RU2528628C2

RU2528628C2 - Device having "open magnetic barrier trap" type magnetic plasma confinement

Info

Publication number: RU2528628C2
Application number: RU2012146065/07A
Authority: RU
Inventors: Михаил Агеевич Поломарчук
Original assignee: Михаил Агеевич Поломарчук
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-09-20
Also published as: RU2012146065A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: present invention relates to plasma physics. In the disclosed device having "open magnetic barrier trap" type magnetic plasma confinement, the working volume is filled with plasma from the same initial isotope, wherein the nucleus of a second isotope is accelerated to energy of (110-700) keV and fed in dense beams which balance pressure of the obtained plasma from all sides. Accelerators are distributed along the working volume in groups, directed towards the region of convergence of beams for each group and are connected to power sources through devices which turn on each group of accelerators at a given instant of the working cycle. The arrangement and turning on of the groups of accelerators is coordinated to enable interaction of plasma streams from groups of accelerators turned on earlier, and with beams of accelerated nuclei in the regions of convergence of said beams of accelerated nuclei.

EFFECT: compensating for pressure of plasma streams along a magnetic field.

Description

Устройство относится к физике плазмы, предназначено для получения плазмы с параметрами удержания, нужными для большого выхода реакции синтеза ядер.The device relates to plasma physics, is intended to produce plasma with confinement parameters necessary for a large yield of nuclear fusion reaction.

Уровень техникиState of the art

Устройства для получения существенного выхода энергии реакции синтеза ядер - методами ввода в рабочий объем исходных ядер, ускоренных до нужной энергии в ускорителях - исследуют с пятидесятых годов прошлого века. Цель исследований - получать промышленный выход энергии синтеза ядер.Devices for obtaining a significant output of the energy of the nuclear fusion reaction — by methods of introducing into the working volume of the initial nuclei accelerated to the required energy in accelerators — have been studied since the fifties of the last century. The purpose of research is to obtain the industrial output of nuclear fusion energy.

Известно устройство с магнитным удержанием типа «открытая ловушка с магнитными пробками», содержащее: «магнитные клапана» - для ослабления магнитного поля в зонах ввода пучков ускоренных ядер - на время ввода пучков;A device with magnetic confinement of the type “open trap with magnetic plugs” is known, containing: “magnetic valves” - for attenuating the magnetic field in the areas of entry of beams of accelerated nuclei - for the time of introduction of beams;

и ускорители исходных ядер - ориентированные на ось магнитного поля, распределенные вблизи магнитных пробок, равномерно и симметрично оси магнитного поля, в двух плоскостях, перпендикулярных к этой оси (В.Г.Зыков и др., «Физика плазмы и проблемы У.Т.С.», Киев, 1963 г., стр.273-283) - (1).and accelerators of the initial nuclei — oriented on the axis of the magnetic field, distributed near the magnetic plugs, uniformly and symmetrically to the axis of the magnetic field, in two planes perpendicular to this axis (V.G. Zykov et al., “Plasma Physics and Problems of U. T. S. ”, Kiev, 1963, pp. 273-283) - (1).

В устройстве (1) пучки ускоренных ядер проходили поперек магнитного поля в приосевые области рабочего объема - за счет формирования, в зонах движения пучков, электрических полей, названных полями поляризации пучков.In the device (1), beams of accelerated nuclei passed across the magnetic field into the axial regions of the working volume due to the formation, in the zones of movement of the beams, of electric fields called the polarization fields of the beams.

Отклонение пучков ядер поперек магнитного поля было существенно меньшим - определяемого для ядер действием силы Лоренца.The deviation of the nuclear beams across the magnetic field was significantly smaller - determined for the nuclei by the action of the Lorentz force.

Взаимодействовали пучки коллективными полями, в два этапа.Beams interacted with collective fields in two stages.

На первом этапе пучки меняли направление - от областей взаимодействия пучков плазма уходила вдоль магнитного поля составными потоками, количество струй в потоках равнялось количеству пучков (В экспериментах - 8 пучков, и 8 струй в каждом потоке).At the first stage, the beams changed direction — the plasma departed from the interaction regions of the beams along the magnetic field by composite flows, the number of jets in the flows was equal to the number of beams (In the experiments, 8 beams, and 8 jets in each stream).

На втором этапе потоки плазмы с ускоренными ядрами, движущиеся вдоль магнитного поля, встречно, взаимодействовали в центральной области рабочего объема, также коллективными полями, и расформировывались. При этом формировались новые потоки плазмы - разной мощности, под большими углами к оси магнитного поля - и этими новыми потоками плазма уходила из области взаимодействия встречных потоков (и из рабочего объема).At the second stage, plasma flows with accelerated nuclei moving along the magnetic field counter-interacted in the central region of the working volume, also by collective fields, and disbanded. In this case, new plasma flows were formed - of different capacities, at large angles to the axis of the magnetic field - and with these new flows the plasma left the interaction region of the counter flows (and from the working volume).

Недостаток устройства (1) - пучки ускоренных ядер, и затем - потоки плазмы действовали на формируемую плазму в слишком малом интервале углов - поочередно, на каждом этапе. На первом этапе - давление плазмы, формируемой в областях схождения пучков, не уравновешивалось вдоль магнитного поля и плазма из этих областей уходила потоками вдоль магнитного поля.The disadvantage of device (1) is the beams of accelerated nuclei, and then the plasma flows acted on the formed plasma in a too small interval of angles - alternately, at each stage. At the first stage, the pressure of the plasma formed in the areas of convergence of the beams was not balanced along the magnetic field and the plasma left these areas by flows along the magnetic field.

На втором этапе - давление плазмы, в области взаимодействия потоков, уравновешивалось встречными потоками только вдоль магнитного поля - и плазма уходила новыми потоками, под большими углами к оси магнитного поля.At the second stage — the plasma pressure, in the region of the interaction of the flows, was counterbalanced by counter flows only along the magnetic field — and the plasma left with new flows, at large angles to the axis of the magnetic field.

Исследования устройств такого типа не получили развития - т.к. мощность и кпд ускорителей ядер, в ранний период исследований, были слишком малыми.Studies of devices of this type have not been developed - because the power and efficiency of nuclear accelerators, in the early period of research, were too small.

Нужный выход реакции синтеза гелия - из дейтерия и трития - стремятся получать, разогревая всю смесь исходных изотопов непосредственно в рабочем объеме: - 1) в устройствах инерциального синтеза - сжимая порцию смеси так, чтобы ее плотность, к моменту нагрева до температуры развития реакции, в тысячу раз превышала плотность твердого вещества. При такой плотности в реакцию успеет вступить нужное количество ядер - до разлета малой порции смеси.They seek to obtain the desired output of the helium synthesis reaction — from deuterium and tritium — by heating the entire mixture of the initial isotopes directly in the working volume: - 1) in inertial synthesis devices — compressing a portion of the mixture so that its density, at the time of heating to the temperature of the reaction, a thousand times the density of a solid. With such a density, the required number of nuclei will have time to enter the reaction — before a small portion of the mixture expands.

Нужная для такого сжатия плотность энергии не достигнута.The energy density needed for such compression has not been achieved.

2) В устройствах с магнитным удержанием плазмы - стремясь получить начальный выход реакции, достаточный для ее продолжения - за счет дальнейшего нагрева всей плазмы из исходных изотопов продуктами реакции, непосредственно в рабочем объеме. Предполагают, что нужный начальный выход приведенной выше реакции проще получить в устройствах с тороидальным рабочим объемом.2) In devices with magnetic plasma confinement — trying to obtain an initial reaction yield sufficient to continue it — due to further heating of the entire plasma from the initial isotopes by reaction products, directly in the working volume. It is believed that the desired initial yield of the above reaction is easier to obtain in devices with a toroidal displacement.

