ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2021 года по МПК H05H1/54 

Область техники

Изобретение относится к области плазменной техники, к ускорителям плазмы. Устройство относится к стационарным и мобильным генераторам электрической энергии и предназначено для использования в качестве источника тепловой и электрической энергии. Изобретение относится, в целом, к физике плазмы и, в частности, касается устройства, позволяющего обеспечить термоядерный синтез, и для преобразования энергии продуктов ядерного синтеза в электричество.

Уровень техники

Термоядерный синтез - это процесс, в результате которого два легких ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро. При термоядерном процессе освобождается огромное количество энергии в виде быстро движущихся частиц. Поскольку атомные ядра заряжены положительно из-за содержащихся в них протонов, между ними возникает электростатическая, или кулоновская сила отталкивания. Для того чтобы два ядра вступили в термоядерную реакцию, необходимо преодолеть этот барьер отталкивания, что происходит, если два ядра достаточно близко подвести друг к другу, где короткодействующие ядерные силы становятся достаточными, чтобы преодолеть кулоновскую силу и запустить процесс термоядерного синтеза указанных ядер. Энергия, необходимая для того, чтобы ядра преодолели кулоновский барьер, обеспечивается их тепловой энергией, которая должна быть очень высокой. Например, скорость термоядерной реакции может стать существенной, если температура составляет по меньшей мере порядка 10⁴ электронвольт (эВ), что примерно соответствует 100 миллионам градусов Кельвина. Скорость термоядерной реакции является функцией температуры и характеризуется величиной, называемой реактивностью. Реактивность реакции D-T, например, имеет широкий пик между 30 килоэлектронвольт и 100 килоэлектронвольт (кэВ).

В качестве наиболее близкого аналога предложенному изобретению может быть принято устройство, описанное в патенте ЕА 018812, дата публикации 30.10.2013. В патенте раскрыто устройство для управляемого термоядерного синтеза в магнитной топологии с обращенной конфигурацией поля (FRC) и преобразования энергии продуктов термоядерного синтеза непосредственно в электрическую энергию. Ионы плазмы предпочтительно удерживаются магнитным полем в конфигурации FRC, в то время как электроны плазмы удерживаются электростатическим полем в глубокой потенциальной яме, созданной посредством регулировки приложенного извне магнитного поля. В этой конфигурации ионы и электроны могут иметь адекватную плотность и температуру, так что при столкновениях они вступают в термоядерную реакцию под действием ядерных сил, образуя, тем самым, продукты термоядерного синтеза, которые возникают в виде кольцевого пучка. Энергия отбирается из ионов продуктов термоядерного синтеза, когда они движутся по спирали мимо электродов обратного циклотронного преобразователя. Преимуществом является то, что потоки плазмы из термоядерного топлива, которые можно использовать с настоящей системой удержания и преобразования энергии, включают усовершенствованные (безнейтронные) виды топлива.

Недостатком данного устройства является его сложность и ограниченные функциональные возможности.

Перечень чертежей

На Фиг. 1 схематично показан электронно-управляемый плазменный электрический генератор.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является получение электронно-управляемых ионно-плазменных потоков для инициализации термоядерного синтеза с последующим удержанием электронно-управляемого термоядерного синтеза в линейных магнитных ловушках.

Технический результат изобретения заключается в создании электронно-управляемого плазменного электрического генератора, работающего на синтезе легких ядер, с поддержкой основных термоядерных реакций (см. Таблица 1). Преимуществами устройства являются модульность и компактность исполнения, конфигурируемость системы, возможность объединения отдельных генераторов в синхронно работающем моноблоке, управление генератором на аппаратно-программном уровне.

Также возможны другие типы реакций, например, для получения нейтронов. Из потока дейтериевой и тритиевой плазмы, где ядерная реакция происходит при бомбардировке потоком дейтронов плазменной тритиевой мишени:

D+Т→⁴Не+n+17.6 МэВ.

Предложен электронно-управляемый плазменный электрический генератор, предназначенный для генерации энергии из формируемых управляемых потоков ионов или плазмы путем задания определенного закона изменения параметров магнитного управления для формирования управляемого потока плазмы - путем дискретного изменения с заданной частотой направления индукции магнитного поля соленоидальных магнитных систем и при импульсно меняющемся значении индукции магнитного поля соленоидальных систем и магнитоквадрупольных линз и последующего электронно управляемого ядерного синтеза в многоцикловой камере синтеза и дальнейшем преобразовании кинетической энергии продуктов термоядерного синтеза в высокочастотные широтно-импульсные электрические колебания в квантовом энергетическом преобразователе (КЭП). Устройство состоит из: картриджа гидрида лития, соединенного с ионно-плазменным источником, к которому присоединяется секция магнитооптического накопителя и секция ускорительная, далее соединенная с магнитооптической 4-х-(или 8-и)-цикловой камерой синтеза, на выходе которой устанавливается пролетный высокочастотный триод ионно-эмиссионный - квантовый энергетический преобразователь КЭП, соединенный выходной частью с ионным нейтрализатором и теплообменным аппаратом. Все элементы в генераторе - это устройства сильноточной электроники триодной схемы и магнитного электронного управления с импульсным шагом изменения индукции магнитного поля и управляемым изменением направления вектора индукции магнитного поля для формирования электронно-управляемых потоков плазмы.

