Керований ядерний синтез в конфігурації з оберненим полем та пряме перетворення енергії

1. Спосіб перетворення енергії продуктів ядерного синтезу в електричну енергію, який включає такі стадії: інжектування іонів по спіральній траєкторії в порожнину (420) загалом циліндричної форми, утворену множиною електродів, розташованих у просторі на певній відстані один від одного так, що утворено множину видовжених проміжків (497) між ними, що проходять вздовж повздовжньої осі порожнини; утворення в згаданій порожнині електричного поля, що має багатополюсну структуру з більше ніж двома полюсами; і уповільнення згаданих іонів через взаємодію зі згаданим електричним полем, для перетворення принаймні частини кінетичної енергії іонів в коливну електричну енергію. 2. Спосіб за п. 1, який додатково включає стадію прикладання до множини електродів коливного потенціалу. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який додатково включає стадію створення азимутального електричного поля поперек згаданої множини проміжків. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що стадія інжектування 2 UA 1 ПОЛЕМ ТА ПРЯМЕ (19) ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ 3 80532 4 14. Перетворювач за п. 13, який відрізняється тим, що колектор електронів має кільцеподібну форму. 15. Перетворювач за п. 13 або п. 14, який відрізняється тим, що згадані колектор електронів та колектор іонів електрично з'єднані один з одним. 16. Перетворювач за будь-яким з пп. 11-15, який додатково включає проміжний контур, з'єднаний зі згаданою множиною електродів. 17. Перетворювач за будь-яким з пп. 11-16, який відрізняється тим, що згаданий генератор магнітного поля включає в себе множину польових котушок, розташованих навколо згаданої множини електродів. 18. Перетворювач за будь-яким з пп. 11-17, який відрізняється тим, що згадана множина електродів є симетричною. 19. Перетворювач за будь-яким з пп. 11-18, який відрізняється тим, що згадана множина електродів включає в себе щонайменше чотири чверть-циліндричних електроди, які утворюють видовжену порожнину, причому електроди розташовані у просторі так, що утворюються щонайменше чотири видовжені проміжки між ними. Цей винахід стосується взагалі галузі фізики плазми і, конкретно, способів та пристроїв для утримування плазми з метою уможливлення реакції ядерного синтезу та для перетворення енергії продуктів синтезу в електричну енергію. Передумови створення винаходу Ядерний синтез - це процес, при якому два легких ядра об'єднуються з утворенням більш важкого ядра. У процесі ядерного синтезу вивільнюється величезна кількість енергії у формі швидких рухомих частинок. Оскільки атомні ядра заряджені позитивно (унаслідок того, що вони містять протони), то між ними діють відштовхувальні електростатичні, або кулонівські, сили. Для з'єднання (злиття) двох ядер слід подолати цей відштовхувальний бар'єр, що відбувається, коли два ядра зближуються між собою на відстань, при якій ядерні сили ближньої взаємодії стають досить великими для подолання кулонівського бар'єру та з'єднання ядер. Енергія, необхідна для подолання ядрами кулонівського бар'єру, забезпечується їхньою тепловою енергією, яка має бути дуже високою. Наприклад, швидкість ядерного синтезу може бути помітною в разі, якщо температура має порядок щонайменше 104еВ, що відповідає приблизно 100 мільйонам градусів Кельвіна. Швидкість реакції ядержного синтезу є функцією температури і характеризується величиною, що зветься реакційною здатністю. Реакційна здатність реакції D-T, наприклад, має широкий пік в межах від 30кеВ до 100кеВ. До типових реакцій ядерного синтезу належать такі: D+D→He3(0,8МеВ)+n(2,5МеВ), D+T→α(3,6MeB)+n(14,1МеВ), D+He3→α(3,7MeB)+p(14,7МеВ) та р+В11→3α(8,7МеВ), де D означає дейтерій, Τ означає тритій, α означає ядро гелію, n означає нейтрон, ρ означає протон, Не означає гелій і В11 означає бор-11. Числа в дужках в кожному рівнянні вказують кінетичну енергію продуктів ядерного синтезу. Перші дві з перелічених вище реакцій - реакції D-D та D-T - є нейтронними; це означає, що більшість енергії продуктів синтезу в них несуть швидкі нейтрони. Вади нейтроних реакцій полягають у тому, що (1) наявність потоку швидких нейтронів створює численні проблеми, в тому числі порушення структури стінок реактора та рівні радіоактивності, надто високі для більшості конструкційних матеріалів; і (2) енергію швидких нейтронів використовують шляхом перетворення їхньої теплової енергії в електричну, яке має дуже низький коефіцієнт корисної дії (нижче ніж 30%). Перевагами ж нейтронних реакцій є (1) те, що їх реакційна здатність досягає максимуму при порівняно низькій температурі; і (2) те, що втрати внаслідок випромінювання порівняно низькі, оскільки атомний номер дейтерію та тритію дорівнює 1. Речовини, що беруть участь у двох інших реакціях - D-He3 та р-В11 - звуться прогресивними ядерними паливами. Продуктами їх синтезу, на відміну від швидких нейтронів, що утворюються при нейтронних реакціях, є заряджені частинки. Одна з переваг прогресивних ядерних палив полягає в тому, що вони утворюють значно меншу кількість нейтронів, отже, вади, пов'язані з їх утворенням, мають менший вплив. В разі реакції D-He3 деяка кількість швидких нейтронів утворюється внаслідок вторинних реакцій, проте ці нейтрони несуть лише приблизно 10% енергії продуктів синтезу. При реакції р-В11 швидкі нейтрони не утворюються, хоча виникає деяка кількість повільних (теплових) нейтронів, які утворюються внаслідок вторинних реакцій, проте вони спричиняють значно менше утруднень. Іншою перевагою згаданих прогресивних палив є те, що продукти їх синтезу містять заряджені частинки, кінетичну енергію яких можна безпосередньо перетворювати в електричну енергію. При застосуванні відповідного способу прямого перетворення енергії енергію продуктів синтезу прогресивних ядерних палив можна використати з високим коефіцієнтом корисної дії, який може перевищувати 90%. Прогресивні ядерні палива також мають певні вади. Наприклад, атомні номери прогресивних палив вищі (2 для Не3 і 5 для В11). Тому втрати на випромінювання при використанні цих палив вищі, ніж у нейтронних реакціях. Крім того, прогресивні палива значно складніше примусити вступити в реакцію синтезу. Максимуми їх реакційної 5 здатності відповідають значно вищим температурам, при цьому реакційна здатність не досягає таких високих значень, як в разі реакції DT. Таким чином, для проведення реакції синтезу із застосуванням прогресивних палив необхідно довести їх до більш високого енергетичного стану, при якому їхня реакційна здатність стає значною. Відповідно, прогресивні палива слід затримувати протягом довшого періоду часу, за який їх можна довести до відповідних умов синтезу. Тривалість утримування плазми визначається як Dt=r2/D, де r є мінімальний розмір плазми і D коефіцієнт дифузії. Класичний вираз для коефіцієнта дифузії має форму Dc= αi2/tie, де αi гірорадіус іона і tie - тривалість зіткнення іону з електроном. Дифузія, що відповідає класичному коефіцієнту дифузії, зветься класичним перенесенням. Коефіцієнт дифузії Бома (Bohm), який приписується короткохвильовим нестабільностям, визначається як DB=(1/16)αi2Ωi, де Ωi - гірочастота іона. Дифузія, що відповідає цій залежності, має назву аномального перенесення. Для умов ядерного синтезу DB/Dc=(1/16)Ωitie@108, наслідком аномального перенесення є значно менша тривалість утримування, ніж при класичному