3

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к ядерным реакторам синтеза лёгких элементов и предназначено преимущественно для использования в стационарных условиях и на крупногабаритном транспорте.

Традиционно в этой отрасли используются реакторы деления ядер тяжёлых элементов и в стадии изучения и разработки, затянувшихся на 50 лет, находятся реакторы термоядерного синтеза лёгких ядер, среди которых лидируют ТОКАМАКи и СТЕЛЛАРАТОРы. Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом его) являются американские установки DCX, описанные в книге В. Ф. Калинина «Термоядерный реактор будущего» (Атомиздат, Москва, 1966, с. 117 – 123). Положительного выхода энергии в них не продемонстрировано, равно как и в других схемах термоядерного реактора будущего. И в дополнение к упомянутому временному фактору имеются серьёзные методологические основания (см. Приложение к описанию настоящего изобретения) полагать термоядерный синтез бесперспективным направлением в ядерной энергетике.

Задачей настоящего изобретения является расширение поиска принципиальных решений проблемы ядерного синтеза лёгких элементов, пригодных для промышленного использования.

Для решения поставленной задачи предлагается способ ядерного синтеза лёгких элементов в вакуумной цилиндрической камере, включающий следующие основные процессы, объединённые в непрерывный замкнутый термодинамический цикл:

– создание в рабочей зоне камеры постоянного магнитного поля заданной величины индукции с осесимметричным расположением магнитных силовых линий внутри цилиндра,

– подготовку в плазменном инжекторе исходных продуктов низкотемпературной плазмы в виде квазинейтральной смеси тяжёлых ионов и лёгких электронов,

– инжекцию частиц плазмы в вакуумную камеру под близким к прямому углом к силовым линиям магнитного поля с образованием в его центре квазинейтрального плазменного кольца,

– синтез тяжёлых ионов исходной плазмы с выделением свободной энергии,

– удаление продуктов ядерной реакции из вакуумной камеры с утилизацией их энергии и выделившейся свободной энергии для дальнейшего полезного использования,

при этом частицы исходной холодной плазмы инжектируют в вакуумную камеру в направлении касательной к воображаемой окружности, радиус которой несколько меньше радиуса внутренней цилиндрической поверхности вакуумной камеры, и закручивают тяжёлые ионы в плазменное кольцо с заданной средней скоростью вдоль этой окружности с отступом от внутренней стенки камеры, а реакцию ядерного синтеза осуществляют при установке и стабилизации в рабочей зоне камеры оптимальных значений индукции магнитного поля и средней энергии вращения ионов плазмы за счёт «туннельного» эффекта в процессе естественного непрерывного самоуплотнения плазмы под воздействием магнитных сил, действующих на тяжёлые вращающиеся ионы в направлении к плоскости симметрии, проходящей через воображаемый центр магнитного поля перпендикулярно силовым линиям.

Для подготовки исходных продуктов плазмы в предлагаемом способе используют однокомпонентную смесь на основе дейтерия. Установку и стабилизацию в рабочей зоне камеры оптимальных значений индукции магнитного осуществляют регулированием величины тока в электромагнитной катушке. Установку и стабилизацию в рабочей зоне камеры оптимальных значений средней энергии вращения ионов плазмы осуществляют с помощью излучателей радиоволн сверхвысокой частоты (гиротронов).

На рис. 1 представлена принципиальная схема ядерного реактора, в котором реализуется предлагаемый способ синтеза лёгких элементов. Он содержит следующие основные элементы: 1 — вакуумная рабочая камера, 2 — электромагнитная катушка, 3 — инжектор плазмы, 4 — плазменное кольцо или "бублик", 5 — кольцевые токи вращающихся ионов плазмы.

Ядерный реактор в режиме запуска работает следующим образом. В рабочей камере 1 с помощью электромагнитной катушки 2 индуцируется магнитное поле с индукцией B. Затем в рабочую зону плазменными пушками 3 инжектируется готовая плазма. Инжекция плазмы осуществляется со средней скоростью частиц u под близким к прямому углом к силовым линиям поля в направлении касательной к воображаемой окружности радиуса r = mu/eB, где m и e — масса и заряд иона соответственно. При этом на уровне этой окружности вблизи центра О магнитного поля формируется плазменное кольцо или "бублик" 4 из тяжёлых ионов дейтерия и лёгких электронов. На примерах из электродинамики и механики покажем, что для подобных структур или образований характерна природная тенденция к непрерывному и неограниченному самоуплотнению частиц, образующих структуру.

Согласно классической электродинамике каждый из вращающихся ионов дейтерия задаёт кольцевой ток 5, который формирует собственное магнитное поле и может быть уподоблен кольцевому проводнику с током. И при одинаковом направлении токов такие «проводники» или ядра-магниты неограниченно сближаются за счёт амперовых сил магнитного притяжения. При этом, как показывает опыт, кулоновские силы не препятствуют такому сближению, поскольку положительные и отрицательные заряды в среде «проводников» компенсируют друг друга.

А на рис. 2, а изображена моментальная картина распределения частиц обычного газа в условиях гидростатического равновесия между силами тяжести и давлением согласно Больцману: газ уплотнён в нижних слоях сосуда и разрежён в верхних. Аналогично ведёт себя и плазма, будучи по определению макроскопическим квазинейтральным образованием. Ибо последнее означает, что на микроуровне взаимное расположение ионов и электронов, представленное на схеме «б» рис. 2, является более предпочтительным, чем представленное на схеме «в». Иными словами, гравитационные и кулоновские силы между ионами плазмы проявляют себя по-разному: первые присутствуют всегда, вторые — только в момент случайного и кратковременного нарушения локальной квазинейтральности плазмы. Это и приводит к упомянутому уплотнению частиц плазмы на дне сосуда, тем большему, чем больше сила гравитации.

В недрах звёзд и нашего Солнца гравитационные силы столь велики, что способны вызывать слияние отдельных протонов и образование сложных ядер, которое сопровождается энерговыделением. Этот процесс не носит взрывного характера, присущего водородной бомбе, а является относительно медленным, обусловленным малой скоростью «падения» протонов в центральную зону или зону синтеза в условиях гидростатического равновесия солнечного вещества. Он получил название «туннельного» эффекта и трактуется в современной физике как явление сугубо квантовой природы.

Согласно же законам квантовой механики всегда имеется определённая вероятность того, что микрочастица пройдёт через потенциальный барьер, даже если её энергия существенно меньше величины этого барьера. И с этих позиций принципиальная возможность ядерного синтеза в описанном реакторе существует при любых параметрах и режимах его работы. Однако чем большей будет скорость вращения ионов плазменного кольца и сильнее магнитное поле в рабочей зоне реактора, тем меньше потребуется времени для прохождения ионами энергетического «туннеля» и запуска процесса синтеза, тем с большей скоростью будет проходить реакция синтеза и большей окажется выходная энергетическая мощность реактора.

И для реализации оптимальных параметров и режима работы в схеме реактора предусмотрена возможность регулирования величины магнитной индукции в рабочей зоне и скорости или энергии вращения ионов плазмы: первое обеспечивается регулированием величины тока в электромагнитной катушке 2; второе с помощью не отображённых на рисунке излучателей радиоволн сверхвысокой частоты (гиротронов), планируемых для использования в международном проекте ITER.

В заключение укажем на три принципиальные особенности, отличающие предлагаемое решение проблемы ядерного синтеза от генерального термоядерного направления.

– В проекте используется низкотемпературная плазма, что коренным образом упрощает задачу создания промышленного образца реактора.

– Интенсивное вращение тяжёлых ионов плазмы, обеспечивающее её магнитное самоуплотнение и самоизоляцию от стенок реактора, делает практически не нужным установку магнитных пробок.

– В предложенном способе синтеза следует использовать именно однокомпонентную плазму; в этом случае тяжёлые вращающиеся ионы располагаются на одном общем радиусе вращения, что облегчает процесс их слияния.

К. П. Агафонов

Дальше

[Главная][Книга][Очерки][Статьи][Изобретения]

Хостинг от uCoz