RU2067360C1 - Способ получения высокотемпературной плазмы - Google Patents

Abstract

Способ получения высокотемпературной плазмы. Сущность изобретения: способ получения высокотемпературной плазмы включает заполнение рабочего объема газом из исходных изотопов до плотности, оптимальной для прохождения пучков ускоренных ядер, создание магнитного поля с заданными значениями индукции и скорости ее роста в различных зонах рабочего объема, ускорение исходных ядер до заданной скорости и ввод их в рабочий объем плотными пучками, распределенными симметрично центру и оси магнитной ловушки. Ввод ускоренных ядер осуществляют пучками плазмы, ориентированными на центральную область рабочего объема так, что давление пучков ядер распределено со всех сторон области их схождения и расформирования равномерно, и распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей на входе в эту область равновесно. Размеры сечений и мощность пучков увеличивают пропорционально с увеличением размеров области, занимаемой получаемой плазмой. Количество пучков ускоренной плазмы должно быть не менее 18.

Description

Известны способы получения плазмы для осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза введением в рабочий объем реактора пучков плазмы из исходных изотопов, ускоренных до заданной энергии исходных ядер за пределами рабочего объема в ускорителях.

Потери энергии при ускорении ядер в известных ускорителях существенно меньше потерь энергии на взаимодействия с электронами при разогреве плазмы непосредственно в рабочем объеме другими способами коэффициент полезного действия известных ускорителей до 0,8.

Недостатки известных способов с применением пучков ускоренной до заданной энергии ядер плазмы указаны для конкретных способов.

Известен способ создания и нагрева плазмы пучками ускоренной до заданной энергии ядер плазмы, распределенными симметрично центру рабочего объема равномерно со всех сторон, в центре симметрии пучков помещают мишень из исходных изотопов.

Недостатки указанного способа малое время реакции ввиду быстрого разлета мишени и соответственно чрезмерно большая мощность процесса реакции. Приемлемое значение мощности и энергии одного цикла может быть достигнуто при сжатии центральной части мишени до плотности, в 1000 раз превышающей плотность ее вещества в твердом состоянии, но устройства, обеспечивающие подобное сжатие в настоящее время не известны.

Известны способы получения плазмы введением пучков ускоренных до заданной энергии исходных ядер в рабочий объем с магнитным удержанием плазмы.

Известны способы, по которым ускоренные ядра нейтрализуют, восстанавливая их в атомы, захват ядер в магнитном поле происходит после ионизации атомов.

Недостатки известны способов с вводом ускоренных ядер восстановленными в нейтральные атомы большие потери энергии пучков ускоренных ядер из-за неполной нейтрализации (или ионизации) пучков непосредственно на входе в рабочий объем из-за ухода ускоренных ядер в результате перезарядки их во внешних областях объема удержания. Кроме того, энергичные ядра, уходящие из объема удержания в начальный период. выбивают из оболочки рабочего объема большое количество относительно тяжелых атомов "примесей", попадающих в объем удержания плазмы и увеличивающих потери энергии на излучение.

Известны способы получения плазмы в рабочем объеме с магнитным удержанием, по которым ускоренные до заданной энергии ядра вводят в объеме удержания плотными пучками, нейтрализация которых осуществляется за счет электронов, например. фоновой плазмы, без применения каких-либо специальных устройств и без восстановления ядер в нейтральные атомы, т.е, осуществляется только нейтрализация пучков до состояния пучков плазмы, которые вводят в рабочий объем поперек магнитного поля, вход пучков в магнитное поле и движение их поперек поля при этом обеспечена за счет возникновения в пучках поляризационных электрических полей. Прекращение движения пучков поперек магнитного поля обеспечивают направлением двух или более (до восьми пучков) распределенных в плоскости, перпендикулярной оси магнитного поля, встречно. При этом в месте встречи пучков поддерживающие их движение поперек магнитного поля поляризационные электрические поля взаимно уничтожаются и дрейф пучков поперек магнитного поля прекращается.

Недостатки указанных способов определены формированиекм в области соединения пучков направленных потоков плазмы, так как давление плазмы в этой области по известным способам уравновешено давлением пучков не со всех сторон, плазма из области соединения пучков уходит в тех направлениях, откуда пучки не вводят. Так, если плазму вводят двумя встречными пучками перпендикулярно к оси магнитного поля, плазма из области встречи пучков уходит как вдоль, так и поперек магнитного поля.

При введении плазмы четырьмя или восемью пучками, распределенными в плоскости, перпендикулярной оси магнитного поля, равномерно плазма из области соединения пучков уходит в основном потоками вдоль магнитного поля. При этом возникает проблема удержания в рабочем объеме указанных потоков, направленных вдоль магнитного поля.

