Способ нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках

Союз Советских Социалистических РеспублиыОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ н 1455715(22) Заявлено 100272 (21) 1746813/26-25с присоединением заявки Но -(51)М. К .з Н 05 Н 1/18 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В ЗАМКНУТЫХ МАГНИТНЫХ ЛОВУШКАХ Изобретение относится к области производства электрической или тепловой энергии, а именно к технике осуществления управляемой термоядерной реакции, и может быть использовано 5 для нагрева газовой плазмы, например, в установках управляемого термоядерного синтеза, построенных по принципу замкнутых магнитных ловушек с вращательным преобразованием магнит ных силовых линий.Существует несколько способов нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках. Распространен способ нагрева плазмы посредством возбуждения 15 в ней электрического тока с последующим превращением энергии носителей тока в тепловую энергию плазмы, в частности способ нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках по средством возбуждения в плазме индукционным путем тока высокой частоты, протеказщего в скин-слое, образующемся в плазме на ее границе с вакуумом. при этом высокочастотная мощность 25 эффективно поглощается в скин-слое.Однако эффективный диффузионный размер, определяемый глубиной скин- слоя в плазме и зазором между плазмой и стенкой разрядной камеры, мал от носительно поперечного размера плаз мы. Вследствие этого энергетические потери плазмы из области нагрева велики, и на нагрев внутренней части плазменного шнура идет относительно малая часть вводимой высокочастотной мощности.Цель изобретения - дальнейшее увеличение эффективности нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках с использованием для нагрева высокочастотного тока, протекающего в скин- слое плазмы. Для этого .надо, чтобы область нагрева, т.е. область скин- слоя, находилась в глубинной части магнитной ловушки вдали от поверхности плазмы. В этом случае диффузионный промежуток, отделяющий область нагрева от материальных стенок, увеличен, так как в него входит дополнительно диффузионный размер, определяемый расстоянием от скин-слоя до границы плазма-вакуум.Цель достигается благодаря тому, что высокочастотный ток, нагревающий плазму в замкнутой магнитной ловушке с вращательным преобразованием магнитных силовых линий, возбужпают в плазме внешним стоячим или бе усдим пространственно-пернодическ нм и зго1 О где- угол вращательного преобразования силовой линиипостоянного магнитного поля на одном обходе вдольмагнитной оси ловушки;15 Ь - длина ловушки вдоль магнитной оси;число пар полюсов высокочастотного электромагнитного поля.и не прозрачна при Мд ( М,альфеновская скорость в плаэме, м.с35Ъ -индукция постоянного магнитного поля ловушки., тл;плотность пЛазмы, кг м;Я:4 Ьб - магнитная проницаемость вакуума, гн. м- пространственный период многополюсного высокочастотногоэлектромагнитного поля, отсчитываемый вдоль силовой линии постоянного магнитногополя ловушки, м; 45частота изменения высокочас -тотного поля, Гц.Таким образом, если в периферийнойчасти плазменного шнура Чд 2 М , аво внутренней части его соблюдаетсяобратное неравенство 7 дМ , товысокочастотное поле сканирует.ся вплазме в окрестности слоя уд - М,расположенного в глубине плазменного шнура.55для стационарных и квазистационарных замкнутых магнитных ловушек характерно спадающее с расстОяниемотмагнитной оси ловушки распределениеплотности плазмы )3 . Этому соответствует увеличение с расстояниемальфеновской скорости МА в плазме,Например, для параболического рас(рЕ 21пределения плотности =9 о(1-." /С(где а - расстояние от магйитной осидо поверхности раздела плазма-вакуум,Формула изобретенияСпособ нагрева плазмы в замкнутыхмагнитных ловушках с вращательным преобразованием магнитных силовых е 0 линий возбуждением высокочастотноготока, протекающего в скин-слое плазмы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения энергетических потерь плазмы иэ области нагрева, 65 высокочастотный ток в плазме воэбуж 1 олюсным высокочастотным полем, чис о полюсов и частоту изменения котоого выбирают так, чтобы произведениепространственного периода высокочастотного поля, отсчитываемого вдольсиловой линии постоянного магнитногополя ловушки, и частоты изменениявысокочастотного поля было меньшеальфеновской скорости в плазме напериферийной части сечения плазменного шнура и больше альфеновскойскорости в плазме во внутренней части плазменного шнура,На чертеже приведены графики зависимости альфеновской скорости вплазме, произведения пространственного периода высокочастотного поля,отсчитываемого вдоль силовой линиипостоянного магнитного поля, и частоты изменения высокочастотного поляот расстояния от магнитной оси ловушки, иллюстрирующие предлагаемый способ.Экспериментально показано, чтоплазма, находящаяся в постоянномтороидальном магнитном поле замкнутой магнитной ловушки, прозрачна длястоячего или бегущего пространственно-периодического многополюсного высокочастотного электрического поля,если зависимость Яд (р ) представляетсякривой 1. С другоЙ стороны, длинапространственного периода, симметричного относительно оси ловушки высокочастотного поля, отсчитываемаявдоль силовой линии постоянногомагнитного поля, выражается в виде . 2%Р Г,ът )5 п(осф в )1 (2Кривые 2 и 3 представляют произведение%У , т.е. правую часть неравенства (1). Первый случай (кри - вая 2) реализуется в замкнутой магнитной ловушке типа "Токамак", н которой вращательное преобразование силовых линий создается стационарным продольным током, протекающим в плазме, распределение плотности которого по сечению плазменного шнура близко к равномерному. Второй случай (кривая 3) реализуется, например, в ловушке типа "Стелларатор", в которой вращательное преобразование силовых линий создается внешними проводниками с токами и угол вращательного преобразования 1 является возрастающей функциейПересечение кривой 1 с кривыми 2 и 3 определяет поперечный размер глубинной магнитной поверхности, в окрестности которой сканируется высокочастотное многополюсное электромагнитное поле. Таким образом, изме - няя )1 посредством изменения, например, частоты Г . высокочастотного поля либо числа его полюсов т, можно задавать положение скин-слоя в плазме, в котором осуществляется Нагрев, вдали от поверхности раздела плазма-вакуум..Редактор С,Хейфиц Заказ 9239/73 Тираж 885 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035 Москва ЖРаушская иаб , 4,5Филиал ППП фПатент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 дают внешним стоячим или бегущимпространственно-периодическим многополюсным высокочастотным симметричным относительно оси ловушки электромагнитным полем, число полюсов и частоту которого выбирают так, чтобыпроизведение величин пространственного периода высокочастотного поля,отсчитываемого вдоль силовой линии постоянного магнитного поля ловушки, и частоты изменения высокочастотного поля было меньше альеновской скорос" ти в плазме на периферии плазменного шнура и больше альфеновской скорости в плазме во внутренней части плазменного шнура.