Способ нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках Советский патент 1980 года по МПК H05H1/18 

(54) СПОСОБ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В ЗАМКНУТЫХ МАГНИТНЫХ ЛОВУШКАХ

Изобретение относится к области, производства электрической или тепло з-ой энергии, а именно к технике осу ществления управляемой термоядерной реакции, и может быть использовано для нагрева газовой плазмы, например в установках управляемого термоядерHOiO синтеза, построенных по принципу замкнутых магнитных ловушек с вращательным преобразованием магнитных силовых линий. Существует несколько способов нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках. Распространен способ нагрева плазмы посредством возбуждения в ней электрического тока с последующим превращением энергии носителей тока в тепловую энергию плазмы, в частности способ нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках посредством вазбуяодения в плазме индук ционным путем тока высокой частоты, протекающего в скин-слое, образующем ся в плазме на ее границе с вакуумом При этом высокочастотная мощность эффективно поглощается в скин-слое. Однако эффективный диффузионный размер, определяемый глубиной скинслоя в плазме и зазором плазмо и стенкой разрядной камеры, мал относительно поперечного размера . Вследствие этого энергетические потери плазмы из области нагрева велики, и на нагрев внутренней части . плазменного шнура идет относительно малая часть вводимой высокочастотной мощности. Цель изобретения - дальнейшее увеличение эффективности нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловучжах с использованием для нагрева высокоч-астотного тока, протекающего в скинслое плазмы. Для этого.надо, чтобы область нагрева, т.е. область скинслоя, находилась в глубинной части магнитной ловушки вдали от поверхности плазмы. В этом случае диффузионный промежуток, отделяющий область нагрева от материальных стенок, увеличен, так как в него входит дополнительно диффузионный размер, определяемый расстоянием от скин-слоя до. границы плазма-вакуум. Цель достигается благодаря тому,, что высокочастотный ток, нагревагощий плазму в замкнутой магнитной .повутке с вращательным преобразованием магнитных силовых линий, возбуждчюг в алазме внешним стоячим илг. бс.члгянм пространственно-периодическим мчогоголюсным высокочастотным полем, чисJO полюсов и частоту изменения кото юго выбирают так, чтобы произведени ;;ространственно1 о периода высокочастотного поля, отсчитываемого вдоль силовой линии постоянного магнитного поля ловушки, и частоты изменения высокочастотного поля было меньше альфеновской скорости в плазме на периферийной части сечения плазменного шнура и больше альфеновской скорости в плазме во внутренней час ти плазменного шнура. На чертеже приведены графики зависимости альфеновской скорости в плазме, произведения пространственного периода высокочастотного поля, отсчитываемого вдоль силовой линии постоянного магнитного поля, и част ты изменения высокочастотного поля от расстояния от магнитной оси ловуш ки , иллюстрирующие предлагаемый спо соб. Экспериментально показано, что плазма, находящаяся в постоянном тороидальном магнитном поле замкнутой магнитной ловушки, прозрачна дл стоячего или бегущего пространствен но-периодического многополюсного вы сокочастотного электрического поля, если и не прозрачна при f , VA, - альфеновская скорость в пла ме, м. Ь - индукция постоянного магнит ного поля ловушки-, тл; р - плотность плазмы, кг-м, jjjHti, магнитная проницаемость вакуума, гн. м , - пространственный период мно гополюс-ного высокочастотног электромагнитного поля, отсчитываемый вдоль силовой л нии постоянного магнитного поля ловушки, м; частота изменения.высокочас тотного поля, Гц. Таким образом, если в периферийн части плазменного шнура г во внутренней части его соблюдается обратное неравенство VA i f , то высокочастотное поле сканируетхзя в плазме в окрестности слоя Уд , расположенного в глубине плазменного шнура. Для стационарных и квазистациона ных замкнутых магнитных ловушек характерно спадающее с расстоянием f магнитной оси ловушки распределение плотности плазмы О . Этому соответ ствует увеличение с расстоянием альфеновской скорости V в плазм Например, для параболического распределения плотности p-Po{i-()) где а - расстояние от магнитной ос до поверхности раздела плазма-ваку ависимость Уд (г) представляется ривой 1. С другой стороны, длина ространственного периода, cи lмeтичного относительно оси ловушки выокочастотного поля, отсчитываемая доль силовой линии постоянного агнитного поля, выражается в виде 2ilr г . , . -;;rls4« t r)J, де - угол вращательного преобразования силовой линии постоянного магнитного поля на одном обходе вдоль магнитной оси ловушки; Ь - длина ловушки вдоль магнитной оси ; VTV - число пар полюсов высокочастотного электромагнитного поля. л В случае, когда arctg-- il , Кривые 2 и 3 представляют произведение -Xf , т.е. правую часть неравенства (1). Первый случай (кривая 2) реализуется в замкнутой магнитной ловушке типа Токамак, в которой вращательное преобразование силовых линий создается стационарным продольным током, протекающим в плазме, распределение плотности которого по сечению плазменного шнура близко к равномерному. Второй случай (кривая 3) реализуется, например, в ловушке типа Стелларатор, в которой вращательное преобразование силовых линий создается внешними проводниками с токами и угол вращательного преобразования V является возрастающей функцией . Пересечение кривой 1 с кривыми 2 и 3 определяет поперечный размер глубинной магнитной поверхности, в окрестности которой сканируется высокочастотное многополюсное электромагнитное поле. Таким образом, изменяя посредством изменения, например, частоты f . высокочастотного поля либо числа его полюсов т, можно задавать положение скин-слоя в плазме, в котором осуществляется 1агрев, вдали от поверхности раздела плазма-вакуум. Формула изобретения Способ нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках с вращательным преобразованием магнитных силовых линий возбуждением высокочастотного тока, протекающего в скин-слое плазмы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергетических потерь плазмы из области нагрева, высокочастотный ток в плазме возбуждают внешним стоячим или бегущим пространственно-периодическим многополюсным высокочастотным симметричным относительно оси ловушки электромагнитным полем, число полюсов и частоту которого выбирают так, чтобы произведение величин пространственного периода высокочастотного поля,

отсчитываемого вдоль силовой линии постоянного магнитного поля ловушки, и частоты изменения высокочастотного поля было меньше альфеновской скорости в плазме на периферии плазменного шнура и больше альфеновской скорости в плазме во внутренней части плазменного шнура.

0.75

0,25