Термоядерный ракетный двигатель и способ его работы

Изобретение относится к космической технике, в частности к двигателям, использующим энергию термоядерного синтеза. Термоядерный ракетный двигатель состоит из газоразрядных вакуумных камер, тракта подачи рабочего вещества и импульсного источника питания. Вакуумные камеры заполнены рабочим веществом. Корпус камер является катодом. Источник питания соединен с корпусом камер и через разрядник - с плоским дисковым анодом. Аноды всех камер соединены через индуктивности с одним импульсным источником питания. Между выходом разрядника и корпусом камеры установлен синхронизированный разрядник. Способ работы термоядерного ракетного двигателя заключается в формировании плазменного разряда в соединенных отверстиями вакуумных камерах. Разряд типа плазменный фокус формируют во всех камерах одновременно с образованием плазменных магнитных ловушек и направляют потоки заряженных частиц через центральные отверстия в торцевых стенках концевых камер. Изобретение позволяет обеспечить регулирование мощности термоядерного горения для генерирования направленного реактивного потока заряженных частиц с высоким удельным импульсом. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к двигателям, использующим энергию термоядерного синтеза.

Принципы работы термоядерного ракетного двигателя были изложены во многих работах, см., например, J. Reece Roth. A preliminary Study of Thermonuclear Rocket Propulsion. Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Massachusetts, 1958.

Известны изобретения, в которых предложены различные конструктивные решения термоядерных ракетных двигателей, см., например, патенты РФ №2171914, №2156378, заявка на изобретение РФ №2005119345. В общем случае все двигатели имеют источник термоядерной плазмы, источники термоядерного топлива, отверстие для выхода продуктов реакции - заряженных частиц, создающих реактивный поток.

Известен также плазмофокусный термоядерный реактор, в котором в качестве источника термоядерной плазмы предложено использовать газоразрядную вакуумную камеру, в которой формируют разряд типа плазменный фокус (патент США №4446096). В данном устройстве большое число парных электродов - катод и анод - заведены в единую камеру. Такая конструкция не позволит получить плазменный фокус нужной конфигурации, что в свою очередь не позволит получить направленный реактивный поток заряженных частиц, генерируемых реакцией синтеза.

За прототип принята работа К. D. Ware and J. W. Mather. Radial Collapse of a Dens Plasma Spindle Focus. Los Alamos Scientific Laboratory. Rep.LA-5178-M. 1973. p.1-6, где описано устройство, состоящее из сочлененных газоразрядных вакуумных камер, расположенных на одной кольцевой оси, заполненных рабочим веществом - смесью H² ₂+H³ ₂ или просто Н² ₂.

Корпус каждой цилиндрической газоразрядной камеры соединен со своим импульсным источником питания и является катодом. Внутри каждой камеры расположен плоский дисковый анод, введенный в камеру через дисковый высоковольтный изолятор, соединенный со своим импульсным источником питания. Вне вакуумных камер установлены источники энергетической накачки, в качестве которых могут использоваться пучки ионов, электронов или лазерного излучения. Эти источники соединены с датчиками, регистрирующими параметры плазмы внутри камер. Все смежные перегородки камер имеют центральные отверстия. Камеры собраны в кольцевую конструкцию.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент камеры вакуумируют и заполняют рабочим веществом - смесью H² ₂+H³ ₂ или просто Н² ₂.

От импульсного источника питания - заряженной до высокого напряжения конденсаторной батареи - через управляемый разрядник проводят запускающий разряд через анод, расположенный в камере, создавая в этой камере плазменный разряд. Такие операции проводят последовательно для каждой камеры с задержкой по времени, определяемой как время затухания сильных возмущений в работающей камере. Такая временная задержка позволит избежать влияния разряда работающей камеры на начальные условия следующей камеры, вводимой в работу. При этом в камере формируется разряд типа нецилиндрический Z-пинч, который использован для получения спиндл-фокуса.

Датчики, регистрирующие максимальную плотность полученной плазмы в плазменном спиндл-фокусе, например, по мощности рентгеновского излучения, подают сигнал на источник энергетической накачки, который дополнительно разогревает плазму в спиндл-фокусе, доводя температуру плазмы в нем до термоядерного горения.

Это устройство предназначено преимущественно для получения энергии, в нем невозможно поддержать саморазмножение термоядерных реакций и получить однонаправленный мощный поток заряженных частиц, который способен создать реактивный поток для ракетного двигателя.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является создание термоядерного ракетного двигателя с регулируемой мощностью термоядерного горения для генерирования направленного реактивного потока заряженных частиц с высоким удельным импульсом.

Для этого предложен термоядерный ракетный двигатель, состоящий из не менее двух имеющих смежную перегородку с центральным отверстием газоразрядных вакуумных камер, заполненных рабочим веществом, в которых формируют плазменный разряд, импульсного источника питания, соединенного с корпусом камер, являющимся катодом, и через разрядник с плоским дисковым анодом, тракта подачи рабочего вещества, при этом аноды всех камер соединены через индуктивности с одним импульсным источником питания, а между выходом разрядника и корпусом камер установлен синхронизированный разрядник.

Число газоразрядных вакуумных камер выбирают так, чтобы суммарная длина плазменных фокусов была больше длины свободного пробега заряженных продуктов термоядерного синтеза.

Газоразрядные вакуумные камеры могут быть соединены в полукольцо, а отверстия в торцевых стенках концевых камер являются отверстиями для выхода реактивного потока заряженных частиц.

Газоразрядные вакуумные камеры могут быть соединены по прямой, при этом центральное отверстие в торцевой стенке одной из концевых камер является отверстием для выхода реактивного потока заряженных частиц, а в другой - для выхода потока заряженных частиц на рекуператор.

Анод может быть выполнен полым, а в полости анода установлен ускоритель плазмы радиального типа, соединенный через дозирующее устройство с трактом подачи рабочего вещества.

Кроме того, смежная перегородка выполнена полой, а в ее полости установлен радиальный рекуператор.

Также предложен способ работы термоядерного ракетного двигателя, заключающийся в формировании плазменного разряда в соединенных отверстиями вакуумных газоразрядных камерах, при этом разряд типа плазменный фокус формируют во всех камерах одновременно с образованием плазменных магнитных ловушек и направляют потоки заряженных частиц через центральные отверстия в торцевых стенках концевых камер.

При этом выбирают суммарную длину плазменных фокусов больше длины свободного пробега заряженных продуктов термоядерного синтеза.

Кроме того, для камер, соединенных по прямой, формируют один реактивный поток заряженных частиц, а второй поток направляют на рекуператор.

Для камер, соединенных в полукольцо, формируют два реактивных потока заряженных частиц.

Кроме того, в зону плазменного разряда дополнительно подают плазму рабочего вещества с помощью ускорителя плазмы радиального типа.

Термоядерный ракетный двигатель предложенной конструкции с источником плазмы типа плазменный фокус дает быстрые потоки заряженных частиц с удельным импульсом до 10⁶ сек в результате реакций синтеза тяжелых изотопов водорода. Не³, Li, Be

в некоторых вариантах могут быть учтены две дополнительные реакции (3, 4):

На фиг.1 схематично показано выполнение газоразрядной вакуумной камеры устройства-прототипа; такие камеры собраны в кольцевую конструкцию и работают поочередно. Продукты термоядерных реакций выходят через центральные отверстия, т.к. в камере не создается магнитная ловушка для заряженных продуктов термоядерных реакций.

На фиг.2 схематично показано выполнение устройства, состоящего из двух состыкованных газоразрядных камер с четырьмя плазменными фокусами, образующих одну магнитную ловушку для продуктов термоядерных реакций.

На фиг.3 схематично показано выполнение устройства, состоящего из большого числа газоразрядных камер, собранных в полукольцо.

На фиг.4 показан макет движения частиц в пространстве между плазменными фокусами в плазменной ловушке.

Цифрами на фиг.1-4 обозначены:

1 - корпус камеры - катод

2 - центральные отверстия

3 - импульсный источник питания - конденсаторная батарея

4 - разрядник

5 - изолятор

6 - плоский дисковый анод

7 - индуктивность

8 - рекуператор

9 - смежные перегородки

10 - торцевые стенки

11 - центр магнитной ловушки

12 - ускоритель плазмы

13 - радиальный рекуператор

14 - направление магнитных силовых линий

15 - синхронизированный разрядник

Устройство представляет собой цилиндрические газоразрядные вакуумные камеры, расположенные на одной оси, корпус 1 которых является катодом. Устройство состоит, по крайней мере, из двух таких камер (фиг.2), имеющих смежную перегородку 9 с отверстием 2 в центральной части камеры. Устройство может быть набрано из большого числа соединенных камер. В центральной части смежных перегородок камер также выполнены отверстия. Импульсный источник питания выполнен в виде конденсаторной батареи 3. Он соединен с катодом 1 и через разрядник 4 и индуктивности 7 с расположенными в камере полыми дисковыми анодами 6. Подводы к аноду 6 отделены от корпуса камеры 1 изоляторами 5. При этом между выходом разрядника 4 импульсного источника питания и корпусом термоядерного двигателя 1 установлен синхронизированный разрядник 15.

Ввод рабочего вещества осуществляется с помощью ускорителя плазмы, конструктивно представляющим собой ускоритель плазмы радиального типа, соединенного через дозирующее устройство с трактом подачи рабочего вещества (не показаны). Ускоритель плазмы 12 расположен в полости полого анода 6.

Смежная перегородка 9 между камерами выполнена полой, а в ее полости установлен радиальный рекуператор 13.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент отверстия в корпусе концевых камер закрыты заглушками (не показаны), камеры вакуумируют и заполняют рабочим веществом - смесью Н² ₂+Н³ ₂ или просто Н² ₂ при давлении 1÷5 Toрp с дозируемой величиной присадки (N₂,Хе(1÷2%)).

В дальнейшем в центральную часть прианодной области каждой камеры постоянно подают рабочее вещество (разные изотопы водорода с присадками Хе или N₂~(1÷4)%) в виде плазмы, полученной на ускорителе заряженных частиц 12.

От заряженной до высокого напряжения конденсаторной батареи 3 через общий управляемый разрядник 4 производят запускающий разряд через индуктивности 7 и все заполненные рабочей газовой смесью камеры 1, подключенные в параллель, создавая на предварительной стадии запас магнитного поля в околоизоляторных и наданодных объемах каждой камеры. Это происходит до достижения энергии магнитного поля за плазменной оболочкой 150÷450 кДж.

Импульсный источник питания создает импульсы с частотой повторения 50÷1000 Гц.

Вблизи анода на оси каждой камеры в процессе разряда формируются два энергически насыщенные, сжатые магнитным полем, почти цилиндрические сгустки плазмы, называемые нецилиндрическими Z-пинчами, или плазменными фокусами. На фиг.2 показаны конфигурации сформированных четырех плазменных фокусов с магнитной ловушкой, центр которой обозначен 11. На фиг.4 показаны направления магнитных силовых линий 14 разрядного тока, длина плазменного фокуса обозначена Н.

Заряженные продукты ТЯ-реакции в такой конфигурации пинча полностью удерживаются магнитным полем разряда в радиальном направлении, так как при токе ≈0,7 МА и радиусе пинча 1 мм величина ларморовского радиуса для самых быстрых заряженных продуктов ≈7,86 мм. Это значит, что ловушка, в которой будут удерживаться заряженные частицы термоядерных реакций, будет иметь форму цилиндра диаметром ⌀ 15,72 мм и высотой H₁ от основания одного плазменного фокуса до основания противоположного. Оси симметрии ловушки и разрядной камеры совпадают. Схема движения частиц в пространстве между плазменными фокусами показана на фиг.4, там же отображен конус ухода быстрых заряженных частиц в радиальный рекуператор 13 для тех из них, которые выходят за пределы конуса ухода быстрых заряженных частиц. Энергия магнитного поля, сжимающего и удерживающего плазму, создается протекающим центрально-симметричным (относительно оси) током. Она распределена неравномерно по радиусу и пропорциональна ~1/r².

Плазменные осесимметричные магнитные отражающие ловушки отражают заряженные продукты термоядерных реакций из плазменного фокуса в сторону центральных отверстий 2 в корпусе камеры 1, являющегося катодом. Такой эффект происходит из-за направленного дрейфа их в сторону катода в неоднородном магнитном поле плазменного разряда той камеры, в котором дрейфует в данный момент заряженная частица. Часть заряженных продуктов термоядерного синтеза, проходящих вдоль оси в условиях слабого магнитного поля, не отражается обратно магнитным полем разряда и проходит в следующую камеру и далее, пока не израсходует свою энергию на рабочей плазме следующих фокусов. Для этой части самых быстрых продуктов термоядерного синтеза и производится оценка количества необходимых камер, образующих плотную плазму фокусов, для сохранения возможно большей части энергии, выделяющейся в процессе «сгорания» рабочей плазмы при термоядерном синтезе.

Эксперименты показали, что у анода, на оси, формируется плазменный фокус с термоядерными параметрами длиной Н в начальный момент сжатия ≈1 см (при ⌀≈4÷5 мм), увеличиваясь к концу сжатия до Н=2÷3 см (при ⌀≈2÷3 мм).

Образование плазменного фокуса происходит с радиальной скоростью плазмы ≅3·10⁷ см/с. Полученные выходы термоядерных реакций в D-D смеси составляют ≈10¹¹ на разряд, что соответствует используемой энергетической мощности ≈(0,77÷14,4) МВт. Оценка показывает, что по выходу энергии эта величина составляет ≈(0,077÷1,44)Дж/разряд.

