СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR ENERGY FOCUSING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для фокусировки энергии, использующим высокоскоростные жидкие капли или другие летящие частицы, ударяющиеся о мишень. Изобретение относится, в частности, хотя и не исключительно, к генерированию локализованной плотности энергии, достаточно высокой для того, чтобы вызывать термоядерный синтез.
Уровень техники
Разработки в области термоядерной энергии на протяжении многих лет являются областью массированных инвестиций времени и денег. Эти инвестиции в большой степени сфокусированы на разработке дорогостоящего большого термоядерного реактора. Однако существуют теории, которые прогнозируют гораздо более простые и дешевые механизмы реализации термоядерного синтеза. В частности, представляет интерес концепция зонта, "инерциальный термоядерный синтез", который использует механические силы (в частности, ударные волны) для того, чтобы концентрировать и фокусировать энергию на очень малых участках.
Большая часть знаний об инерциальном термоядерном синтезе получена в результате наблюдений явления, которое называется сонолюминисценцией. Это явление возникает в том случае, когда жидкость, содержащая пузырьки соответствующего размера, возбуждается определенной ультразвуковой частотой. Волна давления заставляет пузырек расширяться, а затем очень бурно разрываться. Этот процесс обычно называют инерциальной кавитацией. Быстрый разрыв пузырька приводит к неравновесному сжатию, которое заставляет содержимое нагреваться до такой степени, что оно начинает излучать свет [Gaitan, D.F., Crum, L.A., Church, С.С, и Roy, R.A. Journal of the Acoustical Society of America 91(6), 3166-3183, June (1992)]. Предпринимались различные попытки интенсифицировать этот процесс, при этом одна группа исследователей заявила, что наблюдала термоядерный синтез [Taleyarkhan, R.P., West, С.D., Cho, J.С., Lahey, R.Т., Nigmatulin, R.I., и Block, R.С. Science 295(5561), 1868-1873, March (2002)]. Однако до настоящего времени эти результаты наблюдений не были подтверждены или воспроизведены, несмотря на значительные усилия [Shapira, D. и Saltmarsh, M. Physical Review Letters 89(10), 104302 September (2002)].
В патенте US 7445319 предлагается бомбардировать неподвижную мишень сферическими каплями воды, которые движутся с очень высокой скоростью (~1 км/с), для того чтобы генерировать интенсивную ударную волну. Такую ударную волну можно использовать для разрыва пузырьков, которые образуются, а затем расширяются в капле. Именно внутри разрывающихся пузырьков согласно вышеуказанному патенту ожидается возникновение термоядерного синтеза. Механизм возникновения ударной волны в результате удара капель, движущихся с высокими скоростями, о поверхность был исследован ранее экспериментально и в расчетной форме и подтвержден документальными доказательствами (включая работу одного из авторов настоящего изобретения, [Haller, К.К., Ventikos, Y., Poulikakos, D, and Monkewitz, P. Journal of Applied Physics 92(5), 2821-2828, September (2002)]).
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение альтернативы вышеуказанных способов с возможностью применения ее в других областях. Первый аспект изобретения обеспечивает способ получения локализованной концентрации энергии, содержащий: обеспечение множества летящих частиц и бомбардировку мишени указанными летящими частицами, при этом указанная мишень имеет такую конфигурацию, что при ударе об нее летящая частица захватывает и сжимает некоторый объем газа, находящегося между летящей частицей и мишенью, при этом мишень и летящая частица имеют такую конфигурацию, что удар летящей частицы о мишень вызывает появление сходящейся ударной волны в захваченном объеме газа.
Изобретение включает также устройство для получения локализованной концентрации энергии, содержащее: средство для обеспечения множества летящих частиц, средство для бомбардировки указанными летящими частицами мишени, имеющей такую конфигурацию, что при ударе об указанную мишень летящие частицы захватывают некоторый объем газа, находящегося между летящей частицей и мишенью, при этом мишень и летящая частица имеют такую конфигурацию, что удар летящей частицы о мишень вызывает появление сходящейся ударной волны в захваченном объеме газа.
