Устройство для высокочастотного нагрева плазмы

 

О П И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<>786835

Соко Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 04.07.79 (21) 2792420. 18-25 (51) М Кл з Н 05 Н 1/18

G 21 В 1/00 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) О-;.убликовано 07.01.82. Бюллетень Ме 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.82

f осуднрственный комитет

СССР по денем изобретений к открытий (53) УДК 621.039.626 (088.8) (72) Автор изобретения

А. В. Лонгинов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО

НАГРЕВА ПЛАЗМЫ

Изобретение относится к области термоядерного синтеза и в частности к устройствам для высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ловушках типа торсатрон с пространственным дивертором.

Магнитная ловушка типа торсатрон может быть использована в качестве системы для создания термоядерного реактора. Конструктивные особенности подобных систем (например, бескамерное исполнение, когда между полюсами винтовой обмотки и плазменным шнуром отсутствует вакуумная металлическая камера, наличие полоидального дивертора) затрудняют, а в некоторых случаях и исключают использование в такой ловушке известных систем для возбуждения электромагнитных волн в плазме, необходимых для нагрева плазмы.

Известна система возбуждения состоящая из катушки с коаксиально периодическим распределением тока (1). Такие системы могут быть использованы для возбуждения «быстрых» электромагнитных волн в плазме, в частности, в низкочастотном диапазоне (например, для возбуждения ионноциклотронных волн). Однако при необходимости ввода значительных уровней мощности высокие потенциалы возникают на элементах системы возбуждения и приводят к развитию дуговых разрядов (пробоя) .

Подобная система не используется в ловушках типа торсатрон с пространственным дивертором из-за невозможности реализовать конструкцию такой системы в бес5 камерной ловушке.

Известны также устройства, в которых в качестве систем возбуждения используются диэлектрические резонаторы (2). В подобных системах проблема электрической прочности практически отсутствует, однако габариты таких систем (особенно для низкочастотных методов) могут быть весьма значительны и их применение целесообразно только для больших термоядерных ловушек.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник высокочастотной энергии и систему возбуждения (3). В качестве возбуждающего элемента использован полувиток, расположенный вблизи поверхности плазмы. Уменьшение азнмутальной длины витка (использованпе части витка) позволяет снизить волновое сопротивление системы возбуждения, а следовательно, и высокочастотнь|е напряжения.

Недостатком устройства является то, что при необходимости ввода значительных уровнеЙ мощности высокочастотные напряф

786835

15 жения на элементах системы достигают опасных величин с точки зрения электрической прочности. Увеличение количества витков (либо полувитков) при использовании ловушки типа торсатрон усложняет конструкцию и, кроме того, ухудшает эафективность работы дивертора из-за необходимости введения значительны., по гл""щади поверхностей, перекрывающих диверторные щели.

Целью изобретения является повышение уровня вводимой в плазму энергии.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для высокочастотного нагрева плазмы, содержащем источник высокочастотной энергии и систему возбуждения, система возбуждения выполнена в виде .-à-. ìåäëÿâщей структуры, образованной полюсами винтовой обмотки ловушки, пластинами, расположенными вблизи внутренней поверхности полюсов винтовой обмотки и соединенными с полюсами винтовой обмотки через емкостные элементы, и соединительными шинами, плоскость которых параллельна диверторным магнитным силовым линиям. Источник высокочастотной энергии подключен между полюсами винтовой обмотки и расположенной вблизи него пластиной. Длину пластины следует выбирать больше длины волны в замедляющей структуре.

Устройство преимущественно используется в термоядерной ловушке типа торсатрон с пространственным дивертором.

Система: пластина — конденсатор — полюс — конденсатор — пластина — шина— пластина и т. д., представляет собой замкнутый электрич "ский контур, обладающий одной или несколькими собственными резонансными частотами, на которых входной импеданс такой системы является чисто активным, При этом азимутальные токи, протекающие по внутренней поверхности полюсов, пластин и шин, возбуждают в плазме

«быстрые» электромагнитные волны, энергия которых затем поглощается частицами плазмы.

Благодаря тому, что емкостные элементы расположены на всех полюсах винтовой обмотки торсатрона, достигается рассредоточение емкостных элементов по малому азимуту ловушки. По этой причине в электрическом контуре, который образуется полюсами винтовой обмотки, пластинами и соединительными шинами, высокочастотные потенциалы на элементах контура значительно ниже, чем в известном устройстве, где емкостные элементы подключены в одном месте. Это позволяет значительно увеличить уровень вводимой в плазму мощности.

Использование соединительных шин, плоскость которых в любой точке параллельна магнитным силовым линиям, позволяет достичь минимального перекрытия ди20

65 верторных щелей и таким образом избежать существенного влияния устройства на работу дивертора.

Для возбуждения волп в плазме с узким спектром по продольным волновым числам длина пластин вдоль полюса винтовой обмотки выбирается больше, чем длина волны в замедляющей структуре.

Так как система: пластина — конденсатор — полюс представляет собой замедляющую структуру, в которой вдоль полюса может распространяться электромагнитная волна с фазовой скоростью, значительно меньшей, чем скорость света, то в такой системе и при наличии соединительных шин существуют замедленные электромагнитные

0ОЛНЫ.

Если длина системы превышает длину замедленной волны, то вдоль системы существует пространственно-периодичное электромагнитное поле, спектр которого локализован вблизи определенного волнового числа. Это позволяет осуществить возбуждение плазменных колебаний с определенными значениями продольных волновых чисел, что важно для ряда методов нагрева плазмы, например при использовании черенковского механизма поглощения.

На фиг. 1 показан вариант схемы предлагаемого устройства; на фиг. 2 — распределение контурных токов в поперечном сечении магнитной ловушки; на фиг. 3— схема упрощенного устройства.

D устройстве (см. фиг. 1) источник высокочастотной энергии 1 через полосковую фидерную линию 2 подключен с одной стороны к корпусу полюса 3 винтовой обмотки, с другой стороны к пластине 4, расположенной вблизи поверхности полюса 3.

На фнг. 1 не показан вакуумный ввод изолятора, через который проходит фидерная линия 2 в вакуумную камеру. Пластины 4 выполнены в виде спрофилированных полос, повторяющих контур полюсов 3, и расположены вблизи поверхности корпуса полюса 3. Вблизи каждого полюса 3 расположено по две таких пластины. Между пластиной 4 и корпусом полюса 3 включены конденсаторы 5, которые размещены равномерно по всей длине пластины 4 вдоль полюса 3. Близлежащие пластины 4 соседних полюсов 3 электрически соединены между собой при помощи системы шин 6, Профиль шин 6 выполнен таким образом, что в любой точке поверхность шины 6 параллельна силовым линиям магнитного поля 7, по которым в данной области плазма выносится в диверторную щель 8. Все элементы устройства размещены в областях, не занятых плазменным шнуром 9.

Устройство работает следующим образом.

Источник высокочастотной энергии 1 через запитывающую фидерную линию 2 воз786835 буждает колебания в резонансной системе, образованной полюсами 3, пластинами 4, шинами 6 и конденсаторами 5. Характерное распределение высокочастотных токов в фиксированный момент времени показано на фиг. 2, где сплошной линией обозначен путь основного тока, штриховой линией— токи рассеивания, имеющие меньшее значение, чем основной ток. Благодаря протеканию тока в азимутальном направлении на поверхности плазменного шнура создается высокочастотное продольное магнитное поле, которое является источником возбуждения в плазме «быстрых» электромагнитных волн.

Конденсаторы не сосредоточены в одном месте, а распределены равномерно в азимутальном направлении (в данном примере выполнения шесть точек включения конденсаторов), поэтому существенно снижен высокочастотный потенциал на элементах устройства. Это позволяет обеспечить электрическую прочность устройства и увеличить уровень вводимой в плазму мощности. В устройстве, показанном на фиг. 1, где используется по две пластины 4 вблизи каждого полюса 3, достигается максимальное снижение высокочастотного потенциала.

В устройстве около каждого полюса 3 может быть расположена одна пластина 4, а в месте расположения отсутствующей пластины шина 6 непосредственно соединена с полюсом 3. Такое устройство аналогично устройству, показанному на фиг. 1, но потенциалы в этом случае в два раза больше.

B зависимости от аксиальной длины возможны два типа системы возбуждения: короткая и длинная.

Короткая система. В этом случае система обладает резонансной частотой, при которой токи смещения, протекающие через конденсаторы, равны токам проводимости, протекающим по проводящим плоскостям.

В таком режиме входной импеданс системы на выделенной (резонансной) частоте в месте подключения фидерной линии 2 имеет активный характер, что позволяет исключить реактивные потоки энергии в линии 2 и таким образом обеспечить эффективную работу источника высокочастотной энергии 1. В этом случае распределение тока в аксиальном направлении на элементах системы возбуждения почти равномерно, и поэтому, в частности, характер спектра по продольным волновым числам аналогичен случаю одиночного витка.

Длинная система. При значительной длине элементов системы возб, ждени": вдоль магнитной системы ловушки и определенных требованиях, предъявляем ых к конденсаторам, систем" возбу.кдения обладает волноводными свойствами, т. е. вдоль системы (в аксиальном направлении) могут распространяться волны, в том числе с фа5

48

6О

65 меньшей, чем скорость зовой скоростью, света.

Требования, предъявляемые к емкостным элементам, могут быть сформулированы следующим образом: в системе пластина 4, конденсатор 5, полюс 3 с отключенными шинами 6, должны существовать распространяющиеся волны с фазовой скоростью, меньшей, чем скорость света. В таком случае и при подключении шин 6 во всей системе будут существовать распространяющиеся волны с фазовой скоростью, меньшей, чем скорость света. При этом распределение тока в поперечном направлении остается аналогичным случаю, показанному на фиг. 2. В аксиальном направлении все поля будут иметь пространственную периодичность с определенным пространственным периодом L = v f (где v4, — фазовая скорость в аксиальном направлении, f — частота колебаний) . Таким условиям удовлетворяют конденсаторы, выполненные в виде диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости е(в .» 1), размещенным между пластиной 4 и полюсом 3, либо система конденсаторов, либо система, аналогичная системам: «гребенка в гребенке», «гребенка — плоскость», и т. п.

При этом возможны два случая.

Аксиальная длина меньше длины затухания, обусловленной излучением высокочастотной энергии в плазму. В этом случае вдоль системы в аксиальном направлении установится стоячая волна. При этом входной импеданс системы будет чисто активный при определенных дискретных резонансных частотах. Однако в этом случае спектр колебаний в плазме существенно сужен, особенно при работе на высоких модах.

Аксиальная длина больше длины затухания. В этом случае в системе существуют бегущие в аксиальном направлении колебания, затухающие в результате излучения высокочастотной энергии в плазму по мере удаления от места включения фидера, Такой режим весьма удобен в практическом отношении, так как входной импеданс системы будет чисто активным в широкой области частот и не зависит от изменения параметров плазмы.

Использование в качестве токонесущих элементов пластин, расположенных вблизи полюсов и повторяющих их форму, позволяет устранить непосредственный контакт потенциальных элементов системы возбуждения с плазмой, следовательно, уменьшить пс-.о и примесных частиц внутрь плазменного шнура. Хотя при этом в области щели между полюсами шины 6 пересекают плазменный поток, идущий к диверторным щелям 8, однако выполнение этих поверхностей определенной формы (силовые линии магнитного поля вблизи этих перемычек параллельны плоскости перемычки) позво786835 ляет достичь весьма высокой прозрачности этой системы. Предельное значение прозрачности определяется толщиной шины, которую можно сделать достаточно малой, и точностью изготовления формы шины и практически исключить ее влияние на работу дивертора.

Предложенное устройство для возбуж. дения электромагнитных волн позволяет значительно снизить высокочастотные по 10 тенциалы на элементах устройства, что позволяет повысить уровень вводимой в плазму высокочастотной мощности, При равномерном распределении в азимутальном направлении конденсаторов, при котором ре- 15 зонансная система представляет собой контур, в котором индуктивный элемент чередуется с емкостным, в такой системе высокочастотные потенциалы могут быть уменьшены в и раз по сравнению с прототипом 20 (n — количество конденсаторов при азимутальном обходе) ..

В устройстве, показанном на фиг. 1, в шесть раз уменьшен потенциал или (что 25 эквивалентно) в тридцать шесть раз увеличена вводимая в алазму мощность. Увеличение высокочастотной мощности может быть легко достигнуто при увеличении продольных размеров устройства. Существова- 30 ние пространственно периодического вдоль длины устройства электромагнитного поля позволяет легко осуществить формирование достаточно узкого спектра по продольным волновым числам возбуждаемых в 35 плазме колебаний. В таком устройстве может быть осуществлен волноводный режим работы, обеспечивающий согласование источника высокочастотной энергии с весьма нестабильной нагрузкой, какой обычно яв- 40 ляется плазма. Кроме того, влияние элементов устройства на работу дивертора незначительно.

Данное устройство может быть использовано в магнитных ловушках в бескамерном исполнении, например стеллараторного типа.

Формула изобретения

1. Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник высокочастотной энергии и систему возбуждения, отличающееся тем, что, с целью повышения уровня вводимой в плазму энергии, система возбуждения выполнена в виде замедляющей структуры, образованной полюсами винтовой обмотки ловушки, пластинами, расположенными вблизи внутренней поверхности полюсов винтовой обмотки и соединенными с полюсами винтовой обмотки через емкостные элементы, и соединительными шинами, плоскость которых параллельна диверторным магнитным силовым линиям, а источник высокочастотной энергии подключен между полюсом винтовой обмотки и расположенной вблизи него пластиной.

2. Устройство по п. 1, о тл и ч а ю щ е еся тем, что длина пластин вдоль полюса винтовой обмотки больше длины волны в замедляющей структуре.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Physics of Fluids, V 1, 1958, р. 446.

2. Авторское свидетельство СССР № 397139, кл. Н 05 Н 1/18, 1971.

3. Труды 6-й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Берхтесгаден,, 1976) т. 3, Вена, 1977, с. 39 (прототип).

786835

Фиг.

Составитель С. Гусарева

Техред И. Заболотнова Корректор И. Осиповская

Рсдакзор Л. утехина

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 19/27 Изд. № 107 Тираж 855 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5