RU2427935C1

RU2427935C1 - Procedure for generation of toroid current of asymmetry at stationary operation of thermonuclear reactor

Info

Publication number: RU2427935C1
Application number: RU2010106271/07A
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Готт (RU); Юрий Владимирович Готт; Эдуард Иванович Юрченко (RU); Эдуард Иванович Юрченко
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-08-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: in procedure of generation of toroid current of asymmetry at stationary operation of thermonuclear reactor there is made trap with stationary toroid magnetic field. It is filled with plasma of density and temperature required for thermonuclear reactions. There is generated both bootstrap-current and toroid current of asymmetry with maximal density near magnetic axis of a thermonuclear reactor, value of which is controlled by changing value and radial distribution of density and plasma temperature.

EFFECT: implementation of mechanism of generation of toroid current of asymmetry with maximal density near magnetic axis of installation which eliminates generation of start-up current with external devices; simplification of design and raised efficiency of operation of stationary thermonuclear reactor.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе, в радиационном материаловедении, для исследований в физике космической плазмы.The invention relates to the physics of high-temperature plasma and can find application in controlled thermonuclear fusion, in radiation materials science, for research in cosmic plasma physics.

Известен способ создания неиндукционного тока в замкнутых магнитных ловушках типа «Токамак», работающих в импульсном режиме, при помощи бутстреп-тока, см., например, М.Kikuchi, M.Azumi, S.Tsuji, H.Kubo, Nuclear Fusion, 1990, V.30, P.343. Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока близка к нулю вблизи магнитной оси установки. Такое распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы в магнитной ловушке типа «Токамак». В связи с этим для стационарной работы термоядерного реактора типа «Токамак» вблизи оси установки необходимо генерировать каким-либо образом дополнительный так называемый «затравочный» ток, что усложняет практическую реализацию токамака-реактора, работающего в стационарном режиме.There is a method of creating a non-induction current in closed magnetic traps of the "Tokamak" type, operating in a pulsed mode using bootstrap current, see, for example, M. Kikuchi, M. Azumi, S. Tsuji, H. Kubo, Nuclear Fusion, 1990 , V.30, P.343. The disadvantage of this method is that the bootstrap current density is close to zero near the magnetic axis of the installation. Such a distribution of current density makes it impossible to hold plasma in a magnetic trap of the Tokamak type. In this regard, for stationary operation of the Tokamak type fusion reactor near the installation axis, it is necessary to generate an additional so-called “seed” current in some way, which complicates the practical implementation of a stationary tokamak reactor.

Известен способ создания неиндукционного тока в замкнутых магнитных ловушках типа «Стелларатор» при помощи бутстреп-тока, см., например, М.Fujiwara, H.Yamada, A.Ejiri et al.. Nuclear Fusion, 1999, V.39, P.1659.A known method of creating a non-induction current in closed magnetic traps of the type "Stellarator" using bootstrap current, see, for example, M. Fujiwara, H. Yamada, A. Ejiri et al .. Nuclear Fusion, 1999, V.39, P. 1659.

Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока близка к нулю вблизи магнитной оси установки. В ловушках типа «Стелларатор» такое распределение бутстреп-тока усложняет проблему устойчивой работы реактора. В термоядерном реакторе типа «Стелларатор» ток, протекающий вблизи магнитной оси ловушки, может упростить решение проблемы устойчивой работы установки.The disadvantage of this method is that the bootstrap current density is close to zero near the magnetic axis of the installation. In traps of the Stellarator type, such a distribution of bootstrap current complicates the problem of stable operation of the reactor. In a Stellarator fusion reactor, current flowing near the magnetic axis of the trap can simplify the solution to the problem of the plant’s stable operation.

Наиболее близким техническим решением является способ генерации неиндукционного тока при стационарной работе самоподдерживающегося термоядерного реактора, смотри R.J.Bickerton, J.W.Connor and J.B.Taylor, Natural physical science 229, 110 (1971), B.B.Kadomtsev, V.D.Shzfranov, in Proceedings of the 4th International Conference on Plasma Physics and Controlled nuclear Fusion Research (Vienna: IAEA, 1971) Vol.2, P.479.The closest technical solution is a method for generating non-induction current during stationary operation of a self-sustaining fusion reactor, see RJ Bickerton, JW Connor and JB Taylor, Natural physical science 229, 110 (1971), BBKadomtsev, VDShzfranov, in Proceedings of the 4th International Conference on Plasma Physics and Controlled nuclear Fusion Research (Vienna: IAEA, 1971) Vol. 2, P. 479.

