Устройство для получения потока плазмы

Изобретение относится к плазменной и ядерной технике для заполнения магнитных ловушек термоядерных реакторов топливом или плазмой и предназначено для предварительной ионизации в них газа и зажигания основного разряда, заполнения плазмой различных плазменных установок. Устройство для получения потока плазмы содержит два коаксиальных ускоряющих электрода. Ускоряющие электроды подключены к импульсному емкостному накопителю энергии и отделены друг от друга диэлектрической вставкой. Дополнительный электрод включен в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии. Узел напуска газа выполнен в виде камеры с внутренней газопроницаемой цилиндрической перегородкой. Перегородка противолежит торцам коаксиальных ускоряющих электродов. Камера заполнена гранулами из газосодержащего вещества. Камера снабжена первым бункером, вторым бункером и вибратором для подачи упомянутых гранул. Второй бункер для сбора использованных гранул. Дно камеры снабжено трубкой для удаления использованных гранул во второй бункер. Во втором бункере нижний конец трубки отогнут вбок. Дополнительный электрод установлен внутри первого бункера и имеет на боковой поверхности электроизоляционное покрытие. Изобретение направлено на получение стабильных сгустков потока плазмы в течение продолжительного периода времени. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к плазменной и ядерной технике, а более конкретно к устройствам для заполнения магнитных ловушек термоядерных реакторов топливом или плазмой, для предварительной ионизации в них газа и зажигания основного разряда, а также для заполнения плазмой различных плазменных установок.

Источники плотных плазменных образований представляют значительный интерес в исследованиях управляемого термоядерного синтеза.

В современных плазменных установках и особенно в будущих термоядерных реакторах требуется оперативно обеспечивать оптимальное распределение концентрации топлива в области удержания и нагрева плазмы. Чтобы достичь области потребления и пройти сквозь область плотной и горячей плазмы, инжектируемое топливо должно обладать достаточно большим импульсом направленного движения (nv). С этой целью необходимо обеспечить скорость движения частиц v в пределах 10-800 км/с, их концентрацию n≥10²⁰ м^-3 и полное количество ускоренных частиц 10¹⁸-10²³. Минимальный порог концентрации частиц особенно важен при инжекции топлива в плазменном состоянии в магнитные ловушки с удерживающим полем. Так как транспортировка плазмы с плотностью до 10²⁰ м^-3 в термоядерный реактор недостаточно эффективна из-за сильного отклонения плазменного сгустка удерживающим магнитным полем 5-10 Т, то необходимо использовать более высокую плотность сгустка плазмы. Например, для температуры плазмы в сгустке t=10 эВ и концентрации n=10²¹ м^-3 циклотронная частота и частота столкновений соизмеримы и составляют 7,5·10⁸ и 9,6·10⁸ с^-1 соответственно, то есть сгусток с такой плотностью не будет взаимодействовать с магнитным полем ловушки и может проникать в ее центральную область.

Известен генератор трития (см. авторское свидетельство СССР №1528233, МПК G21B 1/00, опубликовано 07.12.1990), содержащий герметический металлический корпус с коаксиально размещенной цилиндрической камерой с порошком тритида металла, запорный вентиль, установленный вне корпуса, патрубок, проходящий через герметичный корпус и соединяющий внутреннюю полость цилиндрической камеры с входом запорного вентиля, и токовводы. Генератор содержит дополнительные электроды, сепараторы и фильтр. Электроды установлены внутри цилиндрической камеры с торцовых сторон, один из электродов со стороны, противоположной патрубку, подпружинен. Стенки цилиндрической камеры выполнены из изоляционного материала. К торцовой стороне противоположного электрода прикреплен фильтр и сепаратор. Объем между сепаратором и порошком тритида металла заполнен смесью порошка тритида металла с изоляционным порошком и отделен вторым сепаратором.

Известный генератор позволяет повысить эффективность процесса выделения трития, однако продолжительность работы устройства ограничена тем количеством трития, который содержится в помещенном в цилиндрическую камеру порошке тритида металла.

Известно устройство для получения потока плазмы (см. патент РФ 2092982, МПК Н05Н 1/54, опубликован 10.10.1997), содержащее вакуумную камеру, образованную цилиндрической трубкой, силовой разрядный виток, помещенный внутрь магнитной катушки, вспомогательный разрядный виток, энергетические накопители, соединенные с управляемыми разрядниками, систему для напуска рабочего газа и схему питания и управления.

Известное устройство обеспечивает значительные скорости частицам плазмы, однако не позволяет получать плотную плазму.

Известен двухступенчатый ускоритель плазмы с эрозией диэлектрика, включающий три коаксиальных электрода, разделенных изоляционными втулками и попарно подключенных к емкостным накопителям энергии. Внутренний и промежуточный электроды образуют объем, где происходит образование плазмы в результате эрозии диэлектрика, а промежуточный и внешний электроды составляют ускорительную ступень устройства полем (см. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Импульсные плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, с.121, 1983).

Известный двухступенчатый ускоритель позволяет разделить процессы создания плазмы и ее ускорения и тем самым достигать значительных скоростей потока плазмы. Однако известный ускоритель не позволяет получать плазму большой плотности, так как дальнейшее увеличение плотности плазмы приводит к ее загрязнению продуктами материала ускорительных электродов и снижению степени ионизации.

Известен импульсный двухступенчатый ускоритель плазмы (см. А.Я.Балагуров, С.Д.Гришин, А.Г.Ершов, Л.В.Лесков и А.М.Петров. Исследование импульсного двухступенчатого ускорителя плазмы. -Журнал технической физики. - т.XL, 3, с.458-460, 1970), содержащий два коаксиальных ускоряющих электрода, соединенных с импульсным емкостным накопителем энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод, электрически с ускоряющими электродами не соединенный и находящийся поэтому под "плавающим потенциалом", а также узел напуска газа.

Известный ускоритель позволяет осуществлять задержку разряда относительно момента впрыска газа без применения синхронизирующего такую задержку устройства, что обеспечивает достижение наибольшего импульса направленного движения плазмы. Однако использование в узле напуска газа быстродействующего клапана не позволяет получать плотные потоки плазмы.

Известен генератор трития (см. Авторское свидетельство СССР №1528233, МПК G21B 1/00, опубликован 07.12.1990), содержащий цилиндрический герметичный металлический корпус с токовводами и коаксиально размещенной цилиндрической камерой, содержащей первый слой из смеси тритида металла с изоляционным порошком и второй слой из порошка тритида металла, которые разделены сепаратором. Через герметичный корпус пропущен патрубок для поступления трития к потребителю. Генератор снабжен дополнительными электродами для нагрева порошка тритида металла.

Известный генератор трития позволяет повысить эффективность процесса выделения трития за счет периодического восстановления состава первого слоя путем внешнего прогрева второго слоя и выравнивания концентрации трития между слоями. Однако после израсходования трития во втором слое генератор приходится разбирать для замены порошков.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство для получения потока плазмы (см. патент РФ №2187216, МПК Н05Н 1/00, опубликован 10.08.2002), включающее два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных с импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод и узел напуска газа. Узел напуска газа выполнен в виде гранул из газосодержащего вещества, размещенных между газопроницаемой перегородкой и дополнительным электродом, включенным в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии.

Известное устройство для получения потока плазмы основано на том, что создание рабочего вещества, его ионизация и ускорение осуществляют поэтапно при взаимодействии мощных электрических разрядов малой длительности последовательно с твердым телом, газом и плазмой. Скорость плазменного сгустка может достигать при этом 10-100 км/с, а его плотность 10²¹-10²² 1/м³. В устройстве используют гранулы газосодержащего твердого вещества для интенсивного заполнения источника рабочим газом.

Недостатком известного устройства является ограниченная масса гранул в узле напуска газа, вследствие чего непрерывная работа устройства оказывается непродолжительной, а для продолжения работы устройства необходимо его разбирать для замены гранул в узле напуска газа.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такого устройство для получения потока плазмы, которое бы обеспечивало получение стабильных сгустков потока плазмы в течение продолжительного периода времени.

Задача решается тем, что в устройстве для получения потока плазмы, включающем устройство для получения потока плазмы, включающее два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных к импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод, включенный в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии, и узел напуска газа. Узел напуска газа выполнен в виде камеры, с внутренней газопроницаемой цилиндрической перегородкой, противолежащей торцам коаксиальных ускоряющих электродов и заполненной гранулами из газосодержащего вещества. Камера снабжена первым бункером и вибратором для подачи упомянутых гранул, а также вторым бункером для сбора использованных гранул. Дно камеры снабжено вертикальной трубкой для удаления упомянутых гранул во второй бункер, при этом размещенный во втором бункере нижний конец трубки отогнут вбок, а дополнительный электрод установлен внутри первого бункера и имеет на боковой поверхности электроизоляционное покрытие.

Гранулы не должны содержать примеси, существующие в свободном состоянии в виде газа.

Газопроницаемая цилиндрическая перегородка может быть изготовлена из сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул, или из нескольких установленных вплотную со смещенными относительно друг друга ячейками. Перегородка может быть также выполнена в виде слоя из волокнистого материала, из спеченных гранул, из других известных материалов со сквозными порами, имеющими меньшие размеры, чем размеры гранул.

Гранулы могут быть выполнены из конденсированного вещества, химически или физически связанного с газом. Например, гранулы могут быть выполнены из титана, напитанного газом, в частности водородом или дейтерием, из нитрида титана, из нитрида лития, из оксида титана и других известных газосодержащих материалов, в зависимости от назначения плазмы.

Гранулы могут быть выполнены размером 0,1-0,5 мм, при этом вертикальная трубка может иметь внутренний диаметр 3,5-4,5 мм.

Вибратор выполнен в виде электрического вибратора, например в виде электромотора с неуравновешенным ротором.

Вибратор выполнен в виде магнитного вибратора, например в виде соленоида с подвижным сердечником.

Заявляемое устройство для его осуществления иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 схематически изображено устройство-прототип в продольном разрезе;

на фиг.2 показано заявляемое устройство для получения потока плазмы;

на фиг.3 приведен вид узла крепления внутреннего коаксиального электрода в разрезе по А-А;

на фиг.4 показана зависимость количества N молекул водорода от номера n разряда, получаемых в заявляемом устройстве (1) и устройстве-прототипе (2).

Устройство-прототип для получения плазмы, изображенное на фиг.1, содержит гранулы 1 газосодержащего вещества, расположенные между дополнительным коаксиальным электродом 2 и внутренним коаксиальным электродом 3, размещенным внутри внешнего коаксиального ускоряющего электрода 4. Гранулы 1 отделены от электрода 3 газопроницаемой перегородкой 5. Электроды 3 и 4 отделены друг от друга диэлектрической вставкой 6 и подсоединены к импульсному емкостному накопителю энергии 7 через коммутатор 8. Электроды 2, 3 и 4 снаружи изолированы друг от друга диэлектрическими полыми цилиндрическими вставками 9, зафиксированными через фланцы 10 и болты 11. Электроды 2 и 3 присоединены к дополнительному емкостному накопителю энергии 12 через коммутатор 13. Емкостные накопители энергии 7 и 12 заряжаются от внешнего источника питания. Устройство прикрепляют к вакуумной камере посредством фланца 14.

Устройство для получения потока плазмы (см. фиг.2) содержит внутренний коаксиальный электрод 3, размещенный внутри внешнего коаксиального ускоряющего электрода 4. Электроды 3 и 4 отделены друг от друга диэлектрической вставкой 15 и подсоединены к импульсному емкостному накопителю энергии 7 через коммутатор 8. Электрод 3 закреплен в диэлектрической вставке 15 с помощью четырех радиальных металлических ребер 16 и металлической втулки 17 (см. фиг.3). Диэлектрическая вставка 15, в свою очередь, закреплена во фланце 18, соединенном болтами 19 и гайками 20 с фланцем 21, удерживающим внешний коаксиальный ускоряющий электрод 4. Устройство также содержит узел напуска газа, выполненный в виде камеры 22, с внутренней цилиндрической газопроницаемой перегородкой 23, противолежащей торцам коаксиальных ускоряющих электродов 3 и 4 и заполненной гранулами 1 из газосодержащего вещества. Камера 22 закреплена во втулке 17. Цилиндрическая перегородка 23 нижним торцом прикреплена, например сваркой, к дну камеры 22, а верхним торцом сообщается с металлическим патрубком 24 первого бункера 25 для гранул 1. Первый бункер 25 выполнен в виде диэлектрического полого цилиндра 26, снабженного нижним фланцем 27 и верхним фланцем 28. Нижний фланец 27 присоединен болтами 19 с гайками 20 к металлическому фланцу 29, в котором закреплен патрубок 24. Верхний фланец 28 присоединен болтами 19 с гайками 20 к металлическому фланцу 30, в котором закреплен дополнительный электрод 31, боковая поверхность которого покрыта слоем диэлектрика 32. Электрод 31 включен в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии 12 через коммутатор 13. К дну камеры 22 прикреплена металлическая трубка 33 (установленная преимущественно вертикально), пропущенная через металлический фланец 34 во внутреннюю полость второго бункера 35. Нижний конец 36 трубки 33, размещенный во втором бункере 35, отогнут вбок с тем чтобы удерживать использованные гранулы 1 в трубке 33. Фланец 34 присоединен болтами 19 с гайками 20 к фланцу 37 бункера 35. Камера 22 снабжена вибратором 38 для ее встряхивания с целью подачи гранул 1 из бункера 25 и удаления использованных гранул 1 по трубке 33 в бункер 35. Устройство прикрепляют к вакуумной камере (не показана) посредством фланца 39.