перенесенні. Це співвідношення визначає необхідну кількість плазми в термоядерному реакторі за умови, що для забезпечення реакції ядерного синтезу час утримування для даної кількості плазми має бути довшим, ніж час, необхідний для протікання в плазмі реакції ядерного синтезу. Тому умови класичного перенесення в термоядерному реакторі є більш сприятливими, оскільки дозволяють використовувати менші початкові кількості плазми. При початкових експериментах із тороїдальною ізоляцією плазми спостерігався час утримування Dt@r2/DB. Прогрес у цій галузі за останні 40 років забезпечив збільшення часу утримування до Dt@1000r2/DB. Однією з існуючих концепцій термоядерного реактора є токамак. Магнітне поле 68 токамака та типова орбіта 66 частинки показані на Фіг.5. Протягом останніх 30 років зусилля в галузі термоядерного синтезу зосереджені на ректорах типу токамак із використанням D-T палива. Кульмінацією цих зусиль є Міжнародний експериментальний термоядерний реактор (ITER), показаний на Фіг.7. Останні експерименти з токамаками свідчать, що можливим є класичне перенесення Dt@r2/Dc, і в цьому разі мінімальний розмір плазми можна зменшити з кількох метрів до кількох сантиметрів. Ці експерименти включають інжекцію пучків високої енергії (50-100кеВ) для нагрівання плазми до температур від 10кеВ до 30кеВ. Дивись роботу Гайдбрінка та Садлера [W. Heidbrink & GJ. Sadler, 34 Nuclear Fusion 535, 1994]. В цих експериментах спостерігалося уповільнення іонів пучка високої енергії та їх класична дифузія в той час, як теплова плазма продовжувала дифундувати з аномальною швидкістю. Причиною цього явища є те, що іони пучка високої енергії мають великий гірорадіус і, як наслідок, є нечутливими до коливань із довжинами хвиль, меншими за 80532 6 гірорадіус іона (l0 означає, що в рівнянні 1 Ω0>wi, тобто електрони обертаються в своєму антидіамагнітному напрямі. На Фіг.10В показано електричний потенціал (у Вольтах) для тієї саме сукупності значень B0 та wе. На горизонтальній осі Фіг.10А та Фіг.10В показана відстань в сантиметрах від осі 78 FRC. Згадані електричне поле та електричний потенціал сильно залежать від wе. Описані вище результати можна пояснити виходячи із простих фізичних міркувань. Коли іони обертаються в діамагнітному напрямі, вони утримуються магнітно під впливом сили Лоренца. 80532 18 Це показано на Фіг.3А. На електрони, що обертаються в тому саме напрямі, що й іони, сила Лоренца діє в протилежному напрямі, так що електрони не утримуються. Ці електрони залишають плазму, і в результаті утворюється надлишок позитивного заряду. Як наслідок, створюється електричне поле, яке протидіє виходу інших електронів із плазми. Напрям та напруженість цього електричного поля в рівноважному стані визначається правилом збереження моменту кількості руху. Електростатичне поле суттєво впливає на перенесення як електронів, так і іонів. Відповідно, важливим аспектом цього винаходу є те, що в плазмовому шарі 106 створюється сильне електростатичне поле, напруженість якого визначається напруженістю прикладеного магнітного поля B0, яку можна легко регулювати. Як вказано вище, згадане електростатичне поле сприяє утриманню електронів, якщо wе>0. Як показано на Фіг.10В, глибину потенціальної ями можна збільшити шляхом регулювання прикладеного магнітного поля В0. За винятком дуже вузької області поблизу нульового кола, електрони завжди мають малий гірорадіус. Тому електрони реагують на короткохвильові коливання з аномально великою швидкістю дифузії. На практиці ця дифузія сприяє підтриманню потенціальної ями після виникнення реакції синтезу. Іони продуктів синтезу, маючи значно вищу енергію, залишають плазму. Для підтримання квазі-нейтральності заряду продукти синтезу мають витягати із собою електрони із плазми, захоплюючи електрони, головним чином, з поверхні плазмового шару. Густина електронів на поверхні плазмового шару дуже низька, а електрони, котрі залишають плазму разом із продуктами синтезу, мають замінюватися іншими; в іншому разі потенціальна яма мала б зникати. На Фіг.11 показано максвеллівський розподіл 162 електронів. Лише електрони з дуже великою енергією із хвостової частини 160 максвеллівського розподілу можуть досягти поверхні плазми і залишити її з іонами продуктів синтезу. Таким чином, хвостова частина 160 розподілу 162 безперервно створюється внаслідок електрон-електронних зіткнень в області високої густини поблизу нульової поверхні. Електрони високої енергії мають, однак, малий гірорадіус, так що аномальна дифузія дозволяє їм досягати поверхні досить швидко для акомодації з іонами продуктів синтезу, які виходять із плазми. Електрони високої енергії втрачають свою енергію при подоланні потенціальної ями і виходять із неї, маючи дуже низьку енергію. Хоча електрони можуть швидко перетинати магнітне поле внаслідок аномального перенесення, аномальні втрати енергії мають тенденцію зникати, оскільки переноситься невелика кількість енергії. Іншим наслідком потенціальної ями є механізм сильного охолодження електронів, аналогічний випарному охолодженню. Наприклад, для випаровування води треба підвести до неї приховану теплоту випаровування. Ця теплота постачається залишком рідкої води та оточуючим 19 середовищем, котрі при цьому охолоджуються до зниженої температури швидше, ніж витрачена енергія поновлюється внаслідок процесів теплопередачі. Аналогічно, для електронів потенціальна яма є еквівалентом прихованої теплоти випаровування води. Електрони одержують енергію, необхідну для виходу з потенціальної ями, за рахунок процесу термалізації, який відновлює енергію хвоста максвеллівського розподілу, так що електрони можуть виходити із плазми. Таким чином, в результаті процесу термалізації знижується температура електронів; цей процес проходить значно швидше, ніж будь-який процес нагрівання. Унаслідок різниці маси між електронами та протонами час передачі енергії від протонів приблизно в 1800 разів коротше за час термалізації електронів. Цей механізм охолодження також зменшує випромінювальні втрати для електронів. Цей факт має особливе значення у випадку прогресивних палив, коли випромінювальні втрати підвищуються внаслідок того, що паливні іони мають атомний номер Ζ більше одиниці; Ζ>1. Електростатичне поле впливає також на перенесення іонів. Більшість орбіт частинок в плазмовому шарі 106 складають бетатроні орбіти 112. Великокутові зіткнення, тобто зіткнення з кутами розсіювання в межах від 90° до 180°, можуть спричинити зміну бетатронної орбіти на дрейфову орбіту. Як указано вище, напрям обертання дрейфової орбіти визначається r r конкуренцією між дрейфом Е ´ В та градієнтним r r дрейфом. Якщо переважає дрейф Е ´ В , то дрейфова орбіта обертається в діамагнітному напрямі. Якщо ж переважає градієнтний дрейф, то дрейфова орбіта обертається в антидіамагнітному напрямі. Це показано на Фіг.12А та Фіг.12В. На Фіг.12А показано перехід від бетатронної орбіти до дрейфової орбіти внаслідок зіткнення під кутом 180°, яке відбулося в точці 172. Дрейфова орбіта продовжує обертатися в діамагнітному напрямі, r r оскільки переважає дрейф Е ´ В . На Фіг.12В показано інше зіткнення під кутом 180°, однак в цьому випадку електростатичне поле слабке, і переважає градієнтний дрейф. Отже, градієнтна орбіта обертається в антидіамагнітному напрямі. Напрям обертання дрейфової орбіти визначає наявність або відсутність її утримування. Частинка, яка рухається по дрейфовій орбіті, має також швидкість, паралельну до осі FRC. Час, потрібний частинці для проходження від одного торця FRC до другого в результаті такого паралельного руху, зветься часом переходу; таким чином, дрейфова орбіта досягає торця FRC за час порядку часу переходу. Як видно з Фіг.9А, сила Лоренца поблизу торців сприяє утримуванню тільки в разі обертання дрейфової орбіти в діамагнітному напрямі. Таким чином, після закінчення часу переходу іони, що знаходилися на дрейфових орбітах, котрі оберталися в антидіамагнітному напрямі, втрачаються. 