Специалистам в данной области техники понятно, что в соответствии с изобретением существует два механизма захвата некоторого объема газа (или "пузырька") летящей частицей, что вызывает появление интенсивной концентрации энергии в газе. Первый механизм представляет собой простой переход кинетической энергии частицы в потенциальную энергию и затем в тепловую энергию, когда пузырек сжимается, тормозя движение летящей частицы. Это включает нагревание за счет скачка уплотнения, перемещающегося перед летящей частицей, а также нагревание, которое вызывается рикошетом этого скачка уплотнения и последующими взаимодействиями результирующих ударов внутри пузырька.
Второй механизм представляет собой передачу энергии сходящейся ударной волны, генерированной в результате удара летящей частицы о поверхность мишени и распространяющейся от летящей частицы в ближайший пузырек. Поскольку фронт ударной волны распространяется в направлении захваченного объема, она фокусируется, образуя сжатый круг. Если такая ударная волна сфокусируется вблизи некоторой точки, то это приводит к возникновению чрезвычайно высокого давления и температуры в сжатом пузырьке. Значительное уменьшение плотности среды, в которой распространяется ударная волна, перемещаясь от летящей частицы к пузырьку, означает, что ударная волна создает в пузырьке очень высокую температуру, в особенности, когда она сходится в точку.
Настоящее изобретение обеспечивает альтернативу способу, описанному в патенте US 7445319, и может иметь свои собственные достоинства. Авторы настоящего изобретения установили, что существуют большие проблемы возникновения пузырька в капле, с высокой скоростью бомбардирующей мишень, как предлагается в US 7445319. Выбор времени должен быть очень точным для того, чтобы пузырек оказался в нужный момент его цикла расширения-разрыва, когда происходит ударное столкновение. Такую сложность и связанные с ней затраты можно исключить благодаря по меньшей мере предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения. Кроме того, моделирование обоих способов, выполненное авторами настоящего изобретения, показывает, что для одной и той же скорости капли в момент удара способ согласно настоящему изобретению может создавать на порядок большие величины давления и температуры.
Газ обычно захватывается из окружающей среды, в которую помещена мишень. Термин "газ", используемый в данном описании, следует понимать в общем смысле, поэтому он не ограничивается чисто атомными или молекулярными газами, но также включает пары, суспензии или микросуспензии жидкостей или твердых частиц в газе или любую их смесь.
Согласно изобретению летящие частицы могут быть твердыми или полутвердыми, например, частицами геля, или полимера, или любого материала, которые можно ускорять до соответствующих скоростей, захватывать некоторый газообразный объем на поверхности и генерировать вышеописанные механизмы, фокусирующие плотность энергии для интенсификации давления и температуры. Однако в предпочтительной группе вариантов осуществления летящие частицы представляют собой капли жидкости. В одной особой группе вариантов осуществления жидкие капли образуются при помощи устройства, описанного в патенте US 7380918.
Летящая частица обычно должна перемещаться достаточно быстро, чтобы генерировать ударную волну, которая распространяется в пузырьке. Требуемая скорость может зависеть от размера и материала летящей частицы, формы и размеров мишени, состава захватываемого газа и т.п. В одной группе предпочтительных вариантов осуществления летящая частица имеет скорость более 250 м/с, например, более 500 м/с, например, более 750 м/с. В некоторых вариантах осуществления скорость составляет до 1000 м/с или более.
Существует множество форм и конфигураций для конструкции мишени, которые могут обеспечивать соответствующие области для захвата некоторого объема газа при ударе летящей частицы и которые вызывают появление сходящейся ударной волны в захваченном газе. В одной группе вариантов осуществления мишень имеет поверхность с впадинами, формованную таким образом, чтобы по меньшей мере частично улавливать летящую частицу и захватывать указанный газ под летящей частицей. Термин "под", используемый в данном описании, следует понимать в такой системе координат, в которой летящая частица приближается к мишени сверху, при этом не подразумевается какой-либо конкретной пространственной ориентации относительно любого другого объекта или гравитации. Кроме того, не следует понимать, что летящая частица приближается к мишени обязательно перпендикулярно в системе координат мишени.
