Спосіб прискорення іонів та електронів у конфігурації з оберненим полем (frc) (варіанти) та системи для їх здійснення

1. Система для прискорювання іонів та електронів плазми в магнітному полі конфігурації з оберненим полем (FRC), яка включає в себе: камеру, що має поздовжню вісь; перший генератор магнітного поля для створення азимутально-симетричного магнітного поля в центральній частині камери з магнітним потоком, практично паралельним поздовжній осі камери; та високочастотну прискорювальну систему, з'єднану з центральною частиною камери, причому високочастотна прискорювальна система генерує хвилю електричного потенціалу, що обертається навколо поздовжньої осі камери. 2. Система за п. 1, яка додатково включає в себе струмову котушку, концентричну з поздовжньою віссю камери, для утворення у камері азимутального електричного поля. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що високочастотна прискорювальна система включає в себе квадрупольний циклотрон. 2 (19) 1 3 один від одного з утворенням проміжку між сусідніми електродами; третій генератор магнітного поля для створення азимутально-симетричного магнітного поля в частині камери, розташованій в районі її першого кінця, з магнітним потоком, практично паралельним поздовжній осі камери; другий колектор електронів, розташований між першим та третім генераторами магнітного поля та поблизу першого кінця другої множини електродів; та другий колектор іонів, розташований поблизу другого кінця другої множини електродів. 13. Система за п. 11, яка додатково включає в себе інжектори іонних пучків, з'єднані з камерою. 14. Система за п. 13, яка відрізняється тим, що інжектори іонних пучків включають в себе засоби для нейтралізування електричного заряду іонних пучків, що випромінюються інжекторами. 15. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що високочастотна прискорювальна система включає в себе два або більше електродів видовженої форми, які утворюють циліндричну поверхню. 16. Спосіб прискорення іонів та електронів у конфігурації з оберненим полем (FRC), який включає стадії: утворення FRC навколо плазми, що обертається; та створення хвилі електричного потенціалу, що обертається в напрямі азимутальної швидкості іонів у плазмі, що обертається. 17. Спосіб за п. 16, який відрізняється тим, що стадія створення хвилі електричного потенціалу включає подавання струму у множину електродів видовженої форми, які утворюють циліндричну поверхню. 18. Спосіб за п. 17, який відрізняється тим, що множина електродів видовженої форми утворює видовжений циклотрон. 19. Спосіб за п. 18, який відрізняється тим, що циклотрон є квадрупольним циклотроном. 20. Спосіб за п. 18, який відрізняється тим, що циклотрон є дипольним циклотроном. 21. Спосіб за п. 16, який додатково включає стадію інжектування нейтральних іонів у хвилю. 22. Спосіб за п. 17, який додатково включає стадію захоплення інжектованих нейтральних іонів у хвилі. 23. Спосіб за п. 22, який додатково включає стадію підвищення кількості руху та енергії захоплених іонів. 24. Система для прискорювання іонів та електронів плазми в магнітному полі конфігурації з оберненим полем (FRC), яка включає в себе камеру, що має поздовжню вісь, перший генератор магнітного поля для створення азимутально-симетричного магнітного поля в центральній частині камери з магнітним потоком, практично паралельним поздовжній осі камери, видовжений шар плазми з іонів та електронів, який простягається в аксіальному напрямі в циліндричній камері вздовж поздовжньої осі згаданої камери 14 та обертається, причому плазма має густину 10 -3 см або більше та іони в цьому шарі плазми, що обертається, рухаються за бетатронними орбіта 97091 4 ми, перпендикулярними до поздовжньої осі камери; та високочастотну прискорювальну систему, з'єднану з центральною частиною камери, причому високочастотна прискорювальна система генерує хвилю електричного потенціалу, яка проникає у згаданий шар плазми, що обертається, та обертається навколо поздовжньої осі згаданої камери, причому ця хвиля електричного потенціалу має довжину хвилі на один або декілька порядків більшу, ніж радіус камери. 