Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения

 

Изобретение относится к области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, а также генерации нейтронного излучения. Технический результат - повышение температуры и увеличение времени жизни нагретой плазмы. Устройство содержит плазменную камеру, образованную коаксиальными электродами и состоящую из отсеков ускорения и торможения плазмы с кольцевым зазором между отсеками в форме сопла Лаваля, и источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам со стороны входа в отсек ускорения. Плазменная камера дополнительно содержит второй отсек торможения плазмы, расположенный за первым отсеком торможения и соединенный с ним вторым соплом Лаваля. 1 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, а также генерации нейтронного излучения.

Известно устройство для получения высокотемпературной плазмы, содержащее два электродинамических ускорителя с импульсным напуском газа, два плазмопровода, камеру торможения или взаимодействия, а также систему синхронизации этих ускорителей (см. А.М. Житлухин и др. "Удержание высокотемпературной плазмы с β = 1 в открытой ловушке". Письмо в ЖЭТФ, т. 39, вып. 6, стр. 247 - 249, 1984 г.). Ускорители устанавливались на расстоянии 7 м навстречу друг другу и запитывались от конденсаторных батарей емкостью 1150 мкФ. Камеры ускорителей соединялись с камерой торможения тонкостенными металлическими плазмопроводами диаметром 30 см, в которых с помощью наружных многовитковых соленоидов создавалось квазистационарное профилированное магнитное поле. Камера торможения представляла собой аксиально симметричную ловушку пробочной конфигурации длиной 2 м с напряженностью поля в пробках 14,4 кЭ. В результате столкновения двух плазменных потоков в ловушке образовывалась плазма с ионной температурой ~2 кэВ, погонной плотностью ~1,5•10¹⁷ 1/см, энергосодержанием ~15 кДж и временем удержания плазмы ~40 мкс. Недостатками известного устройства являются невысокие начальная (на выходе ускорителей) температура плазменных сгустков и конечная температура плазмы в зоне их столкновения, большие линейные размеры ускорителей и плазмопроводов, а также сложность осуществления процессов термоизоляции и проводки плазменных сгустков по плазмопроводу и ввода их в камеру взаимодействия.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для получения высокотемпературной плазмы (а. с. СССР N 1268080, кл. МПК H 05 H 1/00, авторов Гаранина С.Ф. и дp., заявлено 11.01.85, опубликовано 19.06.95, БИ N 17). Устройство по прототипу содержит осесимметричную плазменную камеру, образованную коаксиальными электродами, и состоящую из отсеков ускорения и торможения плазмы с кольцевым зазором между отсеками в форме сопла Лаваля и источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам со стороны входа в отсек ускорения плазмы. Кроме того, устройство содержит дополнительный источник начального магнитного поля, подключенный к электродам со стороны выхода отсека торможения. Отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между продолжением электродов отсека ускорения. Оба отсека камеры заполняются дейтерием или смесью тяжелых изотопов водорода. В объем плазменной камеры вводится начальное азимутальное магнитное поле, после чего осуществляют ионизацию газа, ускорение полученной плазмы нарастающим азимутальным магнитным полем до скорости, превышающей альфвеновскую скорость звука, путем пропускания плазмы через сопло Лаваля, а затем происходит торможение и нагрев плазмы в ударной волне, формирующейся на выходе из сопла.

К недостаткам устройства - прототипа можно отнести недостаточно высокую среднюю температуру плазмы в отсеке торможения, сильную неоднородность плотности и температуры плазмы в отсеке торможения, невозможность обеспечить большое время жизни высокотемпературной плазмы из-за загрязнения водородной плазмы поступающими в отсек торможения парами изолятора, что является основным препятствием для дальнейшего повышения температуры плазмы и увеличения выхода термоядерных нейтронов путем повышения энергии источника или путем адиабатического сжатия плазмы в отсеке торможения.

Решаемая задача - создание устройства для получения высокотемпературной плазмы с временем жизни, достаточным для обеспечения возможности дальнейшего нагрева плазмы путем адиабатического сжатия ее в отсеке торможения.

Техническим результатом при решении данной задачи является повышение температуры и увеличение времени жизни нагретой плазмы.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, содержащим осесимметричную плазменную камеру, образованную коаксиальными электродами, и состоящую из отсеков ускорения и торможения плазмы с кольцевым зазором между отсеками в форме сопла Лаваля и источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам со стороны входа в отсек ускорения, новым является то, что плазменная камера дополнительно содержит второй отсек торможения плазмы, расположенный за первым отсеком торможения, и соединенный с ним вторым соплом Лаваля.

Введение в устройство второго отсека торможения и второго сопла Лаваля обеспечивает качественное и количественное отличие протекания физических процессов по сравнению с устройством - прототипом: нагрев плазмы происходит при последовательном прохождении плазмы через два сопла Лаваля, причем через второе сопло протекает плазма, предварительно нагретая в первом отсеке торможения; через второе сопло Лаваля протекает большая часть массы газа, тем самым по сравнению с устройством-прототипом существенно увеличивается доля плазмы, нагреваемой при торможении сверхзвукового потока, что значительно повышает пространственную однородность плазмы во втором отсеке торможения и делает ее пригодной для дальнейшего нагрева путем адиабатического сжатия; основной нагрев плазмы происходит во втором отсеке торможения, максимально удаленном от изолятора, что создает дополнительную пространственную защиту от "ранних" паров изолятора, а бросок напряжения, связанный с протеканием плазмы через второе сопло Лаваля, сдвигается к моменту выравнивания токов камеры и генератора, поэтому пары, образовавшиеся в этот момент, по камере практически не распространяются, тем самым достигается повышение чистоты и увеличение времени жизни нагретой водородной плазмы; второй отсек торможения позволяет обеспечить оптимальную индуктивность камеры при меньшем, чем у стандартной камеры объеме, что позволяет увеличить удельную внутреннюю энергию и температуру плазмы; геометрия второго отсека торможения является перспективной с точки зрения последующего нагрева плазмы путем газодинамического сжатия.

