Патент на изобретение №2152081
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) МАГНИТНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
(57) Реферат: Магнитный термоядерный реактор относится к области прикладной физики, а именно к конструкции термоядерного реактора типа токамак, в частности к его обмотке и электропитанию для удержания плазмы магнитным полем в теплоизоляции. В предложенном термоядерном реакторе спиральнопродольной формы обмотка, витки которой уложены по поверхности камеры касательно между собой прилегающими по всей их длине, подключена к выходным зажимам вторичной катушки индукционного преобразователя постоянного тока в пульсирующий ток постоянного направления. Концы первичной катушки преобразователя, количество витков которой меньше числа витков вторичной катушки, подключены к генератору постоянного тока, при этом между противолежащими концами сердечников, выступающими из катушек, расположены переменной магнитопроводности роторы, собранные из пластин трансформаторного железа, закрепленные на общей оси, вращательно установленной в подшипниках и кинематически присоединенной, например, к электромеханическому приводу с возможностью изменения частоты ее оборотов, а концы сердечников катушек и подшипники оси закреплены в статоре преобразователя. Техническим результатом является новая форма обмотки, позволяющая выполнять компактную тороидальной формы вакуумную камеру без центрального в ней сквозного отверстия. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. Магнитный термоядерный реактор относится к области прикладной физики, а именно к конструкции термоядерного реактора типа токамак, в частности к его обмотке и электропитанию для удержания плазмы полем в теплоизоляции. Известны конструкции магнитных термоядерных реакторов /см. Лукьянов С.Ю. “Горячая плазма и управляемый ядерный синтез”. М.: Наука, – 1976 г., стр. 280, 292, рис. 31.1/, содержащие тороидальной формы вакуумную камеру, наполненную ядерным топливом, например дейтериево-тритиевой смесью, медный кожух, соленоидную обмотку и железный сердечник трансформатора, проходящий через центральное сквозное отверстие камеры. Важнейшим принципиальным недостатком конструктивной схемы известного реактора токамак с замкнутой магнитной ловушкой в тороидальной камере является невозможность физического образования внутри его камеры потока носителей электрических зарядов в виде плазменного витка, удерживаемого на осевой окружности в теплоизоляции, т.е. невозможность отделения плазмы вакуумным пространством от стенки камеры. Сущность технической идеи, заложенной в устройство реактора токамак, состоит в “навивании” ларморовских токов частиц плазмы, хаотически движущихся по камере с тепловыми скоростями, винтовыми траекториями на продольные силовые линии магнитного поля. Частицы плазмы хаотически движутся по всему объему камеры и вблизи стенки, и отражаясь от нее, и нет такого физического фактора, который мог бы воспрепятствовать “навиванию” ларморовских токов на продольные силовые линии магнитного поля, проходящие не только в средней части камеры, но и проходящие в непосредственной близости у ее стенки. Таким образом, полностью весь объем камеры реактора токамак неизбежно заполнен винтовыми траекториями ларморовских токов, и если смотреть на них вдоль продольных линий магнитного поля, то они будут представляться окружностями, по которым в одном направлении вращаются точечные заряды плазмы, но направления токов в местах расположения соседствующих между собой таких окружностей всегда будут встречными, а поэтому окружности ларморовских токов отталкиваются друг от друга, создавая благоприятные условия развитию неустойчивости типа “язык” с выбросом в радиальных направлениях плазмы на стенку камеры, что экспериментально неоднократно подтверждено при испытаниях целого поколения установок токамак, показавших в сто и более раз меньшее время существования плазмы по сравнению с теоретически ожидаемым. Два независимых между собой тока, вводимых в реактор токамак, из которых один питает традиционную соленоидную обмотку, а другой, индуцируемый трансформатором, разогревает ядерное топливо до плазменного состояния, образуют в камере различные по кофигурации магнитные поля, накладываемые друг на друга и осложнющие их физическую картину. Радиус окружностей ларморовских траекторий частиц плазмы содержит в себе техническое противоречие, заключающееся в том, что его длина прямо пропорциональна скорости частицы и обратно пропорциональна напряженности магнитного поля, а поэтому стремление к увеличению мощности обоих токов, обеспечивающих в камере токамака величину магнитного поля до 6 Тл и нагрев плазмы до пороговых термоядерных значений до 10 КэВ /см. В.