ИНДУКЦИОННЫЙ ИНЖЕКТОР ПЛАЗМЫ

Изобретение относится к области плазменных технологий, в частности к тематике управляемого термоядерного синтеза.

Одной из перспективных технологий при создании магнитного термоядерного реактора (МТР) является периодическая инжекция в его камеру плазменных струй с целью подпитки топливом для поддержания его стационарной работы, а также для осуществления наиболее эффективных режимов его работы [1]. Важнейшим требованием для осуществления этих технологий является отсутствие примесей в инжектируемой в камеру МТР плазме. В частности, это требование относится к плазменному ускорителю, с помощью которого создаются плазменные струи.

Проблема создания в плазменных ускорителях плазменных струй, не содержащих примеси, остается до сих пор нерешенной для обоих существующих типов ускорителей коаксиального и индукционного типа. В первом случае примеси попадают в плазму в результате электрического разряда между коаксиальными электродами инжектора. Во втором случае индукционный безэлектродный разряд, являющийся источником ускорения плазмы, возникает вблизи поверхности диэлектрической камеры инжектора и с поверхности камеры в плазму попадают продукты ее эрозии и адсорбированные на ней примеси.

В качестве прототипа нами выбран индукционный конический источник плазмы [2]. В диэлектрическую вакуумную камеру посредством быстродействующего клапана инжектируется определенное количество газа и затем на коническую катушку, размещенную на внешней поверхности камеры, разряжается батарея конденсаторов. При этом в области катушки возникает вихревое электрическое поле Е, направленное вдоль окружности с радиусом r с центром на оси камеры и равное:

где - скорость нарастания магнитного поля.

Под действием поля Е в соответствии с кривой Пашена, определяющей необходимую для электрического пробоя величину Е в зависимости от давления газа р, происходит электрический пробой находящегося в камере газа, его ионизация и нагрев с образованием плазменного сгустка, ускоряющегося под действием электродинамической силы.

Недостатком этого индукционного инжектора плазмы является загрязнение плазмы продуктами эрозии стенок диэлектрической камеры, поскольку величина Е, определяемая формулой (1), увеличивается с ростом r и является максимальной у границы камеры. Поэтому пробой возникает сначала вблизи стенки диэлектрической камеры, и последующий электрический разряд вызывает эрозию стенок с попаданием в плазму продуктов эрозии.

Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанного недостатка и создание плазменных потоков, не содержащих примесей, путем усовершенствования известного индукционного инжектора плазмы, содержащего вакуумную камеру из изоляционного материала, соединенную с источником рабочего газа, размещенную на внешней поверхности камеры силовую катушку, подключаемую после напуска газа к источнику питания и создающую в камере в момент подключения магнитное поле, убывающее от центра катушки вдоль оси камеры.

Усовершенствование заключается в том, что в инжектор введена вспомогательная катушка, выполненная в виде системы кольцевых проводников с противоположным направление тока в соседних проводниках, создающая охранное магнитное поле мультипольного типа, поперечного по отношению к направлению возникающего электрического поля и убывающего по радиусу к центру камеры.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез индукционного инжектора плазмы, а на фиг.2 - поперечный разрез. Предложенный индукционный инжектор состоит из вакуумной камеры 1, изготовленной из диэлектрического материала (керамика, кварц), надеваемой на нее катушки импульсного магнитного поля 2, подсоединенной к конденсаторной батарее 3 через разрядник 4; импульсного клапана 5 подачи нейтрального газа вместе с каналом транспортировки газа 6; вспомогательной катушки охранного магнитного поля 7 с кольцевыми витками 8, запитываемой от вспомогательной конденсаторной батареи 9 через разрядник 10. Кольцевые витки в катушке соединены между собой таким образом, чтобы направление тока в соседних витках было противоположным. Витки катушки заключены в диэлектрический цилиндр из застывшей эпоксидной смолы.

Последовательность работы ускорителя такова. В вакуумную камеру 1 с помощью клапана 5 инжектируется порция нейтрального газа. В этот момент на катушку 2 с помощью разрядника 4 подается напряжение конденсаторной батареи 3. Быстро нарастающее продольное магнитное поле катушки вызывает у внутренней поверхности вакуумной камеры электрический кольцевой пробой находящегося в ней газа и сжатие кольцевым током газового облака с образованием плазменного сгустка (тэта-пинч). Поскольку магнитное поле является неоднородным по длине, достигая максимума в середине катушки и убывая к краям, то порция образовавшейся плазмы, находящаяся (в данном случае) правее центра (фиг.1), выталкивается из области катушки и ускоряется в направлении направо.

Для устранения загрязнения возникающей плазмы вследствие электрического пробоя вдоль поверхности диэлектрической камеры в предложенном варианте индукционного инжектора используется то обстоятельство, что введение в камеру магнитного поля Н, поперечного по отношению к направлению электрического поля, затрудняет пробой и при достаточной величине может его предотвратить [3]. Для того, чтобы поле убывало к центру камеры и не мешало возникновению пробоя вдали от стенки, используется поле мультипольного типа, создаваемое системой кольцевых проводников с противоположным направлением тока в соседних проводниках.

Величина необходимого магнитного поля вблизи поверхности камеры выбирается следующим образом. В соответствии с кривой Пашена, определяющей необходимую для электрического пробоя величину Е в зависимости от давления газа р, выбирается значение давления p₁, предотвращающее электрический пробой при возникающем согласно (1) Е. При заданном в камере начальном значении давления газа р₀, меньшем p₁ и не препятствующем в соответствии с кривой Пашена возникновению пробоя, вблизи поверхности камеры создается поперечное магнитное поле, удовлетворяющее условию

где ω_H - ларморовская частота электронов; ν_e - частота столкновений электронов с атомами газа. Согласно [3] выполнение данного условия предотвращает пробой газа с давлением р₀ вблизи стенки диэлектрической камеры. Таким образом обеспечиваются условия создания плазменного сгустка, не содержащего примесей.

Источники информации

1. Олейник А.Г., Попрядухин А.П. Инжекция плазменных струй как метод глубокой подпитки токамаков-реакторов топливом. Физика плазмы, т.24, н.8, с.697-705 (1998).

2. Азовский Ю.С., Гужовский И.Т., Мазалов Ю.П., Манк В.В., Сафронов Б.В., Чураев В.А. Индукционный конический источник плазменных сгустков. Журнал технической физики - т.33, вып.10, с.1149-1158 (1963).

3. Towensend J.S., Gill E.W.B. Generalization of the theory of electrical discharges. Philosophical magazine. Vol.26, p.290 (1938).