RU2056649C1 - Controlled thermonuclear fusion process and controlled thermonuclear reactor implementing it - Google Patents
Controlled thermonuclear fusion process and controlled thermonuclear reactor implementing it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2056649C1 RU2056649C1 RU92002692A RU92002692A RU2056649C1 RU 2056649 C1 RU2056649 C1 RU 2056649C1 RU 92002692 A RU92002692 A RU 92002692A RU 92002692 A RU92002692 A RU 92002692A RU 2056649 C1 RU2056649 C1 RU 2056649C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- fuel mixture
- neutrons
- energy
- reactor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ядерной физике, в частности к физике процессов термоядерного синтеза. The invention relates to nuclear physics, in particular to the physics of fusion processes.
Известен способ термоядерного синтеза с использованием в качестве топлива дейтерия (D) и трития (Т), включающий подготовку, нагрев и последующее удержание нагретой термоядерной плазмы, реализованный в устройстве взрывного типа (в термоядерной бомбе), содержащем топливную смесь, включающую дейтерий (D), тритий (Т), источник нейтронов на основе делящегося вещества, отражающую нейтроны структуру и устройство удержания плазмы взрывного типа [1] Исходная топливная смесь содержит дейтерид лития. В этом способе быстрые первичные нейтроны, которые образуются в реакциях деления тяжелых ядер, концентрируют для взаимодействия с ядрами лития, содержащимися в исходной смеси, и нагревают смесь в процессе протекающих экзотермических реакций. Образующиеся быстрые ядра трития взаимодействуют с дейтерием и тритием исходной смеси и разогревают ее до температур ядерного взаимодействия в веществе топливной смеси, после чего начинаются чисто термоядерные дейтерий-дейтериевые (D+D) и дейтерий-тритиевые (D+T) реакции в устройстве. Образуемые в процессе вторичные нейтроны также взаимодействуют с ядрами лития (Li) и образованными в термоядерных реакциях вторичными нейтронно-взаимодействующими ядрами гелия-3 (3Не). В результате образуются быстрые ядра, в том числе ядра трития, участвующие в основных реакциях. Для концентрирования быстрые первичные нейтроны отражают от экрана, внешнего для области протекания реакций, и возвращают в нее. Удержание плазмы осуществляют, используя внешнее устройство взрывного типа. Время удержания характеризуется длительностью взрыва, причем с ростом времени удержания и плотности нейтронов в области нагрева смеси растут эффективность выгорания топлива и энергетическая эффективность устройства.A known method of thermonuclear fusion using deuterium (D) and tritium (T) as fuel, including the preparation, heating, and subsequent confinement of heated thermonuclear plasma, is implemented in an explosive device (in a thermonuclear bomb) containing a fuel mixture comprising deuterium (D) , tritium (T), fission-based neutron source, neutron-reflecting structure and explosive-type plasma confinement device [1] The initial fuel mixture contains lithium deuteride. In this method, fast primary neutrons that are formed in fission reactions of heavy nuclei are concentrated to interact with lithium nuclei contained in the initial mixture, and the mixture is heated in the course of ongoing exothermic reactions. The resulting fast tritium nuclei interact with deuterium and tritium in the initial mixture and heat it up to the temperatures of nuclear interaction in the substance of the fuel mixture, after which pure thermonuclear deuterium-deuterium (D + D) and deuterium-tritium (D + T) reactions begin in the device. Secondary neutrons formed in the process also interact with lithium (Li) nuclei and secondary neutron-interacting helium-3 ( 3 He) nuclei formed in thermonuclear reactions. As a result, fast nuclei are formed, including tritium nuclei involved in the main reactions. For concentration, fast primary neutrons are reflected from the screen, which is external to the reaction region, and returned to it. The plasma confinement is carried out using an external explosive device. The retention time is characterized by the duration of the explosion, and with increasing retention time and neutron density in the heating region of the mixture, the fuel burnup efficiency and the energy efficiency of the device increase.
Данный способ термоядерного синтеза легких ядер с использованием быстрых нейтронов не стационарен и принципиально не управляем. This method of thermonuclear fusion of light nuclei using fast neutrons is not stationary and fundamentally not controlled.
Известен способ управляемого термоядерного синтеза, принятый за прототип [2] Сущность его заключается в том, что подготовленную топливную смесь, включающую дейтерий (D) и тритий (Т), вводят в область нагрева и нагревают до температур ядерного взаимодействия в плазме Тi ≥ 10 КэВ внешними устройствами, включая нагрев нестационарным магнитным полем, затем удерживают плазму действием магнитного поля и преобразуют выделившуюся энергию.A known method of controlled thermonuclear fusion, adopted as a prototype [2] Its essence lies in the fact that the prepared fuel mixture, including deuterium (D) and tritium (T), is introduced into the heating region and heated to the temperature of nuclear interaction in the plasma T i ≥ 10 KeV external devices, including heating by a non-stationary magnetic field, then hold the plasma by the action of a magnetic field and transform the released energy.
Этот способ управляемого термоядерного синтеза энергетически неэффективен прежде всего на стадии нагрева топлива. Способ может быть реализован в единичных и крайне дорогих установках, поскольку энергетическая эффективность способа зависит от размеров области удержания и общей мощности устройства. This method of controlled thermonuclear fusion is energetically inefficient primarily at the stage of fuel heating. The method can be implemented in single and extremely expensive installations, since the energy efficiency of the method depends on the size of the retention area and the total power of the device.
Известен управляемый термоядерный реактор для осуществления этого способа [3] Он содержит рабочую камеру с узлом формирования и удержания плазмы и областью удержания плазмы, узел подготовки и узел ввода топливной смеси, устройство сепарации продуктов реакций и устройство энергосъема-энергопреобразования. Known controlled thermonuclear reactor for implementing this method [3] It contains a working chamber with a node for the formation and confinement of plasma and a plasma confinement region, a preparation unit and an inlet for the fuel mixture, a device for separating reaction products and a device for energy-energy conversion.
Недостаток этого реактора заключается в его энергетической неэффективности, что связано с его конструктивными особенностями. В данном реакторе узел формирования плазмы нагревает топливную смесь и формирует плазму внешними для плазмы энеpгоносителями, в связи с чем в процессе выгорания смеси необходимо возмещать вложенную в нагрев энергию. Это не позволяет до достижения критических параметров по характеристикам плазмы и режиму работы иметь устройство энергетически выгодное, а сильная зависимость этих параметров от характерных размеров устройства и вводимой энергетической мощности и потому высокая стоимость не позволяют реализовать его энергетически эффективным на практике. The disadvantage of this reactor is its energy inefficiency, which is associated with its design features. In this reactor, the plasma forming unit heats the fuel mixture and forms the plasma with energy carriers external to the plasma, and therefore, during the burnout of the mixture, the energy invested in the heating must be replaced. This does not allow, until critical parameters for plasma characteristics and operation mode are reached, to have an energy-efficient device, and the strong dependence of these parameters on the characteristic dimensions of the device and the energy input and therefore the high cost do not allow it to be energy-efficient in practice.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании энергетически эффективного способа управляемого термоядерного синтеза и управляемого термоядерного реактора для его осуществления. The problem solved by the invention is to create an energy-efficient method of controlled thermonuclear fusion and a controlled thermonuclear reactor for its implementation.
Решение данной задачи обусловлено следующими техническими результатами: самообеспеченностью способа по используемым в нем изотопам, энергетической эффективностью способа на всех стадиях нагрева и выгорания топливной смеси; полезным использованием нейтронов. The solution to this problem is due to the following technical results: the self-sufficiency of the method according to the isotopes used in it, the energy efficiency of the method at all stages of heating and burning of the fuel mixture; beneficial use of neutrons.
Дополнительными техническими результатами являются повышение эффективности съема энергии, выделяющейся в реакторе, повышение эффективности преобразования энергии, снижение тепловых нагрузок на "первую стенку" реактора. Additional technical results are an increase in the efficiency of removal of energy released in the reactor, an increase in the efficiency of energy conversion, a decrease in thermal loads on the "first wall" of the reactor.
Указанные технические результаты достигаются тем, что по способу управляемого термоядерного синтеза, включающему подготовку, ввод и нагрев топливной смеси, содержащей дейтерий и тритий, до температур ядерного взаимодействия, удержание плазмы и преобpазование энергии, согласно изобретению в исходную топливную смесь добавляют вещества, взаимодействующие с нейтронами с положительным энерговыделением и образующие тритий в ходе реакций синтеза, термализуют образующиеся в реакциях термоядерного синтеза нейтроны и фокусируют их в фокусной области на топливной смеси при нагреве, а затем после удержания горячей термоядерной плазмы и преобразования выделившейся энергии сепарируют ядра трития и гелия-3 из продуктов реакций в плазме и возвращают их в исходную топливную смесь. These technical results are achieved by the fact that, according to the invention, substances interacting with neutrons are added to the initial fuel mixture by the controlled thermonuclear fusion method, including preparing, introducing and heating a fuel mixture containing deuterium and tritium to nuclear interaction temperatures, plasma confinement and energy conversion. with positive energy release and forming tritium in the course of fusion reactions, thermalize the neutrons formed in fusion reactions and focus them focal area on the fuel mixture under heating, and then after hot fusion plasma containment and converting the energy released is separated helium-3 and tritium nuclei of reaction products in plasma and return them to the original fuel mixture.
Возможен вариант реализации способа, когда температура в плазме выдерживается такой, что выполняется следующее соотношение между параметрами, характеризующими плазму:
nD · < σ ·V>D-D ≥ nT · < σ ·V>D-T, где nD плотность дейтерия в плазме;
nT плотность трития в плазме;
< σ · V>D-D усредненные сечение взаимодействия и скорость движения ионов в D-D-реакциях в плазме;
< σ · V>D-T усредненные сечение взаимодействия и скорость движения ионов в D-T-реакциях в плазме.A possible implementation of the method, when the temperature in the plasma is maintained such that the following relationship between the parameters characterizing the plasma:
n D · <σ · V> DD ≥ n T · <σ · V> DT , where n D is the density of deuterium in the plasma;
n T plasma tritium density;
<σ · V> DD are the averaged interaction cross sections and the ion velocity in DD reactions in the plasma;
<σ · V> DT are the averaged interaction cross sections and the ion velocity in the DT reactions in the plasma.
Возможен вариант реализации способа, когда топливную смесь выполняют и вводят в виде твердых мишеней, нейтроны фокусируют в фокусной области на расстоянии от ее центра таком, что распределение плотности нейтронов в фокусной области имеет минимум в центре, а ближайшие максимумы лежат на расстоянии, большем размера мишеней. A possible implementation of the method is when the fuel mixture is carried out and introduced in the form of solid targets, the neutrons are focused in the focal region at a distance from its center such that the distribution of neutron density in the focal region has a minimum at the center, and the nearest maxima lie at a distance larger than the size of the targets .
