Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения

Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения относится к области инерционного термоядерного синтеза и плазменной техники и может быть использовано для создания источников проникающих излучений. Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения содержит импульсный источник начальной энергии, основной импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными наружным и внутренним электродами и кольцевым зазором между ними в виде сопла Лаваля, а также обжимающую токопроводящую оболочку. Зазор разделяет камеру на отсеки ускорения и торможения плазмы. Основной импульсный источник энергии соединен с наружным электродом с образованием полоидального магнитного поля в отсеке торможения. Обжимающая токопроводящая оболочка выполнена толщиной, примерно равной толщине скин-слоя. Изолированная с обеих сторон обжимающая оболочка через наружный изолирующий слой примыкает к внутренней поверхности наружного электрода отсека торможения. Изобретение позволяет на порядки уменьшить количество примесей в плазме, что приводит к повышению температуры плазмы и мощности нейтронного импульса. 3 ил.

 

Изобретение относится к области инерционного термоядерного синтеза и плазменной техники и может быть использовано для создания источников проникающих излучений.

Известны различные способы и устройства получения термоядерной энергии, например, основанные на сжатии термоядерных мишеней лазерным излучением - ЛТС, магнитным полем - МАГО, заряженными частицами и т.п. Грозящий энергетический кризис делает актуальными поиски альтернативных источников энергии. Крупнейшие лаборатории Мира решают задачу освоения термоядерной энергии. Решение этой проблемы на основе использования магнитного обжатия вещества (МАГО) имеет ряд преимуществ:

- для отработки системы не требуется создания стационарных дорогостоящих драйверов, так как возможно использование импульсных драйверов - дисковых взрывомагнитных генераторов (ДВМГ), стоимость которых в сотни раз меньше;

- магнитная энергия существенно дешевле при одинаковом количестве энергии;

- размеры системы порядка нескольких сантиметров, а не миллиметров, что упрощает диагностику;

- в расчетных системах типа МАГО для достижения термоядерного зажигания требуется меньшая степень сжатия плазмы.

Известен «Плазменный источник проникающего излучения» авторов Макеева Н.Г., Филипповой Т.И. и Филиппова Н.В., авторское свидетельство №-347006, кл. МПК Н01Н 1/06, опубл. в БИ №-4, 1995 г.

Данное устройство типа «плазменный фокус» содержит импульсный источник питания и сферическую газоразрядную камеру, заполненную изотопами водорода. В начальной стадии разряда формируется плазменная оболочка, которая далее с ускорением движется к области фокусировки. Формирующийся при разряде плазменный фокус является источником нейтронного и рентгеновского излучений. В плазменном фокусе обнаружены факторы, которые ограничивают максимальную величину получаемого нейтронного выхода, практически отсутствуют термоядерные нейтроны, а получаемые нейтроны главным образом ускорительные.

Вследствие больших трудностей, связанных с высокой степенью сжатия и высокими требованиями к мощности источника питания, необходимой для достижения термоядерного зажигания в эксперименте, зажечь термоядерные мишени пока не удалось.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, опубликованное в ст. С.Ф.Гаранина, В.И.Мамышева и В.Б.Якубова «Система МАГО: Современное состояние», ж. «IEEE, Transactions on plasma science», vol.34, no. 5, October 2006. Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения содержит начальный и основной импульсные источники энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными наружным и внутренним электродами и кольцевым зазором между ними в виде сопла Лаваля, разделяющий камеру на отсеки ускорения и торможения плазмы, а также обжимающую токопроводящую оболочку, расположенную в отсеке торможения. Основной источник энергии подключен с образованием в отсеке торможения азимутального магнитного поля, а наружный электрод камеры имеет цилиндрическую форму и отделен от обжимающей оболочки.

Недостатками устройства по прототипу является быстрое остывание плазмы из-за попадания в плазму частиц со стенок камеры.

При создании данного изобретения решалась задача по созданию устройства с обеспечением изоляции стенок камеры полоидальным магнитным полем.

