п. 14, выполненный с возможностью удержания плазмы в плазменной камере с наибольшим радиусом удерживаемой плазмы 1,5 м, предпочтительно менее чем 1,0 м, предпочтительнее менее чем 0,5 м.

18. Термоядерный реактор по п. 14, причем данный реактор обладает аспектным отношением 2,5 или менее и предпочтительно представляет собой сферический реактор-токамак с аспектным отношением 2,0 или менее.

19. Термоядерный реактор по п. 14, в котором вокруг центральной колонны предусмотрено экранирование для снижения или исключения повреждения нейтронами.

20. Термоядерный реактор по п. 14, в котором по меньшей мере участок внешней части центральной колонны выполнен из не являющегося ВТСП материала, который обеспечивает экранирование против повреждения ВТСП-ленты из-за нейтронов.

21. Термоядерный реактор по п. 20, в котором не являющийся ВТСП материал во внешней части центральной колонны выполнен с возможностью переноса тока для усиления тороидального магнитного поля.

22. Термоядерный реактор по п. 21, в котором внешняя часть центральной колонны подвергается криогенному охлаждению, предпочтительно до 77 K, более предпочтительно до менее чем 40 K, для снижения резистивного нагрева.

23. Термоядерный реактор по п. 21, в котором не являющийся ВТСП материал включает в себя бериллий и/или алюминий.

24. Способ генерирования нейтронов или энергии при работе термоядерного реактора, содержащего тороидальную плазменную камеру, включающий в себя:

возбуждение плазмы в плазменной камере;

создание тороидального магнитного поля с использованием обмотки тороидального поля по любому из пп. 1-13; и

испускание нейтронов и других энергетических частиц.