СИСТЕМЫ, СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО СЖАТИЯ ПЛАЗМЫ Российский патент 2014 года по МПК G21B3/00 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию систем и способов, предназначенных для сжатия плазмы.

Известный уровень техники

Некоторые системы для сжатия плазмы до высоких температур и плотностей типично являются очень большими, дорогими, и имеют ограниченную частоту повторения и срок службы. Введение магнитного поля в плазму является многообещающим способом повышения эффективности любой данной схемы нагрева, за счет снижения частоты выхода частиц и потерь энергии из объема плазмы.

Способы сжатия плазмы включают в себя следующие шесть схем:

(1) Прямое сжатие плазмы с использованием внешнего магнитного поля, которое увеличивается во времени.

(2) Сжатие при помощи интенсивного электромагнитного излучения или пучков частиц с высокой энергией (например, с использованием некоторых устройств ядерного синтеза с инерционным удержанием плазмы (ICF)). См., например, публикацию R.W.Moir et al., "HYLIFE-H: An approach to a long-lived, first-wall component for inertial fusion power plants," Report Numbers UCRL-JC-117115; CONF-940933-46, Lawrence Livennore National Lab, August 1994, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки.

(3) Сжатие за счет электромагнитной имплозии проводящего вкладыша, типично изготовленного из металла, управляемое при помощи больших импульсных электрических токов, втекающих в проводящий вкладыш.

(4) Сжатие за счет сферической или цилиндрической фокусировки акустического импульса большой амплитуды в проводящей среде. См., например, системы и способы, раскрытые в заявках на патент США Nos. 2006/0198483 и 2006/0198486, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки. В некоторых видах осуществления, сжатие проводящей среды может быть осуществлено с использованием внешнего сжатого газа. См., например, систему LINUS, описанную в публикации R.L.Miller and R.A.Krakowski, "Assessment of the slowly-imploding liner (LINUS) fusion reactor concept", Rept. No. LA-UR-80-3071, Los Alamos Scientific Laboratory, Los Alamos, NM 1980, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки.

(5) Пассивное сжатие за счет инжекции движущейся плазмы в статическую, но конически сходящуюся полость в проводящей среде, так что кинетическая энергия плазмы создает сжатие, определяемое граничными условиями. См., например, публикации С W. Hartman et al., "A Compact Torus Fusion Reactor Utilizing a Continuously Generated String of CTs. The CT String Reactor", CTSR Journal of Fusion Energy, vol. 27, pp.44-48 (2008); and "Acceleration of Spheromak Toruses: Experimental results and fusion applications," UCRL-102074, in Proceedings of 11th US/Japan workshop on field-reversed configurations and compact toroids; 7-9 Nov 1989; Los Alamos, NM, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки.

(6) Сжатие плазмы, управляемое за счет удара имеющих высокую кинетическую энергию макроскопических снарядов, например, пары сталкивающихся снарядов, или за счет одного снаряда, соударяющегося со стационарной мишенью. См., например, патент США No. 4,328,070, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки. См., также, упомянутую выше публикацию by C.W. Hartmann et al., "Acceleration of Spheromak Toruses: Experimental results and fusion applications."

Раскрытие изобретения

В изобретении раскрыт вариант осуществления системы для сжатия плазмы. Система может содержать плазменный инжектор, который содержит систему формирования плазмы, сконфигурированную так, чтобы возбуждать намагниченную плазму, и ускоритель плазмы, имеющий первую часть, вторую часть и продольную ось между первой частью и второй частью. Ускоритель плазмы может быть сконфигурирован так, чтобы получать намагниченную плазму в первой части и ускорять намагниченную плазму вдоль продольной оси в направлении второй части. Система для сжатия плазмы также может содержать систему циркуляции жидкого металла, сконфигурированную так, чтобы доставлять жидкий металл, который образует по меньшей мере часть камеры, сконфигурированной так, чтобы получать намагниченную плазму от второй части ускорителя плазмы. Намагниченная плазма может иметь первое давление при ее вводе в камеру. Система также может содержать ускоритель снаряда, сконфигурированный так, чтобы ускорять снаряд вдоль по меньшей мере части продольной оси в направлении камеры. Система может быть сконфигурирована так, что снаряд сжимает намагниченную плазму в камере, так что сжатая намагниченная плазма может иметь второе давление, которое больше, чем первое давление.

В изобретении раскрыт вариант осуществления способа сжатия плазмы. Способ предусматривает возбуждение тороидальной плазмы, ускорение тороидальной плазмы в направлении полости в жидком металле, ускорение снаряда в направлении полости в жидком металле, и сжатие тороидальной плазма при помощи снаряда, когда тороидальная плазма находится в полости в жидком металле. В некоторых вариантах осуществления, способ может также предусматривать втекание жидкого металла, чтобы образовать полость. В некоторых вариантах осуществления, способ может также предусматривать рециркуляцию части жидкого металла, чтобы образовать по меньшей мере один новый снаряд.

В изобретении раскрыт вариант осуществления устройства для сжатия плазмы. Устройство может содержать плазменный инжектор, сконфигурированный для ускорения компактного тороида плазмы в направлении полости в жидком металле. Полость может иметь вогнутую форму. Устройство может также содержать ускоритель снаряда, сконфигурированный для ускорения снаряда в направлении полости, и систему синхронизации, сконфигурированную так, чтобы координировать ускорение компактного тороида и ускорение снаряда, так чтобы снаряд ограничивал компактный тороид в полости в жидком металле.

Краткое описание чертежей

На всех чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Чертежи приведены для пояснения приведенных примерных вариантов осуществления настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема патентных притязаний.

На фиг.1 схематично показана блок-схема примерного варианта осуществления системы для сжатия плазмы с ограничивающей стенкой жидкого металла, причем указанная система содержит устройство для ускорения снаряда, плазменный инжектор, резервуар для рециркуляции жидкого металла и подсистему формирования снаряда.

На фиг.2 схематично показана блок-схема части примерного варианта плазменного инжектора, расположенного коаксиально вокруг жерла ускорителя снаряда. В показанном варианте осуществления, плазменный инжектор расположен вращательно симметрично вокруг оси 40а ускорения снаряда.

На фиг.3 показаны упрощенные схемы (A-I) примера того, как, во временной последовательности, ведут себя снаряд и плазма, от момента соударения с жидким металлом до точки максимального давления, и затем последующее разрушение снаряда и перемешивание с жидким металлом, что используют для рециркуляции материала снаряда. Значения плотности (кг/м) показаны как уровни серой шкалы справа на фиг.3.

На фиг.4A-4F схематично показаны поперечные сечения примерных конструктивных вариантов снарядов.

На фиг.5 схематично показан пример синхронизации клапанов выпуска газа в примерном варианте осуществления ускорителя снаряда.

На фиг.6 показана схема последовательности операций примерного варианта осуществления способа сжатия плазмы в камере жидкого металла, с использованием соударения снаряда с намагниченной плазмой.

Подробное описание изобретения

Обзор

Описанные здесь выше схемы сжатия плазмы имеют различные преимущества и недостатки. Однако существенным препятствием для эффективного внедрения любой схемы сжатия плазмы типично является стоимость конструирования такого устройства в необходимых физических размерах. Для некоторых из описанных выше схем, стоимость конструирования затрудняет или даже исключает испытание и проектирование макетов в полных физических размерах. Таким образом, целесообразно рассматривать технологии, которые позволяют конструировать макеты в полных физических размерах, с использованием некоторых стандартных процессов и материалов, причем такие макеты имеют относительно простую конструкцию и относительно малые физические размеры.

Варианты осуществления описанных здесь выше схем сжатия обычно являются импульсными по своей природе. Два возможных фактора, которые необходимо учитывать, представляют собой стоимость одного импульса и частоту повторения импульсов. Схемы, в которых используют высокоточные детали, которые разрушаются в каждом импульсном цикле (например, схемы 2, 3 и некоторые разновидности схемы 6), типично имеют намного большую стоимость одного импульса, чем схемы, которые являются либо не разрушаемыми (например, схема 1), либо используют пассивную рециркуляцию материала (например, схемы 4, 5 и некоторые разновидности схемы 6). Не разрушаемые импульсные схемы обычно могут иметь самую высокую частоту повторения (которая может быть ограничена за счет магнитных эффектов), которая в некоторых вариантах осуществления может быть в кГц диапазоне. Схемы с пассивной рециркуляцией являются следующими по частоте повторения (которая может быть ограничена за счет скоростей потока линейного флюида), которая в некоторых вариантах осуществления может составлять несколько кГц. Схемы, в которых центральный узел импульсного сжатия разрушается каждым импульсом, имеют самую низкую собственную частоту повторения, которая определяется временем, необходимым для удаления разрушенных элементов и для установки нового узла. Вероятнее всего, в некоторых вариантах осуществления этих схем, в лучшем случае частота повторения составляет доли Гц.