В этом способе для создания стационарного термоядерного реактора на основе системы «Токамак» предлагалось использовать в основном бутстреп-ток. При этом создают ловушку со стационарным тороидальным магнитным полем, заполняют ее плазмой с плотностью и температурой, необходимыми для осуществления самоподдерживающихся термоядерных реакций, и генерируют бутстреп-ток.In this method, it was proposed to use mainly bootstrap current to create a stationary fusion reactor based on the Tokamak system. In this case, create a trap with a stationary toroidal magnetic field, fill it with plasma with the density and temperature necessary for the implementation of self-sustaining thermonuclear reactions, and generate a bootstrap current.

Недостатком известного способа является то, что плотность бутстреп-тока близка к нулю вблизи оси установки. Такое распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы. В связи с этим для стационарной работы реактора вблизи оси установки необходимо генерировать каким-либо образом дополнительный так называемый «затравочный» ток. Что усложняет реализацию и увеличивает стоимость стационарного термоядерного реактора.The disadvantage of this method is that the bootstrap current density is close to zero near the axis of the installation. Such a current density distribution makes stable plasma confinement impossible. In this regard, for stationary operation of the reactor near the axis of the installation, it is necessary to generate an additional so-called “seed” current in some way. Which complicates the implementation and increases the cost of a stationary fusion reactor.

Также известно техническое решение по патенту РФ №2019874, МПК 5 G21B 1/00The technical solution according to the patent of the Russian Federation No.2019874, IPC 5 G21B 1/00 is also known.

Заявка: 5025109/25, 30.01.1992Application: 5025109/25, 01/30/1992

(46) Опубликовано: 15.09.1994(46) Published: 09/15/1994

Российский научный центр "Курчатовский институт"Russian Research Center "Kurchatov Institute"

«СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ ТОРОИДАЛЬНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК ТИПА ТОКАМАК»."METHOD OF SUPPORTING STATIONARY CURRENT IN PLASMA OF TOROIDAL THERMONUCLEAR INSTALLATIONS TYPE TOKAMAK."

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке установок управляемого термоядерного синтеза. Сущность изобретения: для упрощения поддержания стационарного тока в токамаке и других тороидальных системах электронам плазмы передают дополнительный импульс от электронов пучка, проникающего в центр плазмы. Это достигается при взаимодействии двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков. Источники плазмы расположены на ее краю, а электроны инжектируются вдоль магнитного поля. Расположение источников плазмы и ее параметры выбирают из условия I1>I2>Ip/n, где Ip - ток в плазме; n - число прохождений пучков вокруг тора; I1, I2 - токи пучков. Кроме этого, необходимо, чтобы энергия частиц пучков была больше тепловой энергии плазмы.The invention relates to the physics of high-temperature plasma and can be used in the development of controlled thermonuclear fusion plants. The essence of the invention: to simplify the maintenance of a stationary current in a tokamak and other toroidal systems, an additional impulse is transmitted to the plasma electrons from the beam electrons penetrating the center of the plasma. This is achieved by the interaction of two or more counterpropagating electron beams that repeatedly go around the torus. Plasma sources are located on its edge, and electrons are injected along the magnetic field. The location of the plasma sources and its parameters are selected from the condition I1> I2> Ip / n, where Ip is the plasma current; n is the number of passes of the beams around the torus; I1, I2 - beam currents. In addition, it is necessary that the energy of the particle beams be greater than the thermal energy of the plasma.

Недостатком известного решения является то, что плотность бутстреп-тока вблизи оси установки мала. Такое распределение плотности тока делает невозможным устойчивое удержание плазмы. Использование взаимодействия двух или более встречных многократно обходящих тор электронных пучков усложняет реализацию и увеличивает стоимость стационарного термоядерного реактора.A disadvantage of the known solution is that the bootstrap current density near the installation axis is low. Such a current density distribution makes stable plasma confinement impossible. The use of the interaction of two or more counterpropagating electron beams repeatedly passing around the torus complicates the implementation and increases the cost of a stationary thermonuclear reactor.

Техническим результатом предложенного изобретения является использование механизма генерации тороидального тока асимметрии с максимальной плотностью вблизи магнитной оси установки, что исключает необходимость создания «затравочного» тока внешними устройствами, за счет чего упрощается конструкция и повышается экономичность работы стационарного термоядерного реактора.The technical result of the proposed invention is the use of a mechanism for generating a toroidal asymmetric current with a maximum density near the magnetic axis of the installation, which eliminates the need to create a "seed" current by external devices, which simplifies the design and increases the efficiency of a stationary fusion reactor.

Для достижения технического результата в способе генерации тороидального тока асимметрии при стационарной работе термоядерного реактора создают ловушку со стационарным тороидальным магнитным полем, заполняют ее плазмой с плотностью и температурой, необходимыми для осуществления самоподдерживающихся термоядерных реакций, и генерируют бутстреп-ток, и дополнительно генерируется тороидальный ток асимметрии с максимальной плотностью вблизи магнитной оси термоядерного реактора, величину которого регулируют изменением величины и радиального распределения плотности и температуры плазмы.To achieve a technical result in a method for generating a toroidal asymmetry current during stationary operation of a thermonuclear reactor, a trap with a stationary toroidal magnetic field is created, filled with plasma with the density and temperature necessary for the implementation of self-sustaining thermonuclear reactions, and a bootstrap current is generated, and an additional toroidal asymmetry current is generated with a maximum density near the magnetic axis of the fusion reactor, the magnitude of which is controlled by a change in magnitude and total distribution of plasma density and temperature.

В способе генерации тороидального тока асимметрии при стационарной работе самоподдерживающегося термоядерного реактора осуществляют следующую последовательность операций.In the method of generating a toroidal current of asymmetry during stationary operation of a self-sustaining fusion reactor, the following sequence of operations is carried out.

Вакуумную камеру термоядерного реактора типа «Токамак» заполняют смесью дейтерия и трития. Внутри камеры создают тороидальное магнитное поле и возбуждают вихревое электрическое поле, осуществляют пробой газа, возбуждают омический (индукционный) ток, в результате чего камера установки заполняется плазмой. Регулируют величину вихревого электрического поля, величину поступающей в камеру из дополнительного устройства дейтерий-тритиевой смеси и, используя систему дополнительного нагрева ионов и электронов плазмы, достигают рабочих параметров плазмы. При появлении индукционного тока в плазме возникает как бутстреп-ток, так и новый ток асимметрии, величина которого растет по мере роста плотности и температуры плазмы до достижения стационарного режима. В стационарном режиме вихревое поле отключают и при этом омический ток исчезает. Ток асимметрии переносится всеми заряженными частицами: электронами, ионами основной плазмы, ионами примесей и α-частицами, образующимися в результате термоядерных реакций. Таким образом, как было обосновано, технический результат предложенного изобретения обеспечивает следующая совокупность существенных признаков.The vacuum chamber of the Tokamak fusion reactor is filled with a mixture of deuterium and tritium. A toroidal magnetic field is created inside the chamber and a vortex electric field is excited, gas is sampled, an ohmic (induction) current is excited, as a result of which the setup chamber is filled with plasma. The magnitude of the vortex electric field is controlled, the magnitude of the deuterium-tritium mixture entering the chamber from the additional device, and using the system of additional heating of plasma ions and electrons, the plasma operating parameters are reached. When an induction current appears in the plasma, both a bootstrap current and a new asymmetry current arise, the magnitude of which increases with increasing plasma density and temperature until a steady state is reached. In stationary mode, the vortex field is turned off and the ohmic current disappears. The asymmetry current is carried by all charged particles: electrons, ions of the main plasma, impurity ions and α-particles resulting from thermonuclear reactions. Thus, as was justified, the technical result of the proposed invention provides the following set of essential features.

