CZ306197B6 - Systém generování plazma-elektrické energie - Google Patents

Abstract

Systém generování plazma-elektrické energie zahrnující fúzní reaktor (410), který má první generátor (425) prvního magnetického pole pro vytváření azimutálně symetrického magnetického pole uvnitř centrální oblasti reaktoru (410) a tokem (480) v podstatě paralelním k základní ose reaktoru, a dále zahrnuje cyklotronový konvertor (420) inverzní energie spojený s prvním koncem fúzního reaktoru (410). Konvertor (420) obsahuje množinu elektrod (494) tvořící válcovitý povrch a množina elektrod (494) je tvořena třemi nebo více elektrodami oddělenými mezerami k vytvoření axiálně vedených mezer (497) mezi přilehlými elektrodami. Množina elektrod (494) tvoří elektrické pole mající násobnou strukturu pole se třemi nebo více poli, a dále obsahuje druhý generátor (488) magnetického pole pro vytváření azimutálně symetrického magnetického pole uvnitř prostoru ohraničeného třemi nebo více elektrodami s tokem (496) v podstatě paralelním s podélnou osou tří nebo více elektrod. Kolektor (490) elektronů je vložený mezi první a druhý generátor magnetického pole a přilehlý první konec ze tří nebo více elektrod, a kolektor (492) iontů umístěný blíže druhému konci tří nebo více elektrod (494).

Description

Systém generování plazma-elektrické energie

Oblast techniky

Vynález se obecně týká oblasti fyziky plazmatu, zejména postupů a přístrojů pro zadržení plazmatu umožňující jadernou fúzi a pro přeměnu energie z produktů na elektrickou energii.

Dosavadní stav techniky

Fúze je proces, v němž se dvě lehká jádra spojí, aby vytvořila těžší jádro. Při fúzi se uvolňuje ohromná energie ve formě rychle se pohybujících částic. Protože jádra atomu jsou kladně nabita (obsahují protony), působí mezi nimi odpudivá neboli Coulombova elektrostatická síla. K vyvolání fúze dvou jader je třeba tuto odpudivou sílu překonat, k čemuž dojde, když se k sobě dvě jádra hodně přiblíží a jaderné síly krátkého rozsahu dostatečně vzrostou, aby překonaly Coulombovu sílu a generovaly jadernou fúzi. Energie potřebná k tomu, aby jádra překonala Coulombovu bariéru, vzniká z jejich tepelné energie, která musí mít značně vysoká. Fúzi lze např. zaznamenat, je-li teplota alespoň v řádu 10⁴ eV, což odpovídá přibližně 100 miliónům Kelvinů. Hodnota fúzní reakce je funkcí teploty a vyznačuje se veličinou zvanou reaktivita. Např. reaktivita reakce D-T má široký vrchol v rozmezí 30 keV a 100 keV.

Typická fúzní reakce probíhá následovně:

D + D He³ (0,8 MeV) + n(2,5 MeV)

D + T -> α(3,6 MeV) + w( 14,1 MeV)

D + He³ -> He³ (3,7 MeV) + ^(14,7 MeV) a + B -> 3a(8,7 MeV), kde D označuje deuterium, T tritium, a je jádro hélia, m je neutron, p je proton, He je hélium a B je bór -11. Čísla v závorkách u každé rovnice označují kinetickou energii produktů fúze.

První dvě výše uvedené reakce - reakce D-D a D-T - jsou neutronové, což znamená, že většina energie produktů fúze se přenáší rychlými neutrony. Nevýhoda neutronových reakcí spočívá v tom, že

1. tok rychlých neutronů způsobuje mnoho problémů včetně strukturálního poškození zdí reaktoru a vysokého stupně radioaktivity pro většinu stavebních materiálů,

2. energie rychlých neutronů se získává přeměnou jejich tepelné energie na elektrickou energii, což je velmi neefektivní (účinnost je menší než 30%).

Výhodou neutronových reakcí je:

1. vrchol jejich reaktivity nastává při relativně nízké teplotě,

2. jejich ztráty v důsledku radiace jsou poměrně nízké, protože atomové číslo deuteria a tritia je 1.

Produkty reakce v dalších dvou rovnicích - D-He³ a jj-B¹¹ - se nazývají pokročilé typy paliv. Jejich fúzí se nevytváří rychlé neutrony jako v případě neutronových reakcí, ale nabité částice. Jedna z výhod těchto pokročilých typů paliv spočívá v tom, že vytvářejí daleko méně neutronů, a proto tolik netrpí stím spojenými nevýhodami. U D-He³ vznikají některé rychlé neutrony sekundárními reakcemi, ale tyto neurony generují jen 10% energie produktů fúze. Reakce />-B je bez rychlých neutronů a vytváří určité pomalé neutrony vznikající ze sekundárních reakcí, což však způsobuje daleko méně problémů. Další výhoda pokročilých typů paliv spočívá vtom, že jejich fúzní produkty obsahují nabité částice, jejichž kinetická energie může být přímo přeměnitelná na

- 1 CZ 306197 B6 elektrickou energii. Vhodným postupem přímé přeměny energie lze energii pokročilých typů paliv jako produktů fúze shromáždit velmi efektivně, i ve výši přesahující 90 %.

Pokročilé typy paliv mají však také nevýhody. Patří sem např. vyšší atomová čísla pokročilých typů paliv (2 pro He³ a 5 pro B¹¹). Proto jsou i jejich ztráty zářením vyšší než u neutronových reakcí. U pokročilých typů paliv je rovněž daleko obtížnější vyvolat fúzi. Vrchol jejich reaktivity nastává při daleko vyšších teplotách a nedosahuje takové výše jako reaktivita D-T. Vyvolání fúzní reakce u pokročilých typů paliv tak vyžaduje uvedení do stavu vyšší energie, kde je jejich reaktivita významná. Aby tedy mohly pokročilé typy paliv být uvedeny do vhodných podmínek pro fúzi, musí být zadrženy po delší dobu.

Doba zadržení plazmatu je At = r²/D, kde r je minimální rozměr plazmatu a Z) je difúzní koeficient. Klasická hodnota difúzního koeficientu je Dc = α²/τκ, kde a_t]e gyrorádius iontu a τ_κ je doba srážky iontu s elektronem. Difúze podle klasického koeficientu difúze se nazývá klasický transport. Bohmův difúzní koeficient v důsledku nestability krátkých vlnových délek je = (1/16)ίζ,²Ω„ kde Ω, je gyrofrekvence iontu. Difúze podle tohoto vztahu se nazývá anomální transport. Pro podmínky fúze D^Dc = (1/16)/2,τ_κ = 10⁸ má anomální transport za následek mnohem kratší čas zadržení než klasický transport. Tento vztah určuje, jak velké musí být plazma ve fúzním reaktoru na základě požadavku, že doba zadržení pro dané množství plazmatu musí být delší než čas nukleární fúzní reakce plazmatu. Ve fúzním reaktoru je proto více žádoucí klasický transport, protože umožňuje menší počáteční plazma.

V prvních experimentech s toroidním zadržením plazmatu byla zjištěna doba zadržení At = ^/0^. Díky pokrokům dosaženým za posledních 40 let vzrostla doba zadržení na At = r²/DK. Jednou ze stávajících koncepcí fúzního reaktoru je Tokamak. Magnetické pole Tokamaku 68 a typická dráha částice 66 je znázorněna na obrázku 5. V minulých třiceti letech se snahy v oblasti fúzí soustředily na reaktor Tokamak užívající palivo D-T. Vyjádřením těchto snah je Mezinárodní experimentální reaktor (ITER) znázorněný na obrázku 7. Nedávné experimenty s Tokamaky ukazují, že je možný klasický transport At = r²/Dc, při němž lze minimální rozměr plazmatu snížit z metrů na centimetry. Při těchto experimentech byly vstřikovány energetické paprsky (50 až 10 keV), aby se plazma zahřálo na teplotu 10 až 20 keV. Viz W. Heidbrink a G. J. Sadler, 34 Nuclear Fusion 535 (1994). Bylo zjištěno, že ionty energetických paprsků v těchto experimentech se zpomalují a klasicky difundují, zatímco tepelné plazma dále difundovalo rychle anomálním způsobem. Příčinou je to, že ionty energetických paprsků mají velký gyrorádius a jako takové nejsou citlivé na změny vlnových délek kratších než gyrorádius iontu (λ < a). Fluktuace krátkých vlnových délek mají tendenci pohybovat se kolem průměrných hodnot, čímž se ve výsledku ruší. Elektrony však mají daleko menší gyrorádius, takže reagují na fluktuace a transport anomálním způsobem.

V důsledku anomálního transportu musí být minimální rozměry plazmatu alespoň 2,8 metru. Pro zachování tohoto rozměru je ITER 30 metrů vysoký a má 30 metrů průměr. Je to nejmenší realizovatelný D-T reaktor typu Tokamak. Pro pokročilé typy paliv, jako je např. D-He³ a 72-B¹¹, by reaktor typu Tokamak musel být daleko větší, protože čas pro nukleární reakci paliva je daleko delší. Reaktor Tokamak užívající D-T palivo má další problém spočívající tom, že většina energie fúzních produktů se přenáší neutrony s energií 14 meV, což vyvolává poškození zářením a v důsledku toku neutronů indukuje reaktivitu téměř ve všech konstrukčních materiálech. Přeměna jejich energie na elektrickou energii musí kromě toho probíhat jako tepelný proces, jehož účinnost nepřesahuje 30 %.

Další navrhovanou konfigurací je reaktor se srážkou paprsku. V reaktoru se srážkou paprsku je okolní plazma bombardováno paprsky iontů. Paprsky obsahují ionty s energií, která je daleko vyšší než u tepelného plazmatu. Generování vhodných fúzních reakcí v tomto typu reaktoru je nemožné, protože okolní plazma iontové paprsky zpomaluje. Byly předloženy různé návrhy, jak tento problém zredukovat a maximalizovat počet jaderných reakcí.

-2 CZ 306197 B6

Např. patent USA 4065351, jehož autorem je Jassby a kol., popisuje postup vytvoření proti sobě se pohybujících srážejících se paprsků deuteronů a tritonů v toroidním systému. V patentu USA 4057462, jehož autorem je Jassby a kol., je vstřikována elektromagnetická energie pro vyrovnání účinků plazmatické rovnováhy vzniklé na jednom z druhů iontů. Toroidní systém je označen jako Tokamak. V patentu USA 4894199, jehož autorem je Rostoker, jsou paprsky deuteria a tritia vstřikovány a zachycovány stejnou průměrnou rychlostí jako u Tokamaku, zrcadleny nebo zpracovány v zrcadlově obrácené konfiguraci. Studené okolní plazma má nízkou hustotu s jediným účelem - zachycovat paprsky. Paprsky reagují, protože mají vysokou teplotu, a zpomalování je způsobeno zejména elektrony, které doprovázejí vstřikované ionty. Elektrony jsou zahřívány ionty a v tomto případě je zpomalování minimální.

V žádném z těchto zařízení však nehraje roli rovnovážné elektrické pole. Dále v žádném z nich nedochází k pokusu zredukovat anomální transport a dokonce se o tomto transportu ani neuvažuje·

Jiné patenty uvažují o elektrostatickém zadržení iontů a v některých případech i o magnetickém zadržení elektronů. Patří sem patent USA 3 258 402 a patent USA 3 386 883, jejichž autorem je Farnsworth, které popisují elektrostatické zadržení iontů a inertní zadržení elektronů, patent USA 3 530 036, jehož autorem je Hirsch a koL, a patent USA 3 530 497, jehož autorem je Hirsch, které jsou podobné myšlenkám Farnswirthe, patent USA 4 233 537, jehož autorem je Limpaecher, který popisuje elektrostatické zadržení iontů a magnetické zadržení elektronů s vícepólovými odraznými stěnami s vrcholy a patent USA 4 826 646, jehož autorem je Bussard, který je podobný patentu Limpaechera a zabývá se bodovými vrcholy. Žádný z těchto patentů neuvažuje o elektrostatickém zadržení elektronů ani o magnetickém zadržení iontů. Ačkoli existuje mnoho výzkumných projektů o elektrostatickém zadržení iontů, v žádném z nich se nepodařilo generovat požadovaná elektrostatická pole, aby ionty měly požadovanou hodnotu pro fúzní reaktor. A konečně žádný zvýše uvedených patentů nerozebírá magnetickou topologii konfigurace s obráceným polem.

