СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГАЗОПЛАЗМЕННОЙ СМЕСИ Российский патент 1996 года по МПК H05H1/02 H05H1/54 

Настоящее изобретение относится к области плазменной техники и предназначено для образования и перемещения газоплазменной смеси в прямо- и криволинейных каналах, в центрифугах, а также перемещения предмета в сплошной неподвижной газовой среде.

Образование плазмы и перемещение газоплазменной смеси обычно осуществляют в три этапа:
1 получение плазмы в плазмотронах.

2 ускорение плазмы в ускорителях.

3 перемещение (транспортировка) плазмы в специальных прямо- или криволинейных плазмооптических системах.

Известен способ образования и перемещения газоплазменной смеси, где газовую смесь превращают в плазму, помещают в магнитное поле и затем перемещают, путем пропускания через нее электрического тока.

При этом сила, действующая на плазму (проводник) в магнитном поле равна:
F B•l•I [H] (1)
где: F сила, действующая на проводник с током, Н;
B магнитная индукция, Тл;
I длина проводника, м;
l сила тока в проводнике, А.

Образование, ускорение и перемещение полностью и частично ионизованной плазмы в скрещенных электрических и магнитных полях изложены в работе [И.С. Абрамов, "Ускорители плазмы и электрореактивные двигатели", (Конспект лекций), Ленинградский Электротехнический институт, Ленинград, 1978] прототип.

Недостатками такого способа перемещения являются: при перемещении полностью и ионизованной плазмы ее ядра имеют большое различие по скоростям; при перемещении частично ионизованной плазмы имеет место наличие критической скорости между ее отдельными слоями и контактируемой с нею поверхностью, например, со стенками камеры, в которой она находится, что препятствует получению больших скоростей перемещения 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)]
Целью настоящего изобретения является преодоление ограничений по критической скорости между газоплазменной смесью и контактируемой с нею поверхностью при обеспечении строго фиксированной, предварительно заданной скорости ее перемещения.

Поставленная цель достигается за счет того, что газовую смесь превращают в ионизованную плазму, помещают ее в магнитное поле и перемещают относительно контактируемой поверхности путем пропускания через нее электрического тока, при этом в плазму превращают и затем перемещают только тонкий периферический слой газовой смеси контактирующий с поверхностью, который за счет трения увлекает за собой газовую смесь, причем различие в скорости движения между слоем плазмы и газовой смесью не превышает критической скорости для данного газа. Плазменное состояние движущегося периферического слоя поддерживают токами Фуко, которые возникают при отталкивании магнитной "подушкой" плазменного слоя от контактируемой поверхности.

При этом, вклад токов Фуко в температуру движущегося плазменного слоя определяется формулой:
T_ф 2,5•10²⁹•E_т/N_яд (2)
где Т_ф вклад в температуру плазменного слоя обусловленный токами Фуко, K;
E_т энергия, затраченная на магнитное торможение, Вт;
N_яд число ядер в плазменном слое.

Таким образом, полностью ионизованный слой плазмы отделяет контактируемую поверхность от неионизованного газа и снимает Альфвеновское ограничение по критической скорости для частично ионизованного газа относительно контактирующей с ним поверхностью. В то же время для границы раздела между плазмой и неионизованным газом это ограничение остается, поэтому при придании плазме относительно поверхности скорости превышающей критическую весь объем контактируемого с ней частично ионизованного и нейтрального газа будет двигаться как твердое тело [Коробцев Ц.В. Русанов В.Д. "Плазменная центрифуга плазмохимический реактор нового типа". Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР, Москва, 1988 г. стр. 29]
Рассмотрим работу данного способа перемещения газоплазменной смеси на примере вращения газоплазменной смеси в центрифуге.