Сущность предложенного, управляемого термоядерного реактора заключается в том, что в реакторе, который содержит рабочую камеру с узлом формирования и удержания плазмы и областью удержания плазмы, узел подготовки и узел ввода топливной смеси, устройство энергосъема-энергопреобразования, устройство сепарации продуктов реакций, согласно изобретению узел формирования плазмы снабжен устройством термализации и формирования направленного потока нейтронов с фокусной областью, узел ввода топливной смеси ориентирован в фокусную область устройства термализации и формирования направленного потока нейтронов, узел сепарации продуктов реакций соединен с узлом подготовки топливной смеси. The essence of the proposed controlled nuclear fusion reactor is that in a reactor that contains a working chamber with a plasma forming and holding unit and a plasma holding area, a preparation unit and a fuel mixture input unit, an energy removal-energy conversion device, a reaction product separation device, according to the invention, an assembly of plasma formation is equipped with a thermalization device and the formation of a directed neutron flux with a focal region, the fuel mixture input unit is oriented to the focal region of the device oystva thermalization and formation of directional flux of neutrons, the reaction products separation assembly is connected to the node preparing the fuel mixture.
Возможен вариант реализации реактора, отличающийся тем, что устройство энергосъема-энергопреобразования содержит контур теплоносителя с каналами контура теплоносителя, который соединен с рабочей камерой и узлом сепарации продуктов реакций. A reactor embodiment is possible, characterized in that the energy removal-energy conversion device comprises a coolant circuit with channels of a coolant circuit, which is connected to a working chamber and a separation unit for reaction products.
Возможен вариант реализации реактора, отличающийся тем, что каналы контура теплоносителя на входе в рабочую камеру реактора имеют тангенциальный наклон относительно области удержания плазмы. A reactor embodiment is possible, characterized in that the channels of the coolant circuit at the entrance to the working chamber of the reactor have a tangential slope relative to the plasma confinement region.
Возможен вариант реализации реактора, отличающийся тем, что узел формирования и удержания плазмы выполнен в виде магнитной ловушки. A possible implementation of the reactor, characterized in that the site of the formation and retention of the plasma is made in the form of a magnetic trap.
Возможен вариант реализации реактора, отличающийся тем, что узел удержания плазмы выполнен в виде открытой магнитной ловушки, часть которой имеет форму магнитного сопла, соединенного с устройством энергосъема-энергопреобразования. A reactor implementation option is possible, characterized in that the plasma confinement unit is made in the form of an open magnetic trap, part of which has the form of a magnetic nozzle connected to an energy extraction-energy conversion device.
Возможен вариант реализации реактора, отличающийся тем, что магнитная ловушка содержит магнитные катушки, которые соединены с устройством энегосъема-энергопреобразования. A possible implementation of the reactor, characterized in that the magnetic trap contains magnetic coils that are connected to a device for energy extraction-energy conversion.
На фиг. 1 изображена технологическая схема способа управляемого термоядерного синтеза; на фиг. 2 показан цикл реализации способа, замкнутый по Т и 3Не; на фиг. 3 управляемый термоядерный реактор; на фиг. 4 управляемый термоядерный реактор на базе открытой магнитной ловушки с односторонней "бутылочной" конфигурацией поля; на фиг. 5 управляемый термоядерный реактор на базе закрытой магнитной ловушки типа "гофрированный тор" с осевым прогревом плазмы; на фиг. 6 управляемый термоядерный реактор на базе закрытой ловушки "тормак" с периферийным прогревом плазмы; на фиг. 7 управляемый термоядерный реактор с шаровой симметрией устройства термализации и формирования направленного потока нейтронов; на фиг. 8 график пространственного распределения нейтронов в фокусе устройства термализации и формирования направленного потока нейтронов реактора; на фиг. 9 график зависимости от времени потока нейтронов в фокусе устройства термализации и формирования направленного потока нейтронов.In FIG. 1 shows a flow chart of a method of controlled thermonuclear fusion; in FIG. 2 shows a cycle of the method, closed by T and 3 He; in FIG. 3 controlled thermonuclear reactor; in FIG. 4 controlled thermonuclear reactor based on an open magnetic trap with a one-sided “bottle” field configuration; in FIG. 5 controlled thermonuclear reactor based on a closed corrugated torus magnetic trap with axial plasma heating; in FIG. 6 controlled thermonuclear reactor based on a closed trap "tormac" with peripheral plasma heating; in FIG. 7 controlled thermonuclear reactor with spherical symmetry of a thermalization device and the formation of a directed neutron flux; in FIG. 8 is a graph of the spatial distribution of neutrons in the focus of a thermalization device and the formation of a directed neutron flux of a reactor; in FIG. 9 is a graph of neutron flux versus time at the focus of a thermalization device and the formation of a directed neutron flux.
Предлагаемый реактор содержит рабочую камеру 1, узел 2 формирования и удержания плазмы, узел 3 подготовки топливной смеси, узел 4 ввода топливной смеси, устройство 5 энергосъема-энергопреобразования, устройство 6 сепарации продуктов реакций, устройство 7 термализации и формирования потока нейтронов, фокусную область 8 устройства термализации и формирования потока нейтронов, внешний источник 9 нейтронов, контур 10 теплоносителя, дополнительную фокусную область 11, область 12 удержания плазмы. The proposed reactor contains a
Внутри защитного корпуса реактора размещена рабочая (реакционная) камера 1, которую охватывает устройство 7 термализации и формирования потока нейтронов. Фокусные области 8 устройства термализации и формирования потока нейтронов находятся внутри рабочей камеры 1 реактора. Сквозь устройство 7 термализации и формирования направленного потока нейтронов и рабочую камеру 1 проходят каналы узла 4 ввода топливной смеси, которые соединены с узлом 3 подготовки топливной смеси, и узла сепарации 6 продуктов реакций, который соединен с узлом 3 подготовки топливной смеси и узлом 4 ее ввода. Каналы узла 4 ввода топливной смеси и узла 6 сепарации продуктов реакций могут быть совмещены с каналами контура 10 теплоносителя. Контур 10 теплоносителя проходит через рабочую камеру 1 с областью 12 удержания плазмы, устройство 6 сепарации продуктов реакций и устройство 5 энергосъема-энергопреобразования. Узел 2 формирования и удержания плазмы охватывает рабочую камеру 1 и проникает в нее полями и потоками частиц. Внутрь реактора может быть введен управляемый источник 9 нейтронов. Вне рабочей камеры могут быть размещены дополнительные фокусные области 11 с устройствами использования избыточных нейтронов. Устройство 5 энергосъема-энергопреобразования может быть соединено с магнитными катушками узла формирования и удержания плазмы. A working (reaction)
Способ управляемого термоядерного синтеза, включающий подготовку, ввод и нагрев топливной смеси, содержащей дейтерий и тритий, до темпеpатур ядерного взаимодействия, удержание плазмы и преобразование энергии, заключается в том, что в исходную топливную смесь добавляют вещества, взаимодействующие с нейтронами с положительным энерговыделением и образующие тритий в результате реакций синтеза, например, 3Не, 6Li. Смесь вводят в область с высокой плотностью нейтронов, где она разогревается в ходе протекающих реакций до термоядерных температур. Рождающиеся затем в горячей плазме за счет ядерных реакций синтеза (D+D), (D+T) в области 12 удержания плазмы быстрые нейтроны термализуют внутри устройства 7 термализации и формирования направленного потока нейтронов за счет отражений от ее поверхностей и формируют из них поток движущихся в выделенных направлениях нейтронов. В результате этого образуют вне вещества структуры устройства термализации и формирования направленного потока нейтронов внутри реактора фокусные области с высокой плотностью нейтронов, в которые вновь вводят топливную смесь. Ядра трития и гелия-3, образующиеся в протекающих в реакторе ядерных реакциях, после энергосъема-энергопреобразования выделившейся в процессе энергии выделяют из продуктов реакций, а в последующем включают в топливную смесь и вновь вводят в реактор.The method of controlled thermonuclear fusion, including the preparation, introduction and heating of a fuel mixture containing deuterium and tritium to the temperatures of nuclear interaction, plasma confinement and energy conversion, consists in adding substances that interact with positive energy release neutrons to form the initial fuel mixture tritium as a result of synthesis reactions, for example, 3 He, 6 Li. The mixture is introduced into the region with a high neutron density, where it is heated in the course of reactions to thermonuclear temperatures. Then, the fast neutrons are generated in a hot plasma due to nuclear fusion reactions (D + D), (D + T) in the
Существенно, что в описываемом способе выгорающие в фокусной области 8 (области катализа) ядра 3Не восполняют за счет их рождения в основных реакциях синтеза, а выгорающие в области 12 удержания плазмы ядра 3Н восполняют за счет их рождения в нейтронно-ядерных реакциях с 3Не и 6Li. Одновременно сосуществуют (D+D)-подцикл, в котором рождаются и выжигаются ядра 3Не, Т, а также (D+T)-подцикл, в котором выжигаются ядра трития.It is essential that in the described method burnable within the focus region 8 (catalysis) of the core 3 is not compensated at the expense of their production in main syntheses, and burn-in
При реализации способа важен каталитически замкнутый цикл работы устройства, самостабилизированный по Т и 3Не (см.фиг.2). Важно, что полный цикл избыточен по нейтронам. Должен выгорать один из трех рожденных в цикле нейтронов, что снижает требования к добротности устройства термализации и формирования направленного потока нейтронов, а в пределе, поглощая избыточные нейтроны легкими изотопами водорода, частично замкнуть цикл и по дейтерию.When implementing the method, a catalytically closed cycle of the device’s operation, which is self-stabilized by T and 3 He, is important (see Fig. 2). It is important that the full cycle is neutron redundant. One of the three neutrons born in the cycle should burn out, which reduces the requirements for the quality factor of the thermalization device and the formation of a directed neutron flux, and in the limit, by absorbing excess neutrons with light hydrogen isotopes, partially close the cycle by deuterium as well.
При реализации способа в описываемом процессе протекают также реакции 3Не, 6Li, 7Li, с ядрами D и Т, и более детальный анализ должен учитывать и их взаимодействие, но они несущественно влияют на каталитическую замкнутость цикла способа (см. таблицу).When implementing the method in the described process, 3 He, 6 Li, 7 Li reactions also occur with D and T nuclei, and a more detailed analysis should take into account their interaction, but they do not significantly affect the catalytic closure of the method cycle (see table).
Возможно включение в исходную топливную смесь также изотопов 7Be, 10B и др. не содержащих трития среди продуктов реакций, но поскольку в этих случаях среди продуктов их взаимодействия есть изотопы 6Li и 7Li, содержащие тритий среди продуктов их реакций с нейтронами, это является лишь модификацией предлагаемого способа. Применение 7Ве ограничено его малым временем жизни.It is possible to include in the initial fuel mixture isotopes 7 Be, 10 B, etc., not containing tritium among the reaction products, but since in these cases among the products of their interaction there are 6 Li and 7 Li isotopes containing tritium among the products of their reactions with neutrons, this is only a modification of the proposed method. The use of 7 Be is limited by its short lifetime.
