УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА В СИСТЕМЕ НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ Российский патент 2024 года по МПК H05H7/06 

Область техники

Изобретение относится к области ядерной физики и технике высоких плотностей энергии и может быть использовано для повышения интенсивности ядерных реакций и осуществления энергетически выгодных реакций ядерного синтеза.

Уровень техники

Встречные пучки – два пучка, летящих навстречу друг другу и сталкивающихся ускоренных заряженных частиц. Это основной экспериментальный метод изучения структуры материи и фундаментальных взаимодействий на сверхмалых расстояниях. Известны системы на встречных пучках (СВП) - установки, в которых осуществляются столкновения встречных пучков заряженных частиц.

Так, например, из публикации https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/114/617.htm известны основные сведения об ускорителях на встречных пучках (УВП), в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренных электрическим полем до высоких энергий. Основная характеристика системы со встречными пучками – величина, которая определяет число (N) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью установки. Параметром светимости характеризуются экспериментальные возможности установки на встречных пучках. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10^-26–10^-32 см², величина светимости L составляет 10²⁸–10³² см^-2сек^-1. Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков.

Из патента РФ №2546960 известно устройство для проведения реакции управляемого ядерного синтеза, содержащее вакуумированный кольцевой канал со стенкой, выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось в виде выпуклой гладкой линии, и два инжектора ускоренных ионов легких элементов, установленных с возможностью введения в указанный канал этих ионов в одном и том же или встречных направлениях, при этом указанный канал снабжен прилегающей к его внешней поверхности электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием, являющимися электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

Недостаток известного решения заключается в том, что n - концентрация ионов в указанном канале не может превышать величину:

$$n=\frac{2E_{пр.}{\epsilon }_0}{Re}$$

где E_пр. – электрическая прочность «материала, способного к электризации» (т.е. его пробивное напряжение), ε₀ – электрическая постоянная, R – радиус канала, e – элементарный заряд. Таким образом, даже при диаметре канала 1 см максимальная допустимая концентрация ионов в канале не может превышать 2 10¹⁸ м^-3, что в 50 раз меньше величины концентрации ионов в камере Международной установки ИТЭР. Соответственно, выделяемая удельная мощность при реакции синтеза будет в 2500 раз меньше удельной мощности, которую планируют получить на ИТЭР, что снижает возможности практического применения известного решения.

Наиболее близким к заявляемому является решение, раскрытое в источнике Г.И. Будкер, «Ускорители со встречными пучками частиц». УФН, 1966, Т.89, №4, С. 533. В соответствии с данным источником информации заряженные частицы (электроны, адроны) ускоряются с помощью бустеров (ускорителей-инжекторов) и инжектируются в кольцо СВП. Изоляция частиц пучков от стенок установок и удержание их на заданной орбите производится с помощью магнитного поля.

Недостатком данного решения является относительно низкая светимость, которая ограничивается предельно достижимым количеством частиц в пучках, в свою очередь ограниченным неустойчивостью, возникающей при встрече пучков.

В настоящее время максимальная светимость СВП не превышает 10³⁴ см^-2с^-1. Такая светимость достаточна для проведения исследований, в которых регистрируются отдельные события (столкновения), но совершенно недостаточна для использования СВП в технологических целях для получения макроскопических количеств вещества или энергетически выгодных ядерных реакций синтеза. Для этих целей светимость СВП должна быть повышена как минимум на 8 порядков. Существующие в настоящее время СВП не имеют промышленного применения и используются исключительно в исследовательских целях именно в результате низких значений светимости СВП.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в создании промышленно применимого устройства для осуществления ядерных реакций синтеза в системах на встречных пучках, с высокой удельной выходной тепловой мощностью, т.е. установки, имеющей повышенную светимость, что обеспечит удельную выходную мощность на уровне 10⁷ – 10⁸ Вт/м³.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении повышения светимости СВП в результате увеличения концентрации частиц во встречных пучках.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для осуществления ядерных реакций синтеза в системе на встречных пучках, включающем кольцевую вакуумную камеру с двумя внешними ускорителями заряженных частиц, обеспечивающими формирование в объеме кольцевой камеры встречных потоков заряженных частиц одного знака, представляющих собой ионы реагирующих элементов, согласно техническому решению, стенка кольцевой вакуумной камеры выполнена из диэлектрического материла, при этом вокруг камеры по внутренней и внешней окружности кольца размещены, соответственно, внутренний и внешний металлические кольцевые электроды, выполненные с возможностью подключения к источнику высокого напряжения и формирующие кольцевой конденсатор. Устройство снабжено защитным кожухом, внутри которого размещена кольцевая камера с кольцевым конденсатором. В качестве диэлектрического материала кольцевой камеры может быть использовано стекло. Внешний и внутренний кольцевые металлические электроды расположены в одной плоскости. Плоскость размещения кольцевых электродов параллельна плоскости ленточного пучка заряженных частиц, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры.

Реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных ленточных пучках, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры, которые формируются за счет того, что исходные пучки ускоренных ионов электрическим полем кольцевого конденсатора прижимаются к внутренней стенке кольцевой вакуумной камеры.

Заявленный технический результат достигается путем использования для изоляции пучков от стенки вакуумной камеры эффекта управляемого «гайдинга», при котором происходит самоизоляция пучков ускоренных заряженных частиц (ионов, электронов) при их протяженном скользящем взаимодействии с поверхностью диэлектрической стенки (N. Stolterfoht, Y. Yamazaki, Guiding of charged particles through capillaries in insulating materials. Physics Reports. 2016,V.629,P.1–107).

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующей принципиальной схемой, представленной на фиг.1.

Позициями на схеме обозначены:

1. Вакуумная система

2. Ускорители заряженных частиц

3. Система управления пучками

4. Кольцевая вакуумная камера СВП (в дальнейшем: камера СВП)

5. Кольцевой конденсатор

6. Ленточные скользящие пучки (ЛСП)

7. Защитный корпус

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство содержит кольцевую вакуумную камеру 4, стенки которой выполнены из диэлектрического материала (например, из стекла). К камере подключена система 1 для создания вакуума в рабочем объеме кольцевой камеры. Вакуумная система может быть реализована, например, в виде откачивающего вакуумного насоса, подключенного к кольцевой камере посредством патрубков. Камера также соединена с двумя ускорителями заряженных частиц 2. В качестве таких ускорителей могут быть использованы линейные ускорители, описанные, например, в следующем источнике информации: https://www.dvfu.ru/upload/medialibrary/6e4/wh5wfiefg4av17xd030afgpfdzk8l300/Кульчин_Ускорители%20заряженных%20частиц%20и%20синхротронное%20излучение.pdf. Пучки ускоренных ионов или электронов проходят через систему 3 управления пучками заряженных частиц. Принципиальная схема системы управления пучками представляет собой два плоских конденсатора, расположенных друг за другом, на осевой линии, которая совпадает с осью распространения пучка, но электрические поля этих конденсаторов перпендикулярны друг другу. Изменением напряжения на конденсаторах изменяют направление распространения пучка. Перпендикулярно направленные электрические поля этих плоских конденсаторов позволяют регулировать направление движения пучков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (Электростатические ускорители заряженных частиц / Под ред. акад. А. К. Вальтера М.: Госатомиздат. 1963. 302 с.).

С внешней стороны кольцевой камеры СВП 4 сформирован кольцевой конденсатор 5 в виде внешнего и внутреннего электродов, расположенных по внешней и внутренней окружностям камеры. Электроды кольцевого конденсатора эквидистантны камере и друг другу. В качестве электродов могут быть использованы металлические пластины, изогнутые в форме колец. Каждое кольцо кольцевого конденсатора – это электрод. Плоскость, в которой электроды образуют кольцо, параллельна плоскости, в которой встречные пучки внутри камеры образуют замкнутые кольца. Электрическое поле кольцевого конденсатора должно иметь направление, перпендикулярное направлению движения встречных пучков. С помощью электрического поля этого конденсатора встречные пучки ионов прижимаются к внутренней поверхности кольцевой вакуумной камеры СВП, вдоль которой скользят навстречу друг другу. Электроды кольцевого конденсатора подключены к источнику высокого напряжения, позволяющему получать напряженность электрического поля в конденсаторе (и, следовательно, в объеме кольцевой вакуумной камеры СВП) достаточную, чтобы прижать пучки заряженных частиц к стенке кольцевой вакуумной камеры СВП – 10⁵ – 10⁶ В/м. Эти электроды изолированы во избежание короткого замыкания. Кольцевая камера вакуумная камера СВП с внешними электродами кольцевого конденсатора размещена в защитном корпусе 7, выполненном, например, из металла.

