Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения

 

Использование: для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, а также генерации нейтронного излучения. Технический результат изобретения - повышение температуры плазмы и уровня нейтронного излучения. Сущность изобретения: устройство содержит плазменную камеру с отсеками ускорения и торможения плазмы, образованными коаксиальными внешним и внутренним электродами, источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов отсека ускорения, плазменная камера дополнительно снабжена вторым отсеком ускорения плазмы, расположенным за отсеком торможения и выполненным симметрично первому отсеку ускорения, а также приосевым токопроводящим элементом, соединенным с внешним электродом со стороны второго отсека ускорения и изолированным от внутреннего электрода, при этом основной источник электромагнитной энергии подключен к приосевому токопроводящему элементу и внешнему электроду со стороны первого отсека ускорения, а источник начальной энергии включен в разрыв внешнего электрода над отсеком торможения плазмы. 1 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, а также генерации нейтронного излучения.

Известно устройство для получения высокотемпературной плазмы, содержащее два электродинамических ускорителя с импульсным напуском газа, два плазмопровода, камеру торможения или взаимодействия, а также систему синхронизации этих ускорителей (см. статью А.М.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В. Скворцов. Удержание высокотемпературной плазмы c β = 1 в открытой ловушке. Письма в ЖЭТФ, т. 39, вып. 6, с. 247-249, 1984 г.). Ускорители устанавливались на расстоянии 7 м навстречу друг другу и запитывались от конденсаторных батарей емкостью 1150 мкФ. Камеры ускорителей соединялись с камерой торможения тонкостенными металлическими плазмопроводами диаметром 30 см, в которых с помощью наружных многовитковых соленоидов создавалось квазистационарное профилированное магнитное поле. Камера торможения представляла собой аксиально-симметричную ловушку пробочной конфигурации длиной 2 м с напряженностью поля в пробках 14,4 кЭ. В результате столкновения двух плазменных потоков в ловушке образовывалась плазма с ионной температурой 2 кэВ, погонной плотностью 1,5 · 10¹⁷ 1/см и энергосодержанием 15 кДж. Время удержания плазмы при этом возросло с 18 до 40 мкс.

Недостатками известного устройства являются невысокие начальная (на выходе ускорителей) температура плазменных сгустков и конечная температура плазмы в зоне их столкновения, большие линейные размеры ускорителей и плазмопроводов, а также сложность осуществления процессов термоизоляции и проводки плазменных сгустков по плазмопроводам и ввода их в камеру взаимодействия (без продольного магнитного поля вообще нельзя ввести в плазмопровод и провести на расстояние 5 м - до камеры взаимодействия потоки плазмы с параметрами, обеспечивающими их некулоновское взаимодействие).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для получения высокотемпературной плазмы (см. авт. св. СССР N 1268080, МКИ H 05 H 1/00, авторы Гаранин С. Ф., Данов В.М., Долин Ю.Н. и др., заявлено 11.01.85, опублик. 19.06.95, бюл. N17), содержащее плазменную камеру, состоящую из отсека ускорения и отсека торможения плазмы, образованных коаксиальными внешним и внутренним электродами, источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов отсека ускорения, основной источник электромагнитной энергии подключен к электродам отсека ускорения, а источник начального магнитного поля подключен к электродам отсека торможения.

К недостаткам устройства-прототипа можно отнести недостаточно высокие величины температуры плазмы и интенсивности нейтронного излучения, а также отсутствие возможности изучения физических явлений в процессе генерации и взаимодействия встречных потоков замагниченной плазмы.

Решаемая задача - создание условий для изучения процессов столкновений плазменных потоков и ударных волн в замагниченной плазме и оценки их влияния на температуру плазмы и уровень нейтронного излучения.

