Кинетический способ управляемого термоядерного синтеза

 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано в энергетике. Сущность изобретения: термоядерная реакция возбуждается в макроскопических частицах термоядерного горючего при их лобовом столкновении. В качестве горючего используются твердые углеводороды или их производные, у которых атомы протия замещены атомами дейтерия и трития в равном отношении. Макрочастицы заряжаются и разгоняются в двух ускорителях до кинетической энергии, равной тепловой энергии, образующейся из них при столкновении плазмы, температура которой равна оптимальной температуре термоядерного синтеза 2 · 10⁸ К. Технический результат изобретения заключается в повышении КПД преобразования кинетической энергии ускоряемых частиц в энергию термоядерной плазмы.

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано в энергетике.

В известных исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, проводимых с плазмой большой плотности (до 10²³ см^-3), реакция термоядерного синтеза возбуждается в небольшом количестве термоядерного горючего, в качестве которого используется равнокомпонентная дейтерий-тритиевая смесь. Несколько миллиграммов такой смеси в замороженном состоянии помещается внутри металлической оболочки, образуя термоядерную мишень. Лазерными или ионными пучками к мишени подводится энергия возбуждения реакции синтеза, которая после нескольких стадий преобразования превращается в энергию термоядерной плазмы, образующейся в центре мишени из 1-10% всей массы дейтерий-тритиевой смеси. Воспламенение происходит вблизи центра симметрии и затем, за счет выделившейся термоядерной энергии, распространяется на остальную часть термоядерного горючего. От разлета плазма в течение некоторого времени удерживается за счет инерции оболочки мишени, что предполагается достаточным для полного сгорания всего термоядерного горючего.

В лазерном термоядерном синтезе экспериментально достигнута температура плазмы 8·10⁷ K при плотности 0,1-0,3 г/см³; нейтронный выход - 10¹¹ нейтронов [1]. Появление нейтронов подтверждает принципиальную возможность инициировать этим способом термоядерную реакцию, но относительно малое их количество ставит под сомнение предлагаемый механизм удержания и воспламенения термоядерного горючего по всему его объему.

Известен ионный термоядерный синтез, в котором мишень облучается пучками ионов тяжелых металлов, ускоряемых до необходимой энергии электрическим полем ускорителя. Мишень помещается в центре вакуумированного объема и облучается одновременно несколькими десятками импульсных ионных пучков, симметрично расположенных в одной плоскости. Суммарная энергия ионных пучков должна составлять от 3 до 10 МДж при длительности 20 - 30 нс, что позволит разогреть металлическую оболочку до температуры 10⁶ K. Из-за быстрого разогрева развивается давление до 10⁷ МПа, сжимающее по объему термоядерное горючее в 10³ - 10⁴ раз и разогревающее его до температуры свыше 2,3·10⁷ K. Для разогрева горючего, помимо сходящейся ударной волны, эффективно используется электромагнитное излучение, которое задерживается внутри мишени. Эти процессы приводят к началу термоядерного синтеза в центральной части мишени, термоядерные альфа-частицы, образующиеся при развитии реакции синтеза, также задерживаются в мишени и отдают свою энергию соседним участкам. От центральных участков термоядерной плазмы к ее внешним слоям распространяется термоядерная волна горения, в результате чего должно происходить почти полное сгорание всей массы горючего [2].

Основным недостатком этого способа управляемого термоядерного синтеза является низкий КПД преобразования кинетической энергии ионных пучков в энергию непосредственно дейтерий-тритиевой плазмы, из-за промежуточных стадий преобразования в энергию оболочки мишени, которая поглощает ее большую часть. Поэтому возникает потребность в большой энергии ионных пучков с применением ионов тяжелых металлов вплоть до урана.

Другой недостаток связан с тем, что воспламенение термоядерного горючего происходит не во всей массе, а в 1- 10% ее в конце стадии сжатия вблизи центра мишени, и возникающий здесь в результате выделения термоядерной энергии скачок давления разбрасывает периферийную часть горючего, обрывая реакцию синтеза.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении КПД преобразования кинетической энергии ускоряемых частиц в энергию термоядерной плазмы.