При реальных параметрах устройств такого типа, для продолжения дейтерий-тритиевой реакции без подогрева извне, выход энергии реакции должен превышать расход на нагрев плазмы ~в 20 раз (~80% энергии реакции уходит с нейтронами, ядра гелия, с энергией 3,5 МэВ, в тороидальном объеме удерживаются мало - и передают плазме малую часть своей энергии). Получать в таких устройствах существенный выход других реакций синтеза ядер не считают возможным.With real parameters of devices of this type, to continue the deuterium-tritium reaction without heating from the outside, the output of the reaction energy should exceed the consumption for plasma heating ~ 20 times (~ 80% of the reaction energy is spent with neutrons, helium nuclei, with an energy of 3.5 MeV, little is held in the toroidal volume - and they transfer a small part of their energy to the plasma). It is not considered possible to obtain a significant yield of other nuclear fusion reactions in such devices.

Выход реакции, достаточный для ее продолжения - за счет нагрева плазмы продуктами реакции в рабочем объеме - предполагают получить в токамаке «Игнитор» - (с английского - «Ignitor»-«зажигатель»), применив инжекцию исходных изотопов со скоростью ~4 км/с, и омический нагрев плазмы (током, индуцируемым в тороидальном объеме).The yield of the reaction, sufficient to continue it — by heating the plasma with the reaction products in the working volume — is supposed to be obtained in the Ignitor tokamak - (from the English - “Ignitor” - “igniter”) by injection of the initial isotopes at a speed of ~ 4 km / s , and ohmic plasma heating (by current induced in a toroidal volume).

Обоснований - почему и как эти особенности обеспечат желаемый выход реакции - найти не удалось. Влияние инжекции исходных изотопов не может быть очень большим, т.к. энергия ядер инжектируемых изотопов - при скорости 4 км/с - мала ~(0,2÷0,3)эВ; омический нагрев плазмы применялся в ранее созданных устройствах, признан неперспективным.Justifications - why and how these features will provide the desired reaction yield - could not be found. The effect of injection of the initial isotopes cannot be very large, because the energy of the nuclei of the injected isotopes — at a speed of 4 km / s — is small ~ (0.2 ÷ 0.3) eV; ohmic plasma heating was used in previously created devices, recognized as unpromising.

Других существенных положительных отличий проекта «Игнитор» от ранее созданных токамаков - Т-14, и EAST найти не удалось (EAST - Experimental Advanced Superconducting Tokamak - создан в городе Хэфэй, провинции Аньхой, в Институте физики плазмы Китайской Академии наук, в рамках международного проекта токамака ITER - (International Thermonuclear Experimental Reactor)).Ignitor could not find other significant positive differences between the Ignitor project and the previously created tokamaks - T-14, and EAST (EAST - Experimental Advanced Superconducting Tokamak - was created in Hefei, Anhui Province, at the Institute of Plasma Physics of the Chinese Academy of Sciences, as part of an international project Tokamak ITER - (International Thermonuclear Experimental Reactor)).

Токамак T-14 (ТСП - токамак с сильным полем) создан в 1987 г.- (теперь - в ГНЦ РФ ТРИ НИТИ - (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований)) - с целью получать выход энергии реакции, близкий к расходу на нагрев плазмы, результаты экспериментов неизвестны.Tokamak T-14 (TSP - tokamak with a strong field) was created in 1987 - (now - at the SSC RF THREE NITI - (Troitsk Institute for Innovative and Thermonuclear Research)) - in order to obtain the reaction energy yield close to the consumption for plasma heating , experiment results are unknown.

На токамаке EAST, применяя сверхпроводники, создают высокие значения индукции магнитного поля и получают выход энергии реакции, превышающий теоретический расход на нагрев плазмы в 1,25 раза.Using EAST tokamak, using superconductors, they create high values of the magnetic field induction and obtain a reaction energy yield exceeding the theoretical consumption for plasma heating by 1.25 times.

Для повторения таких экспериментов - на EAST надо менять обмотки - сверхпроводимость в потоке нейтронов быстро теряется.To repeat such experiments - it is necessary to change the windings at EAST - superconductivity in the neutron flux is quickly lost.

Проект «Игнитор» предложил в Италии профессор Бруно Коппи, академик Е.П.Велихов предложил использовать для проекта комплекс токамака Т-14.The Ignitor project was proposed in Italy by Professor Bruno Coppi, academician E.P. Velikhov proposed to use the T-14 tokamak complex for the project.

Эксперименты по проекту «Игнитор» предполагают начать в 2017 г.The experiments on the Ignitor project are expected to begin in 2017.

Цель проекта «ITER» - получать выход энергии реакции в 10 раз больше, чем брать извне на разогрев плазмы. Это меньше, чем надо для продолжения реакции, в тороидальном объеме реальных размеров, без нагрева плазмы извне, и существенно меньше затрат энергии на удержание плазмы в тороидальном объеме.The goal of the ITER project is to obtain a reaction energy output of 10 times more than to take from the outside to heat up the plasma. This is less than necessary for the continuation of the reaction, in a toroidal volume of real dimensions, without heating the plasma from the outside, and significantly less than the energy cost of holding the plasma in the toroidal volume.

Работы по проекту ведут с 1985 г. силами восьми стран. Расходы на работы велики, планируемый выход реакции не получен, когда будет получен - неизвестно.Work on the project has been carried out since 1985 by eight countries. The cost of the work is high, the planned yield of the reaction is not received, when it is received - is unknown.

Недостатки устройств с тороидальным рабочим объемом:Disadvantages of devices with toroidal displacement:

1) сложность получения нужной конфигурации магнитного поля;1) the difficulty of obtaining the desired configuration of the magnetic field;

2) большой расход энергии на удержание плазмы. Кривизна силовых линий магнитного поля во всем рабочем объеме определяет усиленное разделение зарядов плазмы и усиленное развитие неустойчивостей с увеличением давления плазмы. При энергии ядер ≥15 кэВ плазма в тороидальном объеме существенно удерживается только при малой величине (~0,1) отношения β (отношения давления плазмы к условному давлению магнитного поля).2) high energy consumption for plasma retention. The curvature of the magnetic field lines in the entire working volume determines the enhanced separation of plasma charges and the enhanced development of instabilities with increasing plasma pressure. At a nuclear energy of ≥15 keV, the plasma in the toroidal volume is substantially retained only at a small value (~ 0.1) of the ratio β (the ratio of plasma pressure to the conditional pressure of the magnetic field).

3) Сложность ввода и вывода энергичных частиц - эти сложности и заставляют греть всю плазму, и - для продолжения реакции - обеспечивать нагрев плазмы продуктами реакции непосредственно в рабочем объеме.3) The complexity of the input and output of energetic particles — these difficulties force the entire plasma to be heated, and — to continue the reaction — ensure that the plasma is heated by the reaction products directly in the working volume.

4) В созданных устройствах с тороидальным рабочим объемом, плазма, и продукты реакции, уходят на оболочку (на «первую стенку») рабочего объема, выбивая примеси, что увеличивает потери энергии из плазмы.4) In the created devices with a toroidal working volume, the plasma, and reaction products, go to the shell (on the “first wall”) of the working volume, knocking out impurities, which increases the energy loss from the plasma.

Применение «диверторов» для вывода заряженных частиц примесей и продуктов реакции нарушает магнитное поле и ухудшает удержание плазмы.The use of "divertors" to remove charged particles of impurities and reaction products violates the magnetic field and impairs plasma confinement.

Данных о выводе заряженных частиц из тороидального объема в устройства для прямого преобразования их энергии в электроэнергию найти не удалось.No data were found on the removal of charged particles from the toroidal volume into devices for the direct conversion of their energy into electricity.

Ввод ускоренных исходных ядер, в рабочий объем с магнитным удержанием плазмы, в созданных устройствах обычно применяют для нагрева всей плазмы.The introduction of accelerated initial nuclei into the working volume with magnetic plasma confinement, in the created devices, is usually used to heat the entire plasma.

Устройства типа «ловушка с магнитными пробками» имеют преимущества:Magnetic plug trap devices have the following advantages:

1) простота магнитного поля - и обмоток для его создания;1) the simplicity of the magnetic field - and the windings for its creation;

2) простота достаточной компенсации нарушений магнитного поля при вводе в рабочий объем пучков энергичных ядер из ускорителей.2) the simplicity of sufficient compensation of magnetic field disturbances when introducing beams of energetic nuclei from accelerators into the working volume.

3) Большая часть рабочего объема - соленоид с магнитным полем, постоянным вдоль оси или меняющимся так, как надо для улучшения удержания плазмы. В соленоиде возможно почти полное вытеснение магнитного поля токами плазмы. Это снижает потери энергии электронов и дает возможности: продолжать реакции без подогрева извне при существенно меньшем выходе энергии реакции чем в устройствах с тороидальным объемом и осуществлять реакции с малым выходом нейтронов, для которых нужна температура плазмы более 60 кэВ.3) Most of the working volume is a solenoid with a magnetic field constant along the axis or changing as needed to improve plasma confinement. In a solenoid, almost complete displacement of the magnetic field by plasma currents is possible. This reduces the energy loss of electrons and makes it possible to: continue reactions without heating from the outside with a significantly lower yield of reaction energy than in devices with a toroidal volume and carry out reactions with a low neutron yield, which require a plasma temperature of more than 60 keV.

(Г.И.Димов, «Амбиполярная ловушка: экспериментальные результаты, проблемы и перспективы», «Физика плазмы», 1997 г., том 23, №10, стр.883÷908 - (2)).(G. I. Dimov, “Ambipolar trap: experimental results, problems and prospects”, “Plasma Physics”, 1997, Volume 23, No. 10, pp. 883 ÷ 908 - (2)).

4) Заряженные частицы уходят из рабочего объема вдоль магнитного поля через «магнитные пробки». Это упрощает их вывод в устройства для прямого преобразования их энергии в электрическую энергию, существенно уменьшает количество примесей, выбиваемых из «первой стенки», и уменьшает ее разрушение, по сравнению с тороидальным рабочим объемом.4) Charged particles leave the working volume along the magnetic field through the “magnetic plugs”. This simplifies their output to devices for the direct conversion of their energy into electrical energy, significantly reduces the amount of impurities knocked out of the "first wall", and reduces its destruction, compared with the toroidal displacement.

5) Существенная часть энергии уходящих заряженных частиц - после преобразования ее в электроэнергию - может быть быстро возвращена в рабочий объем с исходными ядрами, ускоренными до нужной энергии в ускорителях.5) A significant part of the energy of the leaving charged particles - after converting it into electricity - can be quickly returned to the working volume with the original nuclei accelerated to the required energy in accelerators.

Это существенно снижает выход реакции, требуемый для продолжения работы устройства, по сравнению с устройствами с тороидальным объемом.This significantly reduces the reaction yield required to continue the operation of the device, compared with devices with a toroidal volume.

В настоящее время устройства типа «ловушка с магнитными пробками» исследуют мало, в основном с целью - улучшить стабилизацию плазмы в рабочем объеме - улучшая конфигурацию магнитного поля, применяя дополнительно «концевые пробкотроны», «кинетические стабилизаторы», «ионные барьеры», «термобарьеры» и другие вспомогательные устройства.At present, devices like the “trap with magnetic plugs” are little studied, mainly with the goal of improving plasma stabilization in the working volume — improving the magnetic field configuration, using additionally “end mirror cells”, “kinetic stabilizers”, “ion barriers”, “thermal barriers "And other auxiliary devices.

Устройства типа «ловушка с магнитными пробками» применяют для получения потоков нейтронов с энергией 14 МэВ для материаловедческих испытаний (Пост Р.Ф. - (Post R.F.), «Кинетический стабилизатор», «Физика плазмы», том 28, №9, Москва, 2002 г. - (3) - Стр.775). В таких устройствах плотность ядер, с энергией 15 кэВ, ~6,2×10м^-3, отношение β ~0,3.“Trap with magnetic plugs” devices are used to obtain neutron fluxes with an energy of 14 MeV for materials science tests (Post RF - (Post RF), “Kinetic Stabilizer”, “Plasma Physics”, Volume 28, No. 9, Moscow, 2002 - (3) - Page 775). In such devices, the density of nuclei with an energy of 15 keV, ~ 6.2 × 10 m ^-3 , the ratio β ~ 0.3.

Выход энергии реакции синтеза ядер остается существенно меньшим расхода энергии на работу устройства во всех созданных до настоящего времени устройствах с магнитным удержанием плазмы.The energy output of the nuclear fusion reaction remains significantly less than the energy consumption for the operation of the device in all devices with magnetic plasma confinement created so far.

Недостатки всех созданных устройств с магнитным удержанием плазмы в существенной мере определены тем, что, при нагреве плазмы, частицы ускоряют в малом интервале углов, и распределение энергичных частиц по направлениям скоростей относительно магнитного поля так же, как в устройстве (1) - остается сильно неравномерным от начала и до конца рабочего цикла.The disadvantages of all created devices with magnetic plasma confinement are substantially determined by the fact that, when the plasma is heated, the particles accelerate in a small interval of angles, and the distribution of energetic particles along the directions of velocities relative to the magnetic field, as in device (1), remains highly non-uniform from the beginning to the end of the work cycle.

Предположения, что распределение энергичных частиц по направлениям скоростей быстро станет достаточно равномерным во всех интервалах углов и будет поддерживаться таким за счет единичных взаимодействий, в том числе и с продуктами реакции - не подтверждены.The assumptions that the distribution of energetic particles along the velocity directions will quickly become fairly uniform in all angular intervals and will be maintained this way due to single interactions, including with reaction products, are not confirmed.

Действие роста индукции магнитного поля, больше ускоряя электроны и определяя большую скорость дрейфа их к оси поля - усиливает разделение зарядов плазмы. Электрические поля от разделения зарядов ускоряют частицы вдоль магнитного поля, усиливают мощность колебаний плазмы.The action of increasing the magnetic field induction, accelerating the electrons more and determining their greater drift velocity to the field axis, enhances the separation of plasma charges. The electric fields from the separation of charges accelerate particles along the magnetic field, enhance the power of plasma oscillations.

ЭЦР нагрев (волновой нагрев электронной составляющей с частотой, резонансной электронно-циклотронной частоте) увеличивает скорость электронов поперек магнитного поля и также усиливает разделение зарядов плазмы и развитие неустойчивостей - особенно в магнитном поле с малым радиусом кривизны силовых линий (в тороидальном объеме и в зонах «магнитных пробок»).ECR heating (wave heating of the electronic component with frequency, resonant electron-cyclotron frequency) increases the speed of electrons across the magnetic field and also enhances the separation of plasma charges and the development of instabilities - especially in a magnetic field with a small radius of curvature of the lines of force (in the toroidal volume and in the zones magnetic plugs ”).

Выводы о необходимости ограничения мощности ЭЦР нагрева в «ловушках с магнитными пробками» приводит Г.И.Димов - (2), стр.887 - 893.Conclusions about the need to limit the power of ECR heating in "traps with magnetic plugs" are given by G.I. Dimov - (2), pp. 887 - 893.

Ионно-циклотронный нагрев (нагрев с частотой, резонансной ионно-циклотронной частоте) ведет к синхронизации вращения ядер в магнитном поле и к усилению колебаний плазмы. Существенная часть энергии этого вида нагрева уходит на дрейфовые колебания электронов с частотой нагревающей волны, усиливающей развитие колебаний всей плазмы, и теряется из-за разности масс исходных ядер и неоднородности магнитного поля в зонах нагрева.Ion-cyclotron heating (heating with frequency, resonant ion-cyclotron frequency) leads to synchronization of rotation of nuclei in a magnetic field and to amplification of plasma oscillations. A significant part of the energy of this type of heating is spent on drift oscillations of electrons with a frequency of the heating wave, which enhances the development of oscillations of the entire plasma, and is lost due to the difference in the masses of the initial nuclei and the inhomogeneity of the magnetic field in the heating zones.

Потери энергии, при таком нагреве ядерной составляющей, существенно больше, чем при ускорении ядер в мощных ускорителях.The energy loss, with such heating of the nuclear component, is significantly greater than when accelerating nuclei in powerful accelerators.

Пучки энергичных частиц в созданных устройствах вводят в рабочий объем в малом интервале углов и взаимодействие пучков вызывает развитие неустойчивостей и уход плазмы из зон взаимодействия (как в устройстве (1)).Beams of energetic particles in the created devices are introduced into the working volume in a small interval of angles and the interaction of the beams causes the development of instabilities and the departure of the plasma from the interaction zones (as in device (1)).

Если пучки не взаимодействуют, факторы, определяющие движение пучков в магнитном поле, препятствуют их расформированию, ускоряют частицы вдоль магнитного поля и усиливают развитие неустойчивостей до полного расформирования пучков - или до выхода их остатков из рабочего объема.If the beams do not interact, the factors that determine the movement of the beams in a magnetic field prevent their disintegration, accelerate particles along the magnetic field and enhance the development of instabilities until the beams completely disband — or until their residues leave the working volume.

Мощность развития неустойчивостей определена мощностью пучков и быстро увеличивается с увеличением энергии частиц в пучках.The power of instability development is determined by the power of the beams and increases rapidly with increasing particle energy in the beams.

Заполнение рабочего объема фоновой («холодной») плазмой уменьшает развитие неустойчивостей, но - только при малом нагреве электронной составляющей фоновой плазмы - пока велики сечения реакций «перезарядки» -потеря энергии на эти реакции и снижает мощность развития неустойчивостей.Filling the working volume with background (“cold”) plasma reduces the development of instabilities, but — only with a small heating of the electronic component of the background plasma — the cross sections for “recharge” reactions — energy loss for these reactions — are large and the power of instability development decreases.

После пределов, определенных для конкретных, созданных устройств, увеличение мощности и плотности пучков, а также энергии частиц в пучках требует увеличения количества «холодной» плазмы - для подавления неустойчивостей - и не ведет к увеличению параметров удержания плазмы (Установлено в устройстве 2X11 В, в Ливерморской лаборатории, США -(Lawrence Livermore National Laboratory, USA) - в 1967 г. - при вводе пучков энергичных частиц вдоль магнитного поля, встречно - параметры удержания плазмы не увеличивались - при увеличении энергии частиц в пучках более 13 кэВ - т.к. «холодной» плазмы требовалось слишком много).After the limits defined for the specific devices created, an increase in the power and density of the beams, as well as the energy of the particles in the beams, requires an increase in the amount of “cold” plasma — to suppress instabilities — and does not lead to an increase in the plasma confinement parameters (Installed in a 2X11 V device, Livermore Laboratory, USA - (Lawrence Livermore National Laboratory, USA) - in 1967 - when introducing beams of energetic particles along a magnetic field, counter - the plasma confinement parameters did not increase - with increasing particle energy in the beams more than 13 keV - because "X too much "olodic" plasma was required).

При нагреве плазмы пучками ускоренных ядер, восстановленных в нейтральные атомы, расформирование пучков идет по мере ионизации, в том числе и на входе пучков в магнитное поле рабочего объема, т.к., при малой степени ионизации пучков влияние полей поляризации слабое.When plasma is heated by beams of accelerated nuclei reduced to neutral atoms, the beams decompose as they ionize, including at the entrance of the beams to the magnetic field of the working volume, because, with a small degree of ionization of the beams, the influence of polarization fields is weak.

При вводе восстановленных ядер под большими углами к направлению магнитного поля ионы захватываются магнитным полем на входе в рабочий объем, выбывают из пучка, теряются и выбивают примеси из оболочки.When reduced nuclei are introduced at large angles to the direction of the magnetic field, the ions are captured by the magnetic field at the entrance to the working volume, are eliminated from the beam, impurities are lost and knocked out of the shell.

Положительное влияние восстановления ядер в нейтральные атомы существенно при вводе пучков малой мощности, под малыми углами к направлению магнитного поля и быстро уменьшается с увеличением плотности нагреваемой плазмы, и мощности пучков - с уменьшением пути энергичных нейтральных атомов до ионизации. После пути ионизации количество нейтральных атомов в пучках определяется скоростью реакций «перезарядки», как и в пучках с нейтрализованным зарядом.The positive effect of the reduction of nuclei into neutral atoms is significant when low-power beams are introduced, at small angles to the direction of the magnetic field, and rapidly decrease with increasing density of the heated plasma, and the beam power - with a decrease in the path of energetic neutral atoms to ionization. After the ionization path, the number of neutral atoms in the beams is determined by the rate of “recharge” reactions, as in beams with a neutralized charge.

Изменение отдельных параметров в созданных устройствах подавляет развитие отдельных неустойчивостей, но остаются и развиваются другие.Changing individual parameters in the created devices suppresses the development of individual instabilities, but others remain and develop.

Например: - применяя обмотки типа «инь-янь», (на основе «палок Иоффе», создающие аксиально несимметричные - (мультипольные) - магнитные поля), подавляют МГД - (магнитогидродинамические) - неустойчивости плазмы. Но при этом усложняется система обмоток, ограничена напряженность поля в «магнитных пробках», увеличен дрейф частиц - (3), стр.774 - и развиваются другие неустойчивости.For example: - using yin-yang type windings (based on "Ioffe sticks" creating axially asymmetric - (multipole) - magnetic fields), they suppress MHD - (magnetohydrodynamic) - plasma instabilities. But at the same time, the system of windings becomes more complicated, the field strength in the “magnetic plugs” is limited, the particle drift is increased (3), p. 774, and other instabilities develop.

При наклонной инжекции пучков подавляют дрейфово-конусную и альфвеновскую циклотронную неустойчивости - (2), стр.888.With oblique beam injection, the drift-cone and Alfven cyclotron instabilities are suppressed - (2), p. 888.

В созданных устройствах подавление этих неустойчивостей достигнуто вводом пучков в малом интервале углов, в «концевые пробкотроны» и формированием в этих устройствах за пределами основного рабочего объема электрических полей.In the developed devices, the suppression of these instabilities was achieved by introducing beams in a small interval of angles into the “end mirror cells” and forming electric fields in these devices outside the main working volume.

Но действие электрических полей на электронную и ядерную составляющие плазмы противоположно и параметры удержания плазмы увеличивает мало.But the effect of electric fields on the electronic and nuclear components of the plasma is opposite and the plasma confinement parameters increase little.

Известны и применяются, например, для модификации поверхности деталей - ускорители типа «ионный диод с магнитной изоляцией».Known and used, for example, to modify the surface of parts - accelerators of the type "ion diode with magnetic insulation".

При энергии ядер (150÷500)кэВ и силе тока (20÷100) кА, кпд таких ускорителей - более 60% (Патент RU 2288553 C2, H05H 15/00, (2006.01) - (4); на стр.7 описания к патенту указано, как на этом ускорителе получать ионные пучки дейтерия, так же можно получать и пучки протонов).When the energy of the nuclei (150 ÷ 500) keV and the current strength (20 ÷ 100) kA, the efficiency of such accelerators is more than 60% (Patent RU 2288553 C2, H05H 15/00, (2006.01) - (4); on page 7 of the description to the patent it is indicated how to obtain ion beams of deuterium on this accelerator, and proton beams can also be obtained).