80532 20 Це явище пояснює механізм утрати іонів, існування якого слід очікувати у всіх експериментах із FRC. Дійсно, в цих експериментах половину струму несли іони, а другу половину - електрони. В цих умовах електростатичне поле всередині плазми є таким, яким нехтуємо, і градієнтний дрейф завжди r r переважає вплив дрейфу Е ´ В . Отже, всі дрейфові орбіти, які утворювалися внаслідок великокутових зіткнень, втрачалися після закінчення часу переходу. Значення швидкості дифузії іонів, визначені за даними цих експериментів, перевищували значення, прогнозовані виходячи з оцінок класичної дифузії. У присутності сильного електростатичного r r поля дрейф Е ´ В переважає градієнтний дрейф, і дрейфові орбіти обертаються в діамагнітному напрямі. Це показано вище у зв'язку з Фіг.12А. Коли ці орбіти досягають торців FRC, вони відбиваються назад в область замкнутих ліній поля під впливом сили Лоренца; отже, вони залишаються утримуваними в системі. Електростатичні поля в системі зустрічних пучків можуть бути досить сильними, щоб дрейф r r Е ´ В переважав градієнтний дрейф. Таким чином, електростатичне поле системи протидіє перенесенню іонів шляхом виключення впливу цього механізму втрати іонів, аналогічного конусу втрат у дзеркальному пристрої. Інший аспект дифузії іонів можна оцінити, розглядаючи вплив малокутових електронноіонних зіткнень на бетатронних орбітах. На Фіг.13А показано бетатронну орбіту 112; Фіг.13В представляє ту саме орбіту 112 з урахуванням малокутових електронно-іонних зіткнень, позначену позицією 174; на Фіг.13С показано орбіту Фіг.13В після 10-кратного проміжку часу, зображену як орбіта 176; і на Фіг.13D показано орбіту Фіг.13В після 20-кратного проміжку часу, зображену як орбіта 178. З цих рисунків видно, що топологія бетатронних орбіт не змінюється під впливом малокутових електронно-іонних зіткнень; однак амплітуда їх радіальних коливань із часом збільшується. Дійсно, густина орбіт, показаних на Фіг.13A-13D, із часом збільшується, що вказує на класичну дифузію. Утворення FRC Звичайні способи, які застосовують для утворення FRC, базуються, головним чином, на використанні тета-пінч-ефекту для обернення поля. В такому відомому методі в системі створюють магнітне поле зміщення за допомогою зовнішніх котушок, які оточують камеру, заповнену після вакуумування інертним газом. Після цього газ іонізується, і згадане магнітне поле зміщення стабілізується в плазмі. Потім напрям струму в зовнішніх котушках швидко змінюють на зворотний, і орієнтовані протилежно лінії магнітного поля поєднуються з попередньо стабілізованими лініями, утворюючи замкнуту топологію FRC (дивись Фіг.2). Цей спосіб формування FRC є значною мірою емпіричним, і засоби контролювання та регулювання утворення 21 FRC майже відсутні. Тому цей спосіб забезпечує лише низьку відтворюваність і не забезпечує можливості регулювання процесу. Навпаки, способи утворення FRC згідно з цим винаходом створюють широкі можливості контролю та регулювання і забезпечують набагато більш прозорий та відтворюваний процес. Дійсно, FRC, сформоване способами згідно з цим винаходом, можна регулювати, і на форму FRC, а також на його властивості, можна безпосередньо впливати шляхом маніпуляцій з магнітним полем, утворюваним зовнішніми магнітними котушками 325. Утворення FRC способами згідно з цим винаходом забезпечує також утворення електричного поля та потенціальної ями внаслідок процесів, детально описаних вище. Крім того, способи згідно з цим винаходом можна без утруднень поширити з метою пристосування FRC до рівня параметрів реактора та паливних потоків високої енергії; винахід також уможливлює класичне утримування іонів, що також є однією з його переваг. Далі, описуваний спосіб можна застосувати в компактних пристроях, він є стійким до порушень і простим у використанні - усі ці характеристики є дуже бажаними для реакторних систем. У способах згідно з цим винаходом утворення FRC стосується циркулюючого плазмового пучка 335. Легко зрозуміти, що циркулюючий плазмовий пучок 335, оскільки він є струмом, створює полоїдне магнітне поле, подібно до електричного струму в кільцевому провіднику. Усередині циркулюючого плазмового пучка 335 створюване ним магнітне поле самоіндукції спрямоване протилежно зовнішньому прикладеному магнітному полю, яке створюється зовнішньою котушкою 325. Ззовні плазмового пучка 335 згадане магнітне поле самоіндукції має однаковий напрям із прикладеним магнітним полем. Якщо іонний струм у плазмі має досить значну силу, то поле самоіндукції переважає прикладене поле, і магнітне поле всередині циркулюючого плазмового пучка 335 змінює напрям на протилежний, тим самим створюючи топологію FRC, як показано на Фіг.2 та Фіг.4. Умови обернення поля можна оцінити, застосувавши просту модель. Розглянемо електричний струм Ір у кільці з більшим радіусом r0 і меншим радіусом αeV0/pr0αi=0,225кА/см, де 1 2 mi V0 В0=69,3Гc і 2 =100eB. У моделі з періодично розташованими кільцями, де Bz усереднено по В координаті вздовж осі z =(2p/c)(lp/s) (s - відстань між кільцями), якщо s=r0, середнє магнітне поле буде таким саме, як в одновимірній моделі з ір=Ip/s. Комбінований пучково-бетатронний спосіб формування FRC Спосіб утворення FRC в описаній вище системі 300 утримування, якому віддається перевага, зветься в цьому описі комбінованим пучково-бетатронним способом. При цьому підході застосовують комбінацію пучків плазмових іонів низької енергії з бетатронним прискоренням із використанням бетатронної потокової котушки 320. Першою стадією цього способу є інжекція практично кільцеподібного хмарного шару фонової плазми в камеру 310 із використанням джерел 345 фонової плазми. Зовнішня котушка 325 створює в камері 310 магнітне поле, яке намагнічує фонову плазму. За допомогою інжекторів 340 в камеру 310 інжектують із короткими часовими інтервалами пучки іонів низької енергії, спрямовані практично поперек зовнішнього прикладеного ззовні магнітного поля в камері 310. Як пояснено вище, ці іонні пучки під впливом згаданого магнітного поля захоплюються на широкі бетатронні орбіти в камері 310. Ці іонні пучки можна генерувати за допомогою прискорювача іонів, такого як прискорювач, який містить іонний діод та генератор Маркса [дивись Міллер -R.B. Miller, An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams, 1982]. Як зрозуміло фахівцям, прикладене ззовні магнітне поле діє силою Лоренца на Інжектований іонний пучок, як тільки він надходить у камеру 310; проте бажано, щоб цей пучок не відхилявся і, отже, не попадав на бетатронну орбіту, доки пучок не досягне циркулюючого плазмового пучка 335. Для задоволення цієї умови згадані іонні пучки нейтралізують електронами і перед впуском в камеру 310 пропускають через практично постійне однонаправлене магнітне поле. Як показано на Фіг.14, коли іонний пучок 350 проходить через відповідне магнітне поле, відбувається розділення позитивно заряджених