Спосіб плазмоелектричної генерації енергії та плазмоелектрична система для його здійснення (варіанти)

1. Плазмоелектрична система генерації енергії, яка включає: камеру (305), що має головну вісь (315), перший генератор магнітного поля (325, 425) для створення азимутально-симетричного магнітного поля у центральній зоні згаданої камери з магнітним потоком (480), практично паралельним головній осі камери, потокову котушку (320), концентричну з головною віссю камери, для створення у камері азимутального магнітного поля, першу множину електродів (494), які утворюють циліндричну поверхню у першій кінцевій зоні камери, причому згадана множина електродів включає більше двох електродів, просторово розташованих з утворенням видовженого проміжку (497) між суміжними електродами, причому згадана множина електродів формує електричне поле, що має багатополюсну структуру з кількістю полюсів більше двох, другий генератор магнітного поля (488) для створення азимутально-симетричного магнітного поля 2 (19) 1 3 7. Система за будь-яким із пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що згадані колектор електронів та колектор іонів електрично з'єднані. 8. Система за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що згадані електроди є симетричними. 9. Система за п. 6, яка відрізняється тим, що перший генератор магнітного поля додатково включає першу та другу сукупності відбивальних котушок (330), які просторово розташовані навколо камери та визначають активну зону (436) між ними. 10. Система за будь-яким із пп. 1, 2, яка додатково включає інжектори плазми (345), з'єднані з камерою. 11. Система за п. 10, яка відрізняється тим, що згадані інжектори плазми орієнтовані аксіально для забезпечення інжекції плазми в напрямі до середньої площини камери. 12. Система за будь-яким із пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що перший генератор магнітного поля є настроюваним. 13. Система за п. 12, яка додатково включає систему регулювання, з'єднану з першим генератором магнітного поля. 14. Система за будь-яким із пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що потокова котушка є бетатронною котушкою. 15. Система за будь-яким із пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що потокова котушка включає паралельні обмотки або множину окремих котушок. 16. Система за будь-яким із пп. 1, 2, яка додатково включає інжектори іонних пучків (340), з'єднані з камерою. 17. Система за п. 16, яка відрізняється тим, що інжектори іонів включають засіб для нейтралізації електричного заряду іонних пучків, які випускаються цими інжекторами. 18. Плазмоелектрична система генерації енергії, яка включає: термоядерний реактор (410), що має перший генератор магнітного поля (425), та зворотний циклотронний перетворювач енергії (420), приєднаний до першого кінця згаданого термоядерного реактора, причому згаданий перетворювач включає: три або більше електродів (494), які утворюють циліндричну поверхню та просторово розташовані з утворенням проміжку (497) між суміжними електродами, другий генератор магнітного поля (488), колектор електронів (490), розташований між першим та другим генераторами магнітного поля та суміжний з першим кінцем згаданих трьох або більше електродів, та колектор іонів (492), розташований суміжно із другим кінцем згаданих трьох або більше електродів. 19. Система за п. 18, яка додатково включає другий зворотний циклотронний перетворювач енергії, з'єднаний із другим кінцем згаданого термоядерного реактора. 20. Система за п. 18, яка додатково включає циліндричну камеру (305). 21. Система за п. 20, яка відрізняється тим, що згаданий термоядерний реактор додатково включає потокову котушку (320), концентричну з голов 92471 4 ною віссю (315) камери та розташовану в активній зоні (436). 22. Система за п. 18, яка додатково включає резонансний контур, з'єднаний з електродами. 23. Система за п. 18, яка додатково включає проміжний контур, з'єднаний з електродами. 24. Система за п. 18, яка відрізняється тим, що колектор електронів має кільцеву форму. 25. Система за будь-яким із пп. 18-20, яка відрізняється тим, що згадані перший та другий генератори магнітного поля включають кільцеві польові котушки, розташовані навколо камери, причому силові лінії магнітного поля, яке створюється польовими котушками першого генератора магнітного поля, мають напрям, протилежний напряму силових ліній магнітного поля, яке створюється польовими котушками другого генератора магнітного поля. 26. Система за п. 18, яка відрізняється тим, що згадані колектор електронів та колектор іонів електрично з'єднані. 27. Система за п. 18, яка відрізняється тим, що згадані електроди є симетричними. 28. Система за п. 25, яка відрізняється тим, що перший генератор магнітного поля додатково включає першу та другу сукупності відбивальних котушок (330), які просторово розташовані навколо камери та визначають активну зону (436) між ними. 29. Система за будь-яким із пп. 18-20, яка додатково включає інжектори плазми (345), з'єднані з камерою. 30. Система за п. 29, яка відрізняється тим, що згадані інжектори плазми орієнтовані аксіально для забезпечення інжекції плазми в напрямі до середньої площини камери. 31. Система за п. 18, яка відрізняється тим, що перший генератор магнітного поля є настроюваним. 32. Система за п. 31, яка додатково включає систему регулювання, з'єднану з першим генератором магнітного поля. 33. Система за будь-яким із пп. 18-21, яка відрізняється тим, що потокова котушка є бетатронною котушкою. 34. Система за будь-яким із пп. 18-21, яка відрізняється тим, що потокова котушка включає паралельні обмотки або множину окремих котушок. 35. Система за будь-яким із пп. 18-21, яка додатково включає інжектори іонних пучків (340), з'єднані з камерою. 36. Система за п. 35, яка відрізняється тим, що інжектори іонів включають засіб для нейтралізації електричного заряду іонних пучків, які випускаються цими інжекторами. 37. Спосіб плазмоелектричної генерації енергії, який включає стадії: створення у камері магнітного поля, яке має конфігурацію з оберненим полем (FRC), утримування в камері плазми, яка містить іони та електрони, утворення в FRC іонів продуктів термоядерного синтезу та перетворення кінетичної енергії іонів продуктів термоядерного синтезу, які виходять з FRC, в електричну енергію. 5 38. Спосіб за п. 37, який відрізняється тим, що стадія перетворення кінетичної енергії іонів продуктів термоядерного синтезу включає спрямування іонів продуктів синтезу через гальмувальне електричне поле та гальмування іонів продуктів синтезу. 39. Спосіб за п. 38, який додатково включає стадію створення гальмувального електричного поля. 40. Спосіб за будь-яким із пп. 38 або 39, який відрізняється тим, що гальмувальне електричне поле є багатополюсним електричним полем видовженої форми, яке включає три або більше полюсів. 41. Спосіб за будь-яким із пп. 38 або 39, який додатково включає стадії виведення іонів продуктів термоядерного синтезу з FRC у формі пучка кільцевого перерізу та спрямування цих іонів по спіральній траєкторії через гальмувальне електричне поле. 42. Спосіб за п. 40, який додатково включає стадії виведення іонів продуктів термоядерного синтезу з FRC у формі пучка кільцевого перерізу та спрямування цих іонів по спіральній траєкторії через гальмувальне електричне поле. 43. Спосіб за будь-яким із пп. 38, 39 або 42, який відрізняється тим, що стадія створення гальмувального електричного поля включає прикладення коливного потенціалу до трьох або більше електродів видовженої форми, розташованих просторово з утворенням видовжених проміжків між суміжними електродами, причому згадані три або більше електродів видовженої форми утворюють циліндричну порожнину всередині камери. 44. Спосіб за п. 40, який відрізняється тим, що стадія створення гальмувального електричного поля включає прикладення коливного потенціалу до трьох або більше електродів видовженої форми, розташованих просторово з утворенням видовжених проміжків між суміжними електродами, причому згадані три або більше електродів видовженої форми утворюють циліндричну порожнину всередині камери. 