Принимая во внимание возможность интенсивного рентгеновского излучения и испускания частиц высокой энергии из плазмы при высокой плотности и температуре, может быть выгодно проектировать схемы, которые содержат большой объем заменяемого поглощающего материала, чтобы уменьшить поступление продуктов радиационного распада из плазмы в постоянные конструктивные элементы устройства сжатия. Устройства, которые не содержат такого поглощающего материала или защитного слоя, подвержены радиационному разрушению их конструктивных элементов и имеют соответственно пониженный срок службы. Несмотря на то что некоторые варианты схем 1, 2 и 3 могут быть приспособлены для использования некоторого количества поглощающего материала, это может приводить к усложнению их конструкции (см., например, HYLIFE-II реактор, описанный в приведенной выше ссылке Moir et al.). В отличие от этого, схемы 4, 5 и 6 содержат поглощающий материал, либо за счет выбора материала, использованного для сжатия линейного флюида, и/или за счет добавки материала в большие не используемые объемы, окружающие устройство. Системы с рециркуляцией поглощающей жидкости также позволяют реализовать дешевый способ отбора теплоты, полученной во время сжатия. Рециркуляция поглощающей жидкости также позволяет использовать продукты радиационного распада из сжатой плазмы для трансмутации изотопов, которые содержатся в поглощающей жидкости. Этот подход может быть использован для обработки отходов, или для создания дешевого способа производства редких изотопов.

В управляемых за счет соударения схемах сжатия типично используют способы ускорения небольших, но макроскопических снарядов до сверхвысоких скоростей, необходимых для сжатия и нагревания твердых снарядов до очень плотного, горячего плазменного состояния, типично без магнитного поля, или с магнитным полем, имеющим только краевые ограничивающие свойства. Это типично требует использования очень длинного электромагнитного ускорителя (например, длиной до нескольких километров), чтобы развить требуемую скорость, что приводит к запретительно высоким расходам на конструирование.

Различные варианты осуществления настоящего изобретения позволяют решить некоторые из приведенных выше и других проблем. Например, в большинстве систем с использованием снарядов, до сих пор не использовали никакой способ рециркуляции материала снаряда, что приводит к разрушению высокоточных деталей и значительно повышает стоимость одного импульса. Кроме того, в большинстве известных систем до сих пор не использовали механизмы поглощения продуктов радиационного распада из плазмы для решения полезных задач, так что любое поглощающее покрытие может быть добавлено к ним с большими инженерными сложностями.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения позволяют использовать ударное воздействие снаряда для управления сжатием плазмы, и создают конфигурацию системы, позволяющую создать систему со значительно меньшими размерами и более высокими частотами повторения и/или с большим сроком службы, чем известные ранее подходы. В отличие от некоторых способов ударного сжатия (см., например, патент США No. 4,435,354, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки), некоторые варианты заявленных подходов позволяют использовать большую массу, которая перемещается с низкой скоростью и обеспечивает сжатие хорошо намагниченной плазмы. Это позволяет использовать более простой и более дешевый способ ускорения снаряда для сжатия плазмы. Например, пушка с использованием легкого газа может быть использована для ускорения снаряда до скоростей несколько км/сек в интервале, например, около 100 метров. Примеры построения пушек с использованием легкого газа и пусковых систем снарядов, которые могут быть использованы вместе с раскрытыми здесь вариантами осуществления системы для сжатия плазмы, описаны в патенте США No. 5,429,030 и в патенте США No. 4,534,263, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки. Подходящая пусковая система снаряда, которая описана в публикации L.R.Bertolini, et al., "SHARP, a first step towards a full sized Jules Verne Launcher", Report Number UCRL-JC-114041; CONF-9305233-2, Lawrence Livermore National Lab, May 1993, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки, также может быть использована вместе с раскрытыми здесь вариантами осуществления системы для сжатия плазмы.

Варианты заявленного подхода могут содержать встроенную систему пассивной рециркуляции для материала снаряда. Это позволяет улучшать (например, делать относительно высокой) частоту повторения и/или повышать срок службы системы. При подходящем выборе материалов, снаряд и линейный флюид могут действовать как эффективный поглотитель продуктов радиоактивного распада плазмы, что позволяет создать систему, которая является экономически реализуемой и практически полезной.

Примерные системы и способы сжатия плазмы

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются варианты осуществления систем и способов сжатия плазмы. В некоторых вариантах осуществления, плазма может быть сжата за счет соударения снаряда с тороидом намагниченной плазмы в полости жидкого металла. Снаряд может расплавляться в полости жидкого металла, а жидкий металл может быть рециркулирован для формирования новых снарядов. Плазма может быть нагрета во время сжатия.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой схематично показан вариант осуществления новой примерной системы 10 для сжатия плазмы. Примерная система 10 содержит устройство 34 для формирования/ инжекции намагниченной плазмы, ускоритель 40 (например, пушку с использованием легкого газа или электромагнитный ускоритель), который посылает снаряды 12 вдоль оси 40а ускорения в направлении камеры 26 сжатия, образованной в части сходящегося потока жидкого металла 46. Жидкий металл 46 содержится в рециркуляционном резервуаре 18 для жидкого металла, причем коническое сопло 24 направляет поток жидкого металла 46 во вкладыш удержания магнитного потока, имеющий поверхность 27 с желательной формой у камеры 26 сжатия. Камера 26 сжатия может быть в основном симметричной относительно оси. Ось камеры 26 сжатия может быть в основном коллинеарной с осью 40а ускорения (как это показано, например, на фиг.1 и 2). Система 10 может иметь систему синхронизации (не показана), которая сконфигурирована так, чтобы координировать относительную синхронизацию таких событий, как, например, формирование плазмы, ускорение плазмы, запуск или ускорение снаряда, и т.п. Например, так как, в некоторых вариантах осуществления, скорость снаряда может быть значительно меньше, чем скорость инжекции плазмы, формирование и инжекция плазмы могут быть задержаны и могут запускаться при помощи системы синхронизации, когда снаряд 12 доходит до заданного положения относительно ускорителя 40 (например, будет находиться поблизости от его жерла).

На фиг.1 схематично показаны три примерных снаряда 12а, 12b и 12с, которые движутся в направлении камеры 26 сжатия. Четвертый снаряд 12d находится в жидком металле 46, поблизости от точки максимального сжатия плазмы. Четыре снаряда 12а-12d показаны для пояснения возможностей системы 10 и не имеют ограничительного характера. Например, в других вариантах осуществления, различное число снарядов (например, 1, 2, 4 или больше) могут ускоряться при помощи ускорителя 40 в любой момент времени. На фиг.1 также схематично показан тороид плазмы в трех различных положениях в системе 10. В показанном варианте осуществления, тороид намагниченной плазмы может быть образован поблизости от формирующей области 36а устройства 34 формирования/ инжекции. Намагниченная плазма, показанная в положении 36b, подверглась ускорению и сжатию между коаксиальными электродами 48 и 50. В положении 36с, поблизости от жерла ускорителя 40, намагниченная плазма расширяется из конца коаксиальных электродов 48 и 50 в камеру 26 сжатия большего объема, заданную при помощи передней поверхности снаряда 12с (см. фиг.1) и поверхности 27 жидкого металла. Намагниченная плазма может оставаться в положении 36с в камере 26 сжатия с временем магнитного спада, которое в несколько раз больше, чем время сжатия.

Движение снаряда 12с может сжимать плазму поблизости от положения 36с, причем внутреннее магнитное удержание плазмы уменьшает или предотвращает существенную потерю частиц назад в плазменный инжектор во время ранней фазы сжатия. В системе 10, схематично показанной на фиг.1, размер снаряда 12с в направлении, перпендикулярном к оси 40а ускорения, меньше, чем размер отверстия в камере 26 сжатия, так что кольцевое отверстие существует вокруг наружной стороны снаряда, когда снаряд находится поблизости от положения 36с. Более поздняя фаза сжатия начинается после того, как снаряд 12с закрывает отверстие в камеру, при этом камера 26 сжатия будет в основном или полностью закрыта за счет поверхности 27 жидкого металла и снаряда 12с. См., например, фиг.3, на которой схематично показана смоделированная временная последовательность геометрии сжатия. Таким образом, ударное воздействие снаряда 12 на плазму в камере сжатия может повышать давление, плотность и/или температуру плазмы. Например, плазма может иметь первое давление (или плотность или температуру), когда она введена в камеру 26 сжатия, и второе давление (или плотность или температуру) после воздействия снаряда 12, причем второе давление (или плотность или температура) больше, чем первое давление (или плотность или температура). Второе давление (или плотность или температура) могут быть больше, чем первое давление (или плотность или температура), например, в 1.5, 2, 4, 10, 25, 50, 100 или больше раз. После поглощения снаряда в жидком металле 46 (показанного на фиг.1 как снаряд 12d), снаряд может быстро разрушиться и расплавиться в металле 46. Как это описано далее более подробно, жидкий металл 46 из резервуара 18 может быть рециркулирован для формирования новых снарядов.

В результате сжатия, плазма может быть нагрета. Чистый нагрев жидкого металла 46 может происходить за счет поглощения продуктов радиационного распада из сжатой плазмы, а также за счет термализации кинетической энергии снаряда. Например, в некоторых вариантах реализации, жидкий металл 46 может быть нагрет до нескольких сот градусов Цельсия за счет сжатия плазмы. Таким образом, как это показано в примере на фиг.1, когда жидкий металл 46 рециркулируют при помощи насоса 14, жидкий металл необходимо охлаждать при помощи системы 16 теплообмена, чтобы поддерживать желательную температуру во впускной трубе 28 или в коническом сопле 24. В некоторых вариантах реализации, теплота, образуемая за счет сжатия плазмы, может быть отведена при помощи теплообменника и использована в системе выработки электроэнергии (например, в турбине, приводимой во вращение за счет пара, поученного за счет отведенной теплоты). В некоторых вариантах осуществления, температура жидкого металла может поддерживаться немного выше его температуры плавления (например, T_melt + ориентировочно 10-50°С). Теплообменником 16 может быть любой подходящий теплообменник.

В некоторых вариантах осуществления, выход теплообменника может быть использован в других процессах. Например, в дополнение к впускному патрубку 28, который направляет поток жидкого металла 46 в коническое сопло 24, чтобы создать поверхность 27 камеры 26 сжатия, труба 30 рециркуляции может подавать запас жидкого металла 46 в кристаллизаторы 32 снарядов в подсистеме для изготовления партий новых снарядов (например, подавать на производство 37 снарядов, показанное на фиг.1). В некоторых вариантах осуществления, механизм 38 загрузки может быть использован для автоматической загрузки новых снарядов в брешь ускорителя 40. В некоторых вариантах осуществления, группа снарядов 12 может быть вставлена в кассету, которая может быть загружена при помощи механизма 38 загрузки в брешь ускорителя 40 и выпущена в относительно быстрой очереди вдоль оси 40а ускорения. В некоторых случаях, в течение короткого периода времени, возможно, в течение 1-2 секунд в некоторых вариантах реализации, из ускорителя 40 может быть произведен выпуск группы снарядов, после чего может быть произведена загрузка следующей кассеты снарядов. В некоторых вариантах осуществления, механизм 38 загрузки может иметь прямой цикл загрузка-выпуск-загрузка-выпуск, причем в таком случае кассеты не используют, при этом поддерживают в основном постоянную частоту повторения выпуска снарядов.

В некоторых вариантах осуществления, кристаллизаторы 32 снарядов могут быть автоматизированы, чтобы получать рецикловый жидкий металл 46 и осуществлять цикл охлаждения, позволяющий производить отливку новых снарядов с использованием различных технологических процессов. Скорость рециркуляции жидкого металла и производства новых снарядов должна быть достаточной для подачи снарядов, обеспечивающих заданную частоту выпуска снарядов. Полное время охлаждения жидкого металла, необходимое для достаточного застывания в кристаллизаторах, должно быть синхронизовано с процессом приготовления партий новых снарядов. В некоторых вариантах реализации системы 10, время охлаждения может быть сделано возможно более коротким и/или может зависеть от скорости работы механизма загрузки и/или от способности снаряда 12 выдерживать ускорение в стволе пушки. В этом высоко автоматизированной цикле выпуска снарядов, может быть обеспечена высокая частота повторения в течение длительного времени. Также, с возможным исключением инжекции плазмы для каждого выпуска снаряда, некоторые варианты осуществления системы 10 преимущественно могут быть системами регулирования в замкнутом контуре, в которых твердые снаряды 12 в конечном счете поступают в резервуар 18, заполненный по существу этим же материалом в жидком виде, причем жидкий металл 46 может быть рециркулирован для образования новых снарядов 12. В некоторых вариантах осуществления, изготовление снарядов может быть осуществлено с использованием систем и способов, описанных, например, в патенте США No. 4,687,045, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки.

Система 10 может быть использована в различных практических и полезных применениях. Например, в применениях, предусматривающих трансмутацию изотопов за счет поглощения продуктов радиационного распада, может быть использована другая ветвь потока жидкого металла (не показана), в которой изотопы могут быть удалены из жидкого металла 46, например, с использованием стандартных технологий со слоем геттера. При необходимости, в некоторых вариантах осуществления, дополнительный металл может быть добавлен в поток, чтобы восполнить потери за счет трансмутации или другие потери.

В некоторых вариантах реализации системы 10, некоторая часть системы или вся система рециркуляции жидкого металла может быть аналогичной системам, которые используют в некоторых вариантах реализации описанных здесь выше схем 4 и 5 сжатия. Некоторые варианты реализации этой схемы могут отличаться от некоторых вариантов реализации схемы 4 в том, что не используют вихревую гидродинамику для создания центральной полости камеры 26 сжатия, причем вместо этого может быть использован линейный поток в сопле. Некоторые варианты реализации заявленного подхода также могут отличаться от некоторых вариантов реализации схемы 4 в том, что только единственный снаряд используют для воздействия при каждом сжатии, так что синхронизация удара нескольких плунжеров, которую используют для создания по существу симметричных акустических импульсов, может не потребоваться.

Некоторые варианты осуществления заявленного подхода также имеют некоторые преимущества по сравнению со схемой 5, в которой типично используют намного более длинный и более мощный плазменный инжектор, чтобы получить кинетическую энергию, необходимую для полного сжатия плазмы, что приводит к более высокой стоимости создания установки за счет стоимости емкостного накопителя энергии. В некоторых вариантах реализации заявленного подхода, энергия, которая может быть использована для сжатия плазмы, в первую очередь может быть получена за счет сжатого газа, который ускоряет снаряд 12 в ускорителе 40. В некоторых случаях, такая технология может быть менее сложной и более дешевой, чем технология, используемая в некоторых вариантах реализации схемы 5.

Варианты осуществления системы 10 для сжатия плазмы могут содержать ускоритель 40 для выпуска снаряда 12 вдоль по существу прямолинейной траектории, которая проходит вдоль оси 40а, по существу через центр инжектора 34 плазмы и заканчивается соударением с плазмой и стенками жидкого металла камеры 26 сжатия внутри резервуара 18 рециркуляции. В некоторых вариантах осуществления, ускоритель 40 может быть сконфигурирован так, что он может эффективно обеспечивать высокие скорости снаряда (например, ориентировочно 1-3 км/с), в случае снаряда большого калибра (например, имеющего массу около 100 кг и диаметр около 400 мм), и может работать очередями. Существует несколько известных ускорителей, которые могут быть приспособлены для такого применения. В одном возможном случае может быть использована пушка с использованием легкого газа. В некоторых вариантах реализации, конструкция пушки позволяет производить быструю перезарядку объема камеры позади снаряда сжатым легким "газом-толкателем" (который может содержать, например, водород или гелий). В некоторых вариантах реализации, может быть выгодно создавать по меньшей мере частичный вакуум в области впереди снаряда, до следующего выстрела пушки. Например, следует иметь в виду, что когда снаряд 12 движется вперед, он может толкать порцию газа на своем пути, так что она поступает в камеру 26 сжатия. В зависимости от состава газа, это может приводить к загрязнению плазмы, которая введена в камеру 26 сжатия. Наличие другого газа (примесей) может в некоторых случаях приводить к охлаждению плазмы за счет линейного излучения, которое уменьшает энергию, предназначенную для нагревания плазмы.

В вариантах реализации, в которых используют водород в качестве газа-толкателя, водород может быть полностью ионизирован и введен в плазму без создания таких проблем, связанных с охлаждением. Кроме того, следует иметь в виду, что остаточный газ впереди снаряда действует как сила лобового сопротивления, снижающая ускорение снаряда в пушке. Таким образом, в вариантах реализации, в которых имеется по меньшей мере частичный вакуум впереди снаряда, может быть достигнута повышенная эффективность пушки.

В некоторых вариантах осуществления, стандартная пушка с использованием легкого газа может быть использована для быстрой откачки ствола 44 пушки в перерывах между выстрелами. Например, в одной возможной конструкции пушки, главный ствол 44 пушки может быть окружен вакуумной камерой значительно большего размера (на фиг.1 не показана), причем большое число приводимых в действие выпускных клапанов 42 распределены вдоль длины пушки 44. Один возможный примерный способ работы клапанов предусматривает следующее. В перерывах между выстрелами, все клапаны 42 (или по меньшей мере их значительная часть) могут быть открыты, и газ-толкатель от предыдущего выстрела может быть выпущен в вакуумную камеру. После открывания клапанов, если не учитывать эффект истечения за счет активной откачки у поверхности вакуумной камеры, оценка начального равновесного давления может быть выражена как

P_equ=P_push V_gun/V_tank=P_push(r_gun/r_tank)²,

в которой P_pusn представляет собой окончательное давление в пушке после выпуска снаряда из жерла, V_gun, V_tank представляют собой соответственно объемы ствола 44 пушки и вакуумной камеры, которые для соосной цилиндрической системы пушка - камера также пропорциональны квадрату отношений радиусов ствола пушки и вакуумной камеры. Например, если (r_gun/r_tank)=1/10, и окончательное толкающее давление P_pusn равно одной атмосфере (ориентировочно 1.013×10 Па), то тогда начальное равновесное давление будет составлять около 1/100 атмосферы. В некоторых вариантах осуществления системы, эта объемная потеря давления позволяет использовать стандартный высокоскоростной турбонасос для откачки системы, который обычно не используют при очень высоких давлениях, возникающих в некоторых конструкциях газовых пушек. В некоторых таких вариантах осуществления, вакуумные турбонасосы (не показаны) могут быть распределены вдоль поверхности вакуумной камеры и, в случае параллельной работы, могут иметь объединенную скорость откачки, которая равна или превышает усредненную по времени скорость втекания газа за счет инжекции газа-толкателя, чтобы приводить в движение снаряд. Одно возможное устройство может быть устройством с замкнутым контуром для газа-толкателя, в котором компрессоры используют отработавшие газы вакуумных насосов и непосредственно повышают давление в камере пушки. Тепловая энергия от системы 16 теплообмена может быть дополнительно или альтернативно использована для теплового повышения давления газа в камере.

