Способ удержания и нагрева плазмы и устройство для его реализации

 

1. Способ удержания и нагрева плазмы, включакщий создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры , и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения знака запаса устойчивости на обратный по радиусу плазменного шнура, отличающийс я с целью повьш1ения температуры плазмы путем снижения взаимодействия плазмы со стенкой, внешнее магнитное поле создают спирального типа пропусканием токов через систему первых и вторых спиральных обмоток, намотанных в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительно другой вдоль оси камеры, при этом токи в первых и вторых обмотках противоположны по направлению, а величины токов в обмотках и тока плазменного шнура выбирают иэ условия /( в пределах плазменного шнура. (Л vl ю ;О fj

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) i)4. С 21 В 1/00, l3 „

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ПАТЕНТ,Ф!

4l16ilN; ""; p

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2809244/18-25 (22) 03.09.79 ((31) 7503 (32) 29.01.79 (33) US (46) 07.03.86. Бюл, Р 9 (71) ГА Текнолоджиз Инк (US) (72) Тахиро Окава (ЛР) (53) 533.9 (088.8) (56) Муховатов В.С. Токамаки. — Итоги науки и техники. Сер. "Физика плазмы", т.1, ч,1. — М., 1980, с.6-118. (АН СССР).

0rtol.ani S. Reversed — field

pinch (RFR) Configuration. - Nuclear

fusion, vol.. 19, ll 4, 1979, р.535, (54) СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ И НАГРЕВА

ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТ ВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ удержания и нагрева плазмы, включающий создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения знака запаса устойчивости на обратный по радиусу плазменного шнура, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения температуры плазмы путем снижения взаимодействия плазмы со стенкой, внешнее магнитное поле создают спирального типа пропусканием токов через систему первых и вторых спиральных обмоток, намотанных в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительно другой вдоль оси камеры, при этом токи в первых и вторых обмотках противоположны по направлению, а величины токов в обмотках и тока плазменного шнура выбирают из условия /$/ < 1 в пределах плазменного шнура.

1?17269

2..Способ по п.1, о т л и ч а ющ и Й с я тем, что токи в спиральных обмотках создают равными по величине.

3. Способ по п,1, о т л и ч а юшийся тем, что накладывают внешнее продольное магнитное поле, 4, Способ по п.3, о т л и ч а юшийся тем, что внешнее магнитное поле создают совпадающим по направлению с током в плазменном шнуре.

5. Способ по п.3 о т л и ч а юшийся тем, что продольное магнитное поле создают изменением соотношения токов в спиральных обмотках.

6. Способ по п,1, о т л и ч а юшийся тем, что величину спирального и продольного магнитных полей выбирают так, что сепаратриса магнитного поля занимает положение внутри камеры, 7. Способ по п,6, о т л и ч а юшийся тем, что ток в шнуре изменяют до тех пор, пока сепаратриса магнитного поля не займет положение внутри камеры.

Я, Устройство для удержания и нагрева плазмы, содержащее осесимметричную камеру, средства для соэ" дания плазмы и поддержания в ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано при разработке термоядерных реакторов.

Известны способы удержания и нагрева плазмы, включающие создание, удержание и нагрев плазмы в закрытых магнитных ловушках с помощью внешних магнитных систем, создание

P в плазме токов, достаточных для нагрева и удержания плазмы внешними и собственными полями.

К числу устройств, реализующих известные способы относятся устройство управляемого термоядерного синтеза с тороидальными камерами токамак, стелларатор и z-пин обратным полем, по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что система обмоток содержит первые и вторые спиральные обмотки, намотайные в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенные одна относительно другой вдоль оси камеры, и введены средства поддержания в указанных обмотках противоположно направленных токов. г

9. Устройство по п.1, о т л и чающе е ся тем, что в него введено средство независимого поддержания токов в первых и вторых спиральных обмотках °

1О. Устройство по п.8, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что обмотки

9 намотаны под углом 45 по отношению к оси камеры.

11 ° Устройство по п.8, о т л и— ч а ю ш е е с я тем, что оно содержит две первых и две вторых спиральных обмотки.

12, Устройство по п.8, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно содержит три первых и три вторых спи ральных обмотки.

13. Устройство по п.8, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что камера выполнена тороидальной конфигураци, В токамаках ток тороидальной плазмы создается трансформатором, в качестве вторичной обмотки которого служит удерживаемый в тороидальной камере газ, а в качестве первичной — центральный соленоид.

