Поверхностный винтовой термоядерный реактор с ламинарным течением плазмы⁠⁠

«Archimedes-Toroid» (AT-1)

Поверхностный винтовой термоядерный реактор с ламинарным течением плазмы по внешней геликоидальной поверхности Версия 1.0

1.Archimedes-Toroid AT-1

Компактный термоядерный реактор с поверхностным течением плазмы по внешней винтовой поверхности Архимеда (шаг витков 3, 6 или 9)

Диаметр 3 м (прототип)

Мощность термоядерная: 1,1–1,5 МВт

Нетто-электрическая: 400–500 кВт

Прямое преобразование энергии α-частиц: 70–90 кВт 2. )Предлагается принципиально новая схема удержания и нагрева плазмы: тонкий ламинарный слой плазмы движется по внешней поверхности тороидально-замкнутого винта Архимеда. Шаг винта выбирается кратным 3 (3, 6 или 9 витков на один тороидальный оборот) для рациональной симметрии и удобства механической фиксации в трёх точках. Переменная площадь поперечного сечения потока при постоянной толщине слоя создаёт три (или шесть/девять) периодических зоны геометрического сжатия, в которых локально достигаются условия термоядерного синтеза D-T. Заряженные продукты реакции индуцируют импульсное магнитное поле, которое снимается вторичными обмотками напрямую в электричество. Реактор сочетает простоту конструкции, низкую массу (~50 т) и стоимость прототипа 56–85 млн USD.3.

Введение

Классические токамаки и стеллараторы требуют сложных магнитных систем и больших объёмов плазмы. Предлагаемая схема использует геометрию самой поверхности для создания сжатия, ламинарности и локализации реакции. Идея опирается на ранние работы О. А. Лаврентьева и современные исследования поверхностных течений плазмы. Главные отличия от существующих подходов:

плазма течёт только по наружной поверхности тора, а не заполняет объём;

удержание и сжатие — преимущественно геометрическое + центробежное;

фиксация конструкции — строго в трёх точках.

4. Описание концепции

Основной элемент — тороидальная оболочка диаметром 3 м (R = 1,5 м, a = 0,5 м). На её внешней поверхности сформирован винт Архимеда с шагом 3, 6 или 9 витков на полный оборот (точное количество уточняется 3D-моделированием для оптимального коэффициента сжатия 3–5×).

Плазма (D-T, толщина слоя 8–15 см) движется вдоль этой спиральной «горки» со скоростью 80–250 км/с.

В зонах минимальной ширины «дорожки» происходит геометрическое сжатие → рост плотности и температуры → вспышка синтеза.

После каждой зоны — зона расширения: ввод топлива, откачка гелия, охлаждение стенки.

5. Геометрия реактора

Большой радиус R = 1,5 м

Малый радиус внешней поверхности a = 0,5 м

Длина пути плазмы по винту за один оборот: ≈ 12,6–15 м (в зависимости от шага)

Толщина слоя h = 10 см (постоянная)

Шаг винта: 3 витка (базовый вариант) → 3 зоны сжатия через 120°

Механическая фиксация: три опоры на 0°, 120°, 240° по большому радиусу. Опора — стальная ферма с регулировкой по высоте, жёстко связанная с вакуумной камерой.

Центральная полость тора свободна (диаметр ~2 м) — используется для прокладки коммуникаций и охлаждения.

6. Динамика плазмы и ламинарное течение

Течение организуется по внешней поверхности → центробежная сила F = m v² / (R + a) дополнительно прижимает плазму.

Число Рейнольдса и магнитное Rm остаются в ламинарной области благодаря сильному сдвигу скорости на границах слоя и рациональной геометрии (m/n = 3/k).

Разгон и поддержание: бегущие магнитные волны (1–10 кГц) + небольшой полоидальный ток в плазме.

В стационарном режиме альфа-частицы обеспечивают bootstrap-ускорение.

7. Зоны сжатия и термоядерный синтез

В каждой зоне сжатия площадь сечения уменьшается в 3–5 раз.

Плотность в зоне: 2–4 × 10²⁰ м⁻³

Температура: 12–18 кэВ

Объём трёх зон (для шага 3): 0,09 м³

Термоядерная мощность: 1,14–1,5 МВт (D-T)

Частота вспышек: 300–600 Гц

8. Удержание и системы запуска

Запуск:

Ионизация + начальное закручивание (СВЧ + импульсные катушки).

Разгон бегущими волнами до 120 км/с.

Переход на самоподдержание.

Удержание: геометрия + центробежная сила + слабое электростатическое поле (опционально).

9. Энергосъём и прямое преобразование

Нейтроны → бланкет PbLi (внешняя сторона, толще в зонах сжатия) → тепло → турбина (КПД 35–40 %).

α-частицы → движение в магнитном поле → импульсное B-поле → вторичные обмотки (3 шт., между опорами) → прямая электрика 70–90 кВт (эффективность 30–40 %).

Итоговая нетто-электрическая мощность: 400–500 кВт.