Установка для створення і утримання високотемпературної плазми

Реферат: Установка для створення і утримання високотемпературної плазми містить заповнювану робочою речовиною вакуумовану камеру, в якій розміщена магнітна система, створена з електромагнітних котушок, розташованих в площинах, перпендикулярних її подовжній осі, з утворенням між ними поперечних магнітних щілин, розподілених уздовж цієї подовжньої осі, із зустрічним по відношенню одна до одної підключенням до джерела електроживлення котушок, розділених цими магнітними щілинами, причому ширина кожної щілини більша за електронний ларморовський радіус для магнітного поля в щілині і порівнянна за порядком величини з дебаєвським радіусом в утримуваній плазмі. Вона забезпечена індуктором для створення вихрового електромагнітного поля в основному об'ємі утримання плазми, цей об'єм має вигляд тора, бічну поверхню якого охоплюють електромагнітні котушки магнітної системи, з утворенням вищезазначених поперечних щілин через рівні проміжки вздовж подовжньої осі цього тора, яка охоплює індуктор. UA 70119 U (54) УСТАНОВКА ДЛЯ СТВОРЕННЯ І УТРИМАННЯ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ПЛАЗМИ UA 70119 U UA 70119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термоядерної техніки і може бути використана при створенні енергетичних термоядерних установок і джерел термоядерних нейтронів. До теперішнього часу в термоядерних дослідженнях було винайдено і перевірено в експерименті велика кількість різних пристроїв для утримання високотемпературної плазми. Відома установка для створення і утримання високотемпературної плазми відкритої конфігурації (див., наприклад, [1]), що містить вакуумовану камеру, що заповнюється робочою речовиною. Магнітне поле в такій установці створюється двома паралельними котушками, в яких протікають потужні однаково направлені струми. У просторі між котушками лінії індукції магнітного поля утворюють "діжку", в якій і знаходиться об'єм для утримання плазми. Поблизу торців камери лінії індукції мають вид пучка, що звужується. Заряджені частинки рухаються по гвинтових лініях уздовж ліній індукції поля і відбиваються від областей з вищою напруженістю (де щільність ліній індукції більша). Такі конфігурації називають пастками з магнітними пробками або магнітними дзеркалами. Установки такого типу характеризуються надмірними втратами частинок через магнітні пробки, а конфігурація магнітного поля не забезпечує магнітогідродинамічної стійкості плазми. Експериментально встановлено, що такі системи навряд чи в змозі утримати плазму того ступеня щільності і температури, які необхідні для роботи реактора. Серед систем для магнітного утримання плазми в даний час лідирують Токамаки і Стеларатори. Відома установка для створення і утримання високотемпературної плазми, що отримала назву стеларатор (див., наприклад, [2]), містить вакуумовану камеру, що заповнюється робочою речовиною. Замкнуте тороїдальне магнітне поле створюється за допомогою гвинтових обмоток, які створюють замкнуту тороїдальну поверхню, що охоплює об'єм для утримання плазми. Магнітне поле для утримання плазми повністю створюється зовнішніми котушками. Його лінії індукції піддаються т.з. обертальному перетворенню, в результаті якого ці лінії багато разів обходять уздовж тора і утворюють систему замкнутих вкладених одна в одну тороїдальних магнітних поверхонь. Обертальне перетворення ліній індукції може бути здійснене як шляхом геометричної деформації тороїдального соленоїда (наприклад, скручуванням його у "вісімку"), так і за допомогою гвинтових провідників, навитих на тор. Стеларатор не має азимутної симетрії. Магнітна поверхня має форму "пом'ятого бублика". Камера відкачується до високого вакууму і заповнюється робочою речовиною - сумішшю дейтерію і тритію. Потім створюється плазма і проводиться її нагрів. Енергія вводиться в плазму за допомогою електромагнітного випромінювання - т.