Konfigurace s obráceným polem (Field Reversed Configuration, FRC) byla objevena náhodně kolem roku 1960 v Námořní výzkumné laboratoři (Naval Research Laboratory) během experimentů v oblasti azimutálního pinche (theta pinch). Typická technologie FRC, v níž má vnitřní magnetické pole obrácený směr, je znázorněna na obrázcích 8 a 10 a dráhy částic ve FRC jsou znázorněny na obrázcích 11 a 14. Ve Spojených státech a v Japonsku získalo podporu mnoho výzkumných programů v oblasti FRC. O teorii a experimentech ve výzkumu FRC v letech 1960 až 1988 byl vypracován komplexní přehled. Viz M. Tuszewski, 28 Nuclear Fusion 2033 (1988). Bílá kniha o vývoji FRC popisuje výzkum v roce 1996 a uvádí doporučení pro další výzkum, viz L. C. Steinhauer et al., 30 Fusion Technology 116 (1996). To této doby byla v experimentech s FRC tato konfigurace vytvářena metodou theta pinch. Užitím uvedené metody nesou polovinu proudu ionty a polovinu elektrony polovinu, a proto v plazmatu vzniká zanedbatelné elektrostatické pole a nedochází zde k elektrostatickému zadržení. Ionty a elektrony v těchto FRC byly zadrženy magneticky. Téměř ve všech experimentech s FRC se předpokládala existence anomálního transportu. Viz např. Tuszewski, začátek kapitoly 1.5.2, strana 2072.

Proto je třeba vytvořit fúzní systém se zadržovacím systémem, který bude mít tendenci podstatně snížit nebo zcela vyloučit anomální transport iontů a elektronů, a poskytnout systém přeměny energie, který s vysokou účinností přeměňuje energii fúzních produktů na elektrickou energii.

Podstata vynálezu

Vynález se týká systému, který podporuje řízenou fúzi v magnetickém poli s topologií obráceného pole a přímou přeměnu energií produktů fúze na elektrickou energii. Systém zde označovaný jako systém generování plazma-elektrické energie (PEG) obsahuje přednostně fúzní reaktor mající zadržovací systém, který má tendenci podstatně redukovat nebo eliminovat anomální trans

-3 CZ 306197 B6 port iontů a elektronů. Systém PEG kromě toho obsahuje systém přeměny energie spojený s reaktorem, který přímo přeměňuje s vysokou efektivitou energie produktu fúze na elektrickou energii.

V jednom inovativním aspektu vynálezu lze anomální transport pro ionty i elektrony podstatně zredukovat nebo zcela eliminovat. Anomální transport iontů je možno eliminovat magnetickým zadržením iontů v magnetickém poli v konfiguraci s obráceným polem (FRC). Pro elektrony je možno se vyhnout anomálnímu transportu energie vyladěním zvnějšku působícího magnetického pole, aby vzniklo silné magnetické pole, které bude elektrostaticky uzavírat elektrony do hluboké potenciálové jámy. V důsledku toho lze u tohoto přístroje použít fúzní palivové plazma, proces se tedy neomezuje na neutronová paliva, ale zahrnuje také pokročilá nebo aneutronová paliva, což je výhodné. Pro neutronová paliva je energie fúzní reakce téměř zcela ve formě nabitých částic, tzn. energetických iontů, s nimiž lze manipulovat v magnetickém poli a které v závislosti na palivu vyvolávají jen malou nebo nulovou radioaktivitu.

V jiném inovativním aspektu vynálezu se používá systém přímé přeměny energie pro přeměnu kinetické energie fúzních produktů přímo na elektrickou energii zpomalením nabitých částic procházejících elektromagnetickým polem. Je výhodné, když má systém přímé přeměny energie podle vynálezu takovou účinnost, toleranci energie částic a schopnost elektronů měnit frekvenci a fázi fúzního výstupu v hodnotě asi 5 MHz, která je vhodná pro frekvenci vnější napěťové mřížky 60 Hz.

V preferovaném provedení obsahuje zadržovací systém plazmatu pro fúzní reaktor komoru, generátor magnetického pole pro působení magnetického pole ve směru podél hlavní osy a kruhovou plazmatickou vrstvu obsahující cirkulující svazek iontů. Ionty kruhové vrstvy plazmatického paprsku jsou zadržovány převážně v komoře magnetickou silou v rámci drah a elektrony jsou zadržovány v elektrostatické jámě. V jednom aspektu preferovaného provedení obsahuje generátor magnetického pole cívku s proudem. Systém přednostně dále obsahuje zrcadlové cívky u okrajů komory, které zvyšují působící magnetické pole na koncích komory. Systém může také obsahovat vstřikovač paprsku pro vstřikování neutralizovaného iontového paprsku do působícího magnetického pole, přičemž paprsek vstupuje do dráhy v důsledku síly vyvolané působícím magnetickým polem. V jiném aspektu preferovaných provedení vytváří systém magnetické pole s topologií pole s obrácenou konfigurací.

V jiném preferovaném provedení obsahuje systém přeměny energie inverzní cyklotronové konvertory (ICC) připojené k opačným koncům fúzního reaktoru. ICC mají tvar dutého válce tvořeného několika, přednostně čtyřmi nebo více, půlválcovitými elektrodami s malými přímými mezerami mezi sebou. Na elektrody se střídavě aplikuje oscilační potenciál. Elektrické pole E v ICC má strukturu s několika póly, ztrácí se na osách souměrnosti a roste lineárně s poloměrem. Maximální hodnota je v mezeře.

ICC kromě toho obsahuje generátor magnetického pole pro působení jednotného jednosměrného magnetického pole ve směru převážně opačném ke směru systému zadržení fúzního reaktoru. Na konci vzdálenějším od energetického jádra fúzního reaktoru obsahuje ICC kolektor iontů. Mezi energetickým jádrem a ICC je symetrický magnetický vrchol, přičemž magnetické podle zadržovacího systému se směšuje s magnetickým polem ICC. Kolem magnetického vrcholu je kolektor elektronů kruhového tvaru elektricky připojený ke kolektoru iontů.

V dalším provedení vznikají jádra produktu reakce a elektrony neutralizující náboj jako kruhové paprsky z obou konců energetického jádra reaktoru s hustotou, při níž magnetický vrchol odděluje elektrony a ionty v důsledku rozdílu jejich energií.

Elektrony postupují po siločárách magnetického pole až ke kolektoru elektronů a ionty procházejí vrcholem, kde se trajektorie iontů změní na spirálovitý tvar sledující ICC. Jak se ionty pohybují po spirále podél elektrod připojených k rezonančnímu obvodu, uvolňuje se z nich energie. Ztráta

-4CZ 306197 B6 perpendikulámí energie je největší pro ionty s nejvyšší energií, které zpočátku obíhají poblíž elektrod, kde je elektrické pole nej silnější.

Další aspekty a vlastnosti vynálezu vyjdou najevo z následujícího popisu společně s doprovodnými výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Preferovaná provedení jsou znázorněna pro příklad a neslouží jako omezení vynálezu. Jsou ilustrována obrázky doprovodných výkresů, v nichž analogické referenční číslovky označují analogické komponenty.

Obrázek 1 znázorňuje příklad zadržovací komory podle vynálezu.

Obrázek 2 znázorňuje magnetické pole FRC.

Obrázky 3A a 3B znázorňují diamagnetický směr a protější směr FRC.

Obrázek 4 znázorňuje systém se srážkou paprsku podle vynálezu.

Obrázek 5 znázorňuje dráhu betratronu.

Obrázky 6A a 6B znázorňují magnetické pole a směr gradientového driftu ve FRC.

Obrázky 7A a 7B znázorňují elektrické pole a směr driftu Ex B ve FRC.

Obrázky 8A, 8B a 8C znázorňují driftové dráhy iontů.

Obrázky 9A a 9B znázorňují Lorentzovu sílu na koncích FRC.

Obrázky 10A a 10B znázorňují vyladění elektrického pole a elektrický potenciál v systému se srážkou paprsku.

Obrázek 11 znázorňuje Maxwellovo rozdělení.

Obrázky 12A a I2B znázorňují přechod od drah betratonu k driftovým dráhám v důsledku srážek mezi ionty ve velkém úhlu.

Obrázek 13 znázorňuje dráhy betatronu A, B, C a D, uvažuje-li se o srážkách elektronů s ionty v malém úhlu.

Obrázek 14 znázorňuje neutralizovaný iontový paprsek, který je před vstupem do zadržovací komory elektricky polarizován.

Obrázek 15 je čelní pohled na neutralizovaný iontový paprsek při kontaktu s plazmatem v zadržovací komoře.

Obrázek 16 znázorňuje schematický bokorys zadržovací komory podle preferovaného provedení startovací procedury.

Obrázek 17 znázorňuje schematický bokorys zadržovací komory podle dalšího preferovaného provedení startovací procedury.

Obrázek 18 znázorňuje stopy B-sondy označující vytvoření FRC.

Obrázek I9A znázorňuje parciální systém generování plazma-elektrické energie obsahující fúzní reaktor se srážkou paprsku spojený s přímým inverzním cyklotronovým konvertorem.

Obrázek 19B znázorňuje koncový pohled na inverzní cyklotronový konvertor z obrázku 19A.

Obrázek 19C znázorňuje dráhu iontu v inverzním cyklotronovém konvertoru.

Obrázek 20A znázorňuje parciální systém generování plazma-elektrické energie obsahující fúzní reaktor se srážkou paprsku spojený sjiným provedením inverzního cyklotronového konvertoru.

Obrázek 20B znázorňuje koncový pohled na inverzní cyklotronový konvertor z obrázku 20A.

- 5 CZ 306197 B6

Obrázek 21A znázorňuje dráhu částice v běžném cyklotronu.

Obrázek 21B znázorňuje oscilující elektrické pole.

Obrázek 21C znázorňuje měnící se energii zrychlující se částice.

Obrázek 22 znázorňuje azimutální elektrické pole v mezerách mezi elektrodami ICC, 5 které podstupuje iont s úhlovou rychlostí.

Obrázek 23 znázorňuje zaostřovací čtyřpólové párové čočky.

Obrázky 24A a 24B znázorňují pomocný systém magnetického pole a cívky.

Obrázek 25 znázorňuje reaktor o výkonu 100 MW.

Obrázek 26 znázorňuje pomocné vybavení reaktoru.

Obrázek 27 znázorňuje plazma-propulzní systém.

Příklady uskutečnění vynálezu

Jak ukazují obrázky systém generování plazma-elektrické energie, podle vynálezu přednostně zahrnuje fúzní reaktor se srážkou paprsku připojený k systému přímé přeměny energie. Jak je uvedeno výše, ideální fúzní reaktor řeší problém anomálního transportu iontů i elektronů. Při řešení problému anomálního transportu se zde využívá zadržovacího systému s magnetickým polem s konfigurací s převráceným magnetickým polem (FRC). Anomální transport iontů je eli20 minován magnetickým zadržením ve FRC takovým způsobem, že většina iontů má velkou, neadiabatickou dráhu, díky čemuž jsou necitlivé ke krátkovlnným fluktuacím, které vyvolávají anomální transport adiabatických iontů. Zejména existence oblasti ve FRC, kde magnetické pole mizí, umožňuje získat plazma s většinou neadiabatických iontů. Pro elektrony se anomálnímu transportu energie lze vyhnout vyladěním zvnějšku působícího magnetického pole, aby vzniklo 25 silné elektrické pole, které elektrony elektrostaticky uzavře v hluboké potenciálové jámě.

U stávajícího zadržovacího přístroje lze používat fúzní palivová plazmata a procesy pak nejsou omezeny na neutronová paliva, jako je D-D (deuterium-deuterium) nebo D-T (deuteriumtritium), ale výhodné je, že také zahrnují pokročilá nebo aneutronová paliva, jako je D-He³ (deu30 terium-helium-3) nebo/t-B¹¹ (vodík-bór-11). (Diskuse o pokročilých typech paliv viz R. Feldbacher a M. Heindler, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A271 (1988) JJ-64 (North Holland Asmsterdam). Pro taková aneutronová paliva je energie fúzní reakce téměř celá ve formě nabitých částic, tzn. energetických iontů, s nimiž lze manipulovat v magnetickém poli a v závislosti na palivu vyvolávají nízkou nebo nulovou radioaktivitu. Reakce D-He³ vytváří iont H 35 a iont He⁴ s energií 18,2 MeV, zatímco reakce />-Β^η vytvoří tři ionty He⁴ a energii 8,7 MeV. Na základě teoretického modelování pro fúzní zařízení využívající a neutronová paliva může být účinnost přeměny výstupní energie až v hodnotě 90%, jak popisuje K. Yoshikawa, T. Noma a Y. Yamamoto např. v práci Fusion Technology, 19, 870 (1991). Taková účinnost dramaticky zvyšuje vyhlídky aneutronové fúze v nastavitelné (1 až 1000 MW) kompaktní a nízkonákladové konfi40 guraci.

