UA150282U - Термоядерний реактор із z-подібним магнітним полем - Google Patents

Abstract

Термоядерний реактор із Z-подібним магнітним полем призначений для отримання як теплової енергії, так і електричної, із легких елементів, які вступають у термоядерні реакції з виділенням енергії. Цей реактор може застосовуватись як джерело енергії в електростанціях великої потужності, теплоцентралях, а також на космічних станціях, на великих кораблях. Створюють сильне магнітне поле (десятки і сотні Тесла) колоподібними електричними струмами у плазмі (сотні кілоампер) у просторі розміром в сантиметри і десятки сантиметрів. Ці струми виникають при електричному розряді напругою в сотні кіловольт та мегавольти при зустрічі двох електрично заряджених плазмових пучків, осі яких не співпадають, у поздовжньому магнітному полі, яке має Z-подібний вигин у місці зустрічі різнойменних електричних зарядів, так що при зустрічі цих зарядів вони мають достатній момент обертання відносно їхнього центра мас, і виникнення колоподібних електричних струмів у місці зустрічі неминуче. Як середовище для цього процесу використовуються зустрічні плазмові пучки із прискорювачів плазми, які є джерелом високотемпературної плазми для термоядерного синтезу. Це дає можливість будувати потужні електростанції з використанням термоядерних реакцій, де паливом є водень та інші легкі елементи.

Description

1. Область техніки. Корисна модель належить до галузі електроенергетики, а саме до термоядерних реакторів МПК 218 31/00. Це перспективна область енергетики, яка використовує виділення величезної енергії при злитті ядер легких елементів, починаючи з водню. У зв'язку з необмеженістю палива і екологічною чистотою термоядерну енергію справедливо вважають енергією майбутнього |11, І41. 2. Рівень техніки. Зараз відомі експериментальні термоядерні реактори, в яких використовуються принципи магнітного та інерційного утримання плазми (11, (2). Проблема полягає втому, що в існуючих реакторах не досягається необхідний критерій Лоусона (пі 2 |Ц(Т), де п - концентрація ядер в плазмі, Її - час утримання плазми, І(Т) - коефіцієнт Лоусона як функція температури плазми, (121, ІЗ), досягнення якого необхідно для того, щоб термоядерний реактор виробляв електроенергії більше, ніж споживає і був промислово корисним |, (ЗІ.

Технічним результатом для вдосконалення термоядерних реакторів є саме досягнення критерію Лоусона і перевищення добутком пгї коефіцієнта Лоусона для того, щоб реактор став промислово корисним. Наслідком цього та іншим представленням технічного результату є перевищення енергії, яку виробляє електростанція з термоядерним реактором, над енергією, яку необхідно взяти з електричної мережі для роботи самого реактора ПІ, (12). Для найбільш вигідної енергетично дейтерієво-тритієвої суміші критерій Лоусона для термоядерної електростанції має вигляд пгеї 2 1,5:10205/т3, причому він враховує втрати енергії при отриманні електричної енергії з теплової, яка виділяється у реакторі ГП, (121.

Відомі аналоги корисної моделі - термоядерні реактори, які використовують зустрічні пучки квазінейтральної плазми для створення термоядерної плазми і при цьому використовують додаткові засоби для утримання цієї плазми, такі як магнітні відкриті пастки І5| та Рієїд-Кемегзей

Сопіідигайноп (ЕВС) І6). Найближчий аналог - це термоядерний реактор на зустрічних плазмових пучках, описаний у патенті 0541 720084А І7|, тобто термоядерний реактор, що містить вакуумну камеру за формою циліндра, із зовнішнім соленоїдом з віссю, що співпадає з віссю циліндричної камери, який створює поздовжнє магнітне поле всередині вакуумної камери, із двома прискорювачами плазми, які знаходяться на різних торцях циліндричної камери, осі яких співпадають з віссю камери, і які створюють два імпульсні зустрічні пучки плазми дейтерієво- тритієвої суміші, які стикаються в центрі вакуумної камери, і до яких прикладена електрична

