Научная статья на тему 'ВТСП-НАПРАВЛЯЮЩАЯ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТРАНСПОРТА КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО НОСИТЕЛЯ'

ВТСП-НАПРАВЛЯЮЩАЯ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТРАНСПОРТА КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО НОСИТЕЛЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
12
3
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (ИТС) / КРИОГЕННАЯ ТОПЛИВНАЯ МИШЕНЬ (КТМ) / ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ (ВТСП) / МАГНИТНЫЙ НОСИТЕЛЬ / БЕСКОНТАКТНАЯ ДОСТАВКА КТМ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Александрова И.В., Корешева Е.Р., Кошелев Е.Л., Тимашева Т.П.

Создание системы бесконтактного позиционирования и транспорта криогенных топливных мишеней (КТМ) представляет собой важную задачу в программе ИТС. В данной работе исследуется возможность построения левитационной системы ускорения магнитного носителя КТМ вдоль сверхпроводящей ленточной направляющей, выполненной из ВТСП материалов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Александрова И.В., Корешева Е.Р., Кошелев Е.Л., Тимашева Т.П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «ВТСП-НАПРАВЛЯЮЩАЯ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТРАНСПОРТА КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО НОСИТЕЛЯ»

УДК 621.039.633

ВТСП-НАПРАВЛЯЮЩАЯ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТРАНСПОРТА КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО НОСИТЕЛЯ

И. В. Александрова, Е. Р. Корешева, Е.Л. Кошелев, Т.П. Тимашева

Создание системы бесконтактного позиционирования и транспорта криогенных топливных мишеней (КТМ) представляет собой важную задачу в программе ИТС. В данной работе исследуется возможность построения левитационной системы ускорения магнитного носителя КТМ вдоль сверхпроводящей ленточной направляющей, выполненной из ВТСП материалов.

Ключевые слова: инерциальный термоядерный синтез (ИТС), криогенная топливная мишень (КТМ), высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), магнитный носитель, бесконтактная доставка КТМ.

Введение. Бесконтактная доставка КТМ в зону лазерного облучения позволит перейти к реакторным технологиям подачи топлива, повысить симметрию облучения КТМ и эффективность сжатия топлива по схеме ИТС (КТМ - это полая полимерная оболочка со сферическим слоем из твердоводородного топлива, вымороженного на ее внутренней поверхности). Температура КТМ в момент облучения лазером должна составлять T = 18.3 К [1]. Ранее, в работе [2], мы обосновали возможность бесконтактной доставки КТМ с помощью ВТСП-носителя в гибридном электромагнитном ускорителе с магнитным рельсом. В настоящей работе представлены результаты исследований по созданию системы, основанной на ускорении магнитного носителя КТМ вдоль сверхпроводящей ленточной ВТСП-направляющей. Реализация этих подходов позволит отказаться от традиционных технологий, работающих с КТМ, укрепленной в центре экспериментальной камеры лазерной установки ИТС на специальном подвесе. Наличие материального подвеса приводит к снижению эффективности сжатия топлива из-за асимметрии облучения, а также исключает проведение экспериментов по сжатию КТМ в частотном режиме.

ФИАН, 119991 Россия, Ыосква, Ленинский пр-т, 53; e-mail: koreshevaer@lebedev.ru.

Особенности подхода. В работе [3] представлены результаты по созданию и тестированию сверхпроводящего ускорителя магнитного снаряда. Ствол ускорителя выполнен из ВТСП материала (сверхпроводящей керамики УБа2Сиз07-х, или сокращенно У123, Тс = 93 К), который смонтирован на медной подложке, охлаждаемой жидким азотом (77 К). До момента начала движения, намагниченный снаряд подвешивается строго в центре цилиндрического сверхпроводящего ствола. В процессе движения контакт снаряда со стенками ствола отсутствует. Для успешного ускорения снаряда применяется система соленоидов с импульсной подачей энергии. Согласно работе [3], вследствие бесконтактного движения, эффективность конверсии магнитной энергии в кинетическую достигает 90% и более. В [3] также приведены результаты экспериментов и расчетов, которые показали, что при реализации этого подхода магнитные снаряды могут быть эффективно ускорены вплоть до скоростей порядка 105 м/с.

04.1 мм

02.1 мм , 1

Рис. 1: Носитель КТМ.

Возможно ли данный подход применить при создании системы доставки КТМ? С точки зрения скоростей - безусловно возможно, поскольку необходимые скорости ин-жекции КТМ в камеру реактора составляют от 200 до 400 м/с. Однако в приложении к задачам ИТС основная проблема здесь заключается в реализации требований на точность (±20 мкм) и частоту (~10 Гц) доставки КТМ в зону облучения. В этом отношении процедура установки магнитного снаряда строго в центре цилиндрического сверхпроводящего ствола [3] при размере КТМ от 2 до 4 мм для обеспечения точности доставки ±20 мкм и требуемой частоте представляется технологически трудно реализуемой. Поэтому в наших исследованиях, при построении бесконтактного ускори-

теля КТМ, предлагается отказаться от привычной осевой симметрии (цилиндрический сверхпроводящий ствол в работе [3]) и перейти к асимметричному варианту устройства. В таком ускорителе планируется использовать ВТСП-ленту в качестве направляющего рельса для магнитного носителя. Схема размещения КТМ (0 = 2 мм) внутри носителя показана на рис. 1.