Продолжая рассмотрение примерного способа работы клапана, можно сказать, что как только давление в пушке 40 существенно понизится, клапаны 42 могут начать закрываться и могут быть синхронизированы так, что клапаны, ближайшие к жерлу пушки 40, полностью закроются первыми. В некоторых случаях, время полного закрывания клапанов 42 может изменяться в линейной последовательности вдоль длины пушки 40, так что оно отслеживает траекторию снаряда. Могут быть использованы и другие схемы синхронизации. При выборе подходящей схемы синхронизации, некоторые конструктивные варианты пушки 40 могут быть сконфигурированы с возможностью начала выпуска другого снаряда 12 сразу после того, как закроются клапаны 42 поблизости от жерла, а когда снаряд 12 движется в стволе пушки 40, снаряд может проходить мимо позже закрытых клапанов, причем клапаны впереди снаряда находятся в процессе закрывания, и все еще остаются достаточно открытыми, чтобы любой остаточный газ мог быть выпущен в вакуумную камеру. В других конструктивных вариантах пушки могут быть использованы другие схемы выпуска снарядов.

Приведение в действие клапанов 42 может быть осуществлено, например, за счет движения, которое может быть линейным или вращательным по своей природе. На фиг.5 схематично показан пример синхронизации вращательных клапанов 42a-42d для выпуска газа в варианте ускорителя снаряда. Двигатели 78a-78d могут быть использованы для вращения соответствующих роторов 72a-72d клапанов. В этом примере, синхронизация может быть выполнена так, что роторы 72а и 72b клапанов по меньшей мере частично перекрывают одно или несколько соответствующих вентиляционных отверстий 74а и 74b, расположенных позади местоположения 76 снаряда (который движется направо в этом примере), а роторы 72с и 72d клапанов оставляют по меньшей мере частично открытыми одно или несколько соответствующих вентиляционных отверстий 74с и 74d, расположенных впереди местоположения 76 снаряда, так что газ может быть по меньшей мере частично замкнут в области позади снаряда, в то время как область впереди снаряда может быть по меньшей мере частично откачена. В некоторых вариантах реализации, рециркуляция газа-толкателя через систему может потребовать значительного расхода энергии в течение короткого (например, полсекунды) периода времени между выстрелами. В других способах эксплуатации пушки, выпускные клапаны (если они есть) могут работать иным образом, отличающимся от описанного здесь выше.

В некоторых вариантах осуществления, частота повторения системы ускорения снаряда может быть больше, чем собственная частота повторения схемы сжатия или равна ей. В других вариантах осуществления, частота повторения системы ускорения снаряда может быть меньше, чем собственная частота повторения схемы сжатия.

Следует иметь в виду, что могут быть использованы и другие способы ускорения снаряда. Например, другой возможный способ ускорения снаряда предусматривает использование пушки с катушкой индуктивности, которая, в некоторых вариантах осуществления, создает последовательность электромагнитных импульсов для приложения последовательности магнитных сил для ускорения снаряда. Одним возможным преимуществом пушки с катушкой индуктивности является то, что она позволяет постоянно поддерживать высокую степень откачки.

В некоторых вариантах реализации системы 10, могут быть предусмотрены дополнительные датчики (не показаны) и цепь запуска (не показана), для точного запуска ускорителя 40.

Снаряд 12 и/или жидкий металл 46 могут содержать металл, сплав, или их комбинацию. Например, может быть использован сплав свинца с литией, содержащий около 17% лития по атомной концентрации. Этот сплав имеет температуру плавления около 280°С и плотность около 11.6 г/см³. Могут быть использованы и другие концентрации лития (например, 5%, 10%, 20%), причем, в некоторых вариантах реализации, литий не используют. В некоторых вариантах осуществления, снаряд 12 и жидкий металл 46 имеют по существу одинаковую композицию (например, в некоторых импульсных, рецикловых вариантах осуществления). В других вариантах осуществления, снаряд 12 и жидкий металл 46 могут иметь разные композиции. В некоторых вариантах осуществления, снаряд 12 и/или жидкий металл 46 могут быть изготовлены из металлов, сплавов, или из их комбинаций. Например, снаряд и/или жидкий металл может содержать железо, никель, кобальт, медь, алюминий и т.п. В некоторых вариантах осуществления, жидкий металл 46 может быть выбран так, чтобы иметь достаточно низкое поглощение нейтронов, так что полезный поток нейтронов выходит из жидкого металла.

Варианты инжектора 34 тороидальной плазмы могут быть в основном аналогичны некоторым известным конструкциям коаксиальной рельсовой пушки. См., например, различные варианты инжектора тороидальной плазмы, описанные в публикациях: J.Н.Degnan, et al., "Compact toroid formation, compression, and acceleration", Phys. Fluids B, vol. 5, no. 8, pp.2938-2958, 1993; R.E.Peterkin, "Direct electromagnetic acceleration of a compact toroid to high density and high speed". Physical Review Letters, vol. 74, no.16, pp.3165-3170, 1995; and J.Н.Hammer, et al., "Experimental demonstration of acceleration and focusing of magnetically confined plasma rings", Physical Review Letters, vol. 61, no. 25, pp.2843-2846, December 1988. См., также, конструкцию инжектора, которая была экспериментально проверена и описана в публикации Н.S.McLean et al., "Design and operation of a passively switched repetitive compact toroid plasma accelerator", Fusion Technology, vol. 33, pp.252-272, May 1998. Каждая из вышеупомянутых публикаций полностью включена в данное описание в качестве ссылки. Кроме того, варианты генераторов плазмы, которые описаны в заявках на патент США Nos. 2006/0198483 и 2006/0198486, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки, могут быть использованы в вариантах инжектора 34 тороидальной плазмы.

Тороидальной плазмой, возбуждаемой при помощи плазменного инжектора 34, может быть компактный тороид, такой как, например, сферомак, который представляет собой тороидальную плазму, заключенную в своем собственном магнитном поле, созданном за счет тока, протекающего в проводящей плазме. В других вариантах осуществления, компактным тороидом может быть реверсированная полем конфигурация (FRC) плазмы, которая может иметь по существу замкнутые линии магнитного поля, с малым проникновением линий магнитного поля в центр или вообще без такого проникновения.

Некоторые такие конструкции инжекторов тороидальной плазмы позволяют получить высокую плотность плазма с сильным внутренним магнитным полем тороидальной топологии, которое удерживает заряженные частицы плазмы в сердечнике плазмы в течение времени, сравнимого с временем сжатия и восстановления или превышающего его. Варианты инжектора могут быть сконфигурированы так, чтобы обеспечивать существенный предварительный нагрев плазмы, например, за счет омического или резистивного нагрева при помощи внешних токов управления, и так, чтобы позволить частичный спад внутренних магнитных полей и/или прямой ионный нагрев за счет термализации кинетической энергии инжекции, когда плазма поступает в камеру 26 сжатия.

Как это схематично показано на фиг.2, некоторые варианты инжектора 34 плазмы могут содержать различные системы или области, в том числе: систему 60 формирования плазмы, область 62 расширения плазмы, и систему ускорения/фокусирования плазмы или ускоритель 64. В варианте, показанном на фиг.2, система ускорения/фокусирования плазмы или ускоритель 64 ограничена при помощи электродов 48 и 50. Один электрод или оба из электродов 48, 50 могут быть коническими для обеспечения сжатия плазмы, когда плазма движется вдоль оси ускорителя 64. В показанном варианте осуществления, система 60 формирования плазмы имеет самый большой диаметр и содержит отдельный электрод 68 формирования, соосный с внешней стенкой системы 60 формирования плазмы, который может быть под напряжением, чтобы ионизировать введенный газ за счет высокого напряжения, и высокого тока разряда, в результате чего формируется плазма. Система 60 формирования плазмы также может иметь комплект из одного или нескольких соленоидов, которые создают начальное магнитное поле ранее разряда ионизации, которое затем будет встроено в плазму при ее формировании. После разделения за счет плазменных процессов во время расширения и релаксации в области 60 расширения плазмы, начальное магнитное поле может превращаться в набор замкнутых поверхностей тороидального магнитного потока, которые позволяют хорошо удерживать частицы и энергию, что поддерживается в первую очередь за счет внутренних токов плазмы.

