СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ОДНОТАКТНОГО ТЯЖЕЛОИОННОГО СИНТЕЗА
SYSTEMS AND METHODS FOR SINGLE-CYCLE HEAVY ION SYNTHESIS

Ссылка на родственные заявки
Данная заявка притязает на приоритет предварительной патентной заявки США 61/061593, поданной 13 июня 2008 г., озаглавленной «Heavy ion fusion» (за №ARCA0002PR в реестре патентного поверенного), которая в полном объеме включена сюда в порядке ссылки.
Область техники
В целом, изобретение относится к термоядерным энергетическим системам. В частности, изобретение относится к системам и способам однотактного тяжелоионного синтеза.
Уровень техники
Тяжелоионный драйвер, описанный в 1975 г. R.L.Martin и A.W.Maschke, использовал известные возможности высокоэнергичных РЧ (радиочастотных) ускорительных систем для накопления энергии ионного пучка в масштабе мегаджоулей и для фокусировки этой накопленной энергии на очень малых пятнах. Они показали, что малая длина пробега атомных ядер с высоким атомным числом (Z) и скоростью, равной половине скорости света, свидетельствует о возможности создания плотности энергии в малых мишенях, содержащих термоядерное топливо, что необходимо для инициирования малых, чисто термоядерных взрывов и выработки термоядерной энергии. Также они показали, что непрерывные накопленные пучки можно преобразовать во множественные сгустки, сжатые по длине и доставляемые к мишеням в виде импульсов малой длительности, чего требует динамика процессов инициирования и протекания термоядерной реакции.
Пучки протонов можно накапливать и поддерживать в течение длительного периода времени, поскольку протоны препятствуют процессам, в результате которых они отклоняются от своих управляемых траекторий, например лобовому или множественному рассеянию, и имеют низкую вероятность изменения своего заряда на 0 (нейтральный) или отрицательный (H-). С другой стороны, вероятность изменения зарядового состояния тяжелого иона за счет столкновения с атомом, оставшимся даже в очень высоком вакууме, требует генерации импульсов зажигания за долю секунды. Это согласуется с необходимостью для энергетической установки ICF (синтеза с инерционным удержанием) часто генерировать импульсы, и генерация импульсов много раз в секунду является обычным явлением для ускорительных систем. Однако необходимость в генерации импульса зажигания в течение ограниченного времени устанавливает ограничение на ускорительную технологию, которое исключает возможность применения установок медленной пульсации наподобие синхротронов.
Таким образом, в основе тяжелоионного синтеза (HIF) лежит несколько принципов:
- энергия каждого иона порядка гигаэлектронвольт обеспечивает средство генерации импульсных пучков, инициирующих термоядерную реакцию типа ICF с: гораздо более высокой полной энергией пучка, свойствами точной фокусировки и током пучка, необходимым для хорошо подтвержденных процессов;
- преобразование полного пучка для поджигающего импульса в короткий импульс, необходимый для процессов сжатия и зажигания топлива, является технической проблемой;
- вопросом экономики является стоимость крупных ускорителей частиц, что не соответствует традиционным идеям генерации электрической энергии;
- один ускоритель имеет возможность многократно превышать выход традиционной энергетической установки, что приводит к низкой стоимости в расчете на единицу энергии;
- благоприятные экономические условия обеспечиваются за счет выигрыша от этого с использованием сильного нагрева при высоких температурах для выработки водорода и синтеза легких видов топлива и снижения стоимости других энергоемких отраслей промышленности, например производства стали или алюминия.
Процессы усиления тока, используемые для генерации импульсов зажигания для тяжелоионного синтеза
Ускорение тяжелых ионов решает проблемы вложения энергии пучка порядка мегаджоулей в малые мишени для термоядерного синтеза. Энергия пучка также должна доставляться к мишеням в импульсах короткой длительности, например, порядка 10 наносекунд, согласованных с временным масштабом инициирования малых термоядерных взрывов, за счет быстрого сжатия и нагрева для зажигания, поэтому термоядерная реакция осуществляется до того, как сжатое и нагретое топливо разлетится. Используя процессы, проверяемые с помощью тех же аналитических приборов, которые лежат в основе конструкции всех успешных ускорителей, Martin, Maschke и др. привели примеры систем для перестроения пучков и доставки их к мишени в этом временном масштабе.
2
В основе повторяемой, надежной и эффективной генерации хорошо фокусируемых пучков ионов высокой энергии лежат физические “законы сохранения”, столь же универсальные, как более известные соотношения E=mc или F=ma. Эти физические ограничения, происходящие из той же основы, что и общеизвестные принципы термодинамики, сводятся к утверждению, что окончательная фокусируемость пучков не может превышать величину, заданную объемом “6-мерного фазового пространства”, заданным в начале процесса генерации пучка. Четыре из шести измерений этого “пространства” являются двумя традиционными, евклидовыми измерениями, поперечными направлению пучка, в совокупности с углами траекторий относительно номинального иона на оси и движущегося параллельно ей. Еще два измерения представляют собой разность между энергией частицы и номинальной (идеальной) энергией и ширину эллипса в фазовом пространстве на временной оси.
“Баллистическая” фокусировка пучков заряженных частиц аналогична фокусировке пучков света: размер пятна зависит от параллельности траекторий частиц, входящих в электромагнитную линзу, апертуры линзы и аберраций. Результат фокусировки пучка частиц, который имеет диапазон импульса в расчете на частицу, аналогичен “хроматической” аберрации при фокусировке света различных длин волны (или энергий фотона или “цветов”), графически показанной в виде спектра из призмы, и термин «хроматическая аберрация» также используется в “оптике пучков частиц”.
Отдельные процессы усиления тока и предложенные “точечные” конструкции HIF интенсивно изучались с 1975-80 гг. Удостоверение процессов уплотнения пучка приводили к символическому суммированию их отдельных вкладов, согласно следующему уравнению, где показано как полный ток пучка, доставляемого к результатам мишени, строится из тока, вырабатываемого одиночным источником ионов:
Мощность пучка на мишени является произведением тока частиц и энергии одной частицы. Для зажигания требуется мощность поджигающего импульса около 1 ПВт (один петаватт или один миллиард мегаватт). Такую мощность могут обеспечить, например, ионы с энергией 20 ГэВ при полном токе 50 кА (килоампер), распределенном между несколькими пучками.
Другое средство усиления конечного тока (предложенное в 1978 г. Burke) ускоряет ионы множественных изотопов. Этот способ эффективно умножает 6-мерное фазовое пространство, доступное конструктору, поскольку физическое ограничение применяется по отдельности к каждому изотопу. Многоизотопная техника призвана обеспечивать конструкционный запас и снижать давление на другие техники для усиления / сжатия / уплотнения пучка. Однако возможные пути использования этого дополнительного конструкционного фактора с наибольшей выгодой не были интенсивно исследованы, или лишь формально одобрены в международно обследованной “точечной” конструкции в 1995-97 гг.
Сущность изобретения
Однотактная система тяжелоионного синтеза включает в себя новую конфигурацию процессов умножения тока, которая применяет множественные изотопы для достижения желаемого эффекта распределения задачи усиления тока между всеми различными процессами, для ослабления нагрузки на любой отдельно взятый процесс, и для повышения запаса безопасности для надежной выработки энергии в режиме ICF (синтеза с инерционным удержанием). Энергия и мощность импульсов драйвера зажигания значительно увеличиваются, таким образом, увеличивая интенсивность нагрева мишени и позволяя легко достигать надежного зажигания. Данная конструкция устраняет необходимость в накопительных кольцах. Дополнительные инновации призваны обеспечивать драйверу HIF (тяжелоионного синтеза) гибкость для активации множественных камер в наиболее общем случае разных полных расстояний между выходом линейного ускорителя и каждой из различных камер. Использование множественных камер значительно увеличивает пропорциональные капитальные вложения и эксплуатационные затраты в расчете на единицу выработанной энергии, в свою очередь, снижая стоимость энергии для потребителей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема драйвера HIF и однотактной системы HIF.
Фиг.2 - схема камеры и защиты камеры от нейтронов с помощью литиевых башмаков и аэрозолей жидкого лития.
Фиг.3 - схема литиевого башмака, способного вызывать расширение в предпочтительных направлениях, например вдоль оси цилиндрического сосуда удержания.
Фиг.4 - схема защиты сферической реакционной камеры от нейтронов потоками лития.
Фиг.5 - схема окружения реакционной камеры на ранней стадии расширения литиевой плазмы приблизительно через одну миллисекунду после энергетического выхода термоядерного синтеза.
Фиг.6 - схематическая конфигурация для преобразования энергии в электричество посредством бесконтактного цикла дозаправки.
Фиг.7 - схема импульсного прямого преобразования энергии, предусматривающего технологию передачи, манипулирования и обработки для временных масштабов приблизительно 10 микросекунд.
Фиг.8 - схема реакционной камеры, где литий восстанавливается для приема энергетического выхода термоядерного синтеза, и вакуум восстанавливается для обеспечения распространения поджигающего импульса HIF (тяжелоионного синтеза).
Фиг.9 - схема цилиндрического сосуда удержания и первичных вспомогательных элементов, главным образом, первичных теплообменников, топливного инжектора и вакуумирования для выпуска продуктов реакции и части непрореагировавшего топлива.
Фиг.10 - обобщенная блок-схема драйвера HIF.
Фиг.11 - подробная блок-схема драйвера HIF, показанного на фиг.10.
Фиг.12 - схема источника, HVDC (постоянного тока высокого напряжения) и структуры пучка.
Фиг.13 - диаграмма, представляющая структуру импульса от источников изотопов и предускорителя HVDC.
Фиг.14 - диаграмма, представляющая структуру импульса в РЧ линейном ускорителе.
Фиг.15 - схема способа усиления тока за счет слияния микросгустков.
Фиг.16 - схема временной структуры пучка в секции линейного ускорителя, которая включает в себя перемежение микросгустков при удвоении частоты.
Фиг.17 - диаграмма, представляющая длины слагов и промежутки между ними с использованием трех разновидностей в порядке иллюстрации.
Фиг.18 - диаграмма, представляющая микросгустки, дифференцированно ускоряемые за счет смещения РЧ частоты.
Фиг.19 - диаграмма, представляющая концентрирование и остановку концентрирования.
Фиг.20 - диаграмма, представляющая дифференциальное ускорение за счет смещения РЧ частоты.
Фиг.21 - диаграмма, представляющая увеличение зазора между слагами за счет концентрирования.
Фиг.22 - схема спиральной линии задержки (HDL).
Фиг.23 - диаграмма, представляющая движение микросгустка после сглаживателя.
Фиг.24 - диаграмма, представляющая потенциальную минимальную длительность слага путем сглаживания.
Фиг.25 - диаграмма, представляющая сглаживание, обеспечивающее идеальный результат.
Фиг.26 - диаграмма, представляющая оптимальный эффект сглаживания.
Фиг.27 - диаграмма, представляющая время нарастания вобулятора по сравнению с временным зазором между слагами, имеющими большое различие в скорости.
Подробное описание
Однотактная система тяжелоионного синтеза включает в себя новую конфигурацию процессов умножения тока, которая применяет множественные изотопы для достижения желаемого эффекта распределения задачи усиления тока между всеми различными процессами, для ослабления нагрузки на любой отдельно взятый процесс и для повышения запаса безопасности для надежной выработки энергии в режиме ICF (синтеза с инерционным удержанием). Энергия и мощность импульсов драйвера зажигания значительно увеличиваются, таким образом, увеличивая интенсивность нагрева мишени и позволяя легко достигать надежного зажигания. Данная конструкция устраняет необходимость в накопительных кольцах. Дополнительные инновации призваны обеспечивать драйверу HIF (тяжелоионного синтеза) гибкость для активации множественных камер в наиболее общем случае разных полных расстояний между выходом линейного ускорителя и каждой из различных камер. Использование множественных камер значительно увеличивает пропорциональные капитальные вложения и эксплуатационные затраты в расчете на единицу выработанной энергии, в свою очередь, снижая стоимость энергии для потребителей.
Термоядерная энергетика
Имеются неоспоримые свидетельства того, что новый источник энергии, одновременно чистый и неограниченный, должен заменить ископаемые виды топлива примерно за десять лет и имеет возможность распространения, которая позволит человечеству развиваться, удовлетворяя его потребности в энергии и охране окружающей среды после 2050 года.
Источники термоядерного синтеза надлежащих размеров будут способны вырабатывать энергию, эквивалентную энергетической ценности "сверхгигантского" месторождения. Стоимость в расчете на единицу энергии, вырабатываемой источником тепла HIF, будет допустимой, чистой энергией на уровне или ниже текущей стоимости угля, поскольку один капиталоемкий драйвер термоядерного синтеза будет обслуживать совокупность энергетических камер. Стоимость источника тепла HIF будет сравнима со стоимостью разработки большого нефтяного месторождения, которому остается лишь немного до того, чтобы быть причисленным к категории сверхгигантских, и его годовые эксплуатационные расходы будут составлять, в первом приближении, 10% капитальных затрат в течение длительного срока эксплуатации. Стоимость сырья для изготовления топлива пренебрежимо мала, и стоимость топлива связана с капитальными затратами на системы обработки топлива.
В основе термоядерной энергетики лежат, по меньшей мере, три явления.
1. Прогнозируемость энергетического выхода синтеза
Физические основы динамического инициирования и протекания термоядерной реакции с инерциальным удержанием известны. Законы масштабного преобразования задают требования к интенсивности вложения энергии, величине энергии, сообщаемой в данное время данной массе вещества мишени. Уменьшение масштаба требует увеличения степени сжатия топлива. Сжатие является сложной задачей, но экспериментальные данные подтверждают компьютерные модели. Драйверы ICF (синтеза с инерционным удержанием), использующие пучки тяжелых ионов высокой энергии (драйвер HIF), позволяют избежать целого круга проблем. Одной из важных проблем является взаимодействие интенсивного лазерного света с веществом. Аналогично, ограничения на энергию импульса, частоту повторения и эффективность в десять раз сильнее для тяжелых ионов высокой энергии, чем для лазерных пучков.