Заявляемое устройство для осуществления ядерных реакций представляет собой систему на встречных пучках, в которой реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных пучках, скользящих по внутренней диэлектрической поверхности кольцевой вакуумной камеры СВП. Пучки реагирующих ионов, скользящие по поверхности диэлектрической стенки, формируются с помощью поперечного электрического поля кольцевого конденсатора, расположенного вокруг кольцевой вакуумной камеры СВП и прижимающего пучки к поверхности диэлектрической стенки кольцевой камеры. Минимальный радиус r_min кольца камеры СВП определяется по формуле:

$$r_{\min }=\frac{2W}{E_{пр.}}$$ ,

где W – энергия пучка в эВ, E_пр. – электрическая прочность диэлектрика, из которого сделана камера СВП (т.е. его пробивное напряжение). При энергии пучка 100 кэВ r_min составит 2 мм.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. С помощью вакуумной системы 1, подключенной к кольцевой вакуумной камере СВП, в объеме этой камеры создают вакуум с остаточным давлением не выше 10^-6 Торр. Пучки ускоренных ионов, полученные с помощью ускорителей 2 и имеющие энергию, достаточную для осуществления требуемой ядерной реакции, с помощью системы управления пучками 3 вводят в объем кольцевой вакуумной камеры СВП 4 навстречу друг другу вдоль электродов кольцевого конденсатора 5. В объеме вакуумной камеры СВП 4 пучки ускоренных заряженных частиц электрическим полем кольцевого конденсатора 5 прижимаются к внутренней диэлектрической поверхности вакуумной камеры СВП. За счет явления «гайдинга» пучки изолируются от столкновения с диэлектрической стенкой и формируются ленточные скользящие пучки (ЛСП) 6, скользящие вдоль поверхности диэлектрической стенки. Встречные ЛСП 6 сталкиваются друг с другом в объеме камеры СВП с протеканием необходимой ядерной реакции. Столкновения встречных пучков в устройстве происходят многократно, поскольку частицы пучков, не прореагировавшие при однократном прохождении объема камеры СВП, принимают участие в последующих столкновениях пучков, не оседая на диэлектрическом покрытии. Максимальная суммарная концентрация частиц во встречных пучках в СВП ограничивается электрической прочностью диэлектрика, из которого выполнена вакуумная камера СВП.

Физически, процессы, протекающие в заявляемом устройстве при его работе, поясняются следующим образом.

Камера СВП вакууммируется до остаточного давления не выше 10^-6 Торр. В камеру СВП навстречу друг другу из внешних ускорителей направляются два пучка заряженных частиц (ионы, электроны), имеющих заряд одного знака, и обладающих энергией, необходимой для осуществления заданной реакции. На металлические электроды кольцевого конденсатора подают постоянное напряжение такой полярности, чтобы создаваемое конденсатором электрическое поле прижимало пучки к внутренней поверхности диэлектрической стенки камеры СВП. Диэлектрическая стенка за счет упавших на него заряженных частиц пучков приобретает электрический заряд того же знака, что и частицы пучков. За счет упомянутого выше явления «гайдинга» на находящиеся в объеме камеры СВП частицы пучков начинает действовать градиентная сила, отталкивающая их от заряженной диэлектрической стенки. При этом между пучками заряженных частиц и диэлектрической стенкой камеры СВП, к которой электрическим полем кольцевого конденсатора прижимаются частицы встречных пучков, не происходит обмен энергией, и пучки совершают многократные витки в камере СВП. Так как при движении ускоренных пучков в камере СВП не происходит потерь энергии частиц пучков из-за изоляции их от стенки за счет явления «гайдинга», частицы встречных пучков будут многократно сталкиваться друг с другом, и при столкновении будут происходить заданные ядерные реакции. Эти реакции можно использовать для синтеза ядер других элементов или для получения энергии ядерного синтеза. В заявляемом устройстве «гайдинг» является управляемым во всем допустимом диапазоне напряженности, которое выдерживает без электрического пробоя диэлектрическая стенка камеры СВП. Управление параметрами ядерной реакции проводится за счет изменения величин напряженности электрического поля конденсатора и тока, инжектируемых пучков.

Повышение светимости и, соответственно, повышение интенсивности ядерных реакций на несколько порядков по сравнению с известными значениями в заявляемом устройстве будет осуществляться за счет повышения концентрации заряженных частиц во встречных пучках на 4-5 порядков. Так как пучки заряженных частиц в заявленном устройстве прижимаются электрическим полем кольцевого конденсатора к диэлектрической стенке и одновременно изолируются от контакта с ней за счет явления «гайдинга», то двигаться пучки будут в узком приповерхностном слое, т.е. будут представлять собой «ленточные пучки заряженных частиц», скользящие вдоль диэлектрической поверхности стенки камеры СВП. Максимальная концентрация заряженных частиц в камере СВП ограничена величиной электрической прочности E_пр диэлектрика, из которого сделана стенка камеры СВП_.. Толщину ленточного скользящего пучка (ЛСП) можно оценить, как равную среднему расстоянию между частицами скользящего пучка:

,

где a – толщина ЛСП, e – элементарный заряд, E_пр. – электрическая прочность диэлектрика, E – напряженность поля кольцевого конденсатора, ε₀ - электрическая постоянная. Соответственно, концентрация заряженных частиц в ЛСП будет составлять:

.

