Способ удержания и нагрева плазмы и устройство для его реализации Советский патент 1986 года по МПК G21B1/00 

2.Способ ПОП.1, отличающийся тем, 4to токи в спиральных обмотках создают равными

по величине.

3.Способ по п,1, отличающийся тем, что накладывают внешнее продольное магнитное поле.

4.Способ по п.З, отличающийся тем, что внешнее магнитное поле создают совпадающим по направлению с током в плазменном шнуре.

5.Способ по п.З, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что продольное магнитное поле создают изменением соот ношения токов в спиральных обмотках

6.Способ по п.1, отличающий с я тем, что величину спирального и продольного магнитных полей выбирают так, что сепаратриса магнитного поля занимает- положение внутри камеры,

7.Способ по п.6, отличающийся тем, что ток в шнуре изменяют до тех пор, пока сепаратриса магнитного поля не займет положение внутри камеры.

8.Устройство для удержания и на грева плазмы, содержащее осесимметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано при разработке термоядерных реакторов.

Известны способы удержания и нагрева плазмы, включающие создание, удержание и нагрев плазмы в закрытых магнитных ловушках с помощью внешних магнитных систем,, создание в плазме токов, достаточных для нагрева и удержания плазмы внешними и собственными полями.

К числу устройств, реализугацих известные способы относятся устройство управляемого термоядерного синтеза с тороидальными камерами токамак, стелларатор и 2-пин р обратным полем.

217269

по С1тношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере, отличающееся тем, что система обмоток содержит первые и вторые спиральные обмотки, намотай- ные в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенные одна относительно другой вдоль оси камеры, и введены средства поддержания в указанных обмотках противоположно направленных токов.

jf

9.Устройство по П.1, отличающееся тем, что в него введено средство независимого поддержания токов в первых и вторых спиральных обмотках,

10.Устройство по п.8, отличающееся тем, что обмотки намотаны под углом 45 по отношению к оси камеры.

11.Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно содержит две первых и две вторых спиральных обмотки.

12.Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно содержит три первых и три вторых спи ральных обмотки.

13.Устройство по п.8, отличающееся тем, что камера вьтолнена тороидальной конфигура IfVl.

В токамаках ток тороидальной плг1змы создается трансформатором, в качестве вторичной обмотки которого служит удерживаемый в тороидальной камере газ, а в качестве первичной - центральньй соленоид. Во время возникновения или затухания магнитного поля, наведенного током в соленоиде, возникает тороидальное электрическое поле,

ионизирукщее газ и создакяцее плазменный ток вокруг тока. Пинч-эффект, возникакщий вследствие пропущенного тока, заст.двляет заряженные

частицы плазмы стремиться к центру тока плазмы. Однако ток плазмы сам по себе нестабилен и некоторая часть плазмы касается удерживающего резервуара, что приводит к охлаждению плазмы и затруднению лю- бой реакции. Исходя из этих соображений токамак имеет также тороидальную обмотку возбуждения, расположенную вокруг удерживающего резервуара с целью создания чрезвычайно сильного тороидального магнитного поля. Взаимодействие тороидального магнитного поля с полоидальным магнитным полем, созданным током плазмы, приводит к относительно стабильному удержанию плазмы.

В стеллараТорах удержание плазмы осуществляют посредством магнитных полей, создаваемых внешними обмотками, не полагаясь на ток плазмы. В стеллараторах тороидальная обмотка возбуждения, такая же как в токамаке, наводит относительно сильное тороидальное магнитное поле, в котором создается плазма. В дополнение к тороидальному магнитному полю обмотками, спирально расположенными вокруг тороидального удерживающего резервуара, создается спиральное поле. Комбинация тороидального поля со спиральным магнитным полем порождает суммарное скрученное магнитное поле, обеспечивающее относительную стабильность плазменного устройства.

Трудностью в стеллараторах является проблема создания плазмы в устройствах значительного размера и обеспечения требующегося очень сильного MarHHTrforo поля.

Наиболее близким к предлагаемому является способ удержания и нагрева плазмы, включающий создание плазмы в осесимметрнчной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с. помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения запаса устойчивости q -на обратный между границей плазменного шнура и стенкой камеры.

