Линейная магнитоплазменная ловушка с антипробками

 

ЛИНЕЙНАЯ МАГНИТОПЛАЗМЕННАЯ ЛОВУШКА С ДНТИПРОБКАМИ для термоядерной системы тета-пинч с внешней инжекцией плазмы, состоящая из соле оидальной катумки стационарного магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах его аксиально с ним импульсными антипробочными катушками и расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль магнит ного поля, о т л .и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью ее упрощения и увеличения плотности плазмы в ловушке, между лайнером и антипробочными катушками соосно с лайнером расположе- . ны приг1ыка оыие к нему дополнительные катушки, внутренний диаметр которых равен внyтpeннe Iy диаметру лайнера, а оба вывода обмотки каждой дополнительной кату1зки соединены последовательно с вывoдa 1И соответствующей антипробочной катутаки так,, что нап- § равление обхода по виткам дополнитель (Л ной катушки относительно оси противоположно направлению обхода по виткам соответствукчцей антипробочной катушки .1 со 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСИУБЛИН

„„SU„„1098

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3551348/18-25 (22) 11.02.83 (46) 23.08.84. Бюл. 9 31 (72) И.A.Èâàíoâ, A.П.Лотоцкий и Ю.В.Скворцов (53) 533 ° 9(088.8) (56) 1. Бурцев В.A. и др. Быстрый линейный тета-линч с индуктивно-емкостиым накопителем энергии, Вопросы атомной науки и техники. Термоядерный синтеэ. И., 1981, Р 1 (7 ), с. 68- 76.

2. Алипченков В.N. и др, Тета-пинч с внешней инжекцией плазмы. Ррепринт

ИАЭ - 2753, М., 1976 (прототип). (54)(57) ЛИНЕЙНАЯ ИАГНИТОПЛАЗМЕННАЯ

ЛОВУШКА С AHTHIIPOEKANH для термоядерной системы тета-пинч с внешней инжекцией плазмы, состоящая иэ соленоидальной катушки стационарного магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на кон-. цах его аксиально с ним импульсными антипробочными катушками и расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль магнитного поля, отличающаяся тем, что, с целью ее упрощения и увеличения плотности плаэмы в ловушке, между лайнером и антипробочными катушками соосно с лайнером расположены примыкающие к нему дополнительные катушки, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру лайнера, а оба вывода обмотки каждой дополнительной катушки соединены последовательно с выводами соответствующей антипробочной катушки так что кап= pg равление обхода по виткам дополнительной катушки относительно оси проти воположно направлению обхода по виткам соответствующей антипробочной катушки.

1109811

1Î

При резком изменении магнитного пото" 15

Недостаток систеиы — низкая э4фек- 2ц

25 цы соленоида вдоль Магнитного поля, поэтому системы 9-пинч необходимо делать либо очень длинными (отношение длины L, к диаметру gg /3»1, либо переходить к более сложным тороидальным 9-пинчам, в которых осуществить устойчивое удержание плазмы много сложнее, чем в линейной системе.

Наиболее близкой к предлагаемой 4О

Изобретение относится к термоядерной энергетике и может быть использовано в термоядерных реакторах с внешней инжекцией высокоэнергичных плазменных потоков.

Известны линейные системы тетапинч, где нагрев плазмы до термоядерных параметров осуществляется быстронарастающим продольным магнитным полем. Такие системы состоят из длинного, импульсного соленоида, снабженного источником энергии и коммутаторами тока. При подключении соленоида к источнику возрастает напряженность магнитного поля внутри соленоида. ка происходит пробой рабочего газа и образующаяся. плазма сжимается к оси соленоида давлением магнитного поля Г13. тивность нагрева плазмы, так как для получения высоких температур плазмы необходимы большие коэффициенты сжатия плазмы. ПОэтому конечный размер плазменного шнура мал по сравнению с диаметрои импульсного соленоида, а образуемый зазор между соленоидом и плазмой заполнен сильным магнитным полем, на образование которого и тратится большая часть энергии источника (более 90% 1. Недостатком системы также является уход плазмы через торявляется магнитоплазменная ловушка с антипробками для термоядерной систе» мы 9 -пинч с лайнером, которая состоит из соленоида стационарного (или квазистационарного )магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах лайнера аксиально с ним импульсными антипробочныии катушками, расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль магнитного поля соленоида (2).