Современные диэлектрические материалы обладают электрической прочностью до E_пр. ~ 10⁸ В/м. Таким образом, концентрация частиц в ЛСП составляет до 10²³ м^-3. Как известно, светимость СВП при равной концентрации n во встречных пучках прямо пропорциональна n² (Г.И.Будкер, Ускорители со встречными пучками частиц. УФН, 1966, Т.89, №4, С. 533.). Для сравнения рассмотрим два СВП с камерой прямоугольного сечения. При сравнении концентрации частиц пучков n_экв в СВП, частицы пучка которой равномерно распределены по объему (прототип), с концентрацией частиц n в СВП на ЛСП (заявляемое устройство) получены следующие выводы: при равной ширине поперечного сечения пучка и равных значениях светимости СВП эквивалентная равномерная по объему устройства концентрация заряженных частиц в заявляемом устройстве составит:

,

где S_ск. – площадь поперечного сечения скользящего пучка, S_экв. - площадь поперечного сечения эквивалентного пучка, a – толщина ЛСП, b - расстояние между электродами кольцевого конденсатора, Так, при , n_экв. ~ 10²⁰ – 10²¹ м^-3. Такая концентрация заряженных частиц на 4 – 5 порядков превышает достигнутую в настоящее время концентрацию в СВП при магнитной изоляции частиц от стенки. Таким образом, соответствующая светимость, полученная в заявляемом устройстве, позволяющем получить СВП на ЛСП, превысит известную на 8 – 10 порядков, что позволит использовать данное устройство не только в целях исследований, но и в промышленном комплексе.

Например, при проведении в устройстве СВП заявляемой конструкции ядерной реакции синтеза:

d + t = ⁴He + n + 17,6 Мэв

может быть получена удельная выходная тепловая мощность до 10⁸ Вт/м³ (что соответствует удельной мощности двигателя внутреннего сгорания) при затраченной на проведение реакции удельной мощности ~ 10⁵ – 10⁶ Вт/м³, т.е. может быть осуществлена энергетически выгодная реакция ядерного синтеза.

В заявляемом устройстве могут быть осуществлены и другие энергетически выгодные ядерные реакции синтеза.

Например, экологически чистые реакции, не имеющие нейтронного выхода:

p + ¹¹B = 3 ⁴He + 8,7 МэВ или

d + ³He = ⁴He + p + 18,4 МэВ.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает повышение концентрации во встречных пучках ускоренных заряженных частиц. По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает повышение максимально достижимой концентрации заряженных частиц во взаимодействующих пучках ускоренных заряженных частиц на 4-5 порядков и, как следствие этого, повышение интенсивности ядерных реакций, что позволяет считать такое устройство удовлетворяющим требованиям критерия «промышленная применимость», в том числе позволяющим осуществлять энергетически выгодные реакции ядерного синтеза.

Изобретение относится к области ядерной физики и технике высоких плотностей энергии и может быть использовано для осуществления реакции ядерного синтеза. Устройство включает кольцевую вакуумную камеру с двумя внешними ускорителями заряженных частиц, обеспечивающими формирование в объеме кольцевой камеры встречных потоков заряженных частиц одного знака. Стенка кольцевой вакуумной камеры выполнена из диэлектрического материла, причем вокруг камеры по внутренней и внешней окружности кольцевой камеры размещены, соответственно, внутренний и внешний металлические кольцевые электроды, выполненные с возможностью подключения к источнику высокого напряжения и формирующие кольцевой конденсатор. Техническим результатом является повышение светимости за счет увеличения концентрации частиц во встречных пучках. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для осуществления ядерных реакций синтеза в системе на встречных пучках, включающее кольцевую вакуумную камеру с двумя внешними ускорителями заряженных частиц, обеспечивающими формирование в объеме кольцевой камеры встречных потоков заряженных частиц одного знака, представляющих собой ионы реагирующих элементов, отличающееся тем, что стенка кольцевой вакуумной камеры выполнена из диэлектрического материла, при этом вокруг камеры по внутренней и внешней окружности кольца размещены, соответственно, внутренний и внешний металлические кольцевые электроды, выполненные с возможностью подключения к источнику высокого напряжения и формирующие кольцевой конденсатор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных ленточных пучках, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры, которые формируются за счет того, что исходные пучки ускоренных ионов электрическим полем кольцевого конденсатора прижимаются к внутренней стенке кольцевой вакуумной камеры.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено защитным кожухом, внутри которого размещена кольцевая камера с кольцевым конденсатором.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве диэлектрического материала кольцевой вакуумной камеры используют стекло.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний и внутренний кольцевые металлические электроды расположены в одной плоскости.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскость размещения кольцевых электродов параллельна плоскости ленточного пучка заряженных частиц, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры.