Инжектор быстрых атомов термоядерного реактора

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ЕНИ,- : .

ОПИСЯНИЕ ИЗОБРЕТ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3753829/24-21 (22) 18.06,84 (46) 07.04.86. Бюл. N- 13 (72) В.М.Кулыгин, А,А. Панасенков, Н.Н.Семашко, В.С.Серегин и Г.Н.Тилинин (53) 621.384.6(088.8) (56) Чухин И.А., Никулин В.А., Серегин В.С. Конструкция ионна-атомного тракта инжекторов токамака Т-15.

В сб.: Доклады 2-ой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам ТЯР.

Л,, 1982, с. 357.

Matsuda S., Araki M., Horuke H °

et a1 Prototipe injector unit for

IT-60. In: Proc. 8-th. Symp. on Eng.

Probl. of Fusion Res. (San Francisco, California, USA, 1979) v.3, р.13831389.

International tokamak reactor-Zего Phase. Intern. Atomic Enerpy Agency, Vienna, Austria,, 1980.

„„SU„„1223419 А

r 1)4 H 05 Н 7/00, 7!02 (54)(57) 1.ИНЖЕКТОР БЫСТРЫХ АТОМОВ

ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащий источники атомарных и молекулярных ионов дейтерия или трития, нейтрализаторы и отклоняющие магниты, установлепные вдоль оптических осей инжектора, рекуператоры энергии непереэарядившихся ионов, установленные на выходе отклоняющих магнитов, окруженную биологической защитой вакуумную камеру, в которой размещены указанные элементы, криогенные насосы, установленные вдоль стенок вакуумной камеры, системы электропитания и систему обеспечения рабочим газом и хладагентами, отличающийся В

O тем, что, с целью повышения энергетического КПД, в него введены поворотно-сепарирующие магниты, установлен- ( ные по оптическим осям инжектора между источниками атомарных и молекулярных ионов и нейтралиэаторами, и рекуператоры энергии молекулярных ионов, расположенные за поворотно-се- Ю парирующими магнитами.

ЬР 7 J 7/8/Я

1223419

2. Инжектор по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения ресурса и надежности, вакуумная камера выполнена в виде двух отсеков, разделенных стенкой с горловиной, в которой установлены нейт!

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза, в частности, к области получения мощI ных пучков быстрых атомов изотопов водорода, и может быть использовано в инжекторах термоядерных реакторов, где требуется обеспечивать введение в термоядерную плазму мощных моноэнергетических пучков изотопов водорода, очищенных от вредных примесей, с вы10 соким энергетическим КПД, ресурсом и надежностью.

Целью изобретения является повышение энергетического КПД инжектора быстрых атомов термоядерного реакто!

5 ра, основанного на перезарядке быстрых ионов, за счет предварительной сепарации ионов, а также увеличение ресурса и надежности за счет осуществления радиационной защиты ионных

20 источников от обратного потока нейтронов иэ реактора °

На чертеже изображен предлагаемый инжектор, 25

Устройство содержит вакуумную камеру I инжектора, окруженную биологической защитой 2. В вакуумной камере 1 размещены нейтрализаторы 3, оборудованные системой напуска газа, на котором происходит перезарядка ионов в атомы, отклоняющие магниты

4, эапитываемые от собственных источников электрического питания, криогенные насосы 5, поддерживаемые при рабочей температуре системами азотного и гелиевого снабжения, и рекуператоры 6 энергии неперезарядившихся ионов, включенные в систему электрического питания ионных источников.

Вакуумная камера оборудована выходным шиберным затвором 7 и состыкована с дополнительной вакуумной камерой 8, .также окруженной биологической защирализаторы, источники атомарных и молекулярных ионов установлены в даль нем от выхода инжектора отсеке на расстоянии от центральной оси инжектора большем,, чем радиус горловины. той 9. На дополнительной вакуумной камере размещены источники 10 атомарных и молекулярных ионов (например, с периферийным магнитным полем либо без магнитного поля или типа

"дуопигатрон" либо "периплазматрон") с собственными системами электрического питания. Ионные источники присоединены к дополнительной вакуумной камере через шлюзовые шиберные затворы 11, дополнительная вакуумная камера оборудована криогенными насосами 12, поддерживаемыми при рабочих температурах системами азотного и гелиевого снабжения, и рекуператорами 13.энергии молекулярных ионов ( например, электростатического типа), также включенными в систему электрического питания ионных источников.

Кроме того, между источниками ионов и нейтрализаторами в дополнительной вакуумной камере размещены поворотные магниты 14, запитываемые от собственных источников электрического

E питания. На чертеже также изображены траектории молекулярных ионов 15 (между поворотными магнитами и рекуператорами энергии молекулярных ионов),траектории атомарных ионов !6 до

1 нейтрализаторов, траектории неперезарядившихся атомных ионов 17 и траектории быстрых. атомов 18, вводимых в термоядерный реактор 19.

Инжектор быстрых атомов работает следующим образом.

Формирование и ускорение пучков атомарных и молекулярных ионов осуществляют источники 10 ионов (при открытых шлюзовых затворах 1!) . Пучки ионов разделяются поворотными магнитами 14 (ввиду различия по отношению заряда к массе атомарных и молекулярных ионов) на пучки молекуляр12

3 ных ионов, направляемые на рекуператоры 13 энергии молекулярных ионов, и пучки атомарных ионов 16, направляемые в нейтрализаторы 3.