На чертеже изображено заявляемое устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения.

Заявляемое устройство содержит осесимметричную плазменную камеру 1, образованную коаксиальными электродами 2 и 3, и состоящую из отсеков ускорения 4 и торможения 5 плазмы с кольцевым зазором между отсеками в форме сопла Лаваля 6. Источник электромагнитной энергии 7 подключен к электродам 2 и 3 со стороны входа в отсек ускорения 4. Плазменная камера дополнительно содержит второй отсек торможения плазмы 8, расположенный за первым отсеком торможения 5 и соединенный с ним вторым соплом Лаваля 9. Кроме того на входе отсека ускорения между электродами расположен изолятор 10.

В примере конкретного выполнения заявляемого устройства в качестве источника электромагнитной энергии используется взрывомагнитный (магнитокумулятивный) генератор (см. , например, Г. Кнопфель "Сверхсильные импульсные магнитные поля". М.: "Мир", 1972, стр. 221). Материал электродов камеры - бескислородная медь, внешний электрод 2 может выполняться из алюминия. Изолятор 10 выполнен из керамики. Плазменная камера заполняется дейтерием или смесью тяжелых изотопов водорода при давлении ~10 мм. рт.ст.

Работает устройство следующим образом.

На первом этапе в камеру 1 от источника 7 медленно вводится начальное магнитное поле. Время формирования начального магнитного поля 200 - 300 мксек, начальный ток камеры - 1 - 3 МА. На втором этапе источник 7 подает на вход камеры токовый импульс нарастающей до ~10 МА амплитуды с шириной фронта ~ 2 мксек. Возникающее при этом напряжение между электродами 2,3 возбуждает разряд в объеме газа, что приводит к ионизации газа и появлению в нем проводимости, достаточной для вмораживания магнитного поля в образовавшуюся плазму. Нарастающее на входе в камеру магнитное давление ускоряет плазму в отсеке 4, что приводит к формированию сверхзвукового течения плазмы через первое сопло Лаваля 6. Торможение сверхзвуковой струи в отсеке 5 приводит к нагреванию части плазмы, а возникающее при этом давление возбуждает в холодной части газа ударную волну, амплитуда которой достаточна для ионизации газа ускорения его нарастающим магнитным давлением. В устройстве-прототипе на этом процесс нагрева плазмы в отсеке торможения фактически заканчивается и полученная в этом процессе плазма состоит из двух, сильно отличающихся по своим параметрам, компонент. Основная масса плазмы, нагретая только ударной волной, имеет плотность в несколько раз больше начальной плотности газа и температуру ≅ 0,1 кэВ и небольшая доля плазмы, нагретая при торможении сверхзвуковой струи, имеет очень низкую плотность и температуру в несколько единиц кэВ. При наличии даже небольшого количества примесей с большим Z (остаточный воздух, "грязь" со стенок, пары изолятора) "холодная" компонента плазмы быстро остывает из-за радиационных потерь, а "горячая" компонента остывает из-за турбулентного перемешивания с холодной. В предлагаемом устройстве после прихода ударной волны ко второму соплу Лаваля 9 в нем тоже формируется режим сверхзвукового течения, причем через второе сопло прогоняется значительно большая масса плазмы, чем через первое сопло, поэтому возрастает доля плазмы, нагреваемой при торможении сверхзвукового потока. Одновременно возрастает интенсивность ударной волны, нагревающей газ, первоначально находившийся во втором отсеке торможения 8, чем улучшается соотношение между параметрами "горячей" и "холодной" составляющих плазмы в этом отсеке. Температура "холодной" компоненты плазмы возрастает до ~0,3 кэВ, что должно уменьшить радиационные потери, связанные с излучением от примесей, и увеличить время жизни нагретой плазмы. По сравнению с устройством-прототипом предлагаемое устройство обеспечивает дополнительную защиту нагреваемой плазмы от загрязнения ее парами изолятора. Эффект защиты достигается не только геометрическим удалением второго отсека торможения от изолятора, но и противодавлением плазмы, остающейся в первом отсеке торможения, которое препятствует распространению паров изолятора в направлении второго отсека торможения. Согласно расчетам количество паров изолятора, поступающих во второй отсек торможения, в предлагаемом устройстве на один два порядка меньше, чем в устройстве-прототипе, при этом второй отсек торможения достигают только пары, преодолевшие радиационный барьер и нагретые до температуры ~1 кэВ, что дополнительно уменьшает радиационные потери плазмы.

Формула изобретения

Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, содержащее осесимметричную плазменную камеру, образованную коаксиальными электродами и состоящую из отсеков ускорения и торможения плазмы с кольцевым зазором между отсеками в форме сопла Лаваля, и источник электромагнитной энергии, подключенный к электродам со стороны входа в отсек ускорения, отличающееся тем, что плазменная камера дополнительно содержит второй отсек торможения плазмы, расположенный за первым отсеком торможения и соединенный с ним вторым соплом Лаваля.

РИСУНКИ

Рисунок 1