Линейная магнитоплазменная ловушка с антипробками Советский патент 1984 года по МПК G21B1/00 

, Изобретение относится к термоядер ной энергетике и может быть использовано в термоядерных реакторах с внешней инжекцией высокоэнергичных плазменных потоков. Известны линейные системы тетапинч, где нагрев плазмы до термоядер ных параметров осуществляется быстро нарастающим продольным магнитным полем. Такие системы состоят из длинного .импульсного соленоида, снабженного источником энергии и коммутаторами тока. При подключении соленоида к источнику возрастает напряженность магнитного поля внутри- соленоида. При резком изменении магнитного пото ка происходит пробой рабочего газа и образующаяся-плазма сжимается к оси соленоида давлением магнитного поля С13. Недостаток систегты - низкая эффек тивность нагрева плазг1Ы, так как для получения высоких температур плазмы необходимы большие коэффициенты сжатия плазмы, поэтому конечный размер Ьлазменного шнура мал по сравнению с диаметром импульсного соленоида, а oбpaзye 1ый зазор между соленоидом и плазмой заполнен сильным магнитным полем, на образование которого и тра тится большая часть энергии источника (более 90% I. Недостатком системы также является уход плазмы через тор цы соленоида вдоль Магнитного поля, поэтому системы ©-пинч необходимо де лать либо очень длинными (отношение длины L, к диаметру Dt /З) / либо пе реходить к более сложным тороидальным 0-пинчам, в которых осуществить устойчивое удержание плазмы много сложнее., чем в линейной системе. Наиболее близкой к предлагаемой является магнитоплазменная ловушка с антипробками для термоядерной системы 8-пинч с лайнером, которая состо ит из соленоида стационарного (или квазистадионарного ) магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах лайнера аксиально с ним импульсными антипробочными катушками, расположенными внутри соленойдальной катушки и ориентированными вдоль магнитного поля соленоида 2. Недостаткаг1И известной ловушки являются сложность мощных импульсных источников энергии для питания антипробочннх катушек и трудность осуществления правильной синхронизации запирания торцов ловушки с заполнением ее плазмойо Это приводит к удорожанию системы и к потерям плазмы, которая либо успевает частично уйти вдоль магнитного поля до запирания ловушки, либо не проникает в ловушку если последняя закрыта слишком рано. Последнее обстоятельство усугубляетс недостаточной синхронностью работы плазменных инжекторов, в связи с чем заполнение ловушки с обоих торцов происходит несинхронно, а включение антипробочных катушек производится по заранее заданной вре ченной программе. Поэтому несогласованность заполнения и запирания приводит к уменьшению количества плазмы, запертой в ловушке. Цель изобретения - упрощение устройства и увеличение плотности плазrtbi в ловушке путем самосогласования процессов заполнения и запирания ловуьжи. Поставленная цель достигается тем, что в линейной магнитоплазменной ловушке с антипробками, состоящей из соленоидальной катушки стационарного магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах его аксиально с ним импульсными антипробочными катушками и расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль линий магнитного поля, между лайнером-и антипробочными катушками соосно с трубой расположены примыкающие к нему дополнительные катушки, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру лайнера, а оба вывода обмотки каждой дополнительной катушки соединены с выводами соответствующей антипробочной катушки так, что направление обхода по виткам дополнительной катушки Относительно оси противоположно направлению обхода по виткам соответствующей антипробочной катушки. С целью, расширения функциональных возможностей ловушки дополнительные катушки имеют промежуточные отводы, снабженные съемными перемычками. На чертеже в левой части показано направление силовых линий до, а в правой - после заполнения ловушки плазмой . Линейная магнитоплазменная ловушка состоит из соленоида 1, создающего стационарное (квазистационарное )магнитное, поле, цилиндрической проводящей трубы (лайнера ) 2 и установленных аксиально с трубой импульсных антипробочных катушек 3, которые вместе с трубой помещены внутрь соленоида 1 и ориентированы вдоль его оси. Между трубой и антипробочными катушками соосно с трубой расположены дополнительные катушки 4, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру трубы 2. Дополнительные катушки 4 примьакают к трубе 2 и могут иметь контакч с ией или не иметь. Последнее определяется конструктивным исполнением установки. Оба вьшода обмотки каждой дополнительной катушки 4 сое щнены с выводами ссответствующей анткпробоаной 3 гак, что при обходе замкнутого коитура, состожцего из катушек 3 и 4j вы™ полняется следующее условие. Направление обхода по виткам дополнигельной катушки 4 относительно оси проти воположно направлению обхода относительно оси соответствующей антипробочной катушки 3. При таком соединеНИИ обмоток ток, протекающий по виткам,создает в катушках поля встречного направления. Дополнительные катушки 4 имеют промежуточные отводы 5 (количество которых не менее двух i снабженные съемными перемычками 6. Для удобства переключения числа витков дополнительной катушки, соединенных с антипробочной катушкой, отводды 5 выведены изолировано за пре делы соленоидальной катушки 1. Ловушка работает следующим образом . Соленоидальная катушка 1 создает начальное магнитное поле &о , в котором через торцы ловуики инжектируются быстрые плазменные струи (левая часть чертежа I. Диаметр плазменной струи сЗ меньше диаметра ловушки D, поэтому струи свободно проникают в трубу 2 незначительно искажая начая Ное поле В, При взаимодействии . встречных струй они образуют высокотемпературную плазму с газокинетическим давлением, пропорциональным температуре, вследствие чего образую щаяся плазма расширяется. При расширении поперек магнитного поля проводящая плазма сжимает магнитный поток, заполняющий зазор между плазмой и лайнером, поэтому напряженность ма нитного поля у стенки трубы 2 растет и достигает величины В , обеспечиваю щей равновесие границы поле - плазма Втекающие через торцы плазменные струи препятствуют тепловому расшире нию плазмы вдоль магнитного поля (.газодинамическим подпором ) и продолжают заполнение .ловушлчи от середины к торцам трубы 2, пока область, занятая горячей плазмой, не заполнит всю трубу 2. Заполнение области допо нительных катушек 4 также сопровожда ется усилением магнитного поля на по верхности витков, обращенной к плазме. При этом часть магнитного потока пронизывающего витки катушек 4, вытесняется в антипробочную катушку 3, соединенную выводами с дополнительной катушкой. Направление включения обмоток антипробочной и дополнительной катушек таково, что в антипробрч ной катушке при этом генерируется магнитное поле обратного знака, поэтому магнитное поле на оси в антипробочной катушке меняет знак и ув&п чиваетсЯо Увеличивающееся поле на оси антипробочной катушки закрывает вход плазменной струе (хвостовая часть которой имеет много примесей ) и препятствует уходу горячей плазмы из ловушки. Известно, что в антипробочных конфигурациях геометрические размеры щели и отверстия для ухода горячей плазмы не более ларморовского радиуса ионов плазмы в поле в. В предлагаемой ловушке отсутствуют внешние источники питания, так как расширяющаяся термализуемая плазма быстрых инжектируемых струй вместе с дополнительной катушкой, находящейся в начальном поле Bj,, являются генераторами ЭДС. Эта ЭДС и возбуждает ток в антипробочных катушках, подключеннных к дополнительньом катушкам так, что направление обхода по виткам дополнительной катушки противоположно направлению обхода по виткам антипробочной катушки. ПРИ ЭТОМ ЭДС, появление тока и запирающего магнитного поля автоматически синхронизированы с заполнением торцовых частей ловушки т.е. с окончанием заполнения ловушки ). Поэтому уменьшены потери плазмы,связанные со статистическим разбросом времени заполнения ловушки до торцов (из-за несинхронной инжекции справа и слева Ь Эффективность захвата плазмы предлагаемой ловушкой и в итоге плотность частиц плазмы в ней выше, чем у известной. Рассмотрим при каких ограничения5с на число витков антипробочных и дополнительных катушек предлагаемая ловушка имеет такую же конфигурацию магнитных полей, как и известная. Примем следующие обозначения: Н - число витков дополнительной катушки j H,j - число витков антипробочной катушки г & - напряженность магнитного поля, обеспечивающая равновесие границы горячей плазмы; ) - диаметр горячей плазмы в ловушке; к- - коэффициент, учитывающий геометрию антипробочной катушки. Уравнение для магнитного потока дополнительной и антипробочной катушек, включенных последовательно навстречу одна да)угой можно записать так 1N,-N2)()+N2BD K . «) Коэффициент усиления поля получим из записанного уравнения J -«2 6. Л D 2 Разделив числитель и знаменатель на N. 1. , подучим N i. Второй член в знаменателе предстааляет собой поправку к усилению поля

