Устройство с магнитным удержанием плазмы, типа "открытая ловушка с магнитными пробками"


 

H05H1/00 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2528628:

Поломарчук Михаил Агеевич (RU)

Заявленное изобретение относится к физике плазмы. В заявленном устройстве с магнитным удержанием плазмы типа «ловушка с магнитными пробками» рабочий объем заполнен плазмой из одного исходного изотопа, при этом ядра второго изотопа ускоряют до энергий (110÷700) кэВ и вводят плотными пучками, уравновешивающими давление получаемой плазмы со всех сторон. Ускорители распределены вдоль рабочего объема группами, ориентированы на свою - для каждой группы - область схождения пучков и присоединены к источникам питания через устройства, включающие каждую группу ускорителей в заданный для нее момент рабочего цикла. Размещение и включение групп ускорителей согласованы с возможностью взаимодействия потоков плазмы от групп ускорителей, включаемых ранее, и с пучками ускоренных ядер в областях схождения этих пучков ускоренных ядер. Техническим результатом является компенсация давления потоков плазмы вдоль магнитного поля.

 

Устройство относится к физике плазмы, предназначено для получения плазмы с параметрами удержания, нужными для большого выхода реакции синтеза ядер.

Уровень техники

Устройства для получения существенного выхода энергии реакции синтеза ядер - методами ввода в рабочий объем исходных ядер, ускоренных до нужной энергии в ускорителях - исследуют с пятидесятых годов прошлого века. Цель исследований - получать промышленный выход энергии синтеза ядер.

Известно устройство с магнитным удержанием типа «открытая ловушка с магнитными пробками», содержащее: «магнитные клапана» - для ослабления магнитного поля в зонах ввода пучков ускоренных ядер - на время ввода пучков;

и ускорители исходных ядер - ориентированные на ось магнитного поля, распределенные вблизи магнитных пробок, равномерно и симметрично оси магнитного поля, в двух плоскостях, перпендикулярных к этой оси (В.Г.Зыков и др., «Физика плазмы и проблемы У.Т.С.», Киев, 1963 г., стр.273-283) - (1).

В устройстве (1) пучки ускоренных ядер проходили поперек магнитного поля в приосевые области рабочего объема - за счет формирования, в зонах движения пучков, электрических полей, названных полями поляризации пучков.

Отклонение пучков ядер поперек магнитного поля было существенно меньшим - определяемого для ядер действием силы Лоренца.

Взаимодействовали пучки коллективными полями, в два этапа.

На первом этапе пучки меняли направление - от областей взаимодействия пучков плазма уходила вдоль магнитного поля составными потоками, количество струй в потоках равнялось количеству пучков (В экспериментах - 8 пучков, и 8 струй в каждом потоке).

На втором этапе потоки плазмы с ускоренными ядрами, движущиеся вдоль магнитного поля, встречно, взаимодействовали в центральной области рабочего объема, также коллективными полями, и расформировывались. При этом формировались новые потоки плазмы - разной мощности, под большими углами к оси магнитного поля - и этими новыми потоками плазма уходила из области взаимодействия встречных потоков (и из рабочего объема).

Недостаток устройства (1) - пучки ускоренных ядер, и затем - потоки плазмы действовали на формируемую плазму в слишком малом интервале углов - поочередно, на каждом этапе. На первом этапе - давление плазмы, формируемой в областях схождения пучков, не уравновешивалось вдоль магнитного поля и плазма из этих областей уходила потоками вдоль магнитного поля.

На втором этапе - давление плазмы, в области взаимодействия потоков, уравновешивалось встречными потоками только вдоль магнитного поля - и плазма уходила новыми потоками, под большими углами к оси магнитного поля.

Исследования устройств такого типа не получили развития - т.к. мощность и кпд ускорителей ядер, в ранний период исследований, были слишком малыми.

Нужный выход реакции синтеза гелия - из дейтерия и трития - стремятся получать, разогревая всю смесь исходных изотопов непосредственно в рабочем объеме: - 1) в устройствах инерциального синтеза - сжимая порцию смеси так, чтобы ее плотность, к моменту нагрева до температуры развития реакции, в тысячу раз превышала плотность твердого вещества. При такой плотности в реакцию успеет вступить нужное количество ядер - до разлета малой порции смеси.

Нужная для такого сжатия плотность энергии не достигнута.

2) В устройствах с магнитным удержанием плазмы - стремясь получить начальный выход реакции, достаточный для ее продолжения - за счет дальнейшего нагрева всей плазмы из исходных изотопов продуктами реакции, непосредственно в рабочем объеме. Предполагают, что нужный начальный выход приведенной выше реакции проще получить в устройствах с тороидальным рабочим объемом.

При реальных параметрах устройств такого типа, для продолжения дейтерий-тритиевой реакции без подогрева извне, выход энергии реакции должен превышать расход на нагрев плазмы ~в 20 раз (~80% энергии реакции уходит с нейтронами, ядра гелия, с энергией 3,5 МэВ, в тороидальном объеме удерживаются мало - и передают плазме малую часть своей энергии). Получать в таких устройствах существенный выход других реакций синтеза ядер не считают возможным.

Выход реакции, достаточный для ее продолжения - за счет нагрева плазмы продуктами реакции в рабочем объеме - предполагают получить в токамаке «Игнитор» - (с английского - «Ignitor»-«зажигатель»), применив инжекцию исходных изотопов со скоростью ~4 км/с, и омический нагрев плазмы (током, индуцируемым в тороидальном объеме).

Обоснований - почему и как эти особенности обеспечат желаемый выход реакции - найти не удалось. Влияние инжекции исходных изотопов не может быть очень большим, т.к. энергия ядер инжектируемых изотопов - при скорости 4 км/с - мала ~(0,2÷0,3)эВ; омический нагрев плазмы применялся в ранее созданных устройствах, признан неперспективным.

Других существенных положительных отличий проекта «Игнитор» от ранее созданных токамаков - Т-14, и EAST найти не удалось (EAST - Experimental Advanced Superconducting Tokamak - создан в городе Хэфэй, провинции Аньхой, в Институте физики плазмы Китайской Академии наук, в рамках международного проекта токамака ITER - (International Thermonuclear Experimental Reactor)).

Токамак T-14 (ТСП - токамак с сильным полем) создан в 1987 г.- (теперь - в ГНЦ РФ ТРИ НИТИ - (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований)) - с целью получать выход энергии реакции, близкий к расходу на нагрев плазмы, результаты экспериментов неизвестны.

На токамаке EAST, применяя сверхпроводники, создают высокие значения индукции магнитного поля и получают выход энергии реакции, превышающий теоретический расход на нагрев плазмы в 1,25 раза.

Для повторения таких экспериментов - на EAST надо менять обмотки - сверхпроводимость в потоке нейтронов быстро теряется.

Проект «Игнитор» предложил в Италии профессор Бруно Коппи, академик Е.П.Велихов предложил использовать для проекта комплекс токамака Т-14.

Эксперименты по проекту «Игнитор» предполагают начать в 2017 г.

Цель проекта «ITER» - получать выход энергии реакции в 10 раз больше, чем брать извне на разогрев плазмы. Это меньше, чем надо для продолжения реакции, в тороидальном объеме реальных размеров, без нагрева плазмы извне, и существенно меньше затрат энергии на удержание плазмы в тороидальном объеме.

Работы по проекту ведут с 1985 г. силами восьми стран. Расходы на работы велики, планируемый выход реакции не получен, когда будет получен - неизвестно.

Недостатки устройств с тороидальным рабочим объемом:

1) сложность получения нужной конфигурации магнитного поля;

2) большой расход энергии на удержание плазмы. Кривизна силовых линий магнитного поля во всем рабочем объеме определяет усиленное разделение зарядов плазмы и усиленное развитие неустойчивостей с увеличением давления плазмы. При энергии ядер ≥15 кэВ плазма в тороидальном объеме существенно удерживается только при малой величине (~0,1) отношения β (отношения давления плазмы к условному давлению магнитного поля).

3) Сложность ввода и вывода энергичных частиц - эти сложности и заставляют греть всю плазму, и - для продолжения реакции - обеспечивать нагрев плазмы продуктами реакции непосредственно в рабочем объеме.

4) В созданных устройствах с тороидальным рабочим объемом, плазма, и продукты реакции, уходят на оболочку (на «первую стенку») рабочего объема, выбивая примеси, что увеличивает потери энергии из плазмы.

Применение «диверторов» для вывода заряженных частиц примесей и продуктов реакции нарушает магнитное поле и ухудшает удержание плазмы.

Данных о выводе заряженных частиц из тороидального объема в устройства для прямого преобразования их энергии в электроэнергию найти не удалось.

Ввод ускоренных исходных ядер, в рабочий объем с магнитным удержанием плазмы, в созданных устройствах обычно применяют для нагрева всей плазмы.

Устройства типа «ловушка с магнитными пробками» имеют преимущества:

1) простота магнитного поля - и обмоток для его создания;

2) простота достаточной компенсации нарушений магнитного поля при вводе в рабочий объем пучков энергичных ядер из ускорителей.

3) Большая часть рабочего объема - соленоид с магнитным полем, постоянным вдоль оси или меняющимся так, как надо для улучшения удержания плазмы. В соленоиде возможно почти полное вытеснение магнитного поля токами плазмы. Это снижает потери энергии электронов и дает возможности: продолжать реакции без подогрева извне при существенно меньшем выходе энергии реакции чем в устройствах с тороидальным объемом и осуществлять реакции с малым выходом нейтронов, для которых нужна температура плазмы более 60 кэВ.

(Г.И.Димов, «Амбиполярная ловушка: экспериментальные результаты, проблемы и перспективы», «Физика плазмы», 1997 г., том 23, №10, стр.883÷908 - (2)).

4) Заряженные частицы уходят из рабочего объема вдоль магнитного поля через «магнитные пробки». Это упрощает их вывод в устройства для прямого преобразования их энергии в электрическую энергию, существенно уменьшает количество примесей, выбиваемых из «первой стенки», и уменьшает ее разрушение, по сравнению с тороидальным рабочим объемом.

5) Существенная часть энергии уходящих заряженных частиц - после преобразования ее в электроэнергию - может быть быстро возвращена в рабочий объем с исходными ядрами, ускоренными до нужной энергии в ускорителях.

Это существенно снижает выход реакции, требуемый для продолжения работы устройства, по сравнению с устройствами с тороидальным объемом.

В настоящее время устройства типа «ловушка с магнитными пробками» исследуют мало, в основном с целью - улучшить стабилизацию плазмы в рабочем объеме - улучшая конфигурацию магнитного поля, применяя дополнительно «концевые пробкотроны», «кинетические стабилизаторы», «ионные барьеры», «термобарьеры» и другие вспомогательные устройства.

Устройства типа «ловушка с магнитными пробками» применяют для получения потоков нейтронов с энергией 14 МэВ для материаловедческих испытаний (Пост Р.Ф. - (Post R.F.), «Кинетический стабилизатор», «Физика плазмы», том 28, №9, Москва, 2002 г. - (3) - Стр.775). В таких устройствах плотность ядер, с энергией 15 кэВ, ~6,2×10м-3, отношение β ~0,3.

Выход энергии реакции синтеза ядер остается существенно меньшим расхода энергии на работу устройства во всех созданных до настоящего времени устройствах с магнитным удержанием плазмы.

Недостатки всех созданных устройств с магнитным удержанием плазмы в существенной мере определены тем, что, при нагреве плазмы, частицы ускоряют в малом интервале углов, и распределение энергичных частиц по направлениям скоростей относительно магнитного поля так же, как в устройстве (1) - остается сильно неравномерным от начала и до конца рабочего цикла.

Предположения, что распределение энергичных частиц по направлениям скоростей быстро станет достаточно равномерным во всех интервалах углов и будет поддерживаться таким за счет единичных взаимодействий, в том числе и с продуктами реакции - не подтверждены.

Действие роста индукции магнитного поля, больше ускоряя электроны и определяя большую скорость дрейфа их к оси поля - усиливает разделение зарядов плазмы. Электрические поля от разделения зарядов ускоряют частицы вдоль магнитного поля, усиливают мощность колебаний плазмы.

ЭЦР нагрев (волновой нагрев электронной составляющей с частотой, резонансной электронно-циклотронной частоте) увеличивает скорость электронов поперек магнитного поля и также усиливает разделение зарядов плазмы и развитие неустойчивостей - особенно в магнитном поле с малым радиусом кривизны силовых линий (в тороидальном объеме и в зонах «магнитных пробок»).

Выводы о необходимости ограничения мощности ЭЦР нагрева в «ловушках с магнитными пробками» приводит Г.И.Димов - (2), стр.887 - 893.

Ионно-циклотронный нагрев (нагрев с частотой, резонансной ионно-циклотронной частоте) ведет к синхронизации вращения ядер в магнитном поле и к усилению колебаний плазмы. Существенная часть энергии этого вида нагрева уходит на дрейфовые колебания электронов с частотой нагревающей волны, усиливающей развитие колебаний всей плазмы, и теряется из-за разности масс исходных ядер и неоднородности магнитного поля в зонах нагрева.

Потери энергии, при таком нагреве ядерной составляющей, существенно больше, чем при ускорении ядер в мощных ускорителях.

Пучки энергичных частиц в созданных устройствах вводят в рабочий объем в малом интервале углов и взаимодействие пучков вызывает развитие неустойчивостей и уход плазмы из зон взаимодействия (как в устройстве (1)).

Если пучки не взаимодействуют, факторы, определяющие движение пучков в магнитном поле, препятствуют их расформированию, ускоряют частицы вдоль магнитного поля и усиливают развитие неустойчивостей до полного расформирования пучков - или до выхода их остатков из рабочего объема.

Мощность развития неустойчивостей определена мощностью пучков и быстро увеличивается с увеличением энергии частиц в пучках.

Заполнение рабочего объема фоновой («холодной») плазмой уменьшает развитие неустойчивостей, но - только при малом нагреве электронной составляющей фоновой плазмы - пока велики сечения реакций «перезарядки» -потеря энергии на эти реакции и снижает мощность развития неустойчивостей.

После пределов, определенных для конкретных, созданных устройств, увеличение мощности и плотности пучков, а также энергии частиц в пучках требует увеличения количества «холодной» плазмы - для подавления неустойчивостей - и не ведет к увеличению параметров удержания плазмы (Установлено в устройстве 2X11 В, в Ливерморской лаборатории, США -(Lawrence Livermore National Laboratory, USA) - в 1967 г. - при вводе пучков энергичных частиц вдоль магнитного поля, встречно - параметры удержания плазмы не увеличивались - при увеличении энергии частиц в пучках более 13 кэВ - т.к. «холодной» плазмы требовалось слишком много).

При нагреве плазмы пучками ускоренных ядер, восстановленных в нейтральные атомы, расформирование пучков идет по мере ионизации, в том числе и на входе пучков в магнитное поле рабочего объема, т.к., при малой степени ионизации пучков влияние полей поляризации слабое.

При вводе восстановленных ядер под большими углами к направлению магнитного поля ионы захватываются магнитным полем на входе в рабочий объем, выбывают из пучка, теряются и выбивают примеси из оболочки.

Положительное влияние восстановления ядер в нейтральные атомы существенно при вводе пучков малой мощности, под малыми углами к направлению магнитного поля и быстро уменьшается с увеличением плотности нагреваемой плазмы, и мощности пучков - с уменьшением пути энергичных нейтральных атомов до ионизации. После пути ионизации количество нейтральных атомов в пучках определяется скоростью реакций «перезарядки», как и в пучках с нейтрализованным зарядом.

Изменение отдельных параметров в созданных устройствах подавляет развитие отдельных неустойчивостей, но остаются и развиваются другие.

Например: - применяя обмотки типа «инь-янь», (на основе «палок Иоффе», создающие аксиально несимметричные - (мультипольные) - магнитные поля), подавляют МГД - (магнитогидродинамические) - неустойчивости плазмы. Но при этом усложняется система обмоток, ограничена напряженность поля в «магнитных пробках», увеличен дрейф частиц - (3), стр.774 - и развиваются другие неустойчивости.

При наклонной инжекции пучков подавляют дрейфово-конусную и альфвеновскую циклотронную неустойчивости - (2), стр.888.

В созданных устройствах подавление этих неустойчивостей достигнуто вводом пучков в малом интервале углов, в «концевые пробкотроны» и формированием в этих устройствах за пределами основного рабочего объема электрических полей.

Но действие электрических полей на электронную и ядерную составляющие плазмы противоположно и параметры удержания плазмы увеличивает мало.

Известны и применяются, например, для модификации поверхности деталей - ускорители типа «ионный диод с магнитной изоляцией».

При энергии ядер (150÷500)кэВ и силе тока (20÷100) кА, кпд таких ускорителей - более 60% (Патент RU 2288553 C2, H05H 15/00, (2006.01) - (4); на стр.7 описания к патенту указано, как на этом ускорителе получать ионные пучки дейтерия, так же можно получать и пучки протонов).

При большей энергии ядер в пучках - кпд таких ускорителей больше.

Энергия ядер (150÷600)кэВ оптимальна для реакций синтеза ядер с малым выходом нейтронов и без выхода нейтронов.

В Ливерморской лаборатории, в устройствах прямого преобразования энергии частиц плазмы в электрическую энергию, достигнут кпд 87%.

Пост Р.Ф. (Post R.F.) - («Открытые ловушки: путь к термояду» «Физика плазмы» Москва, 1997 г., т.23, №9, стр.816-837) - (5) - считает реальным повышение кпд ускорителей ядер и устройств прямого преобразования энергии заряженных частиц в электрическую энергию - до 90%.

При таких значениях кпд ускорителей и устройств прямого преобразования энергии заряженных частиц в электрическую энергию, в рабочий объем может быть возвращено - соответственно 52,2% и 81% энергии заряженных частиц, входящих в устройства для прямого преобразования их энергии.

Но перечисленные недостатки созданных устройств с магнитным удержанием плазмы ограничивают параметры пучков ускоренных ядер, применяемых в этих устройствах, в пределах малых значений, при каких расформирование пучков магнитным полем созданных устройств считают достаточным.

Такие пучки применяют - по традиции - одним из методов нагрева всей плазмы - «до термоядерной температуры». Суммарная энергия пучков в одном устройстве обычно существенно меньше энергии других методов нагрева плазмы.

КПД пучков малой мощности невелик, плазму такие пучки нагревают мало, и не увеличивают выход реакции существенно.

С восьмидесятых годов прошлого века изучают возможность реакций синтеза ядер в устройствах с магнитным полем типа КРП («конфигурацией реверсивного поля») - создаваемым двумя соленоидами - наружным и внутренним.

Эксперименты, подтверждающие преимущества конфигурации реверсивного магнитного поля, неизвестны.

Недостатки устройств с конфигурацией реверсивного поля: - 1) увеличенная поверхность «первой стенки» рабочего объема - наличием внутри объема плазмы внутреннего соленоида; 2) сложность вывода заряженных частиц в устройства для прямого преобразования их энергии.

При нагреве плазмы способами, применяемыми в созданных устройствах, параметры удержания плазмы увеличивают совместным увеличением мощности нагрева, размеров рабочего объема и индукции магнитного поля удержания.

Многолетние исследования не дали оснований для уверенности, что промышленный выход энергии реакции синтеза ядер будет получен в результате увеличения размеров, мощности и несущественной доработки какого-либо из устройств, дающих на современном этапе лучшие параметры удержания плазмы.

Целесообразно рассмотрение нетрадиционных подходов к решению проблемы управляемого синтеза ядер (5), стр.833.

Наиболее близко к заявляемому устройству - (прототип) - устройство для осуществления способа получения высокотемпературной плазмы по описанию к патенту RU №2067360, МПК H05H 1/00, G21B 1/00.

Описание способа опубликовано 27.09.1996 г., Бюл. №27. (6).

В описании приведена схема устройства для осуществления способа, достаточная для иллюстрации сути способа. Другие описания устройства для осуществления этого способа получения плазмы неизвестны.

На схеме устройства-прототипа ускорители пучков исходных ядер распределены по сферической оболочке рабочего объема с магнитным удержанием типа «ловушка с магнитными пробками», симметрично оси магнитного поля, и ориентированы со всех сторон на область схождения пучков с центром на оси магнитного поля удержания.

По условиям способа:

энергия ускоренных ядер выше оптимальной для реакции на величину, определяемую расходом энергии на пути до области схождения пучков;

давление пучков распределено достаточно равномерно со всех сторон этой области, и распределение ускоренных ядер по направлениям скорости относительно оси магнитного поля, в получаемой плазме, во всех интервалах углов, такое, при котором обеспечено наибольшее время удержания ускоренных ядер.

При вводе пучков ускоренных ядер, напряженность полей поляризации и рассеяние пучков действием этих полей уменьшают, увеличивая индукцию магнитного поля в зонах движения пучков с такой скоростью, при какой пучки проходят в заданном направлении при достаточно малом разделении зарядов (Э.Д.С. (электродвижущая сила) при усилении магнитного поля суммируется с поперечной составляющей полей поляризации).

При сближении пучков, поля поляризации нарушаются, ускоренные ядра, движущиеся на фронте пучков, формируют общую область с положительным потенциалом, дрейфовые токи электронов замыкаются вокруг этой области с положительным потенциалом в кольцевой ток, усиливающий магнитное поле, в слое протекания этого тока формируется отрицательный потенциал.

Ускоренные ядра, проходя через этот слой, внутри области схождения пучков поддерживают положительный потенциал. Радиальная разность потенциалов поддерживает кольцевой дрейфовый ток электронов.

Изменение электрических полей, положительный потенциал, и усиление магнитного поля во внутренней части области схождения пучков обеспечивают расформирование пучков в этой области - далеко от оболочки рабочего объема.

Мощность факторов, обеспечивающих расформирование пучков, определена мощностью пучков. Этим обеспечено надежное расформирование пучков существенно большей мощности и плотности, чем в других известных устройствах с магнитным удержанием плазмы.

Формирование направленных потоков плазмы, из области схождения пучков, уменьшают, в основном, действием коллективных полей пучков ускоренных ядер, распределенных достаточно равномерно со всех сторон (Действие потоков плазмы в магнитном поле коллективными полями подтверждено в ранних экспериментах - в устройстве (1)).

В начальный период расформирования пучков и формирования области, занимаемой плазмой с ускоренными ядрами, в области схождения пучков велики значения: плотности дрейфового кольцевого тока, разности потенциалов и напряженности радиального электрического поля.

Но значения этих факторов и эффективность развития под их действием неустойчивостей плазмы быстро уменьшаются:

1) тем, что, проходя через слой дрейфового тока электронов, пучки ускоренных ядер существенно нейтрализуются, захватывая часть электронов;

2) «натеканием» электронов вдоль магнитного поля за счет диффузии;

3) увеличением размеров слоя дрейфового кольцевого тока электронов.

Распределение энергичных ядер по направлениям скоростей, требуемое для наибольшего времени удержания плазмы, обеспечивают распределением и ориентировкой пучков.

Преимущества прототипа (и способа по патенту №2067360) по сравнению с другими созданными устройствами:

1) Расформирование пучков ускоренных ядер в области их схождения -далеко от оболочки рабочего объема - в результате взаимодействий и изменений полей, определяющих движение пучков в магнитном поле.

2) Лучшее распределение энергичных ядер по направлениям скоростей и меньшая мощность развития неустойчивостей плазмы.

Эти преимущества позволяют применять пучки существенно большей мощности, плотности и энергии и быстро вводить в рабочий объем существенно большее количество исходных ядер, ускоренных до энергии, нужной для принятой реакции, возможно и для реакций без выхода нейтронов.

3) В начале рабочего цикла, фоновая плазма в области схождения пучков уплотняется и нагревается суммарным действием пучков ускоренных ядер и усилением магнитного поля. Большее количество энергичных исходных ядер обеспечивает достаточную температуру электронной составляющей при малом расходе энергии на дополнительный ее нагрев, при плотности фоновой плазмы существенно большей, чем в созданных устройствах.

Магнитное поле больше вытесняется плазмой, увеличивается величина отношения В, что снижает потери энергии электронов (2), стр.883 и позволяет дополнительно увеличивать плотность фоновой плазмы и выход реакции.

Увеличение плотности фоновой плазмы соответственно уменьшает время удержания ускоренных ядер, нужное для получения заданного выхода реакции.

4) Величина отношения β в прототипе достигает больших значений, и становится больше критической, существенно быстрее, чем в устройствах с магнитным удержанием плазмы без применения способа по патенту №2067360.

Проблема накопления плазмы до значений В больше критического решается практически. Большая величина отношения В уменьшает мощность развития основных неустойчивостей (Г.И.Димов считает (2), стр.902, п.3.6, что «полная стабилизация плазмы имеет место только при В больше критического»).

Недостатки устройства-прототипа:

1) При сферической форме, длина рабочего объема мала, в нем нет соленоида (участка достаточной длины, с магнитным полем, изменяющимся только так, как надо для улучшения удержания плазмы).

2) Частицы большую часть времени находятся вблизи «магнитных пробок», где велики: разделение зарядов плазмы, диффузия частиц поперек магнитного поля и ускорение частиц вдоль магнитного поля.

Это ускоряет уход энергичных частиц из рабочего объема.

В результате, время удержания энергичных ядер в прототипе оказывается малым, повышение плотности энергичных частиц, и лучшее их распределение по направлениям скоростей, достигаемые в прототипе, не увеличивают параметры удержания плазмы существенно.

Цель изобретения - увеличение параметров удержания плазмы в устройстве с магнитным удержанием типа «ловушка с магнитными пробками».

Основной технический результат изобретения - увеличение времени удержания ускоренных ядер в устройстве типа «ловушка с магнитными пробками», с применением способа по описанию к патенту №2067360.

Технический результат достигается тем, что в устройстве с магнитным удержанием типа «ловушка с магнитными пробками», содержащем:

рабочий объем достаточно большой длины вдоль оси магнитного поля;

оборудование для создания - в заданных областях рабочего объема, в заданное время - требуемых значений величины и скорости возрастания индукции магнитного поля, и фоновой плазмы из одного исходного изотопа с плотностью (1020÷1023-3, и с достаточной энергией электронов;

ускорители - для ускорения, до энергий (110÷700)кэВ, и ввода в рабочий объем плотными пучками, ядер второго исходного изотопа - распределенные и ориентированные так, что: давление пучков достаточно уравновешивает давление получаемой плазмы со всех сторон, и распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей оптимально для удержания их в рабочем объеме -

ускорители распределены вдоль рабочего объема группами, ориентированы на области схождения пучков - свои для каждой группы и присоединены к источникам питания через устройства, включающие каждую группу ускорителей в заданные для этой группы моменты рабочего цикла.

Минимальное количество групп ускорителей - три группы - одна в средней части рабочего объема, и по одной - вблизи «магнитных пробок».

Первые группы ускорителей включают, когда в зонах движения их пучков, при заданных значениях величины и скорости возрастания индукции магнитного поля, создана фоновая плазма с заданными параметрами.

Последующие группы ускорителей включают при подходе к зонам их размещения потоков плазмы с ускоренными ядрами, движущимися вдоль магнитного поля - от групп ускорителей, включаемых ранее.

Очередность включения определяют для конкретных устройств.

Размещение, ориентировка и включение групп ускорителей согласованы так, что: потоки плазмы с ускоренными ядрами, движущиеся вдоль магнитного поля, взаимодействуют с пучками ускоренных ядер, друг с другом или с усилением магнитного поля вблизи «магнитных пробок» - в областях схождения пучков ускоренных ядер.

При этом пучки ускоренных ядер обеспечивают распределение по направлениям скоростей всей совокупности ускоренных ядер - такое, при каком время удержания ускоренных ядер наибольшее, и уменьшают мощность полей, формирующихся при взаимодействиях потоков плазмы.

Удовлетворение условий, приведенных выше (и в описании к патенту №2067360), обеспечивает распределение и ориентировку всех ускорителей в совокупности с учетом ускорения энергичных ядер вдоль магнитного поля, т.е. распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей, на выходе из областей схождения пучков отдельных групп, не равновесное - величина поперечной составляющей скорости достаточно велика. Распределение по направлениям скоростей, нужное для наилучшего удержания ускоренных ядер, устанавливается после ускорения существенной части энергичных ядер вдоль магнитного поля - за время их движения между зонами групп ускорителей.

Количество и мощность ускорителей в группах, количество групп и моменты их включения, конфигурацию магнитного поля и скорость его изменений в течение рабочего цикла определяют для конкретного устройства.

Необходимость применения устройств для прямого преобразования энергии заряженных частиц в электрическую энергию, известных устройств и методов для улучшения удержания плазмы, накопители энергии и другое оборудование, определяют по известным нормам, также для конкретного устройства.

Работа устройства

К началу работы обеспечивают очистку всего рабочего объема и заданных значений индукции магнитного поля в соответствующих областях.

К моментам включения групп ускорителей в зонах движения их пучков обеспечивают скорость увеличения индукции магнитного поля, а также плотность и температуру электронной составляющей фоновой плазмы из одного исходного изотопа, требуемые для достаточной скорости дрейфа электронов, нейтрализующих заряд пучков, при достаточно малом разделении зарядов, как в прототипе (и в устройстве - (1)). При необходимости электронную составляющую фоновой плазмы в зонах движения пучков дополнительно нагревают (например, ЭЦР нагревом).

Плотность фоновой плазмы определяют исходя из допустимых величин - расхода энергии на нагрев ее электронной составляющей и потерь энергии ускоренных ядер на взаимодействия с электронами.

Когда в зонах групп ускорителей индукция магнитного поля достигает заданной величины при заданной скорости возрастания и создана фоновая плазма с заданными параметрами, включают ускорители средней группы или двух групп, расположенных вблизи «магнитных пробок» (Очередность включения групп ускорителей определяют для конкретного устройства).

Последующие группы ускорителей включают, когда к зонам размещения этих групп ускорителей подходят движущиеся вдоль магнитного поля потоки плазмы от групп ускорителей, включенных ранее.

Действием коллективных полей пучков ускоренных ядер из ускорителей групп, в зонах которых взаимодействуют потоки плазмы с ускоренными ядрами, уменьшают мощность развития неустойчивостей плазмы, определяемых взаимодействиями потоков, движущихся вдоль магнитного поля и, вблизи «магнитных пробок», компенсируют давление потоков вдоль магнитного поля.

Распределение энергичных ядер по направлениям скоростей, требуемое для максимального времени удержания ускоренных ядер, устанавливается после ввода пучков последних групп ускорителей - уже после определенного времени удержания существенной части ускоренных ядер (Это предварительное время удержания ускоренных ядер от групп ускорителей, включенных первыми - не меньше времени продвижения потоков плазмы на половину длины рабочего объема).

После окончания ввода ускоренных ядер индукцию магнитного поля в рабочем объеме изменяют так, как надо для удержания плазмы. Вероятно, увеличивая индукцию со скоростью, нужной для поддержания поперечной составляющей скоростей электронов - для удержания их в рабочем объеме.

Во время рабочего цикла продукты реакции и другие энергичные заряженные частицы уходят через «магнитные пробки» в устройства для прямого преобразования их энергии в электрическую энергию. Часть полученной энергии используют для ускорения исходных ядер в следующем рабочем цикле, а при достаточной длине рабочего объема и в одном рабочем цикле это существенно уменьшает энергоемкость накопителей энергии, нужную для работы устройства.

Заканчивая рабочий цикл, магнитное поле изменяют, направляя все заряженные частицы из рабочего объема в устройства для прямого преобразования их энергии в электрическую энергию.

Начинают следующий рабочий цикл.

Избыток энергии (в будущем) направляют потребителям.

Применение способа по описанию к патенту №2067360 в рабочем объеме достаточной длины и приведенные особенности изобретения существенно уменьшают относительную мощность развития неустойчивостей плазмы и увеличивают параметры удержания плазмы.

Раздельное включение групп ускорителей уменьшает мгновенную мощность устройства и облегчает защиту от наведенных напряжений.

Расход энергии на рост магнитной индукции в сумме с ЭЦР нагревом для обеспечения нужной скорости дрейфа электронов в зонах движения пучков, и нужной величины поперечной скорости электронов существенно меньше, чем для нагрева всей плазмы до «термоядерной температуры».

В устройстве предлагаемого типа реально получение промышленного выхода реакций синтеза ядер с малым выходом нейтронов, и без выхода нейтронов.

При безнейтронных реакциях реально применение сверхпроводников в промышленных реакторах.