Цель проводимых исследований - генерировать различные режимы движения носителя для тестирования условий, которые могут быть использованы при развитии различных систем позиционирования, транспорта и коррекции траектории КТМ на основе эффекта квантовой левитации под действием управляющих сигналов различной природы.

Рис. 2: Левитация магнита над ВТСП подложкой: (а) схема ячейки, расположенной в оптической камере криостата: 1 - область размещения магнита, 2 - область размещения ВТСП подложки, 3 - элементы, выполненные из меди, 4 - стопорный винт; (б) магнит (поз. 1) при 300 К - левитация отсутствует; (в) левитация магнита (поз. 1) при Т < 85 К.

Так как температура КТМ в момент облучения лазером должна составлять Т = 18.3 К, необходимо убедиться в эффективности левитации магнитного носителя над ВТСП при этих температурах. В экспериментах (рис. 2) использовался проточный оптический гелиевый криостат типа СБ, модель 1 (производство ООО КриоТрэйд), в оптической камере которого размещалась специализированная ячейка с ВТСП подложкой из сверхпроводящей керамики У123 (изготовлено в Лаборатории Сверхпроводимости ФИАН [4]) и магнит из Бш (размеры 4.4x1.7x1.7 мм3, В = 0.001 Гс; поставщик ООО Мидора). Эксперименты показали следующее. При охлаждении ВТСП подложки до Т = 85 К магнит переходит в состояние левитации над подложкой, которая наблюдается при дальнейшем охлаждении от Т = 85 К до Т = 5.5 К. Высота подъема составляет 2.0-2.5 мм.

Полученные результаты подтвердили эффективность взаимодействия пары "ВТСП - Магнит" во всём исследуемом диапазоне температур, что дает возможность провести исследования по движению магнита относительно ВТСП-направляющей вблизи температуры кипения жидкого азота (77-80 К). Это значительно дешевле, чем работа при Т < 18.3 К, которая требует использования жидкого гелия. Кроме того, ограниченные размеры оптической камеры криостата (окно наблюдения 025 мм) не позволяют исследовать направленное движение магнитного носителя в требуемом масштабе (20-50 см).

Макетирование при Т = 77-80 К. В качестве макета магнитного носителя использовался магнитный шарик, изготовленный на основе неодимового магнита без покрытия (поставщик ООО Мидора). Параметры шарика: диаметр 3 мм, намагниченность 3046 Гс. ВТСП-направляющая представляет собой открытый параллелепипед, составленный из 3-х ВТСП-лент. В качестве ВТСП использовались ленты типа СуперОкс Л-Р1-12-20Ag-20Cu (производство ЗАО СуперОкс). Длина каждой ленты 55 мм, ширина 12 мм, толщина 65 мкм. Температура сверхпроводящего перехода Тс ~ 92 К. Эксперименты проводились при Т = 80 К < Тс. Реализовано два способа левитационного движения магнитного носителя: 1) за счет магнитного поля движущегося постоянного магнита, и 2) под действием сил гравитации при различных углах наклона ВТСП-направляющей.

Рис. 3: Движение магнитного шарика под действием поля постоянного магнита, движущегося вдоль ВТСП-направляющей, выполненной в виде открытого параллелепипеда.

Движение магнитного шарика под действием поля постоянного магнита, бегущего вдоль ВТСП-направляющей, дано на рис. 3, при этом схема управления таким движением показана на рис. 3(а), стоп-кадры видеозаписи эксперимента представлены на рис. 3(б), последний кадр (рис. 3(в)) дан с увеличением для более наглядной иллюстра-

ции движения в состоянии левитации. Такой подход позволяет одновременно обеспечить бесконтактный (без трения) транспорт носителя с КТМ, а также гарантирует контроль траектории КТМ в процессе ускорения. Фактически, в этом случае движение носителя будет являться репликой движения ведущего объекта (см. рис. 3(а)).

Рис. 4: Гравитационное движение магнитного шарика над ВТСП-направляющей (а = 10°): (а) стоп-кадры ускорения, (б) левитирующий шарик в движении (дано с увеличением), (в) схема эксперимента.

На рис. 4 показано движение магнитного носителя под действием сил гравитации, вариация которых осуществлялась за счет изменения угла наклона ВТСП-направляющей (10°^45°). При а = 10° расстояние в 34 мм шарик прошел за 0.33 с со средней скоростью V = 10.3 см/с, что позволяет реализовать инжекционную подачу КТМ в камеру взаимодействия с мощным лазером при температуре стенок камеры 300 К.

