Термоядерный реактор
FUSION REACTOR

Изобретение относится к ядерной физике, а именно, к устройствам для осуществления термоядерных реакций синтеза и может быть использовано в ядерной энергетике.
Известен термоядерный реактор (Грачев Л.П. Есаков И.И. Мишин Г.И. Ходатаев К.В. Возможность осуществления термоядерного синтеза в резонансном стримерном СЧ-разряде высокого давления. Российская АН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, 1992, препринт N 1577, с. 50), включающий камеру, заполненную под давлением газом, например водородом, систему подачи текучего теплоносителя, размещенную вне упомянутой камеры, текучий теплоноситель, выходящий из упомянутой системы и входящий в преобразователь энергии, который установлен вне ранее указанной камеры, двухзеркальный открытый СВЧ-резонатор, помещенный внутрь камеры, причем зеркала СВЧ-резонатора установлены на расстоянии от внутренних стен камеры, которая выполнена прямоугольной формы и концентрично расположена внутри другой камеры, а зазор между ними заполнен текучим теплоносителем.
Недостатком этого технического решения является нестабильность плазменного облака и высокая скорость его остывания, обусловленная потерями энергии через излучение.
Наиболее близким по технической сущности является термоядерный реактор (Патент RU 2699243, МПК G21B 1/00, опубл. 04.09.2019, бюл. №25), содержащий вакуумную камеру, каналы подачи газообразных реагентов в камеру, входной и выходной коллекторы теплоносителя, охлаждающего вакуумную камеру, отличающийся тем, что вакуумная камера выполнена в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта пористым материалом, смачиваемым расплавленным литием, и образующая цилиндрический отражатель, в стенке полого цилиндра выполнены продольные каналы для охлаждающего теплоносителя, подаваемого в каналы с помощью входного коллектора и отводимого из каналов с помощью выходного коллектора, по оси торцевых сторон выполнены скользящие и изолированные вводы каналов подачи газообразных реагентов, к которым приложено постоянное напряжение, вызывающее пробой газового наполнения вакуумной камеры и формирование первичного плазменного шнура, с внешней стороны вакуумной камеры размещены СВЧ-излучатели для разогрева лития в пористом слое на внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры и магнитные системы, линии магнитного поля которых проникают внутрь вакуумной камеры и формируют воздействие на плазменный шнур в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры, которая установлена на роликовые подшипники, закрепленные в реакторе и обеспечивающие вращение вакуумной камеры вокруг продольной оси, с помощью электродвигателя и шестеренчатой пары цилиндрическая вакуумная камера приводит вращение вокруг продольной оси.
Недостатком этого технического решения является вращение вакуумной камеры вокруг продольной оси и, как следствие, наличие подвижных уплотнений вокруг неподвижных положительного и отрицательного электродов и арматуры подвода и отвода теплоносителя. Через уплотнения неизбежны потери дейтерия и трития из зоны синтеза, что затрудняет поддержание стабильности условий реакции синтеза.
Технической задачей изобретения является повышение стабильности поддержания реакции синтеза и температуры плазменного шнура.
Техническим результатом изобретения является снижение потерь энергии от излучения с поверхности плазменного шнура на корпус вакуумной камеры и снижение утечек дейтерия и трития из зоны синтеза, утилизация высокотемпературного тепла, упрощение конструкции.
Это достигается тем, что термоядерный реактор содержит вакуумную камеру, выполненную в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выстлана покрытием из пористого материала, смачиваемым расплавленным жидкометаллическим литием, и образующая цилиндрический отражатель, отрицательный и положительный электроды, расположенные в торцах вакуумной камеры и изолированные от вакуумной камеры, размещенные с внешней стороны вакуумной камеры пусковой подогреватель и магнитные системы, линии магнитного поля которых проникают внутрь вакуумной камеры и формируют воздействие на плазменный шнур в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры, согласно изобретению снабжен расположенным в верхней части вакуумной камеры и над ее внутренней поверхностью кольцевым эжектором для подачи расплавленного жидкометаллического лития и формирования цилиндрического отражателя, а также полостью сбора жидкометаллического лития, нагреваемой пусковым подогревателем, соединенной трубопроводом через циркуляционный насос и контурный теплообменник с кольцевым эжектором, при этом вакуумная камера расположена вертикально, а магнитные системы образуют кольцевые группы вокруг вакуумной камеры и расположены в виде вертикальной укладки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена функциональная схема термоядерного реактора.
Термоядерный реактор содержит вакуумную камеру 1, выполненную в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность 2 которого выстлана покрытием из пористого материала, смачиваемым расплавленным жидкометаллическим литием, полость сбора 3 жидкометаллического лития, пусковой подогреватель 4 лития, отрицательный 5 и положительный 6 электроды, расположенные в торцах вакуумной камеры 1 и изолированные от вакуумной камеры 1, магнитные системы 7, расположенные вне вакуумной камеры 1, хордоподобные линии магнитного поля которых проникают внутрь и формируют воздействие на плазменный шнур 8 в сторону оси цилиндрической вакуумной камеры 1, которая расположена вертикально, кольцевой эжектор 9 жидкометаллического лития расположен над орошаемой жидкометаллическим литием внутренней поверхностью 2 с покрытием из пористого материала вакуумной камеры 1 и образует цилиндрический отражатель, стекающий вниз жидкометаллический литий собирается в полости сбора 3, подогреваемой пусковым подогревателем 4. Магнитные системы 7, примыкающие к внешней поверхности вакуумной камеры 1 и образующие кольцевые группы вокруг цилиндрической вакуумной камеры, расположены в виде вертикальной укладки. Полость сбора 3 жидкометаллического лития соединена трубопроводом 10 через циркуляционный насос 11 и контурный теплообменник 12 с кольцевым эжектором 9, расположенным в верхней части вакуумной камеры.