После формирования этого тороида 36 намагниченной плазмы, ток ускорения может быть пропущен от центра конического ускоряющего электрода 48 через плазму, и назад вдоль внешнего электрода 50. Результирующая сила Лоренца (J×B) ускоряет плазму вниз в ускорителе 64. Ускоритель 64 плазмы имеет ось ускорения, которая по существу коллинеарна с осью 40а ускорителя. Сближающиеся, конические электроды 48, 50 побуждают плазму сжиматься до меньшего радиуса (например, в положениях 36b, 36с, как это схематично показано на фиг.1). В некоторых вариантах осуществления, коэффициент радиального сжатия около 4 может быть получен при помощи инжектора 34 умеренных размеров, имеющего длину около 5 метров и внешний диаметр около 2 метров. Это позволяет получить плотность инжектированной плазмы, которая может быть ориентировочно в 64 раза больше исходной плотности в области расширения инжектора, так что происходит процесс ударного сжатия, с исходной плазмой с высокой начальной плотностью. В других вариантах осуществления, коэффициент сжатия может быть, например, 2, 3, 5, 6, 7, 10 или больше. В некоторых вариантах осуществления, сжатие в ускорителе плазмы не используют, и система 10 сжимает плазму в первую очередь за счет ударного воздействия снаряда на плазму. В показанном варианте осуществления, электроэнергия для формирования, намагничивания и ускорения плазменного тороида может быть выработана при помощи импульсной системы 52 электропитания. Импульсная система 52 электропитания может содержать конденсаторную батарею. В других вариантах осуществления, электрическая энергия может быть использована (приложена) стандартным образом, например, как это описано в публикации J.Н.Hammer, et al., "Experimental demonstration of acceleration and focusing of magnetically confined plasma rings", Physical Review Letters, vol. 61, no. 25, pp.2843-2846, December 1988, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки.

Варианты резервуара 18 для циркуляции жидкого металла могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь по существу центральную цилиндрическую часть, поперечное сечение которой показано на фиг.1, и так, чтобы поддерживать чистый поток жидкого металла вдоль осевого направления, который поступает в основную камеру через коническое отверстие 24 (коническое сопло) на одном конце и выходит на противоположном конце через трубу 20 или набор таких труб. Также на фиг.1 показана факультативная труба 30 рециркуляции для направления жидкого металла 46 в кристаллизаторы 32 снарядов. Факультативная труба 30 рециркуляции может быть отдельной трубой, отделенной от других областей резервуара 18. В различных вариантах осуществления, скорости потока в жидком металле 46 могут быть в диапазоне от нескольких м/сек до нескольких десятков м/сек, причем, в некоторых вариантах реализации, преимущественно поддерживают по существу ламинарный поток во всей системе 10. Для содействия ламинарному потоку, ячеистые элементы могут быть встроены в резервуар 18. Направляющие лопасти или крылья могут быть использованы для направления потока желательной формы в область сжатия. Угол конусности сходящегося потока может быть выбран так, чтобы улучшить гидродинамику удара для снаряда с данным углом конусности. Резервуар 18 рециркуляции может быть изготовлен из материалов с достаточной прочностью и толщиной, позволяющих выдерживать выходящую волну сжатия, которая возникает за счет удара снаряда и сжатия плазмы. Факультативно, специальные элементы ограничения потока, расположенные поблизости от выхода резервуара 18 (или в других подходящих местах), могут быть использованы для демпфирования волн сжатия, которые могут повреждать систему теплообмена. Факультативные нагреватели (не показаны) могут быть использованы для повышения температуры жидкого металла выше его температуры плавления, для запуска операций или после циклов технического обслуживания. В некоторых вариантах осуществления, системы и способы поддержания потока жидкого металла, описанные в заявках на патент США Nos. 2006/0198483 и 2006/0198486, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки, могут быть использованы в системе 10.

Во время ускорения и удара снаряда может происходить передача значительного количества движения, приводящая к возникновению сил отдачи, приложенных к конструкциям устройства. В некоторых вариантах реализации, масса флюида в резервуаре 18 рециркуляции может быть значительной (например, больше массы снаряда ориентировочно в 1000 раз), при этом силы отдачи от удара могут поглощаться за счет установки резервуара 18 на комплекте жестких амортизаторов, так что перемещение резервуара 18 может составлять около 1 см. Ускоритель 40 также может испытывать реакцию отдачи, когда он создает ускорение снаряда. В некоторых вариантах осуществления, ускоритель 40 может иметь массу всего в несколько сот раз больше, чем масса снаряда 12, и поэтому ускоритель 40 может испытывать соответствующие более высокие ускорения отдачи и полную амплитуду перемещения при выстреле, чем резервуар 18. При наличии этих трех ограниченных относительных движений, три компонента системы в показанном варианте (например, ускоритель 40, плазменный инжектор 34 и резервуар 18 рециркуляции) преимущественно могут быть соединены при помощи по существу гибких соединений, таких как, например, сильфоны, чтобы поддерживать желательный вакуум и флюидные уплотнения. Во время работы этой системы 10, движущая сила может быть периодической и может иметь частоту повторения несколько герц (например, в диапазоне ориентировочно от 1 до 5 Гц). Поэтому преимущественно следует конструировать систему механического осциллятора (например, массы плюс пружины амортизатора) с резонансной частотой, существенно отличающейся от частоты возбуждения, так чтобы было сильное демпфирование.

В некоторых вариантах осуществления, размер резервуара 18 рециркуляции может быть выбран так, чтобы объем жидкого металла 46, окружающий точку максимального сжатия 22, обеспечивал достаточное поглощение радиации за счет поглощающего элемента (например, лития), так чтобы имелась очень малая или вообще отсутствовала передача радиации в твердые металлические конструкции системы 10. Например, в некоторых вариантах осуществления, толщина жидкости, которая составляет около 1.5 метров для смеси свинца с литием, имеющей атомную концентрацию около 17% Li, позволяет уменьшить радиационный поток в твердую опорную конструкцию по меньшей мере ориентировочно в 10 раз.

На фиг.3 схематично показаны схемы (A-I), поясняющие временную последовательность примера возможной геометрии сжатия во время ударного воздействия снаряда 12 на флюид, содержащий жидкий металл 46. На схемах показаны плотность флюида и материала снаряда во время соударения. Схемы основаны на моделировании с использованием способа невязкого конечного объема на фиксированной сетке, причем объем плазмы 36 был добавлен вручную, чтобы схематично проиллюстрировать примерную динамику разрушения. В этом примере, ранее момента времени, показанного на схеме, ускоритель 40 производит пуск снаряда 12, который проходит мимо датчиков, расположенных поблизости от среза жерла, что, в свою очередь, запускает последовательность срабатывания плазменного инжектора. Плазменный тороид в этом примере затем может быть введен в постоянно закрытый объем между снарядом 12 и конической поверхностью 27 камеры 26 сжатия, образованной частично за счет потока жидкого металла 46. Когда снаряд 12 соударяется с камерой 26 сжатия, плазменный тороид 36 в этом примере по существу однородно сжимается до меньшего радиуса в конической камере 26 сжатия, образованной за счет потока жидкого металла. Плазма может быть сжата так, что ее плотность (или давление или температура) возрастает в 2 раза или больше, в 4 раза или больше, в 10 раз или больше, в 100 раз или больше, или в некоторое другое число раз.

Когда передний конец снаряда 12 соударяется с поверхностью 27 жидкого металла (как это показано на схеме А), плазма 36 становится уплотненной в замкнутом объеме. Когда кромка снаряда начинает проникать в жидкий металл (например, как это показано на схемах В, С и D), степень сжатия плазмы возрастает. При ударной скорости снаряда, равной скорости звука в жидком металле или превышающей ее, удар может создавать головную ударная волну, которая движется вместе со снарядом.

Передняя поверхность снаряда 12 может иметь фасонную часть для увеличения степени сжатия. Например, в схемах моделирования, показанных на фиг.3, снаряд 12 имеет вогнутую конусную переднюю часть (например, показанную на фиг.4А). В некоторых вариантах осуществления, угол конусности снаряда может быть выбран по существу равным углу головного удара для данной ударной скорости. В некоторых таких вариантах осуществления, этот выбор угла конусности может быть таким, что сжатие происходит во время замедления снаряда 12, а не раньше, во время головного удара, происходящего впереди поверхности снаряда 12.

Когда снаряд 12 сначала встречает сопротивление от удара, волна 70 сжатия может распространяться назад через снаряд, вызывая объемное сжатие снаряда, причем одновременно нормальная сила удара стремится вызвать расширение отверстия снаряда и начать процесс деформации. На внешней кромке снаряда, в жидкости может образоваться спутный след 72. При снижении скорости снаряда ниже скорости звука в жидком металле (например, как это показано на схеме Е), волна 70 сжатия может также распространяться вперед в поток жидкого металла. Пиковое сжатие плазмы может происходить после прохождения этой волны сжатия через камеру 26 сжатия (например, как это показано на схеме F). Когда идущая назад волна сжатия доходит до задней поверхности снаряда, она может отражаться, создавая волну 74 расширения (снижения давления), которая распространяется вперед через снаряд. Когда волна расширения доходит до содержащей плазму полости, разрушение поверхности внутренней стенки может начинать снижать ее скорость, останавливать при пиковых значениях давления плазмы, температуры и напряженности магнитного поля, а затем начинать повторное расширение за счет повышенных чистых давлений в плазме.