V procesu přímé přeměny energie podle vynálezu mohou být nabité částice produktů fúze zpomaleny a jejich kinetická energie přeměněna přímo na elektrickou energii. Je výhodné, když má systém přímé přeměny energie podle vynálezu takovou účinnost, toleranci energie částic a 45 schopnost elektronů měnit frekvenci a fázi fúzního výstupu v hodnotě asi 5 Mhz, aby byla vhodná pro frekvenci vnější napěťové mřížky 60 Hz.

Fúzní zadržovací systém

Obrázek 1 znázorňuje preferované provedení zadržovacího systému 300 podle vynálezu. Zadržovací systém 300 obsahuje stěnu komory 305, která zde vymezuje zadržovací komoru 310. Komora 310 má přednostně tvar válce s hlavní osou 315 podél středu komory 310. Pro aplikaci tohoto

-6CZ 306197 B6 zadržovacího systému 300 na fúzní reaktor je třeba vytvořit v komoře 310 vakuum nebo podmínky blížící se vakuu. Koncentricky s hlavní osou 315 je cívka s tokem betatronů 320, umístěná v komoře 310. Cívka s tokem betatronů 320 obsahuje médium vedoucí elektrický proud kolem dlouhé cívky, jak je znázorněno, které přednostně obsahuje paralelní vinutí několika samostatných cívek, nejlépe paralelní vinutí zhruba čtyř samostatných cívek, tvořících dlouhou cívku. Odborníci budou vědět, že proud procházející cívkou s tokem betatronů 320 bude v betatronové cívce 320 vyvolávat magnetické pole, a to zejména ve směru hlavní osy 315.

Kolem vnější části stěny komory 305 je vnější cívka 325. Vnější cívka 325 vytváří relativně stálé magnetické pole, jehož tok je v podstatě rovnoběžný s hlavní osou. Toto magnetické poleje azimutově symetrické. Aproximace, že magnetické poleje vlivem vnější cívky konstantní a rovnoběžné s osou 315, platí nejpřesněji směrem od konců komory 310. Na každém konci komory 310 je zrcadlová cívka 330. Zrcadlové cívky 330 vytvářejí v komoře 310 na každém konci zesílené magnetické pole, čímž ohýbají siločáry magnetického pole na každém konci směrem dovnitř (viz obr. 8 a 10). Jak je vysvětleno, tento ohyb siločar pole směrem dovnitř pomáhá udržovat plazma 335 v zadržovací oblasti v komoře 310 obecně mezi zrcadlovými cívkami 330 tak, že je odtlačuje od konců, kde může uniknout ze zadržovacího systému 300. Zrcadlové cívky 330 lze upravit tak, aby vytvářely magnetické pole zesílené na koncích, různými postupy známými v oboru, např. zvýšením počtu vinutí v zrcadlových cívkách 330, zvětšením proudu protékajícího zrcadlovými cívkami 330 nebo překrytím zrcadlových cívek 330 vnější cívkou 325.

Vnější cívka 325 a zrcadlové cívky 330 jsou znázorněny na obrázku 1, kde jsou mimo komoru 305, mohou však být uvnitř komory 310. Je-li stěna komory 305 z vodivého materiálu, jako je kov, může být výhodné umístit cívky 325, 330 do stěny komory 305, protože doba, kterou magnetické pole potřebuje pro difúzi stěnou 305, může být relativně dlouhá, a systém 300 tak může reagovat pomalu. Obdobně i komora 310 může mít tvar dutého válce, přičemž komora 305 bude tvořit dlouhý kruhový prstenec. V takovém případě by cívka s tokem betatronů 320 mohla být použita zvnějšku u zdi komory 305 ve středu tohoto kruhového prstence. Vnitřní stěna tvořící střed kruhového prstence může být přednostně z nevodivého materiálu, jako je sklo. Jak bude zřejmé, komora 310 musí mít dostatečnou velikost i tvar, aby umožňovala rotaci cirkulujícího plazmatického paprsku nebo vrstvy 335 kolem hlavní osy 315 v daném poloměru.

Stěna komory 305 může být z materiálu, který má vysokou magnetickou permeabilitu, jako je např. ocel. V takovém případě může stěna komory 305 v důsledku vzniklých protiproudů v materiálu pomáhat udržovat magnetický tok, aby z komory 310 neunikl, tím, a „stlačovat jej. Kdyby stěna komory byla zhotovena z materiálu s nízkou magnetickou permeabilitou, jako je např. plexisklo, bylo by třeba mít další zařízení pro zadržení magnetického toku. V takovém případě by mohla být vytvořena řada plochých ocelových kroužků v uzavřené smyčce. Tyto kroužky, známé v oboru jako omezovače toku, by byly ve vnějších cívkách 325, ale mimo cirkulující plazmatický paprsek 335. Tyto omezovače toku by dále byly pasivní nebo aktivní, přičemž aktivní omezovače toku by byly napájeny předem stanoveným proudem, aby více napomáhaly zadržení magnetického toku v komoře 310. Jinak by jako omezovače toku mohly sloužit vnější cívky 325.

Jak je dále podrobněji vysvětleno níže, cirkulující plazmatický paprsek 335 obsahující nabití částice, může být zadržen v komoře 310 Lorentzovou silou vyvolanou magnetickým polem působením vnější cívky 325. Ionty v plazmatickém paprsku 335 jsou magneticky zadrženy ve velkých betatronových dráhách kolem siločar toku z vnější cívky 325, která je rovnoběžná s hlavní osou 315. Také je vytvořen jeden nebo několik vstřikovacích otvorů 340 pro přidávání plazmatických iontů do cirkulujícího plazmatického paprsku 335 v komoře 310. V preferovaném provedení jsou vstřikovací otvory 340 upraveny ke vstřikování iontového paprsku přibližně ve stejné radiální poloze od hlavní osy 315, v jaké je zadržen cirkulující plazmatický paprsek 335 (tzn. kolem níže popisovaného nulového povrchu). Vstřikovací otvory 340 jsou dále upraveny pro vstřikování iontových paprsků 350 (viz obr. 16) tangenciálně a ve směru betatronové dráhy zadrženého plazmatického paprsku 335.

-7 CZ 306197 B6

Také je připraven jeden nebo více plazmatických zdrojů 345 pro vstřikování mraku neenergetického plazmatu do komory 310. V preferovaném provedení jsou okolní plazmatické zdroje 345 upraveny tak, aby směrovaly plazma 335 k axiálnímu středu komory 310. Bylo zjištěno, že směrování plazmatu tímto způsobem napomáhá plazma 335 lépe zadržet a vede k vyšší hustotě plazmatu 335 v oblasti zadržení v komoře 310.

Nabité částice ve FRC

Obrázek 2 znázorňuje magnetické pole FRC 70. Systém má válcovitý tvar s osou 78. Ve FRC jsou dvě oblasti magnetických siločar: otevřená 80 a zavřená 82. Povrch dělící obě oblasti se nazývá separátor 84. FRC tvoří válcovitý nulový povrch 86, v němž magnetické pole mizí. V centrální části 88 FRC se magnetické pole ve směru osy významně nemění. Na koncích 90 se magnetické pole ve směru osy významně mění. Magnetické pole podél centrální osy 78 obrací ve FRC směr, z čehož vzniklo označení „obrácené“ v pojmu „konfigurace s obráceným polem“ (Field Reversed Configuration, zkratka FRC).

Na obrázku 3A je magnetické pole vně nulového povrchu 94 v prvním směru 96. Magnetické pole uvnitř nulového povrchu 94 působí ve druhém směru 98 opačném k prvnímu směru. Pohybuje-li se iont ve směru 100, působící Lorentzova síla 30 směřuje k nulovému povrchu 94. To lze snadno zjistit užitím pravidla pravé ruky. Pro částice pohybující se v diamagnetickém směru 102 směřuje Lorentzova síla vždy k nulovému povrchu 94. V důsledku tohoto jevu vzniká dráha částice nazývající se betatronová dráha, která je popisována níže.

Obrázek 3B znázorňuje iont pohybující se ve směru opačném k diamagnetickému směru 104. V tomto případě působí Lorentzova síla směrem od nulového povrchu 94. V důsledku tohoto jevu vzniká dráha částice nazývající se driftová dráha, která je popisována níže. Diamagnetický směr pro ionty je směr opačný k diamagnetickému směru pro elektrony a naopak.

Obrázek 4 znázorňuje prstencovitou či kruhovou plazmatickou vrstvu 106 otáčející se v diamagnetickém směru iontů 102. Prstenec 106 je umístěn kolem nulového povrchu 86. Magnetické pole 108 vytvořené kruhovou plazmatickou vrstvou 106 v kombinaci s magnetickým polem působícím zvnějšku 110 tvoří magnetické pole s topologií FRC (topologie je znázorněna na obrázku 2).

Iontový paprsek, tvořící plazmatickou vrstvu 106, má určitou teplotu. Rychlosti iontů tvoří Maxwellovo rozdělení v rámu otáčejícím se průměrnou úhlovou rychlostí iontového paprsku. Srážky mezi ionty různých rychlostí vedou k fúzním reakcím. Z tohoto důvodu se vrstva plazmatického paprsku neboli energetické jádro 106 nazývá systém se srážkou paprsku.

Obrázek 5 znázorňuje hlavní typ iontových drah v systému se srážkou paprsku nazývaný betatronová dráha 1 12. Betatronovou dráhu 1 12 lze vyjádřit jako sinusovou vlnu soustředěnou kolem nulového kruhu 114. Jak je vysvětleno výše, magnetické pole na nulovém kruhu 114 mizí. Rovina dráhy 112 je kolmá kose 78 FRC. Ionty v této dráze 112 se pohybují od počátečního bodu 116 v diamagnetickém směru 102. Iont v betatronové dráze má dva pohyby: oscilační v radiálním směru (kolmém k nulovému kruhu 114) a translační podél nulového kruhu 114.

Na obrázku 6A je grafické znázornění magnetického pole 118 ve FRC. Horizontální osa grafu představuje vzdálenost v centimetrech od osy FRC 78. Magnetické pole je v kilogaussech. Jak popisuje graf, magnetické pole 118 mizí v poloměru mulového kruhu 120.

Jak znázorňuje obrázek 6B, na částice pohybující se poblíž nulového kruhu bude působit gradient 126 magnetického pole ve směru od nulového povrchu 86. Matematické pole vně nulového kruhu má první směr 122, zatímco magnetické pole uvnitř nulového kruhu má druhý směr 124 opačný k prvnímu. Směr gradientového driftu je dán výsledkem násobení Β X VB, kde VB je gradient magnetického pole. Užitím pravidla pravé ruky lze zjistit, že směr gradientového driftu je opačný k diamagnetickému směru nezávisle na tom, zdaje iont vně nebo uvnitř nulového kruhu 128.

-8CZ 306197 B6

Obrázek 7A je grafickým znázorněním elektrického pole 130 ve FRC. Vodorovná osa grafu představuje vzdálenost v centimetrech od osy FRC 78. Elektrické pole je vyjádřeno ve voltech/cm. Jak ukazuje graf, elektrické pole 130 poblíž poloměru nulového kruhu 120 mizí.

Jak ukazuje obrázek 7B, elektrické pole ionty neomezuje - působí ve směrech 132, 134 od nulového povrchu 86. Magnetické poleje stejně jako v předchozím případě v opačných směrech 122, 124 směrem dovnitř a ven z nulového povrchu 86. Užitím pravidla pravé ruky lze zjistit, že drift E x B má diamagnetický směr 102 nezávisle na tom, zda iont je vně nebo uvnitř nulového povrchu 136.

