Линейная магнитоплазменная ловушка с антипробками

СОЮЗ СОНЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН ИЕ ИЗОБ ОПИС АВТОР АРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54)(57) ЛИНЕЙНАЯ ИАГНИТОПЛАЗМЕННАЯЛОВУШКА С АНТИПРОБКАИИ для термоядерной системы тета-пинч с внешней инжекцией плазмы, состояшая иэ соленоидальной катушки стационарного магнитного поля, цилиндрического проводяще го лайнера с установленными на концах его аксиально с ним импульснымиантипробочными катушками и расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль магнитного поля, о тл и ч а ю щ а я с ятем, что, с целью ее упрощения и увеличения плотности плаэмы в ловушке,между лайнером и антипробочными катушками соосно с лайнером расположены примыкакшие к нему дополнительныекатушки, внутренний диаметр которыхравен внутреннему диаметру лайнера,а оба вывода обмотки каждой дополнительной катушки соединены последовательно с выводами соответствуюшейантипробочной катушки так что кап=равление обхода по виткам дополнительной катушки относительно оси противоположно направлению обхода по виткам соответствуюшей антипробочной катушки.51 О При резком изменении магнитного пото" 15 Недостаток системы - низкая эФАек 25 цы соленоида вдоль Магнитного поля, поэтому системы 9-пинч необходимо делать либо очень длинными (отношение длины , к диаметру 9 /3 яг , либо переходить к более сложным тороидальным 9-пинчам, в которых осуществить устойчивое удержание плазмы много сложнее, чем в линейной системе,Наиболее близкой к предлагаемой 4 О ловушки, либо не проникает в ловушку,если последняя закрыта слишком рано.Последнее обстоятельство усугубляетсянедостаточной синхронностью работы 65 Изобретение относится к термоядерной энергетике и может быть использовано в термоядерных реакторах с внешней инжекцией высокоэнергичных плазменных потоков,Известны линейные системы тетапинч, где нагрев плазмы до термоядерных параметров осуществляется быстронарастающим продольным магнитным полем. Такие системы состоят из длинного, импульсного соленоида, снабженного источником энергии и коммутаторами тока. При подключении соленоидак источнику возрастает напряженностьмагнитного поля внутри соленоида. ка происходит пробой рабочего газаи образующаяся плазма сжимается коси соленоида давлением магнитногополя Г 13. тивность нагрева плазмы, так как для получения высоких температур плазмы необходимы большие коэКициенты сжатия плазмы. ПОэтому конечный размер плазменного шнура мал по сравнению с диаметром импульсного соленоида, а образуемый зазор между соленоидом и плазмой заполнен сильным магнитным полем, на образование которого и тратится большая часть энергии источника (более 90 1. Недостатком системы также является уход плазмы через торявляется магнитоплазменная ловушка с антипробками для термоядерной систе мы 9 -пинч с лайнером, которая состоит из соленоида стационарного (или квазистационарного )магнитного поля, цилиндрического проводящего лайнера с установленными на концах лайнера аксиально с ним импульсными антипробочныии катушками, расположенными внутри соленоидальной катушки и ориентированными вдоль магнитного поля соленоида 2.Недостатками известной ловушки являются сложность мощных импульсных источников энергии для питания антипробочних катушек и трудность осуществления правильной синхронизации запирания торцов ловушки с заполнением ее плазмой. Это приводит к удорожанию системы и к потерям плазмы, которая либо успевает частично уйти вдоль магнитного поля до запирания. плазменных инжекторов, в связи с чемзаполнение ловушки с обоих торцовпроисходит несинхронно, а включениеантипробочных катушек производится позаранее заданной временной программе.Поэтому несогласованность заполненияи запирания приводит к уменьшениюколичества плазмы, запертой в ловушке.Цель изобретения - упрощение устройства и увеличение плотности плазмы в ловушке путем самосогласованияпроцессов заполнения и запирания ловушки.