Те потоки заряженных частиц, которые замедлятся в плазме нескольких последовательных плазменных фокусов, попадают в рекуператор 8. Количество последовательно расположенных рабочих камер выбирается из расчета, чтобы общая длина пробега самых быстрых продуктов ТЯ-реакций была больше общей длины плазменных фокусов. При этом реактивные потоки создаются продуктами термоядерных реакций половиной камер, примыкающих к концевым, а половина общего количества камер, расположенных в средней части, поддерживает повышенный температурный режим (мощность) камер, создающих реактивный поток.

Для поддержания автономного непрерывного режима работы термоядерного двигателя используется синхронизированный разрядник 15, отсоединяющий питание всей системы от импульсного источника питания - конденсаторной батареи 3. Те же заряженные продукты, которые рождаются вне плазменного фокуса, или отошедшие от оси после многих отражений, имеют большую вероятность выйти за пределы сильного магнитного поля нецилиндрических Z-пинчей, попадают в радиальный рекуператор 13, где происходит дальнейший отбор их оставшейся кинетической энергии.

Для реализации устройства достаточно соединения двух газоразрядных камер, как показано на фиг.2. Количество камер определяется длиной плазмы по плазменным фокусам всех камер, для поддержания условия саморазогрева плазмы в плазменных фокусах. Для создания более мощного двигателя такие сдвоенные камеры располагают по прямой оси. Тогда поток заряженных частиц, выходящий из отверстия 2 одной из торцевых стенок 10, будет создавать реактивную тягу, а поток заряженных частиц, выходящий из центрального отверстия другой торцевой стенки, направляют на рекуператор 8 - для утилизации энергии.

Камеры можно соединять в полукольцо, тогда потоки заряженных частиц, выходящие через отверстия 2 в торцевых стенках 10, создают реактивные потоки.

В концевые камеры может подаваться более тяжелая инертная смесь, содержащая Не или Ne, для регулировки величины тяги.

Таким образом, предложенное решение позволит создать термоядерный ракетный двигатель, как показали расчеты, с размерами 1,5 м × 8 м × 12 м с быстрыми потоками частиц с удельным импульсом I_уд, до 10⁶ сек. При продольно осевом размере камер ≈0,5 м их количество будет ≈24.

1. Термоядерный ракетный двигатель, состоящий из не менее двух, имеющих смежную перегородку с центральным отверстием газоразрядных вакуумных камер, заполненных рабочим веществом, в которых формируют плазменный разряд, импульсного источника питания, соединенного с корпусом камер, являющимся катодом, и через разрядник с плоским дисковым анодом, тракта подачи рабочего вещества, отличающийся тем, что аноды всех камер соединены через индуктивности с одним импульсным источником питания, при этом между выходом разрядника и корпусом камер установлен синхронизированный разрядник.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что число газоразрядных вакуумных камер выбирают так, чтобы суммарная длина плазменных фокусов была больше длины свободного пробега заряженных продуктов термоядерного синтеза.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что газоразрядные вакуумные камеры соединены в полукольцо, а отверстия в торцевых стенках концевых камер являются отверстиями для выхода реактивного потока заряженных частиц.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что газоразрядные вакуумные камеры соединены по прямой, при этом центральное отверстие в торцевой стенке одной из концевых камер является отверстием для выхода реактивного потока заряженных частиц, а в другой - для выхода потока заряженных частиц на рекуператор.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен полым, а в полости анода установлен ускоритель плазмы радиального типа, соединенный через дозирующее устройство с трактом подачи рабочего вещества.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что смежная перегородка выполнена полой, а в ее полости установлен радиальный рекуператор.

7. Способ работы термоядерного ракетного двигателя, заключающийся в формировании плазменного разряда в соединенных отверстиями вакуумных газоразрядных камерах, отличающийся тем, что разряд типа плазменный фокус формируют во всех камерах одновременно с образованием плазменных магнитных ловушек и направляют потоки заряженных частиц через центральные отверстия в торцевых стенках концевых камер.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что суммарная длина плазменных фокусов больше длины свободного пробега заряженных продуктов термоядерного синтеза.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что для камер, соединенных по прямой, формируют один реактивный поток заряженных частиц, а второй поток направляют на рекуператор.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что для камер, соединенных в полукольцо, формируют два реактивных потока заряженных частиц.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что в зону плазменного разряда дополнительно подают плазму рабочего вещества с помощью ускорителя плазмы радиального типа.