Зо різниця потенціалів від джерела високої напруги за допомогою електродів, розташованих на оболонці вакуумної камери. Він відрізняється від усіх інших тим, що він єдиний з усіх використовує подачу високої напруги на зустрічні плазмові пучки безпосередньо через електроди, що дає можливість у кілька разів підвищити кінетичну енергію ядер у зустрічних пучках завдяки розряду у самих зустрічних пучках; за рахунок цього досягти набагато вищих температур у створеній при зустрічі пучків плазмі; використовувати плазмові прискорювачі, які мають більш високу концентрацію плазми за рахунок меншої швидкості плазми на виході із плазмового прискорювача |18|; досягти критерію Лоусона при меншому добутку пе"ї завдяки можливості мінімізувати коефіцієнт Лоусона |12| шляхом створення оптимальної для конкретної термоядерної реакції температури. Але цей аналог не застосовує ніяких засобів для утримання плазми, а використання лазера не є ефективним, про що засвідчили подальші експерименти з лазерним термоядерним синтезом |10). Інші ж аналоги не використовують подачу напруги на зустрічні плазмові пучки, а утримання за рахунок відкритих магнітних пасток І5| та ЕВС (б) не принесло досягнення критерію Лоусона |51І, 11). Без утримання плазми в найближчому аналогу, описаному в патенті ОБ54172008А І/|, технічний результат недосяжний, оскільки плазмові прискорювачі досягли свого максимуму для добутку пеї (1016105 (1/п13)) « (5106 в) - 510185/т3

ІБЇ, ІЗ, (181, що в тридцять разів менше, ніж вказаний вище коефіцієнт Лоусона для найбільш енергетично вигідної дейтерієво-тритієвої термоядерної реакції 1,5:10205/птп3, 3. Розкриття корисної моделі. Технічною задачею для термоядерних реакторів є створення такої нової конструкції термоядерного реактора або таке покращення характеристик існуючих конструкцій, яке дозволяє досягти в термоядерному реакторі таких умов утримання плазми, при яких добуток п"'ї перевищує коефіцієнт Лоусона І(Т) ПІІ, (4), П12)Ї. Лише при таких умовах термоядерний реактор може бути промислово корисним і мати промислове застосування. При цьому технічним результатом є перевищення у реакторі добутку п"ї коефіцієнта Лоусона | (Т), що рівносильно перевищенню отриманої електричної енергії над спожитою.

Суть корисної моделі полягає в тому, що для збільшення концентрації ядер у плазмі л і для збільшення часу утримання плазми Її, для досягнення технічного результату, використовується нова конструкція термоядерного реактора із 7-подібним магнітним полем. Це циліндрична вакуумна камера, як у найближчому аналогу І7|, діаметром від кількох сантиметрів до кількох десятків сантиметрів, у якій зовнішнім соленоїдом створено поздовжнє магнітне поле 60 величиною від декількох часток Тесла до декількох Тесла, і яке не дозволяє плазмі з плазмових прискорювачів витікати в поперечному напрямку (5). Суттю корисної моделі є внесення в найближчий аналог нового конструктивного елемента, а саме: всередині камери є обмежена ділянка, де вісь цієї камери та вісь соленоїда змінює свій напрямок щонайменше 2 рази, так що вісь соленоїда зсувається на відстань від сантиметра до декількох десятків сантиметрів. Таким чином магнітне полу у камері має 7-подібний вигин, так що вісь поля зсувається на відстань від сантиметра до декількох десятків сантиметрів. Осі плазмових прискорювачів також зрушені одна відносно одної на відстань такого ж порядку в цій же площині (залежно від умов роботи реактора, конструктивно зміна цієї відстані досягається встановленням прискорювачів плазми на рухомих платформах). Крім того, реактор має ще один новий конструктивний елемент, а саме електронний пристрій управління реактором, який задає старт і параметри першого плазмового пучка, старт і параметри другого плазмового пучка, старт подачі різниці електричних потенціалів першого плазмового пучка і другого плазмового пучка, величину магнітного поля на 2-подібній ділянці таким чином, що головні частини електрично заряджених плазмових пучків зустрічаються саме на 2-подібній ділянці магнітного поля.

Таким чином, із самого початку витоку з плазмових прискорювачів та до моменту зустрічі плазмових пучків вони та їх головні частини мають великий кутовий момент відносно їх центра мас. До пучків прикладена висока напруга (від десятків кіловольт до мегавольт для різних термоядерних реакцій: оптимальна напруга для досягнення найменшого коефіцієнта Лоусона при використанні дейтерієво-тритієвої суміші складає близько 26 кілоелектронвольт |, (121; для інших видів термоядерного палива ця оптимальна напруга набагато більша). Джерелом електричної напруги, яка подається на електроди, є батареї високовольтних імпульсних конденсаторів. При зустрічі головних частин заряджених різнойменно плазмових пучків в 2- подібному вигині, ядра і електрони, притягуючись один до одного на високій швидкості, за інерцією починають обертатися навколо їх центру мас (131, І14Ї). Таким чином, виникають колоподібні струми в 7-подібному вигині магнітного поля, величина яких порівняна із струмом розряду в плазмі, а саме сотні кіллампер і мегаампери, обмежуються струмом розряду імпульсних конденсаторів (18). Ці колоподібні струми створюють величезне магнітне поле в 2- подібному вигині, десятки і сотні Тесла (|13), які утримують високотемпературну плазму, що надходить в 2-подібний вигин з плазмових прискорювачів. Таким чином концентрація ядер у

Зо плазмі збільшується в сотні разів відносно початкової концентрації ядер плазми пучка, оскільки вся плазма з пучків за один імпульс загальною довжиною від кількох метрів до кількох десятків метрів (5, (18) утримується в обмеженій області розміром в декілька сантиметрів або кілька десятків сантиметрів. Крім того, сам електричний розряд стискає плазмові пучки в радіальному напрямку, зменшуючи діаметр пучків в кілька разів і збільшуючи концентрацію ядер в пучку: пінч-ефект, (15). Очевидно, що ці колоподібні струми згасають, але у будь-якому випадку час їх загасання більше часу самого плазмового імпульсу та часу розряду. Крім того, при встановленні в реакторі додаткових електродів та додаткових джерел високої напруги під час одного імпульсу плазмових прискорювачів розряди через електроди в камері повторюються кілька разів для підтримання колоподібних струмів у 2-подібному вигині магнітного поля, що забезпечує постійне утримання плазми у 7-подібному вигині. Таким чином час утримання плазми з очевидністю збільшується відносно найближчого аналогу, що вже досить для багаторазового перевищення критерію Лоусона і досягнення технічного результату. Як вказано вище, концентрація ядер утримуваної в 2-подібному вигині плазми у корисній моделі "Термоядерний реактор із 2- подібним магнітним полем" підвищується щонайменше в сто разів, а для досягнення критерію

Лоусона в найближчому аналогу |(7| при використанні сучасних плазмових прискорювачів (9) необхідно підвищити концентрацію всього в тридцять разів, як показано вище. Технічний результат таким чином досягається за рахунок внесення в конструкцію нових вказаних вище елементів.

Вказана конструкція при зміні початкових параметрів плазмових пучків, величини та часу подання напруги на електроди працює з іншими видами термоядерного палива, такими як водень, дейтерій, суміш бору-11 та водню, будь-які хімічні елементи для їх трансмутації. Для стабільного контакту електродів з плазмою електроди встановлюються всередині вакуумної камери, як електроди використовуються частини плазмових прискорювачів, використовуються плазмові електроди (161. 4. Реалізація корисної моделі. Можливість здійснення корисної моделі і досягнення вказаного вище технічного результату підтверджується тим, що зараз існують плазмові прискорювачі з вказаними вище необхідними параметрами 19), (161, (18), з початковою концентрацією плазми 1076(1/51713), тобто 10162105-1022(1/13) та тривалістю імпульсу 500 мікросекунд; існують необхідні джерела живлення для розряду в зустрічних плазмових пучках з бо вказаними вище параметрами у вигляді високовольтних імпульсних конденсаторів |17|; існує можливість створювати з багатьох імпульсних конденсаторів батареї з послідовним та паралельним підключенням конденсаторів для отримання джерел високої напруги з необхідною напругою від 10 кіловольт до 10 мегавольт, необхідною ємністю, запасом енергії та допустимою силою струму розряду; існує можливість конструктивно змінювати форму соленоїда навколо камери з отриманням 7-подібних ділянок будь-якої конфігурації. Таким чином, можливість досягнення вказаного вище технічного результату при здійсненні корисної моделі очевидна.

Крім того, додатковим прикладом можливості тривалого (більше секунди) утримання плазми завдяки виникненню колоподібних струмів при зустрічі позитивних та негативних зарядів з великим кутовим моментом відносно центра мас, є утримання плазми в кульовій блискавці більше секунди у вперше здійсненій фіксації спектра та відеофіксації кульової блискавки на

Тібеті китайськими вченими у 2012 році |8). У спектрі цієї кульової блискавки зареєстровані кремній, залізо та кальцій, тобто елементи земного грунту. Це можливо лише тоді, коли ця кульова блискавка утворилась з іонів елементів земного грунту, які піднялись в атмосферу при розряді лінійної блискавки і утворили плазмову сферу при зустрічі з електронами (|19ІЩ, а утримуватись у сфері зафіксованої кульової блискавки більше секунди ця плазма могла лише завдяки магнітному полю внутрішніх колоподібних струмів.