При большей энергии ядер в пучках - кпд таких ускорителей больше.With a higher energy of the nuclei in the beams, the efficiency of such accelerators is greater.

Энергия ядер (150÷600)кэВ оптимальна для реакций синтеза ядер с малым выходом нейтронов и без выхода нейтронов.The nuclear energy (150 ÷ 600) keV is optimal for nuclear fusion reactions with a low neutron yield and without neutron yield.

В Ливерморской лаборатории, в устройствах прямого преобразования энергии частиц плазмы в электрическую энергию, достигнут кпд 87%.In the Livermore Laboratory, in devices for the direct conversion of the energy of plasma particles into electrical energy, an efficiency of 87% is achieved.

Пост Р.Ф. (Post R.F.) - («Открытые ловушки: путь к термояду» «Физика плазмы» Москва, 1997 г., т.23, №9, стр.816-837) - (5) - считает реальным повышение кпд ускорителей ядер и устройств прямого преобразования энергии заряженных частиц в электрическую энергию - до 90%.Post R.F. (Post RF) - (“Open Traps: The Way to Thermonuclear Fusion” “Plasma Physics” Moscow, 1997, v. 23, No. 9, pp. 816-837) - (5) - considers the increase in the efficiency of nuclear accelerators and devices to be real direct conversion of the energy of charged particles into electrical energy - up to 90%.

При таких значениях кпд ускорителей и устройств прямого преобразования энергии заряженных частиц в электрическую энергию, в рабочий объем может быть возвращено - соответственно 52,2% и 81% энергии заряженных частиц, входящих в устройства для прямого преобразования их энергии.With such efficiency values of accelerators and devices for direct conversion of the energy of charged particles into electrical energy, 52.2% and 81% of the energy of charged particles entering into devices for the direct conversion of their energy can be returned to the working volume.

Но перечисленные недостатки созданных устройств с магнитным удержанием плазмы ограничивают параметры пучков ускоренных ядер, применяемых в этих устройствах, в пределах малых значений, при каких расформирование пучков магнитным полем созданных устройств считают достаточным.But the listed drawbacks of the created devices with magnetic plasma confinement limit the parameters of the beams of accelerated nuclei used in these devices to small values at which the deformation of the beams by the magnetic field of the created devices is considered sufficient.

Такие пучки применяют - по традиции - одним из методов нагрева всей плазмы - «до термоядерной температуры». Суммарная энергия пучков в одном устройстве обычно существенно меньше энергии других методов нагрева плазмы.Such beams are used - traditionally - by one of the methods of heating the entire plasma - "to thermonuclear temperature." The total energy of the beams in one device is usually substantially less than the energy of other methods of heating the plasma.

КПД пучков малой мощности невелик, плазму такие пучки нагревают мало, и не увеличивают выход реакции существенно.The efficiency of low-power beams is small, such beams heat up the plasma a little, and do not significantly increase the reaction yield.

С восьмидесятых годов прошлого века изучают возможность реакций синтеза ядер в устройствах с магнитным полем типа КРП («конфигурацией реверсивного поля») - создаваемым двумя соленоидами - наружным и внутренним.Since the eighties of the last century, the possibility of fusion reactions of nuclei in devices with a magnetic field of the type of Raman scattering (“reversing field configuration”) - created by two solenoids - external and internal - has been studied.

Эксперименты, подтверждающие преимущества конфигурации реверсивного магнитного поля, неизвестны.Experiments confirming the advantages of reversing magnetic field configurations are unknown.

Недостатки устройств с конфигурацией реверсивного поля: - 1) увеличенная поверхность «первой стенки» рабочего объема - наличием внутри объема плазмы внутреннего соленоида; 2) сложность вывода заряженных частиц в устройства для прямого преобразования их энергии.Disadvantages of devices with a reverse field configuration: - 1) an enlarged surface of the “first wall” of the working volume - the presence of an internal solenoid inside the plasma volume; 2) the complexity of the output of charged particles into devices for the direct conversion of their energy.

При нагреве плазмы способами, применяемыми в созданных устройствах, параметры удержания плазмы увеличивают совместным увеличением мощности нагрева, размеров рабочего объема и индукции магнитного поля удержания.When plasma is heated by the methods used in the created devices, the plasma confinement parameters are increased by a joint increase in the heating power, the dimensions of the working volume and the induction of the magnetic confinement field.

Многолетние исследования не дали оснований для уверенности, что промышленный выход энергии реакции синтеза ядер будет получен в результате увеличения размеров, мощности и несущественной доработки какого-либо из устройств, дающих на современном этапе лучшие параметры удержания плазмы.Long-term studies have not given grounds for confidence that the industrial energy output of the nuclear fusion reaction energy will be obtained as a result of an increase in the size, power, and insignificant refinement of any of the devices that give the best plasma confinement parameters at the present stage.

Целесообразно рассмотрение нетрадиционных подходов к решению проблемы управляемого синтеза ядер (5), стр.833.It is advisable to consider non-traditional approaches to solving the problem of controlled synthesis of nuclei (5), p. 833.

Наиболее близко к заявляемому устройству - (прототип) - устройство для осуществления способа получения высокотемпературной плазмы по описанию к патенту RU №2067360, МПК H05H 1/00, G21B 1/00.Closest to the claimed device is (prototype) - a device for implementing the method for producing high-temperature plasma as described in patent RU No. 2067360, IPC H05H 1/00, G21B 1/00.

Описание способа опубликовано 27.09.1996 г., Бюл. №27. (6).Description of the method published September 27, 1996, Bull. Number 27. (6).

В описании приведена схема устройства для осуществления способа, достаточная для иллюстрации сути способа. Другие описания устройства для осуществления этого способа получения плазмы неизвестны.The description provides a diagram of a device for implementing the method, sufficient to illustrate the essence of the method. Other descriptions of the device for implementing this method of producing plasma are unknown.

На схеме устройства-прототипа ускорители пучков исходных ядер распределены по сферической оболочке рабочего объема с магнитным удержанием типа «ловушка с магнитными пробками», симметрично оси магнитного поля, и ориентированы со всех сторон на область схождения пучков с центром на оси магнитного поля удержания.In the prototype device diagram, the accelerators of the beams of the source nuclei are distributed along the spherical shell of the working volume with magnetic confinement of the “trap with magnetic plugs” type, symmetrically to the axis of the magnetic field, and are oriented on all sides to the convergence region of the beams centered on the axis of the confinement magnetic field.

По условиям способа: According to the conditions of the method:

энергия ускоренных ядер выше оптимальной для реакции на величину, определяемую расходом энергии на пути до области схождения пучков;the energy of accelerated nuclei is higher than optimal for the reaction by an amount determined by the energy expenditure on the path to the convergence region of the beams;

давление пучков распределено достаточно равномерно со всех сторон этой области, и распределение ускоренных ядер по направлениям скорости относительно оси магнитного поля, в получаемой плазме, во всех интервалах углов, такое, при котором обеспечено наибольшее время удержания ускоренных ядер.the pressure of the beams is distributed fairly evenly from all sides of this region, and the distribution of accelerated nuclei in the directions of speed relative to the axis of the magnetic field in the resulting plasma, in all angular intervals, is such that the maximum retention time of accelerated nuclei is ensured.

При вводе пучков ускоренных ядер, напряженность полей поляризации и рассеяние пучков действием этих полей уменьшают, увеличивая индукцию магнитного поля в зонах движения пучков с такой скоростью, при какой пучки проходят в заданном направлении при достаточно малом разделении зарядов (Э.Д.С. (электродвижущая сила) при усилении магнитного поля суммируется с поперечной составляющей полей поляризации).When introducing beams of accelerated nuclei, the polarization field strength and the scattering of the beams by the action of these fields are reduced, increasing the magnetic field induction in the zones of beam motion at a speed at which the beams travel in a given direction with a sufficiently small separation of charges (E.D.S. (electromotive force) when the magnetic field is amplified is summed with the transverse component of the polarization fields).