Технический результат изобретения - повышение температуры плазмы и интенсивности нейтронного излучения.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для получения высокотемпературной плазмы, содержащем плазменную камеру с отсеками ускорения и торможения плазмы, образованных коаксиальными внешним и внутренним электродами, источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов камеры ускорения, новым является то, что плазменная камера дополнительно снабжена вторым отсеком ускорения плазмы, расположенным за отсеком торможения и выполненным симметрично первому отсеку ускорения, а также приосевым токопроводящим элементом, соединенным с внешним электродом со стороны второго отсека ускорения и изолированным от внутреннего электрода, основной источник электромагнитной энергии подключен к приосевому элементу и внешнему электроду со стороны первого отсека ускорения, а источник начального магнитного поля включен в разрыв внешнего электрода над отсеком торможения.

Введение в плазменную камеру второго отсека ускорения, расположенного за отсеком торможения и выполненного симметрично первому отсеку ускорения (а кольцевого зазора между электродами второго отсека ускорения соответственно в виде второго сопла Лаваля, направленного навстречу первому соплу Лаваля) обеспечивают то, что физические процессы в прототипе и в предлагаемом устройстве качественно и количествен но отличаются друг от друга: - в прототипе обмен энергией происходит между "горячими" высокоэнергетическими ионами, ускоренными в отсеке ускорения, и "холодными" ионами отсека торможения, в результате чего остаточная температура плазмы в отсеке торможения не превышает 3 кэВ; - в предлагаемом устройстве, кроме взаимодействия "горячих" ионов из первого и второго отсеков ускорения с "холодными" ионами общего отсека торможения, дополнительно происходит взаимодействие друг с другом "горячих" ионов из первого и второго отсеков ускорения. А так как потоки плазмы из первого и второго отсеков ускорения имеют большую скорость и направлены навстречу друг другу, то столкновение ионов и ударных волн происходит в "лоб" и наблюдается эффективная термолизация (превращение) кинетической энергии сталкивающихся потоков плазмы в тепловую энергию плазмы в общем отсеке торможения. В результате остаточная температура плазмы в отсеке торможения предлагаемого устройства поднимается примерно до 10 кэВ.

Введение в камеру приосевого токопроводящего элемента, соединение этого элемента с внешним электродом и изолирование внутреннего электрода камеры от приосевого элемента и источника основной электромагнитной энергии приводят к тому, что: - электрическое напряжение сконцентрировано в приосевой зоне камеры, поверхностный скользящий разряд и ионизация плазмы происходят одновременно в двух отсеках ускорения; - керамический изолятор между внутренним электродом камеры и приосевым токопроводящим элементом распределяет поток основной электромагнитной энергии поровну на два отсека ускорения и два потока плазмы; - ускорительный (за счет электрического поля) механизм генерации нейтронов в камере подавлен.

На чертеже показано схемно-конструктивное выполнение предлагаемого устройства для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения.

Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения содержит плазменную камеру 1, источник основной электромагнитной энергии 2 и источник начального магнитного поля 3.

Плазменная камера 1 образована коаксиальными внешним 4, внутренним электродом 5, приосевым токопроводящим элементом 6 и изолятором 7.

Плазменная камера 1 содержит два отсека 8 и 9 ускорения плазмы и один общий отсек 10 торможения плазмы.

Отсеки 8 и 9 ускорения плазмы выполнены симметрично друг другу и представляют собой промежутки между боковыми стенками внешнего электрода 4 и боковыми поверхностями внутреннего электрода 5. Общий отсек 10 торможения плазмы расположен в промежутке между "горбами" внутреннего электрода 5.

Кольцевые зазоры между внешним 4 и внутренним 5 электродами камеры в отсеках ускорения плазмы выполнены в форме сопел Лаваля 11 и 12, направленных встречно.

Приосевой токопроводящий элемент 6 соединен с внешним электродом 4 со стороны второго отсека ускорения 9.

Основной источник электромагнитной энергии 2 подключен к приосевому токопроводящему элементу 6 и внешнему электроду 4 со стороны первого отсека ускорения 8. Источник начального магнитного поля 3 включен в разрыв внешнего электрода 4 над отсеком торможения плазмы.

Плазменная камера заполнена дейтерием или смесью изотопов водорода при начальном давлении 1-2 Top. Длина камеры 21 см, диаметр 20 см.

