Способ магнитного удержания термоядерной плазмы в замкнутой ловушке Советский патент 1989 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано в термоядерной энергетике

Целью изобретения является повышение эффективности удержания плазмы и получения термоядерного выхода энергии в замкнутой ловушке.

На фиг.1 схематично изображена замкнутая магнитная ловушка; на фиг.2 - КРЭЛ.

Замкнутая магнитная лов,ушка состо- из из двух пpямoл ffleйныx участков 1, замкнутых КРЭЛ 2, Переход магнитной I конфигурации из КРЭЛ, криволинейного равновесного элемента, в прямой i участок осуществляется в относительно короткой переходной области 3.

КРЭЛ состоит из пяти полуторои- дальпьк солено1одов круглого сечения 4-8; О - центр КРЭЛ, о, ; oi УГЛЫ поворота солено щоБ друг относительно друга.

Для реализации способа создается магнитная конфигурация, удовлетворяющая как условюо незатекания первой гap oники

Иг

CCSoi,( S

ds о

К(в)

B (5l

-L/2

K(s)sinc(s) ., ) вТ,Т(,у- ds

-L/l

ИЛИ R векторной форме 2Гыа

;е ,п f Г; „.л VP

(1)

(2)

j B,VB Pds 0, (3)

о-1 ,л

u )

так и условию пезатекания в прямые участки второй гармоники тока разделения зарядов. Здесь s - текущая длина дуги магнитной оси КРЭЛ, отсчи тьюаемля от его середтпш, L - полна длина оси КРЭЛ, K(S) - кривизна оси; oi( s) - текущая угол вращательного преобразования; В - напрялсенность магнитного поля; Р - давление плазмы 0 - угол в плоскости, перпендикулярной оси КРЭЛ, отсчитываемы от главной нормали к ){ей. Для ciDsiMeTpiiUHbK относительно своего центра КРЭЛ условие (2) выполняется автоматшгески вв1щу нечетности подынтегральной функции. Условие незатеканип в нря- мые участки второй гармоники тока разделения зарядов выполняется во втром порядке га)

1 - Р

ви кривизне,

.

I i

Ш

15

20

25

30

35

- я , о40

45

50

В рамках используемого параксиального приближения каждый следующий порядок много меньше предыдущего и, следовательно, влияние на равновесие плазмы старших гармоник тока (mS: З) менее критично в разумном диапазоне значений параметров системы.

В замкнутых системах кроме обычной желобковой неустойчивости может развиваться нелокальная квазижелобко- вая неустойчивость. Последняя может оказаться более опасной, чем желобко- вая неустойчивость. В частности, в случае круглых магнитных поверхностей известный общегеометрический критерий устойчивости Мерсье не накладьша- ет во втором порядке по j ограничения на предельно допустимое значение Ь , тогда как критерий стаС)И.:1изаиии не- локальной квазижелобковой неустойчивости накладывает такое ограничение. Однако в случае круглых магнитных поверхностей при выполнении условия замыкания в КРЭЛ второй гармоники тока разделения зарядоп нелокальная квазижелобковая неустойчивость становится не более опасной, чем обычная желобковая неустойчивость, т.е. снимается ограничение во втором порядке по ( на предельно допустимое значение ft , и условие устойчивости сводится лишь к требованию наличия вакуум- ной магнитной ямы произвольной глубины.

Указанное обстоятельство позволяет при выполнении услвоия незатекания второй гармоники тока разделения зарядов в прямые участки повысить предельно допустимое значение |3 по устойчивости, что также увеличит эффективность термоядерного реактора на основе замкнутой ловушки.

Условие замыкания в КРЭЛ второй гармоники тока разделения зарядов имеет вид:

% «

о-UI2

что при сделанных предположениях.

обеспечивается выполнением след ующих условий:

111

ill dO J В, ds - О, (4)

-Кг

5

s. г -gl

I ЗК COS 2oi + К g (l cosci- I,sin)1 Й OJ(5)

ПJ

(6)

Ma

H

-biz

0- I.JB

и/г

4,1г

I 2oi +К 2 (l,,since,+ 1г

, В

+ Г совы) Oi

иг

1 Ч -0.

-L.I2т т С f K(s)cos(y,(s) , I, 1,(в) J -g- j-Zds,

5

т - т { - K{s)sinoi(s) Т„ - Irtlsj - I -тгттл г ds

Г° М ) -1 В - производная магнитного поля В по продольной координате

S I

Как отмечалось, при выполнении условия (4) для подавления неустойчи- востей при круглых магнитных поверхностях достаточно ямы даже небольшой, глубины. Для создания магнитной ямы

при круглых магнитных поверхностях ранее было предложено устройство, представляющее собой плоский соленоид, форма которого напоминает букву S. Однако s-стабилиэатор сам по себе не обеспечивает выполнение условия (4), Поэтому для создания магнитной Ямы может быть предложен стабилизатор, обеспечивающий выполение этих условий. Такой стабилизатор состоит из двух Одинаковых плоских соленоидов с неоднородным полем на оси, форма которых напоминает букву s (s- стабилизаторов), повернутых друг относительно друга на угол 90°. При этом касательный вектор к оси стабилизатора в месте стыковки соленоидов не претерпевает скачка. При достаточно больших значениях пробочного отношения и модуляции кривизны предлагаемое устройство создает магнитную яму (средний минимум В) и может быть расположено на стыках КРЭЛ с прямыми участками в отличие от известного S-стабилизатора, который способен создавать магнитную яму только совместно с КРЭЛ и не в состоянии обеспечить ее наличие, если расположить его на концах КРЭЛ.

