Способ формирования компактного плазмоида

Авторы патента:

Ромаданов Иван Валерьевич (RU)

Рыжков Сергей Витальевич (RU)

Мозговой Александр Григорьевич (RU)

H05H1/00 - 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 2523427:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к области физики плазмы и систем ядерного синтеза, в частности к альтернативным способам удержания горячей плотной плазмы. В заявленном способе формирования компактного плазмоида возбуждение тороидального тока производят индуктивным аккумулятором (основной соленоид с подключенной конденсаторной батареей), затем этот ток прерывают, затем пропускают импульс тока через рабочее вещество в продольном направлении, по крайней мере, через один вспомогательный виток, проходящий в рабочем объеме в продольном направлении. Указанный импульс тока создает тороидальное магнитное поле, после чего возобновляют подачу тороидального тока в направлении, противоположном первоначальному направлению через дополнительный соленоид, намотанный соосно основному соленоиду, для отжатая плазмоида от стенки основного соленоида и сжатия плазмоида. Техническим результатом является повышение энерговклада в плазму и уровня захваченного магнитного потока при формировании компактной плазменной конфигурации.4 ил.

Область техники

Изобретение относится к области физики плазмы и систем ядерного синтеза, в частности к альтернативным способам удержания горячей плотной плазмы.

Уровень техники

Известны следующие способы формирования обращенной магнитной конфигурации (ОМАК): 1) тета-пинчом (9-пинч) [1] - в итоге получается вытянутая форма плазмоида, 2) сферомаками противоположной спиральности [2] - плазмоид в форме шара, или 3) вращающимся магнитным полем [3]. Недостатком предложенных ранее способов формирования ОМАК является низкий уровень захватываемого потока и, как следствие, низкий уровень энергии, передаваемой от источника энергии (чаще всего это конденсаторы) в плазму (энерговклад).

Известен также способ формирования устойчивых состояний плотной высокотемпературной плазмы [4], в котором удержание плазмы предполагается за счет собственного гравитационного поля. Недостатком способа является отсутствие конкретной конфигурации (получена произвольная схема, не компактный тор). Другим аналогом предлагаемого изобретения является способ формирования обращенной магнитной конфигурации для магнитного и электростатического удержания плазмы [5], в котором возбуждение плазмы осуществлено индуктивной катушкой, расположенной снаружи. Подобное возбуждение плазмы имеет место в сферических токамаках. В X, Z-пинчах, также как и в токамаках, энергия к плазме топологически подводится извне от внешних источников энергии и, как показывают экспериментальные результаты, добиться эффективной передачи энергии к плазме не удается. Недостатками являются низкое значение коэффициента полезного действия и отсутствие в таких конфигурациях плазмы внутреннего механизма, приводящего к самонагреву и самоподдержанию плазмы.

Самым близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является способ получения высокотемпературной плазмы [6]. Согласно этому способу возбуждение тока вихря выполнено при помощи индуктивного аккумулятора, который используется для предварительного накопления магнитной энергии в рабочей области. Ионизация достигается прерыванием тока, текущим через аккумулятор. Основным недостатком этого способа является низкий коэффициент захвата магнитного потока.

Раскрытие изобретения

Задачей данного способа является повышение энерговклада в плазму и уровня захваченного магнитного потока при формировании компактной конфигурации.

Задача решается тем, что в способе формирования компактного плазмоида, при котором возбуждение тороидального тока производят индуктивным аккумулятором (основной соленоид с подключенной конденсаторной батареей), затем этот ток прерывают, затем пропускают импульс тока через рабочее вещество в продольном направлении, по крайней мере, через один вспомогательный виток, проходящий в рабочем объеме в продольном направлении. Указанный импульс тока создает тороидальное магнитное поле, после чего возобновляют подачу тороидального тока в направлении, противоположном первоначальному направлению через дополнительный соленоид, намотанный соосно основному соленоиду, для отжатая плазмоида от стенки основного соленоида и сжатия плазмоида.

Перечень чертежей

На фиг.1 показана начальная стадии формирования компактного плазмоида - генерация полой дальнего магнитного поля: I_t - тороидальный ток; В_р - полоидальное магнитное поле.

На фиг.2 схематично представлена стадия захвата магнитного потока: I_p - полоидальный ток; Bt - тороидальное магнитное поле.

На фиг.3 приведена схема сжатия и удлинения плазмоида.

На фиг.4 показана заключительная стадия - конфигурация отжата от стенки и происходит ее поперечное сжатие.

Осуществление изобретения

На фиг.1-4 приведена схема формирования компактного плазмоида. В камеру напускают рабочее тело (водород или дейтерий), после чего за счет пропускания тока через основной соленоид с подключенной конденсаторной батареей создается продольное магнитное поле (фиг.1). В момент максимального значения тока происходит его обрыв, т.е. размыкается цепь основного соленоида полоидального магнитного поля (В_р). Это создает в плазме тороидальный круговой ток (I_t), направленный так, что он стремится поддержать убывающее полоидальное магнитное поле В_р (фиг.2). Для поддержания этого поля сквозь плазму пропускают полоидальный ток (I_p). В результате образуется суммарное винтовое магнитное поле, которое поддерживает полученный тороидальный ток в плазме и увеличивает величину захватываемого магнитного потока. Затем включают дополнительный соленоид - соленоид обратного поля (фиг.3), в результате чего образуется вытянутая конфигурация с круговым магнитным полем В_р. Плазмоид отжимается от стенки основного соленоида и происходит его поперечное сжатие за счет силы Ампера (фиг.4).

Для подтверждения изобретения был проведен эксперимент, в котором обмотки основного и дополнительного соленоидов намотаны во встречном направлении. Момент, когда полоидальное поле B_p достигает своего максимума, совпадает с моментом начала обрыва тока. Тот же самый ток используют для создания предварительной ионизации. После того как ток в соленоидной обмотке прерван, направление магнитного поля вне сформированного токопроводящего контура в плазме изменяется на обратное, что гарантирует сжатие, удержание и нагрев плазмы. Возникший в плазме тороидальный ток I_t формирует круговое полоидальное магнитное поле B_p. В момент обрыва тока в соленоиде, примерно через 20 мкс, в продольном направлении через плазму пропускают ток I_p. Этот ток создает вокруг себя тороидальное магнитное поле B_t, которое поддерживает тороидальный ток I_t, что вызывает увеличение величины захватываемого магнитного потока. Включение тока в обратной обмотке вызывает отжатие конфигурации от стенки основного соленоида и сжатие плазмоида.

Данный способ состоит в формировании плазменного пучка за счет электромагнитной индукции после обрыва тока во внешней катушке. Такой способ позволяет эффективно вкладывать энергию из катушек в плазму. Большой ток в катушке до обрыва позволяет получить сильное собственное магнитное поле плазменного пучка. Фактически магнитная конфигурация создается за счет образовавшегося пучка плазмы, что не требует наличия специальной катушки для обращения магнитного поля. В совокупности с отсутствием постоянного внешнего (от катушек) магнитного поля в объеме камеры это является главным отличием предлагаемого способа формирования от всех других подобных.

Расчетно-экспериментальными методами доказано, что уровень захватываемого плазмой магнитного потока, а соответственно и энерговклада превышает 60%, что является очень высоким показателем для данного типа систем.

Изобретение предназначено для формирования компактного плазмоида для последующего создания перспективных энергетических установок высокой плотности, таких как различные источники нейтронов и протонов, установки для материаловедения, неразрушающего контроля, производства медицинских изотопов, уничтожения химических отходов и т.д.

Источники информации

1. Куртмуллаев Р.Х., Малютин А.И., Семенов В.Н. Компактный тор // Итоги науки и техники. Физика плазмы. М.: ВИНИТИ, 1985. Т. 7. С.80-135.

2. Spheromak merging and field reversed configuration formation at the Swarthmore Spheromak Experiment / CD. Cothran [et al.] // Phys. Plasmas. 2003. V. 10, №5. P. 1748-1754.

3. Knight A. J., Jones I.R. A Quantitative investigation of rotating magnetic field current drive in a field reversed configuration // Plasma Physics and Controlled Fusion. 1990. V. 32, №8. P. 575-604.

4. Патент РФ №2273968 "Способ формирования устойчивых состояний плотной высокотемпературной плазмы". МПК H05H 1/00, H05H 1/02, G21B1/00, опубл. 30.11.2004.

5. U.S. Patent No. 6891911 "Formation of a field reversed configuration for magnetic and electrostatic confinement of plasma". МПК G21B 1/00, опубл. 04.12.2003.

