Термоядерный реактор

Авторы патента:

G21B1/00 - Термоядерные реакторы (заявляемые как управляемые)

Владельцы патента RU 2525840:

Петров Виктор Михайлович (RU)

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается получения энергии за счет управляемой реакции синтеза легких ядер в высокотемпературной плазме с помощью установки типа «токамак». Реактор содержит тороидальную камеру с ядерным топливом, питающий генератор СВЧ, магнитные катушки, бланкет, защиту, систему подачи топлива и другие элементы. Для повышения стабильности плазменного шнура и времени его удержания при холодной настройке вдоль оси тороида устанавливают замкнутый проводник, который может быть выполненным из лития-6. Благодаря проводнику тороидальная камера для поля СВЧ становится коаксиальным резонатором с ТЕМ_00n-типом колебаний. При повышении мощности СВЧ-генератора проводник испаряется, на его месте образуется плазменный шнур, не меняющий типа колебаний. Техническим результатом является возможность избежать срыва начавшейся термоядерной реакции. 1 ил.

По замыслу термоядерный реактор токамак должен представлять собой тороидальную камеру, заполненную ядерным топливом - смесью изотопов водорода - дейтерия (D) и трития (Т). Тороид надет на ярмо трансформатора, создающего в нем магнитное поле. При изменении этого поля индуцируется электрическое поле, направленное вдоль тороида, которое вызывает пробой газа и нагрев образующейся при этом плазмы. На корпус камеры намотаны дополнительные катушки, по которой пропускается ток, создающий внутри тороида осевое магнитное поле, которое сжимает плазму к центру тороида. Когда температура плазмы превысит 100 миллионов Кельвин, а плотность станет выше критической, начинает идти ядерная реакция синтеза: D+Т=4Не+n+17,6 МэВ. Выделяющаяся при этом энергия отводится с помощью окружающего камеру бланкета (⁶Li или вода). Бланкет одновременно служит для производства необходимого для реакции, но не существующего в природе трития.

Причина неудач токамаков кроется в нестабильности плазмы и невозможности ее удержания в течение достаточно длительного времени (более 0,1 с).

В первых установках типа токамак для нагрева плазмы использовался нарастающий во времени электрический ток магнита, который создавал в камере магнитное поле и эдс индукции. Так как скорость нарастания должна быть большой, то по своей сути нагрев мог быть только кратковременным и должен прекращаться в момент достижения в обмотке магнита максимального тока. В 1964 году нами было предложено нагрев и сжатие плазмы осуществлять сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным полем [1]. При этом отпала необходимость в магните, повысилась напряженность сжимающего магнитного поля, которая пропорциональна частоте, и появилась возможность работы реактора в непрерывном режиме. В выдаче авторского свидетельства было отказано, так как считалось, что СВЧ-плазма не может быть горячей (с температурой выше 1000 К) [2]. Однако академик П.Л.Капица экспериментально показал ошибочность существовавшей теории. В 1973 году им были получены авторские свидетельства на способ [3] и устройство [4] получения высокотемпературной плазмы с помощью СВЧ-поля. В настоящее время СВЧ-нагрев стал общепринятым и, по словам академика Е.П.Велихова, «наиболее перспективным для использования в будущих реакторах «Токамаках» [5] (см. напр. [6]). Поэтому ограничения времени удержания плазмы нарастающим током оказались снятыми.

Причина нестабильности плазменного шнура при СВЧ-нагреве, по нашему мнению, кроется в ошибочном подходе к проектированию тороидальной камеры. Тороид служит для СВЧ-поля резонатором, который проектируется и настраивается на резонансную частоту питающего СВЧ-генератора. При проектировании и испытаниях полагается, что резонатор образован отрезком круглого волновода с замкнутыми друг на друга концами. Однако такое исходное положение ошибочно: как только происходит пробой газа, по оси тороида возникает плазменный шнур, являющийся проводником электрического тока. В результате тороидальный резонатор превращается в замкнутый отрезок не полой круглой, а коаксиальной линии, имеющей проводник вдоль оси. Тип колебаний, распределение электрического и магнитного поля, согласование с генератором, а также резонансная частота коаксиального резонатора резко отличаются от круглого резонатора. Поэтому сразу же после возникновения плазменного шнура питающее СВЧ-поле становится не резонансным и не согласованным с нагрузкой, в результате чего плазма гаснет.

