PL205120B1 - Sposób przetwarzania energii produktów fuzji w energię elektryczną oraz antycyklotronowy przetwornik energii - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Wynalazek dotyczy ogólnie dziedziny fizyki plazmy, a zwłaszcza sposobów przetwarzania energii produktów fuzji w energię elektryczną oraz anty cyklotronowego przetwornika energii.

Stan techniki

Fuzja jest procesem, w którym dwa lekkie jądra łączą się tworząc jedno cięższe. Proces fuzji uwalnia olbrzymią ilość energii w postaci szybkich cząstek. Ponieważ jądra atomów mają ładunek dodatni - ze względu na zawarte w nich protony - działa pomiędzy nimi odpychająca siła elektrostatyczna, zwana też siłą kulombowską. Aby dwa jądra połączyć ze sobą trzeba przezwyciężać tę odpychającą barierę, co następuje wtedy, gdy dwa jądra zostaną zbliżone do siebie wystarczająco, aby siły jądrowe, działające na małych odległościach, stały się wystarczająco duże, by przezwyciężyć siłę odpychania elektrostatycznego i spoić oba jądra. Energia potrzebna, by jądra przezwyciężyły barierę odpychania elektrostatycznego, dostarczana jest przez ich energie cieplne, które muszą być duże. Przykładowo prędkość fuzji może być znaczna, jeżeli temperatura jest co najmniej rzędu 10⁴ eV, co odpowiada w przybliżeniu 100 milionów °K. Prędkość reakcji fuzji jest funkcją temperatury i charakteryzuje ją wielkość zwana reaktywnością. Przykładowo reaktywność reakcji D-T ma szeroki pik pomiędzy 30 keV a 100 keV. Typowymi reakcjami fuzji są:

D + D He³(0,8 MeV) + n(2,5 MeV),

D + T α(3,6 MeV) + n(14,1 MeV),

D + He³ α(3,7 MeV) + p(14,7 MeV) oraz p + B¹¹ 3α(8,7 MeV) gdzie D oznacza deuter, T oznacza tryt, α oznacza jądro helu, n oznacza neutron, p oznacza proton, He oznacza hel, a B¹¹ oznacza bor 11. Liczby w nawiasach w każdym równaniu oznaczają energię kinetyczną produktów fuzji.

Pierwsze dwie reakcje wymienione powyżej, to znaczy reakcje D-D i D-T, są neutronowe, co oznacza, że większość energii ich produktów fuzji niesiona jest przez szybkie neutrony. Wadami reakcji neutronowych są (1) że strumień szybkich neutronów stwarza wiele problemów, obejmujących uszkodzenia ścian reaktora i wysokie poziomy radioaktywności dla większości materiałów budowlanych; oraz (2) że energia szybkich neutronów zbierana jest przez przetwarzanie ich energii cieplnej w energię elektryczną co wiąże się z bardzo małą sprawnością (mniej niż 30%). Zalety reakcji neutronowych polegają na tym, że (1) mają one szczyty reaktywności przy stosunkowo niskiej temperaturze; oraz (2) ich straty na skutek promieniowania są stosunkowo małe, ponieważ liczby atomowe deuteru i trytu wynoszą 1.

Substraty reakcji w dwóch pozostałych równaniach - D-He³ oraz p-B¹¹ - nazywane są paliwami przyszłości. Zamiast wytwarzania szybkich neutronów, jak w reakcjach neutronowych, ich produktami fuzji są naładowane cząstki. Jedną zaletą naładowanych cząstek jest to, że tworzą one znacznie mniej neutronów i dlatego jest mniej niedogodności związanych z nimi. W przypadku D-He³ niektóre szybkie neutrony są wytwarzane przez reakcje wtórne, ale neutrony te stanowią tylko około 10% energii produktów fuzji. Reakcja p-B¹¹ jest pozbawiona szybkich neutronów, chociaż wytwarza nieco powolnych neutronów, które wynikają z reakcji wtórnych, ale stwarzają znacznie mniej problemów. Inną zaletą paliw przyszłości jest to, że ich produkty fuzji zawierają naładowane cząstki, których energia kinetyczna może być bezpośrednio przetwarzana w energię elektryczną. Przy odpowiednim procesie bezpośredniego przetwarzania energii energia produktów fuzji paliw przyszłości może być zbierana z wysoką sprawnością, być może powyżej 90%.

Te paliwa przyszłości mają również pewne wady. Przykładowo liczby atomowe tych paliw są większe (2 dla He³ i 5 dla B¹¹). Dlatego ich straty promieniowania są większe niż w reakcjach neutronowych. Ponadto znacznie trudniej jest spowodować fuzję tych paliw przyszłości. Ich szczytowe reaktywności występują przy znacznie większych temperaturach i nie sięgają tak wysoko jak reaktywność dla D-T. Spowodowanie reakcji fuzji w przypadku tych paliw przyszłości wymaga zatem doprowadzenia ich do wyższego stanu energetycznego, gdzie ich reaktywność jest znaczna. Odpowiednio, paliwa przyszłości muszą być przechowywane w osłonie na dłuższy czas, aby można je było doprowadzić do odpowiednich warunków fuzji.

Czas przebywania plazmy w osłonie wynosi Δt = r²/D, gdzie r oznacza minimalny wymiar plazmy, a D oznacza współczynnik dyfuzji. Klasyczna wartość współczynnika dyfuzji wynosi Dc = aj²/Tie. gdzie a_i, oznacza promień bezwładności jonu, a T_ie oznacza czas kolizji jon-elektron. Dyfuzja według

PL 205 120 B1 klasycznego współczynnika dyfuzji nazywana jest klasycznym transportem. Współczynnik dyfuzji

Bohma, przypisywany niestabilnościom krótkofalowym, wynosi D_B = (1/16)a^, gdzie Ω oznacza częstotliwość bezwładności jonu. Dyfuzja zgodna z tą zależnością nazywana jest transportem nieprawidłowym. W warunkach fuzji, DB/D_c=(1/16)i)_iT_iea10⁸, transport nieprawidłowy powoduje znacznie krótszy czas przebywania w osłonie, niż przy transporcie klasycznym. Zależność ta określa jak duża musi być plazma w reaktorze fuzji przy wymaganiu, że czas przebywania w osłonie dla danej ilości plazmy musi być dłuższy niż czas potrzebny plazmie na reakcję fuzji jądrowej. Z tego względu stan transportu klasycznego jest bardziej pożądany w reaktorze fuzji, ponieważ umożliwia mniejsze początkowe ilości plazmy.

We wczesnych doświadczeniach z toroidalną osłoną plazmy obserwowano czas przebywania w osłonie Δt « r²/DB. Postęp w ostatnich czterdziestu latach zwiększył czas przebywania w osłonie do :\t^1000r²/DB. Jedną z istniejących koncepcji reaktora fuzji jest Tokamak. Pole magnetyczne Tokamaka 68 i typowa orbita 66 cząstki są przedstawione na fig. 5. Przez ostatnich trzydzieści lat próby fuzji koncentrowały się w reaktorze Tokamak na wykorzystywaniu paliwa D-T. Próby te miały swą kulminację w Międzynarodowym Doświadczalnym Reaktorze Termonuklearnym (ITER), przedstawionym na fig. 7. Ostatnie doświadczenia z reaktorem Tokamak sugerują że transport klasyczny, Δt « r²/D_c, jest możliwy, a w takim przypadku minimalny wymiar plazmy można zmniejszyć z metrów do centymetrów. Doświadczenia te obejmowały wprowadzanie wiązek energetycznych (50-100 keV) w celu ogrzewania plazmy do temperatury 10-30 keV. Patrz W. Heidbrink & G. J. Sadler, 34 Nuclear Fusion 535 (1994). Jony wiązki energetycznej w tych doświadczeniach zwalniały i dyfundowały klasycznie, natomiast termiczna plazma nadal dyfundowała nienormalnie szybko. Jest to spowodowane tym, że jony wiązki energetycznej mają duży promień bezwładności, przez co są niewrażliwe na wahania przy długościach fal krótszych niż promień bezwładności jonu (/<a). Wahania malej długości fali mają tendencję do uśrednienia w cyklu i przez to zanikają. Jednakże elektrony mają znacznie mniejszy promień bezwładności, tak że reagują one na te wahania i ich transport jest nienormalny.

Ze względu na nienormalny transport minimalny wymiar plazmy musi wynosić co najmniej 2,8 m. Ze względu na ten wymiar reaktor ITER zbudowano o wysokości 30 metrów i średnicy 30 metrów. Jest to najmniejszy reaktor typu Tokamak z paliwem D-T, jaki można wykonać. W przypadku paliw przyszłości, takich jak D-He³ i p-B¹¹ reaktor typu Tokamak musiałby być znacznie większy ze względu na to, że czas potrzebny, by jon paliwa wszedł w reakcję jądrową, jest znacznie dłuższy. Reaktor Tokamak z paliwem D-T ma dodatkowy problem, polegający na tym, że większość energii produktów fuzji niesiona jest przez neutrony 14 MeV, które powodują szkody radiacyjne i wywołują reaktywność w prawie wszystkich materiałach budowlanych wobec strumienia neutronów. Ponadto przetwarzanie ich energii w energię elektryczną musi odbywać się poprzez proces cieplny, którego sprawność nie jest większa niż 30%.

Inną proponowaną konfiguracją reaktora jest reaktor z wiązką kolizyjną. W reaktorze z wiązką kolizyjną plazma tła jest bombardowana wiązkami jonów. Wiązki te zawierają jony o energii znacznie większej niż ma plazma termiczna. Powodowanie użytecznych reakcji fuzji w tego rodzaju reaktorze było niemożliwe do uzyskania, ponieważ plazma tła spowalnia wiązki jonów. Przedstawiano różne propozycje zmniejszenia tego problemu i zwiększenia do maksimum liczby reakcji jądrowych. Przykładowo patent USA nr 4.065.351 (Jassby i in.) opisuje sposób wytwarzania przeciwprądowych wiązek kolizyjnych jonów deuteru i trytu w toroidalnym systemie osłonowym. W patencie USA nr 4.057.462 (Jassby i in.) wprowadza się energię elektromagnetyczną by przeciwdziałać wpływom oporu stawianego jednemu z rodzajów jonów przez masę plazmy będącą w równowadze. Toroidalny system osłonowy jest identyfikowany jako Tokamak. W patencie USA nr 4.894.199 (Rostoker) wiązki deuteru i trytu są wprowadzane i wychwytywane z taką samą średnią prędkością w konfiguracji reaktora Tokamak, konfiguracji zwierciadlanej lub konfiguracji z odwróconym polem. Występuje chłodna plazma tła o małej gęstości, której jedynym celem jest pułapkowanie tych wiązek. Wiązki te reagują ponieważ mają wysoką temperaturę, a spowalnianie jest głównie powodowane przez elektrony towarzyszące wprowadzonym jonom. Elektrony te są ogrzewane przez jony, a wtedy spowalnianie jest minimalne.

W żadnym z tych urządzeń pole elektryczne równowagi nie odgrywa jednak żadnej roli. Ponadto nie ma żadnej próby zredukowania lub nawet rozważania transportu nienormalnego.

Inne patenty rozważają elektrostatyczne osłanianie jonów, a w pewnych przypadkach magnetyczne osłanianie elektronów. Są to patent USA nr 3.258.402 (Farnsworth) i patent USA nr 3.386.883 (Farnsworth), które przedstawiają elektrostatyczne osłanianie jonów oraz bezwładnościowe osłanianie elektronów. Patent USA nr 3.530.036 (Hirsch i in.) oraz patent USA nr 3.530.497 (Hirsch i in.) są po4

PL 205 120 B1 dobne do patentów Farnswortha); patent USA nr 4.233.537 (Limpaecher) opisuje elektrostatyczną osłonę jonów i magnetyczną osłonę elektronów z wielobiegunowymi ścianami odbijającymi z ostrzami. Patent USA nr 4.826.646 (Bussard) jest podobny do patentu Limpaechera i dotyczy punktowych ostrzy. Żaden z tych patentów nie rozważa elektrostatycznej osłony elektronów i magnetycznej osłony jonów. Chociaż badanych było wiele projektów elektrostatycznej osłony jonów, żaden z nich nie mógł zapewnić wymaganego pola elektrostatycznego, gdy jony mają gęstość wymaganą w reaktorze fuzji. Wreszcie żaden z cytowanych powyżej patentów nie omawia magnetycznej topologii odwróconej konfiguracji pola.

Odwróconą konfigurację pola (FRC) odkryto przypadkowo około 1960 roku w Naval Research Laboratory podczas doświadczeń ze skurczem teta. Typowa topologia FRC, gdzie wewnętrzne pole magnetyczne zmienia kierunek, przedstawiona jest na fig. 8 i fig. 10, a orbity cząstek w FRC przedstawione są na fig. 11 i 14. Przeprowadzono wiele programów badawczych dotyczących FRC w Stanach Zjednoczonych i w Japonii. Istnieje zwięzła publikacja na temat teorii i doświadczeń w badaniach nad FRC w latach 1960-1988. Patrz M. Tuszewski, 28 Nuclear Fusion 2033, (1988). Biała księga na temat rozwoju FRC opisuje badania w 1996 roku i zalecenia dla dalszych badań. Patrz L. C. Steinhauer i in., 30 Fusion Technology 116 (1996). Do dziś w trakcie doświadczeń z FRC, FRC tworzono metodą skurczu teta. Na skutek takiego sposobu tworzenia FRC jony i elektrony przenoszą po połowie prądu, czego wynikiem jest pomijalnie małe pole elektrostatyczne w plazmie i brak osłony elektrostatycznej. Jony i elektrony w tych FRC były osłaniane magnetycznie. W prawie wszystkich doświadczeniach z FRC przyjmowano transport nienormalny. Patrz np. Tuszewski, początek rozdziału 1.5.2., s. 2072.

Pożądane jest zatem opracowanie systemu fuzji, posiadającego system osłony, który zasadniczo zmniejsza lub eliminuje transport nienormalny jonów i elektronów oraz systemu przetwarzania energii, który przetwarza energię produktów fuzji w energię elektryczną z dużą sprawnością.

Istota wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu przetwarzania energii produktów fuzji w energię elektryczną. Sposób ten obejmuje następujące etapy:

- wprowadzanie jonów wzdł u ż ś rubowej drogi, wzd ł u ż linii pola magnetycznego, w zasadniczo cylindryczną komorę utworzoną przez wiele częściowo cylindrycznych podłużnych elektrod usytuowanych w odstępie od siebie z utworzeniem wielu podłużnych szczelin pomiędzy nimi, gdzie szczeliny usytuowane są wzdłuż podłużnej osi zasadniczo cylindrycznej komory, zaś linie pola magnetycznego są generowane przez generator pola magnetycznego umieszczony wzdłuż zasadniczo cylindrycznej komory,

- tworzenie w tej komorze oscylującego pola elektrycznego o strukturze wielobiegunowej z co najmniej dwoma biegunami oraz

- spowalnianie jonów podczas ich przechodzenia przez pole elektryczne w celu przetworzenia przynajmniej części energii kinetycznej jonów w oscylującą energię elektryczną.

Sposób ten korzystnie zawiera etap przykładania oscylującego potencjału do tych wielu elektrod a korzystniej zawiera takż e etap tworzenia azymutowego pola elektrycznego w tych wielu szczelinach.

Etap wprowadzania obejmuje przeprowadzenie jonów przez wierzchołek magnetyczny, który przetwarza zasadniczo całą kinetyczną energię jonów w kierunku osiowym w energię kinetyczną rotacyjną. Korzystnie, jony wprowadza się w postaci pierścieniowej wiązki.

Korzystniej, sposób zawiera etap tworzenia wierzchołka magnetycznego na styku pola magnetycznego oraz drugiego pola magnetycznego o przeciwnej polaryzacji, gdzie linie pola magnetycznego rozciągają się wzdłuż pierwszego kierunku osiowego w komorze zaś linie drugiego pola magnetycznego rozciągają się wzdłuż drugiego kierunku osiowego, który ma zwrot przeciwny do pierwszego kierunku osiowego, przy czym pole magnetyczne o przeciwnej polaryzacji oraz drugie pole magnetyczne odpychają się wzajemnie powodując, że linie magnetyczne pola magnetycznego i drugiego pola magnetycznego ulegają osiowemu ściśnięciu i odchyleniu od podłużnej osi komory w miejscu styku pola magnetycznego i drugiego pola magnetycznego, tworząc w ten sposób wierzchołek magnetyczny.

Korzystnie, pierścieniowa wiązka zawiera jony energetyczne oraz elektrony neutralizujące ładunek, mające ładunek przeciwny do ładunku jonów energetycznych oraz sposób zawiera etap oddzielania elektronów neutralizujących ładunek z pierścieniowej wiązki za pomocą pierścieniowego kolektora elektronów podczas przepływu elektronów neutralizujących ładunek wzdłuż linii pola magnetycznego wierzchołka magnetycznego.

PL 205 120 B1

Korzystniej, sposób zawiera etap zbierania jonów za pomocą kolektora jonów umieszczonego przy końcu zasadniczo cylindrycznej komory, po przetworzeniu przynajmniej części ich energii kinetycznej w energię elektryczną.

Korzystniej, sposób zawiera etap dostosowania energii elektrycznej przetworzonej z energii kinetycznej jonów do istniejących sieci energetycznych.

Jeszcze korzystniej, w skład wymienionych wielu elektrod wchodzą co najmniej cztery elektrody.

Wynalazek dotyczy także antycyklotronowego przetwornika energii do bezpośredniego przetwarzania energii kinetycznej jonów w energię elektryczną. Przetwornik według wynalazku zawiera wiele częściowo cylindrycznych podłużnych elektrod tworzących zasadniczo cylindryczną komorę, przy czym te elektrody są rozmieszczone w odstępach z utworzeniem wielu podłużnych szczelin pomiędzy nimi, które rozciągają się wzdłuż podłużnej osi zasadniczo cylindrycznej komory, przy czym w skład tych wielu elektrod wchodzą co najmniej dwie elektrody wytwarzające wielobiegunowe pole elektryczne mające więcej niż dwa bieguny, oraz generator pola magnetycznego usytuowany wokół tych wielu elektrod, który wytwarza linie pola magnetycznego rozciągające się wzdłuż komory.

Korzystnie, przetwornik zawiera kolektor jonów umieszczony przy jednym końcu wielu elektrod a korzystniej również zawiera kolektor elektronów umieszczony przy drugim końcu wielu elektrod.

Kolektor elektronów korzystnie ma kształt pierścieniowy.

Korzystniej, kolektor elektronów i kolektor jonów są połączone elektrycznie.

Korzystnie przetwornik według wynalazku zawiera obwód rezonansowy dołączony do wielu elektrod, zaś generator pola magnetycznego zawiera wiele uzwojeń wzbudzenia przebiegających wokół wielu elektrod. Elektrody te są symetryczne.

Korzystnie przetwornik zawiera co najmniej cztery częściowo cylindryczne podłużne elektrody tworzące podłużną wnękę, przy czym elektrody te są usytuowane w odstępach z utworzeniem pomiędzy sobą co najmniej czterech podłużnych szczelin.

Jak widać, niniejszy wynalazek dotyczy systemu, który ułatwia kontrolowaną fuzję w polu magnetycznym o topologii z polem odwróconym i bezpośrednie przetwarzanie energii produktów fuzji w energię elektryczną. System ten nazywany tu systemem plazmowego generatora energii elektrycznej (PEG), zawiera reaktor fuzji posiadający system osłonowy, który zasadniczo zmniejsza lub eliminuje transport nienormalny jonów i elektronów. Ponadto system PEG obejmuje system przetwarzania energii sprzężony z reaktorem, aby bezpośrednio przetwarzać energię produktów fuzji w energię elektryczną z dużą sprawnością.

Nienormalny transport zarówno jonów jak i elektronów jest przy pomocy wynalazku zasadniczo zmniejszony lub wyeliminowany. Nienormalnego transportu jonów uniknięto przez magnetyczne zamknięcie jonów w polu magnetycznym o odwróconej konfiguracji pola (FRC). Jeśli chodzi o elektrony, nienormalny transport energii uniemożliwiono przez dostrojenie przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego, aby wytworzyć silne pole elektryczne, które zamyka elektrony elektrostatycznie w głębokiej studni potencjału. W rezultacie, plazma paliwa fuzji jądrowej, którą można użyć w przedmiotowym urządzeniu osłonowym i procesie, nie jest ograniczona do paliw neutronowych, ale obejmuje korzystnie również paliwa zaawansowane lub paliwa bezneutronowe. W przypadku paliw bezneutronowych energia reakcji fuzji występuje prawie całkowicie w postaci naładowanych cząstek, to znaczy energetycznych jonów, którymi można manipulować w polu magnetycznym i które zależnie od paliwa powodują niewiele lub nie powodują wcale radioaktywności.

W wynalazku zastosowano system bezpoś redniego przetwarzania energii kinetycznej produktów fuzji w energię elektryczną przez spowalnianie naładowanych cząstek za pomocą pola elektromagnetycznego. System ten jest przystosowany do energii cząstek i umożliwia elektroniczną przemianę częstotliwości i fazy wyjściowej energii fuzji około 5 MHz, aby dopasować ją do częstotliwości zewnętrznej sieci energetycznej, wynoszącej 60 Hz.

System osłony plazmy w reaktorze fuzji jądrowej zawiera komorę, generator pola magnetycznego do przykładania pola magnetycznego w kierunku zasadniczo wzdłuż głównej osi oraz pierścieniową warstwę plazmową, która zawiera cyrkulacyjną wiązkę jonów. Jony tej pierścieniowej warstwy z wiązką plazmy są zasadniczo zamknięte w komorze magnetycznie na orbitach, a elektrony są zasadniczo zamknięte w studni potencjału elektrostatycznego. W jednym z przykładów realizacji generatora pola magnetycznego zawiera uzwojenie prądowe. System ten zawiera ponadto uzwojenia zwierciadlane przy końcach komory, które zwiększają natężenie przyłożonego pola magnetycznego przy końcach komory. System ten może również zawierać urządzenie do wprowadzania zobojętnionej wiązki jonów w przyłożone pole magnetyczne, przy czym wiązka taka wchodzi na orbitę na skutek siły

PL 205 120 B1 powodowanej przez przyłożone pole magnetyczne. Według innego przykładu wykonania system taki tworzy pole magnetyczne posiadające topologię konfiguracji odwróconego pola.

W innym przykładzie wykonania system przetwarzania energii zawiera przetworniki antycyklotronowe (ICC) sprzężone z przeciwległymi końcami reaktora fuzji jądrowej. ICC mają kształt geometryczny podobny do wydrążonego cylindra złożonego z wielu, korzystnie z co najmniej czterech jednakowych półcylindrycznych elektrod z niewielkimi prostoliniowymi szczelinami przebiegającymi pomiędzy tymi elektrodami. Podczas działania oscylacyjny potencjał jest przykładany do tych elektrod w systemie przemiennym. Pole elektryczne E w ICC ma strukturę wielobiegunową i zanika na osiach symetrii, a rośnie liniowo wraz z promieniem. Szczytowa wartość występuje przy szczelinie.

Ponadto ICC zawiera generator pola magnetycznego do przykładania jednorodnego, jednokierunkowego pola magnetycznego w kierunku zasadniczo przeciwnym do kierunku systemu osłonowego reaktora fuzji jądrowej. Przy końcu usytuowanym najdalej od rdzenia energetycznego reaktora fuzji jądrowej ICC zawiera kolektor jonów. Pomiędzy rdzeniem energetycznym a ICC usytuowany jest symetryczny wierzchołek magnetyczny, w którym pole magnetyczne systemu osłonowego łączy się z polem magnetycznym ICC. Pierścieniowo ukszta łtowany kolektor elektronów usytuowany jest wokół tego magnetycznego wierzchołka i jest sprzężony elektrycznie z kolektorem jonów.

W jeszcze innym przykł adzie wykonania ją dra produktów i neutralizuj ą ce ł adunek elektrony wychodzą jako pierścieniowe wiązki z obu końców energetycznego rdzenia reaktora z gęstością przy której wierzchołek magnetyczny rozdziela elektrony i jony w zależności od ich różnic energetycznych. Elektrony poruszają się wzdłuż linii pola magnetycznego do kolektora elektronów, a jony przechodzą przez wierzchołek, gdzie trajektorie jonów są modyfikowane, aby podążały one po zasadniczo śrubowej drodze wzdłuż długości ICC. Jonom poruszającym się spiralnie przy elektrodach, które są dołączone do obwodu rezonansowego, odbierana jest energia. Utrata energii prostopadłej jest największa wobec jonów o największej energii, które początkowo cyrkulują blisko elektrod, gdzie pole elektryczne jest najsilniejsze.

Inne aspekty i właściwości przedmiotowego wynalazku staną się zrozumiałe po rozważeniu następującego opisu w nawiązaniu do załączonych rysunków.

Krótki opis rysunków

Korzystne przykłady realizacji przedstawiono, bez chęci ograniczania wynalazku, na załączonych rysunkach, gdzie podobne oznaczenia odnoszą się do podobnych części.

Fig. 1 przedstawia przykładową komorę osłonową według przedmiotowego wynalazku.

Fig. 2 przedstawia pole magnetyczne FRC.

Fig. 3 A i 3B przedstawiają kierunek diamagnetyczny i przeciwdiamagnetyczny w FRC.

Fig. 4 przedstawia system według przedmiotowego wynalazku z kolizyjną wiązką.

Fig. 5 przedstawia orbitę betatronową.

Fig. 6A i 6B przedstawiają odpowiednio pole magnetyczne i kierunek dryftu_r gra_r dientu w FRC.

Fig. 7A i 7B przedstawiają odpowiednio pole elektryczne i kierunek dryftu ExB w FRC.

Fig. 8 A, 8B i 8C przedstawiają orbity dryftu jonów.

Fig. 9A i 9B przedstawiają siłę Lorentza przy końcach FRC.

Fig. 10A i 10B przedstawiają strojenie pola elektrycznego i potencjału elektrycznego w systemie z wiązką kolizyjną.

Fig. 11 przedstawia rozkład Maxwella.

Fig. 12A i 12B przedstawiają przejścia z orbit betatronowych do orbit dryftu na skutek zderzeń międzyjonowych pod dużym kątem.

Fig. 13 przedstawia orbity betatronowe A, B, C i D, gdy rozważane są zderzenia elektronów z jonami pod mał ym ką tem.

Fig. 14 przedstawia zobojętnioną wiązkę jonów elektrycznie spolaryzowaną przed wejściem do komory osłaniającej.

Fig. 15 jest widokiem czołowym zobojętnionej wiązki jonów przy kontakcie z plazmą w komorze osłonowej.

Fig. 16 jest schematycznym widokiem z boku komory osłonowej według korzystnego przykładu przeprowadzania procedury uruchomienia.

Fig. 17 jest schematycznym widokiem z boku komory osłonowej według innego korzystnego przykładu realizacji procedury uruchomienia.

Fig. 18 przedstawia wykresy sondy punktowego określania natężenia pola magnetycznego, wskazujące na utworzenie FRC.

PL 205 120 B1

Fig. 19A przedstawia częściowy system plazmowego generatora energii elektrycznej, zawierający reaktor fuzji z wiązką kolizyjną sprzężony z bezpośrednim ICC energii.

Fig. 19B przedstawia przetwornik antycyklotronowy z fig. 19A w widoku z tyłu.

Fig. 19C przedstawia orbitę jonów w przetworniku antycyklotronowym.

Fig. 20A przedstawia częściowy system plazmowego generatora energii elektrycznej zawierający reaktor fuzji z wiązką kolizyjną sprzężony z alternatywnym przykładem realizacji przetwornika antycyklotronowego.

Fig. 20B przedstawia przetwornik z fig. 20A w widoku z tyłu.

Fig. 21A przedstawia orbitę cząstki wewnątrz konwencjonalnego cyklotronu.

Fig. 21B przedstawia drgające pole elektryczne.

Fig. 21C przedstawia zmieniającą się energię przyspieszającej cząstki.

Fig. 22 przedstawia azymutowe pole elektryczne w szczelinach pomiędzy elektrodami ICC, działające na jon z prędkością kątową.

Fig. 23 przedstawia poczwórne ogniskujące soczewki dipolowe.

Fig. 24A i 24B przedstawiają pomocniczy system uzwojenia wytwarzającego pole magnetyczne.

Fig. 25 przedstawia reaktor 100 MW.