Во время возникновения нли эатуканин магнитного поля, наведенного током в соленоиде, возникает тороидальное электрическое поле, ионизирующее газ и создающее плазменный ток вокруг тока. Пинч-эффект, возникающий вследствие пропущенного тока, заставляет заряженные

15 частицы плазмы стремиться к центру тока плазмы. Однако ток плазмы сам по себе нестабилен и некоторая часть. плазмы касается удерживающего резервуара, что приводит к охлаждению плазмы и затруднению любой реакции. Исходя из этих соображений токамак имеет также тороидальную обмотку возбуждения, расположенную вокруг удерживающего резервуара с целью создания черезвычайно сильного тороидального магнитного поля. Взаимодействие тороидального магнитного поля с полоидальным магнитным полем, созданным током плазмы, приводит к относительно стабильному удержанию плазмы.

В стеллараторах удержание плазмы осуществляют посредством магнитных полей, создаваемых внешними обмотками, не полагаясь на ток плазмы. В стеллараторах тороидальная обмотка возбуждения, такая же как в токамаке, наводит относительно сильное тороидальное магнитное поле, в котором создается плазма.

В дополнение к тороидальному магнитному полю обмотками, спирально расположенными вокруг тороидального удерживающего резервуара, создается спиральное поле. Комбинация тороидального поля со спиральным магнитным полем порождает суммарное скрученное магнитное поле, обеспечивающее относительную стабильность плазменного устройства.

Трудностью в стеллараторах является проблема создания плазмы в устройствах значительного размера и обеспечения требующегося очень сильного магнитйого поля.

Наиболее близким к предлагаемому является способ удержания и нагрева плазмы, включающий создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с. помощью системы обмоток, спиральна намо ганных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения запаса устойчивости q .на обратный между границей плазменного шнура и стенкой камеры.

Этот способ реализуется в известном устройстве управляемого термоядерного синтеза, содержащем осесимметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в l

17269

4 ! ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере.

Известный способ сводится к удержанию плазмы захватом тороидального поля в шнуре и наведением тороидального поля, изменяющего свой знак при переходе от шнура к стенке ка1р меры на обратный, Известное устройство содержит внешние обмотки, которые совместно с током шнура создают полоидальные и тороидальные поля, близкие по величине, а тороидальное поле меняет в наружной области плазмы свой знак на обратный е

Все названные устройства имеют общие черты, и все они должны иметь необходимое значение запаса устойчивости q, определяемого как средняя длина, пройденняя в тороидальном направлении на единичный полоидальный угол вращения линий маг2 нитного поля на поверхности потока, отнесенная к главному радиусу тора: с J z/J8>

Ч = )

30 где z — - пройденное расстояние в тороидальном направлении;

8 — полоидальный угол перемещения;

R — главный радиус тора.

Поверхность потока определяется как поверхность, на которой плот ность магнитного потока не имеет нормальной к ней составляющей. Ес40 ли r — малый радиус тора то усЭ ловие МГД устойчивости имеет вид

iql 3E 13 (1)

Jq/Jr Ф О. (2) (r 3а

45 Величина, — - должна быть дос,а-, таточка большой, чтобы удовлетворять критерию Мерсье. Устройства типа токамак и те стеллараторные устройства, в которых наблюдается значи50 тельный плазменный ток, в основном удовлетворяют условию (1) посредством работы при lql>1 по всей плазме.

Напротив, устройства типа з-пинча с обратньм полем работает при )qJc 1

>> по всей плазме. Существенно большая (r да( величина (—.- (, подразумевающая (q Sr значительный шир, получается в пин12172б9 че с обратным полем путем изменения знака q на обратный на границе плазмы по радиусу плазменного шнура, В случае пинча с обратным полем поверхности потока осесимметричны, a q выражается через тороидальное магнитное поле В,, полоидальное магнйтное поле В>, главный радиус тора R и малый радиус тора r совершенно аналогично тому, как это имеет место для кругового токамака:

В r (3)

В R

Так как В направлено всюду одинаково, измейение знака q может быть получено только за счет изменения направления В . В пинче с обратным полем условие инверсии знака о может быть выполнено в течение короткого времени, так как нужная конфигурация поля поддерживается в известном устройстве только в присутствии полоидальных токов в плазме, которые быстро распадаются„ а магнитное удержание шнура при этом быстро становится неэффективным.

Цель изобретения — повышение температуры плазмы путем снижения взаимодействия плазмы со стенкой.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу удержания и нагрева плазмы, включающему создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного ноля с помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения запаса устойчивости q на обратный между границей плазменного шнура и стенкой камеры, внешнее магнитное поле создают спирального тина пропусканием токов через систему первых и вторых спиральных обмоток, намотанных в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительно другой вдоль оси камеры, при этом токи в первых и вторых обмотках противоположны по направлению, а величины токов в обмотках и тока плазменного шнура выбирают из условия )q)с 1 в пределах плазменного шнура, Кроме того, по зависимым признакам токи в спиральных обмотках могут быть равны по величине, может быть наложено продольное магнитное поле, в том числе совпадающее по направлению с током в плазменном шнуре, Указанное поле может быть создано изменением соотношения токов в спиральных обмотках, величину спирального и продольного магнитных полей выбирают так, что сепаратриса магнитного поля находится внутри камеры, причем ее положение могут задавать изменением тока в шнуре, Для реализации предлагаемого щ способа в устройстве, содержащем осесимметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере, система обмоток содержит первые и вторые спиральные обмотки, намотанные в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенные одна относительно другой вдоль оси камеры, и введены средства поддержания в указанных обмотках противоположно направленных токов.

Устройство может быть снабжено средством независимого поддержания токов в первых и вторых спиральных обмотках, которых может быть по две или три. Обмотки могут быть намотаны под углом 45 к оси о камеры, а сама камера выполнена тороидальной конфигурации.

На фиг.1 показано устройство управляемого термоядерного синтеза, реализующего предлагаемый способ, общий вид; на фиг.2 — то же, сечение вдоль главной оси тора; на фиг.3 - пример выполнения спиральных обмоток; на фиг.4 — устройство, вид сверху; на фиг,5 — разрез А-А на фиг,4; на фиг.б представлена зависимость составляющих плотностей тока j„, j, магнитного поля

В, В> и запаса безопасности q от безразмерного радиуса r/r ; на о фиг. 7 — графическая иллюстрация поверхностей магнитного потока на двух частных радиусах предлагаемого устройства; на фиг.8 — упрощенная

t 2! 7,269

55 схема устройства, показанного на фиг.2, Устройство (фиг.1 и 2) содержит тороидальную камеру 1, содержащую соответствующий газ при заданном низком давлении. Первая стенка 2 камеры выполнена из тонкостенной нержавеющей стали, что способствует быстрому проникновению тороидального электрического поля и возникновению тока плазмы. Стенка 2 расположена внутри тороидальной оболочки 3, выполненной из относительно толстого медного листа, образующего тороидальную полость 4. Последняя вакуумируется через трубки 5 и коллектор 6 посредством вакуумного насоса (не показан). Камера 1 вакуумируется через трубки 7 и коллектор 8 этим же вакуумным насосом.

Оболочка 3 (фиг.4 и 5) имеет керамическую перемычку 9, служащую для прерывания тороидальной проводящей траектории вокруг оболочки 3.

Проводимость стенки 2 достаточно мала по отношению к проводимости плазмы с целью уменьшения потерь энергии. Таким образом, магнитное поле может быстро проникать в проводящую оболочку 3 благодаря керамической перемычке 9, и проникать сквозь стенку 2,так как она относительно тонка и имеет меньшую проводимость, чем материал, из которого изготовлена оболочка 3. В то же время стенка 2 создает электрический мостик поперек керамической перемычки 9, а проводящая оболочка 3 способствует стабилизации плазмы.

Как в случае устройств типа токамак, ток плазмы создается тороидальным электрическим полем, наведенным соленоидной обмоткой 10, расположенной аксиально с главной осью тороидальной камеры 1 и внутри тора. Тороидальное электрическое поле создается при включении соленоидной обмотки 10 и дополнительных витков 11, введенных для направления полоидального потока за пределами стенки 2. Соленоидная обмотка 10 и дополнительные витки 11 запитываются обычным путем от источника энергии (не показан), причем изменение электрического тока в обмотке 10 вызывает изменение магнитного потока, связывающего оди

40 ночный виток, образованный стенкой 2, Изменение потока вызывает образование тока плазмы в обьеме камеры 1.

Множество первых спиральных обмоток 12 намотано на каркас 13. окружающий оболочку 3, Первые обмотки (фиг.2) равномерно расположены вокруг малой окружности каркаса t3, который может быть выполнен из двух половин, соединенных вместе болтами. Множество вторых спиральных обмоток 14 намотано на каркас 13 практически между соответствующими витками первых обмоток.