Этот способ реализуется в известном устройстве управляемого термоядерного синтеза, содержащем осе- симметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в

217269

ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере.

5 Известный способ сводится к удержанию плазмы захватом тороидального поля в шнуре и наведением тороидального поля, изменяющего свой знак при переходе от шнура к стенке ка10 меры на обратный. Известное устройство содержит внешние обмотки, которые Совместно с током шнура создают полоидальные и тороидальные поля, близкие по величине, а тороt5 идальное поле меняет в наружной области плазмы свой знак на обратный.

Все названные устройства имеют общие черты, и все они должны иметь

20 необходимое значение запаса устойчивости q, определяемого как средняя длина, пройденняя в тороидальном направлении на единичный поло- идальный угол вращения линий маг25 нитного поля на поверхности потока, отнесенная к главному радиусу тора:

. dz/c)9 q 5- ,

0

где Z - пройденное расстояние в тороидальном направлении; б - полоидальный угол перемещения;

R - главный радиус тора. Поверхность потока определяется как поверхность, на которой плотность магнитного потока не имеет нормальной к ней составляющей. Если г - малый радиус тора, то условие МГД устойчивости имеет вид

|q|itt; (1) dq/Jr 0. (2)

Eia

0

5 Величина / - -j I должна быть дос- 1 q оГ

таточно большой, чтобы удовлетворять критерию Мерсье. Устройства типа токамак и те стеллараторные устройства, в которых наблюдается значи тельный плазменный ток, в основном удовлетворяют условию (1) посредством работы при по всей плазме. Напротив, устройства типа z-пинча с обратньи полем работает при IqU 1

5 по всей плазме. Существенно большая

(г dq /

величина /- т / подразумевающая 14

значительный шир, получается в пинче с обратным полем путем изменения знака q на обратный на границе плазмы по радиусу плазменного шнура. В случае пинча с обратным полем поверхности потока осескммет- ричны, а q выражается через тороидальное магнитное поле В, поло- идальное магнитное поле Вр, главный радиус тора R и малый радиус тора г совершенно аналогично тому как это имеет место для кругового токамака:

2L . Е

(3)

Так как Вр направлено всюду одинаково, изменение знака q может быть получено только за счет изменения направления В. В пинче с обратным полем условие инверсии знака q может быть выполнено в течение короткого времени, так как нужная конфигурация поля поддерживается в известном устройстве только в присутствии полоидальных токов в плазме, которые быстро распадаются а магнитное удержание шнура при этом быстро становится неэффективным,

Цель изобретения - повьшение температуры плазмы путем снижения взаимодействия плазмы со стенкой.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу удержания и нагрева плазмы, включающему создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения запаса устойчивости q на обратный меящу границей плазменного шнура к стенкой камеры, внешнее магнитное поле создают спирального типа пропусканием токов через систему первь и вторых спиральных обмоток, намотаных в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительно другой вдоль оси камеры, при этом токи в первых и вторых обмотках противоположны по направлению, а величины токов в обмотках и тока плазменного шнура выбирают из условия в пределах плазменного шнура,

Кроме того, по зависимым признакам токи в спиральных обмотках могут быть равны по величине, может быть наложено продольное магнитное поле, в том числе совпадающее по

направлению с током в плазменном шнуре. Указанное поле может быть создано изменением соотношения токов в спиральных обмотках, величину спирального и продольного магнитных

полей выбирают так, что сепаратриса

магнитного поля находится внутри

камеры, причем ее положение могут

задавать изменением тока в шнуре.

Для реализации предлагаемого

способа в устройстве, содержащем осесимметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере, система обмоток содержит первые и вторые спиральные обмотки, намо- ТсШные в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенные одна относительно другой вдоль оси камерНр и введены средства поддержания в указанных обмотках противоположно направленных токов.

Устройство может быть снабжено средством независимого поддержания токов в первых и вторых спиральных обмотках, которых может быть по две или три. Обмотки могут

быть намотаны под углом 45 к оси KajMepbi, а сама камера выполнена тороидальной конфигурации.

