Термоядерный реактор

 

Использование: в энергетических установках, способных преобразовать энергию плазмы в электрическую через промежуточный нагрев теплоносителя. Сущность изобретения: термоядерный реактор содержит камеру высокого давления, заполненную газом под давлением не менее 40 атм, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры. Внутренняя поверхность камеры выполнена из двух теплопроводных элементов, заполненных текучим теплоносителем и охватывающих своей входной частью тыльную сторону соответствующих зеркал СВЧ-резонатора, а также имеющие выход в преобразователь энергии. Вход змеевиков соединены с системой подачи теплоносителя и каждый расположен со стороны соответствующего торца камеры. Термоядерный реактор позволяет управлять отбором энергии от плазмы с одновременной тепловой защитой своих конструктивных элементов. 1 ил.

Изобретение относится к основным энергетическим установкам, способным преобразовывать энергию плазмы в электрическую с промежуточным нагревом теплоносителя и отбором ее от него в процессе получения электрической энергии, и может найти применение в качестве термоядерной электростанции.

Известен ротоклонный реактор (Машкова С. и Рычков В. Ядерная сковородка. Журнал "Изобретатель и рационализатор", 1991, N 2, c.9), содержащий камеру с впускными и выпускными каналами, из которых одни расположены внизу, а другие вверху, причем камера снабжена перегородками и заполнена топливной смесью солей радиоактивных металлов и гелием, находящейся в режиме циркуляции через верхнюю часть камеры и ее впускные и выпускные каналы. Упомянутые перегородки образуют тепломассообменные каналы. Тепло и энергия ядерных реакций деления, например, урана -235, отводят из расплава топливной смеси гелием, который входит в камеру со скоростью 25 300 м/с, захватывает верхний слой расплава, дробит его на капли и пену и при прохождении через взвешенный слой капель расплава мгновенно нагревается до температуры расплава. Затем нагретый гелий отдает свое тепло пару в теплообменнике после прохождения каплеуловителя. после чего вновь подается в камеру.

Мощь реактора определяется концентрацией ядерного топлива в расплаве, емкостью ванны и количеством тепломассообменных каналов в камере.

Известный реактор обладает рядом достоинств: не нуждается в твэлах, воде; отработанный солевой расплав легко перерабатывается методами пирометаллургии.

Однако такой реактор имеет существенные недостатки, которые заключаются в необходимости периодической остановки для переработки расплава и выделения ядерных отходов, которые отправляют на захоронение в спецемкостях.

К числу недостатков относится к тот факт, что теплообмен происходитмежду газом и расплавом солей ядерного топлива.

Кроме того, известный ротоклонный реактор имеет много переменных параметров, от которых зависит мощь реактора, в частности, концентрация ядерного топлива в расплаве, емкости ванны, в которой происходит расплав, количество ротоклонных каналов.

В качестве прототипа выбран известный термоядерный реактор (Грачев Л.П. Есаков И.И. Мишин Г.И. Ходатаев К.В. Возможность осуществления термоядерного синтеза в резонансном стримерном СЧ-разряде высокого давления. Российская АН, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург, 1992, препринт N 1577, c. 50), включающий камеру, заполненную под давлением газом, например водородом, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне упомянутой камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне ранее указанной камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, причем зеркала СВЧ-резонатора установлены на расстоянии от внутренних стен камеры, которая выполнена прямоугольной формы и концентрично расположена внутри другой камеры, а зазор между ними заполнен текучим теплоносителем.

Этот термоядерный реактор устраняет отдельные недостатки предыдущего известного реактора. В частности, повышена экологическая защищенность, так как в прототипе не используют ядерное топливо, а текучий теплоноситель используют по замкнутой схеме.