іонів та негативно заряджених електронів. Таким чином, іонний пучок 350 під впливом згаданого магнітного поля зазнає електричної самополяризації. Це магнітне поле можна створити, наприклад, за допомогою постійного магніту або електромагніту, встановленого вздовж шляху іонного пучка. Коли пучок потім надходить у камеру 310 утримування, сумарне електричне поле врівноважує магнітну силу, що діє на частинки в пучку, забезпечуючи можливість переміщення іонного пучка без 23 відхилення. На Фіг.15 зображено вид спереду іонного пучка 350 при його контакті з плазмою 335. Як показано на рисунку, електрони із плазми 335 рухаються вздовж ліній магнітного поля всередину пучка 350 або з нього, при цьому електрична поляризація пучка компенсується. Після зникнення поздовжньої електричної поляризації пучка він поєднується з циркулюючим плазмовим пучком 335 на бетатронній орбіті навколо головної осі 315, як показано на Фіг.1 (дивись також Фіг.4). При проходженні плазмового пучка 335 по його бетатронній орбіті рухомі іони створюють струм, котрий, у свою чергу, створює полоїдальне магнітне поле самоіндукції. Для створення топології FRC всередині камери 310 необхідно збільшити швидкість плазмового пучка 335, тим самим посилюючи магнітне поле самоіндукції, яке створює згаданий плазмовий пучок 335. Коли магнітне поле самоіндукції набуває достатньої напруженості, напрям магнітного поля на радіальних відстанях від осі 315, менших за радіус плазмового пучка 335, змінюється на протилежний, тим самим утворюючи FRC. (Дивись Фіг.2 і Фіг.4). Мається на увазі, що при збільшенні швидкості циркулюючого плазмового пучка 335 для збереження його радіусу на бетатронній орбіті необхідно посилити прикладене магнітне поле, створюване зовнішньою котушкою 325. Для цієї мети пристрій обладнаний контрольнорегулювальною системою для підтримання відповідного прикладеного магнітного поля шляхом регулювання струму в зовнішній котушці 325. Альтернативою є застосування другої зовнішньої котушки для забезпечення додаткового прикладеного магнітного поля, необхідного для збереження незмінного радіусу орбіти плазмового пучка при його прискоренні. Для збільшення швидкості циркулюючого плазмового пучка 335 на його орбіті система обладнана бетатронною потоковою котушкою 320. З Фіг.16 зрозуміло, що збільшення сили струму в бетатронній котушці 320 створює в камері 310, згідно з законом Ампера, азимутальне електричне поле Е. Позитивно заряджені іони в плазмовому пучку 335 прискорюються цим індукованим електричним полем, що призводить до обернення поля, як описано вище. Коли до циркулюючого плазмового пучка 335 додають іонні пучки, як описано вище, то плазмовий пучок 335 спричиняє деполяризацію цих пучків. Для обернення поля циркулюючий плазмовий пучок 335 прискорюють у варіанті, якому віддається перевага, до енергії обертання приблизно 100еВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 75еВ до 125еВ. Для досягнення умов, сумісних з ядерним синтезом, циркулюючий плазмовий пучок 335 прискорюють у варіанті, якому віддається перевага, до енергії обертання приблизно 200кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 100кеВ до 3,3МеВ. Утворення FRC було успішно продемонстровано при застосуванні комбінованого пучково-бетатронного способу. Комбінований пучково-бетатронний спосіб був 80532 24 експериментально реалізований в камері діаметром 1м і довжиною 1,5м із застосуванням зовнішнього прикладеного магнітного поля до 500 Ге, магнітного поля від бетатронної потокової котушки 320 до 5кГс і вакууму 1,2´10-5мм рт.ст. (1,6´10-3Па). Фонова плазма в експерименті мала густину 1013см-3, а іонний пучок являв собою нейтралізований водневий пучок із густиною 1,2´1013см-3, швидкістю 2´107см/с і тривалістю імпульсу приблизно 20мкс (на половині висоти). Спостерігалося обернення поля. Бетатоонний спосіб формування FRC Інший спосіб утворення FRC в описаній вище системі 300 утримування, якому віддається перевага, зветься в цьому описі бетатронним способом. Цей спосіб побудований на безпосередньому використанні струму, індукованого бетатроном, для прискорення плазмового пучка 335 із застосуванням бетатронної потокової котушки 320. У варіанті цього способу, якому віддається перевага, застосовується система 300 утримування, зображена на Фіг.1, із тою різницею, що інжекція плазмових пучків низької енергії не є необхідною. Як указано вище, основним елементом системи при застосуванні бетатронного способу утворення FRC є бетатронна потокова котушка 320, встановлена по центру камери 310 вздовж її осі. Внаслідок своєї конструкції, яка складається з окремих паралельних обмоток, котушка 320 має дуже низьку індуктивність і, якщо вона з'єднана з відповідним джерелом енергії, має дуже низьку часову сталу LC, що уможливлює дуже швидке лінійне збільшення струму в потоковій котушці 320. Утворення FRC у варіанті, якому віддається перевага, починається з подачі струму в зовнішні магнітні котушки 325, 330. Це забезпечує осьове напрямне поле, а також радіальні компоненти магнітного поля поблизу кінців камери 310, необхідні для аксіального утримування плазми, інжектованої в камеру 310. Після встановлення необхідного магнітного поля включають струм у джерела 345 фонової плазми від відповідних окремих джерел живлення. Плазма, яка витікає з цих гармат, рухається вздовж осьового напрямного поля і злегка розширюється під впливом власної температури. Коли ця плазма досягає середини камери 310, вона утворює суцільний розширений в осьовому напрямі шар (кільцевого перерізу) холодної плазми, що рухається з невеликою швидкістю. В цей момент подають струм у бетатронну потокову котушку 320. Швидке збільшення струму в котушці 320 спричиняє швидкозмінний осьовий магнітний потік всередині згаданої котушки. Унаслідок індуктивних ефектів це швидке зростання аксіального магнітного потоку спричиняє генерування азимутального електричного поля Ε (дивись Фіг.17), яке пронизує простір навкруги згаданої потокової котушки. Згідно з рівняннями Максвелла, це електричне поле прямо пропорційне зміні напруженості магнітного потоку всередині котушки, тобто чим швидше зростає струм у бетатронній потоковій 25 котушці, тим сильнішим є згадане електричне поле. Це індуктивно утворюване електричне поле взаємодіє із зарядженими частинками у плазмі і створює пондеромоторну силу, яка прискорює частинки в кільцевому шарі плазми. Першим типом частинок, які зазнають прискорення, внаслідок своєї малої маси є електрони. Таким чином, початковий струм, який утворюється в цьому процесі, обумовлений, головним чином, електронами. Однак при достатньому часі прискорення (приблизно кілька сот мікросекунд) виникає, в кінцевому підсумку, також іонний струм. Як видно з Фіг.17, це електричне поле Ε прискорює електрони і іони у протилежних напрямах. Коли обидва типи частинок досягають своїх кінцевих швидкостей, струм переноситься іонами та електронами приблизно в однаковій мірі. Як указано вище, струм, котрий переноситься обертовою плазмою, утворює магнітне поле самоіндукції. Утворення реальної топології FRC починається, коли магнітне поле самоіндукції, створене струмом у шарі плазми, стає порівнянним із магнітним полем від зовнішніх магнітних котушок 325, 330. В цей момент відбувається магнітне поєднання, і розімкнуті лінії початкового прикладеного магнітного поля починають замикатися й утворювати потокові поверхні FRC (дивись Фіг.2 і Фіг.4). Базова топологія FRC, яку забезпечує