з. електронного циклотронного резонансу. Досягши температур, достатніх для подолання кулонівського відштовхування між ядрами дейтерію і тритію, починається термоядерна реакція. Сумарне магнітне поле перешкоджає дрейфу плазми в напрямі від центру і пригнічує окремі види магнітогідродинамічних нестабільностей. У стелараторі утримання плазми не пов'язане з наявністю струму в плазмі і тому стеларатор може працювати в стаціонарному режимі. Крім того, гвинтова обмотка може надавати "диверторну" дію, тобто очищати плазму від домішок і видаляти продукти реакції. Проте, при створенні потужних установок з магнітним утриманням плазми виникають абсолютно нові технологічні проблеми. Для створення вищеописаної конфігурації магнітного поля необхідно використовувати котушки складної форми, виробництво яких є технічно складним процесом. Необхідно створити магнітне поле за порядком величини 50 кГс в об'ємі декількох кубічних метрів. Якщо це здійснювати за допомогою охолоджуваних водою мідних котушок, буде потрібно джерело електроенергії потужністю в декілька сотень мегават. Тому очевидно, що обмотки котушок необхідно робити з надпровідних матеріалів, таких, як сплави ніобію з титаном або з оловом. Крім того у стелаторів великі витрати енергії на стабілізацію плазмового шнура і забезпечення його газодинамічної стійкості. Кращі на сьогодні результати отримані на установці для створення і утримання високотемпературної плазми, якою є токамак (див., наприклад, [3]). Ця установка містить вакуумовану камеру, що заповнюється робочою речовиною. Тороїдальна магнітна система, утворена з електромагнітних котушок, розташованих в площинах, перпендикулярних подовжній осі камери. Камера охоплює індуктор для створення в об'ємі утримання плазми, охопленому котушками, вихрового електричного поля. Окрім котушок магнітного поля, що створюють в робочому об'ємі камери тороїдальне магнітне поле, для управління плазмовим шнуром є додаткові котушки полоїдального поля. Вони виконані у вигляді кільцевих витків, навколо вертикальної осі камери токамака. З вакуумованої камери спочатку відкачують повітря, а потім заповнюють її робочою речовиною, наприклад сумішшю дейтерію і тритію. За допомогою індуктора в камері створюють вихрове електричне поле. Це поле викликає запалення в камері плазми і протікання 1 UA 70119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електричного струму. Магнітне поле цього струму стискає плазмовий шнур. Утворюється конфігурація, в якій гвинтові магнітні силові лінії "обвивають" плазмовий шнур. При цьому крок при обертанні в тороїдальному напрямі не співпадає з кроком в полоїдальному напрямі. Магнітні лінії нескінченно багато раз закручуються навколо тора, утворюючи т.з. "магнітні поверхні" тороїдальної форми. Полоїдальне поле необхідне для стабільного утримання плазми. Проте, оскільки магнітне поле, що утримує плазму, створюється за рахунок збільшення струму в індукторі, а цей процес не може бути нескінченним, час стабільного існування плазми в класичному токамаку обмежений. Для подолання цього обмеження розроблені додаткові способи підтримки струму. Для цього може бути використана інжекція в плазму прискорених нейтральних атомів дейтерію або тритію або мікрохвильове випромінювання. На токамаках отримана потужність термоядерної реакції, порівнянна з потужністю на створення плазми. Потужність термоядерної реакції безпосередньо визначається тиском плазми, тому в термоядерних реакторах з магнітним утриманням необхідно прагнути до повнішого використання утримуючих здібностей створеного магнітного поля, щоб газокінетичний тиск плазми досягав масштабу магнітного тиску. У токамаку, як і в інших відомих тороїдальних замкнутих пастках, що мають практично однорідне уздовж магнітної осі магнітне поле, неможливо стійко утримувати плазму з газокінетичним тиском, що перевищує 0,05 магнітного тиску. Це робить такі системи вельми неефективними пристроями. Проблемою токамака є також нестабільність плазми, яка прагне дрейфувати до стінок камери. Утримання плазми з великим газокінетичним тиском (близьким до магнітного) можливо у відомій установці для створення і утримання високотемпературної плазми відкритого типу (див., наприклад, [4]), прийнятої за прототип. Ця установка відома як лінійна осесиметрична багатощілинна електромагнітна пастка. Вона складається з вакуумованої камери, що заповнюється робочою речовиною, в якій розміщена магнітна система, утворена з електромагнітних котушок, які охоплюють об'єм утримання плазми і, які розташовані в площинах, перпендикулярних до подовжньої осі об'єму утримання плазми. У певній послідовності уздовж подовжньої осі магнітної системи між магнітними котушками утворені поперечні магнітні щілини. Електромагнітні котушки, розділені цими магнітними щілинами, мають зустрічне по відношенню одна до одної підключення до джерела електроживлення. Ширина кожної щілини більше за електронний ларморовський радіус для магнітного поля в щілині і порівнянна за порядком величини з дебаєвським радіусом в утримуваній плазмі. Усередині щілин і (або) зовні поблизу них розміщені електроди для утворення електричних полів, що руйнують в щілинах