Способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов (варианты) и устройство для его осуществления



Способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов (варианты) и устройство для его осуществления
Способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов (варианты) и устройство для его осуществления
Способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов (варианты) и устройство для его осуществления

 

H05H1/04 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2416892:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт измерительных приборов" (ОАО "НИИИП") (RU)
Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)

Изобретения относятся к атомной промышленности и могут быть использованы при создании источников нейтронов для гибридных реакторов. По обоим вариантам способа в рабочем газе с помощью электрического разряда создают две встречные токово-плазменные оболочки, ускоряют их магнитным давлением тока разряда во встречных ускорительных каналах. По выходу из каналов сечение оболочек принимает вид направленных к центру симметрии парабол, вершины которых образуют гипоциклоидальный плазменный лайнер с «плазменными фокусами». Сжатие термоядерного горючего осуществляют действием возникающего при торможении магнитного и скоростного давления оболочек плазменного лайнера. По первому варианту термоядерным горючим является плазменное ядро из рабочего газа, которое сформировано столкнувшимися «плазменными фокусами». По второму варианту используют твердотельную мишень сферической формы, помещенную в центр симметрии плазменного лайнера. Устройство для осуществления указанных способов содержит полый кольцевой электрод и два торцевых электрода. Эти электроды совместно с поверхностью коаксиальных ускорительных электродов образуют два встречных прямолинейных, закругленных к центру симметрии ускорительных канала. Кромки сечений полых электродов лежат на поверхности условной сферы, вписанной между ними. Ее радиус, диаметры кромок усеченных торцевых электродов и расстояние между кромками боковых поверхностей кольцевого электрода равны между собой. Изобретение позволяет повысить выход нейтронов. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретения относятся к атомной промышленности и могут быть использованы при создании источников нейтронов в гибридных реакторах, перерабатывающих природный уран в ядерное топливо - плутоний.

Известен способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов, описанный в журнале Атомная энергия, 1956 г., т.3., с.76.

Способ заключается в создании в рабочем газе, например, дейтерии, с помощью электрического разряда цилиндрической токово-плазменной оболочки, ускорении ее* к оси цилиндра давлением магнитного поля тока разряда, текущего по оболочке, уплотнении оболочки в цилиндрический лайнер за счет «сгребания» в нее рабочего газа, схлопывании фронта этого лайнера на оси цилиндра с образованием из лайнера плазменного термоядерного горючего цилиндрической формы и сжатии его магнитным давлением в цилиндрический плазменный Z-пинч, излучающий нейтроны.

Данный способ осуществляется в известном из той же статьи Z-пинчевом устройстве, содержащем два дисковых электрода, разделенных цилиндрическим изолятором. Электроды присоединены к импульсному источнику электропитания, устройство заполнено рабочим газом.

Ускоренная в Z-пинчевом устройстве токово-плазменная оболочка, как любой движущийся поток жидкости или газа (см. книгу Н.Я.Фабрикант, Аэродинамика, изд. «Наука», М., 1964, с.77, с.82, с.112), обладает скоростным (динамическим) давлением, равным кинетической энергии ρV2/2 единицы ее объема, где ρ (кг/м3) - плотность плазмы в оболочке, V (м/с) - скорость оболочки. Поскольку плазма - это ионизированный газ, то законы гидродинамики и аэродинамики распространяются и на плазму, в частности на токово-плазменную оболочку. Скоростное давление при движении оболочки физически не проявляет себя, а проявляется оно только при торможении оболочки твердым телом или при встречном торможении плазмы оболочки лайнера после схлопывания его фронта на оси устройства.

Таким образом, при сжатии термоядерного горючего помимо упомянутого магнитного давления имеется некоторое дополнительное скоростное давление плазмы оболочки лайнера. Действует оно импульсно в течение времени, равного частному от деления толщины оболочки на ее скорость. При типичной толщине оболочки в Z-пинчевых устройствах ~1 см и типичной скорости ~105 м/с длительность импульса равна ~10-7 с. При действии импульса скоростного давления энергия источника электропитания не затрачивается, а используется накопленная в оболочке кинетическая энергия. Однако в рассматриваемых устройствах из-за «сгребания» в лайнер всего объема заключенного в них газа и, соответственно, резкого возрастания ускоряемой массы, не удается получить высокую скорость плазмы лайнера, а следовательно, и высокое значение скоростного давления. Обычно последнее на 2-3 порядка меньше магнитного давления тока разряда и не вносит заметного вклада в сжатие термоядерного горючего. Сжатие последнего осуществляется практически только магнитным давлением, на что приходится затрачивать большую величину энергии источника питания.

