СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G21K1/93 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для создания эффективных систем передачи энергии на большие расстояния с минимальными потерями из энергоизбыточных районов в энергодефицитные районы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ передачи энергии на большие расстояния, включающий обеспечение движения энергоносителя от источника энергии к получателю энергии внутри автономного гибкого вакуумного ионопровода (SU 1238013 А1, МПК G01T 1/36, опубликовано 15.06.1986).

Недостатком известного способа является невысокая эффективность передачи энергии на большие расстояния с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий в линейном резонансном ускорителе.

Задачей изобретения является создание эффективного способа передачи энергии на большие расстояния с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий в линейном резонансном ускорителе.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе передачи энергии на большие расстояния, включающем обеспечение движения энергоносителя от источника энергии к получателю энергии внутри автономного гибкого вакуумного ионопровода, в качестве источника энергии и получателя энергии используют линейные резонансные ускорители, а в качестве энергоносителя используют мощные электронные пучки в виде последовательности коротких сгустков с возможностью их движения в обоих направлениях, причем вакуум в ионопроводе поддерживают посредством геттеров, а удержание электронов в ионопроводе осуществляют посредством квадрупольных линз из магнитотвердых материалов.

Источником энергии электронов является линейный резонансный ускоритель, в котором электроны ускоряются до энергии 20-30 ГэВ. При токе в пучке 100 мА мощность пучка составит 2-3 ГВт. Длина современного линейного ускорителя со сверхпроводящими резонаторами и с потенциалом 20-30 ГВ составит ≈1000 м при средней мощности ВЧ-генераторов, равной мощности пучка, т.е. 2-3 ГВт. Получателем энергии служит другой такой же ускоритель, размещенный на выходном конце ионопровода. На выходе из линейного ускорителя пучок представляет собой последовательность коротких сгустков, которые из-за малости разброса электронов по импульсам и сильного релятивизма электронов практически не расплываются при движении по ионопроводу.

Так как движение электронов в автономном гибком вакуумном ионопроводе может происходить в обоих направлениях, то излучатель энергии и получатель энергии могут меняться по командам оператора системы в соответствии с условиями эксплуатации.

Ускоренные электроны попадают в автономный вакуумный ионопровод, стенки которого изготовлены из медной гофрированной трубки с внутренним диаметром ≈20 мм и толщиной ˜0,5 мм. Вакуум ˜10 мм рт.ст внутри ионопровода создается заранее.

Так как современные геттеры способны поддерживать требуемый вакуум в течение десятилетий, то система постоянно действующей откачки не требуется.

Удержание электронов в ионопроводе осуществляется размещенными с внешней стороны медной трубки фокусирующими квадрупольными линзами, изготовленными из магнитотвердых материалов. Современные магнитотвердые материалы устойчивы по отношению к внешним воздействиям и не требуют подпитки в течение неограниченного времени. Квадрупольные линзы имеют форму колец с внутренним диаметром 22 мм, толщиной 5 мм и размещаются на расстоянии 0,1 мм друг от друга. На каждом отрезке длиной 2,25 м квадруполи имеют одинаковый знак градиента, меняя знак на соседних отрезках на обратный. При градиенте в линзах ±33 Т/м напряженность поля на краю апертуры канала будет равна 0,4 Т. Заметим, что удельный вес рассмотренного ионопровода составляет ≈3 кг/м.

При жесткости электронов 67 Тм длина волны фокусировки электронов в ионопроводе достигнет 20 м, что дает достаточно большое значение аксептанса ионопровода =30 мм мрад, а радиус возможной кривизны ионопровода ограничивается снизу значением 2000 м. Полученное значение кривизны достаточно для трассировки ионопровода по местности практически с любым рельефом.

При переходе пучка из прямолинейного участка в криволинейный возможно возбуждение когерентных колебаний пучка, для подавления которых необходимо, чтобы участки с кривизной траектории имели длину, кратную длине волны фокусировки, то есть равную 20 м, 40 м, 60 м и т.д.