Работа электронно-управляемого плазменного электрического генератора основана на реакции ядерного синтеза в ионных потоках, полученных в результате испарения гидрида лития в картридже-испарителе, представляющем собой цилиндрический контейнер с вольфрамовым или вольфрам-рениевым нагревателем, и ионизации полученного пара в ионизаторе, представляющем собой трех-сеточный вакуумный прибор, обеспечивающий ионизацию паров водорода и лития и их вывод в секцию магнитооптического накопителя ионов, представляющую собой магнитооптическую ловушку, конструктивно состоящую из комбинации соленоидальных и квадрупольных магнитных систем, и последующим ускорением ионов, задании определенного закона изменения параметров магнитной системы управления и энергетического распределения формируемых ионных потоков с заданными параметрами ядерного синтеза, реализуемое в импульсном ускорителе, представляющем собой пролетную ускорительную трубку с входным и выходным электродом, и магнитной разверткой потока в конце ускорителя.

Ядерный синтез происходит в магнитооптической n-цикловой камере синтеза, конструктивно выполненной как комбинация различных соленоидально-квадрупольных магнитооптических систем. Генерация кинетической энергии продуктов синтеза осуществляется электронно-управляемым плазменным электрическим генератором из формируемых управляемых потоков ионов или плазмы в многоцикловой камере синтеза, и за счет последующего преобразования энергии продуктов термоядерного синтеза в электрическую энергию в квантовом энергетическом преобразователе (КЭП), представляющем собой ионно-эмиссионный электровакуумный прибор (КЭП-1), который конструктивно выполнен в виде пролетного высокочастотного триода с входным цилиндрическим электродом, выполняющим роль катода, и модулирующей сетки, размещенной на небольшом расстоянии от катода, и многосетчатого анода с внешней цилиндрической катушкой, создающей магнитное поле внутри анода, работающий на высокоэнергетических ионах на частоте от 50 кГц и выше, или преобразовании в электрическую энергию в пролетном электровакуумном клистроне (КЭП-2), который конструктивно выполнен в виде пролетного клистрона с входным резонатором и 4-мя параллельно соединенными выходными резонаторами, работающим на высокоэнергетических ионах на частоте от 2500 МГц и выше.

Устройство реализуется ионным ускорителем с элементами сильноточной электроники: электронно-управляемая импульсная система. Техническим результатом использования электронно-управляемого плазменного электрического генератора является: система получения управляемого потока ионов и плазмы в комбинации с различными соленоидальными и квадрупольными магнитными системами, осуществление электронно-управляемого термоядерного синтеза с последующим преобразованием полученной энергии в тепловую и электрическую энергии. Электронно-управляемый плазменный электрический генератор выполняется как единая система, составленная из независимых элементов. Элементы соединяются в требуемой последовательности для решения поставленной технической задачи. Электронно-управляемый плазменный электрический генератор имеет цилиндрическую форму, выполненную из вакуум-плотной корундовой керамики ВК94-1, титана марки ПТ-7М, жаростойкой стали для камеры плазмообразования и электротехнической стали для магнитооптических систем.

Функции элементов выполняют узлы сильноточной электроники с линейной характеристикой распределения потока ионов. К параметрам элементов относятся: энергия выходного потока Eout; ток электронного потока Ie и ток ионного потока Ii; концентрация электронного потока ne и концентрация ионного потока ni; ток разряда Iraz на анод-катоде, индукция магнитного поля В. Время удержания водородно-литиевой смеси в магнитооптической ловушке превышает несколько секунд, что обусловлено технической особенностью установки и необходимостью дальнейшего вывода продуктов синтеза в КЭП и для преобразования потока высокоэнергетических продуктов синтеза в ВЧ- или СВЧ-колебания в зависимости от типа используемого прибора, с последующим преобразованием в постоянный ток и после конвертации в переменный.

Существенным признаком данного изобретения являются: использование триодной схемы генерации ионно-плазменного потока, электронно-управляемые электростатические ускорители для получения управляемого ионно-плазменного потока и управление плазмой магнитными системами с меняющимися характеристиками магнитного поля. Изменение параметров магнитных систем происходит по закону дискретного изменения направления индукции магнитного поля соленоидальных магнитных систем с заданной частотой при постоянном и меняющемся значении магнитного поля квадрупольных линз.