И. Пустинович, Г.Е. Шаталов. “Термоядерный реактор на основе токамак”. Итоги науки и техники, сер. физика плазмы, М.: ВИНИТИ, – 1981 г., стр. 139, 140, 169/, не в состоянии улучшить качественно физическую картину взаимодействия частиц разогретой плазмы с силовыми линиями увеличенной напряженности магнитного поля, т.к. при одновременном увеличении мощности импульсов обоих независимых токов радиус ларморовских окружностей остается таким же, что и до увеличения токов, но увеличенная кинетическая энергия тока ларморовских витков в итоге приводит к скоротечному интенсивному их разбрасыванию на стенку камеры с опасностью ее разрушения. Необходимо отметить, что в известных источниках информации по реакторам токамак отсутствуют научные обоснования качественной картины физической осуществимости начальной стадии превращения хаотического теплового движения ионизированных частиц плазмы в упорядоченно-направленный поток по осевой окружности камеры во время импульсов тока трансформатора и состояние плазмы в промежутках между ними, а также отсутствует научное обоснование средств осуществления необходимой конфигурации магнитного поля, способного физически удерживать сформированный плазменный виток длительное время в теплоизоляции на осевой окружности камеры. Далее, основным недостатком схемы токамака является его традиционного типа соленоидная обмотка, обвивающая неравномерно поверхность камеры с наложением ее витков в несколько слоев по краям центрального сквозного отверстия, создающая у внутренней стенки камеры высокий градиент напряженности магнитного поля с резким убыванием его в сторону наружней стенки. Размещение в отверстии камеры нескольких слоев витков обмотки и железного сердечника трансформатора требует увеличения в значительных размерах диаметра центрального сквозного отверстия и габаритов реактора. Известен также реактор типа токамак /см. Физику атомного ядра и плазмы, из серии “Над чем думают физики”, из-во. Наука. – М., – 1974 г., стр. 138/, содержащий тороидальную вакуумную камеру, катушку азимутального магнитного поля и соленоидную катушку магнитного поля, уложенные вокруг камеры. В этом реакторе взамен трансформатора с железным сердечником, применены катушки азимутального магнитного поля, индуцирующие в камере импульсы электрического поля для генерации и разогревания ядерного топлива, что позволяет несколько уменьшить диаметр центрального сквозного отверстия в камере реактора и за счет этого изменить форму и увеличить объем камеры, придав поперечному ее сечению удлиненную овальную форму, обращенную заостренным концом овала к центру реактора. Недостатком такого реактора является значительная неравномерность напряженности магнитного поля с убывающим ее градиентом в направлении к внешней стенке камеры, что еще в большей степени по сравнению с круглой формой поперечного сечения камеры, ухудшает условие удержания плазмы, которое подтверждено результатами его испытания. Использование в конструкции токамаков некруглых в поперечном сечении камер, таких как: эллиптическое, Д-образное, дублет, увеличивающие их объем, не оправдали себя при испытаниях, показавших очень малое время существования плазмы. Таким образом, традиционная соленоидная обработка реактора токамак, создающая традиционную конфигурацию магнитного поля в камере с силовыми линиями, расположенными концентрично ее осевой окружности, и налагаемое на нее магнитное поле, образованное индуцированнным током трансформатора, является физическим фактором, дистабилизирующим работу токамака, который не способен обеспечить длительное существование плазмы, создавая взрывоопасные выбросы ее на стенку камеры, а следовательно, техническая идея, заложенная в конструкцию реактора токамак, не может быть осуществима. Трудность технического решения задачи, относящейся к устройству термоядерного реактора с замкнутой магнитной ловушкой в тороидальной вакуумной камере, состоит в формировании плазменного витка по осевой окружности камеры с отделением его вакуумным пространством от стенки и надежным его удержанием в равновесии и тепловой изоляции в течение длительного времени при сохранении соответствующей кинетической энергии плазмы, достаточной