Устройство для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием Советский патент 1987 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к разработкам импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием на основе сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП). Известно устройство, в котором предполагается транспортировать энер гию от генераторов к мишени, находя ш;ейся во взрьшной камере, в форме электромагнитной энергии с помощью вакуумных линий с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ). Недостатком такого устройства является уничтожение отно сительно сложных и дорогостоящих участков ВЛМИ при каждом взрьгое мишени, т.е. с частотой 0,1-1 Гц, что повьшает стоимость производимой энер гии и выдвигает сложные технические вопросы быстрой замены поврежденных участков ВЛМИ и получения в них ваку ума .10 торр. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уст ройство, содержащее генераторы сильноточных РЭП, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, и магнитную систему в виде двух соосных соленоидальных катушек, обмотки которых включены навстречу одна другой. Сильноточные РЭП, генерируемые одновремекГно, транспортируются от модулей до мишени, расположенной на расстоянии 6-10 м, с помощью ведущего магнитного поля остроугольной гео метрии, создаваемого двумя соосными соленоидными катушкаьш, в средней плоскости между которыми расположены генераторы РЭП. Транспортировка РЭП идет вдоль экваториальной плоскости по радиусам в центральную область со слабым полем, в центре которой находится мишень. Основным недостатком известного устройства является низкий (меньше 5%) ожидаемый КПД транспортировки РЭП на мишень при большом отношении радиуса инжекции РЭП к радиусу мишени. Недостатком данного устройства является также замедление процесса вьзделения энергии РЭП на мишени, т.е. падение мощности энерговыделения при увеличении размеров системы, Это связано с тем, что релятивистский электрон, не попавший в мишень при лервом пролете, ушедший вдоль экваториальной глоскости в -сторону генераторов РЭП и отраженный обратно полем диода, может вернуться обратно к MHmevfti только через 20-30 с (при диаметре взрывной камеры 6 м), что сравнимо с полной длительностью импульса РЭП (60 не). Цель изобретения - повьш)ение КПД транспортировки сильноточных РЭП на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием. Указанная цепь достигается тем, что для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием используется устройство, содержащее генераторы РЭП, оканчивающиеся вакуумными диодами, и взрывную , заполненную газом, в центре которой расположена мишень, магнитную систему, при этом магнитная система вьтолнена в виде трех соосных соленоид.альных катушек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, обмотки которых включены навстречу одна другой, дополнительные соленоидные катушки, охватываю- mjie каждый из диодов и создающие продольное по отношению к диодам магнитное поле, электроды с щелями, расположенные с внешней стороны каждого из высоковольтных диодов и на внутренней стенке взрывной камеры против каждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения, который одним полюсом подключен к электродам на внутренней стенке взрывной камеры, а другим - к электродам на диодах и к мишени, а генераторы РЭП расположены между соленоидальными катушками большого диаметра в двух плоскостях, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, и снабжены диодами с катодами, выполненными в форме ножевых электродов. На фиг.1 приведено предлагаемое устройство, вертикальное сечение; на фиг.2 - то же, горизонтальное сечение. Предлагаемое устройство содержит три соосные основные соленоидные, катушки 1 с обмотками, включенными навстречу одна другой в соседних катушках, расположенных горизонтально одна над другой, вне рабочего объема взрывной камеры 2. Основные соленоидные катушки создают ведущее магнитное поле 3 с двойной остроугольной геометр.