Способ доставки криогенных топливных мишеней для лазерного термоядерного синтеза
Владельцы патента RU 2635660:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) (RU)
Изобретение относится к способу доставки криогенных топливных мишеней (КТМ) для энергетических систем, работающих по схеме управляемого инерциального термоядерного синтеза (ИТС). В заявленном способе размещают каждую из криогенных топливных мишеней в носитель и продвигают носитель вдоль транспортного канала в зону управляемого инерциального термоядерного синтез. Носитель выполняют с использованием сверхпроводящего материала, а в транспортном канале формируют магнитное поле, обеспечивающее левитацию носителя над поверхностью транспортного канала. Техническим результатом является бесконтактная доставка криогенных топливных мишеней в камеру без риска останова носителя, порчи КТМ от нагрева, а также риска загрязнения атмосферы самой реакторной камеры движущим газом. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу доставки криогенных топливных мишеней (КТМ) для энергетических систем, работающих по схеме управляемого инерциального термоядерного синтеза (ИТС).
Уровень техники
В настоящее время известны различные способы доставки КТМ в камеру взаимодействия реактора ИТС.
Так, в патенте РФ № 2484545 (опубл. 10.06.2013) описан способ пневматической транспортировки тритийвоспроизводящих детекторов в канале наработки трития бланкета термоядерного реактора. Этот способ гарантирует отсутствие выбросов в атмосферу тритийсодержащего газа при одновременном сокращении расхода газового рабочего тела. Однако при использовании данного пневматического способа доставки КТМ остается риск загрязнения атмосферы самой реакторной камеры движущим газом.
Аналогичный способ раскрыт в публикации международной заявки WO 88/02175 (опубл. 24.03.1988).
В патенте Великобритании № 1386988 (опубл. 12.03.1975) описан способ установки топливной таблетки в возбуждаемом лазером термоядерном реакторе. В этом способе топливные мишени свободно падают в камеру, однако отсутствуют сведения о способе их доставке к области, откуда происходит их падение. Такую доставку можно было бы осуществить, перемещая носители с топливными мишенями в ускоряющей трубке под действием электромагнитов. Однако данный способ ускорения носителя с мишенью имеет следующие недостатки: если зазор между стенкой носителя и ускоряющей трубкой достаточно мал (меньше 10 мкм), то трение стенки носителя о стенку трубки вызывает нежелательный нагрев носителя и криогенной мишени, что приводит к порче мишени; если зазор между стенкой носителя и ускоряющей трубкой сделать больше, то появляется угроза расклинивания носителя внутри трубки и остановки движения.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в разработке такого способа доставки КТМ в камеру реактора термоядерного синтеза, который преодолевал бы недостатки аналогов и гарантировал бы бесконтактную доставку криогенных топливных мишеней в камеру без риска останова носителя, порчи КТМ от нагрева, а также риска загрязнения атмосферы самой реакторной камеры движущим газом.
Для решения указанной задачи и достижения упомянутого технического результата в настоящем изобретении предложен способ доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором: размещают каждую из криогенных топливных мишеней в носитель; продвигают носитель вдоль транспортного канала в зону управляемого инерциального термоядерного синтеза; при этом носитель выполняют из сверхпроводящего материала, а в транспортном канале формируют магнитное поле, обеспечивающее левитацию носителя над поверхностью транспортного канала.
Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что в качестве сверхпроводящего материала могут использовать высокотемпературный сверхпроводник.
Другая особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что носитель могут либо выполнять из высокотемпературного сверхпроводника, либо использовать высокотемпературный сверхпроводник для выполнения слоя на поверхности носителя, либо в материал носителя могут включать частицы высокотемпературного сверхпроводника.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что магнитное поле могут формировать так, что его напряженность на краях транспортного канала в поперечном сечении выше, чем в середине.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что в носителе могут размещать несколько криогенных топливных мишеней.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показано сечение криогенной топливной мишени.
На Фиг. 2 продемонстрирован вид криогенной топливной мишени, размещенной в носителе.
На Фиг. 3 представлено возможное выполнение линейного транспортного канала.
На Фиг. 4 проиллюстрировано распределение индукции магнитного поля в поперечном сечении линейного транспортного канала по Фиг. 3.
На Фиг. 5 представлено возможное выполнение кольцевого транспортного канала.
На Фиг. 6 проиллюстрировано распределение индукции магнитного поля в поперечном сечении кольцевого транспортного канала по Фиг. 5.
Подробное описание вариантов осуществления
В энергетических системах, работающих по схеме управляемого инерциального термоядерного синтеза (ИТС), в качестве источника энергии для нагрева и сжатия криогенных топливных мишеней (КТМ) используется специальный драйвер: мощный лазер, источник ионных пучков или Z-пинч.
Непременным условием построения фабрики мишеней для обеспечения работы реактора ИТС является формирование и доставка КТМ с высокой частотой (I.V. Aleksandrova, et al. Pilot Target Supply System Based on the FST Technologies: Main Building blocks, Layout Algorithms and Results of the Testing Experiments. Plasma & Fusion Research 8 (2), 3404052 (2013)).
На Фиг. 1 показано сечение КТМ по настоящему изобретению. КТМ представляет собой полую сферу из криогенного слоя водородного топлива 2, покрытого полимерной оболочкой 3 (ссылочной позицией 1 обозначена полость внутри КТМ).
Процесс доставки КТМ имеет особенности, которые заключаются в требованиях на частотность доставки (1-10 Гц), точность доставки (±20 мкм) и температурный режим доставки, согласно которому КТМ в момент облучения лазером должна иметь температуру не выше 18,5°K. При этом температура стенки самой реакторной камеры может быть очень высокой. К примеру, для камеры реактора SOMBRERO эта величина равна 1758°K (D.T. Goodin, et al. Developing target injection and tracking for inertial fusion energy power plants. Nuclear Fusion 44, S254 (2004)). Кроме того, на стадии ускорения в инжекторе КТМ может испытывать перегрузки порядка 500-1000 g. Именно поэтому перемещение КТМ осуществляется в специальном цилиндрическом носителе 4 (Фиг. 2) - саботе. Носитель 4 (сабот) передает импульс движения на КТМ при ее ускорении до требуемых скоростей инжекции (~400 м/с).
Чтобы исключить выделение тепла из-за трения носителя 4 (сабота) о стенки направляющей трубки инжектора, в настоящем изобретении предложено выполнять носитель 4 из сверхпроводящего материала, а в транспортном канале формировать магнитное поле, обеспечивающее левитацию носителя 4 над транспортным каналом.
В качестве сверхпроводящего материала для изготовления носителя 4 использован так называемый Y123-слой, представляющий собой композит из вязкого полимера со встроенными микрочастицами сверхпроводящей керамики размером от 10 до 50 мкм (I.V. Aleksandrova, et al. HTSC maglev systems for IFE target transport applications. J. Russian Laser Research 35 (2), 15 (2014)). Сверхпроводящая керамика состава YВа2Сu3O7-X, приготовленная методом твердофазных реакций, имеет температуру сверхпроводящего перехода ТC=91°K. Поскольку эта температура выше температуры кипения жидкого азота (77°K), данный сверхпроводящий материал является высокотемпературным сверхпроводником.
Носитель 4 может быть изготовлен полностью из такого материала, либо на поверхности носителя 4 может быть выполнен слой из такого материала, либо частицы такого материала могут быть включены в материал самого носителя 4. Специалистам понятно, что в носителе 4 по Фиг. 2 могут быть размещены несколько (две или более) КТМ.
Возможные варианты осуществления транспортного канала показаны на Фиг. 3 и 5, а распределение магнитного поля в этих транспортных каналах приведено на Фиг. 4 и 6, соответственно.
Линейный транспортный канал (Фиг. 3) выполнен из постоянных магнитов 11-13 и ферромагнетиков 14-16 (на Фиг. 3 ось X соответствует направлению перемещения носителя 4). При таком выполнении транспортного канала распределение магнитного поля (магнитной индукции В) в поперечном направлении (по оси Y) представляет собой магнитную ловушку - потенциальную яму с плоским дном (Фиг. 4), что позволяет, во-первых, поддерживать носитель 4 над транспортным каналом, а во-вторых, удерживать его от соскальзывания вбок с транспортного канала в процессе перемещения.
Кольцевой транспортный канал 20 (Фиг. 5) выполнен из постоянных магнитов 21 (стрелками с буквами S и N показаны его полюса) и ферромагнетиков 22-25. Распределение магнитного поля в поперечном сечении кольцевого транспортного канала с таким выполнением показано на Фиг. 6. Характерные впадины на краях этого распределения соответствуют местоположению постоянных магнитов 21, благодаря чему носитель 4 при перемещении по кольцу удерживается от скатывания с него в боковом направлении.
Таким образом, настоящее изобретение гарантирует бесконтактную доставку криогенных топливных мишеней в камеру инерциального термоядерного синтеза вдоль заданной траектории без нежелательного нагрева криогенных топливных мишеней и без риска загрязнения атмосферы самой реакторной камеры движущим газом ввиду его отсутствия.
1. Способ доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором:
- размещают каждую из упомянутых криогенных топливных мишеней в носитель;
- продвигают упомянутый носитель вдоль транспортного канала в зону упомянутого управляемого инерциального термоядерного синтеза;
- при этом упомянутый носитель выполняют с использованием сверхпроводящего материала, а в упомянутом транспортном канале формируют магнитное поле, обеспечивающее левитацию упомянутого носителя над поверхностью упомянутого транспортного канала.
2. Способ по п. 1, в котором в качестве упомянутого сверхпроводящего материала используют высокотемпературный сверхпроводник.
3. Способ по п. 2, в котором упомянутый носитель выполняют из упомянутого высокотемпературного сверхпроводника.
4. Способ по п. 2, в котором на поверхности упомянутого носителя выполняют слой из упомянутого высокотемпературного сверхпроводника.
5. Способ по п. 2, в котором в материал упомянутого носителя включают частицы упомянутого высокотемпературного сверхпроводника.
6. Способ по п. 1, в котором упомянутое магнитное поле формируют так, что его напряженность на краях упомянутого транспортного канала в его поперечном сечении выше, чем в середине.
7. Способ по п. 1, в котором в упомянутом носителе размещают не менее двух упомянутых криогенных топливных мишеней.