Obrázky 8A a 8B ukazují jiný typ společné dráhy ve FRC, který se nazývá driftová dráha 138. Driftové dráhy 138 mohou být vně nulového povrchu 114, jak ukazuje obrázek 8A, nebo uvnitř tohoto povrchu, jak ukazuje obrázek 8B. Driftové dráhy 138 rotují v diamagnetickém směru, převažuje-li E x B, nebo ve směru opačném, dominuje-li gradientový drift. Driftové dráhy 138 znázorněné na obrázcích 8A a 8B rotují od počátečního bodu 116 v diamagnetickém směru 102.

Driftovou dráhu znázorněnou na obrázku 8C si lze představit jako kroužek kutálející se po relativně větším kruhu. Malý kruh 142 se otáčí kolem své osy ve smyslu 144. Kutálí se také po velkém kruhu 146 ve směru 102. Bod 140 bude v prostoru opisovat dráhu obdobnou 138.

Obrázky 9A a 9B znázorňují směr Lorentzovy síly na koncích FRC 151. Na obrázku 9A je znázorněn iont pohybující se v diamagnetickém směru 102 rychlostí 148 v magnetickém poli 150. Užitím pravidla pravé ruky lze zjistit, že Lorentzova síla 152 má tendenci tlačit iont zpět do oblasti uzavřených siločar pole. V tomto případě proto Lorentzova síla 152 ionty zadržuje. Na obrázku 9B je znázorněn iont pohybující se ve směru opačném k diamagnetickému směru rychlostí 148 v magnetickém poli 150. Užitím pravidla pravé ruky lze zjistit, že Uorentzova síla 152 má tendenci tlačit iont do oblasti otevřených siločar pole. V tomto případě proto Lorentzova síla 152 ionty nezadržuje.

Magnetické a elektrostatické zadržení ve FRC

Plazmatická vrstva 106 (viz obr. 4) může být vytvořena ve FRC vstříknutím energetických iontových paprsků kolem nulového povrchu 86 v diamagnetickém směru 102 iontů. (Podrobný rozbor různých postupů vytváření FRC a plazmatického prstence následuje níže.) V cirkulující plazmatické vrstvě 106 má většina iontů betatronové dráhy 112 (viz obr. 5), jsou energetické a neadiabatické a jsou tedy necitlivé ke krátkovlnným fluktuacím, které vyvolávají anomální transport.

V plazmatické vrstvě 106 vzniklé ve FRC a v rovnovážných podmínkách vytváří zachování hybnosti vztah mezi úhlovou rychlostí iontů ω, a úhlovou rychlostí elektronů ω,. Vztah je = ω, [1 - ω/Ω₀ ], kde Ω« = ZeBf^mp) (1)

V rovnici 1 je Z atomové číslo iontu, w, je hmotnost iontu, e je náboj elektronu, B₍₎ je velikost působícího magnetického pole a c je rychlost světla. V této rovnici se vyskytují tři volné parametry: působící magnetické pole Bo, úhlová rychlost elektronu ω_β a úhlová rychlost iontu ω,. Jsou-li známy dvě z nich, třetí je možno určit z rovnice 1.

Protože plazmatická vrstva 106 je tvořena vstříknutím iontových paprsků do FRC, stanoví se úhlová rychlost iontů ω, vstříknutím kinetické energie paprsku W„ která je dána rovnicí

W,= 1/2 mjV,² = 1/2 m/ry, r_ň)² (2)

-9CZ 306197 B6

Zde je V, = ωρο, kde V, je rychlost vstřikování iontů, ω, je cyklotronová frekvence iontů a r_oje poloměr nulového povrchu 86. Kinetická energie elektronů v paprsku se neuvažuje, protože hmotnost elektronu mje daleko menší než hmotnost iontu m,.

Pro stálou rychlost vstřikování paprsku (stálou ω,) lze působící magnetické pole B₍₎ vyladit tak, aby bylo možno získat různé hodnoty ω,.. Jak bude vysvětleno, vyladěním vnějšího magnetického pole B_u také vznikají různé hodnoty elektrostatického pole uvnitř plazmatické vrstvy. Tato vlastnost vynálezu je znázorněna na obrázcích 10A a 10B. Obrázek 10A ukazuje získání tří hodnot elektrického pole (ve voltech/cm) pro stejnou rychlost vstřikování ω, = 1,35 x 10⁷ s'¹, ale pro různé hodnoty působícího magnetického pole By.

Hodnota	Působící magnetické pole (BQ	Úhlová rychlost elektronu (íWe)
154	B(l = 2,77 kG	ay = 0
156	B„= 5,15 kG	ryt. = 0,625 x 107 s1
158	Bo= 15,5 kG	ω, = 1,11 x 107 s'1

Hodnoty /y_ť ve výše uvedené tabulce byly stanoveny podle rovnice 1. Je známo, že v rovnici 1 znamená ω_κ > 0, Ω_ο > ru, a elektrony se tedy otáčejí ve směru opačném k diamagnetickému směru. Obrázek 10B znázorňuje elektrický potenciál (ve voltech) pro stejný soubor hodnot B_u a cy. Horizontální osa představuje na obrázcích 10A a 10B vzdálenost od osy FRC 78, zobrazenou na grafu v centimetrech. Elektrické pole a elektrický potenciál závisí ve velké míře na oy.

Výše uvedené výsledky lze vysvětlit jednoduše na fyzikálních principech. Když se ionty otáčejí v diamagnetickém směru, jsou magneticky omezovány Lorentzovou silou. To bylo znázorněno na obrázku 3 A. Pro elektrony, otáčející se ve stejném směru jako ionty, působí Lorentzova síla v opačném směru, takže elektrony by nebyly omezovány. Elektrony opouštějí plazma a v důsledku toho se vytváří nadbytek kladného náboje. Tím vzniká elektrické pole, které brání dalším elektronům opustit plazma. Směr a velikost elektrického pole je v rovnovážném stavu určen zachováním momentu.

Elektrostatické pole hraje významnou roli v transportu elektronů i iontů. Proto spočívá důležitý aspekt tohoto vynálezu v tom, že uvnitř plazmatické vrstvy 106 vzniká silné elektrostatické pole, jehož velikost je řízena hodnotou působícího magnetického pole Ba a může být snadno ovládána.

Jak je vysvětleno, elektrostatické pole elektrony zadržuje, je-li ay > 0. Jak ukazuje obrázek 10B, hloubku jámy lze zvětšit seřízením působícího magnetického pole B_í}. S výjimkou velmi úzké oblasti kolem nulového kruhu mají elektrony vždy malý gyrorádous. Proto elektrony reagují na krátkovlnné fluktuace anomálně velkou difúzní rychlostí. Tato difúze v podstatě napomáhá udržovat potenciálovou jámu, jakmile dojde k fúzní reakci, lonty, které jsou produkty fúze, mají daleko vyšší energii a opouštějí plazma. K udržení kvazineutrality náboje musí fúzní produkty vyjmout elektrony z plazmatu, což se děje zejména odebráním elektronů z povrchu plazmatické vrstvy. Hustota elektronů na povrchu plazmatu je velmi nízká a elektrony, které opouštějí plazma s fúzními produkty, musí být nahrazeny, jinak by potenciálová jáma zmizela.

Obrázek 11 znázorňuje Maxwellovo rozdělení 162 elektronů. Jen velmi energetické elektrony z konce 160 Maxwellova rozdělení mohou dosáhnout povrchu plazmatu a opustit jej s fúzními ionty. Konec 160 rozdělení 162 se tak neustále vytváří srážkami elektron-elektron v oblasti o vysoké hustotě u nulového povrchu. Energetické elektrony mají malý gyrorádius, takže díky anomální difúzi mohou dosáhnout povrchu dostatečně rychle, aby se přizpůsobily odcházejícím iontům, které jsou produkty fúze. Energetické elektrony ztrácejí energii při stoupání v potenciálové jámě, kterou opouštějí s velmi malou energií. Ačkoli elektrony dokáží v důsledku anomální

- 10CZ 306197 B6 ho transportu přejít magnetické pole rychle, ztráty anomální energie mohou být eliminovány, protože se přenáší jen malé množství energie.

Dalším důsledkem potenciálové jámy je silný chladicí mechanismus pro elektrony, který je podobný jako ochlazování při vypařování. Aby se např. mohla vypařovat voda, musí jí být dodáno latentním teplo vypařování. Toto teplo je dodáváno zbývající vodou v kapalném stavu a okolním médiem, které pak chladne rychleji, než teplené procesy dokáží dodávat energii. Analogicky pro elektrony je hloubka potenciálové jámy ekvivalentem latentního tepla vypařování vody. Elektrony dodávají energii požadovanou pro výstup v potenciálové jámě procesem termalizace, který obnovuje energii na konci Maxwellova rozdělení, takže elektrony mohou uniknout. Procesem termalizace se snižuje teplota elektronů, protože tento proces je daleko rychlejší než jakýkoli proces zahřívání. V důsledku rozdílu hmotností mezi elektrony a protony je doba transportu energie asi 1800krát nižší než doba termalizace elektronu. Tento mechanismus ochlazování také snižuje radiační ztráty elektronů. To je důležité zejména pro pokročilé typy paliv, kde jsou radiační ztráty zvyšovány ionty paliv s atomovým číslem Z větším než 1, Z > 1.

Elektrostatické pole také ovlivňuje transport iontů. Většina drah částic v plazmatické vrstvě 106 jsou dráhy betatronů 112. Srážky ve velkých úhlech, tzn. srážky s úhlovým rozptylem 90° až 180°, mohou změnit betatronovou dráhu na driftovou dráhu. Jak je popsáno výše, směr otáčení driftové dráhy je stanoven vztahem mezi driftem Ex Ba gradientovým driftem. Převažuje-li drift ExB, otáčí se driftová dráha v diamagnetickém směru. Převažuje-li gradientový drift, otáčí se driftová dráha v opačném směru. To je znázorněno na obrázcích 12A a 12B. Obrázek 12A ukazuje přechod z betatronové dráhy do driftové dráhy v důsledku srážky v úhlu 180°, k níž dochází v bodě 172. Driftová dráha se dále otáčí v diamagnetickém směru, protože převažuje drift E x B. Obrázek 12B znázorňuje další srážku v úhlu 180°, v tomto případě je však elektrostatické pole slabé a převažuje gradientový drift. Driftová dráha se tak otáčí ve směru opačném k diamagnetickému.

Směr otáčení driftové dráhy určuje, zda dojde k zadržení či nikoli. Částice pohybující se v driftové dráze bude mít také rychlost rovnoběžnou s osou FRC. Čas, za který částice přejde od jednoho konce FRC ke druhému, je důsledkem jejího paralelního pohybu a nazývá se doba průchodu. Driftové dráhy dosáhnou konce FRC v řádu doby průchodu. Jak je ukázáno v souvislosti s obrázkem 9A, Lorentzova síla na koncích FRC omezuje jen dráhy otáčející se v diamagnetickém směru. Po uplynutí doby průchodu jsou ionty v driftových dráhách otáčející se v opačném směru k diamagnetickému ztraceny.

Tento jev je příčinou ztráty mechanismu pro ionty a předpokládá se, že existoval ve všech experimentech FRC. V těchto experimentech ionty přenášely polovinu proudu a druhou polovinu nesly elektrony. Za uvedených podmínek bylo elektrické pole v plazmatu zanedbatelné a gradientový drift vždy převážil nad driftem E x B. Proto byly po uplynutí doby průchodu všechny driftové dráhy vzniklé po srážkách ve velkém úhlu ztraceny. Tyto experimenty vyvolaly difúzní rychlosti iontů, které byly vyšší než rychlosti předpokládané na základě klasických odhadů difúze.

V případě silného elektrostatického pole převažuje drift Ex B nad gradientovým driftem a driftová dráha se otáčí v diamagnetickém směru. To bylo uvedeno výše v souvislosti s obrázkem 12A. Když tyto dráhy dosáhnou konců FRC, odrazí se působením Lorentzovy síly zpět do oblasti uzavřených siločar a zůstanou tak zadrženy v systému.

Elektrostatická pole v systému se srážkou paprsku mohou být dostatečně silná, a proto drift Ex B převažuje nad gradientovým driftem. Elektrostatické pole systému by proto eliminovalo transport iontu vyloučením mechanismu ztráty iontu, což je obdobné jako kužel ztrát v zrcadlovém zařízení.

