Способ кумуляции плазмы и устройство для его осуществления

1+фОП ИСАНИЕ 1 и 671681 Союз СоветсинкСоциалистнческикРеспублик ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУла делам изобретений и открытийОпубликовано 25,05.80. Бюллетень М 19 Дата опубликования описания 18.05,80(54) СПОСОБ КУМУЛЯЦИИ ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Изобретение относится к способам иустройствам получения высокотемпературной плазмы повышенной плотностии может быть применено в области импульсной плазменной техники, занимающейся вопросами концентрации энергии5.в небольшом объеме,Известен импульсный способ кумуля-,ции плазмы путем пропускания быстронарастаеющего тока большой амплитуды10. (до 10 А) через цилиндр с рабочим газом при начальном форвакуумном давлении ( Е -пинч.) 13Рабочий ток при этом проходит в тонком поверхностном слое цилиндрическогогазового столба, ионизует его, образующееся азимутальное Магнитное поле,взаимодействуя с током, создает направленное к оси магнитное давление. По ме"ре роста разрядного тока возникает сходящаяся к центру цилиндрическая ударнаяволна сжатия, толкаемая магнитным поршнем, в виде цилиндрического скин-слоя стоком. При движении к оси ионизуется и захватывается в скин- слой все большее количество нейтрального газа, одновременно из-за уменьшения радиуса разряда и увеличения тока скорость схождения возрастает. В момент схлопывания вблизи оси образуется цилийдрическая область горячей плотйой плазмы.Однако такой способ кумуляции имеет малое время существования плазмы в сжатом состоянии, ограниченное возник новением магнитогищйдинамических неустойчивостей.Известен также способ кумуатяции плазмы путем .инерционного цилиндрически симметричного сжатия под действием газодинамического напора и магнитного давления от протекающего разрядного тока 2.4При этом токовая обопочка в своем движении к торцу центрального электрода иониэует нейтральный газ, частично он захватывается частью оболочки, ближайшей к поверхности центрального электрода, частично выталкивается радиально на20 35 40 45 Я 55 3 67ружу к внутренней поверхности внешнегоэлектрода, Мгновенная масса токовогослоя нарастает почти линейно во времении пространстве, и ко времени выхода обо. дочки с током на торец центральногоэлектрода сходящаяся ее часть можетиметь значительнув массовую плотность,В результате гидродинамического сжатияна оси достигаются значительные плотности и температуры дейтериевой плазмы,сопровождаюшиеся нейтронным излучением.Но в таком способе мал получаемыйобьем плазмы в сжатом состоянии и непродолжительно время жизни сжатой плазмы.Целью изобретения является увеличе-.ние длительности кумуляции и протяженности области сжимаемой плазмы.Поставленная цель достигается тем,что формируют по крайней мере две спутные коаксиальные струи с максимальнодопустимыми разрядными токами, определяемыми эрозионной стойкостью электрода, пропускают одну струю внутри другойтак, чтобы совпадали их передние фронтыв пределах толщин скин-слоев,Способ может быть осуществлен устройством, состоящим из коаксиально рас" положейных электродов: центрального цилиндрического и охватывающего его профилированного, состоящего из коническойтокоподводящей и цилиндрической ускорявшей частей.,Отличие устройства, позволяющегоосуществить новый способ, состоит в-том,что применен по крайней мере один доцолнительный профилированный электродс цилиндрической ускоряющей частью,охватывающей цилиндрическую часть - профилированного электрода устройства исоосной ей.На чертеже показано предлагаемоеусцюйство.Устройство состоит из коаксиальныхэлектродов 1 и 2, причем профилированный электрод 2 состоит из токоподводяшей 3 и ускоряющей 4 частей. Дополнительные электроды 5 и 6 установленысоосно электродам устройства, а их ускоряюшие цилиндрические части охватывают ускоряюшую часть профилированногоэлектрода устройства.Устройство работает следуюшим образом.С целью осуществления кумуляции плазмы формируют по крайней мере две, а вданном примере конкретного выполнениятри, плазменные струи с током. Для этого межэлектродное пространство электродов заполняют рабочим газом импульсно или стационарно, включают стартовые разрядники 7, 8, 9, в заданной последовательности разряжают конденсаторные батареи 10, 11, 12 предварительно заряженные до требуемых рабочих напряжений, на соответствующие пары электродов 1 и 2, 2 и 5, 5 и 6,В областях межэлектродного пространства, ограниченных цилиндрическими поверхностями, возникают токи С 4, С, и и. Сначала они текут в отдельных каЭкалах, затем по достижении токами определенной плотности каналы сливаются,образуя сплошные плазменные оболочкис током, которые ионизуют, захватывают и ускоряют нейтральный газ. Двигаясь под действием собственного магнитного поля, оболочки, выходя за пределы электродов, становятся плазменнымиструями с вынесенным током. Так при выходе тока на торец центрального электрода 1 образуется плазменный шнур 13,. с которого ток замыкается на внутреннюю боковую поверхность электрода 2через оболочку с током, толщина которойравна скин-слою. Начало кумуляции совпадает с моментом выхода трех плазменных оболочек за торцы цилиндрических объеЭ 0 мов, в которых они ускорялись. СинхронноСть взаимодействия струй обеспечивается, если скорости струй равны, а фронтыих смещены в пространстве не более, чемв пределах толщин их скин-слоев. Одновременность выхода струи в зону кумуляции и одинаковые скорости их продольного движения устанавливают выбором времени включения стартовых разрядников 7, 8, 9, напряжений и током конденсаторных батарей, длин цилиндрических частей электродов,2, 5 и 6.