Недостатками известной ловушки являются сложность мощных импульсных источников энергии для питания антипробочных катушек и трудность осуществления правильной синхронизации запирания торцов ловушки с заполнением ее плазмой. Это приводит к удорожанию системы и к потерям плазмы, которая либо успевает частично уйти вдоль магнитного поля до запирания ловушки, либо не проникает в ловушку, если последняя закрыта слишком рано.

Последнее обстоятельство усугубляется недостаточной синхронностью работы. плазменных инжекторов, в связи с чем заполнение ловушки с обоих торцов происходит несинхронно, а включение антипробочных катушек производится по заранее заданной временной программе.

Поэтому несогласованность заполнения и запирания приводит к уменьшению количества плазмы, запертой в ловушке.

Цель изобретения — упрощение устройства и увеличение плотности плазмы в ловушке путем самосогласования процессов заполнения и запирания ловушки.

Поставленная цель достигается тем, что в линейной магнитоплазменной ловушке с антипробками, состоящей из соленоидальной катушки стационарного магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах его аксиально с ним импульсными антипробочннми катушками и расположенными внутри соленои дальной катушки и ориентированными вдоль линий магнитного поля, между лайнером и антипробочными катушками саосно с трубой расположены примыкающие к нему дополнительные катушки, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру лайнера, а оба вывода обмотки каждой дополнительной катушки соединены с выводами соответствующей антипробочной катушки так, что направление обхода по виткам дополнительной катушки Относительно оси противоположно направлению обхода по виткам соответствующей антипробочной катушки.

С целью расширения Функциональных возможностей ловушки дополнительные катушки имеют промежуточные отводы, снабженные съемными перемычками.

На чертеже в левой части показано направление силовых линий до, а в правой — после заполнения ловушки плазмой.

Линейная магнитоплазменная ловушка состоит иэ соленоида 1, создающего стационарное (кваэистационарное )магнитное поле, цилиндрической проводящей трубы (лайнера ) 2 и установленных аксиально с трубой импульсных

O антипробочных катушек 3, которые вместе с трубой помещены внутрь соленоида 1 и ориентированы вдоль его оси. Между трубой и антипробочными катушками соосно с трубой расположены дополнительные катушки 4, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру труби 2. Дополнительные катушки 4 примыкают к трубе 2 и могут иметь контак с ней или не иметь.

Последнее определяется конструктивным исполнением установки. Оба вывода обмотки каждой дополнительной катушки 4 соединены с выводами соответствующей антипробочиой катушки 3 так, что при обходе замкнутого конту-ра, состоящего иэ катушек 3 и 4, вы*:110Э811 полняется следующее условие. Направление обхода по виткам донолнигельной катушки 4 относительно оси противоположно направлению обхода относительно оси соответствующей антипробочной катушки 3. При таком соединении обмоток ток, протекающий по виткам,создает в катушках поля встречного направления. дополнительные катушки 4 имеют промежуточные отводы 5 (количество которых не менее двух $ IG снабженные съемными перемычками 6.

Для удобства переключения числа вит. ков дополнительной катушки, соединенных с антипробочной катушкой, отводы 5 выведены изолировано за пре- 1$ дели соленоидальной катушки 1.

Ловушка работает следующим образом.

Соленоидальная катушка 1 создает начальное магнитное поле В „ в котором через торцы ловушки инжектируют ся быстрые плазменные струи (левая часть чертежа). Диаметр плазменной струи 8 меньше диаметра ловушки 9, поэтому струи свободно проникают в трубу 2, незначительно искажая началь-. ное поле бц. При взаимодействии встречных струй они образуют высоко-. температурную плазму с газокннетическим давлением, пропорциональным 30 температуре, вследствие чего образующаяся плазма расширяется. При ðàñширении поперек магнитного поля проводящая плазма сжимает магнитный поток, заполняющий зазор между плазмой и лайнером, поэтому напряженность ма-нитного поля у стенки трубы 2 растет и достигает величины В, обеспечиваю щей равновесие границы поле — плазма.

