СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКА ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H05H1/00 H05H1/24 H05H1/54 

Заявляемая группа изобретений относится к плазменной и ядерной технике, а более конкретно к способам и устройствам для заполнения магнитных ловушек термоядерных реакторов топливом или плазмой, для предварительной ионизации в них газа и зажигания основного разряда, а также для заполнения плазмой различных плазменных установок.

В современных плазменных установках и особенно в будущих термоядерных реакторах требуется оперативно обеспечивать оптимальное распределение концентрации топлива в области удержания и нагрева плазмы. Чтобы достичь области потребления и пройти сквозь область плотной и горячей плазмы, инжектируемое топливо должно обладать достаточно большим импульсом направленного движения (nv). С этой целью необходимо обеспечить скорость движения частиц v в пределах 10-100 км/с, их концентрацию n ≥ 10²⁰ м^-3 и полное количество ускоренных частиц 10¹⁸-10²³. Минимальный порог концентрации частиц особенно важен при инжекции топлива в плазменном состоянии в магнитные ловушки с удерживающим полем. Так как транспортировка плазмы с плотностью до 10²⁰ м^-3 в термоядерный реактор недостаточно эффективна из-за сильного отклонения плазменного сгустка удерживающим магнитным полем 5-10 Т, то необходимо использовать более высокую плотность сгустка плазмы. Например, для температуры плазмы в сгустке t=10 эВ и концентрации n=10²¹ м^-3 циклотронная частота и частота столкновений соизмеримы и составляют 7,5•10⁸ и 9,6•10⁸ с^-1 соответственно, т.е. сгусток с такой плотностью не будет взаимодействовать с магнитным полем ловушки и может проникать в ее центральную область.

Известен способ получения потока плазмы, включающий напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, пространственную задержку образовавшейся плазмы магнитным полем пробочной конфигурации в области ее формирования в течение времени индуцирования токов и последующее ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем (см. патент РФ 2092982, кл. Н 05 Н 1/54, опубл. 10.10.1997).

Известный способ позволяет повысить эффективность ускорения плазмы за счет увеличения коэффициента полезного действия, коэффициента преобразования и многократного увеличения энергии ускоренных частиц. Однако примененная в способе дозировка подачи газа с помощью быстродействующего клапана и задержка плазмы полем магнитной ловушки не позволяет получать достаточно плотные сгустки газа.

Известно устройство для получения потока плазмы, содержащее вакуумную камеру, образованную цилиндрической трубкой, силовой разрядный виток, помещенный внутрь магнитной катушки, вспомогательный разрядный виток, энергетические накопители, соединенные с управляемыми разрядниками, систему для напуска рабочего газа и схему питания и управления (см. патент РФ 2092982, кл. Н 05 Н 1/54, опубл. 10.10.1997).

Известное устройство обеспечивает значительные скорости частицам плазмы, однако не позволяет получать плотную плазму.

Известен способ получения потока плазмы, включающий абляцию рабочего вещества под действием радиационных и тепловых потоков, поступающих из зоны разряда на поверхность рабочего вещества, и последующее ускорение образовавшейся плазмы при ее взаимодействии с электромагнитным полем (см. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Импульсные плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, с. 120-123, 1983).

Известный способ позволяет достигать значительных скоростей потока плазмы, но при этом плотность плазмы оказывается незначительной, так как дальнейшее увеличение плотности плазмы приводит к ее загрязнению продуктами материала ускорительных электродов и снижению степени ионизации.

Известен двухступенчатый ускоритель плазмы с эрозией диэлектрика, включающий три коаксиальных электрода, разделенных изоляционными втулками и попарно подключенных к емкостным накопителям энергии. Внутренний и промежуточный электроды образуют объем, где происходит образование плазмы в результате эрозии диэлектрика, а промежуточный и внешний электроды составляют ускорительную ступень устройства полем (см. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Импульсные плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, с. 121, 1983).

Известный двухступенчатый ускоритель позволяет разделить процессы создания плазмы и ее ускорения и тем самым достигать значительных скоростей потока плазмы. Однако известный ускоритель не позволяет получать плазму большой плотности, так как дальнейшее увеличение плотности плазмы приводит к ее загрязнению продуктами материала ускорительных электродов и снижению степени ионизации.

Наиболее близком по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ получения потока плазмы, включающий воздействие электрическим разрядом на гидрид титана, подачу образовавшегося водорода в область формирования плазмы, ионизацию водорода электрическим разрядом между коаксиальными электродами и ускорение образовавшейся плазмы силой Лоренца при взаимодействии азимутального магнитного поля и радиального тока электрического разряда (см. A.V.Voronin, К.G.Hellblom. "A titanium hydride gun for plasma injection into the T2-reversed field pinch device" - Plasma Physics and Controlled Fusion. - 41, p. 293-302, 1999).

Известный способ-прототип обеспечивает получение скоростей плазменного кластера до 250 км/с с концентрацией ионов порядка 10²⁰ 1/м³ и температурой электронов 40 эВ. Однако дальнейшее увеличение плотности плазмы при использовании известного способа-прототипа приводило к значительному увеличению вредных примесей, поступающих с электродов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству для получения потока плазмы является импульсный двухступенчатый ускоритель плазмы, принятый за прототип. Известный ускоритель содержит два коаксиальных ускоряющих электрода, соединенных с импульсным емкостным накопителем энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод, электрически с ускоряющими электродами не соединенный и находящийся поэтому под "плавающим потенциалом", а также узел напуска газа (см. А.Я.Балагуров, С.Д.Гришин, А.Г.Ершов, Л.В.Лесков и А.М.Петров. Исследование импульсного двухступенчатого ускорителя плазмы. - Журнал технической физики. - т. XL, 3, с. 458-460, 1970).

Известный ускоритель позволяет осуществлять задержку разряда относительно момента впрыска газа без применения синхронизирующего такую задержку устройства, что обеспечивает достижение наибольшего импульса направленного движения плазмы. Однако использование в узле напуска газа быстродействующего клапана не позволяет получать плотные потоки плазмы.

Задачей являлась разработка способа получения потока плазмы и реализующего этот способ устройства, которые бы позволяли создавать в рабочей области источник плотного облака газа (≥10²¹ 1/м³), эффективно ионизировать это плотное облако газа и затем ускорять образовавшийся плотный плазменный кластер, а в результате получать поток плазмы с плотным плазменным сгустком, движущимся со скоростью более 10 км/с.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, а именно тем, что в способе получения потока плазмы, включающем воздействие физическим фактором на газосодержащее твердое вещество, напуск полученного газа в область формирования плазмы, ионизацию газа электрическим разрядом между коаксиальными электродами и ускорение образовавшейся плазмы силой Лоренца при взаимодействии азимутального магнитного поля и радиального тока электрического разряда, физическим фактором воздействуют на вещество в виде гранул, а напуск полученного из гранул газа в область формирования плазмы осуществляют через газопроницаемую перегородку.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для получения потока плазмы, включающем два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных с импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод и узел напуска газа, узел напуска газа выполнен в виде гранул из газосодержащего вещества, размещенных между газопроницаемой перегородкой и дополнительным электродом, включенным в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии.

На газосодержащие гранулы можно воздействовать тепловым или радиационным потоком, например электрическим разрядом, плазмой из внешнего источника или излучением лазера. Газопроницаемая перегородка может быть изготовлена из сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул, или из нескольких установленных вплотную со смещенными относительно друг друга ячейками. Перегородка может быть также выполнена в виде слоя из волокнистого материала, из спеченных гранул, из других известных материалов со сквозными порами, имеющими меньшие размеры, чем размеры гранул. Коаксиальная диэлектрическая вставка может быть выполнена в виде полого цилиндра, прилегающего к части внутренней поверхности внешнего коаксиального ускоряющего электрода. Гранулы могут быть выполнены из титана, напитанного газом, в частности водородом, из нитрида титана, из оксида титана и других известных газосодержащих материалов, в зависимости от назначения плазмы.

Заявляемый способ и устройство для его осуществления основаны на том, что создание рабочего вещества, его ионизация и ускорение осуществляют поэтапно при взаимодействии мощных электрических разрядов малой длительности последовательно с твердым телом, газом и плазмой. Скорость плазменного сгустка может достигать при этом 10-100 км/с, а его плотность 10²¹-10²⁶ 1/м³.

Заявляемые технические решения основаны на использовании гранул газосодержащего твердого вещества для интенсивного заполнения источника рабочим газом. Гранулы не должны содержать примеси, существующие в свободном состоянии в виде газа.

