Инжектор быстрых атомов термоядерного реактора Советский патент 1986 года по МПК H05H7/00 H05H7/02 

2. Инжектор ПОП.1, о тлич аго- щ и и с я тем, что, с целью увеличения ресурса и надежности, вакуумная камера вьтолнена в виде двух отсеков, разделенных стенкой с горловиной, в которой установлены нейт

1

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза, в частности, к области получения мощных пучков быстрых атомов изотопов водорода, и может быть использовано в инжекторах термоядерных реакторов, где требуется обеспечивать введение термоядерную плазму мощных монознер- гетических пучков изотопов водорода, очищенных от вредных примесей, с высоким знергетическим КПД, ресурсом и надежностью.

Целью изобретения является повышение энергетического КПД инжектора быстрых атомов термоядерного реактора, основанного на перезарядке быстрых ионов, за счет предварительной сепарации ионов, а также увеличение ресурса и надежности за счет осуществления радиационной защиты ионных источников от обратного потока нейтронов из реактора.

На чертеже изображен предлагаемый инжектор.

Устройство содержит вакуз мную камеру 1 инжектора, окруженнзто биодо- гической защитой 2. В вакуумной камере 1 размещены нейтрализаторы 3, оборудованные системой напуска газа, на котором происходит перезарядка ионов в атомы, отклоняющие магниты 4, запитываемые от собственных источников электрического питания, криогенные насосы 5, поддерживаемые при рабочей температуре системами азотного и гелиевого снабжения, и рекуператоры 6 энергии неперезарядившихс ионов, включенные в систему электрического питания ионных источников. Вакуумная камера оборудована выходны шиберным затвором 7 и состыкована с дополнительной вакуумной камерой 8, .также окруженной биологической защи

рализаторы, источники атомарных и молекулярных ионов установлены в даль- нем от выхода инжектора отсеке на расстоянии от центральной оси инжектора большем , чем радиус горловины.

5

0

5

0

5

той 9. На дополнительной вакуумной камере размещены источники IО атомарных и молекулярных ионов (например, с периферийным магнитным полем либо без магнитного поля или типа дуопигатрон либо периштазматрон) с собственными системами электрического питания. Ионные источники присоединены к дополнительной вакуумной камере через щлюзовые щиберные затворы 11, дополнительная вакуумная камера оборудована криогенными насосами 12, поддерживаемыми при рабочих температурах системами азотного и гелиевого снабжения, и рекуператорами 13 энергии молекулярных ионов (например, электростатического типа), также включенными в систему электрического питания ионных источников. Кроме того, между источниками ионов и нейтрализаторами в дополнительной вакуумной камере размещены поворотные магниты 14, запитываемь1е от собственных источников электрического питания. На чертеже также изображе- ГгВз траектории молекулярных ионов- 5 (между поворотными магнитами и рекуператорами энергии молекулярных ионов ),траектории атомарных ионов 16 до нейтрализаторов, траектории неперезарядившихся атомных ионов 17 и траектории быстрых атомов 18, вводимых в термоядерный реактор 19.

Инжектор быстрых атомов работает следующим образом.

Формирование и ускорение пучков атомарных и молекулярных ионов осуществляют источники 10 ионов (при открытых шлюзовых затворах . Пучки ионов разделяются поворотными магнитами 14 (ввиду различия по отношению заряда к массе атомарных и молекулярных ионов) на пучки молекулярных ионов, направляемые на рекуператоры 13 энергии молекулярных ионов , и пучки атомарных ионов I6, направляемые в нейтрализаторы 3. Угол поворота пучков атомарных ионов 16 составляет около 150 , а углы поворота молекулярных ионов 15 - около 30-60 .Для этого ширина полюсов поворотного магнита выбирается равной среднему радиусу поворота атомарных ионов D| с эне|)гией Е в межполюсном зазоре, равном примерно удвоенной ширине пучка ионов, а длина полюсов магнита составляет не менее двух средних радиусов поворота атомарных ионов D,. При этом индукция магнитного поля В между полюсами выбирается, например, для D, при энергии Ел, примерно равной: В

