RU2813817C1 - Device for implementing nuclear fusion reactions in system using colliding beams - Google Patents

Device for implementing nuclear fusion reactions in system using colliding beams Download PDF

Info

Publication number
RU2813817C1
RU2813817C1 RU2023120044A RU2023120044A RU2813817C1 RU 2813817 C1 RU2813817 C1 RU 2813817C1 RU 2023120044 A RU2023120044 A RU 2023120044A RU 2023120044 A RU2023120044 A RU 2023120044A RU 2813817 C1 RU2813817 C1 RU 2813817C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
beams
annular
vacuum chamber
ring
Prior art date
Application number
RU2023120044A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лев Альбертович Жиляков
Вацлавас Станиславович Куликаускас
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2813817C1 publication Critical patent/RU2813817C1/en

Links

Abstract

FIELD: nuclear physics and high energy density technology.
SUBSTANCE: invention can be used to carry out nuclear fusion reactions. The device includes an annular vacuum chamber with two external accelerators of charged particles, ensuring the formation of counter flows of charged particles of the same sign in the volume of the annular chamber. The wall of the annular vacuum chamber is made of dielectric material, and around the chamber, along the inner and outer circumference of the annular chamber, there are, respectively, internal and external metal ring electrodes configured to connect to a high voltage source and forming a ring capacitor.
EFFECT: increase in luminosity due to an increase in the concentration of particles in colliding beams.
6 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области ядерной физики и технике высоких плотностей энергии и может быть использовано для повышения интенсивности ядерных реакций и осуществления энергетически выгодных реакций ядерного синтеза.The invention relates to the field of nuclear physics and high energy density technology and can be used to increase the intensity of nuclear reactions and carry out energetically favorable nuclear fusion reactions.

Уровень техникиState of the art

Встречные пучки – два пучка, летящих навстречу друг другу и сталкивающихся ускоренных заряженных частиц. Это основной экспериментальный метод изучения структуры материи и фундаментальных взаимодействий на сверхмалых расстояниях. Известны системы на встречных пучках (СВП) - установки, в которых осуществляются столкновения встречных пучков заряженных частиц. Colliding beams are two beams flying towards each other and colliding accelerated charged particles. This is the main experimental method for studying the structure of matter and fundamental interactions at ultra-short distances. Colliding beam systems (CSBs) are known - installations in which collisions of colliding beams of charged particles occur.

Так, например, из публикации https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/114/617.htm известны основные сведения об ускорителях на встречных пучках (УВП), в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренных электрическим полем до высоких энергий. Основная характеристика системы со встречными пучками – величина, которая определяет число (N) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью установки. Параметром светимости характеризуются экспериментальные возможности установки на встречных пучках. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10-26–10-32 см2, величина светимости L составляет 1028–1032 см-2сек-1. Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков.For example, from the publication https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/114/617.htm basic information is known about colliding beam accelerators (CBAs), in which colliding beams of charged particles collide ( elementary particles and ions) accelerated by an electric field to high energies. The main characteristic of a system with colliding beams is a quantity that determines the number (N) of events of the type under study per unit time and is called the luminosity of the installation. The luminosity parameter characterizes the experimental capabilities of the installation using colliding beams. To effectively study interaction processes with a cross section d = 10 -26 –10 -32 cm 2 , the luminosity value L is 10 28 –10 32 cm -2 sec -1 . This is achieved by accumulating the circulating current of beams of charged particles and reducing the cross section of the beams using special magnetic focusing in straight gaps, as well as using electronic or stochastic cooling methods to reduce the transverse component of the momentum of colliding beams.

Из патента РФ №2546960 известно устройство для проведения реакции управляемого ядерного синтеза, содержащее вакуумированный кольцевой канал со стенкой, выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось в виде выпуклой гладкой линии, и два инжектора ускоренных ионов легких элементов, установленных с возможностью введения в указанный канал этих ионов в одном и том же или встречных направлениях, при этом указанный канал снабжен прилегающей к его внешней поверхности электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием, являющимися электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.From RF patent No. 2546960, a device for conducting a controlled nuclear fusion reaction is known, containing an evacuated annular channel with a wall made of a material capable of electrification, having a longitudinal axis in the form of a convex smooth line, and two injectors of accelerated ions of light elements installed with the possibility of introducing into the specified channel of these ions in the same or opposite directions, while the specified channel is equipped with an electrically conductive shell adjacent to its outer surface or an electrically conductive coating applied to this surface, which is an electrode for connecting to an external voltage source.

Недостаток известного решения заключается в том, что n - концентрация ионов в указанном канале не может превышать величину: The disadvantage of the known solution is that n - the concentration of ions in the specified channel cannot exceed the value:

n = 2 E п р . ε 0 R e n = 2 E P R . ε 0 R e

где E пр. – электрическая прочность «материала, способного к электризации» (т.е. его пробивное напряжение), ε0 – электрическая постоянная, R – радиус канала, e – элементарный заряд. Таким образом, даже при диаметре канала 1 см максимальная допустимая концентрация ионов в канале не может превышать 2 1018 м-3, что в 50 раз меньше величины концентрации ионов в камере Международной установки ИТЭР. Соответственно, выделяемая удельная мощность при реакции синтеза будет в 2500 раз меньше удельной мощности, которую планируют получить на ИТЭР, что снижает возможности практического применения известного решения.where E pr. is the electrical strength of a “material capable of electrification” (i.e. its breakdown voltage), ε 0 is the electrical constant, R is the channel radius, e is the elementary charge. Thus, even with a channel diameter of 1 cm, the maximum permissible ion concentration in the channel cannot exceed 2 10 18 m -3 , which is 50 times less than the ion concentration in the chamber of the International ITER Installation. Accordingly, the specific power released during the fusion reaction will be 2500 times less than the specific power that is planned to be obtained at ITER, which reduces the possibility of practical application of the known solution.