45. Спосіб за п. 41, який відрізняється тим, що стадія створення гальмувального електричного поля включає прикладення коливного потенціалу до трьох або більше електродів видовженої форми, розташованих просторово з утворенням видовжених проміжків між суміжними електродами, причому згадані три або більше електродів видовженої форми утворюють циліндричну порожнину всередині камери. 46. Спосіб за п. 43, який відрізняється тим, що стадія створення багатополюсного електричного поля видовженої форми включає створення азимутальних електричних полів поперек видовжених проміжків між трьома або більше електродами. 47. Спосіб за будь-яким із пп. 44 або 45, який відрізняється тим, що стадія створення багатополюсного електричного поля видовженої форми включає створення азимутальних електричних полів поперек видовжених проміжків між трьома або більше електродами. 48. Спосіб за будь-яким із пп. 42, 44, 45 або 46, який додатково включає стадію створення у камері другого прикладеного магнітного поля, причому 92471 6 однонаправлені силові лінії першого та другого прикладених магнітних полів поширюються у протилежних напрямах. 49. Спосіб за п. 41, який додатково включає стадію створення у камері другого прикладеного магнітного поля, причому однонаправлені силові лінії першого та другого прикладених магнітних полів поширюються у протилежних напрямах. 50. Спосіб за п. 43, який додатково включає стадію створення у камері другого прикладеного магнітного поля, причому однонаправлені силові лінії першого та другого прикладених магнітних полів поширюються у протилежних напрямах. 51. Спосіб за п. 47, який додатково включає стадію створення у камері другого прикладеного магнітного поля, причому однонаправлені силові лінії першого та другого прикладених магнітних полів поширюються у протилежних напрямах. 52. Спосіб за п. 48, який додатково включає стадію поєднання силових ліній першого та другого прикладених магнітних полів з утворенням магнітного зубця. 53. Спосіб за будь-яким із пп. 49-51, який додатково включає стадію поєднання силових ліній першого та другого прикладених магнітних полів з утворенням магнітного зубця. 54. Спосіб за п. 52, який додатково включає стадію спрямування згаданого пучка кільцевого перерізу через магнітний зубець. 55. Спосіб за п. 53, який додатково включає стадію спрямування згаданого пучка кільцевого перерізу через магнітний зубець. 56. Спосіб за п. 54 або п. 55, який додатково включає стадію перетворення практично всієї поступальної енергії іонів продуктів термоядерного синтезу в обертову енергію. 57. Спосіб за п. 54 або п. 55, який додатково включає стадію збирання електронів, які нейтралізують заряд, з пучка кільцевого перерізу, коли ці електрони рухаються вздовж силових ліній магнітного зубця. 58. Спосіб за п. 57, який додатково включає стадію збирання іонів при перетворенні значної частки їхньої енергії в електричну енергію. 59. Спосіб за п. 58, який додатково включає стадію кондиціювання електричної енергії, одержаної шляхом перетворення енергії іонів, із метою узгодження з параметрами існуючих силових мереж. 60. Спосіб за п. 59, який додатково включає стадію створення електростатичного поля у камері. 61. Спосіб за п. 60, який відрізняється тим, що електростатичне поле має значення, яке відповідає значенню першого прикладеного магнітного поля. 62. Спосіб за п. 59 або п. 60, який відрізняється тим, що стадія створення електростатичного поля включає стадії: прикладення першого прикладеного магнітного поля до камери при заздалегідь визначеному значенні; та інжекції пучків, що містять іони, у FRC із заздалегідь визначеною швидкістю. 63. Спосіб за п. 62, який додатково включає стадію регулювання значення електростатичного поля 7 92471 8 шляхом регулювання значення першого прикладеного магнітного поля. 64. Спосіб за п. 62, який додатково включає стадію настроювання першого прикладеного магнітного поля з метою регулювання значення електростатичного поля. 65. Спосіб за п. 64, який додатково включає стадію магнітного утримування множини плазмових іонів у FRC. 66. Спосіб за п. 65, який додатково включає стадію електростатичного утримування множини плазмових електронів в електростатичному полі. 67. Спосіб за п. 64, який відрізняється тим, що стадія настроювання прикладеного магнітного поля включає регулювання значення електростатичного поля. 68. Спосіб за п. 60, який відрізняється тим, що стадія створення електростатичного поля включає стадії обертання плазми у діамагнітному напрямі у FRC та створення надлишкового позитивного заряду як наслідку виходу електронів із плазми. 69. Спосіб за п. 68, який відрізняється тим, що стадія створення надлишкового позитивного заряду включає вплив сил Лоренца на плазмові електрони. 70. Спосіб за п. 66, який відрізняється тим, що стадія магнітного утримування включає практично класичне утримування іонів. 71. Спосіб за п. 70, який відрізняється тим, що стадія електростатичного утримування включає практично класичне утримування електронів. 72. Спосіб за п. 70, який відрізняється тим, що класичне утримування іонів включає утримування іонів в утримувальній структурі протягом періоду часу, який перевищує час вигоряння плазми. 73. Спосіб за п. 72, який додатково включає стадію руху іонів у FRC по бетатронних орбітах великого радіуса, де радіус орбіти перевищує довжину хвиль нестабільностей, що спричиняють аномальне перенесення. 74. Спосіб за п. 72, який додатково включає стадію обертання плазми та генерації струму з метою утворення магнітного поля самоіндукції, яке оточує плазму. 75. Спосіб за п. 74, який додатково включає стадію комбінування першого прикладеного магнітного поля та магнітного поля самоіндукції з метою утворення магнітного поля конфігурації FRC. 76. Спосіб за п. 75, який додатково включає стадію створення азимутального електричного поля у структурі утримування плазми. 77. Спосіб за п. 76, який додатково включає стадії взаємодії азимутального електричного поля з іонами та електронами плазми та впливу пондеромоторних сил на іони та електрони плазми. 78. Спосіб за п. 77, який відрізняється тим, що стадія створення азимутального електричного поля включає збільшення сили струму, який протікає через потокову котушку. 79. Спосіб за п. 65, який додатково включає стадію охолодження електронів. 80. Спосіб за п. 65, який додатково включає стадію перенесення енергії з електричної потенціальної ями електростатичного поля на іони продуктів термоядерного синтезу. 81. Спосіб за п. 80, який відрізняється тим, що плазма включає щонайменше два різних види іонів. 82. Спосіб за п. 74, який додатково включає стадію прискорення плазми у пучку, що обертається, до обертової енергії, яка відповідає термоядерному синтезу. 83. Спосіб за п. 82, який додатково включає стадії інжекції високоенергетичних іонних пучків у FRC та вловлювання цих пучків на бетатронних орбітах всередині FRC. 84. Спосіб за будь-яким із пп. 60, 61, пп. 63-65 або п. 81, де іонні пучки інжектують у практично поперечному напрямі відносно першого прикладеного магнітного поля. 85. Спосіб за п. 62, який відрізняється тим, що іонні пучки інжектують у практично поперечному напрямі відносно першого прикладеного магнітного поля. 86. Спосіб за п. 60, який відрізняється тим, що стадія створення електростатичного поля включає прикладення першого прикладеного магнітного поля, значення якого відповідає електростатичному полю, яке є утримувальним для множини електронів плазмового пучка. Винахід стосується 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. 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 (внаслідок 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 104 еВ, що відповідає приблизно 100 мільйонам градусів Кельвіна. Швидкість реакції ядерного синтезу є функцією температури і характеризується величиною, що зветься реакційною здатністю. Реакційна здатність реакції D-T, напри 9 клад, має широкий пік в межах від 30 кеВ до 100 кеВ. До типових реакцій ядерного синтезу належать такі: 3 D+D He (0,8 МеВ)+n(2,5 МеВ), D+T (3,6 МеВ)+n(14,1 МеВ), D+He3 (3,7 MeB)+p(14,7 МеВ) та р+B11 3 (8,7 МеB), де D означає дейтерій, Т означає тритій, означає ядро гелію, n означає нейтрон, р 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 нейтронних 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 реа3 11 кціях - D-He та p-В - 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 p-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 здатності відповідають значно вищим температурам, при цьому реакційна здатність не досягає таких високих значень, як в разі реакції D-T. Таким чином, 92471 10 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 t r 2 / D , де r є мінімальний розмір плазми і D - коефіцієнт дифузії. Класичний вираз для коефіцієнта дифузії має форму Dc ai2 / ie, де а1 - гіро радіус іона і ie - 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)ai2 i, де Qi - гірочастота іона. Дифузія, що відповідає цій залежності, має назву аномального перенесення. Для умов ядерного синтезу DB / DC (1/ 16) i ie 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 t r 2 / DB . Прогрес у цій галузі за останні 40 років забезпечив збільшення часу утримування до t 1000r 2 / 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 t r 2 / DC, і в цьому разі мінімальний розмір плазми можна зменшити з кількох метрів до кількох сантиметрів. Ці експерименти включають інжекцію пучків високої енергії (50-100 кеВ) для нагрівання плазми до температур від 10 кеВ до 30 кеВ (дивись роботу Гайдбрінка та Садлера (W. Heidbrink & G.J. 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 гірорадіус іона ( а1). Згадані корот 11 кохвильові коливання мають тенденцію до усереднення впродовж циклу і, таким чином, зникають. Навпаки, електрони мають значно менший гірорадіус і, таким чином, реагують на згадані коливання і переносяться аномально. Унаслідок аномального перенесення мінімальний розмір плазми має бути щонайменше 2,8 м. У зв'язку з цим розміром реактор ITER мав 30 м заввишки і 30 м у діаметрі. Він є найменшим D-T реактором типу токамак, який може бути реалізований. Для роботи з прогресивними паливами, такими, як D-He3 та р-B11, реактор типу токамак мав би бути значно більшим, оскільки час, потрібний для проходження ядерної реакції за участю паливних іонів, набагато більший. При використанні D-T палива в реакторі типу токамак виникає додаткове утруднення, пов'язане з тим, що більшу частину енергії продуктів синтезу несуть нейтрони з енергією 14 МеВ, які спричиняють радіаційне руйнування та збуджують реакційну здатність майже всіх конструкційних матеріалів під впливом нейтронних потоків. Крім того, для перетворення їхньої енергії в електричну слід використовувати тепловий процес, к.к.д. якого не перевищує 30 %. Іншою запропонованою конфігурацією реактора є реактор на зустрічних пучках. В реакторі на зустрічних пучках фонова плазма бомбардується іонними пучками. Ці пучки містять іони з енергією значно більшою, ніж теплова плазма. Проведення корисних реакцій ядерного синтезу в реакторі цього типу неможливе, оскільки фонова плазма уповільнює іонні пучки. Відомі різноманітні пропозиції, спрямовані на подолання цього ускладнення та збільшення кількості ядерних реакцій до можливого максимуму. Наприклад, в патенті США № 4,065,351 на ім'я Джесбі (Jassby) та інших описаний спосіб одержання зустрічних дейтронних і тритонних пучків протилежних напрямів в тороїдальній системі утримування. Згідно з патентом США № 4,057,462 на ім'я Джесбі та інших, для нейтралізації ефектів гальмування одного з видів іонів об'ємною рівноважною плазмою в систему інжектують електромагнітну енергію. Тороїдальна система утримування охарактеризована як система токамака. Згідно з патентом США № 4,894,199 на ім'я Ростокера (Rostoker), пучки дейтерію і тритію інжектують і вловлюють з однаковою середньою швидкістю в конфігурації токамака, у відбивальній конфігурації або в конфігурації з оберненим полем. Холодна фонова плазма низької густини застосовується в системі лише для вловлювання пучків. Реакція пучків обумовлена їхньою високою температурою, а сповільнення спричинене, головним чином, впливом електронів, які супроводжують інжектовані іони. Ці електрони нагріваються під впливом іонів, і в цьому випадку сповільнення є мінімальним. У всіх таких пристроях, однак, жодної ролі не відіграє рівноважне електричне поле. Крім того, автори не роблять спроб зменшити, або навіть враховувати, аномальне перенесення. В інших патентах пропонується електростатичне утримування іонів і в деяких випадках - магнітне утримування електронів. До таких патентів на 92471 12 лежать патенти США №3,258,402 та №3,386,883, обидва на ім'я Фарнсуорта (Farnsworth), де описане електростатичне утримування іонів та інерційне утримування електронів; патенти США № 3,530,036 та № 3,530,497, обидва на ім'я Гірша (Hirsch) та інших, аналогічні патентам Фарнсуорта; патент США № 4,233,537 на ім'я Лімпечера (Limpaecher), де розкрито електростатичне утримування іонів та магнітне утримування електронів багатополюсними зубчастими відбивальними стінками; та патент США № 4,826,646 на ім'я Буссарда (Bussard), аналогічний патенту Лімпечера, який включає загострені зубці. В жодному з цих патентів не розглядається електростатичне утримування електронів та магнітне утримування іонів. Відомі численні дослідні проекти в галузі електростатичного утримування іонів, однак в жодному з них не вдалося створити потрібні електростатичні поля у випадку, коли іони мають густину, необхідну для термоядерного реактора. Нарешті, в жодному з вищезгаданих патентів не розглядається магнітна топологія конфігурації з оберненим полем. Конфігурація з оберненим полем (FRC) була випадково відкрита в 1960-х роках в Лабораторії військово-морських досліджень в процесі експериментів по дослідженню тета-пінч-ефекту. Типова топологія FRC, в якій внутрішнє магнітне поле змінює напрям, показана на Фіг.8 та Фіг.10, а траєкторії частинок в FRC показані на Фіг.11 та Фіг.14. Численні програми досліджень, що стосуються FRC, здійснено в США та в Японії. Опубліковано широкий огляд теоретичних та експериментальних досліджень FRC за період 1960-1988 pp. Дивись Тушевський (М. Tuszewski, 28 Nuclear Fusion 2033, 1988). У відкритій роботі з розвитку FRC 1996 року описано проведені дослідження та дано рекомендації з подальших досліджень. Дивись Штайнгауер та інші (L.C. Steinhauer et al., 30 Fusion Technology 116, 1996). На цей час для створення FRC в експериментах застосовували тета-пінч-ефект. Наслідком такого способу формування FRC є те, що іонний та електронний потоки несуть кожний половину струму, тому в плазмі виникає вкрай слабке елестростатичне поле і електростатичне утримування не має місця. У цих конфігураціях з оберненим полем іони та електрони затримуються магнітним впливом. Майже у всіх експериментах із FRC припускається аномальне перенесення. Дивись, наприклад, огляд Тушевського, початок розділу 1.5.2 на сторінці 2072. Таким чином, бажано запропонувати систему для ядерного синтезу, яка включає систему утримування, яка сприяє істотному зниженню або повному виключенню аномального перенесення іонів та електронів, та систему перетворення енергії, яка забезпечує перетворення енергії продуктів синтезу в електричну енергію з високим к.к.д. Короткий опис винаходу Цей винахід стосується системи, яка полегшує проведення керованого термоядерного синтезу в магнітному полі, яке має топологію з оберненим полем, і прямого перетворення енергії продуктів ядерного синтезу в електричну енергію. У варіантах, яким віддається перевага, ця система, яку в 13 цьому описі названо системою плазмоелектричного генератора енергії (PEG), включає термоядерний реактор, обладнаний системою утримування, яка сприяє істотному зниженню або повному виключенню аномального перенесення іонів та електронів. Крім того, система PEG включає поєднану зі згаданим реактором систему перетворення енергії, яка забезпечує пряме перетворення енергії продуктів ядерного синтезу в електричну енергію з високим к.к.