6. Патент РФ №2082289 "Способ получения высокотемпературной плазмы". МПК Н05Н1/00, Н05Н1/46, опубл. 20.06.1997.

Способ формирования компактного плазмоида, при котором возбуждение тороидального тока производят индуктивным аккумулятором (основной соленоид с подключенной конденсаторной батареей), затем этот ток прерывают, отличающийся тем, что после прерывания тороидального тока пропускают импульс тока через рабочее вещество, по крайней мере, через один вспомогательный виток, проходящий в рабочем объеме в продольном направлении, указанный импульс тока создает тороидальное магнитное поле, после чего возобновляют подачу тороидального тока в направлении, противоположном первоначальному направлению через дополнительный соленоид, намотанный соосно основному соленоиду, для отжатая плазмоида от стенки основного соленоида и сжатия плазмоида.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразованию электрической энергии в тепловую с помощью плазмотрона, и может быть использовано, в частности, в установках газификации отходов.

Катод плазменного ускорителя (варианты) // 2522702

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды.

Свч плазменный конвертор // 2522636

Изобретение относится к технике переработки углеводородного сырья, в частности природного газа, и может быть использовано при получении углеродных нанотрубок и водорода.

Сопло плазменной горелки с жидкостным охлаждением, крышка сопла плазменной горелки с жидкостным охлаждением и головка плазменной горелки с такой крышкой или крышками // 2519245

Заявленное изобретение относится к соплу для плазменной горелки с жидкостным охлаждением. Заявленное сопло содержит отверстие для выхода плазменной струи на носке сопла, первый участок, наружная поверхность которого выполнена по существу цилиндрической, и примыкающий к первому участку со стороны носка сопла второй участок, наружная поверхность которого сужается в направлении к носку сопла по существу на конус, при этом предусмотрена, по меньшей мере, одна канавка для подачи жидкости, проходящая частично по первому участку и по второму участку на наружной поверхности сопла в направлении к носку сопла, а также предусмотрена одна отдельная от канавки или канавок для подачи жидкости канавка для отвода жидкости, проходящая по второму участку, или предусмотрены одна канавка для подачи жидкости, проходящая частично по первому участку и по второму участку на наружной поверхности сопла в направлении к носку сопла, и, по меньшей мере, одна отдельная от канавки для подачи жидкости канавка для отвода охлаждающей жидкости, проходящая по второму участку.

Оптимизация частоты возбуждения радиочастотной свечи // 2516295

Изобретение относится к радиочастотным устройствам генерирования плазмы для двигателей внутреннего сгорания. Радиочастотное устройство генерирования плазмы содержит модуль (20) питания, подающий на выходной интерфейс сигнал (U) возбуждения на заданной частоте (Fc), позволяющий получить искру (40) на выходе резонатора (30) генерирования плазмы, соединенного с выходным интерфейсом модуля питания, и модуль (10) управления, задающий частоту модулю питания во время команды на радиочастотное генерирование плазмы.

Эрозионный импульсный плазменный ускоритель // 2516011

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей.

Нагнетательное насосное устройство с диэлектрическим барьером и способ формирования такого устройства // 2516002

Изобретение относится к устройствам для нагнетания текучей среды. Нагнетательный насос с диэлектрическим барьером для ускорения потока текучей среды содержит первый диэлектрический слой, в который встроен первый электрод, и второй диэлектрический слой, в который встроен второй электрод.

Способ модификации ионосферной плазмы // 2515539

Изобретение относится к области электричества, касается способа модификации ионосферной плазмы, который может быть использован для исследования околоземного пространства, задач дальней НЧ радиосвязи, а также в целях радиопротиводействия.

Способ формирования самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для системы генерации азотной плазмы // 2513119

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов цветных металлов методом плазменного азотирования.

Устройство, препятствующее карбонизации // 2508067

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к инструментам для осуществления плазменной коагуляции ткани. Инструмент включает устройство подачи окислительного средства, устройство подачи газа и электрод для получения плазмы, устройство предотвращения карбонизации ткани при плазменной коагуляции.

