СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ Советский патент 1995 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может использоваться в термоударной энергетике.

Цель изобретения повышение эффективности и упрощение создания области высокотемпературной плазмы термоядерного топлива.

На чертеже схематично изображена разрядная камера, поясняющая предлагаемый способ (разрез).

В камеру помещен твердый стержень 1, часть 2 которого состоит из термоядерного топлива. В стержне искусственно создан дефект 3 в виде аксиально-симметричной выемки в области присутствия термоядерного топлива. Стержень окружает вещество 4. На чертеже показана область 5 уменьшения плотности вещества, окружающего стержень, в месте предполагаемого развития перетяжки. В камере имеются проводящие стенки 6, изолирующие стенки 7 и металлические экраны 8.

Способ получения управляемой термоядерной реакции заключается в обжатии термоядерного топлива в конденсированном состоянии.

Термоядерное топливо, имеющее, например, цилиндрическую форму поверхности, окружают веществом с меньшей плотностью, используемым для наращивания тока, и обжимают магнитным полем, создаваемым продольным током, проходящим по топливу и окружающему его веществу. В области, занимаемой термоядерным топливом, предварительно создают условия для развития перетяжки на плазменном столбе, в который превращается топливо в результате обжатия и нагрева его магнитным полем. В перетяжке образуется высокотемпературная плазма, способная инициировать волну термоядерного горения. Сила тока выбирается так, чтобы обжатие магнитным полем, создаваемое этим током, обеспечивало переход термоядерного топлива радиуса r в плазменное состояние I [A] > 1,5˙10⁷r. При этом для сжатия магнитным полем термоядерного топлива должно быть выполнено условие распространения волны термоядерного горения
ρ r' ≥ A (1) где ρ плотность сжатого магнитным полем топлива; r' характерный поперечный размер занимаемой им области; А константа, определяемая видом термоядерного топлива и условиями обжатия (для стержня из конденсированной смеси дейтерия с тритием А ≈ 0,5 г/cм²).

Условия для развития перетяжки в веществе, окружающем термоядерное топливо, создают, например, путем неоднородного распределения этого вещества.

Для развития перетяжки на плазменном столбе, в который переходит термоядерное топливо в результате обжатия его магнитным полем, на холодном топливе в конденсированном состоянии создают дефект, например, в виде аксиально-симметричной выемки, которая облегчает развитие перетяжки в заданном месте.

Энерговыделение в зависимости от потребности регулируют соответствующим ограничением области распространения волны термоядерного горения. Это можно сделать, например ограничивая количество термоядерного топлива.

Для удешевления производства энергии можно менять вид термоядерного топлива в зависимости от координат в занимаемой им области.

Высокотемпературная плазма вплоть до термоядерных температур возникает при токе свыше 1 МА вследствие развития неустойчивости (мода m 0 перетяжка). Высокотемпературная плазма (≈ 10 кэВ), образующаяся в весьма малом объеме, может инициировать волну термоядерного горения, которая при выполнении условия (1) распространяется от перетяжки вдоль термоядерного топлива. Выделение термоядерной энергии из областей, по которым проходит волна термоядерного горения, обеспечивает превышение энерговыделения над энергетическими затратами, требуемыми для создания и нагрева плазмы.

Сжатие магнитным полем топлива должно обеспечить увеличение энергии Ферми E_f электронов в нем до некоторого значения (Е_f ≈ 5 эВ), превышающего значения энергии связи. В результате получения холодная плазма, близкая к идеальной, но с сильно выраженными квантовыми свойствами вырожденного электронного газа. Значение силы при этом нетрудно оценить по формуле
I Hr полагая, что имеет место магнитное удержание плазмы P_пл Н²/8 π (Р_пл давление плазмы, Н напряженность магнитного поля). Для оценки можно положить Р_пл ≈ nE_f. Для типичных значений параметров (ρ r ≈ 0,5 г/см²; r ≈ 0,5 см; E_f ≈ 5 эВ) сила тока составляет примерно 10 МА.

При импульсном пропускании по материалу, окружающему стержень тока, происходит движение токового слоя к центру разрядной камеры. При этом важно, чтобы в момент подхода такового слоя к термоядерному топливу сила тока была бы максимальной. Для этого нужно выполнить условие согласования разрядного контура с движением плазменной оболочки.

Минимальное значение радиуса перетяжки определяют зажиганием термоядерной реакции, а минимальное энерговы- деление в таком процессе энерговыделением в одной лишь перетяжке.

Способ осуществляют следующим образом.

