Способ удержания и нагрева плазмы и устройство для его реализации

,13ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН ПАТЕНТУИЬЛ 11," :", р ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) ГА Текнолоджиз Инк (ПЯ) (72) Тахиро Окава (ЛР)(56) Муховатов В.С, Токамаки. - Итоги науки и техники. Сер. "Физика плазмы", т.1, ч,1, - М., 1980, с.6-118. (АН СССР).Огоапг Б. Кечегзей - Г 1 еИ р 1 псЬ (КРК) СопГЦигаг 1 оп. - Вис 1 еаг Епздоп, чо 1. 19, Мф 4, 1979, р.535,(54) СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ И НАГРЕВАПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ,(57) 1. Способ удержания и нагреваплазмы, включающий создание плазмыв осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока,приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с помощью системы обмоток, спиральнонамотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условиюизменения знаказапаса устойчивости на обратный по радиусу плазменного шнура, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышениятемпературы плазмы путем снижениявзаимодействия плазмы со стенкой,внешнее магнитное поле создают спирального типа пропусканием токовчерез систему первых и вторых спиральньх обмоток, намотанных в одномнаправлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительнодругой вдоль оси камеры, при этомтоки в первых и вторых обмоткахпротивоположны по направлению, авеличины токов в обмотках и токаплазменного шнура выбирают из условия/1 в пределах плазменногошнура.1217269 2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и Й с я тем, что токи в спиральных обмотках создают равнымипо величине.3, Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что накладываютвнешнее продольное магнитное поле,4, Способ по п.3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что внешнее магнитное поле создают совпадающим понаправлению с током в плазменномшнуре,5, Способ по п.3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что продольное магнитное поле создают изменением соотношения токов в спиральных обмотках.б. Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что величину спирального и продольного магнитныхполей выбирают так, что сепаратрисамагнитного поля занимает положение внутри камеры,7, Способ по п,6, о т л и ч а ющ и й с я тем, что ток в шнуре изменяют до тех пор, пока сепаратриса магнитного поля не займет положение внутри камеры.Я, Устройство для удержания и нагрева плазмы, содержащее осесимметричную камеру, средства для соэ" дания плазмы и поддержания в ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано при разработке термоядерных реакторов.Известны способы удержания и нагрева плазмы, включающие создание,удержание и нагрев плазмы в закрытых магнитных ловушках с помощьювнешних магнитных систем, созданиев плазме токов, достаточных для нагрева и удержания плазмы внешнимии собственными полями.К числу устройств, реализующихизвестные способы относятся устройство управляемого термоядерногосинтеза с тороидальными камерамитокамак, стелларатор и я-пинпобратным полем,по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере, о тл и ч а ю щ е е с ятем, что система обмоток содержит первые ивторые спиральные обмотки, намотайные в одном направлении с равнымшагом и одинаково смещенные однаотносительно другой вдоль оси камеры, и введены средства поддержанияв указанных обмотках противоположно направленных токов. 9. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в неговведено средство независимого поддержания токов в первых и вторыхспиральных обмотках.10. Устройство по п,8, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что обмотки9намотаны под углом 45 по отношению к оси камеры,11Устройство по п.8, о т л и -ч а ю ш е е с я тем, что оно содержит две первых и две вторых спиральных обмотки,12 Устройство по п.8, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что оно содержит три первых и три вторых спи ральных обмотки,13. Устройство по п.8, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что камеравыполнена тороидальной конфигураци е В токамаках ток тороидальнойплазмы создается трансформатором,в качестве вторичной обмотки которого служит удерживаемый в торо идальной камере газ, а в качествепервичной - центральный соленоид.Во время возникновения нли эатуканин магнитного поля, наведенноготоком в соленоиде, возникает то роидальное электрическое поле,ионизирующее газ и создающее плазменный ток вокруг тока. Пинч-эффект,возникающий вследствие пропущенного тока, заставляет заряженные 15 частицы плазмы стремиться к центрутока плазмы, Однако ток плазмы сампо себе нестабилен и некоторая часть.