Устройство для удержания термоядерной плазмы

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, содержащее винтовую секционированную тороидальную вакуумную камеру, средства для создания плазмы в вакуумной камере И магнитную систему, формирующую поле с замкнутой винтовой пространственной осью, включающую средства для создания удерживающего и стабилизирующего полей, отличающеес я тем, что, с целью повьшения мощности термоядерных реакций путем удержания высокотемпературной плазмы с более высоким давлением при одновременном упрощении конструкции, средства для создания удерживаннцего поля выполнены в виде системы замкнутых вийтовых проводников, расположенных вокруг винтовой пространственной магнитной оси системы, причем число оборотов винтовьк проводников --f- и пространственной магнитной оси . ел N удовлетворяют соотношению --- С11-10, где - число заходов винтовых проводников, m - число периодов винтовой обмотки.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3667986/24- 25 (22) 29.11.83 (46) 15.02.87. Бюл. У 6 (71) Московский инженерно-физический институт (72) С,Ф.Перелыгин и В.Д.Пустовитов (53) 533.9(088.8) (56) Nagao S., et al. Magnetic and

coil engineering of toroidal device

with à поп planar magneric. axis.

Proc. 7-th Sump. Eng. Prob. Fusion

Res 1977, I, 841-845. Knoxreille.

Tenessee, USA.

Авторское свидетельство СССР

У 989997, кл. G 21 В 1/00, 1981. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ

ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, содержащее винтовую секционированную тороидальную вакуумную камеру, средства для создания плазмы в вакуумной камере и магнитную систему, формирующую поле (51)4 G 21 В .1/00, Н 05 Н 1 00 с замкнутой винтовой пространственной осью, включающую средства для создания удерживающего и стабилизирующего полей, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повьппения мощности термоядерных реакций путем удержания вы окотемпературной плазмы с более высоким давлением при одновременном упрощении конструкции, средства для создания удерживающего поля выполнены в виде системы замкнутых винтовых проводников, расположенных вокруг винтовой пространственной магнитной оси системы, причем число оборотов винтовых проводников

m O — — и пространственной магнитной оси (9

m/E

N удовлетворяют соотношению — — —N

" 1-10, где (. — число заходов винто- С вых провопников, m — число периодов

И Ъ винтовой обмотки.

114581 З

1

Изобретение относится к области физики высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке установок управляемого термоядерного синтеза.

Известно устройство для удержания термоядерной плазмы, содержащее секционированную винтовую тороидальную вакуумную камеру, средства создания плазмы в вакуумной камере и магнитную систему, состоящую из катушек, образующих замкнутый винтовой тороидальный соленоид.

Установка содержит восьмипериодный винтовой соленоид, смонтированный на вакуумной камере, образованной шестью тороидальными секторами различной кривизны, Катушки соленоида закреплены на вакуумной камере с заранее определенным смещением относительно ее оси.

В качестве силового элемента, определяющего механическую прочность всей системы, используется вакуумная камера, состоящая из дискретных тороидальных секторов различной кривизны, и поэтому катушки винтового соленоида на ней закреплены с различным смещением. Такое исполнение вакуумной камеры не позволяет эффективно использовать рабочий объем соленоида.

Ближайшим техническим решением к изобретению является устройство для удержания термоядерной плазмы, содержащее секционированную винтовую тороидальную накуумную камеру, средства для создания плазмы в вакуумной камере и магнитную систему, состоящую из катушек, образующих винтовой тороидальный соленоид.

С целью повышения энерговыхода термолдерной реакции путем повышения напряженности магнитного поля в камере в установку введен силовой каркас н виде тороида, на котором расположена совокупность установочных площадок, ориентированных по нормали к радиусам кривизны, проведенным из центров катушек винтового тороидального соленоида и равноудаленных от уйомянутых центров, а катушки тороидального соленоида выполнены одновитковыми, состоящими из двух частей, каждая нз которых заключена в бандаж, и бандаж одной из частей катушки закреплен на установочной площадке °

2

Однако ограниченные радиальные размеры витков винтового соленоида, так как плоскости соседних витков ввиду кривизны и кручения оси соленоида пересекаются между собой, и вакуумная камера внутри соленоида, не позволяют эффективно использовать рабочий объем соленоида. Следовательно, понижается мощность термоядерной реакции.

Кроме этого, размещение катушек основного и витков корректирующего полей стелларатора ограничивает доступ к вакуумной камере и, следоватеЛьно, создает технические трудности для инжекции плазмы и систем ее подогрева, вакуумной откачки, устройства дивертора, введения в рабочий объем средств диагностики плазмы и т.д.

Целью изобретения является повышение мощности выхода термоядерных раекций путем удержания высокотемпературной плазмы с более высоким давлением при одновременном упрощении конструкции термоядерной установки.

Это достигается тем, что н устройстве для удержания термоядерной плазмы, содержащей секционированную винтовую тороидальную вакуумную камеру, средства для создания плазмы в вакуумной камере и магнитную систему, формирующую поле с замкнутой пространственной осью, включающую средства для создания удерживающего и стабилизирующего полей, средства для создания удерживающего поля выполнены в виде системы замкнутых винтовых проводников, расположенных вокруг винтовой пространственной магнитной оси системы, причем число оборотов винтовых проводников m/ С и пространственной магнитной оси (И) удовлетm/ E. воряет соотношению --- — = 1-10 где

3 — число заходов винтовых проводников, m — - число периодов винтовой обмотки.

Параметры E., m, N выбираются исходя из целей планируемых экспериментов на установке и конструктивных соображений, Такие винтовые проводники позволяют эффективно использовать рабочий объем установки, так как у него центральные плоскости соседних витков н виду кривизны и кручения оси соленоида пересекаются меж ду собой и тем самым ограничивается радиальный размер нитка v., следо11458 вательно, уменьшается коэффициент использования рабочего объема указанной области. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет облегчить доступ в рабочую область ловушки для инжекции плазмы и средств ее подогрева, вакуумной откачки, устройства дивертора и т.д.

Геометрическая ось пространственной магнитной ловушки иэ семейства 10 замкнутых кривых на торе описывается в декартовых координатах х, у, я .следующими уравнениями:

x = (К,+r, cos ) cos Ч, 15 у = (R,+r, cosa))sine, z = r,sinM (1)

I где функции и) - и> (ф) и ч= v (ô) непрерывно дифференцируемые до второго 20 порядка включительно, (— координата, отсчитываемая вдоль оси:

23 — —, R и r, — большой и малый радиусы тора соответственно, S. — д и-25 на, отсчитываемая вдоль геометрической пространственной оси; L — - полная длина этой оси.

Эти функции связаны уравнением

1- Ят = f(V), (2) где f (Ч) удовлетворяет кания (периодичности), 2> н

Jr(v>a = о, о условию замыт ° е.

35 (3) где N — число периодов геометрической оси. Рассматривая геометрическую ось как ось системы координат P,,40

8,, можно представить уравнения, определяющие положение винтовых проводников

P=P, Х — mg = const + f, (ф), (4) 45 где  — заходность винтовых проводников, функция f, (g) аналогична функции

f(), т.е. удовлетворяет условию за-. 50 мыкания (3).

Иэ выражений (4) следует, что при изменении 9 от 0 до 2Я винтовая обмотка поворачивается по ф на

g угол 23 — —. Следовательно, на одном периоде винтовой геометрической .оси располагается несколько винтовых проводников. Отметим, что с ростом

13 4

m увеличивается объем в котором возможно удержание плазмы (область, в которой существуют магнитные поверхности, вне этой области магнитных поверхностей нет), а уменьшение m приводит к бифуркации. Величина t . определяет профиль вращательного преобразования 1(r) и выбирается так, чтобы наилучшим образом удовлетворить условия равновесия и устойчивости.

Цля этого необходимо создать так называемый шир магнитных силовых линий, который означает перекрещенность силовых линий магнитного поля, характеризуемую скоростью изменения угла вращательного преобразования по раr dp диусу S

Р dr

Известно, что в случае плоской магнитной оси при E = 2 вращательное преобразование (г) имеет малый шир, а при 2 = 3 шир значительный. Таким образом, в случае плоской кривой

E = 3 обеспечивает максимальное значение шира. Однако вращательное преобразование на магнитной оси 1 (0) не должно быть равным нулю. Но при

E = 3 для плоской оси y(0) = О. Для пространственной кривой при том же

E = 3 Р (О) ф О. При этом сохраняется ace сказанное относительно шира, т.е. в случае пространственной магнитной оси при Г = 2 шир незначительный, а при f, = =3 — большой, который обеспечивает устойчивость плазмы.

