СПОСОБ ДОСТАВКИ КРИОГЕННОЙ ТОПЛИВНОЙ МИШЕНИ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА, СИСТЕМА И НОСИТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК G21B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу доставки криогенной топливной мишени (далее - КТМ) для управляемого инерциального термоядерного синтеза, к системе для реализации этого способа и к носителю для использования в такой системе.

Уровень техники

В патенте РФ №2484545 (опубл. 10.06.2013) описан способ пневматической транспортировки тритийвоспроизводящих детекторов в канале наработки трития бланкета термоядерного реактора. Этот способ гарантирует отсутствие выбросов тритийсодержащего газа в атмосферу при одновременном сокращении расхода газового рабочего тела. Однако при использовании данного пневматического способа для ускорения и инжекции КТМ остается риск загрязнения атмосферы самой реакторной камеры движущим газом.

В патенте США №5017549 (опубл. 21.05.1991), выданном на электромагнитную пусковую установку на эффекте Мейсснера, предложено ускорять сверхпроводящий снаряд с помощью бегущей магнитной волны, генерируемой в линейном электромагнитном ускорителе. Такой способ ускорения отличается нестабильностью движения сверхпроводящего снаряда в поперечном движению направлении. При достаточно малом (меньше 10 мкм) зазоре между стенкой снаряда и ускоряющей трубкой трение стенки снаряда о стенку трубки вызывает нежелательный нагрев снаряда, что приведет к порче КТМ; в случае же большого зазора возникает риск расклинивания снаряда внутри трубки с остановкой движения.

В статье И.В. Ванга и Ж.Д. Ройстона «Сверхпроводящий ускоритель снарядов» (X.W. Wang and J.D. Royston. Superconducting Projectile Accelerator // Superconductivity and Applications, Edited by H.S. Kwok et al. Plenum Press, New York, 1990, pp. 727-734) представлены результаты по разработке и тестированию ускорителя, в котором используется сверхпроводящая направляющая трубка (ствол) и магнитный снаряд (магнитный диполь). До момента включения ускоряющих сил снаряд подвешивается внутри сверхпроводящего ствола, при этом контакт магнитного снаряда со стенками сверхпроводящего ствола отсутствует. Для успешного ускорения снаряда применяются электромагнитные катушки с импульсной подачей энергии. Однако движение магнитного диполя (магнитного снаряда) в этой системе неустойчиво в продольном направлении, поскольку при притяжении разноименных полюсов магнитов имеет место фазовая неустойчивость. Так, если магнитный диполь немного отстанет от ускоряющего его бегущего токового импульса, то он будет оказываться во все меньшем поле импульса, и, в конечном итоге, навсегда отстанет от него. Если же магнитный диполь излишне приблизится к нему, то он будет попадать во все большее поле, и все сильнее притягиваться к импульсу, в конечном итоге его обгонит, а затем развернется на 180°. Это является серьезной проблемой при доставке КТМ, так как длина ускорителя составляет более 5 м. Недостатки систем, основанных на ускорении магнитных снарядов (магнитных диполей), детально обсуждаются в работе S. Dolya. Acceleration of magnetic di-poles by a sequence of current-carrying turns. Technical Physics 59 (11), 1694 (2014). Кроме того, система «сверхпроводящий ствол + магнитный снаряд» требует обеспечения необходимой симметрии: коаксиальности сверхпроводящего ствола и электромагнитных катушек, а также центральной симметрии при установке магнитного снаряда в центре системы ускорения.