Однако и прототип имеет существенные недостатки, а именно: по теплоносителю хаотично передается энергия, полученная в результате термоядерного синтеза. Это обусловлено прямоугольной формой камеры и большим объемом, занимаемым теплоносителем в реакторе, которые не позволяют энергии плазмы, полученной в результате термоядерного синтеза, равномерно распределяться во все стороны от фокуса резонатора в массу теплоносителя; потерями энергии, из-за толщины стен камеры, которые должны выдерживать высокое давление, не менее 40 атм. газа-водорода в камере и препятствуют выход энергии плазмы на теплоноситель; перегревом зеркал у СВЧ-резонатора, которые выполняют из меди и не обеспечивают им охлаждение; низкой частотой СВЧ-разрядов, что снижает мощность реактора, так как приходится учитывать не только способности газа в камере восстанавливать свое исходное состояние после очередного СВЧ-разряда, но и температуру перегрева зеркал СВЧ-резонатора.

Задача изобретения создание нового термоядерного реактора, обладающего оригинальными и неожиданными достоинствами: равномерным нагревом текучего теплоносителя, пониженным потерями мощности, стабильностью фокусирования СВЧ-энергии в камере при сохранении простой конструкции реактора.

Задача решается так, что в известном термоядерном реакторе, включающем камеру высокого давления, заполненную газом под давлением менее 40 атм, например, водородом, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, согласно настоящему изобретению, внутренняя поверхность камеры образована из двух теплопроводных змеевиков, заполненных текучим теплоносителем и имеющих между каждой парой витков теплопроводное соединение, а входная часть каждого змеевика охватывает тыльную сторону соответствующего зеркала СВЧ-резонатора, причем вход каждого змеевика расположен со стороны соответствующего торца камеры и подсоединен к системе подачи теплоносителя, а выходы обоих змеевиков выведены из камеры в плоскости соединения выходного витка одного змеевика с соответствующим витком другого змеевика и введены в общий вход преобразователя энергии.

Изобретение всей своей ранее неизвестной совокупностью существенных отличительных признаков позволяет получить термоядерный реактор с камерой, у которой внутренняя полость имеет форму цилиндра со сферическими торцами, что образовано двумя змеевиками, заполненными теплоносителем. Такой термоядерный реактор позволяет иметь управляемую систему отвода энергии из внутренней полости камеры при СВЧ-разрядах в ней, надежное функционирование входящих элементов, в частности, зеркал СВЧ-резонатора за счет охвата входной частью каждого змеевика тыльной стороны соответствующего упомянутого зеркала, так как по входной части всегда поступает холодная вода, а в плоскости соединения последних витков каждого змеевика температура теплоносителя максимальная и поэтому отсюда текучий теплоноситель поступает на преобразователь энергии.

Предлагаемый термоядерный реактор состоит из камеры 1, заполненной под давлением газом 2 и у которой внутренняя полость имеет вид цилиндра со сферическими торцами 3. Двухзеркальный 4 и 5 СВЧ-резонатор установлен внутри камеры 1, а его составные элементы, как-то устройство возбуждения 6 и СВЧ-генератор 7 изображены на чертеже условно.

Внутренняя поверхность камеры 1 образована двумя теплопроводными змеевиками 8 и 9, у которых вход 10 и 11 и выход 12 и 13 выполнены раздельными. Причем вход 10 змеевика 8 выходит из камеры 1 со стороны зеркала 4 СВЧ-резонатора, а входная часть этого змеевика 8 охватывает тыльную сторону упомянутого зеркала 4. Вход 11 змеевика 9 выходит из камеры 1 со стороны зеркал а 5 СВЧ-резонатора, а входная часть этого же змеевика 9 охватывает тыльную сторону уже зеркала 5 и соответствующий составной элемент СВЧ-резонатора, в частности устройство возбуждения резонатора 6, которое своим выходом взаимодействует с тыльной стороной зеркала 5, а входом с СВЧ-генератором 7.

Кроме того, входы 10 и 11 змеевиков 8 и 9 соединены с системой 14 подачи теплоносителя 15, которым заполнены указанные змеевики 8 и 9. Выходы 12 и 13 этих змеевиков 8 и 9 выходят из камеры 1 в плоскости соединения выходного витка одного змеевика, например, змеевика 8 и аналогичный другого змеевика 9 объединены во входе 16 преобразователя энергии 17, например, выполненную в виде газо-паровой или водяной турбины.

Каждая пара витков у каждого змеевика 8 и 9 имеет теплопроводное соединение 18, например, в виде пропайки.