Fig. 26 przedstawia wyposażenie pomocnicze reaktora.

Fig. 27 przedstawia plazmowy silnik odrzutowy.

Szczegółowy opis korzystnych przykładów realizacji

Jak pokazano na rysunkach, system plazmowego generatora energii elektrycznej według przedmiotowego wynalazku korzystnie zawiera reaktor fuzji jądrowej z kolizyjną wiązką sprzężony z systemem bezpoś redniego przetwarzania energii elektrycznej. Jak wspomniano powyż ej, idealny reaktor fuzji jądrowej rozwiązuje problem nienormalnego transportu zarówno jonów jak i elektronów. Podane tu rozwiązanie problemu nienormalnego transportu wykorzystuje system osłony z polem magnetycznym o odwróconej konfiguracji pola (FRC). Nienormalnego transportu jonów uniknięto przez osłonę magnetyczną o FRC w taki sposób, że większość jonów ma duże, nieadiabatyczne orbity, czyniące je niewrażliwymi na krótkofalowe wahania, które powodują nienormalny transport jonów adiabatycznych. W szczególności istnienie w FRC obszaru, w którym pole magnetyczne zanika, umożliwia posiadanie plazmy zawierającej większość nieadiabatycznych jonów. Jeśli chodzi o elektrony, nienormalnego transportu energii uniknięto przez dostrojenie przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego, aby wytworzyć silne pole elektryczne, które zamyka je elektrostatycznie w głębokiej studni potencjału. Plazmy paliwa fuzji jądrowej, które można wykorzystywać w przedmiotowym urządzeniu osłonowym i procesie, nie są ograniczone do paliw neutronowych, takich jak D-D (deuter-deuter) lub D-T (deuter-tryt), ale obejmują również korzystnie paliwa przyszłości lub paliwa nieneutronowe, takie jak D-He³, (deuter-hel-3) lub p-B¹¹ (wodór-bor-11). (Omówienie paliw przyszłości - patrz R. Feldbacher & M. Heindler, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A271 (1988) JJ-64 (North Holland Amsterdam)). W przypadku takich paliw nieneutronowych energia reakcji fuzji jądrowej jest prawie całkowicie w postaci naładowanych cząstek, to znaczy energetycznych jonów, którymi można manipulować w polu magnetycznym i które w zależności od paliwa powodują niewielką lub nie powodują wcale radioaktywności. Reakcja D-He³ wytwarza jon H oraz jon He⁴ o energii 18,2 MeV, podczas gdy reakcja p-B¹¹ wytwarza trzy jony He⁴ i 8,7 MeV energii. W oparciu o model teoretyczny urządzenia do fuzji jądrowej z wykorzystaniem paliw nieneutronowych sprawność przetwarzania energii może wynosić nawet 90%, jak na przykład opisali K. Yoshikawa, T. Noma i Y. Yamamoto w Fusion Technology, 19, 870 (1991). Sprawność taka znacznie polepsza perspektywy bezneutronowej fuzji jądrowej w niewielkich (1-1000 MW), zwartych i tanich urządzeniach.

W procesie bezpoś redniego przetwarzania energii wedł ug przedmiotowego wynalazku na ładowane cząstki produktów fuzji mogą być spowalniane, a ich energia kinetyczna jest bezpośrednio przetwarzana w energię elektryczną. System bezpośredniego przetwarzania energii według przedmiotowego wynalazku jest dostosowany do energii cząstek i umożliwia elektroniczną przemianę częstotliwości i fazy wyjściowej energii fuzji około 5 MHz do częstotliwości i fazy zewnętrznej sieci energetycznej 60 Hz.

System osłony fuzji jądrowej

Fig. 1 przedstawia korzystny przykład wykonania osłonowego systemu 300 według przedmiotowego wynalazku. Osłonowy system 300 zawiera ścianę 305, wewnątrz której utworzona jest komora 310. Komora 310 ma korzystnie kształt cylindryczny z główną osią 315 wzdłuż środka komory 310. Aby zastosować taki osłonowy system 300 w reaktorze fuzji jądrowej, trzeba wewnątrz komory 310 wytworzyć

PL 205 120 B1 próżnię lub stan bliski próżni. Wewnątrz komory 310 koncentrycznie z główną osią 315 usytuowane jest uzwojenie 320 strumienia betatronowego. To uzwojenie 320 strumienia betatronowego zawiera nośnik prądu elektrycznego przeznaczony do kierowania prądu wokół podłużnego uzwojenia, jak pokazano, które korzystnie zawiera równoległe zwoje wielu oddzielnych uzwojeń, a najkorzystniej równoległe zwoje w przybliżeniu czterech oddzielnych uzwojeń, by utworzyć podłużne uzwojenie. Fachowcy zauważą że prąd płynący poprzez betatronowe uzwojenie 320 wytwarza pole magnetyczne wewnątrz tego uzwojenia betatronowego 320 zasadniczo w kierunku głównej osi 315.

Wokół zewnętrznej strony ściany 305 komory umieszczone jest zewnętrzne uzwojenie 325. To zewnętrzne uzwojenie 325 wytwarza stosunkowo stałe pole magnetyczne, którego strumień jest zasadniczo równoległy z główną osią 315. To pole magnetyczne jest symetryczne azymutowo. Przybliżenie, że pole magnetyczne dzięki zewnętrznemu uzwojeniu 325 jest stałe i równoległe do osi 315, jest najlepiej spełnione z dala od końców komory 310. Przy każdym końcu komory 310 usytuowane jest zwierciadlane uzwojenie 330. Te zwierciadlane uzwojenia 330 są przeznaczone do wytwarzania zwiększonego pola magnetycznego wewnątrz komory 310 przy każdym końcu, przez co linie pola magnetycznego są zaginane do wewnątrz przy każdym końcu. (Patrz fig. 8 i 10) Jak wyjaśniono, takie zaginanie linii pola do wewnątrz pomaga w utrzymywaniu plazmy 335 w obszarze osłony wewnątrz komory 310 zasadniczo pomiędzy zwierciadlanymi uzwojeniami 330 przez odpychanie jej od końców, gdzie mogłaby ona opuścić osłonowy system 300. Zwierciadlane uzwojenia 330 mogą służyć do wytwarzania silniejszego pola magnetycznego przy końcach różnymi znanymi sposobami, łącznie ze zwiększeniem liczby zwojów w zwierciadlanych uzwojeniach 330, zwiększeniem natężenia prądu płynącego przez zwierciadlane uzwojenia 330 lub uzupełnianiem zwierciadlanych uzwojeń 330 przez zewnętrzne uzwojenie 325.

Zewnętrzne uzwojenie 325 i zwierciadlane uzwojenia 330 pokazano na fig. 1 jako zainstalowane na zewnątrz ściany 305 komory. Jednakże mogą być one usytuowane wewnątrz komory 310. Tam, gdzie ściana 305 komory jest wykonana z materiału przewodzącego, takiego jak metal, może być korzystne umieszczenie uzwojeń 325, 330 wewnątrz ściany 305 komory, ponieważ czas potrzebny na przejście pola magnetycznego przez ścianę 305 może być stosunkowo duży, na skutek czego system 300 reaguje ospale. Podobnie komora 310 może mieć kształt wydrążonego cylindra, przy czym ściana 305 komory tworzy podłużny pierścień. W takim przypadku uzwojenie 320 strumienia betatronowego można by wykonać na zewnątrz ściany 305 komory w środku tego pierścienia. Korzystnie wewnętrzna ściana, tworząca środek tego pierścienia, może zawierać materiał nie przewodzący, taki jak szkło. Wydaje się oczywiste, że komora 310 musi mieć wystarczające wymiary i kształt, by umożliwiać obrót cyrkulującej wiązki plazmy 335 lub warstwy wokół głównej osi 315 na określonym promieniu.

Ściana 305 komory może być wykonana z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, takiego jak stal. W takim przypadku ściana 305 komory na skutek indukowanych przeciwprądów w materiale pomaga powstrzymywać strumień magnetyczny przed ucieczką z komory 310, „ściskając go. Jeżeli ściana komory byłaby wykonana z materiału o małej przenikalności magnetycznej, takiego jak szkło organiczne, konieczne byłoby inne urządzenie do zamykania strumienia magnetycznego. W takim przypadku moż na by zastosować szereg tworz ących zamknię te pę tle, pł askich pierś cieni metalowych. Pierścienie te, znane w technice jako ograniczniki strumienia, byłyby umieszczone wewnątrz zewnętrznych uzwojeń 325, ale na zewnątrz cyrkulującej wiązki 335 plazmy. Ponadto takie ograniczniki strumienia mogłyby być bierne lub aktywne, przy czym aktywne ograniczniki strumienia byłyby zasilane określonym prądem w celu ułatwienia zamykania strumienia magnetycznego wewnątrz komory 310. Alternatywnie same zewnętrzne uzwojenia 325 mogłyby służyć jako ograniczniki strumienia.

Jak to wyjaśniono bardziej szczegółowo poniżej, cyrkulująca wiązka 335 plazmy, zawierająca naładowane cząstki, może być zamknięta wewnątrz komory 310 przez siłę Lorentza, wytwarzaną przez pole magnetyczne dzięki zewnętrznemu uzwojeniu 325. Jony w wiązce 335 plazmy są magnetycznie zamknięte w dużych orbitach betatronowych wokół linii strumienia wytwarzanego przez zewnętrzne uzwojenie 325, które są równoległe do głównej osi 315. Zastosowano również co najmniej jeden port 340 wprowadzania wiązki, by dodawać jony plazmy do cyrkulującej wiązki 335 plazmy w komorze 310. W korzystnym przykładzie realizacji porty 340 wprowadzania służą do wprowadzania wiązki jonów w przybliżeniu w tym samym położeniu promieniowym od głównej osi 315, gdzie zamknięta jest cyrkulująca wiązka 335 plazmy (to znaczy wokół opisanej poniżej powierzchni zerowej). Ponadto porty 340 wprowadzania są przeznaczone do wprowadzania wiązek 350 jonów (patrz fig. 16) stycznie do i w kierunku orbity betatronowej zamkniętej wiązki 335 plazmy.

PL 205 120 B1

Zastosowano również co najmniej jedno źródło 345 plazmy tła do wprowadzania w komorę 310 chmury plazmy pozbawionej energii. W korzystnym przykładzie wykonania te źródła 345 plazmy tła są przeznaczone do kierowania plazmy 335 do osiowego środka komory 310. Stwierdzono, że kierowanie plazmy w taki sposób pomaga lepiej zamykać plazmę 335 i prowadzi do większej gęstości plazmy 335 w obszarze osłony wewnątrz komory 310.

Naładowane cząstki w FRC

Fig. 2 przedstawia pole magnetyczne FRC 70. System ten ma cylindryczną symetrię względem swej osi 78. W FRC istnieją dwa obszary linii pola magnetycznego: otwarty obszar 80 i zamknięty obszar 82. Powierzchnia rozdzielająca te dwa obszary nazywana jest powierzchnią rozdzielającą 84. FRC tworzy cylindryczną powierzchnię zerową 86, w której pole magnetyczne zanika. W środkowej części 88 FRC pole magnetyczne nie zmienia się znacznie w kierunku osiowym. Przy końcach 90 pole magnetyczne zmienia się znacznie w kierunku osiowym. Pole magnetyczne wzdłuż środkowej osi 78 zmienia kierunek na odwrotny w FRC, co jest przyczyną powstania nazwy odwrócona konfiguracja pola (FRC).

Na fig. 3A pole magnetyczne na zewnątrz zerowej powierzchni 94 ma pierwszy kierunek 96. Pole magnetyczne wewnątrz zerowej powierzchni 94 ma drugi kierunek 98 przeciwny niż pierwszy kierunek. Jeżeli pewien jon przemieszcza się w kierunku 100, siła Lorentza 30 działająca na niego jest zwrócona do zerowej powierzchni 94. Można to łatwo określić stosując regułę prawej dłoni. W przypadku cząstek przemieszczających się w diamagnetycznym kierunku 102, siła Lorentza jest zawsze zwrócona do zerowej powierzchni 94. Zjawisko to powoduje powstanie orbity cząstek, zwanej orbitą betatronową, co zostanie opisane poniżej.

Fig. 3B przedstawia jon przemieszczający się w przeciwdiamagnetycznym kierunku 104. Siła Lorentza w tym przypadku jest zwrócona od zerowej powierzchni 94. Zjawisko to powoduje powstanie typu orbity zwanej orbitą dryftową, co opisano poniżej. Diamagnetyczny kierunek jonów jest przeciwdiamagnetycznym wobec elektronów i odwrotnie.

Fig. 4 przedstawia pierścień 106 lub pierścieniową warstwę plazmy wirującą w diamagnetycznym kierunku 102 dla jonów. Pierścień 106 jest usytuowany wokół zerowej powierzchni 86. Pole magnetyczne 108 wytworzone przez pierścieniową warstwę 106 plazmy w połączeniu z przyłożonym z zewną trz polem magnetycznym 110 tworzy pole magnetyczne o topologii FRC (topologia ta jest pokazana na fig. 2).

Wiązka jonów, która tworzy plazmową warstwę 106, ma pewną temperaturę. Na skutek tego prędkości jonów tworzą rozkład Maxwella w ramie obracającej się ze średnią prędkością kątową wiązki jonów. Kolizje pomiędzy jonami o różnych prędkościach prowadzą do reakcji fuzji. Z tego powodu warstwa wiązki plazmy lub energetyczny rdzeń 106 nazywany jest systemem wiązki kolizyjnej.

Fig. 5 przedstawia główny rodzaj orbit jonów w systemie wiązki kolizyjnej, nazywany betatronową orbitą 112. Betatronowa orbita 112 może być opisana jako fala sinuosidalna wycentrowana na zerowym okręgu 114. Jak wyjaśniono powyżej, na zerowym okręgu 114 pole magnetyczne zanika. Płaszczyzna orbity 112 jest prostopadła do osi 78 FRC. Jony w tej orbicie 112 poruszają się w swym diamagnetycznym kierunku 102 od początkowego punktu 116. Jon na orbicie betatronowej ma dwa ruchy: oscylacje w kierunku promieniowym (prostopadle do zerowego okręgu 114) i ruch translacyjny wzdłuż zerowego okręgu 114.