Další aspekt iontové difúze lze odvodit na základě zvážení účinku srážek elektronů a iontů v malém úhlu na betatronové dráhy. Obrázek 13A znázorňuje betatronovou dráhu

- 11 CZ 306197 B6

112, obrázek 13B znázorňuje tutéž dráhu 112 při zvážení srážek elektronů a iontů v malém úhlu 174, obr. 13C znázorňuje dráhu podle obrázku 13B po dobu, která je desetkrát delší 176, a obrázek 13D znázorňuje dráhu podle obrázku 13B po dvacetkrát delší dobu. Lze si všimnout, že topologie betatronových drah se v důsledku srážek elektronů a iontů v malém úhlu nemění, avšak amplituda jejich radiálních oscilací s časem roste. Dráhy znázorněné na obrázcích 13A až 13D ve skutečnosti s časem rostou, což ukazuje na klasickou difúzi.

Vytvoření FRC

Běžné postupy užívané pro vytvoření FRC obvykle pracují při obrácení pole s metodou theta pinch. Při této běžně používané metodě působí magnetické pole generované vnějšími cívkami kolem komory naplněné neutrálním plynem. Pak je plyn ionizován a magnetické poleje zmraženo v plazmatu. Dále se rychle obrátí proud ve vnějších cívkách a opačně orientované siločáry magnetického podle se spojí s předem zmrazenými siločarami, aby vznikla uzavřená topologie FRC (viz obr. 2). Tento proces vytváření FRC je ve velké míře empirický a neexistují skoro žádné prostředky, jak jej řídit. Postup je špatně reprodukovatelný a v důsledku toho jej nelze nijak upravovat (ladit).

í

Oproti tomu postupy generování FRC podle vynálezu umožňují bohatou kontrolu a proces je tak průhlednější a lépe reprodukovatelný. FRC vytvořená postupy podle vynálezu může být vyladěna a její tvar stejně jako další vlastnosti je možno přímo ovlivnit manipulací s magnetickým polem působícím z cívek vnějšího pole 325. Vytvořením FRC postupy podle vynálezu lze také generovat elektrické pole a potenciálovou jámu postupem, který je podrobně popsán výše. Předkládané postupy lze snadno rozšířit, aby akcelerovaly FRC na parametry úrovně reaktoru a vysokoenergetické palivové proudy a výhodně umožňuje klasické zadržení iontů. Postup lze dále využít v kompaktním zařízení, je velmi robustní a snadno se aplikuje, což jsou velmi žádoucí vlastnosti pro systém reaktoru.

V uvedených postupech se vytvoření FRC týká cirkulujícího plazmatického paprsku 335. Lze zjistit, že cirkulující plazmatický paprsek 335, protože má charakter proudu, vytváří poloidní magnetické pole stejně jako elektrický proud v kruhovém drátu. V cirkulujícím plazmatickém paprsku 335 působí takto indukované magnetické pole proti zvnějšku působícímu magnetickému poli generovanému vnější cívkou 325. Mimo plazmatický paprsek 335 má vnitřní magnetické stejný směr jako působící magnetické pole. Když je plazmatický iontový proud dostatečně velký, vnitřní pole převýší působící pole a magnetické pole se obrátí dovnitř cirkulujícího plazmatického paprsku 335, čímž vznikne topologie FRC znázorněná na obrázcích 2 a 4.

Požadavek na obrácení pole lze odhadnout pomocí jednoduchého modelu. Uvažujme o elektrickém proudu I_p přenášeném prstencem o hlavním poloměru r₍₎ a menším poloměru a « r_n. Magnetické pole ve středu prstence ve směru normály k prstenci je B_p = 2π I_p /(cro). Předpokládejme, že proud prstencem l_p = Λ^Ω^π) je přenášen N_p ionty, které mají úhlovou rychlost Q_ň. Pro jediný iont cirkulující v poloměru r₍₎ = No/Qo je Ω« = eBo/mp frekvence cyklotronu pro vnější magnetické pole B_n. Předpokládejme, že V_fl je průměrná rychlost iontových paprsků. Obrácení poleje definováno jako

B_p = NpeCloKroc) > 2 B₍₎ (3), z čehož vyplývá, že N_p > 2 ro/a, a

I_p>eV₍/(naj) (4), kde a, = e/mp² = 1,57 x 10'¹⁶ cm a energie iontového paprskuje \/2mN(². V jednorozměrném modelu je magnetické pole z plazmatického proudu Bp = (2n/c)i_p, kde i_p je proud na jednotku délky. Požadavek na obrácení poleje i_p > eV_uhi 0,225 kA/cm, kde B^ = 69,3 G a \/2mN2⁼

- 12CZ 306197 B6

100 eV. Pro model s periodickými prstenci je B_z v průměru kolem osové souřadnice (B_y) = (2n/c)( fis), kde s = vzdálenost mezi prstenci, je-li s = r₍₎, měl by tento model stejné průměrné magnetické podle jako jednorozměrný model s i_p = //s.

Kombinovaná technika s využitím paprsku a betatronu

Preferovaný postup vytvoření FRC v zadržovacím systému 300, který je popisován výše, se zde dále označuje jako kombinovaná technika s využitím paprsku a betatronu. Tento postup kombinuje paprsky plazmatických iontů o nízké energii s akcelerací betatronu užitím cívky s tokem betatronů 320.

Prvním krokem tohoto postupuje vstříknutí přibližně kruhové vrstvy okolního plazmatu do komory 310 užitím okolních plazmatických zdrojů 345. Vnější cívka 325 vytváří uvnitř komory 310 magnetické pole, které magnetizuje okolní plazma. V krátkých intervalech jsou iontové paprsky s nízkou energií vstřikovány do komory 310 přes vstřikovací otvory 340 příčně ke vnějškově působícímu magnetickému poli v komoře 310. Jak je vysvětleno výše, jsou iontové paprsky zachycovány tímto magnetickým polem v komoře 310 ve velkých betatronových dráhách. Iontové paprsky mohou být generovány iontovým akcelerátorem, jako je např. akcelerátor obsahující iontovou diodu, a Marxovým generátorem (viz R. B. Miller, An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams, 1982). Jak bude odborník v oboru vědět, vnější magnetické pole bude po vstupu do komory 310 působit na vstřikovaný iontový paprsek Lorentzovou silou. Požaduje se však, aby se iontový paprsek neohýbal a nevstupoval do betatronové dráhy, dokud nedosáhne cirkulujícího plazmatického paprsku 335. K vyřešení tohoto problému jsou iontové paprsky neutralizovány elektrony a nasměrovány v zásadě konstantním jednosměrným magnetickým polem ještě před vstupem do komory 310. Jak ukazuje obrázek 14, když je iontový paprsek 350 nasměrován na průchod příslušným magnetickým polem, kladně nabité ionty a záporně nabité elektrony se oddělí. Iontový paprsek 350 se tak v důsledku magnetického pole sám elektricky polarizuje. Toto magnetické pole může být generováno např. stálým magnetem nebo elektromagnetem podél dráhy iontového paprsku. Po zavedení do zadržovací komory 310 vyvažuje výsledné elektrické pole magnetickou sílu na částicích paprsku a umožňuje unášení iontového paprsku bez ohnutí. Obrázek 15 znázorňuje centrální pohled na iontový paprsek 350 po dotyku s plazmatem 335. Jak je popisováno, elektrony z plazmatu 335 se pohybují po siločárách magnetického pole do paprsku a z paprsku 350, čímž klesá elektrická polarizace paprsku. Když paprsek již není elektricky polarizován, připojí se k cirkulujícímu plazmatickému paprsku 335 v betatronové dráze kolem hlavní osy 315, jak je znázorněno na obrázku 1 (viz také obr. 4).

Když plazmatický paprsek 335 putuje po své betatronové dráze, pohybující se ionty nesou proud, který naopak vyvolává vnitřní poloidní magnetické pole. K vytvoření topologie FRC v komoře 310 je nutné zvýšit rychlost plazmatického paprsku 335, a tak zesílit vnitřní magnetické pole, které plazmatický paprsek 335 generuje. Když je vnitřní magnetické pole dostatečně velké, směr magnetického pole v radiální vzdálenosti od osy 315 v plazmatickém paprsku 335 se obrací a vzniká FRC (viz obrázky 2 a 4). Lze zjistit, že k udržení radiální vzdálenosti cirkulujícího plazmatického paprsku 335 v betatronové dráze je nutné s tím, jak se plazmatický paprsek 335 zrychluje, zesílit působící magnetické pole z vnější cívky 325. Vzniká tak řídicí systém pro udržování vhodného magnetického pole na základě proudu procházejícího vnější cívkou 325. Jinak lze použít druhou vnější cívku pro vytvoření dalšího působícího magnetického pole, které je nutné k udržení poloměru dráhy magnetického paprsku při jeho urychlování.

Ke zvyšování rychlosti cirkulujícího plazmatického paprsku 335 po dráze slouží cívka stokem betatronů 320. Podle obrázku 16 lze zjistit, že zvyšováním proudu procházejícím cívkou s tokem betatronů 320 vzniká podle Ampérova zákona v komoře 310 azimutální elektrické pole E. Kladně nabité ionty v plazmatickém paprsku 335 jsou tímto indukovaným elektrickým polem urychlovány, což vede k výše popisovanému obrácení pole. Když jsou do cirkulujícího plazmatického paprsku 335 přidávány iontové paprsky, jak je popisováno výše, plazmatický paprsek 335 tyto paprsky depolarizuje.

- 13 CZ 306197 B6

Pro obrácení pole se cirkulující plazmatický paprsek 335 přednostně urychlí na rotační energii přibližně 100 eV, přednostně v rozsahu cca 75 eV až 125 eV. K dosažení podmínek vhodných pro fúzi se cirkulující plazmatický paprsek 335 přednostně urychlí asi na 200 keV, přednostně v rozsahu asi 100 keV až 3,3 MeV.

Vytvoření FRC bylo úspěšně demonstrováno užitím kombinované techniky pracující s paprskem a betatronem. Kombinovaná metoda s využitím paprsku a betatronu byla experimentálně realizována v komoře o průměru 1 m a délce 1,5 m užitím vnějšího magnetického pole do hodnoty 500 G, magnetického pole z cívky s tokem betatronů 320 do 5 kG a podtlaku 1,2 x 10'⁵ torru. V experimentu mělo okolní plazma hustotu 10¹³ cm'³ a iontový paprsek byl neutralizovaný vodíkový paprsek o hustotě 1,2 x 10¹³ cm'³, rychlosti 2 x 10⁷ cm/s a pulzní délce přibližně 20 ps (v poloviční délce). Bylo pozorováno obrácení pole.

Technika s využitím betatronu

Další preferovaná metoda vytvoření FRC v zadržovacím systému 300 se nazývá technika vytvoření FRC s využitím betatronu. Tento postup vychází z přímého řízení betatronem indukovaného proudu kakceleraci cirkulujícího plazmatického paprsku 335 užitím cívky stokem betatronů 320. Preferované provedení tohoto postupu užívá zadržovací systém 300 popsaný na obrázku 1 s výjimkou toho, že není nutné vstříknutí iontových paprsků o nízké energii.

Jak je uvedeno, hlavní složkou metody generování betatronem je cívka s tokem betatronů 320 instalovaná ve středu a kolem osy komory 310. V důsledku konstrukce s odděleným vinutím má cívka 320 velmi malou induktanci, a když je připojena ke vhodnému napěťovému zdroji, má nízkou časovou konstantu LC, která umožňuje rychlý nárůst proudu v cívce 320.

Vytvoření FRC přednostně probíhá energizací cívek vnějšího pole 325, 330. Tím vzniká pole s axiálním vedením a radiálními složkami magnetického pole poblíž konců k axiálnímu omezení plazmatu vstříknutého do komory 310. Jakmile je zavedeno dostatečné magnetické pole, okolní plazmatické zdroje 345 jsou energizovány zvláštních napěťových zdrojů. Plazma vychází z proudů děl podél axiálního vodícího pole a mírně se díky své teplotě rozstřikuje. Když plazma dosáhne středové roviny komory 310, vzniká kolem osy spojitá kruhová vrstva studeného pomalu se pohybujícího plazmatu.