д. Згідно з одним інноваційним аспектом цього винаходу, забезпечується істотне зниження або повне виключення аномального перенесення як іонів, так і електронів. Аномальному перенесенню іонів можна запобігти шляхом магнітного утримування іонів у магнітному полі конфігурації з оберненим полем (FRC). Щодо електронів, аномальному перенесенню енергії можна запобігти шляхом регулювання прикладеного ззовні магнітного поля з метою створення сильного електричного поля, в якому електрони утримуються електростатично в глибокій потенціальній ямі. Внаслідок цього паливні плазми ядерного синтезу, які можна використовувати при застосуванні пристрою та способу утримування згідно з цим винаходом, не обмежуються нейтронними паливами, а включають також прогресивні, або анейтронні, палива. В разі використання анейтронних палив енергія реакції синтезу вивільнюється майже повністю у вигляді заряджених частинок, тобто іонів високої енергії, які піддаються керуванню в магнітному полі і спричиняють лише незначну радіоактивність або зовсім не спричиняють її, залежно від типу палива. Згідно з іншим інноваційним аспектом цього винаходу, для прямого перетворення кінетичної енергії продуктів синтезу в електричну енергію шляхом уповільнення заряджених частинок в електромагнітному полі застосовується система прямого перетворення енергії. Перевагою системи прямого перетворення енергії згідно з цим винаходом є те, що вона має ефективність, діапазон прийнятних енергій частинок та електронне забезпечення, які дозволяють перетворювати частоту та фазу вихідної потужності термоядерного реактора приблизно 5 МГц для узгодження із зовнішньою силовою мережею 60 Гц. У варіанті, якому віддається перевага, система утримування плазми термоядерного реактора включає камеру, генератор магнітного поля для прикладання магнітного поля в напрямі вздовж головної осі камери та кільцевий шар плазми, який містить циркулюючий пучок іонів. Іони в кільцевому шарі плазми практично утримуються на орбітах в межах камери магнітно, а електрони практично утримуються в електростатичній потенціальній ямі. Згідно з одним аспектом варіанту, якому віддається перевага, генератор магнітного поля включає в себе струмову котушку. У варіантах, яким віддається перевага, згадана система додатково включає відбивальні котушки на кінцях згаданої камери, які підвищують напруженість магнітного поля на кінцях камери. Система може містити також інжектор пучка для інжектування нейтралізованого іонного пучка в прикладене магнітне по 92471 14 ле, причому згаданий пучок виходить на орбіту під впливом сили, створеної прикладеним магнітним полем. Згідно з іншим аспектом варіанта, якому віддається перевага, згадана система утворює магнітне поле, яке має топологію конфігурації з оберненним полем. Згідно з іншим варіантом, якому віддається перевага, система перетворення енергії включає в себе зворотні циклотронні перетворювачі (ІСС), приєднані до протилежних кінців термоядерного реактора. Згадані ІСС мають геометрію порожнистого циліндра, що складається з кількох, переважно чотирьох або більше, однакових напівциліндричних електродів із прямолінійними малими проміжками між ними. При роботі системи на електроди подають коливний змінний потенціал. Електричне поле Е в ІСС має багатополюсну структуру, дорівнює нулю на осях симетрії і лінійно посилюється в залежності від радіуса; максимальної напруженості воно досягає у згаданих проміжках. Крім того, згаданий ІСС включає генератор магнітного поля для прикладання рівномірного однонаправленого магнітного поля в напрямі, практично протилежному напряму поля системи утримування термоядерного реактора. На кінці, найвіддаленішому від активної зони термоядерного реактора, ІСС має колектор іонів. Між активною зоною та ІСС існує симетричний магнітний зубець, де магнітне поле системи утримування поєднується з магнітним полем ІСС. Навкруги згаданого магнітного зубця розташований кільцевий колектор електронів, електрично з'єднаний зі згаданим колектором іонів. Згідно зі ще одним варіантом, якому віддається перевага, ядра продуктів синтезу та електрони, які нейтралізують заряд, виходять у формі кільцевих пучків з обох кінців активної зони реактора, маючи густину, при якій магнітний зубець забезпечує розділення електронів та іонів внаслідок різниці в їхніх енергіях. Електрони рухаються вздовж ліній магнітного поля до колектора електронів, а іони проходять через магнітний зубець, де траєкторії іонів змінюються так, щоб вони рухалися практично спіральною траєкторією вздовж ІСС. Енергія відбирається від іонів, коли їхня спіральна траєкторія проходить повз електроди, з'єднані з резонансним контуром. Втрата перпендикулярної енергії є найбільшою для іонів найвищої енергії, які спочатку циркулюють поблизу електродів, де електричне поле має найбільшу напруженість. Інші аспекти та відмінні ознаки цього винаходу будуть ясні при розгляді поданого нижче опису разом із малюнками, що додаються. Короткий опис фігур Варіанти здійснення винаходу, яким віддається перевага, ілюстровані як приклад, що не має обмежувального характеру, фігурами, що додаються. На малюнках однакові елементи позначено однаковими числовими позиціями. На Фіг.1 показано приклад виконання камери утримування згідно з цим винаходом. На Фіг.2 показано магнітне поле конфігурації FRC. На Фіг.3А та 3В показані відповідно діамагнітний та антидіамагнітний напрями в FRC. 15 На Фіг.4 показано систему зустрічних пучків згідно з цим винаходом. На Фіг.5 показано бетатронну орбіту. На Фіг.6А та Фіг.6В показані відповідно магнітне поле та напрям градієнтного дрейфу в FRC. На Фіг.7А та Фіг.7В показані відповідно елект  ричне поле та напрям дрейфу E B в FRC. На Фіг.8А, Фіг.8В та Фіг.8С показані дрейфові орбіти іонів. На Фіг.9А та Фіг.9В показано силу Лоренца на кінцях FRC. На Фіг.10А та Фіг.10В показано регулювання електричного поля та електричного потенціалу в системі зустрічних пучків. На Фіг.11 показано розподіл Максвелла. На Фіг.12А та Фіг.12В показані переходи з бетатронних орбіт на орбіти дрейфу внаслідок іоніонних зіткнень під великим кутом. На Фіг.13 показані бетатронні орбіти А, В, С та D при зіткненні іона з електроном під малим кутом. На Фіг.14 показано нейтралізований іонний пучок, електрично поляризований перед входженням в камеру утримування. На Фіг.15 показано фронтальний вид нейтралізованого іонного пучка в контакті із плазмою в камері утримування. На Фіг.16 показано схематичний вид збоку камери утримування згідно з варіантом процедури запуску, якому віддається перевага. На Фіг.17 показано схематичний вид збоку камери утримування згідно з іншим варіантом процедури запуску, якому віддається перевага. На Фіг.18 показано запис сигналу точкового Взонда, що вказує на утворення FRC. На Фіг.19А показано частину системи плазмоелектричного генератора енергії, який включає в себе термоядерний реактор на зустрічних пучках, поєднаний зі зворотним циклотронним перетворювачем для прямого перетворення енергії. На Фіг.19В показано вид збоку зворотного циклотронного перетворювача за Фіг.19А. На Фіг.19С показано орбіту іона в зворотному циклотронному перетворювачі. На Фіг.20А показано частину системи плазмоелектричного генератора енергії, який включає в себе термоядерний реактор на зустрічних пучках, поєднаний з іншим варіантом зворотного циклотронного перетворювача енергії. На Фіг.20В показано вид збоку зворотного циклотронного перетворювача за Фіг.20А. На Фіг.21А показано орбіту частинки в звичайному циклотроні. На Фіг.21В показано змінне електричне поле. На Фіг.21C показано змінну енергію прискорюваної частинки. На Фіг.22 показано азимутальне електричне поле у проміжках між електродами ІСС, яке діє на іон, що має кутову швидкість. На Фіг.23 показано фокусувальну дублетну квадрупольну лінзу. На Фіг.24А та Фіг.24В показано допоміжну систему котушок магнітного поля. На Фіг.25 показано реактор потужністю 100 МВт. 92471 16 На Фіг.26 показано допоміжне обладнання реактора. На Фіг.27 показано плазмову тягову силову установку. Як показано на фігурах, у варіанті, якому віддається перевага, плазмоелектрична система генерації енергії