КЕ

где К я: Б Г./кэВ2. В нейтрализаторах 3 пучки атомарных ионов 16 перезаряжаются в пучки быстрых атомов 18 вводимые в термоядерный реактор 19 (при открытом выходном шиберном затворе 7). Отклоняющие магниты 4 выделяют из пучков быстрых атомов пучки неперезарядившихся атомарных ионов 17 и направляют их на рекуператоры 6 энергии неперезарядившихся ионов. Рекуператоры 6 и 13 энергии ионов производят прямое преобразование энергии попадаюш 1х на них пучков ионов в электроэнергию, которая используется для питания источников ионов вместе с энергией от внешних источников электропитания, что существенно увеличивает общий энергетический КПД инжектора. Энергетический КПД инжектора определяется как отношение мощности пучка быстрых атомов с основной энергией Е, вводимой в плазму . токамака, к суммарной электрической мощности, подводимой к инжектору от источников электропитания. Вместе с пучками ионов из источников 10 ионов выходит сопутствующий нейтральный газ, в нейтрализаторы 3 для перезарядки ионов в атомы подается рабочий газ, кроме того, источниками нейтрального газа являются рекуператоры 6 и 13 энергии ионов. Откачку газа, поступающего в вакуумную камеру 1, осуществляют криогенньш насосы 5, а газ, поступающ.чй в дополнительную вакуумную камеру 8, откачивают криогенные насосы 12. Вакуумная камера 1 окр жена биологической защитой 2, в которой имеется отверстие для ввода пучков атомарных ионов 16 в нейт0

5

0

5

0 л

5

0

5

0

рализаторы 3. Поэтому дополнительная вакуумная камера 8 также окружена биологической защитой 9 от прямых и рассеянных потоков нейтронов и другого излучения термоядерного реактора 19.Источники 10 ионов при этом не попадают в прямой поток нейтронов, так как установлены в тени биологической защиты 2 основной вакуумной камеры 1. Замена неисправных источников 10 ионов производится при закрытых шлюзовых щиберных затворах 11 и частично снятой биологической защите 9. Регламентные работы с инжектором, например, регенерация криогенных насосов 5 и 12, производятся при закрытом выход ном шиберном затворе 7.

В качестве примера использования предложенного устройства рассмотрим инжектор для опытного термоядерного реактора-токамака ИНТОР. Инжектор состоит из основной и дополнительной вакуумных камер, четырех источников дейтериевых ионов, формирующих пучки атомарных и молекулярных ионов до юр А, каждый при энергии ионов Ед 175 кэВ (количество ионньпс источников определяется лишь требованиями по суммарной вводимой мощности пучка). Доля атомарных ионов в пучках составляет 0,9. Энергетический КПД источника ионов равен 0,95. В инжекторе установлены четыре поворотных магнита. Угол поворота пучка атомар С

ных ионов DI равен , а углы поворота молекулярных ионов D и В равны соо1ветственно 50 и . В дополнительной вакуумной камере установлены четыре электростатических рекуператора энергии молекулярных ионов, имеющие КПД 0,8. Каждый из четырех нейтрализаторов инжектора имеет проходное сечение 15x70 см при длине 1,5 м. Среднее давление газа в нейтрализаторах составляет 31 О Па. Нейтрализаторы охлаждаются до температуры жидкого зота для уменьшения потребного расхода рабочего газа. Доля быстрых атомов на выходе из нейтрализатора равна 0,25. Четыре отклоняющих магнита обеспечивают поворот неперезарядившихся ионов Dj на 90. Четыре электро- статических рекуператора энергии непереозрядившихся ионов имеют КПД 0,8. Потери пучка быстрых атомов вдоль тракта из-за конечной угловой расходимости составляют 5% от общей мощности. В плазму термоядерного ре$ 12234194

актора инжектор вводит моноэнергети-молекулярных ионов. Общий энергетический {Eg 175 кэВ) пучок быстрыхческий КПД инжектора составляет 45% атомов дейтерия общей мощностьюпо сравнению с 35% для инжектора 15 МВТ. Затраты на регенерацию пуч-j ИНТОР на основе известных решений, ков ионов в источниках ионов равныРеализуется многократное увеличение 74 МВТ, из них 41 МВТ обеспечиваютресурса источников ионов и существен- рр.куператоры энергии ионов в томнов повьшение надежности работы в це- числе 5,5 МВТ - рекуператоры энергии, лом.