Способ нагрева плазмы и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и направлено на создание стационарной высокотемпературной плотной полностью ионизированной плазмы. Для этого образование и нагрев стационарной плазмы осуществляется при пучково-плазменном взаимодействии при наличии электрического и неоднородного магнитного полей. Причем магнитное поле имеет пробочную конфигурацию, а радиальное электрическое поле создают в магнитных пробках, обеспечивая наличие скрещенности магнитного и электрического полей в вышеуказанных пробках. Изобретение позволяет реализовать эффективный нагрев плазмы. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано для создания источника быстрых нейтронов, а также источника мощного -излучения.

Известен способ нагрева в открытых ловушках (В.А. Чуянов. Адиабатические магнитные ловушки. Итоги науки и техники. Физика плазмы, т. 1, ч. 1, 1980, с. 119-162) с использованием различных методик нагрева, в частности инжекции пучков молекулярных ионов и быстрых нейтральных атомов.

Однако, хотя и были достигнуты определенные успехи в этих системах, наличие большого числа различных неустойчивостей (конусной, желобковой, ионноциклотронной и т.д.) не позволило практически реализовать эффективный стационарный нагрев плазмы с плотностью и ионной температурой, соответствующими реакторным требованиям.

Известен способ нагрева плазмы, образующейся в процессе ее образования в пучково-плазменном разряде в скрещенных радиальном электрическом и магнитном полях.

Известный способ реализуется за счет устройства, которое имеет цилиндрическую камеру с соосно установленными на ее торцевых стенках инжектором электронов и приемником электронного пучка, магнитную систему, систему напуска и прокачки рабочего вещества и источники электропитания инжектора электронов и радиального электрического поля (А.И. Бабицкий, А.А. Иванов, В.В. Северный и В.В. Шапкин. Пучково-плазменный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях, ДАН СССР, т.237, № 1, 1977, с. 68-70).

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет получить существенного нагрева плазмы из-за низкой величины продольного магнитного поля, не препятствующей уходу плазмы в поперечном направлении (поперечные потери энергии), а также из-за отсутствия радиального электрического поля в области градиента магнитного поля, не препятствующего уходу плазмы в продольном направлении (продольные потери энергии).

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности и величины нагрева плазмы.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что нагрев плазмы, образующейся в пучково-плазменном разряде в скрещенных радиальном электрическом и магнитном полях, осуществляют при создании магнитного поля пробочной конфигурации, устанавливая его величину достаточной для выполнения условия <1, где =(n_eT_e+n_iT_i)/(H²/8), где n_е, n_i, Т_е, Т_i - плотность и температура электронов и ионов плазмы соответственно, Н - величина магнитного поля, а радиальное электрическое поле создают в области торцов, помещенных в пробках магнитной системы.

Этот способ осуществляется за счет устройства новой конструкции, содержащего цилиндрическую камеру с соосно установленными на ее торцевых стенках инжектором и приемником электронного пучка, магнитную систему, систему напуска и прокачки рабочего вещества и источники электропитания инжектора электронов и радиального электрического поля. Магнитная система имеет пробочную конфигурацию, а диэлектрические торцевые стенки камеры расположены в пробках магнитной системы.

На чертеже изображено устройство, реализующее предложенный способ.

Устройство представляет собой цилиндрическую камеру 1 с диэлектрическими торцевыми стенками 2. Соосно с камерой установлен инжектор электронного пучка, состоящий из катода 3 и анода 4, а также охлаждаемый коллектор электронов 5. Магнитная система выполнена, например, в виде катушек 6. Система прокачки 7 представляет собой насос одного из известных типов. Устройство содержит источник питания электронного инжектора 8, включенный между катодом 3 и анодом 4, а также источник питания радиального электрического поля 9, включенный между цилиндрической стенкой камеры 1, анодом инжектора 4 и приемником пучка 5.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В объем камеры 1, помещенной в продольное магнитное поле пробочной конфигурации, создаваемое катушками 6, инжектируют по оси камеры стационарный электронный пучок. Через объем камеры с помощью системы напуска 7 пропускают рабочую смесь, которая при взаимодействии с электронным пучком переводится в полностью ионизованное состояние, а образующаяся плазма нагревается за счет сильной диссипации энергии электронного пучка вследствие развития пучковой неустойчивости. Между цилиндрической стенкой камеры 1, а также анодом 4 и приемником пучка 5 прикладывают разность потенциалов от источника 9. Так как радиальное электрическое поле возникает вблизи торцов, помещенных в пробках магнитной системы, то плазма, вращаясь в скрещенных полях, отражается от торцов в направлении центра ловушки, благодаря чему предотвращается продольный уход плазмы на торцы разрядной камеры (продольная энергоизоляция). Величина магнитного поля устанавливается такой, чтобы выполнялось условие <1, где =(n_eT_e+n_iT_i)/(H²/8), где n_е, n_i, Т_е, Т_i - плотность и температура электронов и ионов плазмы соответственно, Н - величина магнитного поля, для ограничения ухода плазмы в поперечном направлении (поперечная энергоизоляция).

Таким образом, исключив уход энергии в продольном и поперечном направлениях, изобретение позволяет реализовать эффективный нагрев плазмы.

Формула изобретения

1. Способ нагрева плазмы, образующейся в пучково-плазменном разряде в скрещенных радиальном электрическом и магнитном полях, в котором создают магнитное поле пробочной конфигурации, устанавливая его величину достаточной для выполнения условия <1, где =(n_eT_e+n_iT_i)/(H²/8), где n_е, n_i, Т_е, Т_i - плотность и температура электронов и ионов плазмы соответственно, Н - величина магнитного поля, а радиальное электрическое поле создают в области торцов, помещенных в пробках магнитной системы.

2. Устройство для реализации способа нагрева плазмы по п.1, содержащее цилиндрическую камеру с соосно установленными на ее торцевых диэлектрических стенках инжектором электронов и приемником электронов, магнитную систему, систему напуска и прокачки рабочего вещества и источники электропитания инжектора электронов и радиального электрического поля, отличающееся тем, что магнитное поле имеет пробочную конфигурацию, а торцевые диэлектрические стенки установлены в пробках магнитной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1