Способ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ловушках Советский патент 1989 года по МПК G21B1/00 

1

Изобретение относится к термоядерной энергетической технологии, в частности к методам высокочастотного нагрева плазмы до термоядерных температур, и может быть использовано при создании термоядерного реактора, например , типа токамак или стел - ларатор.

Цель изобретения - повышение эф- фективности нагрева плазмы.

На чертеже изображено радиальное распределение квадрата поперечного показателя преломления N| для быстрой и медленной магннтозвуковых волн в плазменном шнуре. Интенсивность потока высокочастотной энергии харак

,31

Тгеризуется шириной заштрихованной )бласти,

j На чертеже также изображена антен а 1I зона 2 ионного циклотронного |)езонанса для ионов добавки, точка 3 трансформации быстрой магнитозву- совой волны в медленную, зоны 4 и 5 1| ривой квадрата коэффициента преломления соответствуют быстрой магнито- ивуковой волне, а зона 6 - медленной иагнитозвуковой волне, R характеризу- Т радиальное положение внутри плазменного шнура.

Способ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ло- иушках осуществляют следующим обра- ном.

Быстрая магнитозвуковая волна БМВ), возбуждаемая со стороны сильного магнитного поля, распространяясь

т антенны в глубь плазмы, .проходит ;|ону ионного циклотронного резонанса

,ИЦР) для добавки, частично поглотив- iiHCb в ней, достигает затем зоны -рансф ормации. Так как при использо- ании данного метода .концентрация ио- ов добавки может быть обеспечена соизмеримой с концентрацией основного

аза, можно обеспечить слабое погло- 1Цение БМВ в зон.е основного ИЦР для нов добавки. При этом основная энергии, инжектируемой в плазму,

ереходит в зоне трансформации в

нергию медленной магнитозвуковой з олной (ММВ), которая, распространя- йсь в сторону возрастания магнитного фоля, приближается в зоне ИЦР.

I В предлагаемом способе нагрева ре- Ализуется другой режим, при котором ИЦР является доступной для ММВ йаже в случае высокой концентрации ijiOHOB добавки. Суть реализации такого ежима заключается в том, что инжек- 1|щя мощности высокочастотного излуче- начинается в тот момент, когда концентрация ионов добавки достаточ

Но мала, п /П; - , где п Концентрация ионов добавки; п - кониз (1), максимальная скорость напуск ионов добавки должна удовлетворять н 45 равенству /Vdn /dt/ „ ,,.. В ре зультате использования такого режима включения нагрева обеспечивается воз можность работы с высокой конце;нтра- цией ионов-добавки в стационарном ре

1(1ентрация основных ионов;- V т - тепло- 50 достижимостью ММВ зоны ИБР и

распределения резонансных частиц с эффектом обрезания хвоста и распределения и поэтому по мере увеличения плотнбсти (в это время зона конверсии смещается от зоны ИЦР к перифер1ш плазмы) может быть обеспечено условие поддержания немаксвелловской фуикции распределения. Ограничения на скорость напуска добавки могут быть определены из уровня баланса энергии для резонансных частиц на стадии напуска:

(тг

dn E dt

n E

ч,е

V

(1)

где Р j. - мощность трансформирования

, в ММВ;

n (t) - концентрация ноцоа добавки в момент времени fcj усредненная по объему V, в котором происходит поглощение высокочастотной сти;

Е - средняя энергия резонансных частиц; - скорость потери энергии

резонансных частиц, с: энергией Е за счет их торможения на ион;цс и электронах Основной плазмы. Энергия резонансных частиц Е в оптимальных условиях двухкомпонентно- го режима приближительно должна быть равной энергии Е, при которой сечение термоядерной реакции имеет максимальное значение. Поэтому для обеспечения условий достижимости зоны ИЦР для добавки необходимо, чтобы на стадии нарастания плотности ионов добавки их средняя энергия должна быть

близка к EQ. Для этого, как следует

из (1), максимальная скорость напуска ионов добавки должна удовлетворять не- равенству /Vdn /dt/ „ ,,.. В результате использования такого режима включения нагрева обеспечивается возможность работы с высокой конце;нтра- цией ионов-добавки в стационарном ре