При реализации способа существенно наличие стационарного, каталитически замкнутого по всем участвующим в процессе изотопам режима его реализации. Этот режим характеризуется тем, что на каждые четыре взаимодействующих ядра дейтерия в цикле в топливную смесь вводят одно взаимодействующее с нейтронами ядро гелия-3. When implementing the method, the presence of a stationary mode, catalytically closed by all the isotopes involved in the process, is essential for its implementation. This mode is characterized by the fact that for every four interacting deuterium nuclei in the cycle, one helium-3 core interacting with neutrons is introduced into the fuel mixture.
Режим каталитически замкнутого по всем участвующим изотопам стационарного выгорания плазмы можно также представить как режим, когда выполняется следующее соотношение между параметрами (см.пример 5), характеризующими плазму:
nD · < σ ·V>D-D ≥ nT · < σ ·V>D-T.The regime of stationary plasma burn-out catalytically closed for all participating isotopes can also be represented as a regime when the following relationship between the parameters (see Example 5) characterizing the plasma is fulfilled:
n D · <σ · V> DD ≥ n T · <σ · V> DT .
При этом количество ядер трития и ядер гелия-3, рождающихся и выгорающих при реализации способа, постоянно, и способ является каталитически замкнутым по этим изотопам. Способ будет реализован и тогда, когда он каталитически не замкнут, но при этом или будет идти постоянная наработка данных изотопов, или нужен их ввод. Moreover, the number of tritium nuclei and helium-3 nuclei that are born and burn out during the implementation of the method is constant, and the method is catalytically closed by these isotopes. The method will be implemented even when it is not catalytically closed, but at the same time either the isotopes of these isotopes will be continuously produced, or their input is needed.
Возможен вариант реализации способа, отличающийся тем, что топливную смесь выполняют и вводят в виде твердых мишеней, нейтроны фокусируют в фокусной области на расстоянии от ее центра таком, что распределение плотности нейтронов в фокусной области имеет минимум в центре, а ближайшие максимумы лежат на расстоянии, большем размера мишеней. Это позволяет за счет неоднородного выгорания мишеней в фокусной области самоцентрировать их, при этом увеличить время удержания и выгорания мишени. A possible implementation of the method, characterized in that the fuel mixture is carried out and introduced in the form of solid targets, the neutrons are focused in the focal region at a distance from its center such that the distribution of neutron density in the focal region has a minimum at the center, and the nearest maxima lie at a distance larger targets. This makes it possible to self-center them due to inhomogeneous burning of targets in the focal region, while increasing the retention and burning time of the target.
Главное, что отличает предлагаемый способ получения энергии в управляемом реакторе термоядерного синтеза дейтерия и трития, это то, что нагрев исходной реакционной смеси не "внешний" (с помощью введения в нагреваемый объем энергии), а "внутренний" за счет экзотермических реакций взаимодействия ядер нагреваемой смеси с нейтронами. В этом случае как в области нагрева (фокусе), так и в области выгорания (синтеза) (области могут совпадать пространственно) энергетический баланс положителен. При организации с помощью замедляюще-фокусирующей структуры замкнутого движения нейтронов способ энергетически выгоден, а при сепарации изотопов Т, 3Не, и их возврате в исходную смесь не ограничен и по сырьевой базе. Ядра Т и 3Не, выгорая, самовозобновляются в цикле способа.The main thing that distinguishes the proposed method for generating energy in a controlled fusion reactor of deuterium and tritium is that the heating of the initial reaction mixture is not "external" (by introducing energy into the heated volume), but "internal" due to exothermic reactions of the interaction of the nuclei of the heated mixtures with neutrons. In this case, both in the heating region (focus) and in the region of burnout (synthesis) (the region may spatially coincide), the energy balance is positive. When organizing a closed neutron motion using the retarding-focusing structure, the method is energetically favorable, and when separating T, 3 He isotopes, and returning them to the original mixture is not limited by the raw material base. The nuclei of T and 3 He, fading, self-renew in the cycle of the method.
Реактор управляемого термоядерного синтеза работает следующим образом. The controlled thermonuclear fusion reactor operates as follows.
Рожденные в реакторе быстрые нейтроны, войдя в устройство 7 термализации и формирования направленного потока нейтронов, двигаются в веществе анизотропного замедлителя и отдают ему свою энергию, которая отводится от структуры потоком теплоносителя. Потерявшие энергию, термализованные нейтроны диффундируют в веществе структуры, рассеиваясь на ядрах замедлителя и управляемо отражаясь от поверхностей анизотропной структуры, формируются в направленный к фокусным областям 8 поток нейтронов. Одновременно узел 4 ввода топливной смеси направляет в фокусную область 8 топливную смесь, которая содержит в своем составе ядра 3Не и (или) 6Li, а также D и Т. Для того, чтобы длина взаимодействия ln была порядка (или меньше) размеров фокусной области 8, необходимо, чтобы топливная смесь входила в эту область либо в твердом и жидком, либо в газообразном состоянии при РНе-3 ≥10-2 атм (ln ≅ 1см). В результате экзотермических реакций потока нейтронов с ядрами 3Не и 6Li в части фокусной области в области катализа происходит внутренний разогрев смеси. Рожденные в области 12 синтеза быстрые нейтроны термализуют в устройстве 7 термализации и формирования потока направленных нейтронов и возвращают в фокусную область 8 устройства. Цикл жизни нейтронов повторяется.Fast neutrons born in the reactor, entering the
Внешний источник 9 нейтронов может быть выполнен в виде устройства, которое реализует генерацию потока нейтронов за счет протекания ядерных реакций, в результате которых образуются нейтроны, например, (α, n или γ,n), или реакций деления, и необходим только для инициирования процесса. The
Реактор может работать и без внешнего источника нейтронов с прогревом плазмы, как и в обычных термоядерных реакторах, внешними источниками энергии на начальном этапе работы устройства до инициирования первичных быстрых нейтронов в плазме. The reactor can operate without an external neutron source with plasma heating, as in conventional thermonuclear reactors, with external energy sources at the initial stage of operation of the device until the initiation of primary fast neutrons in the plasma.
В дополнительных фокусных областях 11 могут быть размещены устройства использования избыточных нейтронов. Это может быть, например, устройство для наработки дейтерия из "легкой воды" путем ее прокачки через область дополнительного фокуса устройства 7 термализации и формирования направленного потока нейтронов или иные устройства для получения изотопов веществ. In additional
При использовании в устройстве термализации и формирования направленного потока нейтронов нейтронно-отражающих суперзеркал с ферромагнитными отражающими покрытиями возможно управление потоком нейтронов в фокусы и дополнительные фокусы ЗФС изменением внешнего магнитного поля и тем самым дополнитель- ное управление работой источников нейтронов и устройств использования избыточных нейтронов. Using a neutron-reflecting super-mirror with ferromagnetic reflecting coatings in the device for thermalizing and generating a directed neutron flux, it is possible to control the neutron flux into the foci and additional PFS foci by changing the external magnetic field and thereby additional control of the operation of neutron sources and devices for using excess neutrons.
Устройство 6 сепарации продуктов реакций выделяет продукты реакций, прежде всего дейтерий, тритий, гелий-3, а также вещества, не участвующие в каталитическом цикле атомы 3Не и Н, для их вывода. Сепарацию этих веществ можно проводить любым известным способом, например сорбционным и низкотемпературным разделением.The
Узел 3 подготовки топливной смеси может быть выполнен любым, например в виде смесителя и компрессора для рабочего вещества в газовой или жидкой фазах или в виде внешнего устройства для изготовления твердых мишеней, например, из дейтерида лития, или в виде полых шаровых мишеней, содержащих D, T, 3He, 6Li, 7Li ( 7Be, 10B).The fuel
Узел 4 ввода топливной смеси может быть выполнен в виде любого инжектора, например в виде струйного сопла для газа или жидкости или в виде стреляющего устройства для твердых мишеней. The fuel
Узлы 3 и 4 подготовки и ввода рабочего вещества совместно с устройством 6 сепарации продуктов реакций в реакторе управляемого термоядерного синтеза обеспечивают необходимый режим работы реактора и каталитическую замкнутость процесса по 3Не и Т, управляя их составом на входе в реактор и изменяя их состав после вывода из рабочей камеры 1.The
Узел 2 формирования и удержания горячей термоядерной плазмы может быть любым. Он может быть выполнен, например, в виде магнитных изолирующих ловушек с замкнутым магнитным полем, может быть выполнен с полем открытых конфигураций ловушек.