плазмы касается удерживающего резервуара, что приводит к охлаждению плазмы и затруднению любой реакции. Исходя из этихсоображений токамак имеет также тороидальную обмотку возбуждения,расположенную вокруг удерживающего резервуара с целью созданиячрезвычайно сильного тороидальногомагнитного поля, Взаимодействиетороидального магнитного поля сполоидальным магнитным полем, созданным током плазмы, приводит к относительно стабильному удержаниюплазмы,В стеллараторах удержание плазмы осуществляют посредством магнитных полей, создаваемых внешними обмотками, не полагаясь на токплазмы. В стеллараторах тороидальная обмотка возбуждения, такая жекак в токамаке, наводит относительно сильное тороидальное магнитноеполе, в котором создается плазма.В дополнение к тороидальному магнитному полю обмотками, спиральнорасположенными вокруг тороидального удерживающего резервуара,создается спиральное поле, Комбинация тороидального поля со спираль.ным магнитным полем порождает суммарное скрученное магнитное поле,обеспечивающее относительную стабильность плазменного устройства,Трудностью в стеллараторах является проблема создания плазмы вустройствах значительного размераи обеспечения требующегося оченьсильного магнитйого поля. 12 Наиболее близким к предлагаемому является способ удержания и нагрева плазмы, включающий создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного поля с. помощью системы обмоток, спиральна намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения запаса устойчивости а на обратный между границей плазменного шнура и стенкой камеры.Этот способ реализуется в известном устройстве управляемого термоядерного синтеза, содержащем осесимметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в1726941 ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних поотношению к плазме магнитных полей,намотанных на камере.Известный способ сводится к удержанию плазмы захватом тороидальногополя в шнуре и наведением тороидального поля, изменяющего свой знакпри переходе от шнура к стенке ка меры на обратный, Известное устройство содержит внешние обмотки,которые совместно с током шнурасоздают полоидальные и тороидальныеполя, близкие по величине, а тороидальное поле меняет в наружнойобласти плазмы свой знак на обратный еВсе названные устройства имеютобщие черты, и все они должны иметьнеобходимое значение запаса устойчивости о, определяемого как средняя длина, пройденняя в тороидальном направлении на единичный полоидальный угол вращения линий маг нитного поля на поверхности потока, отнесенная к главному радиусутора:с 1 г/39Ч = )К30где г - пройденное расстояние в тороидальном направлении;8 - полоидальный угол перемещения;К - главный радиус тора.Поверхность потока определяетсякак поверхность, на которой плот ность магнитного потока не имеетнормальной к ней составляющей. Если г - малый радиус тора то усЭловие МГД устойчивости имеет видЧ Ф 1; (1)4 Я/4 г Ф О,(2)(г 3 а45 Величина, - - должна быть досс дгтаточка большой, чтобы удовлетворятькритерию Мерсье, Устройства типатокамак и те стеллараторные устройства, в которых наблюдается значи тельный плазменный ток, в основномудовлетворяют условию (1) посредством работы при (А 1 по всей плазме.Напротив, устройства типа а-пинча собратньщ полем работает при ц 1 с 1по всей плазме. Существенно большаяг 4(величина ( - - (, подразумевающая1 дг 1значительный шир, получается в пин 12172 б 9че с обратным полем путем изменения знака и на обратный на границе плазмы по радиусу плазменного шнура, В случае пинча с обратным полем поверхности потока осесимметричны, а ц выражается через тороидальное магнитное поле В полоидальное магнйтное поле В, главный радиус тора К и малый радиус тора г совершенно аналогично тому, как это имеет место для круговоготокамака:В т(3)В ЕТак как В направлено всюду одинаково, измейение знака и может быть получено только за счет изменения направления В . В пинче с обратным полем условие инверсии знака о может быть выполнено в течение короткого времени, так как нужная конфигурация поля поддерживается в известном устройстве только в присутствии полоидальных токов в плазме, которые быстро распадаются а магнитное удержание шнура при этом быстро становится неэффективным.Цель изобретения - повышение температуры плазмы путем снижения взаимодействия плазмы со стенкой.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу удержания и нагрева плазмы, включающему создание плазмы в осесимметричной камере, поддержание в ней импульсного осевого тока, приводящего к пинчеванию плазмы в шнур, протяженный вдоль оси камеры, и создание внешнего по отношению к плазме магнитного ноля с помощью системы обмоток, спирально намотанных на камеру, при этом внешнее магнитное поле отвечает условию изменения запаса устойчивости ц на обратный между границей плазменного шнура и стенкой камеры, внешнее магнитное поле создают спирального тина пропусканием токов через систему первых и вторых спиральных обмоток, намотанных в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенных одна относительно другой вдоль оси камеры, при этом токи в первых и вторых обмотках противоположны по направлению, а величины токов в обмотках и тока плазменного шнура выбирают из условия А 1 в пределах плазменного шнура,Кроме того, по зависимым признакам токи в спиральных обмотках могут быть равны по величине, может быть наложено продольное магнитное поле, в том числе совпадающее понаправлению с током в плазменном шнуре, Указанное поле может бытьсоздано изменением соотношения токов в спиральных обмотках, величину спирального и продольного магнитных полей выбирают так, что сепаратрисамагнитного поля находится внутрикамеры, причем ее положение могутзадавать изменением тока в шнуре,Для реализации предлагаемого 211 способа в устройстве, содержащем осесимметричную камеру, средства для создания плазмы и поддержания в ней импульсного осевого тока и систему обмоток для создания внешних по отношению к плазме магнитных полей, намотанных на камере, система обмоток содержит первые и вторые спиральные обмотки, намотанные в одном направлении с равным шагом и одинаково смещенные одна относительно другой вдоль оси камеры, и введены средства поддержания в указанных обмотках противоположно направленных токов.Устройство может быть снабженосредством независимого поддержания токов в первых и вторых спиральных обмотках, которых может быть по две или три. Обмотки могут быть намотаны под углом 45 к осиакамеры, а сама камера выполнена тороидальной конфигурации.На фиг.1 показано устройствоуправляемого термоядерного синтеза, реализующего предлагаемый способ, общий вид; на фиг.2 - то же, сечение вдоль главной оси тора; нафиг.З - пример выполнения спиральных обмоток; на фиг.4 - устройство, вид сверху; на фиг,5 - разрез А-А на фиг,4; на фиг.б представлена зависимость составляющих плотностей тока , 1 , магнитного поля В, В и запаса безопасности и от безразмерного радиуса г/г ; наофиг,7 - графическая иллюстрация поверхностей магнитного потока на двух частных радиусах предлагаемого устройства; на фиг,8 - упрощенная45 50 55 схема устройства, показанного на фиг.2,Устройство (фиг,1 и 2) содержит тороидальную камеру 1, содержащую соответствующий газ при заданном низком давлении. Первая стенка 2 камеры выполнена из тонкостенной нержавеющей стали, что способствует быстрому проникновению тороидального электрического поля и возникновению тока плазмы. Стенка 2 расположена внутри тороидальной оболочки 3, выполненной из относительно толстого медного листа, образующего тороидальную полость 4. Последняя вакуумируется через трубки 5 и коллектор б посредством вакуумного насоса (не показан). Камера 1 вакуумируется через трубки 7 и коллектор 8 этим же вакуумным насосом. Оболочка 3 (фиг.4 и 5) имеет керамическую перемычку 9, служащую для прерывания тороидальной проводящей траектории вокруг оболочки 3. Проводимость стенки 2 достаточно мала по отношению к проводимости плазмы с целью уменьшения потерь энергии. Таким образом, магнитное поле может быстро проникать в проводящую оболочку 3 благодаря керамической перемычке 9, и проникать сквозь стенку 2,так как она относительно тонка и имеет меньшую проводимость, чем материал, из которого изготовлена оболочка 3. В то же время стенка 2 создает электрический мостик поперек керамической перемычки 9, а проводящая оболочка 3 способствует стабилизации плазмы.Как в случае устройств типа токамак, ток плазмы создается тороидальным электрическим полем, наведенным соленоидной обмоткой 10, расположенной аксиально с главной осью тороидальной камеры 1 и внутри тора. Тороидальное электрическое поле создается при включении соленоидной обмотки 10 и дополнительных витков 11, введенных для направления полоидального потока за пределами стенки 2. Соленоидная обмотка 10 и дополнительные витки 11 запитываются обычным путем от источника энергии (не показан), причем изменение электрического тока в обмотке 10 вызывает изменение магнитного потока, связывающего оди 1 О 15 20 25 30 35 40 ночный виток, образованный стенкой 2, Изменение потока вызывает образование тока плазмы в обьеме камеры 1.Множество первых спиральных обмоток 12 намотано на каркас 13. окружающий оболочку 3, Первые обмотки (фиг,2) равномерно расположены вокруг малой окружности каркаса 13, который может быть выполнен из двух половин, соединенных вместе болтами, Множество вторых спиральных обмоток 14 намотано на каркас 13 практически между соответствующими витками первых обмоток. Каждая из обмоток 12 и 14 может быть образована множеством проводников 15, которые могут иметь прямоугольное поперечное сечение и изолированы один от другогоПроводники 15 могут иметь центральные каналы 16 для циркуляции хладагента с целью охлаждения проводниковПервая и вторая обмотки 12 и 14 выглядят спиральными, хотя они не образуют настоящие спирали в смысле намотки их на круглые цилиндры, Обмотки 12 и 14 намотаны одинаково так, что первые обмотки после полного оборота вокруг тора соединяются с первыми обмотками, а вторые - с вторыми. При этом образуются непрерывные обмотки на всем пути при обходе вокруг главной оси тора. Число витков обмоток должно быть целым или целым + 1/2 витка. В последнем случае одна первая обмотка при первом обходе переходит в другую первую обмотку при втором обходе тора. То же самое справедливо для вторых обмоток 14. Первые обмотки 12 запитываются от источника 17 постоянного тока, а вторые обмотки 14 - от источника 18 постоянного .тока. Источники 17 и 18 постоянного тока имеют противоположную полярность, так что через соответствующие первую и вторую обмотки ток идет в противоположных направлениях. Такие токи обеспечивают спиральное магнитное поле с устойчивыи состоянием в ебъеме камеры 1 суммирующееся с полоидальным магнитным потоком, наведенным током плазмы.Спиральные обмотки 12 и 14 предпочтительно намотаны с таким12172 1 О 20 шагом, что обеспечиваются относительно малые межвитковые сиЛы ихорошая стабильность плазмы, Уголоколо 45 по отношению к малой осиьтора наиболее приемлем.Как показано на фиг.1-3, могутбыть намотаны две первые обмоткии две вторые обмотки, расположенные вокруг малой окружности тора.Три таких обмотки также могут бытьиспользованы для более полного заполнения камеры плазмой, обладающейменьшей стабильностью. При некоторых условиях может быть большее число обмоток. Источники питания могутбыть подсоединены так, что токчерез первые обмотки может быть равен или немного больше тока черезвторые обмотки, в то время как чистотороидальное магнитное поле создается спиральными обмотками 12 и 14.Общий ток во вторых обмотках 14сравнивается по величине с половиной тока плазмы,Дополнительные витки 11 могутбыть задействованы для созданиявертикального магнитного поля вплазме с целью уравновешивания действия кольцевой силы, старающейсярасширить плазму по большому радиусу или для настройки равновеснойплазмы на лучшую стабильность,Устройство может иметь смотровыеотверстия.Устройство работает следующимобразом.Ток плазмы, генерируемый привключении соленоидной обмотки 10 идополнительных витков 11, достигаетмаксимума порядка 40 кА при амплитуде магнитного потока около 0,3 Вбспри времени возрастания около 10 мс.Для достижеиИя отношения 1 давленияплазмы к давлению магнитного поляоколо О, 1 при сохранении хорошей стабильности, типичная температура Тплазмы должна быть около 100 эВпри плотности и порядка 10 1/см9плотности магнитного потока В порядка 1 кГс, времени удержания энергии ь около 03 мс и длительностиимпульса о порядка 30 мс. Общийток в первых обмотках около 20 кА,а во вторых обмотках тоже около20 кА. Отношение среднего радиуса гтока плазмы к среднему радиусу обмоток г составляет порядка 0,75.При таких условиях определены качественно равновесные профили оп 69 10ределенных параметров фиг. 6), указанные равновесные профили показаны в условных единицах).Связи между различными параметрами системы и их влияние на работу системы сложны и зависят от многих факторов. Кривые на фиг,6 получены на основе определенных параметров, которые были выбраны произвольно. Для показанных кривых аспектное отношение, являющееся отношением большого радиуса тора к меньшему, велико. Более конкретно показанные параметры следунлцие: 3 - плотностьгтока в направлении малой оси тора;- плотность тока в направленииОвокруг малой оси; В - плотность магнитного потока в направлении малой оси; Вц - запас устойчивости,отнесенный к В и шагу линий магнитного поля, как определено ранее 1,1). Параметр ггз - отношение координаты малого радиуса к малому радиусу сепаратрисы причем это отношение оцеУонено при угле 45 к оси Х/гз на фиг.7, где показаны также поверхности С и 0 магнитного потока, генериуемого при этих условиях в точках А и В на фиг.6. Условием табильности является прохождение о через ноль.Анализ стабильности плазмы при реализации предлагаемого способа затруднен, так как описание, становится очень сложным для определенных конфигураций. Для достижения изме- ненного эффекта, например, желательно работать с высоким аспектным отношением. В таких случаях тороидальными эффектами можно пренебречь и ограничиться цилиндрической аппроксимацией, Критерий МГД устойчивости Мерсье в этом случае может иметь вид критерия Сайдама: 1 41 па2 14 Р- -( - ) + -- ;о,4 г 31 пг г В 3 гШнуры могут быть сделаны стабильнымипутем профилирования В и и, Внешняя часть плазмы стабилизируетсявысоким широм и малымпо отношениюк осевому полю, Внутренняя частьплазмы стабильна, когда в ней имеется распределение давления. В этихконфигурациях осевое поле реверсируется т.е, имеется нулевая точка 55 осевого поля в плазме. Профиль распределения параметров должен поддерживаться для обеспечения стабильности в течение всего разряда. Этопредставляет одну из трудностей реализации пинча с обратным полем.Обьясняя с физической точки зрения конструкцию на фиг,1-5 и кривые на фиг,б и 7, можно заключить, что скрученное магнитное поле, порожденное током плазмы, и спиральное магнитное поле, созданное посредством обмоток 12 и 14, приводит к созданию поверхностей магнитного потока, причем запас устойчивости о имеет существенный спад характеристики и монотонно падает, изменяя знак, около внешней границы плазмы.При равенстве токов в спиральных обмотках В отсутствует, кроме наведенного полоидальными токами плазмы. Однако, средняя величина В на поверхности потока может быть не равна нулю, что видно из фиг,8, которая является упрощением фиг.2, Обмотки 12 и 14 представлены одиночными проводниками. Пунктирные линии 19 и 20 разделяют, пространство в камере 1 на квадранты 1 - 1 Ч, На этих линиях тороидальное магнитное поле равно нулю, В квадрантах 1 и 111 тороидальное поле создается первыми обмотками 12 и направлено иэ плоскости, показанной на фиг.8. В . квадрантах П и 11 тороидальное поле направлено в противоположном направлении. Тороидальное поле, усредненное по круговой петле 21, равно нулю. Если круг вытягивается в эллипс 22, то тороидальное поле, усредненное по петле, не равно нулю. Для петли 22 траектория длиннее в квадрантах 1 и И и короче в квадрантах 11 и 1 Ч . Траектория также ближе к первым обмоткам 12 в квадрантах 1 и П 1, где тороидальное поле сильнее, и дальше от вторых обмоток 14 в квадрантах 11 и 11 в ослабленном тороидальном поле. Как избыточная длина, так и большое поле создают ситуацию, когда усиление средней величины делает квадранты 1 и 111 доминирующими, Этим создается среднее тороидальное50,время удержания и температуру плазмы,О 15 20 25 30 35 40 45 поле на петле 22 направленной иэ плоскости на фиг,8. Около центра плазмы чисто тороидальное поле генерируется полоидальным током плазмы. В точке около границы плазмы эффект сохранения полоидального тока плазмы относительно много слабее и может быть перевешен действием тороидального поля. Это приводит к изменению знака о при сбалансированных обмотках, когда приложены соответствующие токи и поля соответствующей полярности.Предлагаемое устройство коренным образом отличается и по принципу работы, и по конструкции от известных, что было показано на примерах токамаков, стеллараторов и устройств плазменного шнура с обратным полем, хотя предлагаемое устройство имеет с каждым из перечис" ленных общие черты, а именно: как в токамаке, оно нуждается в токе плазмы для генерирования магнитного потока соответствующей конфигурации, и конфигурация не разрушается в результате диффузии потока, Для токамака требуются тороидальные обмотки возбуждения, а не спиральные, в то время, как предлагаемое устройство требует спиральных обмоток, а не тороидальных. Для токамака выполняется условие п 1, в предлагаемом устройстве этого не требуется. Предлагаемое устройство требует, чтобы о меняло знак, а в токамаке это не выполняется, По" добным образом устанавливается различие предлагаемого устройстваот стелларатора.Преимущество перед устройствами линча с обратным полем заключается в том, что в известных устройствах режим работы с требуемым профилем и может быть реализуем в течение короткого времени. Предлагаемое устройство может обеспечить квазистационарный резям работы и повыситьФ краж 38 Бодпиаиое фуЦрД ЦД Цдерцу - 3 Чроекнал,