Этот результат достигается тем, что вместо ионов в двух ускорителях навстречу друг другу разгоняются заряженные макроскопические частицы твердого термоядерного горючего до кинетической энергии равной тепловой энергии плазмы, образующейся из этих частиц при столкновении и имеющей температуру, равную оптимальной температуре термоядерного синтеза 2·10⁸ K.

Другое отличие состоит в том, что в качестве термоядерного горючего используются твердые углеводороды или их производные, у которых атомы протия замещены атомами дейтерия и трития в равном отношении.

В углеводородах, как носителях термоядерного горючего, плотность атомов водорода лежит в пределах (6,5-8)·10²² см^-3, что в 1,3-1,6 раза больше, чем у замороженной дейтерий- тритиевой смеси, и в 1,5 раза меньше средняя скорость теплового движения ядер в плазме, образующейся из них при температуре 2 ·10⁸ K. В среднем эта скорость составляет 9,4·10⁵ м/с, отличаясь не более чем на 1,5% в ту или другую сторону в зависимости от выбранного углеводорода. Кинетическая энергия макрочастиц, движущихся с такой скоростью, при центральном ударе полностью превратится в тепловую энергию плазмы с температурой 2·10⁸ K и давлением средним за время столкновения не меньшим, чем 10⁹ МПа. Термоядерное горючее окажется сжатым до плотности 10² - 10³ г/см³ и его воспламенение будет происходить по всему объему, в то время как в известном способе управляемого термоядерного синтеза оно происходит в его небольшой части. Принципиальное отличие предлагаемой операции преобразования кинетической энергии в энергию плазмы от подобной операции в ионном термоядерном синтезе заключается в отсутствии промежуточной стадии преобразования ее в энергию оболочки мишени, которая в заявляемом способе отсутствует.

Пример. Удобным в технологическом плане углеводородом является полиэтилен n(-C₂H₄-), у которого показатель полимеризации n может иметь величину 1000 и более, а плотность при замещении протия дейтерием и тритием - 1,1 г/см³. Макрочастицы такого "термоядерного" полиэтилена массой 1,6·10^-20 кг, несущие один элементарный заряд (1,6·10^-19 Кл), имеют отношение заряда к массе 10 Кл/кг. Для сообщения им скорости 9,4·10⁵ м/с в ускоряющем поле напряженностью 1 МВ/м потребуется ускоритель длиной 44 км. Увеличение заряда макрочастицы еще на один элементарный заряд уменьшает длину пути ускорения в два раза. Во встречных пучках, сформированных из таких макрочастиц, термоядерная реакция будет протекать в пределах объема, приходящегося на один пучок, и регулирование количества выделяемой энергии может осуществляться изменением количества частиц в пучках. Коэффициент усиления при условии полного сгорания термоядерного горючего, содержащегося в пучках, будет превышать 200 единиц.

Из приведенных результатов видно, что практическая реализация заявляемого способа управляемого термоядерного синтеза не выходит за рамки технических возможностей современной технологии.

Источники информации: 1. Лазерный термоядерный синтез. В кн. Физическая энциклопедия.//Под ред. А. М. Прохорова. -М.: Советская энциклопедия, 1990, т.2, с. 562 - 564.

2. Ионный термоядерный синтез. В кн. Физическая энциклопедия. //Под ред. А. М. Прохорова. -М.: Советская энциклопедия, 1990, т.2, с.211 - 212.

Формула изобретения

Способ управляемого термоядерного синтеза, включающий ускорение частиц вещества в ускорителе, отличающийся тем, что в двух ускорителях навстречу друг другу разгоняют предварительно заряженные макроскопические частицы твердого термоядерного горючего, приготовленного в виде твердых углеводородов или их производных, у которых атомы протия замещены атомами дейтерия и трития в равном отношении, до кинетической энергии, равной энергии плазмы, образующейся из них при столкновении и имеющей температуру, равную оптимальной температуре термоядерного синтеза.