УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В СГУСТКЕ СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ И ЕГО УПРАВЛЯЕМОЙ ЭМИССИИ В СТРОГО ОПРЕДЕЛЕННОМ НАПРАВЛЕНИИ ПО А.А. НАХАБЕ

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы, в частности, к устройствам, которые удерживают плазму и регулируют ее дальнейшую эмиссию и может быть использовано в транспортной и энергетической областях как основа для альтернативной энергетической установки, плазменного двигателя и защитного ионного экрана, но окончательное практическое использование этого изобретения зависит от уровня развития ядерной физики, в частности от возможности искусственного инициирования цепной ядерной или термоядерной реакций в небольшом количестве ядерного или термоядерного топлива (при массе топлива меньшей его критической массы).
Известно, что основная проблема создания систем для использования энергии ядерной и термоядерной реакций - это проблема эффективного удержания высокотемпературной плазмы. На сегодняшний день только магнитное поле может эффективно изолировать высокотемпературную плазму от внешней среды. Поэтому возникла необходимость создания электромагнитных устройств, которые были бы способными удерживать плазму и управлять ею. Но современные технологии позволяют удерживать термоядерную плазму лишь на доли секунды и не позволяют полноценно управлять ею, поэтому пока еще не имеют практического значения.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является сферический токамак, который также представляет собой камеру, которая состоит из сверхпроводящих обмоток, но в этом токамаке, в отличие от предложенного устройства, плазма создается и удерживается в виде плазменного шнура тороидной формы [1, 2, 3].
Недостатком такого устройства является низкая плотность созданной им плазмы, и ее недостаточная стабильность, что не позволяет длительно
удерживать высокотемпературную плазму и эффективно ее использовать. Второй недостаток - слишком большие размеры обмоток токамака для относительно небольшого магнитного потока, созданного ими, что не позволяет создавать магнитное поле достаточной плотности для длительного удержания ядерной и тем более термоядерной плазмы.
В основу изобретения поставлена задача разработки устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, в котором за счет оригинального конструктивного решения обеспечивается максимальное сближение боковых поверхностей обмоток 4, 5 и 6 камеры 1, что создает более герметичное магнитное поле, а за счет уменьшения размеров камеры до нескольких сантиметров при сохранении высокой силы тока в сверхпроводящих высокоиндуктивных обмотках значительно увеличивается плотность магнитного потока и создаются условия для эффективного продолжительного удержания пусть и небольшого количества (несколько мм 3) ядерной или термоядерной плазмы.
Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, устройство для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении представляет собой камеру 1 сферической формы с отверстиями 2, в центре которой расположенный реакторный отсек 3, камера 1 состоит из сверхпроводящих электромагнитных обмоток конической формы, среди которых экваториальные обмотки 4, полушарные обмотки 5 и две полярных обмотки 6, причем канал в любой из полярных обмоток шире канала в любой из экваториальных или полушарных обмоток, во всех обмотках 4, 5 и 6 создается постоянное магнитное поле высокой плотности 7, северные полюса 8 которого направлены в центр реакторного отсека 3, где содержится высокотемпературная плазма 9, между обмотками 4, 5 и 6 и на месте их сердечников расположены каналы 10 для их криогенного охлаждения жидким гелием 11, камера 1 помещена в герметичный корпус 12 с водяным
барьером 13, обмотки 4 соединены параллельно и силу тока на них можно изменять.
В связи с радиальным расположением электромагнитных обмоток в сферической камере устройства, я предлагаю дать этому устройству и всем аналогичным ему дополнительное название - радиальная электромагнитосфера.
Перечень фигур чертежей и других иллюстративных материалов:
Фиг.1 - устройство для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, вертикальный продольный разрез;
Фиг.2 - фотография экваториальной части (состоящей из 120 экваториальных конических обмоток 4) камеры 1 устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении;
Фиг.3 - фотография камеры 1 устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, выполненная со стороны полярной обмотки 6;
Фиг.4 - фотография камеры 1 устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, выполненная со стороны полушарных обмоток 5;
Фиг.5 - фотография камеры 1 устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, выполненная со стороны отверстия, ведущего в реакторный отсек камеры 1 устройства сквозь центральный канал полярной обмотки 6;
Фиг.6 - фотография конической миниобмотки камеры 1 устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его
управляемой эмиссии в строго определенном направлении, на 1500 витков, выполненная из лакерованого медного провода диаметром 0,03 мм;
Фиг.7 - фотография камеры 1 устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, собранная из 24 конических миниобмоток (на 1500 витков каждая обмотка).
На фиг.1 схематично представлено устройство для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, вертикальный продольный разрез, где:
1 - камера;
2 - отверстия;
3 - отсек реакторный;
4 - обмотка коническая экваториальная с узким центральным каналом;
5 - обмотка коническая полушарная с узким центральным каналом;
6 - обмотка коническая полярная с широким центральным каналом;
7 - магнитное поле высокой плотности;
8 - полюс северный магнитного поля обмоток;
9 - плазма высокотемпературная;
10 - каналы для криогенного охлаждения обмоток;
11 - гелий жидкий;
12 - корпус герметичный;
13 - барьер водяной.
На фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, и фиг.7 представлены фотографии экспериментальных макетов устройства для удержания высокотемпературной плазмы в сгустке сферической формы и его управляемой эмиссии в строго определенном направлении, изготовленные автором, и на которых изучалась геометрия устройства и технология изготовления камеры 1 устройства из отдельных конических обмоток при минимальном оснащении и оборудовании.
Устройство состоит из камеры 1 сферической формы с отверстиями 2, реакторного отсека 3, сверхпроводящих электромагнитных экваториальных обмоток конической формы без сердечников с узким центральным каналом 4 (расположенных по экватору камеры 1), полушарных обмоток конической формы без сердечников с узким центральным каналом 5 (из которых состоят полушария камеры 1) и двух полярных обмоток конической формы без сердечников с широким центральным каналом 6 (расположенных по полюсам камеры 1), во всех этих обмотках создается постоянное магнитное поле высокой плотности 7 (северные полюса 8 которого направленные в центр реакторного отсека 3, где содержится высокотемпературная плазма 9), каналов 10 для криогенного охлаждения обмоток жидким гелием 11, и герметичного корпуса 12 с водяным барьером 13.
Устройство реализуется следующим образом. В центр реакторного отсека 3 вводится ядерное топливо в виде плазменного облака (например два электрода из металлического урана 235 вводятся в реакторный отсек 3, где между ними создается электрическая дуга, в ходе которой выделяются ионы урана и формируют в центре реакторного отсека 3 плазменное облако урана 235). После включения электромагнитных обмоток 4, 5 и 6 в центре реакторного отсека 3 с помощью облучения топлива нейтронами, протонами, электронами, или гамма- квантами инициируется цепная ядерная, а после нее при необходимости и термоядерная реакция (например, облучение центрального плазменного сгустка урана 235 медленными нейтронами одновременно из 350 источников, введенных через центральные каналы всех обмоток 4 и 5 и направленных в центр реакторного отсека 3, что инициирует быструю цепную ядерную реакцию деления ядер урана 235 при его массе менее 1 грамма). В ходе этой реакции образуются положительно заряженные частицы, отрицательно заряженные частицы, нейтроны и гаммы-кванты. Положительно- и отрицательно заряженные частицы удерживаются магнитным полем и формируют высокотемпературную плазму 9, нейтроны, пролетая сквозь магнитное поле, задерживаются водяным барьером 13,
образовывая при этом молекулы тяжелой воды, а другие высокоскоростные частицы без заряда частично задерживаются корпусом 12, а остальные вылетают за пределы устройства. Далее изменяя силу тока одновременно только в экваториальных обмотках 4, что перпендикулярны полярным обмоткам 6 с широким центральным каналом, регулируется эмиссия высокотемпературной плазмы через центральные каналы двух полярных обмоток 6 или во входную трубу магнитогидродинамического генератора для получения электроэнергии, или в камеру сгорания реактивного двигателя для получения реактивной тяги, или через отрицательно заряженное кольцо для создания защитного ионного экрана.
Устройство функционирует следующим образом - создается герметическое сверхплотное постоянное магнитное поле, в котором с помощью облучения радиоактивного топлива нейтронами, протонами, ускоренными электронами, или гамма- квантами инициируется цепная ядерная, а после нее, при необходимости, при достижении определенной температуры и наличия соответствующих топливных компонентов и термоядерная реакция. В этом магнитном поле под действием силы Лоренца задерживаются положительно- и отрицательно заряженные ионы и содержатся в виде высокотемпературной плазмы, далее при уменьшении силы тока одновременно только в экваториальных обмотках 4, начинается эмиссия плазмы через центральные каналы двух полярных обмоток 6 или во входную трубу магнитогидродинамического генератора для получения электроэнергии, или в камеру сгорания реактивного двигателя для получения реактивной тяги, или через отрицательно заряженное кольцо для создания защитного ионного экрана, при этом эмиссия плазмы обратно пропорциональна силе тока в экваториальных обмотках.
В сравнении с прототипом, предложенное устройство имеет ряд преимуществ:
- за счет создания и удержания плазмы в сгустке сферической формы, значительно повышается стабильность плазмы, которая создает условия для
более продолжительного удержания более плотной высокотемпературной плазмы;
- за счет экваториальных конических обмоток 4 с узким центральным каналом и изменяемой силой тока есть возможность регулированной эмиссии высокотемпературной плазмы в строго определенном направлении через центральные каналы полярных обмоток 6;
- за счет уменьшения размеров устройства значительно уменьшается количество энергии, необходимой для удержания высокотемпературной плазмы;
- за счет уменьшения размеров увеличение портативности устройства;
- за счет уменьшения размеров устройства значительно (в миллионы раз по сравнению с прототипом) уменьшаются экономические затраты на создание таких систем;
- за счет уменьшения размеров устройства уменьшается объем ядерной, или термоядерной плазмы, которая одновременно содержится в реакторном отсеке, который в случае аварийного взрыва представляет меньшую угрозу для окружающей среды и повышает безопасность этого устройства.
Литература:
1. Бунин В.А. Аппаратура для получения, удержания и нагрева плазмы. Г.,1966;
2. Бишоп, Амаса С.Проект Шервуд. Программа США по управляемому термоядерному синтезу. Под обш. ред. ак. Л.А.Арцимовича. Г., Атомиздат, 1960.
3. Киловатая Т.Г. Управление формой плазмы в токамаке. Харьковский физико-технический институт АН УССР ЦНИИ Атоминформ, 1989;