Способ удержания плазмы продольно вращающимся постоянным магнитным полем в кольцевом термоядерном реакторе с магнитной подвеской вращающихся магнитных элементов и устройство для его осуществления

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Предложен способ удержания высокотемпературной плазмы в камере магнитного термоядерного реактора, относящийся к области прикладной физики, отличающийся тем, что ионы плазмы удерживаются вращающимся продольным цилиндрическим магнитным полем, создаваемым вращаемым постоянным керамическим магнитом или соленоидом.
Магнитное поле в полости реактора вращается так, что ось его вращения совпадает с осью симметрии камеры и постоянного магнита, создающего это поле. При этом магнитные силовые линии поля движутся относительно заряда плазмы так, что вектор скорости в любой точке плоскости сечения, перпендикулярного вектору магнитной индукции, направлен перпендикулярно к радиусу-вектору, соединяющему эту точку с центром вращения плоскости, При должном выборе направление вектора индукции, создаётся условие, при котором в соответствии с правилом левой руки на любой положительный заряд действует сила Лоренца, направленная к центру вращения магнитного поля, понуждающая ионы двигаться к оси магнитного поля в область с меньшим значением силы Лоренца, формируя и удерживая в приосевой области камеры реактора облако высокотемпературной плазмы, изолированной вакуумным пространством от стенок камеры.
Для создания условий разогрева плазмы камера реактора составляется из замкнутого кольца полых цилиндров, охваченных цилиндрическими керамическими (или другими) вращающимися вокруг оси продольной симметрии магнитами с продольной намагниченностью, в которую помещается реакционная плазма. При этом вращающиеся магниты ориентированы в пространстве таким образом, что полюс «N» каждого магнита сопрягается с полюсом «S» следующего, образуя замкнутое магнитное поле реактора.
Цилиндрические магниты подвешиваются в пространстве с помощью магнитной подвески и приводятся во вращение с одинаковой угловой скоростью вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой.