Изобретение относится к области термоядерной энергетической технологии, в частности к высокочастотным методам нагрева плазмы до термоядерных температур, и может быть использовано при создании термоядерного реактора, например, типа токамак или стелларатор. Цель изобретения состоит в повышении эффективности нагрева плазмы. На периферии плазмы в области где продольное магнитное поле имеет максимальное значение (в тороидальных установках - на внутреннем обводе тора) возбуждают быструю моду быстрой магнитозвуковой волны, которая распространяется в глубь плазмы в направлении спадания продольного магнитного поля. При достижении ею зоны трансформации возникает медленная магнитозвуковая волна, распространяющаяся в направлении возрастания продольного магнитного поля и достигающая зоны ионного циклотронного резонанса на ионах .добавки, дополнительно введенных в плазму. В этой зоне происходит поглощение-высокочастотной мощности, способствующей нагреву плазмы. В качестве добавки используют ионы с отношением зарядового числа z к массовому числу А , меньшим, отношения зарядового числа z к массовому числу А основных ионов добавки. Напуск в плазму ионов добавки осуществляют после начала введения высокочастотного со скоростью возрастания числа ионов добавки в объеме плазмы, не превосходящей по величине отношения вводимой в плазму мощности высокочастотного излучения к величине энергии ионов добавки, соответствующей максимуму cet чения реакции синтеза ядер ионов добавки и ионов ионовой плазмы. 1 ил. с SS (Л С 4 сл О1 со о: 4

Ная скорость ионов добавки; - фазовая скорость волны вдоль магнитного поля при температуре ионов добавки Т;,равной температуре Т; основ- Мых ионов.

Благодаря этому зона ИЦР для до- фавки доступна для ММВ даже при Т ; Т , За счет хщклотронного поглощения ММВ в зоне формируется функция

поддержанием немаксв-елловской функции распределения резонансных частиц. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что благодаря исполь- зованию ионов добавки, для котсфых Z /А с Z/A, где Z иг- зарядовые числа ионов добавки и основных ионов соответственно; А и А - их массовые числа соответственно, параметр К, f

5

(К 1 - поперечное волновое число для ШВ; . - ларморовский радиус основ .ных ионов) в зоне ИЦР для ММВ сильно зависит от поглощаемой мощности и концентрации ионов, добавки и, в частности, монотонно уменьшается при увеличении уровня поглощаемой мощности. Эта особенность важна, так как оказывается возможным путем регулирования концентрации ионов добавки обеспечить оптимальное значение параметра Kj,, при котором формируется оптимальная функция распределения ионов добавки и таким об- разом обеспечивается максимальная величина фактора Q, представляющего собой коэфяшциект умножения термоядерной мощности.

Можно использовать следующие ва- р ианты нагрева:

1)дейтерий-тритиевая плазма (Д+Т) в которой тритий является добавкой;

2)дейтерий-гелиевая плазма (Д + + Не), в которой дейтерий является добавкой,

3)дейтерий-водородная плазма (Д+Н), в которой дейтерий является добавкой;

4)гелий-водородная плазма (Н +

+ Не), в которой гелий является добавкой;

5) гелий-водородная плазма (Н + + Не), в которой гелий является добавкой.

Вариант 1 может быть использован для создания режима двухкомпонентно- го реактора, а вариант 2 - для создания двухкомпонентного безнейтронного (чистого) реактора.

Предлагаемый способ позволяет решить проблему ввода в ММВ высокого уровня мощности путем возбуждения быстрой волны и ее трансформации в ММВ без использования дополнительной нерабочей компоненты плазмы, которая может существенно понизить величину фактора О. Кроме того, предлагаемый способ позволяет обеспечить путем реА5536

г.улирования параметра К j5. оптимальные условия с точки зрения обеспечения максимума вектора.

Фо. рмула изобретения

-

Способ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ло- 10 вушсах, включающий возбуждение в плазме магнитозвуковых волн, введе- ние в плазму ионоз добавки для поглощения медленных волн в области ионного циклотронного резонанса на ионах 15 добавки, отличающийся тем, что, с целью повьпиения эффективности нагрева плазмы, в области максимального значения продольного магнитного поля возбуждают быструю моду 20 быстрой магнитозвуковой волны, распространяющейся в глубь плазмы в направлении спадания продольного магнитного поля и достигающей зоны трансформации в медленную магнитозвуковую волну, распространяющуюся в направлении возрастания продольного магнитного поля и достигающую зоны, ионного циклотронного резонанса на ионах добавки, при этом в качестве ионов до- 30 банки используют ионы с отношением зарядового числа z к массовому числу А , меньшим отношения зарядового числа z к массовому числу А основных ионов плазмы, причем напуск в плазму 35 ионов добавки осуществляют после начала введения выcoкoчacтoтIioгo излучения в плазму, со скоростью возрастания числа ионов добавки в объеме зоны поглощения высокочастотного из- 0 лучения в плазме, не превосходящей

по величине отношения вводимой в плазму мощности высокочастотного излучения к величине энергии ионов добавки, соответствующей максимуму сечения ре- 5 акции термоядерного синтеза между ионами добавки и ионами основной плазмы, до достижения такой плотности ионов добавки в объеме плазмы, при которой поток нейтронов из плазмы до- 0 стигает максимального значения.