Целью изобретения является повышение стабильности плазменного шнура и времени его удержания.

Для решения поставленной задачи по центру сечения тороидальной камеры в намечаемом месте нахождения плазменного шнура изначально устанавливается замкнутый проводник. Благодаря этому резонатор проектируется и настраивается изначально, в холодном состоянии как коаксиальный, каким он и является в рабочих условиях, после загорания плазмы. Так устраняется указанная причина расстройки СВЧ-генератора и неустойчивости плазмы.

Схема тороидальной камеры реактора поясняется чертежом.

Предлагаемый термоядерный реактор содержит заполненный ядерным топливом (например, смесью дейтерия и трития) металлический тороид 1. По центру сечения тороида в холодном состоянии установлен проводник 2, закрепленный на нитях или жестких опорах, не показанных на чертеже. Предпочтительно выполнение проводника 2 из ⁶Li, являющегося одновременно и ядерным топливом. Для нагрева ядерного топлива используется СВЧ-генератор 3, настроенный на резонансную частоту коаксиального тороидального резонатора, образованного стенками тороида 1 и проводником 2. Проводник 2 превращается в плазменный шнур в горячем состоянии реактора, после включения СВЧ-генератора 3.

Реактор содержит также не показанные на чертеже магнитные катушки, систему подачи ядерного топлива и откачки отходов, бланкет, защиту и другие детали, аналогичные имеющимся в известных токамаках.

Реактор работает следующим образом. Согласование и резонансная настройка камеры с СВЧ-генератором 3 производится в холодном состоянии. Так как средняя длина окружности тороида 1 берется равной целому числу n длин волн СВЧ-генератора 3, то при включении последнего внутри камеры возникают резонансные колебания электромагнитного поля типа ТЕМ_00n, где n=1, 2, 3, … - целое число. Такой тип колебаний коаксиального резонатора содержит круговое магнитное поле Н и электрическое поле, возбуждающее электрический ток i, направленный вдоль проводника 2. СВЧ-ток i нагревает проводник, расплавляет и испаряет его, превращая в плазму, а магнитное поле Н вместе с полем внешних катушек сжимает образующийся плазменный шнур. В плазму вовлекаются частицы ядерного топлива, заполняющего камеру. Температура и плотность сжимаемой плазмы растут, достигая значений, необходимых для начала термоядерной реакции синтеза. Выделяемый ⁴Не откачивается насосами, а нейтроны поглощаются бланкетом и защитой. Выделяемая тепловая энергия преобразуется в электрическую и подается потребителю. Часть этой энергии идет на питание СВЧ-генератора 3.

Если в качестве проводникового материала 2 используется литий-6, то это способствует ускорению начала термоядерной реакции за счет дополнительной реакции ⁶Li+D=2⁴Не+22,4 МэВ.

Управление реакцией осуществляется регулированием мощности СВЧ, а также количества подаваемого ядерного топлива.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДОКУМЕНТЫ

1. В.М.Петров. Установка для создания управляемой термоядерной реакции. Заявка на изобретение №893912 от 13.04.1964, кл. H05h 1/18.

2. Л.А.Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. М., 1963, с.425.

3. П.Л.Капица. Способ получения высокотемпературной плазмы. А. с.СССР №333889 от 22.08.1969, кл. H05h 1/18.

4. П.Л.Капица. Устройство для получения высокотемпературной плазмы. А. с.СССР №333890 от 22.08. 1969, кл. H05h 1/18.

5. Е.Велихов. Теория и ее приложения. На соискание государственной премии СССР. Газета «Правда», 16.09.1986, с.2.

6. Г.И.Мишин и др. Термоядерный реактор. Пат. РФ №2076358. Кл. G21B 1/00. Заявл. 10.06.1994, опубл. 27.03.1997.

Термоядерный реактор, содержащий тороидальную камеру, заполненную ядерным топливом, питающий генератор сверхвысокой частоты, магнитные катушки, бланкет, защиту, системы подачи топлива и откачки, отличающийся тем, что внутри камеры в намечаемом месте нахождения плазменного шнура в холодном состоянии установлен замкнутый проводник, образующий со стенками камеры коаксиальный резонатор на частоту генератора.