Известен способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов, выполненного в виде сферической твердотельной мишени, изложенный в журнале Доклады Академии Наук СССР, том 247, №1, с.83. Здесь же сказано, что этот способ осуществляется в Z-пинчевом устройстве.

Согласно этому способу мишень из дейтерий-тритиевой смеси помещают в центр симметрии цилиндрического плазменного лайнера, формируемого из рабочего газа в соответствии со способом, рассмотренным в предыдущем аналоге. Достигнув поверхности мишени, цилиндрический плазменный лайнер осуществляет ее сжатие посредством магнитного давления. По расчетам авторов таким способом сжатия мишени можно достигнуть плотности термоядерного горючего в центре мишени 20 г/см3 при температуре 3-4 кэВ.

Как и в предыдущем аналоге в сжатии термоядерного горючего скоростное давление, проявляющееся при торможении ионов плазмы на мишени, играет ничтожно малую роль, что характерно, как было описано выше, для Z-пинчевых устройств. Мишень сжимают практически только магнитным давлением. Поэтому, согласно расчетам авторов, для зажигания термоядерной реакции в этом случае требуется затратить энергию источника питания величиной 30-50 МДж в импульсе с нарастанием тока до максимума за 0,5-1 мкс, что в Z-пинчевых устройствах трудно реализовать на практике.

Известен способ трехмерного (квазисферического) магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего в виде плазмы гипоциклоидальной формы, изложенный в журнале Phys. Fluids, 1977, v.20, №2, р.313.

Согласно этому способу в рабочем газе из дейтерия зажигают два электрических разряда в виде двух встречных токово-плазменных оболочек, ускоряют их параллельно друг другу магнитным давлением тока разряда по направлению к оси, повышают в них плотность плазмы за счет «сгребания» рабочего газа и формируют из них две дугообразные токово-плазменные оболочки. Столкнувшись на оси вершинами друг с другом, токово-плазменные оболочки образуют трехмерный лайнер, в сечении напоминающий замкнутую кривую - гипоциклоиду (поэтому авторами такой плазменный лайнер назван гипоциклоидальным). Фронты этого лайнера охлопывают в центре симметрии, образуя из лайнера термоядерное горючее, и сжимают горючее магнитным давлением в гипоциклоидальный плазменный пинч, излучающий нейтроны.

Достоинством гипоциклоидального плазменного лайнера и гипоциклоидального плазменного пинча является исключительно высокая их магнитогидродинамическая (МГД) устойчивость, подтвержденная авторами аналога экспериментально.

Данный способ осуществляется в описанном в той же статье устройстве, которое содержит два Z-пинчевых устройства с дисковыми электродами (катодами), между которыми с помощью цилиндрических изоляторов закреплен общий для двух катодов дисковый анод. Во всех электродах выполнены осевые сквозные отверстия с радиусом, равным междуэлектродному расстоянию. Образовавшиеся после электрического пробоя токово-плазменные оболочки магнитным давлением перемещаются к отверстиям в электродах, где образуют гипоциклоидальный лайнер, сжимаемый после его схлопывания в упомянутый гипоциклоидальный пинч.

Но поскольку такой лайнер образован с помощью Z-пинчевых устройств, то его токово-плазменные оболочки имеют малое скоростное давление, которое практически не вносит вклада в сжатие гипоциклоидального плазменного лайнера в пинч, излучающий нейтроны. Кроме того, гипоциклоидальный пинч в таком устройстве, согласно вышеуказанной статье, имеет вытянутую, веретенообразную форму (диаметр 0,5 см, длину 3÷10 см), что говорит фактически о цилиндрическом (двухмерном) характере сжатия пинча магнитным давлением, на что требуется большая энергия источника электропитания.

Наиболее близким к заявленному способу является способ, реализованный в устройстве по патенту РФ №1639399, МПК6 Н05Н 1/00.

Способ включает в себя создание в рабочем газе с помощью электрического разряда двух встречных кольцевых токово-плазменных оболочек (в патенте они названы синонимом - плазменными токовыми скин-слоями), ускорение их магнитным давлением тока разряда, соответственно, в двух встречных ускорительных каналах, направленных к центру симметрии, уплотнение токово-плазменных оболочек за счет «сгребания» в них рабочего газа, образование из столкнувшихся токово-плазменных оболочек трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера «с плазменными фокусами» (см. журнал Физика плазмы, 1983, вып.1, с.25), формирование плазменного ядра, являющегося термоядерным горючим, и его сжатие.