цей спосіб, характеризується помірними значеннями магнітного поля та енергії частинок, які, як правило, не відповідають робочим параметрам термоядерного реактора. Однак індуктивне прискорююче електричне поле продовжує існувати, доки продовжується швидке наростання струму в бетатронній потоковій котушці 320. Унаслідок цього процесу енергія та загальна напруженість магнітного поля в FRC продовжують зростати. Поширення цього процесу, отже, обмежується, головним чином, параметрами джерела живлення потокової котушки, оскільки безперервне постачання струму вимагає запасів великої кількості енергії. Проте в принципі існує безпосередня можливість прискорення системи до умов роботи термоядерного реактора. Для обернення поля циркулюючий плазмовий пучок 335 прискорюють у варіанті, якому віддається перевага, до енергії обертання приблизно 100еВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 75еВ до 125еВ. Для досягнення умов, сумісних з ядерним синтезом, циркулюючий плазмовий пучок 335 прискорюють у варіанті, якому віддається перевага, до енергії обертання приблизно 200кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 100кеВ до 3,3МеВ. Коли до циркулюючого плазмового пучка 335 додають іонні пучки, як описано вище, то плазмовий пучок 335 спричиняє деполяризацію цих пучків. Утворення FRC при застосуванні бетатронного способу було успішно продемонстровано при таких рівнях параметрів: Розміри вакуумної камери: діаметр приблизно 1м, довжина 1,5м. 80532 26 Радіус бетатронної котушки 10см. Радіус орбіти плазмового пучка 20см. Середня напруженість магнітного поля, створюваного у вакуумній камері, досягала 100Гс при періоді наростання 150мкс і коефіцієнті відбивання магнітного дзеркала 2:1. (Джерела: зовнішні котушки та бетатронні котушки). Фонова плазма (в основному, газоподібний водень) характеризувалася середньою густиною приблизно 1013см-3, кінетична температура нижче ніж 10еВ. Час існування конфігурації був обмежений загальною енергією, нагромадженою в експерименті, і становив, як правило, приблизно 30мкс. В процесі експериментів спочатку виконували інжекцію шару фонової плазми за допомогою двох систем коаксіальних кабельних гармат, змонтованих за кільцевою схемою всередині камери. Кожна система з 8 гармат була встановлена на одній із двох систем відбивальних котушок. Гармати були розташовані на рівних відстанях одна від одної по азимуту і зміщені відносно другої системи. Таке розташування дозволяло одночасно пускати в хід усі гармати і створювати таки чином кільцевий шар плазми. Після створення такого шару включали живлення бетатронної потокової котушки. Збільшення сили струму в обмотках бетатронної котушки спричиняло наростання магнітного потоку в котушці, внаслідок чого утворювалося азимутальне електричне поле, яке завивалося навкруги бетатронної котушки. Швидке лінійне зростання струму в бетатронній котушці та велика сила цього струму зумовлювали сильне електричне поле, яке прискорювало кільцевий шар плазми і, таким чином, індукувало значний струм. При достатньо сильному плазмовому струмі виникало магнітне поле самоіндукції, яке змінювало зовнішнє прикладене поле і спричиняло виникнення конфігурації з оберненим полем. Ступінь, напруженість та тривалість існування цієї FRC визначали за допомогою точкових В-контурів. Типовим прикладом одержаних даних є показаний на Фіг.18 запис сигналів точкових Взондів. Крива А відображає абсолютну напруженість осьової складової магнітного поля в середній площині (75см від кожної з кінцевих пластин) експериментальної камери в радіальному положенні, яке відповідає відстані 15см від поздовжньої осі. Крива В відображає абсолютну напруженість осьової складової магнітного поля в середній площині камери на відстані 30см від поздовжньої осі. Таким чином, крива А характеризує напруженість магнітного поля всередині шару паливної плазми (між бетатронною котушкою та плазмою), а крива В характеризує напруженість магнітного поля поза шаром паливної плазми. Наведені дані ясно свідчать, що внутрішнє магнітне поле змінює орієнтацію на зворотну (стає негативним) в інтервалі часу від приблизно 23мкс до 47мкс, в той час як зовнішнє поле залишається позитивним, тобто не змінює орієнтацію. Час обернення поля обмежений характеристиками наростання струму 27 в бетатронній котушці. При досягненні пікового значення струму в бетатронній котушці індукований струм у шарі паливної плазми починає зменшуватися, і FRC швидко руйнується. На даний час тривалість існування FRC обмежена кількістю енергії, яку можна нагромадити в експерименті. Як і при експериментах з інжекцією та вловлюванням, систему можна вдосконалити для забезпечення подовження існування FRC і прискорення плазми до параметрів, придатних для термоядерного реактора. В цілому, цей спосіб не тільки забезпечує створення компактної конфігурації FRC, але також є надійним та простим у виконанні. Найбільш важливим є те, що базову FRC, створену цим способом, можна без утруднень прискорити до будь-якого бажаного рівня енергії обертання та напруженості магнітного поля. Це має вирішальне значення для застосування в термоядерних реакціях і для класичного утримування паливних пучків високої енергії. Ядерний синтез Вищезгадані два способи утворення FRC в системі 300 утримування, описаній вище, або в аналогічній системі, здатні забезпечити одержання плазм, котрі мають властивості, придатні для проведення реакцій ядерного синтезу в них. Більш конкретно, FRC, утворену цими способами, можна прискорити до будь-якого бажаного рівня енергії обертання та напруженості магнітного поля. Це має вирішальне значення для застосування в термоядерних реакціях і для класичного утримування паливних пучків високої енергії. Отже, в системі 300 утримування стає можливим уловлювання та утримання плазмових пучків високої енергії протягом періодів часу, достатніх для ініціювання в них реакцій ядерного синтезу. Для пристосування до умов ядерного синтезу FRC, утворені цими способами, у варіанті, якому віддається перевага, прискорюють до придатних рівнів енергії обертання та напруженості магнітного поля способом бетатронного прискорення. Ядерний синтез, однак, вимагає специфічної сукупності фізичних умов для проходження будь-якої реакції. Крім того, для забезпечення ефективного витрачання палива та досягнення позитивного енергетичного балансу паливо слід утримувати в цьому стані, практично незмінному, протягом тривалого періоду часу. Це має важливе значення, оскільки стан, придатний для реакції ядерного синтезу, характеризується високою кінетичною температурою та/або енергією. Отже, створення такого стану вимагає значної витрати енергії, яку можна компенсувати тільки в разі, якщо більша частина палива вступає в реакцію синтезу. Як наслідок, час утримання палива має перевищувати час його витрачання. При цьому забезпечується позитивний енергетичний баланс і, отже, вихід корисної енергії. Істотною перевагою цього винаходу є те, що система утримування та плазма, охарактеризовані в цьому описі, здатні забезпечити значну тривалість утримування, тобто час утримування, який перевищує час витрачання палива. Типовий 80532 28 стан, придатний для реакції ядерного синтезу, характеризується наведеними нижче фізичними параметрами (котрі можуть варіювати в залежності від типу палива та режиму експлуатації реактора). Середня температура іонів: в діапазоні від приблизно 30кеВ до 230кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 