Способ генерации тороидального тока асимметрии вблизи магнитной оси термоядерного реактора при стационарной работе термоядерного реактора, заключающийся в том, что используются частицы, перемещающиеся вблизи магнитной оси термоядерного реактора по траекториям, описываемым уравнениемA method of generating a toroidal asymmetric current near the magnetic axis of a fusion reactor during stationary operation of a fusion reactor, which consists in using particles moving along the magnetic axis of a fusion reactor along trajectories described by the equation

ε⁴-2Jε²+ς²εcosθ+(J²-ς²G)=0,ε ⁴ -2Jε ² + ς ² εcosθ + (J ² -ς ² G) = 0,

где ε - отношение текущего радиуса к большому радиусу токамака, θ - полоидальный угол, J - продольный инвариант, G - величина, связанная с поперечным инвариантом, ς - нормированный ларморовский радиус, причем величину тороидального тока асимметрии регулируют изменением величины и радиального распределения плотности и температуры плазмы, при этом пределы изменения плотности составляют 0.5-5×10²⁰ м^-3, пределы изменения температуры составляют 10-30 кэВ.where ε is the ratio of the current radius to the large tokamak radius, θ is the poloidal angle, J is the longitudinal invariant, G is the magnitude associated with the transverse invariant, ς is the normalized Larmor radius, and the magnitude of the toroidal asymmetry current is controlled by a change in the magnitude and radial distribution of density and temperature plasma, while the limits of density change are 0.5-5 × 10 ²⁰ m ^-3 , the limits of temperature change are 10-30 keV.

Проведем оценку тока усредненного по магнитной поверхности тока асимметрии <j_A>:Let us evaluate the current of the asymmetry current averaged over the magnetic surface <j _A >:

Здесь θ_s - полоидальная координата точки на магнитной поверхности, f - функция распределения частиц (ионов, электронов или α-частиц) с энергией Е,

- составляющая скорости частицы, направленная вдоль тороидального магнитного поля,

, v_□ - полная скорость частицы, G_± - величина, связанная с магнитным моментом частицы, ε=r/R, r и R - малый и большой радиусы тора, θ - полоидальная координата частицы. Расчеты показывают, чтоHere θ _s is the poloidal coordinate of a point on the magnetic surface, f is the distribution function of particles (ions, electrons, or α-particles) with energy E,

is the component of the particle velocity directed along the toroidal magnetic field,

, v _□ is the total velocity of the particle, G _± is the quantity associated with the magnetic moment of the particle, ε = r / R, r and R are the small and large radii of the torus, and θ is the poloidal coordinate of the particle. Calculations show that

где ς=2ρq/R, ρ - ларморовский радиус частицы с температурой Т, q - коэффициент запаса устойчивости, величина σ=±1 определяет знак продольной скорости в точке рождения частицы на магнитной поверхности ε.where ς = 2ρq / R, ρ is the Larmor radius of a particle with temperature T, q is the stability margin, and σ = ± 1 determines the sign of the longitudinal velocity at the particle’s birth point on the magnetic surface ε.

Из формул (2) и (3) видно, что существует такой диапазон изменения параметра G₊≤G≤G_-, в котором частица с σ=+1 является пролетной, а частица с σ=-1 - запертой. Так как запертые частицы дают малый вклад в тороидальный ток, то ясно, что пролетные частицы из указанного диапазона изменения G создают тороидальный ток, который назван током асимметрии. Токи пролетных частиц с G>G_-, движущихся в противоположных направлениях, в значительной степени компенсируют друг друга. Так как второй и третий интегралы в фигурных скобках (1) вычисляются в области, где частицы запертые, то из (1), (2) и (3) следует, чтоIt can be seen from formulas (2) and (3) that there exists a range of variation of the parameter G ₊ ≤G≤G _- in which a particle with σ = + 1 is span, and a particle with σ = -1 is locked. Since the locked particles make a small contribution to the toroidal current, it is clear that passing particles from the indicated range of variation of G create a toroidal current, which is called the asymmetry current. The currents of passing particles with G> G _- moving in opposite directions largely cancel each other out. Since the second and third integrals in braces (1) are calculated in the region where the particles are locked, it follows from (1), (2) and (3) that

Из (4) и (5) видно, что плотность тока асимметрии максимальна вблизи магнитной оси (ε=0) установки и уменьшается к периферии плазмы.It is seen from (4) and (5) that the asymmetry current density is maximum near the magnetic axis (ε = 0) of the setup and decreases toward the plasma periphery.