квазінейтральність плазми. В об'ємі камери, охопленому котушками, створюється магнітне поле, що спадає за величиною до подовжньої осі об'єму утримання. Це магнітне поле виводиться з об'єму утримання через вищезазначені вузькі магнітні щілини. Плазма в установці ізолюється від стінок магнітними бар'єрами. Магнітна конфігурація з градієнтом магнітного поля, направленим з області утримання до периферії, має сприятливу кривизну ліній індукції, що забезпечує в такій установці гідродинамічну стійкість плазми. При утриманні плазми в основному об'ємі її утримання магнітне поле відсутнє. Втрати частинок уздовж магнітного поля через щілини усуваються електростатичними бар'єрами, які створюються зовнішніми електричними полями за допомогою електродів, розташованих в області магнітних щілин. Плазма в такій установці створюється способом зовнішньої інжекції через щілини високоенергетичних електронів. Інжектовані частинки захоплюються в області неадіабатичного руху, іонізують робочий газ і передають плазмі частину своєї енергії. Недоліком такої установки є те, що способом зовнішньої інжекції електронів складно розігріти плазму до термоядерної температури. Нагрів плазми за допомогою енергії інжектованих через осьові отвори і/або кільцеві магнітні щілини гарячих іонів або атомів проблематичний, унаслідок малих геометричних розмірів останніх та із-за необхідності розміщувати в області щілин систему електродів для створення електростатичних бар'єрів. Крім того в торцевих магнітних пробках плазма екранує зовнішні електричні поля, тому електростатичні бар'єри в торцевих пробках відсутні, що призводить до підвищених втрат плазми через ці пробки. Відсутність магнітного поля в основному об'ємі утримання плазми має подвійне значення. В процесі досліджень багатощілинних електромагнітних пасток виявилося (див., наприклад, [5]), 18 -3 що вже при щільності близько 10 м і температурі близькою до 100 еВ в центральній частині установки в основному об'ємі утримання плазма знаходиться в термічно рівноважному стані за відсутності електричних і магнітних полів. З одного боку відсутність полів і ізотермічність плазми грає позитивну роль, оскільки підвищує стійкість плазмового утворення, але з іншого боку - ця обставина і розімкненість плазмового утворення уздовж подовжньої осі установки робить 2 UA 70119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 неможливим застосування додаткових методів нагріву плазми до термоядерних температур, таких як омічний нагрів, або резонансний нагрів за допомогою мікрохвиль. Задачею, на вирішення якої направлена запропонована корисна модель, є удосконалення установки для створення і утримання високотемпературної плазми, що є багатощілинною електромагнітною пасткою, з тим, щоб плазму з газокінетичним тиском, близьким до магнітного тиску, можна було б стійко утримувати в безперервному режимі, використовуючи при цьому для її нагріву як індуктивний, так і мікрохвильовий методи. Задача повинна вирішуватися шляхом зміни відкритій в подовжньому напрямі конфігурації магнітної системи установки на замкнуту для можливості збудження в плазмі вихрового електричного струму. Поставлена задача вирішується в установці для створення і утримання високотемпературної плазми, що патентується. Ця установка також, як і установка, прийнята за прототип, містить вакуумовану камеру, що заповнюється робочою речовиною. У камері розміщена магнітна система, утворена з електромагнітних котушок, розташованих в площинах перпендикулярних до її подовжньої осі. У певній послідовності уздовж подовжньої осі магнітної системи між магнітними котушками утворені поперечні магнітні щілини. Електромагнітні котушки, розділені цими магнітними щілинами мають зустрічне по відношенню одна до одної підключення до джерела електроживлення. Ширина кожної щілини більше електронного ларморовського радіусу для магнітного поля в щілині і порівнянна за порядком величини з дебаєвським радіусом в утримуваній плазмі. Усередині щілин і (або) зовні поблизу них розміщені електроди для утворення електричних полів, що руйнують квазінейтральність плазми в щілинах. На відміну від установки, прийнятої за прототип, в запропонованій корисній моделі установка забезпечена індуктором для створення вихрового електромагнітного поля в основному об'ємі утримання плазми, який має вигляд тора, бічну поверхню якого охоплюють електромагнітні котушки магнітної системи, з утворенням вищезазначених поперечних щілин через рівні проміжки вздовж подовжньої осі цього тора, яка охоплює індуктор. Принаймні в