Джерела інформації: 1. Велихов Е.П., Путвинский С.В. Термоядерная знергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе/Доклад от 22.10.1999 г., вьіполненньй в рамках Епегду Сепієї ої Ше У/опа

Еедегайоп Годі Зсіепіївів, пор:/ЛПегтописієаг.пагод.ги/гем.пІті, пор ///мебр.агспіме.огд/мер/20180814120046/пнр./ЛПептописіваг.пагод.ги/гем. пІті. 2. ві ої Тивіоп ехрегітепів, М/іКіредіа, пирз//еп.міКіредіа.ога/лмікі/Л ії ої Тивіоп ехрегітепів 3. Боте Стіепа ог а Рожег Ргодисіпд Тнептописієаг Неасіог. І ам/5оп, у. Ю. Ргосеєдіпов ої Ше

РНузіса! босієїу, Зесійоп В, Моїште 70, Івзиє 1, рр. 6-10 (1957). 4. Горячая плазма и управляемьй ядерньій синтез. ІЗВМ: 5-7262-0234-1 Издательство:

МИФИ Год: 1999 Лукьянов С.Ю., Ковальский Н.Г. 5. Сафронов Валерий Михайлович. Получениє вьісокотемпературной плазмь! в магнитньх ловушках при встречном взаймодействий плазменньмх потоков: ил РГБ ОД 61:85-1/2352. 6. Соїїйдіпуд Веат Ривіоп Неасіої, Могптап Во5іоКег, Міснпі М/. Віпдегбацег апа Непаїйїк /.

Ко) МопкКпогв5і, Зсіепсе, Мем бепевз, Мої. 278, Мо. 5342 (Моу. 21, 1997), рр. 1419-1422 7. Ш.5. раїєпі Мо. 0О54172008А Мисієаг Тивіоп геасіог. Іпуепіог доп Н. Рієвї. 1979. перз//раїєпів.доодіє.сот/раїеп/054172008А/еп. 8. Орзегмаїйоп ої Пе ОріїсаЇ апа 5респнга! Спагасієгівіїс5 ої Ваї! Гідпіпіпд. діапуопд Сеп, Ріпд

Уцап, апа бітіп Хие: Ріувз. Нем. І ей. 112, 035001-Рибіївней 17 Удапиагу 2014. 9. Мощнье импульснье злектродинамические ускорители плазмь. ТРИНИТИ.

Орли пі пи/Ріазтаассеї.пІті, пор //лмеб.агспіме.огд/лмер/20190810124134/ппр/лимми пі. п/

Ріазтаассеї!.пІті. 10. Бивіоп "ВгеаКійтоцай" аг МІБ? ОН, Мої ВАеайу 3.. Оапієї Сіеєгту 2013 пОрз/Лимли.всіепсетад.ога/пемув/2013/10Ливіоп-бгеакійгоцдн-піїт-ип-пої-геаїІу. 11. Аспієметепі ої Бивіаіпед Меї Ріазта Неаїйпа іп а Ризіоп Ехрегпітепі мйй Ше Оріотеїйві

АІдопіпт. Е.А. Ваї, Е. ТгазК, М. Віпаєтбацег, М. рікоузКу, Н. Соїа, В. Мепадога, 9У.С Ріай, Р.Р.

Віїєузсі Вер. 2017; 7: 6425. Риріїзней опіїпе 2017 ди! 25. дої: 10.1038/541598-017-06645-7. 12. Ї амеоп спіетпіоп, УМіКіредіа, пере /еп.мікКіредіа.огу/мікіЛ ажвоп сптетпоп 13. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1977. - Т. І. Злектричество. 14. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Физматлит, 2006. - Т.І. Механика. 15. Арцимович Л.А. 7.4 Пинч-зффект //Злементарная физика плазмь. - 3-е изд. - М.

Атомиздат, 1969. - С. 151-158. - 189 с. 16. Морозов А.И. Принципьі коаксиальньхх (квази)стационарньїх плазменньїх ускорителей (КСПУ).//Физика плазмь. 1990 17. Гунько В.И., Онищенко Л.И., Дмитришин А.Я., Швец И.С. Оценка достигнутого уровня в области создания вьісоковольтньїх импульсньїх конденсаторов с вьісокой удельной запасаемой знергией //"Злектронная обработка материалов - Мо 4, 2004г. 18. Умрихин, Николай Михайлович. Оптимизация мощньїх импульсньїх ускорителей плазмьі:

Дис. ... канд. физико-математическиє науки: 01.04.08.- ИАЗ им. Курчатова 1984 19. Тне тузіегу ої Пе раї! Пупіпіпа і зоїмед! Апайоіїї Кпагспепко. 2018. пер//аз414495.ец5.огаЛіптес/бае.піті.

Claims (14)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

1. Термоядерний реактор, що містить вакуумну камеру за формою циліндра, із зовнішнім соленоїдом з віссю, що співпадає з віссю циліндричної камери, який створює поздовжнє магнітне поле всередині вакуумної камери, із двома прискорювачами плазми, які знаходяться на різних торцях циліндричної камери, осі яких співпадають з віссю камери, і які створюють два імпульсні зустрічні пучки квазінейтральної плазми дейтерієво-тритієвої суміші, які стикаються в центрі вакуумної камери і до яких прикладена електрична різниця потенціалів від джерела високої напруги за допомогою електродів, розташованих на оболонці вакуумної камери, який відрізняється тим, що: посередині вакуумної камери є обмежена ділянка, в якій вісь камери та вісь соленоїда навколо неї виконані з можливістю змін напрямку щонайменше два рази (7-подібна ділянка камери та магнітного поля); роботою реактора керує електронний пристрій, який задає старт і параметри першого плазмового пучка, старт і параметри другого плазмового пучка, старт подачі різниці електричних потенціалів першого плазмового пучка і другого плазмового пучка, величину магнітного поля на 2-подібній ділянці таким чином, що головні частини заряджених електрично плазмових пучків зустрічаються саме на 2-подібній ділянці магнітного поля; вісь першого плазмового пучка не співпадає з віссю другого пучка і знаходиться на певній відстані від осі другого пучка в площині, в якій зрушена вісь соленоїда на 2-подібній ділянці.

2. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що електроди для подачі електричної напруги на плазмові пучки знаходяться всередині вакуумної камери.

3. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що кінець прискорювача плазми знаходиться всередині вакуумної камери.

4. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що для подачі напруги на плазмові пучки використовуються плазмові електроди.

5. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що для подачі напруги на плазмові пучки використовуються частини самих плазмових прискорювачів (катод чи анод прискорювача).

6. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що в прискорювачах плазми для Зо створення плазмових пучків використовуються дейтерій або водень.

7. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що в прискорювачах плазми для створення плазмових пучків використовується суміш бору-11 і водню, а енергія, що виділяється в реакторі у вигляді кінетичної енергії високоенергетичних ядер гелію, перетворюється в електричну безпосередньо в магнітогідродинамічному генераторі.

8. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що в прискорювачах плазми для створення плазмових пучків використовується плазма з важких елементів для трансмутації елементів і отримання дорогих і рідкісних елементів з поширених та дешевих.

9. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що вакуумна камера разом з оточуючим її соленоїдом має 2-подібний плавний вигин для створення 2-подібної ділянки магнітного поля.

10. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що на 72-подібній ділянці вакуумної камери є додаткові соленоїди для зміни конфігурації магнітного поля на на 2-подібній ділянці.

11. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що прискорювачі плазми встановлені на рухомих платформах для зміни відстані між їх осями.

12. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що осі першого і другого плазмових прискорювачів зрушені не в тій площині, в якій зрушена вісь вакуумної камери та соленоїда на 2-подібній ділянці, а в перпендикулярній площині.

13. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що використовується наповнена газом камера, плазмові прискорювачі та плазмові пучки відсутні, а електроди для подачі напруги (катод і анод) зрушені відносно осі вакуумної камери в площині 7-подібного вигину вакуумної камери та соленоїда та відносно центра 7-подібного вигину вакуумної камери та соленоїда, так що при розряді позитивний і негативний заряди зустрічаються на 7-подібній ділянці вакуумної камери.

14. Термоядерний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що використовується джерело високої напруги у вигляді кількох батарей імпульсних високовольтних конденсаторів та комутаційні пристрої для їх послідовного керованого розряду, через одну пару електродів або через кілька різних пар електродів, які під час генерації плазмових пучків прискорювачами плазми після першої імпульсної подачі електричної напруги через електроди на плазмові пучки потім подають імпульс високої напруги на ті ж плазмові пучки ще декілька разів.