51109811 .

в 9йласти дополнительной катушки поплазмы, ее температуры и напряженносравнению с усилением поля в трубе.сти начального поля В. В экспериЭтот поправкой можно пренебречь,еслиментах с плазмой эти параметры варь2ируются, поэтому желательно согласо- ,. . 1 ( ,вывать изменение условий с условиями

N и генерации антипробочных полей. Для

Полученное условие (4) являетсямогут иметь -промежуточные отводы,задостаточным, но не необходимым таккорачиваешле съемными перемычкгми.

как толщина магнитной изоляции (O-D)Это дает возможность регулировать в

выбирается с запасом, исходя из усло-Юсоответствии с условием (5J. 5ИЯ, что 1)-1)Ял , где j - ларморов- Использование предлагаемой пояушский радиус иона. Можно допуститьни позволит получить следующую экопоэтому, что толщина магнитной изо-номию: стоимость импульсных конденляции в области дополнительной ка-саторных батарей 20 тыс. руб.; стоитуижи вдвое меньше, чем в трубе. 15мость коммутирующих устройств и сиТогда условие на число витков присте1 л управления 30 тыс.руб., стоиK l получим в видемость монтажа и наладки оборудования

N тыс.руб. (5)Экономия ОТ использования изобрете1 D20ния на указанной установке составит

При it,/D л-0,95, например ,0,1, -70 тыс.руб. (стоимость изготовления

что вполне приемлимо для конструктив-дополнительных катушек 1 тыс.руб.Г. ного исполнения.При использовании предлагаемой

Вмес.те с этим видно, что соотно-ловушки возможна экономия за счет

шония между витками зависят от диамет25исключения конденсаторных батарей,

ра горячей плазмы, который в своюкоммутируювдах устройств и системы

очередь является функцией плотнойуправления.

этих целей дополнительные катушки

ЛИНЕЙНАЯ МАГНИТОПЛАЗМЕННАЯ ЛОВУШКА С ДНТИПРОБКАМИ для термоядерной системы тета-пинч с внешней инжекцией плазмы, состоящая из соле оидальной катумки стационарного магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах его аксиально с ним импульсными антипробочными катушками и расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль магнит ного поля, о т л .и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью ее упрощения и увеличения плотности плазмы в ловушке, между лайнером и антипробочными катушками соосно с лайнером расположе- . ны приг1ыка оыие к нему дополнительные катушки, внутренний диаметр которых равен внyтpeннe Iy диаметру лайнера, а оба вывода обмотки каждой дополнительной кату1зки соединены последовательно с вывoдa 1И соответствующей антипробочной катутаки так,, что нап- § равление обхода по виткам дополнитель(Л ной катушки относительно оси противоположно направлению обхода по виткам соответствукчцей антипробочной катушки.1 со 00