СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ТОРОИДАЛЬНОГО ТОКА АСИММЕТРИИ ПРИ СТАЦИОНАРНОЙ РАБОТЕ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
PROCEDURE FOR GENERATION OF TOROID CURRENT OF ASYMMETRY AT STATIONARY OPERATION OF THERMONUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе, в радиационном материаловедении, для исследований в физике космической плазмы.
Известен способ создания неиндукционного тока в замкнутых магнитных ловушках типа «Токамак», работающих в импульсном режиме, при помощи бутстреп-тока, см., например, М.Kikuchi, M.Azumi, S.Tsuji, H.Kubo, Nuclear Fusion, 1990, V.30, P.343. Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока близка к нулю вблизи магнитной оси установки. Такое распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы в магнитной ловушке типа «Токамак». В связи с этим для стационарной работы термоядерного реактора типа «Токамак» вблизи оси установки необходимо генерировать каким-либо образом дополнительный так называемый «затравочный» ток, что усложняет практическую реализацию токамака-реактора, работающего в стационарном режиме.
Известен способ создания неиндукционного тока в замкнутых магнитных ловушках типа «Стелларатор» при помощи бутстреп-тока, см., например, М.Fujiwara, H.Yamada, A.Ejiri et al.. Nuclear Fusion, 1999, V.39, P.1659.
Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока близка к нулю вблизи магнитной оси установки. В ловушках типа «Стелларатор» такое распределение бутстреп-тока усложняет проблему устойчивой работы реактора. В термоядерном реакторе типа «Стелларатор» ток, протекающий вблизи магнитной оси ловушки, может упростить решение проблемы устойчивой работы установки.
Наиболее близким техническим решением является способ генерации неиндукционного тока при стационарной работе самоподдерживающегося термоядерного реактора, смотри R.J.Bickerton, J.W.Connor and J.B.Taylor, Natural physical science 229, 110 (1971), B.B.Kadomtsev, V.D.Shzfranov, in Proceedings of the 4th International Conference on Plasma Physics and Controlled nuclear Fusion Research (Vienna: IAEA, 1971) Vol.2, P.479.
В этом способе для создания стационарного термоядерного реактора на основе системы «Токамак» предлагалось использовать в основном бутстреп-ток. При этом создают ловушку со стационарным тороидальным магнитным полем, заполняют ее плазмой с плотностью и температурой, необходимыми для осуществления самоподдерживающихся термоядерных реакций, и генерируют бутстреп-ток.
Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока близка к нулю вблизи оси установки. Такое распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы. В связи с этим для стационарной работы реактора вблизи оси установки необходимо генерировать каким-либо образом дополнительный так называемый «затравочный» ток. Что усложняет реализацию и увеличивает стоимость стационарного термоядерного реактора.
Также известно техническое решение по патенту РФ №2019874, МПК 5 G21B 1/00
Заявка: 5025109/25, 30.01.1992
(46) Опубликовано: 15.09.1994
Российский научный центр "Курчатовский институт"
«СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ ТОРОИДАЛЬНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК ТИПА ТОКАМАК».
Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке установок управляемого термоядерного синтеза. Сущность изобретения: для упрощения поддержания стационарного тока в токамаке и других тороидальных системах электронам плазмы передают дополнительный импульс от электронов пучка, проникающего в центр плазмы. Это достигается при взаимодействии двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков. Источники плазмы расположены на ее краю, а электроны инжектируются вдоль магнитного поля. Расположение источников плазмы и ее параметры выбирают из условия I1>I2>Ip/n, где Ip - ток в плазме; n - число прохождений пучков вокруг тора; I1, I2 - токи пучков. Кроме этого, необходимо, чтобы энергия частиц пучков была больше тепловой энергии плазмы.
Недостатком известного решения является то, что плотность бутстреп-тока вблизи оси установки мала. Такое распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы. Использование взаимодействия двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков усложняет реализацию и увеличивает стоимость стационарного термоядерного реактора.