згідно з цим винаходом включає термоядерний реактор на зустрічних пучках, поєднаний із системою прямого перетворення енергії. Вище вказано, що в ідеальному термоядерному реакторі вирішено проблему аномального перенесення як іонів, так і електронів. Із метою вирішення проблеми аномального перенесення в пристрої згідно з цим винаходом застосовано систему утримування з магнітним полем, яке має конфігурацію з оберненим полем (FRC). Аномальне перенесення іонів усувається шляхом магнітного утримання в FRC таким чином, що більшість іонів має широкі неадіабатичні орбіти, що забезпечує їхню нечутливість до короткохвильових коливань, які спричиняють аномальне перенесення адіабатичних іонів. Зокрема, існування в FRC області, де магнітне поле зникає, забезпечує можливість існування плазми, яка містить більшість неадіабатичних іонів. Щодо електронів, то аномальне перенесення енергії усувається шляхом регулювання прикладеного ззовні магнітного поля з метою створення сильного електричного поля, яке електростатично утримує електрони в глибокій потенціальній ямі. Паливні плазми ядерного синтезу, які можна використовувати із застосуванням пристрою та способу утримування згідно з цим винаходом, не обмежуються тільки нейтронними паливами, такими як D-D (дейтерій-дейтерій) або D-Т (дейтерійтритій), а включають також анейтронні палива, такі як D-He3 (дейтерій-гелій-3) та р-В11 (водень-бор11). (Прогресивні ядерні палива розглядаються в роботі Фельдбахера і Гайндлера - R. Feldbacher & М. Heindler, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A271 (1988), JJ-64 (North Holland Amsterdam)). При застосуванні таких анейтронних палив майже вся енергія реакції ядерного синтезу вивільнюється в формі заряджених частинок, тобто іонів високої енергії, якими можна керувати шляхом впливу на них магнітного поля і які спричиняють лише незначну радіоактивність або ж зовсім не викликають радіоактивності. При реакції D-He3 утворюється іон Н та іон Не4 з енергією 18,2 МеВ, а реакція р-В11 дає три іони Не4 та енергію 8,7 МеВ. З теоретичного моделювання термоядерного пристрою, де застосовуються анейтронні палива, випливає, що к.к.д. перетворення вихідної енергії може досягати приблизно 90 %, як описано, наприклад, в роботі Йосікава та інших (К. Yoshikawa, Т. Noma and Y. Yamamoto, Fusion Technology, 19, 870 (1991)). Такі високі показники ефективності значно розширюють перспективи застосування анейтронного термоядерного синтезу для створення компактних недорогих промислових генераторів (1-1000 МВт). В способі прямого перетворення енергії згідно з цим винаходом заряджені частинки продуктів синтезу можна уповільнити і перетворити їх кінетичну енергію безпосередньо в електричну. Пере 17 вагою системи прямого перетворення енергії згідно з цим винаходом є те, що вона має ефективність, діапазон прийнятних енергій частинок та електронне забезпечення, які дозволяють перетворювати частоту та фазу вихідної потужності термоядерного реактора приблизно 5 МГц для узгодження із зовнішньою силовою мережею 60Гц. Система утримування термоядерного реактора На Фіг.1 показано варіант здійснення системи 300 утримування згідно з цим винаходом, якій віддається перевага. Система 300 утримування включає в себе стінку 305 камери, яка утворює камеру 310 утримування. У варіанті, якому віддається перевага, камера 310 має циліндричну форму, при цьому головна вісь 315 циліндра проходить по центру камери 310. Для застосування цієї системи 300 утримування в термоядерному реакторі в камері 310 слід утворити вакуум або умови, близькі до вакууму. В камері 310 концентричне з головною віссю 315 розташована бетатронна потокова котушка 320. Ця бетатронна потокова котушка 320 містить середовище, яке проводить електричний струм, пристосоване для спрямування струму по колу довгої котушки, показаної на фігурі, яка у варіанті, якому віддається перевага, включає в себе кілька окремих котушок із паралельними обмотками, а в варіанті, якому віддається найбільша перевага - паралельні обмотки приблизно чотирьох окремих котушок для формування довгої котушки. Фахівцям зрозуміло, що струм, котрий проходить через бетатронну котушку 320, утворює всередині бетатронної котушки 320 магнітне поле, напрям якого практично співпадає з напрямом головної осі 315. З зовнішнього боку стінку 305 камери охоплює зовнішня котушка 325. Зовнішня котушка 325 створює відносно постійне магнітне поле, потік якого практично паралельний головній осі 315. Це магнітне поле має азимутальну симетрію. Припущення, що магнітне поле, створене зовнішньою котушкою 325, є постійним і паралельним осі 315, найбільш близьке до реальності на відносно великій відстані від кінців камери 310. На кожному кінці камери 310 встановлена відбивальна котушка (магнітне дзеркало) 330. Відбивальні котушки 330 пристосовані для створення магнітного поля підвищеної напруженості всередині камери 310 поблизу кожного з її кінців, і, таким чином, лінії магнітного поля поблизу кожного з кінців камери загинаються всередину камери (дивись Фіг.8 і Фіг.10). Як пояснено вище, це згинання ліній поля всередину камери сприяє утриманню плазми 335 в області утримування камери 310, в цілому між відбивальними котушками 330, шляхом відштовхування її від кінців камери, де можливий витік плазми із системи 300 утримування. Відбивальні котушки 330 можуть бути виконані з можливістю створення підвищеного магнітного поля поблизу кінців камери різноманітними способами, відомими в техніці, в тому числі шляхом збільшення кількості витків у відбивальних котушках 330, збільшення сили струму у відбивальних котушках 330 або перекривання відбивальних котушок 330 із зовнішньою котушкою 325. 92471 18 На Фіг.1 зовнішня котушка 325 та Відбивальні котушки 330 показані розташованими ззовні стінки 305 камери; однак вони можуть бути вміщені також всередині камери 310. У випадках, коли стінка 305 камери виконана із провідного матеріалу, такого як метал, може бути доцільним розташування котушок 325, 330 всередині порожнини, обмеженої стінкою 305 камери, оскільки час, потрібний для проникнення магнітного поля через стінку 305, може бути відносно довгим і, таким чином, спричиняти запізнення реакції системи 300. Аналогічно, камера 310 може мати форму порожнистого циліндра, при цьому стінка 305 камери утворює довгу порожнину кільцевого перерізу. В такому випадку бетатронна котушка 320 може бути розташована всередині порожнини, обмеженої стінкою 305 камери, в центрі згаданої порожнини кільцевого перерізу. У варіанті, якому віддається перевага, внутрішня стінка, що утворює центральну частину згаданої порожнини кільцевого перерізу, виконана з непровідного матеріалу, наприклад, зі скла. Мається на увазі, що камера 310 повинна мати розміри та форму, достатні для уможливлення обертання циркулюючого плазмового пучка або шару 335 навколо головної осі 315 при даному радіусі. Стінка 305 камери може бути виконана з матеріалу, який має високу магнітну проникність, наприклад, зі сталі. В такому випадку стінка 305 камери сприяє запобіганню витоку магнітного потоку з камери 310, "стискаючи" його внаслідок впливу індукційних струмів, які виникають у матеріалі стінки. Якщо стінку камери необхідно виконати з матеріалу, що має низьку магнітну проникність, наприклад, з органічного скла, то потрібно застосувати інший пристрій для утримання магнітного потоку. В такому випадку можна використати низку замкнутих плоских металевих кілець. Ці кільця, відомі в техніці під назвою обмежувачів магнітного потоку, можна встановити всередині зовнішніх котушок 325, але поза циркулюючим плазмовим пучком 335. Крім того, ці обмежувачі магнітного потоку можуть бути пасивними або активними, причому в активні обмежувачі подають певний струм для підвищення ефективності утримування магнітного потоку всередині камери 310. В альтернативних варіантах обмежувачами магнітного потоку можуть бути самі зовнішні котушки 325. Як буде детальніше пояснено нижче, циркулюючий плазмовий пучок 335, що містить заряджені частинки, може утримуватися всередині камери 310 силою Лоренца, яка створюється