Техническим результатом при решении данной задачи является уменьшение скорости охлаждения дейтерий-тритиевой ДТ-плазмы.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, которое содержит начальный и основной импульсные источники энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными наружным и внутренним электродами и кольцевым зазором между ними в виде сопла Лаваля, разделяющий камеру на отсеки ускорения и торможения плазмы, а также обжимающую токопроводящую оболочку, расположенную в отсеке торможения, в заявляемом устройстве основной импульсный источник энергии соединен с наружным электродом с образованием полоидального магнитного поля в отсеке торможения. Обжимающая токопроводящая оболочка выполнена толщиной примерно равной толщине скин-слоя. Оболочка изолирована с обеих сторон и через наружный изолирующий слой примыкает к внутренней поверхности наружного электрода камеры торможения.

В прототипе обжимающая оболочка и наружный электрод камеры подключены к основному источнику энергии таким образом, что ток протекает по ним параллельно оси устройства с образованием азимутального магнитного поля, т.е. поля, имеющего составляющую Нφ. В заявляемом изобретении основной источник подключен через клеммы к плоским шинам наружного электрода так, что ток по наружному электроду камеры протекает перпендикулярно оси устройства.

Полоидальное магнитное поле имеет две составляющие: осевую и радиальную Hź и Hř. Формирование полоидального магнитного поля в отсеке торможения плазмы позволяет создать эффект перекрещивания силовых линий магнитного поля с образованием устойчивой системы сжатия плазмы. Выполнение обжимающей оболочки тонкой, толщиной, равной или меньше толщины скин-слоя, позволяет части силовых линий полоидального магнитного поля проникнуть через оболочку, оттеснить дейтерий-тритиевую ДТ плазму от стенок камеры и уменьшить "смытие со стенок" камеры, и, кроме того, уменьшить плотность плазмы около стенок камеры и за счет этого уменьшить скорость остывания плазмы.

Изолированная с обеих сторон изолирующими слоями 11 и 12 обжимающая оболочка 10 примыкает к внутренней поверхности наружного электрода отсека торможения 8. В зазоре, между внешним электродом 5 и обжимающей токопроводящей оболочкой 10, который заполнен внешним изолятором 11, в процессе работы устройства возникает полоидальное магнитное поле. Это поле, частично проникающее через обжимающую оболочку 10 в отсек торможения плазмы, служит как для сжатия плазмы, так и для уменьшения тепловых потерь плазмой.

На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения.

На фиг.2 изображен экваториальный разрез физической схемы отсека торможения плазменной камеры.

На фиг.3 изображен общий вид наружного электрода отсека торможения.

На фиг.1-3 обозначено:

1 - импульсный источник начальной энергии;

2 - основной импульсный источник энергии;

3 - формирователь импульса;

4 - внутренний электрод;

5 - наружный электрод;

6 - кольцевой зазор в виде сопла Лаваля;

7 - отсек ускорения плазмы;

8 - отсек торможения плазмы;

9 - проводящий корпус отсека ускорения плазмы;

10 - обжимающая токопроводящая оболочка;

11 - изолирующий слой между наружным электродом 5 и оболочкой 10;

12 - изолирующий слой на внутренней поверхности оболочки 10;

13 - изолятор на входе в отсек ускорения 7;

14 и 15 - клеммы для подключения формирователя импульса 3;

16 и 17 - плоские шины с клеммами для подключения основного импульсного источника энергии 2.

