Устройство для транспортировки сильноточных релятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием

(19) (11) 1185 . А В 1/00 1) 4 СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗОБР ЕЛЬС АВТОРСНОМУ СВ на мишень, магнитная система выполнена в виде трехсоосных соленоидальныхкатушек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, обмотки которых включены навстречу одна другой,томная энер- а в устройство введены дополнительные .соленоидные катушки, охватывающие каждый из диодов и создающие про-.дольное по отношению к диорам магнитное поле, электроды с щелями, расположенные с внешней стороны каждогоиэ высоковольтных диодов и на внутренней стенке взрывной камеры против.каждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения,который одним полюсом подключен кэлектродам на внутренней стенкевзрывной камеры, а другим - к элек, тродам на диодах и к мишени, а генераторы релятивистских электронныхпучков расположены между сооснымисоленоидальными катушками в двухплоскостях перпендикулярных оси катушек и симметричных относительносредней катушки, и снабжены диодами .ф",)с катодами, выполненными в форме но- рвыжевых электродов. Фавй(56) Велихов Е.П. и др.гия, Вып. 1, т. 45, 1979КцйаКоу 3.1., ВаЬУ 1 с 1 пйхп 8 в ой гпе ЯечепС 1 Еагепсе оп Сопгго 11 едйпв 1 оргув 1 ев, 1.оаваппе, 1-5 Я1975, П, 172. с в 9М.Ч. Ргосиореап СопГе апд р 1 авша ргетпЬег(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХЭЛЕКТРОННЫХПУЧКОВ НА МИШЕНЬ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ С ИНЕРЦИОННЫМ УДЕРЖАНИЕМ, содержащее генераторы сильноточных релятивистских электронныхпучков, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, и взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, магнитнуюсистему, о т л и ч а ю щ е е с я темчто, с целью повышения КПД транспортировки сильноточных релятивистскихИзобретение относится к разработкам импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием на основе сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП).Известно устройство, в котором предполагается транспортировать энергию от генераторов к мишени, находящейся во взрывной камере, в форме электромагнитной энергии с помощью вакуумных линий с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ). Недостатком такого устройства является уничтожение относительно сложных и дорогостоящих участков ВЛМИ при каждом взрыве мишени, т,е. с частотой 0,1-1 Гц, что повьппает стоимость производимой энергии и выдвигает сложные технические вопросы быстрой замены поврежденных участков ВЛМИ и получения в них ваку ума .10 торр.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее генераторы сильноточных РЭП, оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами, взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена мишень, и магнитную систему в виде двух соосных соленоидальных катушек, обмотки которых включены навстречу одна другойСильноточные РЭП, генерируемые одновременно, транспортируются от модулей до мишени, расположенной на расстоянии 6-10 м, с помощью ведущего магнитного поля остроугольной геометрии, создаваемого двумя соосными соленоидными катушками, в средней плоскости между которыми расположены генераторы РЭП, Транспортировка РЭП идет вдоль экваториальной плоскости по радиусам в центральную область со слабым полем, в центре которой находится мишень.Основным недостатком известного устройства является низкий (меньше 5 ) ожидаемый КПД транспортировки РЭП на мишень при большом отношении радиуса инжекции РЭП к радиусу мишени. Недостатком данного устройства является также замедление процесса выделения энергии РЭП на мишени, т.е. падение мощности энерговыделения при увеличении размеров системы, Это связано с тем, что релятивистский электрон, не попавший в мишень при первом пролете, ушедший вдоль10 15 35 40 тродам на диодах и к мишени, а генераторы РЭП расположены между солено 45 50 55 20 25 :30 экваториальной глоскости в сторонугенераторов РЭП и отраженный обратно полем диода, может вернуться обратно к мише% только через 20-30 с(при диаметре взрывной камеры 6 м), что сравнимо с полной длительностью импульса РЭП (60 нс).