Проблемы АЦЛ реактора В.И. Волосов 14.12.2010

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 было показано на невозможность
реализации реакции P11B в рамках стационарного термоядерного синтеза.
Условие Te << Ti необходимо для ее реализации.
Nevins W.M., Swain R., Nucl. Fusion, 2000, v.40, p.865
Nevins W.M., J. of Fusion Energy, 1998, v.17, p.25
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
r2=51 см, r1=32 см, L=160 см,
U ~ 0.45 - 0.5 МВ, Q=100 кДж,
Hc=9.0-10.3 КГс, R=2.4,
P=10-7 Торр,
S разряд – решетка из Ti колец
Параметры эксперимента
Us = 270, 300, 330 и 360 кВ
JN = 40 -70 A
Wi = 15 - 20 keV, Wmax = 30 - 40 keV
Te = 1-2 keV
n ~ 10 13 cm-3
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, r0=4m; rmi=2m; rma=1.8m; r0=0.6m; L0=5(10)m; Lmi=5(10)m;
Lma=100(250)m
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Расчетные параметры АЦЛ
1. Плотность протонов 1013 см-3
2. Энергия «быстрых» протонов 650 - 675 КэВ (дельтаспектр)
3. Температура электронов 150 – 200 КэВ
4. Время жизни «быстрого» протона ~ 0.7 сек.
Волосов В.И. Nucl. Fusion 46 (2006), pp.820-828
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Особенности АЦЛ.
1. Это ускоритель-замедлитель протонов Wp=675 кэВ. Дельта-спектр!
2. Электронная компонента с Te ~ 100-200 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
расположенной в щели между электродами.
электронного
торможения,
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Схема рекуперации энергии протонов и альфа-частиц
Опубликовано:
Trans. Fusion Scien.&Technology, January, 2005, pp.351-353
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Схема рекуперации энергии электронов
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
Баланс энергии в АЦЛ
На один протон требуется 74 сек для прохождения реакции p11B. Один
протон «живет» в ловушке 0.6-07 сек и «уходит» на электроды с
потерей 0.065 МэВ.
Суммарно 55 кэВ это электронные потери без рекуперации, а
приблизительно 10 кэВ – потери протона на электродах, т.о.
суммарные потери протона 0.065 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
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.1165-1167.
1. Проблема  - золы.
2. Проблема широкого энергетического спектра  - частиц.
Reaction p11B through two intermediate
compound nuclei of 12C and 8Be.
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Энергетические спектры  - частиц (предварительная оценка)
Реакция идущая через основное
состояние 8Be
Реакция идущая через
возбужденное состояние 8Be
W=8.7 МэВ
Вероятность ~ 1%
Вероятность ~ 99%
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Проблема  - золы
Расчет радиального дрейфа холодных  - частиц
Азимутальная дрейфовая скорость:
V  VE (1   LE / R )
E
, R - радиальный размер вращающейся плазмы
H
mV E c

- ларморовский радиус иона со скоростью VE
ZeH
VE  c
 LE
Для тяжелых ионов:
 - частицы:  LE 
4m p VE c
2eH
иона бора: LEB 
11m p VE c
5eH
Соответственно, разностная азимутальная дрейфовая скорость:
V  VE ( LEB / R   LE / R )   LE
 2 Lp 
VE
  L 

 0.2VE 
  0.2VE 
R
 R 
 R 
Откуда, радиальная дрейфовая скорость для  - частиц (по r или E):
Vdrr 
V
 s  c
s - время обмена импульсом между ионами бора и альфа частицами,
c - циклотронная частота для рассматриваемой группы частиц (здесь альфа частицы).
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Проблема  - золы
Для параметров АЦЛ:
V = 2.7.10-3 VE
При Te = 150 КэВ
s = 2.87.10-1 сек – время обмена импульсом  - частицы и иона бора
Vdr(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.
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Рекуперация энергии  - частиц уходящих вдоль магнитного поля
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
1
2
W||  W , W  W
3
3
2.1. Полный оборот  - частицы в магнитном поле рекуператора на одной секции
рекуператора
|| 
L||
V||

2
c
V|| - продольная скорость;
L|| - продольный размер секции рекуператора;
с – циклотронная частота
Откуда, полная длина рекуператора от 100 до 250 м (500-1000 секций).
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Рекуперация энергии  - частиц уходящих вдоль магнитного поля
2.2. Выбор рабочей точки по поперечной энергии для рекуперации  - частиц
 1 W 

Wlos  WEm  
2
W
Em 

2
W - уширение спектра  - частиц
Если
W ~ 0.5WEm
то потери
~ WEm.6/100 ~ 6%
в итоге, в предположении:
1
2
W||  W , W  W
3
3
получаем:
Wrec
 80%
W
W max
m   VE2
 2.8МэВ 
2
В.И. Волосов, Проблемы АЦЛ реактора
Спасибо за внимание !