Fig. 6A przedstawia wykres pola magnetycznego 118 w FRC. Pozioma oś wykresu reprezentuje odległość w centymetrach od osi 78 FRC. Pole magnetyczne podano w kGs. Jak pokazano na wykresie, pole magnetyczne 118 zanika na promieniu 120 okręgu zerowego.

Jak pokazano na fig. 6B, cząstka poruszająca się w pobliżu okręgu zerowego widzi gradient 126 pola magnetycznego zwrócony od zerowej powierzchni 86. Pole magnetyczne na zewnątrz okręgu zerowego jest w pierwszym kierunku 122, natomiast pole magnetyczne wewnątrz okręgu zerowego jest w drugim kierunku 124, przeciwrnym wobec pierwszego kierunku. Kierunek dryftu gradientu jest określony przez iloczyn wektorowy Bx VB, gdzie VB oznacza gradient pola magnetycznego. Można zatem, stosując regułę prawej ręki określić, że kierunek dryftu gradientu jest zgodny z przeciwdiamagnetycznym kierunkiem, niezależnie od tego czy jon jest usytuowany na zewnątrz, czy też wewnątrz zerowego okręgu 128.

Fig. 7A przedstawia wykres pola elektrycznego 130 w FRC. Oś pozioma wykresu reprezentuje odległość w centymetrach od osi 78 FRC. Pole elektryczne podano w V/cm. Jak pokazano na wykresie, pole elektryczne 130 zanika w pobliżu promienia 120 okręgu zerowego.

PL 205 120 B1

Jak pokazano na fig. 7B, pole elektryczne dla jonów jest odsłaniające. Jest ono zwrócone w kierunkach 132, 134 od zerowej powierzchni 86. Pole magnetyczne, podobnie jak poprzednio, jest w przeciwnych kierunkach 122, 124 wewnątrz i_rna _rzewnątrz zerowej powierzchni 86. Stosując regułę prawej ręki można określić, że kierunek dryftu ExB jest w diamagnetycznym kierunku 102 niezależnie od tego, czy jon jest usytuowany na zewnątrz, czy też wewnątrz zerowej powierzchni 136.

Fig. 8A i 8B przedstawiają inny rodzaj wspólnej orbity w FRC, zwanej orbitą dryftową 138. Dryftowe orbity 138 mogą być usytuowane na zewnątrz zerowej powierzchni 114, jak pokazano na fig. 8A, albo wewnątrz niej, jak pokazano na fig. 8B. _{r r}

Dryftowe orbity 138 wirują w diamagnetycznym kierunku, jeśli dryft ExB dominuje, albo w kierunku przeciwdiamagnetycznym, jeż eli dominuje dryft gradientu. Dryftowe orbity 138, pokazane na fig. 8A i 8B, wirują w diamagnetycznym kierunku 102 od początkowego punktu 116.

Dryftową orbitę, jak pokazano na fig. 8C, można traktować jako niewielki okrąg toczący się po stosunkowo dużym okręgu. Mały okrąg 142 wiruje wokół swej osi w kierunku 144. Toczy się on również po dużym okręgu 146 w kierunku 102. Punkt 140 porusza się w przestrzeni wzdłuż drogi podobnej do drogi 138.

Fig. 9A i 9B przedstawiają kierunek siły Lorentza przy końcach FRC 151. Na fig. 9A pokazano jon poruszający się w diamagnetycznym kierunku 102 z prędkością 148 w magnetycznym polu 150. Stosując regułę prawej ręki można stwierdzić, że siła Lorentza 152 dąży do wepchnięcia jonu z powrotem w obszar zamkniętych linii pola. W takim przypadku siła Lorentza 152 działa zatem na jony osłaniająco. Na fig. 9B pokazano jon poruszający się w przeciwdiamagnetycznym kierunku z prędkością 148 w polu magnetycznym 150. Stosując regułę prawej dłoni można określić, że siła Lorentza 152 dąży do wepchnięcia jonu w obszar otwartych linii pola. W tym przypadku siła Lorentza 152 działa zatem odsłaniająco na jony.

Osłona magnetyczna i elektrostatyczna w FRC.

Plazmowa warstwa 106 (patrz fig. 4) może być utworzona w FRC przez wprowadzanie wiązek jonów energetycznych wokół zerowej powierzchni 86 w diamagnetycznym kierunku 102 dla jonów. (Szczegółowe omówienie różnych sposobów tworzenia FRC i pierścienia plazmowego podano poniżej.) W cyrkulującej plazmowej warstwie 106 większość jonów ma betatronowe orbity 112 (patrz fig. 5), są one energetyczne i nieadiabatyczne, a więc są niewrażliwe na krótkofalowe wahania, które powodują nienormalny transport.

W plazmowej warstwie 106 utworzonej w FRC i w warunkach równowagi zachowanie pędu wymaga pewnej zależności pomiędzy prędkością kątową jonów ω,, a prędkością kątową elektronów o_e. Zależność ta jest następująca ω_e = ω, _ ^ω Ωο gdzie Ω_ο = ^ZeBo mc (1)

W równaniu 1, Z oznacza liczbę atomową jonu, mi oznacza masę jonu, e oznacza ładunek elektronu, B0 oznacza wielkość przyłożonego pola magnetycznego, a c oznacza prędkość światła. W równaniu tym istnieją trzy swobodne parametry: przyłożone pole magnetyczne B0, prędkość kątowa elektronu o_e oraz prędkość kątowa jonu ω,. Jeżeli dwa z tych parametrów są znane, wówczas trzeci można wyznaczyć z równania 1.

Ponieważ plazmowa warstwa 106 tworzona jest przez wprowadzanie wiązek jonowych w FRC, prędkość kątowa jonów ω, jest określona przez energię kinetyczną wprowadzania wiązki W,, która jest określona następującym wzorem

W, = ¹/2m,Vi² = ¹/-m (ω ro)² (2) gdzie V=o r₀, przy czym V, oznacza prędkość wprowadzania jonów, ω, oznacza prędkość cyklotronową jonów, a r0 oznacza promień zerowej powierzchni 86. Energia kinetyczna elektronów w wiązce została zignorowana, ponieważ masa elektronu me jest znacznie mniejsza niż masa jonu mi.

Przy określonej prędkości wprowadzania wiązki (stałe ω,) przyłożone pole magnetyczne B₀ może być dostrojone tak, że uzyskiwane są różne wartości o_e. Jak to zostanie pokazane, dostrojenie zewnętrznego pola magnetycznego B0 powoduje również zwiększenie różnych wartości pola elektrostatycznego wewnątrz warstwy plazmy. Ta właściwość wynalazku przedstawiona jest na fig. 10A i 10B.

PL 205 120 B1

Fig. 10A przedstawia trzy wykresy pola elektrycznego (w V/cm) otrzymane przy takiej samej prędkości wprowadzania, ω, = 1,35 x 10⁷ s^-1 , ale dla trzech różnych wartości przyłożonego pola magnetycznego B₀:

Wykres	Przyłożone pole magnetyczne (B0)	Prędkość kątowa elektronu (ωθ)
154	B0 = 2,77 kG	ωθ = 0
156	B0 = 5,15kG	ωβ = 0,625 x 107s1
158	B0= 15,5 kG	ωβ = 1,11 x 107s-1

Wartości ω_ε w tablicy powyżej określono według równania 1. Można zauważyć, że ω_ε > 0 oznacza, że Ω₀ > ωι w równaniu 1, tak że elektrony wirują w swym kierunku przeciwdiamagnetycznym. Fig. 10B przedstawia potencjał elektryczny (w woltach) dla tego samego zestawu wartości B₀ i ω_β. Oś pozioma na fig. 10A i 10B reprezentuje odległość od osi 78 FRC w centymetrach. Pole elektryczne i potencjał elektryczny silnie zależą od ω_β.

Powyższe wyniki można wyjaśnić na prostych podstawach fizycznych. Kiedy jony wirują w kierunku diamagnetycznym, wówczas jony te są osłaniane magnetycznie przez siłę Lorentza. Przedstawiono to na fig. 3A. Dla elektronów wirujących w tym samym kierunku co jony siła Lorentza ma przeciwny zwrot, tak że elektrony nie będą osłaniane. Elektrony opuszczają plazmę i w rezultacie powstaje nadmiar ładunku dodatniego. Powoduje to powstanie pola elektrycznego, które uniemożliwia innym elektronom opuszczenie plazmy. Kierunek i wartość tego pola elektrycznego w równowadze jest określona przez zachowanie pędu.

Pole elektrostatyczne odgrywa zasadniczą rolę w transporcie zarówno elektronów jak i jonów. Ważny aspekt wynalazku polega na tym, że wewnątrz plazmowej warstwy 106 wytwarzane jest silne pole elektrostatyczne, którego natężenie jest kontrolowane przez wartość przyłożonego pola magnetycznego B0, którą można łatwo regulować.

Jak wyjaśniono, pole elektrostatyczne działa osłaniająco wobec elektronów, jeśli ω_ε > 0. Jak pokazano na fig. 10B, głębokość studni można zwiększyć przez dostrojenie przyłożonego pola magnetycznego B0. Za wyjątkiem bardzo wąskiego obszaru przy okręgu zerowym elektrony zawsze mają niewielki promień bezwładności. Dlatego elektrony reagują na krótkofalowe wahania nienormalnie szybką dyfuzją. Dyfuzja ta w rzeczywistości pomaga w utrzymaniu studni potencjału, gdy nastąpi już reakcja fuzji. Jony, stanowiące produkt fuzji i posiadające znacznie większą energię, opuszczają plazmę. Aby utrzymać quasi-obojętność ładunku, produkty fuzji muszą wyciągać elektrony z plazmy wraz ze sobą głównie zabierając elektrony z powierzchni warstwy plazmowej. Gęstość elektronów na powierzchni plazmy jest bardzo mała, a elektrony opuszczające plazmę wraz z produktami fuzji muszą zostać zastąpione, ponieważ w przeciwnym razie studnia potencjału by znikła.

Fig. 11 przedstawia rozkład Maxwella 162 dla elektronów. Tylko elektrony o bardzo dużej energii z końca 160 rozkładu Maxwella mogą osiągnąć powierzchnię plazmy i opuścić ją wraz z jonami fuzji. Koniec 160 rozkładu 162 jest zatem ciągle tworzony przez zderzenia elektron-elektron w obszarze dużej gęstości w pobliżu powierzchni zerowej. Elektrony o dużej energii nadal mają mały promień bezwładności, tak że nienormalna dyfuzja umożliwia im dość szybkie osiągnięcie powierzchni, aby przyjąć wychodzące jony będące produktem fuzji. Elektrony o dużej energii tracą swą energię pokonując studnię potencjału i wychodzą z niej z bardzo małą energią. Chociaż elektrony mogą szybko przechodzić przez pole magnetyczne dzięki nienormalnemu transportowi, to jednak nienormalnych strat energii unika się na skutek niewielkiej przenoszonej energii.

Inną konsekwencją studni potencjału jest mechanizm silnego chłodzenia elektronów, podobny do chłodzenia przez parowanie. Przykładowo, aby odparować wodę, trzeba dostarczyć utajone ciepło parowania. Ciepło to jest dostarczane przez pozostałą ciekłą wodę i medium otaczające, które wtedy zmniejsza swą temperaturę szybciej niż procesy transportu ciepła mogą zastąpić stratę energii. Podobnie w przypadku elektronów głębokość studni potencjału jest równoważna utajonemu ciepłu parowania wody. Elektrony dostarczają energii potrzebnej do wydostania się ze studni potencjału przez proces termalizacji, który z powrotem dostarcza energię końca rozkładu Maxwella, tak że elektrony mogą uciekać. Proces termalizacji powoduje zatem obniżenie temperatury elektronów, ponieważ jest znacznie szybszy niż jakikolwiek proces grzania. Ze względu na różnicę masy pomiędzy elektronami a protonami czas przenoszenia energii z protonu jest w przybliżeniu 1800 razy krótszy niż czas termalizacji elektronów. Taki mechanizm chłodzenia zmniejsza również straty promieniowania elektronów.

PL 205 120 B1

Jest to szczególnie ważne w przypadku paliw przyszłości, gdzie straty promieniowania są zwiększane przez jony paliwa o liczbie atomowej Z większej niż 1; Z > 1.

Pole elektrostatyczne ma również wpływ na transport jonów. Większość orbit cząstek w plazmowej warstwie 106 stanowią orbity betatronowe 112. Zderzenia pod dużym kątem, to znaczy zderzenia z kątami rozpraszania 90-180°, mogą zmienić orbitę betatronową na orbitę dryftową. Jak opisano_r po_rwyżej, kierunek obrotu orbity d_ryfto_r wej jest określony przez konkurencję pomiędzy dryftem ExB a dryftem gradientu. Jeśli dryft ExB dominuje, orbita dryftowa obraca się w kierunku diamagnetycznym. Jeżeli dominuje dryft gradientu, wówczas orbita dryftowa obraca się w kierunku przeciwdiamagnetycznym. Pokazano to na fig. 12A i 12B. Fig. 12A przedstawia przejście z orbity betatronowej do orbity dryftowej na skutek kolizji 180°, która następuje w pu_rnkc_rie 172. Orbita dryftowa nadal obraca się w kierunku diamagnetycznym, ponieważ dominuje dryft ExB . Fig. 12B przedstawia inną kolizję 180°, ale w tym przypadku pole elektrostatyczne jest słabe i dominuje dryft gradientu. Orbita dryftowa obraca się zatem w kierunku przeciwdiamagnetycznym.

Kierunek obrotu orbity dryftowej określa, czy jest ona zamknięta, czy też nie. Cząstka poruszająca się po orbicie dryftowej będzie miała również prędkość równoległą do osi FRC. Czas potrzebny na przejście cząstki od jednego końca FRC do drugiego końca w wyniku jej ruchu równoległego nazywany jest czasem przejścia. Orbity dryftowe dochodzą do końca FRC w czasie rzędu czasu przejścia. Jak pokazano w związku z fig. 9A, siła Lorentza przy końcach FRC polem jest zamykająca tylko dla orbit dryftowych wirujących w kierunku diamagnetycznym. Po czasie przejścia jony w orbitach dryftowych wirujących w kierunku przeciwdiamagnetycznym są zatem stracone.

