Устройство для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ С ИНЕРЦИОННЫМ УДЕРЖАНИЕМ , содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, и взрывную камеру , заполненную газом, в центре которой расположена мишень, магнитнзпо систему, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков непосредственно на мишень, магнитная система вьтолнена в виде трехсоосных соленоидальных катушек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, обмотки которых включены навстречу одна другой, а в устройство введены дополнительные .соленоидные катушки, охватьюающие каждый из диодов и создающие про-. дольное по отношению к диодям магнитное поле, электроды с щелями, расположенные с внешней стороны каждого из высоковольтных диодов и на внутренней стенке взрывной камеры против каждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения, § который одним полюсом подключен к электродам на внутренней стенке (П камеры, as другим - к электродам на диодах и к мишени, а геиераторы релятивистских электронных пучков расположены между соосными соленоидальными катушками в двух плоскостях,, перпендикулярных оси-катушек и симметричных относительно средней катушки, и снабжены диодами с катодами, вьтолненными в форме ножевых электродов. 00 ел

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 1185 . А (g) 4 G 21 В 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

g Ф МЕЫОХ4М

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3303048/18-25 (22) 12.06.81 (46) 07. 08. 87. Бюл. 9 29 (72) Э.З.Тарумов (53) 533.9(088.8) (56) Велихов Е.П. и др. Атомная энергия. Вып. 1, т. 45, 1979, с. 9.

Rudakov J.I., 8abykin М.V. Procudings of the Seventl European Conference on Contro1ledfusion and plasma

prysies, Lousanne, 1-5 September

1975, П, 172. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ

ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ С ИНЕРЦИОННЫМ УДЕРЖАНИЕМ, содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, и взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, магнитную систему, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД транспортировки сильноточных релятивистских . электронных пучков непосредственно на мишень, магнитная система выполнена в виде трехсоосных соленоидальных катушек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, обмотки которых включены навстречу одна другой, а в устройство введены дополнительные .соленоидные катушки, охватывающие каждый из диодов и создающие про-. дольное по отношению к диодам магнитное поле, электроды с щелями, расположенные с внешней стороны каждого из высоковольтных диодов и на внут« ренней стенке взрывной камеры против .каждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения, который одним полюсом подключен к Я электродам на внутренней стенке взрывной камеры, а другим — к элек. тродам на диодах и к мишени, а генераторы релятивистских электронных пучков расположены между соосными Я соленоидальными катушками в двух плоскостях,, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, и снабжены диодами с катодами, выполненными в форме ножевых электродов.

1001185

Изобретение относится к разработкам импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием на основе сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) °

Известно устройство, в котором предполагается транспортировать энергию от генераторов к мишени, находящейся во взрывной камере, в форме электромагнитной энергии с помощью вакуумных линий с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ). Недостатком такого устройства является уничтожение относительно сложных и дорогостоящих участков ВЛМИ при каждом взрыве мишени, т,е. с частотой 0,1-1 Гц, что повьппает стоимость производимой энергии и выдвигает сложные технические вопросы быстрой замены поврежденных участков ВЛМИ и получения в них ваку-Б ума .!О торр.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее генераторы сильноточных РЭП, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишек ь, и магнитную систему в виде двух соосных соленоидальных катушек, обмотки которых включены навстречу одна другой °

Сильноточные РЭП, генерируемые одновременно, транспортируются от модулей до мишени, расположенной на расстоянии 6-10 м, с помощью ведущего магнитного поля остроугольной геометрии, создаваемого двумя соосными соленоидными катушками, в средней плоскости между которыми расположены генераторы РЭП. Транспортировка РЭП идет вдоль экваториальной плоскости по радиусам в центральную область со слабым полем, в центре которой находится мишень.

Основным недостатком известного устройства является низкий (меньше

5 ) ожидаемый КПД транспортировки

РЭП на мишень при большом отношении радиуса инжекции РЭП к радиусу мишени. Недостатком данного устройства является также замедление процесса выделения энергии РЭП на мишени, т.е. падение мощности энерговыделения при увеличении размеров системы, Это связано с тем, что релятивистский электрон, не попавший в мишень при первом пролете, ушедший вдоль

15

10 тродам на диодах и к мишени, а генераторы РЭП расположены между солено45

50 сj5

:30 экваториальной глоскости в .сторону генераторов РЭП и отраженный обратно полем диода, может вернуться обратно к мише % только через 20-30 с (при диаметре взрывной камеры 6 м), что сравнимо с полной длительностью импульса РЭП (60 нс).

Цель изобретения — повьппение КПД транспортировки сильноточных РЭП на мишень в термояцерном реакторе с инерционным удержанием.

Указанная цепь достигается тем, что для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием используется устройство, содержащее генераторы РЭП, оканчивающиеся вакуумными диодами, и взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, магнитную систему, при этом магнитная система выполнена в виде трех соосных соленоидальных катушек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, обмотки которых включены навстречу одна другой, дополнительные соленоидные катушки, охватывающие каждый из диодов и создающие продольное по отношению к диодам магнитное поле, электроды с щелями, pacrioложенные с внешней стороны каждого из высоковольтных диодов и на внутренней стенке взрывной камеры против каждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения, который одним полюсом подключен к электродам на внутренней стенке взрывной камеры, а другим — к элекидальными катушками большого диаметра в двух плоскостях, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, и снабжены диодами с катодами, выполненными в форме ножевых электродов.

На фиг.1 приведено предлагаемое устройство, вертикальное сечение; на фиг.2 — то же, горизонтальное сечение.

Предлагаемое устройство содержит три соосные основные соленоидные.катушки 1 с обмотками, включенными навстречу одна другой в соседних катушках, расположенных горизонтально одна над другой, вне рабочего объема взрывной камеры 2. Основные соленоидные катушки создают ведущее магнитное

100!185

15

30

40

50

55 поле 3 с двойной остроугольной геометрией с двумя экваториальными плоскостями 4. В экваториальных плоскостях основных соленоидных катушек 1 равномерно по кругу расположены дополнительные соленоидные катушки 5 с осями, направленными по радиусам внутрь взрывной камеры 2, и создающие сильные локальные магнитные поля.

Соленоидные катушки 1 и 5 размещаются одна относительно другой на таком расстоянии, чтобы обеспечить плавный переход от сильных локальных магнитных полей дополнительных катушек 5 к ведущему магнитному полю основных катушек 1. Внутри дополнительных катушек 5, в двух плоскостях (плоскостях инжекции), параллельных экваториальным плоскостям, расположены высоковольтные вакуумные диоды 6, подключенные через вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) 7 к генераторам сильноточных РЗП 8. Каждый диод 6 состоит из тонкого, плоского, протяженного катода (катодньй нож) 9, укрепленного на высоковольтном электроде BJIMH 10, и анода 11 из тонкой фольги, обеспечивающей прохождение через нее РЭП с малым рассеянием. Катодные ножи 9, высота которых в.несколько раз превьппает величину зазора между кромкой ножа и анодом, составляют одинаковые части колец большого круга, расположенных в плоскостях инжекции, параллельных экваториальным плоскостям 4 и смещенных от них на небольшое расстояние, превышающее толщину пучка, в сторону средней соленондной катушки 1. В толстых стенках взрывной камеры 2 большого диаметра (> 6 м), рассчитанной на удержание мощного взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва

Ъ 10 Дж), имеется ряд узких плоских отверстий 12, сквозь которые РЭП попадают в рабочий объем взрывной камеры. Взрывная камера содержит газ (воздух) при низком давлении, составляющем несколько миллиметров ртутного столба. Для создания плазменных каналов 13 в устройство введен импульоный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подклю" чеи к входным электродам 15 со щелями, укрепленным с внешней стороны диодов 6 и к мишени 16 с проводниками, а другим — к выходным электродам с щелями 17, расположенным на внутренней стенке взрывной камеры 2.

Плазменные канапы 13 заполняют силовые трубки ведущего магнитного поля, начинающиеся на электродах 15 ïî обе стороны от средней катушки l и оканчивающиеся на мишени 16 и укреплен-, ных на ней диске и проводниках. Плазменные каналы 13 (как и инжектируемые пучки) имеют вначале вид тонких протяженных секторов, лежащих в плоскостях инжекции, сходящихся к магнит ной оси, а затем в соответствии с ходом силовых линий ведущего магнитного поля они поворачивают на угол 90 и пересекают плоскость симметрии устройства с двух сторон. Размер области, занятой плазменными каналами 13, превьппает объем, через который проходят РЭП. Щели в электродах 15 и 1„7 обеспечивают безпрепятственное прохождение РЗП от диодов 6 в рабочий объем взрывной камеры. В центре рабочего объема взрывной камеры, на пересечении магнитной оси и средней плоскости центральной соленоидиой катушки 1 расположена мишень 16. Мишень представляет собой металлическую сферическую оболочку небольшого диаметра (2-3 см) с тонким металлическим диском, укрепленным на ее экваторе, с диаметром, существенно превышающим диаметр мишени (диаметр диска 30-40 см), и с двумя проводниками диаметром в несколько миллиметров, отходящими от оболочки вдоль магнитной оси системы и соединяющими ее электрически с одним из полюсов импульсного источника 14 высокого напряжения, расположенного вне .рабочего объема взрывной камеры. Вспомогательный механизм 18 служит для доставки мишени с укрепленными иа ией диском и проводниками в нужный момент времени в исходное положение.

Устройство работает следующим образом.

Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нужного давления. Затем пропускают номииальные токи через основные и дополнительные соленоидные катушки. В результате возникают ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией и сильные локальйые магнИтные поля в области расположения диодов 6.

Одновременно включается вспомогательный механизм 18, доставляющий мишень

16 с прикрепленными к ней проводни5 1ОО ками в центр взрывной камеры. После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный источник 14 высокого напряжения и осуществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры с образованием плазменных каналов 13 с высокой электрической проводимостью, необходимой для прямой транспортировки РЭП на мишень. После этих подготовительных операций, включение которых происходит с помощью автоматического программного устройства, также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов

РЭП 8 (несколько десятков модулей) с разбросом, не превьппающим несколько нс при полной длительности импульсов 50-бо нс. В результате этого в диодах б происходит генерация тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом, образующих одинаковые сектора двух больших тонких дисковых пучков с просветами, распространяющихся вдоль плоскостей инжекции ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией по заранее созданным плазменным каналам 13 с высокой электрической проводимостью.

Пройдя тонкие анодные фольги в диодах и щели в электродах 15, укрепленных на внешней стороне диодов силь,ноточные РЭП транспортируются вдоль

: силовых линий ведущего магнитного поля по плазменным каналам к центральной области взрывной камеры. Благодаря смещению плоскости инжекции верхнего ряда диодов в сторону центральной катушки верхние пучки распространяются вдоль силовых линий ведущего магнитного поля вниз в сторону мишени, а нижние пучки благодаря смещению нижней плоскости инжекции вверх в сторону центральной катушки распространяются вдоль силовых линий вверх в сторону мишени. Таким образом, мишень облучается с двух противоположных сторон. Так как РЭП распространяется внутри плазменных каналов, то, во-первых, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а во-вторых, благодаря высокой электрической проводимости плазмы в каналах, в них возбуждаются обратные токи, текущие навстречу основным токам РЭП и приблизительно равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных полей

РЭП. Это дает хорошую (близкую к

1185 6

30 0 жения их к мишени все более превьппает его. Поэтому в этой области прояв5

l00X) транспортировку энергии РЭП к центральной области взрывной камеры, Высокая степень компенсации прямых токов РЭП обратными токами обеспечивает отсутствие самозапирания пучков, которое возникает при наличии больших собственных магнитных полей.

В центральной области (после поворота силовых линий ведущего магнитного поля на 90О) осуществляется заключительная фаза транспортировки РЭП, а именно самофокусировка сильноточных РЭП на мишень, благодаря использованию фокусирующего действия остаточных собственных магнитных полей

РЭП, нескомпенсированных обратными токами, текущими по плазменным каналам, В этой области транспортировки происходит как бы срыв релятивистских электронов с силовых линий ведушего магнитного поля с помощью собственного нескомпенсированногомагнитно-. го поля РЭП иканалирование ихна мишень .

Таким образом, транспортировка тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом вначале происходит вдоль ведущего магнитного поля, вдоль двух плоскостей инжекции, по радиально сходящимся магнитным силовым линиям, а затем после поворота силовых линий на 90 РЭП начинают о распространяться параллельно магнитной оси на мишень с двух противоположных сторон. В этой области (самофокусировки РЭП на мишень) собственное нескомпенсированное магнитное поле РЭП сравнивается с внешним ве-. дущим магнитным полем по величине, а по мере фокусировки пучков и приблиляется в полную меру фокусирующее действие нескомпенсированного собственного магнитного поля P3II и происходит прямая самофокусировка РЭП на мишень, Разностный ток, представляющий собой разность прямого и обратного токов РЭП, стекает с мишени по проводникам, с помощью которых мишень подключается к заземленному полюсу источника высокого напряжения.

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства можно подвести к мишени диаметром 2 см, расположенной в центре взрывной камеры, с расстояния 3,5 м необходимую для поджига импульсной термоядерной реакции полную электрическую мощность 10 Втпри полной энергии 5РДж и КПД, близком к 1 ООХ.

1001 3 85 фиг.!

100) 185

Корректор М.Шароши

Техред М.Морг ентал

Редактор С.Титова

Тираж 394 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 3610/1

П оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, у . р л. П оектная 4