Термоядерный реактор Российский патент 2019 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к ядерной физике, а именно, к устройствам для осуществления термоядерных реакций синтеза и может быть использовано для получения электрической энергии.

Известен термоядерный реактор (Грачев Л.П. Есаков И.И. Мишин Г.И. Ходатаев К.В. Возможность осуществления термоядерного синтеза в резонансном стримерном СЧ-разряде высокого давления. Российская АН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, 1992, препринт N 1577, с. 50), включающий камеру, заполненную под давлением газом, например водородом, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне упомянутой камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне ранее указанной камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, причем зеркала СВЧ-резонатора установлены на расстоянии от внутренних стен камеры, которая выполнена прямоугольной формы и концентрично расположена внутри другой камеры, а зазор между ними заполнен текучим теплоносителем.

Недостатком известного устройства является нестабильность плазменного облака и высокая скорость его остывания, обусловленная потерями энергии через излучение.

Наиболее близким по технической сущности является термоядерный реактор (Патент РФ 2076358, заявка №94021126/25), МПК G21B 1/00, оп. 27.03.1997), содержащий, вакуумную камеру, выполненную в виде полого цилиндра, каналы подачи газообразных реагентов в камеру, входной и выходной коллекторы охлаждающего вакуумную камеру теплоносителя Внутренняя поверхность камеры образована двумя теплопроводными змеевиками, у которых вход и выход выполнены раздельными. Причем вход змеевика выходит из камеры со стороны зеркала СВЧ-резонатора, а входная часть этого змеевика охватывает тыльную сторону упомянутого зеркала. Вход другого змеевика выходит из камеры со стороны второго зеркала СВЧ-резонатора, а входная часть этого же змеевика охватывает тыльную сторону уже второго зеркала и соответствующий составной элемент СВЧ-резонатора. Кроме того, входы змеевиков соединены с системой подачи теплоносителя, которым заполнены указанные змеевики.

Недостатком известного устройства является отсутствие систем удержания плазменного облака в центре вакуумной камеры, что при подвижности плазменного облака повышает вероятность контактов плазмы со стенками камеры и, как следствие, ее остывание и загрязнение, кроме того тепловое излучение плазмы интенсивно поглощается холодными стенками камеры, что приводит к дополнительному ее остыванию.

Технической задачей является обеспечение возможности регулирования тепловой мощности реактора.

Технический результат заключается в повышении стабильности плазменного шнура, увеличение его температуры.

Это достигается тем, что в известный термоядерный реактор, содержащий вакуумную камеру, выполненную в виде полого цилиндра, каналы подачи газообразных реагентов в камеру, входной и выходной коллекторы теплоносителя охлаждающего вакуумную камеру, причем вакуумная камера, внутренняя поверхность которого выстлана пористым материалом, смачиваемым расплавленным литием и образующая цилиндрический отражатель, в стенке полого цилиндра выполнены продольные каналы для охлаждающего теплоносителя, подаваемого в каналы с помощью входного коллектора и отводимого из каналов с помощью выходного коллектора, входной и выходной коллекторы выполнены со скользящими уплотнениями по торцевым сторонам вакуумной камеры, по оси торцевых сторон выполнены скользящие и изолированные вводы каналов подачи газообразных реагентов, к которым прикладывается постоянное напряжение, вызывающее пробой газового наполнения камеры и формирование первичного плазменного шнура, с внешней стороны вакуумной камеры размещены СВЧ-излучатели, осуществляющие разогрев лития в пористом слое на внутренней поверхности вакуумной камеры, и магнитные системы, линии магнитного поля которых проникают внутрь вакуумной камеры и формируют воздействие на плазменный шнур в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры, которая опирается на роликовые подшипники, закрепленные на корпусе реактора и обеспечивающие возможность вращения камеры вокруг продольной оси и препятствующие продольному ее перемещению, с помощью электродвигателя и шестеренчатой пары вакуумная камера осуществляет вращение вокруг продольной оси.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема термоядерного реактора, на фиг. 2 изображен продольный разрез вакуумной камеры, а на фиг. 3 изображен поперечный разрез вакуумной камеры.