магнітним полем, котре генерує зовнішня котушка 325. В такому разі іони в плазмовому пучку 335 магнітно утримуються на широких бетатронних орбітах вздовж ліній магнітного потоку від зовнішньої котушки 325, паралельних головній осі 315. Система обладнана також одним або кількома інжекційними пристроями 340 для додавання плазмових іонів у циркулюючий плазмовий пучок 335 в камері 310. У варіанті, якому віддається перевага, інжектори 340 пристосовані для інжекції іонного пучка приблизно на тій саме радіальній відстані відносно головної осі 315, на якій знаходиться циркулюючий плазмовий пучок 335 (тобто, поблизу нульової поверхні, описаної нижче). Крім того, ін 19 жектори 340 виконані з можливістю інжекції іонних пучків 350 (дивись Фіг.16) по дотичній до бетатронної орбіти утримуваного плазмового пучка 335 і в напрямі обертання цієї орбіти. Система включає також один або кілька джерел 345 фонової плазми для інжекції хмари плазми низької енергії в камеру 310. У варіанті, якому віддається перевага, згадані джерела 345 фонової плазми виконані з можливістю спрямування плазми 335 в бік центральної осі камери 310. З'ясовано, що спрямування плазми в цьому напрямі сприяє утримуванню плазми 335 і забезпечує підвищену густину плазми 335 в області утримування камери 310. Заряджені частинки в FRC На Фіг.2 показано магнітне поле 70 в FRC. Система є циліндрично симетричною відносно осі 78. У FRC існують дві області ліній магнітного поля: розімкнута область 80 і замкнута 72. Поверхня, яка розділяє ці дві області, зветься сепаратрисою і позначена позицією 84. FRC утворює циліндричну нульову поверхню 86, де магнітне поле зникає. В центральній частині 88 FRC магнітне поле в осьовому напрямі істотно не змінюється. Поблизу торцевих областей 90 магнітне поле значно відхиляється від осьового напряму. Магнітне поле вздовж центральної осі 78 в FRC змінює напрям на зворотний, звідки й походить термін "обернений" в назві "конфігурація з оберненим полем" (Field Reversed Configuration, FRC). На Фіг.3А магнітне поле зовні від нульової поверхні 94 має перший напрям 96. Усередині згаданої нульової поверхні магнітне поле має другий напрям 98, протилежний першому. Якщо іон рухається в напрямі 100, то сила 30 Лоренца, яка діє на нього, спрямована в бік нульової поверхні 94. Це легко визначити, застосувавши правило правої руки. Для частинок, котрі рухаються в діамагнітному напрямі 102, сила Лоренца завжди спрямована в бік нульової поверхні 94. Внаслідок цього явища орбіта частинки набуває форми, що зветься бетатронною орбітою, яка буде описана нижче. На Фіг.3В показано іон, який рухається в антидіамагнітному напрямі 104. В цьому випадку сила Лоренца спрямована вбік від нульової поверхні 94. Унаслідок цього явища виникає тип орбіти, що зветься дрейфовою орбітою, яка буде описана нижче. Діамагнітний напрям для іонів є антидіамагнітним напрямом для електронів і навпаки. На Фіг.4 показано плазмове кільце, або кільцевий шар плазми, 106, яке обертається в діамагнітному напрямі 102 для іонів. Кільце 106 розташоване довкола згаданої нульової поверхні 86. Магнітне поле 108, створене кільцевим шаром 106 плазми, в комбінації з прикладеним ззовні магнітним полем 110 утворює магнітне поле, котре має топологію FRC (тобто, топологію, показану на Фіг.2). Іонний пучок, який утворює кільцевий шар 106 плазми, має певну температуру; отже, швидкості іонів відповідають розподілу Максвелла у системі координат, котра обертається із середньою кутовою швидкістю іонного пучка. Зіткнення між іонами, що мають різні швидкості, спричиняють реакції 92471 20 ядерного синтезу. Тому плазмовий шар або активна зона 106 зветься системою зустрічних пучків. На Фіг.5 показано основний тип орбіти іонів у системі зустрічних пучків, який зветься бетатронною орбітою 112. Бетатронна орбіта 112 може бути охарактеризована як синусоїдальна хвиля, серединою якої є нульове коло 114. Як вказано вище, на нульовому колі 114 магнітне поле зникає. Площина орбіти 112 перпендикулярна до осі 78 FRC. Іони на цій орбіті 112 рухаються в своєму діамагнітному напрямі 102 із вихідної точки 116. Іон на бетатронній орбіті бере участь у двох рухах: коливанні в радіальному напрямі (поперек нульового кола 114) та поступальному переміщенні вздовж нульового кола 114. На Фіг.6А показано графік магнітного поля 118 у FRC. Горизонтальна вісь графіка представляє відстань в сантиметрах від осі 78 FRC. Напруженість магнітного поля виражено в кілоГаусах. Як видно з цього графіка, на радіусі 120 нульового кола магнітне поле 118 зникає. Як видно з Фіг.6В, частинка, яка рухається поблизу згаданого нульового кола, перебуває під впливом градієнта 126 магнітного поля, спрямованого вбік від нульової поверхні 86. Магнітне поле зовні від нульового кола має перший напрям 122, а магнітне поле всередині нульового кола - другий напрям 124, протилежний першому. Напрям градієнтного дрейфу визначається векторним добутком  B B , де B - градієнт магнітного поля; таким чином, якщо застосувати правило правої руки, то зрозуміло, що напрям 128 градієнтного дрейфу є антидіамагнітним напрямом незалежно від того, знаходиться іон зовні або всередині нульового кола 86. На Фіг.7А показано графік електричного поля 130 у FRC. Горизонтальна вісь графіка зображає відстань у сантиметрах від осі 78 FRC. Напруженість електричного поля виражено у Вольтах на сантиметр. Як видно з цього графіка, на радіусі 120 нульового кола електричне поле 130 зникає. Як видно з Фіг.7В, електричне поле не сприяє утримуванню іонів; воно спрямоване вбік від нульової поверхні 86, як показано стрілками 132, 134. Магнітне поле, як і раніше, має протилежні напрями 122, 124 відповідно ззовні та всередині нульової поверхні 86. Застосувавши правило правої руки, можна з'ясувати, що напрям 136 дрейфу   E B є діамагнітним напрямом 102 незалежно від того, знаходиться іон зовні або всередині нульової поверхні 86. На Фіг.8А та Фіг.8В показано інший тип звичайної орбіти в FRC, що зветься дрейфовою орбітою 138. Дрейфові орбіти 138 можуть бути розташовані зовні від нульової поверхні, як показано на Фіг.8А, або всередині її, як показано на Фіг.8В. Дрейфові орбіти 138 обертаються в діамагнітному   напрямі, якщо переважає дрейф E B , або в антидіамагнітному напрямі, якщо переважає градієнтний дрейф. Дрейфові орбіти 138, показані на Фіг.8А та Фіг.8В, обертаються в діамагнітному напрямі 102, починаючи з вихідної точки 116. Дрейфову орбіту, як показано на Фіг.8С, можна уявити як мале коло, що котиться по відносно 21 92471 більшому колу. Мале коло 142 обертається навколо своєї осі в напрямі 144. Воно також котиться вздовж великого кола 146 в напрямі 102. Точка 140 описує в просторі траєкторію, подібну до лінії 138. На Фіг.9А та Фіг.9В показано напрям сили Лоренца поблизу кінців FRC 151. На Фіг.9А показано іон, що рухається в діамагнітному напрямі 102 зі швидкістю 148 в магнітному полі 150. Застосовуючи правило правої руки, можна з'ясувати, що сила 152 Лоренца відштовхує іон назад в область замкнутих ліній поля. Отже, в цьому випадку сила 152 Лоренца сприяє утримуванню іонів. На Фіг.9В показано іон, що рухається в антидіамагнітному напрямі зі швидкістю 148 у магнітному полі 150. Застосовуючи правило правої руки, можна з'ясувати, що сила 152 Лоренца виштовхує іон в область розімкнених ліній поля. Отже, в цьому випадку сила 152 Лоренца протидіє утримуванню іонів. Магнітне та електростатичне утримування в FRC Шар 106 плазми (дивись Фіг.4) можна утворити в FRC шляхом інжекції пучків іонів високої енергії поблизу нульової поверхні 86 в діамагнітному напрямі 102 для іонів. (Різні способи утворення FRC та плазмового кільця будуть детально розглянуті нижче). В обертовому кільцевому шарі 106 плазми більшість іонів мають бетатронні орбіти 112 (дивись Фіг.5), мають високу енергію і є неадіабатичними; таким чином, вони нечутливі до короткохвильових коливань, які спричиняють аномальне перенесення. У плазмовому шарі 106, створеному в FRC, в рівноважних умовах збереження моменту кількості руху зумовлює певне співвідношення між кутовою швидкістю іонів i та кутовою