ией с двумя экваториальными плос костями 4. В экваториальных плоскостях основных соленоидных катушек 1 равномерно по кругу расположены дополнительные соленоидные катушки 5 с осями, направленными по радиусам внутрь взрывной камеры 2, и создающие сильные локальные магнитные поля Соленоидные катушки 1 и 5 размещаются одна относительно другой на таком расстоянии, чтобы обеспечить плавный переход от сильных локальных магнитных полей дополнительных катушек 5 к ведущему магнитному полю основных ка тушек 1. Внутри дополнительных катушек 5, в двух плоскортях (плоскостях инжекции), параллельных экваториальным плоскостям, расположены высоковольтные вакуумные диоды 6, подключенные через вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) 7 к генераторам сильноточных РЭП 8. Каждый диод 6 состоит из тонкого, плоского, протяженного катода (катодный нож) 9, укрепленного на высоковольтном электроде ВЛМИ 10, и анода 11 из тонкой фольги, обеспечивающей прохож дение через нее РЭП с малым рассеянием. Катодные ножи 9, высота которых в. несколько раз превьшгает величи ну зазора между кройкой ножа и анодом, составляют одинаковые части колец большого круга, расположенных в плоскостях инжекции, параллельных экваториальным плоскостям 4 и смещен ных от них на небольшое расстояние, превышающее толщину пучка, в сторону средней соленоидной катушки 1. В толстых стенках взрывной камеры 2 большого диаметра ( 6 м), рассчитанной на удержание мощного взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва Т 10 Дж), имеется ряд узких плоских отверстий 12, сквозь которые РЭП попадают в рабочий объем взрывной камеры. Взрывнаякамера содержит газ (воздух) при низком давлении, состав яяющем несколько миллиметров ртутного столба. Для создания плазменных каналов 13 в устройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подключен к входным электродам 15 со щелями, укрепленным с внешней стороны диодов 6 н к мишени 16 с проводниками, а другим - к выходным электродам с щелями 17, расположенным на внутранней стенке взрывной камеры 2. Плазменные каналы 13 заполняют силовые трубки ведущего магнитного поля, начинающиеся на электродах 15 по обе стороны от средней катушки 1 и оканчивающиеся на мишени I6 и укреплен- , ных на ней диске и проводниках. Плазменные каналы 13 (как и инжектируемые пучки) имеют вначале вид тонких протяженных секторов, п&кащях. в плоскостях инжекции, сходящихся к магнитной оси, а затем в соответствии с ходом силовых линий ведущего магнитного поля они поворачивают на угол 90 и пересекают плоскость симметрии устройства с двух сторон. Размер области, занятой плазменными каналами 13, превышает объем, через который про- ходят РЭП. Щели в электродах 15 и L7 обеспечивают безпрёпятственное прохождение РЭП от диодов 6 в рабочий объем взрывной камеры. В центре рабочего объема взрывной камеры, на пересечении магнитной оси и средней плоскости центральной соленоидной катушки 1 расположена мишень 16. Мишень представляет собой металлическую сферическую оболочку небольшого диаметра (v 2-3 см) с тонким металлическим диском, укрепленным на е6 экваторе, с диаметром, существенно превышакяцим диаметр мишени (диаметр . диска л30-40 см) , и с двумя проводин- ками диаметром в несколько миллийетров, отходящими от оболочки вдоль магнитной оси системы и соединяющими ее электрически с одним из полюсов импульсного источника 14 высокого напряжения, расположенного вне.рабочего объема взрывной камеры. Вспомогательный механизм 18 служит для доставки мишени с укрепленными на ней диском и проводниками в нужный момент времени в исходное положение, Устройство работает следуюпдам образом. Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нужного давления. Затем пропускают номинальные токи через основные и дополнительные соленоидные катушки. В результате возникают ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией и сильные локальные магнитные поля в области расположения диодов б.. Одновременно включается вспомогательный механизм 18, доставляющий мншень 16 с прикрепленными к ней проводннками в центр взрывной камеры. После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный источник 14 высокого напряжения и осуществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры с образованием плазменных каналов 13 с высокой электрической проводимостью, необходимой ;утя прямой транспортировки РЭП на мишень. После этих подготовительных операций, включение которых происходит с помощью автоматического программного устройства, также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов РЭП 8 (несколько десятков модулей) с разбросом, не превьшающим несколько НС при полной длительности импульсов 50-60 НС, В результате этого в диодах 6 происходит генерация тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом, образующих одинаковые сектора двух больших тонких дисковых пучков с просветами, распространяющихся вдоль плоскостей инжекции ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией по заранее созданным плазменным каналам 13 с высокой электрической проводимостью. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах и щели в электродах 15, укрепленных на внешней стороне диодов силь,ноточные РЭП транспортируются вдоль . силовых линий ведущего магнитного поля по плазменным каналам к центральной области взрывной камеры. Благодаря смещению плоскости инжекции верхнего ряда диодов в сторону центральной катушки верхние пучки распространяются вдоль силовых линий ведущего магнитного поля вниз в сторону мишени, а нижние пучки благодаря смещению нижней плоскости инжекции вверх в сторону центральной катущки распространяются вдоль силовых линий вверх в сторону мишени. Таким образом, мишень облучается с двух противоположных сторон. Так как РЭП распространяется внутри плазменных каналов, то, во-первых, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а во-вторых, благодаря высокой электрической проводимости плазмы в каналах, в них возбуждаются обратные токи, текущие навстречу основным токам РЭП и приблизительно равные им по величине, что приводит к почти полной компейсации собственных магнитных полей РЭП. Это дает хорошую (близкую к

100%) транспортировку энергии РЭП к центральной области взрывной камеры. Высокая степень компенсации прямых токов РЭП обратными токами обеспечивает отсутствие самозапирания пучков, которое возникает при наличии больших собственных магнитных полей.

В центральной области (после поворота силовых линий ведущего магнитного поля на 90) осуществляется заключительная фаза транспортировки РЭП, а именно самофокусировка сильноточных РЭП на мишень, благодаря использованию фокусирующего действия остаточных собственных магнитных полей РЭП, нескомпенсированных обратными токами, текущими по плазменным каналам. В этой области транспортировки происходит как бы срыв релятивистских электронов с силовых линий ведущего магнитного поля с помощью собственного нескомпенсированного магнитного поля РЭП иканалирование их на мишень . Таким образом, транспортировка

тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом вначале происходит вдоль ведущего магнитного подя, вдоль двух плоскостей инжекции, по радиально сходящимся магнитным силовым линиям, а затем после поворота силовых линий на 90 РЭП начинают распространяться параллельно магнитной оси на мишень с двух противоположных сторон. В этой области (самофокусировки РЭП на мищень) собственное нескомпенсированное магнитное поле РЭП сравнивается с внешним ведущим магнитным полем по величине, а по мере фокусировки пучков и прибли-жения их к мишени все более превьшает его. Поэтому в этой области проявляется в полную меру фокусирующее действие нескомпенсированного собственного магнитного поля РЭП и проис ходит прямая самофокусировка РЭП на мишень. Разностный ток, представляющий собой разность прямого и обратного токов РЭП, стекает с мишени по проводникам, с помощью которых мишень JQ подключается к заземленному полюсу источника высокого напряжения. Таким образом, с помощью предлагаемого устройства можно подвести к мишени диаметром 2 см, расположенной j в центре взрывной камеры, с расстояния 3,5 м необходимую для поджига ИМПУЛЬСНОЙ термоядерной реакции полную электрическую мощность с 1 О Вт при полной энергии л- 5МДж и КПД, близком к 1 00%.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ С ИНЕРЦИОННЫМ УДЕРЖАНИЕМ, содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, и взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, магнитнзпо систему, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков непосредственно на мишень, магнитная система вьтолнена в виде трехсоосных соленоидальных катушек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, обмотки которых включены навстречу одна другой, а в устройство введены дополнительные .соленоидные катушки, охватьюающие каждый из диодов и создающие про-. дольное по отношению к диодям магнитное поле, электроды с щелями, расположенные с внешней стороны каждого из высоковольтных диодов и на внутренней стенке взрывной камеры против каждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения, § который одним полюсом подключен к электродам на внутренней стенке (П камеры, as другим - к электродам на диодах и к мишени, а геиераторы релятивистских электронных пучков расположены между соосными соленоидальными катушками в двух плоскостях,, перпендикулярных оси-катушек и симметричных относительно средней катушки, и снабжены диодами с катодами, вьтолненными в форме ножевых электродов. 00 ел