Изобретение относится к области энергетики. В заявленном способе предусмотрено осуществление ядерной или термоядерной реакции путем подрыва заряда внутри массивного металлического тела, размещенного в прочном корпусе, при этом энергия взрыва превышает энергию теплоты для расплавления металлического тела, а теплота, образующаяся в теле от взрыва, утилизируется через прочный корпус.

Способ увеличения интесивности экзотермической реакции ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле и устройство для его осуществления // 2521621

Заявленная группа изобретений относится к средствам для исследований протекания реакций ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода. В заявленном изобретении предусмотрено образование металлического кристаллического тела (МКТ) его конденсацией из паров металла, внедрение в МКТ атомов изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами водорода оказывалась на наименьшем возможном расстоянии друг от друга.

Способ резервирования собственных нужд аэс // 2520979

Изобретение относится к способам аварийного энергообеспечения собственных нужд АЭС. При полном обесточивании, пар, генерируемый в паропроизводящей установке за счет остаточного тепловыделения активной зоны реактора, направляется в дополнительную паротурбинную установку, в которой вырабатывает необходимую электроэнергию для электроснабжения собственных нужд станции в течение времени, необходимого для восстановления связи с энергосистемой или штатной работы станции.

Способ генерации неиндукционного тороидального затравочного тока при стационарной работе термоядерного реактора // 2510678

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе, в радиационном материаловедении, для исследований в физике космической плазмы.

Мини-коллайдер (варианты) // 2497206

Заявленное изобретение относится к средствам для осуществления термоядерного синтеза. Заявленное устройство включает замкнутую кольцевую (тороидальную) полость, где обеспечивается непрерывное взаимодействие встречных потоков ускоренных частиц и ионов.

Катализатор сжигания водорода, способ его получения и способ сжигания водорода // 2494811

Изобретение относится к катализаторам сжигания водорода. Описан катализатор сжигания водорода, включающий каталитически активный металл, нанесенный на носитель катализатора, образованный неорганическим оксидом, при этом носитель включает органический силан по меньшей мере с одной алкильной группой из трех или менее атомов углерода, путем замещения присоединенной к концу каждой из определенной части или ко всем гидроксильным группам на поверхности носителя; и каталитически активный металл нанесен на носитель катализатора, включающий присоединенный к нему органический силан.

Устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора // 2491663

Изобретение относится к области термоядерного синтеза. .

Система для пневматической транспортировки тритийвоспроизводящих детекторов в канале наработки трития бланкета термоядерного реактора // 2484545

Изобретение относится к области управляемого ядерного синтеза и может быть применено в системах для пневматической транспортировки тритийвоспроизводящих детекторов в канале наработки трития бланкета термоядерного реактора.

Системы и способы однотактного тяжелоионного синтеза // 2477897

Устройство для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора // 2527941

Изобретение относится к области управляемого ядерного синтеза и может быть применено в устройствах для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора. Устройство для контроля нарабатываемого трития содержит цилиндрический контейнер с торцевыми пробками, выполненный из малоактивируемого материала, в котором расположены с чередованием между собой капсулы с нейтронно-физическими детекторами и капсулы с тритийвоспроизводящим материалом. Капсулы выполнены из малоактивируемого материала и закрыты крышками из малоактивируемого материала. Капсулы с нейтронно-физическими детекторами размещены внутри капсул с тритийвоспроизводящим материалом. Крышкой для каждой капсулы, кроме последней капсулы с нейтронно-физическим детектором, является дно последующей капсулы. Крышкой для упомянутой последней капсулы служит торцевая пробка контейнера. Техническим результатом является уменьшение возмущения нейтронного потока при нахождении устройства для контроля в зоне воспроизводства трития за счет уменьшения объема устройства и количества конструкционного материала, используемого в нем. 1 ил.

Термоядерный реактор // 2535263

Заявленное изобретение относится к области энергетических установок типа токомак и может быть использовано при создании и проектировании магнитных термоядерных установок с активной зоной в виде тора. В заявленном термоядерном реакторе активная зона выполнена в виде вихревого тора, при этом система охлаждения выполнена в виде проточно-испарительного теплообменника, имеющего также форму вихревого тора, эквидистантно расположенного относительно активной зоны. Часть магнитных ловушек размещена между витками вихревого тора. Техническим результатом является увеличение объема активной зоны, увеличение площади теплообмена, возможность создания условий для более эффективной стабилизации плазмы и предотвращения касания плазмы стенок активной зоны. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

Сироты термоядерное взрывное устройство // 2538232

Изобретение относится к области энергетики, в частности термоядерным взрывным устройствам. Термоядерное взрывное устройство (2), выполненное из металла, включает размещенную внутри него капсулу (1) из дейтерия или смеси дейтерия и трития и любого иного термоядерного топлива. При этом в общей конструкции термоядерного взрывного устройства имеется прямолинейный канал (3), проходящий через капсулу, в который по каналам (4) и (5) направляются предварительно ускоренные ядра дейтерия и трития, взаимодействие которых далее предусмотрено в капсуле. Прямолинейный канал может быть не сквозным через капсулу, имея в центре ее перегородку из материала самой капсулы. Техническим результатом является возможность оптимизации габаритов взрывного устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ осуществления столкновительных ядерных реакций на основе эффекта каналирования ядерных частиц и излучений в фазах внедрения и эндоэральных структурах // 2540853

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами. При этом в фазах внедрения или подобранных эндоэдральных структурах внедренные атомы также занимают эти же области в результате процессов адсорбции на выходе каналов, диффузии по каналам или предварительной имплантации в каналы. В случае предварительной имплантации в каналы имплантируемое ядро должно обладать некоторой энергией Е1, достаточной для того, чтобы после остановки попасть в место, где по условиям фокусировки пройдет следующее ядро с более высокой энергией. Следующее ядро, входящее в тот же канал с энергией Е2, превышающей энергию Е1 на величину большую, чем порог ядерной реакции, должно достигнуть точки, в которой остановилось первое ядро, с энергией, равной или большей порога ядерной реакции. Используемое в способе устройство мишени для нейтронной трубки включает закрепленную в корпусе (1) охлаждаемую мишень, имеющей слоистую конструкцию, в которой на охлаждаемой монокристаллической подложке (2) под тонким слоем монокристаллического палладия (4) располагается слой дейтерида лития-шесть (3); мишень бомбардируется ядрами трития. Техническим результатом является создание условий для повышения эффективности ядерных реакций. 2 табл., 7 ил.

Сироты способ осуществления управляемого термоядерного синтеза // 2545017

Изобретение относится к способу осуществления управляемого термоядерного синтеза. Способ включает периодическое взрывание термоядерного взрывного устройства внутри реактора в виде прочного корпуса (1), в котором имеется вода (2), превращаемая в пар, используемый для потребных нужд, и отличается тем, что прочный корпус заполняется водой, которая при любом ее агрегатном состоянии остается должное время в пределах внутреннего пространства прочного корпуса, через который производится отбор утилизируемой теплоты, аккумулированной внутри этого корпуса. Способ реализуется в n-м количестве реакторов, взрывание термоядерного взрывного устройства (3) в которых производится в требуемой последовательности и в которых может быть разный тип реакции термоядерного синтеза. Периодически частично или полностью вода в реакторах заменяется новой водой, а удаленная вода из реакторов, где возникало нейтронное излучение в процессе взрыва термоядерного взрывного устройства либо происходило насыщение воды тритием, используется для выделения из нее компонентов, пригодных для реакции термоядерного синтеза. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования полученной энергии и возможность возобновления ресурсов топлива за счет получения трития. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ защиты от эрозии первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием // 2546333

Изобретение относится к средствам управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и может быть использовано в термоядерных реакторах для защиты стенок. В заявленном способе предусмотрена организация потоков жидкого металла в тех местах первой стенки, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных альфа-частиц, возникающих в результате синтеза. При этом для защиты первой стенки может использоваться литий как наиболее легкий из тугоплавких материалов. Толщина литиевого покрытия должна обеспечивать поглощение быстрых альфа-частиц в жидкой фазе материала, которое не будет приводить к его структурным изменениям. Слой жидкого рабочего металла создают путем инжекции в плазму частиц рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии. Толщину упомянутого слоя выбирают больше глубины проникновения альфа-частиц с энергией не более 4 МэВ. Температуру поверхности первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием поддерживают выше температуры плавления рабочего металла и ниже температуры его кипения. Техническим результатом является увеличение времени непрерывной работы реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы путем повышения износостойкости материалов первой стенки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ проведения реакции управляемого ядерного синтеза и устройство для его осуществления // 2546960

