Способ генерации неиндукционного тороидального затравочного тока при стационарной работе термоядерного реактора

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе.

Известен способ создания неиндукционного тока в замкнутых магнитных ловушках типа «Токамак», работающих в импульсном режиме, при помощи бутстреп-тока, см., например, М.Kikuchi, M.Azumi, S.Tsuji, H.Kubo, Nuclear Fusion, 1990, V.30, P.343.

Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока мала вблизи магнитной оси установки и растет к периферии, что создает немонотонное распределение плотности тока и существенно усложняет стационарную работу реактора. В связи с этим для стационарной работ термоядерного реактора типа «Токамак» вблизи оси установки необходимо генерировать каким-либо образом дополнительный, так называемый «затравочный» ток (смотри R.J.Bickerton, J.W.Connor and J.B.Taylor, Natural physical science 229, 110 (1971), B.B.Kadomtsev, V.D.Shzfranov, in Proceedings of the 4th International Conference on Plasma Physics and Controlled nuclear Fusion Research (Vienna: IAEA, 1971) Vol.2, P.479.)

Известен способ, в котором при помощи излучения узкополосного генератора ионно-циклотронной частоты (f=f₀(1±2%)) греют все частицы, проходящие в области, в которой частота f является резонансной (M.Laxaback, T.Hellsten, Modelling of minority ion cyclotron current drive during the activated phase of ITER, Nucl. Fusion, v.45, p.1510, 2005).

Недостатком известного способа является то, что полоса частот генераторов, используемых в настоящее время для нагрева плазмы, не превышает ±2% относительно основной частоты, что приводит к тому, что создаваемый таким способом ток составляет 0.2-0.5% от омического, что недостаточно для обеспечения стационарной работы реактора.

Также известно техническое решение по патенту РФ №2019874, опубл. 15.09.1994, «СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ ТОРОИДАЛЬНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК ТИПА ТОКАМАК».

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке установок управляемого термоядерного синтеза. Сущность изобретения: для упрощения создания и поддержания стационарного тока в токамаке и других тороидальных системах электронам плазмы передают дополнительный импульс от электронов пучка, проникающего в центр плазмы. Это достигается при взаимодействии двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков. Источники плазмы расположены около стенки камеры, а электроны инжектируются вдоль магнитного поля. Расположение источников плазмы и ее параметры выбирают из условия I1>I2>Ip/n, где Ip - ток в плазме; n - число прохождений пучков вокруг тора; I1, I2 - токи пучков. Кроме этого, необходимо, чтобы энергия частиц пучков была больше тепловой энергии плазмы.

Недостатком известного решения является то, что использование взаимодействия двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков усложняет реализацию и увеличивает стоимость стационарного термоядерного реактора.

В предлагаемом изобретении используется тот факт, что потато орбиты пересекают экваториальную плоскость в любой точке экваториальной плоскости токамака, причем существует область, в которой нет частиц, с параметрами, соответствующими потато орбитам, но движущихся в обратном направлении. Сечение этой области для установки ИТЭР соответствует окружности с радиусом, равным r=0.11a, где 2a - полный размер плазменного шнура в экваториальной плоскости. Нагрев ионов на всех потато орбитах внутри упомянутой области создает продольный затравочный ток.

Так как эффективный нагрев плазмы в магнитном поле при помощи излучения на ионно-циклотронной частоте происходит только при помощи нагрева ионов, по массе отличающихся от ионов основной плазмы, а содержание таких ионов в установке не превышает 1-10%, то такие ионы называются ионами малой добавки. Наиболее близким техническим решением - прототипом (имеет признаки: Способ генерации неиндукционного тороидального затравочного тока при стационарной работе термоядерного реактора, включающий введение в плазму излучения на ионно-циклотронной частоте и высокочастотный нагрев ионов, движущихся по потато орбитам, проходящим вблизи магнитной оси токамака) является способ генерации неиндукционного тока при стационарной работе самоподдерживающегося термоядерного реактора, предложенного в работе L-G.Eriksson and F.Porcelly, Dynamics of energetic ion orbits in magnetically confined plasmas, Plasma physics and controlled fusion, v.43, p.R145, 2001. Для реализации этого предложения рассматривается нагрев ионов на потато орбите, проходящей через магнитную ось, у которой продольная скорость обращается в нуль на оси (под термином: «потато орбита» следует понимать траекторию движения частицы, на которой направление продольной скорости частицы совпадает с направлением омического тока в токамаке «…potato bootstrap current…»),- См. например:K.C.Shaing et al., Steady State Tokamak Equilibria Without External Current Drive, Phys. Rev. Letters, 79, 3652, 1997.

В этом способе для создания стационарного термоядерного реактора на основе системы «Токамак» предлагалось использовать высокочастотный нагрев только ионов, движущихся по потато орбитам, проходящих через магнитную ось токамака. При этом создают ловушку со стационарным тороидальным магнитным полем, заполняют ее плазмой с плотностью и температурой, необходимыми для осуществления самоподдерживающихся термоядерных реакций, и генерируют диамагнитный ток ионов, проходящих только через магнитную ось, при этом используется излучение узкополосного генератора ионной циклотронной частоты. Недостатком известного способа является то, что диамагнитный ток рассчитывался только на магнитной оси установки, где плотность бутстреп тока близка к нулю, а при удалении от оси установки плотность бутстреп-тока нарастает. Такое сильно немонотонное распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы.

Техническим результатом предложенного изобретения является использование механизма генерации затравочного тока в рассматриваемой области при увеличении поперечной энергии частиц малой добавки (например ³He), движущихся по этим орбитам при помощи излучения широкополосного генератора ионной циклотронной частоты, что позволяет существенно увеличивать неиндукционный продольный ток по сравнению с током, получаемым известными методами, в частности, по сравнению с прототипом.