2. Доступность операции драйвера тяжелых ионов высокой энергии
С 1970-х годов известно, что пучки тяжелых ионов высокой энергии (драйвер HIF) способны отвечать требованиям к энергетическому выходу синтеза. В течение трех последних десятилетий, развитие техники в широком круге областей, как то: электронике, управляющем программном обеспечении, программном обеспечении моделирования и конструирования и т.д., удалило время из расписания «to-go» для выработки термоядерной энергии.
3. Доступность чистой системы энергетических камер реактора
Хотя, в принципе, термоядерная энергия является более чистой и более изобильной, чем энергия деления ядра, она, тем не менее, является ядерной энергией. Конструкция реакционного сосуда должна избегать недостатков, связанных с активацией и ухудшением материалов нейтронами, образующимися в реакциях синтеза. Важным признаком подхода ICF (синтеза с инерционным удержанием) является расстояние отчуждения, достигаемое за счет формирования пучков поджигающих импульсов посредством носителей энергии, например ионов с высоким атомным числом или фотонов. Комплексное средство достижения энергетического выхода синтеза физически отделено от реакционного сосуда. Эта свобода конструкции для сосуда удержания допускает конфигурации, которые избегают активации и ухудшения материалов до такой степени, что сроки эксплуатации будут составлять, по меньшей мере, тридцать лет.
Пояснения новых и ключевых терминов
Применяемые в данном описании новые термины призваны устранять неоднозначность, которая неизбежно возникает в результате использования существующих терминов в новом контексте. В частности, “сжатие пучка”, “уплотнение пучка” и пр. применяются к процессу генерации пучка в целом и к каждому из этапов, составляющих процесс. В случае использования новых терминов мы условимся употреблять их с большой буквы. Помимо новых терминов, нижеследующий перечень включает в себя некоторые традиционные термины для пояснения возможных дополнительных значений и для удобства читателей.
Канал транспортировки пучка: Канал транспортировки пучка содержит конфигурацию магнитов, которые направляют пучок по вакуумной трубке, причем трубка включена. Некоторые дополнительные моменты выражены неявно: инструменты для измерения свойств пучка без их ухудшения; вакуумирования; источники питания; связанные органы управления и т.д.
LEBT: Это стоит за секциями канала транспортировки пучка для транспортировки пучка низкой энергии. Энергетический проект HIF (тяжелоионного синтеза) утверждает индустриализацию, в которой рабочие диапазоны не уходят далеко от номинальных значений конструкции, в отличие от поддержания гибкости многоцелевых исследовательских ускорителей, где применяется регулируемая транспортировка низкой энергии для согласования свойств передачи канала транспортировки пучка с пучками различных пучков, с использованием технологии источников, которая периодически меняется для поддержки развития исследовательской миссии, и т.д. Энергетический проект HIF осуществляет задачу транспортировки пучков при низкой энергии, но объединяет стадии ускорения для обеспечения компактности, повышения надежности за счет уменьшения числа деталей и некоторого снижения затрат.
Главное хронирование: Две части: 1. Абсолютное начало отсчета времени для координирования функций драйвера с функциями энергетической камеры синтеза и 2. Внутренняя координация высшего уровня для функций драйвера. Главное хронирование 1. инициируется сигнализацией от системы инжекции топлива, поскольку время отклика ускорителя гораздо меньше, чем для расписания прохождения контрольных точек для инжекции топлива. Главное хронирование 2. координируется гармоническими соотношениями между отдельными РЧ системами, которые осуществляют отдельные функции в процессе генерации пучка.
Сжатие или Уплотнение (в отношении пучка): Как и для всех драйверов ICF, целью процессов, используемых для генерации импульсов зажигания, является концентрация / сжатие / уплотнение мегаджоулей “вилочной” энергии в переносчике доставки драйвера, вносимой в кубические миллиметры вещества мишени за наносекунды.
Сжатие (в отношении термоядерного топлива): По определению, сжатие - это отношение плотности топлива в начале реакции синтеза к плотности топлива до сжатия. Сжатие является основной проблемой для технологий драйвера и классифицируется в течение десятилетий. Сжатие является ключом к критерию распространяющегося горения, что является средством для достижения высокого отношения выводимой энергии к вводимой энергии. Первичным механизмом распространяющегося горения является повторное вложение энергии, переносимой ядрами гелия, которые образуются в результате синтеза D-T. Это дает диапазон ядер гелия в топливе вокруг этой точки отсчета в качестве ключевого параметра для начала распространяющегося горения. Остановка ионов гелия и всесторонний теоретический анализ и моделирование, плюс военная технология и исследования по ICF позволили установить параметр, предусматривающий характеристический размер нагретой зоны и плотность топлива в этой зоне.
2
Плотность × Длина=rho•R=0,2-0,5 г/см
Параметр длины уменьшается с увеличением плотности. Для сферической геометрии (по аналогии с цилиндрической), масса, которую нужно предварительно нагреть для зажигания, если должно начаться распространяющееся горение, равна:
3
Масса=Объем × Плотность=(4/3)πR•rho
Параметр имеет ключевые следствия, в основном, требуемую степень сжатия топлива.
Что касается параметра распространяющегося горения, масса равна:
3
3
2
R•rho=(rho•R)/rho
Таким образом,
2
Масса=константа•rho.
Что касается характеристического размера, представляющего интерес в отношении технологических возможностей для ускорения распространяющегося горения:
3
2
R•rho=R•(rho×R)
Таким образом,
2
Масса=константа/R.
Энергия, которую нужно внести для повышения горения топлива, в ~kT раз превышает количество частиц в плазменном топливе стандартным образом. Для сокращения количества топлива, которое необходимо поджечь, для приведения окружающего топлива в состояние распространяющегося горения требуется увеличение плотности.
Из этих соотношений критическое преимущество обеспечивают тяжелые ионы, позволяющие осуществлять быстрое зажигание с помощью телескопирующих пучков. Например, Изотопические разновидности для Импульса быстрого зажигания можно выбирать для нагрева согласованной массы предварительно сжатого топлива.
Микросгусток: Пучок в ускорителе радиочастоты состоит из пакетов частиц пучка (ионов, электронов или других заряженных частиц). Каждый РЧ цикл ускорителя обеспечивает одинаковое ускорение для каждого микросгустка. Данный термин используется здесь взаимозаменяемо с термином “микроимпульс”.
Макроимпульс: Цепочка микросгустков.
Изотоп, Изотопические разновидности: Ионы, имеющие идентичные ядра.
Разновидности ионов: Изотопические разновидности, которые можно дополнительно идентифицировать зарядовым состоянием ионов.
Отель источников ионов: Объединенный кластер источников ионов, включающий в себя по одному для каждой разновидности, и для разновидностей как для импульса сжатия, так и для импульса быстрого зажигания (если применяется).
Предускоритель HVDC: Ускорение до высокой энергии осуществляется посредством РЧ процессов. Однако до того, как можно будет применять РЧ процессы, скорость пучка нужно повысить до значения, которое соответствует синхронной скорости, необходимой для практической структуры РЧ линейного ускорителя. Критические характеристики, сообщаемые пучку в его начале, сильно зависят от напряжения предускорителя.
Маркизный РЧ линейный ускоритель: Маркизный линейный ускоритель облегчает ускорение низкоскоростного пучка с преобладанием объемного заряда за счет устранения изгибания пучков на самой низкой скорости, где магнитные поля канализации и фокусировки канала транспортировки пучка наименее эффективны. Маркизная структура линейного ускорителя имеет массив параллельных дрейфовых трубок. Каждая трубка в маркизе переносит только одну изотопическую разновидность пучка. Массив дрейфовых трубок маркизного линейного ускорителя согласуется с шаблоном дрейфовых отверстий отеля источников и ускоряющей колонны в предускорителе HVDC. Пучки указанных изотопических разновидностей в массиве дрейфовых трубок перемещаются в запрограммированной временной последовательности. Пучки во временной последовательности, которые распространяются в параллельных пучковых трубках в маркизе, поступают в единую пучковую трубку (по одной на маркизу) для последующих процессов генерации импульсного пучка.
Телескопирование: Процесс, который ускоряет совокупность разных изотопов в отдельных макроимпульсах в последовательности, хронированной так, чтобы различные изотопические макроимпульсы телескопировались друг в друга для одновременного прибытия к мишени для термоядерного синтеза или с запрограммированной последовательностью времен прибытия, которая достигает желаемого энергетического профиля импульса зажигания. Пучки разных изотопных разновидностей распространяются в общем канале транспортировки пучка, со статическим магнитным управлением и фокусировкой, в результате ускорения разных изотопных разновидностей для соответственно различных энергий, чтобы все изотопы имели одинаковую магнитную жесткость как функцию массы иона, скорости и зарядового состояния. Телескопирование на топливной мишени способствует ускорению совокупности изотопических разновидностей, которое умножает 6-мерное фазовое пространство, доступное конструктору.
Телескопер: Последняя секция линейного ускорителя имеет возможность испускать разные изотопные разновидности с общей магнитной жесткостью. В связи с этим слаги различных изотопических разновидностей с разными массами имеют разные скорости, которые нужны для прибытия к мишени для термоядерного синтеза в указанной последовательности. Управляющая программа для формы волны РЧ телескопера регулирует временные зазоры между слагами в каждом импульсе зажигания так, чтобы различные слаги поступали согласно указанному расписанию на мишени из термоядерного топлива во множественных камерах на различных расстояниях от телескопера.
Объединение: Умножение тока в едином пучке путем направления одновременных, параллельных пучков в общий магнитный канал транспортировки пучка с сопутствующим увеличением поперечного эмиттанса.
Слаг: Макроимпульс одной из изотопических разновидностей, предназначенный для телескопирования пучков. Слаг формально идентичен Макроимпульсу. Термин “Слаг” или “Слаговые разновидности” или “Слаговый макроимпульс” используется во избежание путаницы.
Субслаг: Слаг может содержать небольшое количество (например, четыре) идентичных частей, именуемых субслагами. Субслаговая структура может создаваться стробирующим электродом на источнике ионов, “прерывателем пучка” на ранних участках ускорителя или их комбинацией. Субслаговая структура устанавливает ступени усиления тока Объединения и Петлевого накопления.
Слаговая цепочка: Полная последовательность изотопических слагов. Импульс зажигания может содержать более одной слаговой цепочки для обеспечения нагрева мишени для термоядерного синтеза пучками, приходящими к мишени с более чем одного направления. Изотопические разновидности и микросгустки в слагах разных слаговых цепочек идентичны, но последовательности промежутков между слагами в разных слаговых цепочках могут отличаться, если это необходимо для обеспечения разных длин полного канала транспортировки пучка к мишеням для термоядерного синтеза.
Петлевое накопление: Использует 360-градусный изгиб в канале транспортировки пучка для возвращения субслага к началу петли, параллельному входному каналу транспортировки пучка, синхронно со следующим субслагом. Результатом петлевого накопления является умножение количества каналов транспортировки пучка (например, однопетлевое накопление удваивает количество каналов транспортировки пучка) в процессе однократной циркуляции, в отличие от многовитковой инжекции в накопительных кольцах, которые накапливают пучки в поперечном фазовом пространстве в единичной дрейфовой трубке накопительного кольца.
Концентрирование: Процесс перемещения отдельных микросгустков в каждом слаге ближе друг к другу.
Крадлинг: Признак, запрограммированный в форму волны РЧ, предусматривающий динамический сдвиг частоты, в частности динамический сдвиг частоты, используемый для Концентрирования. Целью этого признака является максимизация эффективности Концентратора за счет обеспечения ему возможности использовать широчайший размах фаз вокруг пересечения нуля.
Концентратор: Секция ускорителя, осуществляющая процесс концентрирования.
Вращатель сгустков: Вращение сгустка относится к ориентации эллипса в фазовом пространстве. Вращать сгусток в этом смысле означает работать над сгустком с помощью электрических полей, изменяющихся во времени, благодаря чему ионы в сгустке, которые проходят точку в разные моменты времени, получают разные ускорения. При этом задача состоит в том, чтобы манипулировать неизменным объемом фазового пространства для сохранения фокусировки на пятно и одновременно манипулировать ионами пучка, чтобы они приходили в течение необходимой длительности импульса.
Согласно традиционным определениям продольного фазового пространства, по горизонтальной оси отложено время, и по вертикальной оси отложен импульс. Фазовое пространство совокупности частиц (в данном случае тяжелых ионов) является “константой движения”. В РЧ линейном ускорителе фазовое пространство сгустков эволюционирует в форме эллипса, который может расплющиваться по одной оси и соответственно растягиваться по другой оси.
Если сгусток длинный и тонкий (как изображенный на вышеупомянутом графике), это означает, что разброс импульса имеет относительно высокое значение, и разброс во времени, соответственно, должен иметь относительно низкое значение. Разброс импульса приводит к хроматическим аберрациям, которые не должны превышать некоторый предел (например, 1%), если сгусток фокусируется на малое пятно. Если разброс импульса слишком велик, хроматические аберрации могут быть параметром, определяющим размер пятна.
Если эллипсу в фазовом пространстве позволено дрейфовать, частицы с более высоким импульсом будут уходить вперед, и частицы с более низким импульсом будут отставать. В результате, эллипс будет испытывать деформацию сдвига вдоль оси.
Отражатель сгустков: Целью отражения является возврат эллипса в фазовом пространстве к исходным параметрам, чтобы он повторно подвергался деформации сдвига (описанной выше), когда сгусток живет и движется вперед. Процесс периодически повторяется, пока не получится сгусток, который должен идти в нужное место.
Тогда как “вращение сгустка” означает “размещение сгустка” на временной оси для минимизации разброса импульса за счет увеличения разброса во времени, отражение сгустка означает зеркальное отражение сгустка относительно любой из осей. Поскольку физически невозможно возвратить сгусток в исходную позицию во времени, физически, отражение осуществляется путем сдвиговой деформации сгустка под действием электрического поля - это означает, что передний конец, имеющий наибольший импульс в пределах разброса, отражается относительно оси в состояние с равным по величине и отрицательным значением импульса. Таким образом, частица на переднем конце, которая двигалась быстрее всех, становится самой медленной и начинает отставать, тогда как частица на заднем конце, которая была самой медленной, становится самой быстрой и начинает выдвигаться вперед.
