Устройство для поджига импульсной термоядерной реакции с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков

 

Изобретение касается разработок импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием на основе использования в качестве драйвера (носителя энергии ) сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП). Цель изобретения - уве (Л 1C ;о 00 00 (иг.2

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1298807 А1 (5D 4 G 21 В 1 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3935505/24-25 (22) 13.06.85 (46) 23.03.87. Бюл. № 11 (72) Э. 3. Тарумов (53) 539.9 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1001185, кл. G 21 В 1/00, 1981.

Бабыкин М. В. и др. Инерционный термоядерный синтез на основе сильноточных генераторов РЭП.— Физика плазмы, 1982, т. 8, вып. 5, с. 901 — 914. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЖИГА ИМПУЛЬСНОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

С ПОМОЩЪЮ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ (57) Изобретение касается разработок импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием на основе использования в качестве драйвера (носителя энергии) сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) . Цель изобретения — уве1298807

15

30 личение удельного энерговклада РЭП во внешнюю поглощающую оболочку термоядерной мишени для достижения условий, необходимых для поджига импульсной термо. ядерной реакции. В устройстве осуществляется транспортировка и фокусировка сильноточных дисковых РЭП, генерируемых двумя кольцевыми высоковольтными диодами

4 с ножевыми катодами, с помощью внешнего ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией и магнитного поля пробочной конфигурации на мишень 10, расположенную на общей магнитной оси в плоскости симметрии устройства. Кольцевые диоды 4 расположены в двух экваториальных плоскостях ведущего магнитного поля, создаваемого с помощью трех основных соленоидных катушек 1, а мишень 10 окружена соленоидной катушкой 11, создающей поле пробочной конфигурации. Тол1

Изобретение касается разработок импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП).

Цель изобретения — увеличение удельного энерговклада РЭП в термоядерную мишень.

На фиг. 1 приведено предлагаемое устройство, вертикальное сечение; на фиг. 2— то же, горизонтальное сечение; на фиг. 3— высоковольтный вакуумный диод с дополнительными катушками; на фиг. 4 — мишенный узел (вариант конической мишени).

Предлагаемое устройство содержит три основные соосные соленоидные катушки 1 с обмотками, включенными навстречу друг другу в соседних катушках, расположенные горизонтально друг над другом, вне рабочего объема взрывной камеры 2. Основные соленоидные катушки создают ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией с двумя экваториальными плоскостями. Между основными катушками 1 симметрично экваториальным плоскостям и соосно с главной осью магнитной системы расположены две пары дополнительных кольцевых соленоидных катушек 3, создающих сильные магнитные локальные поля в районе расположения кольцевых диодов того же направления, что и основное ведущее магнитное поле (щелевые пробки). Дополнительные катушки 3 имеют средний диаметр такой же, как и у основных катушек l.

В зазорах, образованных каждой парой дополнительных катушек 3, расположено по одному высоковольтному вакуумному кольщина поглощающей оболочки мишени 10 составляет 1/30 — 1/20 длины пробега электронов исходной энергии в материале оболочки. Рост удельного энерговклада РЭП по внешнюю оболочку мишени достигается в результате удлинения пути электронов в ней до их полного торможения, благодаря движению электронов по ларморовской спирали в магнитной пробке, наклону поверхности оболочки, имеющей сферическую или коническую форму, к направлению силовых линий магнитного поля и из-за многократных проходов электронов через оболочку вследствие отражения их электрическим полем высоковольтных диодов 4, между которыми расположена мишень 10. Возможно использование устройства для создания мощных импульсных генераторов нейтронного и тормозного рентгеновского излучений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. цевому диоду 4, подключенному через вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) 5 к генераторам 6 сильноточных РЭП.

Каждый диод 4 состоит из тонкого кольцевого ножевого катода 7, укрепленного на высоковольтных электродах нескольких ВЛМИ

8, расположенных симметрично по кругу, и анода 9из тонкой фольги или металлизированной полимерной пленки, закрывающей вакуумно плотно щель в цилиндрической части корпуса диода 4 и обеспечивающей прохождение через него релятивистского электронного пучка.

Вакуум в диодах л ВЛМИ должен поддерживаться на уровне10 мм рт. с. Диоды

4 расположены на равных расстояниях относительно главной плоскости симметрии магнитной системы, причем кольцевые ножевые катоды 7 диодов 4, определяющие положение центральных плоскостей инжекции РЭП, смещены в сторону главной плоскости симметрии устройства от экваториальных плоскостей на величину, равную половине толщины генерируемого электронного пучка (Ьп/2) .

