ПЛАЗМЕННАЯ ЦЕНТРИФУГА Российский патент 1996 года по МПК H05H1/02 H05H1/10 

Изобретение относится к плазменной и ядерной технике и предназначено для вращения газоплазменной смеси с целью разделения изотопов и осуществления ядерных реакций. Оно может быть использовано для исследования резонансных параметров взаимодействия материалов с нейтронами, осуществления управляемого термоядерного синтеза, получения трансурановых элементов, получения ядерного горючего, осуществления цепной ядерной реакции деления на резонансных нейтронах, получения мощных источников α -, b и g - излучения и т.д.

Эффект центрифугирования можно получить на токамаках [Михайловский, Гидродинамическая теория вращения плазмы в токамаке, М. 1982, Институт АЭ] при перемещении плазмы в криволинейных каналах [Аксенов И.И. Белоус В.А. Патент Швеции 8201888-8, кл. Н 05 Н 1/50, 1982] однако наиболее близкой по конструкции является плазменная центрифуга.

Плазменная центрифуга устройство для вращения плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях. Конструктивно она представляет собой цилиндрическую камеру, заполненную газом с коаксиальным внутренним электродом, которая помещена в продольное магнитное поле. Образование, ускорение и вращение плазмы, а также создание сильного центробежного поля происходит во время электрического заряда между коаксиальным внутренним электродом и стенками камеры, приводящего к протеканию радиального ока. Вращающаяся под действием силы Лоренца разрядная плазма, двигаясь через нейтральный газ, вовлекает его во вращение за счет столкновений (вязкости) [Коробцев С.В. Русанов В.Д. Плазменная центрифуга плазмохимический реактор нового типа, Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР, Москва, 1988] - прототип.

Недостатками такой плазменной центрифуги являются:
наличие критической скорости частично ионизованной плазмы относительно стенок камеры, а также между отдельными ее слоями, препятствующей получению больших скоростей газоплазменной смеси (это обусловлено тем, что при приближении к критической скорости вся подводимая энергия тратится на ионизацию нейтральных атомов [Alfven H. Rev. Modern Phys. 1960, Vol. 32, p. 710]);
для достижения критических скоростей движения плазмы необходимо обеспечить протекание больших радиальных токов. Плотность радиального тока обратно пропорциональна расстоянию от коаксиального внутреннего электрода и плазма наиболее сильно разогрета в центре камеры, где линейная скорость вращения практически равна нулю, поэтому энергия на нагрев плазмы теряется бесполезно;
с ростом диаметра камеры увеличивается разрядный промежуток для протекания радиального тока, что резко увеличивает максимальную температуру плазмы и энергозатраты. Поэтому достижение критических скоростей вращения газоплазменной смеси обеспечивается только при импульсной работе центрифуги;
действие электрического поля вызывает радиальный ток ионов, вовлекающих в это движение нейтральные атомы, которые попадают на стенки камеры и тормозят плазму;
из-за разогрева газоплазменной смеси радиальным током, отношение кинетической энергии вращения к тепловой энергии смеси сравнительно невелико.

Целью изобретения является исключение радиального тока, уменьшение или исключение трения газоплазменной смеси о стенки камеры и преодоление таким образом ограничения по критической скорости вращения газоплазменной смеси, а также снятие ограничений на габариты камеры, связанные с величиной разрядного промежутка.

Поставленная цель достигается тем, что в плазменной центрифуге, содержащей цилиндрическую камеру, электроды и электромагнит, на внутренних торцевых и цилиндрических поверхностях камеры установлены электроды таким образом, что на цилиндрической поверхности электроды расположены рядами вдоль оси камеры с одинаковым расстоянием между рядами и электродами, а на торцевых поверхностях они расположены рядами по радиусу таким образом, что при приближении к центру ряд заканчивается, если расстояние между соседними рядами электродов становится меньше 0,5 расстояния между электродами. По периметру внешней поверхности камеры установлены обмотки электромагнитов одна за другой, имеющих вид контурных скоб, охватывающих камеру от оси на одной торцевой поверхности камеры, до оси на другой торцевой поверхности, а в каждом промежутке, образованном ветвями контурной скобы, на торцевых и цилиндрической поверхностях, расположены элементы обмоток магнитов для вращения плазмы.

Фиг. 1 Схема плазменной центрифуги, вид сбоку и разрез;
Фиг. 2 Внешний вид центрифуги в плане;
Фиг. 3 Элементы схемы узла ионизации газа;
Фиг. 4 Схема магнитного модуля для вращения плазмы;
Фиг. 5 Элемент обмотки электромагнита для образования магнитной "подушки".

Фиг. 6 Схема расположения электродов на внутренней цилиндрической поверхности центрифуги;
Фиг. 7 Схема расположения электродов на внутренних торцевых поверхностях центрифуги.