На фиг.1 показано устройство управляемого термоядерного синтеза,

реализукнцего предлагаемый способ, общий вид; на фиг.2 - то же, сечение вдоль главной оси Topaj на фит.3 - пример выполнения спираль- HbSTc обмоток; на фиг.4 - устройство,

вид сверху; на фиг.5 - разрез А-А на фиг,4| на фиг.6 представлена зависимость составлякнцих плотностей тока j , j , магнитного поля В, BQ и запаса безопасности q от

безразмерн.ого радиуса г/Гд; на фиг.7 - графическая иллюстрация поверхностей магнитного потока на двух частных радиусах предлагаемого устройства; на фиг.8 - упрощенная

схема устройства, показанного на фиг.2.

Устройство (фиг.1 и 2) содержит тороидальную камеру 1, содержащую соответствующий газ при заданном низком давлении. Первая стенка 2 камеры вьтолнена из тонкостенной нержавеющей стали, что способствует быстрому проникновению тороидальног электрического поля и возникновению тока плазмы. Стенка 2 расположена внутри тороидальной оболочки 3, выполненной из относительно толстого медного листа, образующего тороидальную полость 4. Последняя ва- куумируется через трубки 5 и коллектор 6 посредством вакуумного насоса (не показан). Камера 1 ва- куумируется через трубки 7 и кол- тектор 8 этим же вакуумным насосом.

Оболочка 3 (фиг,4 и 5) имеет керамическую перемычку 9, служащую для прерывания тороидальной проводящей траектории вокруг оболочки 3. Проводимость стенки 2 достаточно мала по отношению к проводимости плазмы с целью уменьщения потерь энергии. Таким образом, магнитное поле может бьютро проникать в проводящую оболочку 3 благодаря керамической перемычке 9, и проникать сквозь стенку 2,так как она относительно тонка и имеет меньшую проводимость, чем материал, из которого изготовлена оболочка 3. В то же время стенка 2 создает электрический мостик поперек керамической перемычки 9, а проводящая оболочка способствует стабилизации плазмы.

Как в случае устройств типа то- камак, ток плазмы создается тороидальным электрическим полем, наведенным соленоидной обМоткой 10, расположенной аксиально с главной осью тороидальной камеры 1 и внутри тора. Тороидальное электрическое поле создается при включении соленоидной обмотки 10 и дополнительных витков 11, введенных для направления полоидального потока за пределами стенки 2. Соленоидная обмотка 10 и дополнительные витки 11 запитываются обьшным путем от источника энергии (не показан), причем изменение электрического тока в обмотке 10 вызывает изменение магнитного потока, связывающего оди

ночный виток, образованный стенкой 2. Изменение потока вызывает образование тока плазмы в объеме

J камеры 1.

Множество первых спиральных обмоток 12 намотано на каркас 13. окружающий оболочку 3. Первые обмотки (фиг.2) равномерно располо0 жены вокруг малой окружности каркаса 13, который может быть вьтол- нен из двух половин, соединенных вместе болтами. Множество вторых спиральных обмоток 14 намотано на

5 каркас 13 практически между соответствующими витками первых обмоток. Каждая из обмоток 12 и 14 может быть образована множеством проводников 15, которые могут иметь пря0 моугольное поперечное сечение и

изолированы один от другого. Проводники 15 могут иметь центральные каналы 16 для циркуляции хладагента с целью охлаждения проводников.

5 Первая и вторая обмотки 12 и 14 выглядят спиральными, хотя они не образуют настоящие спирали в смысле намотки их на круглые цилиндры. Обмотки 12 и 14 намотаны одинако0 во так, что первые обмотки после полного оборота вокруг тора соединяются с первыми обмотками, а вторые - с вторь ш. При этом образуются непрерывные обмотки на всем пути при обходе вокруг главной оси тора. Число витков обмоток должно быть целым или целым + 1/2 витка.В последнем случае одна первая обмотка при первом обходе переходит в другую

первую обмотку при втором обходе тора. То же самое справедливо для вторых обмоток 14.

Первые обмотки 12 запитъшаются от источника 17 постоянного тока, а вторые обмотки 14 - от источника 18 постоянного тока. Источники 17 и 18 постоянного тока имеют противоположную полярность, так что через соответствующие первую и вторую обмотки ток идет в противоположных направлениях. Такие токи обеспечивают спиральное магнитное поле с устойчивым состоянием в ебъеме камеры 1 суммирующееся с полоидапьным магнитным потоком, наведенным током плазмы.