швидкістю електронів e . Це співвідношення має форму 22 e i 1 i , 0 (1) ZeB 0 . mic В рівнянні 1 Z - атомний номер, mі - маса іона, е - заряд електрона, В0 - напруженість прикладеного магнітного поля і с - швидкість світла. Це співвідношення містить три незалежних параметри: напруженість прикладеного магнітного поля В0, кутову швидкість електронів e та кутову швидде 0 кість іонів i . Якщо два з них відомі, то третій параметр можна визначити з рівняння 1. Оскільки плазмовий шар 106 утворюють шляхом інжекції іонних пучків у FRC, то кутова швидкість іонів i визначається кінетичною енергією інжекції Wi пучка, яка визначається як 1 1 Wi miVi2 mi ( ir0 )2. (2) 2 2 Тут Vi= i r0, де Vi - швидкість іонів при інжекції, i - циклотронна частота іонів, а r0 - радіус нульової поверхні 86. Кінетична енергія електронів у пучку не береться до уваги, оскільки маса електрона mе значно менша за масу іона mi. При фіксованій швидкості інжекції пучка (фіксованому значенні i ) прикладене магнітне поле В0 можна відрегулювати так, щоб можна було одержати різні значення e . Як буде показано нижче, регулювання зовнішнього магнітного поля B0 створює також різні значення електростатичного поля всередині плазмового шару. Ця ознака винаходу ілюстрована Фіг.10А та Фіг.10В. На Фіг.10А показано три графіки електричного поля (В/см), одержані при тій саме швидкості інжекції i =1,35 107 с-1, однак при трьох різних значеннях прикладеного магнітного поля B0: Таблиця Графік Прикладене магнітне поле (В0) 154 В0=2,77 кГс 156 В0=5,15 кГс 158 В0=15,5 кГс Значення e в поданій вище таблиці були визначені згідно з рівнянням 1. Слід мати на увазі, що e >0 означає, що в рівнянні 1 0 i , тобто електрони обертаються в своєму антидіамагнітному напрямі. На Фіг.10В показано електричний потенціал (у Вольтах) для тієї саме сукупності значень В0 та e . 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 e . Описані вище результати можна пояснити виходячи із простих фізичних міркувань. Коли іони обертаються в діамагнітному напрямі, вони утри Кутова швидкість електронів (о)е) ee e =0 =0,625 107 с-1 =1,11 107 с-1 муються магнітно під впливом сили Лоренца. 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 елект 23 ростатичне поле, напруженість якого визначається напруженістю прикладеного магнітного поля В0, яку можна легко регулювати. Як вказано вище, згадане електростатичне поле сприяє утриманню електронів, якщо e >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 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 92471 24 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 Z більше одиниці; Z>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 конкуренцією між   дрейфом E B та градієнтним дрейфом. Якщо   переважає дрейф E B , 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, оскільки переважає   дрейф E B . 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. 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   переважає вплив дрейфу E B . 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 по  ля дрейф E B 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 впли 25 вом сили Лоренца; отже, вони залишаються утримуваними в системі. Електростатичні поля в системі зустрічних пучків можуть бути досить сильними, щоб дрейф   E B 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 електронно-іонних 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 10кратного проміжку часу, зображену як орбіта 176; і на Фіг.13D показано орбіту Фіг.13В після 20кратного проміжку часу, зображену як орбіта 178. З цих малюнків 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 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 ви 92471 26 користанні - 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 а еV0/ r0 i=0,225 кА/см, де 1 2 В0=69,3 Гc і miV0 100 eB. У моделі з періодич2 но розташованими кільцями, де В усереднено по координаті вздовж осі BZ (2 / c )(Ip / s) (s - відстань між кільцями), якщо s=r0, середнє магнітне поле буде таким саме, як в одновимірній моделі з ір = Ір / s. Комбінований пучково-бетатронний спосіб формування FRC Спосіб утворення FRC в описаній вище системі 300 утримування, якому віддається перевага, зветься в цьому описі комбінованим пучковобетатронним 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 27 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 відхилення. На Фіг.15 зображено вид спереду іонного пучка 350 при його контакті з плазмою 335. Як показано на малюнку, 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 контрольно-регулювальною системою для підтримання 92471 28 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 100 еВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 75 еВ до 125 еВ. Для досягнення умов, сумісних з ядерним синтезом, циркулюючий плазмовий пучок 335 прискорюють у варіанті, якому віддається перевага, до енергії обертання приблизно 200 кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 100 кеВ до 3,3 МеВ. Утворення FRC було успішно продемонстровано при застосуванні комбінованого пучковобетатронного способу. Комбінований пучковобетатронний спосіб був експериментально реалізований в камері діаметром 1 м і довжиною 1,5 м із застосуванням зовнішнього прикладеного магнітного поля до 500 Ге, магнітного поля від бетатронної потокової котушки 320 до 5 кГс і вакууму 1,2 10-5 мм рт.ст. (1,6 10-3 Па). Фонова плазма в 13 -3 експерименті мала густину 10 см , а іонний пучок являв собою нейтралізований водневий пучок із густиною 1,2 1013 см-3, швидкістю 2 107 см/с і тривалістю імпульсу приблизно 20 мкс (на половині висоти). Спостерігалося обернення поля. Бетатронний 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 29 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 Е (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 котушці, тим сильнішим є згадане електричне поле. Це індуктивне 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 Е 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 92471 30 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 запасання 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 100 еВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 75 еВ до 125 еВ. Для досягнення умов, сумісних з ядерним синтезом, циркулюючий плазмовий пучок 335 прискорюють у варіанті, якому віддається перевага, до енергії обертання приблизно 200 кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 100 кеВ до 3,3 МеВ. 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 1 м, довжина 1,5 м. Радіус бетатронної котушки 10 см. Радіус орбіти плазмового пучка 20 см. Середня напруженість магнітного поля, створюваного у вакуумній камері, досягала 100 Гс при періоді наростання 150 мкс і коефіцієнті відбивання магнітного дзеркала 2:1. (Джерела: зовнішні котушки та бетатронні котушки). Фонова плазма (в основному, газоподібний водень) характеризувалася середньою густиною приблизно 1013 см-3, кінетична температура нижче ніж 10 еВ. Час існування конфігурації був обмежений загальною енергією, нагромадженою в експерименті, і становив, як правило, приблизно 30 мкс. 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 31 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 В-зондів. Крива А відображає абсолютну напруженість осьової складової магнітного поля в середній площині (75 см від кожної з кінцевих пластин) експериментальної камери в радіальному положенні, яке відповідає відстані 15 см від поздовжньої осі. Крива В відображає абсолютну напруженість осьової складової магнітного поля в середній площині камери на відстані 30 см 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 23 мкс до 47 мкс, в той час як зовнішнє поле залишається позитивним, тобто не змінює орієнтацію. Час обернення поля обмежений характеристиками наростання струму 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 конфігуації FRC, але також є надійним та простим у виконанні. Найбільш важливим є те, що базову FRC, створену цим способом, можна без утруднень прискорити до будьякого 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 92471 32 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 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 30 кеВ до 230 кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 80 кеВ до 230 кеВ. Середня температура електронів: в діапазоні від приблизно 30 кеВ до 100 кеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 80 кеВ до 100 кеВ. Когерентна енергія паливних пучків (інжектованих іонних пучків та циркулюючого плазмового пучка): в діапазоні від приблизно 100 кеВ до 3,3 МеВ, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 300 кеВ до 3,3 МеВ. Сумарне магнітне поле: в діапазоні від приблизно 47,5 кГс до 120 кГс, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 95 кГс до 120 кГс (зовнішнє прикладене поле в діапазоні від приблизно 2,5 кГс до 15 кГс, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 5 кГс до 15 кГс). 