для термоядерной реакции. Сущность предложенного технического решения задачи состоит в том, что в отличии от известных решений устройств реактора типа токомак, в которых используются по крайней мере две электромагнитные обмотки с раздельным электропитанием, в предложенном реакторе используется одна обмотка, выполненная спирально-продольными параллельно уложенными по поверхности тороидальной формы камеры касательно прилегающими по всей длине между собой витками и подключенная к выходным зажимам вторичной катушки индукционного преобразователя, превращающего постоянный ток источника электропитания, подключенного к первичной катушке преобразователя, в пульсирующий ток постоянного направления, при этом между противолежащими относительно друг друга концами сердечников, выступающими из катушек, расположены роторы переменной магнитопроводности, закрепленные на общей оси, вращательно установленной в подшипниках и кинематически присоединенной, например, к электромеханическому приводу с возможностью изменения ее частоты вращения. Индукционный преобразователь оформлен немагнитопроводящим статором из алюминия, в котором закреплены концы сердечников катушек и подшипники оси роторов. Конструктивная особенность обмотки со спирально-продольными витками, используемой в предложенной конструкции реактора, позволяет выполнять тороидальной формы вакуумную камеру без центрального сквозного в ней отверстия, что обеспечивает компактность, увеличение энергоемкости и повышение эффективности реактора. Через одну обмотку в предложенном реакторе протекает пульсирующий ток в одном постоянном направлении, минимальная величина которого постоянно, в течение длительного времени, обеспечивает в камере магнитную поверхность полоидальной конфигурации с убывающим от стенки камеры к ее осевой окружности градиентом напряженности, переходящим на ней в магнитную яму, в которой сформированный магнитной поверхностью плазменный виток удерживается в равновесии и тепловой изоляции, а необходимая величина тока его различных по значению и продолжительности пульсаций обеспечивает постоянный нагрев ядерного топлива, до полной ее ионизации, высокоэнергетические частицы которой начинают вступать в термоядерные реакции, поддерживая саморазогревание плазмы. Витки спирально-продольной обмотки и плазменный виток реактора совместно представляют собой первичную и вторичную обмотки безжелезного трансформатора, находящиеся между собой в индуктивной взаимосвязи, передавая энергию пульсаций тока постоянного направления. Конструктивная схема предложенного магнитного термоядерного реактора изображена на чертежах: фиг. 1 – вид на реактор сбоку с частичным его поперечным разрезом; фиг. 2 – поперечный разрез реактора по А-А на фиг. 1 с изображением магнитных силовых линий; фиг. 3 – схема спирально-продольной обмотки реактора, ее верхней и нижней половин в развернутом на плоскости виде; фиг. 4 – изображение некоторых траекторий движения заряженных частиц плазмы в полоидальной магнитной поверхности, на продольном разрезе участка камеры; фиг. 5 – поперечный разрез варианта реактора с тороидальной формой камеры без центрального в ней сквозного отверстия; фиг. 6 – график кривой зависимости значений пульсаций тока, питающего обмотку реактора, от времени их протекания; фиг. 7 – конструктивная схема индуцированного преобразователя, питающего обмотку реактора, пульсирующим током постоянного направления, вид сбоку; фиг. 8 – вид на преобразователь со стороны его торца, по стр. “Б” на фиг. 7. Магнитный термоядерный реактор содержит тороидальной формы вакуумную камеру /1/, заполненную ядерным топливом, например дейтериево-тритеевой смесью, спирально-продольную обмотку /2/, уложенную на поверхности камеры, силовые линии /3/ магнитного поля возникающие вокруг каждого витка обмотки /2/, магнитную поверхность /4/ полоидальной конфигурации, образованную внутри камеры силовыми линиями /3/, плазменный виток /5/ и силовые линии его собственного магнитного поля /6/, возникающие вокруг него. Концы обмотки реактора, обозначенные на чертежах буквами “Н” и “К”, присоединены к выходным зажимам /7/ индукционного преобразователя постоянного тока в пульсирующий ток постоянного направления, изображенного на фиг. 7 и 8 с источником электропитания – генератором постоянного тока, схематически обозначенного буквой “Г” и подключенного к концам первичной катушки /8/, установленной на сердечнике магнитопровода /9/, составленного из