Импульсная термоядерная система

 

1. ИМПУЛЬСНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ СИСТЕМА, содержащая ударники и концентратор, выполненный из металла И имеющий форму полого цилиндра. Отличающаяся тем, что, с целью увеличения КПД передачи кинематической энергии ударника при ее сжатии, в нее введен второй полый цилиндр, который своей внутренней поверхностью примыкает к наружной поверхности концентратора, а плотность материала j, внутренний и наружный R, радиусы концентратора связаны со средней плотностью р, второго полого цилиндра и его наружным радиусом R 2 соотношениями Pi / 9.2 8-40; (Hj/R) 1,9-2,5;

„„SU„„1009231

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(50 С 21 В 1. 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО. ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ )Р о,., ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / . Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

C0

4Р сО

М)

CA (21 ) 3320168 18-25 (22) 23.07.81 (46) 30.09.83. Бюл. Р 36 (72) Э.А.Азизов, Ю.А.Кареев, И.К.Конкащбаев и Л.Б.Никандров (53) 533.9(088.8) . (56)-1. Book DL etal Proceedings of

sixth Conference on Plasma Physics

and Controlled Nuclear Fusion Resea"

rch. vol 111, Vienna, 1977, р. 507516.

2. Азизов Э.A. и др. Удержание плазмы взрывающимся лайнером. Доклады Академии Наук СССР, т. 248, В 5-, 1979, 1090-1092 (прототип ). (54)(57) 1. ИМПУЛЬСНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ

СИСТЕМА, содержащая ударники и концентратор, выполненный из металла и имеющий форму полого цилиндра, отличающаяся тем, что, с целью увеличения КПД передачи кииематической энергии ударника при ее сжатии, в нее введен второй полый цилиндр, который своей внутренней поверхностью примыкает к наружной поверхности концентратора, а плотность материала о, внутренний R

1 1Ф и наружный R радиусы концентратора

12 связаны со средней плотностью р второго полого цилиндра и его на2 ружным радиусом В l2 соотнощениями р„ / P2 = 8-40, (R2/Н„) = 1,9-2,5;

Ьр„ = (4-10)10 ; (В„â€” R „) /В„=

0,03-0,1; R1 (0,2-0 4) (LW) 2, где W — йачальная погонная кинетическая энергия ударника, мДж/см;

t/ — его скорость, км/с;

- длина полых цилиндров, см;

LR3 = см,,< 3

2. Система по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что второй полый цилиндр выполнен в виде жесткой оболочки, заполненной жидким веществом.

1009231!

Изобретение относится к области ядерной энергетику и может быть использовано для получения термоядерной энергии.

Известно устройство для сжатия магнитного поля и плазмы цилиндричес- 5 ким слоем. жидкого металла, имеющего в исходном состоянии азимутальную компоненту скорости, сжатие осуществляется с помощью давления газа, воздействующего на поршни, располо- !О женные в специальных радиальных каналах и отделяющие жидкий металл от газа (1 ).

Недостатком такого устройства является малость достижимого давления Р> плазмы, которое определяется давлением толкающего поршня газа Р и ограниченно механической прочностью конструкций устройства.

Это приводит к необходимости иметь

, большую длину устройства - 1/ Р!,, располагать значительной энергией Й„ 4 для инициирования термоядерной реакции. В то же время .уст-! ройство не обеспечивает- получения больших коэффициентов усиления энергии К р = и /,, I äe !2g - выделившаяся термоядерная энергия, что ставит под сомнение ее экономическую целе.сообразность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является устройство для получения термоядерной энергии, содержащее ударник и металлический концентратор, имеющий форму полого цилиндра, с помощью которого производится сжатие плазмы и магнитного поля Г2 1.

Энергия, необходимая для сжатия плазмы, первоначально содержится 40 в виде кинематической энергии ударника и передается концентратору при их соударении. В процессе возникшего радиального движения концентратора происходит кумуляция энергии на его внутренней цилиндрической поверхности, что проявляется в росте скорости ее движения при уменьшении ра" диуоа Rp. Таким образом удается получить в плазме давление Рр f Ч!! 5О г (где pg - плотность вещества концентратора) на несколько порядков превышающее то, что может быть достигнуто в устройстве Г1(.

Недостатком прототипа является то, что оно не обеспечивае эффективного вложения кинетической энергии ударника в нагрев плазмы, из-за чего для инициирования термоядерной реакции необходимо располагать дос-таточно энергоемким источником энер- 60 гии, Этот недостаток обусловлен тем, что вследствие конечности величины скорости С звука в материале конS центратора за .время Т торможения поверхности концентратора в плазму 65 передается энергия, запасенная в виде кинетической энергии слоя, толщиной d ñ т. Доля этой энер5 гии от начальной кинетической энергии ударника пропорциональная площади слоя толщиной d и может быть оценена по формуле где М„и М - массы концентратора и ударника соответственно; скорость ударника; радиус (наружный) концентратора, Поскольку Rp Ч swf iу а (Ч /Ч ) мйи/ >, то после подстановки последнего в (1) получим

33ÿ и" "-ЗЧ и (2) так как М„ Му, V< х 10ЧО, то 1и ЗВ.

Точный расчет этой задачй показал, что в плазму может быть вложено не более 10% кинетической энергии ударника.

Целью предлагаемого изобретения является повышение КПД передачи кинетической энергии ударника в плазму при ее сжатии, что позволяет уменьшить запасаемую для инициирования термоядерной реакции энергию, сократить габариты и вес источника энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее ударник и концентратор, выПолненный из металла и имеющий форму полого цилиндра длины введен второй полый цилиндр, причем он своей внутренней цилиндрической поверхностью примыкает к наружной поверхности концентратора, а плотность материала. у„, внутренний R< и наружный R„> радиусы концентратора связаны со средней плотностью второго полого цилиндра уг и его наружным радиусом Рг соотношениями

P,/Рг = à-40; г/ Я, (я12» Й. )/R = 0 03-0 1 (0,2-0,4) - (%4)" ;

Ьр„чг = (4-10)10, (3) где чЧ - начальная погонная кинематическая энергия ударника, мДж/см

Ч - его скорость, км/с;

Гр3 = г/смЗ;

393= ((. ) = см.

Кроме того, второй полый цилиндр может быть выполнен из жидкого вещества, помещенного внутрь жесткой оболочки.

На фиг. 1 изображена импульсная термоядерная система в сечении, перпендикулярном оси, в момент столк4

1009231 новения ударника со вторым полым цилиндром.; на фиг. 2 — вариант выполнения системы.

Импульсная термоядерная система содержит выполненный из металла в виде полого цилиндра 1 концентратор 5 с внутренним R1 и наружным R1 радиусами, второй полый цилиндр 2, внутренний и наружный радиусы которого обозначены соответственно R 12 H 2, ударник 3. l0

Система работает следующим образоме

Ударник 3 одним из известных спо,собов (давлением продуктов взрыва газа или электромагнитного поля ) ус- 15 коряется в радиальном направлении до скорости Чо, имея при этом погонную (т.е. прйходящуюся на единицу, длины системы в,осевом направлении ) кннематическую. энергию Ф. После соударения„ ударника 3 со вторым полым цилиндром 2 возникает цилиндрическая ударная волна, которая распространяется в радиальном направлении по полым цилиндрам 2 и 1. За фронтом ударной волны возникает давление, величина. которого превышает предел текучести материалов, из которых изготовлены полые цилиндры, и организуется радиальное течение вещестаа..После выхода ударной волны на внутреннюю поверхность полого цилиндра 1 начинается схлопывание полости со все возрастающей скоростью, т.е. кумуляция энергии ударника на внутренних слоям полого цилиндра 1. В мо-35 мент, когда радиус полости, в которой находится начальное магнитное поле, достигает величины R „ в нее . впрыскивается плазма с.плотностью ив, котоРаЯ сжимаетсЯ до плотнос- 4О ти ь,„ и нагревается до температуры Т, необходимой для интенсивного протекания термоядерной реакции.

Работа сжатия плаэвы осуществляется эа счет части кинетической энергии материала полого цилиндра 1. )4 (J

I 22 2

Решая неравенство (9 ) и учитывая вы.ражение (8 ) можно установить связь между параметрами система

«„МФИ) 2 п т, (Ф) V1

{Е1>7 — З- Э

И+ 142 8 (Е <- )+

Фиэика работы. импульсной термоядерной система допускает выполнение второго полого цилиндра 2. (см. фиг. 2) из двух жестких оболочек 4 50 и 5 и жидкого. вещества (например води или,лития ) 6, заключенного между этими-оболочками.

Начальный радиус плазма Ro qnpeделяется из условия,$5 выражающего тот факт, что плазме передается только часть кинетической Щ эиергии ударника Ф, равная

Преобразовав выражение (4 i c ó÷åтом необходимости выполнения условия саморазогрева плазмы после достиже- у

1ния максимального сжатия 2 rr Т„, L м

=200 мДж/cM2, .получим выражейие

q 3,2&-gg {n (n 11 (1(„а)1 2 (S) Величина отношения и /п ограничена в экспериментах воэможностью устойчивого сжатия плазма и лежит в диапазоне 100-230, а иэ оптимизационных расчетов получено, что

Я3,2-0,3 и .Р1 = (1,2-1,5) о

Таким образом, внутренний радиус полого цилиндра определяется как (0,2-0,41 (Le }1)2 (6)

Для обеспечения высокоюо КПД вложения энергии ударника в плазму (необходимо, чтобы в процессе кумуляции большая Часть.кинетической энергии ударника, переданная полым цилиндрам 1 и 2 и составляющая долю 12, была сосредоточена на внутреннем полом цилиндре 1, Выполнение этого. условия требует, чтобы

I где и, — сжимаемость вещества первого и второго поцилиндров, й. н с12 - их толщина в момент.

° достижения максимального сжатия плазмы.

Они могут быть выражены через начальные размеры полых цилиндров следующим образом:,В„жй„— Е1 - 1/г, А ык1{(— е1(2+6 )} -(— е„} I (6) где У = R1/ R (R> - минимальный радиус нлазмьь) Я1 = (й1 /R„) — 1;

С2 (R21 R„) 1

Наблюдаемая в эксперименте.величи.на Z составляет 10-20. Пренебрегая ,в выражении (8) членом, содержа щим 2, и подставив выражения для толщин в выражение (7), получим

Ф 2 +2С (<2 ХЕ 1+ =Л ..(9)

%1 1 2»

% 1 " %2 2

1009231

Тогда

Фиг.Я

ВНИИПИ Заказ 82б2/7 Тираж 427 Подписное

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

Рассмотрим следующие предельные случаи:

Я ((1 и 1+ м1, 2 1 1 в. 4 2

Из выражения (11), следует, что плотность материала первого полого цилиндра сравнима или меньше плотности материала второго полого цилиндра, а их толщины малы. Однако такая геометрия полых цилиндров не обеспечивает кумуляции энергии и поэтому не представляет практического интереса, 2 61<< (и 2 2 Н 1 1 ))1.

Я1 1 «"1 1 «, Я2Р2

Тогда из выражения (10) получим 2 «4 1 2

C1 " 2 Я 292 Я

E < Е (1,« — g -1 ((2)

В выражении (12) отношение р1/ р2 7) 1, поэтому f2 не мало и возможна кумуляция энергии на первом полом цилиндре.

Рассмотрим численный пример.

Пусть („= ф, Е1 = 0,1, à р 10р2 .

Тогда Йз выражения (12 ) получим, что 0,10 < Е2 (3,5.

При выполнении условия (7 ) КПД вложения энергии ударника в плазму может быть определен как

0,7 112 л (13)

2 (Е„Ж462

Для рассмотренного выше примера (при 2 = 15 и 1 = 0,7) получим qw10% что более, чем в три раза превышает КПД передачи энергии, определенной по формуле (2 ), характеризующей известную конструкцию, взятую за прототип и базовый объект.

Таким образом, как видно из ка5 чественного рассмотрения наличие двух полых цилиндров, из которых первый выполнен иэ тяжелого вещества и тОнким, а второй из легкого вещества и толстым, позволяет существен1IO но увеличить КПД передачи энергии от ударника в плазму и достигнуть цели. изобретения.

Проведенные строгие расчеты позволили уточнить оптимальные характеристики термоядерной системы. Было получено, что величина Е„ = 0,03-0,1, 0,9-1,5, а p„fp2 8-40. При ч этих параметрах КПД передачи энергии от ударника в плазму составляет 202О ЗОВ.

Для определения Ь как функции других параметров системы воспользуемся следующим соображением: давление торможения полости йервого полого цилиндра Р р„9< должно быть равно давлению плазмы в момент .ее максимального сжатия, которое составляет р 200/L --- ). Поскольку из выражеР- см )

ЗО Р ния (2) у2 у2 2 2 f +1)2 о г(ф)! О(2 .то с учетом полученных численных значений для Е2 получим выражение, свяЗ эывающее три параметра термоядерной системы - ее длину, плотность вещества первого полого цилиндра и скорость ударника

Lp1 v2 = (4-10) ° 10э.

Таким образом, предложенное уст1

® ройство позволяет уменьшить запасае мую для инициирования термоядерной реакции энергию, сократить габариты и sec источника энергии.