Способ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ловушках

 

Изобретение относится к области термоядерной энергетической технологии , в частности к высокочастотным методам нагрева плазмы до термоядерных температур, и может быть использовано при создании термоядерного реактора , например, типа токамак или стелларатор. Цель изобретения состоит в повышении эффективности нагрева плазмы. На периферии плазмы в области где продольное магнитное поле имеет максимальное значение (в тороидальных установках - на внутреннем обводе тора) возбуждают быструю моду 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 z к массовому числу А , меньшим, отношения зарядового числа z к массовому числу А основных ионов добавки. Напуск в плазму ионов добавки осуществляют после начала введения высокочастотного со скоростью возрастания числа ионов добавки в объеме плазмы, не превосходящей по величине отношения вводимой в плазму мощности высокочастотного излучения к величине энергии ионов добавки , соответствующей максимуму cet чения реакции синтеза ядер ионов добавки и ионов ионовой плазмы. 1 ил. с SS (Л С 4 сл О1 со о: 4

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

G 21 В 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4275449/24-25

22) 06.07.87

46) 30.01.89. Бюл. У 4 (72) А. В. Лонгинов, С. С. Павлов и К. Н. Степанов (53) 533.9(088.8) (56) R. Klima, А. V. Longinov, К. N. Stepanov. Nucl. Fusion, 19?5, v. 15, р. 1157-1177.

Лонгинов А. В.. и др. ВАНТ. Термоядерный синтез, 1987, в. 2, с. 2-15. (54) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА

ПЛАЗМЫ В ТЕРМОЯДЕРНЫХ ИАГНИТНЬ1Х ЛОВУШКАХ (57) Изобретение относится к области термоядерной энергетической технологии, в.частности к высокочастотным методам нагрева плазмы до термоядерных температур, и может быть использовано при создании термоядерного реактора, например, типа токамак или стелларатор. Цель. изобретения состоит в повышении эффективности нагрева плазмы. На периферии плазмы в области

У где продольное магнитное поле имеет максимальное значение (в тороидальных установках — на внутреннем обводе тора) возбуждают быструю моду

Изобретение относится к термоядер-. ной энергетической технологии, в частно сти к методам высо кочасто тного нагрева плазмы до термоядерных температур, и может быть использовано при создании термоядерного реактора, например, типа токамак или стел— ларатор.

ÄÄSUÄÄ 1455364 А1 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 z к массовому числу А, меньшим отношения зарядового числа z 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 превосходящей по величине отношения вводимой в плазму мощности высокочастотного излучения к величине энергии ионов добавки, соответствующей максимуму се чения реакции синтеза ядер ионов добавки и ионов ионовой плазмы. 1 ил.

Цель изобретения — повышение эффективности нагрева плазмы.

На чертеже изображено радиальное распределение квадрата поперечного показателя преломления N для быстт рой и медленной магнитозвуковых волн в плазменном шнуре. Интенсивность потока высокочастотной энергии харак14553 з

1 еризуется шириной заштрихованной бласти, На чертеже также изображена антенна 1, эона 2 ионного циклотронного резонанса для ионов добавки, точка

3 трансформации быстрой магнитозву свой волны н медленную, зоны 4 и 5 риной квадрата коэффициента преломения соответствуют быстрой магнито- 10 вуковой волне, а эона 6 — медленной агнитозвуковой волне, R характеризут радиальное положение внутри плазенного шнура.

Способ высокочастотного нагрева 15 азмы в термоядерных магнитных лоушках осуществляют следующим сбраом.

Быстрая магнитозвуковая волна

БМВ), возбуждаемая со стороны силь- 20

oro магнитного поля, распространяясь т антенны в глубь плазмы, проходит сну ионного циклотронного резонанса

ИЦР) для добавки, частично поглотив25 сь в ней, достигает затем зоны трансформации. Так как при использовании данного метода .концентрация иофов добавки может быть обеспечена соизмеримой с концентрацией основного аза, можно обеспечить слабое псглс- З0 (ение БМВ в зоне основного ИЦР для монов добавки. При этом основная доя энергии, инжектируемой в плазму, ереходит в зоне трансформации в нергию медленной магнитозвуковой фслной (NMB), которая, распространяйсь в сторону возрастания магнитного сля, приближается в зоне ИЦР.

В предлагаемом способе нагрева реализуется другой режим, при котором 40

З(она ИЦР является доступной для ММВ даже в случае высокой концентрации ионов добавки. Суть реализации такого

)режима заключается в том, что инжекция мощности высокочастотного излуче- 45 сия начинается в тот момент, когда концентрация ионов добавки достаточно мала, и /и; V /V4,((где n концентрация ионов добавки; и, — ксн) ентрация основных ионов; V z — тепло- 50

Ная скорость ионов добавки; Чф,(фаэовая скорость волны вдоль магнитНсгс поля при температуре ионов добавки Т,,равной температуре Т; основ- ных ионов. 55

Благодаря этому зона ИЦР для дсбанки доступна для MMB даже при Т, : Т, За счет циклотронного поглоще1 иия IMB в зоне формируется функция

64 распределения резонансных частиц с эффектом обрезания "хвоста" и распределения и поэтому по мере увеличения плотности (в это время зона конверсии смещается от зоны ИЦР к периферии плазмы) может быть обеспечено услоние поддержания немаксвелловской функции распределения. Ограничения на скорость напуска добавки могут быть определены из уровня баланса энергии для резонан- сных частиц на стадии напуска: где P „- мощность трансформирования

ММВ1

n (t) - концентрация ис пса д сбавки в момент времени t, усредненная по объему U н котором происходит поглощение высокочастотной мощности;

à — средняя энергия резонансных частиц; скорость потери энергии резонансных 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 Е0, при которой сечение термоядерной реакции имеет максимальное значение. Поэтому для обеспечения условий дсстижимости зоны ИЦР для добавки необходимо, чтобы на стадии нарастания плотности ионов добавки их средняя энергия должна быть близка к Е0. Для этого, как следует из (1), максимальная скорость напуска ионов добавки должна удовлетворять неравенству /Vdn /dt (м« Рьян /Ео „В результате использования такого режима включения нагрева обеспечивается возможность работы с высокой концентрацией ионов добавки в стационарном режиме с дсстижимостью ММВ зоны ИПР и поддержанием немаксвелловской функции распределения резонансных частиц.

Особенность предлагаемого способа заключается в том, что благодаря использованию ионов добавки, для котс рых

z /А z/А, где z и z — зарядовые числа ионов добавки и основных ионов соответственно; А и А — их массовые ( числа соответственно, параметр К, Р;

1455364 (К, - поперечное волновое число для

ММВ; у. — ларморовский радиус основных ионов) в зоне ИЦР для ММВ сильно зависит от поглощаемой мощно5 сти и концентрации ионов, добанки и, в частности, монотонно уменьшается при увеличении уровня поглощаемой мощности. Эта особенность важна, так как оказывается нозможным путем регулирования концентрации ионов. добавки обеспечить оптимальное значение параметра К>у, при котором Ф формируется оптимальная функция распределения ионов добавки и таким образом обеспечивается максимальная величина фактора g, 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 дейтерий является добавкой;

3) дейтерий-водородная плазма (Д+Н), н которой дейтерий является добавкой;

4) гелий-водородная плазма(Н + 30

+ Не), в которой гелий является добанкой;

5) гелий-водородная плазма (Н +

+ Не), н которой гелий является добавкой. 35

Вариант 1 может быть использован для создания режима двухкомпонентного реактора, а вариант 2 — для создания двухкомпонентного безнейтронного (чистого) реактора.

Предлагаемый способ позволяет решить проблему ввода н ЖБ высокого уровня мощности путем возбуждения быстрой волны и ее трансформации в 45

MMB без использования дополнительной нерабочей компоненты плазмы, которая может существенно понизить величину фактора О. Кроме того, предлагаемый способ позволяет обеспечить путем ре- 50 гулирования параметра К„р. оптимальные условия с точки зрейия обеспечения максимума вектора.

Формула «s об ре тения

Способ высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных магнитных ловушках, включающий возбуждение в плазме магнитозвуконых волн, внедение в плазму ионон добавки для поглощения медленных волн в области ионного циклотронного резонанса на ионах добавки, отличающийся 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 z к массовому числу

А, меньшим отношения зарядового чис-! ла z 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.

1455364

Составитель P. Иванов

Редактор Е. Копча Техред М.Ходанич Корректор С ЧеРни

Заказ 7457/55 Тираж 369. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4