Исследование параметров плазменного фокуса в управляемом термоядерном реакторе на базе импульсного коаксиального ускорителя

Аннотация

В работе приводится описание экспериментальной установки «плазменный фокус» для проведения управляемой термоядерной реакции, основные характеристики экспериментального термоядерного реактора «Плазменный фокус 4». Приводятся результаты диагностики параметров плазменного фокуса (температуры, концентрации) в зависимости от конфигурации электродной системы и силы тока. Установлена зависимость температуры и концентрации электронов в плазменном фокусе от размеров электродной системы.

Annotation

The paper describes the experimental reactor «Plasma Focus» for controlled thermonuclear reactions, the main characteristics of experimental thermonuclear reactor «Plasma Focus 4». There are given the results of diagnosis of the plasma focus parameters (temperature, concentration) depending on the configuration of the electrode system and the current strength. It is shown the dependence of the temperature and the concentration of electrons in the PF from the size of the electrode system.

Одним из вариантов осуществления управляемого термоядерного синтеза является плазменный фокус (ПФ) [1]. Идея создания термоядерных установок, основанных на фокусировке плазменных пучков, состоит в том, что наличие центральной симметрии позволит сжать плазму с высокой плотностью. Данному процессу будет способствовать сильное магнитное поле параллельных токов разряда и геометрия электродов. Для этого, геометрия катода и форма анода должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить фокусировку плазмы в локализованной области над анодом. Магнитные поля фокусируют плазменные нити в сгусток, поперечник которого имеет размер нескольких миллиметров. Когда сгусток становится достаточно плотным, температура достигает порядка 100 млн. градусов, что достаточно для возникновения реакции синтеза. Высокая плотность энергии пинча в ПФ, позволяет рассматривать его в качестве источника нейтронов, мягких и жестких рентгеновских излучений, что делает его полезным для применения в самых разных областях науки и техники [2]. Однако параметры плазмы, получаемые в плазменном фокусе, особенно на крупных установках, недостаточно хорошо изучены [3]. В связи с этим продолжаются работы по исследованию основных закономерностей формирования плазменного фокуса. В частности, ведутся измерения плотности и температуры плазмы, получаемой на установке «Плазменный фокус 4», с целью создания численной модели для оценки электронной температуры и плотности плазмы.

Экспериментальный термоядерный реактор «Плазменный фокус 4» (ПФ-4) включает камеру плазменного фокуса, емкостный накопитель энергии, высоковольтный разрядник и токоподводы. Камера плазменного фокуса представляет собой электроразрядное устройство с мейзеровской, полусферической системой электродов. Внутренний электрод (анод) диаметром 25 мм и длиной 10 см изготовлен из меди. Внешний электрод (катод) электрод выполнен в виде 6 цилиндров диаметром 5 мм, расположенных по кругу. В качестве ёмкостного накопителя энергии используются конденсаторная батарея из 24 конденсаторов ИК-50 с напряжением 30 кВ и суммарной ёмкостью 72 мкФ, а также конденсаторная батарея из 4 конденсаторов ИК-50 с напряжением 5 кВ и суммарной ёмкостью 600 мкФ. Фотография электродной системы приведена на рисунке 1.

Как видно, емкости конденсаторов и напряжения заряда разные, что предполагает различные сценарии формирования плазмы. Проведенные расчеты показали, что максимальное значение тока достигается при индуктивности системы порядка 6 нГн, причем независимо от типа конденсатора. Максимальный разрядный ток при этом существенно различается: если для конденсаторов ИК-50 он равен 1 МА, то для конденсаторов ИМ-150 он равен 300 кА, причем фактически мало зависит от величины емкости.

Температуру электронов в ПФ можно определить при условии постоянства скорости радиального сжатия на стадии формирования ПФ из равенства газокинетического и магнитного давления:

Как видно из выражения (4) температура электронов зависит от силы тока и размеров электродной системы. На рисунке 2 представлена зависимость температуры электронов в ПФ от силы тока.

Расчёты температуры показали, что её максимальное значение при силе тока 1 MA составляет порядка 172 эВ, минимальное значение при силе тока 300 кА порядка 16 эВ, при этом концентрация электронов составляет п_е=10¹⁷м'³.

На рисунке 3 представлена зависимость температуры электронов в ПФ от радиуса анода. Из этого рисунка следует, что температура электронов в ПФ падает с 15,5 эВ до 9,5 эВ при увеличении радиуса анода.

где I - сила тока, f₀ - частота, Цо - магнитная постоянная, а - радиус пинча, а - энергия ионизации.

Как видно из выражения (5) концентрация электронов зависит от силы тока и расстояния между электродами, что иллюстрируется на рисунках 4 и 5.

Из рисунка 3 следует, что концентрация электронов в ПФ изменяется в 173 183

пределах от 3,5 -10 м' до 3,910 м’ по мере увеличения тока.

На рисунке 5 представлена зависимость концентрации электронов в ПФ от радиуса анода. Из этого рисунка следует, что концентрация электронов в ПФ падает с 3,5 10¹⁷ м'³ до 1,2-IO¹⁶ м‘³ при увеличении радиуса анода.

Таким образом, установки типа ПФ могут быть альтернативой нынешним термоядерным установкам, особенно при условиях продолжающегося мирового кризиса. Ключевую роль в создании термоядерного реактора играет электрическое поле в плазме разряда. Если магнитные поля в плазме фокуса очень быстро прерываются, то эти изменения магнитных полей индуцируют электрическое поле, которое рождает пучок электронов в одном направлении и пучок ионов в другом. Энергии электронов и ионов в таких пучках велики, и если обеспечить высокую плотность пучка, этого будет достаточно для осуществления термоядерного синтеза (выполнения критерия Лоусона). Электронный пучок нагревает плазмоид, тем самым разжигая реакцию синтеза, которая дает больше энергии, чем исходный сгусток плазмы. Ионные и электронные пучки могут содержать больше энергии, чем это было в начале разряда.

Литература:

1. М.Г. Гарипов. Термоядерная энергетика Вестник Казанского технологического университета. 2013, т.16, в.2, с.69-71.
2. Степаненко А.М. Исследование плазмы сильноточных пинчевых разрядов методами спектроскопии и интерферометрии: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 01.04.08, Москва, 2012.
3. Баронова Е.О., Виноградов В.П., Крауз В.И., Мялтон В.В., Степаненко А.М., Степаненко М.М. Определение параметров плазмы на установке ПФ-3 методами рентгеновской спектроскопии. ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011. том 37, № 11, с. 1001-1014.