Известно, что значительное количество газа может быть адсорбировано твердым телом или химически связано с ним. В ходе исследований авторы выяснили, что гранулы могут интенсивно выделять газ при воздействии различными физическими факторами, например электрическим разрядом или плазмой. Так, интенсивный электрический разряд, проходящий через гранулы, может отделять и создавать плотное облако газа. Разделение газа от негазообразных примесей осуществляют с помощью газопроницаемой перегородки, расположенной между гранулами и пространством коаксиального ускорителя плазмы. Интенсивный электрический разряд, горящий между коаксиальными электродами, ионизует газ и ускоряет плазменный кластер. Параметры разряда, горящего между двумя электродами, могут значительно влиять на поступление примесей в плазму. В работе (см. Г.С.Белкин, В.Я.Киселев. Влияние материала электрода на эрозию при больших токах. ЖТФ, т. 37, вып. 5, с. 977-979, 1967) установлено, что интеграл произведения тока разряда и его длительности Q сильно влияет на эрозию или на количество сброшенного материала с электродов. Эта зависимость линейно растет и содержит резкий скачок при значениях в несколько десятков кулон для всех металлов. Металлы с наибольшим произведением теплоемкости и температуры плавления имеют наименьшую эрозию разрядом. Например, эрозия титана незначительная при Q≥34 К, однако, она скачкообразно увеличивается при Q= 35 К. Длительность разряда также влияет на количество примесей в генерируемой плазме: доля газа в плазме возрастала с увеличением длительности разряда в источнике.

Исходя из этих соображений, авторы исследовали процессы ионизации газа в разряде, горящем между титановыми электродами. Интеграл произведения тока разряда и его длительности Q выбирался меньшим или равным 34 К, а энергия разряда W составляла ≤1 кДж. Оценки показали, что этой энергии достаточно для ионизации примерно 5•10²⁰ атомов водорода. Несколько идентичных источников могут произвести большее количество ионизированных частиц. В коаксиальном ускорителе разгоняет плазму сила Лоренца F (см. П.М.Колесников. Импульсное ускорение плазмы. В кн.: Электродинамическое ускорение плазмы, с. 198-285, М.: Атомиздат, 1971):
F=I²/2•(dL/dx), (1)
где: I - ток разряда; L - индуктивность цепи. Ток в электродах создает азимутальное магнитное поле внутри ускорителя. Сила Лоренца возникает в результате взаимодействия этого магнитного поля с радиальным током разряда, протекающим между коаксиальными электродами. Сила действует вдоль оси Х в направлении от места подключения токоподводов к удаленному торцу коаксиальных электродов независимо от направления тока. Механизм ускорения плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях в предлагаемом источнике не работает, так как плазма с плотностью ≥10²¹ м³ не замагничена.

Скорость плазменного кластера в ускорителе может быть определена из выражения:

где L₀ - индуктивность токоподводящей цепи; L_x - погонная индуктивность коаксиальных электродов; U₀ - начальное напряжение емкостного накопителя; S - свободное от электрода сечение коаксиального ускорителя; ρ₀- начальная концентрация ускоряемого вещества.

Из выражения (2) видно, что скорость плазменного кластера слабо зависит от рассматриваемых параметров. Однако она возрастает с увеличением начального напряжения и длины ускорителя и падает с увеличением индуктивности токоподводящей цепи. Следовательно, эта индуктивность должна быть минимальной.

Заявляемый способ получения потока плазмы и устройство для его осуществления иллюстрируются чертежами, где
на фиг. 1 показана одна из возможных конструкций заявляемого устройства для получения потока плазмы в продольном разрезе;
на фиг.2 приведена зависимость количества генерируемых атомов водорода N от энергии Е_н в емкостном накопителе (1 - гранулы гидрида титана размером 1 мм взаимодействовали с плазменным сгустком, создаваемым внешним источником, расположенным на расстоянии 220 мм; 2 - электроды устройства, реализующего способ-прототип, изготовлены из гидрида титана);
на фиг.3 изображена зависимость интенсивности J линейчатого спектра плазмы от энергии Ер электрического разряда (1 - линия титана на длине волны 6259/61 Ангстрем, 2 - линия водорода на длине волны 6563 Ангстрем);
на фиг.4 показана зависимость массы М, уносимой с титановых электродов, от интеграла произведения тока разряда и его длительности Q;
на фиг. 5 приведены зависимости от времени: (1) плотности плазменного сгустка n; (2, 3) ток разряда I в первой и второй ступенях заявляемого устройства соответственно. Расстояние между лучом лазерного интерферометра и концом устройства 13 см.