Текст

Смотреть все

(51) 21 1/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ индукции, направлен перпендикулярно к радиусувектору, соединяющему эту точку с центром вращения плоскости, При должном выборе направление вектора индукции, создатся условие,при котором в соответствии с правилом левой руки на любой положительный заряд действует сила Лоренца, направленная к центру вращения магнитного поля, понуждающая ионы двигаться к оси магнитного поля в область с меньшим значением силы Лоренца, формируя и удерживая в приосевой области камеры реактора облако высокотемпературной плазмы,изолированной вакуумным пространством от стенок камеры. Для создания условий разогрева плазмы камера реактора составляется из замкнутого кольца полых цилиндров,охваченных цилиндрическими керамическими (или другими) вращающимися вокруг оси продольной симметрии магнитами с продольной намагниченностью,в которую помещается реакционная плазма. При этом вращающиеся магниты ориентированы в пространстве таким образом, что полюскаждого магнита сопрягается с полюсомследующего, образуя замкнутое магнитное поле реактора. Цилиндрические магниты подвешиваются в пространстве с помощью магнитной подвески и приводятся во вращение с одинаковой угловой скоростью вращающимся магнитным полем,создаваемым трехфазной обмоткой.(76) Морозов Александр Валерьевич Морозов Владимир Петрович Морозов Валерий Петрович(54) СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ ПРОДОЛЬНО ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОСТОЯННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В КОЛЬЦЕВОМ ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ С МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКОЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Предложен способ удержания высокотемпературной плазмы в камере магнитного термоядерного реактора, относящийся к области прикладной физики, отличающийся тем, что ионы плазмы удерживаются вращающимся продольным цилиндрическим магнитным полем, создаваемым вращаемым постоянным керамическим магнитом или соленоидом. Магнитное поле в полости реактора вращается так, что ось его вращения совпадает с осью симметрии камеры и постоянного магнита,создающего это поле. При этом магнитные силовые линии поля движутся относительно заряда плазмы так, что вектор скорости в любой точке плоскости сечения, перпендикулярного вектору магнитной Способ удержания плазмы в магнитном термоядерном реакторе в продольно вращающемся магнитном поле относится к области прикладной физики, а именно к способам магнитного удержания высокотемпературной плазмы в термоядерных реакторах типа токамак, стелларатор и др. Известен способ удержания плазмы в магнитных термоядерных реакторах, при котором, помещенная в тороидальную вакуумную камеру плазма, должна локализоваться в пространстве вдоль оси тора,изолированном от стенок камеры вакуумным пространством, под действием совокупности магнитных полей, образуемых системой обмоток катушек (Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М. Наука, 1975) и током, текущим в самой плазме. Поле образуется как сумма полей- тороидальных катушек, создающих продольное магнитное поле вдоль оси тора (оно направлено как плазменный шнур).- тока, текущего по плазме и создающего магнитное поле вокруг себя (оно направлено как поле тороидальных катушек). В результате суммы этих двух полей получается винтовое магнитное поле. полоидального магнитного поля,направленного вдоль малого обхода тора,создаваемого током полоидальных витков для подавления сил, действующих по большому радиусу тора. Результирующее магнитное поле имеет силовые линии в виде бесконечных спиралей, охватывающих центральную линию плазменного тора - магнитную ось. Таким образом, силовые линии магнитного поля образуют в токамаке замкнутые, вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности. Одним из принципиальных недостатков схемы реактора токамак с замкнутой магнитной ловушкой является использование в качестве одного из стабилизирующих факторов магнитного поля тока,текущего по плазме. Появление какой либо флуктуации в объме плазменного шнура, приводит к изменению его конфигурации - появлению искривлений,выбросов и др. Очевидно,появившиеся дефекты конфигурации плазменного шнура приведут к запоминанию их видоизмененным магнитным полем, порожденным этими дефектами, и в определенных условиях,например при зарождении петлеобразных образований, будут стабилизироваться током петли и развиваться до аварийного соприкосновения с поверхностью камеры. Другим принципиальным недостатком конструктивной схемы известного реактора токамак с замкнутой магнитной ловушкой в тороидальной камере является невозможность физического образования внутри его камеры потока носителей электрических зарядов в виде плазменного витка,удерживаемого на осевой окружности в теплоизоляции, т.е. невозможность отделения плазмы вакуумным пространством от стенки камеры. 2 Сущность технической идеи, заложенной в устройство типа реактора токамак, состоит в навивании ларморовских токов, образуемых частицами плазмы, на продольные силовые линии постоянного стабилизированного в пространстве и времени магнитного поля. Частицы плазмы хаотически движутся как по всему объему камеры,так и вблизи стенки, и нет такого физического фактора, который мог бы воспрепятствовать навиванию ларморовских токов на продольные силовые линии магнитного поля, проходящие не только в средней части камеры, но и в непосредственной близости ее стенки. Таким образом, весь объем камеры реактора токамак неизбежно заполняется винтовыми траекториями ларморовских токов. Если смотреть на них вдоль продольных линий магнитного поля,то эти линии будут представляться окружностями,по которым в одном направлении вращаются точечные заряды плазмы. Направления токов в местах расположения соседствующих между собой таких окружностей всегда будут встречными. Поэтому окружности ларморовских токов отталкиваются друг от друга,создавая благоприятные условия для развития неустойчивостей типа язык с выбросом в радиальных направлениях плазмы на стенку камеры. Это экспериментально неоднократно подтверждено при испытаниях целого поколения установок Токамак, показавших в сто и более раз меньшее время существования плазмы по сравнению с теоретически ожидаемым (Патент Российской Федерации номер 2152081, Класс патента 21 1/00). В силу существования описанных особенностей реакторов типа Токамак выходом из создавшейся ситуации, определяющей неизбежность аварийных прорывов плазмы на стенки реактора, является создание таких условий в реакторной камере, при которых продвижению любого иона к периферии камеры от оси тора будет противодействовать внешняя, не зависящая от силы тока в плазме сила,возрастающая от центра к периферии, тем большая,чем ближе к периферии находится ион. Такие условия для ионов одноименного заряда обеспечиваются вращающимся в камере реактора продольным цилиндрическим магнитным полем, ось вращения которого расположена в центре поперечного сечения магнитного поля и реакционной камеры. При этом силовые линии поля направлены вдоль образующих цилиндрической реакционной камеры и вращаются параллельно образующим постоянного цилиндрического магнитного поля. Направление вектора относительной скорости вращения магнитных силовых линий поля по отношению к ионам перпендикулярно силовым линиям, и обеспечивает создание Лоренцевой силы, центростремительно действующей на ионы, обеспечивая вакуумную изоляцию плазменного шнура от стенок реактора. Ниже приводится описание способа удержания положительных ионов по оси полого цилиндрического (круглого) постоянного магнита, 24589 вращающегося в пространстве, и образующего вращающееся магнитное поле. Плазма, состоящая из ионов водорода, дейтерия и трития , располагается в пространстве магнитного потока в камере реактора- фиг. 1. Сечениепоказано в плоскости чертежа,перпендикулярного силовым линиям магнитного потока на фиг.2. Ионы находятся в движении,корректируемом магнитным потоком. Скорость движения ионов определяется температурой плазмы. Ионы водорода (дейтерия, трития) заряжены положительно. Пространство, в котором располагается плазма,пронизано силовыми магнитными линиями,создаваемыми цилиндрическим постоянным магнитом. Цилиндрический магнит вращается вокруг оси симметрии, создавая постоянное продольно вращающееся магнитное поле. В качестве постоянного магнита могут быть использованы соленоид, полые металлический,керамический магниты, либо другое устройство,создающее вращающееся в пространстве постоянное магнитное поле с продольной ориентацией направления намагниченности вдоль оси симметрии А-А, вокруг которой осуществляется вращение поля. Показано на фиг. 1. На фиг. 2 представлена схема взаимодействия положительно заряженных ионов водорода с вращающимся магнитным полем. Магнитные ситовые линии, создаваемые полем вращающегося постоянного магнита, движутся вокруг точки А в направлении по часовой стрелке. На фиг. 2 воспроизведена ситуация, существующая в поперечном сечении поля, перпендикулярном оси симметрии магнита, при которой вектор магнитной Поскольку магнитное поле вращается вокруг центра А, вектор относительной скоростидвижения заряженной частицыоказывается направлен в любой точке плоскости перпендикулярно к радиусу-вектору, соединяющему эту точку с центром вращения. Таким образом, в соответствии с правилом левой руки на любой положительный заряд, находящийся в плоскости чертежа, действует сила Лоренца л, направленная к центру вращения магнитного поля, понуждающая ионы двигаться к оси магнитного поля А-А в область с меньшим значением силы Лоренца. Помимо движения ионов плазмы в направлении к центру вращения поля под действием силы Лоренца, возникающей за счет продольно вращающегося магнитного поля, ионы под действием ускоряющего электростатического поля Е движутся параллельно вектору магнитной индукции. В силу того, что уголмежду векторами В иравен 0 градусов сила Лоренца,порождаемая этим движением в силу (1) также равна нулю. Движение заряженных частиц к оси магнитного потока будет продолжаться до тех пор, пока действующая на них сила Лоренца не будет уравновешена электростатической силой противодействия ионов, располагающихся ближе к центру вращения А. Сила Кулоновского взаимодействия(противодействия для одноименных зарядов) между двумя частицами определяется 12(3)42 Оценим силы взаимодействия ионас вращающимся магнитным полем индукции В направлен перпендикулярно вглубь центростремительную силу Лоренца и силу рисунка (крестики , - хвосты стрелок,взаимодействия между двумя показывающих направление векторов магнитной кулоновского одноименными зарядами на линии центр вращения индукции). Поскольку ионы водорода (дейтерия и трития) представляют собой электрические заряды и магнитного поля А- заряд- заряд- фиг. 3,находятся во вращающемся магнитном поле, на не учитывая эффект взаимодействия удаленной каждый ион действует сила Лоренца, модуль