При сближении пучков, поля поляризации нарушаются, ускоренные ядра, движущиеся на фронте пучков, формируют общую область с положительным потенциалом, дрейфовые токи электронов замыкаются вокруг этой области с положительным потенциалом в кольцевой ток, усиливающий магнитное поле, в слое протекания этого тока формируется отрицательный потенциал.When the beams approach each other, polarization fields are violated, accelerated nuclei moving at the front of the beams form a common region with a positive potential, electron drift currents close around this region with a positive potential in a ring current amplifying the magnetic field, a negative potential forms in the layer of this current.

Ускоренные ядра, проходя через этот слой, внутри области схождения пучков поддерживают положительный потенциал. Радиальная разность потенциалов поддерживает кольцевой дрейфовый ток электронов.Accelerated nuclei passing through this layer inside the region of convergence of the beams maintain a positive potential. The radial potential difference supports the electron ring drift current.

Изменение электрических полей, положительный потенциал, и усиление магнитного поля во внутренней части области схождения пучков обеспечивают расформирование пучков в этой области - далеко от оболочки рабочего объема.The change in electric fields, the positive potential, and the amplification of the magnetic field in the inner part of the convergence region of the beams provide for the deformation of the beams in this region - far from the shell of the working volume.

Мощность факторов, обеспечивающих расформирование пучков, определена мощностью пучков. Этим обеспечено надежное расформирование пучков существенно большей мощности и плотности, чем в других известных устройствах с магнитным удержанием плазмы.The power of the factors responsible for beam disruption is determined by the power of the beams. This ensures reliable beam decomposition of significantly higher power and density than in other known devices with magnetic plasma confinement.

Формирование направленных потоков плазмы, из области схождения пучков, уменьшают, в основном, действием коллективных полей пучков ускоренных ядер, распределенных достаточно равномерно со всех сторон (Действие потоков плазмы в магнитном поле коллективными полями подтверждено в ранних экспериментах - в устройстве (1)).The formation of directed plasma flows from the region of convergence of the beams is reduced mainly by the action of collective fields of beams of accelerated nuclei distributed fairly uniformly from all sides (the action of plasma flows in a magnetic field by collective fields was confirmed in early experiments in device (1)).

В начальный период расформирования пучков и формирования области, занимаемой плазмой с ускоренными ядрами, в области схождения пучков велики значения: плотности дрейфового кольцевого тока, разности потенциалов и напряженности радиального электрического поля.In the initial period of beam disbandment and the formation of a region occupied by plasma with accelerated nuclei, in the region of beam convergence, the values are large: the density of the drift ring current, the potential difference, and the radial electric field strength.

Но значения этих факторов и эффективность развития под их действием неустойчивостей плазмы быстро уменьшаются:But the values of these factors and the development efficiency under their influence of plasma instabilities rapidly decrease:

1) тем, что, проходя через слой дрейфового тока электронов, пучки ускоренных ядер существенно нейтрализуются, захватывая часть электронов;1) the fact that, passing through a layer of electron drift current, the beams of accelerated nuclei are substantially neutralized, capturing some of the electrons;

2) «натеканием» электронов вдоль магнитного поля за счет диффузии;2) "leakage" of electrons along the magnetic field due to diffusion;

3) увеличением размеров слоя дрейфового кольцевого тока электронов.3) an increase in the size of the layer of drift ring electron current.

Распределение энергичных ядер по направлениям скоростей, требуемое для наибольшего времени удержания плазмы, обеспечивают распределением и ориентировкой пучков.The distribution of energetic nuclei along the velocity directions, required for the longest plasma confinement time, is ensured by the distribution and orientation of the beams.

Преимущества прототипа (и способа по патенту №2067360) по сравнению с другими созданными устройствами:The advantages of the prototype (and the method according to patent No. 2067360) compared with other created devices:

1) Расформирование пучков ускоренных ядер в области их схождения -далеко от оболочки рабочего объема - в результате взаимодействий и изменений полей, определяющих движение пучков в магнитном поле.1) The disbandment of beams of accelerated nuclei in the region of convergence — not far from the shell of the working volume — as a result of interactions and changes in the fields that determine the movement of the beams in a magnetic field.

2) Лучшее распределение энергичных ядер по направлениям скоростей и меньшая мощность развития неустойчивостей плазмы.2) Better distribution of energetic nuclei in the directions of velocities and lower power for the development of plasma instabilities.

Эти преимущества позволяют применять пучки существенно большей мощности, плотности и энергии и быстро вводить в рабочий объем существенно большее количество исходных ядер, ускоренных до энергии, нужной для принятой реакции, возможно и для реакций без выхода нейтронов.These advantages make it possible to use beams of significantly greater power, density and energy and to quickly introduce into the working volume a significantly larger number of initial nuclei accelerated to the energy needed for the accepted reaction, and possibly for reactions without neutron yield.

3) В начале рабочего цикла, фоновая плазма в области схождения пучков уплотняется и нагревается суммарным действием пучков ускоренных ядер и усилением магнитного поля. Большее количество энергичных исходных ядер обеспечивает достаточную температуру электронной составляющей при малом расходе энергии на дополнительный ее нагрев, при плотности фоновой плазмы существенно большей, чем в созданных устройствах.3) At the beginning of the working cycle, the background plasma in the region of convergence of the beams is compacted and heated by the combined action of the beams of accelerated nuclei and the amplification of the magnetic field. A larger number of energetic source nuclei provides a sufficient temperature of the electronic component at a low energy consumption for its additional heating, with a background plasma density substantially higher than in the created devices.

Магнитное поле больше вытесняется плазмой, увеличивается величина отношения В, что снижает потери энергии электронов (2), стр.883 и позволяет дополнительно увеличивать плотность фоновой плазмы и выход реакции.The magnetic field is more displaced by the plasma, the ratio B increases, which reduces the electron energy loss (2), p. 883 and allows you to further increase the background plasma density and the reaction yield.

Увеличение плотности фоновой плазмы соответственно уменьшает время удержания ускоренных ядер, нужное для получения заданного выхода реакции.An increase in the background plasma density accordingly reduces the retention time of accelerated nuclei, which is necessary to obtain a given reaction yield.

4) Величина отношения β в прототипе достигает больших значений, и становится больше критической, существенно быстрее, чем в устройствах с магнитным удержанием плазмы без применения способа по патенту №2067360.4) The value of the ratio β in the prototype reaches large values, and becomes more critical, significantly faster than in devices with magnetic plasma confinement without using the method according to patent No. 2067360.

Проблема накопления плазмы до значений В больше критического решается практически. Большая величина отношения В уменьшает мощность развития основных неустойчивостей (Г.И.Димов считает (2), стр.902, п.3.6, что «полная стабилизация плазмы имеет место только при В больше критического»).The problem of plasma accumulation up to values of B more critical is solved practically. A large value of the ratio B reduces the power of development of the main instabilities (G.I.Dimov believes (2), p. 902, clause 3.6, that "complete stabilization of the plasma takes place only when B is more critical").

Недостатки устройства-прототипа: The disadvantages of the prototype device:

1) При сферической форме, длина рабочего объема мала, в нем нет соленоида (участка достаточной длины, с магнитным полем, изменяющимся только так, как надо для улучшения удержания плазмы).1) With a spherical shape, the length of the working volume is small, there is no solenoid in it (a section of a sufficient length, with a magnetic field that changes only as needed to improve plasma confinement).

2) Частицы большую часть времени находятся вблизи «магнитных пробок», где велики: разделение зарядов плазмы, диффузия частиц поперек магнитного поля и ускорение частиц вдоль магнитного поля.2) Particles most of the time are near the “magnetic plugs”, where they are large: separation of plasma charges, diffusion of particles across the magnetic field and acceleration of particles along the magnetic field.