Система электростатического ионного ускорителя // 2523658

Система электростатического ионного ускорителя, содержащая ионизационную камеру (IK), которая имеет на одной стороне в продольном направлении отверстие для выхода струи, электродную систему, содержащую анодную систему (AN) и катодную систему (KA), которая создает в ионизационной камере электростатическое поле, ориентированное в продольном направлении, при этом анодная система расположена противоположно выходному отверстию у основания камеры. Анодная система отдает преобладающую часть возникающего в ней тепла потерь в ионизационную камеру (IK) в виде теплового излучения (WS), причем в ионизационную камеру подается нейтральный рабочий газ и в ней ионизируются положительно заряженные ионы. Система ионного ускорителя образует привод космического летательного аппарата, магнитная система, окружающая ионизационную камеру, создает в ионизационной камере магнитное поле; отражательное устройство для теплового излучения содержит отражательную поверхность с излучательной способностью, которая меньше, предпочтительно составляет максимально половину излучательной способности обращенной к ионизационной камере поверхности передней стороны анодного электрода. Технический результат - упрощение конструкции. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Плавильный плазмотрон // 2524173

Изобретение относится к области электротермической техники, а именно к устройствам плазменно-дуговых сталеплавильных печей. Плавильный плазмотрон включает водоохлаждаемый корпус, каналы для подачи плазмообразующего газа, расположенные параллельно оси плазмотрона и соединенные с вертикально расположенным водоохлаждаемым соплом, электрическую изоляцию, электрическую сеть, вольфрамовый электрод-катод, электрододержатель. Плазмотрон дополнительно снабжен вторым каналом для подачи плазмообразующего газа с соплом, причем сопла установлены симметрично относительно вертикальной оси плазмотрона и под углом 30-35° к вертикальной оси электрододержателя. Технический результат - снижение расхода электроэнергии. 2 ил.

Охлаждающая труба, электродержатель и электрод для плазменно-дуговой горелки, а также состоящие из них устройства и плазменно-дуговая горелка с ними // 2524919

Группа изобретений относится к плазменной технике. Охлаждающая труба для плазменно-дуговой горелки включает в себя продолговатое тело с располагаемым в открытом конце электрода концом и проходящим через это тело каналом для охлаждающей среды, при этом на упомянутом конце стенка охлаждающей трубы имеет валикообразное, направленное внутрь и/или наружу утолщение. Устройство из охлаждающей трубы для плазменно-дуговой горелки включает в себя продолговатое тело с разъемно соединяемым с электрододержателем для плазменно-дуговой горелки задним концом и проходящим через это тело каналом для охлаждающей среды. Электрододержатель для плазменно-дуговой горелки включает в себя продолговатое тело с концом для размещения электрода и полостью, причем на наружной поверхности охлаждающей трубы расположен, по меньшей мере, один выступ для ее центрирования в электрододержателе. Технический результат - предотвращение перегрева электрода плазменно-дуговых горелок. 10 н. и 21 з.п. ф-лы, 17 ил.

Электрод плазменной горелки // 2526862

Заявленное изобретение относится к электроду плазменной горелки. Заявленное устройство содержит продолговатый электрододержатель с передней поверхностью на острие электрода и сверлением, выполненным на острие электрода по средней оси через электрододержатель, и эмиссионную вставку, установленную в сверлении таким образом, что излучающая поверхность эмиссионной вставки остается свободной. При этом излучающая поверхность смещена назад относительно передней поверхности электрододержателя и электрод плазменной горелки содержит гнездо для своего размещения и электрододержатель, причем гнездо под электрод имеет внутреннюю резьбу, а электрододержатель содержит наружную резьбу и сплошное кольцо в канавке на цилиндрической наружной поверхности. При этом электрододержатель свинчен с гнездом под электрод с помощью наружной и внутренней резьбы и уплотнен посредством сплошного кольца. Заявленная плазменная горелка выполнена с указанным электродом. Техническим результатом является повышение срока службы электрода. 2 н. и 7 з. п. ф-лы, 11 ил.

Стационарный плазменный двигатель малой мощности // 2527898

Изобретение относится к плазменной технике. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцевой анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубы для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Техническим результатом является повышение тяговой характеристики стационарного плазменного двигателя малой мощности и упрощение конструкции при обеспечении гарантированного времени непрерывной работы. 17 ил.