Цель изобретения - повьппение КПД транспортировки сильноточных РЭП на мишень в термояцерном реакторе с инерционным удержанием. Указанная цепь достигается тем,что для транспортировки сильноточныхрелятивистских электронных пучков на мишень в термоядерном реакторе с инерционным удержанием используется устройство, содержащее генераторы РЭП,оканчивающиеся вакуумными диодами, ивзрывную камеру, заполненную газом,в центре которой расположена мишень,магнитную систему, при этом магнитная система выполнена в виде трех соосных соленоидальных катушек, расположенных на равных расстояниях однаот другой, обмотки которых включенынавстречу одна другой, дополнительные соленоидные катушки, охватывающие каждый из диодов и создающие продольное по отношению к диодам магнитное поле, электроды с щелями, расположенные с внешней стороны каждогоиз высоковольтных диодов и на внутренней стенке взрывной камеры противкаждого из диодов, внешний импульсный источник высокого напряжения,который одним полюсом подключен к электродам на внутренней стенкевзрывной камеры, а другим - к элекидальными катушками большого диаметра в двух плоскостях, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, и снабжены диодами с катодами, выполненными вформе ножевых электродов,На фиг.1 приведено предлагаемоеустройство, вертикальное сечение; на фиг.2 - то же, горизонтальное сечение,Предлагаемое устройство содержит три соосные основные соленоидные,катушки 1 с обмотками, включенными навстречу одна другой в соседних катушках, расположенных горизонтально одна над другой, вне рабочего объема взрывной камеры 2. Основные соленоидные катушки создают ведущее магнитное10085 1 О 15 20 30 35 ао 45 50 55 поле 3 с двойной остроугольной геометрией с двумя экваториальными плоскостями 4. В экваториальных плоскостях основных соленоидных катушек 1равномерно по кругу расположены дополнительные соленоидные катушки 5 сосями, направленными по радиусамвнутрь взрывной камеры 2, и создающие сильные локальные магнитные поля. Соленоидные катушки 1 и 5 размещаются одна относительно другой на таком расстоянии, чтобы обеспечить плавный переход от сильных локальных магнитных полей дополнительных катушек 5 к ведущему магнитному полю основных катушек 1, Внутри дополнительных катушек 5, в двух плоскостях (плоскостях инжекции), параллельных экваториальным плоскостям, расположены высоковольтные вакуумные диоды 6, подключенные через вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) 7 к генераторам сильноточных РЗП 8. Каждый диод 6 состоит из тонкого, плоского, протяженного катода (катодньй нож) 9, укрепленного на высоковольтном электроде ВЛМИ 10, и анода 11 из тонкой фольги, обеспечивающей прохождение через нее РЭП с малым рассеянием, Катодные ножи 9, высота которых в.несколько раз превышает величину зазора между кромкой ножа и анодом, составляют одинаковые части колец большого круга, расположенныхв плоскостях инжекции, параллельных экваториальным плоскостям 4 и смещенных от них на небольшое расстояние,превышающее толщину пучка, в сторонусредней соленондной катушки 1. Втолстых стенках взрывной камеры 2большого диаметра ( 6 м), рассчитанной на удержание мощного взрыватермоядерной мишени (мощность взрыва Ъ 1 Оф Дж), имеется ряд узких плоских отверстий 12, сквозь которые РЭП попадают в рабочий объем взрывной камеры. Взрывная камера содержит газ(воздух) при низком давлении, составляющем несколько миллиметров ртутного столба. Для создания плазменныхканалов 13 в устройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который однимполюсом подклю"чеи к входным электродам 15 со щелями, укрепленным с внешней стороныдиодов 6 и к мишени 16 с проводниками, а другим - к выходным электродамс щелями 17, расположенным на внутренней стенке взрывной камеры 2.Плазменные канапы 13 заполняют силовые трубки ведущего магнитного поля, начинающиеся на электродах 15 по обе стороны от средней катушки 1 и оканчивающиеся на мишени 6 и укреплен-, ных на ней диске и проводниках. Плазменные каналы 13 (как и инжектируемые пучки) имеют вначале вид тонких протяженных секторов, лежащих в плоскостях инжекции, сходящихся к магнитной оси, а затем в соответствии с ходом силовых линий ведущего магнитного поля они поворачивают на угол 90и пересекают плоскость симметрии уст" ройства с двух сторон. Размер области, занятой плазменными каналами 13,превышает объем, через который проходят РЭП. Щели в электродах 15 и 17обеспечивают безпрепятственное прохождение РЗП от диодов 6 в рабочийобъем взрывной камеры. В центре рабочего объема взрывной камеры, на пересечении магнитной оси и средней плоскости центральной соленоидиойкатушки 1 расположена мишень 16. Мишень представляет собой металлическую сферическую оболочку небольшого диаметра (2-3 см) с тонким металлическим диском, укрепленным на ееэкваторе, с диаметром, существеннопревышающим диаметр мишени (диаметрдиска 30-40 см), и с двумя проводниками диаметром в несколько миллиметров, отходящими от оболочки вдольмагнитной оси системы и соединяющимиее электрически с одним из полюсовимпульсного источника 14 высокого напряжения, расположенного вне .рабочего объема взрывной камеры. Вспомогательный механизм 18 служит для доставки мишени с укрепленными иа ией диском и проводниками в нужный момент времени в исходное положение. Устройство работает следующим образом.Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нужного давления. Затем пропускают номииальные токи через основные и дополни тельные соленоидные катушки. В результате возникают ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией и сильные локальйые магнИтныеполя в области расположения диодов 6.Одновременно включается вспомогательный механизм 18, доставляющий мишень16 с прикрепленными к ней проводни5 1 О 15 20 25 30 45 50 55 5 100 ками в центр взрывной камеры. После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный источник 14 высокого напряжения и осуществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры с образованием плазменных каналов 13 с высокой электрической проводимостью, необходимой для прямой транспортировки РЭП на мишень, После этих подготовительных операций, включение которых происходит с помощью автоматического программного устройства, также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов РЭП 8 (несколько десятков модулей) с разбросом, не превьппающим несколько нс при полной длительности импульсов 50-бО нс. В результате этого в диодах б происходит генерация тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом, образующих одинаковые сектора двух больших тонких дисковых пучков с просветами, распространяющихся вдоль плоскостей инжекции ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией по заранее созданным плазменным каналам 13 с высокой электрической проводимостью. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах и щели в электродах 15, укрепленных на внешней стороне диодове силь,ноточные РЭП транспортируются вдоль : силовых линий ведущего магнитного поля по плазменным каналам к центральной области взрывной камеры. Благодаря смещению плоскости инжекции верхнего ряда диодов в сторону центральной катушки верхние пучки распространяются вдоль силовых линий ведущего магнитного поля вниз в сторону мишени, а нижние пучки благодаря смещению нижней плоскости инжекции вверх в сторону центральной катушки распространяются вдоль силовых линий вверх в сторону мишени. Таким образом, мишень облучается с двух противоположных сторон. Так как РЭП распространяется внутри плазменных каналов, то, во-первых, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а во-вторых, благодаря высокой электрической проводимости плазмы в каналах, в них возбуждаются обратные токи, текущие навстречу основным токам РЭП и приблизительно равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных полей РЭП, Это дает хорошую (близкую к 1185 6 1003) транспортировку энергии РЭП к центральной области взрывной камеры, Высокая степень компенсации прямых токов РЭП обратными токами обеспечивает отсутствие самозапирания пучков, которое возникает при наличии больших собственных магнитных полей,В центральной области (после поворота силовых линий ведущего магнитного поля на 90 О) осуществляется заключительная фаза транспортировки РЭП, а именно самофокусировка сильноточных РЭП на мишень, благодаря использованию фокусирующего действия остаточных собственных магнитных полей РЭП, нескомпенсированных обратными токами, текущими по плазменным каналам, В этой области транспортировки происходит как бы срыв релятивистских электронов с силовых линий ведущего магнитного поля с помощью собственного нескомпенсированного магнитно - . го поля РЭП иканалирование ихна мишень .Таким образом, транспортировка тонких сильноточных РЭП с малым начальным эмиттансом вначале происходит вдоль ведущего магнитного поля, вдоль двух плоскостей инжекции, по радиально сходящимся магнитным силовым линиям, а затем после поворота силовых линий на 90 РЭП начинаюто распространяться параллельно магнитной оси на мишень с двух противоположных сторон. В этой области (самофокусировки РЭП на мишень) собственное нескомпенсированное магнитноеполе РЭП сравнивается с внешним ведущим магнитным полем по величине, а по мере фокусировки пучков и прибли 40 жения их к мишени все более превьппает его. Поэтому в этой области проявляется в полную меру фокусирующеедействие нескомпенсированного собственного магнитного поля РЭП и происходит прямая самофокусировка РЭП на мишень, Разностный ток, представляющий собой разность прямого и обратного токов РЭП, стекает с мишени по проводникам, с помощью которых мишень подключается к заземленному полюсу источника высокого напряжения.Таким образом, с помощью предлагаемого устройства можно подвести к мишени диаметром 2 см, расположенной в центре взрывной камеры, с расстояния 3,5 м необходимую для поджига импчльсной термоядерной реакции полную электрическую мощность - 10 Втпри полной энергии - 5 РДж и КПД,близком к 1002.-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная,роизводс Тираж 39 ВИИИПИ Государ по делам из 113035, Москва