Наиболее близким к заявляемому является решение, раскрытое в источнике Г.И. Будкер, «Ускорители со встречными пучками частиц». УФН, 1966, Т.89, №4, С. 533. В соответствии с данным источником информации заряженные частицы (электроны, адроны) ускоряются с помощью бустеров (ускорителей-инжекторов) и инжектируются в кольцо СВП. Изоляция частиц пучков от стенок установок и удержание их на заданной орбите производится с помощью магнитного поля. The solution closest to the claimed one is disclosed in the source G.I. Budker, “Accelerators with colliding particle beams.” UFN, 1966, T.89, No. 4, P. 533. In accordance with this source of information, charged particles (electrons, hadrons) are accelerated with the help of boosters (accelerator-injectors) and injected into the SVP ring. The beam particles are isolated from the walls of the installations and kept in a given orbit using a magnetic field.

Недостатком данного решения является относительно низкая светимость, которая ограничивается предельно достижимым количеством частиц в пучках, в свою очередь ограниченным неустойчивостью, возникающей при встрече пучков.The disadvantage of this solution is the relatively low luminosity, which is limited by the maximum achievable number of particles in the beams, which in turn is limited by the instability that arises when the beams meet.

В настоящее время максимальная светимость СВП не превышает 1034 см-2с-1. Такая светимость достаточна для проведения исследований, в которых регистрируются отдельные события (столкновения), но совершенно недостаточна для использования СВП в технологических целях для получения макроскопических количеств вещества или энергетически выгодных ядерных реакций синтеза. Для этих целей светимость СВП должна быть повышена как минимум на 8 порядков. Существующие в настоящее время СВП не имеют промышленного применения и используются исключительно в исследовательских целях именно в результате низких значений светимости СВП.Currently, the maximum luminosity of the SVP does not exceed 10 34 cm -2 s -1 . This luminosity is sufficient for conducting studies in which individual events (collisions) are recorded, but is completely insufficient for using SVPs for technological purposes to obtain macroscopic amounts of matter or energetically favorable nuclear fusion reactions. For these purposes, the luminosity of the hovercraft must be increased by at least 8 orders of magnitude. The currently existing SVPs do not have industrial applications and are used exclusively for research purposes precisely as a result of the low luminosity values of the SVPs.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в создании промышленно применимого устройства для осуществления ядерных реакций синтеза в системах на встречных пучках, с высокой удельной выходной тепловой мощностью, т.е. установки, имеющей повышенную светимость, что обеспечит удельную выходную мощность на уровне 107 – 108 Вт/м3. Thus, the technical problem solved by means of the claimed invention is to create an industrially applicable device for carrying out nuclear fusion reactions in systems using colliding beams, with a high specific thermal output, i.e. installation with increased luminosity, which will provide a specific output power at the level of 10 7 - 10 8 W/m 3 .

Краткое раскрытие сущности изобретенияBrief disclosure of the invention

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении повышения светимости СВП в результате увеличения концентрации частиц во встречных пучках.The technical result achieved by using the claimed invention is to ensure an increase in the luminosity of the hovercraft as a result of an increase in the concentration of particles in the colliding beams.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для осуществления ядерных реакций синтеза в системе на встречных пучках, включающем кольцевую вакуумную камеру с двумя внешними ускорителями заряженных частиц, обеспечивающими формирование в объеме кольцевой камеры встречных потоков заряженных частиц одного знака, представляющих собой ионы реагирующих элементов, согласно техническому решению, стенка кольцевой вакуумной камеры выполнена из диэлектрического материла, при этом вокруг камеры по внутренней и внешней окружности кольца размещены, соответственно, внутренний и внешний металлические кольцевые электроды, выполненные с возможностью подключения к источнику высокого напряжения и формирующие кольцевой конденсатор. Устройство снабжено защитным кожухом, внутри которого размещена кольцевая камера с кольцевым конденсатором. В качестве диэлектрического материала кольцевой камеры может быть использовано стекло. Внешний и внутренний кольцевые металлические электроды расположены в одной плоскости. Плоскость размещения кольцевых электродов параллельна плоскости ленточного пучка заряженных частиц, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры.The specified technical result is achieved by the fact that in a device for carrying out nuclear fusion reactions in a system using colliding beams, including an annular vacuum chamber with two external accelerators of charged particles, ensuring the formation in the volume of the annular chamber of counter flows of charged particles of the same sign, which are ions of reacting elements, According to the technical solution, the wall of the annular vacuum chamber is made of dielectric material, while around the chamber along the inner and outer circumference of the ring, internal and external metal ring electrodes are placed, respectively, made with the ability to connect to a high voltage source and forming a ring capacitor. The device is equipped with a protective casing, inside of which there is a ring chamber with a ring capacitor. Glass can be used as the dielectric material of the annular chamber. The outer and inner ring metal electrodes are located in the same plane. The plane of placement of the ring electrodes is parallel to the plane of the ribbon beam of charged particles sliding along the dielectric wall of the annular vacuum chamber.

Реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных ленточных пучках, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры, которые формируются за счет того, что исходные пучки ускоренных ионов электрическим полем кольцевого конденсатора прижимаются к внутренней стенке кольцевой вакуумной камеры.The nuclear fusion reaction is carried out in counter-propagating ribbon beams sliding along the dielectric wall of the annular vacuum chamber, which are formed due to the fact that the initial beams of accelerated ions are pressed against the inner wall of the annular vacuum chamber by the electric field of the annular capacitor.

Заявленный технический результат достигается путем использования для изоляции пучков от стенки вакуумной камеры эффекта управляемого «гайдинга», при котором происходит самоизоляция пучков ускоренных заряженных частиц (ионов, электронов) при их протяженном скользящем взаимодействии с поверхностью диэлектрической стенки (N. Stolterfoht, Y. Yamazaki, Guiding of charged particles through capillaries in insulating materials. Physics Reports. 2016,V.629,P.1–107). The declared technical result is achieved by using the effect of controlled “guiding” to isolate beams from the wall of the vacuum chamber, in which self-isolation of beams of accelerated charged particles (ions, electrons) occurs during their extended sliding interaction with the surface of the dielectric wall (N. Stolterfoht, Y. Yamazaki, Guiding of charged particles through capillaries in insulating materials. Physics Reports. 2016, V.629, P.1–107).

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Заявляемое изобретение поясняется следующей принципиальной схемой, представленной на фиг.1. The claimed invention is illustrated by the following circuit diagram, shown in Fig.1.

Позициями на схеме обозначены:The positions on the diagram indicate:

1. Вакуумная система1. Vacuum system

2. Ускорители заряженных частиц2. Charged particle accelerators

3. Система управления пучками3. Beam control system

4. Кольцевая вакуумная камера СВП (в дальнейшем: камера СВП)4. Ring vacuum chamber SVP (hereinafter: SVP chamber)

5. Кольцевой конденсатор5. Ring capacitor

6. Ленточные скользящие пучки (ЛСП)6. Ribbon sliding beams (LSB)

7. Защитный корпус7. Protective housing

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Заявляемое устройство содержит кольцевую вакуумную камеру 4, стенки которой выполнены из диэлектрического материала (например, из стекла). К камере подключена система 1 для создания вакуума в рабочем объеме кольцевой камеры. Вакуумная система может быть реализована, например, в виде откачивающего вакуумного насоса, подключенного к кольцевой камере посредством патрубков. Камера также соединена с двумя ускорителями заряженных частиц 2. В качестве таких ускорителей могут быть использованы линейные ускорители, описанные, например, в следующем источнике информации: https://www.dvfu.ru/upload/medialibrary/6e4/wh5wfiefg4av17xd030afgpfdzk8l300/Кульчин_Ускорители%20заряженных%20частиц%20и%20синхротронное%20излучение.pdf. Пучки ускоренных ионов или электронов проходят через систему 3 управления пучками заряженных частиц. Принципиальная схема системы управления пучками представляет собой два плоских конденсатора, расположенных друг за другом, на осевой линии, которая совпадает с осью распространения пучка, но электрические поля этих конденсаторов перпендикулярны друг другу. Изменением напряжения на конденсаторах изменяют направление распространения пучка. Перпендикулярно направленные электрические поля этих плоских конденсаторов позволяют регулировать направление движения пучков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (Электростатические ускорители заряженных частиц / Под ред. акад. А. К. Вальтера М.: Госатомиздат. 1963. 302 с.). The inventive device contains an annular vacuum chamber 4 , the walls of which are made of dielectric material (for example, glass). System 1 is connected to the chamber to create a vacuum in the working volume of the annular chamber. The vacuum system can be implemented, for example, in the form of a vacuum pump connected to the annular chamber via pipes. The chamber is also connected to two charged particle accelerators 2 . Linear accelerators can be used as such accelerators, described, for example, in the following source of information: https://www.dvfu.ru/upload/medialibrary/6e4/wh5wfiefg4av17xd030afgpfdzk8l300/Kulchin_Accelerators%20charged%20particles%20and%20synchrotron%20radiation.pdf . Beams of accelerated ions or electrons pass through system 3 for controlling charged particle beams. The schematic diagram of the beam control system consists of two flat capacitors located one behind the other, on an axial line that coincides with the axis of beam propagation, but the electric fields of these capacitors are perpendicular to each other. By changing the voltage on the capacitors, the direction of beam propagation is changed. The perpendicularly directed electric fields of these flat capacitors make it possible to regulate the direction of movement of the beams in two mutually perpendicular planes (Electrostatic accelerators of charged particles / Edited by Academician A.K. Walter M.: Gosatomizdat. 1963. 302 pp.).

С внешней стороны кольцевой камеры СВП 4 сформирован кольцевой конденсатор 5 в виде внешнего и внутреннего электродов, расположенных по внешней и внутренней окружностям камеры. Электроды кольцевого конденсатора эквидистантны камере и друг другу. В качестве электродов могут быть использованы металлические пластины, изогнутые в форме колец. Каждое кольцо кольцевого конденсатора – это электрод. Плоскость, в которой электроды образуют кольцо, параллельна плоскости, в которой встречные пучки внутри камеры образуют замкнутые кольца. Электрическое поле кольцевого конденсатора должно иметь направление, перпендикулярное направлению движения встречных пучков. С помощью электрического поля этого конденсатора встречные пучки ионов прижимаются к внутренней поверхности кольцевой вакуумной камеры СВП, вдоль которой скользят навстречу друг другу. Электроды кольцевого конденсатора подключены к источнику высокого напряжения, позволяющему получать напряженность электрического поля в конденсаторе (и, следовательно, в объеме кольцевой вакуумной камеры СВП) достаточную, чтобы прижать пучки заряженных частиц к стенке кольцевой вакуумной камеры СВП – 105 – 106 В/м. Эти электроды изолированы во избежание короткого замыкания. Кольцевая камера вакуумная камера СВП с внешними электродами кольцевого конденсатора размещена в защитном корпусе 7, выполненном, например, из металла.On the outside of the annular chamber SVP 4 , a ring capacitor 5 is formed in the form of external and internal electrodes located along the outer and inner circumferences of the chamber . The electrodes of the ring capacitor are equidistant to the chamber and to each other. Metal plates bent in the shape of rings can be used as electrodes. Each ring of a ring capacitor is an electrode. The plane in which the electrodes form a ring is parallel to the plane in which the opposing beams inside the chamber form closed rings. The electric field of the ring capacitor must have a direction perpendicular to the direction of movement of the counterpropagating beams. With the help of the electric field of this capacitor, counter-propagating ion beams are pressed against the inner surface of the annular vacuum chamber of the SVP, along which they slide towards each other. The electrodes of the ring capacitor are connected to a high voltage source, which makes it possible to obtain an electric field strength in the capacitor (and, consequently, in the volume of the SVP ring vacuum chamber) sufficient to press beams of charged particles to the wall of the SVP ring vacuum chamber - 10 5 - 10 6 V/m . These electrodes are insulated to prevent short circuits. The annular chamber - the vacuum chamber of the SVP with external electrodes of the ring capacitor is placed in a protective housing 7 , made, for example, of metal.

Заявляемое устройство для осуществления ядерных реакций представляет собой систему на встречных пучках, в которой реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных пучках, скользящих по внутренней диэлектрической поверхности кольцевой вакуумной камеры СВП. Пучки реагирующих ионов, скользящие по поверхности диэлектрической стенки, формируются с помощью поперечного электрического поля кольцевого конденсатора, расположенного вокруг кольцевой вакуумной камеры СВП и прижимающего пучки к поверхности диэлектрической стенки кольцевой камеры. Минимальный радиус r min кольца камеры СВП определяется по формуле:The inventive device for carrying out nuclear reactions is a colliding beam system in which the nuclear fusion reaction is carried out in colliding beams sliding along the internal dielectric surface of the SVP annular vacuum chamber. Beams of reacting ions sliding along the surface of the dielectric wall are formed using the transverse electric field of a ring capacitor located around the annular vacuum chamber of the SVP and pressing the beams to the surface of the dielectric wall of the annular chamber. Minimum radiusr min SVP chamber rings are determined by the formula:

r min = 2 W E п р . , r min = 2 W E P R . ,

где W – энергия пучка в эВ, E пр. – электрическая прочность диэлектрика, из которого сделана камера СВП (т.е. его пробивное напряжение). При энергии пучка 100 кэВ r min составит 2 мм.WhereW – beam energy in eV,E etc. – electrical strength of the dielectric from which the SVP chamber is made (i.e. its breakdown voltage). At beam energy 100 keVr min will be 2 mm.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. С помощью вакуумной системы 1, подключенной к кольцевой вакуумной камере СВП, в объеме этой камеры создают вакуум с остаточным давлением не выше 10-6 Торр. Пучки ускоренных ионов, полученные с помощью ускорителей 2 и имеющие энергию, достаточную для осуществления требуемой ядерной реакции, с помощью системы управления пучками 3 вводят в объем кольцевой вакуумной камеры СВП 4 навстречу друг другу вдоль электродов кольцевого конденсатора 5. В объеме вакуумной камеры СВП 4 пучки ускоренных заряженных частиц электрическим полем кольцевого конденсатора 5 прижимаются к внутренней диэлектрической поверхности вакуумной камеры СВП. За счет явления «гайдинга» пучки изолируются от столкновения с диэлектрической стенкой и формируются ленточные скользящие пучки (ЛСП) 6, скользящие вдоль поверхности диэлектрической стенки. Встречные ЛСП 6 сталкиваются друг с другом в объеме камеры СВП с протеканием необходимой ядерной реакции. Столкновения встречных пучков в устройстве происходят многократно, поскольку частицы пучков, не прореагировавшие при однократном прохождении объема камеры СВП, принимают участие в последующих столкновениях пучков, не оседая на диэлектрическом покрытии. Максимальная суммарная концентрация частиц во встречных пучках в СВП ограничивается электрической прочностью диэлектрика, из которого выполнена вакуумная камера СВП.The operation of the proposed device is carried out as follows. Using a vacuum system 1 connected to the annular vacuum chamber of the SVP, a vacuum is created in the volume of this chamber with a residual pressure of no higher than 10 -6 Torr. Beams of accelerated ions, obtained using accelerators 2 and having energy sufficient to carry out the required nuclear reaction, are introduced into the volume of the annular vacuum chamber SVP 4 towards each other along the electrodes of the annular capacitor 5 using the beam control system 3 . In the volume of the SVP vacuum chamber 4, beams of accelerated charged particles are pressed by the electric field of the ring capacitor 5 to the inner dielectric surface of the SVP vacuum chamber. Due to the “guiding” phenomenon, the beams are isolated from collision with the dielectric wall and ribbon sliding beams (RSBs) 6 are formed, sliding along the surface of the dielectric wall. Counter LSPs 6 collide with each other in the volume of the SVP chamber with the occurrence of the necessary nuclear reaction. Collisions of colliding beams in the device occur multiple times, since beam particles that did not react during a single passage through the volume of the SVP chamber take part in subsequent beam collisions without settling on the dielectric coating. The maximum total concentration of particles in colliding beams in the SVP is limited by the electrical strength of the dielectric from which the SVP vacuum chamber is made.

Физически, процессы, протекающие в заявляемом устройстве при его работе, поясняются следующим образом.Physically, the processes occurring in the claimed device during its operation are explained as follows.

Камера СВП вакууммируется до остаточного давления не выше 10-6 Торр. В камеру СВП навстречу друг другу из внешних ускорителей направляются два пучка заряженных частиц (ионы, электроны), имеющих заряд одного знака, и обладающих энергией, необходимой для осуществления заданной реакции. На металлические электроды кольцевого конденсатора подают постоянное напряжение такой полярности, чтобы создаваемое конденсатором электрическое поле прижимало пучки к внутренней поверхности диэлектрической стенки камеры СВП. Диэлектрическая стенка за счет упавших на него заряженных частиц пучков приобретает электрический заряд того же знака, что и частицы пучков. За счет упомянутого выше явления «гайдинга» на находящиеся в объеме камеры СВП частицы пучков начинает действовать градиентная сила, отталкивающая их от заряженной диэлектрической стенки. При этом между пучками заряженных частиц и диэлектрической стенкой камеры СВП, к которой электрическим полем кольцевого конденсатора прижимаются частицы встречных пучков, не происходит обмен энергией, и пучки совершают многократные витки в камере СВП. Так как при движении ускоренных пучков в камере СВП не происходит потерь энергии частиц пучков из-за изоляции их от стенки за счет явления «гайдинга», частицы встречных пучков будут многократно сталкиваться друг с другом, и при столкновении будут происходить заданные ядерные реакции. Эти реакции можно использовать для синтеза ядер других элементов или для получения энергии ядерного синтеза. В заявляемом устройстве «гайдинг» является управляемым во всем допустимом диапазоне напряженности, которое выдерживает без электрического пробоя диэлектрическая стенка камеры СВП. Управление параметрами ядерной реакции проводится за счет изменения величин напряженности электрического поля конденсатора и тока, инжектируемых пучков.The SVP chamber is evacuated to a residual pressure of no higher than 10 -6 Torr. Two beams of charged particles (ions, electrons) having a charge of the same sign and possessing the energy necessary to carry out a given reaction are directed into the SVP chamber towards each other from external accelerators. A constant voltage of such polarity is applied to the metal electrodes of the ring capacitor so that the electric field created by the capacitor presses the beams to the inner surface of the dielectric wall of the SVP chamber. Due to the charged particles of the beams falling on it, the dielectric wall acquires an electric charge of the same sign as the particles of the beams. Due to the above-mentioned “guiding” phenomenon, a gradient force begins to act on the beam particles located in the volume of the SVP chamber, repelling them from the charged dielectric wall. In this case, there is no energy exchange between the beams of charged particles and the dielectric wall of the SVP chamber, to which the particles of the counter beams are pressed by the electric field of the ring capacitor, and the beams make multiple turns in the SVP chamber. Since during the movement of accelerated beams in the SVP chamber there is no loss of energy from the particles of the beams due to their isolation from the wall due to the “guiding” phenomenon, the particles of the oncoming beams will repeatedly collide with each other, and during the collision the specified nuclear reactions will occur. These reactions can be used to synthesize the nuclei of other elements or to produce nuclear fusion energy. In the claimed device, the “guiding” is controllable over the entire permissible voltage range, which the dielectric wall of the SVP chamber can withstand without electrical breakdown. The parameters of the nuclear reaction are controlled by changing the electric field strength of the capacitor and the current of the injected beams.

