ПЛАЗМЕННЫЙ ИОНИЗАЦИОННО-ТУРБУЛЕНТНЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК H02N3/00 H05H1/02 

Изобретение относится к плазменной технике, предназначенной для аккумуляции энергии в среде плазмы с последующим ее отводом и использованием.

Известны различные устройства, предназначенные для накопления, генерации энергии (а. с. 1736016-5 H 05 H 7/04 "Устройство для накопления электромагнитной энергии и генерации импульсных токов"; а.с. 1448993-5 H 05 H 5/00 "Импульсный источник нейтронов"; а.с. 1094569 H 05 H 7/18 "Высокочастотный факельный плазмотрон для нагрева дисперсного материала"; а.с. 1112998 H 05 B 7/18 "Способ генерации энергии").

В настоящее время работают экспериментальные образцы МГД-генераторов на частично ионизированной плазме с добавками, в которых учтен процесс-явление ионизационной турбулентности низкотемпературной плазмы (см. открытие N 260 от 22.07.1982). Но эти МГД-генераторы не могут трансформироваться в МГД-аккумуляторы, кроме того, обладают существенными недостатками: полезная мощность тем больше, чем больше напряженность внешнего магнитного поля, т.е. требуются мощные магнитные обмотки; требуется установка для образования плазмы и ее дозированным впрыском.

Известно устройство "Сферомак", в котором реализована идея искусственно создавать тороидальную конфигурацию плазмы с самосогласованным азимутальным полем, способным образовывать и удерживать плазму за счет образования магнитных полей токами самой плазмы (Природа, N 1, 1981, с. 113-114, ст. "От токамака к сферомаку").

Устройство состоит из цилиндрической разрядной камеры с расположенными по ее концам кольцевыми электродами. Часть камеры, заключенная между электродами, окружена катушкой с двумя обмотками, одна из которых намотана в обратном направлении по сравнению с первой и работает в импульсном режиме. При взаимодействии тока разряда и полями, создаваемыми обмотками катушки в плазме, создавались токи индукции, которые формировали на оси сжимающееся плазменное образование по форме сфероида, просуществовавшее в камере 30 мкс.

Недостатками "Сферомака" в качестве плазменного аккумулятора являются: сложность получения плазменного образования на дейтерий-тритьевой смеси при низком давлении; отсутствие технических средств, удерживающих плазменное образование длительное время с одновременным токосъемом энергии.

Известно устройство-аналог (PCT F 191/00166 от 28 мая 1991, H 05 H 1/00, 1/02, 1/24: WO 92/22189 от 10.12.92 "Метод генерации и эксплуатации шаровой плазмы и подобных явлений в камере"). Данная газоразрядная камера имеет следующие недостатки: механизм для впрыскивания газа требует энергии, сложность оборудования; использование лазерного луча - это большой расход энергии с низким КПД; создание магнитных полей требует наличия снаружи камеры магнитных катушек - это дорогостоящее и энергетически сложное устройство.

В предлагаемом изобретении получаем, концентрируем энергию в среде плазмы с последующим ее отводом и использованием, одновременно снимаем требование по дополнительной энергетике и дополнительному оборудованию по сравнению с аналогом (прототипом).

Эта цель достигается тем, что устройство состоит из цилиндрической камеры, заполненной любым газом через штуцер в корпусе или при атмосферном давлении, содержащей воздух. На торцах камеры смонтированы инфракрасные излучатели, оснащенные нагревательным элементом, а в центрах инфракрасных излучателей установлены рентгеновские трубки, обращенные излучающими поверхностями навстречу друг другу. В средней части камеры по ее оси установлены катушки, соединенные между собой последовательно и связанные проводами через боковую стенку камеры с клеммами токоприемной системы. Инфракрасные излучатели работают в режиме термической диссоциации среды для ослабления и разрушения молекулярных связей. Рентгеновские излучатели обеспечивают остронаправленное излучение по оси и обеспечивают ионизацию данной среды, приводят в движение газы за счет неравномерной ионизации газа. В устройстве происходит преобразование кинетической энергии и электромагнитной в электромагнитную с накоплением ее в плазме разряда. В устройстве происходит поглощение тепловой и электромагнитной энергии в газообразной среде при нормальном или повышенном давлении за счет ударной волны и температурного поля при увеличении температуропроводности среды за счет несимметричности ионизационных процессов, причем в плазме этого разряда образование двух самосогласованных азимутальных полей тороидальной формы и согласованных с ними осевыми полями конической формы индукционных токов, обеспечивается заданная плотность накопления энергии и регулировка срока существования плазменного образования. В устройстве происходит образование самосжимающего плазменного образования сфероидальных полей тороидальной формы, магнитное поле в котором создается и поддерживается токами самой плазмы.