Устройство 5 энергосъема-энергопреобразования, как и в прототипе, прежде всего содержит систему съема выделившейся энергии быстрых продуктов реакций в реакторе как от заряженных, так и от нейтральных частиц на конструкционных элементах реактора, включая энергосъем с устройства формирования и фокусирования потока тепловых нейтронов, от термализуемых в быстрых нейтронах. Дополнительно теплоноситель рабочее вещество системы энергосъема-энергопреобразования посредством контура 10 теплоносителя прокачивают через рабочую камеру 1 реактора для съема выделяющейся там энергии. В качестве теплоносителя необходимо использовать вещества с малым сечением захвата нейтронов, не агрессивные при их температурной деструкции, например 15N2, 4He, причем использование 4Не в рабочей камере реактора наиболее обосновано, хотя в связи с температурной деструкцией 15N2 энергосъем с плазмы с его использованием более эффективен.The
Контур 10 теплосъема имеет устройство 5 энергосъема-энергопреобразования, которое может быть как теплообменным устройством, соединенным с тепловой машиной для преобразования тепловой энергии в другие виды, например в электрическую, так и устройством прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, например МГД- или ЭГД-генератором. Перед входом в устройство прямого преобразования энергии может находиться устройство преобразования энергии, выполненное в виде сопла, например магнитного, которое преобразует тепловую энергию рабочего вещества в его продольное движение. При этом интересен вариант (см. фиг. 4) выполнения устройства с системой 2 удержания плазмы, выполненной в виде открытой магнитной ловушки. Горячая плазма и теплоноситель через открытую часть магнитной ловушки выходят в область их расширения, магнитное поле в котором также расширяется и выполнено в форме магнитного сопла. "Внутренний" прогрев топливной смеси и требования высокой плотности вещества при этом существенно изменяют требования на величину рабочего давления внутри камеры. Это уже не обязательно требование низкого давления внутри камеры. Теплоноситель может и должен прокачиваться через рабочий объем устройства, что сразу снижает тепловые нагрузки на внутренней стенке устройства. В процессе работы плазменный шнур обтекается теплоносящим веществом контура 10, которое, охлаждая периферийную область, снимая энергию с повеpхности плазмы, нейтрализуя ее внешние частицы, обрывает ее радиальный дрейф и создает возможность для непрерывной работы устройства. Кроме того, подобно тому, как это происходит в СВЧ-плазмотронах, тангенциальная закрученность потока теплоносителя дополнительно стабилизирует плазму у оси ловушки. The
Потери вещества и энергии на периферии области синтеза компенсируются инжекцией в нее горячей плазмы путем инжекции исходной топливной смеси в фокусную область 8 устройства 7 термализации и формирования направленного потока термализованных нейтронов и самопрогрева инжектируемой смеси в нейтронно-ядерных реакциях (см.примеры 4 и 5). Losses of matter and energy at the periphery of the synthesis region are compensated by injection of hot plasma into it by injection of the initial fuel mixture into the
Возможен также вариант, когда контур 10 теплосъема разорван, а устройство преобразования энергии выполнено в виде сопла, например магнитного, преобразующего тепловую энергию рабочего вещества в движение. Он может быть использован в виде реактивного движителя. It is also possible that the
Необходимо обратить внимание на то, что сечение взаимодействия нейтронов с веществом растет с уменьшением энергии взаимодействия частиц, а длина взаимодействия нейтронов ln 1/n · σ зависит от плотности этих ядер в веществе топливной смеси. Поэтому в фокусной области 8 необходимо либо создать условия, в которых плотность топливной смеси сохранялась (или росла), либо быстрые частицы, рожденные в результате нейтронного нагрева, должны уходить из области каталитического нагрева в область выгорания, сохраняя область 8 каталитического нагрева холодной и плотной. С этой целью при вводе топливной смеси в газовой фазе область 8 катализа (область фокусирования нейтронов прогрева плазмы в реакциях взаимодействия изотопов с нейтронами и рождения быстрых ядер трития) размещена в сильном магнитном поле, спадающем в направлении магнитной ловушки (области удержания плазмы). Поэтому появляющиеся в экзотермических нейтронно-ядерных реакциях быстрые заряженные частицы (горячая плазма) градиентом магнитного поля "вбрасываются" в область 12 удержания и отрываются от относительно холодного, плотного инжектируемого вещества топливной смеси.It is necessary to pay attention to the fact that the cross section for the interaction of neutrons with matter increases with decreasing energy of the interaction of particles, and the length of the interaction of
Выполнение реактора в варианте, когда вводимая топливная смесь имеет вид мишеней, которые периодически вводят в область 8 фокуса, позволяет реализовывать режим работы, подобный работе лазерных инерционных установок (пример 5). The implementation of the reactor in the case where the injected fuel mixture has the form of targets that are periodically introduced into the
При достаточно большой скорости инжекции (V ≥105 см/с) инжектируемое вещество почти не взаимодействует с плазмой реактора и разогревается только при взаимодействии с нейтронами в фокусных областях до термоядерных температур.At a sufficiently high injection rate (V ≥10 5 cm / s), the injected substance hardly interacts with the plasma of the reactor and heats up only when interacting with neutrons in the focal regions to thermonuclear temperatures.
Реализация реактора таким, чтобы распределение плотности нейтронов имело минимум в центре фокуса, например, путем сведения потока нейтронов на некоторую шаровую поверхность около фокуса с размерами поверхности, несколько большими размеров мишени, позволяет самоцентрировать мишень в процессе ее выгорания (фиг. 7,8). При этом фокусная область дополнительно может находиться в поле магнитной ловушки реактора, что позволяет дожигать плазму, уходящую из этой инерционно-удерживающей области в магнитно-удерживающую область реактора. The implementation of the reactor so that the distribution of the neutron density had a minimum in the center of the focus, for example, by reducing the neutron flux to some spherical surface near the focus with the surface dimensions slightly larger than the target, allows the target to self-center during burnout (Fig. 7.8). In this case, the focal region can additionally be in the field of the magnetic trap of the reactor, which makes it possible to burn off the plasma leaving this inertial-confining region to the magnetically confining region of the reactor.
Если период работы реактора меньше, чем время вымирания нейтронов в устройстве формирования направленного потока нейтронов (пример 5), то в момент инжекции топлива в нейтронные фокусы оно взаимодействует с нейтронами, рожденными в предыдущих актах синтеза в горячей плазме (фиг.9), даже если процесс синтеза периодически при малом удерживающем поле прерывается. If the reactor’s operating period is shorter than the neutron extinction time in the device for generating a directed neutron flux (Example 5), then at the moment of fuel injection into neutron foci it interacts with neutrons generated in previous synthesis events in a hot plasma (Fig. 9), even if the synthesis process is interrupted periodically with a small confining field.
Особо отметим в этом случае вариант выполнения системы 2 удержания плазмы с магнитными ловушками 12, которые содержат магнитные катушки, которые соединены с устройством 5 энергосъема-энергопреобразования, а магнитное поле является периодическим. При этом в связи с диамагнитностью плазмы выделяющаяся энергия при расширении плазмы индуцируется в магнитной системе удержания плазмы в ток, который через контур энергопитания системы энергосъема-энергопреобразования и далее, например, через трансформатор связи может быть передан на полезную нагрузку. In this case, we especially note the embodiment of the
Интересен вариант выполнения реактора, когда период изменения магнитного поля и тока в контуре является резонансным для данного контура, а добротность контура высока. An interesting embodiment of the reactor is when the period of change in the magnetic field and current in the circuit is resonant for a given circuit, and the quality factor of the circuit is high.
При выполнении внутренних поверхностей устройства 7 термализации и формирования потока термализованных нейтронов в виде суперзеркал, с ферромагнитными покрытиями в связи с зависимостью коэффициента отражения зеркал от величины магнитного поля поток нейтронов в направлении фокусов периодичен при периодическом внешнем магнитном поле устройства. When performing the internal surfaces of the
П р и м е р 1. Возможны различные варианты выполнения узла 2 формирования и удержания горячей термоядерной плазмы в управляемом термоядерном реакторе синтеза. Он может быть выполнен в виде различных магнитных ловушек (фиг. 5,6), например на базе закрытой магнитной ловушки типа "гофрированный тор" с осевым прогревом плазмы, на базе открытой ловушки "тормак" с периферийным прогревом плазмы и др. PRI me
Выполнение реактора с закрытой магнитной ловушкой, удерживающей горячую термоядерную плазму, когда магнитное поле системы формирования и удержания плазмы замкнуто и торовидно, позволяет удерживать достаточно долго значительные объемы плазмы. В вопросах стабилизации плазмы в магнитных ловушках в настоящее время достигнуты значительные успехи. Время жизни горячих частиц плазмы в основном определяется скоростью турбулентной диффузии ее частиц поперек магнитного поля. Область 8 фокусов устройства формирования направленного потока термализованных нейтронов (ЗФС) может быть размещена в сильном магнитном поле, спадающем в направлении области 12 удержания плазмы. Поэтому появляющиеся в экзотермических нейтронно-ядерных реакциях быстрые заряженные частицы, появляющаяся горячая плазма, градиентом магнитного поля "вбрасываются" в ловушку, отрываются от относительно холодного, плотного инжектируемого вещества топливной смеси. При этом область сильного поля (совместно с фокусом ЗФС) может быть выполнена на оси тора в виде перетяжки в кольцевом (азимутальном) магнитном поле, что интересно для замкнутых ловушек типа "гофрированный тор", а также "стеллатор" и "торсатрон" с дополнительными "перетягивающими" катушками и нарушенным постоянством поля вдоль азимута и оси тора. Для устройств типа "тормак", "тополотрон", характерных наличием сильного поперечного спадающего в направлении магнитной ловушки (оси области удержания) магнитного поля и явно выраженным максимумом поля на периферии плазменного шнура, область прогрева (область катализа) и фокусы ЗФС могут быть помещены на периферии. Для всех устройств магнитного удержания, в особенности устройств типа "токамак", характеризуемых периодическим процессом работы, отсутствием явно выраженного градиента поперечного оси плазменного шнура магнитного поля в направлении к оси шнура, существенностью индуцированного тока вдоль плазменного шнура и поэтому не допускающих магнитных перетяжек на шнуре, возможно выполнение реактора, когда фокусы ЗФС помещены внутрь области удержания, но не выделены максимумом магнитного поля, а топливо инжектируется в виде твердых мишеней. The implementation of the reactor with a closed magnetic trap that holds the hot thermonuclear plasma, when the magnetic field of the plasma formation and confinement system is closed and toroidal, allows holding significant volumes of plasma for a sufficiently long time. Considerable successes have now been achieved in matters of plasma stabilization in magnetic traps. The lifetime of hot plasma particles is mainly determined by the speed of turbulent diffusion of its particles across the magnetic field. The
П р и м е р 2. Реактор с магнитной системой 2 формирования и удержания плазмы, выполненной "открытой" такой, что фокусная область ЗФС пространственно совпадает с максимумом магнитного поля, находящимся между областями удержания (магнитными ловушками), а устройства энергопреобразования помещены напротив открытых торцов магнитных ловушек, может быть выполнен с магнитным полем ловушек как "бейсбольной", так и "бутылочной" конфигурации (фиг.4). Example 2. A reactor with a
Выполнение реактора таким, что магнитная система 2 формирования и удержания плазмы открытая, когда фокусная область 8 находится в области с ненулевым, направленным внутрь области удержания (ловушки) градиентом магнитного поля, а со стороны "открытого" торца магнитной ловушки помещено расширяющееся сопло, магнитное поле которого тоже расширяется, интересно для применения устройства в качестве реактивного двигателя. Работа устройства ничем существенно не отличается от работы устройства на базе "двухсторонней" открытой магнитной ловушки. Поток рабочего вещества может быть направлен как вдоль, так и поперек магнитного поля со стороны "закрытого" торца магнитной ловушки. The design of the reactor so that the
П р и м е р 3. Рассматривая замедляюще-фокусирующую структуру (ЗФС), характеризуемую прежде всего как среду с резко выделенной анизотропностью замедляющего вещества и внутренней поверхностной проводимостью для отселектированных структурой нейтронов с возможностью геометрической фокусировки потоков нейтронов в фокусных областях структуры, можно оценить скорость селекции нейтронов элементом структуры как
(dn/d τout= Kw ·Kv ·Kt ·n/τs, где n плотность тепловых нейтронов в среде;
τs, время между столкновениями нейтронов с веществом среды;
τs ls/Vn, где ls длина пробега нейтронов в среде ЗФС,
ls 1/(ns · σs), где ns плотность вещества замедлителя;
σs сечение рассеяния нейтронов веществом;
Vn скорость тепловых нейтронов;
Vn 2,2 ·105 см/с;
Кw эффективность захвата нейтронов по углам;
Кwω / 4 π где π 3,1416;
ω- область (угловая) захвата нейтронов селектирующей структурой;
Кv объемная эффективность захвата нейтронов;
Кv > ls · Φs/h, где h межканальное расстояние в области селекции;
Кt эффективность транспортировки нейтронов в каналах путем многократного отражения пологопадающих нейтронов их поверхностью.Example 3. Considering a retardation-focusing structure (ZFS), characterized primarily as a medium with sharply distinguished anisotropy of the retardant and internal surface conductivity for neutrons selected by the structure with the possibility of geometric focusing of neutron fluxes in the focal regions of the structure, we can estimate the velocity neutron selection as an element of the structure as
(dn / d τ out = K w · K v · K t · n / τ s , where n is the density of thermal neutrons in the medium;
τ s , time between neutron collisions with the substance of the medium;
τ s l s / V n , where l s is the mean free path of neutrons in the PFS medium,
σ s is the neutron scattering cross section for matter;
V n is the speed of thermal neutrons;
V n 2.2 · 10 5 cm / s;
K w neutron capture efficiency in the corners;
K w ω / 4 π where
ω is the region (angular) of neutron capture by a selective structure;
K v volumetric efficiency of neutron capture;
To v > l s · Φ s / h, where h is the inter-channel distance in the selection region;
To t is the efficiency of neutron transport in channels by multiple reflection of dipping neutrons by their surface.
