Коаксиальный плазменный ускоритель Советский патент 1986 года по МПК H05H1/54 

I Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано в термоядерных устройствах, например реакто рах, нейтронных источниках и установ ках для технологических исследований Известно устройство для электродинамического ускорения плазмы. Оно представляет из себя два параллельны жестких электрода (рельса), соединенных металлической проволочкой и подключенных к конденсаторной батарее Плазма,образующаяся в результате взрыва проволочки при пропускании через нее сильноточного разряда конденсате ра, ускоряется вдоль направляющих электродов под действием пондеромоторной силы. Недостатком такой конст рукции является ослабление ускоряюще силы по мере удаления токонесущей плазмы от токоподводящей щины. Известен также коаксиальный плазменный ускоритель, состоящий из источ ника энергии, системы напуска газа, двух коаксиальных конических электродов, помещенных в вакуумную камеру, раз деленных изолйторои. В качестве плазмообразующего рабочего вещества используется газ, заполняющий меж-т . электродное пространство .Под действие приложенного напряжения происходит., межэлектродный аксиально-симметричный пробой газа и формируется тонкая токовая перемычка, перпендикулярная оси коаксиала. Под действием сил давления магнитного поля собственног тока происходит разгон токовой перемычки и захватьгоаемой ею плазмы вдол электродов. Недостатком коаксиального ускорителя является радиальная неоднородность ускоряющего магнитного поля в межэлектродном промежутке и связанна с ним неоднородность магнитного давления. Известно, что магнитное поле внутри двухпроводной .коаксиальной линии с током jb 1/г, где 3 - разрядньй ток; г - радиальная координат межэлектродного промежутка, поэтому поле у поверхности внещнего проводника меньще, чем у внутреннего, имеющего меньщий радиус. Соответствующи перепад магнитного давления на щирине межэлектродного промежутка в коак сиальной системе ). г642где г и г ,- радиусы внутреннего и внешнего электродов. Перепад магнигного давления приводит к тому, что сила магнитного .давления, действующая на край токовой перемычки, при.пегающей к внутреннему электроду большая, чем сила, действующая на токовую перемычку у поверхности внешнего электрода. Поэтому край токовой перемычки, прилегающий к внутреннему электроду ускоряется быстрее, что приводит к перекосу перемычки относительно поверхности электродов. Так как сила магнитного давления перпендикулярна поверхности токовой перемычки, то у нее появля- . ется составляющая направленная к внешнему электроду и равная F магн COS oi , где - сила магнитного давления, действующая на перемычку, об - угол наклона перемычки к поверхности электродов. Эта составляющая приводит к ускорению частиц поперек межэлектродного зазора и уходу их на наружный электрод. Потери частиц из токовой перемычки и связанные с ними потери энергии приводят к снижению коэффициента использования рабочего вещества и снижению энергетического КПД системы. Кроме того, больщие тепловые нагрузки, связанные с потоками частиц и энергии на наружный электрод, могут приводить к разрушению поверхности наружного электрода и загрязнению разряда продуктами эрозии, что затрудняет применение такого.устройства в термоядерных системах. Целью изобретения является повышение коэффициента использования рабочего вещества, а также повьщ1ение надежности ускорителя за счет снижения тепловых нагрузок на внешний электрод. . Поставленная цель достигается тем, что в известном коаксиальном плазменном ускорителе, содержащем источник энергии, систему напуска газа, два коаксиальных профилированных электрода, помещенных в вакуумную камеру, разделенных изолятором, образующая поверхности каждого из электродов имеет вид вогнутой кривой по отношению к продольной оси электродов , причем радиус кривизны образующей в .каждой точке определяется из соотношения R m V /F, , где m масса ускоряемой плазмы; V - ско3рость плазмы в данной точке электр дов; F, - равнодействующая сил маг нитного давления, перпендикулярная к направлению ускорения. На фиг.1 представлен общий вид предложенного устройства; на фиг.2 поперечный разрез электродов ускори теля; на фиг.