Вышеописанная поверхность с впадинами может иметь сужение до такой малой площади поперечного сечения, что летящая частица не сможет полностью войти в него. Сужающиеся стороны могут быть прямыми или криволинейными (на виде в поперечном разрезе). Кроме того, впадина может иметь форму, радиус кривизны по меньшей мере части которой больше, чем радиус кривизны летящей частицы. Фактически, если учитывать невозможность практического получения в мишени идеально острой вершины, предшествующее состояние можно рассматривать только как упрощенный вариант последующего.
По меньшей мере частичное вхождение летящей частицы во впадину мишени обеспечивает требуемый захват некоторого объема газа между мишенью и летящей частицей. Такие конструкции являются предпочтительными, поскольку, как оказалось, они обеспечивают появление очень сильной тороидальной ударной волны, которая перемещается от точки ударения в летящую частицу. Поскольку фронт ударной волны распространяется в направлении захваченного объема, она фокусируется, образуя сжатый круг. Если такая ударная волна сфокусируется вблизи некоторой точки, то это приводит к возникновению чрезвычайно высокого давления и температуры в сжатом пузырьке.
В другой группе вариантов осуществления на поверхности мишени предусмотрено дискретное углубление, ширина которого меньше, чем ширина летящей частицы. Так, например, если углубление имеет непрерывную круговую симметрию, что является предпочтительным, его диаметр должен быть меньше, чем максимальная ширина летящей частицы. Таким образом, если летящая частица является сферической, что обычно имеет место, углубление должно иметь меньший диаметр, чем диаметр летящей частицы. Возможное достоинство вышеописанного дискретного углубления заключается в том, что объем газа, захваченный летящей частицей, можно точно регулировать, при этом в случае сужающейся впадины, в которую попадает летящая частица, точный объем захваченного газа может зависеть от степени точности диаметра летящей частицы и может иметь статистические отклонения.
Изобретение не ограничено одним углублением, в котором происходит захват газа летящей частицей, поэтому в ряде вариантов осуществления конструкция мишени содержит множество углублений. Будучи зависимым от количества таких углублений размер одного углубления будет гораздо меньше, чем размер летящей частицы. Каждое углубление может иметь форму, которая способствует фокусированию энергии сходящейся ударной волной, как описано выше. Достоинство использования множества углублений заключается в возможности использования энергии большей части летящих частиц. Это особенно справедливо для более крупных летящих частиц и точек, что упрощает изготовление устройства, генерирующего энергию термоядерного синтеза.
Такие множества углублений можно получить различными способами. Так, например, твердотельную мишень можно просверлить или подвергнуть другой механической обработке для получения углублений или впадин. Однако в одной группе вариантов осуществления углубления получают за счет структуры поверхности мишени. Так, например, мишень можно подвергнуть струйной обработке абразивным материалом, травлению или обработать иным образом, чтобы получить требуемую шероховатость поверхности, которая на микроскопическом уровне обеспечивает большое количество впадин или углублений.
Две вышеописанные группы вариантов осуществления: поверхность мишени с впадинами, в которые попадает летящая частица, и поверхность мишени, имеющая одно или более мелких дискретных углублений, не являются взаимоисключающими. Так, например, поверхность мишени может иметь впадины, куда попадает по меньшей мере часть летящих частиц, и при этом также содержать одно или более дискретных углублений. Такая комбинация может быть полезной для обеспечения требуемых характеристик ударной волны, которая генерируется в летящей частице, а также для использования достоинств сжатия множества объемов газа.
В предпочтительной группе вариантов осуществления используются описанные здесь способы генерирования реакций термоядерного синтеза. Топливом для реакции может служить капля, захваченный пузырек газа, или топливо может обеспечивать сама мишень. Любой вид топлива, указанный в патенте US 7445319, является пригодным для применения в настоящем изобретении. Сама мишень может быть выполнена твердотельной, как это имеет место во многих вариантах осуществления, описанных выше, однако она может также представлять собой жидкость. В случае твердотельной мишени пригодными могут быть все материалы, предлагаемые в патенте US 7445319. В случае жидкости требуемую поверхность мишени можно получить различными способами. Так, например, поверхность некоторого объема жидкости можно возбуждать при помощи соответствующей вибрации (например, используя ультразвуковой или другой способ) для того, чтобы генерировать волну, имеющую требуемую форму. Альтернативно этому требуемую форму можно получить при помощи краевого угла между жидкостью и твердой поверхностью с соответствующими подобранными смачивающими свойствами. Последний пример, разумеется, указывает, что поверхность может содержать комбинацию твердого тела и жидкости.