В патенте РФ №2635660 (опубл. 15.11.2017), который можно считать наиболее близким аналогом данного изобретения, предложен способ доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором размещают каждую КТМ в носитель; продвигают носитель вдоль транспортного канала в зону управляемого инерциального термоядерного синтеза; при этом носитель выполняют с использованием сверхпроводящего материала, а в транспортном канале формируют магнитное поле, обеспечивающее левитацию носителя над поверхностью транспортного канала. Кроме того, в этом документе описана система доставки КТМ, расположенной внутри сверхпроводящего носителя, включающая также устройство магнитной левитации этого носителя. Данная система позволяет избежать таких рисков, как: а) поперечная нестабильность движения носителя, б) порча КТМ из-за теплопритока от трения носителя о стенки, в) расклинивание носителя, г) загрязнение атмосферы самой реакторной камеры движущим газом. Однако в данном патенте не обсуждаются способы ускорения сверхпроводящего носителя с КТМ до необходимой скорости выше 400 м/с.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке такого способа доставки КТМ в камеру реактора, который преодолевал бы недостатки аналогов и гарантировал бы ускорение КТМ до скоростей выше 400 м/с, тем самым расширяя функциональные возможности.

Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ доставки криогенной топливной мишени для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором: размещают каждую криогенную топливную мишень в носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода; помещают носитель на стартовую позицию в транспортном канале, оборудованном системой из линейного электромагнитного ускорителя в виде последовательности соленоидов, магнитного рельса и управляющей схемы; разгоняют носитель со стартовой позиции с помощью линейного электромагнитного ускорителя за счет последовательного возбуждения управляющей схемой соленоидов в процессе левитации носителя над магнитным рельсом.

Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве сверхпроводника могут использовать высокотемпературный сверхпроводник второго рода.

Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что на поверхности носителя могут закреплять по меньше мере одно кольцо из сверхпроводящего кабеля.

Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в носителе могут предусматривать гнездо из теплоизолирующего материала для размещения в нем криогенной топливной мишени.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложена система доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, содержащая: линейный электромагнитный ускоритель, выполненный в виде последовательности соленоидов, установленных друг за другом вдоль оси транспортного канала, предназначенного для перемещения носителей, каждый из которых выполнен в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода и в каждом из которых размещена криогенная топливная мишень; магнитный рельс, расположенный под линейным электромагнитным ускорителем; управляющую схему, выполненную с возможностью последовательного переключения соленоидов.

Особенность системы по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что управляющая схема может содержать: оптопары, каждая из которых установлена внутри линейного электромагнитного ускорителя и смещена от соответствующих соленоидов в направлении перемещения носителя на расстояние, не превышающее длины этого носителя; конденсаторы, каждый из которых одной своей обкладкой соединен с первым выводом соответствующих соленоидов; электронные коммутаторы, каждый из которых выполнен с возможностью переключать другую обкладку соответствующего конденсатора с шины питания на второй вывод соответствующих соленоидов при прерывании сигнала с выхода соответствующей оптопары.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата в третьем объекте настоящего изобретения предложен носитель для использования в системе по второму объекту настоящего изобретения, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода с внутренней полостью для размещения криогенной топливной мишени, при этом на внешней поверхности носителя закреплено по меньшей мере одно кольцо из сверхпроводящего кабеля.

Другая особенность носителя по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве сверхпроводника может быть использован высокотемпературный сверхпроводник второго рода.

Еще одна особенность носителя по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что во внутренней полости носителя может быть выполнено гнездо из теплоизолирующего материала для размещения в нем криогенной топливной мишени.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На Фиг. 1 показано поперечное сечение криогенной топливной мишени (КТМ).

На Фиг. 2 показано продольное сечение носителя с размещенной внутри него КТМ.

На Фиг. 3 показано поперечное сечение бесконтактной системы ускорения, представляющей собой комбинацию линейного электромагнитного ускорителя, системы левитации и носителя с КТМ.

На Фиг. 4 на виде сверху показано выполнение магнитного рельса.

На Фиг. 5 показано продольное сечение бесконтактной системы ускорения с управляющей схемой.

На Фиг. 6 показаны два последовательных стоп-кадра движения левитирующего носителя (вид сбоку) после подачи ускоряющего магнитного импульса от соленоида.

Подробное описание вариантов осуществления

Способ по первому объекту настоящего изобретения может быть реализован в системе по второму объекту настоящего изобретения с помощью носителя по третьему объекту настоящего изобретения.

Как отмечено в разделе «Уровень техники», для управляемого инерциального термоядерного синтеза используют криогенные топливные мишени (КТМ). На Фиг. 1 показано поперечное сечение такой сферической КТМ, обозначенной в целом ссылочной позицией 1. КТМ 1 содержит криогенный слой 2 водородного топлива, внутри которого находится газовая полость 3. Следует отметить, что в качестве упомянутого водородного топлива используют, как правило, изотопы водорода: дейтерий или дейтерий-тритиевую смесь. Криогенный слой 2 покрыт сферической полимерной оболочкой 4. Обычные габариты КТМ 1 составляют 3-5 мм.

Непременным условием снижения риска разрушения КТМ при их доставке в область термоядерного горения является бесконтактное ускорение КТМ с их последующей инжекцией в камеру реактора инерциального термоядерного синтеза (И.В. Александрова и др. Криогенное водородное топливо для управляемого инерциального термоядерного синтеза (Концепция фабрики криогенных мишеней на основе метода FST). ВАНТ, сер. Термоядерный Синтез, 39(1), 29-53 (2016)).

В процессе доставки в камеру КТМ должна размещаться в специальном носителе, поскольку на стадии ускорения до скорости выше 400 м/с механические перегрузки на КТМ могут составлять до 500 g. При ускорении ансамбля «носитель + КТМ» существует угроза разрушения топливного слоя при выделении тепла от трения поверхности носителя о стенки ускорителя. Кроме того, наличие трения значительно снижает эффективность ускорения. Создание системы бесконтактного ускорения КТМ с последующей ее инжекцией в камеру реактора лазерного термоядерного синтеза представляет собой одну из важнейших задач в области практической реализации природоподобных технологий в системах инерциального термоядерного синтеза для производства экологически чистого топлива и выработки электрической и тепловой энергии.

В данном изобретении эта задача решается путем создания нового типа носителя КТМ и новой системы доставки этого носителя.

На Фиг. 2 показано продольное сечение носителя с размещенной внутри него КТМ 1. Носитель, обозначенный в целом ссылочной позицией 5, имеет корпус 6 в виде цилиндра из полимерного материала с полостью для размещения КТМ 1. На Фиг. 2 ссылочной позицией 7 обозначен слой из сверхпроводника второго рода, которым может быть, например, высокотемпературный сверхпроводник второго рода, к примеру, из сверхпроводящей керамики или на основе сверхпроводящей эпитаксиальной пленки. Этот слой 7, как видно на Фиг. 3, охватывает корпус 6 снизу. Однако выполнение носителя 5 может быть и иным, например, частицы сверхпроводника могут быть включены в полимерный материал корпуса 6, либо весь корпус 6 может быть изготовлен из сверхпроводника. Такое выполнение носителя раскрыто в упомянутом выше ближайшем аналоге (патент РФ №2635660).

Носитель 5 по третьему объекту настоящего изобретения отличается от этого известного выполнения тем, что на поверхности носителя 5 закреплено несколько колец (по меньшей мере одно кольцо) 8 из сверхпроводящего кабеля, например из MgB₂. В результате носитель 5 проявляет свойства магнитного диполя. Кроме того, во внутренней полости корпуса 6 может быть выполнено гнездо 9 для размещения в нем КТМ 1. Следует отметить, что либо сам корпус 6 может быть выполнен из теплоизолирующего материала, либо имеющееся в нем гнездо 9 может иметь покрытие из такого материала. В качестве теплоизолирующего материала может быть использован любой материал из группы, включающей в себя полимеры.

Носитель 5 предназначен для использования в системе доставки КТМ по второму объекту настоящего изобретения. На Фиг. 3 показано поперечное сечение такой системы доставки. Эта система представляет собой транспортный канал 10 для перемещения носителя с КТМ, имеющий круглое сечение и окруженный соленоидами (на Фиг. 3 показан один такой соленоид 11). Соленоиды 11 установлены друг за другом вдоль оси транспортного канала 10 и образуют последовательность соленоидов. Транспортный канал 10 с последовательностью соленоидов 11 составляют линейный электромагнитный ускоритель.

Ссылочной позицией 12 на Фиг. 3 обозначен магнитный рельс, расположенный под линейным электромагнитным ускорителем (под транспортным каналом 10). Выполнение магнитного рельса 12 показано на Фиг. 4. Он состоит из постоянных магнитов 13 и ферромагнитных вставок 15. Ссылочной позицией 14 обозначена состыковка постоянных магнитов 13. Направление X соответствует направлению движения носителя 5, направление Y проходит поперек транспортного канала 10, направление Z перпендикулярно плоскости магнитного рельса 12 (и плоскости Фиг. 4). В целом выполнение магнитного рельса 12 такое же, как в ближайшем аналоге (патент РФ №2635660).

На Фиг. 5 показано продольное сечение бесконтактной системы ускорения, т.е. транспортного канала 10 с магнитным рельсом 12 и с управляющей схемой. На Фиг. 5 ссылочной позицией 16 обозначены оптопары, установленные в транспортном канале 10. Каждая оптопара 16 смещена от соответствующих соленоидов (соленоида) 11 в направлении перемещения носителя 5 с КТМ 1, показанном стрелкой в левой части. Расстояние между оптопарой 16 и соответствующим соленоидом 11 не превышает длины носителя 5. Светодиоды всех оптопар 16 подключены к первому источнику 17 соответствующего питания.

Выход каждой оптопары 16, т.е. выход ее фотоприемника соединен с управляющим входом соответствующего электронного коммутатора 18, к сигнальному (переключаемому) входу которого подключена одна обкладка соответствующего конденсатора 19, соединенного другой своей обкладкой с первым выводом соответствующего соленоида (соответствующих соленоидов) 11. Второй вывод этого соленоида подключен к нормально замкнутому выходу соответствующего электронного коммутатора 18, нормально разомкнутый выход которого соединен со вторым источником 20 соответствующего питания. Из дальнейшего пояснения специалистам станет понятно, что выполнение управляющей схемы может быть и иным.

Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется следующим образом.

Каждую криогенную топливную мишень (КТМ) 1 размещают в вышеописанный носитель 5, после чего помещают «заряженный» носитель 5 на стартовую позицию в транспортном канале 10. Благодаря использованию в носителе 5 именно сверхпроводника второго рода (ссылочная позиция 7) и размещению магнитного рельса 12 под транспортным каналом 10 обеспечивается стабильная левитация носителя 5 над магнитным рельсом 12. Использование магнитного рельса 12 в комбинации с носителем 5 из сверхпроводника второго рода обеспечивает, как и в ближайшем аналоге (патент РФ №2635660), не только левитацию носителя 5, но и стабилизацию траектории его движения за счет пиннинг-эффекта, возникающего в сверхпроводнике второго рода.

В транспортном канале 10, оборудованном системой линейного электромагнитного ускорителя с управляющей схемой, формируется бегущая магнитная волна, под действием которой разгоняется носитель 5 с кольцами 8 из сверхпроводящего кабеля, придающими ему свойства магнитного диполя. Бегущая магнитная волна формируется за счет того, что как только носитель 5 на выходе их одного соленоида 11 пересекает плоскость, в которой установлена одноименная оптопара 16, пропадание сигнала вследствие такого пересечения вызывает переключение в одноименном электронном коммутаторе 18. В результате обкладка соответствующего конденсатора 19, до этого соединенная через нормально разомкнутый вывод электронного коммутатора 18 ко второму источнику 20 питания и заряженная до требуемого напряжения, замыкается на одноименные соленоиды 11. Происходит быстрый разряд конденсатора 19, приводящий к формированию импульсного магнитного поля, выталкивающего носитель 5 в направлении следующих соленоидов 11 (т.е. по стрелке на Фиг. 5). При пересечении носителем плоскости каждой следующей оптопары 16 этот процесс повторяется. В то же время оптопара 16, мимо которой пролетел носитель 5, восстанавливает свою работу, в результате чего сигнал с выхода этой оптопары 16 вызывает замыкание нормально разомкнутого вывода в электронном коммутаторе 18, и конденсатор 19 снова заряжается от источника 20 питания.

