ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЯДЕРНЫХ НЕЙТРОНОВ
PULSED THERMONUCLEAR NEUTRON GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к области нейтронной техники, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов при взаимодействии нуклидов тяжелого водорода и может быть использовано, как элемент систем дистанционного радиационного контроля, имитатор нейтронных полей термоядерного реактора и других ядерных устройств, работающих в импульсно- периодическом режиме.
В работе [1], описан общий принцип генерации термоядерных нейтронов в плазменных системах, при реализации которого накачка энергии в плазму, содержащую нуклиды тяжелого водорода, осуществляется в импульсно- периодическом режиме с помощью мощного лазерного излучения или потоков ускоренных ионов или электронов.
Для повышения эффективности генерации нейтронов в подобных импульсных плазменных системах можно использовать идею магнито-инерционного удержания плазмы. Для этого наиболее перспективным средством формирования магнитного поля представляется пробочная ловушка Будкера - Поста с двумя симметрично расположенными идентичными катушками с токами одинаковой направленности в которой могут осуществляться термоядерные реакции с генерацией нейтронов, описанная в работах [2-3].
Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому является импульсная плазменная система, способная реализовать, по мнению ее авторов, магнито- инерциальный термоядерный синтез в плазме, образуемой при фокусировке мощного лазерного излучения на твердотельную мишень, содержащую изотопы тяжелого водорода [4].
Магнитное поле в области нагреваемой плазмы также формируется с помощью ловушки Будкера - Поста. Это техническое решение может быть выбрано в качестве прототипа.
Основным его недостатком является использование твердотельной плазмообразующей мишени. Это приводит к затруднениям осуществления термоядерной реакции в импульсно- периодическом режиме, а также к высокому расходу трития и дейтерия.
Техническим результатом предлагаемого устройства является создание условий для эффективной генерации нейтронов в импульсно-периодическом режиме и уменьшении расхода нуклидов тяжелого водорода.
1
A
K
A
K
Этот результат достигается тем, что в прототип, содержащий магнитную ловушку в виде системы из двух, соосно расположенных на расстоянии d друг от друга, одинаковых катушек с индуктивностью L и с радиусом а, подключенных к генератору импульсов тока, введены инжектор изотопов тяжелого водорода с поперечной апертурой h, направленный в сторону центра магнитной ловушки перпендикулярно ее оси симметрии, с подключенным к нему блоком запуска и синхронизации, а также импульсный источник напряжения, подключенный к двум идентичным диодам для ускорения протонов, размещенным напротив друг друга и состоящих из анода в виде сектора сферы радиуса R с коэффициентом прозрачности 0,85≤κ≤0,95 и заземленного катода в виде сектора сферы радиуса R, симметрично охватывающего анод, при этом радиусы R и R удовлетворяют условию:
таким образом, что каждый из них находится внутри телесного угла
где параметр p=d/2а- выбирается в пределах
2
ф
к
к
1
2
2
-1/2
2
-1/2
между каждым анодом и магнитной ловушкой симметрично ее центру размещены две идентичные фокусирующие катушки с индуктивностью L и радиусом R≈R(1+p) на расстоянии Н≈2Rp(1+p) от друг от друга, также подключенные к генератору импульса тока, а блок запуска устройства и синхронизации соединен с генераторами импульсов высокого напряжения и импульсов тока, снабженного накопительной емкостью С, при этом на значение С и на индуктивности L и L накладываются условия:
0
0
A
K
1
2
где М - масса протона, е - элементарный электрический заряд, μ - магнитная проницаемость вакуума, U - максимально допустимое значение амплитуды импульса ускоряющего напряжения на диодных зазорах при заданных значениях R и R, U - напряжение зарядки емкости С, w и w - числа витков соответственно каждой из катушек магнитной ловушки и каждой из фокусирующих катушек.
Фокусирующие катушки могут быть размещены в оболочках из изоляционного материала, на поверхности которых расположены изолированные друг от друга вставки из металла с большим коэффициентом электронной эмиссии для улучшения условий компенсации объемного заряда протонов.
Аноды насыщены изотопами тяжелого водорода со стороны их внутренних поверхностей.
На фиг. 1 представлена схема расположения элементов импульсного генератора термоядерных нейтронов с инжектором изотопов тяжелого водорода. Она содержит следующие позиции: 1 - герметичный корпус рабочего объема генератора нейтронов, 2 - изоляционные электрические вводы, 3 - фокусирующие катушки, 4 - инжектор, 5 - катушки магнитной ловушки, 6 - катод, 7 - анод, 8 - вакуумный насос, 9 - блоком запуска и синхронизации, 10 - генератор импульса тока, 11 - генератор импульсов высокого напряжения.
Один из вариантов реализации импульсного инжектора изотопов тяжелого водорода может представлять собой лазерный источник ионов с плазмообразующей мишенью, насыщенной тяжелым водородом с конической полостью, ось которой направлена к центру магнитной ловушки. Для обеспечения подвода к пушке лазерного излучения в корпусе устройства предусмотрено герметичное оптическое окно.
На фиг. 2 представлена схема расположения элементов импульсного генератора термоядерных нейтронов с лазерным источником ионов с плазмообразующей мишенью. Она содержит следующие позиции: 1 - герметичный корпус рабочего объема генератора нейтронов, 2 - изоляционные электрические вводы, 3 - фокусирующие катушки, 4 - мишень, 5 - катушки магнитной ловушки, 6 - катод, 7 - анод, 8 - вакуумный насос, 9 - блоком запуска и синхронизации, 10 - генератор импульса тока, 11 - генератор импульсов высокого напряжения, 12 - лазер, 13 - линза, 14 - окно.
Другой вариант реализации импульсного инжектора изотопов тяжелого водорода может представлять собой импульсный плазменный ускоритель, например «рельсотрон».
На фиг. 3 представлена схема расположения элементов импульсного генератора термоядерных нейтронов с плазменным ускорителем. Она содержит следующие позиции: 1-герметичный корпус рабочего объема генератора нейтронов, 2-изоляционные электрические вводы, 3-фокусирующие катушки, 4-плазменный ускоритель, 5-катушки магнитной ловушки, 6-катод, 7-анод, 8-вакуумный насос, 9-блоком запуска и синхронизации, 10-генератор импульса тока, 11-генератор импульсов высокого напряжения, 12-блок питания и запуска плазменного ускорителя, 13-хранилище дейтерий- тритиевой смеси.
Для ускорения процесса нагрева плазмы при передаче энергии от ускоренных протонов электронам устройство может дополнительно содержать генератор потока газа с большим порядковым номером в таблице Менделеева (например ксенона или паров йода). При этом концентрация электронов в ловушке может быть увеличена почти на 2 порядка.
Устройство работает следующим образом.
От блока управления подается сигнал на запуск импульсного инжектора изотопов дейтерия и (или) трития и образуется струя этих изотопов, направленная в сторону магнитной ловушки. Время непрерывной генерации направленного потока изотопов тяжелого водорода составляет примерно неск. мкс. Одновременно осуществляется запуск импульсного генератора тока и формирование магнитного поля в рабочем объеме генератора. За несколько десятков не до достижения максимального значения индукции магнитного поля происходит запуск импульсного источника высокого напряжения, в качестве которого может быть использована линия Блюмляйна или генератор Аркадьева- Маркса. Длительность высоковольтного импульса U(t) при этом может лежать в диапазоне (50-100) нс.
У поверхности катода, а также у металлических вставок на оболочках фокусирующих катушек создается сильное электрическое поле, обеспечивающее условия для эффективной эмиссии электронов, ускоряемых к аноду и осциллирующих в прилегающей к нему области с образованием виртуального катода. Под действием электронной бомбардировки анодного электрода происходит его нагрев, десорбция тяжелого водорода из области насыщения, образование прианодной плазмы, извлечение из нее нуклидов водорода и их ускорение в сторону виртуального катода к магнитной ловушке.
Из решения самосогласованного уравнения Пуассона получается следующее выражение для возможной приближенной зависимости суммарного тока протонов, рассеиваемых в плазме, внутри магнитной ловушки и обеспечивающих ее нагрев:
A
где I - ток Альвена, m, М - соответственно массы электрона и протона, с-скорость света.
1,2
Согласно представленным схемам, на катушки 3 и 5 подаются импульсы тока I(t) которые можно аппроксимировать синусоидами, с амплитудами
Для обеспечения магнитной локализации ускоренных дейтронов в объеме ловушке в поперечном направлении необходимо, чтобы максимальный ларморовский радиус дейтрона в ловушке не превышал диаметр катушки:
где М- масса дейтрона, е- элементарный электрический заряд,
0
1
- амплитуда индукции магнитного поля в центре ловушки, μ- магнитная постоянная, w- число витков в катушке. Подставляя выражения (8) и (10) в неравенство (9) приходим к условию (6).
На фиг. 4 представлено расчетное семейство распределений амплитуд магнитного поля вдоль оси симметрии устройства - B(p, z). Компьютерный анализ показал что ближние к центру максимумы достигаются в местах расположения катушек магнитной ловушки-
а удаленные максимумы соответствуют местам расположения фокусирующих катушек-
Для того, чтобы все ускоренные в диодах нуклиды водорода попали в ловушку, необходимо выполнение условия:
которое вытекает из адиабатической инвариантности отношения кинетической энергии поперечного движения нуклида водорода к индукции магнитного поля [3], а также геометрических условий (2), (4), (5).
Подставляя в (13) выражения (11)и(12)с учетом (8), приходим к условию (7).
Попадая во внутреннюю область магнитной ловушке ускоренные нуклиды рассеиваются и тормозятся в потоке изотопов водорода из инжектора, образовывая высокотемпературную плазму за счет нагрева электронной компоненты с последующей термолизацией.
Процесс торможения нуклида водорода в ловушке описывается следующим дифференциальным уравнением:
-2
где F(T) - функция энергетических потерь дейтрона в дейтерий- тритиевой смеси, V(t) - скорость ускоренных дейтронов в ловушке. Компьютерный анализ показал, что время перекачки энергии ускоренного потока нейтронов в плазму, образуемою в магнитной ловушке ~10 мс. На такой временной базе сам процесс формирования дейтронного потока в диодной системе можно считать мгновенным.
На основании приведенных выше соображений можно составить дифференциальное уравнение, описывающее процесс нагрева плазмы в ловушке:
1
где θ - температура (кэВ), n - суммарная концентрация изотопов водорода в плазме, t - время задержки между срабатыванием импульсного высоковольтного источника и запуском генератора потока изотопов водорода. Это дифференциальное уравнение решалось на компьютере.
4
Полученные зависимости температуры от времени позволили рассчитать поток термоядерных нейтронов генерируемых в предлагаемом устройстве. Был рассмотрен наиболее интересный случай, когда поток изотопов водорода, создаваемый инжектором, состоял из дейтериевого и тритиевого компонентов и для образования нейтронов используется ядерная реакция T(d,n)He. Поток термоядерных нейтронов из плазмы в полный телесный угол оценивался следующим образом:
5
12
Расчет показал, что при линейных габаритах устройства ~0.1 м, амплитуде ускоряющего импульса 5*10 кВ и длительности ~ 100 нс возможно получение до 10 нейтронов за импульс. Использование, разработанного авторами устройства малогабаритного генератора импульсного напряжения, способного реализовывать указанные электрофизические параметры с частотой до 10 Гц делает проект предлагаемого генератора нейтронов вполне конкурентоспособным по сравнению с известными классическими генераторами нейтронов.
Предлагаемое устройство позволяет при его использовании в качестве нейтронного генератора для решения задач элементного анализа, дистанционного ядерного контроля и т.д. существенно повысить ресурс его непрерывной работы по сравнению с классическими нейтронными генераторами с твердотельными нейтронообразующими мишенями. Кроме того предлагаемое устройство может послужить основой для создания малогабаритного управляемого термоядерного реактора, работающего в импульсно- периодическом режиме.
Источники информации
1. Лукьянов С.Ю., Ковальский Н.Г. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М., МИФИ, 1999, с. 391-424.
2. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М., Физматлит, 2005, с. 542-543.
3. Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях. М., Наука, 1978, с. 76-77.
4. Кузенов В.В., Рыжков СВ. Математическая модель взаимодействия лазерных пучков высокой энергии импульса с плазменной мишенью, находящейся в затравочном магнитном поле. Препринт №942 ИПМ РАН им. А.Ю. Ишлинского, 2010, с. 6-7. (прототип).
5. Вовченко Е.Д, Исаев А.А., Козловский К.И., Шиканов А.Е., Школьников Э.Я. Генератор ускоряющего напряжения для малогабаритных импульсных источников нейтронов. ПТЭ, 2017, №3, с. 60-64.