Устройство с магнитным удержанием плазмы типа «ловушка с магнитными пробками», содержащее:
рабочий объем длиной более трех метров вдоль оси магнитного поля;
оборудование для создания - в заданных областях рабочего объема, в заданное время - заданных значений: величины и скорости возрастания индукции магнитного поля, а также плотности и температуры электронной составляющей фоновой плазмы, из одного, исходного для реакции изотопа;
ускорители - для ускорения, до энергии (30÷700)кэВ, и ввода в рабочий объем пучками с плотностью тока ускоренных ядер (1÷1000)А/см2 - ядер второго исходного изотопа - распределенные и ориентированные так, что давление пучков уравновешивает давление получаемой плазмы со всех сторон, и распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей относительно оси магнитного поля, в получаемой плазме, такое, при котором достигается наибольшее время удержания ускоренных ядер в рабочем объеме;
отличающееся тем, что:
1). ускорители распределены вдоль рабочего объема группами, в каждой группе ориентированы на область схождения пучков этой группы, и подсоединены к источникам питания через элементы системы коммутации, включающие группы ускорителей последовательно - в моменты рабочего цикла, определенные так, что потоки плазмы, полученные после взаимодействий пучков ускоренных ядер из групп ускорителей, включенных ранее, взаимодействуют друг с другом или с усилением магнитного поля вблизи магнитных пробок и одновременно взаимодействуют с пучками ускоренных ядер в области схождения пучков ускоренных ядер из ускорителей, включаемых к началу этих взаимодействий;
2) при этом совмещенном взаимодействии пучки ускоренных ядер обеспечивают распределение по направлениям скоростей всей совокупности ускоренных ядер - такое, при котором время удержания ускоренных ядер в рабочем объеме наибольшее.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к конструкции магнитного блока распылительной системы, и может быть использовано в планарных магнетронах для вакуумного ионно-плазменного нанесения тонких пленок металлов и их соединений на поверхность твердых тел.

Изобретение относится к плазменной технике. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце.

Заявленное изобретение относится к электроду плазменной горелки. Заявленное устройство содержит продолговатый электрододержатель с передней поверхностью на острие электрода и сверлением, выполненным на острие электрода по средней оси через электрододержатель, и эмиссионную вставку, установленную в сверлении таким образом, что излучающая поверхность эмиссионной вставки остается свободной.

Группа изобретений относится к плазменной технике. Охлаждающая труба для плазменно-дуговой горелки включает в себя продолговатое тело с располагаемым в открытом конце электрода концом и проходящим через это тело каналом для охлаждающей среды, при этом на упомянутом конце стенка охлаждающей трубы имеет валикообразное, направленное внутрь и/или наружу утолщение.

Изобретение относится к области электротермической техники, а именно к устройствам плазменно-дуговых сталеплавильных печей. Плавильный плазмотрон включает водоохлаждаемый корпус, каналы для подачи плазмообразующего газа, расположенные параллельно оси плазмотрона и соединенные с вертикально расположенным водоохлаждаемым соплом, электрическую изоляцию, электрическую сеть, вольфрамовый электрод-катод, электрододержатель.

Система электростатического ионного ускорителя, содержащая ионизационную камеру (IK), которая имеет на одной стороне в продольном направлении отверстие для выхода струи, электродную систему, содержащую анодную систему (AN) и катодную систему (KA), которая создает в ионизационной камере электростатическое поле, ориентированное в продольном направлении, при этом анодная система расположена противоположно выходному отверстию у основания камеры.

Изобретение относится к области физики плазмы и систем ядерного синтеза, в частности к альтернативным способам удержания горячей плотной плазмы. В заявленном способе формирования компактного плазмоида возбуждение тороидального тока производят индуктивным аккумулятором (основной соленоид с подключенной конденсаторной батареей), затем этот ток прерывают, затем пропускают импульс тока через рабочее вещество в продольном направлении, по крайней мере, через один вспомогательный виток, проходящий в рабочем объеме в продольном направлении.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразованию электрической энергии в тепловую с помощью плазмотрона, и может быть использовано, в частности, в установках газификации отходов.

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды.