В качестве основного источника электромагнитной энергии может служить взрывомагнитный генератор тока с устройством быстрого переключения, который обеспечивает переброс энергии в камеру на уровне 0,12 МДж за время 2 мкс (см. книгу Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972, с. 221). В качестве источника начальной запитки может быть использована конденсаторная батарея с понижающим трансформатором.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Вначале в плазменную камеру 1 путем пропускания по внешнему электроду 4 и приосевому токопроводящему элементу 6 тока от источника 3 вводят начальное азимутальное магнитное поле напряженностью 15-25 кЭ. Начальное магнитное поле вводят достаточно медленно за 200-300 мкс, чтобы избежать электрических пробоев в области сопел 11 и 12 и по поверхности керамического изолятора 7 в отсеках ускорения плазмы (по кривой Пашена для водорода пробойное напряжение составляет примерно 250 В). После этого к камере подключают источник основной электромагнитной энергии 2, который выдает токовый импульс нарастающей амплитуды с крутым фронтом. Электрический контур камеры, образованный приосевым токопроводящим элементом 6 и внешним электродом 4, имеет индуктивность 10-20 нГн. На этой индуктивности камеры появляется напряжение достаточно большой величины (до 50 кВ), что моментально возникает шунтирующий пробой по поверхности керамического изолятора 7 между боковыми стенками внешнего электрода 4 и боковыми поверхностями внутреннего электрода 5. Газ в этом месте ионизируется и становится проводящим. Проводимости достаточно для вмораживания начального магнитного поля в образовавшуюся плазму. Нарастающие ток и давление магнитного поля в камере (керамический изолятор 7 прозрачен для потока электромагнитной энергии) ускоряют плазму одновременно в правом 8 и левом 9 отсеках ускорения по направлению к соплам Лаваля 11 и 12. При достаточно быстром нарастании напряженности основного магнитного поля до 60-80 кЭ и достаточно малой ширине сопел Лаваля напряженность магнитного поля в отсеках ускорения 8 и 9 растет быстрее, чем в отсеке торможения 10, и скорость плазменных струй на выходе из сопел Лаваля становится выше местной альфвеновской скорости звука. В результате на выходе из сопел Лаваля 11 и 12 за счет противодавления начального магнитного поля формируются ударные волны, в которых происходит торможение и нагрев плазмы, и генерируется нейтронное излучение.

Потоки замагниченной плазмы и ударные волны из правого 12 и левого 11 сопел Лаваля сталкиваются и интерферируют друг с другом, при этом происходит дополнительный нагрев плазмы, возрастают амплитуда и длительность нейтронного излучения. За фронтом ударной волны вблизи плоскости столкновения потоков согласно расчетным оценкам плотность плазмы может увеличиться примерно в 4 раза, а температура в 10 раз. Интенсивность нейтронного излучения соответственно может увеличиться в среднем в 10 раз.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет по сравнению с прототипом значительно большие температуру плазмы и уровень нейтронного излучения, а также позволяет проводить научные исследования по изучению столкновительных и кумулятивных процессов в замагниченной термоядерной плазме, причем с малыми потерями энергии на транспортировку плазменных потоков к отсеку торможения - взаимодействия потоков.

Формула изобретения

Устройство для получения высокотемпературной плазмы и нейтронного излучения, содержащее плазменную камеру с отсеками ускорения и торможения плазмы, образованными коаксиальными внешними и внутренними электродами, источник начального магнитного поля и основной источник электромагнитной энергии, при этом кольцевой зазор между электродами отсека ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, отсек торможения выполнен в виде кольцевого зазора между электродами, которые являются продолжением электродов отсека ускорения, отличающееся тем, что плазменная камера дополнительно снабжена вторым отсеком ускорения плазмы, расположенным за отсеком торможения и выполненным симметрично первому отсеку ускорения, а также приосевым токопроводящим элементом, соединенным с внешним электродом со стороны второго отсека ускорения и изолированным от внутреннего электрода, основной источник электромагнитной энергии подключен к приосевому элементу и внешнему электроду со стороны первого отсека ускорения, а источник начального магнитного поля включен в разрыв внешнего электрода над отсеком торможения.

РИСУНКИ

Рисунок 1