Проведенные авторами расчеты показали, что при использовании колец 8 из сверхпроводящего кабеля на основе MgB₂ в качестве ускоряемого элемента на носителе 5 можно не только ускорить КТМ 1 до требуемых скоростей (V_inj>400 м/с), но и обеспечить выполнение условия по снижению перегрузок в процессе ускорения (а<500 g) в электромагнитном ускорителе с бегущей магнитной волной. При этом длина ускорения составит 10 метров при использовании многоступенчатого ускорителя с числом соленоидов (соленоидов 11) N=400. Расчеты выполнены на основе формулы (получена в работе I.V. Aleksandrova, et al. Magnetic acceleration of the levitating sabot made from Type-II superconductors. J. Russian Laser Research, 39 (2), 140, 2018) для оценки длины ускорения:

где V_ing - скорость, которую необходимо достичь при ускорении КТМ, r - радиус колец ускорителя (соленоид), r_s - радиус ускоряемого элемента из колец сверхпроводящего кабеля с током (магнитный диполь), M_sab - полная масса ансамбля «носитель + КТМ», F_pin - сила пиннинга, V_s - объем сверхпроводящего материала, используемого в кольцах ускоряемого элемента.

На Фиг. 6 показаны два последовательных стоп-кадра движения левитирующего носителя (вид под углом 45°) после подачи ускоряющего магнитного импульса от соленоида. Этот чертеж иллюстрирует результаты эксперимента, в котором был испытан способ электромагнитного ускорения носителя по первому объекту настоящего изобретения. Эти результаты подтвердили возможность ускорения сверхпроводящего носителя 5 до скорости 1,0 м/с на длине 22,5 см (время движения 0,22 с) с помощью импульса тока от одного соленоида 11 (одноступенчатый ускоритель), что соответствует расчетным данным. В экспериментах использовались система левитации на основе магнитного рельса (Фиг. 4) и один соленоид 11, укрепленный над магнитным рельсом 12 таким образом, чтобы горизонтальные оси соленоида и левитирующего носителя 5 совпадали (Фиг. 5). Когда через соленоид 11 подается короткий импульс тока, носитель 5 приходит в движение. В эксперименте магнитный рельс 12 был выполнен на основе постоянных неодимовых магнитов (NdFeB) без покрытия с аксиальным намагничиванием. Параметры эксперимента следующие: длительность импульса тока через соленоид 1 мс, амплитуда тока 200 А (создается при разряде конденсатора емкостью 1600 мкФ), заряд конденсатора от источника 300 В, температура проведения эксперимента Т=80°К. Отметим, что за счет возможности транслировать магнитный рельс (см. ссылочную позицию 14 на Фиг. 4 и 6) с помощью набора постоянных магнитов можно легко обеспечить требуемую длину ускорения, а значит достичь требуемых скоростей выше 400 м/с.

Эксперименты также показали (Фиг. 6), что в процессе ускорения ориентация носителя 5 относительно направления движения остается постоянной.

Таким образом, в настоящем изобретении разработаны способ, система и носитель для доставки КТМ в камеру реактора, благодаря чему преодолеваются недостатки аналогов и гарантируется ускорение КТМ до скоростей выше 400 м/с. Это открывает возможность для практической реализации природоподобных технологий в системах инерциального термоядерного синтеза для производства экологически чистого топлива и выработки электрической и тепловой энергии.