Таким образом видно, что генерация тороидального тока асимметрии определяется специфическими особенностями движения заряженных частиц в тороидальных магнитных полях.Thus, it is seen that the generation of a toroidal asymmetry current is determined by the specific features of the motion of charged particles in toroidal magnetic fields.

Появление тока вблизи магнитной оси установки исключает необходимость создания «затравочного» тока при помощи внешних устройств.The appearance of current near the magnetic axis of the installation eliminates the need to create a "seed" current using external devices.

Величина тока асимметрии возрастает с ростом плотности и температуры плазмы. Суммарный ток асимметрии в установке создается всеми заряженными частицами: электронами, ионами основной плазмы, ионами примесей и термоядерными α-частицами. Ток асимметрии в любой тороидальной замкнутой ловушке направлен таким образом, что он увеличивает вращательное преобразование. Это означает, что в токамаке направление тока асимметрии совпадает с направлением омического тока.The magnitude of the asymmetry current increases with increasing plasma density and temperature. The total asymmetry current in the setup is created by all charged particles: electrons, main plasma ions, impurity ions and thermonuclear α particles. The asymmetry current in any toroidal closed trap is directed so that it increases the rotational transformation. This means that in the tokamak, the direction of the asymmetry current coincides with the direction of the ohmic current.

Важной характеристикой, определяющей параметры системы генерации безындукционного тока, является доля тока, создаваемого естественными механизмами, например бутстреп-током (в сферических токамаках эта доля может достигать 80-90%). Чем выше эта доля, тем проще и дешевле дополнительные системы генерации тока, основанные, например, на использовании электронной циклотронной и нижнегибридной частот, или при помощи инжекции быстрых атомов.An important characteristic that determines the parameters of a non-induction current generation system is the fraction of current generated by natural mechanisms, for example, bootstrap current (in spherical tokamaks this fraction can reach 80-90%). The higher this fraction, the simpler and cheaper the additional current generation systems based, for example, on the use of electron cyclotron and low hybrid frequencies, or by injection of fast atoms.

Практически реализация предложенного решения поясняется приведенными ниже параметрами работы и соотношениями используемых регулируемых величин. А именно: в предложенном способе генерации тороидального тока и полоидального магнитного поля в токамаке для обеспечения стационарной работы термоядерного реактора дополнительно генерируют тороидальный ток асимметрии с максимальной плотностью вблизи магнитной оси термоядерного реактора с использованием частиц, перемещающихся вблизи магнитной оси термоядерного реактора по траекториям, описываемым уравнением ε⁴-2Jε²+ς²εcosθ+(J²-ς²G)=0,In practice, the implementation of the proposed solution is illustrated by the following operating parameters and the ratios of the used controlled variables. Namely: in the proposed method for generating a toroidal current and a poloidal magnetic field in a tokamak to ensure stationary operation of the thermonuclear reactor, an asymmetric toroidal current with a maximum density near the magnetic axis of the thermonuclear reactor is additionally generated using particles moving along the magnetic axis of the thermonuclear reactor along the trajectories described by equation ε ⁴ -2Jε ² + ς ² εcosθ + (J ² -ς ² G) = 0,

где ε - отношение текущего радиуса к большому радиусу токамака, θ - полоидальный угол, J - продольный инвариант, G - величина, связанная с поперечным инвариантом, ς - нормированный ларморовский радиус.where ε is the ratio of the current radius to the large tokamak radius, θ is the poloidal angle, J is the longitudinal invariant, G is the quantity associated with the transverse invariant, and ς is the normalized Larmor radius.

