Устройство для удержания термоядерной плазмы Советский патент 1987 года по МПК G21B1/00 H05H1/00 

Изобретение относится к области физики высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разрабо ке установок управляемого термоядер ного синтеза. Известно устройство для удержания термоядерной плазмы, содержащее сек ционированную винтовую тороидальную вакуумную камеру, средства создания плазмы в вакуумной камере и магнитну систему, состоящую из катушек, образующих замкнутый винтовой тороидальный соленоид. Установка содержит восьмипериодньй винтовой соленоид, смонтированный на вакуумной камере, образованной шестью тороидальными секторами различной кривизны. Катушки соленоида Закреплены на вакуумной камере с заранее определенным смещением от носительно ее оси. В качестве силового элемента, определяющего механическую прочность всей системы, используется вакуумная камера, состоящая из дис кратных тороидальных секторов разли ной кривизны, и поэтому катушки вин тового соленоида на ней закреплены с различным смещением. Такое исполнение вакуумной камеры не позволяет эффективно использовать рабочий объ ем соленоида. Ближайшим техническим решением к изобретению является устройство для удержания термоядерной плазмы, содержащее секционированную винтову тороидальную вакуумную камеру, сред ства для создания плазмы в вакуумно камере и магнитную систему, состоящую из катушек, образующих винтовой тороидальный соленоид. С целью повьш1ения энерговыхода термолдерной реакции путем повьшени напряженности магнитного поля в камере в установку введен силовой кар кас в виде тороида, на котором расположена совокупность установочных площадок, ориентированных по нормал к радиусам кривизны, проведенным из центров катушек винтового тороидального соленоида и равноудаленных от упомянутых центров, а катушки тороидального соленоида выполнены одновитковыми, состоящими из двух частей, каждая из которых заключена в бандаж, и бандаж одной из частей катушки закреплен на установочной площадке, , Однако ограниченные радиальные размеры витков винтового соленоида, так как плоскости соседних витков ввиду кривизны и кручения оси соленоида пересекаются между собой, и вакуумная камера внутри соленоида, не позволяют эффективно использовать рабочий объем соленоида. Следовательно, понижается мощность термоядерной реакции. Кроме этого, размещение катушек основного и витков корректирующего полей стелларатора ограничивает доступ к вакуумной камере и, следовательно, создает технические труднос;ги для инжекции плазмы и систем ее подогрева, вакуумной откачки, устройства дивертора, введения в рабочий объем средств диагностики плазмы и т.д. Целью изобретения является повьш1ение мощности выхода термоядерных раекций путем удержания высокотемпературной плазмы с более высоким давлением при одновременном упрощении конструкции термоядерной установки. Это достигается тем, что в устройстве для удержания термоядерной плазмы, содержащей секционированную винтовую тороидальную вакуумную камеру, средства для создания плазмы в вакуумной камере и магнитную систему, формирующую поле с замкнутой пространственной осью, включающую средства для создания удерживающего и стабилизирующего полей,средства для создания удерживающего поля выполнены в виде системы замкнутых винтовых проводников, расположенных вокруг винтовой пространственной магнитной оси системы, причем число оборотов винтовых проводников т/t и пространственной магнитной оси (N) удовлет 1-10,где воряет соотношению В - число заходов винтовых проводников, m - число периодов винтовой обмотки. Параметры t, m, N выбираются исходя из целей планируемых экспериментов на установке и конструктивных соображений. Такие винтовые проводники позволяют эффективно использовать рабочий объем установки, так как у него центральные плоскости соседних витков в виду кривизны и кручения оси соленоида пересекаются меж ду собой и тем самым ограничивается радиальный размер витка и, следовательно, уменьшается коэффициент использования рабочего объема указанной области. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет облег чить доступ в рабочую область ловуш ки для инжекции плазмы и средств ее подогрева, вакуумной откачки, устройства дивертора и т.д. Геометрическая ось пространствен ной магнитной ловушки из семейства замкнутых кривых на торе описывается в декартовых координатах х, у, г следующими уравнениями: X ()cos4 у (К,,+Г| cosa))sin4, Z roSiniO где функции UJ и) () к v ч($) не прерывно дифференцируемые до второг порядка включительно, - координа та, отсчитываемая вдоль оси: $ 271-7R и г - большой и малый ij радиусы тора соответственно, S - дли на, отсчитываемая вдоль геометричес кой пространственной оси; L - полная длина зтой оси. Эти функции связаны уравнением сО- N Ч где f (Ч) удовлетворяет условию замыкания (периодичности), т.е. гл Jf(i)dS 0, (3) где N - число периодов геометрической оси. Рассматривая геометрическую ось как ось систе№1 координат р , 6,6 можно представить уравнения определякяцие положение винтовых про водников + f, (ё;), (4) le - те, где i - заходность винтовых проводни ков,, функция f, ($) аналогична функци f()i т.е. удовлетворяет условию за мыкания (3). Из выражений (4) следует, что при изменении в от О до 2J( винтовая обмотка поворачивается по и угол 2TI ---. Следовательно, на одном периоде винтовой геометрической .оси располагается несколько винтовых проводников. Отметим, что с ростом 1 3 объемов котором возm увеличивается можно удержание плазмы (область, в которой существуют магнитные поверхности, вне этой области магнитных поверхностей нет), а уменьшение m приводит к бифуркации. Величина t определяет профиль вращательного преобразования (г) и выбирается так, чтобы наилучшим образом удовлетворить /словия равновесия и устойчивости. Цля этого необходимо создать так называемый шир магнитных силовых линий, который означает перекрещенность силовьк линий магнитного поля, характеризуемую скоростью изменения угла вращательного преобразования по рас г d Я диусу S ---dTИзвестно, что в случае плоской магнитной оси при t 2 вращательное преобразование |u(r) имеет малый шир, а при Е 3 шир значительный. Таким образом, в случае плоской кривой Е 3 обеспечивает максимальное значение шира. Однако вращательное преобразование на магнитной оси Н(0) не должно быть равным нулю.Но при Е 3 для плоской оси (0) 0. Для пространственной кривой при том же I 3 fJ (0) 0. При этом сохраняется все сказанное относительно шира, т.е. в случае пространственной магнитной оси при шир незначительный, а при L - 3 - большой, который обеспечивает устойчивость плазмы. При выбранном Е величины, определяющие удержание плазмы в ловушке, зависят от m как от параметра. Значение m определяется из соображений получения максимального давления равно- весно и устойчиво удерживаемой плазмы при заданной величине магнитного поля с максимального значения параметра, й-давление плазмы/давление поля. Направленные в одну сторону токи в проводниках винтовой обмотки создают тороидальный ток, и поэтому возникает вертикальный поток магнитного поля. Для его компенсации вводятся дополнительные параллельные магнитные оси, два проводника с током, направленным в обратную сторону. Положение этих компенсирукидих обмоток относительно геометрической оси магнитной ловушки определяется следующим образом: Р Р, . ( Я, РО ), е, о, . 9 71