Это ускоряет уход энергичных частиц из рабочего объема.This accelerates the departure of energetic particles from the working volume.

В результате, время удержания энергичных ядер в прототипе оказывается малым, повышение плотности энергичных частиц, и лучшее их распределение по направлениям скоростей, достигаемые в прототипе, не увеличивают параметры удержания плазмы существенно.As a result, the retention time of energetic nuclei in the prototype turns out to be small, an increase in the density of energetic particles, and their better distribution along the velocity directions achieved in the prototype, do not significantly increase the plasma retention parameters.

Цель изобретения - увеличение параметров удержания плазмы в устройстве с магнитным удержанием типа «ловушка с магнитными пробками».The purpose of the invention is to increase the parameters of plasma confinement in a device with magnetic confinement of the type "trap with magnetic plugs".

Основной технический результат изобретения - увеличение времени удержания ускоренных ядер в устройстве типа «ловушка с магнитными пробками», с применением способа по описанию к патенту №2067360.The main technical result of the invention is an increase in the retention time of accelerated nuclei in a device of the "trap with magnetic plugs" type, using the method described in patent No. 2067360.

Технический результат достигается тем, что в устройстве с магнитным удержанием типа «ловушка с магнитными пробками», содержащем:The technical result is achieved in that in a device with magnetic confinement of the type "trap with magnetic plugs", containing:

рабочий объем достаточно большой длины вдоль оси магнитного поля;working volume of a sufficiently large length along the axis of the magnetic field;

оборудование для создания - в заданных областях рабочего объема, в заданное время - требуемых значений величины и скорости возрастания индукции магнитного поля, и фоновой плазмы из одного исходного изотопа с плотностью (10²⁰÷10²³)м^-3, и с достаточной энергией электронов;equipment for creating - in specified areas of the working volume, at a given time - the required values of the magnitude and rate of increase in the induction of the magnetic field and the background plasma from one source isotope with a density of (10 ²⁰ ÷ 10 ²³ ) m ^-3 , and with sufficient electron energy;

ускорители - для ускорения, до энергий (110÷700)кэВ, и ввода в рабочий объем плотными пучками, ядер второго исходного изотопа - распределенные и ориентированные так, что: давление пучков достаточно уравновешивает давление получаемой плазмы со всех сторон, и распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей оптимально для удержания их в рабочем объеме - accelerators - for acceleration, up to energies (110 ÷ 700) keV, and the introduction of dense beams of nuclei of the second source isotope - distributed and oriented so that: the beam pressure sufficiently balances the pressure of the resulting plasma from all sides, and the distribution of accelerated nuclei over directions of speeds is optimal for holding them in the working volume -

ускорители распределены вдоль рабочего объема группами, ориентированы на области схождения пучков - свои для каждой группы и присоединены к источникам питания через устройства, включающие каждую группу ускорителей в заданные для этой группы моменты рабочего цикла.accelerators are distributed along the working volume in groups, oriented to the convergence regions of beams — their own for each group, and are connected to power sources through devices that include each group of accelerators at the moments of the working cycle specified for this group.

Минимальное количество групп ускорителей - три группы - одна в средней части рабочего объема, и по одной - вблизи «магнитных пробок».The minimum number of accelerator groups is three groups - one in the middle of the working volume, and one each - near the “magnetic plugs”.

Первые группы ускорителей включают, когда в зонах движения их пучков, при заданных значениях величины и скорости возрастания индукции магнитного поля, создана фоновая плазма с заданными параметрами.The first groups of accelerators include when, in the zones of motion of their beams, for given values of the magnitude and rate of increase of the magnetic field induction, a background plasma with given parameters is created.

Последующие группы ускорителей включают при подходе к зонам их размещения потоков плазмы с ускоренными ядрами, движущимися вдоль магнитного поля - от групп ускорителей, включаемых ранее.Subsequent groups of accelerators include, when approaching the zones of their location, plasma flows with accelerated nuclei moving along a magnetic field - from groups of accelerators included earlier.

Очередность включения определяют для конкретных устройств.The order of inclusion is determined for specific devices.

Размещение, ориентировка и включение групп ускорителей согласованы так, что: потоки плазмы с ускоренными ядрами, движущиеся вдоль магнитного поля, взаимодействуют с пучками ускоренных ядер, друг с другом или с усилением магнитного поля вблизи «магнитных пробок» - в областях схождения пучков ускоренных ядер.The arrangement, orientation, and inclusion of groups of accelerators are coordinated so that: plasma flows with accelerated nuclei moving along a magnetic field interact with beams of accelerated nuclei, with each other, or with amplification of a magnetic field near "magnetic plugs" —in the areas where the beams of accelerated nuclei converge.

При этом пучки ускоренных ядер обеспечивают распределение по направлениям скоростей всей совокупности ускоренных ядер - такое, при каком время удержания ускоренных ядер наибольшее, и уменьшают мощность полей, формирующихся при взаимодействиях потоков плазмы.In this case, beams of accelerated nuclei provide a distribution along the directions of velocities of the entire set of accelerated nuclei — such that the retention time of accelerated nuclei is the greatest, and reduce the power of the fields formed during interactions of plasma flows.

Удовлетворение условий, приведенных выше (и в описании к патенту №2067360), обеспечивает распределение и ориентировку всех ускорителей в совокупности с учетом ускорения энергичных ядер вдоль магнитного поля, т.е. распределение ускоренных ядер по направлениям скоростей, на выходе из областей схождения пучков отдельных групп, не равновесное - величина поперечной составляющей скорости достаточно велика. Распределение по направлениям скоростей, нужное для наилучшего удержания ускоренных ядер, устанавливается после ускорения существенной части энергичных ядер вдоль магнитного поля - за время их движения между зонами групп ускорителей.Satisfying the conditions above (and in the description of patent No. 2067360), provides the distribution and orientation of all accelerators in the aggregate taking into account the acceleration of energetic nuclei along the magnetic field, i.e. the distribution of accelerated nuclei in the directions of velocities at the exit from the convergence regions of the beams of individual groups is not equilibrium - the magnitude of the transverse component of the velocity is quite large. The distribution along the directions of velocities, necessary for the best retention of accelerated nuclei, is established after the acceleration of a substantial part of the energetic nuclei along the magnetic field - during their movement between the zones of the groups of accelerators.

Количество и мощность ускорителей в группах, количество групп и моменты их включения, конфигурацию магнитного поля и скорость его изменений в течение рабочего цикла определяют для конкретного устройства.The number and power of accelerators in groups, the number of groups and the moments of their inclusion, the configuration of the magnetic field and the rate of its changes during the working cycle are determined for a particular device.

Необходимость применения устройств для прямого преобразования энергии заряженных частиц в электрическую энергию, известных устройств и методов для улучшения удержания плазмы, накопители энергии и другое оборудование, определяют по известным нормам, также для конкретного устройства.The need for the use of devices for the direct conversion of the energy of charged particles into electrical energy, known devices and methods for improving plasma confinement, energy storage devices and other equipment are determined by known standards, also for a specific device.

Работа устройстваDevice operation

К началу работы обеспечивают очистку всего рабочего объема и заданных значений индукции магнитного поля в соответствующих областях.By the beginning of the work, they provide cleaning of the entire working volume and the set values of the magnetic field induction in the corresponding areas.

К моментам включения групп ускорителей в зонах движения их пучков обеспечивают скорость увеличения индукции магнитного поля, а также плотность и температуру электронной составляющей фоновой плазмы из одного исходного изотопа, требуемые для достаточной скорости дрейфа электронов, нейтрализующих заряд пучков, при достаточно малом разделении зарядов, как в прототипе (и в устройстве - (1)). При необходимости электронную составляющую фоновой плазмы в зонах движения пучков дополнительно нагревают (например, ЭЦР нагревом).By the moment of inclusion of accelerator groups in the areas of their beam motion, they provide the rate of increase in the magnetic field induction, as well as the density and temperature of the electron component of the background plasma from one source isotope, required for a sufficient drift velocity of the electrons that neutralize the charge of the beams, with a sufficiently small separation of charges, as in prototype (and in the device - (1)). If necessary, the electronic component of the background plasma in the zones of beam motion is additionally heated (for example, by ECR heating).