Заявляемое устройство действует следующим образом. Включают на несколько секунд вибратор 38. При этом гранулы 1 из бункера 25 через патрубок 24 заполняют внутреннее пространство цилиндрической перегородки 23, затем полость трубки 33, из которой после выключения вибратора 38 не высыпаются благодаря отогнутому концу 36. Емкостной накопитель энергии 12 через коммутатор 13, электрод 31, патрубок 24 и фланец 29 разряжается через гранулы 1. Происходит интенсивное выделение газа из гранул. В течение нескольких микросекунд плотное облако газа проходит через газопроницаемую цилиндричекую перегородку 23 и заполняет пространство между электродами 3, 4, разделенными диэлектрической вставкой 15. Негазообразные примеси, выделяемые при прохождении разряда через гранулы, задерживаются газопроницаемой перегородкой 23. Емкостной накопитель энергии 7 разряжают через коммутатор 8, электроды 3, 4 и газ. Происходит ионизация газа и ускорение плазмы силой Лоренца вдоль оси источника в направлении его конца. Длительность выходящего из устройства сгустка плазмы составляет порядка 50 мкс. Затем все операции повторяют до тех пор, пока не закончатся гранулы в бункере 25.

Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства. В качестве газосодержащих гранул 1 были использованы гранулы титана диаметром 0,1-0,5 мм. Внутренний диаметр трубки 33 составлял 4 мм. Специальные меры были предприняты по минимизации индуктивности источника питания. Параметры плазмы исследовались на стенде. Источник был соединен с вакуумной камерой, которая была откачена до давления 10^-6 мм рт.ст., через фланец 39. Полное количество производимого источником газа определялось из анализа давления в камере после протекания разряда. Концентрацию и скорость движения плазмы измеряли лазерным (He-Ne) интерферометром на длине волны 0,63 мкм. Луч лазера проходил через окно вакуумной камеры перпендикулярно оси источника на расстоянии 1 см от его торца, отражался от зеркала и возвращался обратно в лазер. Интерференционный сигнал детектировался приемником с противоположной стороны лазера. Напряжение на емкостных накопителях 7, 12 достигало 10 кВ.

Результаты исследований, проведенных на опытном образце заявляемого устройства, показали (см. фиг.4), что количество молекул водорода, генерируемых электрическим разрядом, остается практически постоянным независимо от номеров следующих друг за другом разрядов. В то же время количество молекул водорода, генерируемого устройством-прототипом, уменьшается от разряда к разряду.

Можно использовать любые газы в качестве плазмообразующего вещества, так как они могут быть адсорбированы (или связаны химически) с гранулами твердого тела. На примере устройства, использующего гранулы гидрида титана, продемонстрирована возможность получения плазменного кластера с плотностью более 10²² м^-3, полным количеством генерируемых атомов водорода 10¹⁷-10²¹, степенью ионизации до 90% и скоростью движения ≥10 км/с. Получаемая в устройстве плазма может быть использована в качестве топлива в установках управляемого термоядерного синтеза.

1. Устройство для получения потока плазмы, включающее два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных к импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод, включенный в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии, и узел напуска газа, выполненный в виде камеры с внутренней газопроницаемой цилиндрической перегородкой, противолежащей торцам упомянутых коаксиальных ускоряющих электродов и заполненной гранулами из газосодержащего вещества, камера снабжена первым бункером и вибратором для подачи упомянутых гранул, а также вторым бункером для сбора использованных гранул, дно камеры снабжено трубкой для удаления использованных гранул во второй бункер, при этом размещенный во втором бункере нижний конец упомянутой трубки отогнут вбок, а упомянутый дополнительный электрод установлен внутри первого бункера и имеет на боковой поверхности электроизоляционное покрытие.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая газопроницаемая перегородка выполнена в виде сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая газопроницаемая перегородка выполнена в виде установленных вплотную не менее двух сеток со смещенными относительно друг друга ячейками.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая газопроницаемая перегородка выполнена в виде слоя из волокнистого материала.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вибратор выполнен в виде электрического вибратора.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что электрический вибратор выполнен в виде электромотора с неуравновешенным ротором.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вибратор выполнен в виде магнитного вибратора.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что магнитный вибратор выполнен в виде соленоида с подвижным сердечником.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гранулы выполнены размером 0,1-0,5 мм, а упомянутая вертикальная трубка имеет внутренний диаметр 3,5-4,5 мм.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гранулы выполнены из конденсированного вещества, химически или физически связанного с газом.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что гранулы выполнены из металла, связанного с газом.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что гранулы выполнены из титана, связанного с газом.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что гранулы выполнены из титана, связанного с водородом.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что гранулы выполнены из титана, связанного с дейтерием.

15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что гранулы выполнены из лития, связанного с газом.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что гранулы выполнены из лития, связанного с водородом.

17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что гранулы выполнены из лития, связанного с дейтерием.