В том же патенте описано устройство, наиболее близкое к предлагаемому. Устройство содержит кольцевой объемный электрод, имеющий в осевом сечении форму треугольника с боковыми поверхностями, имеющими форму воронок, выходы из которых направлены друг к другу, два торцевых электрода круговой объемной формы с уменьшающимся к центру симметрии диаметром, выполненные в виде конусов с вершинами, направленными к центру симметрии устройства, расположенные соосно и симметрично относительно боковых поверхностей кольцевого электрода и образующие между внешними поверхностями кольцевого и торцевых электродов два наклонных встречных, направленных к центру симметрии ускорительных канала.

Достоинством способа и устройства являются:

- придание плазменному лайнеру трехмерно-симметричной (квазисферической) гипоциклоидальной формы. Из книги (Д.Роуз, М.Кларк «Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции», М.: Госатомиздат, 1963, с.144) следует, что при трехмерном импульсном сжатии плазмы затрачивается энергия примерно на порядок меньшей величины, чем при одинаковом по степени двухмерном сжатии, что говорит о значительном преимуществе прототипа над предыдущим аналогом;

- исключительно высокая МГД-устойчивость трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера на всех стадиях его движения и сжатия, как и в предыдущем аналоге.

Способ и устройство имеют следующие недостатки:

- малая протяженность наклонных ускорительных каналов ограничивает возможность ускорения токово-плазменных оболочек до высокой скорости из-за неоптимальности согласования длины ускорительного канала с периодом разряда емкостного источника электропитания;

- токово-плазменные оболочки при их движении в ускорительных каналах, особенно при выходе на вершины электродов, загрязняются испаренными с электродов тяжелыми ионами металла, вследствие чего значительно возрастает масса оболочек и падает их скорость. Кроме того, ионы металла снижают выход нейтронов;

- упомянутые в описании к патенту перфорационные отверстия в кольцевом электроде треугольного сечения с прямолинейными стенками не обеспечивают эффективного сброса ускоряемой лишней массы рабочего газа, а также примеси тяжелых ионов, что приводит к снижению скорости токово-плазменных оболочек;

- лайнер образуется схождением токово-плазменных оболочек на заостренных вершинах электродов и замыкает в себя весь рабочий газ, находящийся в межвершинном пространстве, затем «сгребает» весь этот газ, что приводит к существенному возрастанию массы оболочек и падению их скорости;

- частицы плазмы, вытекающие из «плазменных фокусов» (названные в патенте «кумулятивными плазменными струями»), имеют малую плотность и не вносят существенного вклада в плазменное ядро, образованное столкновением «плазменных фокусов».

Указанные недостатки приводят к малому скоростному давлению гипоциклоидального плазменного лайнера на плазменное ядро. Последнее сжимают практически только магнитным давлением, затрачивая значительную энергию источника электропитания.

Таким образом, техническим результатом (решаемой задачей) является повышение выхода нейтронов при неизменной величине энергии импульсного источника электропитания за счет увеличения скоростного (динамического) давления оболочек трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера при сжатии им термоядерного горючего.

Технический результат по первому варианту способа достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем создание в рабочем газе с помощью электрического разряда двух кольцевых встречных токово-плазменных оболочек, ускорение их магнитным давлением тока разряда, соответственно, в двух встречных ускорительных каналах, направленных к их центру симметрии, образование из столкнувшихся токово-плазменных оболочек трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера с «плазменными фокусами», формирование путем столкновения плазменных фронтов плазменного ядра, являющегося термоядерным горючим, и его сжатие, согласно изобретению, перед ускорением токово-плазменных оболочек в упомянутых каналах, которым придана закругленная к центру симметрии форма, их предварительно ускоряют, соответственно, в двух коаксиальных ускорительных каналах, объединенных с соответствующими упомянутыми закругленными каналами, по выходу из которых токово-плазменные оболочки принимают в осевом сечении вид направленных к центру симметрии парабол, вершины которых приобретают дополнительное ускорение и образуют упомянутый гипоциклоидальный плазменный лайнер с «плазменными фокусами» за счет наклонного столкновения указанных вершин вблизи от центра симметрии, при этом сжатие плазменного ядра осуществляют действием магнитного давления и соизмеримого с ним по величине скоростного давления оболочек плазменного лайнера, которое возникает при торможении оболочек лайнера на плазменном ядре.