Указанное изобретение иллюстрируется чертежом, где по осям отложены безразмерные величины x/а и y/а, отношение величин x и y к величине малого радиуса токамака, х/а и у/а изменяются от 0 до 1, кривая «1» рассчитана для J=2.05×10^-2 и G=2.07×10^-3, а кривая «2» - для J=2.05×10^-2 и G=5.8×10^-3 и ς=3.5×10^-3, причем радиальные распределения описываются соотношениямиThe specified invention is illustrated by the drawing, where the dimensionless x / a and y / a values are plotted along the axes, the ratio of x and y values to the small radius of the tokamak, x / a and y / a vary from 0 to 1, curve "1" is calculated for J = 2.05 × 10 ^-2 and G = 2.07 × 10 ^-3 , and the curve “2” for J = 2.05 × 10 ^-2 and G = 5.8 × 10 ^-3 and ς = 3.5 × 10 ^-3 , and the radial distributions are described relations

где переменными параметрами являются ν и µ, при этом µ=0.5ν, ν изменяется от 1 до 4, а - малый радиус токамака.where ν and µ are variable parameters, with µ = 0.5ν, ν varies from 1 to 4, and is the small radius of the tokamak.

Для изложенного выше величина тока асимметрии регулируется изменением величины и радиального распределения плотности и температуры плазмы, при этом пределы изменения плотности составляют 0.5-5×10²⁰ м^-3, пределы изменения температуры составляют 10-30 кэВ.For the above, the magnitude of the asymmetry current is controlled by changing the magnitude and radial distribution of the density and temperature of the plasma, while the limits of the density are 0.5-5 × 10 ²⁰ m ^-3 , the limits of the temperature are 10-30 keV.

Таким образом, генерация тороидального тока асимметрии исключает необходимость создания «затравочного» тока, что упрощает конструкцию и увеличивает экономичность стационарного термоядерного реактора.Thus, the generation of a toroidal asymmetric current eliminates the need to create a “seed” current, which simplifies the design and increases the efficiency of a stationary fusion reactor.

Численные расчеты в обосновании способа естественной генерации тороидального тока, например, для проектируемого международного токамака-реактора ITER показывают, что плотность тока асимметрии вблизи магнитной оси установки сравнима с плотностью омического тока, т.е. ток асимметрии совместно с бутстреп-током могут практически полностью заменить омический ток при работе стационарного токамака-реактора. Отметим, что величина тока асимметрии в реакторе типа «Стелларатор» сравнима с током асимметрии в реакторе типа «Токамак» при близких плазменных и геометрических параметрах. Таким образом, генерация тороидального тока асимметрии исключает необходимость создания «затравочного» тока, что упрощает конструкцию и увеличивает экономичность стационарного термоядерного реактора.Numerical calculations to justify the method of natural generation of toroidal current, for example, for the designed international ITER tokamak reactor show that the asymmetry current density near the installation’s magnetic axis is comparable to the ohmic current density, i.e. asymmetry current together with bootstrap current can almost completely replace the ohmic current during operation of a stationary tokamak reactor. Note that the magnitude of the asymmetry current in the Stellarator reactor is comparable with the asymmetry current in the Tokamak reactor with close plasma and geometric parameters. Thus, the generation of a toroidal asymmetric current eliminates the need for a "seed" current, which simplifies the design and increases the efficiency of a stationary fusion reactor.

Claims

1. A method of generating a toroidal asymmetry current during stationary operation of a thermonuclear reactor, which consists in transmitting additional pulses to the plasma electrons and regulating plasma currents near the magnetic axis of the thermonuclear reactor, characterized in that the toroidal asymmetry current is additionally generated, near the magnetic axis of the thermonuclear reactor, with a maximum density and using particles moving near the magnetic axis of the thermonuclear reactor along the trajectories described by the equation
ε ⁴ -2Jε ² + ς ² εcosθ + (J ² -ς ² G) = 0,
where ε is the ratio of the current radius to the large tokamak radius, θ is the poloidal angle, J is the longitudinal invariant, G is the quantity associated with the transverse invariant, and ς is the normalized Larmor radius.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the toroidal asymmetry current is controlled by changing the magnitude and radial distribution of the density and temperature of the plasma, while the limits of the density are 0.5-5 × 10 ²⁰ m ^-3 , the limits of the temperature are 10-30 keV.