З 7 диаграмма сил, дей ствующих на токовую перемычку в процессе ускорения. Источник энергии 1 фиг.1 подключен к коаксиальным профилированным электродам 2,разделенным изолятором 3. Металлические электроды 2 вьшолнены в виде тел вращения, образующая поверхности которых имеет вид вогнутой кривой по отношению к продольной оси электродов фиг.2. Система напуска 4 предназначена для напуска рабочегогаза в межэлек родный зазор ускорителя, помещенног в вaкyykнyю камеру 5, коммутирующее устройство 6 предназначено для пода чи напряжения о.т источника энергии 1 на электроды 2. Радиус кривизны вогнутой кривой каждой из образующих электродов определяется из условия (см.фиг.З) F,,B F, РМСТИ О Р агнСОЗ где Fy - центробежная сила, действующая на частицы в системе координат, связанной с токовой перемычкой F( - составляющая сил магнитнога давления, направленная к наружному электроду; ЗАЛОГИ сила магнитного давления, направленная нормально к поверхности токовой перемычки; et - угол наклона токовой перемычки к поверхности электродов; та - масса токовой перемычки; ее скорость; R - радиус кривизны электродов Величины га V , ( , ей определяются расчетным путем, или экспериментально на модели установки, в которой электроды имеют цилиндрическую или кони 1ескую форму Объясняется это тем, что для того, чтобы устранить влияние составляющей F, - силы магнитного давления, перпендикулярной токовой перемычке, которая равна /иагч cos 0, и которая приводит к ускорению частиц поперек межэлектрод 644 ного зазора к уходу их на наружный электрод, ее необходимо компенсировать центробежной силой, равной ей по величине, но противоположной по направлению. Эта сила возникает вследствие того, что образующая электродов имеет криволинейную поверхность. Устройство работает следующим образом. С помощью системы напуска 4 газа в межэлектродньш зазор ускорителя, помещенного в вакуумную камеру 5, напускается рабочий газ. С помощью коммутирующего устройства 6 подается напряжение от источника энергии 1 на ускоряющие электроды 2, происходит пробой межэлектродного промежутка и образовавшаяся токовая перемьика начинает ускоряться силами магнитного давления. При этом из-за перепада сил магнитного давления в межэлектродном зазоре происходит .наклон токовой перемычки и появляется радиальная составляющая сил магнитного давления, направленная к наружному электроду. Б системе координат, связанной с токовой перемычкой, из-за кривизны поверхности электродов возникает центробежная сила, направленная к внутреннему электроду и компенсирующая радиальную составляющую сил магнитного давления, и таким образом препятствующая уходу частиц из токовой пepe ttIчки к. наружному элект- роду. Перемычка ускоряется вдоль электродов составляющей сил магнит,ного давления F,. (см.фиг.З). - Использование предложенного изобретения выгодно отличается от указанного прототипа тем, что достигаемое за счет кривизны поверхности электродов уменьшение потерь частиц и энергии в процессе ускорения токовой перемычки в межэлектродном зазоре коаксиального плазменного ускорителя приводит к повышению коэ4Фициента использования рабочего вещества, так как частицы на уходят на наружньй электрод из токовой перемычки, что особенно важно в термоядерных установках, работающих на дорогостоящих изотопах водорода: дейтерии и тритин, к повьш1ению энергетического КПД системы за счет сохранеия энергии, уходящей на электрод,

а также к повьшению надежности работы устройства за счет снижения тепловых нагрузок на наружный электрод.

Повьппение коэффициента использования рабочего вещества составит до 50%, КПД устройства может быть доведено до 50%.

КОАКСИАЛЬНЫЙПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, состоящий из источника энергии, системы напуска газа, двух коаксиальных профилированных электродов, помещенных в вакуумную камеру. разделенных.изолятором, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента использования рабочего вещества и надежности устройства, образующая поверхности каждого из электродов имеет вид вогнутой кривой по отношению к продольной оси электродов, причем радиус кривизны образующей в каждой точке оцределяется из соотношения ,,щ1 где m - масса ускоряемой плазмы; V - скорость плазмы в данной точке электродов; FJ - равнодействующая сил магнитного давления, перпендикуляр(Л ная к направлению ускорения. / 9д

ut.3