УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ РЕАКЦИИ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА

Предлагаемая полезная модель относится к области ядерной физики и технике высоких плотностей энергии и может быть использована для повышения интенсивности ядерных реакций и осуществления энергетически выгодных реакций ядерного синтеза.
Известен способ осуществления реакций термоядерного синтеза, при котором ядерные реакции осуществляются во встречных пучках, налетающих на мишень, при этом реакция осуществляется в особых средах, имеющих упорядоченную внутреннюю структуру, например, монокристаллах. По указанному способу проводят каналирование встречных пучков ускоренных ядер внутри монокристалла таким образом, чтобы столкновение этих ядер происходило на траектории каналирования. (Патент Российской Федерации №2237297.)
Известный способ имеет недостатки, связанные с необходимостью использования дорогостоящих бездефектных монокристаллических мишеней, а также невозможностью осуществления таких реакций ядерного синтеза, при которых энергия, получаемая в результате протекания реакции, превышает энергию, затраченную на ускорение пучков, т.е. энергетически выгодных реакций.
Известны системы на встречных пучках - установки, в которых осуществляются столкновения встречных пучков заряженных частиц, ускоренных электрическим полем. Для увеличения интенсивности реакций
производится накопление частиц пучков в накопительных кольцах. Изоляция частиц пучков от стенок установок производится с помощью магнитного поля. (Г.И.Будкер. Собрание трудов. Гл. 5. "Встречные пучки и накопители." "Наука", М. 1982. 576 С., прототип.)
14
-3
Недостатком прототипа является низкая предельно достижимая концентрация частиц в пучках, ограниченная действием объемного заряда пучков. Максимальная концентрация частиц в пучках определяется потоком Бриллюэна и для современных систем магнитного удержания не превышает 10 м. Вследствие указанного недостатка прототип не может быть использован для осуществления энергетически выгодных ядерных реакций.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу повышения максимально достижимой концентрации заряженных частиц во взаимодействующих пучках на несколько порядков и, как следствие этого, повышения интенсивности ядерных реакций, что позволяет в том числе осуществлять энергетически выгодные реакции ядерного синтеза.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для осуществления управляемой реакции ядерного синтеза, представляющем собой систему на встречных пучках, содержится вакуумная система, ускорители заряженных частиц, накопители заряженных частиц, связанные с ускорителями, система управления пучками и один и более коллайдеров, каждый из которых выполнен в виде полого канала из диэлектрического материала и закреплен в заземленном металлическом корпусе.
Сущность полезной модели состоит в том, изоляция пучков от стенок коллайдера осуществляется посредством электростатического поля, возникающего при электризации диэлектрической стенки в результате взаимодействия пучков с поверхностью стенки канала. Электризация стенок коллайдера осуществляется самоорганизованно с пучком таким образом, что электростатическое поле заряженной стенки обеспечивает прохождение пучков внутри коллайдера без ионизационных потерь энергии на его стенках. При увеличении концентрации частиц в пучках увеличивается объемный заряд пучков, прижимающий заряженные частицы к стенкам коллайдера. Совместное действие прижимающей силы со стороны объемного заряда пучков и отталкивающей силы со стороны заряженной диэлектрической поверхности стенки коллайдера приводит к тому, что поперечное сечение пучков уменьшается в направлении по нормали к стенке. В результате формируются пучки, двигающиеся в узком приповерхностном слое эквидистантно поверхности стенки, т.е. скользящие пучки. Нейтрализация электрического заряда пучков осуществляется с помощью внешнего заземленного металлического экрана, окружающего коллайдер.
Как известно, интенсивность ядерных реакций, протекающих в системе на встречных пучках, прямо пропорциональна произведению концентраций частиц в пучках. При одинаковой концентрации частиц в обоих встречных пучках интенсивность ядерной реакции прямо пропорциональна квадрату концентрации. Физическим пределом, ограничивающим концентрацию частиц в пучках в предлагаемой полезной модели, является электрическая прочность
диэлектрика стенки коллайдера. Максимальная суммарная концентрация заряженных частиц n во встречных скользящих пучках, создающих электрическое поле, не превышающее электрической прочности диэлектрика, может быть оценена по формуле:
0
0
где ε - электрическая постоянная, Е - электрическая прочность диэлектрика, из которого выполнена внутренняя стенка коллайдера, e - элементарный заряд. Эквивалентная равномерная по объему цилиндрического коллайдера с радиусом R максимальная концентрация частиц в пучках n оценивается по формуле:
-2
-3
20
21
-3
12
14
Современные диэлектрические материалы имеют электрическую прочность до 10 В/м. При использовании цилиндрического коллайдера с радиусом сечения R~10-10 м в предлагаемом устройстве может быть достигнута концентрация частиц 10-10 м, что на 6-7 порядков превышает предел по объемному заряду, ограничивающий максимально достижимую концентрацию заряженных частиц в современных системах на встречных пучках. В свою очередь в этом случае интенсивность ядерных реакций увеличивается в 10-10 раз. При осуществлении в такой полезной модели, например, реакции:
4
d+t→He+n+17,6 Мэв
может быть получена удельная выходная тепловая мощность до 10 Вт/м при затраченной на проведение реакции удельной мощности 10 Вт/м, т.е. может быть осуществлена энергетически выгодная реакция ядерного синтеза. При этом
управление выходной тепловой мощностью реакции осуществляется путем регулирования количества частиц в пучках, накапливаемых в системе. Схема предлагаемого технического решения показана на фиг.1. Устройство для осуществления управляемой реакции ядерного синтеза представляет собой систему на встречных пучках и содержит вакуумную систему 1, ускорители заряженных частиц 2, накопители ускоренных заряженных частиц 3, систему управления пучками 4 и один и более коллайдеров 5, каждый из которых выполнен в виде полого диэлектрического канала 6, закрепленного в заземленном металлическом корпусе 7.
-4
Работа предлагаемой полезной модели осуществляется в следующей последовательности. С помощью вакуумной системы 1 в объеме устройства создается вакуум с остаточным давлением не выше 10 Па. Пучки ускоренных заряженных частиц, полученные с помощью ускорителей 2, и имеющих энергию, достаточную для осуществления требуемой ядерной реакции, направляются в накопители 3. Из накопителей пучки с помощью системы управления пучками 4 выводятся в один и более коллайдеров 5 навстречу друг другу. В объеме коллайдеров 5 происходит столкновение встречных пучков с протеканием требуемой ядерной реакции. Реакция ядерного синтеза осуществляется во встречных пучках реагирующих заряженных частиц, скользящих вдоль диэлектрической поверхности канала 6. Частицы пучков, не прореагировавшие при однократном прохождении объема коллайдеров 5, с помощью системы управления пучками 4 направляются в накопители 3 и принимают участие в последующих столкновениях пучков. Столкновения
встречных пучков в устройстве происходят многократно. При этом максимальная суммарная концентрация частиц во встречных пучках в коллайдере ограничивается электрической прочностью диэлектрика, из которого выполнен канал 6. Нейтрализация электрического заряда пучков осуществляется с помощью заземленного металлического корпуса 7.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение концентрации во встречных пучках ускоренных заряженных частиц, без применения дорогостоящих монокристаллических мишеней. По сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение максимально достижимой концентрации заряженных частиц во взаимодействующих пучках ускоренных заряженных частиц на несколько порядков и, как следствие этого, повышение интенсивности ядерных реакций, что позволяет в том числе осуществлять энергетически выгодные реакции ядерного синтеза.