Заявляемое устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения содержит начальный 1 и основной 2 импульсные источники энергии, формирователь импульса 3 и плазменную камеру с осесимметричными наружным 5 и внутренним 4 электродами и кольцевым зазором 6 между ними в виде сопла Лаваля, разделяющий камеру на отсеки ускорения 7 и торможения 8 плазмы, а также обжимающую токопроводящую оболочку 10, расположенную в отсеке торможения 8. Основной импульсный источник энергии 2 соединен с наружным электродом 5 с образованием полоидального магнитного поля в отсеке торможения 8. Обжимающая токопроводящая оболочка 10 выполнена толщиной, примерно равной толщине скин-слоя. Обжимающая оболочка 10 изолирована с обеих сторон слоями изолятора 11 и 12 и через наружный изолирующий слой примыкает к внутренней поверхности наружного электрода 5 отсека торможения 8. Кроме того, заявляемое устройство содержит изолятор 13 на входе в отсек ускорения 7, клеммы 14 и 15 для подключения импульсного источника начальной энергии 1 через формирователь импульса 3 к внутреннему электроду 4 и проводящему корпусу 9 отсека ускорения 7.

Основной источник энергии 2 через плоские протяженные шины 16 и 17 подключен к наружному электроду 5 отсека торможения 8 для создания полоидального магнитного поля.

Обжимающая оболочка 10 подсоединена через проводящий корпус отсека ускорения плазмы 9 к импульсному источнику начальной энергии 1. Первоначально оболочка находиться вне токового контура. Далее в процессе работы происходит ее включение в токовый контур через плазму.

Заявляемое устройство разработано для системы МАГнитного гидродинамического Обжатия - МАГО. В качестве импульсного источника начальной энергии может быть использован спиральный взрывомагнитный генератор СВМГ и взрывной формирователь импульса (патент РФ №-2175819, кл. МПК Н05Н 1/02). В качестве основного источника энергии может быть использован драйвер многомодульный дисковый генератор ДВМГ, например М.С.Протасов и др. «Быстродействующий ДВМГ». Труды 3-й Международной конференции по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам. М., «Наука» 1984 г., стр.26-28. Основной импульсный источник энергии с помощью плоских протяженных медных шин соединяется с наружным электродом отсека торможения. Плазменная камера заполняется дейтерием, смесью дейтерия с тритием или смесью тяжелых изотопов водорода. Внутренний электрод камеры выполнен из бескислородной меди. Наружный электрод является частью многослойной структуры и выполнен из меди. Обжимающая оболочка выполнена толщиной 0.1 мм также из меди. Изоляционные слои выполнены из полиэтилена.

Работает заявляемое устройство следующим образом. Под действием высокого напряжения между электродами 4 и 9 происходит ионизация газа в отсеке ускорения 7 плазменной камеры. Образовавшаяся плазма в отсеке ускорения 7 под действием нарастающего магнитного поля от начального источника 1 ускоряется в сторону сопла Лаваля 6. При выходе из сопла плазма приобретает скорость, превышающую альфеновскую скорость звука, тормозится и нагревается в ударной волне, которая образуется в отсеке торможения 8. Основной источник 2 создает полоидальное магнитное поле и сжатие плазмы осуществляется не азимутальным, а полоидальным полем. Полоидальное поле через обжимающую оболочку 10 частично проникает в отсек торможения 8, оттесняет плазму от стенок камеры и уменьшает "смытие со стенок", так как оставшаяся часть плазмы возле оболочки имеет существенно меньшую плотность, чем основная ее часть, и поэтому происходит уменьшение скорости остывания основной массы плазмы.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет на порядки уменьшить количество примесей в плазме, что приводит к повышению температуры плазмы, получению мощного нейтронного импульса

Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, содержащее импульсный источник начальной энергии, основной импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными наружным и внутренним электродами и кольцевым зазором между ними в виде сопла Лаваля, разделяющим камеру на отсеки ускорения и торможения плазмы, а также обжимающую токопроводящую оболочку, расположенную в отсеке торможения, отличающееся тем, что основной импульсный источник энергии соединен с наружным электродом с образованием полоидального магнитного поля в отсеке торможения, обжимающая токопроводящая оболочка выполнена толщиной, примерно равной толщине скин-слоя, причем изолированная с обеих сторон обжимающая оболочка через наружный изолирующий слой примыкает к внутренней поверхности наружного электрода отсека торможения.