пластин трансформаторного железа. Вторичная катушка /10/, с большим чем у первичной катушки количеством витков, выходные зажимы которой присоединены к концам обмотки /2/ реактора, укреплена на сердечнике магнитопровода /11/, также составленного из пластин трансформаторного железа. Между противолежащими относительно друг друга концами сердечников /9/ и /11/, выступающими из катушек, расположены роторы /12/ и /13/ переменной магнитопроводности, выполненные из дисков пластинчатого трансформаторного железа /см. фиг. 7/ с двумя в них, например, сегментной формы отверстиями, параллельно смещенными в противоположные стороны /см. фиг. 8/ и закрепленные на общей оси /14/, вращательно установленной в подшипниках /15/ и кинематически присоединенной, например, к электромеханическому приводу /не показанному/ с возможностью изменения частоты ее вращения. Выступающие из катушек /8/ и /10/ концы сердечников /9/ и /11/, а также подшипники /15/ оси /14/ закреплены в немагнитопроводящем статоре /не изображенного на фиг. 7 и 8/ индукционного преобразователя. Направления магнитных силовых линий и магнитной поверхности на чертежах обозначены круговыми стрелками. Направление тока, текущего по обмотке /2/, обозначено стрелкой /Р/, а текущего по плазменному витку обозначено стрелкой /П/. Радиус осевой окружности тороидальной формы камеры /1/ реактора обозначены буквой “R”, радиус окружности поперечного сечения камеры обозначен буквой “r”, а радиус окружности поперечного сечения плазменного витка /5/ обозначен буквой “a”. Траектории движения электронов на фиг. 4 обозначены буквой “Э”, а траектории движения положительных ионов /протонов/ обозначены буквой “И”. Работа предложенного магнитного термоядерного реактора протекает следующим образом. По виткам обмотки /2/ реактора постоянно в направлении стрелки, обозначенной буквой /Р/, протекает пульсирующий ток, поступающий от индукционного преобразователя постоянного тока через его зажимы /7/. Зависимость значений величины пульсаций тока от времени их протекания изображено кривыми /16/ и /17/ на графике фиг. 6. Из графика следует, что несколько первичных пульсаций тока, изображенных кривыми /16/ графика, время протекания которых примерно полсекунды, необходимых для одновременного обеспечения в камере: магнитной поверхности /4/ полоидальной конфигурации, разогревания и ионизации ядерного топлива, формирования из него плазменного витка /5/, а последующие пульсации тока, согласно кривым /17/ графика, протекающие, например, за три секунды каждая, длительное время обеспечивают пульсирующий режим плазменного витка, постоянно находящегося в теплоизоляции на осевой окружности радиуса “R”. Величина значений тока и продолжительность его пульсаций в обмотке /2/ реактора обеспечивается изменением частоты вращения оси /14/, кинематически соединенной, например, с электромеханическим приводом, не изображенным на чертежах фиг. 7 и 8 индукционного преобразователя. Совместно с осью /14/ вращаются закрепленные на ней два ротора /12/ и /13/ переменной магнитопроводности, через которые проходит поступающий из концов сердечника /9/ первичной катушки /8/ созданный ею постоянный магнитный поток, преобразуемый далее вращающимися роторами в плавно нарастающие и резко спадающие пульсации магнитного потока, который, проходя по сердечнику магнитопровода /11/ в витках вторичной катушки /10/, возбуждает индуцированный пульсирующий ток высокого напряжения и постоянного направления, питающий через зажимы /7/ обмотку /2/ реактора, в камере которого протекает плазменный процесс управляемого термоядерного синтеза. Вокруг каждого витка обмотки /2/ возникают магнитные силовые линии /3/, которые /направление их по правилу буравчика/, суммируясь на периферии внутренней поверхности камеры /1/, образуют магнитную поверхность /4/ полоидальной конфигурации, градиент напряженности которой убывает до минимума в радиальных, по сечению камеры, направлениях от стенки к ее осевой окружности радиуса “R”, образуя на ней кольцевую магнитную яму. За короткие промежутки нескольких пульсаций тока /кривые /16/ на фиг. 6/ ядерное топливо в камере /1/ разогревается индуцированным электрическим полем до полной ионизации ее атомов, в результате которой носители электрических зарядов, образующие плазму, движущиеся хаотически с тепловыми скоростями по камере, пересекают силовые линии полоидальной конфигурации магнитной поверхности /4/ и мгновенно, под воздействием лоренцевых