Термоядерный реактор содержит вакуумную камеру 1, каналы 2 и 3 подачи газообразных реагентов в камеру 1, входной и выходной коллекторы 4 и 5 охлаждающего вакуумную камеру 1 теплоносителя, причем вакуумная камера 1 выполнена в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта пористым материалом 6, смачиваемым расплавленным литием и образующая цилиндрический отражатель, в стенке полого цилиндра выполнены продольные каналы 7 для охлаждающего теплоносителя, подаваемого в каналы 7 с помощью входного коллектора 4 и отводимого из каналов 7 с помощью выходного коллектора 5, входной и выходной коллекторы 4 и 5 выполнены со скользящими уплотнениями по торцевым сторонам вакуумной камеры 1, по оси торцевых сторон выполнены скользящие и изолированные металлические вводы каналов 2 и 3 подачи газообразных реагентов, к которым прикладывается постоянное напряжение, вызывающее пробой газового наполнения камеры 1 и формирование первичного плазменного шнура 8, с внешней стороны вакуумной камеры 1 размещены СВЧ-излучатели 9 и 10, осуществляющие разогрев лития в пористом материале 6 на внутренней поверхности вакуумной камеры 1, и магнитные системы 11 и 12, линии магнитного поля которых проникают внутрь вакуумной камеры 1 и формируют воздействие на плазменный шнур 8 в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры 1, опирающейся на роликовые подшипники 13, закрепленные на корпусе реактора и обеспечивающие вращение камеры 1 вокруг продольной оси и препятствующие продольному ее перемещению, при этом электродвигателем 14 и шестеренчатой парой 15 вакуумная камера 1 приводится во вращение вокруг продольной оси.

Термоядерный реактор работает следующим образом.

Рабочий цикл реактора начинается с включения электродвигателя 14 и приведением во вращение вокруг продольной оси цилиндрической вакуумной камеры 1. Одновременно с помощью СВЧ-нагревателей 9 и 10 осуществляется разогрев лития в пористом материале 6. После расплавления лития он равномерно за счет вращения вакуумной камеры и воздействия центробежных сил распределяется по объему пористого материала 6, образуя цилиндрический отражатель. После того как будет сформирована поверхность отражателя, в вакуумную камеру 1 по каналу 2, имеющим вращающееся уплотнение, подается смесь газообразных реагентов, например, смесь водорода, дейтерия и трития, и при подаче высокого постоянного напряжения к изолированным вводам каналов 2 и 3 происходит пробой в смеси газов и формирование первичного, так как начальная температура в шнуре недостаточна для осуществления реакции синтеза, плазменного шнура в вакуумной камере.

Следующий этап работы реактора заключается в постепенном повышении температуры в плазменном шнуре, что реализуется за счет омического нагрева шнура подведенным к вводам каналов 2 и 3 постоянным напряжением. Термодинамическое состояние плазмы, находящейся в разряженной газовой среде, определяется только потерями энергии от излучения. Поскольку плазменный шнур находится в центре цилиндрического зеркала, то большая часть теплового излучения от шнура возвращается ему же. Такой способ условной теплоизоляции позволяет создать предпосылки для быстрого повышения температуры в плазменном шнуре до температур начала реакций синтеза.

Стабильность плазменного шнура обеспечивается двумя или более магнитными системами 11 и 12, расположенными вне камеры 1. Магнитное поле проникает внутрь камеры 1 и на токопроводящий плазменный шнур по правилу левой руки оказывает воздействие, направленное к оси цилиндрической камеры. Если учесть, что камера 1 вращается вокруг своей оси, то отклонение плазменного шнура в любую сторону от осевого положения будет скорректировано магнитными системами. Магнитные системы выполняют функцию ручного отжима - скручивают и сдавливают плазменный шнур. Стабилизации плазменного шнура непосредственно влияют на повышения температуры шнура. В связи с тем, что фиксация плазменного шнура в фокусе цилиндрического отражателя позволяет вернуть шнуру значительную часть излученной шнуром энергии и, тем самым, при подводе энергии к шнуру добиться повышения его температуры.

При достижении температур ядерного синтеза в вакуумной камере в плазменном шнуре происходит слияние ядер газообразных реагентов с выделением огромного количества тепла. Контролировать тепловыделение можно двумя путями. Во-первых, задавая концентрацию дейтерия и трития в вакуумной камере 1, и, во-вторых, управляя условиями, необходимыми для существования реакций синтеза. Один из вариантов второго направления заключается в управлении продолжительностью реакции синтеза. Если начало реакции определяется многими факторами и является по сути случайным, фиксируемым скачком теплового излучения, то окончание однозначно определяется снятием постоянного напряжения с изолированных вводов 2 и 3. При этом по плазменному шнуру перестает протекать ток и перестают действовать силы, сдавливающие плазменный шнур. Расширяясь, плазма выбрасывается на литиевое покрытие внутренней стенки камеры, испаряя часть лития и естественно охлаждаясь. Эти факторы: уменьшение концентрации и снижение температуры, неизбежно вызывают срыв реакции синтеза. Такой время-импульсный принцип работы реактора позволяет контролировать его тепловую мощность в требуемых пределах.

Повышение стабильности плазменного шнура достигается за счет вращения в магнитном поле цилиндрической вакуумной камеры 1 вокруг продольной оси и создания постоянного тока в плазменном шнуре.

Повышение температуры плазменного шнура достигается за счет удержания шнура на оси цилиндрической камеры и в фокусе цилиндрического отражателя, обеспечивая возврат большей части теплового излучения назад плазменному шнуру.

Импульсный принцип работы реактора позволяет контролировать его тепловую мощность в требуемых пределах.

Использование изобретения позволяет обеспечить регулирование тепловой мощности реактора, при этом повысить стабильность плазменного шнура и увеличить его температуру.

Изобретение относится к термоядерному реактору. Реактор содержит вакуумную камеру, каналы подачи газообразных реагентов в камеру, входной и выходной коллекторы охлаждающего камеру теплоносителя. Камера выполнена в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта пористым материалом, смачиваемым расплавленным литием и образующая цилиндрический отражатель, в стенке полого цилиндра выполнены продольные каналы для охлаждающего теплоносителя, подаваемого с помощью входного коллектора и отводимого с помощью выходного коллектора. Входной и выходной коллекторы выполнены со скользящими уплотнениями по торцевым сторонам вакуумной камеры, по оси торцевых сторон выполнены скользящие и изолированные металлические вводы каналов подачи газообразных реагентов, к которым прикладывается постоянное напряжение, вызывающее пробой газового наполнения камеры и формирование первичного плазменного шнура. С внешней стороны вакуумной камеры размещены СВЧ-излучатели, осуществляющие разогрев лития в пористом материале на внутренней поверхности вакуумной камеры, и магнитные системы, линии магнитного поля которых проникают внутрь вакуумной камеры и формируют воздействие на плазменный шнур в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры, опирающейся на роликовые подшипники, обеспечивающие вращение камеры. Техническим результатом является регулирование тепловой мощности реактора, повышение стабильности плазменного шнура и увеличение его температуры. 3 ил.

Термоядерный реактор, содержащий вакуумную камеру, каналы подачи газообразных реагентов в камеру, входной и выходной коллекторы теплоносителя, охлаждающего вакуумную камеру, отличающийся тем, что вакуумная камера выполнена в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта пористым материалом, смачиваемым расплавленным литием, и образующая цилиндрический отражатель, в стенке полого цилиндра выполнены продольные каналы для охлаждающего теплоносителя, подаваемого в каналы с помощью входного коллектора и отводимого из каналов с помощью выходного коллектора, по оси торцевых сторон выполнены скользящие и изолированные вводы каналов подачи газообразных реагентов, к которым приложено постоянное напряжение, вызывающее пробой газового наполнения вакуумной камеры и формирование первичного плазменного шнура, с внешней стороны вакуумной камеры размещены СВЧ-излучатели для разогрева лития в пористом слое на внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры и магнитные системы, линии магнитного поля которых проникают внутрь вакуумной камеры и формируют воздействие на плазменный шнур в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры, которая установлена на роликовые подшипники, закрепленные в реакторе и обеспечивающие вращение вакуумной камеры вокруг продольной оси, с помощью электродвигателя и шестеренчатой пары цилиндрическая вакуумная камера приводит вращение вокруг продольной оси.