частицы с облаком плазмы. В соответствии с уравнениями (2)-(3) зададимся которой равен исходными данными, в первом приближении лВ(1) позволяющими оценить параметры сил,Для данной ситуации, когдасоставляет 90 действующих в системе. Данные выбираем из ряда,лВ (2) который соответствует реальной физически реализуемой в нормальных условиях системе. Заряд протона 1.610(-19) КЛ. Магнитная индукция В 1.45 Тл (керамический магнит) Масса частицы 3.32 10 (-27)кг Круговая скорость вращения 18 000 об/мин (300 об/сек) Радиус рабочей камеры 0,5 м Электрическая постоянная 8,85 10(-12) (Ф/м В системе СИ) Линейная скорость ионаотносительно силовых линий магнитного поля 2 (4)23,140.5300942 м/сек Сила Лоренца, действующая на ионв соответствии с (2) или приняв в качестве независимой переменнойвыразимл виде функции отл 1,610(-19)1,45 243708810 (19)(5) Таблица 1 м л 0 0 0.1 0.43710(-16) 0.2 0,874 10(-16) 0.3 1,31110(-16) 0.4 1,74810(-16) 0.5 2,18510(-16) 0.6 2,62210(-16) 0.7 3,05910(-16) Значения силы Лоренца в зависимости от расстояния от центра вращения магнитного поля. Сила Кулона, действующая на ионопределяется соотношением (3). Воспользовавшись исходными данными, выразим силу кулоновского взаимодействия через параметр- расстояние между ионами. Газовый разряд 10 16 Токамак 10 20 Некоторые значения дебаевских длин В соответствии с приведенными данными для токамака значениеопределится 2.303 После приведения во вращение полого магнита в соответствии со схемами фиг. 2, 3 в объме вращающегося магнитного поля появляется сила Лоренца, действующая на ионы водорода, дейтерия и трития. Определенная ранее для 0,5 м эта сила составит л 2,185 10 (-16) С началом вращения магнитного поля относительно ионов плазмы,отрицательно заряженные ионы и электроны(для рассматриваемой схемы) будут выметены из пространства реакционной камеры к е периферии и при заземлении стенок камеры удалены. Сила кулоновского взаимодействия между одноименными ионам оценивается, как было определено ранее 2.39310 (20)4.710 (20)Таким образом, сила Лоренца, действующая на ион плазмы и линейно зависящая от его положения в пространстве относительно оси вращения магнитного поля (Таблица 1), оказывается на четыре порядка выше сил кулоновского противодействия движению этого иона к оси вращения поля - (6) (7). Ионы плазмы в силу этого сосредоточиваются в облаке(шнуре),локализованном в области оси вращающегося поля,где силы Лоренца имеют малые значения. При возникновении флуктуации внутри плазменного шнура, проводящих к его искривлению или 4 Вернмся к фиг. 3. Положим в начале процесса облако плазмы занимает все пространство камеры реактора . Примем, что расстояние между ионами плазмы, находящимися на расстояниидруг от друга на границе плазменного шнура, соответствует Дебаевской длине (дебаевскому радиусу) расстоянию, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц(плазма,электролиты). Вне сферы радиуса дебаевской длины электрическое поле экранируется в результате поляризации окружающей среды. По одному из источников для термоядерной плазмы с параметрами (п е 1014 см-3, Т 108 К) Дебаевская длина 7 10-3 см. или 7 10-5 м. Подставив в (5) получим 1028 появлению выбросов плазмы, ионы, покинувшие установившееся облако вблизи оси вращения,попадают в область с возрастающим от центра к периферии значением лоренцевой силы, и будут под е воздействием возвращены в пространство стабилизированной плазмы. Оценим силы кулоновского взаимодействия в сравнении с силами Лоренца для условий, принятых в описываемой модели. В установившемся режиме должно выполняться равенство л Оценим,на каком расстоянии между одноименно заряженными ионам, выполняются условия Таблицы 1 2.30310 2822.18510(16) Из полученного значения видно, что при действии на ион силы Лоренца определенной как л 2,18510(-16) Н, сближение между двумя взаимодействующими ионами с одинаковыми зарядами может составить (10) -2 от дебаевской длины. Полученные выводы были сделаны для оценочного параметра скорость вращения магнитного поля, равного 942 м/сек. Очевидно, что скорость движения магнитного поля относительно иона может быть увеличена и ограничивается прочностными свойствами вращающегося магнита(в случае твердотельного магнита). Для уменьшения размеров устройства, реализующего способ, 24589 рационально применять керамические магниты с высокой остаточной магнитной индукцией. Для увеличения прочности вращающегося магнита Металлы и сплавы предлагается поместить его в цилиндр,изготовленный из высокопрочной стали,характеристики которой приведены в Таблице 3 Таблица 3. Состояние Предел Предел Удлинение,текучести, МПа прочности на Высокопрочная сталь (0,4 С,1,0 Мп,1,5 , 2,0 С,0,5 Мо) Используя данные таблицы - Предел прочности 02300 МПа оценим скорость вращения конструкции стальной упрочняющий цилиндр - керамический магнит, при которой произойдет е разрушение.2300 МПа 2300 10(6) Н / м 2 Исключая участие нагрузки керамики магнита на возникающую при вращении центробежную силу,определим скорость вращения цилиндрического полого магнита при которой достигается з разрывное усилие На основании полученной оценки допустимой скорости вращения постоянного магнита(керамического в стальной оболочке) и,следовательно, относительной скорости вращения магнитного поля по отношению к иону водорода(дейтерия, трития) эта скорость может быть увеличена по крайней мере на порядок, что в свою очередь приведет к увеличению силы Лоренца,действующий на ион, минимум в десять раз. Использование электронного устройства,позволяющего реализовать продольно вращающееся в пространстве магнитное поле, аналогичное описанному выше, без применения твердотельных цилиндрических полых магнитов,позволит получить скорости вращения и давление магнитного поля на плазму в необходимых для удержания пределах. Для реализации способа длительного удержания высокотемпературной плазмы, состоящей из положительных ионов, в продольно вращающемся магнитном поле используется устройство - реактор,составленный из замкнутого кольца полых цилиндрических керамических - (или других) магнитов с продольной их намагниченностью. Кольцо реактора изображено в плане на фиг. 4 элементы 1,2,3,4,5,6 - вращающиеся постоянные магниты. В конструкции магниты ориентированы в пространстве таким образом, что полюскаждого магнита сопрягается с полюсомследующего, образуя замкнутое магнитное поле. Магниты - цилиндры приводятся во вращение с одинаковой угловой скоростью скоростным электроприводом. Рационально в конструкции приводов магнитов - цилиндров использовать магнитную подвеску и для придания им вращательного движения использовать каждый из них в качестве ротора двигателя. Для предотвращения раздутия силовых магнитных линий в местах сочленения магнитов цилиндров, осуществляется перекрытие мест сочленения дополнительными вращающимися цилиндрами - магнитами, как показано на фиг. 4 Узел В. Узел А - место сочленения магнитов цилиндров используется для создания технологического окна обслуживания плазменного шнура подвода - съма энергии,подвода энергии для разогрева плазмы и т.д. Из сравнения существующих способов удержания плазмы - токамак, стелларатор и др.- с предлагаемым способом удержания ионов вращающимся продольным магнитным полем,создающим центростремительную лоренцевскую силу, действующую на положительные ионы, видны положительные стороны предлагаемого способа 1. Действие основного стабилизирующего устойчивость плазмы фактора вынесено из объема плазмы в вакуумное пространство. Плазменный шнур, расположенный по оси реактора, отделен от его стенок, обеспечивая условия теплоизоляции плазмы созданием вакуумной зоны в прилегающем к стенкам пространстве. 2. Лоренцевы силы,стабилизирующие плазменный шнур порождаются внешним источником, исключая появление положительной обратной связи между возмущениями,порождаемыми плазмой и стабилизирующим воздействием центростремительных сил. Силы,стабилизирующие плазму, могут варьироваться в широких пределах. При этом максимум действия этих сил приходится на зону, прилегающую к стенке камеры реактора, обеспечивая вакуумную изоляцию плазменного шнура от стенки камеры. 3. В силу круговой симметрии сечения магнитного потока в реакционной камере и самой камеры обеспечивается симметрия центростремительных сил, действующих на ионы плазмы,исключается появление дестабилизирующих факторов,вызванных асимметрией пространства реакционной камеры 1. Способ удержания высокотемпературной плазмы в камере магнитного термоядерного реактора, отличающийся тем, что ионы плазмы удерживают вращающимся продольным 5 цилиндрическим магнитным полем, создаваемым постоянным керамическим магнитом или соленоидом, вращающимся так, что ось вращения совпадает с осью симметрии камеры и постоянного магнита, и при этом магнитные силовые линии поля движутся относительно заряда плазмы со скоростью, вектор которой направлен в любой точке плоскости сечения, перпендикулярного вектору магнитной индукции, перпендикулярно к радиусувектору, соединяющему эту точку с центром вращения плоскости таким образом, что при выбранном направлении индукции в соответствии с правилом левой руки на любой положительный заряд действует сила Лоренца, направленная к центру вращения магнитного поля, понуждающая ионы двигаться к оси магнитного поля в область с меньшим значением силы Лоренца, формируя и удерживая в приосевой области камеры реактора облако высокотемпературной плазмы и обеспечивают вакуумную изоляцию плазменного шнура от стенок реактора. 2. Устройство удержания высокотемпературной плазмы, отличающееся тем, что камера реактора состоит из замкнутого кольца полых магнитных цилиндров с продольной намагниченностью,вращающихся вокруг оси продольной симметрии цилиндрических магнитов, в которую помещается реакционная плазма, при этом вращающиеся магниты ориентированы в пространстве таким образом, что полюскаждого магнита сопрягается с полюсомследующего, образуя замкнутое магнитное поле реактора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что цилиндрические магниты подвешиваются в пространстве с помощью магнитной подвески и приводятся во вращение с одинаковой угловой скоростью вращающимся магнитным полем,создаваемым многофазными обмотками.

МПК / Метки

МПК: G21B 1/00

Метки: способ, кольцевом, подвеской, вращающихся, термоядерном, осуществления, удержания, магнитных, плазмы, вращающимся, продольно, элементов, магнитным, устройство, постоянным, полем, магнитной, реакторе

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/8-24589-sposob-uderzhaniya-plazmy-prodolno-vrashhayushhimsya-postoyannym-magnitnym-polem-v-kolcevom-termoyadernom-reaktore-s-magnitnojj-podveskojj-vrashhayushhihsya-magnitnyh-elementov-i-u.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Способ удержания плазмы продольно вращающимся постоянным магнитным полем в кольцевом термоядерном реакторе с магнитной подвеской вращающихся магнитных элементов и устройство для его осуществления</a>

Похожие патенты