При выбранном E величины, определяю- щие удержание плазмы в ловушке, зависят от ш как от параметра. Значение

m определяется из соображений получения максимального давления равновесно и устойчиво удерживаемой плазмы при эапанной величине магнитного поля с максимального значения параметра. В-давление плазмы/давление поля.

Направленные в одну сторону токи в проводниках винтовой обмотки cosдают тороидальный ток, и поэтому возникает вертикальный поток магнитного поля. Для его компенсации вводятся дополнительные параллельные . магнитные оси, два проводника с то" ком, направленным в обратную сторону. Положение этих компенсирующих обмоток относительно геометрической оси магнитной ловушки определяется следующим образом:

Я=P,, (г, ° Р.), 6 — О,, Е-3 (5) 114581

На фиг. 1 схематично показаны элементы, определяющие положение геометрической пространственной оси магнитной ловушки R u r — большой и малый радиусы тора, на поверхность которого "намотана" геометрическая ось ловушки, изображенная пунктирной линией, а углы о) и у показывают положение ловушки на торе.

На фиг. 2 показана геометрическая 10 ось ловушки, которая является осью квазицилиндрической системы координат Р, 6, n — нормаль. Если S длина вдоль оси, L — - полная длина, S 15 т ф 2p — — и изменяется от 0 до 2Э.

Винтовые поля зависят в этой системе координат от углов следующим образом:

В ехр 1 (E6- m(), причем m o> E.

На фиг. 3 схематично представлен фрагмент общего вида многопери- 25 одной замкнутой термоядерной установки, где показаны инжектор нейтральньгх частиц 1, винтовые обмотки 2 с опорными кольцами 3, вакуумная камера 4 и блок вакуумной откачки 5. 30

На фиг. 4 показана собранная магнитная ловушка. Винтовые обмотки 2 располагаются на силовом каркасе, выполненном в виде последовательного ряда опорных колец 3. Этот каркас располагается на основании установки

6. Каждое кольцо 3 лежит в плоскости, которая перпендикулярна к геометрической оси ловушки. Проводники трехзаходной винтовой обмотки 2, созда- 40 ющие продольное магнитное поле, располагаются симметрично на внутренней поверхности опорного кольца 3.

Винтог.ые проводники 2 в сечении имеют форму трапеции, широкое осно- 45 вание которой соприкасается непосредственно с опорным кольцом 3. Такая форма сечения проводника позволяет использовать простую конструкцию фиксирования винтовых обмоток 50 в кольце. В месте расположения проводника винтовых обмоток 2 на кольце

3 проводник с обоих сторон охватывается диэлектрическими фиксаторами

7„ которые винтами 8 прикрепляются к кольцу. Между проводником винтовых обмоток 2 и кольцом 3 находится изолирующая прокладка 9. На наружной поверхности опорного кольца 3

3 6 располагаются витки компенсирующей обмотки 10. Они схватываются хомутами 11 и винтами 12 прикрепляются к кольцу. Между витками 10 и хомутом 11 находится изолирующая прокладка 13.

Внутри винтовых обмоток 2 размещена вакуумная камера 4. Она состоит из секций, имеет сильфонные вставки и поэтому свободно принимает винтовую форму. Положение камеры внутри винтовых обмоток поддерживается вставками 14, которые сделаны из диэлектрического материала. Описанная конструкция винтовых обмоток обеспечи- вает легкий доступ к камере, т.е. появляются широкие возможности в организации инжекции плазмы в реакторный объем и ее подогрева, введения средств диагностики плазмы и т.д.

Все силовые нагрузки, действующие на винтовые проводники 2 передаются через опорные кольца 3 и стойки 15 на основании установки 6.

Сборка установки производится следующим образом.

