Камера для удержания плазмы

Камера для удержания плазмы.

Предлагаю рассмотреть источник энергии на основе управляемого термоядерного синтеза.

В процессе многолетних исследований в этой области, удалось выявить несколько практически не преодолимых проблем. Среди них достижение необходимых для реакции температуры и плотности реакционной среды. При этом, в промышленном варианте реактора, большое значение имеет распределение температур среды от области реакции до ближайшей стенки. Проблема достижения двух несовместимых состояний. Чтобы стенка выстояла и чтобы не помешала осуществлению реакции. Иначе или термоядерная бомба или «пшик». Допустим, Солнце работает с резервом, по градиенту температур, в два порядка, тогда размеры реактора, при температуре стенки шестьсот градусов, будут меньше Солнца в десять раз. Магнитное удержание действенно

до начала реакции, большая часть, энергии синтеза, выделяется в виде нейтронов они будут воздействовать непосредственно на стенку. Добавляется проблема, как сохранить стенку в стационарном режиме реакции и защитить зону реакции от воздействия стенки.

Основным устройством в исследовании управляемого термоядерного синтеза принят токамак - вакуумная камера в форме бублика и внутри ее с помощью мощного газового разряда создали нагретый, до очень высокой температуры, газ – высокотемпературную плазму. Форма

бублика очень удобна для зажигания электрического разряда. При определенном разрежении, посредством трансформаторной связи, инициируется разряд в газе. При одном направлении магнитного поля, носители тока в плазме, положительные ионы и электроны движутся в разных направлениях. Электроны более подвижны и воспринимают большую часть энергии, передаваемую магнитным полем. Дальше начинаются трудности связанные с формой реакционной камеры. Для стабилизации плазмы используется сильное продольное магнитное поле, распределенное по большому периметру тора. Приходится удерживать магнитное поле в большом объеме. За годы исследования на «токамаках» выявилась главная проблема – невозможность удержать в стабильном состоянии канал электрического разряда, при сжатии его магнитным полем, для достижения параметров плазмы, необходимых для начала реакции синтеза. Приходится держать в стабильном состоянии плазменное образование сложной формы: тонкая, очень длинная, замкнутая нить. Любая незначительная неоднородность разрушает это хрупкое образование. Начало реакции это тоже образование неоднородности, которая разрушит, с трудом достигнутое, равновесие плазменного образования. Кроме того, магнитное поле в осуществлении У. Т.С. может играть только вспомогательную роль, т. е. не способно удержать, в ограниченном им объеме, быстрые частицы, образующиеся при реакции. В основном реакторе (токамак) путем омического нагрева удалось достичь температуры 15 млн. град. Путем инжекции быстрых нейтральных частиц, с энергией 20-40 кэВ удалось поднять температуру плазмы от 15 до 60 млн. град. Теоретически для реакции необходима плотность ионов на два порядка, выше достигнутой, но возникли непреодолимые технические трудности. Достигнуты рекордные результаты в достижении магнитной индукции в центре рабочей камере до10 Тл. Получился хороший полигон для отработки мощных магнитных полей.

Представим себе все удалось как нельзя лучше, реакция пошла. Как она будет развиваться?

Три пути. Реакция возникнет в одной точке и продолжится в одной – вся плазменная нить войдет в точку реакции. Реакция из точки распределится по периметру тора на всю плазменную нить.

Сжатие плазменной нити магнитным полем, это сжатие канала электрического разряда, но не газовой среды. В канале разряда присутствует незначительная часть газа находящегося в реакторе, но практически весь газ нагрет этим газовым разрядом. При выделении большого количества энергии возможна детонация всего газа, а это не малый хлопок.

Как оптимизировать все факторы и увеличить вероятность реакции синтеза в стационарном режиме, исключая непредвиденное течение реакции?

Принять форму реакционной камеры близкой к сферической. Для усиления стабилизирующего

магнитного поля применить железный сердечник. Для оптимизации взаимодействия положительных ионов и электронов создать условия для движения их в одном направлении.

Лучевое воздействие, потока нейтронов на стенку камеры, преобразовать в конвективное с возвратом части нейтронов в зону реакции. Для исключения эрозии стенки камеры, поместить

зону реакции в полость в жидком металле. Для оптимизации нагрева реакционной среды, нагрев положительных ионов и электронов производить раздельно. Оптимизировать отбор энергии в процессе реакции синтеза. Усилить воздействие сжимающего магнитного поля путем улучшения добротности контура. При выполнении всех этих условий удастся добрать недостающие два порядка плотности положительных ионов.

Предлагаю применить магнитное поле в зазоре магнитопровода и дополнительно использовать способность физических элементов не одинаково тормозить и отражать быстрые частицы, для преодоления достигнутого предела концентрации. Для этого необходимо произвести перекомпоновку элементов существующей установки, корпусу камеры придать форму укороченного пробкотрона. Для нагрева применить раздельную инжекцию ионов и электронов. Ухода части быстрых частиц плазмы на стенку камеры в любом случае не избежать, температура корпуса рабочей камеры стабилизируется на определенном уровне изменением потока теплоносителя, уменьшение концентрация ионов компенсируется потоком инжекции.

Один из вариантов конструкции камеры и распределения потоков частиц приводится на прилагаемом рисунке. 1 – подача жидкости (литий) или газа (водород, дейтерий) для защиты внутренней стенки камеры; 2 – подача теплоносителя; 3 –магнитопровод электромагнита; 4 – обмотка электромагнита; 5 – вход электронного потока; 6 –корпус камеры; 7 –вход ионного потока; 8 – в вакуум систему. Диаметр камеры соответствует малому диаметру тора, объем камеры до 0,1 м3. При интенсивности инжекции 100 эквивалентных ампер средняя плотность плазмы 1016 см-3 достигается за 1 секунду. Кольца ионов и электронов располагаются симметрично относительно силовых линий магнитного поля, при отклонении они возвращаются в исходное положение. Положительный заряд, потока ионов, изолируется от отрицательного заряда, потока электронов, посредством магнитного поля. Индукция магнитного поля возрастает к периферии, это способствует удержанию потока электронов в центре камеры ионы, при уменьшении скорости, под действием магнитного и электрического полей концентрируются в центре камеры.

При достижении оптимальной концентрации положительных ионов, накопитель энергии разряжается на индуктор, расположенный по периметру камеры. Положительные ионы находящиеся во внешнем кольце получат большую долю магнитного потока, то есть большая часть энергии от индуктора передается положительным ионам.

Реакция синтеза не нарушит установленный режим, интенсивность реакции регулируется изменением интенсивности инжекции и энергии ионов. Форма и материал камеры, а также устройства защиты камеры выбираются исходя из возможности отражения быстрых частиц внутрь камеры. Заявка на изобретение № 000. Устройство формирования и ускорения биполярных пучков - заявки на изобретение №№ 000, 2007129169. Расходы на реализацию данного проекта несоизмеримо меньше затрат на систему «токамак».