Техническим результатом предложенного изобретения является использование механизма генерации тороидального тока асимметрии с максимальной плотностью вблизи магнитной оси установки, что исключает необходимость создания «затравочного» тока внешними устройствами, за счет чего упрощается конструкция и повышается экономичность работы стационарного термоядерного реактора.
Для достижения технического результата в способе генерации тороидального тока асимметрии при стационарной работе термоядерного реактора создают ловушку со стационарным тороидальным магнитным полем, заполняют ее плазмой с плотностью и температурой, необходимыми для осуществления самоподдерживающихся термоядерных реакций, и генерируют бутстреп-ток, и дополнительно генерируется тороидальный ток асимметрии с максимальной плотностью вблизи магнитной оси термоядерного реактора, величину которого регулируют изменением величины и радиального распределения плотности и температуры плазмы.
В способе генерации тороидального тока асимметрии при стационарной работе самоподдерживающегося термоядерного реактора осуществляют следующую последовательность операций.
Вакуумную камеру термоядерного реактора типа «Токамак» заполняют смесью дейтерия и трития. Внутри камеры создают тороидальное магнитное поле и возбуждают вихревое электрическое поле, осуществляют пробой газа, возбуждают омический (индукционный) ток, в результате чего камера установки заполняется плазмой. Регулируют величину вихревого электрического поля, величину поступающей в камеру из дополнительного устройства дейтерий-тритиевой смеси и, используя систему дополнительного нагрева ионов и электронов плазмы, достигают рабочих параметров плазмы. При появлении индукционного тока в плазме возникает как бутстреп-ток, так и новый ток асимметрии, величина которого растет по мере роста плотности и температуры плазмы до достижения стационарного режима. В стационарном режиме вихревое поле отключают и при этом омический ток исчезает. Ток асимметрии переносится всеми заряженными частицами: электронами, ионами основной плазмы, ионами примесей и α-частицами, образующимися в результате термоядерных реакций. Таким образом, как было обосновано, технический результат предложенного изобретения обеспечивает следующая совокупность существенных признаков.
Способ генерации тороидального тока асимметрии вблизи магнитной оси термоядерного реактора при стационарной работе термоядерного реактора, заключающийся в том, что используются частицы, перемещающиеся вблизи магнитной оси термоядерного реактора по траекториям, описываемым уравнением
4
2
2
2
2
ε-2Jε+ςεcosθ+(J-ςG)=0,
20
-3
где ε - отношение текущего радиуса к большому радиусу токамака, θ - полоидальный угол, J - продольный инвариант, G - величина, связанная с поперечным инвариантом, ς - нормированный ларморовский радиус, причем величину тороидального тока асимметрии регулируют изменением величины и радиального распределения плотности и температуры плазмы, при этом пределы изменения плотности составляют 0.5-5×10 м, пределы изменения температуры составляют 10-30 кэВ.
A
Проведем оценку тока усредненного по магнитной поверхности тока асимметрии <j>:
s

±
Здесь θ - полоидальная координата точки на магнитной поверхности, f - функция распределения частиц (ионов, электронов или α-частиц) с энергией Е,  - составляющая скорости частицы, направленная вдоль тороидального магнитного поля, , v - полная скорость частицы, G - величина, связанная с магнитным моментом частицы, ε=r/R, r и R - малый и большой радиусы тора, θ - полоидальная координата частицы. Расчеты показывают, что
где ς=2ρq/R, ρ - ларморовский радиус частицы с температурой Т, q - коэффициент запаса устойчивости, величина σ=±1 определяет знак продольной скорости в точке рождения частицы на магнитной поверхности ε.
+
-
-
Из формул (2) и (3) видно, что существует такой диапазон изменения параметра G≤G≤G, в котором частица с σ=+1 является пролетной, а частица с σ=-1 - запертой. Так как запертые частицы дают малый вклад в тороидальный ток, то ясно, что пролетные частицы из указанного диапазона изменения G создают тороидальный ток, который назван током асимметрии. Токи пролетных частиц с G>G, движущихся в противоположных направлениях, в значительной степени компенсируют друг друга. Так как второй и третий интегралы в фигурных скобках (1) вычисляются в области, где частицы запертые, то из (1), (2) и (3) следует, что
Из (4) и (5) видно, что плотность тока асимметрии максимальна вблизи магнитной оси (ε=0) установки и уменьшается к периферии плазмы.
Таким образом видно, что генерация тороидального тока асимметрии определяется специфическими особенностями движения заряженных частиц в тороидальных магнитных полях.
Появление тока вблизи магнитной оси установки исключает необходимость создания «затравочного» тока при помощи внешних устройств.
Величина тока асимметрии возрастает с ростом плотности и температуры плазмы. Суммарный ток асимметрии в установке создается всеми заряженными частицами: электронами, ионами основной плазмы, ионами примесей и термоядерными α-частицами. Ток асимметрии в любой тороидальной замкнутой ловушке направлен таким образом, что он увеличивает вращательное преобразование. Это означает, что в токамаке направление тока асимметрии совпадает с направлением омического тока.
Важной характеристикой, определяющей параметры системы генерации безындукционного тока, является доля тока, создаваемого естественными механизмами, например бутстреп-током (в сферических токамаках эта доля может достигать 80-90%). Чем выше эта доля, тем проще и дешевле дополнительные системы генерации тока, основанные, например, на использовании электронной циклотронной и нижнегибридной частот, или при помощи инжекции быстрых атомов.
4
2
2
2
2
Практически реализация предложенного решения поясняется приведенными ниже параметрами работы и соотношениями используемых регулируемых величин. А именно: в предложенном способе генерации тороидального тока и полоидального магнитного поля в токамаке для обеспечения стационарной работы термоядерного реактора дополнительно генерируют тороидальный ток асимметрии с максимальной плотностью вблизи магнитной оси термоядерного реактора с использованием частиц, перемещающихся вблизи магнитной оси термоядерного реактора по траекториям, описываемым уравнением ε-2Jε+ςεcosθ+(J-ςG)=0,
где ε - отношение текущего радиуса к большому радиусу токамака, θ - полоидальный угол, J - продольный инвариант, G - величина, связанная с поперечным инвариантом, ς - нормированный ларморовский радиус.
-2
-3
-2
-3
-3
Указанное изобретение иллюстрируется чертежом, где по осям отложены безразмерные величины x/а и y/а, отношение величин x и y к величине малого радиуса токамака, х/а и у/а изменяются от 0 до 1, кривая «1» рассчитана для J=2.05×10 и G=2.07×10, а кривая «2» - для J=2.05×10 и G=5.8×10 и ς=3.5×10, причем радиальные распределения описываются соотношениями
где переменными параметрами являются ν и µ, при этом µ=0.5ν, ν изменяется от 1 до 4, а - малый радиус токамака.
20
-3
Для изложенного выше величина тока асимметрии регулируется изменением величины и радиального распределения плотности и температуры плазмы, при этом пределы изменения плотности составляют 0.5-5×10 м, пределы изменения температуры составляют 10-30 кэВ.
Таким образом, генерация тороидального тока асимметрии исключает необходимость создания «затравочного» тока, что упрощает конструкцию и увеличивает экономичность стационарного термоядерного реактора.
Численные расчеты в обосновании способа естественной генерации тороидального тока, например, для проектируемого международного токамака-реактора ITER показывают, что плотность тока асимметрии вблизи магнитной оси установки сравнима с плотностью омического тока, т.е. ток асимметрии совместно с бутстреп-током могут практически полностью заменить омический ток при работе стационарного токамака-реактора. Отметим, что величина тока асимметрии в реакторе типа «Стелларатор» сравнима с током асимметрии в реакторе типа «Токамак» при близких плазменных и геометрических параметрах. Таким образом, генерация тороидального тока асимметрии исключает необходимость создания «затравочного» тока, что упрощает конструкцию и увеличивает экономичность стационарного термоядерного реактора.