Zjawisko to odpowiada za mechanizm strat jonów, którego istnienie oczekiwane jest we wszystkich doświadczeniach z FRC. W rzeczywistości w tych doświadczeniach jony przenosiły połowę prądu, a elektrony drugą połowę. W takich warunkach pole e_r lek_rtryczne wewnątrz plazmy było pomijalnie małe, a dryft gradientu zawsze dominował nad dryftem ExB. Wszystkie orbity dryftowe wytwarzane przez kolizje o dużym kącie były zatem tracone po czasie przejścia. Doświadczenia te wykazywały prędkości dyfuzji jonów większe niż przewidywane przez klasycz_rne _roceny dyfuzji.

Jeżeli istnieje silne pole elektrostatyczne, wówczas dryft ExB dominuje nad dryftem gradientu, a orbity dryftowe wirują w kierunku diamagnetycznym. Przedstawiono to powyżej w odniesieniu do fig. 12A. Kiedy orbity te dochodzą do końców FRC, są odbijane z powrotem do obszaru zamkniętych linii pola przez siłę Lorentza, a więc pozostają zamknięte w systemie.

_{r r} Pola elektrostatyczne w systemie wią zki kolizyjnej mogą być wystarczająco silne, tak że dryft ExB dominuje nad dryftem gradientu. Pole elektrostatyczne systemu uniknęłoby zatem transportu jonów przez wyeliminowanie takiego mechanizmu straty jonów, który jest podobny do stożka strat w urządzeniu zwierciadlanym.

Inny aspekt dyfuzji jonów można ocenić rozważając wpływ kolizji elektron-jon pod niewielkim kątem na orbitach betatronowych. Fig. 13A przedstawia betatronową orbitę 112; fig. 13B przedstawia tę samą orbitę 112, gdy rozważane są kolizje elektron-jon 174 pod niewielkim kątem; fig. 13C przedstawia orbitę 176 z fig. 13B dla czasu dłuższego 10-krotnie, a fig. 13D przedstawia orbitę 178 z fig. 13B dla czasu dł u ż szego 20-krotnie. Mo ż na zobaczyć , ż e topologia orbit betatronowych nie zmienia się na skutek kolizji elektron-jon pod niewielkim kątem. Jednakże amplituda promieniowych drgań takich orbit rośnie z czasem. Faktycznie orbity pokazane na fig. 13A-13D grubieją z czasem, co oznacza klasyczną dyfuzję.

Tworzenie FRC

Konwencjonalne procedury używane do tworzenia FRC wykorzystują głównie procedurę odwracania pola przez skurcz teta. Według tego konwencjonalnego sposobu pole magnetyczne polaryzacji przykładane jest przez zewnętrzne uzwojenia otaczające komorę wypełnioną obojętnym gazem. Gdy to nastąpi, gaz jest jonizowany, a pole magnetyczne polaryzacji zostaje zamrożone w plazmie. Następnie prąd w zewnętrznych uzwojeniach jest szybko odwracany i linie pola magnetycznego o przeciwnym zwrocie łączą się z poprzednio zamroż onymi liniami tworzą c zamknię t ą topologi ę FRC (patrz fig. 2). Taki proces tworzenia jest w dużym stopniu empiryczny i nie ma prawie żadnych środków kontrolowania tworzenia FRC. Sposób ten ma słabą powtarzalność i w rezultacie brak mu możliwości dostrajania.

Natomiast sposoby tworzenia FRC według przedmiotowego wynalazku umożliwiają w pełni wystarczającą kontrolę i zapewniają znacznie bardziej przejrzysty i powtarzalny proces. W rzeczywistości FRC wytworzona sposobami według przedmiotowego wynalazku może być strojona, a jej kształt, jak również jej właściwości mogą być bezpośrednio zmieniane przez manipulowanie polem magnetyczPL 205 120 B1 nym wytwarzanym przez zewnętrzne uzwojenia 325. Tworzenie FRC sposobami według przedmiotowego wynalazku powoduje również tworzenie pola elektrycznego i studni potencjału w sposób opisany szczegółowo powyżej. Ponadto sposoby te można łatwo rozszerzyć, by przyspieszyć FRC do parametrów poziomu reaktora i prądów paliwowych o dużej energii oraz korzystnie umożliwia klasyczne zamykanie jonów. Ponadto technika ta może być stosowana w urządzeniu miniaturowym i jest bardzo odporna, jak również łatwa do zastosowania, które to właściwości są bardzo pożądane w systemach reaktorów.

W przedmiotowych sposobach tworzenie FRC dotyczy cyrkulującej wiązki 335 plazmy. Można zauważyć, że cyrkulująca wiązka 335 plazmy, ponieważ jest to prąd, tworzy biegunowe pole magnetyczne, jakie by utworzył prąd elektryczny w kołowym przewodzie. Wewnątrz cyrkulującej wiązki 335 plazmy powstaje własne pole magnetyczne o kierunku przeciwnym niż przyłożone z zewnątrz pole magnetyczne, wytwarzane przez zewnętrzne uzwojenie 325. Na zewnątrz wiązki 335 plazmy własne pole magnetyczne ma taki sam kierunek jak przyłożone pole magnetyczne. Kiedy prąd jonów plazmowych jest wystarczająco duży, własne pole przezwycięża pole przyłożone i pole magnetyczne zostaje odwrócone wewnątrz cyrkulującej wiązki plazmowej 335, przez co powstaje topologia FRC pokazana na fig. 2 i 4.

Wymagania dotyczące odwrócenia pola można ocenić za pomocą prostego modelu. Rozważmy prąd elektryczny Ip przewodzony przez pierścień o większym promieniu r0 i mniejszym promieniu a<<r₀. Pole magnetyczne w środku pierścienia, prostopadle do pierścienia, jest B_p=2nI_p/(cr₀). Załóżmy, że prąd w pierścieniu I_p=N₀e(iV2n) jest przewodzony przez N_p jonów, które mają prędkość kątową Ω₀. Dla pojedynczego jonu cyrkulującego na promieniu r₀=V₀^₀, gdzie Ω₀=eB₀/m_ic oznacza częstotliwość cyklotronową zewnętrznego pola magnetycznego B0. Załóżmy, że V0 jest przeciętną prędkością jonów w wiązce. Odwrócenie pola definiowane jest jako ^Bp ^Ν,,^θΩ 0 r_oc > 2Bo (3) co oznacza, że N_p>2r₀/a_i, a eVo πα i (4) gdzie a_i=e²/mic² =1,57 x 10^-16 cm, a energia wiązki jonów wynosi ¹/2m_iV 2. W modelu jednowymiarowym pole magnetyczne od prądu plazmowego jest B_p=(2n/c)i_p, gdzie i_p oznacza natężenie prądu na jednostkę długości. Warunek odwrócenia pola jest zatem i_p>eV₀/nr₀a_i=0,225 kA/cm, gdzie B₀=69,3 Gs, a ¹/2 miV 0² =100 eV. Dla modelu z okresowymi pierścieniami, gdzie Bz jest uśrednione na współrzędnej osiowej <Bz)=(2n/c)(I_p/s) (s oznacza odstęp pierścieni), jeśli s=r₀, model ten miałby takie samo przeciętne pole magnetyczne jak model jednowymiarowy z ip=Ip/s.

Łączona technika tworzenia wiązka-betatron

Korzystny sposób tworzenia FRC w osłonowym systemie 300 opisanym powyżej jest tu nazywany łączoną techniką wiązka-betatron. Podejście to łączy w sobie wiązki jonów plazmowych o małej energii z przyspieszaniem betatronowym z zastosowaniem uzwojenia 320 wytwarzającego strumień betatronowy.

Pierwszym etapem tego sposobu jest wprowadzenie zasadniczo pierścieniowej warstwy chmury plazmy tła do komory 310 z wykorzystaniem źródeł 345 plazmy tła. Zewnętrzne uzwojenie 325 wytwarza wewnątrz komory 310 pole magnetyczne, które magnesuje plazmę tła. W krótkich odstępach czasu wiązki jonów o małej energii są wprowadzane w komorę 310 poprzez otwory 340 wprowadzania zasadniczo poprzeczne względem przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego w komorze 310. Jak wyjaśniono powyżej, wiązki jonów są zamknięte wewnątrz komory 310 w dużych orbitach betatronowych przez to pole magnetyczne. Wiązki jonów mogą być generowane przez akcelerator jonów, taki jak akcelerator zawierający diodę jonową i generator Marxa. (Patrz R.B. Miller, An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams, (1982)). Fachowiec zauważy, że przyłożone z zewnątrz pole magnetyczne wywierać będzie siłę Lorentza na prowadzoną wiązkę jonową, gdy tylko wejdzie ona w komorę 310. Jednakże pożądane jest, by wiązka ta nie odginała się, a zatem nie wchodziła na orbitę betatronową, aż wiązka jonowa osiągnie cyrkulującą wiązkę plazmową 335. W celu rozwiązania tego problemu wiązki jonowe są zobojętniane elektronami i kierowane poprzez zasadniczo stałe jednokierunkowe pole magnetyczne przed wejściem w komorę 310. Jak pokazano na fig. 14, kiedy jono14

PL 205 120 B1 wa wiązka 350 jest skierowana poprzez odpowiednie pole magnetyczne, dodatnio naładowane jony i ujemnie naładowane elektrony rozdzielają się. Jonowa wiązka 350 uzyskuje zatem własną polaryzację elektryczną spowodowaną przez pole magnetyczne. To pole magnetyczne może być wytwarzane np. przez magnes trwały lub przez elektromagnes wzdłuż drogi wiązki jonów. Przy późniejszym wprowadzeniu w osłonową komorę 310 wynikowe pole elektryczne równoważy siłę magnetyczną działającą na cząstki w wiązce, umożliwiając przemieszczenie wiązki jonowej bez odchylenia. Fig. 15 przedstawia jonową wiązkę 350 w widoku czołowym, gdy styka się ona z plazmą 335. Jak pokazano, elektrony z plazmy 335 wędrują wzdłuż linii pola magnetycznego do lub z wiązki 350, która zmniejsza przez to elektryczną polaryzację wiązki. Kiedy wiązka nie jest już spolaryzowana elektrycznie, łączy się ona z cyrkulującą wiązką 335 plazmy na orbicie betatronowej wokół głównej osi 315, jak pokazano na fig. 1 (patrz również fig. 4).

Kiedy plazmowa wiązka 335 przemieszcza się po swej orbicie betatronowej, poruszające się jony tworzą prąd elektryczny, który z kolei powoduje powstanie biegunowego własnego pola magnetycznego. Aby utworzyć topologię FRC wewnątrz komory 310, trzeba zwiększyć prędkość plazmowej wiązki 335, zwiększając przez to natężenie własnego pola magnetycznego, powodowanego przez plazmową wiązkę 335. Kiedy własne pole magnetyczne jest wystarczająco silne, kierunek pola magnetycznego w odległościach promieniowych od osi 315 wewnątrz plazmowej wiązki 335 zmienia się na odwrotny, co powoduje powstanie FRC (patrz fig. 2 i 4). Można zauważyć, że, aby utrzymywać promieniowy odstęp cyrkulującej wiązki plazmowej 335 na orbicie betatronowej, trzeba zwiększyć przyłożone pole magnetyczne wytwarzane przez zewnętrzne uzwojenie 325, gdy zwiększa się prędkość plazmowej wiązki 335. Przewidziano zatem system sterowania utrzymujący odpowiednie przyłożone pole magnetyczne podyktowane przez natężenie prądu płynącego przez zewnętrzne uzwojenie 325. Alternatywnie można zastosować drugie uzwojenie zewnętrzne, aby wytwarzać dodatkowe przykładane pole magnetyczne, które jest potrzebne do utrzymania promienia orbity wiązki plazmowej, gdy jest ona przyspieszana.

Aby zwiększyć prędkość cyrkulującej wiązki plazmowej 335 na jej orbicie, zastosowano uzwojenie 320 strumienia betatronowego. Na fig. 16 można zauważyć, że zwiększenie natężenia prądu płynącego przez uzwojenie 320 strumienia betatronowego według prawa Ampera indukuje azymutowe pole elektryczne E wewnątrz komory 310. Dodatnio naładowane jony w plazmowej wiązce 335 są przyspieszane przez to indukowane pole elektryczne, co prowadzi do odwrócenia pola, jak opisano powyżej. Kiedy wiązki jonów są dodawane do cyrkulującej wiązki plazmowej 335, jak opisano powyżej, wiązka plazmowa 335 depolaryzuje wiązki jonów.

Dla odwrócenia pola cyrkulującą wiązkę plazmową 335 korzystnie przyspiesza się do energii rotacyjnej około 100 eV, a korzystnie w zakresie 75-125 eV. Aby osiągnąć warunki odpowiadające fuzji, cyrkulującą wiązkę plazmową 335 korzystnie przyspiesza się do około 200 keV, a korzystnie w zakresie 100 keV-3,3 MeV.

Tworzenie FRC zostało z powodzeniem zademonstrowane przy wykorzystaniu łączonej techniki tworzenia wiązka-betatron. Połączona technika tworzenia wiązka-betatron realizowana była doświadczalnie w komorze o średnicy 1 m i o długości 1,5 m przy użyciu przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego do 500 G, pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie 320 strumienia betatronowego do 5 kG i podciśnienia 1,2x10^-5 Tr. W doświadczeniu tym plazma tła miała gęstość 10¹³ cm^-3, a wiązka jonów była zobojętnioną wiązką wodoru o gęstości 1,2x10¹³ cm^-3, prędkości 2x10⁷ cm/s i długości impulsu około 20 μs (połowa wysokości). Zaobserwowano odwrócenie pola.

Betatronowa technika tworzenia

Innym korzystnym sposobem tworzenia FRC w osłonowym systemie 300 jest betatronowa technika tworzenia. Technika ta oparta jest na sterowaniu prądu indukowanego betatronowo bezpośrednio, by przyspieszać cyrkulującą wiązkę plazmową 335 z wykorzystaniem uzwojenia 320 strumienia betatronowego. Korzystny przykład realizacji tego sposobu wykorzystuje system osłonowy 300 przedstawiony na fig. 1 z tym wyjątkiem, że nie jest potrzebne wprowadzanie wiązek jonów o małej energii.

Jak podano, główną częścią składową betatronowej techniki tworzenia jest uzwojenie 320 strumienia betatronowego zamontowane w środku i wzdłuż długości komory 310. Dzięki swej konstrukcji oddzielnych zwojów równoległych uzwojenie 320 ma bardzo małą indukcyjność i w sprzężeniu z odpowiednim źródłem energii ma małą stałą czasu LC, która umożliwia szybkie narastanie prądu w uzwojeniu 320 strumienia.