В качестве пояснительного неограничительного примера рассмотрим случай 100 кг снаряда, перемещающегося с ударной скоростью 3 км/сек и имеющего кинетическую энергию 450 МДж, при этом время передачи энергии составляет около 200 мкс, что приводит к средней мощности 2×10¹² Вт. Так как время пикового сжатия составляет ориентировочно 1/2 времени передачи энергии, причем возможно угловое расширение энергии во флюид, то ориентировочно 1/3 энергии идет на сжатие плазмы в любой данный момент времени. Например, в показанных схемах моделирования, максимально около 1/6 всей энергии идет на сжатие плазмы. Таким образом, в показанных схемах моделирования, около 75 МДж работы идет на сжатие плазмы. После полного погружения снаряда в поток жидкого металла, в снаряде могут появляться линии 76 разрушения и он начинает разрушаться на мелкие фрагменты, которые расплавляются в потоке жидкого металла в течение времени несколько секунд или меньше.

Снаряд 12, показанный в схемах моделирования на фиг.3, имеет вогнутую, коническую поверхность. Могут быть использованы и другие конструкции снаряда, которые обеспечивают другие характеристики сжатия, причем некоторые примерные конструкции 12a-12f снаряда схематично показаны на фиг.4A-4F, соответственно. Снаряды 12a-12f имеют соответствующие поверхности 13a-13f, которые ограничивают жидкий металл в камере 26 сжатия. В некоторых вариантах осуществления, поверхность может быть по существу конической, а участки поверхности могут быть вогнутыми или выпуклыми. Могут быть использованы и другие формы поверхности, например, участки сфер, другие конические секции. В некоторых вариантах осуществления, имеющих коническую поверхность, одним возможным параметром, который может быть выбран для создания различных конфигураций вогнутой поверхности, является угол конусности, показанный как угол Ф на фиг.4А и 4В. Угол конусности может быть выбран для улучшения динамики удара и динамики течения, когда снаряд соударяется с вкладышем жидкого металла. Угол конусности Ф больше у снаряда 12а, чем у снаряда 12f. Угол конусности Ф может составлять около 20 градусов, около 30 градусов, около 40 градусов, около 45 градусов, около 50 градусов, около 60 градусов, или может быть некоторым другим углом. В различных вариантах осуществления, угол конусности Ф может лежать в диапазоне ориентировочно от 20 до 80 градусов, в диапазоне ориентировочно от 30 до 60 градусов, и т.п.

В некоторых вариантах осуществления, снаряд 12с содержит удлиненный элемент 15 (например, центральный шип, см. фиг.4С), который может действовать как удлинение центрального электрода плазменного инжектора 34. В некоторых вариантах реализации системы 10, такой удлиненный элемент 15 может предотвращать переворот тороида намагниченной плазмы при его выходе из плазменного инжектора 34. В некоторых таких вариантах осуществления, плазму преимущественно инжектируют тогда, когда передний конец шипа 15 контактирует с жидким металлом 46 в камере 26 сжатия, при этом объем плазмы может сохранять по существу тороидальную топологию во время сжатия. Такие варианты реализации преимущественно позволяют обеспечивать лучшее магнитное удержание, чем сферическая топология, но имеют большую площадь поверхности металла, непосредственно открытую к плазме, что может повышать содержание примесей и понижать пиковую температуру плазмы в некоторых случаях.

В некоторых конструкциях снаряда, можно также обеспечить меньшее влияние на сжатие плазмы ударного эффекта, за счет использования выпуклого снаряда 12d соответствующей формы (как это показано, например, на фиг.4D), который может сжимать плазму в течение значительной доли всего времени разрушения, до того как снаряд пересечет поверхность жидкого металла. Для снижения содержания примесей в плазме, поверхность 13е снаряда 12е может иметь покрытие 19, образованное из второго материала (например, как это показано на фиг.4Е), например, такого как литий или литий-дейтерид. Другие участки снаряда также могут иметь одно или несколько покрытий. Указанные материалы покрытий типично не создают примесей, которые могут приводить, например, к нежелательному охлаждению плазмы, если примеси попадают на кромку плазмы. В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы множество покрытий. В некоторых конструкциях, снаряд может иметь, например, канавки и/или углубления вокруг его поверхности, облегчающие работу системы загрузки, или действующие как уплотнение для пневматической пушки ускорителя. Снаряд 13f, схематично показанный на фиг.4F, имеет канавку 17 вокруг окружности задней кромки, в которую может быть вставлен многоразовый уплотнительный фланец, например, при первоначальной отливке снаряда. В некоторых вариантах осуществления с использованием пневматической пушки для ускорения снаряда 12f, выстрел снаряда 12f происходит тогда, когда газ-толкатель будет иметь достаточно высокое давление, так что свинцовое кольцо позади уплотнительного фланца может быть срезано, в результате чего снаряд освобождается для ускорения, что несколько похоже на действие разрывной диафрагмы в стандартной газовой пушке.

На фиг.6 показана схема последовательности операций примерного варианта способа 100 сжатия плазмы в камере жидкого металла с использованием ударного воздействия снаряда на плазму. В операции 104, снаряд 12 ускоряют в направлении камеры сжатия жидкого металла. Снаряд ускоряют с использованием ускорителя, например, такого как ускоритель 40. Например, ускорителем может быть пушка с использованием легкого газа или электромагнитный ускоритель. Камера сжатия может быть образована в жидком материале, таком как жидкий металл. Например, в некоторых вариантах реализации, по меньшей мере часть камеры сжатия образована за счет потока жидкого металла, как это было описано здесь выше со ссылкой на фиг.1. В операции 108, намагниченную плазму ускоряют в направлении камеры жидкого металла. Например, намагниченная плазма может содержать компактные тороиды (например, сферомак или FRC). Намагниченная плазма может быть ускорена, в некоторых вариантах осуществления, с использованием ускорителя 34 плазменного тороида. В некоторых таких вариантах осуществления, намагниченную плазму возбуждают и ускоряют после того, как снаряд начал свое ускорение в направлении камеры сжатия, потому что скорость намагниченной плазмы может быть намного выше чем скорость снаряда. В операции 112, ударное воздействие снаряда на жидкий металл (когда плазма находится в камере сжатия) сжимает намагниченную плазму в камере сжатия. Плазма может быть нагрета при сжатии. Снаряд может разрушаться и может расплавляться в жидком металле. В факультативной операции 116, часть жидкого металла рециркулируют и используют для формирования одного или нескольких новых снарядов. Например, система рециркуляции жидкого металла и производство 37 снарядов, описанные со ссылкой на фиг.1, могут быть использованы для рециркуляции. Новые снаряды могут быть использованы в операции 104, чтобы создать импульсную систему для сжатия плазмы.

Варианты осуществления описанных здесь выше системы и способа подходят для использования в таких применениях, как изучение плазмы с высокой плотностью энергии, в том числе, например, в применениях, предусматривающих изучение астрофизических явлений или ядерного оружия. Некоторые варианты описанных здесь выше системы и способа могут быть использованы для сжатия плазмы, которая содержит расщепляемый материал, достаточный для того, чтобы могли протекать реакции ядерного синтеза и могли быть получены полезные нейтроны. Газ, использованный для образования плазмы, может содержать расщепляемый материал. Например, расщепляемый материал может содержать один или несколько изотопов легких элементов, таких как, например, изотопы водорода (например, дейтерий и/или тритий), изотопы гелия (например, гелий-3), и/или изотопы лития (например, литий-6 и/или литий-7). Могут быть использованы и другие расщепляемые материалы. Могут быть использованы также и комбинации элементов и изотопов. Таким образом, некоторые варианты осуществления системы 10 могут быть сконфигурированы так, чтобы действовать как импульсные генераторы высокого потока нейтронов или источники нейтронов. Нейтроны, вырабатываемые при помощи вариантов осуществления системы 10, имеют широкий диапазон использования в научно-исследовательских областях и в различных областях промышленности. Например, варианты осуществления системы 10 могут быть использованы для обеззараживания отходов атомной промышленности и для выработки медицинских нуклеотидов. Кроме того, варианты осуществления системы 10, сконфигурированные как источник нейтронов, также могут быть использованы при исследовании материалов, для тестирования отклика материала (в качестве внешнего образца) при воздействии высоких нейтронных потоков, или за счет введения образца материала в область сжатия и приложения к образцу сверхвысоких давлений, причем нейтронный поток может быть использован как диагностическое средство или как средство трансмутации материала, когда он находится под высоким давлением. Варианты осуществления системы 10, сконфигурированные как источник нейтронов, также могут быть использованы для дистанционного формирования изображений внутренних структур объектов при помощи нейтронной радиографии и томографии, и могут быть предпочтительными для использования в применениях, в которых требуется короткий импульс (например, несколько мкс) нейтронов с высокой яркостью.

