Способ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ловушках

(19) 011 150 4 С 21 В 1/О ТЕНИ ОБ ится к термоядер хнологии, в ча- окочастотного рмоядерных тем использовано п о реактора, на ак или стел -ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫГИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВАПЛАЗМЫ В ТЕРМОЯДЕРНЫХ ИАГНИТНЬ 1 Х ЛОВУШКАХ(57) Изобретение относится к областитермоядерной энергетической технологии, в.частности к высокочастотнымметодам нагрева плазмы до термоядерных температур, и может быть использовано при создании термоядерного реактора, например, типа токамак илистелларатор, Цель. изобретения состоит в повышении эффективности нагреваплазмы. На периферии плазмы в областигде продольное магнитное поле имеетмаксимальное значение (в тороидальных установках - на внутреннем обводе тора) возбуждают быструю моду Изобретение откосной энергетической тстности к методам вынагрева плазмы до тератур, и может бытьсоздании термоядерногпример , типа токамларатор,быстрой магнитозвуковой волны, которая распространяется в глубь плазмы в направлении спадания продольного магнитного поля. При достижении ею зоны трансформации возникает медленная магнитозвуковая волна, распространяющаяся в направлении возрастания продольного магнитного поля и достигающая зоны ионного циклотронного резонанса на ионах .добавки, дополнительно введенных в плазму. В этой зоне происходит поглощение высокочастотной мощности, способствующей нагреву плазмы. В качестве добавки используют ионы с отношением зарядового числа г к массовому числу А, меньшим отношения зарядового числа г к массовому числу А основных ионов добавки, Напуск в плазму ионов добавки осуществляют после начала введения высокочастотного излучения со скоростью возрастания числа ионов добавки в объеме плазмы, не превосходя- вы щей по величине отношения вводимой в ф плазму мощности высокочастотного из- р лучения к величине энергии ионов добавки, соответствующей максимуму сеч чения реакции синтеза ядер ионов добавки и ионов ионовой плазмы, 1 ил. 2Цель изобретения - повышение эффективности нагрева плазмы.На чертеже изображено радиальное распределение квадрата поперечного показателя преломления И для быстрой и медленной магнитозвуковых волн в плазменном шнуре, Интенсивность потока высокочастотной энергии харакз 1455364 еризуется шириной заштрихованной бласти,На чертеже также изображена антенна 1, эона 2 ионного циклотронного резонанса для ионов добавки, точка 3 трансформации быстрой магнитозвуовой волны н медленную, зоны 4 и 5 риной квадрата коэффициента прелом- ения соответствуют быстрой магнитовуковой волне, а эона 6 - медленной агнитозвуковой волне, К характеризут радиальное положение внутри плазенного шнура.Способ высокочастотного нагрева 15азмы в термоядерных магнитных лоушках осуществляют следующим обраом. распределения резонансных частиц сэффектом обрезания "хвоста" и распределения и поэтому по мере увеличения 5плотности (в это время зона конверсиисмещается от зоны ИЦР к периферииплазмы) может быть обеспечено услониеподдержания немаксвелловской функциираспределения. Ограничения на скорость 10 напуска добавки могут быть определеныиз уровня баланса энергии для резонан-сных частиц на стадии напуска: и Е) Ч, (1) Быстрая магнитозвуковая волна БМВ), возбуждаемая со стороны силь ого магнитного поля, распространяясь т антенны в глубь плазмы, проходит сну ионного циклотронного резонанса ИЦР) для добавки, частично поглотивсь в ней, достигает затем зоны трансформации. Так как при использовании данного метода .концентрация иоов добавки может быть обеспечена соизмеримой с концентрацией основногоаза, можно обеспечить слабое поглоение БМВ в зоне основного ИЦР для монов добавки. При этом основная доя энергии, инжектируемой в плазму, ереходит в зоне трансформации в нергию медленной магнитозвуковой фолной (ММВ), которая, распространяясь в сторону возрастания магнитного дроля, приближается в зоне ИЦР.В предлагаемом способе нагрева реализуется другой режим, при котором 40 Зона ИЦР является доступной для ММВ даже в случае высокой концентрации монов добавки. Суть реализации такого 1 ежима заключается в том, что инжекция мощности высокочастотного излуче яия начинается в тот момент, когда концентрация ионов добавки достаточно мала, и /и, с - Ч./Чф, где и концентрация ионов добавки; п, - конентрация основных ионов; Ч- тепло ая скорость ионов добавки; Чф,- фаэовая скорость волны вдоль магнитНого поля при температуре ионов добавки Травной температуре Т; основ-ных ионов. 