Термоядерный реактор работает следующим образом.
Пусковой подогреватель 4 осуществляет подогрев и расплавление лития в полости сбора 3. После расплавления лития он через трубопровод 10 подается циркуляционным насосом 11 к кольцевому эжектору 9, откуда, орошая пористую структуру на внутренней поверхности 2, формирует цилиндрический отражатель. После формирования поверхности отражателя в вакуумную камеру 1 подается смесь газообразных реагентов, например, смесь водорода, дейтерия и трития, и при подаче высокого постоянного напряжения к отрицательному 5 и положительному 6 электродам происходит пробой в смеси газов и формирование первичного плазменного шнура 8, при этом начальная температура в плазменном шнуре 8 недостаточна для осуществления реакции синтеза.
Следующий этап работы термоядерного реактора заключается в постепенном повышении температуры в плазменном шнуре 8, что реализуется за счет омического нагрева плазменного шнура 8 путем подведения к отрицательному 5 и положительному 6 электродам постоянного напряжения. Термодинамическое состояние плазмы, находящейся в разряженной газовой среде, определяется только потерями энергии от излучения. Именно этот фактор потерь устраняется в предлагаемой конструкции реактора. Поскольку плазменный шнур 8 находится в центре цилиндрического зеркала, то большая часть теплового излучения от плазменного шнура 8 возвращается ему же. Такой способ условной теплоизоляции позволяет создать предпосылки для быстрого повышения температуры в плазменном шнуре 8 до температур начала реакций синтеза. Кроме того, постепенное увеличение напряженности магнитного поля в магнитных системах 7 в направлении сверху вниз позволяет увеличить силу сжатия плазменного шнура 8, т.е. уменьшить объем поперечного сечения плазменного шнура 8, и в соответствии с газовыми аналогиями увеличить его температуру, что способствует началу реакций синтеза.
Что касается стабильности плазменного шнура 8, то она обеспечивается магнитными системами 7, расположенными вне вакуумной камеры 1. Магнитное поле проникает внутрь вакуумной камеры 1 и на токопроводящий плазменный шнур 8 по правилу левой руки оказывает воздействие, направленное к оси цилиндрической вакуумной камеры 1.
В предлагаемом изобретении выполнение вертикального зеркала в виде жидкометаллического цилиндрического зеркала, кроме решения задачи повышения температуры плазменного шнура 8 за счет возврата части излучаемой энергии обратно плазменному шнуру 8, позволяет вывести выделившуюся теплоту из зоны ядерной реакции в зону теплотехнических преобразований и решить проблему утилизации высокотемпературного тепла.
Для этого, жидкометаллический литий, нагретый в результате поглощения части теплового излучения и поглощения энергии осколков ядерных реакций, с помощью циркуляционного насоса 11 первого контура подается в контурный теплообменник 12, где эта теплота передается теплоносителю второго контура, например воде. Следует отметить, что осколки ядерных реакций воздействуют на стекающий вниз литий, а не на твердую облицовку внутренней поверхности 2 вакуумной камеры 1, выполненную, например, из молибдена. В случае, взаимодействие осколков деления с молибденом может вызвать загрязнение реагентов внутри камеры 1 и срыв реакций, протекающих внутри нее. Для предотвращения этой ситуации, в контур циркуляции между полостью сбора 3 лития и кольцевым эжектором 9 может быть встроено, например, устройство очистки, что позволит обеспечить стабильные условия для осуществления реакций ядерного синтеза внутри вакуумной камеры 1.
При достижении температур ядерного синтеза в вакуумной камере 1 в плазменном шнуре 8 происходит слияние ядер газообразных реагентов с выделением огромного количества высокотемпературного тепла. Контролировать тепловыделение можно двумя путями. Во-первых, задавая концентрацию дейтерия и трития в вакуумной камере 1, и, во-вторых, управляя условиями, необходимыми для существования реакций синтеза. Один из вариантов второго направления заключается в управлении продолжительностью реакции синтеза. Если начало реакции определяется многими факторами и является, по сути, случайным, фиксируемым скачком теплового излучения, то окончание однозначно определяется снятием постоянного напряжения с отрицательного 5 и положительного 6 электродов. При этом по плазменному шнуру 8 перестает протекать ток и перестают действовать силы, сдавливающие плазменный шнур 8. Расширяясь, плазма выбрасывается на литиевое покрытие внутренней стенки вакуумной камеры 1, испаряя часть лития и естественно охлаждаясь. Эти факторы: уменьшение концентрации и снижение температуры, неизбежно вызывают срыв реакции синтеза. Такой времяимпульсный принцип работы термоядерного реактора позволяет контролировать его тепловую мощность в требуемых пределах.
Повышение стабильности плазменного шнура достигается за счет создания в цилиндрической вакуумной камере хордообразных линий магнитного поля с нарастающей напряженностью в направлении сверху вниз и создания постоянного тока в плазменном шнуре.
Повышение температуры плазменного шнура достигается за счет удержания шнура на оси цилиндрической камеры и в фокусе цилиндрического отражателя, обеспечивая возврат большей части теплового излучения назад плазменному шнуру.
Выполнение вакуумной камеры в виде неподвижного вертикального цилиндра и введение кольцевого эжектора позволяет упростить конструкцию реактора за счет исключения механических элементов, приводящих во вращение вакуумную камеру, и снизить утечки дейтерия и трития из зоны синтеза за счет отсутствия подвижных уплотнений в конструкции.
Использование изобретения позволяет снизить потери энергии от излучения с поверхности плазменного шнура на корпус вакуумной камеры, снизить утечки дейтерия и трития из зоны синтеза, утилизировать высокотемпературное тепло, упростить конструкцию.