СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ И ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/24 G21B1/00 

Изобретение относится к области физики плазмы и термоядерного синтеза.

Известен способ нагрева дейтериевой плазмы в установках токамак путем возбуждения в плазме магнитозвуковых колебаний на циклотронной частоте малой добавки резонансных ионов (авт. св. СССР N 342560, МПК H 05 H 1/00, 1974).

Однако циклотронный нагрев ионов водорода приводит к отклонению функции распределения электронов от максвелловской и к возможности появления из-за анизотропии распределения большого числа запетых ионов, плохо удерживаемых в токамаке.

Известны способы осуществления термоядерного синтеза, в которых горячая плазма создается взаимодействием лазерного излучения с микромишенью (Патент США N 3818375, МПК, G 21 B 1/00, опубл. 1974 г.).

Недостатком лазерных способов получения управляемого термоядерного синтеза является сложность оборудования для осуществления способа, низкая эффективность использования разрядного объема.

Для осуществления ядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра на расстояние порядка 10^-11 см или нагреть смесь атомов до 10⁸. Эту задачу в настоящее время решают, сжимая дейтерий или смесь дейтерия и трития магнитным полем тороидальной конфигурации, нагревают смесь изотропов лазерным лучом или пучком релятивистских электронов или ускоренных ионов (авт. св. СССР N 1735909, МПК G 21 B 1/00, 1992 г.).

Недостатки известных способов это преобразование самых совершенных и дорогих видов энергии магнитной, световой, энергии ускоренного пучка частиц в самую несовершенную тепловую.

Наиболее близким способом получения высокотемпературной плазмы и осуществления термоядерных реакций является способ, заключающийся в воздействии на заключенную в рабочий объем смесь дейтерия с тритием колебаниями, тип и частота которых вызывает локализацию в центральной части рабочего объема максимальной концентрации электрического поля, в частности возбуждают магнитоакустические волны (авт. св. СССР N 333889, МПК G 21 B 1/00, опубл. 1973 г.).

При таком воздействии термоизоляция плазмы обеспечивается за счет того, что разряд оторван от стенок рабочего объема и свободно подвешен в центральной части резистора, где и сконцентрирована энергия электрического поля.

Всплывание этого разряда, обусловленное архимедовыми силами, предотвращают вращательной циркуляцией газа, находящегося в рабочем объеме.

Недостатком прототипа является необходимость поддерживать стабильность магнитного поля ловушки, обеспечения постоянной вращательной циркуляции газа, нестабильность положения разрядного облака.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является стабильное положение локализованного рабочего объема с максимальной концентрацией электрического поля.

Технический результат достигается тем, что для получения высокотемпературной плазмы и осуществления термоядерных реакций при воздействии на помещенную в рабочий объем смесь дейтерия с тритием колебаниями, тип и частота которых вызывает локализацию в центральной части рабочего объема электрического поля, рабочий объем заполняют жидкостью, насыщенной дейтериево-тритиевой смесью с добавкой инертного газа, возбуждают ультразвуковые колебания до получения устойчивого кавитационного пузырька при фокусировании энергии ультразвукового поля в области генерации пузырька с плотностью мощности не менее 10¹⁴ Вт•см^-3, а затем после удаления пузырька в рабочий объем вводят микропузырьки, содержащие смесь указанного состава. Для получения ультразвуковых колебаний используют систему цилиндрических фокусирующих ячеек или систему сферических ячеек. Жидкость, вводимую в рабочий объем, подвергают дегазации, насыщению дейтериевой или дейтериево-тритиевой смесью с добавкой инертного газа, периодической фильтрации и принудительной циркуляции. Весь процесс проводят в постоянном электрическом поле, а рабочий объем подвергают статическому давлению.

[Образование одиночного стабильного кавитационного пузырька, исследование его движения и параметров в цилиндрической ячейке описано в работах (Gaitan D.F. Crum L.A. Roy P.A. J. Acoust. Soc. Amer. 91, 3166, 1992 и Barber B. P. Putterman S.J. Nature, 352, 318, 1991) подтверждает возможность получения такого рода пузырьков и не является предметом данного изобретения]
Для небольших систем энергия, поглощенная одиночным стабильным кавитационным пузырьком, на 9 10 порядков выше, чем соответствующая величина для обычных кавитационных полей. Действительно, пренебрегая потерям на поглощение, в фокальной области радиусом r для сферического ультразвукового излучателя радиуса R интенсивность I_ф акустических колебаний больше, чем интенсивность I у поверхности излучателя:

поэтому при R 20 см, r 0,02 см I_ф/I ≈ 10⁶. Кроме того, энергия, выделяющаяся в одиночном устойчивом кавитационном пузырьке, на 3 4 порядка больше, чем в фокусе обычного сферического излучателя, где присутствуют тысячи кавитационных пузырьков. Таким образом, при генерировании акустических колебаний мощностью порядка 1 кВт и диссипации энергии в одном кавитационном пузырьке при сжатии его до минимального радиуса r_m ≈ 2 мкм плотность энергии достигает 10¹⁴ Вт•см^-3. При этом радиус наиболее нагретой области не превышает 1 мкм. С учетом того, что этот объем содержит порядка 10¹⁰ молекул, энергия на 1 молекулу составит приблизительно 1,5•10¹¹ эВ•молек^-1. Такой энергии вполне достаточно для инициирования реакций термоядерного синтеза.

