Устройство для поджига импульсной термоядерной реакции с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 9) (11) 298807 А 1 21 В 1 00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ им- нер- ьзо- нерГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР1001185, кл. 6 21 В 1/00, 1981.Бабыкин М. В. и др. Инерционный термоядерный синтез на основе сильноточных генераторов РЭП. - Физика плазмы, 1982, т. 8, вып. 5, с. 901 - 914.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЖИГА ИМПУЛЬСНОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ С ПОМОЩЪЮ СИЛЬНОТОЧНЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ(57) Изобретение касается разработок пульсных термоядерных реакторов с и ционным удержанием на основе испол вания в качестве драйвера (носителя э гни) сильноточных релятивистских элект ных пучков (РЭП). Цель изобретения -1298807 10 15 20 25 30 личение удельного энерговклада РЭП во внешнюю поглощающую оболочку термоядерной мишени для достижения условий, необходимых для поджига импульсной термо ядерной реакции. В устройстве осуществляется транспортировка и фокусировка сильноточных дисковых РЭП, генерируемых двумя кольцевыми высоковольтными диодами 4 с ножевыми катодами, с помощью внешнего ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией и магнитного поля пробочной конфигурации на мишень 10, расположенную на общей магнитной оси в плоскости симметрии устройства. Кольцевые диоды 4 расположены в двух экваториальных плоскостях ведущего магнитного поля, создаваемого с помощью трех основных соленоидных катушек 1, а мишень 10 окружена соле ноидной катушкой 11, создающей поле пробочной конфигурации. Тол 1Изобретение касается разработок импульсных термоядерных реакторов с инерционным удержанием с помощью сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП).Цель изобретения - увеличение удельного энерговклада РЭП в термоядерную мишень.На фиг. 1 приведено предлагаемое устройство, вертикальное сечение; на фиг. 2 - то же, горизонтальное сечение; на фиг. 3 -высоковольтный вакуумный диод с дополнительными катушками; на фиг. 4 - мишенный узел (вариант конической мишени).Предлагаемое устройство содержит три основные соосные соленоидные катушки 1 с обмотками, включенными навстречу друг другу в соседних катушках, расположенные горизонтально друг над другом, вне рабочего объема взрывной камеры 2. Основные соленоидные катушки создают ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией с двумя экваториальными плоскостями. Между основными катушками 1 симметрично экваториальным плоскостям и соосно с главной осью магнитной системы расположены две пары дополнительных кольцевых соленоидных катушек 3, создающих сильные магнитные локальные поля в районе расположения кольцевых диодов того же направления, что и основное ведущее магнитное поле (щелевые пробки). Дополнительные катушки 3 имеют средний диаметр такой же, как и у основных катушек 1. В зазорах, образованных каждой парой дополнительных катушек 3, расположено по одному высоковольтному вакуумному кольщина поглощающей оболочки мишени 10 составляет 1/30 - 1/20 длины пробега электронов исходной энергии в материале оболочки. Рост удельного энерговклада РЭП по внешнюю оболочку мишени достигается в результате удлинения пути электронов в ней до их полного торможения, благодаря движению электронов по ларморовской спирали в магнитной пробке, наклону поверхности оболочки, имеющей сферическую или коническую форму, к направлению силовых линий магнитного поля и из-за многократных проходов электронов через оболочку вследствие отражения их электрическим полем высоковольтных диодов 4, между которыми расположена мишень 10, Возможно использование устройства для создания мощных импульсных генераторов нейтронного и тормозного рентгеновского излучений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. цевому диоду 4, подключенному через вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (ВЛМИ) 5 к генераторам 6 сильно- точных РЭП.Каждый диод 4 состоит из тонкого кольцевого ножевого катода 7, укрепленного на вы. соковольтных электродах нескольких ВЛМИ 8, расположенных симметрично по кругу, и анода 9 из тонкой фольги или металлизированной полимерной пленки, закрывающей вакуумно плотно щель в цилиндрической части корпуса диода 4 и обеспечивающей прохождение через него релятивистского электронного пучка,Вакуум в диодах в ВЛМИ должен поддерживаться на уровне 10 мм рт. с. Диоды 4 расположены на равных расстояниях относительно главной плоскости симметрии магнитной системы, причем кольцевые ножевые катоды 7 диодов 4, определяющие положение центральных плоскостей инжекции РЭП, смещены в сторону главной плоскости симметрии устройства от экваториальных плоскостей на величину, равную половине толщины генерируемого электронного пучка (Ь/2),Радиус кольцевых диодов 4 выбирают так, чтобы ускоряющий зазор, образованный ножевым катодом 7 и анодом 9, находился в области максимума магнитного поля щелевой пробки, а ширина катодного кольца должна быть много больше величины ускоряющего зазора (при зазоре 0,5 см ширина кольца должна быть - 5 см). Внутри средней основной