Устройство для поджига импульсной термоядерной реакции с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков Советский патент 1987 года по МПК G21B1/00 

личение удельного энерговклада РЭП во внешнюю поглощающую оболочку термоядерной мйщени для достижения условий, необходимых для поджига импульсной термоядерной реакции. В устройстве осуществляется транспортировка и фокусировка сильноточных дисковых РЭП, генерируемых двумя кольцевыми высоковольтными диодами 4 с ножевыми катодами, с помощью внешнего ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией и магнитного поля пробочной конфигурации на мищень 10, расположенную на общей магнитной оси в плоскости симметрии устройства. Кольцевые диоды 4 расположены в двух экватори- альнцх плоскостях ведущего магнитного поля, создаваемого с помощью трех основных соленоидных катушек 1, а мишень 10 окружена соленоидной катушкой 11, создающей поле пробочной конфигурации. ТолИзобретение касается разработок импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП).

Цель изобретения - увеличение удельного энерговклада РЭП в термоядерную ми- шень.

На фиг. 1 приведено предлагаемое устройство, вертикальное сечение; на фиг. 2 - то же, горизонтальное сечение; на фиг. 3 - высоковольтный вакуумный диод с дополни- тельными катущками; на фиг. 4 - мищен- ный узел (вариант конической мишени).

Предлагаемое устройство содержит три основные соосные соленоидные катушки 1 с обмотками, включенными навстречу друг другу в соседних катушках, расположенные го- ризонтально друг над другом, вне рабочего объема взрывной камеры 2. Основные соленоидные катушки создают ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией с двумя экваториальными плоское- тями. Между основными катушками 1 симметрично экваториальным плоскостям и соосно с главной осью магнитной системы расположены две пары дополнителъных кольцевых соленоидных катушек 3, создающих сильные магнитные локальные поля в районе расположения кольцевых диодов того же направления, что и основное ведущее магнитное поле (щелевые пробки). Дополнительные катушки 3 имеют средний диаметр такой же, как и у основных катушек 1. В зазорах, образованных каждой парой до- полнительных катушек 3, расположено по одному высоковольтному вакуумному кольщина поглощающей оболочки мйщени 10 составляет 1/30-1/20 длины пробега электронов исходной энергии в материале обо- лочки. Рост удельного энерговклада РЭП по внешнюю оболочку мишени достигается в результате удлинения пути электронов в ней до их полного торможения, благодаря движению электронов по ларморовской спирали в магнитной пробке, наклону поверхности оболочки, имеющей сферическую или коническую форму, к направлению силовых линий магнитного поля и из-за многократных проходов электронов через оболочку вследствие отражения их электрическим полем высоковольтных диодов 4, между которыми расположена мишень 10. Возможно использование устройства для создания мощных импульсных генераторов нейтронного и тормозного рентгеновского излучений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

цевому диоду 4, подключенному через вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) 5 к генераторам 6 сильноточных РЭП.

Каждый диод 4 состоит из тонкого кольцевого ножевого катода 7, укрепленного на высоковольтных электродах нескольких ВЛМИ 8, расположенных симметрично по кругу, и анода 9 из тонкой фольги или металлизированной полимерной пленки, закрываюшей вакуумно плотно щель в цилиндрической части корпуса диода 4 и обеспечивающей прохождение через него релятивистского электронного пучка.

Вакуум в диодах л БЛМИ должен поддерживаться на уровне- 10 мм рт. с. Диоды 4 расположены на равных расстояниях относительно главной плоскости симметрии магнитной системы, причем кольцевые ножевые катоды 7 диодов 4, определяющие положение центральных плоскостей инжекции РЭП, смещены в сторону главной плоскости симметрии устройства от экваториальных плоскостей на величину, равную половине толщины генерируемого электронного пучка (hn/2).

Радиус кольцевых диодов 4 выбирают так, чтобы ускоряющий зазор, образованный ножевым катодом 7 и анодом 9, находился в области максимума магнитного поля щелевой пробки, а ширина катодного кольца должна быть много больше величины ускоряющего зазора (при зазоре 0,5 см ширина кольца должна быть 5 см). Внутри средней основной соленоидной катущки 1, соосно с ней и симметрично относительно ее

средней плоскости, расположена мишеньЧО, которую охватывает соленоидн ая катушка 11 с токоподводами 12, создающая магнитное поле пробочной конфигурации. Внутренний диаметр соленоидной катушки 11 незначительно превышает диаметр мишени 10 (например, в 1,5 раза), а ее продольный размер должен обеспечивать достаточно плавное сопряжение силовых линий основного ведуше- го магнитного поля, создаваемого катушками 1, с магнитным полем пробки (длина пробочной катушки 11 должна в 4-5 раз превышать ее внутренний диаметр). Внешний диаметр катушки 11 определяется ее конструкцией, которая должна обеспечить создание в объеме - 300-400 см магнитного поля с напряженностью- 300 кГс в режиме однократного ее использования.