25. Система за п. 24, яка додатково включає в себе струмову котушку, концентричну з поздовжньою віссю камери, для створення у камері азимутального електричного поля. 26. Система за п. 24, яка відрізняється тим, що високочастотна прискорювальна система включає в себе квадрупольний циклотрон. 27. Система за п. 26, яка відрізняється тим, що квадрупольний циклотрон включає в себе чотири півциліндричні електроди, які утворюють циліндричну поверхню. 28. Система за п. 24, яка відрізняється тим, що високочастотна прискорювальна система включає в себе дипольний циклотрон. 29. Система за п. 28, яка відрізняється тим, що дипольний циклотрон включає в себе два півциліндричні електроди, які утворюють циліндричну поверхню. 30. Система за п. 25, яка відрізняється тим, що високочастотна прискорювальна система включає в себе модуляторні польові котушки, які простягаються в аксіальному напрямі поблизу периметра камери, та струмову котушку. 31. Система за п. 24, яка додатково включає в себе систему перетворення енергії у камері. 32. Система за п. 31, яка відрізняється тим, що система перетворення енергії включає в себе множину півциліндричних електродів, які утворюють циліндричну поверхню в частині камери, розташованій в районі її першого кінця. 33. Система за п. 32, яка відрізняється тим, що множина електродів включає в себе більше, ніж два електроди, розташовані на певній відстані один від одного з утворенням проміжку між сусідніми електродами. 34. Система за п. 32, яка додатково включає в себе: другий генератор магнітного поля для створення азимутально-симетричного магнітного поля в частині камери, розташованій в районі її першого кінця, з магнітним потоком, практично паралельним поздовжній осі камери; колектор електронів, розташований між першим та другим генераторами магнітного поля та поблизу першого кінця множини електродів; та колектор іонів, розташований поблизу другого кінця множини електродів. 35. Система за п. 33, яка додатково включає в себе: другу множину півциліндричних електродів, які утворюють циліндричну поверхню в частині камери, розташованій в районі її другого кінця, причому друга множина електродів включає більше, ніж два електроди, розташовані на певній відстані 5 97091 6 один від одного, з утворенням проміжку між сусідніми електродами; третій генератор магнітного поля для створення азимутально-симетричного магнітного поля в частині камери, розташованій в районі її першого кінця, з магнітним потоком, практично паралельним поздовжній осі камери; другий колектор електронів, розташований між першим та третім генераторами магнітного поля та поблизу першого кінця другої множини електродів; та другий колектор іонів, розташований поблизу другого кінця другої множини електродів. 36. Система за п. 34, яка додатково включає в себе інжектори іонних пучків, з'єднані з камерою. 37. Система за п. 36, яка відрізняється тим, що інжектори іонних пучків включають в себе засіб для нейтралізування електричного заряду іонних пучків, які випромінюються інжекторами. 38. Спосіб прискорення іонів та електронів у магнітному полі конфігурації з оберненим полем (FRC), який включає стадії: утворення FRC навколо видовженого шару плазми з іонів та електронів, який простягається в аксіальному напрямі в циліндричній камері вздовж поздовжньої осі згаданої камери та обертається, при14 -3 чому плазма має густину 10 см або більше та іони в цьому шарі плазми, що обертається, руха ються за бетатронними орбітами, перпендикулярними до поздовжньої осі камери; та утворення хвилі електричного потенціалу, яка проникає у згаданий шар плазми, що обертається, та обертається в напрямі азимутальної швидкості іонів у цьому шарі плазми, причому ця хвиля електричного потенціалу має довжину хвилі на один або декілька порядків більше, ніж радіус камери. 39. Спосіб за п. 38, який відрізняється тим, що стадія створення хвилі електричного потенціалу включає подавання струму у множину електродів видовженої форми, які утворюють циліндричну поверхню. 