Способ поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области термоядерной энергетики и может быть использовано при разработке и создании станций теплоснабжения и электростанций, использующих термоядерную энергию. Способ поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза состоит в превращении энергии нейтронного потока и потока γ-квантов в тепловую энергию. Поглощение энергии осуществляется теплоносителем, омывающим первую по ходу потока энергии стенку реактора, а первая стенка максимально прозрачна для нейтронного потока и потока γ-квантов. Устройство для поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза содержит корпус реактора с каналами для прокачки теплоносителя. При этом в качестве теплоносителя используется жидкий, газовый или гетерогенный поглотитель нейтронного потока и потока γ-квантов, а первая стенка изготовлена из стеклокерамики, прозрачной для нейтронного потока и потока γ-квантов. Техническим результатом является повышение эффективности процесса преобразования энергии потока частиц в тепловую энергию. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области термоядерной энергетики и может быть использовано при разработке и создании станций теплоснабжения и электростанций, использующих термоядерную энергию.
Известен способ поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза [1], при котором энергия нейтронов и излучения поглощается в слое углеродного композита, составляющего конструкцию первой стенки, и передается теплопроводностью гетерогенному теплоносителю (гелий + гранулы Li2O), циркулирующему в трубах, проложенных в первой стенке. Недостатком данного способа является интенсивное разрушение материалов первой стенки и необходимость их частой замены, а также загрязнение камеры продуктами разрушения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является представленный в [2] способ, при котором почти полное поглощение энергии осуществляется в струях жидкого теплоносителя, образующих завесу вокруг термоядерной мишени. Недостатком данного способа является его сложность и ограничения, накладываемые на атмосферу в реакторной полости в связи с испарением жидкости.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение и удешевление получения энергии термоядерного синтеза. Для решения поставленной задачи предложен способ поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза, который состоит в превращении энергии нейтронного потока и потока γ-квантов в тепловую энергию. Новым по мнению автора является то, что поглощение энергии осуществляется теплоносителем, омывающим наружную поверхность первой по ходу потока энергии стенки реактора, а первая стенка изготовлена из материала с низким коэффициентом поглощения нейтронного потока и потока γ-квантов, например из стеклокерамики. К настоящему времени уже разработаны стекла и стеклокерамика, устойчивые к воздействию нейтронного и рентгеновского излучения [3, 4] в течение длительного времени, прежде всего по отношению к окрашиванию, и имеющие низкий коэффициент поглощения гамма-квантов, что обеспечивает объемность поглощения. Теплоноситель, имеющий большой коэффициент поглощения нейтронов и γ-квантов, может быть изготовлен в простейшем случае на основе воды или водного раствора солей металлов, BaI например, с введенными в него микро- и наночастицами тяжелых металлов.
Известно устройство [5] для поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза, которое содержит корпус реактора с первой стенкой из материалов на основе графита с каналами для прокачки теплоносителя. В качестве теплоносителя используется гетерогенный теплоноситель. Недостатком данного устройства является сильная эрозия стенок. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является реактор с жидким бланкетом из струй лития [2], окружающим мишень.
Недостатком данного устройства является распыление лития, сложность организации жидкого бланкета. Для решения поставленной задачи предложено устройство для поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза, которое содержит корпус реактора с каналами для прокачки теплоносителя. Новым по мнению автора является то, что в качестве теплоносителя используется жидкий, газовый или гетерогенный поглотитель нейтронного потока и потока γ-квантов, а первая стенка изготовлена из стеклокерамики, прозрачной для нейтронного потока и потока γ-квантов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид предлагаемого устройства (фиг.1). Устройство содержит сферическую реакторную камеру 1 с окнами для ввода лазерных пучков 2, между первой 3 и задней стенкой камеры 4 расположен канал для прокачки теплоносителя 5, заполненный жидким, газовым или гетерогенным поглотителем 6 энергии продуктов термоядерной реакции, инициированой в сферической мишени 7 лазерным излучением. Первая стенка 3 изготовлена из материала, имеющего высокое пропускание для нейтронного потока и потока γ-квантов. Теплоноситель 5, наоборот, имеет высокие коэффициенты поглощения этих потоков. Устройство работает следующим образом. При инициировании термоядерной реакции в мишени 6 импульсным лазерным излучением, которое вводят через окна 2 в камеру и фокусируют на мишень, продукты реакции - нейтроны (80%), γ-кванты (10%) проходят через квазипрозрачную для них первую стенку 3 и поглощаются в слое теплоносителя 7, прокачиваемого в канале 5. Поток нагретого теплоносителя выносит энергию из камеры во внешний контур реактора. В качестве материала первой стенки могут быть использованы специальные стекла или стеклокерамика, стойкие к нейтронному и γ-излучению. Уже при нынешнем уровне технологии получения стеклокерамики использование в стеклокерамике элементов с малым атомным весом позволяет в 10-100 раз увеличить пробег рентгеновских квантов вплоть до см [3, 4]. В качестве теплоносителя-замедлителя можно использовать воду или водные растворы металлических солей (BaI, например). Слой воды толщиной ~0,3 м обеспечит замедление нейтронов с энергией до 10 МэВ до тепловых энергий и вывод термоядерной энергии в наружный теплообменник. Для поглощения потока γ-квантов в воду вводятся микро- и наночастицы тяжелых металлов (Cu, Au и т.д). Использование высокотемпературных органических теплоносителей-замедлителей позволит повысить тепловые характеристики реактора. Возможно применение и жидкого металла, Li например, с температурой плавления ~450 K. Рабочие температуры для стекол ~750 K, для стеклокерамики ~1000 K.
Список литературы
1. Kulcinski G. et al // Fusion Technology and Design. 2002. V.60. P.3.
2. Moir R. et al // Fusion Technology. 1994. V.25. P.5.
3. Margaryan A et al // Physics and Chemistry of Rare-Earth Ions Glasses. Zurich: TTP Inc. 2008 г.
4. G.Appleby, C.Bartle. Current Applied Phys. V.6, pp.389-392. 2007.
5. Дюдерштадт Дж., Мозес Г. // Инерциальный термоядерный синтез. 1984. - М.: Энергоатомиздат. С.265.
1. Способ поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза, состоящий в превращении энергии нейтронного потока и потока γ-квантов в тепловую энергию, отличающийся тем, что поглощение энергии осуществляется теплоносителем, омывающим первую по ходу потока энергии стенку реактора, а первая стенка а изготовлена из материала с низким коэффициентом поглощения нейтронного потока и потока γ-квантов, например из стеклокерамики.
2. Устройство для поглощения энергии лазерного термоядерного синтеза, содержащее камеру реактора с каналами для прокачки теплоносителя, отличающееся тем, что в качестве теплоносителя используется жидкий, или газовый, или гетерогенный поглотитель нейтронного потока и потока γ-квантов, а первая стенка изготовлена из стеклокерамики, прозрачной для нейтронного потока и потока γ-квантов.
