CS215980B1 - Zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu - Google Patents

Abstract

Vynález ee týká zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu a patří do oboru plazmatu pro řízenou termojadernou syntézu a interakce elektromagnetických vln a plazmatem anebo jiným dielektrickým prostředím. Problém vynálezem řešený je generování zpomalených elektromagnetických vln pro dodatečný ohřev horkého plazmatu. Podstatou vynálezu je zařízení vytvořené z aspoň jednoho koaxiálního vedení, ukončeného dvčma elektricky vodivými smyčkami uspořádanými symetricky k ose koaxiálního vedení a v rovině procházející touto osou, přičemž blízké konce smyček jsou elektricky vodivě připojeny ke střednímu vodiči a vzdálené konce jsou elektricky vodivě připojeny ku vnějšímu válcovému vodiči koaxiálního vedeni. Celková délka obou smyček je určena vlnovou délkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu nebo v jiném 4ielektrické prostředí. Vynálezu může být využito v oborech fyziky a techniky plasmatu, v reaktorech pro řízenou termojadernou syntézu a v plazmochemických reaktorech. Vynález je nejlépe charakterizován na vyobrazeních koaxiálníat vedením 4>5 a dvěma smyčkami 1,2.

Description

Vynélez se týká zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln a plazmatem.

Intenzivní výzkum v oblaati řízená termojaderné syntézy, dále jen ŘTS, v posledních letech ukázal, že nejvážnějžím kandidátem termojaderného reaktoru je systém s magnetickým udržením typu tokamak. Jedním ze základních problémů, který je nutno v zařízení typu tokamak jeété zvládnout, je ohřev plazmatu na teploty potřebné pro zapálení ŘTS, Je jednoznačné prokázáno, že taková vysoká teploty nemohou být dosaženy proudem protékajícím plazmatem, tj. Jouleovým ohřevem. Hlavním důvodem pro to je skutečnost, že s rostoucí teplotou plazmatu účinnost ohřevu klesá a dále, že, zvyšování proudu vede, souhlasně se známou podmínkou Kruskala - Šafranova pro stabilitu plazmatu v tokamacích, k velmi vysokým hodnotám udržovacího toroidálního magnetického pole řádu 100 kQ a více. Proto se intenzivně studují metody dodatečného ohřevu plazmatu. Nejvíce perspektivní jsou dvě metody a to ohřev rychlými neutrálními evazky a ohřev vysokofrekvenční. Vzhledem k tomu, že předloženého vynálezu lze využít pro vysokofrekvenční ohřev plazmatu, je dále uveden stručně stávající stav techniky v táto oblasti.

Kromě ohřevu v oblasti elektronová cyklotronová frekvence COce » intová cyklotronová frekvence CUci ^a jejich harmonických frekvencí je v současné době velice perepektivní ohřev plazmatu v oblasti dolní hybridní rezonance, definovaná vztahem č.l pro hodnotu němž hodnota tUpe je elektronová plazmatická frekvence a hodnota top,· ^je^i<ín¥<?vá plazmatická frekvence. Vztah č.l byl odvozen za předpokladu číření vlnění ve studeném plazmatu. Princip ohřevu spočívá ve vybuzení zpomalených vln v plazmatu, které se z periferie šíří do oblasti dolní hybridní rezonance, dále jen LHR, která se z důvodu přehřívání celého objemu plazmatu umísťuje do místa maximální hustoty na ose plazmatickáho prstence.

Teoretická výpočty ukazují, že pro účinný ohřev plazmatu na LHR je nutná vybudit hybridní vlny zpomalená ve směru toroidálního magnetického pole B_TQR tak, aby podélná složka indexu lomu n_z, to znamená složka ve směru Β^θρ, splňovala vztah č. 2 tj. podmínku dostupnosti vyjádřenou nerovností ,.,z pes

Pro typická parametry v tokamacích platí, že bJciz ^a tudíž požadovaná hodnota je n_z^· 1,5. Jelikož frekvence hybridních vln leží v intervalu tu_c;<oj-5í£t<Jce a magnetická pole v tokamacích určených pro demonstraci ŘTS se pohybují od 40 kQ do 100 kG, budou frekvence generátorů budicích zpomalené vlny ležet v oboru decimetrových vln a vln centimetrových.

