УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ ПЛАЗМЫ И СПОСОБ СЖАТИЯ ПЛАЗМЫ
APPARATUS FOR COMPRESSING PLASMA AND METHOD OF COMPRESSING PLASMA

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к системам для сжатия плазмы и к способам сжатия плазмы. В некоторых таких системах, тороид плазмы сжимают с использованием воронки жидкого металла.
Известный уровень техники
Уже известны различные системы для нагревания плазмы до высоких температур и для сжатия плазмы до высоких плотностей. Один из подходов к нагреванию и сжатию плазмы, который связан со сферической фокусировкой акустической волны давления большой амплитуды в жидкой среде, описан в заявке на патент США No. 2006/0198486, опубликованной 7 сентября 2006 г., озаглавленной "Pressure Wave Generator and Controller for Generating a Pressure Wave in a Fusion Reactor", которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки. В некоторых вариантах этого подхода используют множество поршней, расположенных вокруг по существу сферического резервуара, содержащего жидкую среду. В жидкой среде создают завихрение (воронку) или полость. Поршни приводятся в движение и соударяются с внешней стенкой резервуара, в результате чего генерируется акустическая волна. Акустическая волна, созданная в жидкой среде, сходится и охватывает плазму, которая введена в воронку, за счет чего происходит нагревание и сжатие плазмы.
Генератор волны давления такого типа, который описан в заявке на патент США No. 2006/0198486, может быть использован в реакторе ядерного синтеза с намагниченной мишенью (в MTF реакторе), который описан, например, в заявке на патент США No. 2006/0198483, опубликованной 7 сентября 2006 г., озаглавленной "Magnetized Plasma Fusion Reactor" (Реактор ядерного синтеза с использованием намагниченной плазмы), которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки. В некоторых таких реализациях, намагниченную плазму вводят в завихрение (в воронку, в вортекс), которое создано в жидкой среде, такой как расплав свинца и лития (PbLi). Акустическая волна, созданная за счет удара поршней, окружающих сферический реактор, может сжимать намагниченную плазму до высокой плотности и нагревать ее до высокой температуры.
В некоторых конструктивных вариантах описанных здесь выше устройств может быть использован сжатый газ, такой как пар или воздух, чтобы ускорять поршни. Типично, скорость соударения поршня, желательная для сжатия плазмы, составляет около 100 м/с, причем для такого ускорения поршней используют сжатый газ под давлением около 1,300 psi (фунтов на квадратный дюйм). Для достижения имплозии, которая может быть полезной или желательной в некоторых реализациях, управляют с высокой точностью моментом срабатывания каждого поршня, его траекторией и величиной соударения. Например, в некоторых реализациях сжатия плазмы, все поршни соударяются с резервуаром преимущественно с временным промежутком около 1 мкс друг от друга. В некоторых таких реализациях, следящая система управления может быть использована для определения точного положения каждого поршня и управления его траекторией, чтобы получить требуемое время соударения.
Несмотря на то что некоторые варианты таких механических систем сжатия являются привлекательными, например, за счет их низкой цены, они требуют частого ремонта, особенно в тех применениях, в которых частота срабатывания поршней является высокой.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются варианты систем для сжатия плазмы и варианты способов сжатия плазмы. Некоторые варианты предусматривают электрическое ускорение плазмы, например, за счет использования ускорителя плазмы, например, такого как рельсовый инжектор. Плазма может ускоряться в воронку жидкого металла, где плазма дополнительно сжимается. Использование жидкого металла позволяет достичь более высоких плотностей плазмы, потому, что, в некоторых конструктивных вариантах, достигнутое давление может быть выше чем предел разрыва или предел текучести твердых материалов, которые типично используют в самом устройстве.
В некоторых конструктивных вариантах имеющий низкую плотность и температуру сферомак или тороидальную плазму формируют с использованием плазменного инжектора, например, намагниченного коаксиального инжектора. Тороидальную плазму электрически ускоряют, сжимают и нагревают до высоких плотностей и температур с использованием ускорителя плазмы (например, с использованием конического рельсового инжектора), который идет в направлении воронки жидкого металла. Воронка жидкого металла в некоторых реализациях может быть образована из расплавленного металла, например, такого как расплав свинца и лития (PbLi). В различных конструктивных вариантах, тороидальная плазма может быть образована как вывернутая полем конфигурация (FRC) или другой компактный тороид.