одній з щілин може бути розміщений інжектор заряджених частинок для створення початкової плазми в об'ємі її утримання в камері. Таким чином, в запропонованій установці, також як і в прототипі, початкова плазма, створена іонізацією робочої речовини потоком електронів від зовнішнього електронного інжектора. Втрати електронів упоперек магнітного поля усуваються зовнішнім магнітним полем, що створюється електромагнітними котушками, а уздовж магнітного поля через магнітні щілини - електричними бар'єрами. Оскільки квазінейтральність плазми в магнітній щілині зруйнована, плазма не в змозі повністю екранувати зовнішнє електричне поле. Потенціал плазми стає відірваним від потенціалу електродів, що створюють зовнішнє електричне поле. В установці утворюється розподіл потенціалу, що забезпечує роздільні електростатичні бар'єри для електронів і іонів. Електрони в установці утримуються зовнішнім магнітним полем і електростатичними бар'єрами в щілинах. Іони утримуються в полі об'ємного заряду електронів. На відміну від прототипу за допомогою індуктора в основному об'ємі утримання плазми може створюватися вихрове електричне поле. Завдяки цьому, в початковій плазмі збуджуватиметься електричний струм і полоїдальне магнітне поле, породжене цим струмом, охопить тороїдальний плазмовий виток. Струм, що протікає по плазмі, буде нагрівати її, а наявність в плазмі магнітного поля струму дозволить, при необхідності, використовувати добре відомі мікрохвильові методи нагріву плазми на резонансних частотах. Утримання плазми в установці не буде пов'язано з магнітним полем струму, на відміну від токамака. Тому індуктор може працювати в постійному режимі, на змінному струмі. Ця обставина робить можливою при відповідному охолоджуванні котушок зовнішнього магнітного поля роботу всієї установки в безперервному режимі. Суть корисної моделі пояснюється схемою установки, зображеної на кресленні. Вакуумна камера 1 (див. схему) може бути виготовлена з немагнітного матеріалу, наприклад з неіржавіючої сталі Х18Н10Т, і забезпечена необхідними патрубками і вікнами для відкачування на високий вакуум і діагностики плазми, а також електровакуумними роз'ємами і тому подібне. У камері розміщується силовий каркас з неіржавіючої сталі (на кресленні не показаний), на якому кріпляться котушки магнітної системи 2, індуктор 3, ізолятори електричної системи, елементи діагностики плазми і інше необхідне устаткування (кресленні не показані). Для магнітної системи можуть бути використані котушки з мідними обмотками, які охолоджуються до температури рідкого азоту. Можливо також використання надпровідників або кріорезистивних обмоток з надчистого алюмінію і ін. Кількість, розміри і форма котушок магнітної системи визначаються вимогами до топографії магнітного поля в установці. Котушки можуть бути суцільними або секціонованими. При необхідності, між магнітними котушками, які 3 UA 70119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 створюють магнітну щілину, для корекції магнітного поля, можуть розміщуватися додаткові коректуючі котушки (на кресленні не показані), що живляться від основного або власного джерела живлення. У вакуумній камері 1, котушки магнітного поля 2 призначені для створення магнітного поля, яке зменшується по величині до осі установки, і утворення вузьких кільцевих магнітних пробок-щілин, через які магнітне поле 5 виводиться з об'єму утримання плазми 6. Електрична система для створення електростатичних бар'єрів в магнітних щілинах може складатися з кільцевих електродів, розташованих попарно по обидві сторони від площини симетрії магнітного поля в магнітній щілині. Електроди 4 можуть бути змонтовані або на ізоляторах, або на керамічних шайбах, укріплених на загальному каркасі і, як ціле, вставлені між котушками магнітного поля. Як індуктор може бути використана первинна обмотка трансформатора або спеціальний соленоїд. Послідовність роботи установки наступна. Вакуумна камера 1 відкачується до високого вакууму і заповнюється робочою речовиною при низькому тиску, який підтримується при постійному вакуумному відкачуванні та напуску робочої речовини. Потім котушки магнітного поля 2 і елементи системи для створення електричних полів 4 підключаються до джерел живлення, і в камері створюються магнітне поле й електричні поля, що утримують плазму. Внутрішні електроди - анодні діафрагми і зовнішні електроди - колектори іонів знаходяться під нульовим потенціалом. На середні електроди подається високий негативний потенціал. Цей потенціал може ділитися на рівні частини