соленоидной катушки 1, соосно с ней и симметрично относительно еесредней плоскости, расположена мишень 10,которую охватывает соленоидная катушка 11 с токоподводами 12, создающая магнитное поле пробочной конфигурации. Внутренний диаметр соленоидной катушки 11 незначительно превышает диаметр мишени 10 (например, в 1,5 раза), а ее продольный размер должен обеспечивать достаточно плавноесопряжение силовых линий основного ведущего магнитного поля, создаваемого катушками 1, с магнитным полем пробки (длина про- О бочной катушки 11 должна в 4 - 5 раз превышать ее внутренний диаметр). Внешний диаметр катушки 11 определяется ее конструкцией, которая должна обеспечить создание в объеме - 300 - 400 см магнитного поля с напряженностью300 кГс в режиме однократного ее использования.Мишень представляет собой тонкую сферическую оболочку, толщина которои не превышает - 1- -- г- длиныч37 Г Нпробега электронов исходной энергии в материале оболочки из твердого вещества с наружным проводящим слоем. Мишень может быть выполнена также в виде двух усеченных полых конусов, соединенных большими основаниями. Мишень 10 спомощью тонких проводящих нитей или тонкого металлического диска 13 крепится к металлическому корпусу катушки 11 так, что ось вращения мишени совпадает с главной осью магнитной системы, а плоскость ее симметрии - с главной плоскостью симметрии. Мишень 10 через корпус катушки 11 и токоподводы 12 электрически соединяется с заземленным корпусом взрывной камеры 2. В толстых защитных стенках взрывной камеры 2, рассчитанных на удержание взрыва термоядерной мишени (мощность взрыва "10" Дж), имеются две кольцевые щели, сквозь которые РЭП попадают в рабочий объем взрывной камеры. Взрывная камера заполняется газом (воздухом) при низком давлении, составляющем несколько мм рт. ст.Для создания плазменных каналов в уст ройство введен импульсный источник 14 высокого напряжения, который одним полюсом подключен к тонким фольговым электродам 15, укрепленным с помощью изоляторов 16 на внутренней стенке взрывной камеры 2 и закрывающим кольцевые щели в ией, а другим - к заземленным анодам 9 вакуумных диодов 4 и мишени 10. Плазменные каналы заполняют силовые трубки ведущего магнитного поля по обе стороны от фольговых электродов 15 и простираются от анодов 9 вакуумных диодов до мишени 1 О. Плазменные каналы, также как и инжектируемые пучки, имеют вначале, в области между анодами 9 и электродами 15, вид тонких дисков, сходящихся в направлении магнитной оси и расширяющихся за фольговыми электродами 15, в соответствии с хо 20 25 30 35 40 45 50 55 дом силовых линий ведущего поля, затем они поворачивают на угол 90 и в районе мишени 10 под действием поля пробочной катушки 1 сходятся в -.узкую цилиндрическую область с диаметром, превышакнцим диаметр мишени. Фольговые электроды 15 обеспечивают беспрепятственное прохождение РЭП от диодов 4 на мишень 1 О без существенного рассеяния по углу и заметных потерь энергии. Вспомогательный механизм 17 служит для доставки мишенного узла, т.е. мишени 10 вместе с пробочной соленоидной катушкой 11 в нужный момент времени в рабочее положение.Устройство работает следующим образом.Вначале заполняют рабочий объем взрывной камеры 2 газом до нужного давления. Затем пропускают токи номинальной величины через основные 1 и дополнительные 3 соленоидные катушки. В результате этого возникает ведущее магнитное поле с двойной остроугольной геометрией и сильные локальные поля в области расположения диодов. Одновременно включается вспомогательный механизм 1, доставляющий мишенный узел в центр взрывной камеры, и возбуждается магнитное поле пробочной катушки 11 с помощью токоподводов 12. После этого за несколько микросекунд до генерации РЭП включают импульсный источник 14 высокого напряжения и осуществляют электрический пробой газа в рабочем объеме взрывной камеры 2 с образованием плазменных каналов, обладающих высокой электрической проводимостью, необходимой для прямой, высокоэффективной транспортировки РЭВ на мишень 10. После этих подготовительных операций, включение которых происходит с помощью автоматического программного устройства (не показано),также автоматически производится одновременный пуск всех генераторов 6 РЭВ с разбросом, не превышающим несколько нс, при полной длительности импульса - "80 - 90 нс. В результате этого в диодах 4 происходит генерация двух тонких дисковых сильноточных РЭП с относительно небольшим угловым разбросом электронов, определяемым соотношением собственного магнитного поля пучка и внешнего магнитного поля в области генерации РЭП (д 8 с = Н/На(, где Н - собственное магнитное поле пучка; Не внешнее магнитное поле).Сильноточные дисковые РЭП транспортируются вначале вдоль плоскостей инжекции с помощью ведущего магнитного поля с двойной остроугольной геометрией по заранее созданным плазменным каналам. Пройдя тонкие анодные фольги в диодах 4 и фольговые электроды 5, сильноточные РЭП транспортируются к центральной области взрывной камеры 2, где расположена мишень 10. Благодаря небольшому смещению плоскости инжекции верхнего кольцевого диода 4 вниз в сторону центральной катушки 1, 1298807равному Ь/2, верхний дисковый пучок распространяется вдоль силовых линий магнитного поля вниз, в сторону мишени 10, а нижний дисковый пучок благодаря аналогичному небольшому смещению плоскости инжекции вверх, в сторону центральной катушки 1, распространяется вверх, в сторону мишени 10. Таким образом, оболочка мишени облучается с двух противоположных сторон. Так как РЭП распространяется внутри плазменнных каналов, нейтрализуется объемный заряд РЭП, а благодаря высокой электрической проводимости плазмы в каналах в них генерируются обратные токи, текущие навстречу основным токам РЭП, приблизительно равные им по величине, что приводит к почти полной компенсации собственных магнитных полей РЭП в области транспортировки. Это создает условия для транспортировки РЭП в центральной области взрывной камеры 2 с КПД, близким к 100 О/О.Высокая степень компенсации прямых токов РЭП (до 99 О/о) обеспечивает отсутствие самозапирания пучков, которое возникает при наличии больших собственных магнитных полей.В центральной части устройства, после поворота силовых линий на 90, электроны распространяются параллельно главной магнитной оси и далее фокусируются с помощью сильного магнитного поля пробочной катушки 11 на мишень 10. Для достижения вы. сокого КПД транспортировки и фокусировки РЭП на мишень, близкого к 100/о, радиус кольцевого катода и радиус мишени определяют из соотношений, приведенных в формуле изобретения, в которых ток дискового РЭП одного кольцевого диода 1 и его толщина Ьрассчитываются,Для увеличения удельного энерговклада РЭП в мишень в предлагаемом устройстве осуществляют эффективное поглощение энергии РЭП, близкое к 100 О/О, в оболочке мишени, толщина которой уменьшена в 20 - 30 раз по сравнению с длиной пробега электронов 1, в материале оболочки. Это становится возможным благодаря соответствующему увеличению длины пути, проходимому в среднем каждым электроном в такой оболочке до полного торможения в ней. Увеличение длины пути электрона в тонкой оболочке достигается за счет движения электронов по ларморовской спирали в мишени, находящейся в магнитной пробке, наклона поверхности оболочки, имеющей сферическую или коническую форму, к направлению силовых линий магнитного поля многократных проходов электронов через оболочку вследствие отражения их электрическим полем высоковольтных диодов, между которыми расположена мишень,Формула изобретения. Устройство для поджига импульснойтермоядерной реакции с помощью сильно точных релятивистских электронных пучков,содержащее генераторы релятивистских электронных пучков (РЭП), оканчивающиеся высоковольтными вакуумными диодами с ножевыми катодами, взрывную камеру, заполненную газом, в центре которой расположена термоядерная мишень, магнитную систему, выполненную в виде трех основных соосных соленоидных катушек, расположенных на равных расстояниях друг от друга, обмотки которых включены навстре чу друг другу, и дополнительных соленоидных катушек, внешний импульсный источник напряжения, который одним полюсом подключен к электродам, укрепленным на внутренней стенке взрывной камеры, а другим - к заземленным анодам высоковольтных 20 вакуумных диодов и мишени, высоковольтные вакуумные диоды, расположенные между основными соленоидными катушками в двух плоскостях, перпендикулярных оси катушек и симметричных относительно средней катушки, отличающееся тем, что, с целью уве.личения удельного энерговклада РЭП в мишень, в устройство введена соленоидная катушка, создающая магнитное поле пробоч.ной конфигурации, расположенная вокруг мишени внутри средней основной соленоид ной катушки, соосно с ней и симметрично относительно ее центральной плоскости, высоковольтные вакуумные диоды выполнены кольцевыми; дополнительные соленоидные катушки расположены попарно по обе стороны от высоковольтных вакуумных диодов с обмотками, включенными так же, как и обмотки соседних основных катушек, причем радиус кольцевого ножевого катода диода и радиус мишени определяют из соотношений:40 Кк)см, Км = - дсм,011 1 с - 1 Кк К где 1 - ток одного кольцевого диода, А;К:.Ъа - пробочное отношение;Ивк45 Н - напряженность внешнего магнитногополя в области осевой пробки, гдерасположена мишень, Гс;11 - напряженность внешнего магнитногополя в области ускоряющего зазорадиода, Гс;Я-толщина дискового РЭП на анодедиода, см,а толщина внешней поглощающей оболочкитермоядерной мишени составляет - -1 Зо адлины пробега электронов исходной энер 55 гии в материале оболочки.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем,что мишень выполнена в виде двух полых1298807 К усеченных конусов, соединенных своими большими основаниями, и расположена так, что ось вращения мишени совпадает с глацной магнитной осью устройства, а поперечный размер мишени равен радиусу большого основания конусов.1298807 Фиг. 3 И ОС Фи Редактор Н. ТупицаЗаказ 752/54ВНИИПИ Государственного13035, МосквПроизводственно-полиграфи Центр, пи симмеври Составитель В. Чуянов Тех ред И. Верес Тираж 395омитета СССР по делам из Ж - 35, Раушская наб.,еское предприятие, г. Ужго Корректор О. ЛуговаяПодписное бретений и открытий д. 4/5 од, ул. Проектная, 4 с2: КОО