V tomto okamžiku je energizována cívka s tokem betatronů 320. Rychle narůstající proud v cívce 320 vyvolává rychle se měnící axiální tok uvnitř cívky. Vlivem indukce se tímto rychlým nárůstem axiálního toku generuje azimutální elektrické pole E (viz obr. 17), které proniká prostorem kolem cívky s tokem. Podle Maxwellových rovnic je toto elektrické pole přímo úměrné změně síly magnetického toku v cívce, tzn. rychlejší nárůst proudu v betatronové cívce povede k silnějšímu elektrickému poli.

Indukcí vytvořené elektrické pole E se připojuje k nabitým částicím v plazmatu a vyvolává elektromotorické napětí, které urychluje částice v kruhové plazmatické vrstvě. Elektrony jsou v důsledku své malé hmotnosti urychlovány jako první. Počáteční proud vytvořený tímto procesem tak vzniká zejména díky elektronům. Dostatečná doba akcelerace (kolem stovek mikrosekund) však také nakonec vyvolá iontový proud. Elektrické pole E na obrázku 17 urychlí elektrony a ionty v opačných směrech. Jakmile oba druhy částic dosáhnou své konečné rychlosti, přenáší se proud prakticky stejně ionty i elektrony.

Jak je uvedeno výše, proud přenášený otáčejícím se plazmatem generuje vnitřní magnetické pole. Vytváření skutečné topologie FRC začíná, když se vnitřní magnetické pole generované proudem v plazmatické vrstvě stane srovnatelným s působícím magnetickým polem z cívek vnějšího pole 325, 330. V tomto okamžiku vzniká nové magnetické pole a otevřené siločáry počátečního externě vytvořeného magnetického pole se začínají uzavírat a vytvářet povrchy toku FRC (obrázky 2 a 4)·

- 14CZ 306197 B6

Základní FRC generovaná touto metodou vykazuje střední magnetické pole a energie částic, které ve standardním případě nedosahují relevantních operačních parametrů reaktoru. Indukční pole elektrické akcelerace však bude přetrvávat, dokud se bude proud v cívce s tokem betatronů 320 stále rychle zvyšovat. Vlivem tohoto procesu bude energie a celkové magnetické pole FRC stále růst. Rozsah tohoto procesu je tedy primárně omezen napájením cívky s tokem, protože stálá dodávka proudu vyžaduje velkou zásobárnu energie. V zásadě však není složité urychlit systém tak, aby měl parametry vhodné pro reaktor.

Aby došlo k obrácení pole, cirkulující plazmatický paprsek 335 se přednostně urychlí na rotační energii přibližně v hodnotě 100 eV, přednostně v rozsahu cca 75 eV až 125 eV. K dosažení podmínek vhodných pro fúzi se cirkulující plazma 335 přednostně urychlí asi na 200 keV, přednostně v rozsahu asi 100 keV až 3,3 MeV. Když jsou do cirkulujícího plazmatického paprsku 335 dodány iontové paprsky, jak je popisováno výše, plazmatický paprsek 335 depolarizuje iontové paprsky.

Vytvoření FRC užitím betatronové metody bylo úspěšně demonstrováno při následujících hodnotách parametrů:

• Rozměry vakuové komory: průměr asi 1 m, délka asi 1,5 metru.

• Poloměr betatronové cívky: 10 cm.

• Poloměr dráhy plazmatu: 20 cm.

• Střední vnější magnetické pole vzniklé ve vakuové komoře bylo do 100 gaussů s růstovou periodou 150 ps a zrcadlovým poměrem 2 ku 1. (Zdroj: vnější cívky a betatronové cívky.) • Okolní plazma (v podstatě vodíkový plyn) se vyznačovalo střední hustotou asi 10¹³ cm'³ a kinetickou teplotou menší než 10 eV.

• Životnost konfigurace byla limitována celkovou energií uloženou v experimentu a obecně dosahovala cca 30 ps.

Experimenty pokračovaly prvním vstříknutím okolní plazmatické vrstvy dvěma sadami děl s koaxiálními kabely instalovanými v komoře v kruhu. Každý soubor 8 děl byl instalován na jednom nebo na dvou sestavách zrcadlové cívky. Děla byla azimutálně umístěna ve stejné vzdálenosti a posunuta vzhledem ke druhé sestavě. Toto uspořádání umožňovalo, aby děla byla odpálena současně a aby tak vznikla kruhová plazmatická vrstva.

Po vytvoření této vrstvy byla energizována cívka s betatronovým tokem. Rostoucí proud ve vinutí betatronové cívky vyvolal nárůst toku uvnitř cívky, čímž kolem betatronové cívky vzniklo azimutální elektrické pole. Prudký nárůst a velký proud v cívce s betatronovým tokem vytvořil silné elektrické pole, které akcelerovalo kruhovou plazmatickou vrstvu a tím indukovalo značný proud. Dostatečně silný plazmatický proud vytvořil vnitřní magnetické pole, které měnilo vnější pole a vyvolalo vznik konfigurace s obráceným polem. Podrobným měřením smyček B-bodu byl zjištěn rozsah, síla a trvání FRC.

Příklad typických dat je znázorněn stopami sondy B-bodu na obrázku 30. Datová křivka A představuje absolutní sílu axiální složky magnetického pole na axiální středové rovině (75 cm od každé koncové destičky) experimentální komory a v radiální poloze 15 cm. Datová křivka B představuje absolutní sílu axiální složky magnetického pole v axiální středové rovině komory a v radiální poloze 30 cm. Data na křivce A proto indikují sílu magnetického pole uvnitř plazmatické vrstvy paliva (mezi betatronovou cívkou a plazmatem), zatímco datová křivka B popisuje sílu magnetického pole mimo plazmatickou vrstvu paliva. Data jasně ukazují, že vnitřní magnetické pole obrací během 23 a 47 ps orientaci (je záporné), zatímco vnější pole zůstává kladné, tj. neobrací orientaci. Čas obrácení je omezen nárůstem proudu v betatronové cívce. Jakmile dosáhne proud v betatronové cívce vrcholu, začne indukovaný proud v palivové plazmatické vrstvě klesat a FRC se rychle ztrácí. Až do této doby je životnost FRC omezena energií, kterou lze v experi

- 15 CZ 306197 B6 mentu uchovat. Stejně jako u experimentů se vstřikováním a záchytem může být systém modernizován, aby poskytl delší životnost FRC a akceleraci parametrů relevantních pro reaktor.

Tato technika všeobecně nejenže vytváří kompaktní FRC, aleje také dostatečně robustní ajed5 noduchá na implementaci. Nejdůležitější je to, že základní FRC generované touto metodou může být snadno urychleno na jakoukoli požadovanou úroveň rotační energie a síly magnetického pole. To je zásadní pro aplikace fúze a klasické zadržení paprsků o vysokých energiích.

Fúze

Tyto dvě techniky tvorby FRC v zadržovacím systému 300 popisovaném výše atp. mohou generovat plazma s vlastnostmi vhodnými pro vyvolání jaderné fúzní reakce. Konkrétněji lze FRC vytvořené těmito metodami urychlit na jakoukoli požadovanou úroveň rotační energie a sílu magnetického pole. To je zásadní pro aplikaci fúzí i klasické zadržení palivových paprsků o vy15 soké energii. V zadržovacím systému 300 je proto možné zadržet a omezit plazmatické paprsky o vysoké energii po dostatečně dlouhé období, aby zde vznikla fúzní reakce.

Pro úpravu fúze je FRC vytvořené těmito metodami přednostně akcelerováno, aby dosáhlo přiměřených hodnot rotační energie a magnetického pole urychlením betatronů. Fúze však má ten20 denci vyžadovat k tomu, aby se reakce uskutečnila, splnění řady fyzikálních podmínek. Aby bylo kromě toho dosaženo účinného spálení paliva a kladné energetické bilance, musí být palivo udrženo v tomto stavu v podstatě nezměněno po delší časové období. To je důležité, protože vysoká kinetická teplota nebo energie charakterizuje stav vhodný pro fúzi. Vytvoření tohoto stavu proto vyžaduje značný energetický vstup, jehož lze dosáhnout jedině tehdy, pokud se fúze zúčastní 25 většina paliva. V důsledku toho musí být doba zadržení paliva delší než doba jeho spalování. Pak bude i energetická bilance a výsledný energetický výstup pozitivní.

Významná výhoda vynálezu spočívá v tom, že zde popisovaný zadržovací systém a plazma jsou schopny dlouhých zadržovacích časů, tzn. zadržovacích časů, které překračují časy spalování 30 paliva. Typický stav pro fúze je tak charakterizován následujícími fyzikálními podmínkami (které se obvykle liší v závislosti na palivu a provozním režimu):

průměrná teplota iontů: v rozsahu asi 30 až 230 keV a přednostně v rozsahu přibližně 80 keV až 230 keV, průměrná teplota elektronů: v rozsahu asi 30 až 100 keV a přednostně v rozsahu přibližně 80 keV 35 až 100 keV, koherentní energie palivových paprsků (vstřikovaných iontových paprsků a cirkulujícího plazmatického paprsku): v rozsahu asi 100 kEv až 3,3 MeV a přednostně v rozsahu přibližně 300 keV až 3,3 MeV, celkové magnetické pole: v rozsahu asi 47,5 až 120 kG a přednostně v rozsahu přibližně 95 až 40 1 20 kG (s vnějším působícím polem v rozsahu asi 2,5 až 15 kG a přednostně v rozsahu asi 5 až kG), klasická doba zadržení: delší než doba spalování paliva a přednostně v rozsahu asi 10 až 100 sekund, hustota iontů paliva: v rozsahu asi 10¹⁴ až méně než 10¹⁶ cm'³ a přednostně v rozsahu asi 10¹⁴ až 45 10¹⁵cm'³, celková fúzní energie: přednostně v rozsahu asi 50 až 450 kW/cm (energie na cm délky komory).

K úpravě výše uvedených fúzních podmínek se FRC přednostně akceleruje na úroveň koherentní rotační energie přednostně v rozsahu asi 100 keV až 3,3 MeV, lépe v rozsahu asi 300 keV až 3,3 50 MeV a úrovní 45 až 120 kG, lépe v rozsahu asi 90 až 115 kG. Na těchto úrovních mohou být iontové paprsky o vysoké energii vstřikovány do FRC a zachycovány, aby vytvořily vrstvu plazmatického paprsku, přičemž plazmatické iontové paprsky jsou zadržovány magneticky a elektrony plazmatických paprsků jsou zadržovány elektrostaticky.

- 16CZ 306197 B6

Teplota elektronu je přednostně udržována na tak nízké hodnotě, jak je to prakticky možné, aby se snížilo brzdné záření, které může jinak vést ke ztrátám radioaktivní energie. Efektivním prostředkem, jak toto provést, je elektrostatická jáma podle vynálezu.

Teplota iontů je přednostně udržována na úrovni, která zajišťuje účinné spalování, protože fúzní průřez je funkcí iontové teploty. Velká přímá energie palivových iontových paprsků je zásadní pro klasický transport popisovaný v této přihlášce. Minimalizuje také vlivy nestability palivového plazmatu. Magnetické pole je konsistentní s rotační energií paprsku. Je částečně tvořeno plazmatickým paprskem (vnitřní pole) a naopak poskytuje podporu a sílu pro udržení plazmatického paprsku na požadované dráze.

Produkty fúze

Produkty fúze vznikají v energetickém jádru převážně u nulového povrchu 86, odkud vycházejí difúzí směrem k separátoru 84 (viz obr. 2 a 4). To je důsledkem srážek s elektrony (protože srážky s ionty nemění těžiště a proto nevyvolávají změnu siločar). Vlivem vysoké kinetické energie (výsledné ionty mají daleko větší energii než ionty paliva) mohou produkty fúze snadno přejít přes separátor 84- Jakmile jsou za separátorem 84, mohou postupovat po otevřených siločárách 80 za předpokladu, že na ně bude působit rozptyl po srážkách s ionty. Ačkoli tento proces srážek nevede k difúzím, může změnit směr vektoru rychlosti iontu, aby ukazoval rovnoběžně s magnetickým polem. Tyto otevřené siločáry 80 spojují topologii FRC jádra s jednotně působícím polem mimo topologii FRC. Výsledné ionty vystupují na různých siločárách podle rozdělení energií. Je výhodné, že ionty, které jsou produktem reakce, a elektrony neutralizující náboj vycházejí ve formě rotujících kruhových paprsků zobou konců palivového plazmatu. Např. pro konstrukci reakce v-B¹¹ o síle 50 MW budou mít tyto paprsky poloměr přibližně 50 cm a tloušťku přibližně 10 centimetrů. V silných magnetických polích mimo separátor 84 (v typickém případě cca 100 kG) mají výsledné ionty související rozdělení gyrorádia, který se mění od minimální hodnoty cca 1 cm do maxima kolem 3 cm pro nejvíce energetické výsledné ionty.