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 1016 см-3, у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 1014 см-3 до 1015 см-3. Загальна потужність синтезу: у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 50 кВт/см до 450 кВт/см (енергія на 1 см 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 100 кеВ до 3,3 МеВ, у варіанті, якому віддаєть 33 ся більша перевага, в діапазоні від приблизно 300 кеВ до 3,3 МеВ, і рівня напруженості магнітного поля у варіанті, якому віддається перевага, в діапазоні від приблизно 45 кГс до 120 кГс, у варіанті, якому віддається більша перевага, в діапазоні від приблизно 90 кГс до 115 кГс. 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 електростатичнo. 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 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 50 МВт, в якому використовується реакція p-B11, ці пучки будуть мати радіус приблизно 50 см і товщину приблизно 10 см. В сильних магнітних полях, які існують поза сепаратрисою 84 (як правило, приблизно 100 кГс), іони продуктів синтезу мають відповідний розподіл гірорадіусів, які варіюють від мінімального значення приблизно 1 см до макси 92471 34 мального значення приблизно 3 см для іонів продуктів із найвищою енергією. На початковому етапі іони продуктів синтезу мають як поступальну, так і обертову енергію, які 2 2 характеризуються як 1/2M(vpar) і 1/2M(vperp) . 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/В. Іони продуктів синтезу, які рухаються по орбітах навколо відповідних ліній поля, мають магнітний 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 IСС (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 малюнка. Між згаданими С-подібними електродами (дивись Фіг.21В) прикладено коливний електричний потенціал. Іони I емітуються джерелом, розташованим у центрі циклотрона 700. Зга 35 дане магнітне поле 720 відрегульоване так, що частота обертання згаданих іонів узгоджена з електричним потенціалом та пов'язаним із ним електричним полем. Якщо іон І перетинає проміжок 730 між С-подібними 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 Сподібними електродами 710 має протилежний напрям. При цьому іон І 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.21C). З іншого боку, якщо частинка перетинає 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 Jeffhes, 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 Т прискорюваного іона, показаній на Фіг.21А. 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 92471 36 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 494 з вузькими прямолінійними проміжками 497 між ними. При роботі системи на електроди 494 подають коливний потенціал в змінному режимі. Електричне поле Е всередині перетворювача має квадрупольну будову, як показано на вигляді збоку, представленому на Фіг.19В. Це електричне поле Е 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, найвідцаленішому 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 50 МВт на реакції р-В11 мають радіус приблизно 50 см і товщину приблизно 10 см. Кільцевий пучок має густину n 107 108 м-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 37 92471 повз електроди 494, з'єднані з резонансним контуром (не показаним на малюнку). 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 2 2 сумарній енергії, тобто 1/ 2M P 1/ 2M 0. Для іонів, які досягають магнітного зубця 486, існує певний розподіл енергій та початкових радіусів r0. Проте початкові радіуси r0 приблизно пропорційні початковій швидкості 0 . Радіальне магнітне поле у взаємодії з радіальною швидкістю пучка утворює силу Лоренца, яка діє в азимутальному напрямі. Магнітне поле зубця 486 не змінює енергію частинок, але перетворює початкову осьову швидкість та азиP 0 в залишкову осьову швидкість мутальну швидкість , де 2 0 2 z 2 . Значення азимутальної швидкості можна визначити з умови збереження канонічного моменту кількості руху 2 2 qB0r0 qB0r0 (5) , 2c 2c Іон пучка надходить в ліву частину зубця 486 з 0 та r=r0. Він параметрами Вz = B0, z 0, виходить з зубця 486 праворуч, маючи r=r0, Вz = P Mr0 qB0r0 / Mc та B0, z 1 0 z 2 0 2 2 r0 0 , (6) 0 qB0 - циклотронна частота. Частота Mc обертання іонів лежить у межах приблизно 1-10 МГц, у варіанті, якому віддається перевага, приблизно 5-10 МГц; 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 здійсненим 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 0 та r0. де 0 Однак, оскільки r0 пропорційний 0 , 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 0 . Азимутальне електричне поле Е у проміжках 497 показане на Фіг.19В та на Фіг.22. 38 На Фіг.22 представлено електричне поле в проміжках 497 між електродами 494 та поле, яке діє на іон, коли він обертається з кутовою швидкістю 0 . Очевидно, що за період повного оберту частинка буде поперемінно зазнавати прискорення та уповільнення в порядку, що визначається початковою фазою. Окрім азимутального електричного поля E , існує ще радіальне електричне поле Er. Азимутальне поле E 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 надходить у сповільнююче електричне поле, радіус іона буде більше. Фаза сповільнення переважає незалежно від початкової фази іона, оскільки радіальний градієнт азимутального електричного поля E 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 х і розфокусувальною в напрямі у. Друга лінза є аналогічною, але властивості в напрямах х 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 10 м) і працює при значно вищих частоті (155 МГц) та напруженості магнітного поля (10 Т). Відбирання енергії при таких високих частотах вимагає застосування антени-випрямляча. Ефективність перетворення обмежується енергетичним спектром пучка. Існування двох видів іонів є більш серйозним ускладненням, проте ефективність перетворення є адекватною для реактора на 39 паливі D-He3, в якому утворюються протони з енергією 15 МеВ. 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 r0, рухається вздовж IСС по спіралі, і після втрати початкової обертової енергії ця спіраль сходиться 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 IСС, який відповідає колектору іонів, пучок має також кільцевий переріз та аналогічні розміри. Осьова швидкість зменшується в 10 разів, а 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 1-10 МГц, у варіанті, якому віддається перевага, 5-10 МГц, 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 92471 40 поле, схематично показане на Фіг.24В, забезпечує групування іонів, як у лінійному прискорювачі. Реактор На Фіг.25 показано реактор потужністю 100 МВт. 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 топології з оберненим полем. На протилежних кінцях області активної зони розташовані перетворювачі енергії типу IСС 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 IСС. 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 IСС 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, еквівалентні та альтернативні варіанти, котрі відповідають суті та обсягу пунктів формули винаходу. 41 92471 42 43 92471 44 45 92471 46 47 92471 48 49 92471 50 51 92471 52 53 92471 54 55 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 92471 Підписне 56 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601