Радиус кольцевых диодов 4 выбирают так, чтобы ускоряющий зазор, образованный ножевым катодом 7 и анодом 9, находился в области максимума магнитного поля щелевой пробки, а ширина катодного кольца должна быть много больше величины ускоряющего зазора (при зазоре 0,5 см ширина кольца должна быть 5 см). Внутри средней основной соленоидной катушки 1, соосно с ней и симметрично относительно ее

1298807 средней плоскости, расположена ми шеи ь 10, которую охватывает соленоидная катушка 11 с токоподводами 12, создающая магнитное поле пробочной конфигурации. Внутренний диаметр соленоидной катушки 11 незначительно превышает диаметр мишени 10 (например, в 1,5 раза), а ее продольный размер должен обеспечивать достаточно плавное сопряжение силовых линий основного ведущего магнитного поля, создаваемого катушками

1, с магнитным полем пробки (длина про- !О бочной катушки 11 должна в 4 — 5 раз превышать ее внутренний диаметр). Внешний диаметр катушки 11 определяется ее конструкцией, которая должна обеспечить создание в объеме 300 — 400 см магнитного поля с напряженностью 300 кГс в режиме однократного ее использования.

Мишень представляет собой тонкую сферическую оболочку, толщина которои не превышает — - — — - длины

37Г Н пробега электронов исходной энергии в материале оболочки из твердого вещества с наружным проводящим слоем. Мишень может быть выполнена также в виде двух усеченных полых конусов, соединенных большими основаниями.

Мишень 10 с помощью тонких проводящих нитей или тонкого металлического диска 13 крепится к металлическому корпусу катушки 11 так, что ось вращения мишени совпадает с главной осью магнитной системы, а плоскость ее симметрии — с главной плоскостью симметрии. Мишень 10 через корпус катушки 11 и токоподводы 12 электрически соединяется с заземленным корпусом взрывной камеры 2. В толстых защитных стенках взрывной камеры 2, рассчитанных на удержание взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва " 10" Дж), имеются две кольцевые щели, сквозь которые РЭП попадают в рабочий объем взрывной камеры. Взрывная камера заполняется газом (воздухом) при низком давлении, составляющем несколько мм рт. ст.

Для создания плазменных каналов в уст. ройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подключен к тонким фольговым электродам 15, укрепленным с помощью изоляторов 16 на внутренней стенке взрывной камеры 2 и закрывающим кольцевые щели в ией, а другим — к заземленным анодам 9 вакуумных диодов 4 и мишени 10. Плазменные каналы заполняют силовые трубки ведущего магнитного поля по обе стороны от фольговых электродов 15 и простираются от анодов 9 вакуумных диодов до мишени 10.

Плазменные каналы, также как и инжектируемые пучки, имеют вначале, в области между анодами 9 и электродами 15, вид тонких дисков, сходящихся в направлении магнитной оси и расширяющихся за фольговыми электродами 15, в соответствии с хо20

55 дом силовых линий ведущего поля, затем они поворачивают на угол 90 и в районе мишени 10 под действием поля пробочной катушки 1! сходятся в -.узкую цилиндрическую область с диаметром, превышакнцим диаметр мишени. Фольговые электроды 15 обеспечивают беспрепятственное прохождение ЭП от диодов 4 на мишень 10 без существенного рассеяния по углу и заметных потерь энергии. Вспомогательный механизм

17 служит для доставки мишенного узла, т.е. мишени 10 вместе с пробочной соленоидной катушкой 11 в нужный момент времени в рабочее положение.

Устройство работает следующим образом.

Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нужного давления.

Затем пропускают токи номинальной величины через основные I и дополнительные 3 соленоидные катушки. В результате этого возникает ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией и сильные локальные поля в области расположения диодов. Одновременно включается вспомогательный механизм 1?, доставляющий мишенный узел в центр взрывной камеры, и возбуждается магнитное поле пробочной катушки 11 с помощью токоподводов 12.

После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный источник 14 высокого напряжения и осуществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры 2 с образованием плазменных каналов, обладающих высокой электрической проводимостью, необходимой для прямой, высокоэффективной транспортировки РЭВ на мишень 10. После этих подготовительных операций, включение которых происходит с помощью автоматического программного устройства (не показано),также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов 6 РЭВ с разбросом, не превышающим несколько нс, при полной длительности импульса 80 — 90 нс. В результате этого в диодах 4 происходит генерация двух тонких дисковых сильноточных

РЭП с относительно небольшим угловым разбросом электронов, определяемым соотношением собственного магнитного поля пучка и внешнего магнитного поля в области генерации РЭП (tg 8 .« = Н./Не, где Н вЂ” собственное магнитное поле пучка; Н к внешнее магнитное поле).