В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами плазма может содержать расщепляемый материал, например, изотопы легких элементов (например, дейтерий, тритий, гелий-3, литий-6 и/или литий-7). Более высокие плотности и/или температуры плазмы, которые достижимы в некоторых таких реализациях, могут быть достаточны для возбуждения реакций ядерного синтеза. Некоторые реакции ядерного синтеза создают нейтроны. Следовательно, некоторые варианты системы могут быть сконфигурированы как источники нейтронов. Некоторые варианты систем и способов позволяют проводить реакции ядерного синтеза, достаточные для рентабельной выработки энергии.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается конструктивный вариант устройства для сжатия плазмы. Устройство содержит плазменный инжектор, сконфигурированный для генерации компактного тороида, ускоритель плазмы и систему жидкой воронки. Ускоритель плазмы имеет первый конец, второй конец и продольную ось между первым концом и вторым концом. Ускоритель плазмы сконфигурирован для приема компактного тороида у первого конца и для ускорения компактного тороида вдоль продольной оси в направлении второго конца. Система жидкой воронки содержит жидкую воронку, имеющую по существу цилиндрический проход, по существу совмещенный с продольной осью ускорителя плазмы. Указанный проход имеет первый внутренний диаметр у верхнего конца прохода и второй внутренний диаметр у нижнего конца прохода. Указанный второй внутренний диаметр может быть меньше чем первый внутренний диаметр в некоторых конструктивных вариантах. Система жидкой воронки сконфигурирована для приема компактного тороида от второго конца ускорителя плазмы и для сжатия компактного тороида, когда компактный тороид движется вдоль прохода от верхнего конца в направлении нижнего конца. Система может быть сконфигурирована таким образом, что давление компактного тороида, когда он находится ниже верхнего конца, будет больше чем давление компактного тороида, когда он находится выше верхнего конца.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается вариант системы воронки жидкого металла, сконфигурированной для сжатия плазмы. Система воронки жидкого металла содержит воронку жидкого металла, имеющую по существу цилиндрический проход, имеющий первый внутренний диаметр у первого конца прохода и второй внутренний диаметр у второго конца прохода. Указанный второй внутренний диаметр может быть меньше чем первый внутренний диаметр. Воронка жидкого металла может быть ориентирована так, что первый конец прохода расположен выше чем второй конец прохода. Воронка жидкого металла может быть сконфигурирована для приема плазмы от плазменного инжектора и для сжатия плазмы, когда плазма движется вдоль прохода от первого конца в направлении второго конца.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается вариант способа сжатия плазмы. Способ предусматривает генерирование тороидальной плазмы, ускорение тороидальной плазмы вдоль продольного направления и введение ускоренной тороидальной плазмы в проход в жидкой воронке. Указанный проход может иметь первый размер у первого конца прохода и второй размер у второго конца прохода. Указанный второй размер может быть меньше чем первый размер. Способ также предусматривает сжатие тороидальной плазмы, когда тороидальная плазма движется от первого конца прохода в направлении второго конца прохода.
Краткое описание чертежей
На фиг.1A схематично показано поперечное сечение конструктивного варианта системы сжатия плазмы в конической воронке жидкого металла. В этом конструктивном варианте, плазменный инжектор формирует компактный тороид, который ускорен (разогнан) при помощи ускорителя плазмы в направлении воронки жидкого металла.
На фиг.1B схематично показано поперечное сечение другого конструктивного варианта системы для сжатия плазмы в системе воронки жидкого металла. В этом конструктивном варианте, система воронки содержит воронку жидкого металла и осевую направляющую из жидкого металла, расположенную по существу вдоль центральной оси воронки. В этом конструктивном варианте, ускоритель плазмы содержит ограничитель плазмы, который имеет сужение в канале распространения ускорителя.
На фиг.1C схематично показано поперечное сечение еще одного конструктивного варианта системы для сжатия плазмы в системе воронки жидкого металла. В этом конструктивном варианте, ускоритель плазмы содержит ограничитель плазмы, который содержит одну или несколько катушек электромагнитов. Следует иметь в виду, что вариант, показанный на фиг.1C в целом аналогичен варианту, схематично показанному на фиг.1B.