80кеВ до 230кеВ. Середня температура електронів: в діапазоні від приблизно 30кеВ до 100кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 80кеВ до 100кеВ. Когерентна енергія паливних пучків (інжектованих іонних пучків та циркулюючого плазмового пучка): в діапазоні від приблизно 100кеВ до 3,3МеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 300кеВ до 3,3МеВ. Сумарне магнітне поле: в діапазоні від приблизно 47,5кГс до 120кГс, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 95кГс до 120кГс (зовнішнє прикладене поле в діапазоні від приблизно 2,5кГс до 15кГс, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 5кГс до 15кГс). Час класичного утримання: більший за час витрачання палива, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 10 с до 100 с Густина паливних іонів: в діапазоні від приблизно 1014 до менше ніж 1016см-3, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 1014см-3 до 1015см-3. Загальна потужність синтезу: у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 50кВт/см до 450кВт/см (енергія на 1см довжини камери). Для створення умов ядерного синтезу, згаданих вище, перевага віддається прискоренню FRC до рівня когерентної енергії обертання у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 100кеВ до 3,3МеВ, у варіанті, якому віддається більша перевага, в діапазоні від приблизно 300кеВ до 3,3МеВ, і рівня напруженості магнітного поля у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 45кГс до 120кГс, у варіанті, якому віддається більша перевага, в діапазоні від приблизно 90кГс до 115кГс. При таких параметрах можна інжектувати в FRC іонні пучки високої енергії і вловлювати їх, отримуючи плазмовий шар, де іони плазмового пучка утримуються магнітно, а електрони плазмового пучка утримуються електростатично. Перевага віддається підтриманню якомога нижчої практично можливої температури електронів із метою зменшення кількості гальмівного випромінювання, яке в іншому випадку може спричинити випромінювальні втрати енергії. Електростатична енергетична яма згідно з цим винаходом забезпечує ефективний засіб виконання цієї вимоги. Температуру іонів доцільно підтримувати на рівні, який забезпечує ефективне витрачання палива, оскільки переріз захоплення реакції синтезу є функцією температури іонів. Висока 29 пряма енергія пучків паливних іонів має суттєве значення для забезпечення класичного перенесення, розглянутого вище в цьому описі. Така умова забезпечує також зведення до мінімуму ефектів нестабільності паливної плазми. Магнітне поле є сумісним з енергією обертання пучка. Воно створюється частково плазмовим пуском (поле самоіндукції) і, в свою чергу, забезпечує основу та зусилля, необхідні для утримування плазмового пучка на бажаній орбіті. Продукти ядерного синтезу Продукти синтезу народжуються переважно поблизу нульової поверхні, звідки вони виходять внаслідок дифузії до сепаратриси 84 (дивись Фіг.2 і Фіг.4). Цей процес є наслідком зіткнень з електронами (оскільки зіткнення з іонами не змінюють центр мас і, отже, не спричиняють зміни ліній поля). Унаслідок своєї високої кінетичної енергії (іони продуктів реакції мають значно вищу енергію, ніж паливні іони), продукти синтезу легко перетинають сепаратрису 84. Після виходу за межу сепаратриси 84 вони можуть рухатися вздовж незамкнутих ліній поля 80 за умови, що вони зазнають розсіювання внаслідок іон-іонних зіткнень. Хоча цей процес зіткнень не спричиняє дифузії, він може викликати зміну напряму вектора швидкості іона таким чином, щоб він став паралельним магнітному полю. Ці незамкнуті лінії поля 80 з'єднують топологію FRC активної зони з однорідним полем, прикладеним за межами топології FRC. Іони продуктів синтезу виникають на різних лініях поля, вздовж яких вони рухаються з певним розподілом енергій. Переважно іони продуктів синтезу та електрони, які нейтралізують заряд, виходять у формі обертових пучків кільцевого перерізу з обох кінців паливної плазми. Наприклад, в реакторі потужністю 50МВт, в якому використовується реакція р-В11, ці пучки будуть мати радіус приблизно 50см і товщину приблизно 10см. В сильних магнітних полях, які існують поза сепаратрисою 84 (як правило, приблизно 100кГс), іони продуктів синтезу мають відповідний розподіл гірорадіусів, які варіюють від мінімального значення приблизно 1см до максимального значення приблизно 3см для іонів продуктів із найвищою енергією. На початковому етапі іони продуктів синтезу мають як поступальну, так і обертову енергію, які характеризуються як l/2M(vpar)2 і l/2M(vperp)2. Тут vperp є азимутальна швидкість, пов'язана з обертанням навколо лінії поля як центра орбіти. Оскільки після виходу з оточення топології FRC лінії поля розходяться, обертова енергія зменшується, в той час як сумарна енергія залишається постійною. Це є наслідком адіабатичної інваріантності магнітного моменту іонів продуктів синтезу. В техніці відомо, що заряджені частинки, які рухаються по орбітах у магнітному полі, мають магнітний момент, пов'язаний з їх рухом. У випадку, коли частинки рухаються вздовж магнітного поля, яке повільно змінюється, існує також адіабатичний інваріант цього руху, який визначається як 1/2M(vperp)2/B. Іони продуктів синтезу, які рухаються по орбітах навколо відповідних ліній поля, мають магнітний 80532 30 момент та такий адіабатичний інваріант, пов'язані з їхнім рухом. Якщо В зменшується приблизно в 10 разів (на що вказує розходження ліній поля), то vperp також зменшується приблизно у 3,2 рази. Таким чином, в момент, коли іони продуктів синтезу досягають області однорідного поля, їхня обертова енергія становить менше ніж 5% загальної енергії, інакше кажучи, майже вся енергія є поступальною. Перетворення енергії Система прямого перетворення енергії згідно з цим винаходом включає в себе зворотний циклотронний перетворювач (ІСС) 420, показаний на Фіг.19А і Фіг.20А, приєднаний до активної зони (показаної частково) 436 термоядерного реактора на зустрічних пучках (CBFR) 410, утворюючи плазмоелектричну систему 400 генерації енергії. Другий ІСС (не показаний) може бути розташований симетрично з лівого боку від CBFR 410. Між CBFR 410 та ІСС 420 розташований магнітний зубець 486, який утворюється при злитті магнітних полів CBFR 410 та ІСС 420. Перед детальним описом ІСС 420 та його роботи буде наведено короткий опис типового циклотронного прискорювача. В звичайних циклотронних прискорювачах іони високої енергії зі швидкостями, перпендикулярними магнітному полю, рухаються по колах. Радіус орбіти згаданих іонів високої енергії визначається напруженістю магнітного поля та відношенням їхнього заряду до маси і збільшується при підвищенні енергії. Проте частота обертання іонів не залежить від їх енергії. Цей факт використовується в конструкції циклотронних прискорювачів. Як показано на Фіг.21А, звичайний циклотронний прискорювач 700 має два дзеркально симетричних С-подібних електроди 710, котрі утворюють дві дзеркально симетричні порожнини D-подібної форми, розташовані в однорідному магнітному полі 720, лінії якого перпендикулярні до площини симетрії електродів, тобто, в даному разі, до площини рисунка. Між згаданими С-подібними електродами (дивись Фіг.21В) прикладено коливний електричний потенціал. Іони І емітуються джерелом, розташованим у центрі циклотрона 700. Згадане магнітне поле 720 відрегульоване так, що частота обертання згаданих іонів узгоджена з електричним потенціалом та пов'язаним із