В результате ионизации газа образуются индукционные токи ионной компоненты и индукционные токи электронной компоненты с замкнутыми витками, образующие в газовой среде два азимутальных поля тороидальной формы и два осевых поля конической формы с ужением к центру цилиндра. Движения индукционных токов ионной и электронной компоненты имеют одно направление, и они стягиваются к центру. Слияние двух тороидальных конфигураций исключено за счет того, что они имеют на поверхности одинаковый по знаку заряд.

Газовый заряд растет и при полной ионизации среды, сжимаясь к центру, определяет сфероидальную форму, полностью заряжен аккумулятор. Для снятия энергии с аккумулятора в корпусе вмонтированы электромагнитные катушки, работающие по принципу трансформатора, являющиеся вторичными обмотками и с отводом тока на токоприемники. Съем высокочастотной энергии индукции за счет колебательного движения торов вдоль оси и пульсирующего процесса диссинации магнитных полей. Физически сам процесс можно представить как движение моментов вокруг неподвижной оси, противоположно направленных, результирующая которых представлена движением момента относительно неподвижной точки.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа, не выявлены и потому обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.

Устройство "ПИНТА-1" содержит корпус цилиндрический 1, в торцах корпуса расположены инфракрасные излучатели 2 в виде полусферы и имеющие отверстия 3 для рентгеновского излучателя 4, а инфракрасные излучатели имеют спираль 5, в центре корпуса по оси расположены катушки, выведенные через корпус на токосъемники 6, на цилиндрической поверхности имеется штуцер 7 для заполнения корпуса рабочим газом CO₂, герметизация отверстия 3 от излучателя 4 осуществляется прокладкой из форопласта-4 (8), а герметизация катушек от корпуса прокладкой из фторопласта-4 (9).

Инфракрасные полусферы 2 нагреваются спиралью 5 и начинают работать в режиме термической диссоциации среды для ослабления и разрушения молекулярных связей газа. Под действием комплексного излучения от инфракрасного излучателя 2 и рентгеновского излучателя 4 в среде возникает тепловая волна, затем ударная волна, обеспечивающая ударную ионизацию газа. Ударная волна обеспечивает смещение частиц газовой среды от торцов 2 к оси и центру цилиндра 1 из-за неоднородности ионизации среды. Ионы, сжимаясь к оси, попадают под действие рентгеновского излучения, охлаждаются, сбрасывая электроны. Идет процесс ионизации газовой среды, разделяя низкотемпературную плазму на ионную и электронную композицию с компенсацией ионов на оси и электронов на периферии от оси цилиндра 1. С разделением зарядов возникает ударная волна плазмы, которая определена электростатическими колебаниями, определяя условия самофокусировки теплового излучения плазмы, так как в газовой среде распространяются сразу три волны под действием рентгеновского 4 и инфракрасного излучателя 2, тепловых, акустических и электростатических. Акустические волны определяют возникновение токов в электронной составляющей композиции плазмы. Распространение ударной волны определяет образование флуктуаций плотностей как электронной, так и ионной составляющей плазмы. От периферии на оси цилиндра 1 образуются токовые вихри электронной компоненты плазмы ("Явление ионизационной турбулентности низкотемпературной плазмы", открытие N 260 от 22.07.82 г. ). Образования вихрей скапливаются на определенном расстоянии от инфракрасного излучателя 2.

За счет флуктуации плотностей в ионной компоненте образуются индукционные токи. Индукционные токи как бы навинчиваются на ось, сужаясь от инфракрасного излучателя 2. Индукционные токи электронной компоненты определяют образование сфероидальных полей тороидальной конфигурации. Индукционные токи ионной компоненты определяют образование полей конической конфигурации. Возникновение индукционных токов ионной составляющей определяет появление осевых полей магнитной индукции, линии которой имеют направление вдоль оси, а индукционные токи определяют поверхность конуса. Образование ионизационной турбулентности определяет образование волн с отрицательной энергией, увеличивая амплитуду теплового излучения, ударной волны и электростатических колебаний (явление взрывной неустойчивости).

Быстрая перестройка магнитного поля электронной компоненты определена процессами самосжатия плазменного разряда, а при прохождении ударной волны в газе - "Спин-эффект" и поддерживается токами индукции ионной составляющей за счет амбиполярной диффузии заряженных частиц при взрывной неустойчивости.