По указанному способу плазму вводят пучками, распределенными в двух плоскостях, перпендикулярных к оси магнитного поля, между плоскостями инжекции закреплена катушка, по которой в момент инжекции плазмы пропускают ток таким образом, что создаваемое при этом импульсное магнитное поле направлено встречно основному магнитному полю, и суммарная напряженность магнитного поля в плоскостях инжекции равна нулю.

Пучки плазмы ориентируют на точки пересечения плоскостей, в которых распределены эти паучки, с осью магнитного поля и распределяют равномерно и симметрично этим точкам. Получение плазмы при этом можно разделить на два этапа.

Первый: пучки плазмы входят в рабочий объем перпендикулярно к оси магнитного поля и, взаимодействуя в окрестностях точек пересечения их осей с осью магнитного поля, переформировываются, соединяясь в плазменные потоки, движущиеся вдоль оси магнитного поля. Расформирование пучков при этом происходит лишь частично, как показали эксперименты с введением пучков только в одной плоскости. Плазма из области соединения пучков уходит вдоль магнитного поля таким же количеством пучков, в экспериментах равным восьми.

Второй: полученные таким образом потоки плазмы, движущиеся вдоль магнитного поля, взаимодействуют между плоскостями распределения пучков и в условиях экспериментов, описанных в практически расформировываются, полученная плазма удерживается магнитным полем.

Недостатками прототипа являются: малое уплотнение плазмы в области соединения пучков ввиду формирования в этих областях направленных потоков плазмы; большие потери энергии ускоренных ядер от развития колебаний при взаимодействии потоков плазмы, движущихся вдоль магнитного поля. Указанный недостаток в известном источнике не отмечен, так как энергия ядер в пучках была слишком мала, но с увеличением энергии ядер в потоках плазмы, движущихся вдоль магнитного поля встречно, уже до 13 кэв развиваются колебания на частотах, близких к ионной циклотронной частоте, и плазма распадается и уходит из рабочего объема. Развитие указанных колебаний установлено в экспериментах на установке 2Х11В (Ливерморская лаборатория, США).

Для подавления колебаний в экспериментах вводили "холодную плазму". Установлено, что при введении потоков ускоренных ядер в рабочих объем с магнитным удержанием типа "магнитная ловушка с пробками" вдоль оси магнитного поля встречно, с приближением энергии ускоренных ядер к 13 кэв время удержания энергии в плазме оставалось в несколько раз меньшим, чем следовало ожидать при потерях из-за кулоновского рассеяния.

Целью изобретения является уменьшение расхода энергии на обеспечение в рабочем объеме реактора с магнитным удержанием плазмы типа "открытая магнитная ловушка с пробками" температуры ядерной составляющей, плотности и времени удержания плазмы, требуемых для получения заданного выхода реакции синтеза ядер.

Указанная цель достигается при получении следующих технических результатов: дополнительного увеличения плотности плазмы в области соединения и расформирования пучков; уменьшения эффективности развития коллективных взаимодействий частиц, ведущих к потерям энергии из рабочего объема во время ввода ускоренных ядер и образованием плазмы.

Получение указанных технических результатов обеспечивают тем, что плазму из исходных изотопов ускоряют до заданной энергии ядер и вводят в рабочий объем реактора, заполненный исходными изотопами до плотности частиц 10¹⁹ 10²³ м_-3 ориентированными на область их схождения в центральной зоне рабочего объема реактора пучками с плотностью частиц и энергии в пучках, обеспечивающими движение пучков в магнитном поле удержания по заданным траекториям за счет формирования в зонах движения пучков электрических полей поляризации. Пучки ускоренной плазмы в количестве не менее 18 распределяют и ориентируют со всех сторон так, что давление пучков распределяется по поверхности указанной области равномерно, со всех сторон уравновешивая давление плазмы, получаемой в этой области в результате расформирования пучков, и при этом распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей на входе в указанную область равновесно во всех интервалах углов относительно оси магнитного поля.

Размеры поперечных сечений и мощность пучков увеличивают пропорционально с увеличением размеров занимаемой получаемой плазмой области.

Плотность газа из исходных изотопов в рабочем объеме реактора принимают из условий обеспечения прохода пучков до области расформирования с заданным рассеянием и с возможно меньшими потерями энергии ускоренных ядер.

