СПОСОБ И СИСТЕМА ДОСТАВКИ КРИОГЕННОЙ ТОПЛИВНОЙ МИШЕНИ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
METHOD AND SYSTEM FOR DELIVERY OF CRYOGENIC FUEL TARGET FOR CONTROLLED INERTIAL FUSION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе доставки криогенной топливной мишени (далее - КТМ) для управляемого инерциального термоядерного синтеза.
Уровень техники
В настоящее время известны различные средства для создания системы бесконтактного позиционирования и перемещения криогенной топливной мишени (КТМ), что представляет собой одну из важнейших задач в общей программе инерциального термоядерного синтеза (ИТС).
В патенте США №5017549 (опубл. 21.05.1991), выданном на электромагнитную пусковую установку на эффекте Мейсснера, предложено ускорять сверхпроводящий снаряд с помощью бегущей магнитной волны, генерируемой в линейном электромагнитном ускорителе. Такой способ ускорения отличается нестабильностью движения сверхпроводящего снаряда в поперечном движению направлении. При достаточно малом (меньше 10 мкм) зазоре между стенкой снаряда и ускоряющей трубкой трение стенки снаряда о стенку трубки вызывает нежелательный нагрев снаряда, что приведет к порче КТМ; в случае же большого зазора возникает риск расклинивания снаряда внутри трубки с остановкой движения.
В статье И.В. Ванга и Ж.Д. Ройстона «Сверхпроводящий ускоритель снарядов» (X.W. Wang and J.D. Royston. Superconducting Projectile Accelerator // Superconductivity and Applications, Edited by H.S.Kwok et al. Plenum Press, New York, 1990, pp. 727-734) представлены результаты по разработке и тестированию ускорителя, в котором используется сверхпроводящая направляющая трубка (ствол) и магнитный снаряд (магнитный диполь). До момента включения ускоряющих сил снаряд подвешивается внутри сверхпроводящего ствола, при этом контакт магнитного снаряда со стенками сверхпроводящего ствола отсутствует. Для успешного ускорения снаряда применяются электромагнитные катушки с импульсной подачей энергии. Однако движение магнитного диполя (магнитного снаряда) в этой системе неустойчиво в продольном направлении, поскольку при притяжении разноименных полюсов магнитов имеет место фазовая неустойчивость. Так, если магнитный диполь немного отстанет от ускоряющего его бегущего токового импульса, то он будет оказываться во все меньшем поле импульса, и, в конечном итоге, навсегда отстанет от него. Если же магнитный диполь излишне приблизится к нему, то он будет попадать во все большее поле и все сильнее притягиваться к импульсу, в конечном итоге его обгонит, а затем развернется на 180°. Это является серьезной проблемой при доставке КТМ, так как длина ускорителя составляет более 5 м.
Недостатки систем, основанных на ускорении магнитных снарядов (магнитных диполей), детально обсуждаются в работе S. Dolya. Acceleration of magnetic dipoles by a sequence of current-carrying turns. Technical Physics 59 (11), 1694 (2014). Кроме того, система «сверхпроводящий ствол + магнитный снаряд» требует обеспечения необходимой симметрии: коаксиальности сверхпроводящего ствола и электромагнитных катушек, а также центральной симметрии при установке магнитного снаряда в центре системы ускорения.
В патенте РФ №2727925 (опубл. 27.07.2020), который можно считать наиболее близким аналогом данного изобретения, предложен способ доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором размещают каждую криогенную топливную мишень в носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода; вводят носитель на стартовую позицию в транспортном канале, оборудованном системой из электромагнитного ускорителя в виде магнитного рельса, ускоряющих соленоидов и управляющей схемы; разгоняют носитель со стартовой позиции с помощью электромагнитного ускорителя за счет последовательного возбуждения управляющей схемой ускоряющих соленоидов в процессе левитации носителя над магнитным рельсом. Кроме того, в этом документе описана система доставки КТМ для управляемого ИТС, содержащая транспортный канал, предназначенный для перемещения носителей, каждый из которых выполнен в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода, а в транспортном канале имеется электромагнитный ускоритель, выполненный в виде магнитного рельса, предназначенного для левитации носителей, и ускоряющих соленоидов, установленных друг за другом вдоль оси магнитного рельса и последовательного переключаемых управляющей схемой. Данная система позволяет избежать таких рисков, как: а) поперечная нестабильность движения носителя, б) порча КТМ из-за теплопритока от трения носителя о стенки, в) расклинивание носителя, г) загрязнение атмосферы самой реакторной камеры движущим газом.
