Импульсная термоядерная система Советский патент 1983 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области ядерной энергетИ1ф и может быть использовано для получения термоядерной энергии. Известно устройство для сжатия магнитного поля и плазмы цилиндриче КИМ слоем жидкого металла, имеющего в исходном состоянии азимутальную компоненту скорости, сжатие осущест вляется с помощью давления газа, воздействуквдего на поршни, расположенные в специальных радиальных к$Нс1Лах и отделяющие жидкий металл от газа ГД JНедостатком такого устройства является малость достижимого давления Рр плазкы, которое определяется давлением толкающего, поршня газа Р и ограниченно механической прочностью конструкций устройства. Это приводит к необходимости иметь ) большую длину устройства U/-l/Pp, располагать значительной энергией fl L, для инициирования термоядерной реакции. В то же время устройство не обеспечивает- получения больших коэффициентов усиления энергии , где Qj- выделивша ся термоядерная энергия, что ставит под сомнение ее экономическую целесообразность. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является устройство для получения термоядерной энергии, содержащее ударник и металлический концентратор, имекяций форму полого цилиндра, с помощью которого производится сжатие плазмы и магнитного поля С2 J. . Энергия, необходимая для сжатия плазмы, первоначально содержится в виде кинематической энергии ударника и передается концентратору при их соударении. В процессе возникшего радиального движения концентрато ра происходит кумуляция энергии на его внутренней цилиндрической повер ности, что проявляется в росте скорости ее движения при уменьшении ра диуса Rp. Таким образом удается получить в плазме давление (где pg - плотность вещества концент ратора) на несколько порядков превьйиаквдее то, что может быть достигнуто в устройстве flj. Недостатком прототипа является то, что оно не обеспечивает эффекти ного вложения кинетической энергии ударника в нагрев плазмы, из-за .чего для инициирования термоядерной реакции необходимо располагать достаточно энергоемким источником энер гни. Этотнедостаток обусловлен тем что вследствие конечности величины скорости С 5 звука в материале концентратора за время f торможения пойерхности концентратора в плазму передается энергия, запасенная в виде кинетической энергии слоя, толщиной о с Сдс. Доля этой энергии т от начальной кинетической энергии ударника пропорциональная площади слоя толщиной сГ и может быть оценена по формуле , (y(2Rp4o) MWa/ где ц vi My - массы концентратора и ударника соответственно;V - скорость ударника; Кц - ргщиус (наружный) концентратора. Поскольку Rp-j , а (Vg/Vp)., то после подстановки последнего в (1) получим Ш()-(() так как М, «Му , V « 10V,, то х « 3%. Точный расчет этой задачи показал, что в плазму может быть вложено не более 10% кинетической энергии ударника,. Целью предлагаемого изобретения является повышение КПД передачи кинетической энергии ударника в при ее сжатии, что позволяет уменьшить запасаемую для инициирования термоядерной реакции энергию, сократить гавариты и вес источника энергии. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее ударник и концентратор, выполненный из металла и имеющий форму полого цилиндра длины X , введен второй полый цилиндр, причем он своей внутренней цилиндрической поверхностью примыкает к наружной поверхности концентратора, а плот-, ность материала f, внутренний R и наружный радиусы концентратора связаны сосредней плотностью второго полого цилиндра р2 аружным радиусом Й2 соотношениями 8-40; «2/ ч 1,9-2,5,( R«- «)/R 0,03-0,1; R/ (6,2-0,4) () i U.-i (4-10)10,(3) где W/ - начальная погонная кинематическая энергия ударника, мДж/см V - его скорость, км/с -, CpJ г/см,Г( U см. Кроме того, второй полый цилиндр может быть выполнен из жидкого вещества, помещенного внутрь жесткой оболочки, На фиг. 1 изобргикена импульсная термоядерная система в сечении, перпендикулярном оси, в момент столкновения ударника со вторым полым цилиндром; на фиг. 2 - вариант выполнения системы. Импульсная термоядерная система содержит выполненный из металла в виде полого цилиндра 1 концентратор с 1 внутренним R., и наружным К -Р Диусами, второй полый цилиндр 2, внутренний и наружный радиусы которого обозначены соответственно R , ударник 3. Система работает следующим образом. Ударник 3одним из известных спо собов (давлением продуктов взрыва газа или электромагнитного поля ) ус коряется в радиальном направлении до скорости Vjj, имея при этом погонную (т.е. приходящуюся ыа единицу длины системы в оссгвом направлении) кинематическую, энергию W/. После соударения, ударника 3 со BTopbw полым цилиндром 2 возникает цилиндрическая ударная волна, которая распрост раняется в радиальнс направлении по полым цилиндрам 2 и 1. За фронтом ударной волны возникает давлени величина которого превышает предел текучести материалов, из которых изготовлены полые цилиндры, и организуется радиальное течение вещества. После выхода ударной волны на внутреннико поверхность полого цилин ра 1 начинается схлопывание полости со все возрастающей-скоростью, т.е. кумуляция энергии ударника на внутренних слоях полого цилиндра 1. В м мент, когда радиус полости, в которой находится начальное магнитное поле, достигает величиныf, в нее , впрыскивается плазма с плотностью п, которая сжимается до плотное ти г и нагревается до температу- ры Т , необходимой для интенсивного прЬтекания те{ юядерной реакции. Работа сжатия плазкы осуществляется за счет части кинетической энергии матёригша полого цклиндра 1. Физика работы импульсной те юядерной систекы допускает выполнение второго полого цилиндра 2 {см. фиг. 2) из двух жёстких оболочек 4 и 5 и жидкого вещества {например воды или .лития ) б, заключенного меж ду этими оболочками. Начальный радиус плазма R определяется из условия г«/«зл«;11оТтП

