Физика

Development of energy converters in discrete ion-plasmodynamic installations with electronic control

[Развитие преобразователей энергии в дискретных ионно-плазмодинамических установках с электронным управлением]

A. S. Chipura^a, M. V. Dolgopolov^a, D. E. Ovchinnikov^a, A. V. Radenko^b, V. V. Radenko<sup>b

a</sup> Samara State Technical University, Samara, Russian Federation
^b Scientific and Production Company "New Energy" LLC, Samara, Russian Federation

Аннотация: Разработаны методы создания электронно-управляемых потоков ионов и плазмы в магнитных полях для нейтронного генератора, плазменного электрогенератора и генератора на основе клистрона. Методика и технология создания и формирования электронно-управляемых потоков ионов и плазмы в магнитных полях были разработаны для реализации управляемого термоядерного синтеза посредством адаптивной дискретной модуляции потоков. Работа блоков установок основана на принципах уплотнения плазмы с магнито-оптической синхронизацией в реальном времени, критически важной для минимизации потерь на циклотронное излучение. В работе представлена комплексная методология экспериментальной валидации, включающая детектирование высокоэнергетических фотонов ($6$–$17$ МэВ) и экранирование альфа-частиц титановой фольгой толщиной $50$ мкм, необходимые для испытаний промышленных плазменных генераторов. Рассмотрены теоретические и прикладные аспекты моделирования магнитодинамических потоков плазмы, а также новая конструкция плазменного нейтронного генератора с динамической плазменной мишенью. Предложенный электронно-управляемый генератор-преобразователь энергии плазмы демонстрирует тепловую мощность $8$–$25$ кВт и электрическую мощность $4$–$12$ кВт, превышая эффективность преобразования энергии ($>50 \%$) традиционных D-T систем. Предлагается нейтронный генератор с плазменной мишенью, обеспечивающий импульсный поток до $10^{10}$ с$^{-1}$, что демонстрирует преимущества по сравнению с традиционными D-T системами. Использование компактных нейтронных и электрогенераторов позволяет преодолеть ограничения традиционных ядерных реакторов деления, обеспечивая модульность и быструю масштабируемость. Недавние разработки включают импульсные D-T генераторы и гибридные лазерно-плазменные системы, однако эффективность преобразования энергии в них остаётся низкой ($<30\%$). Плазменный электрический генератор реализован на основе испарения гидрида лития и квадрупольной магнитной дискретизации (Патент RU 2757666). Технология решает проблему масштабируемости традиционных реакторов деления, предлагая модульность и быстрое развертывание, с перспективой применения в производстве изотопов и в компактных нейтронных источниках.

Ключевые слова: квадрупольные магнитные системы, электростатическое ускорение, магнитная линза, плазменная мишень, термоядерный синтез, плазменные токи, синхронизация, генератор синтеза, нейтронный генератор, клистрон, гамма-спектроскопия.

УДК: 533.9.07, 533.95, 533.933

Поступила в редакцию: 16.12.2024
Принята в печать: 07.04.2025

Язык публикации: английский

DOI: 10.18287/2541-7525-2025-31-1-99-117