Когда оболочка с током покидает пределы цилиндрической части электрода 2, шнур сохраняется продолжительное время только в случае ограничения поперечного движении боковой плазменной оболочки 14, Такое ограничение выполняет боковая поверхность 15 плазменной струи с током с . Аналогично боковая поверхность 16 препятствует поперечному расширению плазменной струи с током сд а цилиндрическая чисть электрода 6 ограничивает боковое расширение струи с током , Другими словами, после выхода струй с токамиив область электрода 6 алиной с все они оказываются компактно вложенными одна в другую. Происходит кумуляция централь1. Способ кумуляции плазмы путем инерционного цилиндрически симметричного сжатия под действием газодинами-ческого напора и магнитного давления от протекающего разрядного тока, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения длительности кумуляции и протяженности области сжимаемой плазмы, формируют по крайией мере две спутные коаксивльные струи с максимально допустимыми разрядными токами определяемыми эфозионнойстойкостью электрода, пропускают одну струю внутри другой твк, чтобы совпвдвли их передние фронты в пределах топщин скин. слоев.2. Устройство для осуществления способа по и. 1, состоящее из ковксивльно расположенных электродов центрально 5 6716ной плазменной струи с током ( дополнительными струями с токамиЧтобы сжатие было наибольшим, токи вструях в момент начала кумуляции уста навливают экспериментальными и удовлетворяющими неравенству:с, .,.Магнитное давление, создаваемое этими токами, передается на плазменныйшнур центральной струи с помощью магнитных полей,Несоблюдение таких условий одновременности выхода струй в зону кумуляцииприводит к вариантам взаимодействия,исключающим кумуляцию плазменного шну 15ра центральной струи; если центральнаяплазменная струя опережает остальные,тогда стажие приходится на ее хвост, врезультате чего происходит ее ускорениепо типу спринцовки ; если центральнаяР гоплазменная струя запаздывает по отношению к сжимающим, то в результате ихрасширения в направлении оси устройствапроисходит кумуляция внутренней сжимаю 25щей струи по типу полого Х -пинча, причем наружная струя усиливает эффект кумуляции. Поскольку скорость кумуляциисущественно больше скорости продольного движения, в этом варианте реализуетзося удар центральной плазменной струи вобласть плазменного фокуса.Посколькутокоподвод к струям ведутчерез металлические электроды, их токовая нагрузка не может превышать преде 35лов механической прочности скин- слояматериала. Так,например, если ток ,проходящий через центральный электрод1 (диаметр 1 см), должен быть не более 10 А, то токчерез электрод 2,6цилиндрическая часть которого имеетдиаметр Зсм, не может превышать510 А, Однако чем больше ток, тембольше магнитное давление и выше сжатие, Представляется возможным увеличить7 45ток до 1 0 А, если применить электрод 2диаметром 10 см. Возможны тогда дваваоианта. Электрод 1 имеет тонкую стенку. При большом внутреннем диаметредля токаплотность его в части меж 50электродного зазора будет недостаточнадля формирования сплошной плазменнойоболочки, а в отсутствие оболочки кумуляция шнура невозможна. Электрод 1имеет толстую стенку, Взаимодействующие оболочки после выхода на его торецдвижутся навстречудруг другуе Столкноюфвение носит локальный характер, сопровождается колебаниями и неустойчивостью М 6плазменного шнура, в результате чегопродолжительность кумуляции .и областьсжимаемой плазмы невелики.Такое качественное рассмотрение показывает, что для наращивания тока вструе нельзя резко увеличить диаметрсоседнего электрода; а потому наибрлееперспективными системами являютсямногоструйные, Они позволяют применятьэлектроды с тонкими стенками, располагая их друг от друга на расстояниях,обеспечивающих возникновение в межэлектродном пространстве сплошных плазменных оболочек с токами, не раэрушаощими токоподводящие электроды. Ток вкаждой струе возрастает пропорционально диаметрам соответствующих токоподводящих электродов, причем толщина стенок такова, чтобы в момент выхода струйна торец электрода они были бы удаленыдруг от друга на расстояние не болеетолщины скин слоя,Наконец, помимо вйшеописанного одновременного сжатия центральной плазменной струи с током остальными струямиприменяют программированное сжатие, которое состоит в следующем; сжимающиеструи выпускают иэ электродов поочередно, от центра к периферии, а момент начала очередной кумуляции и ее длительность регулируют, изменяя глубину погружения торца цилиндрического электрода в ближайший внешний электрод. Каждая новая струя, осуществляющая кумуляцию,сжимает центральну 1 о струю, воздействуя на боковые поверхности струй,начинающих сжатие раньше. формула изобретенияраж 885 Под арственного комитета обретений и открытий 5, Раушская наб д. сное ССР по делам и113035, Москва, Ж 3/5 филиал ППП фПатеж, г. Ужгород, ул. Проектна 7 67го цилиндрического и охватывающего его профьлированного, состоящего из конической токоподводящей и цилиндрической ус "коряющей частей, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что применен по крайней мере один дополнительный профилированный электрод с цилиндрической ускоряющей частью, охватывающей цилиндрическую 1681 8часть профилированного электрода устройства. Источники информации,принятые во внимание при акспертиэе 1. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. М., 1963, с, 155. 2. Йойег ЪЮ Во 11 оть Р, З,РЬь 1 с о 1 РЬвйэ 11, М 3, 1068.