Дополнительно стоит отметить, что с преобразователя энергии 17 есть выход на генератор 19 электрической энергии (изображен условно). С этого генератора идет запитка СВЧ-генератора, системы 14 подачи теплоносителя.

Кроме того, камера 1 с тыльной стороны зеркала 4 СВЧ-резонатора снабжена устройством 20 контроля мощности резонатора (изображена условно) и системой 21 (изображена условно) заполнения газом 2 камеры 1.

В основе принципа работы предлагаемого термоядерного реактора лежит обнаруженное существование в фокусе импульсного квазиоптического СВЧ-резонатора высокотемпературного резонансного стримера, в котором магнитное давление токов существенно превышает газокинетическое, что вызывает динамический пинч-эффект.

Энергетика процесса позволяет достигнуть термоядерных значений параметров плазмы внутри стримера.

Предлагаемый термоядерный реактор работает следующим образом.

Через систему 21 заполнения газа 2 подают водород в камеру 1 и заполняют ее им под давлением не менее 40 атм. Затем или одновременно системой 14 подают текучий теплоноситель 15, в данном случае воду, в змеевики 8 и 9. Потом включают СВЧ-генератор 7 и через устройство 6 возбуждают СВЧ-резонатор. В результате в течение одного СВЧ импульса возникает искровой канал, расположенный в фокальной пучности электромагнитного поля. В образовавшейся плазме происходит термоядерная реакция синтеза (Грачев Л.П. Есаков И.И. Мишин Г.И. Ходатаев К.В. Возможность осуществления термоядерного синтеза в резонансном стримерном СВЧ-разряде высокого давления. РАН, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, С.-П. 1992, препринт N 1577).

Продукты реакции уносят высвободившуюся энергию. Генератор 7 работает с некоторой частотой повторения, которая, в конечном счете, и определяет среднюю мощность реактора. Вода 15, находящаяся в теплопроводных змеевиках 8 и 9, отбирая тепло от плазмы, возникшей в фокусе двух зеркал 4 и 5 СВЧ-резонатора, нагревается и через выходы 12 и 13 в плоскости соединения двух последних витков каждого змеевика 8 и 9 друг с другом, поступает на вход 16 преобразователя 17 энергии, например турбину. С ее выхода, через генератор 19 электрической энергии часть электрической энергии возвращается на питание СВЧ- генератора, а часть поступает к потребителю.

Наличие двух теплопроводных змеевиков 8 и 9 и теплопроводных соединений 18 между их витками, у которых входные части охватили тыльную сторону соответствующих зеркал 4 и 5 СВЧ-резонатора, позволяет управлять интенсивностью съема энергии плазмы, непосредственно с внутренней поверхности 3 камеры. Это обеспечивается тем, что холодный теплоноситель 15 поступает на вход 10 или 11 змеевика 8 или 9 не успевает нагреваться до высокой температуры и за счет этого охлаждает зеркала 4 или 5 СВЧ-резонатора, увеличивая их срок эксплуатации, а в плоскости выхода 12 или 13 змеевика 8 или 9 теплоноситель 15 достигает температуры требуемой для преобразователя 17 энергии. Изменяя скорость подачи теплоносителя 15 в змеевики 8 и 9 можно стабилизировать частоту СВЧ-импульсов, так как контроль за мощностью резонатора можно осуществлять через соответствующее устройство 20.

Использование зобретения в народном хозяйстве страны позволит иметь компактную термоядерную электростанцию.

Формула изобретения

Термоядерный реактор, включающий камеру высокого давления, заполненную газом под давлением не менее 40 атм, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне камеры, текучий теплоноситель, входящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный во внутрь камеры, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры образована из двух теплопроводных змеевиков, заполненных текучим теплоносителем и имеющих между каждой парой витков теплопроводное соединение, а входная часть каждого змеевика охватывает тыльную сторону соответствующего зеркала СВЧ-резонатора, причем вход каждого змеевика расположен со стороны соответствующего торца камеры и подсоединен к системе подачи теплоносителя, а выходы обоих змеевиков выведены из соединения камеры в плоскости соединения выходного витка одного змеевика с соответствующим витком другого змеевика и введены в общий вход преобразователя энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1