В порядке иллюстрации, конструкция HIDIF поворачивает сгусток после того, как он претерпевает деформацию сдвига в фазовом пространстве в ходе дрейфа на расстояние 160 м. При тех же параметрах отражатель будет нужен каждые 320 м. Технологически будет немного легче отражать сгустки чаще, поскольку HIDIF толкает фазовую ширину сгустка в момент применения вращения до такой степени, что приходится создавать пилообразную форму волны для опрокидывания эллипса, т.е. его вращения. Это делается для получения наибольшей длины вдоль временной оси и, таким образом, наименьшего разброса импульса. Это можно осуществить с гораздо более слабыми требованиями к РЧ форме волны.
Остановщик концентрирования: Процесс концентрирования временно останавливается, чтобы микросгустки могли поддерживать свои позиции в отдельных слагах, тогда как слаги “дрейфуют” к точкам, находящимся на предписанных расстояниях от мишеней во множественных реакционных камерах.
Спиральная линия задержки (HDL): Свернутый участок канала транспортировки пучка. Все слаги выходят из линии задержки приблизительно одновременно. Конкретное хронирование различных слагов устанавливается так, чтобы: a. давать время импульсному магниту переключать слаги разных разновидностей в общий канал транспортировки пучка, где они продолжают двигаться к мишени для термоядерного синтеза. Расписание прибытия различных слагов (в каждой слаговой цепочке импульса зажигания), установленное на источниках ионов и скоординированное с формой волны РЧ мощности, обеспечивает прибытие слагов на их соответствующие выходные каналы и, в свою очередь, на магниты переключения для повторного выравнивания в слаговых цепочках в более тесной последовательности, причем расписание разнесения устанавливается для того, чтобы телескопирование завершалось на мишенях из термоядерного топлива. HDL несет множественные пучки в параллельных пучковых трубках, направляемые и фокусируемые полями магнитов, объединенных в компактный и экономичный массив. Конструкция каналов транспортировки пучка, с магнитами переключения, в позициях выходных каналов позволяет переключать слаг из каждого из параллельных каналов транспортировки пучка в соответствующие отдельные каналы транспортировки пучка, которые являются продолжением массива параллельных каналов транспортировки пучка до точки, где они повторно вставляются в каналы транспортировки пучка, которые доходят до множественных камер без дальнейшего изменения количества параллельных каналов транспортировки пучка.
Сглаживатель: Перезапускает процесс концентрирования на расстоянии вперед от каждой камеры, благодаря чему микросгустки завершают указанное скольжение друг над другом для обеспечения желаемого профиля тока на таблетке. Процесс сглаживания подлежит ограничениям теоремы Лиувиля. Одновременно с осуществлением процесса сглаживания отдельные микросгустки растягиваются (или “сдвигаются”), при этом площадь эллипса в продольном фазовом пространстве остается постоянной. В результате, отдельные микросгустки становятся более длинными, узкими эллипсами в продольном фазовом пространстве, поскольку они одновременно достигают мишени для термоядерного синтеза и скользят поверх друг друга.
Быстрое зажигание: Класс конструкций мишени для термоядерного синтеза, в котором процессы (a) сжатия топлива и (b) зажигания топлива отделены друг от друга. Драйвер пучка тяжелых ионов системы можно сконструировать с признаком быстрого зажигания или без него. Быстрое зажигание повышает общую эффективность достижения требуемых плотности топлива и температуры зажигания.
Импульс сжатия: Часть импульса драйвера, которая активирует процессы сжатия термоядерного топлива.
Импульс быстрого зажигания: Часть импульса драйвера, которая сфокусирована приблизительно в центр предварительно сжатого топлива. Длительность импульса быстрого зажигания характеризуется временем, необходимым для демонтажа топлива, т.е. временем, в течение которого плотность топлива уменьшается примерно в два раза.
Профиль импульса зажигания: Последовательность времен прибытия разных слагов на мишени для термоядерного синтеза устанавливается так, чтобы формировать временную форму импульса на мишени, которая наиболее эффективно: a. приводит топливо в сжатое состояние, b. нагревает топливо для зажигания, или c. осуществляет a и b в объединенном процессе сжатия и нагрева.
Множественные камеры: Термоядерная энергия HIF является наиболее экономичной, если единая система тяжелоионного драйвера формирует импульсы синтеза в повторяющейся последовательности во множественных камерах синтеза. В наиболее общих схемах многокамерных термоядерных энергетических установок расстояние от ускорителя изменяется от камеры к камере. Динамические процессы генерации пучка должны предусматривать различные расстояния.
Линза окончательной фокусировки: Окончательная фокусировка означает фокусировку вне стенки камеры, благодаря чему пучок может баллистически лететь к мишени. Термин 'окончательная' служит для указания отличия от многих точек, где пучок “фокусируется” в ходе транспортировки (в каналах транспортировки пучка с “сильной фокусировкой”) для предотвращения его расширения.
На фиг.1 показана схема системы тяжелоионного синтеза 1000, известной здесь как “энергетическая установка”, включающей в себя описанные ниже инновации. Короче говоря, система включает в себя совокупность реакционных камер 1002, в которых импульсы тяжелых ионов направляются к таблеткам термоядерного топлива. В показанном варианте осуществления реакционные камеры 1002 группируются в системе 1001, известной как “промышленная установка”. Как описано ниже, импульсы возникают в двух фазах: импульс сжатия, который сжимает топливную таблетку, повышая внутреннюю температуру топлива; и импульс быстрого зажигания, который увеличивают уровень энергии в сжатом и нагретом термоядерном топливе до точки индуцирования реакции синтеза. Пучки тяжелых ионов 1004, 1005 обычно направляются к реакционной камере по каналам транспортировки пучка (также 1004, 1005). В одном варианте осуществления каждая из реакционных камер 1002 обслуживается двумя каналами транспортировки пучка, каждый из которых доставляет четыре пучка тяжелых ионов. Ускоритель 1003 включает в себя источник ионов 1006, секцию ускорителя 1007 и модуль 1008 усиления тока, известный здесь как “концентратор”. Ионы испускаются из источника 1006 и поступают на ускоритель 1007, где, помимо ускорения, они подвергаются другой обработке, например фокусировке, пока они не выйдут из секции ускорителя и не поступят на концентратор 1008. Выйдя из концентратора, ионы подвергаются дальнейшей обработке, подробно описанной ниже, прежде чем им будет позволено дрейфовать в направлении промышленной установки 1001, содержащей реакционные камеры 1002. Энергия, высвобождаемая в результате реакции синтеза, поступает на энергетическую установку для преобразования в другие виды энергии.
Инновации чистой реакционной камеры
Драйвер HIF доставляет поджигающий импульс через практическое количество пучков к точкам входа реакционной камеры (например, всего восемь пучков, по четыре на каждой из двух сторон). Характерные признаки камеры воплощают меры предосторожности, принимаемые для преобразования энергии нейтронов 14 МэВ для нагрева без достижения стенок камеры 2000. Согласно фиг.2 - это осуществляется путем инициирования реакции с топливной таблеткой внутри прочного тела из лития 2001. В простейшем примере - это сфера из лития диаметром около 60 см, далее именуемая литиевым башмаком. Дополнительная защита камеры 2000 обеспечивается аэрозолем и каплями 2002 лития.
Литиевые башмаки 3000 также защищают мишени из термоядерного топлива при криогенных температурах от повышенной температуры в реакционной камере. Башмаки для транспортировки топлива могут принимать различные формы и конфигурации с соответствующими отверстиями доступа 3001 для пучков тяжелых ионов. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.3, литиевый башмак имеет сферическую форму, однако существуют другие варианты осуществления, в которых башмак принимает другие формы, например цилиндра или конуса. В любом случае, толщина лития должна составлять, по меньшей мере, 30 сантиметров от таблетки до ближайшей границы держателя таблетки. Столкновения между нейтронами и атомами лития сверх этого радиуса приводят к преобразованию подавляющей части кинетической энергии, переносимой нейтронами, в тепло. Ядерные реакции нейтронов с литием регенерируют тритий, создают дополнительный гелий и дополнительное тепло, в результате чего подавляющая часть нейтронов захватывается и не достигает материалов стенок камеры. Согласно фиг.3, литиевый башмак 3000 может иметь конфигурацию, обеспечивающую расширение в предпочтительных направлениях 3002, например вдоль оси цилиндрического сосуда удержания.
Реакционная камера 2000 может иметь различные формы, от сферической до цилиндрической и до сложных форм различных конических поверхностей. На фиг.4 показан внутренний вид реакционной камеры 2000, схематически иллюстрирующий дождь защитных капель лития 3000. Ограничивающая оболочка должна выдерживать высокий вакуум и умеренные переходные давления и может быть выполнена из стали и других материалов. Выщелачиванию материалов сплава препятствуют материалы, содержащие только литий, возвращающийся от низкотемпературного конца теплообменника. Для увеличения срока службы камеры она снабжается покрытием из стальных сплавов с простым железом на поверхностях, граничащих с литием. Литий, текущий по трубопроводам, например трубам и/или трубкам, также течет при, в основном, низкой температуре поступающей жидкости, близко к точке плавления лития (180,5°C).
Нагретый литий охлаждается из состояния плазмы и, в конце концов, конденсируется в ряд фаз, и камера возвращается в 'холодное' состояние, готовое для осуществления другой реакции, за долю секунды. Для этого требуется закачивать тонны лития за импульс для охлаждения и защиты стенок камеры, например приблизительно пять тонн для энергетического выхода синтеза, равного двум BOE (эквивалентных бочек нефти), или 50 тонн для выхода, равного двадцати BOE. Нагретый литий проходит через теплообменники и возвращается как холодная жидкость для охлаждения камеры и восстановления вакуума (низкой плотности газа), необходимого, чтобы поджигающий пучок мог распространяться по радиусу камеры для поджига следующей топливной мишени.
Суммарная масса лития для каждого импульса синтеза, инжектируемого в камеру при низких расходах, согласованная с длиной камеры для желаемой температурной истории, регулируется согласно объединенной схеме топливной инжекции башмака, канала поджигающего пучка, удержания и преобразования термоядерной энергии, расширения лития, гашения плазмы, дополнительного охлаждения до температур теплопередачи и восстановления необходимых условий до прохождения импульса. Эти фазы аналогичны процессам, происходящим в двигателе внутреннего сгорания, работающем на химической реакции горения:
- рабочий ход с выводом мощности;
- вывод отработанного заряда топлива;
- отвод неиспользованного тепла;
- инжекция заряда топлива; и
- зажигание.
На фиг.5 показано окружение камеры 2000 на ранней стадии расширения литиевой плазмы примерно через одну миллисекунду после энергетического выхода термоядерного синтеза. В порядке иллюстрации, при синтезе выделяется энергия, эквивалентная энергии, содержащейся в двух бочках нефти, которая, поглощаясь в литиевом башмаке, формирует электропроводящую литиевую плазму. Если на этой стадии рассматривать плазму как термодинамическую рабочую жидкость, можно обеспечить бесконтактное средство, которое работает с этой рабочей жидкостью, находящейся при сверхвысокой температуре, для реализации цикла дозаправки при значительном увеличении эффективности преобразования. Новизна данного варианта осуществления этого метода преобразования энергии состоит в том, что он применяется к объединенной тепловой энергии электрически нейтральных нейтронов, которые несут 80% полного энергетического выхода синтеза, а также электрически заряженных ядер гелия, которые несут только 20% полного энергетического выхода синтеза. На фиг.6 схематически показана конфигурация 6000 для преобразования энергии непосредственно в электричество посредством бесконтактного цикла дозаправки. Согласно схеме 7000, показанной на фиг.7, прямое импульсное преобразование предусматривает технологию передачи, манипулирования и обработки для временных масштабов около 10 микросекунд.
Нейтроны изолируются от стенок камеры потоками и аэрозолями низкотемпературного лития, возвращающегося из теплообменника 3001. Большая камера для выработки 100 BOE, или более, за минуту обеспечивает надлежащее динамическое расширение газа. Объем плазмы, который образуется после зажигания топливной таблетки в центре лития, может составлять около 1440 кубометров. Через микросекунду после того, как таблетка претерпевает синтеза, литий, окружающий топливную таблетку, испаряется, превращаясь в плазму, энергия которой утилизируется путем прямого преобразования в электромагнитные поля и электрические токи.
Дополнительное охлаждение и защита стенок камеры осуществляется путем заполнения объема камеры аэрозолями из капель жидкого лития. За пределами определенного расстояния от термоядерной реакции этот литий становится частью плазмы. Еще дальше, литий даже находится в паровой фазе. Литий, покрывающий стенки, защищает стенки путем абляции, и литий ниже границы абляции поддерживает стенки при умеренной температуре лития, возвращающегося из подсистемы теплообменника 3001. Тепло не выделяется через основные стенки камеры, поскольку основная масса тепла течет к концам цилиндрического объема расширения. Рабочая жидкость из лития постепенно охлаждается за счет взаимодействия с аэрозолями лития вдоль оси цилиндрической камеры и конденсируется за пределами зоны прямого преобразования. Сконденсированный горячий литий вступает в контакт с первичным теплообменником 3001, и тепло передается вторичной жидкости для использования в процессах, протекающих за пределами первичной ловушки, заданными границей лития.
Выпуск продуктов реакции синтеза касается, в основном, вырабатываемых гелия и трития. Тритий необходим для питания топливом дальнейших импульсов D-T (дейтерия-трития). Тритиевая ловушка также является основной радиологической угрозой для всей энергетической системы HIF. Большой объем знаний, касающихся тритиевой безопасности, базируется на инженерных требованиях. Система камер HIF экономически обеспечивает несколько слоев избыточных признаков для гарантии тритиевой безопасности.