В случае некоторых крупных промышленных применений, может быть выгодно использовать несколько систем сжатия плазмы в одной установке, причем в этом случае некоторая экономия может быть получена за счет использования единственной литейной установки для снарядов, позволяющей рециркулировать жидкий металл от нескольких систем, и затем распределять готовые снаряды в механизмы загрузки у бреши каждого ускорителя. Некоторые такие варианты осуществления могут быть предпочтительными потому, что осечка в одном ускорителе не приводит к полной остановке всего цикла установки, потому что остальные сжимающие устройства продолжают работать.

Дополнительные варианты осуществления и примеры

Описанные здесь системы и способы могут быть реализованы самым разным образом. Например, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, предлагается способ сжатия плазмы. Способ предусматривает (а) циркулирование жидкого металла через резервуар и направление жидкого металла через сопло, чтобы образовать полость, (b) возбуждение намагниченной плазмы и инжекцию тороида намагниченной плазмы в полость жидкого металла, (с) ускорение снаряда, имеющего по существу такую же композицию, что и жидкий металл, в направлении полости, так чтобы он соударялся с тороидом намагниченной плазмы, за счет чего плазма нагревается и сжимается, а снаряд разрушается и расплавляется в жидком металле. Способ может также предусматривать (d) направление части жидкого металла в устройство формирования снаряда, в котором формируют новые снаряды для использования в операции (с). Одна или несколько операций способа могут быть выполнены многократно. Например, в некоторых вариантах осуществления, операции (а) - (с) повторяют с частотой повторения в диапазоне ориентировочно от 0.1 до 10 Гц.

В некоторых вариантах осуществления способа используют полость, которая является приблизительно конической по форме. В некоторых вариантах осуществления, жидкий металл содержит сплав свинца с литием. В некоторых вариантах осуществления, жидкий металл содержит сплав свинца с литием, имеющий атомную концентрацию лития, составляющую около 17%. В некоторых вариантах осуществления, жидкий металл содержит сплав свинца с литием, имеющий атомную концентрацию лития в диапазоне ориентировочно от 5% до 20%. В некоторых вариантах осуществления, жидкий металл может циркулировать через теплообменник, для снижения температуры жидкого металла.

В некоторых вариантах осуществления способа, плазма содержит расщепляемый материал. В некоторых вариантах осуществления, расщепляемый материал содержит дейтерий и/или тритий. В некоторых вариантах осуществления, дейтерий и тритий образуют смесь, содержащую около 50% дейтерия и около 50% трития. В некоторых вариантах осуществления способа, сжатие плазмы приводит к нагреванию плазмы и/или к производству нейтронов и/или к образованию другой радиации.

В изобретении предлагается вариант системы для сжатия плазмы. Система содержит подсистему рециркуляции жидкого металла, которая содержит резервуар и циркуляционный насос для направления жидкого металла через сопло, чтобы образовать полость внутри резервуара. Система также содержит устройство для формирования и инжекции плазмы, предназначенное для многократного формирования тороида намагниченной плазмы и его инжекции в полость жидкого металла. Система также содержит линейный ускоритель для многократного направления (выпуска) снарядов, имеющих по существу такую же композицию, что и жидкий металл, в направлении полости. Система также содержит подсистему формирования снарядов, которая содержит кристаллизаторы снарядов, в которых формируют снаряды, которые затем направляют в линейный ускоритель, причем указанные кристаллизаторы соединены так, чтобы по меньшей мере периодически получать жидкий металл, образованный за счет плавления снарядов, который рециркулируют из резервуара.

В изобретении предлагается также вариант устройства для сжатия плазмы. Устройство содержит линейный ускоритель для выпуска снарядов с высокими скоростями в жерло, связанное с вакуумным насосом для создания по меньшей мере частичного вакуума внутри жерла. Система также содержит конический фокусирующий плазменный инжектор, имеющий коаксиальные конические электроды, подключенные к источнику питания для снабжения электрическим током. Электроды могут образовывать конус, сходящийся к области фокусировки. Система также содержит пушку намагниченной коаксиальной плазмы, для инжекции материала для возбуждения намагниченного компактного тороида (например, сферомака), причем открытый конец жерла пушки может быть уплотнен внутри конуса, в проводящем контакте с внутренним электродом. Система также содержит резервуар рециркуляции, содержащий жидкий металл и имеющий отверстие для приема конуса ускорителя и область основания, и линию теплообмена, подключенную между областями основания и конического отверстия, с рециркуляционным насосом для подачи флюида от основания в коническое отверстие. Конические электроды ускорителя расположены внутри конического отверстия, так что поверхность внешнего электрода направляет сходящийся поток для сжатия жидкого металла, создающий область фокусировки внутри конических стенок, которые ограничивают и дополнительно фокусируют намагниченный компактный тороид в виде сферомака, который может быть сжат до максимальной степени сжатия во внутренней полости резервуара. Когда резервуар рециркуляции заполнен жидким металлом и когда инжектируют расплавляемый материал, тогда снаряд, выпущенный из пушки, перехватывает кольцо намагниченной плазмы, когда он проходит поблизости от конической стенки, и сжимает плазму внутри жидкого металла до повышенного давления, за счет чего плазма получает кинетическую энергию и повышает ионную температуру.

Вариант осуществления системы для сжатия плазмы содержит ускоритель для выпуска снаряда в направлении намагниченной плазмы (например, плазменного тороида) в полости в твердом металле или в жидком металле. Система также может содержать плазменный инжектор для возбуждения намагниченной плазмы и для инжекции намагниченной плазмы в полость. В вариантах осуществления, содержащих полость в жидком металле, система может иметь резервуар, сконфигурированный для удержания жидкого металла и имеющий коническое сопло для образования полости за счет потока жидкого металла. Намагниченную плазму инжектируют в полость, причем снаряд, выпущенный при помощи ускорителя, отсекает плазму и прижимает плазму к поверхности полости, создавая удар высокого давления, который сжимает намагниченную плазму. Сжатие плазмы может приводить к нагреванию плазмы. Соударение снаряда с полостью может вызывать разрушение снаряда. В вариантах осуществления, содержащих полость жидкого металла, снаряд может расплавляться в жидком металле. В некоторых таких вариантах осуществления, часть жидкого металла может быть рециркулирована для литья новых снарядов, которые могут быть использованы для поддержания периодически повторяющихся циклов выпуска снарядов, по существу с замкнутым запасом жидкого металла.

Несмотря на то что были описаны и показаны на чертежах специфические элементы, варианты исполнения и применения настоящего изобретения, следует иметь в виду, что объем патентных притязаний не ограничивается этим, так как различные модификации могут быть сделаны специалистами в данной области, не выходя за рамки настоящего изобретения, особенно в свете приведенного описания изобретения. Так, например, в любой описанный здесь способ могут быть введены операции, позволяющие осуществлять этот способ в любой подходящей последовательности, но не обязательно в специфической описанной здесь последовательности. Описанные здесь элементы и компоненты могут быть сконфигурированы или расположены иным образом, а также могут быть объединены и/или исключены, в различных вариантах осуществления. Различные детали и процессы, описанные здесь выше, могут быть использованы независимо друг от друга, или же могут быть объединены друг с другом. Все такие возможные комбинации и субкомбинации не выходят за рамки настоящего изобретения. Ссылки в тексте описания на "некоторые варианты осуществления", на "вариант осуществления" и т.п., означают, что специфическая деталь, конструкция, операция, способ или характеристика, описанная в связи с этим вариантом осуществления, введена по меньшей мере в один такой вариант осуществления. Таким образом, появление в тексте описания фразы "в некоторых вариантах осуществления," "в варианте осуществления" и т.п., означают, что все ссылки не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления, и что они могут относиться к одному или нескольким аналогичным или различным вариантам осуществления. В самом деле, новые описанные здесь способы и системы могут быть реализованы в различных других формах. Более того, различные исключения, добавления, замены, эквиваленты, перегруппировки и изменения в формах описанных здесь вариантов осуществления могут быть сделаны не выходя за рамки настоящего изобретения и в соответствии с его сущностью.

Различные аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения были описаны там, где это представляется целесообразным. Однако следует иметь в виду, что не обязательно все такие аспекты или преимущества могут быть обеспечены в соответствии с любым специфическим вариантом осуществления. Таким образом, например, следует иметь в виду, что различные варианты осуществления могут быть реализованы так, чтобы получить или оптимизировать одно преимущество или группу преимуществ, указанных здесь, что совсем не обязательно позволяет получить или оптимизировать другие указанные здесь преимущества.

Использование слова "может" и его производных обычно означает, если специально не указано иное, или если из контекста прямо не следует иное, что некоторые варианты осуществления содержат, в то время как другие варианты осуществления не содержат некоторые характеристики, элементы и/или операции. Таким образом, такой язык обычно не означает, что характеристики, элементы и/или операции обязательно требуются в одном или нескольких вариантах осуществления, или что один или несколько вариантов осуществления обязательно включают в себя логику для принятия решения, с вводом или подсказкой оператора или без нее, относительно введения или осуществления этих характеристик, элементов и/или операций в каком-либо специфическом варианте осуществления. Никакая отдельная характеристика или группа характеристик не требуется или не является необходимой в каком-либо специфическом варианте осуществления. Термин "содержит" и его аналоги используют включительно, в незавершенном смысле, что не исключает использования дополнительных элементов, характеристик, операций и т.д. Кроме того, термин "или" также используют в незавершенном смысле (а не в исключающем смысле), так что когда этот термин используют, например, в списке элементов, он означает один, несколько или все элементы в списке.