Технический результат по первому варианту достигается также тем, что рабочим газом является дейтерий-тритиевая смесь или иной газ, вступающий в реакцию синтеза.

Технический результат по второму варианту способа достигается тем, что в способе, включающем создание в рабочем газе с помощью электрического разряда двух встречных кольцевых токово-плазменных оболочек, ускорение их магнитным давлением тока разряда, соответственно, в двух встречных ускорительных каналах, направленных к их центру симметрии, образование из столкнувшихся токово-плазменных оболочек трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера с «плазменными фокусами», сжатие термоядерного горючего, согласно изобретению, перед ускорением токово-плазменных оболочек в упомянутых каналах, которым придана закругленная к центру симметрии форма, их предварительно ускоряют соответственно, в двух коаксиальных ускорительных каналах, объединенных с соответствующими упомянутыми закругленными каналами, по выходу из которых токово-плазменные оболочки принимают в осевом сечении вид направленных к центру симметрии парабол, вершины которых приобретают дополнительное ускорение и образуют упомянутый гипоциклоидальный плазменный лайнер с «плазменными фокусами» за счет наклонного столкновения указанных вершин вблизи от центра симметрии, при этом термоядерное горючее, которым является твердотельная мишень сферической формы, выполненная из веществ, вступающих в реакцию синтеза, предварительно помещают в центре симметрии плазменного лайнера и импульсом скоростного давления фронтов плазменного лайнера совместно с его «плазменными фокусами» зажигают в центре мишени термоядерную реакцию, а наружный слой мишени сжимают суммарным воздействием на мишень скоростного давления плазменного лайнера, которое возникает при торможении оболочек лайнера мишенью, и соизмеримого с ним магнитного давления.

Технический результат по второму варианту достигается также тем, что рабочим газом является гелий или иной легкий газ.

Технический результат (решаемая задача) достигается также тем, что в устройстве, содержащем кольцевой объемный электрод с боковыми поверхностями, имеющими форму воронок, выходы которых направлены друг к другу, два торцевых электрода круговой объемной формы с уменьшающимся к центру симметрии устройства диаметром, расположенных соосно и симметрично относительно боковых поверхностей кольцевого электрода и образующих между внешними поверхностями кольцевого и торцевых электродов два встречных, направленных к центру симметрии ускорительных канала, согласно изобретению, электроды выполнены полыми, их поверхности усечены вблизи от центра симметрии плоскостями, перпендикулярными оси симметрии устройства, упомянутые ускорительные каналы выполнены закругленными за счет придания поверхностям торцевых электродов выпуклой формы, а боковым поверхностям кольцевого электрода - вогнутой формы, введены коаксиальные ускорительные электроды, образующие прямолинейные ускорительные каналы, внешний и внутренний проводники которых заодно или жестко соединены, соответственно, с боковыми поверхностями кольцевого электрода и поверхностями торцевых электродов, образуя сопряжение между прямолинейными и закругленными к центру симметрии ускорительными каналами, при этом кромки сечений полых электродов лежат на поверхности условной сферы, вписанной между ними, а радиус условной сферы, диаметры кромок усеченных торцевых электродов и расстояния между кромками боковых поверхностей кольцевого электрода равны между собой.

Технический результат достигается также тем, что в каждой боковой поверхности кольцевого электрода выполнено одинаковое количество перфорационных отверстий для отвода тяжелых ионов загрязнений и сброса лишней массы токово-плазменных оболочек, площадь которых составляет 20-70% от площади каждой поверхности кольцевого электрода.

Сущность изобретений заключается в том, что способы и устройство позволяют ускорять токово-плазменные оболочки в двух встречных ускорительных каналах, имеющих на начальных участках прямолинейную форму, а на участках вблизи центра симметрии - закругленную форму, после выхода из которых ускорять токово-плазменные оболочки вблизи от центра симметрии устройства, имеющие в сечении форму парабол. В результате этого ускорения токово-плазменные оболочки могут достичь настолько высокой скорости, что образованный из них вблизи от центра симметрии устройства трехмерно-симметричный гипоциклоидальный плазменный лайнер с его «плазменными фокусами» при торможении на термоядерном горючем будет создавать скоростное давление, соизмеримое с магнитным давлением тока разряда. При этом, в первом варианте способа созданное термоядерное горючее в виде плазменного ядра из столкнувшихся «плазменных фокусов», будет сжиматься импульсом скоростного давления и магнитным давлением, а термоядерное горючее в виде твердотельной мишени по второму способу - коротким импульсом скоростного давления ударно-волновых фронтов лайнера и «плазменных фокусов» будет «зажигаться» изнутри, а скоростным давлением остальной плазмы оболочек лайнера совместно с магнитным давлением - сжиматься снаружи.

Таким образом, за счет совместного действия скоростного и магнитного давления выход нейтронов увеличится на несколько порядков по сравнению с прототипом, что подтверждает расчетная оценка. Причем, поскольку на создание скоростного давления в момент сжатия не затрачивается энергия источника электропитания, а наоборот, идет отдача накопленной в оболочках лайнера кинетической энергии сжимаемому термоядерному горючему, происходит экономия потребляемой энергии источника электропитания.

Предлагаемые способ и устройство иллюстрируются чертежами, на которых представлены фиг.1-3.

На фиг.1 приведена конструкция заявленного устройства в продольном и поперечном сечении. Учитывая симметрию устройства относительно плоскости сечения АА, перпендикулярной его оси, симметричные элементы устройства пронумерованы на одной из симметричных частей его чертежа.

На фиг.2 показана в увеличенном масштабе схема движения токово-плазменных оболочек лайнера последовательно от момента его образования наклонным столкновением указанных оболочек до момента начала сжатия оболочек лайнера на плазменном ядре из «плазменных фокусов».

На фиг.3 приведен в увеличенном масштабе момент столкновения фронтов оболочек лайнера и его «плазменных фокусов» с поверхностью твердотельной мишени из термоядерного горючего.

Заявленное устройство для осуществления заявленных способов, изображенное на фиг.1, содержит полый кольцевой объемный электрод с боковыми поверхностями 1, имеющими форму воронок с усеченными выходами, направленными друг к другу. Боковые поверхности 1 закреплены между собой герметично обечайкой 2. Полость 3 внутри кольцевого электрода предназначена для отвода тяжелых примесей и «лишней» плазмы рабочего газа, сбрасываемой в перфорационные отверстия 4, выполненные в боковых поверхностях 1.

Устройство имеет два полых, усеченных торцевых электрода 5 круговой объемной формы с уменьшающимся к центру симметрии диаметром, расположенных симметрично относительно боковых поверхностей 1 кольцевого электрода.

Кромки 6, 7 упомянутых электродов лежат на поверхности условной сферы 8, вписанной между ними, а радиус этой сферы, расстояние между кромками 6 и диаметры кромок 7 равны между собой.

Устройство имеет коаксиальные ускорительные электроды 9, 10, соединенные заодно или жестко, соответственно, с боковыми поверхностями 1 кольцевого электрода и поверхностями торцевых электродов 5.

Между поверхностями электродов образованы ускорительные каналы 11, имеющие на участке коаксиальных электродов прямолинейную форму, а на участке вблизи центра симметрии - закругленную к нему форму, образованную, соответственно, выпуклыми и вогнутыми поверхностями электродов 1 и 5.

На фиг.1 приведены также междуэлектродные изоляторы 12, обеспечивающие, в том числе, соосность электродов, узел подачи рабочего газа 13 (или подачи термоядерного топлива в виде твердотельной сферической мишени во втором варианте способа), патрубок 14 для вакуумирования устройства перед заполнением рабочим газом и импульсный источник электропитания 15, состоящий из конденсаторов С и разрядников Р.

Заявленное устройство, реализующее заявленный способ, работает следующим образом (фиг.1, 2, 3).

Устройство для первого варианта способа заполняют дейтерий-тритиевой смесью до давления, например, 10 мм рт.ст. (количественная плотность атомов 7-1023 м-3). При подаче электрического импульса с энергией, например, 106 Дж между электродами 1-5 происходит пробой газа вблизи поверхности изолятора 12 с образованием токово-плазменных оболочек 16. Под действием магнитного давления тока, текущего через оболочки, последние ускоряются в прямолинейной (коаксиальной) части каждого ускорительного канала 11 и уплотняются за счет «сгребания» в них рабочего газа. К концу этих частей каналов те же оболочки (в поз.17) приобретают скорость примерно 105 м/с и плотность 2,8·1024 м-3. С такой скоростью они переходят в закругленную к центру симметрии устройства часть ускорительного канала 11. Здесь траектория движения оболочек искривляется и возникает центробежное ускорение, действующее на ионы плазмы оболочек. Под действием этого ускорения происходит, в первую очередь, сброс в перфорационные отверстия 4 примесей тяжелых ионов металла, испаряющегося с электродов. Плазма оболочек очищается от примеси ионов, за счет чего уменьшается масса оболочек. Кроме того, происходит сброс «лишней массы» плазмы рабочего газа до необходимой величины, что задается суммарной площадью перфорационных отверстий в диапазоне 20-70% от площади закругленных поверхностей 1 кольцевого электрода, определяемой методом математического моделирования. При уменьшении ускоряемой массы возрастает скорость токово-плазменных оболочек и к концу закругленных частей ускорительных каналов 11 (в поз.18) достигает величины ~5·105 м/с. Несмотря на уменьшение массы оболочек, плотность плазмы в них достигает величины 5,6·1024 м-3 за счет уменьшения их толщины под действием все возрастающей скорости и продолжения «сгребания» газа. При выходе токово-плазменных оболочек на кромки 6 и 7 электродов скорость их движения затормаживается на кромках до нуля, а средняя часть оболочек под действием скоростного и магнитного давления продолжает движение, в результате чего оболочки в осевом сечении приобретают вид наклоненных друг к другу парабол 19. По закону сохранения количества движения вершины параболических оболочек увеличивают свою скорость за счет замедления до нуля скорости оснований их ветвей. Кроме того, увеличению скорости способствует «сгребание» не всего объема находящегося за выходом каналов 11 рабочего газа, как в прототипе, а только его части, находящегося на пути вершин оболочек.

Таким образом, помимо оптимального использования для ускорения токово-плазменных оболочек магнитного давления, возрастающего до максимума к концу времени ускорения, такие факторы, как уменьшение массы ускоряемого газа до расчетной величины, перераспределение количества движения ионов от заторможенных участков упомянутых оснований к вершинам оболочек, «сгребание» газа на заключительном этапе ускорения только в вершины параболических оболочек, позволяют ускорить плазменные оболочки до скорости ~7,7·105 м/с при сравнительно малой энергии емкостного источника электропитания, легко реализуемой на практике. На этом этапе плотность плазмы в оболочках достигает величины 1025 м-3, скоростное давление ~2,6·1010 Н/м2, а кинетическая энергия каждого иона ~7,4 кэВ.

Ускоренные токово-плазменные оболочки 19 наклонно сталкиваются между собой вблизи от центра симметрии устройства с образованием трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера с «плазменными фокусами» 20. Образованию такого лайнера вблизи от указанного центра симметрии способствует конструктивный признак равенства радиуса условной сферы 18 диаметру кромок 7 и расстоянию между кромками 6.

Оболочки лайнера с «плазменными фокусами» 20 продолжают движение к центру симметрии (фиг.2). По первому варианту способа, начиная от зон их столкновения, магнитное давление тока разряда J сжимает оболочки в токово-плазменные шнуры 21 и токово-плазменный диск 22, по которым течет ток разряда J. В зонах столкновения оболочек образуются «плазменные фокусы» 20, которые перемещаются вместе с оболочками к центру симметрии устройства «Плазменные фокусы» сталкиваются в центре симметрии устройства с образованием плазменного ядра 23, являющегося термоядерным горючим. Оболочки 24 лайнера, имеющие толщину 0,1-1 см, начинают затормаживаться на этом ядре, а при их торможении возникает импульс скоростного давления, величина которого равна ~2,6·1010 Н/м2. Средняя длительность импульса этого давления при указанной скорости и толщине оболочки равна ~2·10-8 с.

К этому времени ток разряда J в рассматриваемом примере достигает максимального значения ~1,4·107 А, а созданное магнитными силовыми линиями 25 магнитное давление на оболочки лайнера достигает величины 3,2·10 Н/м2. Суммарная величина скоростного и магнитного давления составляет 5,8·1010 Н/м. Это давление сжимает плазму оболочек 24 к плазменному ядру 23 за время ~2·10-8 с. Объем оболочек лайнера уменьшается в ~55 раз, а температура термоядерного горючего возрастает до ~2·108 К. Оценочный расчет показал, что выход нейтронов в этом примере составляет ~7·1016 нейтронов за импульс.

При сжатии термоядерного горючего по второму варианту способа в виде сферической твердотельной (замороженной) мишени 26 (фиг.3) из дейтерий - тритиевой смеси трехмерно-симметричным гипоциклоидальным лайнером из гелия можно получить скоростное давление лайнера по предлагаемому изобретению при энергии электрического импульса 106 Дж величиной 1,3·1010 Н/м2. Ударно-волновой фронт 27 оболочек лайнера и «плазменные фокусы» 28 сталкиваются с поверхностью мишени и передают ей кратковременный, но достаточно мощный импульс скоростного давления. Этот импульс возбуждает в мишени сверхзвуковую квазисферическую ударную волну, распространяющуюся в центр мишени, где она охлопывается и разогревает центр мишени, зажигая в нем реакцию термоядерного синтеза.

Скоростное давление плазмы 29 оболочек лайнера совместно с магнитным давлением на лайнер, суммарная величина которых составляет ~2·1010 Н/м2, а время действия ~10-8 с, сжимает мишень примерно в 7·103 раз, обеспечивая условия инерциального выгорания мишени. В рассматриваемом примере, как показала расчетная оценка, выход нейтронов может составить 2,4·1019 нейтронов за импульс.

При сжатии мишени лайнером из дейтерия кинетическая энергия ускоренных ионов, как указывалось выше, может составлять более 7 кэВ. При столкновении с мишенью ионы дейтерия могут вступать с атомами трития, находящимися на поверхности мишени, в реакцию синтеза. Образующиеся в реакции α-частицы вылетают с поверхности мишени с энергией 3,6 МэВ и реактивной отдачей будут сжимать дополнительно мишень, повышая эффективность ее горения.

Приведенное описание работы устройства и реализации им заявленного способа показывает возможность получения высокого, соизмеримого по величине с магнитным скоростного давления для сжатия термоядерного горючего и его важную роль в процессе сжатия термоядерного горючего. Скоростное давление совместно с магнитным давлением могут обеспечить выход нейтронов, на несколько порядков превышающий ожидаемый в прототипе при сравнительно малой, легко реализуемой на практике энергии импульсного емкостного источника электропитания.

1. Способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов, включающий создание в рабочем газе с помощью электрического разряда двух встречных кольцевых токово-плазменных оболочек, ускорение их магнитным давлением тока разряда, соответственно, в двух встречных ускорительных каналах, направленных к их центру симметрии, образование из столкнувшихся токово-плазменных оболочек трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера с «плазменными фокусами», формирование путем столкновения плазменных фокусов плазменного ядра, являющегося термоядерным горючим, и его сжатие, отличающийся тем, что перед ускорением токово-плазменных оболочек в упомянутых каналах, которым придана закругленная к упомянутому центру симметрии форма, их предварительно ускоряют, соответственно, в двух коаксиальных ускорительных каналах, объединенных с соответствующими упомянутыми закругленными каналами, по выходу из которых токово-плазменные оболочки принимают в осевом сечении вид направленных к центру симметрии парабол, вершины которых приобретают дополнительное ускорение и образуют упомянутый гипоциклоидальный плазменный лайнер с «плазменными фокусами» за счет наклонного столкновения указанных вершин вблизи от центра симметрии, при этом сжатие плазменного ядра осуществляют действием магнитного давления и соизмеримого с ним по величине скоростного давления оболочек плазменного лайнера, которое возникает при торможении оболочек лайнера на плазменном ядре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочим газом является дейтерий-тритиевая смесь, или иной газ, вступающий в реакцию синтеза.

3. Способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов, включающий создание в рабочем газе с помощью электрического разряда двух кольцевых встречных токово-плазменных оболочек, ускорение их магнитным давлением тока разряда, соответственно, в двух встречных ускорительных каналах, направленных к их центру симметрии, образование из столкнувшихся токово-плазменных оболочек трехмерно-симметричного гипоциклоидального плазменного лайнера с «плазменными фокусами», сжатие термоядерного горючего, отличающийся тем, что перед ускорением токово-плазменных оболочек в упомянутых каналах, которым придана закругленная к упомянутому центру симметрии форма, их предварительно ускоряют соответственно, в двух коаксиальных ускорительных каналах, объединенных с соответствующими упомянутыми закругленными каналами, по выходу из которых токово-плазменные оболочки принимают в осевом сечении вид направленных к центру симметрии парабол, вершины которых приобретают дополнительное ускорение и образуют упомянутый гипоциклоидальный плазменный лайнер с «плазменными фокусами» за счет наклонного столкновения указанных вершин вблизи от центра симметрии, при этом термоядерное горючее, которым является твердотельная мишень сферической формы, выполненная из веществ, вступающих в реакцию синтеза, предварительно помещают в центре симметрии плазменного лайнера и импульсом скоростного давления фронтов плазменного лайнера совместно с его «плазменными фокусами» зажигают в центре мишени термоядерную реакцию, а наружный слой мишени сжимают суммарным воздействием на мишень скоростного давления плазменного лайнера, которое возникает при торможении оболочек лайнера мишенью, и соизмеримого с ним магнитного давления.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что рабочим газом является гелий или иной легкий газ.