Магнитный блок распылительной системы // 2528536

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к конструкции магнитного блока распылительной системы, и может быть использовано в планарных магнетронах для вакуумного ионно-плазменного нанесения тонких пленок металлов и их соединений на поверхность твердых тел. Магнитный блок включает в себя центральный цилиндрический и внешний кольцевой магниты, коаксиально установленные с зазором на магнитопроводе из магнитомягкого материала. Магнитопровод выполнен с кольцевым выступом, равным по высоте магнитам, при этом выступ выполнен с возможностью фиксации центрального магнита. Поверхность выступа, обращенная к центральному магниту, может быть выполнена конической. Технический результат использования изобретения заключается в повышении равномерности напряженности магнитного поля и уменьшении габаритов блока. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство с магнитным удержанием плазмы, типа "открытая ловушка с магнитными пробками" // 2528628

Заявленное изобретение относится к физике плазмы. В заявленном устройстве с магнитным удержанием плазмы типа «ловушка с магнитными пробками» рабочий объем заполнен плазмой из одного исходного изотопа, при этом ядра второго изотопа ускоряют до энергий (110÷700) кэВ и вводят плотными пучками, уравновешивающими давление получаемой плазмы со всех сторон. Ускорители распределены вдоль рабочего объема группами, ориентированы на свою - для каждой группы - область схождения пучков и присоединены к источникам питания через устройства, включающие каждую группу ускорителей в заданный для нее момент рабочего цикла. Размещение и включение групп ускорителей согласованы с возможностью взаимодействия потоков плазмы от групп ускорителей, включаемых ранее, и с пучками ускоренных ядер в областях схождения этих пучков ускоренных ядер. Техническим результатом является компенсация давления потоков плазмы вдоль магнитного поля.

Высоковольтный плазмотрон // 2529056

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для нагрева различных газов и в качестве поджигающего устройства пылеугольной горелки. Технический результат - повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов. Высоковольтный источник питания, формирующий в непрерывном режиме переменное напряжение высокой частоты, подключен к коническому первому электроду и второму цилиндрическому электроду, который разделен на два - поджигающий и выходной цилиндра. Вторые электроды крепятся соосно в диэлектрическом цилиндре - корпусе устройства - с помощью двух центрирующих диэлектрических шайб с отверстиями, параллельными главной оси устройства, для прохождения воздуха. Внутри поджигающего цилиндра второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу закреплен первый конический электрод. Потокоформирующая шайба имеет отверстия под углом к главной оси устройства для закручивания воздушного потока, проходящего через шайбу. 3 ил.

Электродуговой шестиструйный плазматрон // 2529740

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области атомно-эмиссионного спектрального анализа, при термической обработке порошковых материалов, а также в качестве их атомизатора для корректировки траектории космических аппаратов. В устройстве заявленного шестиструйного плазматрона плазмообразующие медные головки, смонтированные на диэлектрических плато, жестко присоединены к кронштейнам с возможностью перемещения вдоль осей головок в направлении, перпендикулярном относительно трубчатых стоек. Над ними кольцеобразно размещены трубчатая камера подачи в головки аргона, защищающего электроды от окисления, и камера распределения рабочего газа. Над стойками аксиально вышеупомянутым камерам размещены камера ввода охлаждающей воды в секции головок из вертикального канала ввода воды и камера сброса воды в канал, связь которых с секциями головок осуществлена посредством гибких шлангов. Для охлаждения водяного потока предусмотрен радиатор. Стойки расположены на монтажном столе, между стойками жестко смонтирован патрубок, формирующий анализируемый газовый поток или обрабатываемый порошковый материал, и цилиндр, обеспечивающий синхронность изменения угла схождения шести головок посредством системы, в составе которой содержится плато с монтируемыми подвижно кронштейнами, обеспечивая изменение величины межэлектродного промежутка плазмообразующих головок. Техническим результатом является обеспечение возможности полного контроля любых газовых потоков при термической обработке любых порошковых материалов заданного фракционного состава с помощью плазменного потока с температурой выше 6000°С. 2 ил.

Сопло плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, а также головка плазменной горелки с соплом // 2533187

Изобретение относится к области плазменной техники. Сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, содержит сверление сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла конически, причем предусмотрена/предусмотрены, по меньшей мере, одна канавка подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна канавка отвода жидкости и продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла (4) по направлению к концу сопла и причем канавка подвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или канавка отвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна канавка, сообщающаяся с канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок подвода жидкости или с канавкой отвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок отвода жидкости. Технический результат - снижение перегрева сопла. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.