вьфажгиаоего тот факт, что плазме передается только часть кинетической 60 энергии удариика 1U , равная д . ,

Преобразовав выражение 14 I с учетом необходимости выполнения условия саморазогрева плазма после достиж

.

65 нйя максимального сжатия 200 мДж/см, получим выражение eo«3,((.lUW)« (f) Величина отношения п /п ограничена в экспериментах возможностью устойчивого сжатия плазмы и лежит в диапазоне 100-230, а из оптимизационных расчетов получено, что i% ,2-0,3 и .R (1,2-1,5)Ro. Таким образом, внутренний радиус полого цилиндра 9пределяетсякак R ,(0,2-0,4) (1«) (6) Для обеспечения высокого КПД вложения энергии ударника в плазму ч необходимо, чтобыь в процессе кумуляции большая асть .кинетической энергии ударника, переданная полым цилиндрам 1 и 2. и составляющая долю была сосредоточена на внутреннем полем цилиндре 1.. Выполнение этого.условия требует, чтобы«2РИ2 где и ti - сжимаемость вещества первого и второго полых цидин дров , -t 2 - их толщина в - достижения максимального сжатия плазмы. Они могут быть вырс1жены через начах(ьные размесил полых цилиндров следующим образомs Л(|;«,)М Л««а{й«.Р .)(. . где Z - Ч / Rp( Rp - минимальньЕй радиус плазмы i ( 2 (2/ i) - V Наблюдаемая в эксперименте; величина Z составляет 10-20. Пренебрегая ;В выргикении (8) членом, содержа i щим 2, я подставив выражения для толцтн в выражение (7 J, получим / ,/e|.2e,«2fE;(-.).. Решая неравенстйо (9 ) и учитывая )выражение (8| можно установить связь vteifay параметрами системы

1. ИМПУЛЬСНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ СИСТЕМА, содержащая ударники и концентратор, выполненный из металла И имеющий форму полого цилиндра. Отличающаяся тем, что, с целью увеличения КПД передачи кинематической энергии ударника при ее сжатии, в нее введен второй полый цилиндр, который своей внутренней поверхностью примыкает к наружной поверхности концентратора, а плотность материала j, внутренний и наружный R, радиусы концентратора связаны со средней плотностью р, второго полого цилиндра и его наружным радиусом R 2 соотношениями Pi / 9.2 8-40; (Hj/R) 1,9-2,5;