Термоядерный реактор
Заявленное изобретение относится к области энергетических установок типа токомак и может быть использовано при создании и проектировании магнитных термоядерных установок с активной зоной в виде тора. В заявленном термоядерном реакторе активная зона выполнена в виде вихревого тора, при этом система охлаждения выполнена в виде проточно-испарительного теплообменника, имеющего также форму вихревого тора, эквидистантно расположенного относительно активной зоны. Часть магнитных ловушек размещена между витками вихревого тора. Техническим результатом является увеличение объема активной зоны, увеличение площади теплообмена, возможность создания условий для более эффективной стабилизации плазмы и предотвращения касания плазмы стенок активной зоны. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к области энергетических установок типа токомак и может быть использовано при создании и проектировании магнитных термоядерных установок с активной зоной в виде тора. Изобретение решает скорее не научную проблему, а направлено на оптимизацию инженерной компоновки ее отдельных узлов.
В качестве аналога можно рассмотреть патент РФ [1] на квантовый ядерный реактор. Как утверждается в описании, это устройство помимо получения классической энергии в виде тепла способно вырабатывать и когерентное излучение (подобно лазерному), а также синтезировать новые элементы.
В качестве аналога можно рассмотреть конструкцию термоядерного реактора [2], заполненную под давлением 40 атмосфер газом, например водородом. Две боковые стенки реактора являются зеркалами, между которыми в центре камеры фокусируется энергия волн СВЧ-диапазона. Такая система является объемным резонатором радиоволн.
Однако эти проекты не относятся в полной степени к самому переспективному типу термоядерного реактора магнитного типа с активной зоной в виде тора (так называемого токамака).
В качестве прототипа выбран строящийся проект термоядерного реактора ИТЭР [3], содержащий активную зону в виде тора, систему охлаждения, систему магнитных ловушек плазмы и систему управления. Однако из-за того, что активная зона выполнена в виде обычного тора, возникает масса проблем - не создаются оптимальные условия для устойчивости плазмы, нет технологического пространства для гармоничного монтажа систем магнитных ловушек вокруг активной зоны. Ограниченная площадь теплосъема с активной зоны, имеющей форму обычного тора, создает неразрешимые инженерные теплофизические проблемы, особенно при переходе на строительство термоядерных реакторов энергетического назначения.
Предлагаемый энергетический реактор содержит активную зону в виде тора, систему охлаждения, систему магнитных ловушек плазмы и систему управления.
Особенность предлагаемого ректора заключается в том, что активная зона выполнена в виде вихревого тора, система охлаждения выполнена в виде проточно-испарительного теплообменника, имеющего также форму вихревого тора, эквидистантно расположенного относительно активной зоны, а часть магнитных ловушек размещена между витками вихревого тора.
К особенностям можно отнести и то, что активная зона снабжена двумя типами магнитных ловушек 3а и 3б, согласованных в работе между собой, причем один тип магнитных катушек равномерно распределен по поверхности вихревого тора, а вторая установлена по его оси.
На фиг.1 схематично изображена только активная зона строящегося термоядерного реактора ИТЭР, у которого активная зона выполнена в виде простого тора.
На фиг.2-7 показаны модификации активной зоны с нарастающим приближением к форме вихревого тора. На фиг.2 простой тор сделал первый шаг в формировании более сложного вихревого тора. Оба рисунка фиг.2 - это один и тот же рисунок активной зоны реактора с разных позиций (сверху и сбоку). Аналогично, с разных позиций, но попарно объединенных, показаны усложнения вида активной зоны термоядерного реактора с тремя витками (рис.3), четырьмя (рис.4), пятью, (рис.5), шестью (рис.6) и семью (рис.7) На фиг.8 представлена активная зона с большим числом витков.
На фиг 9 и 10 представлен термоядерный реактор, содержащий активную зону 1в виде тора, систему охлаждения 2, систему магнитных ловушек плазмы 3 и систему управления 4, отличающийся тем, что активная зона выполнена в виде вихревого тора 1, система охлаждения 2 выполнена в виде проточно-испарительного теплообменника, имеющего также форму вихревого тора, эквидистантно расположенного относительно активной зоны, а часть магнитных ловушек 3 размещена между витками вихревого тора 1.
Активная зона 1 снабжена двумя типами магнитных ловушек 3, согласованных в работе между собой, причем один тип магнитных ловушек 3 равномерно распределен по поверхности вихревого тора, а второй тип магнитных ловушек 3 установлен по его оси. Все типы магнитных ловушек 3 однотипны, поскольку кривизна на всех участках цилиндрического тора 1 одинакова. Магнитная ловушка 3, согласованно работающая с магнитными ловушками 3 по оси, обеспечивает условия для зажигания и поддержания устойчивости плазмы вдоль всей активной зоны.
Работает предлагаемый термоядерный реактор следующим образом. Как и в токомаке активная зона выполнена в виде тора, но тора не простого, а вихревого. Перед запуском реактора вихревой тор вакуумируется, обезгаживается и заполняется термоядерным газообразным топливом (например, смесью трития и дейтерия, или на основе гелия). Затем с помощью магнитных ловушек 3 создается тородоидальное магнитное поле, повторяющее форму спирального тора активной зоны 1. Возникающее электрическое поле вызывает протекание тока через термоядерное топливо и зажигание в активной зоне 1 высокотемпературной плазмы. В результате выбора формы активной зоны 1 в виде вихревого тора обеспечиваются более стабильные условия для стабилизации плазмы и предотвращения касания плазмы бесконечно, но многократно выше, чем у реактора с активной зоной 1 в виде простого тора. Для дополнительного разогрева плазмы можно использовать как микроволновое излучение на резонансных частотах, так и инжекцию в плазму предварительно ускоренных нейтральных атомов дейтерия или лития.
Помимо снятия ряда проблем по устойчивости плазмы, выбор активной зоны в виде вихревого тора позволят существенно увеличить объем активной зоны и увеличить площадь теплообмена, что снимает ряд технологических ограничений по организации теплоотвода от активной зоны 1 и других элементов инженерного назначения, которые трудно вписываются в активную зону с простым тором.
Литература, принятая во внимание
1. Патент РФ №2087951 «Квантовый ядерный реактор».
2. Патент РФ №2076358 «Термоядерный реактор».
3. Федеральная целевая программа РФ «Международный термоядерный реактор ИТЭР» на 2002 - 2005 годы. www.programs-gov.rn/ext/113/content.htm - 3k -.
1. Термоядерный реактор, содержащий активную зону в виде тора, систему охлаждения, систему магнитных ловушек плазмы и систему управления, отличающийся тем, что активная зона выполнена в виде вихревого тора, система охлаждения выполнена в виде проточно-испарительного теплообменника, имеющего также форму вихревого тора, эквидистантно расположенного относительно активной зоны, а часть магнитных ловушек размещена между витками вихревого тора.
2. Термоядерный реактор по п.1, отличающийся тем, что активная зона снабжена двумя типами магнитных ловушек, согласованных в работе между собой, причем один тип магнитных ловушек равномерно распределен по поверхности вихревого тора, а второй установлен по его оси.