PL 205 120 B1

Korzystnie tworzenie FRC rozpoczyna się od pobudzenia uzwojeń 325, 330 wytwarzających pole zewnętrzne. Zapewnia to osiowe pole prowadzące, jak również promieniowe składowe pola magnetycznego przy końcach, by osiowo zamykać plazmę wprowadzoną w komorę 310. Po utworzeniu wystarczająco silnego pola magnetycznego źródła 345 plazmy tła są zasilane energią ze swych własnych źródeł. Plazma wydostająca się z wyrzutni płynie wzdłuż osiowego pola prowadzącego i rozszerza się nieco na skutek swej temperatury. Gdy plazma ta dojdzie do płaszczyzny środkowej komory 310, utworzona jest ciągła, przebiegająca osiowo, pierścieniowa warstwa zimnej, powoli poruszającej się plazmy.

W tej chwili pobudzane jest uzwojenie 320 strumienia betatronowego. Szybko narastający prą d w uzwojeniu 320 powoduje szybką zmianę osiowego strumienia wewnątrz uzwojenia. Na skutek indukcji ten szybki wzrost osiowego strumienia powoduje wytworzenie azymutowego pola elektrycznego E (patrz fig. 17), które przenika przestrzeń wokół uzwojenia strumienia. Zgodnie z równaniami Maxwella to pole elektryczne E jest wprost proporcjonalne do zmiany natężenia strumienia magnetycznego wewnątrz uzwojenia, to znaczy szybsze narastanie prądu w uzwojeniu betatronowym spowoduje silniejsze pole elektryczne.

Indukcyjnie wytwarzane pole elektryczne E sprzęga się z naładowanymi cząstkami w plazmie i powoduje siłę ponderomotoryczną , która przyspiesza czą stki w pierś cieniowej warstwie plazmy. Elektrony ze względu na swą mniejszą masę pierwsze doznają przyspieszenia. Początkowy prąd wytwarzany w tym procesie jest zatem głównie prądem elektronowym. Jednakże wystarczający czas przyspieszania (w przybliżeniu setki mikrosekund) doprowadzi w końcu również do prądu jonowego. Jak pokazano na fig. 17, to pole elektryczne E przyspiesza elektrony i jony w przeciwnych kierunkach. Gdy oba rodzaje nośników prądu osiągną swe końcowe prędkości, prąd jest tworzony zarówno przez jony jak i przez elektrony.

Jak zauważono powyżej, prąd tworzony przez wirującą plazmę powoduje powstanie własnego pola magnetycznego. Rzeczywista topologia FRC powstaje, gdy własne pole magnetyczne tworzone przez prąd w warstwie plazmowej staje się porównywalne z przyłożonym polem magnetycznym od uzwojeń 325, 330 zewnętrznego pola. Z tą chwilą następuje magnetyczne połączenie wtórne, a otwarte linie początkowo wytwarzanego z zewnątrz pola magnetycznego zaczynają zamykać się i tworzyć powierzchnie strumienia FRC (patrz fig. 2 i 4).

Podstawowa FRC utworzona tym sposobem wykazuje umiarkowane pole magnetyczne i energie cząstek, które zwykle nie są zgodne z odpowiednimi parametrami roboczymi reaktora. Jednakże indukcyjne pole przyspieszenia elektrycznego trwa dopóki prąd w uzwojeniu 320 strumienia betatronowego nadal szybko wzrasta. Na skutek tego procesu energia i całkowite natężenie pola magnetycznego FRC nadal rosną. Zasięg tego procesu jest więc ograniczony głównie przez zasilanie uzwojenia strumienia, ponieważ ciągłe doprowadzanie prądu wymaga silnego źródła energii. Jednakże jest to zasadniczo prosta droga do przyspieszania systemu do odpowiednich warunków reaktora.

W celu odwrócenia pola cyrkulująca wiązka plazmowa 335 jest korzystnie przyspieszana do energii rotacyjnej około 100 eV, korzystnie w zakresie 75-125 eV. Aby osiągnąć odpowiednie warunki fuzji, cyrkulująca wiązka plazmowa 335 jest korzystnie przyspieszana do około 200 keV, a korzystnie do zakresu 100 keV do 3,3 MeV. Kiedy wiązki jonów są dodawane do cyrkulującej wiązki plazmowej 335, jak opisano powyżej, ta wiązka plazmowa 335 depolaryzuje wiązki jonowe.

Tworzenie FRC z wykorzystaniem techniki tworzenia betatronu zademonstrowano z powodzeniem przy następujących wartościach parametrów:

- Wymiary komory próż niowej: ś rednica około 1 m, długość 1,5 m.

- Promień uzwojenia betatronowego 10 cm.

- Promień orbity plazmowej 20 cm.

- Średnie zewnętrzne pole magnetyczne wytwarzane w komorze próżniowej wynosiło do 100 Gs z czasem narastania 150 μs i ze stosunkiem zwierciadlanym 2:1. (Źródło: Uzwojenia zewnętrzne i uzwojenia betatronowe).

-3

- Plazma tła (zasadniczo gazowy wodór) charakteryzowała się średnią gęstością około 10¹³ cm^-3, przy temperaturze kinetycznej mniejszej niż 10 eV.

- Czas trwania tej konfiguracji był ograniczony przez całkowitą energię zmagazynowaną w doświadczeniu i zwykle wynosił około 30 με.

Doświadczenia przeprowadzano najpierw wprowadzając warstwę plazmy tła przez dwa zestawy współosiowych dział kablowych zamontowanych kołowo wewnątrz komory. Każdy zestaw ośmiu dział zamontowano na jednym z dwóch zespołów uzwojeń zwierciadlanych. Działa te były azymutowo roz16

PL 205 120 B1 mieszczone w jednakowych odległościach z przesunięciem pomiędzy zestawami dział. Konstrukcja taka umożliwiała równoczesne odpalanie dział i przez to tworzenie pierścieniowej warstwy plazmowej.

Po utworzeniu tej warstwy pobudzano uzwojenie strumienia betatronowego. Narastający prąd w uzwojeniach betatronowych powodował zwiększenie strumienia wewnątrz uzwojenia, co powodowało zwiększenie azymutowego pola elektrycznego wirującego wokół uzwojenia betatronowego. Szybkie narastanie i duże natężenie prądu w uzwojeniu strumienia betatronowego wytwarzały silne pole elektryczne, które przyspieszało pierścieniową warstwę plazmy i indukowało przez to spory prąd. Wystarczająco silny prąd plazmowy wytwarzał własne pole magnetyczne, które zmieniało pole przyłożone z zewnątrz i powodowało tworzenie odwróconej konfiguracji pola. Szczegółowe pomiary z użyciem pętli do punktowego określania natężenia pola magnetycznego pozwoliły na stwierdzenie istnienia rozległej, silnej i trwałej FRC.

Przykład typowych danych przedstawiono jako zapis sygnałów sondy do punktowego określania natężenia pola magnetycznego na fig. 18. Krzywa danych A przedstawia wartość bezwzględną składowej osiowej pola magnetycznego w środkowej płaszczyźnie osiowej (75 cm od dowolnej płyty końcowej) komory doświadczalnej i w położeniu promieniowym 15 cm. Krzywa danych B przedstawia bezwzględną wartość składowej osiowej pola magnetycznego w osiowej płaszczyźnie środkowej komory i przy położeniu promieniowym 30 cm. Zbiór danych krzywej A oznacza zatem wartość natężenia pola magnetycznego wewnątrz warstwy plazmy paliwa (pomiędzy uzwojeniem betatronowym a plazmą), natomiast zbiór danych krzywej B przedstawia wartość natężenia pola magnetycznego na zewnątrz warstwy plazmy paliwa. Dane te wyraźnie pokazują że wewnętrzne pole magnetyczne zmienia zwrot (staje się ujemne) pomiędzy 23 a 47 με, podczas gdy zewnętrzne pole pozostaje dodatnie, to znaczy nie zmienia swego zwrotu. Czas zmiany zwrotu jest ograniczony przez narastanie natężenia prądu w uzwojeniu betatronowym. Po osiągnięciu szczytowej wartości natężenia prądu w uzwojeniu betatronowym indukowany prąd w warstwie plazmy paliwa zaczyna maleć i FRC szybko zanika. Dotychczas żywotność FRC jest ograniczona przez energię, która może być zmagazynowana w doświadczeniu. Zgodnie z doświadczeniami z wprowadzaniem i zamykaniem system można udoskonalić tak, aby zapewniał dłuższą żywotność FRC i przyspieszenie do parametrów odpowiednich dla reaktora.

Technika ta nie tylko wytwarza zwartą FRC, ale jest również wytrzymała i prosta w realizacji. Co najważniejsze, podstawowa FRC, utworzona tym sposobem, może być łatwo przyspieszana do dowolnego żądanego poziomu energii rotacyjnej i natężenia pola magnetycznego. Jest to istotne dla zastosowań fuzji i klasycznego osłaniania wiązek paliwowych o dużej energii.

Fuzja

Te dwie techniki tworzenia FRC wewnątrz systemu osłonowego 300, opisane powyżej lub podobne, mogą powodować wytworzenie plazmy o właściwościach odpowiednich do powodowania w niej fuzji jądrowej. FRC wytworzona tymi sposobami może być zwłaszcza przyspieszana do dowolnego żądanego poziomu energii rotacyjnej i natężenia pola magnetycznego. Jest to istotne dla zastosowań fuzji i klasycznego osłaniania wiązek paliwowych o dużej energii. W systemie osłonowym 300 możliwe zatem staje się zamykanie i osłanianie wiązek plazmowych o dużej energii przez czas wystarczający do spowodowania w nich reakcji fuzji jądrowej.

Aby umożliwić fuzję jądrową, FRC utworzona tymi sposobami jest korzystnie przyspieszana do odpowiednich poziomów energii rotacyjnej i natężenia pola magnetycznego przez przyspieszanie betatronowe. Jednakże fuzja wymaga określonego zbioru warunków fizycznych, by reakcja rozpoczęła się. Ponadto, aby uzyskać sprawne zużywanie paliwa i otrzymać pozytywny bilans energetyczny, paliwo musi być trzymane w tym stanie zasadniczo niezmienione przez dłuższy czas. Jest to ważne, ponieważ stan odpowiadający fuzji jądrowej charakteryzuje się wysoką temperaturą kinetyczną i/lub dużą energią. Utworzenie tego stanu wymaga zatem dostarczania sporej ilości energii, którą można odzyskać tylko wtedy, jeżeli większość paliwa ulegnie reakcji fuzji. W konsekwencji czas osłaniania paliwa musi być dłuższy niż czas jego wypalania. Prowadzi to do dodatniego bilansu energii i w konsekwencji do uzyskiwania netto energii na wyjściu.

Znaczną zaletą przedmiotowego wynalazku jest to, że system osłonowy i plazma, opisane tu, umożliwiają długie czasy osłaniania, to znaczy czasy osłaniania dłuższe niż czasy wypalania paliwa. Typowy stan fuzji charakteryzuje się zatem następującymi stanami fizycznymi (które mają tendencję do zmieniania się w zależności od paliwa i trybu działania):

Średnia temperatura jonów: 30-230 keV, a korzystnie 80-230 keV

Przeciętna temperatura elektronów: 30-100 keV, korzystnie 80-100 keV

PL 205 120 B1

Koherentna energia wiązek paliwowych (wprowadzane wiązki jonów i cyrkulująca wiązka plazmy): 100 keV-3,3 MeV, korzystnie 300 keV-3,3 MeV.

Całkowite pole magnetyczne: 47,5 - 120 kGs, korzystnie 95-120 kGs (pole przyłożone z zewnątrz 2,5-15 kGs, korzystnie 5-15 kGs).

Czas klasycznego osłaniania: dłuższy niż czas wypalania paliwa, korzystnie 10-100 s.

Gęstość jonów paliwowych: w zakresie od około 10¹⁴ do mniej niż 10¹⁶ cm^-3, korzystnie od 10¹⁴ do 10¹⁵ cm^-3.

Całkowita moc fuzji: korzystnie 50-450 kW/cm (moc na cm długości komory)

Aby umożliwiać przedstawiony powyżej stan fuzji, FRC jest korzystnie przyspieszana do wartości koherentnej energii rotacyjnej korzystnie 100 keV - 3,3 MeV, a korzystniej 300 keV - 3,3 MeV, zaś natężenie pola magnetycznego jest korzystnie 45-120 kGs, korzystniej 90-115 kGs. Przy takich wartościach wiązki jonów o dużej energii można wprowadzać do FRC i zamykać w celu utworzenia warstwy wiązki plazmowej, przy czym jony wiązki plazmowej są osłaniane magnetycznie, a elektrony wiązki plazmowej są osłaniane elektrostatycznie.

Korzystnie temperatura elektronów jest utrzymywana możliwie niska, aby zmniejszyć ilość promieniowania hamowania, które w przeciwnym razie może powodować straty energii radiacyjnej. Studnia energii elektrostatycznej według przedmiotowego wynalazku zapewnia skuteczne środki do zrealizowania tego.

Temperatura jonów jest korzystnie utrzymywana na poziomie, który zapewnia sprawne wypalanie, ponieważ przekrój poprzeczny fuzji jest funkcją temperatury jonów. Duża bezpośrednia energia wiązek jonów paliwa jest ważna dla zapewnienia klasycznego transportu, omówionego w niniejszym zgłoszeniu. Zmniejsza ona również do minimum wpływ niestabilności na plazmę paliwową. Pole magnetyczne jest zgodne z energią rotacyjną wiązki. Jest ono częściowo tworzone przez wiązkę plazmy (pole własne) i z kolei zapewnia wsparcie i siłę do utrzymywania wiązki plazmy na żądanej orbicie.

