173155. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés nukleáris fúziós energia szabályozott felszabadítására
173155 12 összes energiájuk közvetlenül villamos energia formájában kinyerhető. Továbbá viszonylag nagy kinetikus energiájú injektált deuteronok esetén a fúzió termékei erősen a sebes ütközés irányában sűrűsödnek. Mivel az ütközések 5 iránya a központi zónában a középsíkban (vagy ahhoz közel) fekszik, és a fúziós reakciók legtöbbje a központi zónában történik, a töltéssel bíró fúziótermékek 90%-a a középsíkhoz számított körülbelül ±22,5° középponti térszögön belül hagyja el a központi 10 zónát anélkül, hogy metszené a mágneses teret előállító tekercseket. A találmány fúziós eljárása ennélfogva nem „termonukleáris”, mivel semmiféle kísérlet nem történik az ionizált deutérium gáznak termonukleáris kineti- 15 kus hőmérsékletre, azaz 1-10 keV-re való hevítésére. A találmány szerinti eljárás körülbelül ezerszer nagyobb energiára gyorsított ionokkal indul, amelyek nyaláb formában kerülnek felhasználásra; és egymásnak ütköztetjük őket speciális módszer segítségével. 20 Nem engedhető meg, hogy egy migmacellában az energiaeloszlás Maxwell-eloszlást mutasson. A mágneses tér, ami fenntartja a migmát, sokkal inkább vezető tér, mint eg „bezáró” tér, mivel annak itt csupán azonos töltésű és nagyon korlátozott momentumú és 25 helyzetű részecskéket kell tartalmaznia. Ezzel szemben a plazmaeszközök mágneses terének olyan részecskéket kell tartalmaznia, amelyek mindkét töltésneműek, és igen széles momentum és helyzeteloszlást mutatnak. 30 Végül, mivel a migmacellából az elektronok eltávolítása az eljárásnak lényeges részét képezi, olyan elektroneltávolító villamos tér segítségével, amit a 7a, 7b, 8a és 8b lemezekkel állítunk elő (le ábra) és így az elektron/ion arányt 10—2 vagy annál is kisebb 35 értéken tartjuk, az elektron-ion termikus egyensúly, ami a plazmának lényeges jellemzője, itt nem bír jelentőséggel. Az elektronok hiányának következménye, hogy a szinkrotronsugárzás és fékezési sugárzás következtében előálló veszteségek a migmában nem 40 fordulnak elő. Az ionok teljes maximális N számát, ami valamely migmacellában tárolható, a „tértöltés korlát” határozza meg. Ezt a korlátot akkor érjük el, amikor a migmának egy ionra gyakorolt taszítása egyenlővé 45 válik a fókuszálás visszatérítő erejével. A tértöltés korlát által meghatározott ionszám az előnyös kiviteli alak Bo=200 kilogauss mágneses terénél és 2,2 MeV-es deuteronokat alkalmazva: N=4*1012 ion. 50 Az N értéke arányos az injektálási energiának a 3/2-ik hatványával. Az I fúziós reakciósebesség valamely keverékcellának N2-al arányos, és közelítőleg az hl • 102 5 <5 v) fúzió másodpercenként (4) 55 egyenlettel adható meg, ami 2,2 MeV-es deuteronok esetén a 8. ábra diagramjából 1=2* 1010 fúziót ad másodpercenként. (5) Ez hasznosítható töltésenergia-teljesítményt szolgáltat stabilizált állapotban, amelyben a veszteségeket 60 folyamatosan pótoljuk új injektálás segítségével. A hasznos teljesítmény 3 mW migmacellánként. (6) A migmacellás teljesítményforrás kritikus feltételeit abból a követelményből kapjuk, hogy a villamosteljesítmény-kimenetnek legalább egyenlőnek kell lennie 65 11 a teljesítménybemenettel, amely bemenetet a veszteségek terhelik. A migmacella három fő veszteségi mehenizmusa az alábbi: (a) kerületi többszörös szóródás, (b) függőleges többszörös szóródás, (c) töltésátadás a gázban (9. ábra). Ha T, a deuteron injektálási energiája a töltésenergiából származó kimenő teljesítménynek, ami 71%-a a W teljes reakciótelj eseménynek a teljes bemenőteljesítményhez való viszonya: Ahhoz, hogy kritikus energiaforráshoz jussunk, a három veszteségi teljesítmény fúziós teljesítményhez viszonyított arányának összege kisebb kell legyen, mint a (7) egyenlet szerinti érték. A 9. ábrára utalva ez azt jelenti, hogy az a, b és c görbék összege a „kritikus vonal”, azaz a d görbe alatt kell legyen, amely utóbbit a (7) egyenlet szolgáltatja. Látható, hogy ezt a feltételt könnyű kielégíteni, ha a deuteron injektálási energiája 0,5 MeV fölött van. A migmacellás energiaforrás hatásfokát úgy határozhatjuk meg, ha tekintetbe vesszük, hogy a bruttó P+ kimenő teljesítmény és a P_ bemenő teljesítmény a kvázistabil állapotban az alábbiak szerint írható fel: P+ — IFC (W + 2Ti ) P_ = I (2 + X) T, ahol I=a fúziós reakciósebesség, Fc=a"W átlagos reakcióenergia töltésenergia hányada, Ti az injektálási energia és X= a szivárgási veszteségek tényezője, amelyek a 2T ! reakció veszteségekhez adódnak hozzá. A (9) egyenlet azt jelenti, hogy a deuteronok a veszteségi hányaduknak megfelelően pótlódnak, a 2 tényező abból a tényből származik, hogy minden egyes fúzió két deuteront távolít el a migmából. A migma energiaforrás G hatásfokát az alábbiak szerint definiáljuk: Fc (W +2T,) (2 + X) T, Mivel a d-d reakcióban Fc=0,71 és W=3,655 MeV, a maximális G hatásfok (X=0), ha az injektálási energia 0,5, 1 és 2,2 MeV, rendre 230%, 100%, és 29%. Ha a szivárgási veszteség 20% (X=0,2), akkor a G hatásfok 200%, 82% és 18%, Tí =0,5, 1 és 2,2 MeV esetén. Másrészről az abszolút teljesítmény produkció T?-tel arányos. Definiáljuk az E energianyerési tényezőt az alábbi szorzattal: E=G*T2 (11) Számításba véve, hogy a X szivárgási veszteségek szintén csökkennek az energia növelésével, kimutatható, hogy az optimálsi E energianyerési tényezőt a legmagasabb lehetséges Ti injektálási energia esetén kapjuk. Amint azt alább kimutatjuk, ez az érték 2,2 MeV egy szaporító reaktor esetén. Következőkben az injektálási módszert és az ionnyalábnak a migmán belüli tartását ismertetjük részletesebben, amely utóbbit „ön-megfogásnak” nevezünk. Az ön-megfogás az ön-ütköző pályák nagy középpontbeli sűrűséget használja fel a nyaláb benntartására. Az ön-megfogásnak két típusa ismert: (1) az atomi 6