В обычных кавитационных полях при средней интенсивности ультразвукового поля (порядка нескольких Вт•см^-2) энергия ультразвука распределяется во всем кавитационном поле достаточно равномерно. Кроме того, количество пульсирующих кавитационных пузырьков весьма велико, и концентрация их может составлять 3•10⁴ см^-3 (М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция, М. Химия, 1986, с. 30). Поэтому энергия, выделяющаяся в расчете на 1 кавитационный пузырек, в фокусирующих системах с одним кавитационным пузырьком на 9 10 порядков выше, чем энергия в "обычных" кавитационных полях (6 порядков в результате фокусировки и 3 4 порядка вследствие уменьшения числа пузырьков).

Если в "обычных" кавитационных полях при интенсивности порядка 5 Вт•см^-2 максимальная температура в центре кавитационного пузырька, заполненного аргоном и парами воды, может достигать 2•10⁴K (расчетные данные для "обычных" кавитационных полей приведены в книге: М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция, М. Химия, 1986, с. 68), то при поглощении акустической энергии на 9 10 порядков большей (в расчете на 1 пузырек) температура, которая развивается внутри пузырька, на много порядков выше и даже превышает 10⁸K.

Эта громадная разница в энергиях, поглощенных в кавитационном пузырьке, приводит к тому, что физическая сущность процессов, происходящих в фокусирующих системах с одним кавитационным пузырьком, резко отличается от "обычных" кавитационных полей. Например, если в "обычных" кавитационных полях спектр сонолюминесценции имеет максимум при 320 нм (см. М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М. Химия, 1986, с. 101), спектр свечения для фокусирующей системы с одним кавитационным пузырьком отличается резким сдвигом в ультрафиолетовую область, причем даже при 240 нм максимум в ультрафиолетовой части спектра сонолюминесценции не достигается [R.Hiller, S. Putterman, B.Barber. Phys.Rew. Lett. 1992, N 8, 1982] Дальнейшие исследования показали, что природа свечения в однопузырьковой фокусированной системе значительно отличается от обычной сонолюминесценции: в центре такого свечения отсутствуют многочисленные полосы и, кроме того, при наличии в растворе NaCl в эмиссионном спектре полностью отсутствует весьма сильная полоса D-линии Na, характерная для спектров сонолюминесценции [L.Crum, Sonoluminescence, Rep. 7-09-1, 1995 World Congress on Ultrasonics, Berlin, Sept. 1995]
При времени удерживания плазмы τ ≈ 10^-8 с [М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция, М. Химия, 1986] концентрация заряженных частиц N должна быть весьма высокой, и должен выполняться критерий Лоусона:
Nτ ≥ 10¹⁴ см^-3
С учетом того, что высокие температуры развиваются при максимальном сжатии кавитационного пузырька, когда возникают весьма высокие давления p порядка тысяч атмосфер, состояние парогазовой смеси внутри кавитационного пузырька близко к сверхкритическому, и плотность смеси мало отличается от плотности жидкости (или плотности твердого тела) и составляет (1 - 3)•10²² см^-3 (в зависимосмти от молекулярной массы жидкости в левитационной ячейке). Важно отметить тот факт, что в системах с одиночным кавитационным пузырьком T, p, N достригают максимальных величин одновременно.

При весьма высокой температуре (порядка T ≈ 10 ⁸K) согласно формуле Саха:

где u электронные суммы по состояниям, I потенциал ионизации, N - концентрация ионов, N_e концентрация электронов, m_e масса электрона, h постоянная Планка, k постоянная Больцмана, степень ионизации, в том числе многократной ионизации, должна быть весьма высока. Например, согласно расчетам, приведенным в книге [Я.Б.Зельдович, Ю.П.Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М. Наука, 1965] уже при 500 000К смесь азота и кислорода присутствует главным образом в виде ионов, содержащих заряд не менее 4⁺.

Таким образом, при столь высоких температурах степень ионизации α ≈ 1,0 практически все частицы внутри столь сильно сжатой парогазовой смеси в кавитационном пузырьке должны многократно ионизироваться, и
N>N_M,
N_M ≈ 0,
где N_M концентрация нейтральных молекул в кавитационном пузырьке.

Можно использовать различные методы повышения локальной температуры, развивающейся в кавитационном пузырьке:
использование инертного газа с большой молекулярной массой (криптона, ксенона, радона) [М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция, М. Химия, 1986]
приведение процесса в постоянном электрическом поле высокой напряженности (влияние электрического поля на сонолюминесценцию описано в [М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция, М. Химия, 1986, с. 98)]
Экспериментальные данные по интенсивности сонолюминесценции в присутствии различных газов показали, что, например, в ксеноне сонолюминесценция в воде возрастает на 1 -3 порядка по сравнению с гелием, водородом, воздухом [М.А.Маргулис. Основы звукохимии. Высшая школа, М. 1984, с. 68, 69]
Изучение влияния электрического поля на сонолюминесценцию показало, что в постоянном электрическом поле напряженностью 10 15 кВ•см^-1 поток сонолюминесценции возрастает на порядок и более (см. М.А.Маргулис. Основы звукохимии, Высшая школа, М. 1984, с. 68, 69, с. 97, рис. 3, 7).