На основании 6 устанавливается опорное кольцо 3 со стойками 15. В кольцо вставляются секции винтовых обмоток 2, имеющих длину одного периода и закрепляются к соответствующему месту на кольцо 3 фиксаторами 7 и винтами 8. Перед окончательным закреплением проводника необходимо вставить изолирующую прокладку 9..

Следующее кольцо 3 со стойками надевается на винтовые проводники и прикрепляется к основанию 6. Затем производятся операции фиксирования расположения винтовых проводников в кольце по вышеуказанной схеме. Таким образом собирается один период магнитной ловушки. Длаее винтовые обмотки 2 наращиваются следующими секциями винтовых проводников и сборка периода магнитной системы продолжается по схеме сборки первого периода.

После того как был собран первый период магнитной системы, необходимо во внутреннюю полость ловушки вставить секцию гибкой вакуумной камеры 4, которую следует закрепить от радиального смещения вставками 14.

В зависимости от конфигурации. магнитной ловушки, т.е. от кривизны и кручения ее оси, может оказаться удобнее иметь длину секции камеры 4 не более половины периода. Тогда сборку магнитной ловушки следует вести шагами по полпериода. Наконец, когда

11458 установка собрана, следует разместить компенсирующие витки 10 на внешней поверхности опорных колец 3 и закрепить их хомутами 11 с винтами 12. Перед закреплением этой обмотки следует обернуть виток 10 изолирующей прокладкой 13.

Предлагаемая установка работает следующим образом. После приготовления рабочей смеси газов в вакуумной камере проводники магнитной системы подключаются к источнику питания.

Затем напряженность магнитного поля повышается до уровня, который может обеспечить удержание высокотемпературной плазмы. Заполнение ловушки происходит посредством инжектирования в нее предварительно разогнанного до высоких значений скоростей нейтрального газа (дейтерия и трития), который легко преодолевает магнитную стенку. Высокоэнергетические атомы изотопов водорода в процессе столкновения с молекулами остаточного газа ионизируются и полученные таким образом ионы, естественно, удерживаются магнитной ловушкой. При каждом акте столкновительной ионизации образовавшийся ион сохраняет в основном энергию ускоренного нейтрального атома. Для дополнительного подогрева плазмы используется система

СВЧ-генераторов. Далее происходит термоядерная реакция.

В качестве примера можно привести 35 термоядерную установку с магнитной ловушкой, имеющей пять периодов (Н=

= 5). Тор, на поверхности которого лежит пространственная ось магнитной ловушки, имеет следующие геометричес- 40 кие параметры,: большой радиус равен

4,16 м, малый 0,555 м. Ось ловушки

13 8

"намотана" на тор с шагом 5,288 м.

Длина одного пери да вдоль пространственной оси 6,28 м. Винтовые трехзаходные проводники (9, = 3), образующие простраственную ловушку, имеют 5 оборотов на периоде. Малый радиус винтовой обмотки равен 0,3 м

Рассчитанное значение угла вращательного преобразования для данного варианта установки на одном периоде

= 23 . Соответственно этой величине р значение Р для всей. ловушки в целом оказалось равным 25-307 °

Технико-экономические преимущества изобретения заключаются в следующем.

Изобретение позволяет значительно улучшить удержание высокотемпературной плазмы. Действительно, в .предлагаемом техническом решении величина р = 22 (на одном периоде), а

8 = 25-30%, в то время как в известном устройстве эти значения равны соответственно 0,653 и 8,87.. Таким образом изобретение позволяет увеличить мощность термоядерной реакции.

Кроме того, предлагаемое техническое решение по .сравнению с известным допускает существенное увеличение радиуса удерживающей магнитной ловушки, что приводит к заметному увеличению коэффициента использования рабочего объема плазменной ловушки и тем самым дополнительно увеличивает энерговыход термоядерной реакции. Наряду с этим изобретение позволяет облегчить доступы к камере с плазмой. для инжекции и подогрева плазмы, для ее диагностики беэ ухудшения удерживающих качеств магнитной ловушки с про странственной осью.

1165813

1145813

Редактор Г.Нечаева Техред Л.Олейник Корректор А.Обручар ъ

Заказ 7925/1 тираж 417 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4