Количество пучков принимают в зависимости от мощности конкретной установки и суммарной мощности импульса пучков из следующих условий. При количестве пучков менее 18 сложно обеспечить достаточно равномерное распределение давления пучков по условной поверхности области их расформирования, но с увеличением количества пучков увеличивается суммарная мощность импульса и энергоемкость накопителя энергии источников пучков, так как мощность и энергия каждого пучка должна быть достаточно большой для обеспечения прохода пучка до области расформирования с относительно малыми потерями. В результате количество пучков больше 48 целесообразно в установках большой мощности при суммарной мощности импульса пучков более 10¹² Вт.

Индукцию магнитного поля в рабочем объеме во время ввода ускоренных ядер увеличивают в интервале значений, при которых рассеяние пучков магнитным полем не превышает допустимой величины, например, от 0,01-0,6 Тл в начале входа ускоренных ядер в рабочий объем до 0,3-1,5 Тл к моменту окончания ввода ускоренных ядер.

Требуемые параметры пучков: мощность 10⁸ 10¹¹ Вт; плотность энергии в пучках 10³ 10⁴ эквивалентных ампер на см^-2 при энергии ускоренных ядер 30-2000 кэВ, обеспечивают известными ускорителями, например, ионными диодами с магнитной изоляцией.

При входе в область расформирования пучков под большими углами к оси магнитного поля формируется кольцевой ток, усиливающий магнитное поле. При этом усиливаются разделение зарядов и продольные токи за счет диффузии. Магнитные поля этих токов приводят к заметным искажениям магнитного поля в зонах их протекания, и уже через влияние возмущений магнитного поля указанное выше разделение зарядов воздействует на ядерную составляющую образуемой плазмы.

При этом на ускоренные ядра, входящие в область расформирования пучков перпендикулярно и под достаточно большими углами к оси магнитного поля, все факторы, определяемые с формированием кольцевого тока (электрические поля от разделения зарядов, изменения магнитного поля действием кольцевого тока и продольных токов) действуют так, что направления скоростей этих ядер отклоняются вдоль магнитного поля. В то же время ускоренные ядра, входящие в область расформирования пучков вдоль оси магнитного поля и под достаточно малыми углами к оси действием возмущений магнитного поля отклоняются в направлениях увеличения угла между направлением скорости и осью магнитного поля, т. е. действие возмущений магнитного поля на ускоренные ядра оказывается в зависимости от направлений скоростей ядер противоположным.

По предлагаемому способу, так как в область расформирования пучков ускоренные ядра вводят с разными направлениями скоростей, противоположное воздействие на ядра с соответственно разными направлениями скоростей оказывается практически в одних и тех же зонах рабочего объема и в одно и тоже время, и, кроме того, так как ускоренные ядра по направлениям скоростей распределены равномерно, воздействия на ускоренные ядра распределяются по зонам с изменениями магнитного поля достаточно равномерно, не сопровождаясь локальными скоплениями энергичных частиц с определенным направлением скорости. Вероятность формирования таких скоплений и мощность развития неустойчивостей плазмы под их влиянием существенно меньше, чем по ранее известным способам, в которых ускоренные ядра вводят под определенным углом к оси магнитного поля в надежде, что различные взаимодействия сначала приведут к равномерности распределения энергичных частиц по направлениям скоростей и только после этого начнут развиваться неустойчивости.

Кинетическое давление пучков ускоренных ядер при входе их в область расформирования пучков воспринимается в основном действием магнитного поля. Электрические поля от разделения зарядов нейтрализуются электрическими токами при скоростях электронов порядка удвоенной скорости ядер в пучках. В результате напряженность электрических полей не превышает достаточной для ускорения электронов до энергий порядка 0,01 энергии ускоренных ядер в пучках. Влияние электрических полей столь малой напряженности непосредственно на ускоренные ядра несущественно.

Макроскопическим проявлением действия кинетического давления пучков на магнитное поле формируется дрейфовый ток, в граничном слое области расформирования пучков замыкающийся по кольцу и направленный так, что его действием магнитное поле внутри области расформирования пучков усиливается.

Пучки ускоренных ядер распределяют со всех сторон рабочего объема и ориентируют так, что давление ускоренных ядер распределено со всех сторон области расформирования пучков равномерно, и суммарное распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей на входе в эту область равновесно.

Это означает, что пучки ускоренных ядер распределяют и направляют так, что давление ускоренных ядер распределено по поверхности области расформирования пучков достаточно равномерно как при обходе вокруг центра в плоскостях оси магнитного поля, так и при обходе в плоскостях, перпендикулярных оси.