Повышение светимости и, соответственно, повышение интенсивности ядерных реакций на несколько порядков по сравнению с известными значениями в заявляемом устройстве будет осуществляться за счет повышения концентрации заряженных частиц во встречных пучках на 4-5 порядков. Так как пучки заряженных частиц в заявленном устройстве прижимаются электрическим полем кольцевого конденсатора к диэлектрической стенке и одновременно изолируются от контакта с ней за счет явления «гайдинга», то двигаться пучки будут в узком приповерхностном слое, т.е. будут представлять собой «ленточные пучки заряженных частиц», скользящие вдоль диэлектрической поверхности стенки камеры СВП. Максимальная концентрация заряженных частиц в камере СВП ограничена величиной электрической прочности E пр диэлектрика, из которого сделана стенка камеры СВП . . Толщину ленточного скользящего пучка (ЛСП) можно оценить, как равную среднему расстоянию между частицами скользящего пучка:An increase in luminosity and, accordingly, an increase in the intensity of nuclear reactions by several orders of magnitude compared to the known values in the inventive device will be achieved by increasing the concentration of charged particles in colliding beams by 4-5 orders of magnitude. Since the beams of charged particles in the claimed device are pressed by the electric field of the ring capacitor to the dielectric wall and are simultaneously isolated from contact with it due to the “guiding” phenomenon, the beams will move in a narrow near-surface layer, i.e. will be “ribbon beams of charged particles” sliding along the dielectric surface of the wall of the SVP chamber. The maximum concentration of charged particles in the SVP chamber is limited by the electrical strength E of the dielectric from which the wall of the SVP chamber is made . . The thickness of the ribbon sliding beam (LSB) can be estimated as equal to the average distance between the particles of the sliding beam:

, ,

где a – толщина ЛСП, e – элементарный заряд, E пр . – электрическая прочность диэлектрика, E – напряженность поля кольцевого конденсатора, ε 0 - электрическая постоянная. Соответственно, концентрация заряженных частиц в ЛСП будет составлять:where a is the thickness of the LSP, e is the elementary charge, E pr . – electrical strength of the dielectric, E – field strength of the ring capacitor, ε 0 – electrical constant. Accordingly, the concentration of charged particles in the LSP will be:

. .

Современные диэлектрические материалы обладают электрической прочностью до E пр . ~ 108 В/м. Таким образом, концентрация частиц в ЛСП составляет до 1023 м-3. Как известно, светимость СВП при равной концентрации n во встречных пучках прямо пропорциональна n 2 (Г.И.Будкер, Ускорители со встречными пучками частиц. УФН, 1966, Т.89, №4, С. 533.). Для сравнения рассмотрим два СВП с камерой прямоугольного сечения. При сравнении концентрации частиц пучков n экв в СВП, частицы пучка которой равномерно распределены по объему (прототип), с концентрацией частиц n в СВП на ЛСП (заявляемое устройство) получены следующие выводы: при равной ширине поперечного сечения пучка и равных значениях светимости СВП эквивалентная равномерная по объему устройства концентрация заряженных частиц в заявляемом устройстве составит:Modern dielectric materials have electrical strength up to E ave . ~ 10 8 V/m. Thus, the concentration of particles in the LSP is up to 10 23 m -3 . As is known, the luminosity of an SVP at an equal concentration n in colliding beams is directly proportional to n 2 (G.I. Budker, Accelerators with colliding particle beams. UFN, 1966, T. 89, No. 4, P. 533.). For comparison, consider two hovercraft with a rectangular section chamber. When comparing the concentration of particles of beams n eq in the SVP, the beam particles of which are uniformly distributed throughout the volume (prototype), with the concentration of particles n in the SVP on the LSP (the claimed device), the following conclusions were obtained: with equal beam cross-section width and equal luminosity values of the SVP, an equivalent uniform by volume of the device, the concentration of charged particles in the claimed device will be:

, ,

где S ск. – площадь поперечного сечения скользящего пучка, S экв. - площадь поперечного сечения эквивалентного пучка, a – толщина ЛСП, b - расстояние между электродами кольцевого конденсатора, Так, при , n экв. ~ 1020 – 1021 м-3. Такая концентрация заряженных частиц на 4 – 5 порядков превышает достигнутую в настоящее время концентрацию в СВП при магнитной изоляции частиц от стенки. Таким образом, соответствующая светимость, полученная в заявляемом устройстве, позволяющем получить СВП на ЛСП, превысит известную на 8 – 10 порядков, что позволит использовать данное устройство не только в целях исследований, но и в промышленном комплексе.where S sk. – cross-sectional area of the sliding beam, S eq. is the cross-sectional area of the equivalent beam, a is the thickness of the LSP, b is the distance between the electrodes of the ring capacitor, So, when , n eq. ~ 10 20 – 10 21 m -3 . This concentration of charged particles is 4–5 orders of magnitude higher than the concentration currently achieved in the SVP with magnetic isolation of particles from the wall. Thus, the corresponding luminosity obtained in the inventive device, which makes it possible to obtain SVP on LSP, will exceed the known one by 8 - 10 orders of magnitude, which will allow the use of this device not only for research purposes, but also in the industrial complex.

Например, при проведении в устройстве СВП заявляемой конструкции ядерной реакции синтеза: For example, when carrying out a nuclear fusion reaction in a SVP device of the proposed design:

d + t = 4He + n + 17,6 Мэвd + t = 4 He + n + 17.6 MeV

может быть получена удельная выходная тепловая мощность до 108 Вт/м3 (что соответствует удельной мощности двигателя внутреннего сгорания) при затраченной на проведение реакции удельной мощности ~ 105 – 106 Вт/м3, т.е. может быть осуществлена энергетически выгодная реакция ядерного синтеза. a specific output thermal power of up to 10 8 W/m 3 can be obtained (which corresponds to the specific power of an internal combustion engine) with a specific power expended on the reaction of ~ 10 5 – 10 6 W/m 3 , i.e. an energetically favorable nuclear fusion reaction can be carried out.

В заявляемом устройстве могут быть осуществлены и другие энергетически выгодные ядерные реакции синтеза. The claimed device can also carry out other energetically favorable nuclear fusion reactions.

Например, экологически чистые реакции, не имеющие нейтронного выхода:For example, environmentally friendly reactions that do not have a neutron yield:

p + 11B = 3 4He + 8,7 МэВ или p + 11 B = 3 4 He + 8.7 MeV or

d + 3He = 4He + p + 18,4 МэВ. d + 3 He = 4 He + p + 18.4 MeV.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает повышение концентрации во встречных пучках ускоренных заряженных частиц. По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает повышение максимально достижимой концентрации заряженных частиц во взаимодействующих пучках ускоренных заряженных частиц на 4-5 порядков и, как следствие этого, повышение интенсивности ядерных реакций, что позволяет считать такое устройство удовлетворяющим требованиям критерия «промышленная применимость», в том числе позволяющим осуществлять энергетически выгодные реакции ядерного синтеза. Thus, the inventive device provides an increase in the concentration of accelerated charged particles in colliding beams. Compared with the prototype, the proposed invention provides an increase in the maximum achievable concentration of charged particles in interacting beams of accelerated charged particles by 4-5 orders of magnitude and, as a consequence, an increase in the intensity of nuclear reactions, which allows us to consider such a device to satisfy the requirements of the “industrial applicability” criterion, including including allowing for energetically favorable nuclear fusion reactions.

Claims (6)

1. Устройство для осуществления ядерных реакций синтеза в системе на встречных пучках, включающее кольцевую вакуумную камеру с двумя внешними ускорителями заряженных частиц, обеспечивающими формирование в объеме кольцевой камеры встречных потоков заряженных частиц одного знака, представляющих собой ионы реагирующих элементов, отличающееся тем, что стенка кольцевой вакуумной камеры выполнена из диэлектрического материла, при этом вокруг камеры по внутренней и внешней окружности кольца размещены, соответственно, внутренний и внешний металлические кольцевые электроды, выполненные с возможностью подключения к источнику высокого напряжения и формирующие кольцевой конденсатор.1. A device for carrying out nuclear fusion reactions in a system using colliding beams, including an annular vacuum chamber with two external accelerators of charged particles, ensuring the formation in the volume of the annular chamber of counter flows of charged particles of the same sign, representing ions of reacting elements, characterized in that the wall is annular The vacuum chamber is made of dielectric material, while around the chamber along the inner and outer circumference of the ring there are, respectively, internal and external metal ring electrodes, made with the ability to connect to a high voltage source and forming a ring capacitor. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных ленточных пучках, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры, которые формируются за счет того, что исходные пучки ускоренных ионов электрическим полем кольцевого конденсатора прижимаются к внутренней стенке кольцевой вакуумной камеры.2. The device according to claim 1, characterized in that the nuclear fusion reaction is carried out in counter-propagating ribbon beams sliding along the dielectric wall of the annular vacuum chamber, which are formed due to the fact that the initial beams of accelerated ions are pressed against the inner wall of the annular vacuum chamber by the electric field of the annular capacitor cameras. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено защитным кожухом, внутри которого размещена кольцевая камера с кольцевым конденсатором.3. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a protective casing, inside of which there is a ring chamber with a ring capacitor. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве диэлектрического материала кольцевой вакуумной камеры используют стекло.4. The device according to claim 1, characterized in that glass is used as the dielectric material of the annular vacuum chamber. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний и внутренний кольцевые металлические электроды расположены в одной плоскости.5. The device according to claim 1, characterized in that the outer and inner ring metal electrodes are located in the same plane. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскость размещения кольцевых электродов параллельна плоскости ленточного пучка заряженных частиц, скользящих вдоль диэлектрической стенки кольцевой вакуумной камеры.6. The device according to claim 1, characterized in that the plane of placement of the ring electrodes is parallel to the plane of the ribbon beam of charged particles sliding along the dielectric wall of the annular vacuum chamber.
RU2023120044A 2023-07-31 Device for implementing nuclear fusion reactions in system using colliding beams RU2813817C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813817C1 true RU2813817C1 (en) 2024-02-19

Family

ID=

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU735095A1 (en) * 1978-12-18 1984-05-15 Предприятие П/Я А-7904 Tocomac plant
RU2171555C1 (en) * 2000-03-06 2001-07-27 Берлин Евгений Владимирович High-frequency gaseous-discharge source of high-density ions with low-impedance antenna
RU2242809C2 (en) * 2003-01-14 2004-12-20 Богданов Игорь Глебович Device for conducting controlled thermonuclear fusion reaction
RU46121U1 (en) * 2005-01-14 2005-06-10 Жиляков Лев Альбертович DEVICE FOR IMPLEMENTING A CONTROLLED REACTION OF NUCLEAR SYNTHESIS
RU113859U1 (en) * 2011-10-25 2012-02-27 Лев Альбертович Жиляков DEVICE FOR FOCUSING BEAMS OF ACCELERATED CHARGED PARTICLES
FR2994317B1 (en) * 2012-08-03 2014-09-12 Univ Lyon 1 Claude Bernard REACTOR AND METHOD FOR THE IMPLEMENTATION OF A NUCLEAR FUSION REACTION
RU2546960C2 (en) * 2013-09-04 2015-04-10 Мурадин Абубекирович Кумахов Method of conducting controlled nuclear fusion reaction and apparatus therefor
KR101697248B1 (en) * 2015-12-23 2017-01-17 한국기초과학지원연구원 Antenna with Improved Structures in Faraday Shields for Fusion Plasmas Heating and Current Drive
FR2997220B1 (en) * 2012-10-22 2018-03-23 Ecole Polytechnique METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A CHARGED PARTICLE BEAM FOCUSED OF CURRENT FORT
JP6732615B2 (en) * 2016-09-20 2020-07-29 ニチコン株式会社 Pulse power supply

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU735095A1 (en) * 1978-12-18 1984-05-15 Предприятие П/Я А-7904 Tocomac plant
RU2171555C1 (en) * 2000-03-06 2001-07-27 Берлин Евгений Владимирович High-frequency gaseous-discharge source of high-density ions with low-impedance antenna
RU2242809C2 (en) * 2003-01-14 2004-12-20 Богданов Игорь Глебович Device for conducting controlled thermonuclear fusion reaction
RU46121U1 (en) * 2005-01-14 2005-06-10 Жиляков Лев Альбертович DEVICE FOR IMPLEMENTING A CONTROLLED REACTION OF NUCLEAR SYNTHESIS
RU113859U1 (en) * 2011-10-25 2012-02-27 Лев Альбертович Жиляков DEVICE FOR FOCUSING BEAMS OF ACCELERATED CHARGED PARTICLES
FR2994317B1 (en) * 2012-08-03 2014-09-12 Univ Lyon 1 Claude Bernard REACTOR AND METHOD FOR THE IMPLEMENTATION OF A NUCLEAR FUSION REACTION
FR2997220B1 (en) * 2012-10-22 2018-03-23 Ecole Polytechnique METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A CHARGED PARTICLE BEAM FOCUSED OF CURRENT FORT
RU2546960C2 (en) * 2013-09-04 2015-04-10 Мурадин Абубекирович Кумахов Method of conducting controlled nuclear fusion reaction and apparatus therefor
KR101697248B1 (en) * 2015-12-23 2017-01-17 한국기초과학지원연구원 Antenna with Improved Structures in Faraday Shields for Fusion Plasmas Heating and Current Drive
JP6732615B2 (en) * 2016-09-20 2020-07-29 ニチコン株式会社 Pulse power supply

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Г.И. Будкер, "Ускорители со встречными пучками частиц". УФН, 1966, Т.89, N4, С. 533. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2329692B1 (en) High-current dc proton accelerator
EP2158796B1 (en) Beam transport system and method for linear accelerators
KR101799915B1 (en) High reliability, long lifetime, negative ion source
JP2016031849A5 (en)
US3742219A (en) High energy neutral particle beam source
Dimov et al. A 100 mA negative hydrogen-ion source for accelerators
RU2813817C1 (en) Device for implementing nuclear fusion reactions in system using colliding beams
Kikuchi et al. Beam instability induced by space charge oscillation during final beam bunching<? format?> for heavy ion inertial fusion
WO2007069930A1 (en) Method for accelerating electrons in a linear accelerator and an accelerating structure for carrying out said method
Crittenden Jr et al. Methods for betatron or synchrotron beam removal
CN113158420B (en) Method and system for determining optimal parameters of capillary tube for proton focusing
Stetter et al. Development of a plasma lens as a fine focusing lens for heavy-ion beams
Vakili et al. Conceptual design of 30 kW-NBI injector using a multi-cusp ion source for heating of D-shaped Damavand tokamak plasma
RU2707272C1 (en) Powerful neutron source using a nuclear synthesis reaction, which proceeds during bombardment of a neutron-forming gas target by accelerated deuterium ions
Cistakov et al. Study on a dense theta pinch plasma for ion beam stripping application for FAIR
Ankenbrandt et al. H− Charge Exchange Injection Systems
Yatsui et al. Recent progress of studies on intense particle beam at Nagaoka—ETIGO Project
Kaganovich Designing Neutralized Drift Compression for Focusing of Intense Ion Beam Pulses in a Background Plasma
Rondeau Studies of an extractor geometry magnetically insulated ion diode with an exploding metal film anode plasma
Bricault Linear Accelerators for Exotic Ion Beams
Artemov A new method of ion beam diagnostics
Kawagoshi et al. Charge equilibrium processes of energetic incident ions and their range
Nardi et al. Pulsed sources of ion cluster and supercluster beams
Seligmann An introduction to electron cooling
Böhne Heavy ion accelerators