Produkty fuzji

Produkty fuzji powstają w rdzeniu energetycznym głównie w pobliżu powierzchni zerowej 86, skąd rozchodzą się przez dyfuzję w kierunku do rozdzielającej powierzchni 84 (patrz fig. 2 i 4). Jest to powodowane przez zderzenia z elektronami (ponieważ kolizje z jonami nie zmieniają środka masy i dlatego nie zmuszają ich do zmiany linii pola). Ze względu na swą dużą energię kinetyczną (produkty jonowe mają znacznie większą energię niż jony paliwowe) produkty fuzji mogą łatwo przekroczyć powierzchnię rozdzielającą 84. Gdy są one już poza powierzchnią rozdzielającą 84 mogą wychodzić wzdłuż otwartych linii pola 80 pod warunkiem, że są rozpraszane przez kolizje międzyjonowe. Chociaż taki proces kolizyjny nie prowadzi do dyfuzji, może on zmienić kierunek wektora prędkości jonów tak, że jest on zwrócony równolegle do pola magnetycznego. Te otwarte linie 80 pola łączą topologię rdzenia FRC z równomiernym przyłożonym polem istniejącym na zewnątrz topologii FRC. Produkty jonowe poruszają się po różnych liniach pola z pewnym rozkładem energii. Korzystnie produkty jonowe i elektrony zobojętniające ładunek wychodzą w postaci wirujących wiązek pierścieniowych z obu końców plazmy paliwowej. Przykładowo w konstrukcji o mocy 50 MW z reakcją p-B¹¹ wiązki te będą miały promień około 50 cm i grubość około 10 cm. W silnych polach magnetycznych usytuowanych na zewnątrz rozdzielającej powierzchni 84 (zwykle około 100 kGs) produkty jonowe mają rozkład promieni bezwładności, który zmienia się od wartości minimalnej około 1 cm do wartości maksymalnej około 3 cm dla produktów jonowych o największej energii.

Początkowo produkty jonowe mają energię wzdłużną, jak też energię rotacyjną, scharakteryzowane wzorami ¹/2 M(vpar)² i ¹/2 M(vperp)², gdzie vperp oznacza prędkość azymutową związaną z obrotem wokół linii pola jako środka orbity. Ponieważ linie pola rozchodzą się po opuszczeniu sąsiedztwa topologii FRC, energia rotacyjna ma tendencję do zmniejszania się, podczas gdy całkowita energia pozostaje stała. Jest to konsekwencją adiabatycznego inwariantu momentu magnetycznego produktów jonowych. Wiadomo, że cząstki naładowane wirujące w polu magnetycznym mają moment magnetyczny związany ze swym ruchem. W przypadku cząstek poruszających się wzdłuż powoli zmieniającego się pola magnetycznego istnieje również adiabatyczny inwariant ruchu zgodnie ze wzorem ¹/2M(vperp)²/B. Produkty jonowe orbitujące wokół swych odpowiednich linii pola mają moment magnetyczny, a zatem adiabatyczny invariant związany ze swym ruchem. Ponieważ B maleje ze współczynnikiem w przybliżeniu 10 (na skutek rozchodzenia się linii pola), wynika z tego, że vperp podobnie maleje ze współczynnikiem około 3,2. Kiedy zatem produkty jonowe pojawiają się w obszarze jednorodnego pola, ich energia rotacyjna jest mniejsza niż 5% ich całkowitej energii. Inaczej mówiąc, prawie cała energia jest w składowej wzdłużnej.

PL 205 120 B1

Przetwarzanie energii

System bezpośredniego przetwarzania energii według przedmiotowego wynalazku zawiera przetwornik antycyklotronowy (ICC) 420, pokazany na fig. 19A i 20A, sprzężony z (pokazanym częściowo) energetycznym rdzeniem 436 reaktora fuzji jądrowej z wiązką kolizyjną (CBFR) 410, aby tworzyć system 400 plazmowego generatora prądu elektrycznego. ICC (nie pokazano) może być umieszczony symetrycznie z lewej strony CBFR 410. Pomiędzy CBFR 410 a ICC 420 usytuowany jest magnetyczny wierzchołek 486, powstający wtedy, gdy pola magnetyczne CBFR 410 i ICC 420 łączą się ze sobą.

Przed szczegółowym opisaniem ICC 420 wraz z działaniem przedstawiony jest przegląd typowego akceleratora cyklotronowego. W konwencjonalnych akceleratorach cyklotronowych jony energetyczne, posiadające prędkości prostopadłe do pola magnetycznego, wirują po okręgach. Promień orbity jonów energetycznych jest określony przez natężenie pola magnetycznego i ich stosunek ładunku do masy oraz zwiększa się wraz z energią. Jednakże częstotliwość rotacji jonów jest niezależna od ich energii. Fakt ten wykorzystano w konstrukcji akceleratorów cyklotronowych.

Jak pokazano na fig. 21A, konwencjonalny akcelerator cyklotronowy 700 zawiera dwie zwierciadlanie symetryczne elektrody 710 w kształcie litery C, tworzące symetrycznie zwierciadlane wnęki w kształcie litery D, usytuowane w jednorodnym polu magnetycznym 720, którego linie pola są prostopadłe do płaszczyzny symetrii elektrod, to znaczy do płaszczyzny rysunku. Pomiędzy takie elektrody w kształcie litery C (patrz fig. 21B) przyłożony jest oscylujący potencjał elektryczny. Jony I są emitowane ze źródła umieszczonego w środku cyklotronu 700. Magnetyczne pole 720 jest regulowane tak, że częstotliwość wirowania jonów jest dostosowana do częstotliwości potencjału elektrycznego i zwią zanego z nim pola elektrycznego. Jeż eli jon I przekracza szczelinę 730 pomię dzy elektrodami 710 w kształ cie litery C w tym samym kierunku co kierunek pola elektrycznego, wówczas jest przyspieszany, przy przyspieszaniu jonu I jego energia i promień orbity ulegają zwiększeniu. Po przebyciu przez jon łuku półokręgu (bez zwiększenia energii) ponownie przekracza on szczelinę 730. Pole elektryczne pomiędzy elektrodami 710 w kształcie litery C ma teraz odwrotny zwrot. Jon I jest znów przyspieszany, a jego energia jest dalej zwiększana. Proces ten jest powtarzany za każdym razem, gdy jon przekracza szczelinę 730 pod warunkiem, że jego częstotliwość wirowania jest stale dostosowana do częstotliwości oscylującego pola elektrycznego (patrz fig. 21C). Jeżeli z drugiej strony cząstka przekracza szczelinę 730, kiedy pole elektryczne ma przeciwny zwrot, wówczas jest opóźniana i jest zawracana do źródła pośrodku. Jedynie cząstki posiadające prędkości początkowe prostopadłe do pola magnetycznego 720 i przekraczające szczeliny 730 we właściwej fazie oscylującego pola elektrycznego będą przyspieszane. Zatem prawidłowe dopasowanie fazy jest istotne dla przyspieszania.

Zasadniczo cyklotron mógłby być wykorzystywany do odprowadzania energii kinetycznej z prętowej wiązki identycznych jonów energetycznych. Opóźnianie jonów za pomocą cyklotronu, ale bez odprowadzania energii, zostało zaobserwowane dla protonów, jak opisano w publikacji Bloch i Jeffries w Phys. Rev. 80, 305 (1950). Jony mogłyby być wprowadzane we wnękę tak, że są one wprowadzane w fazę opóź niania wzglę dem oscylującego pola. Wszystkie jony odwracał yby następnie trajektorię T przyspieszającego jonu, jak pokazano na fig. 21 A. Ponieważ jony zwalniają na skutek wzajemnego oddziaływania z polem elektrycznym, ich energia kinetyczna jest przetwarzana w oscylującą energię elektryczną w obwodzie elektrycznym, którego częścią jest cyklotron. Uzyskano by bezpośrednie przetwarzanie energii elektrycznej, występujące przy bardzo dużej częstotliwości.

W praktyce jony wiązki jonowej wchodziłyby do cyklotronu ze wszystkimi moż liwymi fazami. Gdyby zmieniające się fazy nie były kompensowane w konstrukcji cyklotronu, połowa jonów byłaby przyspieszana, a druga połowa opóźniana. W rezultacie, maksymalna sprawność przetwarzania wynosiłaby skutecznie 50%. Ponadto pierścieniowe wiązki jonów będących produktami fuzji, omówione powyżej, mają kształt geometryczny nieodpowiedni do konwencjonalnego cyklotronu.

Jak to omówiono bardziej szczegółowo poniżej, ICC według przedmiotowego wynalazku przyjmuje pierścieniowy charakter wiązek produktów fuzji, wychodzących z FRC energetycznego rdzenia reaktora fuzji jądrowej oraz przypadkową względną fazę jonów wewnątrz wiązki i rozrzut ich energii.

Jak pokazano na fig. 19A, część energetycznego rdzenia 436 CBFR 410 przedstawiona jest po lewej stronie, gdzie rdzeń 435 paliwa plazmowego jest zamknięty w FRC 470, utworzonej częściowo na skutek pola magnetycznego przyłożonego przez zewnętrzne uzwojenia 425. FRC 470 ma zamknięte linie pola 482, rozdzielającą powierzchnię 484 i otwarte linie pola 480, co, jak zauważono powyżej, określa właściwości pierścieniowej wiązki 437 produktów fuzji. Otwarte linie pola 480 odchodzą od energetycznego rdzenia 436 do magnetycznego wierzchołka 486. Jak zauważono powyżej,

PL 205 120 B1 produkty fuzji wychodzą z energetycznego rdzenia 436 wzdłuż otwartych linii pola 480 w postaci pierścieniowej wiązki 437 zawierającej jony energetyczne i elektrony zobojętniające ładunek.

Kształt geometryczny ICC 420 jest zbliżony do wydrążonego cylindra o długości w przybliżeniu 5 m. Korzystnie powierzchnię cylindra tworzą co najmniej cztery jednakowe częściowo cylindryczne elektrody 494 z niewielkimi prostoliniowymi szczelinami 497. Podczas działania oscylujący potencjał jest przykładany do elektrod 494 przemiennie. Pole elektryczne E wewnątrz przetwornika ma strukturę czterobiegunową, jak to zaznaczono w widoku końcowym na fig. 19B. Pole elektryczne E zanika na osi symetrii, a zwiększa się liniowo wraz z promieniem. Jego wartość szczytowa jest w szczelinie 497.

Ponadto ICC 420 zawiera zewnętrzne uzwojenia 488 wytwarzające jednorodne pole wewnątrz wydrążonego cylindrycznego kształtu ICC. Ponieważ prąd płynie poprzez te uzwojenia 488 w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu prądu poprzez uzwojenia 425 CBFR, linie pola 496 w ICC 420 biegną w kierunku przeciwnym do kierunku otwartych linii pola 480 CBFR 410. Przy końcu usytuowanym najdalej od energetycznego rdzenia 436 CBFR 410 ICC 420 zawiera kolektor 492 jonów.

Pomiędzy CBFR 410 a ICC 420 usytuowany jest symetryczny magnetyczny wierzchołek 486, w którym otwarte linie pola 480 CBFR 410 łączą się z liniami pola 496 ICC 420. Pierścieniowo ukształtowany kolektor 490 elektronów jest usytuowany wokół tego magnetycznego wierzchołka 486 i jest elektrycznie sprzężony z kolektorem 492 jonów. Jak omówiono poniżej, pole magnetyczne magnetycznych wierzchołków 486 przetwarza osiową prędkość wiązki 437 w prędkość obrotową bardzo skutecznie. Fig. 19C przedstawia typową orbitę 422 jonów w przetworniku 420.

CBFR 410 ma symetrię cylindryczną. Pośrodku usytuowany jest energetyczny rdzeń 436 fuzji z plazmowym rdzeniem 435 fuzji zamkniętym w topologii pola magnetycznego FRC 470, gdzie przebiegają reakcje fuzji jądrowej. Jak zauważono, jądra będące produktem reakcji i elektrony zobojętniające ładunek wychodzą w postaci pierścieniowych wiązek 437 z obu końców paliwowej plazmy 435. Przykładowo w konstrukcji o mocy 50 MW z reakcją p-B¹¹ wiązki te będą miały promień około 50 cm i grubość około 10 cm. Pierścieniowa wiązka ma gęstość n«10⁷-10⁸ cm³. Przy takiej gęstości magnetyczny wierzchołek 486 rozdziela elektrony i jony. Elektrony podążają wzdłuż linii pola magnetycznego do kolektora 490 elektronów, a jony przechodzą przez wierzchołek 486, gdzie ich trajektorie ulegają zmodyfikowaniu tak, aby podążały one po zasadniczo śrubowej drodze na długości ICC 420. Podczas śrubowego ruchu jonów przy elektrodach 494 dołączonych do obwodu rezonansowego (nie pokazano) jonom odbierana jest energia. Strata energii prostopadłej jest największa dla jonów o największej energii, które początkowo cyrkulują blisko elektrod 494, gdzie pole elektryczne jest najsilniejsze.

Jony dochodzą do magnetycznego wierzchołka 486 z energią rotacyjną w przybliżeniu równą początkowej energii całkowitej, to znaczy ¹/2Mvp²«¹/2Mv₀ ². Jony osiągające magnetyczny wierzchołek 486 mają pewien rozkład swych energii i początkowych promieni r0. Jednakże początkowy promień r0 jest w przybliżeniu proporcjonalny do początkowej prędkości v0. Promieniowe pole magnetyczne i promieniowa prędkość wiązki wytwarzają siłę Lorentza w kierunku azymutowym. Pole magnetyczne w wierzchołku 486 nie zmienia energii cząstek, ale przetwarza początkową prędkość osiową vp«vo w resztkową prędkość osiową vz i prędkość azymutową v±, gdzie vo² = vz² + v±². Wartość prędkości azymutowej v± można określić z zachowania uogólnionego pędu.

qBo^{r 2}

2c qBo^{r 2}

2c

Jon wiązki wchodzi po lewej stronie wierzchołka 486 z B_Z=B₀, v_z=v₀, v_± =0 i r=r₀. Wychodzi po prawej stronie wierzchołka 486 z r=r₀, B_z= - B₀, v_± = qB₀r₀/Mc i v_z =yjv0 - v1 ! I ^ro^Ωο gdzie Ω0 = qB0/Mc oznacza częstotliwość cyklotronu. Częstotliwość obrotu jonów jest w zakresie 1-10 MHz, a korzystnie 5-10 MHz. Właśnie przy tej częstotliwości odbywa się generowanie energii.