Для линейных структур (структур с близколежащими линейными каналами селекции)
Kw Φs/π, где Φ угол между направлением осей каналов селекции и направлением движения захваченного нейтрона;
Φ < Φs где Φs угол полного отражения нейтронов поверхностью каналов.For linear structures (structures with closely spaced linear selection channels)
K w Φ s / π, where Φ is the angle between the direction of the axes of the selection channels and the direction of motion of the captured neutron;
Φ <Φ s where Φ s is the angle of total neutron reflection by the channel surface.
Для плоских структур (структур с близколежащими плоскостями и каналами селекции нейтронов между ними
Kw Φs/π, где Φ угол между направлением движения захваченного нейтрона и плоскостью элемента структуры:
Φ < Φs, где Φs угол полного отражения нейтронов поверхностью каналов.For planar structures (structures with closely spaced planes and neutron selection channels between them
K w Φ s / π, where Φ is the angle between the direction of motion of the captured neutron and the plane of the structure element:
Φ <Φ s , where Φ s is the angle of total neutron reflection by the channel surface.
Для захваченных структурой нейтронов Kt→ 1. Отсюда (dn/dτ)out Kw ·Kv ·Kt ·n ·Vn/ls.For neutrons captured by the structure, K t → 1. Hence (dn / dτ) out K w · K v · K t · n · V n / l s .
В области селекции на длине каналов dx при поперечном сечении области селекции S суммарный поток составляет
(dN/dτ)out( Kw ·Kv ·Kt ·n ·Vn/ls)·S ·dx.In the selection region along the length of the channels dx with a cross section of the selection region S, the total flow is
(dN / dτ) out (K w · K v · K t · n · V n / l s ) · S · dx.
Можно записать это соотношение через плотность потока отселектированных элементом структуры нейтронов dn2:
(dN/dτ)out S ·Vn ·dn2. Отсюда dn2 n (Kw ·Kv ·Kt/ls) ·dx.This relation can be written in terms of the flux density of the neutrons selected by an element of the neutron structure dn 2
(dN / dτ) out S V n dn 2 . Hence dn 2 n (K w · K v · K t / l s ) · dx.
Введем τfull характерное время потери нейтронов элементом структуры:
τfull 1/(1 /τout+ 1/τa + 1/τn)
Характерное время селекции нейтронов элементами структуры можно оценить как
τout τs /(Kw ·Kv · Kt): где τout ≈ 10-2 c;
τs ≈ 10-5 c.We introduce the τ full characteristic time of neutron loss by an element of the structure:
The characteristic time of neutron selection by structural elements can be estimated as
τ out τ s / (K w · K v · K t ): where τ out ≈ 10 -2 s;
τ s ≈ 10 -5 s.
τa время поглощения нейтронов веществом ЗФС:
τa la/Vn, где la длина пробега нейтронов в среде ЗФС:
la 1/(ns · σa ), где ns плотность вещества замедлителя;
σa сечение поглощения нейтронов веществом.τ a the time of absorption of neutrons by the substance ZFS:
τ a l a / V n , where l a the mean free path of neutrons in the PFS medium:
σ a is the neutron absorption cross section for matter.
τn время жизни нейтронов;
τn 898,16 с.τ n neutron lifetime;
τ n 898.16 s.
Максимальное число проходов нейтронами фокуса
Nf τfull/τa.Maximum number of passes by focus neutrons
N f τ full / τ a .
Введем для оценки характеристики структуры, число столкновений нейтронов с ядрами вещества до селекции Nout.Let us introduce to evaluate the characteristics of the structure, the number of collisions of neutrons with nuclei of matter before selection N out .
Nout 1/(Kw ·Kv · Kt).
Определим Ка коэффициент селекции нейтронов;
Ка (dN/d τ)out/(dN/d τ)abs;
Kaτa /τout;
Ka (σs / σa) ·Kw ·Kt;
Ka Ns· Kw ·Kt;
Ka Ns/Nout;
(dN/d τ)abs скорость поглощения нейтронов веществом;
Ns количество (максимальное) столкновений нейтронов с веществом структуры:
Ns(σs / σa)
Для характеристики ЗФС полезно ввести коэффициент эффективности вывода нейтронов структурой
Keff (dN/d τ)out (dN/dτ) full;
Keff 1/(1+1/Ka ·(1 +τa /τ n));
(dN/dτ)full скорость вывода нейтронов веществом.To define a coefficient selection neutrons;
K a (dN / d τ) out / (dN / d τ) abs ;
K a τ a / τ out;
K a (σ s / σ a ) · K w · K t;
K a N s · K w · K t;
K a Ns / N out ;
(dN / d τ) abs the neutron absorption rate by a substance;
N s the number (maximum) of neutron collisions with the substance of the structure:
N s (σ s / σ a )
To characterize the PFS, it is useful to introduce a coefficient of the efficiency of neutron removal by
K eff (dN / dτ) out (dN / dτ) full ;
(dN / dτ) full rate of neutron removal by matter.
Видно, что в структурах, в которых Ка >> 1, Кеff → 1.It can be seen that in structures in which К а >> 1, К еff → 1.
По аналогии с диффузионной длиной L, характеризующей меру смещения тепловых нейтронов в процессе их диффузии,
L (D · τa )1/2 (ls ·la/3)1/2 ls ·(Ns/3)1/2 можно ввести длину диффузии тепловых нейтронов в процессе их селекции
Lout (D· τout)1/2 ls· (Nout/3)1/2L ·(1/Ka)1/2.By analogy with the diffusion length L, which characterizes the measure of displacement of thermal neutrons in the process of their diffusion,
L (D · τ a ) 1/2 (l s · l a / 3) 1/2 l s · (N s / 3) 1/2 you can enter the diffusion length of thermal neutrons in the process of selection
L out (D · τ out ) 1/2 l s · (N out / 3) 1/2 L · (1 / K a ) 1/2 .
В эффективно действующей ЗФС Lout < L.In an effective ZFS, L out <L.
Видно, что в структуре с ЗФС выход нейтронов, если они были термализованы в ее глубине, определяется уже не диффузным их выходом, а селективно-канальным их выводом. Более того, поскольку Lout это длина диффузии нейтронов, но в структуре с ЗФС, и поскольку Lout < L, то поток чисто диффузных нейтронов в сравнении с блоком такого же замедляющего вещества и тех же размеров с поверхности должен резко упасть.It can be seen that in a structure with PFS, the neutron yield, if they were thermalized in its depth, is no longer determined by their diffuse output, but by their selective channel output. Moreover, since L out is the diffusion length of neutrons, but in a structure with PFS, and since L out <L, the flux of purely diffuse neutrons in comparison with a block of the same moderating substance and the same size from the surface should drop sharply.
Считая для примера, что внутри постоянной по параметрам ЗФС нейтроны, имея плотность no в максимуме, спадают линейно к границе, найдем плотность нейтронов в потоке, выходящем из структуры толщиной Lo(с длиной канала селекции Lo) с каналами, перпендикулярными этой трубке селекции сечением S,
n2 (no/2) ·Kw ·Kv ·Kt ·(Lo/ls)
Для сравнения поток диффузных нейтронов с той же поверхности при подобном распределении нейтронов в замедлителе составляет
n1 2· no ·(ls/Lo).Assuming for example that inside a constant constant in the PFS parameters, neutrons, having a density n o at the maximum, decrease linearly to the boundary, we find the neutron density in the stream exiting the structure with a thickness L o (with a selection channel length L o ) with channels perpendicular to this tube selection section S,
n 2 (n o / 2) · K w · K v · K t · (L o / l s )
For comparison, the flux of diffuse neutrons from the same surface with a similar distribution of neutrons in the moderator is
Отсюда
n2/n1= (Kw ·Kv· Kt/4)· (Lo/ls)=(1/12) · (Lo/Lout)2.From here
n 2 / n 1 = (K w · K v · K t / 4) · (L o / l s ) = (1/12) · (L o / L out ) 2 .
Известны изотопы веществ, для которых величина Ns велика и достигает значений Ns(160) 1,9 ·104; Ns(15N) 1,9· 105; Ns(208Pb) 1,9 ·105; Ns (13C)
3 ·103; Ns(14C)=5 ·106, на основе, например, химических соединений которых возможно создание структур, эффективно использующих механизм селективного вывода тепловых нейтронов из глубины замедлителя при Lo >> ls и при малых значениях Lout.Isotopes of substances are known for which the value of N s is large and reaches the values of N s ( 16 0) 1.9 · 10 4 ; N s ( 15 N) 1.9 · 10 5 ; N s ( 208 Pb) 1.9 · 10 5 ; N s ( 13 C)
3 · 10 3 ; N s ( 14 C) = 5 · 10 6 , based on, for example, chemical compounds of which it is possible to create structures that effectively use the mechanism of selective removal of thermal neutrons from the depth of the moderator at L o >> l s and at small values of L out .
Поскольку поток выходящих из ЗФС нейтронов имеет малую угловую расходимость, то при формировании соответствующим образом структуры потоки можно сводить и интегрировать в некоторых выделенных областях, называемых фокусами структуры. В простейших случаях шаровой и цилиндрической симметрий устройств эффективность усиления плотности в сходящихся потоках можно оценить как
n(r )= n(Rin) (Rin/r)k n(Rin) ·(1/ Φs)k, где Rin внутренний радиус (размер) ЗФС;
k 1 для цилиндрических структур,
k 2 для шаровых структур;
Для фокусных районов
nf n2 ·(1/ Φs )2 для точечного фокуса или
nf n2 ·(1/ Φs) для линейного фокуса.Since the flux of neutrons emanating from the PFS has a small angular divergence, when the structure is formed appropriately, the fluxes can be reduced and integrated in some selected areas called structure foci. In the simplest cases of spherical and cylindrical symmetries of devices, the density gain efficiency in converging flows can be estimated as
n (r) = n (R in ) (R in / r) k n (R in ) · (1 / Φ s ) k , where R in is the internal radius (size) of the PFS;
For focal areas
n f n 2 · (1 / Φ s ) 2 for point focus or
n f n 2 · (1 / Φ s ) for linear focus.