Создают стержень 1, содержащий термоядерное топливо, например d-t смесь в конденсированном состоянии. В стержне в области присутствия термоядерного топлива искусственно создают дефект в виде небольшой аксиально-симметричной выемки, способствующей развитию перетяжки. Стержень помещают в вещество со средней плотностью ≈ 10^-3 г/см³. Радиус области, занятой этим веществом, ≈10 см. Внешняя поверхность вещества делается проводящей для электрического тока. В области предполагаемого развития перетяжки искусственно уменьшают плотность вещества окружающего стержень, на 10-50% создавая тем самым условия для такого развития. Эту конструкцию помещают в вакуумированную разрядную камеру, в которой изолятор защищен от прямого воздействия излучения из центра камеры металлическими экранами. На разрядную камеру от внешнего источника подают напряжение.

После подачи напряжения ток происходит по внешней поверхности окружающего стержень вещества, переводя ее в плазменное состояние за счет джоулева тепловыделения. Дальнейшее нарастание тока происходит в плазме, при котором происходит движение образующейся плазменной оболочки под действием давления магнитного поля к центру камеры. Вследствие того, что первоначальная плотность окружающего стержень материала неоднородна, а само сжатие неустойчиво по отношению к перетяжкам, происходит их развитие по мере охлаждения плазменной оболочки к центру камеры. Развитие перетяжки в среде, окружающей стержень, обеспечивает выход токового слоя к поверхности стержня в области присутствия в нем термоядерного топлива и эффективный сброс вещества в осевом направлении. Ток при этом достигает своего максимального значения ≈ 10 МА.

После выхода токового слоя на стержень происходит обжатие его магнитным полем этого тока, переводящее стержень (в области присутствия термоядерного топлива) в плазменное состояние. На образующемся плазменном столбе происходит развитие перетяжки, которое приводит к образованию в ней высокотемпературной плазмы; плотность плазмы в перетяжке при этом увеличивается в 10 раз по сравнению с начальной плотностью плазменного столба. Далее при выполнении условия (1) происходит распространение высокотемпературной плазмы вдоль оси за счет волны термоядерного горения, обеспечивая при этом положительность энерговыхода в такой системе.

Таким образом, если известные способы основаны на создании высокотемпературной плотности плазмы непосредст- венным воздействием внешнего источника, то предлагаемый способ предполагает для создания такой плазмы использовать физическое явление развитие перетяжки в Z-пинче. Это существенно упрощает создание термоядерной плазмы. Кроме того, предлагаемый способ не требует сложной и дорогостоящей лазерной и пучковой техники, что также обеспечивает упрощение и удешевление его по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может использоваться в термоядерной энергетике. Цель изобретения - повышение эффективности обжатия термоядерного топлива и упрощение условий создания области высокотемпературной плазмы в термоядерном топливе. Обжатие топлива в конденсированном состоянии аксиально-симметричной формы производят магнитным полем аксиального тока, причем в топливе или окружающем его веществе, служащем нагрузкой во время нарастания импульса тока, переключающегося на топливо в результате сжатия вещества, создаются условия для развития магнитогидродинамической перетяжки за счет изменения формы границы топлива или плотности топлива либо окружающего вещества. При подаче напряжения ток проходит по внешней поверхности вещества окружающего топливо. Образующаяся плазменная оболочка движется к оси под действием давления магнитного поля, сжимая вещество. Развитие перетяжки обеспечивает выход токового слоя на топливо в локальной области стержня из термоядерного топлива и его обжатие с образованием области высокотемпературной плазмы, в которой выполняются условия термоядерного дожигания и от которой вдоль топлива распространяется волна термоядерного горения. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ, заключающийся в обжатии термоядерного топлива аксиально-симметричной формы в конденсированном состоянии при выполнении условия ρr ≥ A, где ρ плотность сжатого термоядерного топлива; r характерный поперечный размер термоядерного топлива; А константа, определяемая видом термоядерного топлива и условиями обжатия, и создании в топливе локальной области высокотемпературной плазмы, инициирующей волну термоядерного горения топлива, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и упрощения создания области высокотемпературной плазмы, топливо обжимают магнитным полем, создаваемым продольтоком I, величина которого соответствует условию
I[A] > 1,5·10⁷r,
где r в сантиметрах, причем предварительно создают условия для развития в топливе магнитогидродинамической перетяжки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что условия для развития магнитогидродинамической перетяжки создают посредством локального уменьшения радиуса термоядерного топлива. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени нарастания тока в термоядерном топливе, вокруг топлива создают слой вещества плотностью, не превышающей плотности топлива, и толщиной больше толщины токового скинслоя. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что слой вещества создают с неоднородным распределением плотности вдоль оси топлива.