Pro buzení takových vln v mikrovlném pásmu byla navržena soustava vlnovodů orientovaných tak, že vektor elektrického pole ΤΓ je paralelní se směrem toroidálního magnetického pole B_tor a fáze v sousedních vlnovodech se liší o hodnotu . Taková soustava, složená ze dvou, čtyř anebo více vlnovodů, budí v plazmatu spomalená vlny a byla nazvána vlnovodným grilem. Velikost zpomalení lze regulovat výěkou vlnovodů. Vlnovodný gril již byl experimentálně prověřen a bylo ukázáno, že v dobrém souhlasu s teorií skutečně budí zpomalená vlny. Změna fáze v sousedních vlnovodech vyžaduje vžak velmi náročný a komplikovaný vlnovodný systém, rozdělení výkonu do dvou nebo více tras a fázové poeouvače k nastaveni fázového rozdílu mezi sousedními vlnovody. To jsou jistě vážná nevýhody vlnovodnáho grilu.

Podstatou vynálezu je zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln s plazmatem. Podle vynálezu je zařízení vytvořeno z alespoň jednoho koaxiálního vedení, která je ukončeno dvěma elektricky vodivými smyčkami uspořádanými symetricky k ose koaxiálního vedení a v rovině jí procházející. První, blízká konce obou smyček jsou elektricky vodivě připojeny ke střednímu vodiči koaxiálního vedení. Druhé, vzdálená konce obou smyček jsou jednotlivě elektricky vodivě připojeny ke vnějšímu válcovému vodiči koaxiálního vedení v místech průsečíků průsečnice roviny obou smyček s rovinou k ní kolmou a

-2procházejícl Selem vnějšího válcového vodiče a středního vodiče koaxiálního vedení ae vnějším válcovým vodičem koaxiálního vedení. Přitom celková délka obou smyček včetně mezery mezi smyčkami v místě jejich připojení ks střednímu vodiči koaxiálního vedení je určena vlnovou dálkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu, případně v jiném dielektrickém prostředí.

Hlavní předností a výhodou zařízení podle vynálezu tj. zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln s plazmatem je okolnost, že definuje vlnovou délku buzených vln, využívá k tomu základní mód TEM v koaxiálním vedení a proto nepotřebuje použití fázových poaouvačů a komplikovaného obvodu jako v případě mikrovlnného vlnovodného grilu. Zařízení podle vynálezu je dále označováno stručně koaxiální gril. Výkon přenášený koaxiálním grilem je omezen elektrickou pevností koaxiálu a může být při vhodné konstrukci srovnatelný a vlnovodným grilem, pracujícím v pásmu centimetrových vln. Na rozdíl od vlnovodného grilu je však koaxiální gril rozměrově i váhově menší.

Podstata vynálezu je dále vysvětlena na příkladu jeho provedení pomocí připojeného výkresu, na němž je znázorněno na obr. 1 - nérys uspořádání dvousmyčkového koaxiálního grilu, na obr. 2 - půdorys uspořádání dvousmyčkového koaxiálního grilu, na obr. 3 - diagram rozložení fáze podél obou smyček grilu.

Na obr. 1 jsou znázorněny smyčky 1, 2 grilu, zhotovené z elektricky vodivého pásku 8. První, blízké konce smyček 1, 2, které jsou upraveny v rovině symetrie koaciálního vedení jsou elektricky vodivě připojeny k střednímu vodiči £ koaxiálního vedení. Druhé, vzdálené konce obou smyček 1, 2 jaou jednotlivě připojeny ke vnějšímu válcovému vodiči £ koaxiálního vedení v místech 10 a 11. které jaou průsečíky průsečnice roviny symetrie koaxiálního vedení s rovinou £ čela vnějšího válcového vodiče £ a středního vodiče £ koaxiálního vedení a vnějším válcovým vodičem £ koaxiálního vedení. Přitom celková délka £ obou smyček 1, 2 v místě jejich elektricky vodivého připojení ke střednímu vodiči £ koaxiálního vedení je dána vlnovou délkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu, případně v jiném dielektrickém prostředí. Výška smyček je označena 14 a vztahové značky 6 a 6’ označují vektory radiální složky elektrického pole v koaxiálním vedení, vybuzeném v základním modu TEM. Tyto vektory jaou orientovány od středního vodiče 4 směrem k vnějšímu vodiči £ koaxiálního vedení.