До следующего выделения энергии низкотемпературный литий действует как геттерный насос для очистки литиевого пара, оставшегося от динамики мощности и выпуска.
На фиг.8 показана камера 8000, где литий восстанавливается для приема энергетического выхода термоядерного синтеза, и вакуум восстанавливается для обеспечения распространения поджигающего импульса HIF.
Температура лития постепенно снижается, поскольку он предназначен для:
- захвата подавляющей части нейтронов и практически 100% их энергии;
- снижения давления взрывного импульса; и
- преобразования энергии в электричество в процессах бесконтактного прямого преобразования. Литий в жидком виде в разных позициях в реакционной камере испытывает температуры от 200 градусов Цельсия до 1200 градусов Цельсия каждый раз при поджиге таблетки, без учета лития, находящегося при комнатной температуре, образующего топливный башмак, или температур этого и непосредственно окружающего литий, в состоянии плазмы. Этот тепловой поток, совместно с электрической энергией, вырабатываемой посредством прямого преобразования, является основным продуктом реакции синтеза. Вторичные теплообменники преобразуют это тепло в другие продукты, например газообразный водород для использования при производстве синтетических видов топлива, пар для использования в традиционных паровых турбинах и тепло для опреснения воды путем испарения.
Внешний вид 9000 цилиндрической реакционной камеры 9001 и ее первичной теплообменной системы 9002 показан на фиг.9; кроме того, топливный инжектор 9001 и вакуумирование для выпуска продуктов реакции и части непрореагировавшего топлива (обычно около половины).
Поскольку тритий высвобождается в рабочую жидкость в ходе реакции, его нужно обнаруживать, чтобы удовлетворять государственным стандартам радиационной безопасности и для обеспечения трития в количествах, необходимых для последующих реакций. Чтобы гарантировать, что тритий по случайности не выйдет в окружающую среду, весь реакционный сосуд и его теплообменники обычно заключают во вторичный сосуд удержания. Этот сосуд можно наполнить газом, который не реагирует с литием, например аргоном.
Вспомогательные приспособления для реакционного сосуда 2000 включают в себя:
- Насосы для лития;
- установки для изготовления таблеток;
- установки для изготовления литиевой сферы или другого носителя;
- установки для обнаружения трития;
- большие вакуумные насосы; и
- вторичные теплообменники.
Из всех этих вспомогательных приспособлений только вторичные теплообменники могут находиться вне структуры вторичной ловушки. Все функции, внутренние по отношению к вторичной ловушке, способны действовать дистанционно, чтобы кислород, или вода, или водяной пар не могли находиться там, где они могли бы контактировать с литием. Литий быстро окисляется в присутствии воздуха и бурно реагирует, находясь в контакте с водой.
Обзор процессов умножения тока
Основные сведения о драйвере ускорителя
Используется телескопирование, например, 10 изотопов для десятикратного увеличения рабочего объема 6-мерного фазового пространства. Используется технология источников, отвечающая уровню техники.
Используется предускоритель HVDC с напряжением ~1 МВ, отвечающий уровню техники, ср. Аргоннская национальная лаборатория Министерства Энергетики США 1976-80. Линейный ускоритель испускает несколько параллельных пучков, например четыре.
Накопление в поперечном фазовом пространстве использует малое количество, например два в каждой поперечной плоскости. Поджигающие импульсы генерируются ускорителями однократной циркуляции и каналами транспортировки пучка. Накопительные кольца не используются. Структура микросгустка поддерживается на всем пути к мишени из термоядерного топлива, т.е. поддерживается идентичность и целостность каждого РЧ микросгустка ионов. Макроимпульсы отдельных изотопов, именуемые слагами, сжимаются (концентрируются) в силу дифференциального ускорения в концентраторах, например, от ±5% до ±10% номинальной скорости, с использованием последовательных блоков контейнеров линейного ускорителя, действующих на все более высоких частотах, например от 400 Гц для первого блока до 4 ГГц для последнего блока.
Последние секции концентратора, именуемые Остановщиком концентрирования, обращают смысл входного напряжения концентрирования для возврата номинальной скорости всех микросгустков к номинальной скорости изотопического слага. Пучок проходит через спиральную линию задержки, которая устраняет промежуток между центроидами слагов путем магнитного выключения последовательных слагов из последовательных витков спирали, в запрограммированные моменты времени, благодаря чему, при их повторной инжекции в общие каналы транспортировки пучка, они берут следующую запрограммированную ступень усиления мощности.
Этот набор каналов транспортировки пучка, например четыре канала транспортировки пучка, продолжаются до точек переключения, которые направляют пучки к одной из множественных камер синтеза. Дифференциальное расстояние до множественных камер синтеза обеспечивается центральной программой хронирования для компьютерно-управляемой операции. Для обеспечения двустороннего освещения мишени набор из двух слаговых цепочек, каждая из которых содержит импульс сжатия и импульс быстрого зажигания, последовательно формируется мишенью для обеих слаговых цепочек. Ускоритель может быть хронирован так, чтобы расстояния и другие параметры дрейфа для концентрирования и телескопирования одновременно достигали максимальной интенсивности, хронированной в соответствии с хронированием топливной мишени.
Низкий множитель эмиттанса, например 2,5x, реализует поэтапное усовершенствование для низкого эмиттанса на мишени из термоядерного топлива. Требование к малому диаметру пятна для быстрого зажигания удовлетворяется за счет более низкого эмиттанса. Хроматические аберрации регулируются в практических пределах за счет сохранения продольного фазового пространства РЧ структуры пучка на уровне микросгустков, например 1%-ного разброса импульса в линзе окончательной фокусировки.
Общая координация на основе РЧ создает и доставляет поджигающие импульсы к мишеням для термоядерного синтеза на абсолютном сквозном хронировании к точности доли периода РЧ. Допустимы существенные ошибки хронирования, поскольку ограничение возможностей превышает предвидимые требования.
Запрограммированное хронирование пульсации массива источников ионов, HVDC и РЧ мощности обеспечивает большую гибкость (ширину полосы) конструкционной концепции для коммутации последовательности процессов генерации пучка в компьютерной управляющей программе.
Структура и хронирование поджигающего импульса
Полезно рассмотреть конструкцию драйвера с точки зрения системы управления. Это особенно способствует освещению конструкции за счет обеспечения общих подходов к описанию функционирования отдельных процессов и требований к их координации. На фиг.10 показана обобщенная функциональная блок-схема драйвера HIF 1000:
- источники ионов 1001;
- предускоритель HVDC (постоянного тока высокого напряжения) 1002;
- секция РЧ линейного ускорителя 1003;
- секция усиления тока 1004; и
- множественные реакционные камеры 1005.
Вышеописанная конструкция обеспечивает точность хронирования, чтобы различные динамические процессы генерации пучка завершались на мишенях из термоядерного топлива включением энергетического профиля и нацеливанием, на мишенях для термоядерного синтеза, на энергетический профиль и встречались с мишенями, когда они движутся через зону мишени. Конструкция также обеспечивает гибкость хронирования, необходимую для достижения указанных параметров поджигающего импульса, во множественных камерах. Общее программирование поджигающего импульса способно изменять разнесение изотопов, в первую очередь, на основании скоростей различных ионов в таблице изотопических разновидностей. Хронирование стробирования источника поступает от главных часов РЧ синхронизатора.
На фиг.11 показана подробная блок-схема драйвера HIF, представленного на фиг.10:
- источник ионов 1101;
- предускоритель HVDC 1102;
- структура RFQ (радиочастотного квадруполя) 1103;
- выравниватель 1104;
- главный линейный ускоритель 1105;
- телескопер 1106;
- объединитель 1107;
- лупер 1108;
- концентратор 1109;
- остановщик концентрирования 1110;
- спиральная линия задержки 1111;
- дрейф 1112;
- переключатель выбора камеры 1113;
- сглаживатель сжимающих импульсов 1114;
- сглаживатель поджигающих импульсов 1115;
- вобулятор 1116; и
- окончательная фокусировка 1117.
Более подробное описание вышеупомянутых компонентов будет приведено ниже.
Система диагностики пучков и управления ускорителем устанавливает точность прибытия поджигающего импульса согласно временным масштабам для временной формы волны поджигающего импульса, например, от наносекунд до десятков наносекунд. Точность абсолютного времени прибытия (“ZULU”) поджигающего импульса определяется скоростью и частотой вращения мишени из термоядерного топлива, когда он падает через «бычий глаз».
Драйвер действует под управлением компьютером с использованием централизованного главного хронирования посредством эффекта координации синхронизирующих форм волны РЧ. Распределенное управление хронированием обеспечивает корректирующие отклики в реальном времени, используя, например, способность (за счет того, что скорости ионов меньше скоростей распространения сигналов управления) к прямой передаче данных о позиции пучка и других параметров. Уровень техники для точного хронирования и управления РЧ полей распространяется приблизительно на одну часть из десяти тысяч.
Доставка импульса сильного тока и малой длительности к мишени в виде таблетки термоядерного топлива, расположенной в каждой из многих камер на различных расстояниях от источника, зависит от структуры импульса источника ионов. Точное хронирование каждого пучка каждой камеры уникально и учитывает расстояние до камеры для конкретного пучка, свойства всех переключателей и ускорителей на пути пучка и точную длину каждой линии задержки. Оно также может учитывать различия в массе отдельных изотопических разновидностей, используемых в пучке ионов.
Когда свойства импульса на мишени задаются требованиями к выделению энергии топливной таблетки, задача состоит в усилении тока источника ионов через свойства структуры импульса и ускорителя до величины, которая требуется согласно параметрам зажигания на мишени.
Это усиление зависит от каскадирования последовательности ступеней усиления тока, описанного в последующих разделах, но все это зависит от параметров тока источника ионов и их точной структуры хронирования, когда они покидают источники. Хронирование в структуре импульса 1202, которая развивается в результате процессов генерации пучка, задается выпуском ионов через стробирующую сетку на источнике 1201. Наиболее тяжелые ионы выпускаются в первую очередь, и за ними следуют все более легкие разновидности в порядке уменьшения массы изотопов. По одному источнику для каждого изотопа образуют компактную структуру, именуемую Отелем источников 1201, который показан на фиг.12.
Источник ионов в Отеле источников стробируется для выпуска макроимпульсов 1300 одинаковой длительности, показанных на фиг.13, в виде набора равных частей, например четырех, признака структуры пучка, именуемой Изотопическим слагом. Изотопические слаги следуют друг за другом и не перекрываются, распространяясь по параллельным каналам. Пучки источника ускоряются HVDC в предускорителях, причем в каждом предускорителе один экстрактор отеля источников объединен с электродами колонны HVDC. Электроды имеют шаблон отверстий, совпадающих с отверстиями отеля. В целях иллюстрации испускание из шестидесяти четырех агрегатов из отеля источников и предускорителя, отвечающих уровню техники, уверенно превышает требования наиболее строгих параметров поджигающего импульса.
Последовательность изотопических слагов для импульса быстрого зажигания (FI) испускается первой (т.е. для импульса FI используются более тяжелые ионы, чем для импульса сжатия), причем первый слаг содержит самый тяжелый изотоп. Затем выпускаются слаги для импульса сжатия спустя некоторый промежуток времени, определяемый разностью скоростей между ионами FI и длинами каналов транспортировки пучка, определяемыми деталями последовательности процессов генерации пучка. Хронированный выпуск каждого из различных изотопических слагов следует в порядке уменьшения массы изотопов, согласно расписанию задержек между слагами, которое определяется массой иона (которая определяет его скорость в последовательности изотопов согласно Условию Телескопирования равной магнитной жесткости), длиной ускорителя и длиной канала транспортировки пучка до мишени для термоядерного синтеза в данной реакционной камере.
Каждая полная последовательность изотопических слагов образует последовательность непрекрывающихся слагов, именуемую Слаговой цепочкой. Полная длительность выпуска для каждого слага для импульса сжатия (который во много раз превышает по полной энергии импульс быстрого зажигания) номинально составляет 10 мкс, и полное время выпуска слаговой цепочки составляет от 400 мкс до 500 мкс, в зависимости от расстояния до наиболее удаленной реакционной камеры.
В первой секции РЧ линейного ускорителя слаги продолжают ускоряться как параллельные пучки массивом отелей источников. Все ускоряющие каналы включены, независимо от того, в каком канале находится слаг, в данном осевом положении и в данный момент времени. Визуализированным концом вперед испускание слагов из отдельных каналов аналогично театральной маркизе, где только один фонарь мигает за раз согласно шаблону с комплексным, но конкретным хронированием.
Сразу после предускорителя каждый макроимпульс поступает в первую секцию РЧ линейного ускорителя и приобретает структуру микроимпульса. Напряженность ускоряющего поля на протяжении всего линейного ускорителя выше для слагов с более высокой массой для ускорения более высокой массы до равной скорости в каждой точке вдоль линейного ускорителя.
На фиг.14 показана схема 1400 структуры импульса в РЧ линейном ускорителе.
Первый РЧ линейный ускоритель является многоканальным радиочастотным квадруполем, или RFQ, в котором объединяется РЧ-квадрупольная электрическая фокусировка и ускорение. РЧ поле в начальной секции RFQ обеспечивает сильные фокусирующие поля и плавно возрастающее ускоряющее поле для достижения изоэнтропического преобразования входящего слагового пучка постоянного тока в микросгустки в непрерывном потоке на радиочастоте. В порядке иллюстрации каждый микросгусток содержит порядка десяти миллиардов ионов. Весь импульс зажигания (например, несущий всего 20 МДж ионов с энергией 20 ГэВ (3,2 наноджоулей) - каждый) содержит около восьмидесяти тысяч этих элементарных групп в виде микросгустков тяжелых ионов, несущих энергию. Целью продолжения маркизы на первой стадии РЧ ускорения является изгибание пучка с задержкой, пока скорость ионов не позволит эффективно использовать магнитную фокусировку для манипулирования силами объемного заряда, связанными с сильноточным пучком. Начальные скорости тяжелых ионов для драйверов HIF (т.е. на входном каскаде) особенно малы, поскольку для достижения наиболее яркого пучка предпочтительно выбирать ионы с единичным зарядом.
После увеличения скорости ионов в секции РЧ линейного ускорителя маркизным массивом параллельных изотопических слагов пучок поступает на секцию ускорителя, работающую на частоте, вдвое превышающей частоту РЧ маркизы, например 12,5 МГц. Между двумя РЧ структурами пучки из маркизы выравниваются для вставки в 25 МГц структуру в качестве коллинеарной слаговой цепочки. Массив магнитных каналов транспортировки пучка выравнивателя, например, шестнадцати (номинально десяти для импульса сжатия и шести для импульса быстрого зажигания), маршрутизируются, по одному, на соответствующую последовательность магнитов переключения переменного тока (по одному на выровненном канале транспортировки пучка для каждого слага), которые изгибают слаги в общий, выровненный магнитный транспортный канал, в слаговой цепочке с указанной временной структурой. Уровень техники также описывает процесс выравнивания, который интегрирует перемежение (или слияние) микросгустков с удвоением частоты. Уровень техники также описывает процесс перемежения двух пучков, которые плавно интегрируются с конструкцией RFQ ускорителя. Согласно этой концепции, выравниватель также удваивает средний ток слага. На фиг.15 показана схема 1500, демонстрирующая перемежение двух пучков микросгустков 1501, 1502 в единый пучок, имеющий частоту, вдвое превышающую частоту исходных пучков 1501, 1502.
Пучки возникают в РЧ структуре более высокой частоты, находящейся ниже по течению, работающей на частоте 25 МГц (например, второй RFQ) с вдвое большим количеством микроимпульсов в каждом слаге и вдвое меньшим количеством параллельных пучков. Пучки продолжаются в следующую структуру и, после возникновения, снова перемежаются с соседним пучком, таким образом, вновь удваивая количество параллельных пучков, в результате чего получается количество пучков, которое должно поступать на следующую секцию линейного ускорителя. После каждой следующей секции ускорения пучки продолжают удваивать свои микроимпульсы путем перемежения, пока на конце 200 МГц ускорителя не останется четыре пучка.
Когда перемежение повторяется на каждом из, например, пяти каскадов умножения частоты, ток каждого слага увеличивается в тридцать два раза. На фиг.15 представлена схема 1300, иллюстрирующая процесс “слияния” - перемежения с удвоением частоты. Структура хронирования для РЧ полей в любой данной секции линейного ускорителя изображена на фиг.15. Процесс формирования пучка повторяется второй раз, создавая две последовательные слаговые цепочки. Затем две слаговые цепочки разделяются для доставки по одному пучку на каждую сторону реакционной камеры назначения. В порядке иллюстрации результатом перемежения являются четыре параллельных пучка в последней секции линейного ускорителя, используемой более медленной группой слагов, например значительно более тяжелыми ионами, используемыми для импульса быстрого зажигания.
Последняя часть этой секции линейного ускорителя, именуемая телескопером, имеет магнит импульсного переключения для каждого слага. Переключатели располагаются там, где данный слаг достигает указанной общей жесткости пучка. По достижении этой магнитной жесткости они выводятся из ускорителя и поступают в телескопирующий канал транспортировки пучка, т.е. магнитный канал транспортировки пучка, в котором слаги одинаковой жесткости, но разной скорости способны догонять друг друга. Следующие (более быстрые) слаги для импульса быстрого зажигания поступают в ускоритель с удвоенной частотой (например, 400 МГц), но не перемежаются и продолжаются как четыре параллельных пучка слагов со структурами микросгустков, подвергнутыми РЧ-синхронизации. Последней частью этой секции линейного ускорителя опять же является телескопер, интегрирующий магнит импульсного переключения (между контейнерами линейного ускорителя) для каждого из в точке, где данный слаг достигает указанной общей жесткости пучка, которая равна жесткости ионов в группе более медленных слагов.
Когда все слаги выходят из телескопера, четыре канала транспортировки пучка объединяются с образованием одного канала транспортировки пучка с учетверенным током. Радиочастотная микроструктура объединенного пучка такая же, как для каждого из заранее объединенных параллельных пучков, что является структурой субслага.
Затем перемежающиеся субслаги из объединенного канала транспортировки пучка немедленно переключаются на начало нового канала транспортировки пучка, который изгибается в виде 360-градусной петли, для достижения РЧ синхронизма со следующим субслагом. Это петлевое накопление будет использовать последовательность из двух петель (посылая четыре параллельных пучка ниже по течению), или одной (посылая два параллельных пучка ниже по течению). В результате петлевого накопления множественные субслаги располагаются на в точности одинаковых расстояниях от мишени для термоядерного синтеза.
Ниже по течению слаги составляют длину субслага, и признак хронирования субслага устраняется. Количество параллельных пучков в параллельных каналах транспортировки пучка в этой точке (т.е. два или четыре в этой иллюстрации) сохраняется до камеры и мишени для термоядерного синтеза, причем одна из двух слаговых цепочек магнитно переключается в тот или иной из двух наборов каналов транспортировки пучка для двустороннего нагрева мишени.
Все операции за пределами телескопера могут учитывать тот факт, что слаги перемещаются с разными скоростями относительно друг друга и, таким образом, постепенно становятся ближе друг к другу по мере того, как РЧ частота концентратора переводит структуру микроимпульса на все более и более высокую частоту. Остановщик концентрирования замораживает микроструктуру, но слаги продолжают дрейфовать совместно, пока не достигнут мишени согласно своему заранее составленному расписанию.
Указанные формы волны РЧ генерируются на низкой мощности главным и подчиненным генераторами произвольной формы волны. Главные РЧ часы драйвера осуществляют связь с органами управления камеры, в частности, связанными с динамической инжекцией заряда топлива в их защитные башмаки.
Суммарная длительность пучка, испущенного линейным ускорителем для каждого импульса зажигания, равна, например, 200 мкс. Пустые промежутки в общем профиле пучков необходимы в нескольких целях, в том числе:
- стробирования выходов источников ионов для разных изотопов;
- разделения изотопических слагов на несколько (например, четыре) субслагов;
- переключения перемежающихся субслагов в параллельные каналы транспортировки пучка в петлевом накоплении;
- увеличения или уменьшения РЧ ускоряющих градиентов между прохождениями одного изотопического слага и следующего для ускорения изотопов разных масс до одинаковой скорости в каждой точке пути через линейный ускоритель с фиксированным бета-профилем и телескопер;
- увеличения или уменьшения РЧ частоты в таких процессах манипулирования пучком, как концентрирование, остановка концентрирования и сглаживание;
- переключения слагов после HDL из отдельных каналов транспортировки пучка в общие каналы транспортировки пучка;
- бифуркации пучков для поддержания РЧ сгустков в HDL и на сглаживателе.
Определенные процессы могут использовать тот же временной зазор, что и некоторые другие. Таким образом, требуемая сумма временных зазоров может быть меньше суммы временных зазоров для отдельных процессов. Отличительные признаки конструкции, в частности для удаления этих зазоров, включают в себя телескопирование множественных разновидностей ионов посредством спиральной линии задержки.
Новые и измененные признаки и процессы для генерации поджигающего импульса
Ниже перечислены, в приблизительном порядке, процессы, происходящие при генерации поджигающего импульса:
1. Поддержание индивидуальности ионных микросгустков, создаваемых и испускаемых линейным ускорителем, на протяжении системы до мишени из термоядерного топлива;
2. Испускание множественных параллельных пучков высокой энергии из линейного ускорителя;
3. Объединение множественных пучков из линейного ускорителя в один путем накопления 2×2 в поперечном фазовом пространстве: 4x средний ток слага (и сопутствующий 4x пиковый ток микроимпульса для транспортировки);
4. Накопление слагов по два за раз, например, в четыре параллельных канала транспортировки пучка путем рециркулирования слагов в последовательных петлях надлежащей длины (вторая петля обычно вдвое длиннее предыдущей петли: 4x пиковый и слаговый токи). Каждый второй слаг переключается в петлю магнитом умеренно быстрого переключения. Первая петля имеет единичный канал транспортировки пучка. Вторая петля имеет два параллельных канала транспортировки пучка. Конфигурация из четырех параллельных каналов транспортировки пучка переносится посредством следующих процессов и объединяется на одной таблетке;
5. Перемещение микросгустков в каждом слаге ближе друг к другу (концентрирование). Процесс проиллюстрирован на фиг.19. Микросгустки в слаге по-разному ускоряются и замедляются, развиваясь от максимального замедления первого микросгустка в слаге до максимального ускорения последнего микросгустка в слаге;
6. Дифференциальное ускорение микросгустков достигается за счет смещения РЧ частоты концентраторных секций линейного ускорителя. Начиная с первого микросгустка, испытывающего наибольшее замедление, “стабильный” фазовый угол последовательных микроимпульсов постепенно сдвигается выше на форме волны РЧ, пока последний микросгусток в слаге не будет максимально ускорен;
7. Абсолютное смещение частоты вычисляется делением разности стабильного (но увеличивающегося) фазового угла от переднего к заднему концу слага, например всего 60 градусов, на количество микроимпульсов в слаге, например тысячу;
8. Требование к регулировке фазы РЧ задается относительной разностью частот, например одной частью на десять тысяч;
9. РЧ частота каждого контейнера концентратора запрограммирована ступенчато повышаться до более высокой частоты, синхронизированной с разными скоростями множественных разновидностей ионов. Практические ограничения полосы структур линейного ускорителя и их источников РЧ энергии определяют ограничения для разных изотопных разновидностей, которые могут обрабатываться одним каналом транспортировки пучка концентратора;
10. Когда другая уникальная группа изотопических разновидностей используется с большим различием в массе и скорости, например, для достижения полезных эффектов в мишени из термоядерного топлива, например быстрого зажигания, требуются раздельные, параллельные концентраторы. Каждый отдельный концентратор способен обрабатывать изотопические разновидности с различиями по массе в пределах приблизительно 10% (т.е.±5%);
11. Концентрирование приводит к тому, что микросгустки в слаге проходят последовательные точки вдоль канала транспортировки пучка с постепенно возрастающей частотой, в соответствии с уменьшением расстояния между микросгустками. Для поддержания эффективного использования прилагаемого РЧ напряжения РЧ частота соответственно увеличивается в указанном количестве дискретных положений в концентраторе, в последовательных блоках контейнеров концентратора линейного ускорителя. Более высокочастотные РЧ структуры манипулируют более сильными ускоряющими электрическими полями, существенно уменьшая физическую длину;
12. Идентичность микросгустка продолжает поддерживаться путем фазовой фокусировки в структуре РЧ концентратора линейного ускорителя. Между структурами концентратора и на других участках каналов транспортировки пучка, где не преобладает РЧ ускорение, структура микросгустка поддерживается периодическими отражателями сгустков (двойными вращателями). В стандартной практике типичное использование единичного вращения минимизирует разброс импульса, одновременно максимизируя временное измерение микросгустка. Двойное вращение (отражение эллипса в продольном фазовом пространстве по временной оси) помогает поддерживать структуру микросгустка на больших расстояниях транспортировки путем переустановки ориентации эллипса, благодаря чему достигается большее расстояние до следующего вращения / отражения, подвергающего эллипс деформации сдвига;
13. Предел концентрирования достигается, когда оценочные размеры РЧ структуры достаточно малы, чтобы пропускать очень мощный пучок с полными потерями пучка за счет соударения со стенкой, например, 1% на десять километров пучковой трубки;
14. Средний ток слага возрастает, например, в 10 раз, для концентрирования, которое запускается на частотах, начинающихся с 400 МГц, и останавливается на частотах, заканчивающихся на 4 ГГц. Ширина фазы на волне РЧ концентратора, по существу, не изменяется, и пиковый ток микросгустка увеличивается с коэффициентом концентрирования, т.е. в 10 раз в этом примере;
15. Остановка концентрирования возвращает микросгустки к той же опорной энергии, которая требуется в отношении хроматической аберрации в фокусе, обеспечивает хронирование для учета разных расстояний до множественных камер;
16. Спиральная линия задержки (HDL) удаляет указанные высокие доли временных зазоров между слагами (например, центры слагов перемещаются от 2,5 мкс в сторону до 300 нс в сторону);
17. Функция спиральной линии задержки имеет большую “полосу” для широкого диапазона удаления зазора, что необходимо для множественных камер;
18. Идентичность микросгустка продолжает поддерживаться путем фазовой фокусировки в HDL периодическими отражателями сгустков (двойными вращателями). Для больших различий в скорости иона (и микросгустка), в частности, когда скорости используются для импульса сжатия и импульса быстрого зажигания, которые сильно отличаются, каждый из параллельных каналов транспортировки пучка в HDL подвергается бифуркации до входа в каждый отражатель сгустков и объединяется в общий канал транспортировки пучка сразу после выхода из отражателя;
19. Сглаживание повторно применяет дифференциальную скорость микросгустка на некотором расстоянии выше по течению от каждой камеры синтеза. Расстояние от сглаживателя до камеры и мишени приблизительно одинаково для каждой из множественных камер; и
20. Вобулятор пучка, используемый для мишени для термоядерного синтеза, требующей нагрева цилиндрической кольцевой области, располагается перед линзами окончательной фокусировки. Если драйвер возбуждает мишени для термоядерного синтеза, которые не требуют нагрева цилиндрической кольцевой области любой длины (глубины проникновения пучка), вобулятор можно деактивировать или вообще исключить из конструкции.
Общее использование элементов манипулирования пучком
Для генерации импульса быстрого зажигания, в основном, используется то же оборудование драйвера, что и для генерации импульса сжатия. Отдельное оборудование используется для процессов, на которые влияет большое различие в скорости иона (и микросгустка), что может обеспечивать существенные преимущества для общей эффективности зажигания:
- Отели источников, предускорители HVDC, LEBT и маркизные линейные ускорители включают в себя отдельные источники и дрейфовые трубки для отдельных изотопов быстрого зажигания, а также для отдельных изотопов импульса сжатия;
- Общая секция бета-профиля линейного ускорителя используется всеми изотопами;
- Секция телескопера линейного ускорителя будет общей для всех изотопов, причем более медленные изотопы постепенно исключаются. В результате, количество ускоряемых изотопов уменьшается на единицу для каждой следующей секции телескопера;
- Один канал транспортировки пучка общей жесткости, на который переключаются пучки разных изотопов после ускорения до общей жесткости, является общим;
- Пучки из канала транспортировки пучка общей жесткости переключаются на отдельные концентраторы и остановщики концентрирования, где разность скоростей ионов (и микросгустков) слишком велика для практической полосы РЧ структур линейного ускорителя и источников РЧ энергии;
- Общая спиральная линия задержки используется для всех изотопов, но большие различия в скорости требуют периодических бифуркаций канала транспортировки пучка для периодических вращателей / отражателей сгустков;
- Отдельные слаги выходят из HDL в короткие переходные секции отдельных каналов транспортировки пучка, которые ведут к магнитам быстрого переключения для повторного выравнивания слагов в общем канале транспортировки пучка, с указанными новыми, более короткими промежутками между слагами;
- Все изотопические разновидности используют один набор каналов транспортировки пучка от HDL к отдельному сглаживателю на каждой из множественных камер;
- Отдельные сглаживатели используются, когда разность скоростей ионов (и микросгустков) слишком велика для охвата практической полосой РЧ структур линейного ускорителя и источников РЧ энергии. При использовании отдельных сглаживателей каналы транспортировки пучка подвергаются бифуркации магнитами быстрого переключения, расположенными непосредственно выше по течению, и повторно объединяются сразу после сглаживателей;
- Вобуляторы пучка (если применяются) являются общими для всех изотопов. Хотя вобулятор используется для импульса сжатия, и хотя импульс быстрого зажигания нацелен в центр топлива, когда оно достигает сжатого состояния, расстояние от вобулятора до мишени для термоядерного синтеза указано для обеспечения практического времени нарастания вобулятора между импульсом быстрого зажигания и импульсом сжатия; и
- Линзы окончательной фокусировки являются общими для всех изотопов.
Описание и принцип действия новых процессов умножения тока
Параметры пучка на выходе линейного ускорителя
Параметры, характеризующие ускорение в линейном ускорителе, отвечают уровню техники, установленному действующими машинами и конструкциями с использованием стандартных инструментов промышленного проектирования. Выходной ток линейного ускорителя увеличивается с использованием множественных, параллельных, РЧ-синхронизированных выходных пучков, например четырех. Выход линейного ускорителя дополнительно увеличивается на входном каскаде с использованием установленного источника ионов и технологии высокого напряжения постоянного тока, например, Аргоннская Национальная Лаборатория Министерства Энергетики США 1977-1980.
Новая конфигурация процессов умножения тока опирается на ускорение множественных изотопов. Эффект использования множественных изотопов, альтернативно известный как “Телескопирующие пучки”, можно оценить по достоинству путем добавления другого множителя к ранее существующей последовательности процессов. Однако разновидности настоящего подхода к использованию телескопирования пучка приводит к существенно разным типам процессов умножения тока. Происходящие в системе драйвера “ниже по течению” (после) линейного ускорителя, и согласно ограничениям 6-мерного фазового пространства, рассмотренным выше, различные процессы реструктуризации пучка, уплотнения / интенсификации / усиления полного тока пучка также благоприятно влияют на окончательную фокусировку на мишень для термоядерного синтеза.
На фиг.10 и 11 представлены основные функциональные блоки драйвера HIF. Усовершенствования в областях каждого из функциональных блоков включают в себя:
Новые признаки источников ионов и ускорение низкой скорости:
В основном, новые механизмы применяются для уплотнения пучка после того, как он покидает линейный ускоритель. Новая конструкция также предусматривает изменение в признаках линейного ускорителя с добавлением усовершенствованной конструкции реконфигурации пучка. Наиболее новыми являются признаки, связанные с использованием большего количества разных изотопных разновидностей, чем в предыдущих конструкциях драйвера HIF.
Отель источников ионов объединяет большое количество источников изотопов в компактный кластер по одному для каждой разновидности, включая разновидности для импульса сжатия и для импульса быстрого зажигания (если применяется). Выходные импульсы из отдельных источников изотопов синхронизируются через напряжение стробирования в запрограммированной последовательности для создания основного строительного блока слаговых пучков в указанной последовательности. Компактный массив пучков позволяет колонне HVDC продолжать указанный массив отверстий.
Технология источников HVDC свыше 1 МэВ, например 1,5 МэВ, продемонстрированная уровнем техники, а именно Аргоннской Национальной Лабораторией Министерства Энергетики США 1976-80. В традиционной практике проектирования ограничение по пиковому току для транспортировки по каналу транспортировки пучка с сильной магнитной фокусировкой увеличивается с пятью третями мощности импульса. С использованием технологии коммерческих источников ионов и коммерческих источников HVDC этот признак служит важным фактором увеличения пикового тока каждого пучка на выходе линейного ускорителя. Компактный массив пучков позволяет следующему маркизному РЧ линейному ускорителю продолжать указанный массив отверстий.
Маркизный РЧ линейный ускоритель: Маркизный линейный ускоритель облегчает ускорение низкоскоростного пучка с преобладанием объемного заряда благодаря незначительному изгибу пучков на самых малых скоростях, при которых магнитные фокусирующие поля менее эффективны. Маркизная структура линейного ускорителя имеет массив параллельных дрейфовых трубок, совпадающий с шаблоном дрейфовых отверстий отеля источников и ускоряющей колонны в предускорителе HVDC. Каждая трубка в маркизе переносит только одну изотопическую разновидность пучка. Импульсные пучки указанных изотопических разновидностей (также именуемые Слаггетами) возникают в массиве дрейфовых трубок в запрограммированной временной последовательности, заданной на источниках ионов.
Маркизный коллапсер (выравниватель): по выходу из маркизы пучки во временной последовательности, выходящие из параллельных пучковых трубок в маркизе, поступают в единую пучковую трубку, т.е. одну трубку на маркизу посредством последовательности магнитов умеренно быстрого переключения. Время нарастания этих магнитных переключателей является одним из главных факторов, определяющих зазор между слагами. После коллапсера (выравнивателя) все ускоренные изотопы в указанном порядке слагов транспортируются по общему каналу.
Новые признаки после линейного ускорителя с фиксированным бета-профилем
Телескопер: совокупность изотопов значительно больше, чем в уровне техники. Внутренне согласованная, сквозная конструкция обеспечивается с использованием большого количества изотопов, например десяти. Когда изотоп достигает общей жесткости, соответствующий слаг переключается в телескопирующий канал транспортировки пучка, т.е. канал транспортировки пучка, где слаги становятся ближе друг к другу по мере их движения вперед. Более тяжелые изотопы первыми переключаются из телескопера. Массы изотопов в диапазоне множественных изотопов приблизительно ±5% подлежат ограничениям по ширине полосы последующих процессов РЧ манипуляции с пучком.
Признаки хронирования структуры импульсного пучка обеспечиваются путем генерации указанной формы волны РЧ, покрывающей каждый поджигающий импульс, согласно общему расстоянию от источников ионов до мишеней из термоядерного топлива во множественных камерах на разных расстояниях от источника ионов, прибывающей согласно указанной последовательности, которая обеспечивает желаемый энергетический профиль поджигающего импульса. Стробированный выпуск различных изотопов из своих соответствующих координируется с главной формой волны РЧ.
Новые признаки после линейного ускорителя
В порядке иллюстрации, на выходе линейного ускорителя, каждая из четырех активных пучковых трубок выдает 1,25 А.
Объединение: Множественные пучки, выходящие из линейного ускорителя, объединяются в поперечном фазовом пространстве, усиливая ток в едином пучке пропорционально количеству выходных пучков линейного ускорителя, например четырем. Объединение может осуществляться в двухэтапном процессе, который можно проиллюстрировать на примере четырех пучков линейного ускорителя: (1) объединение пучков по два за раз в два пучка ниже по течению в одной плоскости поперечного фазового пространства, и (2) объединение двух результирующих пучков в один с использованием другой плоскости поперечного фазового пространства.
Объединение (плюс коэффициент дилюции) - это последний процесс, который неизбежно увеличивает поперечный эмиттанс пучка после его выхода из линейного ускорителя. Пучки можно объединять с экономическим использованием фазы, в фокусе пучка.
Это обеспечивает значительное повышение точности фокусировки пучков на мишенях для термоядерного синтеза по сравнению с уровнем техники. Хотя максимальный нагрев мишени является основным приоритетом, пониженный эмиттанс пучка можно альтернативно использовать для ослабления требований к параметрам оконечной системы магнитных линз.
Петлевое накопление: Целью петлевого накопления является балансировка общей нагрузки умножения тока между процессами, которые выполняются в поперечном фазовом пространстве, и процессами, которые выполняются в продольном фазовом пространстве. Петлевое накопление распределяет последовательные секции пучка в параллельные каналы транспортировки пучка, в синхронизме на уровне отдельных микросгустков в секциях пучка в параллельных каналах транспортировки пучка, что необходимо для поддержания структуры микросгустка в общих РЧ структурах с множественными дрейфовыми отверстиями для параллельных пучков.
Ниже представлен случай петлевого накопления. Структура пучка, испущенного ускорителем, указывается делением слага на четыре субслага, между которыми существуют временные зазоры, соответствующие времени нарастания магнитов переключения. Первый субслаг переключается в канал транспортировки пучка, который описывает полный круг, возвращая субслаг в точку, близкую к переключателю и параллельно исходному каналу транспортировки пучка. Этот первый набор из двух параллельных пучков переключается на вторую петлю, периметр которой вдвое больше, чем у первой, которая соединяется параллельно с каналами транспортировки пучка, содержащими третий и четвертый субслаги.
Первый мгновенный ток множественных распространяющихся слагов увеличился, и промежуток между слагами увеличился. Увеличенный промежуток будет удален спиральной линией задержки (HDL). Усиление пучка осуществляется с использованием поперечного фазового пространства. Продольное фазовое пространство, в принципе, не изменяется, и рост за счет дилюции будет определяться точностью РЧ полей, которые поддерживают структуру микросгустка.
Конфигурация множественных пучков, установленная посредством петлевого накопления, продолжается до мишени из термоядерного топлива, причем слаговые цепочки маршрутизируются таким образом, чтобы приходить к мишени с указанного количества направлений, например двух. Выбор положения петель накопления из ряда возможных положений вдоль канала транспортировки пучка зависит от технологических компромиссов, связанных с распространением единичного пучка (т.е. после объединения множественных пучков из линейного ускорителя) или множественных параллельных пучков (т.е. созданных путем петлевого накопления). Эти соображения относятся к конфигурации пучков, поступающих на концентратор и спиральную линию задержки. На фиг.17 показана схема 1700 относительной длины и промежутков между слагами с использованием трех разновидностей в порядке иллюстрации.
Концентрирование:
Согласно схеме, показанной на фиг.18, концентрирование создает разность скоростей между последовательными микросгустками. Концентрирование осуществляется путем смещения РЧ частоты концентратора от частоты сгустков (частоты, с которой микросгустки проходят точку на своем пути), так что первый сгусток замедляется сильнее всех, и последний сгусток ускоряется сильнее всех.
На фиг.19 представлена подробная схема 1900, изображающая процессы концентрирования 1901 и остановки концентрирования 1902. На фиг.20 представлена альтернативная схема 2000, иллюстрирующая дифференциальное ускорение за счет смещения РЧ частоты.
Микросгустки внутри каждого слага практически идентичны на входе концентратора, который придает последовательное дифференцирование скорости величиной, например, от ±5% до ±10%, первому и последнему микросгусткам относительно неизменной скорости центрального сгустка. Когда концентрирование достигает практических технологических пределов, процесс концентрирования обращается, и дифференцирование скорости устраняется в остановщике концентрирования.
Согласно фиг.20, величина смещения частоты является частным от деления (1) указанного максимального сдвига фазы между первым и последним микросгустками на (2) длительность слага. В порядке иллюстрации предположим, что слаг имеет длительность 1 микросекунду, и суммарный сдвиг фазы равен 60 градусам (1/6 периода РЧ), тогда сдвиг частоты равен 1/6 МГц. Если РЧ частота этой секции концентратора равна 1 ГГц (например, длина ускорительной ячейки 12 см для иона с v=0,4c), то точность регулировки фазы должна составлять около 0,016% или выше.
Дифференциальное ускорение и дифференциальное замедление обусловлены небольшим смещением РЧ поля концентратора относительно частоты сгустков. Для добавления дифференциальной скорости РЧ частота концентратора выше частоты сгустков в данной точке на пути пучка. Для удаления дифференциальной скорости РЧ частота на определенную величину меньше частоты сгустков в этой точке на пути пучка.
Остановщик концентрирования короче концентратора, поскольку его РЧ частота выше, например, в 10 раз, и структуры более высокой РЧ частоты поддерживают ускоряющий градиент напряжения, который превышает величину, приблизительно заданную пределом Килпатрика. Согласно примеру 10-кратного концентрирования с равным увеличением РЧ частоты, градиент остановщика концентрирования примерно в три раза выше, чем в первой секции концентратора.
Согласно схеме 2100, показанной на фиг.21, слаги испытывают аксиальное сжатие внутри концентратора, например 10-кратное. При входе в концентратор расстояние от центра одного слага до центра соседнего слага равно длине слага плюс межслаговый промежуток, первоначально заданный главным хронированием. Например, слаги длительностью 2,5 мкс на входе концентратора будут на 0,25 мкс длиннее на выходе концентратора.
После этого увеличивающееся пустое пространство между слагами удаляется посредством спиральной линии задержки, в зависимости от времени нарастания переключающего магнита и требований к хронированию ниже по течению для зажигания во множественных камерах.
Концентрирование не добавляет слагу никакой полезной мощности. Возбуждение структуры ускорителя является основным требованием к мощности. Однако энергия пучка переходит к РЧ полям при замедлении и от РЧ полей к пучку при ускорении. Ограниченная часть энергии сдвига может возвращаться за счет усовершенствования конструкции РЧ системы, но энергия, потребляемая концентратором, превышающая “потери в меди” возбуждения, составляет малую долю, например 1-5% энергии, потребляемой первичным линейным ускорителем.
Эффективность использования обеспеченной напряженности ускоряющего РЧ поля повышается, когда ионы испытывают амплитуду вблизи пика синусоидальной волны. В противоположность этому аргументу для использования большого отклонения фазовых углов желательна линейная прогрессия дифференциального ускорения последовательных микросгустков. В порядке иллюстрации, близкое к линейному увеличение ускорения/замедления будет ограничивать фазовую ширину величиной ±30 градусов. Увеличенный сдвиг фазы будет уменьшать пиковое напряжение РЧ и/или длину концентраторного ускорителя. Для концентрирования используется растущая сторона синусоидальной волны, что обеспечивает эффект стабильности фазы.
Крадлинг - это признак, внедренный в управление формами волны РЧ, для увеличения полезной фазовой ширины в концентраторах и сглаживателях. Крадлинг-эффект сдвигает синусоидальную форму волны РЧ для компенсации кривизны синусоидальной волны, когда дифференциальные скорости возрастают в микросгустках при прохождении слага через концентратор, или, в гораздо меньшей степени, в сглаживателе. Управление формой волны для крадлинга объединяется с параметрами из детализированного проектирования и моделирования. Крадлинг увеличивает эффективность концентраторных и сглаживательных ускорителей, прежде всего для снижения стоимости, хотя мощность, используемая этими компонентами, составляет малую часть полной мощности, необходимой для работы драйвера.
Когда действие концентрирования достигает технического предела или иной желаемой точки остановки, остановщик концентрирования удаляет разброс энергии, обусловленный обращением процесса дифференциального ускорения. Основным техническим соображением является существование источников РЧ высокой мощности на частотах остановщика. Другим важным конструкционным ограничением является диаметр дрейфовой трубки, который уменьшается с увеличением РЧ частоты. В порядке иллюстрации, запуск концентрирования с частотой 400 МГц РЧ и остановка концентрирования с 4 ГГц РЧ сокращает слаг в десять раз и передача через диаметр дрейфового отверстия порядка 2 см.
Концентраторный ускоритель и структуры, частоты и полосы РЧ мощности
Микросгустки поступают в концентратор на частоте сгустков, испускаемых линейным ускорителем, которая задается РЧ выходом или предпоследней частотой линейного ускорителя. Наивысшая частота сгустков и РЧ в остановщике концентрирования составляет приблизительно 4 ГГц.
Управление хронированием и формы волны в концентраторе обеспечивает синхронизированную последовательность РЧ частот, которые постепенно увеличиваются в блоках секций ускорителя и увеличиваются в каждой секции ускорителя для обеспечения последовательных слагов со все более высокими номинальными скоростями. Эти необходимые полосы коррелируют с диапазоном скоростей множественных изотопических разновидностей.
Одно компромиссное решение оптимизации конструкции касается количества разных используемых РЧ частот. Для любой данной частоты отдельные микросгустки могут перемещаться к точке пересечения нуля формы волны РЧ и испытывать меньшую долю пикового ускоряющего (или замедляющего) градиента напряжения. Вследствие увеличения РЧ частоты последующих секций концентратора градиент напряжения, испытываемый первым и последним микросгустками, может периодически сбрасываться на исходный фазовый угол. Таким образом, использование многих частот позволяет добиваться более эффективного использования длины концентратора и РЧ мощности, которая его возбуждает.
Проектирование и изготовление структуры ускорителя и РЧ мощности согласно уровню техники обеспечивает практичность и экономичность использования существенного количества дискретных частот. Однако совокупность изменений частоты будет испытывать уменьшающиеся возвраты, и количество используемых изменений частоты является вопросом детализированного проектирования.
Управление формой волны для крадлинга объединяется с параметрами из детализированного проектирования и моделирования.
Остановка концентрирования
Остановка концентрирования удаляет дифференциал скорости, когда процесс достигает практического предела, который определяется диаметром дрейфовой трубки, через которую должен проходить пучок. Нужно избегать контакта пучка со стенкой трубки, и модели пучков частиц по большей части не способны моделировать “гало” пучка, однако следует заметить, что высококачественные пучки будут фокусироваться в диаметрах от миллиметров до долей миллиметра ниже по течению. Можно привести пример структуры S-диапазона рабочего механизма 2-мильного линейного ускорителя SLAC. Диаметр дрейфовой трубки структуры составляет около 2 сантиметров, что, видимо, достаточно для свободного прохождения пучка тяжелых ионов.
Микросгустки постепенно сжимаются вдоль оси для согласования с РЧ волнами с уменьшающимися периодами РЧ. Пропорционально возрастает разброс импульса в микросгустках. Однако, после выпуска микросгустков из фазовой фокусировки после сглаживателя, они подвергаются деформации сдвига в продольном фазовом пространстве, эллипсы в фазовом пространстве растягиваются во временном измерении, и их мгновенный разброс импульса сужается. Такое поведение используется сглаживателем в последующей точке на пути пучка.
Спиральная линия задержки (HDL)
Расположение спиральной линии задержки (HDL)
Согласно схеме 2200, показанной на фиг.22, спиральная линия задержки 2201 призвана значительно сокращать расстояние между центрами последовательных слагов. Оставшийся зазор между задним концом одного слага и передним концом следующего слага является переменным для обеспечения разных оставшихся расстояний до множественных камер. Концентрирование переносит ненужный промежуток изнутри отдельных слагов в зазор между слагами.
Длина каждой катушки 2203 HDL по порядку величины равна расстоянию между центрами последовательных слагов. Однако хронирование магнитов 2204 для переключения отдельных слагов из HDL обеспечивает любое разнесение слагов, превышающее время орбиты по периметру одной катушки HDL. Первый слаг в слаговой цепочке проходит полную длину спиральной линии задержки до точки выхода. Последовательные слаги из все более быстрых ионов покидают HDL последовательно, проходя все меньшее число витков HDL. Выходы 2205 для различных слагов находятся приблизительно в одной и той же азимутальной точке на HDL 2201.
Большие доли межслаговых зазоров, в том числе увеличение зазоров вследствие концентрирования, устраняются, когда слаги, покидающие HDL, переключаются обратно в общие каналы транспортировки пучка, которые продолжаются до камер.
Выходная линия задержки слагов
Разнесение между микросгустками статично от остановщика концентрирования после сглаживателя, связанного с каждой из множественных камер, для обеспечения:
- разных длин путей разных слагов через HDL и
- разных длин от HDL до множественных камер.
Слаги могут накапливаться до или после HDL. Накопление до HDL сокращает количество параллельных пучковых трубок с магнитными проточками и т.д.
Расположение остановщика концентрирования до HDL 2201 позволяет HDL транспортировать пучок с малым разбросом импульса внутри отдельных микросгустков.
Поддержание микросгустков
Поддержание структуры микросгустков и сохранение 6-мерного фазового пространства отдельных сгустков является отличительным признаком новой конструкции драйвера.
Дрейф и преобразование пучка для множественных камер: термоядерная энергия HIF является наиболее экономичной, если единая система тяжелоионного драйвера формирует импульсы синтеза в повторяющейся последовательности во множественных камерах синтеза. В наиболее общих схемах многокамерных термоядерных энергетических установок расстояние от ускорителя изменяется от камеры к камере.
Телескопирование и концентрирование являются основными динамическими процессами генерации пучка. Телескопирование грубо запрограммировано заканчиваться на множественных камерах через соответствующие различия в хронировании испускания из множественных изотопических источников ионов. Точное хронирование обеспечивается путем управления формы волны РЧ. Абсолютное хронирование прибытия слага на мишень, таким образом, распространяется на долю РЧ периода РЧ линейного ускорителя самой низкой частоты, например, управление до 1% от периода 100 нс маркизного линейного ускорителя 10 МГц даст управление 1 нс профиля поджигающего импульса.
Остановщик концентрирования позволяет микросгусткам поддерживать относительные позиции, когда слаг проходит расстояние до одной из камер. В конкретном положении на канале транспортировки пучка перед камерой мишени дифференциальное движение микросгустков возобновляется процессом сглаживания, который аналогичен РЧ процессу для концентрирования.
Сглаживатель, именуемый сглаживанием, наиболее заметное отличие от концентрирования, которое после сглаживателя создает дифференциальные скорости, микросгустки выходят из фазовой фокусировки, и процесс сглаживания не прекращается.
На указанных расстояниях перед каждой из множественных камер сглаживание возвращает указанные, меньшие дифференциалы скорости микросгусткам различных слагов. Сглаживание аналогично запуску процесса концентрирования, с тем отличием, что после того как сглаживатель обеспечивает дифференциалы скорости, микросгустки освобождаются от ограничения по осевой длине фазовой фокусировки, и действие сглаживания не останавливается. На фиг.23 показан процесс сглаживания. Когда сглаженный пучок дрейфует к камере мишени, центры микросгустков 2301 становятся ближе друг к другу, и отдельные микросгустки удлиняются в результате разброса скоростей, присущего продольному фазовому пространству.
Сохраняя площадь в продольном фазовом пространстве, микросгустки растягиваются по времени и сужаются по мгновенному разбросу импульса, когда различные слаги подвергаются телескопированию до желаемого профиля мощности пучка на мишени для термоядерного синтеза.
Дифференциальные скорости, сообщаемые микросгусткам сглаживателем, первоначально указываются так, чтобы все микросгустки достигали мишени одновременно или с желаемым разнесением. Любые эффекты объемного заряда для изменения дифференциала скорости между сгустками можно частично преодолевать путем соответствующего увеличения ускоряющего напряжения сглаживателя. Эффекты объемного заряда и ошибки формы волны РЧ сглаживателя будут отвечать за любой рост продольного эмиттанса.
Эффективный минимальный полный разброс импульса представлен на фиг.24 в общем случае. Возможную минимальную длину слага можно видеть, рассматривая сумму мгновенных разбросов импульса скопления сглаженных микросгустков плюс разность импульсов между передом и задом одного микросгустка. Этот эффективный минимальный разброс импульса (показанный на фиг.25) значительно ниже требований к приемлемой хроматической аберрации на мишени. На фиг.26 показана схема 2600, демонстрирующая оптимальный эффект сглаживателя.
Поджигающие импульсы переключаются из коллекторного канала транспортировки пучка в каналы транспортировки пучка, которые заканчиваются на отдельных камерах. Каждая из этих оконечных секций канала транспортировки пучка требует отдельного сглаживателя. Сглаживатель обеспечивает значительно меньшие дифференциальные скорости, и отдельные сглаживатели (номинально, одинаковые для всех камер) для каждой камеры являются незначительной статьей издержек.
Таблица 1Иллюстрация сглаживания согласно уровню техники
линейный ускоритель HDIIF
линейный ускоритель HIF
Концентратор HIF
Сглаживатель HIF
10 ГэВ Bi+
20 ГэВ Xe+
20 ГэВ Xe+
20 ГэВ Xe+
200 МГц
400 МГц
4000 МГц
На 4000 МГц
На мишени
5 нс
2,5 нс
0,25 нс
0,25 нс
20 нс
1,2e-4
1,2e-4
1,2e-3
1,2e-3
1,2e-3
1,5 нс
0,75 нс
0,075 нс
n/а
9e-6
q_μbunch
Q_μbunch
q_μbunch
n/а
1000
_peak
I_peak
I_peak
n/а
9e-3
0,075 нс
10 нс
q_μbunch
I_peak
Концентрировать дальше
Вобулятор
Задачей концепции РЧ вобулятора является быстрое закручивание пятна пучка вокруг кольцевой мишени в целях сглаживания плотности вложения энергии в мишень. РЧ вобулятор расположен перед линзами окончательной фокусировки, где диаметр пучка мал, в соответствии с апертурой вобулятора. При использовании изотопических разновидностей, которые имеют высокий процент разности скоростей, в особенности для последовательных процессов сжатия и быстрого зажигания, блок слагов для сжатия должен испытывать действие вобулятора (чтобы пятно освещало кольцевую форму), тогда как действие вобулятора должно прекращаться при прохождении блока слагов для быстрого зажигания, поскольку импульс FI нацелен в центр мишени.
Использование более медленных ионов для импульса FI, по сравнению со скоростью ионного импульса сжатия, обеспечивает промежуток времени между двумя импульсами, который можно использовать для включения или выключения вобулятора. В частности, для цилиндрической мишени, необходимая пиковая мощность FI снижается приблизительно линейно с диапазоном иона. Диапазон вложения энергии сокращается с увеличением Z и снижением кинетической энергии. Чувствительность оптимизации конструкции к выбору ионов невелика, и выбор относительной массы ионов FI и сжатия определяется практическими соображениями прямой доступности оборудования, т.е. известной и простой технологией.
В порядке иллюстрации, объемные ксеноновые источники плазмы являются коммерческой технологией (ANL использовала эту технологию в основных демонстрациях тока и яркости 1976-80). При использовании ксенона с Z=53 для импульса сжатия ряд более тяжелых ионов являются хорошими кандидатами. При использовании свинца для ионов FI, и 20 ГэВ является номинальной энергией множественных изотопов ксенона для импульса сжатия, условие телескопирования требует, чтобы энергия изотопов свинца находилась в диапазоне вблизи 13 ГэВ. Диапазон в заранее сжатом топливе, в этом примере, сокращается в 6-7 раз. Объем массы предварительно сжатого топлива, нагретой в режиме FI, можно сделать равным приблизительно минимальному (сферическому) физическому объему, содержащему минимальную массу, подлежащую FI-нагреву. Количественно сниженное требование к пиковой мощности импульса FI, которое следует из более оптимальной глубины FI-нагретой зоны, является основной причиной уверенности в работоспособности новой конструкции драйвера. Интегрированная оптимизация параметров для импульсов FI и сжатия позволит избежать значительных затрат.
2
3
В порядке иллюстрации, размер пятна, необходимый для пучков поджигающего импульса, определяется из параметра распространяющегося горения, rho•R, например 0.5 г/см (консервативное значение). Для топлива, предварительно сжатого до 100 г/см (относительно безопасное требование), радиус FI-нагретого диаметра пятна должен составлять, по меньшей мере, 50 мкм. Более крупные пятна требуют увеличенной пиковой мощности и энергии поджигающего пучка. Меньшие пятна требуют большего сжатия и повышенной яркости пучка.
Требование к пятну FI приблизительно в десять раз строже, чем для импульса сжатия, что было показано на доверительных моделях. Традиционная техника HIF позволяет обеспечить пятно сжатия, но с трудом поддается усовершенствованию. Использование расширенного объема в 6-мерном фазовом пространстве, обеспеченного с использованием совокупности изотопов, позволяет добиться желаемых улучшений и делает преимущества быстрого зажигания безопасными в рамках технологии.
Большое различие в скорости между импульсами сжатия и быстрого зажигания приводит к возникновению существенного зазора между ними на вобуляторе. Этот зазор допускает время нарастания 2701 вобулятора, как показано на фиг.27.
Время нарастания 2701 поля РЧ вобулятора важно в отношении отдельных импульсов для сжатия и быстрого зажигания (FI). Вобуляция позволяет нагревать кольцо в осевом направлении. Но импульс быстрого зажигания должен распространяться по оси, исходя из двух соображений: (1) Если суммарная площадь поперечного сечения предварительно сжатого топлива больше минимума, заданного параметром распространяющегося горения, пучок FI может соответственно отклоняться от оси. (2) Если, по экономическим соображениям, мощность импульса FI может превышать оптимизированный минимум, то импульс FI может иметь площадь пятна, превышающую минимум, которая может отклоняться от оси и все же покрывать оптимальную минимальную площадь предварительно сжатого топлива.
Усовершенствования мишеней
По сравнению с уровнем техники, новые процессы умножения тока обеспечивают улучшение параметров пучка, которые определяют интенсивность нагрева мишени и отклик мишени. Более высокая полная энергия пучка, уменьшенные размеры пятна повышают плотность вложения энергии и возбуждают мишени с обеспечением повышенного выигрыша в энергии от реакций синтеза. Плотность вложения энергии в мишень будет увеличиваться пропорционально квадрату диаметра пятна. Эти усовершенствования планируется применять в расчетах зажигания для конструкции топливной мишени.
Однородность вложения тепла является важным условием высокой отдачи мишени. Вобуляционное телескопирование разновидностей сглаживает вложение тепла за счет смещения мгновенных пятен, образованных разными разновидностями. Вследствие того, что они имеют разные скорости, ионы в соответствующих точках вдоль разных слагов проходят через вобулятор, находящийся на некотором расстоянии перед мишенью (например, 30 метров) при разных фазах РЧ поля вобулятора, и ионы, находящиеся в разных осевых позициях вдоль слага, проникают в нагретую кольцевую область в разных азимутальных точках.
При прохождении слага через цилиндрическую мишень вобулированный пучок распространяется вперед с фиксированной формой спиральной пружины. Толщина витков равна диаметру пятна пучка. При прохождении этой спиральной формы через мишень мгновенный нагрев в каждой точке цилиндрической кольцевой области соответствует спиральной форме источника тепла. Нагрев всего кольца не является однородным в любой момент времени. Нагрев, усредненный по времени, сглаживается при прохождении всего слага.
Благодаря телескопированию разные слаги в форме спиральной пружины вращаются в мишени относительно друг друга, вокруг общей оси. В порядке иллюстрации, если хронирование слаговой цепочки указывает, что все слаги одновременно достигают мишени (или с другим указанным хронированием, например, для обеспечения нужного энергетического профиля поджигающего импульса), окончания разных пучковых спиралей входят в кольцо, нагреваемое в разных азимутальных позициях. Рассеянные спиральные слаги множественных изотопов помещаются в спиральные промежутки (шаг спирали минус диаметр пятна), что дает повышение коэффициента сглаживания, равное количеству множественных изотопов. Разные слаги могут иметь хронирование для разных перекрывающихся конфигураций.
растяжение отдельных микросгустков сглаживателем дает дополнительный эффект сглаживания. Ионы в данном микросгустке отличаются по скорости, например, на 0,1%. В результате, ионы, одновременно подвергающиеся воздействию полей вобулятора, достигают мишени в разное время. Это позволяет сглаживать поперечное сечение мгновенного пучка.
Преимущества новой конструкции
- Первый однотактный драйвер HIF для использования традиционной ускорительной технологии;
- позволяет выгодно использовать множественные разновидности для телескопирующих пучков на мишени для термоядерного синтеза;
- позволяет избавиться от накопительных колец, снимая сложный/дорогостоящий технический вопрос;
- ослабляет требование к эмиттансу пучка отдельных источников ионов; и
- позволяет уменьшить суммарный телесный угол апертур входных каналов поджигающего пучка.
Новые технические признаки
- Множественные камеры синтеза с одним надежным ускорителем/зажигателем (10-100+BPOE импульсы);
- утилизируемый литиевый башмак для заряда топлива, замедлитель нейтронов, T-бридер, горячая рабочая жидкость сверхвысокой температуры;
- заглушающая струя капель и тонких аэрозолей лития;
- сверхбыстрый межимпульсный вакуумный насос для капель и тонких аэрозолей лития в камере синтеза;
- импульсный насос для лития с очень высокой производительностью (десятки тонн в секунду в самых ранних камерах)
- отель источников для множественных разновидностей ионов;
- система концентрирования микросгустков сохраняет РЧ временную структуру и хронирование пучка ионов;
- спиральная линия задержки и восстановления хронирования последовательных разновидностей;
- меньше каналов транспортировки пучка и линз окончательной фокусировки, ведущих в камеры синтеза; и
- прямое преобразование термоядерной энергии, переносимой заряженными частицами и нейтронами.
Усовершенствования, касающиеся общей производительности и стоимости системы, включают в себя:
- улучшенные свойства фокусировки поджигающего импульса (благодаря применению 6-мерного фазового пространства множественных разновидностей);
- более интенсивный нагрев мишени на основе классической “боровской” остановки ионов;
- более однородный нагрев мишени;
- энергия поджигающего импульса в десять раз больше, чем в National Ignition Facility;
- Быстрое зажигание (FI) разновидностями ионов FI, выбранными для максимальной эффективности зажигания;
- Хронирование для множественных камер термоядерного синтеза;
- коэффициент заполнения драйвера в импульсном РЧ диапазоне; и
- ослабленные требования к вакууму.
Новые пучковые процессы не требуют многовитковой инжекции в накопительные кольца. Это позволяет избежать проблем традиционной техники, значительных усилий по проектированию и основных аппаратных демонстраций вопросов, связанных с накопительными кольцами. Устранение этих проблем сокращает расписание для HIF за счет избавления от необходимости в проекте удостоверения, занимающем много времени, для чего требуется оборудование, размеры, возможности и стоимость которых аналогичны тем, которыми обладают накопительные кольца и линейный ускоритель, которые использовались бы в энергетической системе.
Сравнение
Новые процессы можно описать применительно к ряду процессов умножения пучка.
target
source
isotopes
sources
snug
slick
sides
I=I×N×N×N×N×N
В порядке иллюстрации рассмотрим импульс сжатия или FI. Параметры сжатия показаны:
I<sub>source</sub>
Ксенон с напряжением предускорителя 1,5 МВ
=0,1 А
N<sub>isotopes</sub>
количество источников на отель источников
=10
N<sub>sources</sub>
количество отелей источников,
=32
предускорителей, маркиз
N<sub>snug</sub>
отношение разнесения между микросгустками до и после концентрирования
=10
N<sub>slick</sub>
длина слага на сглаживателе ÷ длина слагов на мишени
=12,5
N<sub>beams</sub>
количество пучков, поступающих в камеру
=8
I<sub>target</sub>
Полный ток пучков на мишени со всех направлений
=128000 А
Мощность
=I<sub>target</sub> × энергия иона (20 ГэВ)
=6,4 ПВт
Увеличение тока поджигающего импульса из линейного ускорителя приводит к тому, что линейный ускоритель включается на относительно короткое время для выработки импульса зажигания, например 300 микросекунд. При использовании десяти импульсов в секунду, например, для возбуждения десяти множественных камер, РЧ коэффициент заполнения равен 0,003, безопасно в диапазоне, классифицируемом как импульсная РЧ мощность. Преимущества импульсной РЧ состоят в более высокой пиковой мощности для одного источника и более низкой стоимости в расчете на ватт пиковой мощности.
Новый набор процессов для сжатия тока, вырабатываемого линейным ускорителем, минимизирует время нахождения пучка в любой секции пучковой трубки и, что немаловажно, позволяет обеспечить однотактную систему. Генерация импульса за минимальное время увеличивает необходимую пиковую РЧ мощность, но снижает РЧ коэффициент заполнения ниже порога в долю процента, где стоимость ватта пиковой РЧ мощности значительно меньше, чем непрерывной РЧ мощности. В целях иллюстрации в таблице 2 эти соображения стоимости представлены на основе инженерных оценок, базирующихся на конструкции и стоимости традиционного HIF в современных РЧ энергетических системах:
Таблица 2
Полный ток линейного ускорителя
K.E/ион
Пиковая РЧ мощность
Энергия зажигания
Нагрузка пучка
Время включения/импульс
Частота повторения
Коэффициент заполнения
Цена/Вт-пик
Средняя мощность
Цена/Вт-сред.
HIF
5 А
20 ГэВ
100 ГВт
20 МДж
0,9
300 мкс
10 имп./с
0.3%
.015 $/Вт
300 МВт
30 $/Вт
HIDIF
0,4 А
10 ГэВ
4 ГВт
4 МДж
0,6
1500 мкс
50 имп./с
c.w.
N/A
400 МВт
30 $/Вт
При токе 5 А и энергии 20 Гэв РЧ сообщает пучку 100 ГВт в течение импульса. Мощность для возбуждения ускорителя в несколько раз меньше мощности пучка, но не указана. С этим предупреждением иллюстрация предписывает экономические соображения относительно энергетики HIF.
Результаты для термоядерной энергетики
Новые признаки конструкции опираются на значительное увеличение полного 6-мерного фазового пространства, которое стало возможным благодаря использованию множественных изотопов. Наименьшая площадь, которая может быть освещена на поверхности мишени и, следовательно, наименьший объем, в который может быть вложена энергия пучка, определяется на основании физического закона, известного как теорема Лиувилля. Сущность конструкции драйвера в том, что он работает с 6-мерным фазовым пространством, заданным в исходной точке полного количества ионов пучка, всего около 10 петачастиц, десять миллионов миллиардов для каждого поджигающего импульса.
Конструкции драйвера HIF, отвечающие уровню техники, считаются напряженными в отношении возможностей известной технологии. Характерно, напряжение выражается давлением на яркость источников ионов для помещения необходимого количества ионов в достаточно малый объем 6-мерного фазового пространства, благодаря чему процессы генерации поджигающего импульса обеспечивают параметры пучка, которые требуются для зажигания топливной мишени. Поперечный эмиттанс приносит пользу, в основном, за счет ограничения накопления в поперечном фазовом пространстве. Коэффициент, например, 2,5x (включая дилюцию), с которым поперечный эмиттанс растет в каждой плоскости, в результате объединения множественных пучков, испущенных линейным ускорителем, является лишь одним из ряда процессов преобразования пучка, который использует поперечное (4D) фазовое пространство. Меньший поперечный эмиттанс позволяет добиться меньших пятен пучка на мишени, что увеличивает интенсивность нагрева обратно пропорционально квадрату диаметра. В порядке иллюстрации, при уменьшении диаметра пятна в пять раз интенсивность возрастает в двадцать пять раз. Уровень техники указывает, что это значительное усовершенствование не требуется, но такая возможность важна для уверенного развития термоядерной энергетики. Сохранение структуры микросгустка и целостности в фазовом пространстве позволяет, в принципе, обеспечивать наименьшие эмиттансы на мишени. Эффекты концентрирования и сглаживания выигрывают от поддержания микросгустка для сохранения продольного фазового пространства за счет систематического перемещения промежутков между сгустками в соседние межслаговые промежутки, которые затем по большей части удаляются (согласно параметрам хронирования импульсов) с помощью спиральной линии задержки. Этот процесс уплотняет пучок без ущерба для продольного эмиттанса, что приводит к снижению хроматической аберрации на мишени.
Генерация поджигающих импульсов за один проход через систему ослабляет требования к вакууму. Это позволяет снизить затраты и повышает запас прочности конструкции. Новые пучковые процессы не требуют многовитковой инжекции в накопительные кольца. Это позволяет избежать проблем традиционной техники, значительных усилий по проектированию и основных аппаратных демонстраций вопросов, связанных с накопительными кольцами. Устранение этих проблем сокращает расписание для HIF за счет избавления от необходимости в проекте удостоверения, занимающем много времени, для чего требуется оборудование, размеры, возможности и стоимость которых аналогичны тем, которыми обладают накопительные кольца и линейный ускоритель, которые использовались бы в энергетической системе.
Для иллюстративного сравнения с уровнем техники новая концепция драйвера объединяет в 5-10 раз (или больше) более высокую полную энергию поджигающего импульса; как высокую или более высокую полную мощность поджигающего импульса; меньшие размеры пятна на мишенях; надлежащий профиль мощности импульса на мишени; быстрое зажигание, оптимизируемое путем выбора разновидностей ионов для слагов в импульсе быстрого зажигания. Комбинация усовершенствований относительно уровня техники обеспечивает систему, отвечающую всем известным или теоретически возможным требованиям к экономичности термоядерной энергетической установки.
В вышеприведенном описании изобретение было представлено со ссылкой на конкретные иллюстративные варианты осуществления. Однако, очевидно, что оно допускает различные модификации и изменения, не выходящие за рамки более широких сущности и объема изобретения, установленных в формуле изобретения. Соответственно, описание изобретения и чертежи следует рассматривать в иллюстративном смысле, а не в ограничительном смысле.