Заявленная группа изобретений относится к средствам для проведения реакции управляемого ядерного синтеза. Для этого осуществляют инжектирование ускоренных ионов легких элементов в вакуумированный кольцевой канал (1) со стенкой (2), выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось (3) в виде выпуклой гладкой линии. При этом с помощью инжекторов (4a) и (4b) создают два пучка ионов, движущихся в канале в одном и том же или встречных направлениях, и транспортируют ионы этих пучков с многократным прохождением ими канала в направлении его продольной осевой линии. Для транспортирования пучков частиц используют канал (1), снабженный прилегающей к его внешней поверхности электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием (5), на которое подается потенциал, индуцирующий на внутренней поверхности стенки канала 1 положительный заряд с получением потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию инжектируемых в него ионов. Вблизи внутренней поверхности стенки канала установлена сетка (6), на которую также подается потенциал. Техническим результатом является повышение вероятности осуществления ядерных реакций при отсутствии необходимости создания высокотемпературной плазмы и использования сложных средств для создания магнитных полей особой конфигурации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фокусирующая оптическая система с тороидальными зеркалами // 2552029

Изобретение относится к оптическим системам для фокусировки пучка. Оптическая система содержит корпус (1) с входным отверстием (2) для ввода вдоль оптической оси (3) пучка лазерного излучения (4), который отражается от первого конического зеркала (5), проходит через цилиндрическое окно (6), кольцевое коническое зеркало (7) и, пройдя через кольцевое тороидальное зеркало (8) и главное тороидальное зеркало (9), выводится через выходное отверстие (10), фокусируясь в точке (11). Первое коническое зеркало 5 установлено с помощью поддержек (12) на диске (13), к которому прикреплено главное тороидальное зеркало (9) и цилиндрическое окно (6) с прикрепленным к нему кольцом (14). Техническим результатом является увеличение равномерности облучения термоядерной мишени путем формирования широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения, имеющего сплошную апертуру. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора // 2560528

Изобретение относится к устройству для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора. Заявленное устройство выполнено в виде контейнера (1), по оси которого расположены капсулы (5), содержащие металлические детекторы (7) нейтронного излучения и детекторы (6) наработки трития из тритийвоспроизводящего материала, оба конца которого закрыты пробками (2, 3) из малоактивируемого материала. Детекторы наработки трития выполнены в виде прессованных цилиндров с осевыми отверстиями, в которые установлены трубки (8) из малоактивируемого материала. Детекторы нейтронного излучения размещены внутри упомянутых трубок. Техническим результатом является сокращение времени демонтажа устройства при извлечении облученных детекторов нейтронного излучения и уменьшение возмущения нейтронного потока при нахождении устройства для контроля в зоне воспроизводства трития, что повышает достоверность контроля. 2 ил.

Электроизолирующее устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора // 2563975

Изобретение относится к термоядерному синтезу. Электроизолирующее устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора содержит гибкую полую опору с фланцами, болт и закрепительную гильзу. Одним фланцем опора установлена в посадочное гнездо вакуумного корпуса с образованием резьбового соединения с ним, а другим с обеспечением электроизоляции соединена с модулем бланкета посредством болта. В торце резьбовой части болта выполнено монтажное отверстие, а головка болта расположена в полости гибкой опоры. Закрепительная гильза состоит из двух элементов, неподвижно соединенных между собой по конической поверхности, на которую нанесен электроизолирующий слой. Гильза имеет головку, соответствующую по форме монтажному отверстию болта, и тонкостенный цилиндрический конец. Гильза головкой установлена в упомянутое отверстие болта, а тонкостенным концом закреплена путем его деформации в модуле. Технический результат - исключение самоотворачивания болта гибкой опоры с одновременным сохранением электроизоляционных свойств устройства. 3 ил.