На фиг.1D показан вид в перспективе с разрезом варианта системы для сжатия плазмы.
5
На фиг.2 показан график примерного расчета энергии плазмы для достижения критериев устойчивости Лоусона для различных плотностей плазмы, и примерного расчета магнитного давления плазмы при различных плотностях плазмы. Эти примерные расчеты основаны на диффузии Бома и некоторых других допущениях, описанных ниже. Следует иметь в виду, что давление 1 атмосфера соответствует давлению около 10 Па.
На фиг.3 схематично показано поперечное сечение примера тороидальной плазмы внутри конической воронки жидкого металла.
На фиг.4 показан график примерного расчета энергии плазмы для достижения критериев устойчивости Лоусона для различных плотностей плазмы, с учетом различных потерь мощности, которые могут происходить в примерном конструктивном варианте системы для сжатия плазмы.
Подробное описание изобретения
Ускорители сферомак с конической коаксиальной плазмой уже известны и их используют, например, для создания рентгеновских лучей, для возбуждения токомака и для физических исследований плазмы. Однако следует иметь в виду, что максимально достижимое магнитное давление ограничено прочностью использованных в устройстве твердых материалов (например, пределом разрушения, пределом текучести или пределом разрыва твердых материалов). В некоторых вариантах заявленного здесь подхода, может быть достигнуто магнитное давление, которое существенно превышает указанный предел, за счет использования конической трубы жидкого металла или трубы жидкого металла в виде воронки, как это описано далее более подробно.
На фиг.1A-1D схематично показаны различные конструктивные варианты системы 1000, которая может быть использована для ускорения и сжатия плазмы. Варианты, показанные на фиг.1A-1D, содержат плазменный инжектор 100, сконфигурированный для генерирования тороидальной плазмы (например, для генерирования компактного тороида, например, такого как сферомак), ускоритель 110 плазмы, сконфигурированный для ускорения плазмы вдоль продольной оси 115 ускорителя 110, и систему 120 воронки жидкого металла, в которую плазму, ускоренную при помощи ускорителя 110, вводят для дальнейшего сжатия. В различных конструктивных вариантах, плазменный инжектор 100 может содержать инжектор намагниченной плазмы, который имеет ось инжектора, которая по существу совмещена или соосна с продольной осью 115 ускорителя 110. В некоторых конструктивных вариантах, плазменный инжектор 100 содержит плазменный инжектор типа Маршалла. В различных конструктивных вариантах, ускоритель 110 плазмы может иметь рельсовый инжектор, сконфигурированный для ускорения плазмы с использованием магнитных и/или электромагнитных сил. В некоторых конструктивных вариантах, ускоритель 110 плазмы может обеспечивать некоторую степень сжатия плазмы, когда плазма движется вдоль продольной оси 115. Например, рельсовый инжектор может иметь один или несколько конических электродов для сжатия плазмы во время ускорения вдоль продольной оси 115. Система 120 воронки жидкого металла может иметь воронку жидкого металла, цилиндр (или трубу) 8, имеющий проход, по существу совмещенный с продольной осью 115 ускорителя 110. В некоторых конструктивных вариантах, поперечное сечение и/или внутренний диаметр прохода могут изменяться от верхнего конца воронки к нижнему концу воронки; например, поперечное сечение (и/или внутренний диаметр) могут уменьшаться, чтобы обеспечить сжатие плазмы, когда плазма движется от положения ниже верхнего конца и в направлении нижнего конца. В некоторых конструктивных вариантах, плазменный инжектор 100 и/или ускоритель 110 плазмы могут быть установлены по существу над системой 120 жидкой воронки. В некоторых конструктивных вариантах, верхний конец воронки 8 по существу расположен выше нижнего конца воронки 8.
Тороидальной плазмой, генерированной при помощи плазменного инжектора 100, может быть компактный тороид, например, такой как сферомак, который представляет собой тороидальную плазму, ограниченную за счет своего собственного магнитного поля, полученного за счет тока, протекающего в проводящей плазме. В соответствии с другими конструктивными вариантами, компактным тороидом может быть вывернутая полем конфигурация (FRC) плазмы, которая может иметь по существу замкнутые линии магнитного поля, с малым проникновением или без проникновения силовых линий в центр.