Сделаем важное замечание относительно выбора геометрии ВТСП-направляющей (рис. 5). Эксперименты показали, что решить поставленную задачу можно для случая открытого параллелепипеда. А вот направляющая в виде треугольного жёлоба не позволяет реализовать свободное движение магнитного носителя (рис. 5(в)).

Рис. 5: Геометрия ВТСП-направляющей: ((а), (б)) открытый параллелепипед, ((в), (г)) треугольный жёлоб.

Различие в движении магнитного шарика над ВТСП-направляющей в форме открытого параллелепипеда (свободное движение, рис. 5(а)) и в форме треугольного жёлоба (жёсткая пространственная фиксация, рис. 5(в)), возможно, является следствием асимметрии в распределении линий магнитного поля за счет геометрии самой ВТСП-направляющей (см. рис. 5(б) и 5(г)). Если магнитное поле имеет определенную симметрию, то согласно [5] свободное движение элементов системы "ВТСП - Магнит" относительно друг друга возможно лишь по линиям симметрии поля.

Рис. 6: Левитация постоянных магнитов различной формы над линейной ВТСП-направляющей в виде треугольного жёлоба: 1 - кубик (5x5x5 мм3, поле - 0.12 Тл), 2 - шар (ОБ = 3 мм, поле - 0.0005 Тл), 3 - диск (ОБ = 15 мм, 1Б = 6 мм, К =3 мм, поле - 0.15 Тл), 4 - крепление ВТСП-лент под углом 90°.

Результаты более детального исследования данного вопроса (см. рис. 6 и 7) с магнитными носителями различной формы (кубик, шар, диск) подтвердили факты, полученные ранее для магнитного шарика - нам не удалось реализовать свободное движение ни кубика, ни диска. Это означает, что использование ВТСП-направляющей в виде треугольного жёлоба, по крайней мере, на данном этапе исследований, не представляется возможным для решения задачи построения системы бесконтактного транспорта КТМ на основе эффекта квантовой левитации магнитного носителя в широком диапазоне изменения его формы.

Рис. 7: Колебания магнитного шарика (1) около положения равновесия при воздействии механического толкателя (2): (а) до начала эксперимента, (б) после воздействия толкателя, (в) колебания шарика.

Это подтверждается еще и тем фактом, что попытки внешнего механического воздействия (например, толкателем на магнитный шарик) не стимулируют его движение вдоль линейной направляющей, а вызывают колебания в ограниченной области пространства вблизи точки равновесия. Более сильное механическое воздействие приводит лишь к сдвигу области колебания (рис. 7). Исследования в этом направлении будут продолжены с целью изучения вопроса о жёсткой трехмерной фиксации КТМ в заданной точке пространства, что может быть использовано при создании устройства сборки КТМ, известных как мишени "хольраум" [1].

зЗаключение. Полученные результаты наглядно демонстрируют возможность использования ВТСП-направляющей в виде открытого параллелепипеда для реализации бесконтактного транспорта КТМ с помощью магнитного носителя. Объединяя результаты [2, 4] с результатами данной работы, можно заключить, что доставка носителя КТМ с помощью левитации - это новое перспективное направление в области создания системы непрерывной подачи топлива в зону термоядерного горения с целью обеспечения требуемой симметрии облучения КТМ. Дополнительные преимущества подхода -это бесконтактный транспорт и, следовательно, отсутствие износа и механического трения, что повышает эффективность, снижает затраты на обслуживание и, в целом, продлевает срок службы системы доставки КТМ при проведении экспериментов по ИТС в частотном режиме.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке МАГАТЭ в рамках контракта № 24154, а также в рамках ГЗ ФИАН и по программе Президиума РАН.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Pathways to energy from inertial fusion: an integrated approach. Report of Coordinated Research Project 2006-2010. IAEA TECDOC No.1704, International Atomic Energy Agency, Vienna (2013); https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TE-1704- web.pdf.

[2] И. В. Александрова, А. А. Акунец, П. И. Безотосный и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 42(11), 3 (2015). DOI: 10.3103/S1068335615110019.

[3] X. W. Wang and J. D. Royston, Superconductivity and Applications, eds. H.S. Kwok et al., (Plenum Press, New York, 1990).

[4] I. V. Aleksandrova, O. M. Ivanenko, V. A. Kalabukhov, et al., J. Russian Laser Research 35(2), 151 (2014). DOI: 10.1007/s10946-014-9410-y.

[5] L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Course of Theoretical Physics, Volume 8, Electrodynamics of Continuous Media, Second Edition, Elsevier Ltd., PERGAMON (1984).

Поступила в редакцию 29 марта 2021 г.

После доработки 28 мая 2021 г.

Принята к публикации 31 мая 2021 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.