Примерные расчеты, модели, результаты, графики, числовые значения и параметры, приведенные в описанных здесь вариантах осуществления, служат для пояснения, а не для ограничения заявленных вариантов осуществления. Другие варианты осуществления могут быть сконфигурированы и/или управляемы иным образом, чем описанные здесь пояснительные примеры.

Несмотря на то, что были описаны некоторые примерные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что эти варианты приведены только в качестве примера и не предназначены для ограничения объема патентных притязаний. Таким образом, ничто в приведенном выше описании не указывает на то, что какая-либо специфическая характеристика, элемент, компонент, признак, операция, модуль или блок являются необходимыми или обязательными. В самом деле, описанные здесь новые способы и системы могут быть реализованы в различных других формах. Более того, различные исключения, замены и изменения в форме описанных здесь способов и систем могут быть сделаны не выходя за рамки настоящего изобретения и в соответствии с его сущностью. Пункты формулы изобретения предназначены для перекрытия всех его форм или модификаций, которые подпадают под объем патентных притязаний настоящего изобретения.

Заявленное изобретение относится к техническим решениям, предназначенным для сжатия плазмы. Заявлены варианты систем и способов для сжатия плазмы, в которых плазма может быть сжата за счет ударного воздействия снаряда на намагниченную плазму в полости жидкого металла. Снаряд может расплавляться в полости жидкого металла, и жидкий металл может быть рециркулирован, чтобы образовывать новые снаряды. Техническим результатом является повышение срока службы системы и увеличение частоты повторения импульсов. 3 н. и 36 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система сжатия плазмы, которая содержит:
плазменный инжектор, который содержит:
систему формирования плазмы, сконфигурированную так, чтобы возбуждать намагниченную плазму;
ускоритель плазмы, имеющий первую часть, вторую часть и продольную ось между первой частью и второй частью, причем ускоритель плазмы сконфигурирован для приема намагниченной плазмы в первой части и для ускорения намагниченной плазмы вдоль продольной оси в направлении второй части;
систему циркуляции жидкого металла, сконфигурированную так, чтобы создавать жидкий металл, образующий по меньшей мере часть камеры, сконфигурированной для приема намагниченной плазмы из второй части ускорителя плазмы, причем намагниченная плазма имеет первое давление при входе в камеру; и
снаряд и ускоритель снаряда, сконфигурированный для ускорения снаряда вдоль по меньшей мере части продольной оси в направлении камеры,
причем система сконфигурирована так, чтобы снаряд сжимал намагниченную плазму в камере, при этом сжатая намагниченная плазма имеет второе давление, которое больше, чем первое давление.

2. Система по п.1, в которой намагниченная плазма представляет собой компактный тороид.

3. Система по п.2, в которой компактный тороид содержит сферомак.

4. Система по п.1, в которой система формирования плазмы содержит формирующий электрод, сконфигурированный так, чтобы ионизировать газ в системе формирования плазмы, для того, чтобы возбуждать намагниченную плазму.

5. Система по п.4, в которой система формирования плазмы содержит одну или несколько катушек индуктивности, сконфигурированных так, чтобы возбуждать начальное магнитное поле в газе ранее его ионизации.

6. Система по п.1, в которой ускоритель плазмы содержит внутренний электрод и внешний электрод, причем по меньшей мере внутренний электрод или внешний электрод сконфигурированы с конусностью, чтобы производить сжатие намагниченной плазмы, когда намагниченную плазму ускоряют вдоль продольной оси.

7. Система по п.6, в которой ускоритель плазмы сконфигурирован так, чтобы обеспечивать коэффициент сжатия ориентировочно больше двух.

8. Система по п.1, в которой ускоритель снаряда содержит газовую пушку, предназначенную для ускорения снаряда с использованием сжатого газа.

9. Система по п.8, в которой газовая пушка содержит клапанную систему, сконфигурированную так, чтобы по меньшей мере частично откачивать область впереди снаряда.

10. Система по п.9, в которой клапанная система сконфигурирована с возможностью такой синхронизации, что область высокого давления поддерживается позади снаряда, а область низкого давления поддерживается впереди снаряда.

11. Система по п.1, в которой ускоритель снаряда представляет собой электромагнитный ускоритель.

12. Система по п.1, в которой снаряд содержит поверхность, сконфигурированную так, чтобы ограничивать намагниченную плазму в камере, причем указанная поверхность имеет коническую форму.

13. Система по п.12, в которой коническая форма является вогнутой и имеет угол конусности в диапазоне ориентировочно от 20 градусов до 80 градусов.

14. Система по п.1, в которой снаряд содержит поверхность, сконфигурированную так, чтобы ограничивать намагниченную плазму в камере, причем указанная поверхность имеет удлиненный элемент, вытянутый вдоль продольной оси снаряда.

15. Система по п.1, в которой снаряд содержит поверхность, сконфигурированную для ограничения намагниченной плазмы в камере, причем указанная поверхность содержит одно или несколько покрытий, при этом по меньшей мере одно из покрытий содержит литий или литий и дейтерид.

16. Система по п.1, в которой жидкий металл содержит свинец и литий.

17. Система по п.1, в которой жидкий металл содержит жидкую фазу материала с металлическими свойствами, а снаряд содержит твердую фазу материала с металлическими свойствами.

18. Система по п.1, в которой система циркуляции жидкого металла содержит систему нагнетания, сконфигурированную так, чтобы подавать поток жидкого металла в систему удержания, причем поток сконфигурирован так, чтобы образовывать по меньшей мере часть камеры.

19. Система по п.18, в которой система циркуляции жидкого металла содержит коническое сопло, сконфигурированное так, чтобы выпускать поток жидкого металла.

20. Система по п.19, в которой камера в жидком металле имеет коническую форму.

21. Система по п.1, в которой система циркуляции жидкого металла содержит теплообменник, сконфигурированный так, чтобы поддерживать жидкий металл при желательной температуре.

22. Система по п.1, которая дополнительно содержит систему рециркуляции снаряда, сконфигурированную так, чтобы получать часть жидкого металла и образовывать один или несколько снарядов из полученной части жидкого металла.

23. Система по п.22, в которой система рециркуляции снаряда содержит механизм загрузки, предназначенный для того, чтобы автоматически загружать рецикловый снаряд в ускоритель снаряда.

24. Способ сжатия плазмы, который включает в себя следующие операции:
возбуждение тороидальной плазмы;
ускорение тороидальной плазмы в направлении полости в жидком металле;
ускорение снаряда в направлении полости в жидком металле; и
сжатие тороидальной плазмы при помощи снаряда, когда тороидальная плазма находится в полости в жидком металле.

25. Способ по п.24, в котором возбуждение тороидальной плазмы предусматривает возбуждение сферомака.

26. Способ по п.24, в котором ускорение тороидальной плазмы дополнительно предусматривает сжатие тороидальной плазмы.

27. Способ по п.24, в котором ускорение снаряда предусматривает использование для этого газа высокого давления.

28. Способ по п.24, в котором ускорение снаряда предусматривает использование для этого электромагнитных сил.

29. Способ по п.24, который дополнительно предусматривает образование полости в жидком металле.

30. Способ по п.29, в котором образование полости предусматривает течение жидкого металла для образования полости.

31. Способ по п.29, который дополнительно предусматривает рециркуляцию части жидкого металла для образования по меньшей мере одного нового снаряда.

32. Устройство для сжатия плазмы, которое содержит:
плазменный инжектор, сконфигурированный для ускорения компактного тороида плазмы в направлении полости в жидком металле, причем полость имеет вогнутую форму;
ускоритель снаряда, сконфигурированный для ускорения снаряда в направлении полости; и
систему синхронизации, сконфигурированную так, чтобы координировать ускорение компактного тороида и ускорение снаряда так, что снаряд ограничивает компактный тороид в полости в жидком металле.

33. Устройство по п.32, в котором компактный тороид содержит сферомак.

34. Устройство по п.32, в котором плазменный инжектор содержит по меньшей мере один конический электрод, сконфигурированный так, чтобы сжимать компактный тороид во время ускорения компактного тороида.

35. Устройство по п.32, в котором ускоритель снаряда содержит пневматическую пушку.

36. Устройство по п.32, в котором ускоритель снаряда содержит пушку с катушкой индуктивности.

37. Устройство по п.32, в котором система синхронизации сконфигурирована так, чтобы запускать формирование компактного тороида на основании, по меньшей мере частично, положения снаряда относительно полости в жидком металле.

38. Устройство по п.32, которое дополнительно содержит систему циркуляции жидкого металла, сконфигурированную так, чтобы создать поток жидкого металла, причем поток сконфигурирован так, чтобы образовывать полость в жидком металле.

39. Устройство по п.38, которое дополнительно содержит систему рециркуляции снарядов, сконфигурированную так, чтобы рециркулировать часть жидкого металла, для того, чтобы образовывать по меньшей мере один дополнительный снаряд.