40. Спосіб за п. 39, який відрізняється тим, що множина електродів видовженої форми утворює видовжений циклотрон. 41. Спосіб за п. 40, який відрізняється тим, що циклотрон є квадрупольним циклотроном. 42. Спосіб за п. 40, який відрізняється тим, що циклотрон є дипольним циклотроном. 43. Спосіб за п. 38, який додатково включає стадію інжектування нейтральних іонів у хвилю. 44. Спосіб за п. 43, який додатково включає стадію захоплення інжектованих нейтральних іонів у хвилі. 45. Спосіб за п. 44, який додатково включає стадію підвищення кількості руху та енергії захоплених іонів. 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 (унаслідок того, що вони містять протони), то між нимидіють відштовхувальні електростатичну 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 4 щонайменше 10 еВ, що відповідає приблизно 100 мільйонам градусів Кельвіна. Швидкість реакції ядержного синтезу є функцією температури і характеризується величиною, що зветься реакційною здатністю. Реакційна здатність реакції D-T, наприклад, має широкий пік в межах від 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α(3,6 МеВ)+n(14,1 МеВ), D+He α(3,7 МеВ)+p(14,7 МеВ) та 11 p+В 3α(8,7 МеВ), де D означає дейтерій, Τ означає тритій, α означає ядро гелію, n означає нейтрон, p означає 11 протон, Не означає гелій і В означає бор-11. Числа в дужках в кожному рівнянні вказують кінетичну енергію продуктів ядерного синтезу. Перші дві з перелічених вище реакцій - реакції D-D та D-T - є нейтронними; це означає, що більшість енергії продуктів синтезу в них несуть швидкі нейтрони. Вади нейтроних реакцій полягають у тому, що (1) наявність потоку швидких нейтронів створює численні проблеми, в тому числі порушення структури стінок реактора та рівні радіоактивності, надто високі для більшості конструкційних матеріалів; і (2) енергію швидких нейтронів використовують шляхом перетворення їхньої теплової енергії в електричну, яке має дуже низький коефіцієнт корисної дії (нижче ніж 30%). Перевагами ж нейтронних реакцій є (1) те, що їхня 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 р-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 утворен3 ням, мають менший вплив. В разі реакції D-He деяка кількість швидких нейтронів утворюється 3 7 внаслідок вторинних реакцій, проте ці нейтрони несуть лише приблизно 10% енергії продуктів син11 тезу. При реакції р-B 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 3 11 палив вищі (2 для Не і 5 для В ). 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 їхньої реакційної здатності відповідають значно вищим температурам, при цьому реакційна здатність не досягає таких високих значень, як в разі реакції D-T. Таким чином, для проведення реакції синтезу із застосуванням прогресивних палив необхідно довести їх до більш високого енергетичного стану, при якому їхня реакційна здатність стає значною. Відповідно, прогресивні палива слід затримувати протягом довшого періоду часу, за який їх можна довести до відповідних умов синтезу. Тривалість утримування плазми визначається 2 як At=r /D, де r є мінімальний розмір плазми і D коефіцієнт дифузії. Класичний вираз для коефіціє2 нта дифузії має форму Dc=ai /ie, де ai - гірорадіус 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 2 DB=(1/16)a1 Ωi, де Ωi - гірочастота іона. Дифузія, що відповідає цій залежності, має назву аномального перенесення. Для умов ядерного синтезу 8 DB/Dc=(1/16)Ωiie^10 , 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 утриму2 вання tr /DB. Прогрес у цій галузі за останні 40 років забезпечив збільшення часу утримування до 2 t1000r /DB. Однією з існуючих концепцій термоядерного реактора є токамак. Протягом останніх 30 років зусилля в галузі термоядерного синтезу зосереджені на ректорах типу токамак із використанням D-T палива. Кульмінацією цих зусиль є 97091 8 Міжнародний експериментальний термоядерний реактор (ITER). Останні експерименти з токамаками свідчать, що можливим є класичне перенесен2 ня tr /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 (