55Благодаря этому зона ИЦР для добанки доступна для ММВ даже при Т; = : Т , За счет циклотронного поглощемия ММВ в зоне формируется функция где Р- мощность трансформированияв ММВ;и(Т) - концентрация ионов добавкив момент времени :, усредненная по объему Ч, н котором происходит поглощение высокочастотной мощности;Е - средняя энергия резонансных частиц;скорость потери энергиирезонансных частиц, с энергией Е за счет их торможения на ионах и электронах основной плазмы.Энергия резонансных частиц Е в оптимальных условиях двухкомпонентного режима приближительно должна быть равной энергии Е 0, при которой сечение термоядерной реакции имеет максимальное значение. Поэтому для обеспечения условий достижимости зоны ИЦР для добавки необходимо, чтобы на стадии нарастания плотности ионов добавки их средняя энергия должна быть близка к Е 0, Для этого, как следует из (1), максимальная скорость напуска ионов добавки должна удовлетворять неравенству /Мп /д 1 (мРь /Ео В ре зультате использования такого режима включения нагрева обеспечивается возможность работы с высокой концентрацией ионов добавки в стационарном режиме с достижимостью ММВ зоны ИПР и поддержанием немаксвелловской функции распределения резонансных частиц. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что благодаря использованию ионов добавки, для котс рых г/Аг/А, где ги г - зарядовые числа ионов добавки и основных ионов соответственно; А и А - их массовые числа соответственно, параметр К, 1;(К, - поперечное волновое число для ММВ; у, - ларморовский радиус основных ионов) в зоне ИЦР для ММВ сильно зависит от поглощаемой мощно 5 сти и концентрации ионов, добанки и, в частности, монотонно уменьшается при увеличении уровня поглощаемой мощности. Эта особенность важна, так как оказывается нозможным 10путем регулирования концентрации ионов добавки обеспечить оптимальноезначение параметра К у, при котором9формируется оптимальная функция рас"пределенил ионов добавки и таким образом обеспечивается максимальная величина фактора Я, представляющего собой коэффициент умножения термоядерной мощности.Можно испольэовать следующие варианты нагрева:1) дейтерий-тритиевая плазма (Д+Т),в которой тритий является добавкой;2) дейтерий-гелиевая плазма (Д ++ Не), в которой гелий является добанкой;5) гелий-водородная плазма (Н ++ Не), н которой гелий является добавкой, 35Вариант 1 может быть использовандля создания режима двухкомпонентного реактора, а вариант 2 - для создания двухкомпонентного безнейтронного(чистого) реактора,40 Предлагаемый способ позволяет решить проблему ввода н ММВ высокого уровня мощности путем возбуждения быстрой волны и ее трансформации в 45 ММВ без использования дополнительной нерабочей компоненты плазмы, которая может существенно понизить величину фактора О. Кроме того, предлагаемый способ позволяет обеспечить путем ре. гулирования параметра К у, оптимальные условия с точки зрейия обеспечения максимума вектора.Формула из об ре тенияСпособ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ловушках, включающий возбуждение в плазме магнитозвуковых волн, внедение в плазму ионон добавки для поглощения медленных волн в области ионного циклотронного резонанса на ионах добавки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы, в области максимального значения продольного магнитного поля возбуждают быструю моду быстрой магнитознуковой волны, распространяющейся в глубь плазмы в направлении спадания продольного магнитного поля и достигающей зоны трансформации в медленную магнитозвуконую волну, распространяющуюся в направлении возрастания продольного магнитного поля и достигающую зоны, ионного циклотронного резонанса на ионах добавки, при этом н качестве ионов добавки используют ионы с отношением зарядового числа г к массовому числу А , меньшим отношения зарядового числа г к массовому числу А основных ионов плазмы, причем напуск в плазму ионов добавки осуществляют после начала введения высокочастотного излучения н плазму, со скоростью возрастания числа ионов добавки в объеме зоны поглощения высокочастотного излучения в плазме, не превосходящей по величине отношения вводимой в плазму мощности высокочастотного излучения к величине энергии ионов добавки, соответствующей максимуму сечения реакции термоядерного синтеза между ионами добавки и ионами основной плазмы, до достижения такой плотности ионов добавки н объеме плазмы, при которой поток нейтронов из плазмы достигает максимального значения.14553 б 4 Составитель Р. Ивановча Техред И.Ходанич Корректо ерн акто изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная Заказ 7457/55 Тираж 369.НИИПИ Государственного комитета по изобр113035, Москва, Ж, Рау Подписноеетениям и открытиям при ГКНТ СССшская наб., д. 4/5