Устройство для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе Советский патент 1984 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области . управляемого термоядерного синтеза и может быть-использовано при разработке термоядерных реакторов с инерционным удержанием с применением сил ноточйьгх релятивистских электронных пу ков. Известны термоядерные реакторы с инерционным удержанием и электрон,ной инициацией, содержащее взрывную камеру с расположенной в ней мишенью из термоядерного топлива и генераторы релятивистских электронных пучков (РЭП). В известных устройствах предлагается транспортировать энергию от ге нераторов к мишени в форме электрома нитной энергии сПОМОЩЬЮ вакуумных линий с магнитной самоизоляцией (ВЛМ так, что участки ВЛМИ, расположенные во взрывной камере, уничтожаются при каждом взрьгее мишени.. Генерация РЭП в этом устройстве происходит в зазоре между высоковольтным электродом ВЛМИ и поверхностью самой мишени. Одним из основных недостатков таког.о устройства является уничтожение относительно сложных и дорогосто ящих участков ВЛМИ при каждом взрьте мишени, т.е. с частотой 0,1-1 Гц, чт повьшзает стоимость энергии и усложня .ет эксплуатацию устройства. ; Ближайшим техническим решением является устройство для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термо ядерном реакторе с инерционным удерж нием, содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, цилиндричес кую взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень с термоядерным топливом, а в боковой стенке выполнены каналы для . транспортировки peляtйвиcтcкиx элек.тронных пучков, и магнитную систему в виде двух соленоидных катушек, вкл ченных навстречу друг другу, создающую в камере пцле гиперболической конфигурации 1. Известное устройство содержит несколько десятков генераторов сильноточных РЭП,размещенных горизонтально по кругу большого диаметра С/-6-10м) в одной плоскости, проходящей через центр взрьгоной камеры, где расположена термоядерная мишень и создано поле гиперболической конфигурации. Сильноточные РЭП, генерируемые одновременно, через узкие щели инжектируются во взрывную камеру, наполненную газом (воздухом) при низком давлении (/ lOjMM .), транспортируются с помощью внешнего магнитного поля. Транспортировка РЭП идет вдоль экваториальной плоскости по радиусам в центральную область со слабым магнитным полем, в центре которой находится мишень. Так как газ, заполняющий камеру, быстро ионизируется, то уже вскоре после начала инжекции транспортировка РЭП происходит вдоль магнитного поля по плазме с достаточно высокой электрической проводимостью, и, таким образом, обеспечивается не только зарядовая нейтрализация , но и значительная компенсация--еобтггвенньк магнитных полей РЭП в результате протекания по плазме обратных токов. Однако, так как большая часть релятивистских :электродов не может попасть непосредственно на мишень малых размеров (диаметр w 2-3 см) с расстояния ;3-5 м (расстояние удаления генера.торов РЭП от мишени) ввиду большого нач.ального углового разброса скоростей электронов, инжектируемых сильноточных РЭП и достаточно большой площади инжекции, а также большой ширины пзщка (начальная ширина пучка 2смУ, ;иначе говоря, ввиду относительно большого начального эмиттанса и большой :ширины инжектируемых РЭП ,то предполагается, что вначале будет происходить транспортировка РЭП вдоль экваториальной плоскости ведущего магнитного поля в центральную область со слабым внешним магнитным полем, где во:круг мишени будет накапливатьс/я облако релятивистских электронов и про исходить ее облучение. Процесс накопления облака и облучения мишени будет происходить одновременно, а имен- :Но электроны, составляющие облако, совершая в нем хаотическое движение, с некоторой вероятностью будут попадать на поверхность дашeни и погло.щаться ею. Основным недостатком известного устройства является низкий КПД транс:портировки РЭП на мишень при большом. отношении радиуса инжекции РЭП к радиусу мишени (аспектное отношение) 30-40% при аспектном отношении 10 и 5-10% при. аспектном отношении ci20. Ожидаемое аспектное отношение в реак торе 7, 200. Недостатком данного устройства является также замедление процесса вьщелення энергии РЭП на мишени, т.е падение мощности энарговьщеления при увеличении размеров системы. Это связано с тем, что релятивистский электрон, не попавший в мишень при первом пролете, сможет, будучи отраженным полем диполя, вернуться к мишенк лишь через 20-30 не при диаметре взрьгоной камеры м. Цель изобретения - повьппение КПД транспортировки электронных пучков на мишень. Это достигается тем, что в извест ном устройстве для транспортировки сильноточньк релятивистских электрон ных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием, содержащем генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, цилиндрическую взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мищень а в боковой стенке - каналы для тран

портировки релятивистских электронных пучков, и магнитную систему в виде двух соленоидных катущек, включенных навстречу друг другу, создающую в камере поле гиперболической конфигурации, катоды высоковольтных вакуумных диодов выполнены в форме ножевых электродов вокруг каждого из диодов установлены дополнительные соленоидные катушки, создающие продольное по отношению к пучкам магнитное поле, кроме того, в него введены электроды со щелями, расположенными на входе и выходе из каналов транспортировки, против каждого из диодов, и импульсные источники высокого напряжения, которые одним полюсом подключены к электродам на выходе из каналов транспортировки, а другим - к электродам на входе канало1з и к мишени.