Поставленная цель достигаетсятем, что в линейной магнитоплазменной ловушке с антипробками, состоящейиз соленоидальной катушки стационарного магнитного поля, цилиндрическогопроводящего лайнера с установленными на концах его аксиально с нимимпульсными антипробочннми катушками и расположенными внутри соленои дальной катушки и ориентированнымивдоль линий магнитного поля, междулайнером и антипробочными катушкамисоосно с трубой расположены примыкающие к нему дополнительные катушки,внутренний диаметр которых равенвнутреннему диаметру лайнера, а обавывода обмотки каждой дополнительнойкатушки соединены с выводами соответствующей антипробочной катушки так,что направление обхода по виткам дополнительной катушки Относительнооси противоположно направлению обходапо виткам соответствующей антипробочной катушки,С целью. расширения Функциональныхвозможностей ловушки дополнительныекатушки имеют промежуточные отводы,снабженные съемными перемычками.На чертеже в левой части показанонаправление силовых линий до, а в пра.вой - после заполнения ловушки плазмой.Линейная магнитоплазменная ловушкасостоит иэ соленоида 1, создающегостационарное (кваэистационарное магнитное поле, цилиндрической проводящей трубы (лайнера ) 2 и установленных аксиально с трубой импульсныхантипробочных катушек 3, которые вместе с трубой помещены внутрь соленоида 1 и ориентированы вдоль егооси. Между трубой и антипробочнымикатушками соосно с трубой расположены дополнительные катушки 4, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру трубы 2. Дополнительныекатушки 4 примыкают к трубе 2 и могутиметь контакт с ней или не иметь.Последнее определяется конструктив 6 О ным исполнением установки. Оба вывода обмотки каждой дополнительнойкатушки 4 соединены с вьводами соотВетствующей антипробочиой катушки 3так, что при обходе замкнуто о конг.- ра, состоящего из катушек 3 и 4, вы:.полняется следующее условие, Направление обхода по виткам донолнигельной катушки 4 относительно оси противоположно направлению обхода относительно оси соответствующей антипробочной катушки 3. При таком соединении обмоток ток, протекающий по виткам,создает в катушках поля встречного направления. дополнительные катушки 4 имеют промежуточные отводы 5(количество которых не менее двух1 Оснабженные съемными перемычками б,Для удобства переключения числа витков дополнительной катушки, соединенных с антипробочной катушкой,отводы 5 выведены изолировано за предели соленоидальной катушки 1,Ловушка работает следующим образом.Соленоидальная катушка 1 создаетначальное магнитное поле Ьв котором через торцы ловушки инжектируются быстрые плаз ленные струи леваячасть чертежа). Диаметр плазменнойструи д меньше диаметра ловушки 9,поэтому струи свободно проникают в 25трубу 2, незначительно искажая начальное поле бц. При взаимодействии "встречных струй они образуют высоко-.температурную плазму с газокннетическим давлением, пропорциональным 30температуре, вследствие чего образующаяся плазма расширяется. При расширении поперек магнитного поля проводящая плазма сжимает магнитный поток, заполняющий зазор между плазмойи лайнером, поэтому напряженность магнитного поля у стенки трубы 2 растети достигает величины В, обеспечивающей равновесие границы поле - плазма,Втекающие через торцы плазменныеструи препятствуют тепловому расширению плазмы вдоль магнитного поля1,газодинамическим подпором и продолжают заполнение. ловушки от середины к торцам трубы 2, пока область,занятая горячей плазмой, не заполнитвсю трубу 2. Заполнение области дополнительных катушек 4 также сопровождается усилением магнитного поля на поверхности витков, обращенной к плазме. При этом часть магнитного потока,5 Опронизывающего витки катушек 4, вытесняется а антипробочную катушку 3,соединенную выводами с дополнительной катушкой. Направление включенияобмоток антипробочной и дополнительной катушек таково, что в антипробочной катушке при этом генерируетсямагнитное поле обратного знака, поэтому магнитное поле на оси в антипробочной катушке меняет знак и увелщОчивается. Увеличивающееся поле наоси антипробочной катушки закрываетвход плазменной струе хвостоваячасть которой имеет много примесей )и препятствует уходу горячей плазмыиэ ловушки. известно, что в антйпробочных конФигурациях геометрические размеры щели и отверстия для ухода горячей плазмы не более ларморовского радиуса ионов плазмы в поле б,В предлагаемой ловушке отсутствуют внешние источники питания, так как расширяюшаяся термализуемая плазма быстрых ннжектируемых струй вместе с дополнительной катушкой, находящейся в начальном поле В являются генераторами ЭДС. Эта ЭДС и возбуждает ток в антипробочных катушках, псдключеннных к дополнительным катушкам так, что направление обхода по виткам дополнительной катушки противоположно направлению обхода по виткам антипробочной катушки. ПРИ ЭТОМ ЭДС, появление тока и запирающего магнитного поля автоматически синхронизированы с заполнением торцовых частей ловушки т.е. с окончанием заполнения ловушки ), Поэтому уменьшены потери плазмы, связанные со статистическим разбросом времени заполнения ловушки до торцов азиз-за несинхронной инжекции справа и слева ). Эффективность захвата плазмы предлагаемой ловушкой и в итоге плотность частиц плазмы в ней выше, чем у известной.Рассмотрим при каких ограниче- нияХ на число витков антипробочных и дополнительных катушек предлагаемая ловушка имеет такую же конфигурацию магнитных полей, как и известная.Примем следующие обозначения: й, - число витков дополнительной катушки; й - число витков антипробочной катушки; В - напряженность магнитного поля, обеспечивающая равновесие границы горячей плазмы; Э - диаметр горячей плазмы в ловушке; К- - коэффициент, учитывающий .геометрию антипробочной катушки.Уравнение для магнитного потока дополнительной и антипробочной катушек, включенных последовательно навстречу одна другой можно записать такн 1 р ) 6 11 )+ ) 6 1) к ( )КоэфФициент усиления поля получим иэ записанного уравнения82 Разделив числитель и знаменатель на И получим 2 1- -8 й1с1- + - К 8 о .0- 1- - 4 - кг2 Второй член в знаменателе представляет собой поправку к усилению поляЗаказ б 093/37 Тираж 414 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ФиЛиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 в 9 бласти дополнительной катушки по сравнению с усилением поля в трубе. Этот поправкой можно пренебречь, еслитИМсс 1- - (ф) 5й гПолученное условие (4) является достаточным, но не необходимым, так как толщина магнитной изоляции (,1)-В,) выбирается с запасом, исходя из условия, что Д-Э,З)ф, где у, - ларморов ский радиус иона. Можно допустить поэтому, что толщина магнитной изоляции в области дополнительной катушки вдвое меньше, чем в трубе. 15 Тогдаусловие на число витков при Нн 1 получим в видеИ В.х.э20При 3/й и 0,95, например й 1 /й,(0,1, что вполне приемлимо для конструктивного исполнения.Вместе с этим видно, что соотношения между витками зависят от диамет 25 ра горячей плазмы, который в свою очередь является функцией плотной плазмы, ее температуры и напряженности начального поля В. В экспериментах с плазмой эти параметры варьируются, поэтому желательно согласовывать изменение условий с условиямигенерации антипробочных полей. Дляэтих целей дополнительные катушкимогут иметь промежуточные отводы,закорачиваемые саемными перемычками.Это дает воэможность регулировать всоответствии с условием (5).использование предлагаемой ловушки позволит получить следующую экономию: стоимость импульсных конден-.саторных батарей 20 тыс. руб.; стоимость коммутирующих устройств и системы управления 30 тыс.руб., стоимость монтажа и наладки оборудования22 тыс.руб.Экономия от использования изобретения на укаэанной установке составит70 тыс.руб. (стоимость изготовлениядополнительных катушек 1 тыс,руб.).При использовании предлагаемойловушки возможна экономия за счетисключения конденсаторных батарей,коммутирующих устройств и системыуправления,