Проблемы АЦЛ реактора В.И. Волосов 14.12.2010. В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Что такое АЦЛ реактор ? Критерий Невинса В начале 2000х в работах W.Nevins,a. - презентация

1 Проблемы АЦЛ реактора В.И. Волосов

2 В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Что такое АЦЛ реактор ? Критерий Невинса В начале 2000х в работах W.Nevins,a было показано на невозможность реализации реакции P11B в рамках стационарного термоядерного синтеза. Условие Te

3 В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Разрез установки ПСП-2: 1 - катушки магнитного поля; 2 - область плазмы; 3 - внешний лайнер; 4 – внутренний лайнер; 5 - электродная система; 6 – система в/в питания Параметры ПСП-2 r 2 =51 см, r 1 =32 см, L=160 см, U ~ МВ, Q=100 кДж, H c = КГс, R=2.4, P=10 -7 Торр, S разряд – решетка из Ti колец Параметры эксперимента Us = 270, 300, 330 и 360 кВ J N = A W i = keV, W max = keV Te = 1-2 keV n ~ cm -3

4 В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Schematic view of the ACT reactor and magnetic and centrifugal potentials of the ACT. Left–the ion plug and ion collector, right-the plug and collector;1-4 the four steps of the collector-converter, r 0 =4m; r mi =2m; r ma =1.8m; r 0 =0.6m; L 0 =5(10)m; L mi =5(10)m; L ma =100(250)m

5 Расчетные параметры АЦЛ 1.Плотность протонов см -3 2.Энергия «быстрых» протонов КэВ (дельта- спектр) 3.Температура электронов 150 – 200 КэВ 4.Время жизни «быстрого» протона ~ 0.7 сек. Волосов В.И. Nucl. Fusion 46 (2006), pp В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора

6 Особенности АЦЛ. 1.Это ускоритель-замедлитель протонов Wp=675 кэВ. Дельта-спектр! 2.Электронная компонента с T e ~ кэВ. 3.Электродные системы, создающие электрические поля в плазме, состоят из «конусных» электродов. На этих электродах тормозятся протоны в «ионной» пробке и тормозятся альфа в «альфа» пробке. Схема работы АЦЛ. 1.В ускоритель осуществляется инжекция нейтрального водорода, ионизация которого происходит в плазме. 2.Ускорение ионизованных протонов до резонансной энергии (0.67 МэВ) происходит в любой точке плазмы независимо от координат (r,, z,t). 3.Ядерная реакция P11B идет между протоном и ионом бора. Время ядерной реакции порядка 70 сек. Через 0.7 сек. протон выходит через ионную пробку. Поэтому необходимо иметь порядка 100 прохождений протона через АЦЛ с суммарными потерями ниже чем 8,7 МэВ 4.Торможение протонов вышедших через центробежную пробку происходит на системе конусных электродов (при этом потери не превышают 2 % от начальной энергии). 5. Потери на электронах от 5 до 10 % энергии протона. 6.Торможение электронов происходит в системе электронного торможения, расположенной в щели между электродами. В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора

7 Схема рекуперации энергии протонов и альфа-частиц Опубликовано: Trans. Fusion Scien.&Technology, January, 2005, pp

8 Scheme of electron energy electrostatic recuperator: 1,2 - n and n+1 electrodes; 3 - grid-electrode; 4 - collector with the retarding potential; 5 - magnetic field lines. В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Схема рекуперации энергии электронов

9 Баланс энергии в АЦЛ На один протон требуется 74 сек для прохождения реакции p11B. Один протон «живет» в ловушке сек и «уходит» на электроды с потерей МэВ. Суммарно 55 кэВ это электронные потери без рекуперации, а приблизительно 10 кэВ – потери протона на электродах, т.о. суммарные потери протона МэВ за 0.61 сек. Соответственно полные потери на одну реакцию 6.5 МэВ при выходе реакции 8.7 МэВ (здесь не учтена рекуперация электронной компоненты). В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора

10 Проблема АЦЛ реактора, связанная с энергетическим спектром - частиц Путвинский С.В., Alpha-pfrticle confinement and requirements for reactor using p-B11 fuel, 2008 Дмитриев В.Ф., Physics of Atomic Nuclei, v.72, N7 (2009), pp Проблема - золы. 2.Проблема широкого энергетического спектра - частиц. В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Reaction p11B through two intermediate compound nuclei of 12C and 8Be.

11 Энергетические спектры - частиц (предварительная оценка) Реакция идущая через основное состояние 8Be В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Реакция идущая через возбужденное состояние 8Be Вероятность ~ 1% Вероятность ~ 99% W =8.7 МэВ

12 Проблема - золы В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Расчет радиального дрейфа холодных - частиц - ларморовский радиус иона со скоростью V E, R - радиальный размер вращающейся плазмы Для тяжелых ионов: - частицы: иона бора: Соответственно, разностная азимутальная дрейфовая скорость: s - время обмена импульсом между ионами бора и альфа частицами, c - циклотронная частота для рассматриваемой группы частиц (здесь альфа частицы). Откуда, радиальная дрейфовая скорость для - частиц (по r или E): Азимутальная дрейфовая скорость:

13 Проблема - золы В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора Для параметров АЦЛ: V = V E При T e = 150 КэВ s = сек – время обмена импульсом - частицы и иона бора V dr (r)=0.231 см/сек – скорость радиального дрейфа - частицы ex =30/0.23=129 сек – время выхода - частицы из АЦЛ в радиальном направлении При этом f ~70 сек – ядерное время Вывод: Так как время ухода «холодных» - частиц из АЦЛ ( ex ) сравнимо с временем их образования ( f ), то можно утверждать, что накопление «холодных» - частиц не происходит. При этом, доля «холодных» - частиц составляет ~ 10% от полного количества - частиц в АЦЛ. Дополнительные способы снижения энергетических потерь при выводе «холодных» - частиц из АЦЛ Снижение потерь за счет напряженности электрического поля вблизи стенки. При снижении Er в 2 – 5 раз, энергия - частиц уходящих на стенку падает в 4-25 раз. Одновременно это снижение напряженности электрического поля позволяет осуществить вывод «холодных» - частиц из пристеночной области на торцевые электроды.

14 Рекуперация энергии - частиц уходящих вдоль магнитного поля В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора 1. Значительная часть - частиц в АЦЛ (99 %) имеют широкий энергетический спектр Поэтому необходима рекуперация продольной компоненты энергии - частиц ~ (0.5 – 1) МэВ за счет торможения в - пробке. 2. Для рекуперации энергии - частиц существуют 2 особенности рекуператора: В предположении, что 2.1. Полный оборот - частицы в магнитном поле рекуператора на одной секции рекуператора V || - продольная скорость; L || - продольный размер секции рекуператора; с – циклотронная частота Откуда, полная длина рекуператора от 100 до 250 м ( секций).

15 Рекуперация энергии - частиц уходящих вдоль магнитного поля В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора 2.2. Выбор рабочей точки по поперечной энергии для рекуперации - частиц W - уширение спектра - частиц Если W ~ 0.5W Em то потери ~ W Em. 6/100 ~ 6% в итоге, в предположении: получаем:

16 Спасибо за внимание ! В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора