Устройство для прямого преобразования тепловой энергии высокотемпературной плазмы в электрическую энергию

 

Использование: прямое преобразование тепловой энергии высокотемпературной плазмы, вытекающей из термоядерного реактора, в электрическую энергию. Сущность изобретения: устройство содержит экспандер и супрессор, выполненный в форме цилиндров, электромагнитную квадрупольную линзу, генератор переменного тока, два ортогонально расположенных и изолированных друг от друга многосекционных коллектора. Указанные элементы расположены последовательно по ходу пучка, а многосекционные коллекторы размещены вдоль оси симметрии системы. Генератор переменного тока соединен с намагничивающими катушками квадрупольной линзы. Секции коллекторов соединены с электрическими силовыми трансформаторами. 3 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к электроэнергетическим термоядерным реакторам, и может быть использовано для прямого преобразования тепловой энергии высокотемпературной плазмы, вытекающей из термоядерного реактора, в электрическую энергию. Целью изобретения является расширение области применения преобразователя на потоки плазмы с аксиальной симметрией, а также упрощение конструкции путем исключения из электрических цепей секций коллектора системы сложных и дорогостоящих инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный, за счет передачи их функций квадрупольной линзе. На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства для прямого преобразования тепловой энергии высокотемпературной плазмы в электрическую энергию; на фиг. 2 электромагнитная квадрупольная линза с питающим генератором и коллекторами; на фиг. 3 два ортогональных многосекционных коллектора. Устройство содержит экспандер 1, супрессор 2, квадрупольную линзу 3 с питающим генератором 4, два ортогональных многосекционных коллектора 5 и 6 и трансформаторы 7. На рисунке ионный пучок 8 показан пунктиром. Каждая секция коллектора 6 разделяется коллектором 5, однако электрически части одной секции одного коллектора между собой соединены. Секции коллектора 5 подсоединены к трансформаторам 7, передающим переменный ток в линию электропередачи 9, а секции коллектора 6 подсоединены к трансформаторам 7, передающим ток в линию электропередачи 10. Следует отметить, что тормозящие зазоры коллектора имеют цилиндрическую форму, как и в принятом прототипе, однако на чертежах для простоты изображения они показаны плоскими. Устройство работает следующим образом. Выходящий из термоядерного реактора поток высокотемпературной плазмы поступает в экспандер, где происходит преобразование поперечной энергии ионов в продольную и расширение цилиндрического пучка, затем поток проходит через супрессор, где из потока удаляются электроны, и поток ионов поступает в электромагнитную квадрупольную линзу. В квадрупольной линзе происходит преобразование симметрии пучка из цилиндрического в ленточный. Квадрупольная линза обладает большой фокусирующей силой в одной плоскости и дефокусирующей в другой, т.е. цилиндрический пучок, проходя сквозь нее, в одной плоскости сжимается, а в другой растягивается и приобретает ленточную форму. При этом уменьшается поперечное падение потенциала в пучке и за счет этого уменьшаются потери энергии на коллекторе, т.е. повышается КПД преобразования энергии пучка. При изменении полярности линзы с частотой, задаваемой питающим генератором, ленточный пучок будет формироваться последовательно то в одной, то в другой плоскости, которые ортогональны друг другу и проходят через ось системы. Соответственно пучок будет попадать то в один, то в другой коллектор, где энергия продольного движения ионов преобразуется в электрическую. В зависимости от энергии ионы поступают на разные секции многосекционного коллектора, находящиеся под разным напряжением. Для подсоединения к линии электропередачи переменные электрические токи разного напряжения, снимаемые с различных секций коллектора, преобразуются с помощью трансформаторов в единое напряжение линии электропередачи. При этом переменные токи, снимаемые с ортогональных коллекторов, отличаются по фазе на π/2.. Линейный размер преобразователя определяется расстоянием, на котором плотность частиц в потоке плазмы уменьшится от начальной плотности в реакторе до значения, при котором электрическое поле сможет проникать в поток на толщину пучка, и одновременно подавляющая часть энергии поперечного движения ионов преобразуется в продольную энергию в соответствии с законом сохранения адиабатического инварианта. В прототипе это преобразование осуществляется при расширении в экспандере веерообразного ленточного потока плазмы толщиной 1 м с радиуса 4 м до радиуса 76 м, что соответствует уменьшению плотности потока плазмы в 19 раз. В предлагаемом устройстве такое же уменьшение плотности плазмы может быть осуществлено на меньшем расстоянии за счет того, что на выходе из реактора до поступления в квадрупольную линзу расширение пучка осуществляется в коническом экспандере, а следовательно, плотность плазмы падает пропорционально квадрату расстояния. Например, при начальном диаметре пучка 0,5 м конический пучок расширяется до диаметра 1 м на расстоянии 5 м. При этом его плотность падает в 4 раза. Далее пучок поступает в квадрупольную линзу, где преобразуется в веерообразный. При движении в линзе за счет расширения пучка в дефокусирующей плоскости линзы его плотность упадет еще в 5 раз на расстоянии 10 м (расчет такой линзы приведен ниже). Таким образом, уменьшение плотности в 20 раз может быть осуществлено на расстоянии 15 м, а не 76 м, как в преобразователе Поста. Полагая размеры коллекторной системы неизменными (20 м), получим линейный размер преобразователя 35 м, а не 96 м, как у преобразователя Поста, что весьма существенно, так как значительно сокращает затраты энергии и капитальные затраты на поддержание высокого вакуума в преобразователе. Использование свойств квадрупольной линзы позволяет совместить в одном электровакуумном приборе функции преобразователя энергии и функции инвертора. Приведем анализ КПД предлагаемого преобразователя энергии. Траектории движения ионов в квадрупольной линзе описываются уравнениями: в фокусирующей плоскости x r cos·p·z, (1) в дефокусирующей плоскости y rch·p·z, (2) где z расстояние по оси линзы; r радиус пучка на выходе; p возбуждение линзы. (3) где m масса иона, v скорость иона, градиент магнитной индукции линзы. Из выражения (1) следует, что для моноэнергетического пучка условием выхода из линзы нерасходящегося ленточного пучка является p·z = π·n, (4),
где z длина линзы, n 1,2,3. В нашем случае пучок немоноэнергетичный, поэтому условие (4) для всех частиц одновременно выполнить нельзя. Из-за этого ионы в выходящем пучке будут обладать поперечной энергией, рекуперация которой проблематична. Оценим, какая часть энергии пучка будет приходиться на поперечную энергию на выходе линзы. Из выражения (1) следует, что поперечная скорость на выходе линзы определяется выражением
(5)
Доля энергии пучка, связанная с рассматриваемым поперечным движением ионов
(6)
Величина р определяется из необходимых размеров пучка на выходе линзы. Примем, как и выше, что длина линзы 10 м, ширина пучка не выходе 5 м, диаметр пучка на выходе 1 м. Из уравнения (2) следует
ch(z·p) 5. По таблице находим: z·p 2,3. (7)
Подставляем в выражение (6), получим
(8)
Из выражения (8) следует, что при принятых параметрах доля поперечной энергии ленточного пучка на выходе линзы не будет превосходить 1,4% от энергии пучка. Определим энергию, потребляемую квадрупольной линзой. Из выражений (7) и (3) найдем величину b
(9)
Для протонов m 1,67·10^-27 кг, q 1,6·10^-19 к. Средняя скорость протонов v соответствует их средней энергии, которую примем равной 1 МэВ (v 1,4 195>10⁷ м/с). Подставляя численные значения в выражение (9), получим
b 7,4·10^-3 Тл/м. (10)
Число ампервитков на один полюс магнитной квадрупольной линзы (9)
(11)
где μ_o 1,26·10^-6,
a апертура линзы (a 2,5 м). Из выражения (11) с учетом выражения (10) получим
N·I 1,185·10⁴ ампервитков. (12)
Индуктивность линзы L вычислили как суммарную индуктивность 4 соленоидов с железными сердечниками, соединенных параллельно, тогда
(13)
где μ относительная магнитная проницаемость, для железа m 5000;
A площадь сечения соленоида;
l длина соленоида. Примем для оценки A 10^-2 м², l 1 м. Пусть питающей линзу ток I 10³ A, а следовательно, N 20 витков,см (12), тогда из выражения (13) следует

Мощность, потребляемая линзой, составит
(14)
где f частота переключений (50 Гц). Подставляя в выражение (14) значения величин, получим

Ожидаемая электрическая мощность термоядерной электростанции приблизительно 10⁹ Вт, в т.о линза будет потреблять 0,01% этой мощности. Характерное время переходного процесса при переключении полярности линзы составляет величину L/R. Сопротивление R выберем из условия, чтобы время переходного процесса не превышало 1% времени протекания тока одной полярности. При 50 Гц (10^-2 с) необходимо
L/R ≅ 10^-4 с. Отсюда получим условие R ≥ 10⁴ · L 60 Ом. Таким образом, если даже считать, что за время переходного процесса энергия полностью теряется (что не так), то эти потери будут меньше 1% общей энергии электростанции. Для того, чтобы не были недопустимы большие тепловые потери в катушках (RI²), их сопротивление необходимо делать менее 1 Ом, а большое сопротивление 100 Ом включать в цепь только в момент переключения. Создание такого коммутатора принципиальных трудностей не вызывает. Такой коммутатор включается в состав питающего линзу генератора. Таким образом, дополнительные потери энергии, связанные с введением квадрупольной линзы, не будет превышать 1,4% + 1% 2,4% что меньше потерь энергии в инверторах. При этом достигается значительное упрощение, удешевление преобразователя, повышение его надежности и облегчение эксплуатации за счет исключения большого числа элементов преобразователя (десятки и более), которые не обладают достаточной надежностью и дороги. 1

Формула изобретения

Устройство для прямого преобразования тепловой энергии высокотемпературной плазмы в электрическую энергию, содержащее расположенные последовательно вдоль направления пучка электрод-экспандер, электрод-супрессор, многосекционный коллектор и подсоединенные к секциям коллектора силовые электрические трансформаторы, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возможности использования пучка произвольной формы, электрод-экспандер и электрод-супрессор выполнены в форме цилиндров, при этом за электродом-супрессором установлена электромагнитная квадрупольная линза, намагничивающие катушки которой соединены с генератором переменного тока, а за линзой установлены два расположенных вдоль оси симметрии электродов и изолированных друг от друга многосекционных коллектора, которые размещены во взаимно ортогональных плоскостях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3