-11
-7
Захватываемый объем газа можно выбрать в зависимости от конкретных условий, при этом в одной группе предпочтительных вариантов осуществления он составляет от 5×10 до 5×10 литров. Из приведенных выше пояснений очевидно, что этот объем может быть единым или распределенным между множеством углублений.
Реакции термоядерного синтеза, которые можно реализовать в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, можно использовать для получения полезной энергии (долгосрочная цель исследований в этой области), однако авторы настоящего изобретения считают, что даже в том случае, если выход реакции термоядерного синтеза ниже, чем это требуется для получения чистой энергии, надежный термоядерный синтез, который можно реализовать в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является полезным, например, для получения трития, который можно использовать в качестве топлива в других проектах применения термоядерного синтеза и который является очень дорогостоящим, если для его получения применять существующие в настоящее время технологии. Термоядерный синтез может быть также полезным в качестве источника быстрых и безопасных нейтронов, который может иметь множество различных применений, как известно специалистам в данной области техники.
Кроме того, согласно настоящему изобретению осуществление термоядерного синтеза вовсе не является существенным. Так, например, в некоторых вариантах осуществления способы и устройство согласно настоящему изобретению можно выгодно использовать для сонохимического реактора с целью получения экстремальных и необычных условий.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание некоторых вариантов осуществления изобретения, представленных только в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
фиг.1а-1с - три варианта мишени согласно изобретению;
фиг.2а-2с - последовательные изображения сжатия пузырька, генерированного при помощи моделирования средствами расчетной гидрогазодинамики;
фиг.3а-3d - варианты мишеней, имеющих дискретные углубления согласно изобретению;
фиг.4а-4d - различные возможные варианты осуществления с множеством углублений;
фиг.5 - вариант осуществления, в котором используется криволинейность и дискретное углубление; и
фиг.6 - вариант осуществления, имеющий как множество углублений, так и криволинейную форму общей поверхности.
Осуществление изобретения
На фиг.1а-1с показаны три схожих варианта мишеней 2, 4, 6 с впадинами, которые имеют сужающееся поперечное сечение, поэтому, когда капля 8 соответствующего размера бомбардирует соответствующую мишень, сужение препятствует прохождению капли в нижнюю часть впадины, при этом некоторый объем газа, находящегося внутри впадины, захватывается и образует пузырек 10 между каплей 8 и мишенью 2, 4, 6. Последующий процесс более подробно показан на фиг.2а-2с. В каждом из трех случаев, показанных на фиг.1а, 1b и 1с, мишень 2, 4, 6 в некоторой точке имеет радиус кривизны, меньший, чем радиус капли 8. В случае фиг.1а и 1с, на которых условно показаны точечные вершины, следует понимать, что на практике они имеют некоторую степень закругления с неизбежно меньшим радиусом кривизны, чем радиус капли.
На фиг.2а показана ситуация вскоре после удара капли 8 о мишень 4. При этом показана только половина изображения, другая половина является симметрично идентичной. Как можно видеть, капля 8 захватывает пузырек газа 10, находящегося между поверхностью капли 8 и сужающейся поверхностью мишени 4. Когда капля 8 деформируется, она сжимает пузырек 10, передавая, таким образом, свою кинетическую энергию в пузырек. Кроме того, во время удара генерируется ударная волна 12, которая начинает распространяться в капле. С учетом положений осесимметричной геометрии можно представить, что такая ударная волна имеет тороидальную форму. Поскольку фронт ударной волны 12 распространяется вдоль границы раздела между каплей 8 и захваченным пузырьком 10, она фокусируется, образуя сжатый круг (фиг.2b). Когда ударная волна в конечном итоге фокусируется почти в точку, это приводит к возникновению в сжатом пузырьке 10 экстремального давления и температуры (фиг.2с). Так, например, моделирование показало, что для капли размером 100 микрон, перемещающейся со скоростью 500 метров в секунду и ударяющейся о мишень в форме обратного конуса с углом раскрытия конуса примерно 45 градусов, наблюдается давление, приближающееся к 200000 бар, и температура, превышающая 1000000°С. Однако следует понимать, что на фактические результаты оказывает влияние большое количество параметров, например, плотность жидкости, давление и температура окружающей среды, состав газа и жидкости, угол соударения и форма поверхности.