Поэтому плотность нейтронов в фокусной области при точечной области фокуса можно оценить как
nf (3 ·no/2) ·(ls/Lout)2 ·(Lo/ls) ·(1/ Φs )2 или при линейной фокусной области ЗФС
nf (3 ·no/2) ·(ls/Lout)2 ·(Lo/ls) ·(1/ Φs ).Therefore, the neutron density in the focal region at the point region of the focus can be estimated as
n f (3 · n o / 2) · (l s / L out ) 2 · (L o / l s ) · (1 / Φ s ) 2 or with a linear focus area of the ZFS
n f (3 · n o / 2) · (l s / L out ) 2 · (L o / l s ) · (1 / Φ s ).
Видно, что возможно увеличение плотности нейтронов в движущемся (сходящемся) потоке нейтронов в сравнении с плотностью нейтронов в теле замедлителя. It is seen that it is possible to increase the neutron density in a moving (converging) neutron flux in comparison with the neutron density in the moderator body.
Рассмотрим пример конкретного выполнения устройства. Пусть структура выполнения из 208Pb. Тогда σs= 11,6 бн, σa= 4,9 ·10-4 бн, Ns 2,4 ·104, ns 3,3 ·1022 cм-3, ls 2,6 см, L 240 см.Consider an example of a specific implementation of the device. Let the execution structure of 208 Pb. Then σ s = 11.6 bn, σ a = 4.9 · 10 -4 bn, N s 2.4 · 10 4 , n s 3.3 · 10 22 cm -3 , l s 2.6 cm, L 240 cm
Пусть при этом структуру характеризуют следующие величины: Kt 1, h 0,1 см, Φ= 8', тогда в структуре Kw 9,2 ·10-4, Kv 0,1. Поэтому в этом случае Nout 1,4 ·104, L out 170 см, Ка 2, Keff 0,65.Suppose that the structure is characterized by the following quantities:
В структуре с суперзеркальным покрытием каналов возможно Φs= 1о, поэтому Nout 400, Lout 30 см, Kv 0,5, Kw 5 ·10-3, Ка 60, Keff= 0,98 (но в этом случае оценки сделаны без учета поглощения нейтронов покрытием).In a structure with a super-mirror coating of the channels, Φ s = 1 о is possible; therefore, N out 400, L out 30 cm, K v 0.5,
Размеры фокусной области при этом можно оценить как
rf Rin ·Φs
При Rin 50 см; Φs= 10' rf 0,15 см, а при Rin 50 cм; Φs 1о rf 0,9 см.The dimensions of the focal region can be estimated as
r f R in · Φ s
At
В этом случае плотность нейтронов в фокусе составляет nf 6 ·no и nf 25 ·no для цилиндрического фокуса и nf 2500 ·no и nf 1400 ·noдля точечного фокуса соответственно для разных вариантов покрытий, т.е. nf >> no.In this case, the neutron density at the focus is
При этом в варианте выполнения структуры с изменяющейся кривизной элементов реально плотность нейтронов в фокусе может быть еще выше, а размеры фокусной области еще меньше. Moreover, in an embodiment of a structure with a varying curvature of the elements, the actual neutron density in the focus can be even higher, and the sizes of the focal region are even smaller.
При использовании предлагаемых способа и устройства достигается рост энергетической эффективности термоядерного синтеза за счет энергетически выгодного "внутреннего" прогрева топливной смеси при взаимодействии с тепловыми нейтронами, за счет термализации, возврата и полезного использования рожденных быстрых нейтронов, самообеспеченности процесса по используемым в способе и устройстве редким изотопам и повышения эффективности энергосъема. Using the proposed method and device, an increase in the energy efficiency of thermonuclear fusion is achieved due to the energetically advantageous "internal" heating of the fuel mixture when interacting with thermal neutrons, due to thermalization, return and useful use of the generated fast neutrons, and the process’s self-sufficiency in the rare isotopes used in the method and device and improving energy efficiency.
П р и м е р 4. Прежде всего необходимо обратить внимание на тот факт, что Т и 3Не являются малораспространенными изотопами, поэтому цикл работы энергетического реактора должен быть каталитически замкнутым, т.е. чтобы в цикле работы реактора их количество не уменьшалось. Проанализируем работу каталитически замкнутого термоядерного реактора, пользуясь при этом следующей моделью. Внутри реактора в области объемом V идут термоядерные реакции. Рождающиеся в реакторе нейтроны действием ЗФС возвращаются в фокус в некий объем Vф (они могут проходить этот объем несколько раз, всякий раз возвращаемые ЗФС обратно). Топливная смесь, включающая D,T,3He, 6Li, проходит сквозь этот объем, взаимодействуя с нейтронами. 3Не, 6Li разогревают всю смесь, рождают быстрые ядра трития. Нагретая плазма захватывается магнитным полем ловушки. Считается, что в среднем каталитический разогрев идет только в части Vк объема Vф. Условие равенства выгорающих и рождающихся ядер Т в полном цикле с учетом их возврата на вход после съема выделившейся энергии при условии, что ядра Т рождаются как в области катализа Vк, так и в объеме выгорания V.Example 4. First of all, it is necessary to pay attention to the fact that T and 3 are not rare isotopes, therefore, the cycle of an energy reactor should be catalytically closed, i.e. so that in the cycle of the reactor, their number is not reduced. Let us analyze the operation of a catalytically closed thermonuclear reactor, using the following model. Inside the reactor, thermonuclear reactions occur in a region of volume V. Neutrons generated in the reactor by the action of PFS return to focus in a certain volume V f (they can pass this volume several times, each time returned by PFS back). The fuel mixture, including D, T, 3 He, 6 Li, passes through this volume, interacting with neutrons. 3 He, 6 Li heat the whole mixture, give rise to fast tritium nuclei. The heated plasma is captured by the magnetic field of the trap. It is believed that, on average, catalytic heating occurs only in part V to volume V f . The condition for the equality of burnable and generated T nuclei in the full cycle, taking into account their return to the input after removal of the released energy, provided that the T nuclei are generated both in the catalysis region V k and in the burnup volume V.
Одновременно участвующий в процессе катализа 3Не как выгорает, так и рождается вновь:
N N
At the same time participating in the process of catalysis 3 Not both burns out and is born again:
N N
Поэтому плотность нейтронов, необходимая для самостабилизации 3Не,
Nn ND
Из этого условия можно найти соотношение между энерговыделением в основном объеме V и в объеме Vк от заряженных частиц в плазму в каталитически связанных D-D и 3Не-n реакциях
W=W WD-D ≈ WD-D•0,3.Therefore, the neutron density necessary for self-stabilization of 3 He,
N n N D
From this condition, one can find the relationship between the energy release in the main volume V and in the volume V k from charged particles to plasma in catalytically coupled DD and 3 He-n reactions
W = W W DD ≈ W DD • 0.3.
Сопоставив условия самостабилизации 3Не и Т, получим условие каталитической замкнутости цикла:
1 + 1+A.Comparing the conditions of self-stabilization of 3 He and T, we obtain the condition for the catalytic closure of the cycle:
1 + 1 + A.
Здесь
A характеризует долю энерговыделения от 6Li в фокусе ЗФС или с точки зрения энерговыделения
WD-T=W(1+A)≈3,82•WD-D•(1+A).Here
A characterizes the share of energy release from 6 Li in the focus of the ZFS or from the point of view of energy release
W DT = W (1 + A) ≈ 3.82 • W DD • (1 + A).
Полное энерговыделение в области синтеза
W= WD-D+WD-T≈W1 + (1+A), поэтому связь между энерговыделением в фокусе и области синтеза
где Wф WLi-n + WHe-n- энерговыделение в фокусе реактора, Wф/W ≈ 0,129 при А 0. Относительное энерговыделение в фокусе реактора в замкнутом цикле значительно при его относительно малых размерах, может быть повышено увеличением доли 6Li в смеси и может быть уменьшено при неполном выжигании ядер 3Не, рожденных в цикле. В цикле, самостабилизированном по 3Не и Т, существует избыточность по нейтронам.Total energy in synthesis
W = W DD + W DT ≈
where W f W Li-n + W He-n is the energy release at the focus of the reactor, W f / W ≈ 0.129 at A 0. The relative energy release at the focus of the reactor in a closed loop is significant when it is relatively small, can be increased by increasing the proportion of 6 Li in the mixture and can be reduced by incomplete burning of 3 He nuclei born in the cycle. In a cycle self-stabilized by 3 He and T, there is neutron redundancy.
Найдем плотность нейтронов в фокусной области ЗФС. Воспользовавшись соотношениями, характеризующими ЗФС, эту плотность можно грубо оценить как
nout(0)= Ф где Фn (1/c) выход нейтронов из области синтеза реактора:
Фn (1/2 ·n
Keff эффективность селекции нейтронов в ЗФС, примем Keff 0,98;
Kt потеря нейтронов при транспортировке в ЗФС, примем Kt ≈1;
Kn число проходов нейтронами фокуса 1≅ Kn ≅Ка, 2 ≅ Ка ≅ 60.We find the neutron density in the focal region of the PFS. Using the relations characterizing the PFS, this density can be roughly estimated as
n out (0) = f where f n (1 / c) the neutron yield from the synthesis of the reactor:
F n (1/2
K eff the efficiency of neutron selection in the PFS, we will take K eff 0.98;
K t the loss of neutrons during transportation to the PFS, we take K t ≈1;
K n the number of focus neutron passes 1 ≅ K n ≅K a , 2 ≅ K a ≅ 60.
Примем Кn 30 (определяется захватом нейтронов в фокусе),
Vn 2,2 ·105 см/с скорость тепловых нейтронов,
rф радиус фокусной области, примем его равным 1 см.Take K n 30 (determined by the capture of neutrons in focus),
V n 2.2 · 10 5 cm / s thermal neutron velocity,
r f the radius of the focal region, we take it equal to 1 cm
nout(0)=(3/2+A)•n
Поскольку в случае магнитного удержания nD ≅ 1015 cм-3 и < σ ·V>D-D ≈10-17 при Тi ≈105 эВ, то при А 0 и V ≈ 4 ·106 см3 получим nout(0) ≈ 1016 см-3.n out (0) = (3/2 + A) • n
Since in the case of magnetic confinement n D ≅ 10 15 cm -3 and <σ · V> DD ≈ 10 -17 at T i ≈10 5 eV, then at A 0 and V ≈ 4 · 10 6 cm 3 we get n out (0 ) ≈ 10 16 cm -3 .
Найдем также плотность 3Не в струе газа, инжектируемого в фокус,
n считая, что Vф/Vк1. Получим n3He ≈3· 1017 см-3 для случая < σ ·V >He-n ≈ 1,2 ·10-15 см-3/с, что эквивалентно давлению газа в струе Р3Не(атм) 3,7 ·10-20 n3He (см-3) ≈ 0,01 атм.We also find the density of 3 He in the jet of gas injected into the focus,
n assuming that V f /
Для рассмотренного случая W WD-Dх х[(2,4 +A)/(1+A)] 1,602 ·10-19 2,43 ·106 (1015)2 ·10-17 2,4 4 · 106 ≈ 37,3 106; W 37,3 ·106Вт; Wф 2,9 ·106 Вт.For the case under consideration, WW DD x x [(2.4 + A) / (1 + A)] 1.602 · 10 -19 2.43 · 10 6 (10 15 ) 2 · 10 -17 2.4 4 · 10 6 ≈ 37.3 10 6 ; W 37.3 · 10 6 W; W f 2.9 · 10 6 W.
Считая, что вся энергия, выделяемая в фокусе, идет на нагрев газовой струи, найдем температуру полученной плазмы
Тпл Wф/(1,602· 10-19 ·n3He ·r
П р и м е р 5. Каталитический разогрев топливной термоядерной смеси возможен не только в устройствах, работающих в стационарном режиме, но и в устройствах, которые работают в импульсном режиме. Пусть имеем каталитический реактор, в котором ЗФС выполнена в виде полого шара с нейтронным фокусом в ее геометрическом центре. Пусть твердые шаровые мишени, содержащие 3Не, 6Li, D, T, с помощью стреляющего устройства периодически вбрасываются в область нейтронного фокуса. Тогда, если в момент когда мишень находится в фокусе структуры, ЗФС сформировала поток сходящихся к центру, движущихся с тепловыми скоростями (Vn 2,2 ·105см/сек) нейтронов, то при попадании этого потока на мишень в приповерхностном слое начинается интенсивное энерговыделение в результате протекания (3Не, n) и (или) (6Li,n) ядерных реакций. Сделаем оценки процесса выгорания мишени. Длину взаимодействия нейтронов с веществом можно представить как ln 1/n ·σ. Для случая холодной мишени, содержащей ядра 3Не, 6Li, находящиеся в фокусе структуры, и на которую с тепловой скоростью набегает плотный фронт тепловых нейтронов, поскольку σ= 5,4 ·10-21 см2 и n nHe ≈1022 см-3, получим ln 2 ·10-2 см. При этом только за счет энерговыделения от нейтронных реакций температура плазмы в приповерхностной области может достичь величины
Здесь считаем, что Qn 0,78 МэВ, n3He/(n3He+ nP + nT + nocн) 1/4, n/n 1 на поверхности;
n плотность 3Не в мишени;
nD плотность D в мишени;
nT плотность Т в мишени;
nосн плотность базового вещества, в котором содержатся 3Не, Т, D;
n плотность нейтронов на фронте.Assuming that all the energy released in focus is used to heat the gas jet, we find the temperature of the resulting plasma
T pl W f / (1.602 · 10 −19 · n 3He · r
PRI me
Here we assume that Q n 0.78 MeV, n 3He / (n 3He + n P + n T + n ocн ) 1/4, n /
n density 3 Not in the target;
n D is the density D in the target;
n T is the density T in the target;
n basic density of the base substance, which contains 3 He, T, D;
n neutron density at the front.
Если поверхность мишени состоит из дейтерида лития, насыщенного тритием, то Тпл 0,2 МэВ при n/ n ≈ 0,1.If the target surface consists of lithium deuteride saturated with tritium, then T pl 0.2 MeV at n / n ≈ 0.1.
Скорость набегающего потока нейтронов существенно меньше скоростей горячих ионов выгорающей приповерхностной плазмы, можно считать, что сквозь неподвижный фронт нейтронов плотностью n наружу протекает горячая плазма, содержащая 3Не (6Li). Длина выгорания быстрых 3Не в нейтронном фронте ln 50 см. Степень выгорания на расстоянии Δr= 1 см 0,02 достаточно высока, важно, что при этом рождается поток горячих ядер трития (WT 0,19 МэВ). Кроме того, в приповерхностном слое горячей плазмы протекают (D,D) и (D,T) термоядерные реакции. Плазменное давление в приповерхностном слое получим, приняв Тф 105 эВ, nф 1022см-3, равным Р пл 1,58· 10-18 · nф · Тф= 109 атм.The velocity of the incident neutron flux is significantly lower than the velocities of the hot ions of the burning out near-surface plasma; we can assume that through a stationary front of neutrons with density n hot plasma containing 3 He ( 6 Li) flows out. The burnup length of fast 3 He in the
Должен появиться скачок уплотнения на поверхности мишени n >> no 1022 см-3. Плотность рождающихся в области горения быстрых нейтронов оценим как nnф (1/2 n
1021 см-3 при nD n T1023cм-3. Нейтронное поле этой плотности, двигаясь со скоростью Vn 108 см/с, за время τ ≈10-10 с проникает во все тело мишени, и начинается ее интенсивное разогревание в ходе (3Не,n) реакций и быстрыми ядрами трития. Начинается ее взрывное выгорание. В процессе реакций горения в объеме мишени выполняются следующие основные кинетические уравнения (без учета высокотемпературных каналов выгорания изотопов Т и 3Не):
Важно, что dn + dnT (n
Условие каталитической замкнутости процесса требует, чтобы dn / dτ 0; dnT/d τ 0. Это означает, что nD ·< σ ·V>D-D nT ·< σ · V>D-T. Возможен режим работы (nD ·< σ ·V>D-D) > (nT ·< σ ·V>D-T) с наработкой Т и 3Не в реакторе. Соотношение прежде всего отражает тот факт, что основной канал рождения 3Не и Т это DD-реакции, хотя Т может и рождаться и вымирать и в других процессах (см.таблицу), которые в более полном анализе должны учитываться в уравнениях процесса. Насыщенность мишени тритием желательна только в приповерхностном слое. Время выгорания мишени можно оценить как ro/V10-9 c, но наличие скачка давления в области нейтронного фронта в результате протекающих там (3Не, n) реакций может увеличить общее время выгорания мишени. Если все же τi 10-9 с, то эту эффективность можно оценить как kD nD•<σ•v>D-D•τi=10-3 при nD 1023 см-3, <σ•v>D-D 10-15 см-3/c. Плотность потока быстрых нейтронов из области выгорания nnm ≈ 3/2n
10 21 cm -3 for n D n T 10 23 cm -3 . A neutron field of this density, moving at a speed of
It is important that dn + dn T (n
The condition of catalytic isolation of the process requires that dn / dτ 0; dn T / d τ 0. This means that n D · <σ · V> DD n T · <σ · V> DT . The operating mode (n D · <σ · V> DD )> (n T · <σ · V> DT ) with an operating time of T and 3 He in the reactor is possible. The correlation primarily reflects the fact that the main channel for the production of 3 He and T is a DD reaction, although T can be born and die out in other processes (see table), which should be taken into account in the process equations in a more complete analysis. Saturation of the target with tritium is desirable only in the surface layer. Target burnup time can be estimated as r o / V 10 -9 s, but the presence of a pressure jump in the region of the neutron front as a result of the reactions occurring there ( 3 He, n) can increase the total time of the burnout of the target. If nevertheless τ i 10 -9 s, then this efficiency can be estimated as k D n D • <σ • v> DD • τ i = 10 -3 for
Рожденные в процессе выгорания быстрые нейтроны входят в шаровую ЗФС со скоростью Vn 109 см/с, за время τ≈ τi ≈ 10-5 с замедляются до тепловых скоростей, отдавая свою энергию структуре. Затем ЗФС возвращает тепловые нейтроны обратно в область нейтронного фокуса. При этом нейтроны, возвращаясь из области замедления, с радиуса R Rin + L при R 2 · 102 см достигают фокуса структуры за время τ Rn/Vn ≈ 10-3 с. (Rin внутренний радиус ЗФС; Ls длина замедления нейтронов). Плотность нейтронов на фронте сходящегося потока
nn=nnm•(ro/r)/2π.Fast neutrons born in the process of burning out enter the spherical ZFS at a speed of
n n = n nm • (r o / r) / 2π.
Если nnm ≈1021 cм-3; ro/r ≈ 1;
≈ 104;
Δ Ω / 2 π ≈ 10-3, то nn ≈ 1022 см-3.If n nm ≈10 21 cm -3 ; r o / r ≈ 1;
≈ 10 4 ;
Δ Ω / 2 π ≈ 10 -3 , then n n ≈ 10 22 cm -3 .
Повторяются начальные условия. Процесс выгорания повторится, если до схлопывания нейтронного фронта в фокусе поместить туда новую мишень. График временной зависимости плотности рожденных быстрых нейтронов и возвращаемых медленных нейтронов представлен на фиг. 6. При этом с целью самоцентрирования выгорающей мишени в процессе горения нейтроны могут сводиться не в фокус, а на некоторую шаровую поверхность вокруг него, примерное распределение плотности нейтронов в фокусе в этом случае представлено на фиг. 7.Возможен вариант работы реактора, когда отражающие поверхности ЗФС выполнены с использованием ферромагнитного вещества, а внешнее магнитное поле периодическое и импульсное. При этом мишени из топливной смеси вводят в устройство с тем же периодом, а плотность нейтронов на фронте сходящегося потока в случае, если период изменения поля меньше времени вымирания нейтронов в ЗФС Т << τfull, может достигать величин
nn (nnm•(ro/r)2π)•τfull/T, где Т период изменения магнитного поля.The initial conditions are repeated. The burnout process will be repeated if, before the neutron front collapses, a new target is placed in focus. The time plot of the density of generated fast neutrons and returned slow neutrons is shown in FIG. 6. In this case, for the purpose of self-centering of a burning target during the combustion process, neutrons may not be brought into focus, but onto some spherical surface around it, an approximate distribution of neutron density in focus in this case is shown in FIG. 7. It is possible for the reactor to operate when the reflecting surfaces of the ZFS are made using ferromagnetic material, and the external magnetic field is periodic and pulsed. In this case, targets from the fuel mixture are introduced into the device with the same period, and the neutron density at the front of the converging stream, if the period of the field change is less than the neutron extinction time in the PFS T << τ full , can reach
n n (n nm • (r o / r) 2π) • τ full / T, where T is the period of change of the magnetic field.
Claims (9)
nD•<σ•v>D-D≥nT•<σ•v>D-T,
где nD - плотность дейтерия в плазме;
nт - плотность трития в плазме;
<σ•v>D-D - усредненное произведение сечения взаимодействия и скорости движения ионов в D-D-реакциях в плазме;
<σ•v>D-T - усредненное произведение сечения взаимодействия и скорости движения ионов в D-T-реакциях в плазме.2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature in the plasma is maintained such that the following relationship between the parameters characterizing the plasma is fulfilled:
n D • <σ • v> DD ≥n T • <σ • v> DT ,
where n D is the density of deuterium in the plasma;
n t - plasma tritium density;
<σ • v> DD is the average product of the interaction cross section and the ion velocity in DD reactions in the plasma;
<σ • v> DT is the averaged product of the interaction cross section and the ion velocity in the DT reactions in the plasma.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU92002692A RU2056649C1 (en) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | Controlled thermonuclear fusion process and controlled thermonuclear reactor implementing it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU92002692A RU2056649C1 (en) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | Controlled thermonuclear fusion process and controlled thermonuclear reactor implementing it |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU92002692A RU92002692A (en) | 1995-01-27 |
RU2056649C1 true RU2056649C1 (en) | 1996-03-20 |
Family
ID=20131204
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU92002692A RU2056649C1 (en) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | Controlled thermonuclear fusion process and controlled thermonuclear reactor implementing it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2056649C1 (en) |
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000010173A1 (en) * | 1998-08-13 | 2000-02-24 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo Nauchno-Issledovatelsky Institut Stali | Method for carrying out a fission nuclear chain reaction on resonance neutrons |
EA007870B1 (en) * | 2001-03-19 | 2007-02-27 | Дзе Риджентс Оф Дзе Юниверсити Оф Калифорния | A system of converting fusion product energies |
US7439678B2 (en) | 2001-02-01 | 2008-10-21 | The Regents Of The University Of California | Magnetic and electrostatic confinement of plasma with tuning of electrostatic field |
US8031824B2 (en) | 2005-03-07 | 2011-10-04 | Regents Of The University Of California | Inductive plasma source for plasma electric generation system |
WO2014104945A2 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | Petrov Georgy Nikolaevich | Neutron doping method and device |
US9123512B2 (en) | 2005-03-07 | 2015-09-01 | The Regents Of The Unviersity Of California | RF current drive for plasma electric generation system |
US9607719B2 (en) | 2005-03-07 | 2017-03-28 | The Regents Of The University Of California | Vacuum chamber for plasma electric generation system |
US9997261B2 (en) | 2011-11-14 | 2018-06-12 | The Regents Of The University Of California | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10049774B2 (en) | 2013-09-24 | 2018-08-14 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
WO2019028167A1 (en) * | 2017-08-01 | 2019-02-07 | Nex-Gen Solar Technologies, LLC | Light-nuclei element synthesis |
US10217532B2 (en) | 2014-10-13 | 2019-02-26 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for merging and compressing compact tori |
PL425898A1 (en) * | 2018-06-12 | 2019-07-29 | Volodymyr Shulha | Thermonuclear heat apparatus on the plasma contacting streams |
US10418170B2 (en) | 2015-05-12 | 2019-09-17 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for reducing undesired eddy currents |
US10440806B2 (en) | 2014-10-30 | 2019-10-08 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US11195627B2 (en) | 2016-10-28 | 2021-12-07 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC plasma at elevated energies utilizing neutral beam injectors with tunable beam energies |
US11211172B2 (en) | 2016-11-04 | 2021-12-28 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC with multi-scaled capture type vacuum pumping |
US11217351B2 (en) | 2015-11-13 | 2022-01-04 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for FRC plasma position stability |
US11335467B2 (en) | 2016-11-15 | 2022-05-17 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC and high harmonic fast wave electron heating in a high performance FRC |
-
1992
- 1992-10-29 RU RU92002692A patent/RU2056649C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, т.1. М.: Энергоатомиздат, 1983, с.593. 2. Патент США N 3016342, кл. G 21B 1/00, 1962. 3. Патент США N 3708391, кл. G 21B 1/00, 1973. * |
Cited By (47)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000010173A1 (en) * | 1998-08-13 | 2000-02-24 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo Nauchno-Issledovatelsky Institut Stali | Method for carrying out a fission nuclear chain reaction on resonance neutrons |
US9265137B2 (en) | 2001-02-01 | 2016-02-16 | The Regents Of The University Of California | Formation of a field reversed configuration for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US10361005B2 (en) | 2001-02-01 | 2019-07-23 | The Regents Of The University Of California | Apparatus for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US10217531B2 (en) | 2001-02-01 | 2019-02-26 | The Regents Of The University Of California | Formation of a field reversed configuration for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US7439678B2 (en) | 2001-02-01 | 2008-10-21 | The Regents Of The University Of California | Magnetic and electrostatic confinement of plasma with tuning of electrostatic field |
US7477718B2 (en) | 2001-02-01 | 2009-01-13 | The Regents Of The University Of California | Formation of a field reversed configuration for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US9672943B2 (en) | 2001-02-01 | 2017-06-06 | The Regents Of The University Of California | Apparatus for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US9386676B2 (en) | 2001-02-01 | 2016-07-05 | The Regents Of The University Of California | Apparatus for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US8461762B2 (en) | 2001-02-01 | 2013-06-11 | The Regents Of The University Of California | Apparatus for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US9370086B2 (en) | 2001-02-01 | 2016-06-14 | The Regents Of The University Of California | Formation of a field reversed configuration for magnetic and electrostatic confinement of plasma |
US7719199B2 (en) | 2001-03-19 | 2010-05-18 | The Regents Of The University Of California | Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion |
US7459654B2 (en) | 2001-03-19 | 2008-12-02 | The Regents Of The University Of California | Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion |
EA007870B1 (en) * | 2001-03-19 | 2007-02-27 | Дзе Риджентс Оф Дзе Юниверсити Оф Калифорния | A system of converting fusion product energies |
US7391160B2 (en) | 2001-03-19 | 2008-06-24 | Regents Of The University Of California | Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion |
US10395778B2 (en) | 2005-03-07 | 2019-08-27 | The Regents Of The University Of California | RF current drive for plasma electric generation system |
US9564248B2 (en) | 2005-03-07 | 2017-02-07 | The Regents Of The University Of California | Inductive plasma source and plasma containment |
US9607719B2 (en) | 2005-03-07 | 2017-03-28 | The Regents Of The University Of California | Vacuum chamber for plasma electric generation system |
US9123512B2 (en) | 2005-03-07 | 2015-09-01 | The Regents Of The Unviersity Of California | RF current drive for plasma electric generation system |
US8031824B2 (en) | 2005-03-07 | 2011-10-04 | Regents Of The University Of California | Inductive plasma source for plasma electric generation system |
US10403405B2 (en) | 2005-03-07 | 2019-09-03 | The Regents Of The University Of California | Inductive plasma source and plasma containment |
US9997261B2 (en) | 2011-11-14 | 2018-06-12 | The Regents Of The University Of California | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10446275B2 (en) | 2011-11-14 | 2019-10-15 | The Regents Of The University Of California | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
WO2014104945A2 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | Petrov Georgy Nikolaevich | Neutron doping method and device |
WO2014104945A3 (en) * | 2012-12-25 | 2014-08-07 | Petrov Georgy Nikolaevich | Neutron doping method and device |
US10790064B2 (en) | 2013-09-24 | 2020-09-29 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10438702B2 (en) | 2013-09-24 | 2019-10-08 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US11373763B2 (en) | 2013-09-24 | 2022-06-28 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10049774B2 (en) | 2013-09-24 | 2018-08-14 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10665351B2 (en) | 2014-10-13 | 2020-05-26 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for merging and compressing compact tori |
US11901087B2 (en) | 2014-10-13 | 2024-02-13 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for merging and compressing compact tori |
US11200990B2 (en) | 2014-10-13 | 2021-12-14 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for merging and compressing compact tori |
US10217532B2 (en) | 2014-10-13 | 2019-02-26 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for merging and compressing compact tori |
US10440806B2 (en) | 2014-10-30 | 2019-10-08 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US11337294B2 (en) | 2014-10-30 | 2022-05-17 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10743398B2 (en) | 2014-10-30 | 2020-08-11 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC |
US10418170B2 (en) | 2015-05-12 | 2019-09-17 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for reducing undesired eddy currents |
US10910149B2 (en) | 2015-05-12 | 2021-02-02 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for reducing undesired eddy currents |
US11615896B2 (en) | 2015-11-13 | 2023-03-28 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for radial and axial stability control of an FRC plasma |
US11217351B2 (en) | 2015-11-13 | 2022-01-04 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for FRC plasma position stability |
US11195627B2 (en) | 2016-10-28 | 2021-12-07 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC plasma at elevated energies utilizing neutral beam injectors with tunable beam energies |
US11211172B2 (en) | 2016-11-04 | 2021-12-28 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC with multi-scaled capture type vacuum pumping |
US11482343B2 (en) | 2016-11-04 | 2022-10-25 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC with multi-scaled capture type vacuum pumping |
US11894150B2 (en) | 2016-11-04 | 2024-02-06 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC with multi-scaled capture type vacuum pumping |
US11335467B2 (en) | 2016-11-15 | 2022-05-17 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC and high harmonic fast wave electron heating in a high performance FRC |
US11929182B2 (en) | 2016-11-15 | 2024-03-12 | Tae Technologies, Inc. | Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC and high harmonic fast wave electron heating in a high performance FRC |
WO2019028167A1 (en) * | 2017-08-01 | 2019-02-07 | Nex-Gen Solar Technologies, LLC | Light-nuclei element synthesis |
PL425898A1 (en) * | 2018-06-12 | 2019-07-29 | Volodymyr Shulha | Thermonuclear heat apparatus on the plasma contacting streams |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2056649C1 (en) | Controlled thermonuclear fusion process and controlled thermonuclear reactor implementing it | |
JP5717206B2 (en) | Plasma generation system, plasma generation method, plasma confinement method | |
US20170301409A1 (en) | Vacuum chamber for plasma electric generation system | |
US20170236599A1 (en) | Inductive plasma source and plasma containment | |
US10395778B2 (en) | RF current drive for plasma electric generation system | |
RU2174717C2 (en) | Thermonuclear reactor and its reaction process | |
US3664921A (en) | Proton e-layer astron for producing controlled fusion reactions | |
JP2019219421A (en) | Method, device, and system for reducing neutron inside small scale non-contaminant emission nuclear reactor | |
US4618470A (en) | Magnetic confinement nuclear energy generator | |
SK12962003A3 (en) | Controlled fusion in a field reversed configuration and a direct energy conversion | |
EA006325B1 (en) | System and method of magnetic and electrostatic confinement of plasma in a field reversed configuration | |
CA2529163A1 (en) | Fusion apparatus and methods | |
US11744002B2 (en) | System of converging plasma pistons | |
US3668067A (en) | Polygonal astron reactor for producing controlled fusion reactions | |
Nayak et al. | Thermonuclear burn of DT and DD fuels using three-temperature model: Non-equilibrium effects | |
Kapitza | Plasma and the controlled thermonuclear reaction | |
Kirkpatrick et al. | Ignition and burn in inertially confined magnetized fuel | |
US20200335229A1 (en) | Thermo-kinetic reactor with micro-nuclear implosions | |
Bickerton | History of the approach to ignition | |
Kawata | Applications of Plasmas | |
Harrison | Basic Concepts of Fusion | |
Dawson | Series lecture on advanced fusion reactors | |
Moir | Physics of mirror reactors and devices | |
McNally Jr | Some fusion perspectives | |
Jensen | Fusion-A potential power source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101030 |