Na obr. 2 je patrná šířka 13 elektricky vodivých pásků 8 a rovina 12 symetrie koaxiálního vedení. V této rovině 12 leží taktéž její průsečnice s rovinou £, označenou na obr.l; vztahovou značkou 12 je tudíž také označena dříve uvedená průsečnice. Zároveň jsou patrná místa 10 a 11 průsečíků průsečnice 9 s rovinou 12 a vnějším válcovým vodičem £ koaxiálního vedení. Konečně je na obr. 2 znázorněna orientace vektoru který je rovnoběžný s průsečnicí roviny 2. ® roviny 12, procházející místy 10 a 11.

Na obr. 3 je znázorněn diagram rozložení fáze podél celkové délky obou smyček koaxiálJ» ního grilu. Ve směru vodorovné osy diagramu je vynešena délka smyček 2, ve směru svislé osy je vynešena velikost fáze. Z diagramu je patrné, že fáze jaou v obou smyčkách absolutní hodnotou 90° stejné, ale opačného znamení.

Činnost zařízení je popsána takto :

Koaxiální dvouamyčkový gril podle vynálezu využívá pro vytvoření fázového rozdílu o hodnotě mezi dvěma sousedními vazebními prvky opačná orientace vektorů 6 β 6’ intenzity elektrického pole mezi středním vodičem £ a vnějším vodičem £ koaxiálního vedení, která existuje na každém průměru koaxiálního vedení. Koaxiální gril, který je koaxiální verzí vlnovodného grilu, je tedy tvořen řadou koaxiálních vedení, z nichž každé je zakončeno dvěma smyčkami. Lze tedy vlnovodný gril, tvořený dvěna vlnovody, nahradit jedním koaxiálním vedením, dále nazývaným dvouemyčkovým koaxiálním grilem.

Pokud se týká správného umístěné dvousmyčkového koaxiálního grilu, a to jediného nebo víceprvkové soustavy, je nutno - pro vybuzení zpomalených vln v plazmatu - aby každá smyčka byla umístěna na rozhraní mezi vakuem a plazmatem, přičemž rovina smyčky musí být rovnoběžná s vektorem intenzity magnetického pole. Smyčka koaxiálního grilu umístěná

-321S 980 nesprávně, tedy například ve vakuu, nevytvoří zpomalené vlny a naopak smyčka umístěná do horkého plazmatu ahoří. Správné a účinné umístění smyčky žádá citlivou a pečlivou manipulaci. Výsledkem toho je podstatná zvýšení teploty plazmatu, řádově o desítky procent.

Zařízení podle vynálezu, tj. koaxiálního grilu, může být úspěšně použito také při fyzikálních experimentech při studiu vlastností šíření hybridních vln a jejich lokalizace v nehomogenním plazmatu.

V řadě experimentů může být výhodné umístění několika stejných dvousmyčkových koaxiálních grilů vedle sebe. Výkon vybuzená vlny může být zvýšen úměrně s počtem dvousmyčkových grilů, použitých v tomto systému.

Claims (1)

1. Zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln s plazmatem, vyznačené tím, že je vytvořeno z aspoň jednoho koaxiálního vedení, které je ukončeno dvěma elektricky vodivými smyčkami (1,2) uspořádanými symetricky k ose koaxiálního vedení a v rovině (12) jí procházející, přičemž první, blízké konce obou smyček jsou elektricky vodivě připojeny ke střednímu vodiči (4) koaxiálního vedení, druhé, vzdálené konce obou smyček (1, 2) jsou jednotlivě elektricky vodivě připojeny ke vnějšímu válcovému vodiči (5) koaxiálního vedení v místech (10, 11) průsečíků průsečnice roviny (12) obou smyček s rovinou (9) k ni kolmou a procházející čelem vnějšího válcového vodiče (5) a středního vodiče (4) koaxiálního vedení se vnějším válcovým vodičem (5) koaxiálního vedení, přičemž celková délka (7) obou smyček (1, 2) včetně mezery mezi smyčkami v místě (9) jejich připojení ke střednímu vodiči (4) koaxiálního vedení je určena vlnovou délkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu, případně v jiném dielektrickém prostředí.