Способ удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке

 

СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В ЗАМКНУТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ , в которой имеются участки однородного поля, соединенные с . замыкающими участками с вращательным преобразованием, отличающийс я тем, что, с целью обеспечения устойчивого удержания SHCOKOTeMnepa- турной плазмы с термоядерными njipaметрами независимо от длины участков однородного поля, конфигурацию магнитного поля в замыкающих участках подбирают так, чтобы в пределах каждого участка выполнялось условие i К

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЯ4АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК аю 01) ЗСЮ:б 21 В 1 00 всеобщ

И „.,„„

1 / к АвтОРсному свидечвльстеу

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНР 1ТИЙ

K(5}cos C(S} дз =0, 8 3/2(где (21) 3334859/18-25 (22) 28.08.81 (46) 23.12.83, Бюл. М 47 (72) В.M.Ãëàãîëåâ, Б.A.Tðóáíèêîâ и В.Д.Шафранов (53) 533.9 (088.8) (56) 1. Арцимович Л.A. Управляемые термоядерные реакции. N., "Наука", 196 3 .

2. Yonng К,М. The С-S te11а ra tor а "теч1еч of containment. 1974, P1asma Physics. 16, 9 2, р. 119 (прототип). (54)(57) СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В ЗАМКНУТОЙ МАГННТНОЙ ЛОВУШКЕ, в которой имеются УМастки однородного поля, соединенные с . замыкающими участками с вращательным преобразованием, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения устойчивого удержания высокотемпера" турной плазмы с термоядерными параметрами независимо от длины участков однородного поля, конфигурацию магнитного поля в замыкающих участках подбирают так, чтобы в пределах каждого участка выполнялось условие

" «4

2 (2

 — длина дуги магнитной оси замыкающего участка, отсчитываемая от его середины, — длина этого участка

К(5) - кривизна оси>

8(5)- напряженность магнитного поля на оси;

C(s)- текущий угол вращательного преобразования магнитных фсиловых линий.

1062795

Изобретение относится к области техники, связанной с проблемой создания управляемого термоядерного реактора.

Известны способы удержания высокотемпературной плазмы, основанные 5 на использовании магнитной термоиэоляции, осуществляемой в замкнутых магнитных конфигурациях эа счет вращательного преобразования магнитных силовых линий(токамаки, сталлараторы)(12. 10

Одйако в этих системах условия равновесия и устойчивости плазмы выполняются, лишь если ее давление

Р значительно меньше магнитного давления Ü7 /8 л, так что р= 8 _#_P/S741(5 и для удержания плазмы требуются сильные магнитные поля. Тороидальная форма указанных конфигураций приводит к тому, что внутренние области тора с наиболее сильным полем используются неэффективно. Существуют также большие технологические трудности, связанные с проблемой размещения сменного бланкета,диверторов, систем нагрева плазмы и йнжекции.

Эти трудности можно значительно уменьшить, если создать замкнутую магнитную ловушку, включающую достаточно длинные прямолинейные участки с однородным магнитным полем, на которых было бы удобно размес- 30 тить бланкет, динертор, системы нагрева и инжекции,и другие вспомогательные и диагностические устройства .

Наиболее близок к предлагаемому способ удержания плазмы н замкнутой 35 магнитной ловушке (стелларатор С ), содержащей два прямолинейных участка с однородным магнитным полем, концы которых замыкаются двумя торо-, ндальными участками с винтовыми об- щ мотками, создающими вращательное преобраэонание для обеспечения равновесия плазмы (2 3.

Однако известный способ не позволяет удерживать плазму достаточно высокого давления при большой длине прямых участков, так как тороидальные участки плазмы не являются сами по себе равновесными, и максимально допустимое давление плазмы падает при увеличениидлины прямых участков.

Целью изобретения является созда- ние замкнутой магнитной ловушки с как можно более длинными прямолинейными участками, в которой мак«имально допустимое давление плаэ 55 могло бы,,быть существенно выше, чем н известной ловушке.