Генерация линейных электронно-управляемых потоков плазмы осуществляется путем задания определенного закона изменения параметров магнитного поля и управления направлением магнитного поля для получения на выходе управляемого потока плазмы.

Изменения параметров магнитного поля для получения на выходе управляемого потока плазмы определяют совокупность методов задания и законов изменения параметров ионной и электронной компонент плазмы - энергии Е, тока частиц I, концентрации n, периода следования Tsl при изменении направлений и величин Bn магнитооптической системы в заданной последовательной функциональной зависимости и является методом получения электронно-управляемых потоков плазмы. В основе метода лежит разбиение линейного потока Pi с начальным током I0 на потоки I01, I02, …, I0n, с периодами следования (Т01…T0n), это называется токовой дискретизацией (I01, Т01) (I02, Т02) … (I0n, T0n). Каждый DnI - это токовый дискрет.

Генерация линейных электронно-управляемых потоков осуществляется путем задания для потока In последовательности развертки по горизонтали и вертикали, описываемого в общем виде двумя функциями F(t1), F(t2) разложений в ряд Фурье:

В секции магнитооптического накопителя ионы накапливаются до заданного ионного тока In и разбиваются на потоки (I01, Т01), (I02, Т02), … (I0n, T0n), и формируются ионные дискретные потоки с заданным периодом следования Tn.

Магнитооптическая 4х-(или 8и)-цикловая камера синтеза состоит из чередующихся квадрупольных и соленоидальных линз таким образом, что первый Ms1 и последний Msn соленоиды открыты для прохождения потока ионов. Остальные соленоиды меняют направление вектора индукции с периодом Tsn.

Пролетный высокочастотный триод ионно-эмиссионный (КЭП).

Квантовые приборы серии КЭП-Тхх - это мощные ВЧ-вакуумные триоды с открытым катодом, работающие от внешнего источника ионов. Совместимые с различными плазменными электрическими генераторами и используемые в качестве мощного преобразователя энергии высокоэнергетических ионов в ВЧ-колебания.

Триод КЭП-Тхх является металлокерамической лампой с воздушным принудительным охлаждением, предназначенной для использования в качестве мощного преобразователя энергии высокоэнергетических электронов или ионов в ВЧ колебания. Катод - цилиндрический решетчатый вольфрамовый с входной дифракционной решеткой, сетка цилиндрическая решетчатая вольфрамовая, анод - цилиндрический решетчатый вольфрамовый ионно-эмиссионный с выходной дифракционной решеткой и внешним магнитным полем. Количество анодных решеток 16. Расположение решеток перпендикулярное.

Охлаждение: воздушное принудительное. Максимальная температура оболочки 250°С.

Минимальная энергия ускоренных частиц, инжектируемых в катод, - от 2 МэВ.

Максимальная энергия ускоренных частиц, инжектируемых в катод, - до 12 МэВ.

Технические характеристики триодов КЭП-Тхх:

- максимально допустимая частота, от 1 МГц до 1000 МГц,

- максимально допустимая мощность рассеяния в аноде, от 1 кВт до 250 кВт.

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. 1 показан электронно-управляемый плазменный электрический генератор. Электронно-управляемый плазменный электрический генератор конструктивно состоит из:

1 - картридж гидрида лития;

2 - источник ионно-плазменный;

3 - секция магнитооптического накопителя;

4 - секция ускорительная;

5 - магнитооптическая 4х- (или 8и)-цикловая камера синтеза;

6 - пролетный высокочастотный триод - ионно-эмиссионный квантовый энергетический преобразователь (КЭП);

7 - ионный нейтрализатор;

8 - приточная система воздушного охлаждения;

9 - теплообменный аппарат.

Осуществление изобретения

Из картриджа гидрида лития 1 пары гидрида лития поступают в источник ионно-плазменный 2. Далее пары гидрида лития ионизируются, ионная и электронная компоненты разделяются и поступают в секцию магнитооптического накопителя 3 (содержит конструктивно катушки MSN1, MSN2 и магнитоквадрупольную линзу MQL). Секция магнитооптического накопителя 3 соединяется с секцией ускорительной 4 для формирования ускоренного потока ионов с заданной концентрацией и периодом следования. Управление потоком плазмы осуществляется переключением направления вектора магнитной индукции магнитооптического накопителя в MSN2.