Проведенные расчеты эффектов, приводящих к расширению пучка, показали, что даже при длине ионопровода 12 т. км рассеянием электронов на остаточном газе в ионопроводе при давлении ≤10^-4 мм рт.ст. практически можно пренебречь. При этих же параметрах прямые потери энергии пучка на длине 12 т. км не превышают 0,5%. При меньшей длине ионопровода пропорционально снижается и требование к вакууму.

Исследование рассеяния пучка электронов на флуктуациях градиента магнитного поля в квадрупольных линзах показало, что если допустить удвоение эмиттанса пучка на всей длине ионопровода, то уровень флуктуации градиента в квадрупольных линзах ограничивается величиной ≤0,6%. В соответствии с имеющейся практикой создания магнитных устройств из магнитотвердых материалов полученная величина допуска является выполнимой.

Более трудным для выполнения оказался допуск на ошибки в положении магнитных осей линз, возникающие при изготовлении и при монтаже линз на ионопроводе.

Однако проведенные расчеты показали, что при длине ионопровода 12 т.км, допустимая среднеквадратичная величина разброса в положении осей линз ≈10 мк. Полученный допуск не при современном состоянии уровня техники и технологии может быть выполнен.

Тем не менее, учитывая важность надежной работы ионопровода для бесперебойной подачи энергии потребителям, следует рассмотреть возможность установки на ионопроводе автоматизированных систем коррекции траектории ионного пучка на отдельных его участках. Так как смещение пучка от смещения линз имеет когерентный характер, то этот способ коррекции положения пучка осуществим, по крайней мере, с точностью до дисперсии частот в пучке, которая в сильно релятивистском электронном пучке практически отсутствует.

Тогда при длине таких участков 500 км допуск на смещение линз смягчается в 5 раз и доходит до практически легко выполнимого в ≈50 мк. Выполнение такого допуска сомнений не вызывает.

Ионопровод для осуществления предлагаемого способа передачи энергии может быть надежно защищен от чрезвычайных происшествий (например, разрывов ионопровода с потерей вакуума). Для этого через определенные расстояния (≈1000 м) на ионопроводе должны быть установлены быстрые вакуумные затворы. С учетом времени срабатывания затвора 0,2 секунды и с учетом времени эвакуации энергии из линии - ι(ι≤0,06 с), длина участка с потерянным вакуумом не превысит 200 м.

Способ предназначен для систем, осуществляющих передачу энергии на большие расстояния. Способ включает обеспечение движения энергоносителя от источника энергии к получателю энергии внутри автономного гибкого вакуумного ионопровода; в качестве источника и получателя энергии используют линейные резонансные ускорители, а в качестве энергоносителя - электронные пучки в виде последовательности коротких сгустков с возможностью их движения в обоих направлениях, причем вакуум в ионопроводе поддерживают посредством геттеров, а удержание электронов в ионопроводе осуществляют посредством квадрупольных линз из магнитотвердых материалов. Изобретение обеспечивает экологическую безопасность и повышает эффективность передачи энергии (до ≈99%), величина которой не зависит от величины передаваемой мощности, не загрязняет окружающую среду даже в случае разрушения ионопровода, кроме того, снижена удельная материалоемкость и стоимость ионопровода.

Способ передачи энергии на большие расстояния, включающий обеспечение движения энергоносителя от источника энергии к получателю энергии внутри автономного гибкого вакуумного ионопровода, отличающийся тем, что в качестве источника энергии и получателя энергии используют линейные резонансные ускорители, а в качестве энергоносителя используют мощные электронные пучки в виде последовательности коротких сгустков с возможностью их движения в обоих направлениях, причем вакуум в ионопроводе поддерживают посредством геттеров, а удержание электронов в ионопроводе осуществляют посредством квадрупольных линз из магнитотвердых материалов.