Угол поворота пучков атомарных ионов о

16 составляет около 150, а углы поворота молекулярных ионов )5 — около 30-60 .Для этого ширина полюсов поворотного магнита выбирается равной среднему радиусу поворота атомарных ионов D с энергией Е в межполюсном зазоре, равном примерно удвоенной ширине пучка ионов, а длина полюсов магнита составляет не менее двух средних рациусов поворота атоФ марных ионов Р,. При этом индукция магнитного поля В между полюсами выбирается, например, для D, при энергии Е, примерно равной: В = КЕО, где К = Б (Г /кэВ). В нейтрализаторах 3 пучки атомарных ионов 16 перезаряжаются в пучки быстрых атомов 18, вводимые в термоядерный реактор 19 (при открытом выходном шиберном затворе 7). Отклоняющие магниты 4 выделяют из пучков быстрых атомов пучки неперезарядившихся атомарных ионов

17 и направляют их на рекуператоры 6 энергии неперезарядившихся ионов. Рекуператоры 6 и 13 энергии ионов производят прямое преобразование энергии попадающих на них пучков ионов в электроэнергию, которая используется для питания источников ионов вместе с энергией от внешних источников электропитания, что существенно увеличивает общий энергетический КПД инжектора. Энергетический КПД инжектора определяется как отношение мощности пучка быстрых атомов с основной энергией Е, вводимой в плазму токамака, к суммарной электрической мощности, подводимой к инжектору от источников электропитания. Вместе с пучками ионов из источников 10 ионов выходит сопутствующий нейтральный газ, в нейтрализаторы 3 для перезарядки ионов в атомы подается рабочий газ, кроме того, источниками нейтрального газа являются рекуператоры 6 и 13 энергии ионов. Откачку газа, поступающего в вакуумную камеру

1, осуществляют криогенные насосы 5, а газ, поступающчй в дополнительную вакуумную камеру 8, откачивают криогенные насосы 12. Вакуумная камера 1 окружена биологической защитой 2, в которой имеется отверстие для вво . да пучков атомарных ионов 16 в нейт23419 4 рализаторы 3. Поэтому дополнительная вакуумная камера 8 также окружена биологической защитой 9 от прямых и рассеянных потоков нейтронов и другого излучения термоядерного реактора 19.Источ5 ники 10 ионов при этом не попадают в прямой поток нейтронов, так как установлены в тени биологической защиты 2 основной вакуумной камеры l. Замена неисправных источников 10 ионов производится при закрытых шлюзовых шиберных затворах 11 и частично снятой биологической защите 9. Регламентные работы с инжектором, например, 15 регенерация криогенных насосов 5 и

12, производятся при закрытом выходном шиберном затворе 7.

В качестве примера использования предложенного устройства рассмотрим

20 инжектор для опытного термоядерного реактора-токамака ИНТОР. Инжектор состоит из основной и дополнительной вакуумных камер, четырех источников дейтериевых ионов, формирующих пуч25 ки атомарных и молекулярных ионов до

100 А, каждый при энергии ионов

Е 175 кэВ (количество ионных источников определяется лишь требованиями по суммарной вводимой мощности пучка). Доля атомарных ионов в пучках

3Q составляет 0,9. Энергетический КПД источника ионов равен 0,95 ° В инжекторе установлены четыре поворотных магнита. Угол поворота пучка атомар+ C ных ионов D, равен 150, а углы поворота молекулярных ионов Л и Р равны соответственно 50 и 30 . В доо о полнительной вакуумной камере установлены четыре электростатических рекуператора энергии молекулярных

40 ионов, имеющие КПД 0,8. Каждый из четырех нейтрализаторов инжектора

2 имеет проходное сечение 15х70 см при длине 1,5 м. Среднее давление газа в нейтрализаторах составляет

3 10 Па. Нейтрализаторы охлаждаются до температуры жидкого зота для уменьшения потребного расхода рабочего газа. Доля быстрых атомов на выходе из нейтрализатора равна 0,25 °

5О Четыре отклоняющих магнита обеспечивают поворот неперезарядившихся

4 о ионов 1 „ на у ол 90 . Четыре электростатических рекуператора энергии непереьарядившихся ионов имеют

ЕПД 0,8. Потери пучка быстрых атомов вдоль тракта из-за конечной угловой расходимости составляют 57 от общей мощности. В плазму термоядерного ре1223419

Составитель А.Нестерович

Техред И.Верес. Корректор В.Синицкая

Редактор Т.Кугрышева

Заказ 1727/61 Тираж 765 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб. > д. 4/5

Филиал IIIIII "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, актора инжектор вводит моноэнергетический (Ео 175 кэВ) пучок быстрых атомов дейтерия общей мощностью

15 МВТ, Затраты на регенерацию пучков ионов в источниках ионов равны

74 МВТ, из них 41 NBT обеспечивают рекуператоры энергии ионов, в том числе 5,5 МВТ вЂ” рекуператоры энергии молекулярных ионов. Общий энергетический КПД инжектора составляет 45 по сравнению с 357 для инжектора

ИНТОР на основе известных решений.

Реализуется многократное увеличение ресурса источников ионов и существенное повышение надежности работы в целом.