Изобретение относится к средству доставки криогенной топливной мишени (КТМ) для управляемого инерциального термоядерного синтеза, системе для реализации этого способа и носителю для использования в такой системе. В заявленном способе размещают каждую криогенную топливную мишень в носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода; помещают носитель на стартовую позицию в транспортном канале, оборудованном системой из линейного электромагнитного ускорителя в виде последовательности соленоидов, магнитного рельса и управляющей схемы; разгоняют носитель со стартовой позиции с помощью линейного электромагнитного ускорителя за счет последовательного возбуждения управляющей схемой соленоидов в процессе левитации носителя над магнитным рельсом. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей средства доставки криогенной топливной мишени для управляемого инерциального термоядерного синтеза за счет повышения поперечной нестабильности движения носителя, исключения порчи КТМ из-за теплопритока от трения носителя о стенки, а также исключения расклинивания носителя и загрязнения атмосферы реакторной камеры движущим газом и обеспечения ускорения сверхпроводящего носителя КТМ до скорости выше 400 м/с. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ доставки криогенной топливной мишени для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором:

- размещают каждую криогенную топливную мишень в носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода;

- помещают упомянутый носитель на стартовую позицию в транспортном канале, оборудованном системой из линейного электромагнитного ускорителя в виде последовательности соленоидов, магнитного рельса и управляющей схемы;

- разгоняют упомянутый носитель со стартовой позиции с помощью упомянутого линейного электромагнитного ускорителя за счет последовательного возбуждения упомянутой управляющей схемой упомянутых соленоидов в процессе левитации упомянутого носителя над упомянутым магнитным рельсом.

2. Способ по п. 1, в котором в качестве упомянутого сверхпроводника используют высокотемпературный сверхпроводник второго рода.

3. Способ по п. 2, в котором закрепляют на поверхности упомянутого носителя по меньше мере одно кольцо из сверхпроводящего кабеля.

4. Способ по п. 2, в котором предусматривают в упомянутом носителе гнездо из теплоизолирующего материала для размещения в нем упомянутой криогенной топливной мишени.

5. Система доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, содержащая:

- линейный электромагнитный ускоритель, выполненный в виде последовательности соленоидов, установленных друг за другом вдоль оси транспортного канала, предназначенного для перемещения носителей, каждый из которых выполнен в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода и в каждом из которых размещена упомянутая криогенная топливная мишень;

- магнитный рельс, расположенный под упомянутым линейным электромагнитным ускорителем;

- управляющую схему, выполненную с возможностью последовательного переключения упомянутых соленоидов.

6. Система по п. 5, в которой упомянутая управляющая схема содержит:

- оптопары, каждая из которых установлена внутри упомянутого линейного электромагнитного ускорителя и смещена от соответствующих соленоидов в направлении перемещения упомянутого носителя на расстояние, не превышающее длины этого носителя;

- конденсаторы, каждый из которых одной своей обкладкой соединен с первым выводом соответствующих соленоидов;

- электронные коммутаторы, каждый из которых выполнен с возможностью переключать другую обкладку соответствующего конденсатора с шины питания на второй вывод соответствующих соленоидов при прерывании сигнала с выхода соответствующей оптопары.

7. Носитель для использования в системе по п. 5, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода с внутренней полостью для размещения криогенной топливной мишени, при этом на внешней поверхности упомянутого носителя закреплено по меньшей мере одно кольцо из сверхпроводящего кабеля.

8. Носитель по п. 7, в котором в качестве упомянутого сверхпроводника использован высокотемпературный сверхпроводник второго рода.

9. Носитель по п. 7, в упомянутой внутренней полости которого выполнено гнездо из теплоизолирующего материала для размещения в нем упомянутой криогенной топливной мишени.