Для достижения укаэанной цели согласно способу удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной 60 ловушке, в которой имеются длинные участки однородного поля, соединенные замыкающими участками с вращательным преобразованием, подбирают конфигурацию магнитного поля в загде

L/2

Z= (Si9 э) ((9)aS; (2)

Ц2 9 о (9 ) - "Х (S ) a 9 мыкающих участках так, чтобы в них отдельно ныполнялись условия равновесия плазмы т.е. чтобы токи разделения зарядов н плазме, связанные с неоднородностью магнитного поля в этих участках, замыкались в пределах каждого участка, а именно выполнялось услоние

Ц2

К(9) cos C(s) 39 =P ()

6 3/7(-LI2 ,где з — длина дуги магнитной оси замыкающего участка, отсчитывая от его серединыу — длина этого участка", K(S) — кривизна оси, 5(s)- напряженность магнитйого поля на оси;

C(S) — текущий угол вращательного преобразования магнитных силовых линий.

В замыкающих участках может быть использовано магнитное поле, созда.ваемое тремя полутораидальными соленоидами, развернутыми на угол 120О по отношению друг к другу, Физический смысл условия (1 j состоит в том, что силовые линии магнитного поля на концах замыкающего участ- ка остаются параллельными осевой линии прямолинейного участка и при наличии плазмы. Вследствие этого они могут быть непосредственно состыкованы с прямолинейными силОвыми линиями участка однородного поля произвольной длины. Эквивалентная йнтерпретация услония (1 ) состоит н том, что внутренние диамагнитные токи разделения зарядов, обусловленные кривизной и неоднородностью поля в торцовых участках, замыкаются и компенсируются внутри самих этих участков, не распространяясь в примыкающие прямолинейные участки. Тороидальные участки известного стелларатора С не обладают этими специфическими свойствами, поэтому в нем максимально допустимое давление плазмы падает при увеличении длины прямых участков, тогда как согласно предлагаемому способу удержания оно не зависит от их длины.

Как показывают расчеты, в прос-, тейшем случае замыкающего участка с однородным полем и круглым сечением магнитных поверхностей это давление определяется формулой

67)р/в2.=Р = — 510(ы„/ )

21062795

P — среднее по сечению давление плазмы; х(5)- кручение магнитной оси, 2 — диаметр соленоида (кожуха), а п — полный угол вращатель- 5 ного преобразования на всем обходе оси системы.

Необходимое условие (1) может выполняться для достаточно широкого класса геометрических конфигураций 10 торцов.

На чертеже представлена замкнутая магнитная ловушка.

Ловушка состоит из двух прямолинейных участков 1, замыкающих участ- )5 ков, каждый из которых составлен из трех одинаковых полуторов 2 (соленоидов ), наклоненных под углом 120 друг другу °

Параметр Ь для такого варианта составляет " 5%. На прямых участках магнитное поле целесообразно сделать меньше, чем в замыкающих за счет переходной области 3. При этом параметр .р и полезный объем плазмы увеличиваются. Устойчивость .плазмы в предлагаемых типах магнит-ных ловушек может быть обеспечена известными методами эа счет дополнительных проводников со стабилизирующими токами, магнитное поле 30 которых создает в системе "магнит- ную яму" и шир (перекрещенность магнитных силовых линий ).

Предлагаемый способ удержания плазмы осуществляется« например, 35 следующей последовательностью приемов.

В магнитной ловушке создается магнитное поле 2,5-3 Тл в прямолинейных участках. За счет высокочастотной ионизации газа (дейте- рий, смесь дейтерия с тритием ) или с помощью продольного тока создается плазма с температурой 100

200 эВ при плотности и = 10 см .

Последующий нагрев ионов до температуры Ti = 10 кэВ осуществляется в.ч. методами (ионногибридный, циклотронный резонансы ) или инжекцией быст- рых нейтральных частиц. После зажигания термоядерной реакции стационар. ный режим осуществляется за счет инжекции топлива (Д-Т смесь .

Изобретение позволяет создавать замкнутые магнитные ловушки, обеспечивающие устойчивое удержание высокотемпературной плазмы при меньших значениях магнитного поля по сравнению с токамаками и стеллараторами.

Наличие длинных участков с однородными магнитными полями позволяет существенно увеличить выход термоядерной энергии, не нарушая условий равновесия и устойчивости плазмы, а также испольэовать эти участки для создания более простых бланкеров, диверторов, систем нагрева плазмы, инжекции топлива и других устройств, необходимых для работы стационарного термоядерного реактора.

Составитель A,Ðàõèìîâ

Редактор П.Коссей Техред B.далекорей Корректор Л.Патай

Заказ 10231/55 Тираж 427 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4