В устройстве два комплексных излучателя, направленных своими излучающими поверхностями навстречу друг другу. Токовая ионизационная турбулентность определена в ней уже не спиралями, а замкнутыми индукционными витками индукционных токов ионной компоненты и замкнутыми индукционными токами электронной компоненты, образующих в газовой среде два осевых поля конической конфигурации и два азимутальных поля тороидальной формы. Эти азимутальные индукционные токи представлены в плазме "проводниками" с током, которые при условии, если токи имеют одинаковое направление, стягиваются, если разное, то проводники расходятся. Движения двух индукционных токов ионной компоненты имеют одно направление, и они стягиваются к центру. Движения двух индукционных токов электронной компоненты тоже имеют одно направление, и токи в них стягиваются. Слияние двух тороидальных конфигураций исключено за счет того, что они имеют на поверхности одинаковые по знаку заряды. На участке соприкосновения тороидальных конфигураций магнитные поля взаимно гасят друг друга, образуя зону, где движение индукционных токов изменяет свое направление, обеспечивая условия регулирования дрейфа индукционного тока по поверхности тора, сжимая тор при большой скорости дрейфа. Газовый разряд в газе, возникающий в центре на оси цилиндра 1, растет и при полной ионизации среды, сжимаясь к центру, определяет сфероидальную форму. Аккумулятор заряжен. Таким образом, получаем аккумулятор, который при определенных условиях может выдавать энергию в любом диапазоне излучений. Высокая скорость развития нестабильностей затрудняет токосъем с устройства на потребителя. Но управлять этими процессами можно опять за счет катушек 6, расположенных на оси цилиндра 1, так как электроповодность плазмы возле оси ниже, чем в торе, и магнитные поля быстрее проникают в тор. При получении постоянного тока необходимо катушки соединять последовательно и переключить на потребителя. Индукционный ток в одном из витков катушки 6 (условно назовем в первом) вызовет ток в другом, а тот в свою очередь, изменяя число силовых линий магнитной индукции совместно с силовыми линиями с ионной составляющей, сожмет этот тор за счет возрастания тока на конусе мгновенно за счет согласования со вторым. Первый тор расширится, увеличивая индукционный ток в первой катушке 6, во второй сжимающийся тор еще уменьшит электропроводность плазмы. Такая раскачка будет осуществляться до потребного напряжения потребителя. Когда ток потечет по первой катушке ЭДС-самоиндукции, в нем резко возрастает ток. Во втором торе за счет резкого сжатия поперечная составляющая скорость индукционного дрейфующего тока по тороидальной конфигурации возрастает, увеличивается скорость вращения индукционного тока на конической поверхности второго конуса. Второй тор увеличивается. Рост поперечной составляющей тока в первом торе, но уже другого направления при резком его расширении замедляет скорость вращения токов на первом конусе и меняет направление вращения в цилиндре, возникают разнонаправленные по направлению токи - торы расходятся. Первый тор сжимается. После расхождения торов рост второго тора возрастает - замедляется вращение тока на втором конусе и снова меняется направление вращения, образуя "проводники" с током одинакового направления - торы сжимаются. Такой колебательный процесс поддерживается силами магнитной упругости, возникающими в индукционных токах конусной формы и изменением зарядов на поверхности торов. За счет направления изменения вращения индукционных токов на конусных формах растет сила тока. За счет колебаний при режиме разряда тора (плазменная конфигурация - сфероид) расширяется в цилиндре 1, сжимаясь к оси. Отдача тока на потребитель будет осуществляться до тех пор, пока дрейф индукционного тока на тороидальных формах не прекратится, разряд не вытянется на оси.

Использование: в плазменной технике для аккумуляции энергии в среде плазмы с последующим ее отводом и использованием. Сущность: устройство состоит из камеры для газа или жидкости, на торцах которой смонтированы инфракрасные излучатели, работающие в режиме термической диссоциации среды, направленные излучающими поверхностями навстречу друг другу. Излучатели оснащены нагревательными элементами. В центре инфракрасных излучателей размещены рентгеновские излучатели, обеспечивающие остронаправленное излучение по оси для ионизации среды. В центре камеры по оси установлены токоприемные катушки, соединенные между собой последовательно и связанные проводниками, выведенными через боковую стенку камеры, с клеммами токоприемника. 1 ил.

Плазменный ионизационно-турбулентный аккумулятор, содержащий разрядную камеру с электроэлементами, отличающийся тем, что камера представляет из себя замкнутый цилиндр с патрубком для закачки газа, в торцах которого размещены рентгеновские трубки, установленные в центрах инфракрасных излучателей, обращенных излучающими поверхностями одна к другой, оснащенных нагревательными элементами, причем в средней части камеры по ее оси установлены катушки, соединенные между собой последовательно и связанные проводами через боковую стенку камеры с клеммами токоприемной системы.