На фиг.3а-3d показаны соответствующие варианты осуществления, в которых на поверхности мишени 14-20 предусмотрено одно дискретное углубление 22-28. Как видно на чертежах, эти углубления 22-28 обычно значительно меньше, чем капля 8. Это означает, что захватываемый объем газа в сильной степени зависит от небольших изменений размера капли 8. Эти варианты осуществления реализуются таким же образом, как описано выше для вариантов осуществления, использующих сжатие захваченного пузырька и интенсификацию давления в нем под действием ударной волны, которая генерируется в результате удара о мишень.
На фиг.4а-4d показаны варианты осуществления с множеством углублений, в некоторых из которых соответствующие пузырьки могут быть захвачены каплей, ударяющейся о мишень 30-36. Количество захваченных пузырьков зависит от отношения размеров углублений к размеру капли 8. Формы поверхности, образующей эти углубления, являются только схематичными и иллюстративными и, разумеется, могут иметь множество различных вариантов. Их можно получить скорее при помощи чистовой или грубой обработки поверхности, чем за счет механической обработки резанием. Одно из достоинств этого заключается в более низких требованиях к точности настройки положения капли 8 и мишени 30-36. Это также дает возможность простого изготовления одной мишени для одновременной бомбардировки несколькими потоками капель. Кроме того, это открывает возможность получения движущейся, например вращающейся или скользящей, мишени, которая имеет ряд достоинств, в частности: смена материала мишени, извлечение получаемой энергии, возможность уменьшения точности прицеливания.
На фиг.5 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором поверхность мишени 38 является вогнутой и по меньшей мере частично подходит по форме и охватывает каплю 8, однако имеет в нижней части дискретное углубление 40. Криволинейная, более соответствующая капле форма может быть полезной для интенсификации ударной волны, которая генерируется, когда капля 8 ударяется о мишень 38, и в свою очередь интенсифицирует давление и температуру в пузырьке, захваченном в углублении 40.
И, наконец, на фиг.6 показано развитие описанной выше идеи, согласно которой поверхность 42 имеет множество дискретных углублений 44, каждое из которых может захватывать пузырек газа. Углубления могут быть круговыми, т.е. непрерывными в направлении вращения мишени, но предпочтительно дискретными в направлении вращения мишени. Кроме того, каждый из пиков 46 между углублениями 44 создает в пузырьке 8 ударную волну, которая при соответствующей оптимизации может сходиться в одной точке и взаимно усиливаться другими волнами таким образом, чтобы еще больше интенсифицировать энергию, сконцентрированную в пузырьках в каждом углублении 44.
9
6
Во всех описанных вариантах осуществления устройство можно использовать с бомбардировкой потоком капель, например капель воды, которые движутся с очень высокими скоростями, образуя поток жидкости, который затем разрывается при помощи устройства, описанного в патенте US 7380918. В одном примере применения капли имеют диаметр примерно 150 микрон, скорость перемещения примерно 1 километр в секунду и образуются при частоте примерно 1 мегагерц. При расчетном моделировании это создает пиковое давление 4.6×10паскалей, что является достаточным для обеспечения температуры более 1×10градусов С, которая может быть достаточной для реакции термоядерного синтеза атомов дейтерия. Образующиеся нейтроны можно использовать либо в других процессах, либо, как это осуществляется в одном примере, поглощать при помощи нейтронного поглотителя для превращения кинетической энергии нейтронов в тепловую энергию и, таким образом, генерировать обычную термодинамическую энергию.
Однако существует много других способов получения энергии. Так, например, можно также использовать бороводородный синтез. Бороводородный синтез приводит к образованию ядер гелия, при этом могут быть использованы различные способы извлечения энергии этой реакции, например движущийся заряд может непосредственно генерировать электричество. Кроме того, реализация термоядерного синтеза не является важной; повышение давления и температуры в разрывающемся пузырьке, обусловленное формами мишеней согласно изобретению, может быть полезным в других ситуациях для исследования других реакций в экзотических условиях.
Изобретение может быть использовано во всех указанных областях применения, а также во многих других.