Výsledné ionty mají zpočátku longitudinální i rotační energii vyznačující se 1/2 M(v_par)² a 1/2 M(Vperp)“. Uvedená ν_ρε,_ρ je azimutální rychlost související s rotací kolem siločáry jako v centru dráhy. Protože siločáry pole se poté, co se vzdálí topologii FRC, rozptýlí do prostoru, rotační energie má tendenci klesat, zatímco celková energie zůstává konstantní. To je důsledkem adiabatické invariance magnetického momentu výsledných iontů. V oboru je dobře známo, že nabité částice pohybující se v magnetickém poli mají magnetický moment související s jejich pohybem. V případě částic pohybujících se podél pomalu se měnícího magnetického pole existuje také adiabatická invarianta pohybu popisovaného 1//2 M(v_perp)²/B. Ionty, které jsou produkty reakce, obíhající kolem svých siločar, mají magnetický moment a adiabatickou invarianci spojenou s tímto pohybem. Protože B klesá cca desetkrát (což je určováno rozptylem siločar), vyplývá z toho, že v^ bude klesat asi 3,2 krát. V okamžiku, kdy výsledné ionty dorazí do jednotné oblasti pole, bude jejich rotační energie nižší než 5% jejich celkové energie, což je jinými slovy téměř veškerá energie v longitudinální složce.

Přeměna energie

Systém přímé přeměny energie podle vynálezu obsahuje inverzní cyklotronový konvertor (ICC) 420 znázorněný na obrázcích 19A a 20A a připojený k (částečně zobrazenému) napěťovému jádru 436 fúzního reaktoru se srážkou paprsku (CBFR) 410, takže vzniká systém generování plazmaelektrické energie 400. Druhý ICC (není zobrazen) může být umístěn symetricky směrem k levému CBFR 410. Magnetický vrchol 486 je umístěn mezi CBFR 410 a ICC 420 a vzniká po spojení magnetických polí CBFR 410 a ICC 420.

Před tím, než podrobně popíšeme ICC 420 a jeho fungování, uvádíme přehled vlastností typického cyklotronového akcelerátoru. V běžných cyklotronových akcelerátorech rotují energetické ionty s rychlostmi kolmými k magnetickému poli v kruzích. Poloměr dráhy energetických iontů

- 17CZ 306197 B6 je stanoven silou magnetického pole a jejich nábojem vzhledem k hmotnosti a zvyšuje se s energií. Rotační frekvence iontů je však nezávislá na jejich energii. Tato skutečnost byla využita při konstrukci cyklotronových akcelerátorů.

Na obrázku 21A je typický cyklotronový akcelerátor 700, který obsahuje dvě zrcadlové elektrody ve tvaru písmene C 710 tvořící zrcadlové dutiny ve tvaru písmene D umístěné v homogenním magnetickém poli 720 a mající siločáry kolmé k rovině symetrie elektrod, tzn. v rovině stránky. Mezi elektrodami ve tvaru písmene C (viz obrázek 21B) působí oscilující elektrický potenciál. Ionty I vycházejí ze zdroje umístěného v centru cyklotronu 700. Magnetické pole 720 je upraveno tak, že rotační frekvence iontů vyhovuje elektrickému potenciálu a souvisejícímu elektrickému poli. Přejde-li iont I mezeru 730 mezi elektrodami ve tvaru písmene C 710 ve stejném směru, jaký má elektrické pole, je urychlen. Po urychlení elektronu I se zvýší jeho energie a poloměr dráhy. Když iont absolvuje oblouk ve tvaru půlkružnice (a nebyla mu zvýšena energie), přejde znovu přes mezeru 730. Nyní má elektrické pole mezi elektrodami ve tvaru písmene 710 obrácený směr. Iont I je znovu urychlen a jeho energie je dále zvýšena. Tento proces se opakuje pokaždé, když iont přejde přes mezeru 730 za předpokladu, že se jeho rotační energie dále zkombinuje s energií oscilujícího elektrického pole (viz obrázek 21C). Jestliže na druhé straně částice přejde přes mezeru 730, když je elektrické pole v opačném směru, bude zpomalena a vrácena zdroji u centra. Pouze částice s počátečními rychlostmi kolmými k magnetickému poli 720 a ty, které přejdou přes mezeru 730 ve správné fázi oscilujícího elektrického pole, budou urychleny. Soulad fází je proto pro urychlení důležitý.

Pro extrakci kinetické energie z paprsku se stejnými energetickými ionty by se mohl v zásadě používat cyklotron. Zpomalení iontů s cyklotrony, ale bez energetických extrakcí byla pozorována pro protony, jak ji popisuje Bloch a Jeffries ve Phys. Rev. 80, 305 (1950). Ionty by mohly být vstříknuty do dutiny tak, že jsou přivedeny do zpomalovací fáze vzhledem k oscilujícímu poli. Všechny ionty by pak obrátily trajektorii T urychleného iontu znázorněného na obrázku 21 A. Jak se ionty zpomalují v důsledku interakce s elektrickým polem, jejich kinetická energie je transformována na oscilující elektrickou energii v elektrickém obvodu, jehož je cyklotron součástí. Bylo by dosaženo přímé přeměny na elektrickou energii, která by byla velmi efektivní.

V praxi by ionty z iontového paprsku vstoupily do cyklotronu se všemi možnými fázemi. Pokud nejsou v konstrukci cyklotronu kompenzovány proměnné fáze, polovina iontů je urychlena a druhá polovina zpomalena. V důsledku toho by maximální účinnost přeměny byla 50%. A navíc výsledné kruhové iontové fúzní paprsky rozebírané výše mají nevhodný tvar pro běžný cyklotron.

Jak je níže rozebíráno podrobněji, ICC podle vynálezu přizpůsobuje kruhový charakter výsledných fúzních paprsků nabuzujících FRC jádra fúzního reaktoru a náhodnou reaktivní fázi iontů v paprsku a šíření jejich energií.

Vraťme se k obrázku 19A. Zde je na levé straně znázorněna část energetického jádra 436 CBFR 410, přičemž plazmatické palivové jádro 435 je uzavřeno ve FRC 470 vzniklém částečně díky magnetickému poli působícímu mimo cívky pole 425. FRC 470 obsahuje uzavřené siločáry 482, separátor 484 a otevřené siločáry 480, které, jak je uvedeno výše, určují vlastnosti kruhového paprsku 437 produktů fúze. Otevřené siločáry 480 vystupují z energetického jádra 436 ve směru k magnetickým vrcholům 486. Jak je uvedeno výše, fúzní produkty vycházejí z energetického jádra 436 podél otevřených siločar 480 ve formě kruhového paprsku 437 obsahujícího energetické ionty a elektrony neutralizující náboj.

Geometrie ICC 420 připomíná dutý válec o délce cca pět metrů. Povrch válce tvoří čtyři nebo více stejných půlválcovitých elektrod 494 s malými přímými mezerami 497. V provozu působí na elektrody 494 střídavě oscilační potenciál. Elektrické pole E v konvertoru má čtyřpólovou strukturu, jak ukazuje koncový pohled znázorněný na obrázku 19B. Elektrické pole E mizí na osách symetrie a zvyšuje se lineárně s poloměrem. Vrcholová hodnota je v mezeře 497.

- 18CZ 306197 B6

ICC kromě toho obsahuje vnější cívky pole 488, které tvoří jednotné pole v geometrii dutého válce ICC. Protože proud protéká polem cívky 488 ve směru opačném ke směru proudu protékajícího polem cívky CBFR 425, siločáry pole 496 v ICC probíhají ve směru opačném k otevřeným siločárám 480 CBFR 410. Na konci nejdále od energetické cívky 436 CBFR 410 obsahuje ICC 420 kolektor iontů 492.

Mezi CBFR 410 a ICC 420 je symetrický magnetický vrchol 486, přičemž otevřené siločáry pole 480 CBFR 410 se směšují se siločárami 496 ICC 420. Kolektor elektronů kruhového tvaru 490 je umístěn kolem magnetického vrcholu 486 a je elektricky spojen s kolektorem iontů 498. Jak je rozebráno níže, magnetické pole magnetických vrcholů 486 mění velmi efektivně úhlovou rychlost paprsku 437 na rotační rychlost. Obrázek 19 znázorňuje typickou iontovou dráhu 422 v konvertoru 420.

CBFR 410 má válcovitý tvar. Ve středu je fúzní energetické jádro 436 s fúzním plazmatickým jádrem 435 obsaženým v topologii magnetického pole FRC 470, v němž se uskutečňují fúzní reakce. Jak bylo zaznamenáno, výsledné jádro a elektrony neutralizující jádro vystupují jako kruhové paprsky 437 z obou konců palivového plazmatu 435. Např. pro konstrukci reakce /?-B o výkonu 50 MW budou mít tyto paprsky poloměr kolem 50 cm a tloušťku přibližně 10 cm. Kruhový paprsek má hustotu η = 10⁷ až 10⁸ cm³. Pro takovou hustotu odděluje magnetický vrchol 486 elektrony a ionty. Elektrony sledují magnetické siločáry až do kolektoru elektronů 490 a ionty procházejí vrcholem 486, kde jsou trajektorie iontů měněny tak, aby sledovaly v zásadě spirálovitou dráhu po délce ICC 420. Jak se ionty pohybují po spirále podél elektrod 494 připojených k rezonančnímu okruhu, ztrácejí energii (není znázorněno). Ztráta perpendikulární energie je největší pro ionty s nejvyšší energií, které zpočátku obíhají poblíž elektrod 494, kde je elektrické pole nejsilnější.

Ionty přicházejí na magnetický vrchol 486 s rotační energií rovnající se přibližně počáteční celkové energii, tzn. \I2Mn? = 1/2 Mnq. Existuje rozdělení energií iontů a počátečního poloměru iontu r_t), když ionty dosáhnou magnetického vrcholu 486. Avšak počáteční poloměr r₀ má tendenci být přibližně úměrný počáteční rychlosti vq. Radiální magnetické pole a radiální rychlost paprsku vytváří Lorentzovu sílu v azimutálním směru. Magnetické pole na vrcholu 486 nemění energii částic, ale převádí počáteční axiální rychlost v_p = v₀ na reziduální axiální rychlost v_z a azimutální rychlost v, kde v₀ ² = v_z ² +v. Hodnota azimutální rychlosti v může být stanovena ze zachování normovaného momentu

Pe = Mr„v - q B₍₎ r₀ ²/(2c) = qB„ r„²/(2c) (5)

Iont z paprsku vstupuje do levé strany vrcholu 486 s B_z = B_fl, n_z = v₀, v = 0 a r = r₀. Vystupuje na levé straně vrcholu 486 s r = r₀, B_z = -B_n,v = q B_o r_w/Mc a v. = Nq - v ² v, _ = 1 - (6) *0 kde Ω_ρ = q 5₀/(Mc) je frekvence cyklotronu. Rotační frekvence iontů je v rozsahu asi 1 až 10 Mhz a přednostně přibližně 5 až 10 MHz, což je frekvence, při níž dochází ke generování energie.

Aby mohly ionty projít vrcholem 486, účinný gyrorádius musí být větší než šířka vrcholu 486 při poloměru r₀. Je možné experimentálně snížit axiální rychlost 1 Okřát, takže zbytková axiální energie se sníží lOOkrát. Pak se 99 % iontové energie přemění na rotační energii. Iontový paprsek má rozdělení hodnot pro v₀ a r₍₎. Protože však na základě uvedených vlastností reaktoru na bázi FRC platí, že r₀ je úměrné v_f), účinnost přeměny na rotační energii má tendenci být pro všechny ionty 99 %.