ним електричним полем. Якщо іон 1 перетинає проміжок 730 між Сподібними електродами 710 в напрямі, який співпадає з напрямом електричного поля, то він прискорюється. Внаслідок прискорення іона І його енергія та радіус орбіти збільшуються. Після проходження вздовж дуги півкола (при цьому енергія не збільшується) іон знов перетинає проміжок 730. Тепер електричне поле між згаданими С-подібними електродами 710 має протилежний напрям. При цьому іон ί знову прискорюється з подальшим збільшенням енергії. Цей процес повторюється кожного разу, коли іон перетинає проміжок 730, за умови, що частота його обертання залишається узгодженою з частотою коливного електричного поля (дивись Фіг.21С). З іншого боку, якщо частинка перетинає 31 проміжок 730 в період, коли електричне поле має протилежний напрям, то вона уповільнюється і повертається до центрального джерела. Прискорення зазнають тільки ті частинки, які мають початковий вектор швидкості, перпендикулярний до магнітного поля 720 і які перетинають проміжки 730 при відповідній фазі коливного електричного поля. Таким чином, відповідне узгодження за фазою має суттєве значення для прискорення. В принципі циклотрон можна було б застосувати для добування кінетичної енергії з вузького паралельного пучка іонів однакової енергії. Уповільнення іонів циклотроном, але без добування енергії, спостерігалося для протонів, як описано в роботі Блоха та Джеффріза [Bloch and Jeffries, Phys. Rev. 80, 305 (1950)]. Іони можна було б інжектувати в порожнину циклотрона так, щоб вони потрапляли в фазу сповільнення відносно коливного поля. В такому разі всі ці іони рухалися б по зворотній траєкторії, протилежній траєкторії Τ прискорюваного іона, показаній на Фіг.21 А. Коли іони уповільнюються під впливом взаємодії з електричним полем, їхня кінетична енергія перетворюється в коливну електричну енергію в електричному колі, частиною якого є циклотрон. Таким чином можна було б досягти прямого перетворення кінетичної енергії в електричну, причому з дуже високим к.к.д. На практиці іони іонного пучка надходять в циклотрон у всіх можливих фазах. Якщо в конструкції циклотрона не передбачена компенсація змінних фаз, то половина іонів буде прискорюватися, а друга половина уповільнюватися. Як наслідок, максимальний к.к.д. перетворення енергії становитиме 50%. Крім того, кільцеві пучки іонів продуктів ядерного синтезу, розглянуті вище, мають геометрію, непридатну для звичайного циклотрона. Як більш детально показано нижче, ІСС згідно з цим винаходом пристосований до кільцевої форми пучків продуктів синтезу, що виходять із FRC активної зони термоядерного реактора, та до випадкового розподілу фаз іонів у пучку і розкиду їхніх енергій. В лівій частині Фіг.19А показана частина активної зони 436 CBFR 410, де паливна плазма 435 утримується в FRC 470, створеній частково магнітним полем, прикладеним за допомогою зовнішніх польових котушок 425. FRC 470 містить замкнуті лінії поля 482, сепаратрису 484 та розімкнені лінії поля 480, яке, як вказано вище, визначає властивості кільцевого пучка 437 продуктів синтезу. Розімкнені лінії поля 480 простягаються від активної зони 436 в напрямі до магнітного зубця 486. Як вказано вище, продукти синтезу виходять з активної зони 436 вздовж розімкнених ліній поля 480 у формі пучка 437 кільцевого перерізу, який містить іони високої енергії та електрони, які нейтралізують заряд. За геометрією ІСС 420 являє собою порожнистий циліндр довжиною приблизно 5 м. У варіанті, якому віддається перевага, поверхня згаданого циліндра складається з чотирьох або більше однакових напівциліндричних електродів 80532 32 494 з вузькими прямолінійними проміжками 497 між ними. При роботі системи на електроди 494 подають коливний потенціал в змінному режимі. Електричне поле Ε всередині перетворювача має квадрутюльну будову, як показано на виді збоку, представленому на Фіг.19В. Це електричне поле Ε дорівнює нулю на осі симетрії і зростає лінійно в залежності від радіуса; воно досягає найвищого значення у проміжках 497. Крім того, ІСС 420 включає зовнішні польові котушки 488, які створюють рівномірне поле всередині порожнистого циліндра ІСС. Оскільки напрям струму в польових котушках 488 ІСС протилежний напряму струму, що протікає через польові котушки 425 CBFR, то лінії поля 496 в ІСС 420 мають напрям, протилежний до розімкнених ліній поля 480 CBFR 410. На кінці ІСС 420, найвіддаленішому від активної зони 436 CBFR 410, ІСС 420 має колектор 492 іонів. Між CBFR 410 та ІСС 420 розташований симетричний магнітний зубець 486, де розімкнені лінії поля 480 CBFR 410 зливаються з лініями поля 496 ІСС 420. Навкруги магнітного зубця 486 розташований колектор 490 електронів, що має кільцеподібну форму і електрично зв'язаний з колектором 492 іонів. Магнітне поле магнітного зубця 486, як описано нижче, з високою ефективністю перетворює осьову швидкість пучка 437 в обертову швидкість. На Фіг.19С показано типову орбіту 422 іона в перетворювачі 420. CBFR 410 має циліндричну симетрію. В центральній його частині знаходиться активна зона 436 ядерного синтезу із паливною плазмою 435, утримуваною в магнітному полі 470 топології FRC, де відбуваються реакції ядерного синтезу. Як вказано вище, ядра продуктів реакції та нейтралізуючі заряд електрони виходять у формі пучків 437 кільцевого перерізу з обох кінців паливної плазми 435. Ці пучки, наприклад, в реакторі потужністю 50МВт на реакції р-В11 мають радіус приблизно 50см і товщину приблизно 10см. Кільцевий пучок має густину n@107-108см-3. При такій густині магнітний зубець 486 розділяє електрони та іони. Електрони рухаються вздовж ліній магнітного поля до колектора 490 електронів, а іони проходять повз зубець 486, де траєкторії іонів змінюються, перетворюючись на практично спіральні, які простягаються вздовж ІСС 420. Енергія відбирається від іонів, коли їхня спіральна траєкторія проходить повз електроди 494, з'єднані з резонансним контуром (не показаним на рисунку). Втрати перпендикулярної енергії є найбільшими для іонів найвищої енергії, які початково обертаються поблизу електродів 494, де електричне поле має найвищу напруженість. Іони надходять до магнітного зубця 486 з обертовою енергією, приблизно рівною початковій n2 n2 сумарній енергії, тобто 1//2М р @1/2M р . Для іонів, які досягають магнітного зубця 486, існує певний розподіл енергій та початкових радіусів r0. Проте початкові радіуси r0 приблизно пропорційні початковій швидкості r0. Радіальне магнітне поле у взаємодії з радіальною швидкістю пучка утворює силу Лоренца, яка діє в азимутальному напрямі. 33 Магнітне поле зубця 486 не змінює енергію частинок, але перетворює початкову осьову швидкість np@n0 в залишкову осьову швидкість nz 2 2 2 та азимутальну швидкість n^, де n0 = nя + n ^ . Значення азимутальної швидкості n^ можна визначити з умови збереження канонічного моменту кількості руху 2 2 qB0r0 qB 0r0 (5) = 2c 2c Іон пучка надходить в ліву частину зубця 486 з параметрами Вz= В0, nz=n0, n^=0 та r=r0. Він виходить з зубця 486 праворуч, маючи r=r0, Вz=В0, Pq = Mr0n ^ n^=qB0r0/Mc та n z = n2 - n2 0 ^ ær W ö nz (6) = 1- ç 0 0 ÷ ç n ÷ n0 è 0 ø qB0 де Ω0= Mc - циклотронна частота. Частота обертання іонів лежить у межах приблизно 110МГц, у варіанті, якому віддається перевага, приблизно 5-10МГц; це і є частота генерації енергії. Щоб іони могли пройти через зубець 486, ефективний гірорадіус іонів мусить перевищувати ширину зубця 486 на радіусі r0. Експериментально цілком здійсненним є зменшення аксіальної швидкості в 10 разів, при цьому залишкова аксіальна енергія зменшиться в 100 разів. Тоді 99% енергії іона перетворюється в енергію обертання. В іонному пучку існує певний розподіл значень n0 та r0. Однак, оскільки r0 пропорційний n0, як вказано вище при розгляді властивостей реактора, побудованого на FRC, то ефективність перетворення енергії в обертову наближається до 99% для всіх іонів. Як показано на Фіг.19В, симетрична система електродів ІСС 420 згідно з цим винаходом у варіанті, якому віддається перевага, включає чотири електроди 494. До електродів 494 приєднаний проміжний контур (не показаний), отже, зображені напруги та електричні поля є миттєвими параметрами. Напруга та проміжний контур коливаються з частотою w=W0. Азимутальне електричне поле Ε у проміжках 497 показане на Фіг.19В та на Фіг.22. На Фіг.22 представлено електричне поле в проміжках 497 між електродами 494 та поле, яке діє на іон, коли він обертається з кутовою швидкістю Ω0. Очевидно, що за період повного оберту частинка буде поперемінно зазнавати прискорення та уповільнення в порядку, що визначається початковою фазою. Окрім азимутального електричного поля Еq, існує ще радіальне електричне поле Еr. Азимутальне поле Eq має максимальне значення в проміжках 497 і зменшується при зменшенні радіуса. На Фіг.22 припускається, що частинка обертається, зберігаючи постійний радіус. Внаслідок градієнта електричного поля сповільнення завжди переважає прискорення. Прискорення спричиняє збільшення радіуса іона, отже, коли іон потім 80532 34 надходить у сповільнююче електричне поле, радіус іона буде більше. Фаза сповільнення переважає незалежно від початкової фази іона, оскільки радіальний градієнт азимутального електричного поля Eq завжди є позитивним. Тому ефективність перетворення енергії не обмежується 50% внаслідок проблеми, пов'язаної з початковою фазою, як це має місце в звичайних циклотронах. Електричне поле Еr також має значення. Воно також коливається та спричиняє результуючий ефект в радіальному напрямі, який сприяє поверненню траєкторії пучка до початкового радіусу з нульовою швидкістю в площині, перпендикулярній осі, як на Фіг.19С. Процес, внаслідок якого іони завжди уповільнюються, подібний до принципу сильного фокусування, який є істотною ознакою сучасних прискорювачів, як описано [в патенті США №2,736,799]. Комбінація позитивної (фокусувальної) та негативної (розфокусувальної) лінз є позитивною, якщо магнітне поле має позитивний градієнт. Сильна фокусувальна дублетна квадрупольна лінза зображена на Фіг.23. Перша лінза є фокусувальною в напрямі де і розфокусувальною в напрямі у. Друга лінза є аналогічною, але властивості в напрямах x і у взаємно обернені. На осі симетрії магнітне поле дорівнює нулю і має позитивний радіальний градієнт. Загальний ефект для іонного пучка, що проходить крізь обидві лінзи, є фокусування у всіх напрямах, незалежно від послідовності проходження. Аналогічні результати описані для пучка, який проходить через порожнину резонатора, де створене сильне осьове магнітне поле, при роботі в режимі ТЕ111 (дивись Йосікава та інші). В режимі ТЕ111 в порожнині резонатора виникають стоячі хвилі, в яких магнітне поле має квадрупольну симетрію. Результати якісно подібні до описаних вище. Існують кількісні розбіжності, пов'язані з тим, що порожнина резонатора має значно більші розміри (довжину 10м) і працює при значно вищих частоті (155МГц) та напруженості магнітного поля (10Т). Відбирання енергії при таких високих частотах вимагає застосування антенивипрямляча. Ефективність перетворення обмежується енергетичним спектром пучка. Існування двох видів іонів є більш серйозним ускладненням, проте ефективність перетворення є адекватною для реактора на паливі D-He3, в якому утворюються протони з енергією 15МеВ. Траєкторія 422 окремої частинки в ІСС 420 показана на Фіг.19С. Цей результат був одержаний шляхом комп'ютерного моделювання; аналогічний результат одержано для пеніотрона. Іон, що надходить із певним радіусом /*о, рухається вздовж ІСС по спіралі, і після втрати початкової обертової енергії ця спіраль сходится в точку на колі того ж радіуса r0. Початкові умови асиметричні; кінцевий стан відображає цю асиметрію, однак є незалежним від початкової фази, отже, уповільнюються всі частинки. На кінці ІСС, який відповідає колектору іонів, пучок має також кільцевий переріз та аналогічні розміри. Осьова швидкість зменшується в 10 разів, а 35 густина відповідно зростає. Для окремої частинки досяжною є ефективність добування енергії 99%. Однак різноманітні чинники, наприклад, перпендикулярна обертова енергія кільцевого пучка перед входженням в перетворювач, можуть зменшити ефективність приблизно на 5%. Електрична енергія добувається на частоті приблизно 1-10МГц, у варіанті, якому віддається перевага, 5-10МГц, і ефективність перетворення додатково знижується внаслідок кондиціювання енергії з метою приєднання до енергетичної мережі. Як показано на Фіг.20А та Фіг.20В, альтернативні варіанти виконання електродних систем 494 в ІСС 420 можуть включати два симетричні півколові електроди та/або конічні електроди 494, які звужуються в напрямі до колектора 492 іонів. Динаміку руху іонів в основному магнітному полі ІСС 420 можна коригувати із застосуванням двох систем 500 і 510 допоміжних котушок, як показано на Фіг.24А та Фіг.24В. В обох системах 500 і 510 котушок струми в сусідніх провідниках мають протилежні напрями, отже, магнітні поля діють на коротких відстанях. Градієнт магнітного поля, як схематично показано на Фіг.24А, змінює частоту та фазу обертання іонів. Багатополюсне магнітне поле, схематично показане на Фіг.24В, забезпечує групування іонів, як у лінійному прискорювачі. Реактор На Фіг.25 показано реактор потужністю 100МВт. Показаний в розрізі генератор ілюструє область активної зони термоядерного синтезу, яка включає надпровідні котушки для створення рівномірного магнітного поля та потокову котушку для створення магнітного поля тополога з оберненим полем. На протилежних кінцях області активної зони розташовані перетворювачі енергії типу ІСС для прямого перетворення кінетичної енергії продуктів синтезу в електричну енергію. Допоміжне обладнання для такого реактора показано на Фіг.26. Силова установка На Фіг.27 показана плазмова тягова силова установка 800. Ця установка включає в себе активну зону 836 із FRC, де знаходиться активна паливна зона 835 термоядерного синтезу, з обох боків якої виходять продукти синтезу в формі пучків 837 кільцевого перерізу. На одному з кінців згаданої активної зони розташований перетворювач енергії 820 типу ІСС. До другого кінця активної зони приєднане магнітне сопло 850. Кільцевий пучок 837 продуктів синтезу витікає з одного кінця активної зони синтезу вздовж ліній поля в ІСС для перетворення енергії, а з другого кінця активної зони синтезу - вздовж ліній поля із сопла, утворюючи струмінь плазми Т. Цей винахід може бути здійснений в різноманітних модифікаціях та альтернативних варіантах, хоча на фігурах детально показано і в цьому документі описано його конкретний приклад. Однак слід мати на увазі, що цей винахід не обмежений розкритим конкретним варіантом здійснення, а, навпаки, охоплює усі модифікації, 80532 36 еквівалентні та альтернативні варіанти, котрі відповідають суті та обсягу пунктів формули винаходу. 37 80532 38 39 80532 40 41 80532 42 43 80532 44 45 80532 46