Плотность центробежной силы, приходящейся на единицу боковой поверхности цилиндра, равна:
F_ц m•V²/(R•S_б [н/м²] (3)
где: F_ц центробежная сила приходящаяся на единицу поверхности, Н/м²;
m масса водорода, приходящаяся на единицу длины цилиндра, кг/м;
S₆=2•π•R•l площадь боковой поверхности единицы длины цилиндра, м²;
R радиус цилиндра, м;
l высота цилиндра, м;
V линейная скорость вращения, м/c.

Магнитное поле, которое необходимо создать, чтобы компенсировать центробежную силу вращающейся смеси, можно определить по формуле:
F_л= B²/μ₀=F_ц , (4)
откуда
(5)
где: F_п плотность (на единицу поверхности) силы левитации, н/м²;
F_ц центробежная сила, Н/м²;
μ₀ магнитная постоянная, В•c/A•м.

Магнитным полем можно компенсировать центробежную силу только пристеночного слоя газа превращенного в плазму.

Одной из важных характеристик плазмы при ее взаимодействии с магнитным полем является ее электропроводимость, которая определяется по формуле:
(6)
где: G электропроводимость плазмы, 1/Ом•м;
к постоянная Больцмана, Дж/K;
Т температура плазмы, K;
ε₀ электрическая постоянная, Ф/м;
Z заряд иона плазмы;
е элементарный электрический заряд, ^oK;
L Кулоновский логарифм (L ≈ 15);
m_e масса электрона, кг.

При движении плазмы над магнитным полем возникают тормозные силы, которые должны быть компенсированы тяговым усилием плазменного электродвигателя. Возникающие тормозные силы можно определить по формуле:
F_т= F_л/(0,5•μ₀•v•G•h) (7)
где: F_т плотность силы электромагнитного торможения, н/м²;
F_л плотность силы левитации, н/м²;
μ₀ магнитная постоянная, В•c/A•м;
V скорость движения плазмы, м/c;
G электропроводимость плазмы, 1/Ом•м;
h толщина плазменного слоя, м.

Как видно из формулы (7), на тормозную силу влияют четыре параметра: плотность силы левитации, скорость движения плазмы, электропроводимость плазмы и толщина плазменного слоя.

Плотность силы левитации и скорость движения плазмы взаимосвязаны для каждого конкретного случая имеют четко заданные значения, которые зависят от задач эксперимента. Толщина плазменного слоя, из-за больших центробежных сил не может быть значительно (более чем в 10 раз) увеличена тем более, что ее размер устанавливается автоматически, в зависимости от энергии, затраченной на преодоление электромагнитного торможения, поэтому уменьшить тормозную силу можно только посредством повышения электропроводимости плазмы.

Рассмотрим работу предлагаемого способа вращения газоплазменной смеси на примере вращения водорода.

Результаты расчетов электропpоводимости и электромагнитного торможения плазмы из водорода, движущейся со скоростью 1,5• 10⁵ м/с, проведенные по формулам (6) и (7) для различных значений ее температур, представлены в табл. 1.

Данные по температуре плазменного слоя из водородной плазмы, полученные по формуле (2) при условии, что вся энергия, затраченная на преодоление тормозной силы, расходуется на нагрев плазмы, приведены в последней графе таблицы (формула 2 получена из формул 3.7).

При проведении расчетов принято, что камера выполнена в виде цилиндра радиусом R 2 м бесконечной длины, внутри которой вращается водород с плотностью 5•10²⁰ яд/м³, т. е. на 1 погонный метр длины камеры приходится 0,01 грамма водорода, при этом пристеночный слой водорода толщиною d 0,02 м находится в плазменном состоянии.

Из представленных в табл. 1 данных можно сделать следующие выводы:
тормозная сила с ростом температуры плазмы падает;
при стабильном процессе вращения газоплазменной смеси температура плазменного слоя, обусловленная нагревом токами Фуко, не будет более 10⁸ градусов Кельвина, поскольку при меньшей температуре проводимость плазмы падает токи Фуко растут и температура плазменного слоя увеличивается, а при нагреве плазмы токами Фуко более 10⁸ градусов Кельвина ее проводимость увеличивается до такой степени, что энергия подводимой в плазму токами Фуко будет недостаточно и ее температура будет уменьшаться. В результате устанавливается самосогласованное стационарное состояние плазменного слоя с температурой Т ≈ 10⁶-10⁸ K, и поддерживающейся только за счет нагрева плазмы токами Фуко.