В КРЭЛ может быть использовано однородное магнитное поле, создаваемое пятью полутороидальными соленоидами круглого сечения (трех полутороидальных соленоидов недостаточно) с неодинаковыми крга изнами, которые повернуты друг относиительно друга под раз

18830

личными углами (фиг.2), например К,/КоЛ1,687; К2./К, 0,504; Ы, 62°; ct 103,8°-,К„ - кривизна центрального полутороида; К, - кривизна полутороидов 5 и 7; К2 кривизна полутороидов 6 и 8.

Условия ( 1 )-(8). могут быть выполнены для достаточно широкого класса

)Q конфигураций замыкающих элементов. Можно создавать только симметричные конфигурации, автоматически обеспечивающие выполнение условий (2), (7), (8). Наиболее просто выполнить требуе15 мые условия, создавая КРЭЛ из стандартных элементов (участки тора, участки прямого винта), априори обеспечивающих выполнение условия замкнутости (фиг.2). Условие (1) в этом слу20 чае удовлетворяется подбором угла вращательного преобразования. При этом важно, чтобы после вьтолнения условия (1) кривизна оставалась произвольной, чтобы ее варьированием выполнить

25 условия (5) и (6). Может также возникнуть необходимость в создании КРЭЛ, кривизна К и кручение 96 которых являются плавными функциями дл1шы s, например, % const (s), К К,, +

3 + + 2 + ..., где

K;-const(s), а - безразмерная продольная координата. Оказывается, что трех гармоник в кривизне (К,, К;,, К) достаточно, чтобы выполнить

35 все необходимые условия. В этом случае подбором угла вращательного преобразования об(Ь/2) выполняются условия (1), (5) и (6) (условия (2) (7) и (8) выполняются из-за симмет рии КРЭЛ) и единственным свободным параметром остается масштабный множитель, которым следует распорядиться для выполнения условия замкнутости. В качестве масштабного множителя может быть выбрано безразмерное произведение KL (к - среднее значение кривизны).

Устойчивость в такой системе обеспечивается созданием среднего минимума В (магнитной ямы). Дпя зтого можно использовать устройство, которое можно располагать нп концах КРЭЛ, состоящее из двух s-образнмх соленоидов с неоднородным магнитным полем на оси, повернутых друг относительно друга на угол 90° так, чтобы касательный вектор к оси в место стыковки соленоидов на претерпевал скачка.

На прямых участках магнитное поле целесообразно сделат, меньше, чем в замыкагап1Их, за счет переходной области 3 (фиг.1). При этом параметр PI на прямом участке и полезный объем плазмы увеличиваются .

Предлагаемый способ магнитного удержания термоядерной плазмы осуществляется следующим образом.

Плазма в замкнутой ловушке удерживается постоянным магнитным полем, создаваемым электромагнитной системой так, что магнитная, конфигурация в КРЭЛах обеспечивает замыкание в них первой и второй гармоник тока разделения зарядов, а также наличие магнитной ямы.

Создание термоядерной плазмы можно осуществить, например, следующим образом.

В магнитной ловушке создается магнитное поле. Высокочастотной ионизацией газа (дейтерш, смесь дейтерия с тритием) или с помощью продольного тока создается плазма с температурой 100-200 эВ при плотности п Ю см

Последующш нагрев ионов до температур 10 кэВ осущесТБлиется ВЧ-нето,а- ми (иоино-гибридный, циклотронный резоиансы) нпи инжекцией быстрых нейтральных частиц. После зажигания ста- 35 ционарпый режим поддерживается Ш1жек- цией топлива (например, Д-т смесь)

Изобретение позволяет создавать магнитные ловушки, обеспечивающие устойчивое удержание высокотемпературной плазмы при меньших значениях магнитного поля по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Способ магнитного удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке по авт.СЕ. № 1062795, отличающийся тем, что, с целью повьпцения эффективности, в замькаюп1их элементах создают магнитное поле с конфигурацией, удовлетворяющей дополнительно условию

У S, О

о

при m где S

1; 2,

- длина дуги магнитной оси за5

0

5

ваемая от его середины;

-длина элемента;

-угол в плоскости, перпендикулярной оси, отсчитьшаемый от главной нормали;

-давление плазмы;

-напряженность магнитного поля на оси.

Способ поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что в замыкающих элементах создают магнитную конфигурацию со средним MtffiHM MOM В при магнитных поверхностях, имеющих форму круга в поперечном сечении.

L

9

Р В

2. и и

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано в термоядерной энергетике. Цель изобретения - повышение эффективности получения термоядерной энергии в замкнутой ловушке. Прямолинейные участки ловушки замыкаются криволинейными замыкателями (КРЭЛ), и создается магнитная конфигурация, удовлетворяющая условиям незатекания в прямые участки как первой, так и второй гармоник тока разделения зарядов *981 E^MI @ DΘ *981 [B, ΔВ]ΔР/B⁴DS=0, при M=1,2, где S - длина дуги магнитной оси, отсчитываемая от середины КРЭЛ

L - длина КРЭЛ

Θ - угол в плоскости, перпендикулярной оси

P - давление плазмы

B - напряженность магнитного поля. Плазма с температурой 100-200 эВ при плотности 10¹⁴см^-3 создается в замкнутой ловушке посредством высокочастотной ионизации и удерживается магнитным полем, конфигурация которого в КРЭЛ обеспечивает замыкание в них первой и второй гармоник тока разделения зарядов и наличие магнитной ямы. Последующий нагрев осуществляется высокочастотными методами или инжекцией нейтральных частиц. После зажигания стационарный режим поддерживается инжекцией топлива. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

/5