Aby jony przechodziły przez wierzchołek 486, skuteczny promień bezwładności jonu musi być większy niż szerokość wierzchołka 486 przy promieniu r0. Doświadczalnie jest całkiem możliwe do osiągnięcia zmniejszenie prędkości osiowej 10-krotnie, tak że resztkowa energia osiowa zostaje zmniejszona 100-krotnie. Wtedy 99% energii jonów będzie przetwarzane w energię rotacyjną. Wiązka

PL 205 120 B1 jonów ma pewien rozkład wartości v0 i r0. Jednakże, ponieważ r0 jest proporcjonalne do v0, jak to poprzednio podano przy omawianiu właściwości reaktora opartego na FRC, sprawność przetwarzania energii rotacyjnej zbliża się do 99% dla wszystkich jonów.

Jak pokazano na fig. 19B, symetryczna struktura elektrod ICC 420 według przedmiotowego wynalazku korzystnie zawiera cztery elektrody 494. Obwód rezonansowy (nie pokazano) jest dołączony do elektrod 494 tak, że chwilowe napięcia i pola elektryczne są takie, jak pokazano. Napięcie i obwód rezonansowy drgają z częstotliwością ω=Ω0. Azymutowe pole elektryczne E przy szczelinach 497 jest pokazane na fig. 19B i fig. 22. Fig. 22 przedstawia pole elektryczne w szczelinach 497 pomiędzy elektrodami 494 oraz pole, któremu podlega jon wirujący z prędkością kątową Ω0. Jest oczywiste, że podczas pełnego obrotu cząstka doznawać będzie na przemian przyspieszenia i opóźnienia w kolejności określonej przez fazę początkową. Oprócz azymutowego pola elektrycznego E0 istnieje również promieniowe pole elektryczne E_r. Azymutowe pole Εθ osiąga maksimum w szczelinach 497 i maleje, gdy zmniejsza się promień. Na fig. 22 założono, że cząstka wiruje zachowując stały promień. Ze względu na gradient pola elektrycznego opóźnienie będzie zawsze dominowało nad przyspieszeniem. Faza przyspieszenia powoduje zwiększenie promienia jonu, tak że kiedy jon napotyka następnie opóźniające pole elektryczne, wówczas promień jonu będzie większy. Faza opóźnienia będzie dominowała niezależnie od początkowej fazy jonu, ponieważ gradient promieniowy azymutowego pola elektrycznego Εθ jest zawsze dodatni. W rezultacie sprawność przetwarzania energii nie jest ograniczona do 50% przez problem fazy początkowej związany z konwencjonalnymi cyklotronami. Ważne jest również pole elektryczne E_r. Pole to również oscyluje i powoduje netto pewne działanie w kierunku promieniowym, które powoduje powrót trajektorii wiązki do początkowego promienia z prędkością zerową w płaszczyźnie prostopadłej do osi, jak pokazano na fig. 19C.

Proces, przy którym jony są zawsze opóźniane, jest podobny do zasady silnego ogniskowania, która jest istotną cechą nowoczesnych akceleratorów, jak opisano w patencie USA nr 2.736.799. Połączenie soczewki dodatniej (ogniskującej) i ujemnej (rozogniskowującej) jest dodatnie, jeżeli pole magnetyczne ma dodatni gradient. Na fig. 23 przedstawiono silnie ogniskującą podwójną soczewkę czterobiegunową. Pierwsza soczewka ogniskuje w kierunku x i rozogniskowuje w kierunku y. Druga soczewka jest podobna z zamienionymi właściwościami x i y. Pole magnetyczne zanika na osi symetrii i ma dodatni gradient promieniowy. Wyniki netto dla wiązki jonów przechodzącej przez obie soczewki oznaczają ogniskowanie we wszystkich kierunkach, niezależnie od kolejności przechodzenia.

Podobne wyniki uzyskiwano w przypadku wiązki przechodzącej przez wnękę rezonansową zawierającą silne osiowe pole magnetyczne i działającą w modzie TE₁₁₁ (patrz Yoshikawa i in.). Urządzenie to jest nazywane peniotronem. W modzie TE₁₁₁ wnęka rezonansowa ma fale stojące, w których pole elektryczne ma symetrię czterobiegunową. Wyniki te są jakościowo podobne do niektórych wyników opisanych tu. Istnieją różnice ilościowe polegające na tym, że wnęka rezonansowa jest znacznie większa (10 metrów długości) i działa przy znacznie wyższej częstotliwości (155 MHz) i przy większym natężeniu pola magnetycznego (10 T). Wyprowadzanie energii z fal wysokiej częstotliwości wymaga zastosowania rekteny. Widmo energetyczne wiązki zmniejsza skuteczność przetwarzania. Istnienie dwóch rodzajów jonów jest poważniejszym problemem, ale sprawność przetwarzania jest odpowiednia dla reaktora D-He³, który wytwarza protony o energii 15 MeV.

Pojedyncza orbita 422 cząstki w ICC 420 przedstawiona jest na fig. 19C. Wynik ten otrzymano przez symulację komputerową, przy czym podobny wynik uzyskano w przypadku peniotronu. Jon wchodzący przy pewnym promieniu ro biegnie spiralnie na długości ICC, a po utraceniu początkowej energii rotacyjnej dochodzi do punktu na okręgu o takim samym promieniu ro. Warunki początkowe są niesymetryczne. Stan końcowy odzwierciedla asymetrię, ale jest niezależny od fazy początkowej, tak że wszystkie cząstki są opóźniane. Wiązka przy końcu ICC z kolektorem jonów jest znów pierścieniowa i ma podobne wymiary. Prędkość osiowa byłaby zmniejszona 10-krotnie, a gęstość byłaby odpowiednio zwiększona. Dla pojedynczej cząstki możliwe jest zrealizowanie sprawności wyprowadzania energii 99%. Jednakże różne czynniki, takie jak prostopadła energia rotacyjna pierścieniowej wiązki, zanim wejdzie ona do przetwornika, mogą zmniejszać tę sprawność o około 5%. Wyprowadzanie mocy elektrycznej byłoby przy około 1-10 MHz, korzystnie 5-10 MHz z dodatkowym zmniejszeniem sprawności przetwarzania na skutek dostosowania energii do połączenia z siecią energetyczną.

Jak pokazano na fig. 20A i 20B, alternatywne przykłady realizacji struktur elektrodowych 494 w ICC 420 mogą obejmować dwie symetryczne półkołowe elektrody i/lub stożkowe elektrody 494 zwężające się w kierunku do kolektora 492 jonów.

PL 205 120 B1

Regulacje dynamiki jonów wewnątrz głównego pola magnetycznego ICC 420 można realizować za pomocą dwóch pomocniczych zestawów uzwojeń 500 i 510, jak pokazano na fig. 24A i 24B. Oba zestawy 500 i 510 uzwojeń mają sąsiednie przewody z przeciwnie skierowanymi prądami, tak że pola magnetyczne mają krótki zasięg. Gradient pola magnetycznego, jak pokazano schematycznie na fig. 24A, będzie zmieniać częstotliwość i fazę wirowania jonów. Wielobiegunowe pole magnetyczne, jak pokazano schematycznie na fig. 24B, będzie powodować zbieranie w wiązki, jak w akceleratorze liniowym.

Reaktor

Fig. 25 przedstawia reaktor 100 MW. Fragment generatora przedstawia obszar energetycznego rdzenia fuzji jądrowej, posiadający nadprzewodzące uzwojenia wytwarzające jednorodne pole magnetyczne oraz uzwojenie strumienia, przeznaczone do wytwarzania pola magnetycznego z topologią z odwróconym polem. Sąsiadujące przeciwległe końce obszaru energetycznego rdzenia fuzji jądrowej są ICC przetwornikami energii, służącymi do bezpośredniego przetwarzania energii kinetycznej produktów fuzji jądrowej w energię elektryczną. Urządzenia wspomagające takiego reaktora przedstawiono na fig. 26.

System napędowy

Fig. 27 przedstawia odrzutowy plazmowy system napędowy 800. System ten zawiera energetyczny rdzeń 836 FRC, w którym rdzeń 835 paliwa fuzji jądrowej jest zamknięty i z obu końców którego produkty fuzji jądrowej wychodzą w postaci pierścieniowej wiązki 837. ICC przetwornik 820 energii jest sprzężony z jednym końcem rdzenia energetycznego. Przy drugim końcu rdzenia energetycznego umieszczona jest magnetyczna dysza 850. Pierścieniowa wiązka 837 produktów fuzji jądrowej przepływa od jednego końca rdzenia energetycznego fuzji jądrowej wzdłuż linii pola do ICC w celu przetworzenia energii, a z drugiego końca rdzenia energetycznego wzdłuż linii pola z dyszy, by zapewnić siłę ciągu T.

Chociaż wynalazek może być realizowany w różnych modyfikacjach i alternatywnych postaciach, na rysunkach przedstawiono i opisano tu szczegółowo jego specyficzny przykład realizacji. Należy jednak rozumieć, że wynalazek nie jest ograniczony do przedstawionej konkretnej postaci, natomiast obejmuje wszelkie modyfikacje, równoważniki i alternatywne rozwiązania zgodne z duchem i zakresem załączonych zastrzeżeń patentowych.

Claims (19)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób przetwarzania energii produktów fuzji w energię elektryczną, znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:

   wprowadzanie jonów wzdłuż śrubowej drogi, wzdłuż linii pola magnetycznego, w zasadniczo cylindryczną komorę utworzoną przez wiele częściowo cylindrycznych podłużnych elektrod usytuowanych w odstępie od siebie z utworzeniem wielu podłużnych szczelin pomiędzy nimi, gdzie szczeliny usytuowane są wzdłuż podłużnej osi zasadniczo cylindrycznej komory, zaś linie pola magnetycznego są generowane przez generator pola magnetycznego umieszczony wzdłuż zasadniczo cylindrycznej komory, tworzenie w tej komorze oscylującego pola elektrycznego o strukturze wielobiegunowej z co najmniej dwoma biegunami oraz spowalnianie jonów podczas ich przechodzenia przez pole elektryczne w celu przetworzenia przynajmniej części energii kinetycznej jonów w oscylującą energię elektryczną.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera etap przykładania oscylującego potencjału do tych wielu elektrod.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zawiera etap tworzenia azymutowego pola elektrycznego w tych wielu szczelinach.
4. 4. Sposób według jednego z zastrz. 1-3, znamienny tym, że etap wprowadzania obejmuje przeprowadzenie jonów przez wierzchołek magnetyczny, który przetwarza zasadniczo całą kinetyczną energię jonów w kierunku osiowym w energię kinetyczną rotacyjną.
5. 5. Sposób według jednego zastrz. 1-4, znamienny tym, że jony wprowadza się w postaci pierścieniowej wiązki.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiera etap tworzenia wierzchołka magnetycznego na styku pola magnetycznego oraz drugiego pola magnetycznego o przeciwnej polaryzacji,

   PL 205 120 B1 gdzie linie pola magnetycznego rozciągają się wzdłuż pierwszego kierunku osiowego w komorze zaś linie drugiego pola magnetycznego rozciągają się wzdłuż drugiego kierunku osiowego, który ma zwrot przeciwny do pierwszego kierunku osiowego, przy czym pole magnetyczne o przeciwnej polaryzacji oraz drugie pole magnetyczne odpychają się wzajemnie powodując, że linie magnetyczne pola magnetycznego i drugiego pola magnetycznego ulegają osiowemu ściśnięciu i odchyleniu od podłużnej osi komory w miejscu styku pola magnetycznego i drugiego pola magnetycznego, tworząc w ten sposób wierzchołek magnetyczny.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że pierścieniowa wiązka zawiera jony energetyczne oraz elektrony neutralizujące ładunek, mające ładunek przeciwny do ładunku jonów energetycznych oraz tym, że zawiera etap oddzielania elektronów neutralizujących ładunek z pierścieniowej wiązki za pomocą pierścieniowego kolektora elektronów podczas przepływu elektronów neutralizujących ładunek wzdłuż linii pola magnetycznego wierzchołka magnetycznego.
8. 8. Sposób według jednego z zastrz. 1-7, znamienny tym, że zawiera etap zbierania jonów za pomocą kolektora jonów umieszczonego przy końcu zasadniczo cylindrycznej komory, po przetworzeniu przynajmniej części ich energii kinetycznej w energię elektryczną.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że zawiera etap dostosowania energii elektrycznej przetworzonej z energii kinetycznej jonów do istniejących sieci energetycznych.
10. 10. Sposób według jednego zastrz. 1-9, znamienny tym, że w skład wymienionych wielu elektrod wchodzą co najmniej cztery elektrody.
11. 11. Antycyklotronowy przetwornik energii do bezpośredniego przetwarzania energii kinetycznej jonów w energię elektryczną, znamienny tym, że zawiera wiele częściowo cylindrycznych podłużnych elektrod tworzących zasadniczo cylindryczną komorę, przy czym te elektrody są rozmieszczone w odstępach z utworzeniem wielu podłużnych szczelin pomiędzy nimi, które rozciągają się wzdłuż podłużnej osi zasadniczo cylindrycznej komory, przy czym w skład tych wielu elektrod wchodzą co najmniej dwie elektrody wytwarzające wielobiegunowe pole elektryczne mające więcej niż dwa bieguny, oraz generator pola magnetycznego usytuowany wokół tych wielu elektrod, który wytwarza linie pola magnetycznego rozciągające się wzdłuż komory.
12. 12. Przetwornik według zastrz. 11, znamienny tym, że zawiera kolektor jonów umieszczony przy jednym końcu wielu elektrod.
13. 13. Przetwornik według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiera kolektor elektronów umieszczony przy drugim końcu wielu elektrod.
14. 14. Przetwornik według zastrz. 13, znamienny tym, że kolektor elektronów ma kształt pierścieniowy.
15. 15. Przetwornik według zastrz. 13 lub 14, znamienny tym, że kolektor elektronów i kolektor jonów są połączone elektrycznie.
16. 16. Przetwornik według jednego z zastrz. 11-15, znamienny tym, że zawiera obwód rezonansowy dołączony do wielu elektrod.
17. 17. Przetwornik według jednego z zastrz. 11-16, znamienny tym, że generator pola magnetycznego zawiera wiele uzwojeń wzbudzenia przebiegających wokół wielu elektrod.
18. 18. Przetwornik według jednego z zastrz. 11-17, znamienny tym, że elektrody są symetryczne.
19. 19. Przetwornik energii według jednego z zastrz. 11-18, znamienny tym, że zawiera co najmniej cztery częściowo cylindryczne podłużne elektrody tworzące podłużną wnękę, przy czym elektrody te są usytuowane w odstępach z utworzeniem pomiędzy sobą co najmniej czterech podłużnych szczelin.