Способ получения бестоковой плазмы Советский патент 1985 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к высоко- частотным способам получения плазмы и может быть использовано в плазменнькс установках типа стелларатор, а также на начальной стадии разряда в установках токамак.

Известен способ получения бестоковой плазмы по авт.св. № 890954, заключающийся в том, что в предварительно вакуумированную рабочую камеру первоначально импульсньш напуск нейтрального газа производят до давления 2-10 - 5-10 торр, затем возбуждают ВЧ-поле в течение времейи большего, чем время удержания энергии плазмы в камере и при достижении плазмой критической плотности, при которой возможно распространение электромагнитной волны во всем рабочем объеме камеры, произво дят дополнительный напуск нейтрального газа в вакуумную камеру. Газ проникает в плазму, ионизуется, что увеличивает плотность удерживаемой в плазменном устройстве плазмы. Однако при реализации способа в плазменных установках, в которых радиус плазмы меньше в несколько .. раз радиальных размеров вакуумной камеры (как, например, в стелларато ре 5раган 3, где зто соотношение равно V0,05), для быстрого подъема плотности плазмы за счет дополнительного напуска рабочего газа необходимо ввести в камеру гораздо большее число частиц чем то, которо будет захвачено в плазме. Чтобы создать,например, в установке Ураган 3, как и в прототипе, давл ние газа внутри плазменного шнура рт.ст., необходимо в камеру объемом 70 м напустить части но лишь 4-10 из них могут быть ути лизованы плазменным объемом Vp 410 см. Одновременно с процессами ионизации будут проходить и процессы перезарядки, причем энерге тические потери на перезарядку составляют примерно 60-70% от вводимой мощности для т ипичных плазменных па раметров. Кроме этого импульсный напуск столь большого числа частиц li последующая-импульсная откачка не ионизованного газа (более 90% от на пущенного) представляет серьезную техническую проблему. Целью изобретения является сниже ние энергетических затрат на создание плотной плазмы.

Эта цель достигается тем, что в известном способе получения, бестоковой плазмы, заключающемся в том, что в предварительно вакуумированную

рабочую камеру первоначально импульсный напуск нейтрального газа производят до давления 2-10 - 5 л 10 торр, затем возбуждают ВЧ-поле в течение времени большего, чем время удержания энергии плазмы в камере, и при достижении плазмой критической плотности, при которой возможно распространение электромагнитной волны во всем рабочем объеме камеры,

производят дополнительиьй напуск нейтрального газа в твердом состояНИИ в виде таблеток путем инжекции их в область удержания плазмы.

На чертеже дан график, поясняющий предлагаемый способ, По вертикальной оси графика отложены плотность нейтральных частиц Н в области удержания плазмы (соответствует, сплошной линни на графике) и плотность плазмы и (соответствует пунктирной линии) . Текущее время t отложено по горизонтальной оси графика. В течение времени от момента О до t происходит первичньш напуск нейтрального газа до давления оптимального для электрического пробоя (.10Sopp). В момент t-f включают ВЧ-поле,. под действием которого ионизуется газ и создается плазма. В t , когда плотность плазмы возрастет до величины критической 10 -5-10 см (т.е., когда в плазме эффективно распространяются и термализуются электромагнитные волны, что улучшает ввод ВЧ-мощности в плазму большой плотности) производят инжекцию твердотопливных таблеток. Двигаясь в плазме, твердое топливо испаряется и нейтральный газ ионизуется электронами плазмы. Плотность плазмы за период от t до tj возрастает до величины 5- 10 Ю в зависимости от вводимой в плазму мощности и количества твердого топлива, а давление газа, окружающего плазму, остается при этом практически неизменным. Б конкретном примере осуществления способа дополнительный ввод топлива D плазму можно осуществлять с помощью любых из известных инжекторов, обеспечивающих скорость движения таблетки 10 -10см/с. Для создания плазмы плотностью hg п, см необходим примерно J мм твердого топлив. С целью обеспечения равномерного ввода топлива инжекцию таблеток производят одним или несколькими инжекторами равномерно располо женными вдоль оси плазменного шнура Инжекторы располагаются вне вакуумной камеры и соединяются вакуумопроводами с установкой. Для полного испарения таблеток их инжектируют под острым углом к оси плазменного образования, В результате испарения твердого топлива Средняя по объему плотность рабочего газа эквивалентна см а плотность газа, окружающего плазму, по-прежнему соответствует первоначально выбранному давлению (оптимальному для электрического пробоя) и составляет п 10 см Полная ионизациярабочего газа испарившейся таблетки в. объеме плазмы приведет к росту концентрации плазмы до заданной величины 5 10 см . В дальнейшем установится квазистадионар1Гое состояние плазмы, характеризующееся при указанной плот ности определенной температурой частиц Т;. Энергозатраты на ионизацию газа и компенсацию потерь на перезарядку при подъеме плотности И до за данной заранее величины vio см , за время жизни частиц 7 при температуре ионов Т 10 эВ составляют W-H,..-r,-.Z20Mx, 73 - объем плазмы в стеллараторе Ураган 33 эВ - энергетические затраты на ионр зацию атома; 10см- плотность газа, окружающего плазму; ,540 см/с -.тепловая скорость . атомов, газа, - площадь поверхности плазмы, ( см, см); вероятность 1 5е Ve , ионизации . атома, входящегов плазму, с. В прототипе и доводится с помощью импульсного заполнения камеры газом до величины см , что будет эквивалентно энергетическим затратам 2200 Дж. В изобретении по сравнению с прототипом нет необходимости в импульсном напуске большого объема газа. После создания плазмы высокой плотности в случае прототипа газ, окружающий плазму, должен быть импульсно откачен, иначе это приведет к интенсивному охлаждению плазмы. Однако импульсная откачка (за времена с) столь большого объема газа представляется трудно достижимой технической задачей, так как при этом необходима скорость откачки 3iO л/с. При реализации изобретения этих трудностей не возникает.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕСТОКОВОЙ ПЛАЗМЫ по авт. св. № 890954, отличающийся тем, что,, с целью снижения энергетических затрат, дополнительный напуск нейтрального газа осуществляют в твердом состоянии в виде таблеток пу- i тем инжекции их в область удержания плазмы.. 1 to /J W 12 W t, (Л с .с