Втекающие через торцы плазменные 4О струи препятствуют тепловому расширению плазмы вдоль магнитного поля (газодинамическим подпором )и продолжают заполнение. ловушки от середины к торцам трубы 2, пока область, занятая горячей плазмой, не заполнит всю трубу 2. Заполнение области дополнительных катушек 4 также сопровождается усилением магнитного поля на поверхности витков, обращенной к плазме. При этом часть магнитного потока,5O пронизывающего витки катушек 4, вытесняется в антипробочную катушку 3, соединенную выводами с дополнительной катушкой. Направление включения обмоток антипробочной и дополнитель- 55 ной катушек таково, что в антипробочной катушке при этом генерируется магнитное поле обратного знака, поэтому магнитное поле на оси в антипробочной катушке меняет знак и увелщ(1 чивается. Увеличивающееся поле на оси антипробочной катушки закрывает вход плазменной струе (хвостовая часть которой имеет много примесей ) и препятствует уходу горячей плазмы иэ ловушки. известно, что в антйпробочных конфигурациях геометрические размеры щели и отверстия для ухода горячей плазмы не более ларморовского радиуса ионов плазмы в поле В .

В предлагаемой ловушке отсутствуют внешние источники питания, так как расширяющаяся термализуемая плазма быстрых ннжектируемых струй вместе с дополнительной катушкой, находящейся в начальном поле В,, являются генераторами ЭДС. Эта ЭДС и возбуждает ток в антипробочных катушках, псдключеннных к дополнительным катушкам так, что направление обхода по виткам дополнительной катушки противоположно направлению обхода по виткам антипробочной катушки. ПРИ ЭТОМ ЭДС, появление тока и запирающего магнитного поля автоматически синхронизированы с заполнением торцовых частей ловушки (т.е. с окончанием заполнения ловушки ). Поэтому уменьшены потери плазмы, связанные со статистическим разбросом времени заполнения ловушки до торцов (из-за несинхронной инжекции справа и слева ).

Эффективность захвата плазмы предлагаемой ловушкой и в итоге плотность частиц плазмы в ней выше, чем у известной.

Рассмотрим при каких ограниченияХ на число витков антипробочных и дополнительных катушек предлагаемая ловушка имеет такую же конфигурацию магнитных полей, как и известная.

Примем следующие обозначения: й, — число витков дополнительной катушки; М вЂ” число витков антипробочной катушки; 6 — напряженность магнитного поля, обеспечивающая равновесие границы горячей плазмы; 3)„ — диаметр горячей плазмы в ловушке; К- — коэффициент, учитывающий .геометрию антипробочной катушки.

Уравнение для магнитного потока дополнительной и антипробочной катушек, включенных последовательно навстречу одна другой можно записать так 0"„-Н = н„В(,1) -> ) ) В)) к . < )

Коэффициент усиления поля получим иэ записанного уравнения

N,-М (21

Разделив числитель и знаменатель на И,, получим

1-—

8 й„

1 ( )- + — К

Второй член в знаменателе представляет собой поправку к усилению поля

S 1109811 б

Составитель В.Чуянов

Редактор А.Мотыль Техред М.Кузьма Корректор O.Луговая

Заказ б093/37 Тираж 414 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

ФиЛиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

s области дополнительной катушки по сравнению с усилением поля в трубе.

Этот поправкой можно пренебречь, если т

Н> 31

k«t- — . (4(5 и г

Полученное условие (4) является достаточным, но не необходимым, так как толщина магнитной изоляции (D-Q,J выбирается с запасом, исходя из усло-10 вия, что Д-5,>2, где р; - ларморов» ский радиус иона. Можно допустить поэтому, что толщина магнитной изоляции в области дополнительной катушки вдвое меньше, чем в трубе. 15

Тогда условие на число витков при

Н 1 получим в виде

И 1) (1-+ - (r)

1 D

При ф„/й 0,95, например й1 /й,(0,1, что вполне приемлимо для конструктивного исполнения.

Вместе с этим видно, что соотношения между витками зависят от диамет 5 ра горячей плазмы, который в свою очередь является функцией плотной плазмы, ее температуры и напряженности начального поля В„. В экспериментах с плазмой эти параметры варьируются, поэтому желательно согласовывать изменение условий с условиями генерации антипробочных полей. Для этих целей дополнительные катушки могут иметь промежуточные отводы,закорачиваемые съемными перемычками.

Это дает воэможность регулировать в соответствии с условием (5).

Использование предлагаемой ловушки позволит получить следующую экономию: стоимость импульсных конден-. саторных батарей 20 тыс. руб.; стоимость коммутирующих устройств и системы управления 30 тыс.руб., стоимость монтажа и наладки оборудования

22 тыс.руб.

Экономия от использования изобретения на укаэанной установке составит

70 тыс.руб. (стоимость изготовления дополнительных катушек 1 тыс.руб.1.

При использовании предлагаемой ловушки возможна экономия за счет исключения конденсаторных батарей, коммутирующих устройств и системы управления.