Каждая из обмоток 12 и 14 может быть образована множеством проводников 15, которые могут иметь прямоугольное поперечное сечение и изолированы один от другого ° Проводники 15 могут иметь центральные каналы 16 для циркуляции хладагента с целью охлаждения проводников °

Первая и вторая обмотки 12 и 14 выглядят спиральными, хотя они не образуют настоящие спирали в смысле намотки их на круглые цилиндры.

Обмотки 12 и 14 намотаны одинаково так, что первые обмотки после полного оборота вокруг тора соединяются с первыми обмотками, а вторые — с вторыми. При этом образуются непрерывные обмотки на всем пути при обходе вокруг главной оси тора.

Число витков обмоток должно быть целым или целым + 1/2 витка. В последнем случае одна первая обмотка при первом обходе переходит в другую первую обмотку при втором обходе тора. То же самое справедливо для вторых обмоток 14.

Первые обмотки 12 запитываются от источника 17 постоянного тока, а вторые обмотки 14 — от источника 18 постоянного тока. Источники 17 и 18 постоянного тока имеют противоположную полярность, так что через соответствующие первую и вторую обмотки ток идет в противоположных направлениях. Такие токи обеспечивают спиральное магнитное поле с устойчивыи состоянием в ебъеме камеры 1 суммирующееся с полоидальным магнитным потоком, наведенным током плазмы.

Спиральные обмотки 12 и 14 предпочтительно намотаны с таким

121 72

20 шагом, что обеспечиваются относительно малые межвитковые силы и хорошая стабильность плазмы, Угол около 45 по отношению к малой оси о тора наиболее приемлем.

Как показано на фиг.1-3, могут быть намотаны две первые обмотки и две вторые обмотки, расположенные вокруг малой окружности тора.

Три таких обмотки также могут быть использованы для более полного заполнения камеры плазмой, обладающей меньшей стабильностью. При некоторых условиях может быть большее число обмоток. Источники питания могут быть подсоединены так, что ток через первые обмотки может быть равен или немного больше тока через вторые обмотки, в то время как чисто тороидальное магнитное поле создается спиральными обмотками 12 и 14.

Общий ток во вторых обмотках 14 сравнивается по величине с половиной тока плазмы.

Дополнительные витки 11 могут быть задействованы для создания вертикального магнитного поля в плазме с целью уравновешивания действия кольцевой силы, старающейся расширить плазму по большому радиусу или для настройки равновесной плазмы на лучшую стабильность, Устройство может имегь смотровые отверстия.

Устройство работает следующим образом.

Ток плазмы, генерируемый при включении соленоидной обмотки 10 и дополнительных витков 11, достигает максимума порядка 40 кА при амплитуде магнитного потока около 0,3 Вбс при времени возрастания около 10 мс.

Для достижеиИя отношения 1 давления плазмы к давлению магнитного поля около О, 1 при сохранении хорошей ста бильности, типичная температура Т плазмы должна быть около 100 эВ при плотности и порядка 10 - 1/см

t5 9 плотности магнитного потока В порядка 1 кГс, времени удержания энергии 0 около 0,3 мс и длительности импульса ь„„„ порядка 30 мс. Общий ток в первых обмотках около 20 кА, а во вторых обмотках тоже около

20 кА. Отношение среднего радиуса г тока плазмы к среднему радиусу обмоток ry составляет порядка 0,75.

При таких условиях определены качественно равновесные профили oII69 0 ределенных параметров (фиг. 6), указанные равновесные профили показаны в условных единицах).

Связи между различными параметрами системы и их влияние на работу системы сложны и зависят от многих факторов. Кривые на фиг.6 получены на основе определенных параметров, которые были выбраны произвольно.

Для показанных кривых аспектное отношение, являющееся отношением большого радиуса тора к меньшему, велико. Более конкретно показанные параметры следующие: j — плотность

z тока в направлении малой оси тора; — плотность тока в направлении

О вокруг малой оси;  — плотность магнитного потока в направлении малой оси; В0 — запас устойчивости,от несенный к В и шагу линий магнит2 ного поля, как определено ранее (1).

Параметр r/r> — отношение координаты малого радиуса к малому радиусу сепаратрисы причем это отношение оцеУ о нено при угле 45 к оси Х/r на фиг.7, где показаны также поверхности С и 0 магнитного потока, генериуемого при этих условиях в точках

А и В на фиг.6. Условием стабильности является прохождение q через ноль.

Анализ стабильности плазмы при реализации предлагаемого способа затруднен, так как описание, становится очень сложным для определенных конфигураций. Для достижения изме- ненного эффекта, например, желательно работать с высоким аспектным отношением. В таких случаях тороидальными эффектами можно пренебречь и ограничиться цилиндрической аппроксимацией, Критерий МГД устойчивости

Мерсье в этом случае может иметь вид критерия Сайдама:

1 1пц 2 1dP () +, 0 °

4r д1пг r В Jr

Шнуры могут быть сделаны стабильными путем профилирования В и q. Внешняя часть плазмы стабилизируется высоким широм и малым по отношению к осевому полю. Внутренняя часть плазмы стабильна, когда в ней имеется распределение давления. В этих F .конфигурациях осевое поле реверси руется„ т.е, имеется нулевая точка

55 осевого поля в плазме. Профиль рас пределения параметров должен поддерживаться для обеспечения стабильности в течение всего разряда. Это

1217269

12 представляет одну из трудностей реализации пинча с обратным полем.

Обьясняя с физической точки зрения конструкцию на фиг.1-5 и кривые на фиг.6 и 7, можно заключить, что скрученное магнитное поле, порожденное током плазмы, и спиральное магнитное поле, созданное посредством обмоток 12 и 14, приводит к созданию поверхностей магнитного потока, причем запас устойчивости q имеет существенный спад характеристики и монотонно падает, изменяя знак, около внешней границы плазмы, При равенстве токов в спиральных обмотках В отсутствует, кроме наведенного полоидальными токами плазмы. Однако . средняя величина В на поверхности потока может быть не равна нулю, что видно из фиг,8, которая является упрощением фиг.2.

Обмотки 12 и 14 представлены одиночными проводниками. Пунктирные линии 19 и 20 разделяют, пространство в камере 1 на квадранты I - IV. Ha этих линиях тороидальное магнитное поле равно нулю, В квадрантах 1 и

1Il тороидальное поле создается первыми обмотками 12 и направлено иэ плоскости, показанной на фиг.8. В . квадрантах П и IV тороидальное поле направлено в противоположном направлении. Тороидальное поле, усредненное по круговой петле 21, равно нулю. Если круг вытягивается в эллипс 22, то тороидальное поле, усредненное по петле, не равно нулю. Для петли 22 траектория длиннее в квадрантах j и И и короче в квадрантах IJ u Iv . Траектория также ближе к первым обмоткам 12 в квадрантах I и П1, где тороидальное поле сильнее, и дальше от вторых обмоток 14 в квадрантах П и IY в ослабленном тороидальном поле.

Как избыточная длина, так и большое поле создают ситуацию, когда усиление средней величины делает квадранты I u III доминирующими, Этим создается среднее тороидальное

50,время удержания и температуру плазмы, 5 !

О

45 поле на петле 22„ направленной иэ плоскости на фиг.8. Около центра плазмы чисто тороидальное поле генерируется полоидальным током плазмы. В точке около границы плазмы эффект сохранения полоидального тока плазмы относительно много слабее и может быть перевешен действием тороидального поля. Это приводит к изменению знака q при сбалансированных обмотках, когда приложены соответствующие токи и поля соответствующей полярности.

Предлагаемое устройство коренным образом отличается и по принципу работы, и по конструкции от известных, что было показано на примерах токамаков, стеллараторов и устройств плазменного шнура с обратным полем, хотя предлагаемое устройство имеет с каждым из перечисленных общие черты, а именно: как в токамаке, оно нуждается в токе плазмы для генерирования магнитного потока соответствующей конфигурации, и конфигурация не разрушается в результате диффузии потока.

Для токамака требуются тороидальные обмотки возбуждения, а не спиральные, в то время, как предлагаемое устройство требует спиральных обмоток, а не тороидальных. Для токамака выполняется условие )q(> 1, в предлагаемом устройстве этого не требуется. Предлагаемое устройство требует, чтобы q меняло знак, а в токамаке это не выполняется, Подобным образом устанавливается различие предлагаемого устройства от стелларатора.

Преимущество перед устройствами линча с обратным полем заключается в том, что в известных устройствах режим работы с требуемым профилем q может быть реализуем в течение короткого времени. Предлагаемое устройство может обеспечить квазистационарный режим работы и повысить

1217269

Мак Р

/g// 7! ф у.дР с //7

«Ф

Щсу 5

P+

Ъ (ф/Я с /

ВЕПЕИ Заказ )Î08/63