5. Устройство магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов, содержащее кольцевой объемный электрод с боковыми поверхностями, имеющими форму воронок, выходы которых направлены друг к другу, два торцевых электрода круговой объемной формы с уменьшающимся к центру симметрии устройства диаметром, расположенных соосно и симметрично относительно боковых поверхностей кольцевого электрода и образующие между внешними поверхностями кольцевого и торцевых электродов два встречных, направленных к центру симметрии, ускорительных канала, отличающееся тем, что электроды выполнены полыми, их поверхности усечены вблизи от центра симметрии плоскостями, перпендикулярными оси устройства, упомянутые ускорительные каналы выполнены закругленными за счет придания поверхностям торцевых электродов выпуклой формы, а боковым поверхностям кольцевого электрода - вогнутой формы, введены коаксиальные ускорительные электроды, образующие прямолинейные ускорительные каналы, внешний и внутренний проводники которых заодно или жестко соединены, соответственно, с боковыми поверхностями кольцевого электрода и поверхностями торцевых электродов, образуя сопряжение между прямолинейными и закругленными к центру симметрии ускорительными каналами, при этом кромки сечений полых электродов лежат на поверхности условной сферы, вписанной между ними, а радиус условной сферы, диаметры кромок усеченных торцевых электродов и расстояния между кромками боковых поверхностей кольцевого электрода равны между собой.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в каждой боковой поверхности кольцевого электрода выполнено одинаковое количество перфорационных отверстий для отвода тяжелых ионов загрязнений и сброса лишней массы токово-плазменных оболочек, площадь которых составляет 20-70% от площади каждой поверхности кольцевого электрода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения электронных пучков или пучков рентгеновских лучей для внутритканевой и интраоперационной лучевой терапии.

Изобретение относится к плазменным источникам медицинских установок, преимущественно для обеззараживания ран. .

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, применяемых в качестве электрореактивных двигателей, а также в составе технологических плазменных установок.

Изобретение относится к области дуговой сварки плавлением, в частности к способам наплавки изделий порошкообразным присадочным материалом с использованием плазменной дуги прямого действия.

Изобретение относится к устройству плазмохимического реактора, предназначенного для обработки минеральных руд перед флотацией, восстановления из окислов металлов (молибдена, свинца, олова) чистого металла, а также для освобождения сульфидных минералов от серы.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки рабочего тела (РТ) плазменным ускорителям, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам светотерапии. .

Изобретение относится к области инерционного термоядерного синтеза и плазменной техники и может быть использовано для создания источников проникающих излучений. .

Изобретение относится к плазменной технике, а именно, к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы, использующейся в плазмохимии и металлургии для плазменной обработки газообразных продуктов и дисперсных материалов.

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды
Изобретение относится к плазменной сварке металлов электродуговыми плазмотронами и может быть использовано в зубопротезном и ювелирном деле, машиностроении, приборостроении и производстве искусственных волокон

Изобретение относится к нанотехнологии

Изобретение относится к плазменной технике

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке, наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД), а также в области прикладного применения плазменных ускорителей

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения тепловой энергии:- автономно для подачи перегретого пара на промышленные и бытовые теплообменники, турбоустановки, турбогенераторы и другие потребители перегретого водяного пара;- в ядерных энергетических установках с реакторами типа ВВЭР как для непосредственного перегрева насыщенного пара, так и для смешения насыщенного пара с перегретым паром с целью повышения коэффициента полезного действия, увеличения мощности, сокращения расхода охлаждающей воды, понижение влажности пара перед последними ступенями турбин, что позволит заменить турбины влажного пара на турбины перегретого пара для атомных электрических станций и транспортных установок, например, судовых и корабельных с повышением коэффициента полезного действия, мощности, надежности и безопасности эксплуатации;- по мощности и своим весогабаритным характеристикам энергетическая установка может быть использована в транспортных энергоустановках железнодорожного типа;- при заводском блочном исполнении агрегатов установки она может доставляться на стройплощадку посредством: автомобильного транспорта, например трейлер с тягачом типа «Faun», воздушным транспортом транспортным самолетом типа «Руслан», экранопланом, водным транспортом речным и морским

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для создания высокояркостных источников оптического излучения

Изобретение относится к технологии поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов и может быть использовано в машиностроении и инструментальной промышленности
Наверх