Изобретение относится к технике переработки углеводородного сырья, в частности природного газа, и может быть использовано при получении углеродных нанотрубок и водорода.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для нагрева различных газов и в качестве поджигающего устройства пылеугольной горелки. Технический результат - повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов. Высоковольтный источник питания, формирующий в непрерывном режиме переменное напряжение высокой частоты, подключен к коническому первому электроду и второму цилиндрическому электроду, который разделен на два - поджигающий и выходной цилиндра. Вторые электроды крепятся соосно в диэлектрическом цилиндре - корпусе устройства - с помощью двух центрирующих диэлектрических шайб с отверстиями, параллельными главной оси устройства, для прохождения воздуха. Внутри поджигающего цилиндра второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу закреплен первый конический электрод. Потокоформирующая шайба имеет отверстия под углом к главной оси устройства для закручивания воздушного потока, проходящего через шайбу. 3 ил.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области атомно-эмиссионного спектрального анализа, при термической обработке порошковых материалов, а также в качестве их атомизатора для корректировки траектории космических аппаратов. В устройстве заявленного шестиструйного плазматрона плазмообразующие медные головки, смонтированные на диэлектрических плато, жестко присоединены к кронштейнам с возможностью перемещения вдоль осей головок в направлении, перпендикулярном относительно трубчатых стоек. Над ними кольцеобразно размещены трубчатая камера подачи в головки аргона, защищающего электроды от окисления, и камера распределения рабочего газа. Над стойками аксиально вышеупомянутым камерам размещены камера ввода охлаждающей воды в секции головок из вертикального канала ввода воды и камера сброса воды в канал, связь которых с секциями головок осуществлена посредством гибких шлангов. Для охлаждения водяного потока предусмотрен радиатор. Стойки расположены на монтажном столе, между стойками жестко смонтирован патрубок, формирующий анализируемый газовый поток или обрабатываемый порошковый материал, и цилиндр, обеспечивающий синхронность изменения угла схождения шести головок посредством системы, в составе которой содержится плато с монтируемыми подвижно кронштейнами, обеспечивая изменение величины межэлектродного промежутка плазмообразующих головок. Техническим результатом является обеспечение возможности полного контроля любых газовых потоков при термической обработке любых порошковых материалов заданного фракционного состава с помощью плазменного потока с температурой выше 6000°С. 2 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, содержит сверление сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла конически, причем предусмотрена/предусмотрены, по меньшей мере, одна канавка подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна канавка отвода жидкости и продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла (4) по направлению к концу сопла и причем канавка подвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или канавка отвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна канавка, сообщающаяся с канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок подвода жидкости или с канавкой отвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок отвода жидкости. Технический результат - снижение перегрева сопла. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов. Способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в низкотемпературной плазме высокочастотного разряда при пониженных давлениях среды осуществляют путем изменения мощности разряда. В ходе процесса производят непрерывное измерение мощности разряда, текущее значение которой используют для расчета в режиме реального времени температурного поля в зоне разряда, а момент окончания процесса определяют автоматически - по достижении поверхностью полимерного материала заданной температуры (для полиэтилена 70°C). Способ по изобретению обеспечивает воспроизводимость приобретаемых адгезионных свойств поверхности - краевого угла смачивания и работы адгезии, а также обеспечивается устойчивость гидрофилизации поверхности. 1 ил., 3 табл.

Группа изобретений относится к области физической электроники и может использоваться как источник непрерывных или импульсных пучков электронов с энергией до 10-20 кэВ в газах среднего давления (0,1-10 кПа). В первом варианте изобретения катод (1) генератора выполнен в виде неохлаждаемого цилиндра, плотно вставленного в изолятор (2). Изолятор имеет в торцевой части соосное катоду отверстие, а вплотную к торцу изолятора установлен плоский металлический анод (3) с отверстием, соосным отверстию в изоляторе и образующим канал для электронного пучка от торца катода до выхода из генератора. Во втором варианте изобретения генератор электронного пучка содержит разрядную структуру, расположенную непосредственно в рабочем газе и состоящую из катода, изолятора и анода, катод генератора выполнен в виде неохлаждаемого цилиндра, торец изолятора расположен в одной плоскости с торцем катода, вплотную к торцу изолятора соосно с катодом установлена шайба, внутренний диаметр которой больше диаметра катода, а вплотную к шайбе установлен плоский металлический анод с отверстием, соосным шайбе и образующим канал для электронного пучка от торца катода до выхода из генератора. Катод как в первом, так и во втором варианте может быть закреплен в изоляторе клеевым соединением вдали от рабочей поверхности катода. Техническим результатом является обеспечение охлаждения катода и изолятора вблизи вывода пучка и достижение более высоких рабочих параметров - давления газа, напряжения и мощности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области плазменного нанесения покрытий. Установка плазменного нанесения покрытий или обработки поверхности подложки (3) содержит рабочую камеру (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) и плазменная горелка (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (А) в рабочей камере (2). Ниже по течению от сопла (41) в рабочей камере (2) предусмотрено механическое ограничивающее приспособление (12), которое простирается вдоль продольной оси (А) и защищает плазменную струю (5) от бокового нежелательного проникновения частиц. Технический результат - повышение качества покрытия. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.), и может быть использовано в горном деле и строительстве. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К. В результате достигается повышение производительности разрушения твердых диэлектрических тел и расширение области применении. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами. Расстояние от катода до анода выбирается таким, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом один конец проволочки помещается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения. Технический результат - обеспечивается создание каналов на катоде в несамостоятельном дуговом разряде, что повышает эффективность проведения научных исследований в технологиях микроэлектроники. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области электрического нагрева газов дуговым разрядом, и может быть использовано в плазмотронах при проведении различных технологических процессов, в частности для подогрева расплава металла в промежуточном ковше МНЛЗ в металлургической промышленности, а также научных исследований высокотемпературных процессов. Технический результат - повышение ресурса работы плазмотрона и увеличение силы тока, проходящего через плазмотрон. В электродуговом плазмотроне, содержащем водоохлаждаемые цилиндрические внутренний и соосный ему наружный электроды, а также расположенный в кольцевом канале между ними завихритель, в торце внутреннего электрода расположена вогнутая цилиндрическая камера. Наружный электрод выполнен в виде стакана с расширяющимся выходным каналом на его дне, который соединен с полостью цилиндрической камеры внутреннего электрода через радиальный зазор между торцевыми поверхностями электродов. Диаметр входного сечения расширяющегося выходного канала наружного электрода меньше диаметра цилиндрической камеры внутреннего электрода. 1 ил.

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений. Способ получения высокоэнергетических потоков частиц в газах состоит в ускорении гетерогенного потока в сопле Лаваля. В дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и полную рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла, а после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля. Устройство для получения высокоэнергетических потоков частиц содержит непрерывный источник плазмы, сопло Лаваля и систему ввода частиц. Устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления. Длина дозвуковой части сопла Лаваля определяется из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх