Способ поддержания стационарного тока в плазме тороидальных термоядерных установок типа токамак

 

Изобретение относится к физике высокотепрературной плазмы и может быть использовано при разработке установок управляемого термоядерного синтеза. Сущность изобретения: для упрощения поддержания стационарного тока в токамаке и других тороидальных системах электронам плазмы передают дополнительный импульс от электронов пучка, проникающего в центр плазмы. Это достигается при взаимодействии двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков. Источники плазмы расположены на ее краю, а электроны инжектируются вдоль магнитного поля. Расположение источников плазмы и ее параметры выбирают из условия I₁>I₂>I_p/n, где I_p - ток в плазме; n-число прохождений пучков вокруг тора; I₁, I₂ - токи пучков. Кроме этого необходимо, чтобы энергия частиц пучков была больше тепловой энергии плазмы. 2 ил.

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке установок управляемого термоядерного синтеза.

Известна термоядерная тороидальная установка токамак, в которой плазменный ток создается индукционным методом. Недостатком такого метода является ограничение длительности тока во времени из-за конечного запаса вольт-секунд в индукторе.

Ближайшим техническим решением является способ поддержания тока инжектированием быстрых нейтральных частиц в плазму. Недостатком этого способа является сложность аппаратуры и низкий КПД.

Цель изобретения - упрощение поддержания стационарного тока в токамаке и других тороидальных системах.

Это достигается с помощью двух или больше электронных пучков, источники, которых расположены на краю плазмы внутри токамака.

На фиг.1 (перспектива с боковой стороны плазменного цилиндра) изображены траектории пучков при трехкратном заходе первого пучка вокруг тора и пятикратном заходе второго (кружочки означают источники пучков, расположенные на краю плазмы); на фиг.2 - те же траектории в проекции на торец цилиндра. Этот цилиндр периодический (с отождествленными торцами) и топологически эквивалентен тору так, что фиг.1, 2 отражают траекторию пучков в токамаке.

Источники электронов создают противоположно направленные пучки вдоль магнитного поля (см.фиг.1). Если бы был только один пучок, он оставался бы на краю плазмы. Пучки противоположных направлений из-за взаимодействия отклоняются от силовых линий магнитного поля. Взаимодействие пучков в плазме отличается от взаимодействия токов в вакууме. С помощью численного моделирования уравнений траекторий пучка можно подобрать расположение источников так, чтобы один из пучков проник в середину плазмы. Там, из-за малого сопротивления плазмы, многократно обходя вокруг тора, он создает значительный ток. Другой пучок остается на краю плазмы, где из-за большого сопротивления затухает на небольшом расстоянии. Возможно также закоротить этот пучок на токоприемнике. Электроны пучка, проникающего в центр плазмы, передают дополнительный импульс электронам плазмы, что генерирует тороидальный ток.

Уравнения эволюции траектории пучков имеют вид (C^-_A¹∂/∂t-∂/∂z)r_1,i= P_i,j-b(r_1,i), i = 1, 2...m (1); (C^-_A¹∂/∂t+∂/∂z)r_2,j= -P_i,j+b(r_2,j), j = 1, 2...n (2); P_i,j = [ ζ , r_1,i - r_2,j]/(r_1,i - r_2,j)²; b = B_p/B_т (3); где r_1,i(t,z) - вектор-координаты (x,y) первого пучка на плоскости тороидального сечения тора при i-том заходе; r_2,j(t,z) - вектор-координаты второго пучка на j-том заходе; t - время; z - периодическая координата в тороидальном направлении; b = B_p/B_т, B_p - напряженность тоpоидального магнитного поля; В_т - тороидального магнитного поля; С_A - скорость Альфвена; ζ - единичный вектор в тороидальном направлении. Если координаты x,y,z измеряются в сантиметрах, ток пучка 1 - в Амперах, магнитное поле В_т - в Гауссах, то коэффициенты в формулах (1,2) равны α= =0,5 1/В_т.

В способе используют электронные пучки с умеренной энергией частиц в интервале 0,1-10 кэВ, больше или порядка тепловой энергии электронов плазмы. Диаметр пучков много меньше расстояния между пучками. Считается, что первый пучок делает m оборотов (заходов) вокруг тора, второй -n. Для решения системы (1,2) необходимы начальные и граничные условия. За граничные значения координат первого захода r_1,1, r_2,1принимаются положения источников пучков, начало второго захода совпадает с концом первого, начало третьего - с концом второго и т.д. Вначале пучки направлены вдоль магнитных силовых линий, проходящих через источники этих пучков. За короткое время система релаксирует к конечному стационарному состоянию, один из примеров которых приводится на фиг.1,2. Последний член b в (1,2), пропорциональный полоидальному магнитному полю, препятствует смещению пучка с магнитной поверхности. Сравнение с предыдущим членом, описывающим взаимодействие пучков, дает оценку минимальной силы тока пучков для проникновения пучка в центр: I₁, I₂, Ip/n, где I_p - ток плазмы, создающий В_р; n - число проходов второго пучка вокруг тора.

На фиг.1 (перспектива с боковой стороны) изображены траектории при трехкратном заходе первого пучка и пятикратном заходе второго. Кружочки означают источники пучков, расположенных на расстоянии 9,5 см и 9 см от оси периодического цилиндра (на краю плазмы). Период цилиндра 240 см. На фиг.2 - те же траектории в проекции на торец цилиндра. Параметры пучка: α₁ = =-0,03; α₂ = 0,015; I₁ = 300A; I₂ = 150 A; B_т = =5000 Гс; С_A = 10⁸ см/с; b = 0,01(r - 0,005r³). Приведенная на фиг.1,2 картина устанавливается после приблизительно 10^-4 с. Периодический цилиндр топологически эквивалентен тору, так, что фиг.1,2 отражают траекторию пучков в токамаке. Из картины видно, что пучок с более сильным током смещается не сильно, тогда как второй пучок с меньшим током проникает внутрь шнура и увеличивает ток плазмы.

Способ генерации тока системой электронных пучков позволяет осуществить более простую по технологии и менее энергоемкую систему стационарного поддержания тока в реакторе по сравнению с прототипами, которые требуют сооружения сложных электрических и вакуумных систем.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ ТОРОИДАЛЬНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК ТИПА ТОКАМАК, заключающийся в передаче электронам плазмы дополнительного импульса путем инжекции в нее пучков электронов, отличающийся тем, что в плазму инжектируют вдоль силовых линий магнитного поля по меньшей мере два встречно направленных пучка электронов, источники которых расположены на границе плазменного шнура, и осуществляют взаимодействие токовихревых нитей в плазме путем выбора величины токов пучков I₁ и I₂ из условий
I₁ > I₂ > I_p / n,
где I_p - полный ток в плазме;
n - число прохождений через тороидальную камеру установки пучка с током I₂ до проникновения в центральную часть плазменного шнура,
при этом энергию частиц пучков выбирают большей, чем тепловая энергия частиц плазмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2