На фиг. 1 схематично показаны элементы, определяющие положение геометрической пространственной оси магнитной ловушки R и г большой и малый радиусы тора, на поверхность которого намотана геометрическая ось ловушки, изображенная пунктирной линией, а углы о) и v показывают положение ловушки на торе.

На фиг. 2 показана геометрическая ось ловушки, которая является осью квазицилиндрической системы координат f , 0 , п - нормаль. Если S длина вдоль оси, L - полная длина,

то -г и изменяется от О до 271.

Винтовые поля зависят в этой системе координат от углов следующим образ ом: В ехр i (0 - m ),

причем m .

На фиг. 3 схематично представлен фрагмент общего вида многопериодной замкнутой термоядерной установки, где показаны инжектор нейтральных частиц .1, винтовые обмотки 2 с опорными кольцами 3, вакуумная камера 4 и блок вакуумной откачки 5.

На фиг. 4 показана собранная магнитная ловушка. Винтовые обмотки 2 распола:гаются на силовом каркасе, выполненном в виде последовательного ряда опорных колец 3. Этот каркас располагается на основании установки

6.Каждое кольцо 3 лежит в плоскости которая перпендикулярна к геометрической оси ловушки. Проводники трехзаходной винтовой обмотки 2, создакщие продольное магнитное поле, располагаются симметрично на внутренней поверхности опорного кольца 3. Винтог.ые проводники 2 в сечении

имеют форму трапеции, широкое основание которой соприкасается непосредственно с опорным кольцом 3. Такая форма сечения проводника позволяет использовать простую конструкцию фиксирования винтовых обмоток в кольце. В месте расположения проводника винтовых обмоток 2 на кольце 3 проводник с обоих сторон охватывается диэлектрическими фиксаторами

7,которые винтами 8 прикрепляются к кольцу. Между проводником винтовых обмоток 2 и кольцом 3 находится изолируклцая прокладка 9. На наружной поверхности опорного кольца 3

располагаются витки компенсирующей обмотки 10. Они схватываются хомутами 11 и винтами 12 прикрепляются к кольцу. Между витками 10 и хомутом 1 находится изолирующая прокладка 13. Внутри винтовых обмоток 2 размещена вакуумная камера 4. Она состоит из секций, имеет сильфонные вставки и поэтому свободно принимает винтовую форму. Положение камеры внутри винтовых обмоток поддерживается вставками 14, которые сделаны из диэлектрического материала. Описанная конструкция винтовых обмоток обеспечивает легкий доступ к камере, т.е. появляются широкие возможности в организации инжекции плазмы в реакторный объем и ее подогрева, введения средств диагностики плазмы и т.д. Все силовые нагрузки, действующие на винтовые проводники 2 передаются через опорные кольца 3 и стойки 15 на основании установки 6.

Сборка установки производится следующим образом.

На основании 6 устанавливается опорное кольцо 3 со стойками 15. В кольцо вставляются секции винтовых обмоток 2, имеющих длину одного периода и закрепляются к соответствующему месту на кольцо 3 фиксаторами 7 и винтами 8. Перед окончательным закреплением проводника необходимо вставить изолирующую прокладку 9. . Следующее кольцо 3 со стойками надевается на винтовые проводники и прикрепляется к основанию 6. Затем производятся операции фиксирования расположения винтовых проводников в кольце по вышеуказанной схеме. Таким образом собирается один период магнитной ловушки. Длаее винтовые обмотки 2 наращиваются следующими секциями винтовых проводников и сборка периода магнитной системы продолжается по схеме сборки первого периода После того как был собран первый

период магнитной системы, необходимо во внутреннюю полость ловушки вставить секцию гибкой вакуумной камеры 4, которую следует закрепить от радиального смещения вставками 14. В зависимости от конфигурации магнитной ловушки, т.е. от кривизны и кручения ее оси, может оказаться удобнее иметь длину секции кайзеры 4 не более половины периода. Тогда сборку магнитной ловушки следует вести шагами по полпериода. Наконец, когда установка собрана, следует разместить компенсирующие витки 10 на внешней поверхности опорных колец 3 и закрепить их хомутами 11 с винтами 12, Перед закреплением этой обмотки следует обернуть виток 10 изо лирующей прокладкой 13. Предлагаемая установка работает следующим образом. После приготовле ния рабочей смеси газов в вакуумной камере проводники магнитной системы подключаются к источнику питания. Затем напряженность магнитного поля повышается до уровня, который может обеспечить удержание высокотемпературной плазмы. Заполнение ловушки происходит посредством инжектирования в нее предварительно разогнанного до высоких значений скоростей ней трального газа (дейтерия и трития), который легко преодолевает магнитную стенку. Высокоэнергетические атомы изотопов водорода в процессе столкновения с молекулами остаточного газа ионизируются и полученные таким образом ионы, естественно, удерживаются магнитной ловушкой. При каждом акте столкновительной ионизации образовавшийся ион сохраняет в основном энергию ускоренного нейтрального атома. Для дополнительного подо грева плазмы используется система СВЧ-генераторов. Далее происходит термоядерная реакция. В качестве примера можно привести35 термоядерную установку с магнитной ловушкой, имеющей пять периодов (N 5). Тор, на поверхности которого лежит пространственная ось магнитной ловушки, имеет следующие геометричес- 0 кие параметры; большой радиус равен 4,16 м, малый 0,555 м. Ось ловушки намотана на тор с шагом 5,288 м. Длина одного периода вдоль пространственной оси 6,28 м. Винтовые трехзаходные проводники (t 3) , образующие простраствениую ловушку, имеют 5 оборотов на периоде. Малый радиус винтовой обмотки равен 0,3 м Рассчитанное значение угла вращательного преобразования для данного варианта установки на одном периоде 2Jf . Соответственно этой величине |u значение (З для всей ловушки в целом оказалось равным 25-30%. Технико-экономические преимущества изобретения заключаются в следукндем.: Изобретение позволяет значительно улучшить удержание высокотемпературной плазмы. Действительно, в предлагаемом техническом решении величина ti 2Л (на одном периоде), а и 25-30%, в то время как в известном устройстве эти значения равны соответственно 0, и 8,8%. Таким образом изобретение по:зволяет увеличить мощность термоядерной реакции. Кроме того, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным допускает существенное увеличение радиуса удерживающей магнитной ловзппки, что приводит к заметному увеличению коэффициента использования рабочего объема плазменной ловушки и тем самым дополнительно увеличивает энерговыход термоядерной реакции. Наряду с этим изобретение позволяет облегчить доступы к камере с плазмой, для инжекции и подогрева плазмы, для ее диагностики без ухудшения удерживающих качеств магнитной ловушки с npdстранственной осью.

Фиг.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, содержащее винтовую секционированную тороидальную вакуумную камеру, средства для создания плазмы в вакуумной камере И магнитную систему, формирующую поле с замкнутой винтовой пространственной осью, включающую средства для создания удерживающего и стабилизирующего полей, отличающеес я тем, что, с целью повьшения мощности термоядерных реакций путем удержания высокотемпературной плазмы с более высоким давлением при одновременном упрощении конструкции, средства для создания удерживаннцего поля выполнены в виде системы замкнутых вийтовых проводников, расположенных вокруг винтовой пространственной магнитной оси системы, причем число оборотов винтовьк проводников --f- и пространственной магнитной оси . ел N удовлетворяют соотношению --- С11-10, где - число заходов винтовых проводников, m - число периодов винтовой обмотки.