Инжектор быстрых атомов термоядерного реактора

енков,Г.Н.Тили 88.8)Никулин В.А. кция ионна-ат в токамака Т- -ой Всесоюзно рным проблема Сер много конфеТЯР. аК М., НогШсе Н п,)ес 1 ог цпд 1 Гог 8-1 Ь. Яушр. оп Еп Бея. (Яап Ргапс 1979) у.3, р.138 1 оКашаК геас 1 ог-ЕеА 1 оппс Епегяу Аяепа, 1980. 7 Ю /Я ОСУДАРСТВЕННЦЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(53) 621.384.6(0 (56) Чухин И.А., гин В.С, Констру тракта инжекторо В сб.: Доклады 2 ренции по инжене Л 1982, с. 357Ма 1 яийа Я., А е 1 а 1 Рго 1 оСре 1 Т. 1 п; Ргос. РгоЫ. оГ Гцяоп Са 1 Иогпа, ПЯА, 1389.1 пйегпаСопа 1 го Ржаве. 1 п 1 егп су, Иеппа, АияСг ЯО 122341(54)(57) 1,ИНЖЕКТОР БЫСТРЫХ АТОМОВ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащий источники атомарных и молекулярных ионов дейтерия или трития, нейтрализаторы и отклоняющие магниты, установленные вдоль оптических осей инжектора, рекуператоры энергии непереэарядившихся ионов, установленные на выходе отклоняющих магнитов, окруженную биологической защитой вакуумную камеру, в которой размещены указанные элементы, криогенные насосы, установленные вдоль стенок вакуумной камеры, системы электропитания и систему обеспечения рабочим газом и хлад- агентами, о т л и ч а ю щ и й с я ВФ тем, что, с целью повышения энергетического КПД, в него введены поворот" но-сепарирующие магниты, установлен- ( ные по оптическим осям инжектора между источниками атомарных и молекулярных ионов и нейтралиэаторами, и рекуператоры энергии молекулярных ионов, расположенные за поворотно-се- Ю парирующими магнитами. ЬР М122349 2. Инжектор по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения ресурса и надежности, вакуумная камера выполнена в виде двух отсеков, разделенных стенкой с горловиной, в которой установлены нейтИзобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза, в частности, к области получения мощ ных пучков быстрых атомов изотопов водорода, и может быть использовано 5 в инжекторах термоядерных реакторов, где требуется обеспечивать введение в термоядерную плазму мощных моноэнергетических пучков изотопов водорода, очищенных от вредных примесей, с выО соким энергетическим КПД, ресурсом и надежностью.Целью изобретения является повышение энергетического КПД инжектора быстрых атомов термоядерного реакто 5 ра, основанного на перезарядке быстрых ионов, за счет предварительной сепарации ионов, а также увеличение ресурса и надежности за счет осуществления радиационной защиты ионных20 источников от обратного потока нейтронов иэ реактораНа чертеже изображен предлагаемый инжектор,25Устройство содержит вакуумную камеру 1 инжектора, окруженную биологической защитой 2. В вакуумной камере 1 размещены нейтрализаторы 3, оборудованные системой напуска газа, на котором происходит перезарядка ионов в атомы, отклоняющие магниты 4, эапитываемые от собственных источников электрического питания, криогенные насосы 5, поддерживаемые при рабочей температуре системами азотного и гелиевого снабжения, и рекуператоры 6 энергии неперезарядившихся ионов, включенные в систему электрического питания ионных источников. Вакуумная камера оборудована выходным шиберным затвором 7 и состыкована с дополнительной вакуумной камерой 8, .также окруженной биологической защирализаторы, источники атомарньгх имолекулярных ионов установлены в дальнем от выхода инжектора отсеке нарасстоянии от центральной оси инжектора болъпгемчем радиус горловины. той 9. На дополнительной вакуумной камере размещены источники О атомарных и молекулярных ионов (например, с периферийным магнитным полем либо без магнитного поля или типа "дуопигатрон" либо "периплазматрон") с собственными системами электрического питания. Ионные источники присоединены к дополнительной вакуумной камере через шлюзовые шиберные затворы 11, дополнительная вакуумная камера оборудована криогенными насосами 12, поддерживаемыми при рабочих температурах системами азотного и гелиевого снабжения, и рекуператорами 1 З.энергии молекулярных ионов (,например, электростатического типа), также включенными в систему электрического питания ионных источников. Кроме того, между источниками ионов и нейтрализаторами в дополнительной вакуумной камере размещены поворотные магниты 14, запитываемые от собственных источников электрического питания. На чертеже также изображены траектории молекулярных ионов 15 (между поворотными магнитами и рекуператорами энергии молекулярных ионов),траектории атомарных ионов 6 до нейтрализаторов, траектории неперезарядившихся атомных ионов 17 и траектории быстрых. атомов 18, вводимых в термоядерный реактор 19.Инжектор быстрых атомов работает следующим образом.Формирование и ускорение пучков атомарных и молекулярных ионов осуществляют источники 10 ионов (при открытых шлюзовых затворах 1), Пучки ионов разделяются поворотными магнитами 14 (ввиду различия по отношению заряда к массе атомарных и молекулярных ионов) на пучки молекуляр3ных ионов, направляемые на рекуператоры 13 энергии молекулярных ионов, и пучки атомарных ионов 16, направляемые в нейтрализаторы 3.Угол поворота пучков атомарных ионово16 составляет около 150 , а углы поворота молекулярных ионов 15 - около 30-60 .Для этого ширина полюсов поворотного магнита выбирается равной среднему радиусу поворота атомарных ионов 0 с энергией Е в межполюсном зазоре, равном примерно удвоенной ширине пучка ионов, а длина полюсов магнита составляет не менее г 4двух средних рациусов поворота атомарных ионов Р,. При этом индукциямагнитного поля В между полюсами выбирается, например, для Р, при энергии Е, примерно равной: В = КЕО,где К й БГ /кэВ 1, В нейтрализаторах 3 пучки атомарных ионов 16 перезаряжаются в пучки быстрых атомов 18,вводимые в термоядерный реактор 19(при открытом выходном шиберном затворе 7). Отклоняющие магниты 4 выделяют из пучков быстрых атомов пучкинеперезарядившихся атомарных ионов17 и направляют их на рекуператоры 6энергии неперезарядившихся ионов. Рекуператоры 6 и 13 энергии ионов производят прямое преобразование энергиипопадающих на них пучков ионов вэлектроэнергию, которая используется для питания источников ионов вместе с энергией от внешних источниковэлектропитания, что существенно увеличивает общий энергетический КПДинжектора. Энергетический КПД инжектора определяется как отношение мощности пучка быстрых атомов с основной энергией Е, вводимой в плазмутокамака, к суммарной электрическоймощности, подводимой к инжектору от источников электропитания. Вместе спучками ионов из источников 10 ионов выходит сопутствующий нейтральный газ, в нейтрализаторы 3 для перезарядки ионов в атомы подается рабочий газ, кроме того, источникаминейтрального газа являются рекуператоры 6 и 13 энергии ионов. Откачку газа, поступающего в вакуумную камеру1, осуществляют криогенные насосы 5,а газ, поступающчй в дополнительнуювакуумную камеру 8, откачивают криогенные насосы 12. Вакуумная камера 1окружена биологической защитой 2,в которой имеется отверстие для ввода пучков атомарных ионов 16 в нейт 2349 4 статических рекуператора энергии непереьарядившихся ионов имеютКПД 0,8, Потери пучка быстрых атомоввдоль тракта из-за конечной угловойрасходимости составляют 57 от общеймощности. В плазму термоядерного ре 55 рализаторы 3. Поэтому дополнительнаявакуумная камера 8 также окружена биологической защитой 9 от прямых и рассеянных потоков нейтронов и другого излучения термоядерного реактора 19,Источники 10 ионов при этом не попадают впрямой поток нейтронов, так как установлены в тени биологической защиты 2 основной вакуумной камеры 1. Замена неисправных источников 10 ионовпроизводится при закрытых шлюзовыхшиберных затворах 11 и частично снятой биологической защите 9. Регламентные работы с инжектором, например, 15регенерация криогенных насосов 5 и12, производятся при закрытом выходном шиберном затворе 7.В качестве примера использованияпредложенного устройства рассмотрим 20инжектор для опытного термоядерногореактора-токамака ИНТОР. Инжекторсостоит из основной и дополнительнойвакуумных камер, четырех источниковдейтериевых ионов, формирующих пучки атомарных и молекулярных ионов до100 А, каждый при энергии ионовЕ 175 кэВ (количество ионных источников определяется лишь требованиямипо суммарной вводимой мощности пучка). Доля атомарных ионов в пучках 30составляет 0,9. Энергетический КПДисточника ионов равен 0,95В инжекторе установлены четыре поворотныхмагнита. Угол поворота пучка атомар+ Сных ионов В, равен "150 , а углы поЗ 5 ворота молекулярных ионов Л и Рправнысоответственно 50 и 30 . В дооополнительной вакуумной камере установлены четыре электростатическихрекуператора энергии молекулярных 40 ионов, имеющие КПД 0,8. Каждый изчетырех нейтрализаторов инжектора2имеет проходное сечение 15 х 70 смпри длине 1,5 м. Среднее давлениегаза в нейтрализаторах составляет3 1 О Па. Нейтрализаторы охлаждаютсядо температуры жидкого зота дляуменьшения потребного расхода рабочего газа. Доля быстрых атомов навыходе из нейтрализатора равна 0,2550 Четыре отклоняющих магнита обеспечивают поворот неперезарядившихсяоионов 1 на уол 90 . Четыре электро1223419 Составитель А.НестеровичТехред И.Верес Корректор В.Синицкая Редактор Т.Кугрышева Заказ 1727/61 Тираж 765 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, 3-35, Раушская наб. 1 д. 4/5Филиал П 1 П 1 "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,актора инжектор вводит моноэнергетический (Ео 175 кэВ) пучок быстрыхатомов дейтерия общей мощностью15 МВТ, Затраты на регенерацию пучков ионов в источниках ионов равны74 МВТ, из них 41 МВТ обеспечиваютрекуператоры энергии ионов, в томчисле 5,5 МВТ - рекуператоры энергии молекулярных ионов. Общий энергетический КПД инжектора составляет 453по сравнению с 357 для инжектораИНТОР на основе известных решений.Реализуется многократное увеличениересурса источников ионов и существенное повышение надежности работы в целом.