Представленные в табл. 1 данные позволяют оценить энергетические затраты на вращение газоплазменной смеси по формуле:
ΔP_т= F_т•S₆•V•t (8)
где: ΔP_т энергия, затраченная на электромагнитное торможение, МВт•ч;
F_т> плотность силы электромагнитного торможения, н/м²;
S_б боковая поверхность цилиндра, м²;
V скорость вращения плазмы, с.

Расчеты проводились для водорода при его вращении в цилиндрической камере радиусом 2 с линейной скоростью 1,5• 10⁵ м/c при температурах пристеночного слоя плазмы равных 10⁵, 10⁶ и 10⁷ К. Объем рассматриваемого участка цилиндра равен 12,6 м³, боковая поверхность равна 12,6 м², содержание водорода 0,01 г на 1 погонный метр цилиндра.

Для этих условий на вращение водорода в течение 1 часа расходуется энергия равная 5400 МВт, при температуре плазмы 10⁵ K и силе торможения 2870 н/м², энергия равная 170 МВт при температуре плазмы 10⁶ K и силе торможения 91 н/м² и 5,4 МВт при температуре 10⁷ К и силе торможения 2,9 н/м².

Приведенные данные позволяют сделать вывод, что полученные энергозатраты не могут быть препятствием для реализации предлагаемого способа вращения газоплазменной смеси поскольку, в последнем случае, например, один блок АЭС мощностью 1000 МВт может обеспечить работу почти 200 таких установок.

Если создать пристеночный слой плазмы, а электромагнитную тягу и магнитную "подушку" расположить вдоль продольной оси канала, то газоплазменная смесь будет перемещаться вдоль продольной оси канала и сможет превысить критическую скорость, при этом магнитное поле, создающее левитацию плазмы, будет значительно слабее, чем для вращения плазмы, поскольку в этом случае отсутствуют центробежные силы, прижимающие плазму к стенкам камеры.

Если на наружной поверхности, например гондолы дирижабля, создать плазму, электромагнитную тягу и магнитную "подушку" вдоль его продольной оси, то газоплазменная смесь будет перемещаться вдоль его продольной оси и создавать реактивную тягу.

Способ может быть использован для создания газоплазменных центрифуг и других устройств, где требуются большие скорости и отсутствие трения между газом и контактируемой с ним поверхностью.

Использование: перемещение газоплазменной смеси в прямо- и криволинейных каналах, в центрифугах и т.д. Сущность изобретения: в плазму превращают и затем перемещают только тонкий слой газовой смеси, контактирующий с поверхностью, который за счет трения увлекает за собой газовую смесь. Плазменное состояние движущегося слоя поддерживают токами Фуко, которые возникают при отталкивании плазменного слоя от контактируемой поверхности магнитной "подушкой". Различие в скорости движения между слоем плазмы и газовой смесью не превышает критической скорости для используемого газа. 1 табл.

Способ перемещения газоплазменной смеси, заключающийся в том, что газовую смесь превращают в ионизованную плазму, помещают ее в магнитное поле и перемещают относительно контактируемой поверхности путем пропускания через нее электрического тока, отличающийся тем, что в плазму превращают и затем перемещают только тонкий периферический слой газовой смеси, контактируемый с поверхностью, который увлекает за собой газовую смесь, причем различие в скорости движения между слоем плазмы и газовой смесью не превышает критической скорости для данного газа, при этом плазменное состояние движущегося периферического слоя поддерживают токами Фуко, которые возникают при отталкивании магнитной "подушкой" плазменного слоя от контактируемой поверхности.