- 19CZ 306197 B6

Jak ukazuje obrázek 19B, struktura symetrické elektrody ICC 420 podle vynálezu přednostně obsahuje čtyři elektrody 494. Tankový obvod (není znázorněn) je připojen k systémům elektrod 494, takže okamžitá napětí a elektrická pole jsou ve stavu, v němž jsou znázorněna. Napětí a tankový obvod osciluje na frekvenci ω = Ω«. Azimutální elektrické pole E v mezerách 497 je znázorněno na obrázcích 19B a 22. Obrázek 22 znázorňuje elektrické pole v mezerách 497 mezi elektrodami 494 a pole, které působí na iont, když se otáčí úhlovou rychlostí Ω_ο. Je zřejmé, že při kompletním otočení bude částice střídavě urychlována a zpomalována v řádu stanoveném původní fází. Kromě azimutálního elektrického pole E^zde také působí radiální elektrické pole E_r. Azimutální pole Eg je maximální v mezerách 497 a klesá stím, jak se zmenšuje poloměr. Obrázek 22 předpokládá, že se částice otáčí a udržuje konstantní poloměr. V důsledku gradientu v elektrickém poli bude vždy zpomalení převažovat nad urychlením. Fáze akcelerace zvyšuje poloměr iontu, takže když iont znovu vstoupí do zpomalujícího elektrického pole, poloměr iontu bude větší. Fáze zpomalení bude převažovat nad nezávislou počáteční fází iontu, protože radiální gradient azimutálního elektrického pole E_d]e vždy pozitivní. V důsledku toho není účinnost přeměny energie omezena na 50% v důsledku problémů v počáteční fázi vyskytujících se u běžných cyklotronů. Elektrické pole E_r je také důležité. Také osciluje a působí v radiálním směru, který vrací trajektorii paprsku do původního poloměru s nulovou rychlostí v rovině kolmé k ose, jak ukazuje obrázek 19C.

Proces, jímž jsou ionty vždy zpomalovány, je obdobný jako princip silné fokusace aje v podstatě základní vlastností moderních urychlovačů popisovaných v patentu USA 2 736 799. Kombinace pozitivní čočky (provádí fokusaci) a negativní čočky (provádí defokusaci) je pozitivní, má-li magnetické pole pozitivní gradient. Silné fokusační dvojné čtyřpólové čočky je znázorněno na obrázku 23. První čočka provádí fokusaci ve směru osy x a defokusaci ves směru osy y. Druhá čočka pracuje obdobně, jen se promění osa x a y. Magnetické pole mizí na ose symetrie a má pozitivní radiální gradient. Výsledkem pro iontový paprsek procházející oběma čočkami je zaměření ve všech směrech nezávisle na pořadí průchodu.

Obdobné výsledky byly zaznamenány pro paprsek procházející rezonanční dutinou obsahující silné axiální magnetické pole a fungující v režimu TEm {viz Yoshikawa et al.). Toto zařízení se nazývá peniotron. V režimu TEm je v rezonanční dutině stojaté vlnění, v němž má elektrické pole čtyřpólovou symetrii. Výsledky jsou kvalitativně obdobné některým zde popisovaným výsledkům. Existují kvantitativní rozdíly vtom, že rezonanční dutina má daleko větší velikost (je 10 metrů dlouhá) a pracuje s daleko vyšší frekvencí (155 MHz) a magnetickým polem (10 T). Pro extrakci energie z vysokých frekvencí je nutný anténní usměrňovač. Energetické spektrum paprsku snižuje účinnost konverze. Závažnějším problémem je existence dvou druhů iontů, účinnost konverze pro reaktor D-He³, který vytváří protony 15 MeV, je však přiměřená.

Dráha samostatné částice 422 pro částici s ICC 420 je znázorněna na obrázku 19C. Tento výsledek byl získán na základě počítačové simulace a obdobný výsledek byl zjištěn i pro peniotron. lont vstupující pod určitým poloměrem rg se pohybuje po spirále podél ICC a poté, co ztratí počáteční rotační energii, se mění na bod na kruhu o stejném poloměru r_t). Počáteční podmínky jsou asymetrické. Konečný stav tuto asymetrii odráží, je však nezávislý na této počáteční fázi, takže všechny částice se zpomalí. Paprsek na konci iontového kolektoru ICC je opět kruhový a má obdobné rozměry. Axiální rychlost poklesne 1 Okřát a odpovídajícím způsobem se sníží hustota. Pro jednotlivé částice je dosažitelná účinnost extrakce ve výši 99 %. Tuto účinnost však mohou různé faktory, jako je např. pravoúhlá rotační energie kruhového paprsku před vstupem do konvertoru, zredukovat asi o 5 %. Extrakce elektrické energie může být asi 1 až 10 MHz a přednostně v rozsahu 5 až 10 MHz s další snížením účinnosti konverze v důsledku úpravy napájení pro připojení k napájecí mřížce.

Jak znázorňují obrázky 20A a 20B, jiná provedení systému elektrod 494 v ICC 420 mohou zahrnovat dvě souměrné elektrody ve tvaru půlkružnice nebo zkosené elektrody 494, které jsou zešikmeny směrem k iontovému kolektoru 492.

-20CZ 306197 B6

Přizpůsobení iontové dynamiky v hlavním magnetickém poli ICC 420 může být provedeno užitím dvou pomocných souborů s cívkou 500 a 510, jak ukazují obrázky 24A a 24B. Oba soubory s cívkami 500 a 510 obsahují sousedící vodiče s opačně směřujícím proudem, takže magnetická pole budou mít krátký rozsah. Gradient magnetického pole, jak je schematicky znázorněn na obrázku 24A, bude měnit frekvenci i fázi rotace iontu. Magnetické pole s několika póly, jak je schematicky znázorněno na obrázku 24B, bude vytvářet shluky, jak je tomu v lineárním urychlovači.

Reaktor

Obrázek 25 znázorňuje reaktor o výkonu 100 MW. Řez generátorem ukazuje oblast fúzního jádra se supervodivými cívkami pro aplikaci jednotného magnetického podle a cívku s tokem pro vytvoření magnetického pole s topologií obráceného pole. Sousedící opačné konce oblasti fúzního jádra jsou konvertory ICC pro přímou přeměnu kinetické energie fúzních produktů na elektrickou energii. Pomocné vybavení pro takový reaktor je znázorněno na obrázku 26.

Pohonný systém

Obrázek 27 znázorňuje plazmatický hnací systém 800. Sytém obsahuje energetické jádro FRC 836, jehož součástí je fúzní palivové jádro 835, z jehož konců vystupují produkty fúze ve formě kruhového paprsku 837. Konvertor energie ICC 820 je připojený k jednomu konci energetického jádra. U druhého konce energetického jádra je umístěna magnetická tryska 850. Kruhový paprsek 837 proudu fúzních produktů vychází z jednoho konce fúzního energetického jádra do druhého podél siločar do ICC pro přeměnu energie a z jednoho konce energetického jádra podél siločar z trysky na přítlak T.

Vynález může nabývat různých modifikací i jiných forem a jeho konkrétní příklad byl znázorněn na výkresech a byl podrobně popsán v tomto dokumentu. Vynález by však měl být chápán tak, že se neomezuje na konkrétní zde popisovanou formu, ale naopak má pokrývat veškeré modifikace, ekvivalenty a alternativy spadající do předmětu a rozsahu připojených patentových nároků.

Claims (21)

1. Systém generování plazma-elektrické energie zahrnující fúzní reaktor (410) mající první generátor (425) prvního magnetického pole pro vytváření azimutálně symetrického magnetického pole uvnitř centrální oblasti reaktoru (410) stokem (480) v podstatě paralelním k základní ose reaktoru, a dále zahrnuje cyklotronový konvertor (420) inverzní energie spojený s prvním koncem fúzního reaktoru (410), vyznačující se t í m , že konvertor (420) obsahuje množinu elektrod (494) tvořící válcovitý povrch a množina elektrod (494) je tvořena třemi nebo více elektrodami oddělenými mezerami k vytvoření axiálně vedených mezer (497) mezi přilehlými elektrodami, přičemž množina elektrod (494) tvoří elektrické pole mající magnetického pole pro vytváření azimutálně symetrického magnetického pole uvnitř prostoru ohraničeného třemi násobnou strukturu pole se třemi nebo více poli, a dále obsahuje druhý generátor (488) nebo více elektrodami s tokem (496) v podstatě paralelním s podélnou osou tří nebo více elektrod, přičemž kolektor (490) elektronů je vložený mezi první a druhý generátor magnetického pole a přilehlý první konec ze tří nebo více elektrod, a kolektor (492) iontů umístěný blíže druhému konci tří nebo více elektrod (494).

2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje komoru (305) mající v zásadě osu (315) a cívku (320) urychlovače elektronů souosou s hlavní osou (315) komory (305) pro vytváření azimutálního elektrického pole uvnitř komory (305).

-21 CZ 306197 B6

3. Systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že dále zahrnuje druhou množinu elektrod tvořících válcový povrch na druhém konci oblasti komory (305), přičemž druhá množina elektrod obsahuje tři nebo více elektrod v prostorovém postavení k vytvoření axiálně se táhnoucí mezery mezi sousedními elektrodami, dále systém zahrnuje generátor třetího magnetického pole pro vytváření azimutálně symetrického magnetického pole uvnitř druhé koncové oblasti komory (305) s tokem v podstatě paralelním s hlavní osou (315) komory (305), dále druhý kolektor elektronů vložený mezi první a druhý generátor magnetického pole a přilehlý k prvnímu konci druhého množiny elektrod a dále druhý iontový kolektor umístěný přilehle druhému konci druhé množiny elektrod.

4. Systém podle nároku I, vyznačující se tím, že dále obsahuje druhý inversní cyklotronový konvertor energie připojený k druhému konci fúzního reaktoru (410).

5. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje válcovou komoru (305).

6. Systém podle nároku 5, vy z n a č uj í c í se tím, že fúzní reaktor (410) dále obsahuje cívku (320) s tokem betatronů soustřednou v zásadě s osou (315) komory (305) a umístěnou uvnitř oblasti energetického jádra (436).

7. Systém podle jakéhokoliv nároku I nebo 2, vyznačující se tím, že dále zahrnuje rezonanční obvod připojený k elektrodám.

8. Systém podle jakéhokoliv nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále zahrnuje náhradní obvod připojený k elektrodám.

9. Systém podle jakéhokoliv nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že kolektor (490) elektronů je tvarovaný do prstence.

10. Systém podle jakéhokoliv nároku 2 nebo 5, vyznačující se tím, že generátory (425, 488) prvního a druhého magnetického pole zahrnují prstencové cívky polí uspořádané kolem komory (305) přičemž siločáry magnetického pole generované cívkami generátoru (425) prvního magnetického pole protékají v opačném směru ke směru siločar magnetického pole generovaných cívkami generátoru (488) druhého magnetického pole.

11. Systém podle jakéhokoliv nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že kolektor (490) elektronů a kolektor (492) iontů jsou elektricky vázané.

12. Systém podle jakéhokoliv nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že elektrody (494) jsou symetrické.

13. Systém podle nároku 10, vyznačující se tím, že generátor (425) prvního magnetického pole dále zahrnuje první a druhé zrcadlové cívky (330) uspořádané prostorově kolem komory (305) a definující energetické jádro (436) mezi nimi.

14. Systém podle jakéhokoliv z nároků 2 nebo 5, vyznačující se tím, že dále zahrnuje injektory (345) plasmy spřažené s komorou (305).

15. Systém podle nároku 14, vyznačující se tím, že injektory (345) plasmy jsou orientovány osově k injektování plasmy ve směru středové roviny komory (305).

16. Systém podle jednoho z nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že generátor (425) prvního magnetické poleje laditelný.

-22 CZ 306197 B6

17. Systém podle nároku 16, vyznačující se tím, že dále zahrnuje řídicí systém připojený ke generátoru (425) prvního magnetického pole.

18. Systém podle kteréhokoliv z nároků 2 nebo 6, vyznačující se tím, že cívkou (320) je cívka urychlovače elektronů.

19. Systém podle kteréhokoliv z nároků 2 nebo 6, vyznačující se tím, že cívka (320) zahrnuje paralelní vinutí množství oddělených cívek.

20. Systém podle kteréhokoliv z nároků 2 nebo 5, vyznačující se tím, že dále zahrnuje injektory (340) svazku iontů připojený ke komoře (305).

21. Systém podle nároku 20, vyznačující se tím, že injektory (340) zahrnují prostředek pro neutralizaci elektrického náboje svazku iontů emitovaného injektory (340).