Пока неясно, как могут влиять эти факторы на температуру в однопузырьковой системе в фокусированном ультразвуковом поле. Однако можно считать, что влияние этих факторов должно быть даже более существенным, чем в "обычных" кавитационных полях с большим числом кавитационных пузырьков. Таким образом, предложенные технологические приемы значительно интенсифицируют процесс.

Локальное концентрирование акустической энергии будет еще более эффективным при повышении статического давления в системе, т.к. при этом уменьшаются размер кавитационного пузырька и размер наиболее нагретой зоны. Поэтому система с одиночным пузырьком весьма эффективна для концентрирования энергии и достижения высоких температур.

Можно указать еще один путь значительного повышения плотности акустической энергии в фокусе левитационной ячейки увеличение ее диаметра. Наиболее эффективно использовать этот прием для сферической левитационной ячейки.

В качестве примера реализации можно привести принципиальную технологическую схему промышленной установки (см. чертеж).

Система больших левитационных ячеек 1 с охлаждаемыми фокусирующими акустическими преобразователями 2, которые возбуждаются ультразвуковыми генератором 3, содержит горячую жидкость 4, которая с помощью насоса 5 принудительно циркулирует через замкнутый контур 6. Рабочий контур 6 содержит теплообменник 7 для первоначального (при запуске установки) нагревания жидкости до рабочей температуры около 300^oC (или другой температуры) и, после системы левитационных ячеек, второй теплообменник 8 для удаления части энергии, которая выделилась внутри кавитационных пузырьков 9 в результате реакции термоядерного синтеза. Искусственные микропузырьки дейтериево-тритиевой смеси с добавкой инертного газа, предпочтительно ксенона, с помощью дозирующего устройства 10 подают в левитационные ячейки 1, где они в результате пульсаций становятся одиночными стабильными кавитационными пузырьками 9.

Для интенсификации процесса и получения более высоких локальных температур процесс пульсации кавитационных пузырьков 9 осуществляют в постоянном электрическом поле, которое создается электродами 13 таким образом, чтобы каждый из системы пульсирующих одиночных кавитационных пузырьков 9 находился в постоянном электрическом поле высокой напряженности.

Часть жидкости 4 непрерывно пропускается через фильтр 11 для удаления микронеоднородностей, которые могут стать паразитными ядрами кавитации. Жидкость должна обладать достаточно высокой температурой кипения (значительно выше, чем рабочая температура), высокой термостабильностью и радиационной устойчивостью, хорошими теплотехническими характеристиками (высокой теплопроводностью, теплоемкостью, температурной вспышки, малой вязкостью и т.д.). В качестве жидкости 4 можно использовать высокотемпературные органические теплоносители (Марлотерм S, Термолан-1 и др.).

Избыточная энергия от второго теплообменника 8 может быть использована для получения сжатого пара, который, в свою очередь, может направляться в турбину 12 для получения электроэнергии.

Использование: в физике плазмы для проведения термоядерных реакций. Сущность изобретения: рабочий объем заполняют жидкостью, насыщают ее дейтериево-тритиевой смесью с добавкой инертного газа и возбуждают ультразвуковые колебания до получения устойчивого одиночного кавитационного пузырька. В области генерации пузырька фокусируют энергию ультразвукового поля с плотностью мощности не менее 10¹⁴ вт•см^-3. После удаления пузырька в рабочий объем вводят микропузырьки, содержащие смесь указанного состава. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения высокотемпературной плазмы и осуществления термоядерных реакций, заключающийся в воздействии на помещенную в рабочий объем смесь дейтерия с тритием колебаниями, тип и частота которых вызывают локализацию в центральной части рабочего объема электрического поля, отличающийся тем, что рабочий объем заполняют жидкостью, насыщенной дейтериево-тритиевой смесью с добавкой инертного газа, возбуждают ультразвуковые колебания до получения устойчивого одиночного кавитационного пузырька при фокусировании энергии ультразвукового поля в области генерации пузырька с плотностью мощности не менее 10^1 4Вт • см^- 3, а затем после удаления пузырька в рабочий объем вводят микропузырьки, содержащие смесь указанного состава. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения ультразвуковых колебаний используют систему цилиндрических фокусирующих ячеек. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения ультразвуковых колебаний используют систему сферических ячеек. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость, вводимую в рабочий объем, подвергают дегазации, насыщению дейтериевой или дейтериево-тритиевой смесью с добавкой инертного газа, периодической фильтрации и принудительной циркуляции. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят в постоянном электрическом поле. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочий объем подвергают статическому давлению.