Заявляемое устройство для получения плазмы, изображенное на фиг.1, содержит гранулы газосодержащего вещества 1, расположенные между дополнительным коаксиальным электродом 2 и внутренним коаксиальным электродом 3, размещенным внутри внешнего коаксиального ускоряющего электрода 4. Гранулы 1 отделены от электрода 3 газопроницаемой перегородкой 5. Электроды 3 и 4 отделены друг от друга диэлектрической вставкой 6 и подсоединены к импульсному емкостному накопителю энергии 7 через игнитрон 8. Электроды 2, 3 и 4 снаружи изолированы друг от друга диэлектрическими полыми цилиндрическими вставками 9, зафиксированными через фланцы 10 и болты 11. Электроды 2 и 3 присоединены к дополнительному емкостному накопителю энергии 12 также через игнитрон 8. Емкостные накопители энергии 7 и 12 заряжаются от внешнего источника питания через повышающий трансформатор 13, выпрямители 14 и развязаны друг от друга сопротивлением 15. Диод 16 и игнитрон 17 обеспечивают формирование однополярного импульса тока, проходящего через электроды 3 и 4. Устройство прикрепляют к вакуумной камере посредством фланца 18.

Заявляемый способ получения потока плазмы с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом. На игнитрон 8 подают запускающий импульс от внешнего задающего генератора (не показан). Дополнительный емкостной накопитель энергии 12 через игнитрон 8, электроды 2 и 3 разряжается через гранулы 1. Происходит интенсивное выделение газа из гранул. В течение нескольких микросекунд плотное облако газа проходит через газопроницаемую перегородку 5 и заполняет пространство между электродами 3, 4, разделенными диэлектрической вставкой 6. Негазообразные примеси, выделяемые при прохождении разряда через гранулы, задерживаются газопроницаемой перегородкой 5. В момент выхода газа за пределы диэлектрической вставки 6 емкостной накопитель энергии 7 разряжается через игнитрон 8, электроды 3, 4 и газ. Происходит ионизация газа и ускорение плазмы силой Лоренца вдоль оси источника в направлении его конца.

Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства, работающий на основе заявляемого способа получения потока плазмы. Вторая ступень устройства представляла собой вариант широко используемого импульсного коаксиального ускорителя плазмы, (электроды 3 и 4). В качестве газосодержащих гранул 1 были использованы гранулы титана диаметром ~1 мм, отделенные от электрода 3 пористой перегородкой 5, выполненной в виде мелкой металлической сетки, чтобы исключить проникновение не газообразных примесей из гранул 1 в плазму второй ступени. Обе ступени источника подключены к мало индуктивным емкостным накопителям энергии 7 и 12 через игнитрон 8. Специальные меры были предприняты по минимизации индуктивности источника питания. Параметры плазмы исследовались на стенде. Источник был соединен с вакуумной камерой, откаченной до давления 10^-6 мм рт.ст., через фланец 18. Полное количество производимого источником газа определялось из анализа давления в камере после протекания разряда. Концентрацию и скорость движения плазмы измеряли лазерным (He-Ne) интерферометром на длине волны 0.63 μм. Луч лазера проходил через окно вакуумной камеры перпендикулярно оси источника на расстоянии 13 см от его торца, отражался от зеркала и возвращался обратно в лазер. Интерференционный сигнал детектировался приемником с противоположной стороны лазера. Напряжение на емкостных накопителях создавалось одинаковым и достигало 10 кВ. Емкости первой и второй ступеней составляли C₁=3 мкФ; C₂=160 мкФ соответственно.

Результаты исследований, проведенных на опытном образце заявляемого устройства, приведены ниже.

На фиг.2 видно, что при взаимодействии электрического разряда или плазмы с гидридом титана производство газа растет с увеличением энергии емкостного накопителя. Однако, система гидрида титана, выполненная в виде гранул, способна значительно больше выделять газа по сравнению с монолитной структурой.

На фиг.3 видно, что интенсивности излучения линий титана и водорода возрастают с увеличением энергии разряда. При энергии разряда >1 кДж интенсивность излучения линии титана возрастает быстрее, чем водорода. Это означает, что при больших энергиях разряда водородная плазма сильно загрязнена титаном.

На фиг. 4 видно, что интеграл произведения тока разряда и его длительности Q линейно растет и содержит резкий скачок. Эрозия титана незначительная при Q≤34 К, однако она скачкообразно увеличивается при Q=35 К.

Средняя концентрация электронов вдоль луча лазера показана на фиг.5. Задержка во времени между концентрацией n_e и током разряда второй ступени позволяла оценить скорость движения плазменного кластера в направлении оси источника. Длительность сигналов концентрации τ_p и тока разряда были соизмеримы. Поэтому полное количество ионизированных частиц N_i оценивалось, как:
N_i= n_e•S•v•τ_p, (3)
где S=7 см² - сечение наружного электрода источника (предполагается, что оно соответствует сечению плазменного кластера); v - скорость кластера.

