173155. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés nukleáris fúziós energia szabályozott felszabadítására
5 173155 san elhelyezett, a mágneses térből elektronokat eltávolító villamos teret létrehozó két pár fémlemeze van. A találmány szerinti berendezésnek villamos energia előállítására a mágneses téren kívül elhelyezett, a mágneses térből a fúziós reakció folytán emittált töltött részecskéket fékező villamos potenciálokra csatlakoztatott vezető felületei vannak. A vezető felületek célszerűen hengerszimmetrikusak, átmérőjük egymástól eltérő és a mágneses tér középtengelyével koaxiálisán vannak elhelyezve. Előnyösen a hengerszimmetrikus vezető felületek növekvő átmérővel növekvő nagyságú pozitív villamos potenciálra vannak csatlakoztatva. A találmány szerinti berendezés egy különösen előnyös kivitelénél a berendezésnek több mágneses teret létrehozó szervei vannak, és eme szervek háromdimenziós mátrixban vannak elhelyezve, amely mátrixban az azonos oszlopban levő szervek által létrehozott mágneses terek középtengelyei és az azonos sorban levő szervek által létrehozott mágneses terek középsíkjai egybeesnek egymással. Célszerűen a mátrix azonos oszlopában levő mágneses tereket létrehozó szervek a közös középtengelyre szimmetrikusan elhelyezett M + 1 darab, legalább két tekercsből álló tekercsegységet tartalmaznak, ahol M az egy oszlopban létrehozott mágneses terek száma. Eme kivételnél előnyös, ha a mátrix szomszédos oszlopaiban levő mágneses tereket létrehozó szervek között a mágneses terekből emittált töltött részecskéket fékező villamos potenciálokra csatlakoztatott vezető — előnyösen sík — felületeik vannak elhelyezve. Az ionokkal való ellátásra a berendezésnek célszerűen az azonos töltésű ionokat mindenkor csak a mátrix oszlopok legszélső mágneses tereibe belövő legalább egy ionágyúja van. Ez a kiviteli alak előnyösen olyan, hogy a mátrix oszlopokba egymás után, ciklikusan azonos töltésű ionokat belövő egyetlen ionágyúja van. A találmány egyik jelentős előnye az, hogy olyan fúziós energiaforrást nyújt, amely egyszerű kialakítású, kb. 25 mm sugárátmérőjű elemeket tartalmaz, így kiemelkedően alkalmas tömeggyártásra. A következő leírásban a precesszáló, ön-ütköző pályájú, pozitív töltésű ionok szervezett keverékére — a görög migma (keverék) szó után - a „migma” elnevezést használjuk. A találmány szerinti elemi fúziós energiaforrást migmacellának nevezzük. Egy migma fúziós reaktor nagyszámú migmacellát tartalmaz. A találmányt a továbbiakban a rajzokon szemléltetett kiviteli alakok alapján fogjuk ismertetni. A rajzokon a hasonló elemeket hasonló referenciaszámokkal jelöljük. Az la és lb ábrák a találmány szerinti Bz mágneses tér nagyságának grafikus diagramjai a középtengelytől számított r sugár, illetve a középsíktól mért függőleges z távolság függvényében, a 3a és 3b ábrákon látható ion pályák esetén. Ezt a mágneses teret az alábbi közelítő egyenlettel írhatjuk le: Bz=Bo[l-k(r/R)2+2k(z/R)2], ahol k állandó a „tér index”, értéke kisebb 1 -nél, B0 a térerősség a középpontban. Ilyen tér előállítható például két vagy több tekercspár kombinált alkalmazásával. Az le ábra a legegyszerűbb tekercselrendezésre példa, amivel az la, illetve lb ábrák szerinti tér előállítható (a korrekciós tekercseket nem mutatja az ábra). Az ábrán látható méretek 200 kilogauss térerő előállítására szolgálnak. A 2a és 2b ábrák egy ion helyzetét mutatják a sugarú precesszáló pályán, az la és lb ábrák szerinti mágneses térben, ha R=2a. A 2c ábra egy második ion injektálását mutatja a precessziós periódus felénél, 1/2 rp-kor. A 2d ábra a pályák további precesszióját mutatja a szemtől-szembe ütközéskor, ami középen történik, többszörös, körülbelül másodpercenként 10® kérész - tezési tényezővel. Az egyszerű bemutatás érdekében a pályákat köröknek ábrázoltuk (a pályák valódi alakja a 3a ábrán látható). A 3a és 3b ábrákat számítógép rajzolta, a pályák megfelelnek a vízszintes és függőleges síkban a deuteron pályáknak a találmány szerinti mágneses térben, ahol a tér index k=0,2. A 3b ábrán a deuteron a középpontban 10°-os szóródást szenvedett; annak a centrumba történő automatikus visszatérését a térfókuszáló tulajdonsága biztosítja. A 3c ábra a 3b ábra deuteronjának az idő függvényében történő függőleges oszcillációját mutatja. A diagramokon a Ids pontok egyenlő távolságokat jeleznek, amelyek egyenlő időközöket mutatnak a különböző vetíüeteken. Megjegyezzük, hogy a nagy r értékek nagy z értékeknek felelnek meg. A 4. ábra az ionsűrűségnek (folytonos vonal) és az áramsűrűségnek (szaggatott vonal) a migmacella középpontjától mért sugárirányú távolsága függvényében ábrázolt diagramja. Az 5. ábra a deuteron-deuteron ütközések metszésszögeinek eloszlására ad példát olyan migma pályaelrendezésben, amelyeket a 3a ábra mutat. A 6. ábra az ionok energiaeloszlását mutatja egy laboratóriumi migmában, amikor 2,2 MeV kinetikus energiájú és 4% energiaszóródású deuteronokat injektálunk. A 7. ábrán a kinetikus energia eloszlását láthatjuk egyetlen részecske esetére (,.hatékony ütközési energia”) a migmában (vékony vonal) és plazmában (vastag vonal) az injektálási energia egységében ábrázolva. A 8. ábra a deuteron-deuteron reakció paraméter <ov> (a fúziós hatáskeresztmetszet és a relatív sebesség szorzata) a migma sebességeloszlására átlagolva az injektálási energia függvényében a találmány szerinti migmacella egy előnyös kiviteli alakjának működési pontjával, valamint az ismert termonukleáris reakció működési pontjával. A 9. ábra a veszteség-sebességnek a fúziós reakciósebességéhez viszonyított arányát mutatja deuteron-deuteron (d-d) migmában az injektálási energia függvényében különböző veszteségi mechanizmusok esetén: (a) kerületi többszörös szóródás, (b) függőleges többszörös szóródás, (c) töltésapadás. A (d) görbe a d-d fúzióbeli, töltött részecskékből származó felszabaduló 0,7 W energia viszonya a 2T injektálási energiához míniusz 0,3 (ez utóbbi tényező abból származik, hogy az injektált energia egy részét a töltetlen neutron hordozza). Ahhoz, hogy hasznosan energiát állíthassunk elő (a), (b) és (c) összegének (d) alatt kell lennie. A (c) görbe kiszámításakor 10—11 torr vákuumot tételeztünk fel. A 10a, 10b ábrák felül- és oldalnézeti képét mutatják egy találmány szerinti migmacella rendszernek, 6 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