Мишень представляет собой тонкую сферическую оболочку, толщина которой не превышает длины

пробега электронов исходной энергии в материале оболочки из твердого вещества с наружным проводящим слоем. Мишень может быть выполнена также в виде двух усеченных полых конусов, соединенных большими основаниями. Мишень 10 с помощью тонких проводящих нитей или тонкого металлического диска 13 крепится к металлическому корпусу катушки 11 так, что ось вращения мишени совпадает с главной осью магнитной системы, а плоскость ее симметрии - с главной плоскостью симметрии. Мишень 10 через корпус катушки 11 и токоподводы 12 электрически соединяется с заземленным корпусом взрывной камеры 2. В толстых защитных стенках взрывной камеры 2, рассчитанных на удержание взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва 10 Дж), имеются две кольцевые щели, сквозь которые РЭП попадают в рабочий объем взрывной камеры. Взрывная камера заполняется газом (воздухом) при низком давлении, составляющем несколько мм рт. ст.

Для создания плазменных каналов в устройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подключен к тонким фольговым электродам 15, укрепленным с помощью изоляторов 16 на внутренней стенке взрывной камеры 2 и закрывающим кольцевые щели в ней, а другим - к заземленным анодам 9 вакуумных диодов 4 и мищени 10. Плазменные каналы заполняют силовые трубки ведущего магнитного поля по обе стороны от фольговых электродов 15 и простираются от анодов 9 вакуумных диодов до мищени 10. Плазменные каналы, также как и инжектируемые пучки, имеют вначале, в области между анодами 9 и электродами 15, вид тонких дисков, сходящихся в направлении магнитной оси и расщиряющихся за фольговыми электродами 15, в соответствии с ходом силовых линий ведущего поля, затем они поворачивают на угол 90° и в районе мищени 10 под действием поля пробочной катушки 11 сходятся в .узкую цилиндрическую область с диаметром, превышающим диаметр мишени. Фольговые электроды 15 обеспечивают беспрепятственное прохождение РЭП от диодов 4 на мишень 10 без существенного рассеяния по углу и заметных потерь энергии. Вспомогательный механизм

17 служит для доставки мишенного узла, т.е. мищени 10 вместе с пробочной соленоидной катушкой 11 в нужный момент времени в рабочее положение.

Устройство работает следующим образом. Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нужного давления. Затем пропускают токи номинальной величины через основные 1 и дополнительные 3 соленоидные катушки. В результате этого возникает ведущее магнитное поле с двой0 ной остроугольной геометрией и сильные локальные поля в области расположения диодов. Одновременно включается вспомогательный механизм 17, доставляющий мишенный узел в центр взрывной камеры, и возбуждается магнитное поле пробочной

5 катушки 11с помощью токоподводов 12. После этого за несколько микросекунд до 1 енерации РЭП включают импульсный источник 14 высокого напряжения и осуществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры 2 с образованием

плазменных каналов, обладающих высокой электрической проводимостью, необходимой для прямой, высокоэффективной транспортировки РЭВ на мишень 10. После этих подготовительных операций, включение которых происходит с помощью автоматического программного устройства (не показано),также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов 6 РЭВ с разбросом, не превышающим несколько не, при полной длительности импульса 2 80-90 не. В резуль0 тате этого в диодах 4 происходит генерация двух тонких дисковых сильноточных РЭП с относительно небольщим угловым разбросом электронов, определяемым соотношением собственного магнитного поля пучка и внешнего магнитного поля в области ге5 нерации РЭП (tg Нв/HRk, где Нд - собственное магнитное поле пучка; Hj - внешнее магнитное поле).

Сильноточные дисковые РЭП транспортируются вначале вдоль плоскостей инжекции с помощью ведущего магнитного поля с двой- ной остроугольной геометрией по заранее созданным плазменным каналам. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах 4 и фольговые электроды 15, сильноточные РЭП транспортируются к центральной области взрывс ной Камеры 2, где расположена мишень 10. Благодаря небольшому смещению плоскости инжекции верхнего кольцевого диода 4 вниз в сторону центральной катушки 1,

равному hn/2, верхний дисковый пучок распространяется вдоль силовых линий магнитного поля вниз, в сторону мишени 10, а нижний дисковый пучок благодаря аналогичному небольшому смещению плоскости инжекции вверх, в сторону центральной катушки 1, распространяется вверх, в сторону мишени 10. Таким образом, оболочка мишени облучается с двух противоположных сторон.

Так как РЭП распространяется внутри плазменнных каналов, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а благодаря высокой электрической проводимости плазмы в каналах в них генерируются обратные токи, текущие навстречу основным токам РЭП, приблизительно равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных пол ей РЭП в области транспортировки. Это создает условия для тран- спортировки РЭП в центральной области взрывной камеры 2 с КПД, близким к . Высокая степень компенсации прямых токов РЭП (до 99%) обеспечивает отсутствие самозапирания пучков, которое возникает при наличии больших собственных магнитных полей.

В центральной части устройства, после поворота силовых линий на 90°, электроны распространяются параллельно главной магнитной оси и далее фокусируются с помощью сильного магнитного поля пробочной катушки 11 на мишень 10. Для достижения вы- сокого КПД транспортировки и фокусировки РЭП на мишень, близкого к 100%, радиус кольцевого катода и радиус мишени определяют из соотно111ений, приведенных в формуле изобретения, в которых ток дискового РЭП одного кольцевого диода 1 и его толщина Ьд. рассчитываются.

Для увеличения удельного энерговклада РЭП в мишень в предлагаемом устройстве осуществляют эффективное поглощение энергии РЭП, близкое к 100%, в оболочке мишени, толщина которой уменьшена в 20-30 раз по сравнению с длиной пробега электронов 1с В материале оболочки. Это становится возможным благодаря соответствующему увеличению длины пути, проходимому в среднем каждым электроном в такой оболочке до полного торможения в ней. Увеличение длины пути электрона в тонкой оболочке достигается за счет движения электро- нов по ларморовской спирали в мишени, находящейся в магнитной пробке, наклона поверхности оболочки, имеющей сферическую или коническую форму, к направлению силовых линий магнитного поля многократных проходов электронов через обо- лочку вследствие отражения их электрическим полем высоковольтных диодов, между которыми расположена мишень.

Формула изобретения

I. Устройство для поджига импульсной термоядерной реакции с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков, содержащее генераторы релятивистских электронных пучков (РЭП), оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами с ножевыми катодами, взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена термоядерная мишень, магнитную систему, выполненную в виде трех основных соосных соленоидных катушек, расположенных на равных расстояниях друг от друга, обмотки которых включены навстречу друг другу, и дополнительных соленоидных катушек, внешний импульсный источник напряжения, который одним полюсом подключен к электродам, укрепленным на внутренней стенке взрывной камеры, а другим - к заземленным анодам высоковольтных вакуумных диодов и мишени, высоковольтные вакуумные Лиоды, расположенные между основными соленоидными катушками в двух плоскостях, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, отличающееся тем, что, с целью увеличения удельного энерговклада РЭП в мишень, в устройство введена соленоидная катушка, создаюшая магнитное поле пробочной конфигурации, расположенная вокруг мишени внутри средней основной соленоидной катушки, соосно с ней и симметрично относительно ее центральной плоскости, высоковольтные вакуумные диоды выполнены кольцевыми; дополнительные соленоидные катушки расположены попарно по обе стороны от высоковольтных вакуумных диодов с обмотками, включенными так же, как и обмотки соседних основных катушек, причем радиус кольцевого ножевого катода диода и радиус мишени определяют из соотношений:

RK

0,1-1.

JCM, R« ;№H,

HRH

где I - ток одного кольцевого диода. А; ц Н д-пробочное отношение;

HRK

tl-in -напряженность внешнего магнитного поля в области осевой пробки, где расположена мишень, Гс; HK -напряженность внешнего магнитного поля в области ускоряющего зазора диода, Гс; Jir, -толщина дискового РЭП на аноде

диода, см, а толщина внешней поглощающей оболочки

термоядерной мишени составляет -

ДЛИНЫ пробега электронов исходной энергии в материале оболочки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде двух полых

усеченных конусов, соединенных своиминой магнитной осью устройства, а попебольшими основаниями, и раслоложена так,речный мишени равен радиусу больчто ось вращения мишени совпадает с глав-шого основания конусов.

пуцок

16

Магн.

ЭкВат. плоскость

М5 Магн. ось

Фиг.1

hf,

Фиг.З

Пучок

Пучок

Магн. ось

Центр. пА. симметрии. ФагМ

Изобретение касается разработок импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием на основе использования в качестве драйвера (носителя энергии) сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП). Цель изобретения - уве(Л 1C ;о 00 00 (иг.2