Значение N_i достигало 1,8•10¹⁹. Степень ионизации составляла 90% при полном количестве генерируемых атомов водорода 2•10¹⁹.

Таким образом, разработано двухступенчатое устройство получения плазмы, реализующее заявляемый способ. В течение 0,1 мс устройство способно генерировать плотный, движущийся с большой скоростью плазменный кластер. Можно выбирать любые газы в качестве плазмообразующего вещества, так как они могут быть адсорбированы (или связаны химически) с гранулами твердого тела. На примере устройства, использующего гранулы гидрида титана, авторами продемонстрирована возможность получения плазменного кластера с плотностью более 10²² м³, полным количеством генерируемых атомов водорода 10¹⁷-10²¹, степенью ионизации до 90% и скоростью движения ≥10 км/с. Генерируемая плазма состояла из водорода, как показали спектральные и газовые анализы. Получаемая плазма может быть использована в качестве топлива в установках управляемого термоядерного синтеза.

Изобретение относится к плазменной и ядерной технике и может применяться для заполнения магнитных ловушек термоядерных реакторов топливом или плазмой, для предварительной ионизации в них газа и зажигания основного разряда, а также для заполнения плазмой различных плазменных установок. Способ получения потока плазмы включает воздействие физическим фактором на газосодержащее твердое вещество, напуск газа, полученного из упомянутого вещества, в область формирования плазмы, ионизацию газа электрическим разрядом между коаксиальными электродами и ускорение образовавшейся плазмы силой Лоренца при взаимодействии азимутального магнитного поля и радиального тока электрического разряда. В способе воздействие физическим фактором на газосодержащее вещество осуществляется в виде гранул, а напуск полученного из гранул газа в область формирования плазмы - через газопроницаемую перегородку. Устройство для получения потока плазмы включает два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных к импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный коаксиальный электрод и узел напуска газа. В устройстве узел напуска газа выполнен в виде гранул из газосодержащего вещества, размещенных между газопроницаемой перегородкой и дополнительным коаксиальным электродом, включенным в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии. Технический результат - способ получения потока плазмы и реализующее этот способ устройство позволяют создавать в рабочей области устройства источник плотного облака газа (≥10²¹ 1/м³), эффективно ионизировать это плотное облако газа и затем ускорять образовавшийся плотный плазменный кластер, а в результате получать поток плазмы с плотным плазменным сгустком, движущимся со скоростью более 10 км/с. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения потока плазмы, включающий воздействие физическим фактором на газосодержащее твердое вещество, напуск газа, полученного из упомянутого вещества, в область формирования плазмы, ионизацию газа электрическим разрядом между коаксиальными электродами и ускорение образовавшейся плазмы силой Лоренца при взаимодействии азимутального магнитного поля и радиального тока электрического разряда, отличающийся тем, что физическим фактором воздействуют на упомянутое вещество в виде гранул, а напуск полученного из гранул газа в область формирования плазмы осуществляют через газопроницаемую перегородку. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на упомянутое вещество в виде гранул воздействуют радиационным и тепловым потоком. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на упомянутое вещество в виде гранул воздействуют электрическим разрядом. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на упомянутое вещество в виде гранул воздействуют плазмой. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что напуск полученного из гранул газа в область формирования плазмы осуществляют через газопроницаемую перегородку, выполненную в виде сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напуск полученного из гранул газа в область формирования плазмы осуществляют через газопроницаемую перегородку, выполненную в виде установленных вплотную не менее двух сеток со смещенными относительно друг друга ячейками. 7. Устройство для получения потока плазмы, включающее два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных к импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный коаксиальный электрод и узел напуска газа, отличающееся тем, что узел напуска газа выполнен в виде гранул из газосодержащего вещества, размещенных между газопроницаемой перегородкой, и дополнительным коаксиальным электродом, включенным в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что газопроницаемая перегородка выполнена в виде сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что газопроницаемая перегородка выполнена в виде установленных вплотную не менее двух сеток со смещенными относительно друг друга ячейками. 10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что коаксиальная диэлектрическая вставка выполнена в виде полого цилиндра, прилегающего к внутренней поверхности внешнего коаксиального ускоряющего электрода. 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что гранулы выполнены из конденсированного вещества, химически или физически связанного с газом. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что гранулы выполнены из металла, связанного с газом. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что гранулы выполнены из титана, связанного с газом. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что гранулы выполнены из титана, связанного с водородом.