1 - . , - -

На фиг. 1 изображен реактор, продольный разрез; на фиг. 2 т то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - высоковольтный вакуумньй диод.

Предлагаемое устройство содержит две соосные основные соленоидные ка Тушки 1 с обмотками, включенньии навстречу друг другу, расположенные горизонтально на небольшом расстоянии друг от- друга вне рабочего объема

кольца большого круга, расположенного в экваториальной плоскости 4. В толстых стенках взрьганой камеры 2 большого диаметра ( 6 м), рассчитанной на удержание мощного взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва : 10 Дж) имеется ряд узких плоских каналов 12, сквозь которые РЭП транспортируют в рабочий объем взрыной камеры. Взрывная камера содержит газ (воздух) при низком давлении составляющем несколько мм рт.ст. (1-10 мм рт.ст.). Для создания плазменных каналов 13 в устройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подключен к входным электродам со щелями 15, а другим - к выходным электродам со щелями 17, расположенными на внутренней стенке взрывной камеры 2. Плазменные каналы 13 заполняют силовые трубки магнитного поля, начинакициеся на электродах 15 и оканчиваюшиеся на мишени 16 и подводящих проводниках. Плазменные каналы, также как и инжектируемые пучки, имеют вид тонких, протяженных секторов, сходящихся к оси магнитной системы. Однако размер области, занятой плазменными канал ми 13, претзьппает объем взрывной камеры 2. Катушки создают магнитное поле гиперболической геометрии 3 с экваториальной плоскостью 4. В средней плоскостимежду катушками 1 равномерно по кругу расположены соленоиды 5 прямоугольного сечения с осями, направленными по радиусам внутрь взрьгеной камеры 2, и создающие сильные локальные магнитные поля. Соленоидные катушки 1 и 5 располагают так, чтобы обеспечить плавный переход от сил-ьных полей дополнительных катушек 5 к ведущему магнитному полю катушек 1. Внутри соленоидов 5 расположены вьюоковольтные вакуумные диоды 6, подключённые через ВЛМИ 7 к источникам сильноточных РЭП 8. Каждый диод 8 состоит из тонкого плоского протяженного катода 9 ножевого типа, укрепленного на высоковольтном электроде ВЛМИ 10, и анода 11 из тонкой фольги, обеспечивакнцей прохождение через нее РЭП с малым рассеянием. Катодные/ножи, вьюота крторых в несколько раз превышает величину зазора между кромкой ножа и анодбм. составляет одинаковые части (отрезки)

через которьй проходят РЭП. Щели в электродах 15 и 17 обеспечивают беспрепятственный проход РЭП от диодов 6 в рабочий объем взрывной камеры, В центре рабочего объема взрывной камеры, s на пересечении магнитной оси и экваториальной плоскости 4 расположена мишень 16. Мишень представляет собой металлическую оболочку небольшого диаметра (2-3 см), к которой прикрепле-10 ны два проводника диаметром в нескол ко миллиметров, отходящих от нее вдо магнитной оси системы и соединяющих ее электрически с одним из полюсов импульсного источника высокого напря жения 14 расположенного вне рабочего объема взрывной камеры. Вспомогательный механизм 18 служит для доста ки мишени с укрепленными на ней проводниками в нужньй момент времени в исходное положение. Устройство работает следующим образом. Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нуж ного давления. Затем пропускают номи нальные токи через катушки, В результате возникают магнитное поле гиперболической геометрии и сильные локальные магнитные поля в области расположения диодов 6, Одновременно включается вспомогательный механизм 18, доставляющий мишень 16 с проводниками в центр взрывной камеры. После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный |источник 14 высокого напряжения и ос ществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры с образованием плазменных каналов 13 с высокой электрической проводимостью, необходимой для прямой транспо тировки РЭП на мишень. После этих подготовительных операций, включекие которых происходит с помощью авт матического программного устройства, также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов РЭП 8 (несколько десятков модулей), с разбросом, не превышаю1Т1им несколько НС, при полной длительности импульса 50-60 нр, В результате этого, в диодах 6 происходит генерация тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом, образуюпдах одинаковы сектора одного большого тонкого дис кового пучка с просветами, распространяющегося Вдоль экваториальной плоскости 4 магнитного поля гиперболической геометрии по заранее созданным плазменным каналам 13 с высокой электрической проводимостью. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах 6 и щели в электродах 15, укрепленных на внешней стороне диодов, сильноточ-ные РЭП транспортируются вдоль силовых линий ведущего магнитного поля по плазменным каналам 13 к центру взрывной камеры 2, Так как РЭП распространяются внутри плазменных каналов, то, во-первых, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а, во-вторых, благодаря вые ОКОЙ электрической прев одимости плазмы в каналах в них возбуждаются обратные токи,текущие навстречу основным токам РЭП и приблизитель но равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных полей РЭП, Это да- ет 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, т,е, в области слабого магнитного поля, осуществляется заключительная фаза транспортировки РЭП, а именно, самофокусировка сильноточных РЭП на мишень, благодаря использованию фокусирующего действия остаточньгх собственных магнитных полей РЭП, нескомпенсированных обратными токами,текущими по плазменным каналам, В этой области транспортировки происходит как бы срыв РЭП с силовых линий магнитного поля с помощью собственного нескомпенсированного магнитного поля РЭП и каналирование их на мишень. Таким образом, транспортировка тонких, сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом вначале происходит вдоль магнитного поля (вдоль его экваториальной плоскости) по радиально сходящимся магнитным силовым линиям (область транспортировки длиною 2,5-3 м), где напряженность ведущего MarjmTHoro поля падает незначительно, а затем РЭП попадают в область, где напряженность ведущего магнитного поля спадает до нуля на расстояниях в несколько Десятков сантиметров, В этой области, которую называем областью самофокусировки РЭП на ьшшень. Собственное магнитное поле РЭП сравнивается с внешним магннтным полем и по мере приближения к мишени все более превышает его. Поэтому в этой области проявляется в полную меру фокусирующее действие нескомпенсированного собственного магнитного поля РЭП и происходит пря мая самофокусировка РЭП на мишень, Отметим, что разностный ток, т.е. ток представляющий собой разность прямого и обратного токов РЭП, стекает с мишени по проводникам, с помощью кот рых мишень подключается в заземленному полюсу источника высокого напря жения. Параметры, характеризующие пример конкретного выполнения устройства: Полная энергия, транспортируемая на мишень с помощью РЭП 5 МДж; Количество |генераторов сильноточных РЭП (модулей) 50 Энергия электронов 2 МэВ; Ток пучка в одном модуле 1 МА| Длительность импульса РЭП 50 нс Суммарная мощность всех РЭП . Диаметр мищени 2 см} Длина транспортировки 3,5 м; . Максимальная напряженность магнит ного поля в экваториальной-плоскоети 10 кЭ; Напряженность поля в центре катуш ки 1 1,2 кЭ; Максимальная напряженность собственного магнитного поля РЭП в лиодах 14 кЭ Максимальная напряженность магнитного поля дополнительных соленоидных катушек 60 кЭ; Средний диаметр катушек 1 6,5 м; Расстояние между средними плоскостями катушек . 1-1,5 м, «. Амплитуда тока в катушках 1 при 10 витках в каждой катушке 200 кА; Полная энергия, запасаемая в магнитных полях, создаваемых катушками 1 (25 КДж) и соленоидами 5 (2МДж) 27 МЛж;. . Минимальная энергия микровзрыва термоядерной мишени 100 МДж. Энергия собственного магнитного пбля РЭП при компенсации тока РЭП обратнымТОКОМ на 99,5% 31 кДж Амплитуда напряжения импульсного источника для создания плазменных каналов 100-200 кВ; Амплитуда тока в нем 50-100 кА Длительность импульса несколько микросекунд; Ожидаемый энергетический КПД транспортировки . Таким образом, с помощью указйнного устройства можно будет подвести к мишени диаметром 2 см, расположен-ной в центре взрывной камеры, с расстояния 3,5 м необходимую для поджига импульсной термоядерной реакции полг. ную электрическую мощность при полной энергии 5МДж, а потери на транспортировку РЭП практически полностью исключены.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРЙЬ РОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ;ЭЛЕ1рРОННЫХ ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМО1ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ с инерционньм удержа|нием, содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных :пучков, оканчивакшщеся высоковольтньош вакуумными диодами, цилиндрическую взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень с термоядерным топливом, а в боковой стенке - каналы для транспортировки релятивистских электронных пучков, и магнитную систему в виде двух соленоидных катушек, включенньк навстречу друг другу, создающую в камере поле гиперболической конфигурации, отличающе еся тем, что, с целью повышения КПД транспортировки электронных пучков на мишень, катоды высоковольтных диодов выполнены в форме ножевых электродов, вокруг каждого из высоковольтных вакуумных диодов установлены дополнительные соленоидные катушки, создаю:щие продольное по отношению к пучкам магнитное поле, кроме того, в него введены электроды со щелями, ра :положенные на входе и выходе из каналов транспортировки, против каждо(О ;го из диодов, и импульсные источники высокого напряжения, которые одним ;полюсом подключены к электродам на :выходе из каналов транспортировки, а другим - к электродам на входе каналов и -к мишени.