сил, искривляют траекторию своего движения, направляясь в магнитную яму расположенную по осевой окружности радиуса “R” камеры, и при попутном движении между собой, сближаясь, формируются в плазменный виток /5/, в котором текущий по направлению стрелки /П/ плазменный ток, образует вокруг него, собственными силовыми линиями, свое магнитное поле /6/, сжимающее поток /5/ в поперечном сечении, уменьшая его радиус “a” с разогревающим уплотнением плазмы. Вокруг плазменного витка /5/, при этом, возникает вакуумное пространство толщиной, равной разности радиусов /r – a/, являющееся тепловой изоляцией его от стенки камеры. Время пульсаций тока в обмотке /2/ более чем достаточно для процесса формирования плазменного витка /5/ из частиц плазмы за весьма малые доли секунды. Поскольку в обмотке /2/ и в плазменном витке /5/ токи встречного направления, обозначенные на чертежах буквами /Р/ и /П/, а их силовые линии магнитных полей /4/ и /6/ одностороннего направления, то такие токи отталкиваются друг от друга, в результате чего плазменный виток /5/, находясь в окружении витков обмотки /2/ испытывают, в радиальных направлениях по сечению камеры, силы взаимного отталкивания, которые постоянно и удерживают его в устойчивом равновесии в магнитной яме на осевой окружности радиуса “R” камеры. Для пояснения этого на плоскости продольного разреза участки камеры /см. фиг. 4/ изображены некоторые траектории движения электронов и положительных ионов /протонов/, соответственно обозначенные буквами “Э” и “И”, показывающие качественную физическую картину начального процесса формирования плазменного витка, на которой изображенные полуокружности силовых линий полоидальной магнитной поверхности /4/, перпендикулярно расположенные к плоскости чертежа, выходят из него у внутренней стенки и огибая осевую окружность радиуса “R”, входят в плоскость чертежа у ее внешней стенки, с которыми в результате взаимодействия движущиеся с тепловыми скоростями частицы плазмы направляются в магнитную яму, формируясь при попутном движении между собой в плазменный виток /5/. Необходимо отметить, что направление тока в плазменном витке /5/, указанное стрелкой /П/, не зависит от первоначального направления движения частиц плазмы и определяется только направлением силовых линий полоидальной магнитной поверхности /4/. Значение минимальной величины пульсирующего тока “I1” /см. фиг. 6/, текущего в обмотке /2/ реактора, достаточно для поддержания требуемой напряженности полоидальной конфигурации магнитной поверхности /4/, необходимой для удержания сформированного плазменного витка /5/ в равновесии по осевой окружности камеры, обеспечивающего условия теплоизоляции плазмы. Последующие пульсации тока в обмотке /2/, согласно кривым /17/ на /фиг. 6/, индуцируют электрическое поле в плазменном витке /5/, под воздействием силы которого виток может длительное время ускорять свое круговое вращение по осевой окружности камеры, постоянно накапливая кинетическую энергию. Величина пульсаций тока питающего обмотку /2/, находится в прямой, а продолжительность их в обратной зависимости от частоты вращения оси /14/, изменение частоты которой определяет режим управления работы реактора. При достаточной затрате электропитания пульсирующего тока высокоэнергетичные электроны и протоны из коллектива частиц полностью ионизированной плазмы при соударениях между собой вступают в начальные ядерные реакции и выделяемая энергия в условиях теплоизоляции плазменного витка /5/ способствует саморазогреванию ядерного топлива. Таким образом, одна обмотка со спирально-продольными витками, питаемая через индукционный преобразователь пульсирующим током постоянного направления с изменяемой величиной и продолжительностью его пульсаций, используемая в предложенном реакторе, обеспечивает в нем управляемый режим разогревания ядерного топлива до полной ее ионизации с меньшей затратой энергии, высокоэнергетичные частицы которой из общего их числа последовательно вступают в термоядерную реакцию, поддерживая ее продолжение саморазогреванием плазменного витка в условиях его теплоизоляции, который совместно с витками спирально-продольной обмотки составляют вторичную и первичную обмотки безжелезного трансформатора, находящиеся между собой в индуктивной взаимосвязи. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 25.04.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 35-2003
Извещение опубликовано: 20.12.2003
|
||||||||||||||||||||||||||