Спиральные обмотки 12 и 14 предпочтительно намотаны с таким

5

0

5

шагом, что обеспечиваются относительно малые межвйтковые силы и хорошая стабильность плазмы. Угол около по отношению к малой оси тора наиболее приемлем.

Как показано на фиг.1-3, могут быть намотаны две первые обмотки и две вторые обмотки, расположенные вокруг малой окружности тора. Три таких обмотки также могут быть

использованы для более полного заполнения камеры плазмой, обладающей меньшей стабильностью. При некоторых условиях может быть большее чис ло обмоток. Источники питания могут быть подсоединены так, что ток через первые обмотки может быть равен или немного больше тока через вторые обмотки, в то время как чист тороидальное магнитное поле создается спиральными обмотками 12 и 14. Общий ток во вторых обмотках 14 сравнивается по величине с половиной тока плазмы.

Дополнительные витки 11 могут быть задействованы для создания вертикального магнитного поля в плазме с целью уравновешивания действия кольцевой силы, старакяцейся расширить плазму по большому радиусу или для настройки равновесной плазмь на лучшую стабильность.

Устройство может смотровые отверстия.

Устройство работает следующим образом.

Ток плазмы, генерируемый при включении соленоидной обмотки 10 и дополнительных витков 11, достигает максимума порядка 40 кА при амплитуде магнитного потока около 0,3 Вб при времени возрастания около 10 мс Для достижен1«1 отношения /3 давления плазмы к давлению магнитного поля около 0,1 при сохранении хорошей стбильности, типичная температура Т плазмы должна быть около 100 зВ при плотности п порядка 10 1/см , плотности магнитного потока В порядка 1 кГс, времени удержания энергии оg около 0,3 мс и длительности импульса ь„„„ порядка 30 мс. Общий ток в первых обмотках около 20 кА, а во вторых обмотках тоже около 20 кА. Отношение среднего радиуса г

тока плазмы к среднему радиусу обмоток rvf составляет порядка 0,75. При таких условиях определены качественно равновесные профили определенных параметров (фиг.6), указанные равновесные профили показаны в условных единицах).

Связи между различными параметрами системы и их влияние на работу системы сложны и зависят от многих факторов. Кривые на фиг.6 получены на основе определенных параметров, которые были выбраны произвольно.

Для показанных кривых аспектное отношение, являквцееся отношением большого радиуса тора к меньшему, велико. Более конкретно показанные параметры следующие: j - плотность

тока в направлении малой оси тора; j д - плотность тока в направлении

вокруг малой оси; В - плотность магнитного потока в направлении малой оси; В0 - запас устойчивости,от несенный к В и шагу линий магнитного поля, как определено ранее (1). Параметр г/Гд - отношение координаты малого радиуса к малому радиусу сепаратрисы, причем это отношение оценено при угле 45 к оси Х/Гд на фиг.7, где показаны также поверхности С и D магнитного потока, гене- риуемого при этих условиях в точках А и В на фиг.6. Условием Стабильности

является прохождение q через ноль. Анализ стабильности плазмы при реализации предлагаемого способа затруднен, так как описание ,становится очень сложным для определенных конфигураций. Для достижения измененного эффекта, например, желательно работать с высоким аспектным отношением, В таких случаях тороидальными эффектами можно пренебречь и ограничиться цилиндрической аппроксимацией. Критерий МГД устойчивости Мерсье в этом случае может иметь вид критерия Сайдама:

1(1113)4 2

г В Jr

Шнуры могут быть сделаны стабильными путем профилирования В и q. Внешняя часть плазмы стабилизируется высоким широм и малым по отношению к осевому полю. Внутренняя часть плазмы стабильна, когда в ней имеется распределение давления. В этих конфигурациях осевое поле реверси- руется, т.е. имеется нулевая точка осевого поля в плазме. Профиль рас- 1пределения параметров должен под- :держиваться для обеспечения стабильности в течение всего разряда. Это

представляет одну из трудностей реализации пинча с обратным полем.

