Импульсный генератор термоядерных нейтронов

Изобретение относится к устройству для генерации импульсных нейтронных потоков. В устройстве предусмотрен импульсный источник напряжения, подключенный к двум идентичным диодам для ускорения протонов, размещенным внутри рабочего вакуумного объема напротив друг друга, электроды которых представляют собой сектора частично прозрачной сферы, связанные определенными соотношениями. Оба диода имеют общую ось симметрии с магнитной ловушкой, охватывая ее, а между каждым анодом и магнитной ловушкой симметрично ее центру размещены две идентичные фокусирующие катушки с заданными индуктивностью и геометрией, подключенные к генератору импульса тока. При этом блок запуска устройства и синхронизации соединен с генераторами импульсов высокого напряжения и импульсов тока. Обе фокусирующие катушки могут быть размещены в оболочках из изоляционного материала, на поверхности которых расположены изолированные друг от друга вставки из металла с большим коэффициентом электронной эмиссии. Прозрачные аноды могут насыщаться водородом со стороны их внутренних поверхностей. Техническим результатом является увеличение коэффициента полезного действия импульсного генератора термоядерных нейтронов и расхода нуклидов тяжелого водорода и улучшение условий компенсации объемного заряда ускоренных протонов. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области нейтронной техники, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов при взаимодействии нуклидов тяжелого водорода и может быть использовано, как элемент систем дистанционного радиационного контроля, имитатор нейтронных полей термоядерного реактора и других ядерных устройств, работающих в импульсно- периодическом режиме.

В работе [1], описан общий принцип генерации термоядерных нейтронов в плазменных системах, при реализации которого накачка энергии в плазму, содержащую нуклиды тяжелого водорода, осуществляется в импульсно- периодическом режиме с помощью мощного лазерного излучения или потоков ускоренных ионов или электронов.

Для повышения эффективности генерации нейтронов в подобных импульсных плазменных системах можно использовать идею магнито-инерционного удержания плазмы. Для этого наиболее перспективным средством формирования магнитного поля представляется пробочная ловушка Будкера - Поста с двумя симметрично расположенными идентичными катушками с токами одинаковой направленности в которой могут осуществляться термоядерные реакции с генерацией нейтронов, описанная в работах [2-3].

Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому является импульсная плазменная система, способная реализовать, по мнению ее авторов, магнито- инерциальный термоядерный синтез в плазме, образуемой при фокусировке мощного лазерного излучения на твердотельную мишень, содержащую изотопы тяжелого водорода [4].

Магнитное поле в области нагреваемой плазмы также формируется с помощью ловушки Будкера - Поста. Это техническое решение может быть выбрано в качестве прототипа.

Основным его недостатком является использование твердотельной плазмообразующей мишени. Это приводит к затруднениям осуществления термоядерной реакции в импульсно- периодическом режиме, а также к высокому расходу трития и дейтерия.

Техническим результатом предлагаемого устройства является создание условий для эффективной генерации нейтронов в импульсно-периодическом режиме и уменьшении расхода нуклидов тяжелого водорода.

Этот результат достигается тем, что в прототип, содержащий магнитную ловушку в виде системы из двух, соосно расположенных на расстоянии d друг от друга, одинаковых катушек с индуктивностью L₁ и с радиусом а, подключенных к генератору импульсов тока, введены инжектор изотопов тяжелого водорода с поперечной апертурой h, направленный в сторону центра магнитной ловушки перпендикулярно ее оси симметрии, с подключенным к нему блоком запуска и синхронизации, а также импульсный источник напряжения, подключенный к двум идентичным диодам для ускорения протонов, размещенным напротив друг друга и состоящих из анода в виде сектора сферы радиуса R_A с коэффициентом прозрачности 0,85≤κ≤0,95 и заземленного катода в виде сектора сферы радиуса R_K, симметрично охватывающего анод, при этом радиусы R_A и R_K удовлетворяют условию:

таким образом, что каждый из них находится внутри телесного угла

где параметр p=d/2а- выбирается в пределах

между каждым анодом и магнитной ловушкой симметрично ее центру размещены две идентичные фокусирующие катушки с индуктивностью L₂ и радиусом R_ф≈R_к(1+p²)^-1/2 на расстоянии Н≈2R_кp(1+p²)^-1/2 от друг от друга, также подключенные к генератору импульса тока, а блок запуска устройства и синхронизации соединен с генераторами импульсов высокого напряжения и импульсов тока, снабженного накопительной емкостью С, при этом на значение С и на индуктивности L₁ и L₂ накладываются условия:

где М - масса протона, е - элементарный электрический заряд, μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, U₀ - максимально допустимое значение амплитуды импульса ускоряющего напряжения на диодных зазорах при заданных значениях R_A и R_K, U - напряжение зарядки емкости С, w₁ и w₂ - числа витков соответственно каждой из катушек магнитной ловушки и каждой из фокусирующих катушек.

Фокусирующие катушки могут быть размещены в оболочках из изоляционного материала, на поверхности которых расположены изолированные друг от друга вставки из металла с большим коэффициентом электронной эмиссии для улучшения условий компенсации объемного заряда протонов.

Аноды насыщены изотопами тяжелого водорода со стороны их внутренних поверхностей.

На фиг. 1 представлена схема расположения элементов импульсного генератора термоядерных нейтронов с инжектором изотопов тяжелого водорода. Она содержит следующие позиции: 1 - герметичный корпус рабочего объема генератора нейтронов, 2 - изоляционные электрические вводы, 3 - фокусирующие катушки, 4 - инжектор, 5 - катушки магнитной ловушки, 6 - катод, 7 - анод, 8 - вакуумный насос, 9 - блоком запуска и синхронизации, 10 - генератор импульса тока, 11 - генератор импульсов высокого напряжения.

Один из вариантов реализации импульсного инжектора изотопов тяжелого водорода может представлять собой лазерный источник ионов с плазмообразующей мишенью, насыщенной тяжелым водородом с конической полостью, ось которой направлена к центру магнитной ловушки. Для обеспечения подвода к пушке лазерного излучения в корпусе устройства предусмотрено герметичное оптическое окно.

На фиг. 2 представлена схема расположения элементов импульсного генератора термоядерных нейтронов с лазерным источником ионов с плазмообразующей мишенью. Она содержит следующие позиции: 1 - герметичный корпус рабочего объема генератора нейтронов, 2 - изоляционные электрические вводы, 3 - фокусирующие катушки, 4 - мишень, 5 - катушки магнитной ловушки, 6 - катод, 7 - анод, 8 - вакуумный насос, 9 - блоком запуска и синхронизации, 10 - генератор импульса тока, 11 - генератор импульсов высокого напряжения, 12 - лазер, 13 - линза, 14 - окно.

Другой вариант реализации импульсного инжектора изотопов тяжелого водорода может представлять собой импульсный плазменный ускоритель, например «рельсотрон».

На фиг. 3 представлена схема расположения элементов импульсного генератора термоядерных нейтронов с плазменным ускорителем. Она содержит следующие позиции: 1-герметичный корпус рабочего объема генератора нейтронов, 2-изоляционные электрические вводы, 3-фокусирующие катушки, 4-плазменный ускоритель, 5-катушки магнитной ловушки, 6-катод, 7-анод, 8-вакуумный насос, 9-блоком запуска и синхронизации, 10-генератор импульса тока, 11-генератор импульсов высокого напряжения, 12-блок питания и запуска плазменного ускорителя, 13-хранилище дейтерий- тритиевой смеси.

Для ускорения процесса нагрева плазмы при передаче энергии от ускоренных протонов электронам устройство может дополнительно содержать генератор потока газа с большим порядковым номером в таблице Менделеева (например ксенона или паров йода). При этом концентрация электронов в ловушке может быть увеличена почти на 2 порядка.

Устройство работает следующим образом.

От блока управления подается сигнал на запуск импульсного инжектора изотопов дейтерия и (или) трития и образуется струя этих изотопов, направленная в сторону магнитной ловушки. Время непрерывной генерации направленного потока изотопов тяжелого водорода составляет примерно неск. мкс. Одновременно осуществляется запуск импульсного генератора тока и формирование магнитного поля в рабочем объеме генератора. За несколько десятков не до достижения максимального значения индукции магнитного поля происходит запуск импульсного источника высокого напряжения, в качестве которого может быть использована линия Блюмляйна или генератор Аркадьева- Маркса. Длительность высоковольтного импульса U(t) при этом может лежать в диапазоне (50-100) нс.

У поверхности катода, а также у металлических вставок на оболочках фокусирующих катушек создается сильное электрическое поле, обеспечивающее условия для эффективной эмиссии электронов, ускоряемых к аноду и осциллирующих в прилегающей к нему области с образованием виртуального катода. Под действием электронной бомбардировки анодного электрода происходит его нагрев, десорбция тяжелого водорода из области насыщения, образование прианодной плазмы, извлечение из нее нуклидов водорода и их ускорение в сторону виртуального катода к магнитной ловушке.

Из решения самосогласованного уравнения Пуассона получается следующее выражение для возможной приближенной зависимости суммарного тока протонов, рассеиваемых в плазме, внутри магнитной ловушки и обеспечивающих ее нагрев:

где I_A - ток Альвена, m, М - соответственно массы электрона и протона, с-скорость света.

Согласно представленным схемам, на катушки 3 и 5 подаются импульсы тока I_1,2(t) которые можно аппроксимировать синусоидами, с амплитудами

Для обеспечения магнитной локализации ускоренных дейтронов в объеме ловушке в поперечном направлении необходимо, чтобы максимальный ларморовский радиус дейтрона в ловушке не превышал диаметр катушки:

где М- масса дейтрона, е- элементарный электрический заряд,

- амплитуда индукции магнитного поля в центре ловушки, μ₀- магнитная постоянная, w₁- число витков в катушке. Подставляя выражения (8) и (10) в неравенство (9) приходим к условию (6).

На фиг. 4 представлено расчетное семейство распределений амплитуд магнитного поля вдоль оси симметрии устройства - B(p, z). Компьютерный анализ показал что ближние к центру максимумы достигаются в местах расположения катушек магнитной ловушки-

а удаленные максимумы соответствуют местам расположения фокусирующих катушек-

Для того, чтобы все ускоренные в диодах нуклиды водорода попали в ловушку, необходимо выполнение условия:

которое вытекает из адиабатической инвариантности отношения кинетической энергии поперечного движения нуклида водорода к индукции магнитного поля [3], а также геометрических условий (2), (4), (5).

Подставляя в (13) выражения (11)и(12)с учетом (8), приходим к условию (7).

Попадая во внутреннюю область магнитной ловушке ускоренные нуклиды рассеиваются и тормозятся в потоке изотопов водорода из инжектора, образовывая высокотемпературную плазму за счет нагрева электронной компоненты с последующей термолизацией.

Процесс торможения нуклида водорода в ловушке описывается следующим дифференциальным уравнением:

где F(T) - функция энергетических потерь дейтрона в дейтерий- тритиевой смеси, V(t) - скорость ускоренных дейтронов в ловушке. Компьютерный анализ показал, что время перекачки энергии ускоренного потока нейтронов в плазму, образуемою в магнитной ловушке ~10^-2 мс. На такой временной базе сам процесс формирования дейтронного потока в диодной системе можно считать мгновенным.

На основании приведенных выше соображений можно составить дифференциальное уравнение, описывающее процесс нагрева плазмы в ловушке:

где θ - температура (кэВ), n - суммарная концентрация изотопов водорода в плазме, t₁ - время задержки между срабатыванием импульсного высоковольтного источника и запуском генератора потока изотопов водорода. Это дифференциальное уравнение решалось на компьютере.

Полученные зависимости температуры от времени позволили рассчитать поток термоядерных нейтронов генерируемых в предлагаемом устройстве. Был рассмотрен наиболее интересный случай, когда поток изотопов водорода, создаваемый инжектором, состоял из дейтериевого и тритиевого компонентов и для образования нейтронов используется ядерная реакция T(d,n)⁴He. Поток термоядерных нейтронов из плазмы в полный телесный угол оценивался следующим образом:

Расчет показал, что при линейных габаритах устройства ~0.1 м, амплитуде ускоряющего импульса 5*10⁵ кВ и длительности ~ 100 нс возможно получение до 10¹² нейтронов за импульс. Использование, разработанного авторами устройства малогабаритного генератора импульсного напряжения, способного реализовывать указанные электрофизические параметры с частотой до 10 Гц делает проект предлагаемого генератора нейтронов вполне конкурентоспособным по сравнению с известными классическими генераторами нейтронов.

Предлагаемое устройство позволяет при его использовании в качестве нейтронного генератора для решения задач элементного анализа, дистанционного ядерного контроля и т.д. существенно повысить ресурс его непрерывной работы по сравнению с классическими нейтронными генераторами с твердотельными нейтронообразующими мишенями. Кроме того предлагаемое устройство может послужить основой для создания малогабаритного управляемого термоядерного реактора, работающего в импульсно- периодическом режиме.

Источники информации

1. Лукьянов С.Ю., Ковальский Н.Г. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М., МИФИ, 1999, с. 391-424.

2. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М., Физматлит, 2005, с. 542-543.

3. Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях. М., Наука, 1978, с. 76-77.

4. Кузенов В.В., Рыжков СВ. Математическая модель взаимодействия лазерных пучков высокой энергии импульса с плазменной мишенью, находящейся в затравочном магнитном поле. Препринт №942 ИПМ РАН им. А.Ю. Ишлинского, 2010, с. 6-7. (прототип).

5. Вовченко Е.Д, Исаев А.А., Козловский К.И., Шиканов А.Е., Школьников Э.Я. Генератор ускоряющего напряжения для малогабаритных импульсных источников нейтронов. ПТЭ, 2017, №3, с. 60-64.

1. Импульсный генератор термоядерных нейтронов, включающий в рабочем вакуумном объеме магнитную ловушку в виде системы из двух соосно расположенных на расстоянии d друг от друга одинаковых катушек с индуктивностью L₁ и с радиусом а, подключенных к генератору импульсов тока, отличающийся тем, что в рабочий вакуумный объем введен инжектор изотопов тяжелого водорода с поперечной апертурой h, направленный в сторону центра магнитной ловушки перпендикулярно ее оси симметрии, с подключенным к нему снаружи блоком запуска и синхронизации, а также в него введен импульсный источник напряжения, подключенный к двум идентичным диодам для ускорения протонов, размещенным внутри рабочего вакуумного объема напротив друг друга, каждый представляет анод в виде сектора сферы радиуса R_A с коэффициентом прозрачности 0,85≤к≤0,95 и заземленный катод в виде сектора сферы радиуса R_К, симметрично охватывающий анод, при этом радиусы R_A и R_К удовлетворяют условию:

причем оба диода имеют общую ось симметрии с магнитной ловушкой, охватывая ее таким образом, что каждый из диодов находится внутри телесного угла

где параметр р=d/12а выбирается в пределах

кроме этого, между каждым анодом и магнитной ловушкой симметрично ее центру размещены две идентичные фокусирующие катушки с индуктивностью L₂ и радиусом R_ф≈R_к(1+p²)^-1/2 на расстоянии Н≅2R_Kp(1+р²)^-1/2 друг от друга, также подключенные к генератору импульса тока, а блок запуска устройства и синхронизации соединен с генераторами импульсов высокого напряжения и импульсов тока, снабженного накопительной емкостью С, при этом на значение С и на индуктивности L₁ и L₂ накладываются условия:

где М - масса протона, е - элементарный электрический заряд, μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, U₀ - максимально допустимое значение амплитуды импульса ускоряющего напряжения на диодных зазорах при заданных значениях R_A и R_K, U - напряжение зарядки емкости С, w₁ и w₂ - числа витков соответственно каждой из катушек магнитной ловушки и каждой из фокусирующих катушек.

2. Импульсный генератор термоядерных нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что обе фокусирующие катушки размещены в оболочках из изоляционного материала, на поверхности которых расположены изолированные друг от друга вставки из металла с большим коэффициентом электронной эмиссии для улучшения условий компенсации объемного заряда ускоренных протонов.

3. Импульсный генератор термоядерных нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что прозрачные аноды насыщены водородом со стороны их внутренних поверхностей.

4. Импульсный генератор термоядерных нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что инжектор изотопов тяжелого водорода представляет собой лазерный источник ионов с плазмообразующей мишенью, насыщенной изотопами тяжелого водорода с конической полостью, ось которой направлена к центру магнитной ловушки.

5. Импульсный генератор термоядерных нейтронов по п. 1, отличающийся тем, что инжектор изотопов тяжелого водорода представляет собой импульсный плазменный ускоритель.

6. Импульсный генератор термоядерных нейтронов по пп. 1 и 5, отличающийся тем, что инжектор изотопов тяжелого водорода содержит дополнительно клапан напуска молекул газа с большим порядковым номером, например йода или ксенона.