Сильноточные дисковые РЭП транспортируются вначале вдоль плоскостей инжекции с помощью ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией по заранее созданным плазменным каналам. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах 4 и фольговые электроды! 5, сильноточные РЭП транспортируются к центральной области взрывной камеры 2, где расположена мишень

I0. Благодаря небольшому смещению плоскости инжекции верхнего кольцевого диода

4 вниз в сторону центральной катушки 1, 1298807 равному j1„/2, верхний дисковый пучок распространяется вдоль силовых линий магнитного поля вниз, в сторону мишени 10, а нижний дисковый пучок благодаря аналогичному небольшому смещению плоскости инжекции вверх, в сторону центральной катушки 1, распространяется вверх, в сторону мишени 10. Таким образом, оболочка мишени облучается с двух противоположных сторон.

Так как РЭП распространяется внутри плазменнных каналов, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а благодаря высокой электрической проводимости плазмы в каналах в них генерируются обратные токи, текущие навстречу основным токам РЭП, приблизительно равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных полей РЭП в области транспортировки. Это создает условия для транспортировки РЭП в центральной области взрывной камеры 2 с КПД, близким к 100О/О.

Высокая степень компенсации прямых токов

РЭП (до 99О/ц) обеспечивает отсутствие самозапирания пучков, которое возникает при наличии больших собственных магнитных полей.

В центральной части устройства, после поворота силовых линий на 90, электроны распространяются параллельно главной магнитной оси и далее фокусируются с помощью сильного магнитного поля пробочной катушки 11 на мишень 10. Для достижения вы. сокого КПД транспортировки и фокусировки РЭП на мишень, близкого к 100 /о, радиус кольцевого катода и радиус мишени определяют из соотноШений, приведенных в формуле изобретения, в которых ток дискового РЭП одного кольцевого диода 1 и его толщина Ь„рассчитываются.

Для увеличения удельного энерговклада

РЭП в мишень в предлагаемом устройстве осуществляют эффективное поглощение энергии РЭП, близкое к 100О/р, в оболочке мишени, толщина которой уменьшена в 20 — 30 раз по сравнению с длиной пробега электронов f в материале оболочки. Это становится возможным благодаря соответствующему увеличению длины пути, проходимому в среднем каждым электроном в такой оболочке до полного торможения в ней. Увеличение длины пути электрона в тонкой оболочке достигается за счет движения электронов по ларморовской спирали в мишени, находящейся в магнитной пробке, наклона поверхности оболочки, имеющей сферическую или коническую форму, к направлению силовых линий магнитного поля многократных проходов электронов через оболочку вследствие отражения их электрическим полем высоковольтных диодов, между которыми расположена мишень.

Формула изобретения

i. Устройство для поджига импульсной термоядерной реакции с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков, содержащее генераторы релятивистских электронных пучков (РЭП), оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами с ножевыми катодами, взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена термоядерная мишень, магнитную систему, выполненную в виде трех основных соосных соленоидных катушек, расположенных на равных расстояниях друг от друга, обмотки которых включены навстречу друг другу, и дополнительных соленоидных катушек, внешний импульсный источник напряжения, который одним полюсом подключен к электродам, укрепленным на внутренней стенке взрывной камеры, а другим— к заземленным анодам высоковольтных

20 вакуумных диодов и мишени, высоковольтные вакуумные (иоды, расположенные между основными соленоидными катушками в двух плоскостях, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, отличающееся тем, что, с целью увеличения удельного энерговклада РЭП в мишень, в устройство введена соленоидная катушка, создающая магнитное поле пробочной конфигурации, расположенная вокруг мишени внутри средней основной соленоид30 ной катушки, соосно с ней и симметрично относительно ее центральной плоскости, высоковольтные вакуумные диоды выполнены кольцевыми; дополнительные соленоидные катушки расположены попарно по обе стороны от высоковольтных вакуумных диодов с обмотками, включенными так же, как и обмотки соседних основных катушек, причем радиус кольцевого ножевого катода диода и радиус мишени определяют из соотношений:

R > см, Ям = — - см, 0,1-1 k — 1 Кк.

К где 1 — ток одного кольцевого диода, А;

К= Ъа — пробочное отношение;

Иак

45 Н „— напряженность внешнего магнитного поля в области осевой пробки, где расположена мишень, Гс;

Яц„— напряженность внешнего магнитного поля в области ускоряющего зазора диода, Гс; „- толщина дискового РЭП на аноде диода, см, а толщина внешней поглощающей оболочки термоядерной мишени составляет - - — -150. 20 длины пробега электронов исходной энер55 гии в материале оболочки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде двух полых

1298807

fly 0K

Фиг.l усеченных конусов, соединенных своими большими основаниями, и расположена так, что ось вращения мишени совпадает с главной магнитной осью устройства, а поперечный размер мишени равен радиусу большого основания конусов. к5ат. аСКОСП7Ь

1298807

Фиг. 3 ги. ось ц ен лр. пп. симметрии

Составитель В. Чуянов

Редактор Н. Тупица Тех ред И. Верес Корректор О. Луговая

Заказ 752/54 Тираж 395 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4