Объясняя с физической точки зрения конструкцию на фиг.1-5 и кривые на фиг.6 и 7, можно заключить, что скрученное магнитное поле, порожденное током плазмы, и спиральное магнитное поле, созданное посредством обмоток 12 и 14, приводит к созданию поверхностей магнитного потока, причем запас устойчивости q имеет существенный спад характеристики и монотонно падает, изменяя знак, около внешней границы плазмы,

При равенстве токов в спиральных обмотках В2 отсутствует, кроме наведенного полоидальными токами плазмы. Однако, средняя величина В на поверхности потока может быть не равна нулю, что видно из фиг.8, которая является упрощением фиг.2. Обмотки 12 и 14 представлены одиноч ньти проводниками. Пунктирные линии 19 и 20 разделяют, пространство в камере 1 на квадранты I.-IV. На этих линиях тороидальное магнитное поле равно нулю. В квадрантах I и III тороидальное поле создается первыми обмотками 12 и направлено из плоскости, показанной на фиг.8. В квадрантах П и IV тороидальное поле направлено в противоположном направлении. Тороидальное поле, усредненное по круговой петле 21, равно нулю. Если круг вытягивается в эллипс 22, то тороидальное поле, усредненное по петле, не равно нулю. Для петли 22 траектория длиннее в квадрантах I и UI и короче в квадрантах Пи IV , Траектория также ближе к первым обмоткам 12 в квадрантах I и П1, где тороидальное поле сильнее, и дальше от вторых обмоток 14 в квадрантах И и IV в ослабленном тороидальном поле. Как избыточная длина, так и большое поле создают ситуацию, когда усиление средней величины делает квадранты I и 111 доминирующими. Этим создается среднее тороидальное

поле на петле 22, направленной из плоскости на фиг.8. Около центра плазмы чисто тороидальное поле ге- нерируется полоидальным током плазмы. В точке около границы плазмы эффект сохранения полоидального тока плазмы относительно много слабее и может быть перевешен дейст- вием тороидального поля. Это приводит к изменению знака q при сбалансированных обмотках, когда приложены соответствую1цие токи и поля соответствующей полярности. Предлагаемое устройство коренным образом отличается и по принципу работы, и по конструкции от известных, что было показано на примерах токамаков, стеллараторов и устройств плазменного шнура с обратным полем, хотя предлагаемое устройство имеет с каждым из перечис- ленньпс общие черты, а именно: как в токамаке, оно нуждается в токе

плазмы для генерирования магнитного потока соответствующей конфигурации, и конфигурация не разрушается в результате диффузии потока, Для тЬкамака требуются тороидальные обмотки возбуждения, а не спиральные, в то время, как предлагаемое устройство требует спиральных обмоток, а не тороидальных. Для токамака выполняется условие ,

в предлагаемом устройстве этого не требуется. Предлагаемое устройство требует, чтобы q меняло знак, а в токамаке это не вьшолняется, По- добньм образом устанавливается

различие предлагаемого устройства от стелларатора.

Преимущество перед устройствами пинча с обратным полем заключается в том, что в известных устройствах

режим работы с требуе а 1м профилем q может быть реализуем в течение короткого времени. Предлагаемое устройство может обеспечить квазистационарный режим работы и повысить

время удержания и температуру плазмы.

1. Способ удержания и нагрева плазмы, включакщий создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения знака запаса устойчивости на обратный по радиусу плазменного шнура, отличающийс я с целью повьш1ения температуры плазмы путем снижения взаимодействия плазмы со стенкой, внешнее магнитное поле создают спирального типа пропусканием токов через систему первых и вторых спиральных обмоток, намотанных в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительно другой вдоль оси камеры, при этом токи в первых и вторых обмотках противоположны по направлению, а величины токов в обмотках и тока плазменного шнура выбирают иэ условия /( в пределах плазменного шнура. (Л vl ю ;О fj

77///7 W

15 12 15 /J /4 . /j 2

Фиг. J

Фаг. 7 ВНШШИ Заказ 1008/63

Филиал ППП Патент, г,

--гог

° й« o,s r/

(afnoSecf/bie профили

Hk/t.e

Т2

Фиг. в Тираж 387 Подписное

гог

--гогаодд ул. Проектная5 4