Плазменная центрифуга состоит из следующих элементов: 1 корпус, 2 - электроды, 3 высокочастотный высоковольтный генератор для образования дуги между электродами, 4 элемент обмотки магнита для вращения плазмы, 5 - генератор вращения плазмы, 6 контурная скоба для образования магнитной "подушки", 7 сжиженный гелий для охлаждения обмоток, создающих магнитную "подушку", 8 канал для подачи в центрифугу газа, 9 высоковольтная высокочастотная дуга, 10 схема расположения к концов электродов на внутренней цилиндрической поверхности центрифуги, 11 схема расположения концов электродов на внутренних торцевых поверхностях центрифуги.

Центрифуга работает следующим образом: внутри камеры 1 между всеми электродами 2 одновременно зажигаются электрические дуги, образованные импульсами высокочастотного высоковольтного генератора 3, превращая в плазму пристеночный слой газовой смеси. Магнитным устройством, модули которого обозначены позицией 4, плазма, находящаяся внутри камеры, приводится во вращательное движение вокруг продольной оси камеры, при это скорость вращения плазменного слоя задается частотой следования импульсов, поступающих на модули магнитного устройства от генератора вращения плазмы 5. Перемещающийся плазменный слой увлекает за собой неионизованные ядра газовой смеси, при этом, между плазмой и стенками камеры, контурными скобами электромагнита 6 создается магнитная "подушка", удерживающая пристеночный слой плазмы на некотором расстоянии от стенок камеры.

Образованный в начальный момент пристеночный слой плазмы в дальнейшем поддерживается в плазменном состоянии за счет тормозящих плазму токов Фуко, возникающих при ее пересечении магнитно-силовых линий "подушки".

Следовательно, полностью ионизованный слой плазмы и находящийся за нею неионизованный газ отодвинуты от стенок камеры магнитной "подушки" и таким образом снято Альфвеновское ограничение по критической скорости для частично ионизованного газа относительно стенок камеры. Для границы же раздела между плазмой и неионизованным газом это ограничение остается и при придании плазме относительно стенок камеры скорости, превышающей критическую, весь объем контактирующего с ней, частично ионизованного и нейтрального газа, будет двигаться как твердое тело [прототип, стр. 29]
Оценочные расчеты энергозатрат, проведенные для случая вращения водорода массой 0,01 г с линейной скоростью 1,5 • 10⁵ м/с в плазменной центрифуге радиусом 2 м и высотою 1 м (объем камеры 12,6 м³, боковая поверхность 12,6 м², средняя плотность водорода 5•10²⁰ яд/м³), при температурах пристеночного слоя плазмы 10⁵, 10⁶ и 10⁷ K показали, что на вращение водорода в течение 1 часа расходуется энергия равна 5400 МВт, при температуре плазмы 10⁵ K и силе торможения 2870 н/м², 170 МВт, при температуре плазмы 10⁶ K и силе торможения 91 н/м² и 5,4 МВт, при температуре 10⁷ K и силе торможения 2,9 н/м².

Полученные энергозатраты позволяют сделать вывод, что они не могут быть препятствием для реализации предлагаемой плазменной центрифуги, поскольку в последнем случае, например, один блок АЭС мощностью 1000 МВт может обеспечить работу почти 200 таких установок.

Использование: плазменная и ядерная техника, разделение изотопов. Сущность изобретения: на внутренней поверхности центрифуги установлены электроды для образования пристеночного слоя плазмы, а на внешней поверхности установлены элементы обмоток электромагнитов, для вращения плазменного слоя вокруг продольной оси камеры, и обмотки электромагнитов, имеющие вид контурных скоб, которые магнитным полем отталкивают вращающийся плазменный слой от стенок камеры. На цилиндрической поверхности камеры электроды расположены рядами вдоль оси симметрии камеры с одинаковым расстоянием между рядами и электродами. На торцевых поверхностях они расположены рядами по радиусу камеры. 7 ил.

Плазменная центрифуга, содержащая цилиндрическую камеру, электроды и электромагнит, отличающаяся тем, что на внутренних торцевых и цилиндрических поверхностях камеры установлены электроды таким образом, что на цилиндрической поверхности электроды расположены рядами вдоль оси симметрии камеры с одинаковым расстоянием между рядами и электродами, а на торцевых поверхностях они расположены рядами по радиусу таким образом, что при приближении к центру ряд заканчивается, если расстояние между соседними рядами электродов становится меньше 0,5 расстояния между электродами, при этом на внешней поверхности камеры одна за другой по ее периметру установлены обмотки электромагнитов, имеющие вид контурных скоб, охватывающих камеру от оси на одной торцевой поверхности камеры до оси на другое торцевой поверхности, а в каждом промежутке, образованном ветвями контурной скобы, на торцевых и цилиндрической поверхностях расположены элементы обмоток электромагнитов для вращения плазмы.