Для достижения указанного технического результата предложен способ генерации неиндукционного тороидального затравочного тока при стационарной работе термоядерного реактора, включающий введение в формируемую в вакуумной камере реактора плазму излучения на ионно-циклотронной частоте и высокочастотный нагрев ионов, движущихся по потато орбитам, проходящим вблизи магнитной оси токамака,причем, дополнительно в плазму вводят ионы ³He, высокочастотный нагрев которых производят посредством широкополосного (Δf=±0.04f₀) излучения генератора ионной циклотронной частоты, причем нагрев осуществляют в области с радиусом до $$r=\frac{3}{2^{\raisebox{1ex}{$5$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}}Aa{\varsigma }^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}$$ вблизи магнитной оси установки, где: A=R/a - аспектное отношение, $$\varsigma =\frac{2q{\rho }_i}{R}$$ ρ_i - ларморовский радиус иона, q - коэффициент запаса устойчивости, R и а - большой и малый радиусы токамака,

при этом

- при формировании плазмы вакуумную камеру реактора заполняют смесью дейтерия, трития, а ионы ³He добавляют в количестве от 1 до 5% относительно количества ионов основной плазмы.

Для достижения технического результата в способе генерации неиндукционного тороидального затравочного тока при стационарной работе термоядерного реактора создают ловушку со стационарным тороидальным магнитным полем, заполняют ее плазмой с плотностью и температурой, необходимыми для осуществления самоподдерживающихся термоядерных реакций, добавляют в нее ионы малой добавки (в дейтериево-тритиевой плазме это могут быть ионы ³Не), увеличивают поперечную энергию ионов малой добавки при помощи излучения широкополосного генератора ионно-циклотронной частоты.

В способе генерации тороидального затравочного тока при стационарной работе самоподдерживающегося термоядерного реактора осуществляют следующую последовательность операций.

Вакуумную камеру термоядерного реактора типа «Токамак» заполняют смесью дейтерия и трития с небольшим (порядка 1-5%) количеством ³He. Внутри камеры создают тороидальное магнитное поле и возбуждают вихревое электрическое поле, осуществляют пробой газа, возбуждают омический (индукционный) ток, в результате чего камера установки заполняется плазмой. Регулируют величину вихревого электрического поля, величину поступающей в камеру из дополнительного устройства дейтерий-тритиевой смеси и, используя систему дополнительного нагрева ионов и электронов, достигают рабочих параметров плазмы. Одновременно при помощи излучения широкополосного генератора ионно-циклотронной частоты увеличивают поперечную энергию ионов добавки, что приводит к генерации тороидального затравочного тока в конечной области вблизи магнитной оси установки. Величина этого тока определяется величиной запаса устойчивости вблизи оси установки, величиной области, в которой производится нагрев, сортом и количеством ионов малой добавки.

В предложенном способе генерации тороидального затравочного тока вблизи магнитной оси термоядерного реактора при стационарной работе термоядерного реактора используется увеличение поперечной энергии потато частиц за счет использования излучения широкополосного генератора ионно-циклотронной частоты, пересекающих экваториальную плоскость установки в области, в которой нет частиц, движущихся в противоположном направлении (термин: «потато частиц» подразумевает частицы (ионы), движущиеся по «потато орбите»).

Практически реализация предложенного решения поясняется приведенными ниже параметрами работы и соотношениями используемых регулируемых величин.

А именно: в предложенном способе генерации неиндукционного тороидального затравочного тока и полоидального магнитного поля в токамаке для обеспечения стационарной работы термоядерного реактора дополнительно генерируют неиндукционный тороидальный затравочный ток с использованием частиц, движущихся по потато орбитам в конечной области вблизи магнитной оси. Параметры этой области определены ниже.

Для оценки используем следующие параметры установки ИТЭР:

Радиус области, в которой необходимо производить нагрев ионов

$$r=\frac{3}{2^{\raisebox{1ex}{$5$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}}Aa{\varsigma }^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}\left(1\right)$$

где А=R/а - аспектное отношение, $$\varsigma =\frac{2q{\rho }_i}{R}$$ ρ_i - ларморовский радиус иона.

Для ИТЕР r/a=0.114. Ширина полосы ионно-циклотронных частот генерации

$$f=f_0\left(1\pm \epsilon \right)=f_0\left(1\pm 0.04\right)\left(2\right)$$

где $$\epsilon =\frac{r}{R}$$ .

Расчеты показывают, что предлагаемый метод позволяет создать вблизи оси установки ИТЕР неиндукционный тороидальный затравочный ток величиной 1 МА, т.е. ток, максимальная величина которого составляет 6.7% от величины омического тока, что более чем в 10 раз превышает величину неиндукционного тока, создаваемого известным способом.

1. Способ генерации неиндукционного тороидального затравочного тока при стационарной работе термоядерного реактора, включающий введение в формируемую в вакуумной камере реактора плазму излучения на ионно-циклотронной частоте и высокочастотный нагрев ионов, движущихся по потато орбитам, проходящим вблизи магнитной оси токамака, отличающийся тем, что дополнительно в плазму вводят ионы ³He, высокочастотный нагрев которых производят посредством широкополосного (Δf=±0.04f₀) излучения генератора ионной циклотронной частоты, причем нагрев осуществляют в области с радиусом до вблизи магнитной оси установки, где: A=R/a - аспектное отношение, ρ_i - ларморовскии радиус иона, q - коэффициент запаса устойчивости, R и a - большой и малый радиусы токамака.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании плазмы вакуумную камеру реактора заполняют смесью дейтерия, трития, а ионы ³He добавляют в количестве от 1 до 5% относительно количества ионов основной плазмы.