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

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРЙЬ РОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ;ЭЛЕ1рРОННЫХ ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМО1ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ с инерционньм удержа|нием , содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных :пучков, оканчивакшщеся высоковольтньош вакуумными диодами, цилиндрическую взрывную камеру, заполненную газом , в центре которой расположена мишень с термоядерным топливом, а в боковой стенке - каналы для транспортировки релятивистских электронных пучков, и магнитную систему в виде двух соленоидных катушек, включенньк навстречу друг другу, создающую в камере поле гиперболической конфигурации, отличающе еся тем, что, с целью повышения КПД транспортировки электронных пучков на мишень , катоды высоковольтных диодов выполнены в форме ножевых электродов, вокруг каждого из высоковольтных вакуумных диодов установлены дополнительные соленоидные катушки, создаю:щие продольное по отношению к пучкам магнитное поле, кроме того, в него введены электроды со щелями, ра :положенные на входе и выходе из каналов транспортировки, против каждо (О ;го из диодов, и импульсные источники высокого напряжения, которые одним ;полюсом подключены к электродам на :выходе из каналов транспортировки, а другим - к электродам на входе каналов и -к мишени.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИК

0% 01) 3 }) 6 21 В 1 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,/ н aRTOPCNOMY СВИДфТОЪСтВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И QfHPbfTMA (21) 3303046/18-25 (22) 12.06.81. (46) 07.10.84. Бюл. У 37 (72) 3;3. Тарумов (53) 533 ° 9(088.8) (56) 1; Велихов Е.П. и др. Предвари- .: тельный анализ схем импульсного тер-. моядерного реактора на релятивистских электронных пучках. Атомная энергия, т. 45, вып. 1, 1979, с. 9.

:(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ TPAHCIIOPTHРОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ

3JIEIPPOHHbIX ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМО-!

ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ с инерционным удержа1нием, содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, цилиндрическую взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень с термоядерным топливом, а в боковой стенке — каналы для транспортировки релятивистских электронных пучков, и магнитную систему в виде двух соленоидных катушек, включенных навстречу друг другу, создающую в камере поле гиперболической

:конфигурации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД транспортировки электронных пучков на мишень, катоды высоковольтных диодов выполнены в форме ножевых электродов, вокруг каждого из высоковольтных вакуумных диодов установлены дополнительные соленоидные катушки, создаю щие продольное по отношению к пучкам магнитное поле, кроме того, в него введены электроды со щелями, рас-. положенные на входе и выходе из ка- g

;налов транспортировки, против каждо;го из диодов, и импульсные источники высокого напряжения, которые одним полюсом подключены к электродам на выходе нз каналов транспортировки, д а другим — к электродам на входе каналов и -к мишени.

1005580

Изобретение относится к области .. управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано при разработке термоядерных реакторов с инерционным удержанием с применением силь- поточных релятивистских электронных пучков.

Известны термоядерные реакторы с инерционным удержанием и электрон,ной инициацией, содержащее взрывную 1р камеру с расположенной в ней мишенью из термоядерного топлива и генераторы релятивистских электронных пучков (РЭП).

В известных устройствах предлагается транспортировать энергию от ге-, нераторов к мишени в форме электромагнитной энергии с помощью вакуумных линий с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) так, что участки ВЛИИ, расположенные во взрывной камере, уничтожаются нри каждом взрыве мишени. Генерация РЭП в этом устройстве происходит в зазоре между высоковольтным электродом

ВЛИИ и поверхностью самой мишени.

Одним из основных недостатков такого устройства является уничтожение относительно сложных и дорогостоящих участков ВЛИИ при каждом взрыве мишени, т.е. с частотой 0,1-1 Гц, что повышает стоимость энергии и усложня" ет эксплуатацию устройства.

Ближайшим техническим решением является 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, цилиндричес„40 кую взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень с термоядерным топливом, а в боковой стенке выполнены каналы для

45 . транспортировки реляФивистских элек,тронных пучков, и магнитную систему в виде двух соленоидных катушек, включенных навстречу друг другу, создающую в камере поле гиперболической конфигурации fif.

Известное устройство содержит неу сколько десятков генераторов сильноточных РЭП,размещенных горизонтально по кругу большого диаметра (6-10м) в одной плоскости, проходящей через центр взрывной камеры, где расположена термоядерная мишень и создано поле гиперболической конфигурации.

Сильноточные РЭП, генерируемые одновременно, через узкие щели иижектируются во взрывную камеру, наполненную газом (воздухом) при низком давлении (10,мм рт ст.), транспорт. тируются с помощью внешнего магнитного поля. Транспортировка РЭП идет вдоль экваториальной плоскости по радиусам в центральную область со сла

L бым магнитным полем, в центре которой находится мишень. Так как газ, заполняющий камеру, быстро ионизируется, то уже вскоре после начала инжекции транспортиррвка РЭП происходит вдоль магнитного поля по плазМе с достаточно высокой электрической проводимостью, и, таким образом, обеспечивается не только зарядовая нейтрализация пучков, но и значительная компенсация--со&от венных мйгйитных полей РЭП в результате протекания по плазме обратных токов. Однако, так как большая часть релятивистских электродов не может попасть непосредственно на мишень малых размеров (диаметр 2-3 cM) с расстояния

3-5 м (расстояние удаления генера.торов РЭП от мишени) ввиду большого начального углового разброса скоростей электронов, инжектируемых сильно,точных РЭП и достаточно большой площади инжекции, а также большой ширины пучка (начальная ширина пучка 2 см), иначе говоря, ввиду относительно большого начального эмиттанса и большой ширины инжектируемых РЭП,то предполагается, что вначале будет происходить транспортировка РЭП вдоль экваториФ альной плоскости ведущего магнитного поля в центральную область со слабым внешним магнитным полем, где вокруг мишени будет накапливаться облако релятивистских электронов и происходить ее облучение. Процесс накопления облака и облучения мишени будет происходить одновременно, а именно электроны, составляющие облако, совершая в нем хаотическое движение, с некоторой вероятностью будут попадать на поверхность мишени и поглощаться ею.

Основным недостатком известного устройства является низкий КПД транс:портировки РЭП на мишень при большом. отношении радиуса инжекции РЭП к ра,диусу мишени (аспектное отношение)

30-40% при аспектном отношении 10 и 5-10% при аснектном отношении 20.

580

3 1005

Ожидаемое аспектное отношение в реакторе э, 200.

Недостатком данного устройства является также замедление процесса выделения энергии РЗП 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, сможет, будучи отра- 1р женным полем диполя, вернуться к мишени лишь через 20-30 нс при диаметре взрывной камеры 6 м.

Цель изобретения — повьппение. КПД транспортировки электронных пучков 15 на мишень.

Зто достигается тем, что в известном устройстве для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном 20 реакторе с инерционным удержанием, содержащем генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодамн, цилиндрическую 25 взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, а в боковой стенке — каналы для транспортировки релятивистских электронных пучков, и магнитную систему в виде 30 двух-соленоидных катушек, включенных навстречу друг другу, создающую в камере поле гиперболической конфигурации, катоды высоковольтных вакуумных диодов выполнены в форме ножевых элек- З5 тродов вокруг каждого из диодов установлены дополнительные соленоидные катушки, создающие продольное по отношению к пучкам магнитное поле, кроме того, в него введены электРоды со 10 щелями, расположенными на входе и выходе из каналов транспортировки, против каждого из диодов, и импульсные источники высокого напряжения, кото/ рые одним полюсом подключены к элек- gg тродам на выходе из каналов транспортировки, а другим - к электродам на входе каналов и к мишени.

На фиг. 1 изображен реактор, продольный разрез; на фиг. 2 т то же, gp поперечный разрез; на фиг. 3 — высоковольтный вакуумный диод.

Предлагаемое устройство содержит две соосные основные соленондные катушки 1 с обмотками, включенными на- у встречу друг другу, расположенные горизонтально на небольшом расстоянии друг от. друга вне рабочего. объема взрывной камеры 2. Катушки создают магнитное поле гиперболической геометрии 3 с экваториальной плоскостью

4. В средней плоскости между катушками 1 равномерно по кругу расположены соленоиды 5 прямоугольного сечения с осями, направленными по радиусам внутрь взрывной камеры 2, и создающие сильные локальные магнитные поля. Соленоидные катушки 1 и 5 располагают так, чтобы обеспечить плавный переход от сильных полей дополнительных катушек 5 к ведущему магнитному полю катушек !. Внутри соленоидов 5 расположены высоковопьтные вакуумные диоды 6, подключенные через- ВЛМИ 7 к источникам сильноточных РЗП 8. Каждый диод 8 состоит из тонкого плоского протяженного-катода 9 ножевого типа, укреп" ленного на высоковольтном электроде

ВЛИИ 10, и анода 11 из тонкой фольги, обеспечивающей прохождение через нее

РЗП с малым рассеянием.

Катодные,номи, высота которых в несколько раз превьппает величину зазора между кромкой ножа и анодбм, составляет одинаковые части (отрезки) кольца большого круга, расположен1 ного в экваториальной плоскости 4.

В толстых стенках взрывной камеры 2 большого диаметра (p 6 м), рассчитанной на удержание мощного взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва ) 10п Дж) имеется ряд узких плоских каналов 12, сквозь которые РЗП транспортируют в рабочий объем взрывной камеры. Взрывная камера содержит газ (воздух) при низком давлении, составляющем несколько мм рт.ст. (1-10 мм рт.ст.). Для создания плазменных каналов 13 в устройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подключен к входным электродам со щелями 15, а другим - к выходным электродам со щелями 17, расположенными на внутренней стенке взрывной камеры

2. Плазменные каналы 13 заполняют силовые трубки магнитного поля, начинающиеся на электродах 15 и оканчивающиеся на мишени 16 и подводящих проводниках; Плазменные каналы, также как и инжектнруемые пучки, имеют вид тонких, протяменньм секторов, сходящихся к оси магнитной системы.

Однако размер области, занятой плаз" менными каналамн 13, превьппает объем

1005580 через который проходят РЭЛ. Щели в электродах 15 и 17 обеспечивают беспрепятственный проход РЭП от диодов 6 в рабочий объем взрывной камеры. В центре рабочего объема взрывной камеры, на пересечении магнитной оси и экваториальной плоскости 4 расположена мишень 16. Мишень представляет собой металлическую оболочку небольшого диаметра (2-3 см), к которой прикрепле- 10 ны два проводника диаметром в несколько миллиметров, отходящих от нее вдоль магнитной оси системы и соединяющих ее электрически с одним из полюсов импульсного источника высокого напря- 15 жения 14, расположенного вне рабочего объема взрывной камеры. Вспомогательный механизм 18 служит для доставки мишени с укрепленными на ней про" водниками в нужный момент времени в 20 исходное положение.

Устройство работает следующим образом, Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нуж- 25 ного давления. Затем пропускают номи- нальные токи через катушки. В результате возникают магнитное поле гиперболической геометрии и сильные локальные магнитные поля в области расположения диодов 6. Одновременно включается вспомогательный механизм

18, доставляющий мишень 16 с проводниками в центр взрывной камеры. После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный

35 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 превышающим несколь50 ко нс, при полной длительности импульса 50-60 нс. В результате этого, в диодах 6 происходит генерация тонких сильноточных РЭП с мальм начальным эмиттансом, образующих одинаковые сектора одного большого тонкого дис55 кового пучка с просветами, распространяющегося вдоль экваториальной плоскости 4 магнитного поля гиперболической геометрии по заранее созданным плазменным каналам 13 с высокой электрической проводимостью. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах 6 и щели в электродах 15, укрепленных на внешней стороне диодов, сильноточ-ные РЭЛ транспортируются вдоль силовых линий ведущего магнитного поля по плазменным каналам 13 к центру взрывной камеры 2. Так как РЗП рас- пространяются внутри плазменных каналов, то, во-первых, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а, во-вторых, благодаря Bblc oKQH электрической пров одимости плазмы в каналах в них возбуждаются обратные токи, текущие навс тречу основным токам РЭП и приблизитель но равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных полей РЭП. Это да ет хорошую, близкую к 100Х транспортировку энергии РЗП 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, т.е. в области слабого магнитного поля, осуществляется заключительная фаза транспортировки РЭП, а именно, самофокусировка сильноточных РЭП на мишень, благодаря использованию фокусирующего действия остаточных собственных магнитных полей РЭП, неском1 пенсированньгх обратными токами,техушими по плазменным каналам. В этой области транспортировки происходит как бы "срыв" РЭП с силовых линий магнитного поля с помощью собственного нескомпенсированного магнитного поля РЭП и каналирование их на мишень.

Таким образом, транспортировка тонких, сильноточньгх РЭП с малым начальным эмиттансом вначале происходит вдоль магнитного поля (вдоль его экваториальной плоскости} по радиально сходящимся магнитным силовым линиям (область транспортировки дли" ною 2,5-3м), где напряженность ведущего магнитного поля падает незначительно, а затем РЭП попадают в область, где напряженность ведущего магнитного поля спадает до нуля на расстояниях в несколько Десятков сантиметров. В этой области, которую мы называем областью самофокусировки

7 10055

РЭП на мишень, собственное магнитное поле РЭЛ сравнивается с внешним магнитным полем и по мере приближения к мишени все более превышает его.

Поэтому в этой области проявляется в полную меру фокусирующее действие нескомпенсированного собственного магнитного поля РЭП и происходит прямая самофокусировка РЭП на мишень.

Отметим, что разностный ток, т.е. ток - . 1О представляющий собой разность прямого И обратиого токов РЭП, стекает с мишени по проводникам, с помощью которых мишень подключается в заземленному полюсу источника высокого напря- 15 жения.

Параметры, характеризующие пример конкретного выполнения устройства:

Полная энергия, транспортируемая на мишень с помощью РЭП 5 ИДж; 20

Количество генераторов сильноточных РЭП (модулей) 50, Энергия электронов 2 МэВ;

Ток пучка в одном модуле 1 MA

Длительность импульса P3II 50 нс, 25

Суммарная мощность всех РЭП 10 Вт;

Диаметр мишени 2 см, Длина транспортировки 3,5 м;

Максимальная напряженность магнитного поля в экваториальной-плоскос- gg ти 10 кЭ;

Напряженность поля в центре катушки 1 1,2 кЭ, Максимальная напряженность собственного магнитного поля РЭП в диодах 14 кЭ, 80

° Максимальная напряженность магнитного поля дополнительных соленоидных катушек 60 кЭ, Средний диаметр катушек 1 6 5 м, Расстояние между средними плоскостями катушек,1-1,5 м, Амплитуда тока в катушках 1 при

10 витках в каждой катушке 200 кА;

Полная энергия, запасаемая в магнитных полях, создаваемых катушками

1 (25 МДж) и соленоидами 5 (21Щк)

27 ИДж, . Минимальная энергия микровзрыва термоядерной мишени ) 100 ИДж.

Энергия собственного магнитного поля РЭП при компенсации: тока РЭП обратным током на 99,5Х 31 кДж

Амплитуда напряжения импульсного источника для создания плазменных каналов 100-200 кй;

Амплитуда тока в нем 50-100 кА, Длительность импульса несколько микросекунд, Ожидаемый энергетический КПД тран" спортировки 1007..

Таким образом, с помощью указанного устройства можно будет подвести к мишени диаметром 2 см, расположенной в центре взрывной камеры, с расстояния 3,5 и необходимую для поджига импульсной термоядерной реакции пол-., ную электрическую мощность 10 Вг при полной энергии 5 МДж, а потери на транспортировку РЭП практически полностью исключены.

1005580

1005580

Составитель

Техред Л.Коцюбняк

Редактор Л. Письман

Корректор Г. Огар

Заказ 7037/1 Тираж Ч3Ь Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4