МАГНИТНАЯ ЛОВУШКА ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ Советский патент 1996 года по МПК H05H1/02 

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при создании ловушек заряженных частиц или плазмы для удержания последних.

Известно устройство для удержания плазмы магнитным полем, которое получило название сфератор. Это устройство состоит из тонкой катушки, витки которой образуют сферу, проводящего кольца, расположенного внутри сферической катушки концентрично с ней, и прямого проводника, пронизывающего сферу по диаметру, совпадающему с осью кольца [1] В принципе, сфератор создает сферическую сепаратрису (граничную магнитную поверхность, на которой нормальная к ней составляющая всюду тождественно равна нулю), которая способствует удержанию плазмы в ловушке. Однако необходимо как-то поддерживать проводящее кольцо, например посредством механических поддержек, что на практике ведет к разрушению замкнутости магнитной ловушки, а значит, и к ухудшению ее удерживающих свойств.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является магнитная ловушка для удержания плазмы, содержащая две концентрические обмотки, выполненные в виде сфер, внешняя из которых закреплена, а внутренняя удерживается прочностными свойствами материала проводника. Обмотки выполнены в виде сфер [2] Эта ловушка создает также сферическую сепаратрису.

Недостатком указанного решения являются слабые удерживающие свойства ловушки, так как вследствие малой механической прочности внутренней обмотка величина магнитного поля не превышает несколько единиц килоэрстед и оказывается недостаточной для эффективного удержания плазмы с термоядерными параметрами. Указанный недостаток обусловлен тем, что сильное магнитное поле ловушки ведет к возрастанию пондеромоторных сил между витками внутренней обмотки, которые смещают их вдоль оси обмотки и разрушают ловушку в целом. Смещение витков перпендикулярно указанной оси незначительно и компенсируется прочностными свойствами материала проводника. Таким образом, удерживающие свойства такой ловушки недостаточны для термоизоляции плазмы с термоядерными параметрами.

Целью настоящего изобретения является улучшение удерживающих свойств ловушки.

Указанная цель достигается тем, что в магнитной ловушке для удержания плазмы, содержащей две концентрические обмотки, внешняя их которых закреплена, витки внутренней обмотки размещены между витками наружной и расстояние между обмотками где а минимальное расстояние между витками одной из обмоток.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемой магнитной ловушки, содержащая две концентрические обмотки, выполненные в виде сфер, где внутренняя обмотка 1, закрепленная внешняя обмотка 2, I_в ток внутренней обмотки, I_н ток внешней обмотки, а расстояние между витками внутренней обмотки, h расстояние между обмотками, ⊙, ⊗ направление токов (встречное); на фиг.2 то же, с двумя коаксиальными обмотками в виде бесконечного числа коаксиальных колец, где внутренняя обмотка 1 и внешняя 2, которая закреплена, а расстояние между кольцами одной из обмоток, h расстояние между внешней и внутренней обмотками, I_в ток внутренних колец, I_н ток внешних колец, R_в радиус внутренних колец, R_н радиус внешних колец, w, ⊗ направление токов (встречное); на фиг.3 представлена зависимость силы f, действующей на незакрепленный проводник с токов вдоль оси Х, от координаты ξ для коаксиальной системы колец для значений a₁ 0,16, α₂ 0,20, α₃ 0,26, α₄ 0,29,

на фиг. 4 представлены зависимости: тока I в сферических обмотках от времени t-3, смещения ξ незакрепленных витков внутренней обмотки от положения равновесия во времени t-4, когда ток протекает только по виткам незакрепленной обмотки, смещения x незакрепленных витков внутренней обмотки от положения равновесия во времени t-5, когда токи в обмотках равны и противоположно направлены; на фиг.5 представлена относительная величина уходящего магнитного потока из ловушки в зависимости от отношения токов в обмотках , где 6 обмотки сферические и подобны, 7 обмотки несферические и витки внешней находятся между витками внутренней, m_o расчетное отношение токов для случая сферических обмоток при условии существования сепаратрисы.

Размещение витков внутренней обмотки между закрепленными витками внешней обмотки позволяет снизить пондеромоторные силы между витками внутренней обмотки. При уменьшении указанных сил выбор соотношения обеспечивает устойчивое равновесие витков внутренней обмотки между закрепленными витками внешней обмотки за счет их электромагнитного взаимодействия (минимальное расстояние между обмотками, очевидно, составит h > 2r, где r радиус проводника). В случае положения устойчивого равновесия не существует и смещение витков внутренней обмотки растет с увеличением тока. Все это позволяет повысить магнитное поле ловушки в десятки раз, а значит и улучшить ее удерживающие свойства. Работа устройства поясняется на примере двух концентрических обмоток в виде сфер. Между закрепленными витками внешней обмотки размещены витки внутренней обмотки, которые в исходном состоянии удерживаются прочностными свойствами материала проводника. Расстояние между обмотками меньше половины минимального расстояния между витками внутренней обмотки. Токи в обмотках равны и противоположно направлены. При нарастании тока витки внутренней обмотки устанавливаются в положение устойчивого равновесия между витками закрепленной внешней обмотки и дальнейшего их смещения не происходит. Принцип стабилизации незакрепленных витков легче всего доказать на примере двух коаксиальных обмоток в виде бесконечного числа колец с током, одна из которых закреплена. Аналитические расчеты показывают, что в этом случае стабилизирующая сила, действующая на незакрепленный проводник с током вдоль оси Х в направлении положения равновесия (Х 0), зависит от соотношения расстояний h и а или от параметра (фиг.3). Видно, что при уменьшении расстояния между обмотками стабилизирующая сила растет. Рассмотрение конечных цилиндрических, сферических или каких-либо других обмоток приводит лишь к изменению положения устойчивого равновесия незакрепленных витков между витками закрепленной обмотки, а расстояние между обмотками (параметр α) практически не меняется. С целью проверки теоретических выводов проделаны эксперименты по стабилизации обмоток сферической формы (фиг. 4). Экспериментально установлено, что упомянутых аналитических расчетов достаточно для практических оценок по стабилизации обмоток и произвольной формы. Тогда при совместном решении уравнений существования сепаратрисы и существования положения устойчивого равновесия незакрепленных витков получаем оценку максимального расстояния между обмотками или параметра a для обмоток в виде сфер

откуда α<0,36. Экспериментально установлено, что для обмоток произвольной формы при условии существования сепаратрисы параметр γ < 2.. Это означает, что Изобретение не предполагает сферической формы и подобия обмоток, а значит и существования точной сферической сепарации. Несмотря на это, установлено экспериментально, что длина силовых линий в ловушке остается достаточной для эффективного удержания в ней плазмы. Обоснованием этому являются экспериментальные результаты по изучению устойчивости топологии магнитного поля замкнутых ловушек со сферической сепаратрисой (фиг.5). Измерялась относительная величина уходящего магнитного потока из ловушки при нарушении ее формы, подобия обмоток, отношения токов в обмотках. Эксперименты показали, что при расположении витков одной обмотки между витками другой, а также при значительном отступлении от сферической формы обмоток вплоть до цилиндрической, существует такое отношение токов, когда относительная величина уходящего магнитного потока не превышает 0,01% Это означает, что с практической точки зрения следует считать предлагаемую ловушку замкнутой.

Пример. Форма концентрических обмоток сферическая. Количество витков в каждой обмотке 12. Диаметр внутренней обмотки 400 мм. Диаметр внешней обмотки 440 мм. Диаметр проводника 14 мм. Расстояние между витками обмотки 57 мм. Расстояние между обмотками 20 мм, α = 0,35.. Максимальная величина тока в обмотках 12,5 кА. Длительность апериодического импульса тока 30 мс. Отношение токов в обмотках 1. Направление токов встречное. Витки внешней обмотки жестко закреплены и находятся между витками внутренней обмотки.

Установлено, что с увеличением тока от 5 до 12,5 кА, витки внутренней обмотки устанавливаются в положение устойчивого равновесия между витками внешней обмотки и их смещение резко уменьшается, т.е. эффективность стабилизации внутренней обмотки возрастает, что позволяет повысить удерживающие свойства ловушки.

Магнитная ловушка для удержания плазмы, содержащая две концентричные обмотки, внешняя из которых закреплена, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удерживающих свойств ловушки, витки внутренней обмотки размещены между витками наружной, и расстояние между обмотками h ≅ a/2, где a - минимальное расстояние между витками одной из обмоток.

Магнитная ловушка для удержания плазмы, содержащая две концентричные обмотки, внешняя из которых закреплена, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удерживающих свойств ловушки, витки внутренней обмотки размещены между витками наружной и расстояние между обмотками h ≅ a/2, где a - минимальное расстояние между витками одной из обмоток.