Сформированные потоки из ускорительной секции 4 поступают в камеру синтеза 5. Магнитные поля в камере синтеза 5 на чертеже Фиг. 1 обозначены как B1, В2, В3, В4, В5, создаваемые соленоидами, соответственно чередующимися с магнитоквадрупольными линзами MQL1, MQL2, MQL3, MQL4 в камере синтеза 5. В режиме, когда вектор магнитной индукции В2 переключается на противоположный относительно вектора магнитной индукции В1, происходит запирание плазменного потока и его накопление в магнитооптической системе. В камере синтеза полученные потоки циклично переходят из одной части камеры в соседнюю переключением вектора индукции магнитных систем В2, В3, В4, в результате чего происходит контролируемое взаимодействие между плотными потоками ионов или плазмы, уплотнение потоков с последующим термоядерным синтезом. Из камеры синтеза 5 ионы поступают в пролетный высокочастотный триод ионно-эмиссионный 6 с регулировкой магнитным полем с индукцией В5 и магнитным полем триода, где энергия ионов преобразуется в высокочастотные колебания с частотой до 1 МГц. На выходе пролетного высокочастотного триода ионно-эмиссионного 6 образуются низкоэнергетические ионы, которые подаются в ионный нейтрализатор 7. В ионном нейтрализаторе 7 происходит смешивание низкоэнергетических ионов с потоком электронов и формирование плазмы, которая затем, взаимодействуя с (инертным) газом теплообменного аппарата 9 и приточной системы, задает требуемые параметры рабочего (инертного) газа первого контура теплообменного аппарата и преобразования тепла в пар или горячую воду второго контура теплообменного аппарата. Приточная система воздушного охлаждения 8 обеспечивает принудительное охлаждение основных узлов системы 1-6, поддерживая заданную температуру работы основных узлов.

Пример реализации изобретения.

Последовательность устройства и работы электронно-управляемого плазменного электрического генератора следующая. Картридж гидрида лития 1 соединен с источником ионно-плазменным 2, к которому присоединяется секция магнитооптического накопителя 3, представляющая собой магнитную ловушку, она далее соединяется с секцией ускорительной 4, соединенной с магнитооптической восьми(кратно)-цикловой камерой синтеза 5, которая представляет собой комбинацию цилиндрических и квадрупольных систем, на выходе которой устанавливается пролетный высокочастотный триод ионно-эмиссионный 6, соединенный выходной частью с ионным нейтрализатором 7 и теплообменным аппаратом 9. Приточная система воздушного охлаждения 8 обеспечивает принудительное охлаждение основных узлов системы, стыкуется с ионным нейтрализатором 7 и с теплообменным аппаратом 9.

Преимущества. Модульность и компактность исполнения, конфигурируемость системы, возможность объединения отдельных генераторов в синхронно работающем моноблоке, управление генератором на аппаратно-программном уровне.

Изобретение может быть применено в производстве стационарных и мобильных модулей плазменных электрических генераторов электрической и тепловой энергии. Технический результат - модульность и компактность исполнения, возможность объединения отдельных генераторов в синхронно работающем моноблоке, управление генератором на аппаратно-программном уровне. В электронно-управляемом плазменном электрическом генераторе формируются управляемые импульсные потоки ионов или плазмы, реализуемые магнитооптическим накопителем, электронно-управляемым ускорителем, элементами сильноточной электроники. Существенным признаком данного изобретения является использование сильноточной электроники триодной схемы и магнитных систем с электронным управлением и импульсным шагом изменения напряженности магнитного поля, изменение направления вектора индукции магнитного поля для формирования электронно-управляемых потоков плазмы. В качестве топлива, являющегося источником энергии, могут быть использованы бориды, гидриды легких элементов, что является эффективным для генерации ионов в области взаимодействия и преобразования энергии синтеза легких нуклонов в электрическую энергию. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Электронно-управляемый плазменный электрический генератор, предназначенный для генерации тепловой энергии из формируемых управляемых потоков ионов или плазмы в многоцикловой камере синтеза и генерации электрической энергии за счет последующего преобразования энергии продуктов термоядерного синтеза в квантовом энергетическом преобразователе (КЭП), при этом устройство состоит из картриджа гидрида лития, соединенного с ионно-плазменным источником, к которому присоединяется секция магнитооптического накопителя, представляющая собой магнитную ловушку, и секция ускорительная, далее соединенная с магнитооптической 4- или 8-цикловой камерой синтеза, состоящей из чередующихся квадрупольных и соленоидальных линз, на выходе которой устанавливается пролетный высокочастотный триод ионно-эмиссионный - квантовый энергетический преобразователь (КЭП) с открытым катодом, соединенный выходной частью с ионным нейтрализатором и теплообменным аппаратом.

2. Электронно-управляемый плазменный электрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что все элементы в генераторе - это устройства сильноточной электроники триодной схемы и магнитного электронного управления с импульсным шагом изменения индукции магнитного поля и управляемым изменением направления вектора индукции магнитного поля для формирования электронно-управляемых потоков плазмы.

3. Электронно-управляемый плазменный электрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что генерация линейных электронно-управляемых потоков плазмы осуществляется путем задания определенного закона изменения параметров магнитного поля и управления направлением магнитного поля для получения на выходе управляемого потока плазмы.