проміжними електродами, які забезпечують його рівномірний розподіл. Величина магнітного поля в кільцевих магнітних щілинах-пробках 5 вибирається такою, щоб забезпечити термоізоляцію плазми, а геометричний розмір магнітних щілин і величина зовнішнього електричного поля вибираються такими, щоб зруйнувати квазінейтральність плазми в щілинах. Плазма в об'ємі її утримання 6 створюється іонізацією робочої речовини потоком електронів від зовнішнього джерела електронів - електронного інжектора (на кресленні не показаний). Зовнішнє, відносно основного об'єму утримання плазми, магнітне поле, яке створюється електромагнітними котушками, запобігає втратами електронів упоперек магнітного поля, а уздовж магнітного поля через магнітні щілини втрати електронів усуваються електростатичними бар'єрами. Оскільки квазінейтральність плазми в магнітній щілині зруйнована, плазма не в змозі повністю екранувати зовнішнє електричне поле. Потенціал плазми виявляється відірваним від потенціалу електродів, що створюють зовнішнє електричне поле. В установці створюється розподіл потенціалу, що забезпечує роздільні електростатичні бар'єри для електронів і іонів. Електрони утримуються магнітним полем і електростатичними бар'єрами в щілинах, а іони утримуються в полі об'ємного заряду електронів. Газодинамічна стійкість плазми забезпечується магнітним полем, що має для цього сприятливу структуру. За допомогою індуктора, що створює в основному об'ємі утримання плазми вихрове електричне поле, в початковій плазмі збуджується електричний струм, який, у свою чергу, породжує магнітне поле, яке охоплює цей струм. Струм, що протікає по плазмі, ефективно нагріває плазму на її омічному опорі, а наявність в плазмі магнітного поля власного струму дозволяє, при необхідності, для подальшого нагріву плазми використовувати добре відомі мікрохвильові методи нагріву плазми на резонансних частотах. Утримання плазми в установці не пов'язане з магнітним полем власного струму, тому індуктор може працювати як в імпульсному, так і постійному режимі, на змінному струмі. Ця обставина робить можливою при відповідному охолоджуванні котушок зовнішнього магнітного поля роботу всієї установки в безперервному режимі. Джерела інформації: 1. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. - Μ.: Наука. - 963 с. 2. Волков Ε.Д., Супруненко В.А., Шишкин А.А. // Стелларатор. - К.: Наукова думка. - 1983. 311 с.]. 3. Кадомцев Б.Б. Основы физики плазмы токамака. // Итоги науки и техники. - Сер. Физика плазмы. - 1991. - 10. - 146 с. 4. Азовский Ю.С., Вдовин С.А., Германова СВ., Карпухин В.И., и др. Особенности конструкции и функциональные системы экспериментальной установки "Юпитер 2М" // Доклады IV Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. - Ленинград, 1984. - Т. 3. - С. 89-95 (прототип). 5. Вдовин С.А., Лаврентьев О.А., Маслов В.А., Ноздрачев Μ.Г., Обозный В.П., Саппа Н.Н. Накопление плазмы в многощелевой электромагнитной ловушке "Юпитер-2М" // ВАНТ. - Сер. Термоядерный синтез. - 1988. - Вып. 3. - С. 40-45. 60 4 UA 70119 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Установка для створення і утримання високотемпературної плазми, що містить заповнювану робочою речовиною вакуумовану камеру, в якій розміщена магнітна система, створена з електромагнітних котушок, розташованих в площинах, перпендикулярних її подовжній осі, з утворенням між ними поперечних магнітних щілин, розподілених уздовж цієї подовжньої осі, із зустрічним по відношенню одна до одної підключенням до джерела електроживлення котушок, розділених цими магнітними щілинами, причому ширина кожної щілини більша за електронний ларморовський радіус для магнітного поля в щілині і порівнянна за порядком величини з дебаєвським радіусом в утримуваній плазмі, при цьому усередині щілин і (або) зовні поблизу них розміщені електроди для утворення електричних полів, що руйнують квазінейтральність плазми в щілинах, яка відрізняється тим, що вона забезпечена індуктором для створення вихрового електромагнітного поля в основному об'ємі утримання плазми, цей об'єм має вигляд тора, бічну поверхню якого охоплюють електромагнітні котушки магнітної системи, з утворенням вищезазначених поперечних щілин через рівні проміжки вздовж подовжньої осі цього тора, яка охоплює індуктор. 2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що принаймні в одній з щілин розміщений інжектор заряджених частинок для створення початкової плазми в об'ємі її утримання в камері. Комп’ютерна верстка А. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5