Под углами к оси магнитного поля пучки ускоренных ядер направляют с учетом дополнительного их отклонения вдоль магнитного поля на всем протяжении пути в связи с уменьшением поперечной скорости ядер, определяемой расходом энергии на формирование полей поляризации. Достаточно малые углы между направлениями скорости ускоренных ядер и осью магнитного поля получают, направляя пучки равномерно распределенными вокруг оси магнитного поля вдоль образующих условного конуса с углом при вершине 1,5-2,5 радиан, расстояние от вершины этого конуса до центра области расформирования пучков, а также параметры этих групп пучков обеспечивают начало соединения пучков на таком расстоянии от зон расформирования других групп пучков, что до входа в эти зоны ускоренные ядра отклоняются вдоль оси в среднем на достаточный угол. При необходимости пучки ускоренных ядер направляют и вдоль оси магнитного поля.

Давление пучков ускоренных ядер, движущихся под достаточно малыми углами к оси магнитного поля и вдоль оси магнитного поля воспринимается и в конечном итоге уравновешивается плазмой, полученной при рассеянии пучков без влияния факторов, сопровождающих движение направленных потоков плазмы вдоль магнитного поля и состоящей в основном из частиц с большими углами между направлениями скоростей и осью магнитного поля. В результате частицы с малыми углами между направлениями скоростей и осью магнитного поля входят в такую плазму, улучшая в ней распределение частиц по направлениям скоростей. Коллективные процессы при этом определены условиями зарядовой и токовой нейтрализации пучков, и мощность этих процессов невелика, и за время пролета ускоренных ядер через область расформирования пучков распределение частиц в этой области по направлениям скоростей становится практически равновесным во всех интервалах углов.

Прекращение движения пучков ускоренных ядер поперек магнитного поля определено замыканием дрейфа электронов, формирующего до сближения пучков электрические поля поляризации в кольцевой дрейфовый ток. Образуемая при этом в зонах расформирования пучков плазма за счет диффузии заполняет промежутки между пучками в направлениях поперек магнитного поля и просто увеличивает объем занимаемой области.

При этом давление получаемой плазмы уравновешено в основном кинетическим давлением пучков ускоренных ядер, распределенным достаточно равномерно по всей поверхности указанной области, являющейся в то же время и поверхностью области расформирования пучков.

Достаточная равномерность распределения давления пучков по всей поверхности занимаемой плазмой области достигается при указанном выше количестве пучков вовлечением в дрейф под действием электрических полей поляризации пучков больших количеств фоновой плазмы, более чем в 10 раз превосходящих количество ускоренных ядер в пучках, так как влияние полей поляризации распространено вдоль магнитного поля существенно за пределами пучков благодаря большей проводимости вдоль магнитного поля даже фоновой плазмы.

При этом отношение количества частиц фоновой плазмы к количеству ускоренных ядер в получаемой плазме существенно меньше, чем отношение их количеств, одновременно движущихся в рабочем объеме в зонах влияния полей поляризации, так как скорость ускоренных ядер и после уменьшения ее в результате потерь энергии, в том числе и на формирование полей поляризации, более чем в 10 раз превышает скорость дрейфа частиц фоновой плазмы.

Так как энергия частиц фоновой плазмы особенно в начальный период ввода ускоренных ядер малы, сечения единичных взаимодействия в том числе реакций ионизации и перезарядки велики, в результате фоновая плазма сильно рассеивается, и ее давление распределено по области расформирования пучков достаточно равномерно.

Таким образом, при передаче энергии ускоренных ядер частицам фоновой плазмы через электрические поля поляризации фоновая плазма не только просто разогревается, но и приобретает определенную скорость в направлении движения пучков ускоренных ядер.

Передача энергии частицам фоновой плазмы от пучков ускоренных ядер, введенных под малыми углами к оси магнитного поля и вдоль оси магнитного поля, также определена в основном коллективными взаимодействиями через электрические поля, определяющие зарядовую и токовую нейтрализацию пучков. Но движение фоновой плазмы в направлении движения таких пучков в большей степени определено единичными взаимодействиями.

По предлагаемому способу давление фоновой плазмы, направленное в направлении движения пучков, оказывает положительное влияние постольку, поскольку оно обеспечивает достаточную равномерность распределения давления пучков при меньшем их количестве.

В настоящее время не известны достаточно четкие методики для теоретического определения полного давления потоков плазмы с учетом давления фоновой плазмы на входе в область расформирования пучков. Давление потоков плазмы, входящих в область расформирования пучков под разными углами к оси магнитного поля зависит от мощности и плотности пучков ускоренных ядер, от значений индукции магнитного поля удержания в зонах движения пучков, от угла между направлением магнитного поля и направлением движения пучков, от плотности фоновой плазмы и от расстояния продвижения пучков в магнитном поле удержания до входа их в область расформирования пучков и может быть определено для конкретных параметров устройства после накопления достаточных экспериментальных данных.

Но известны источники пучков ускоренных ядер, обеспечивающие плотность тока и энергии ускоренных ядер в пучках, при которых кинетическое давление пучков превышает требуемое по предлагаемому способу с заведомо достаточным запасом, т. е. разработка принципиально отличающихся источников ускоренных ядер каким-либо параметрам для осуществления предлагаемого способа не требуется.

При определении параметров магнитного поля удержания параметров пучков, их количества и распределения для применения предлагаемого способа в конкретных устройствах учитывают следующие особенности. Плотность получаемой плазмы в области расформирования пучков определена утроенной плотностью пучков на входе в эту область согласно закономерности статистической физики, так как давление получаемой плазмы со всех сторон уравновешено кинетическим давлением пучков. Давление магнитного поля суммируется с давлением пучков по крайней мере в направлениях поперечных к направлению магнитного поля, так как дрейфовый ток от неоднородности магнитного поля при возрастании индукции к внешним слоям усиливает поля поляризации пучков. Устойчивость получаемой плазмы во время ввода ускоренных ядер определена в основном равномерностью распределения давления пучков по всей поверхности занимаемой плазмой области. Для сохранения равномерности распределения давления пучков по мере увеличения количества введенных ускоренных ядер и увеличения количества плазмы увеличивают размеры сечений всех пучков в направлении поперек магнитного поля, соответственно увеличивая объем области расформирования пучков. Соответствующее увеличение мощности пучков обеспечивают нарастанием тока в разряднике и, при необходимости, применением промежуточных трансформирующих линий.

Оптимальное время нарастания мощности 0,1-10 мкс.

После увеличения до максимального значения мощность пучков уменьшается в соответствии с падением напряжения на выходе накопителя энергии. При этом уменьшение мощности обеспечивают по возможности за счет уменьшения энергии ускоренных ядер, сохраняя значение силы тока пучков близкое к максимальному.

После окончания ввода ускоренных ядер устойчивость плазмы определена в основном параметрами магнитного поля и равномерностью распределения частиц плазмы по направлениям скоростей во всех интервалах углов относительно оси магнитного поля, обеспечиваемой по предлагаемому способу соответствующим распределением пучков ускоренных ядер со всех сторон области расформирования по направлениям скоростей относительно магнитного поля и соответствующим принятым с учетом отклонений пучков и направлений ускоренных ядер магнитным полем на пути до области расформирования расположением пучков на входе в рабочий объем.

Параметры магнитного поля, в том числе и скорость его увеличения в зонах входа пучков и в других зонах рабочего объема во время ввода ускоренных ядер принимают требуемыми для прохода пучков до области расформирования с допускаемыми потерями энергии, отклонением и рассеянием, а после окончания ввода ускоренных ядер требуемыми для достаточно устойчивого удержания полученной плазмы. При этом учитывают увеличение индукции магнитного поля внутри области расформирования пучков действием кольцевого тока, определяющего расформирование полей поляризации, и влияние электродвижущей силы, индуцируемой с ослаблением этого тока при уменьшении мощности и прекращении ввода пучков.

Параметры магнитного поля и параметры пучков ускоренных ядер при осуществлении предлагаемого способа в конкретных устройствах целесообразно уточнять после накопления экспериментальных данных в процессе наладки.

Claims (1)

1. Способ получения высокотемпературной плазмы в рабочем объеме реактора с магнитным удержанием плазмы по типу "открытая магнитная ловушка с магнитными пробками", заключающийся в том, что плазму из исходных изотопов ускоряют до заданной энергии ядер и вводят в рабочий объем реактора, заполненный исходными изотопами до плотности частиц (10¹⁹-10²³) м^-3 ориентированными на область их схождения в центральной зоне рабочего объема реактора пучками с плотностью частиц и энергии в пучках, обеспечивающими движение пучков в магнитном поле удержания по заданным траекториям за счет формирования в зонах движения пучков электрических полей поляризации, отличающийся тем, что пучки ускоренной плазмы, в количестве не менее 18, распределяют и ориентируют со всех сторон на область их схождения и расформирования так, что давление пучков распределяется по поверхности указанной области равномерно, со всех сторон уравновешивая давление плазмы, получаемой в этой области в результате расформирования пучков, и при этом распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей на входе в указанную область равновесно во всех интервалах углов относительно оси магнитного поля, размеры поперечных сечений и мощность пучков увеличивают пропорционально с увеличением размеров занимаемой получаемой плазмой области.