Плотность фоновой плазмы определяют исходя из допустимых величин - расхода энергии на нагрев ее электронной составляющей и потерь энергии ускоренных ядер на взаимодействия с электронами.The density of the background plasma is determined on the basis of allowable values - the energy consumption for heating its electronic component and the energy loss of accelerated nuclei for interactions with electrons.

Когда в зонах групп ускорителей индукция магнитного поля достигает заданной величины при заданной скорости возрастания и создана фоновая плазма с заданными параметрами, включают ускорители средней группы или двух групп, расположенных вблизи «магнитных пробок» (Очередность включения групп ускорителей определяют для конкретного устройства).When the magnetic field induction in the zones of the groups of accelerators reaches a predetermined value at a given rate of increase and a background plasma is created with the given parameters, the accelerators of the middle group or two groups located near the “magnetic plugs” are turned on (The order of inclusion of groups of accelerators is determined for a particular device).

Последующие группы ускорителей включают, когда к зонам размещения этих групп ускорителей подходят движущиеся вдоль магнитного поля потоки плазмы от групп ускорителей, включенных ранее.Subsequent groups of accelerators include when plasma flows from the groups of accelerators previously included moving along the magnetic field are suitable for the zones of placement of these groups of accelerators.

Действием коллективных полей пучков ускоренных ядер из ускорителей групп, в зонах которых взаимодействуют потоки плазмы с ускоренными ядрами, уменьшают мощность развития неустойчивостей плазмы, определяемых взаимодействиями потоков, движущихся вдоль магнитного поля и, вблизи «магнитных пробок», компенсируют давление потоков вдоль магнитного поля.The action of collective fields of beams of accelerated nuclei from group accelerators, in the zones of which plasma flows interact with accelerated nuclei, reduces the power of development of plasma instabilities, determined by the interactions of flows moving along the magnetic field and, near the "magnetic plugs", to compensate for the pressure of the flows along the magnetic field.

Распределение энергичных ядер по направлениям скоростей, требуемое для максимального времени удержания ускоренных ядер, устанавливается после ввода пучков последних групп ускорителей - уже после определенного времени удержания существенной части ускоренных ядер (Это предварительное время удержания ускоренных ядер от групп ускорителей, включенных первыми - не меньше времени продвижения потоков плазмы на половину длины рабочего объема).The distribution of energetic nuclei in velocity directions, required for the maximum retention time of accelerated nuclei, is established after introducing the beams of the last groups of accelerators - after a certain time of retention of a significant part of accelerated nuclei (This is the preliminary retention time of accelerated nuclei from the groups of accelerators included in the first - not less than the advancement time plasma flows at half the length of the working volume).

После окончания ввода ускоренных ядер индукцию магнитного поля в рабочем объеме изменяют так, как надо для удержания плазмы. Вероятно, увеличивая индукцию со скоростью, нужной для поддержания поперечной составляющей скоростей электронов - для удержания их в рабочем объеме.After the introduction of accelerated nuclei is completed, the magnetic field induction in the working volume is changed as it is necessary for plasma confinement. Probably, increasing the induction with the speed needed to maintain the transverse component of the velocities of the electrons - to keep them in the working volume.

Во время рабочего цикла продукты реакции и другие энергичные заряженные частицы уходят через «магнитные пробки» в устройства для прямого преобразования их энергии в электрическую энергию. Часть полученной энергии используют для ускорения исходных ядер в следующем рабочем цикле, а при достаточной длине рабочего объема и в одном рабочем цикле это существенно уменьшает энергоемкость накопителей энергии, нужную для работы устройства.During the working cycle, reaction products and other energetic charged particles go through "magnetic plugs" into devices for the direct conversion of their energy into electrical energy. A part of the obtained energy is used to accelerate the initial nuclei in the next working cycle, and with a sufficient length of the working volume and in one working cycle, this significantly reduces the energy consumption of energy storage necessary for the operation of the device.

Заканчивая рабочий цикл, магнитное поле изменяют, направляя все заряженные частицы из рабочего объема в устройства для прямого преобразования их энергии в электрическую энергию.Finishing the working cycle, the magnetic field is changed, directing all charged particles from the working volume into devices for the direct conversion of their energy into electrical energy.

Начинают следующий рабочий цикл.Begin the next work cycle.

Избыток энергии (в будущем) направляют потребителям.Excess energy (in the future) is directed to consumers.

Применение способа по описанию к патенту №2067360 в рабочем объеме достаточной длины и приведенные особенности изобретения существенно уменьшают относительную мощность развития неустойчивостей плазмы и увеличивают параметры удержания плазмы.The application of the method described in patent No. 2067360 in a working volume of sufficient length and the above features of the invention significantly reduce the relative power of the development of plasma instabilities and increase the plasma retention parameters.

Раздельное включение групп ускорителей уменьшает мгновенную мощность устройства и облегчает защиту от наведенных напряжений.Separate inclusion of groups of accelerators reduces the instantaneous power of the device and facilitates protection against induced voltages.

Расход энергии на рост магнитной индукции в сумме с ЭЦР нагревом для обеспечения нужной скорости дрейфа электронов в зонах движения пучков, и нужной величины поперечной скорости электронов существенно меньше, чем для нагрева всей плазмы до «термоядерной температуры».The energy consumption for the growth of magnetic induction in total with ECR heating to ensure the desired electron drift velocity in the areas of beam motion, and the required transverse electron velocity, is significantly less than for heating the entire plasma to “thermonuclear temperature”.

В устройстве предлагаемого типа реально получение промышленного выхода реакций синтеза ядер с малым выходом нейтронов, и без выхода нейтронов.In the device of the proposed type, it is realistic to obtain an industrial yield of nuclear fusion reactions with a low neutron yield, and without neutron yield.

При безнейтронных реакциях реально применение сверхпроводников в промышленных реакторах.In neutron-free reactions, the use of superconductors in industrial reactors is real.

Claims

A device with magnetic confinement of plasma type "trap with magnetic plugs", containing:
working volume more than three meters long along the axis of the magnetic field;
equipment for creating - in specified areas of the working volume, at specified times - specified values: magnitude and rate of increase of magnetic field induction, as well as density and temperature of the electronic component of the background plasma, from one source of the isotope reaction;
accelerators - for acceleration, up to an energy of (30 ÷ 700) keV, and introduction into the working volume by beams with a current density of accelerated nuclei (1 ÷ 1000) A / cm ² - nuclei of the second initial isotope - distributed and oriented so that the pressure of the beams balances the pressure of the obtained plasma from all sides, and the distribution of accelerated nuclei in the directions of velocities relative to the axis of the magnetic field in the obtained plasma, such that the greatest retention time of accelerated nuclei in the working volume is achieved;
characterized in that:
one). accelerators are distributed along the working volume in groups, in each group they are oriented to the convergence region of the beams of this group, and are connected to power sources through elements of the switching system, including groups of accelerators in series - at the moments of the working cycle, determined so that the plasma flows obtained after interactions of accelerated beams nuclei from the groups of accelerators included earlier interact with each other or with an increase in the magnetic field near magnetic plugs and simultaneously interact with beams accelerated nuclei in the region of convergence of beams of accelerated nuclei from accelerators included at the beginning of these interactions;
2) in this combined interaction, the beams of accelerated nuclei provide a distribution along the directions of velocities of the entire set of accelerated nuclei - such that the retention time of accelerated nuclei in the working volume is the largest.