Однако данная система достаточно сложна, поскольку транспортный канал в этой системе имеет длину не менее 5 м, а размещенный в нем электромагнитный ускоритель требует не менее 200 ускоряющих соленоидов.
Раскрытие изобретения
Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является преодоление недостатков ближайшего аналога и достижение технического результата в виде уменьшения габаритов и сложности применяемой системы и, соответственно, упрощение реализуемого в ней способа.
Для решения данной задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ доставки криогенной топливной мишени для управляемого инерциального термоядерного синтеза, в котором: размещают каждую криогенную топливную мишень в носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода; вводят носитель на стартовую позицию в замкнутом транспортном канале, оборудованном электромагнитным ускорителем в виде магнитного рельса, по меньшей мере двух соленоидов, охватывающих магнитный рельс, и управляющей схемы; разгоняют носитель со стартовой позиции в замкнутом транспортном канале с помощью электромагнитного ускорителя за счет последовательного возбуждения управляющей схемой соленоидов в процессе левитации носителя над магнитным рельсом; направляют криогенную топливную мишень из разогнанного до заданной скорости носителя с выпускной позиции в замкнутом транспортном канале в камеру управляемого инерциального термоядерного синтеза.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве сверхпроводника второго рода могут использовать высокотемпературный сверхпроводник второго рода.
При этом еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что на поверхности носителя могут закреплять по меньше мере одно кольцо из сверхпроводящего кабеля.
Кроме того, еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в носителе могут предусматривать гнездо из теплоизолирующего материала для размещения в нем криогенной топливной мишени.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложена система доставки криогенных топливных мишеней для управляемого инерциального термоядерного синтеза, содержащая: замкнутый транспортный канал, оборудованный электромагнитным ускорителем в виде магнитного рельса, по меньшей мере двух соленоидов, охватывающих магнитный рельс, и управляющей схемы и предназначенный для обеспечения левитации носителей, каждый из которых выполнен в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода и в каждом из которых размещена криогенная топливная мишень; замкнутый транспортный канал имеет стартовую позицию, предназначенную для введения носителя, и выпускную позицию, предназначенную для направления криогенной топливной мишени из разогнанного до заданной конечной скорости носителя в камеру управляемого инерциального термоядерного синтеза; управляющая схема выполнена с возможностью последовательного переключения соленоидов.
Особенность системы по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что замкнутый транспортный канал может содержать линейные участки, вдоль которых установлены соленоиды электромагнитного ускорителя.
Другая особенность системы по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что управляющая схема может содержать: оптопары, каждая из которых установлена внутри электромагнитного ускорителя и смещена от соответствующих соленоидов в направлении перемещения носителя на расстояние, не превышающее длины этого носителя; конденсаторы, каждый из которых одной своей обкладкой соединен с первым выводом соответствующего соленоида; электронные коммутаторы, каждый из которых выполнен с возможностью переключать другую обкладку соответствующего конденсатора с шины питания на второй вывод соответствующего соленоида при прерывании сигнала с выхода соответствующей оптопары.
Еще одна особенность системы по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что управляющая схема может быть выполнена с возможностью переключать соленоид, установленный непосредственно перед выпускной позицией, в режим торможения носителя при достижении им заданной скорости в процессе разгона.
При этом в системе по второму объекту настоящего изобретения может быть предусмотрено средство выгрузки носителя из замкнутого транспортного канала после освобождения этого носителя от криогенной топливной мишени.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 приведен вид в продольном сечении носителя с криогенной топливной мишенью, используемого в настоящем изобретении.
На Фиг. 2 и 3 показаны схемы двух вариантов системы по второму объекту настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
Способ доставки криогенной топливной мишени (далее - КТМ) для управляемого инерциального термоядерного синтеза по первому объекту настоящего изобретения реализуется в системе по второму объекту настоящего изобретения.
Применяемый в данном изобретении носитель криогенной топливной мишени раскрыт в ближайшем аналоге (патент РФ №2727925) и показан на Фиг. 1. Такой носитель 1 имеет корпус в виде цилиндра из полимерного материала с полостью для размещения КТМ 2. Ссылочной позицией 3 обозначен слой из сверхпроводника второго рода, которым может быть высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП) второго рода, например, из сверхпроводящей керамики или на основе сверхпроводящей эпитаксиальной пленки. Этот слой 3, как видно из Фиг. 1, охватывает корпус носителя 1 снизу. Однако выполнение носителя может быть и иным, например, частицы сверхпроводника могут быть включены в полимерный материал корпуса, либо весь корпус носителя 1 может быть изготовлен из сверхпроводника и иметь цилиндрическую форму. Сверхпроводник играет роль левитирующего материала. Для осуществления ускорения носителя с КТМ в электромагнитном поле снаружи носителя 1 намотан соленоид 4 (по меньше мере одно кольцо) из сверхпроводящего провода. Для снижения перегрузок мишенное гнездо 5 в носителе КТМ выполнено в виде конуса. Гнездо 5 может быть выполнено из теплоизолирующего материала.
Данный носитель 1 используется в системе доставки КТМ для управляемого инерциального термоядерного синтеза, два варианта выполнения которой показаны на Фиг. 2 и 3, где одинаковые элементы имеют одни и те же ссылочные позиции.
0
Вариант выполнения, показанный на Фиг. 2, может быть использован для доставки КТМ в камеру экспериментальной лазерной установки инерциального термоядерного синтеза, работающей в однократном режиме. На Фиг. 2 показаны носители 1 с размещенными в них КТМ 2, перемещающиеся по замкнутому транспортному каналу 6, содержащему магнитный рельс и охватывающие его соленоиды 7. Направление перемещения носителей помечено стрелками. Запускающий соленоид 8 предназначен для вброса носителя КТМ в транспортный канал 6 с заданной начальной скоростью v; тормозящий соленоид 9 служит для торможения носителя и включается в тот момент, когда скорость носителя достигнет заданной величины. За счет этого КТМ 2 в позиции 10 по инерции отделится от носителя 1, теряющего скорость в магнитном поле соленоида 9, и по трубке 11 полетит в камеру 12. Ссылочной позицией 13 помечен датчик пролетающей КТМ 2. Стрелки 14 условно показывают импульсы лазерного излучения, поступающие одновременно с приходом КТМ 2 в центр камеры 12.
Вариант выполнения системы по второму объекту настоящего изобретения, показанный на Фиг. 3, пригоден как для однократного, так и для частотного вброса мишеней в экспериментальную или реакторную камеру. По сравнению с обозначениями, одинаковыми с Фиг. 2, на Фиг. 3 добавлен отводной магнитный рельс 15, ведущий в камеру 12, механический тормоз 16 и накопитель 17 отработанных носителей 1.
Как показали эксперименты, выполнение замкнутого транспортного канала чисто кольцевым недостаточно для достижения технического результата. Для реализации движения по окружности с помощью ускоряющего соленоида необходимо было обеспечить определенный угол между осью носителя и осью соленоида в момент подачи на него ускоряющего импульса. В проведенных авторами экспериментах он составлял 45°. Это налагает требование развернуть носитель 1 перед его торможением, чтобы вылетающая по инерции КТМ 2 двигалась в требуемом направлении. Именно поэтому необходимо было изменить форму замкнутого магнитного рельса таким образом, чтобы он состоял как из секторов кольца, так и из прямолинейных участков, на которых и будут размещаться ускоряющие соленоиды с током. Прямолинейные части необходимы для того, чтобы добиться условий, когда оси носителя и соленоидов коллинеарны (α=0°), что обеспечивает более эффективный процесс электромагнитного ускорения носителя и упрощает вброс КТМ в камеру.
Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется в системе по Фиг. 2 следующим образом.
0
После ввода носителя 1 в транспортный канал 6 вблизи запускающего соленоида 8 поданный на него от управляющей схемы (не показано) импульс придает носителю 1 начальную скорость v, с которой этот носитель начинает движение по транспортному каналу 6. Это движение происходит по тому же принципу, что и в ближайшем аналоге (патент РФ №2727925): носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода, левитирует над магнитным рельсом, проходящим по всему транспортному каналу 6, не соприкасаясь ни с какими поверхностями. Проходя очередной соленоид 7, которых в системе может быть два и более, носитель 1 получает дополнительное ускорение за счет подачи на этот соленоид импульса с управляющей схемы. Магнитное поле магнитного рельса удерживает носитель КТМ на круговых отрезках транспортного канала 6.
После достижения носителем 1 необходимой скорости инжекции КТМ 2 (в проведенных экспериментах эта скорость составляла 200 м/сек, но может быть и иной в зависимости от реальных требований) носитель 1 тормозится тормозящим соленоидом 9, а КТМ 2 по инерции продолжает полет со скоростью инжекции по трубке 11 по направлению к камере 12. В варианте по Фиг. 2 роль запускающего и тормозящего соленоидов 8 и 9 могут играть ускоряющие соленоиды 7, что упростит схему ускорителя.
Система по второму варианту выполнения, показанному на Фиг. 3, пригодна для неоднократного (частотного) вброса КТМ 2 в камеру 12. Для этого добавлен прямой отрезок 15 магнитного рельса к камере 12, а также механический тормоз 16 и накопитель 17 отработанных носителей 1. Тормозящий соленоид 9 может состоять из двух отдельных катушек. В этом случае носитель 1 ускоряется с помощью соленоидов 7 до тех пор, пока его кинетическая энергия не возрастет настолько, что преодолеет магнитный барьер в том месте, где от замкнутого магнитного рельса отходит прямой отрезок 15 магнитного рельса. После этого носитель 1 полетит по касательной к круговому отрезку вдоль магнитного рельса 15, где скорость носителя 1 будет снижена в тормозных соленоидах 9 и произойдет инерционное отделение КТМ 2 от носителя (КТМ 2 по инерции сохраняет свою скорость, тогда как носитель 1 теряет скорость в магнитном поле соленоидов 9). Далее КТМ 2 продолжит свой полет и инжектируется внутрь камеры 12. Носитель 1 также продолжит свой полет, но с меньшей, чем КТМ 2, скоростью и перед камерой 12 механический тормоз 16 направит его в сборник 10 носителей.
Отметим, что в обоих вариантах выполнения имеется датчик 13 пролетающей КТМ 2, сигнал с которого синхронизирует подачу импульсов 14 лазерного излучения в камеру 12 в тот момент, когда КТМ оказывается в центре камеры 12. Датчик 13 может быть выполнен, к примеру, на основе блоков, состоящих каждый из диодного короткоимпульсного лазера и быстродействующего матричного фотоаппарата. Таких блоков должно быть минимум 4. Два блока располагаются один от другого на известном расстоянии, являющемся измерительной базой. Два других располагаются в перпендикулярной плоскости, причем координаты их осей и базовое расстояние должны быть близки к таковым для первой пары. Ключевым элементом всей схемы является электронный блок, где осуществляется обработка поступающих с камер изображений с необходимой скоростью и точностью. Конкретное выполнение датчика 13 может быть и иным, как известно специалистам, и не входит в объем притязаний по настоящему изобретению.
Специалистам понятно, что, поскольку в данном изобретении используется криогенная топливная мишень и носитель в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода, в системе по второму объекту настоящего изобретения по необходимости наличествует теплообменный гелий, предназначенный для охлаждения элементов электромагнитного ускорителя и носителя, а также трубчатый теплообменник, который обеспечивает охлаждение стенки транспортного канала и содержащихся внутри него упомянутых теплообменного гелия и электромагнитного ускорителя до требуемых температур (Т<20 K). Однако эти признаки имманентны любой подобной системе, а потому не входят в объем притязаний по настоящему изобретению.
Управляющая схема, не показанная на чертежах, может быть выполнена так же, как в ближайшем аналоге (патент РФ №2727925), т.е. содержащей: оптопары, каждая из которых установлена внутри электромагнитного ускорителя и смещена от соответствующих соленоидов в направлении перемещения носителя на расстояние, не превышающее длины этого носителя; конденсаторы, каждый из которых одной своей обкладкой соединен с первым выводом соответствующего соленоида; электронные коммутаторы, каждый из которых выполнен с возможностью переключать другую обкладку соответствующего конденсатора с шины питания на второй вывод соответствующего соленоида при прерывании сигнала с выхода соответствующей оптопары.
Доставка носителя 1 в транспортный канал 6 может быть осуществлена различными способами. Например, носители 1 могут подаваться через вертикально установленную цилиндрическую трубку, нижний конец которой изгибается против направления перемещения носителей в транспортном канале 6 и открывается в непосредственной близости к запускающему соленоиду 8. Носители 1 загружаются поочередно в эту трубку своим открытым концом (с КТМ 2) вверх. Трубка выполнена из внешней теплозащитной трубки и внутренней тефлоновой трубки для снижения трения носителя 1 о стенки, причем между тефлоновой и теплозащитной трубками циркулирует теплообменный гелий. Перед нижним концом трубки установлен магнитный тормоз (например, в виде соленоида) для замедления движения носителя перед вбросом в транспортный канал 6. Могут использоваться и более сложные конструкции, обеспечивающие введение носителя 1 в замкнутый транспортный канал (см., например, статью [E.R. Koresheva et al. 2009 Laser and Particle Beams 27 255]).
Таким образом, в настоящем изобретении достигается технический результат в виде уменьшения габаритов и сложности применяемой системы и упрощения реализуемого в ней способа.