5
Как это показано схематично на фиг.1A-1D, газ из одного или нескольких баков 4 вводят в инжектор через быстродействующие клапаны 3. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, начальное газовое давление составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм (psi) (например, около 1.03×10 Па). Газ может иметь расщепляемый материал. Например, расщепляемый материал может содержать один или несколько изотопов легких элементов, например, таких как 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. Может быть использована также комбинация элементов и изотопов. Например, в некоторых вариантах реализации, газовую смесь, содержащую 50% дейтерия и 50% трития, подают из бака 4 с использованием около 100 клапанов 3. Каждый импульс от клапанов вводит около 2 мг газа, в одной из реализации. В соответствии с другими конструктивными вариантами, могут быть использованы другое число клапанов и/или другая масса вводимого газа. В других реализациях, процентное содержание дейтерия и трития может отличаться от 50%.
Катушки 5 возбуждают магнитное поле в пространстве между внешним электродом 7 и формирующим электродом 14. Катушки 5 могут быть сконфигурированы для возбуждения главным образом радиального магнитного поля силой около 0.8 Тл, в некоторых вариантах реализации. В конструктивном варианте, схематично показанном на фиг.1A-1C, формирующий электрод 14 является по существу цилиндрическим, а внешний электрод 7 сужается внутрь в направлении системы 120 воронки жидкого металла. В конструктивном варианте, схематично показанном на фиг.1B-1D, магнитное поле создано при помощи трех катушек 5a, 5b, и 5c электромагнитов, однако следует иметь в виду, что в других конструктивных вариантах может быть использовано меньшее или большее число катушек. В некоторых конструктивных вариантах катушка 5a содержит около 140 витков полой квадратной медной шины 6 мм × 6 мм. При работе системы, по шине может протекать ток около 1000 А под напряжением около 630 В, с рассеиванием около 630 кВт. Катушка 5b содержит около 224 витков полой квадратной медной шины 6 мм × 6 мм, по которой может протекать ток около 1000 А под напряжением около 832 В, с рассеиванием около 830 кВт. Катушка 5 с содержит около 552 витков полой квадратной медной шины 6 мм x 6 мм, по которой может протекать ток около 1000 А под напряжением около 844 В, с рассеиванием около 840 кВт. В некоторых конструктивных вариантах катушки 5a, 5b, и 5c работают непрерывно при работе системы. В некоторых конструктивных вариантах, система охлаждения (не показана) подает воду (или другой хладагент), которая протекает в полых шинах и охлаждает их.
В некоторых вариантах осуществления системы желательно вводить газ только между внешним электродом 7 и формирующим электродом 14. В некоторых таких вариантах осуществления, клапаны 3 открываются и закрываются достаточно быстро для того, чтобы газ по существу находился между электродами 7 и 14. Например, при комнатной температуре (например, около 20°C), тепловая скорость газа составляет около 900 м/с. Если, например, расстояние между электродами 7 и 14 составляет около одного метра, газ может быть введен на время ориентировочно меньше чем 1 мс, чтобы создать газ для возбуждения каждого компактного тороида. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, могут быть использованы клапаны Parker Series 99 (фирмы Parker Hannifin, Cleveland, Ohio).
В некоторых конструктивных вариантах формирующий электрод 14 электрически соединен с конденсаторной батареей 1. В некоторых таких конструктивных вариантах, конденсаторная батарея 1 может иметь емкость около 4.1 мФ и может быть заряжена до напряжения около 22 кВ. В некоторых случаях, конденсаторная батарея 1 содержит около восьмидесяти индивидуальных конденсаторов емкостью 52 мкФ (например, конденсаторы модели 33677 фирмы General Atomics Energy Products (San Diego, CA). Индивидуальные конденсаторы могут быть включены в параллель. Конденсаторная батарея 1 может быть подключена к формирующему электроду 14 с использованием линии передачи. В некоторых конструктивных вариантах, полная индуктивность линии передачи и конденсаторов составляет около 20 нГн, что преимущественно обеспечивает достаточно быстрый электрический разряд.
Во время работы системы 1000, когда газ, введенный при помощи клапанов 3, создает достаточное давление между электродами 7 и 14, конденсаторная батарея 1 разряжается в газ, превращая газ в плазму. Разряд может происходить, когда напряжение конденсаторной батареи превышает напряжение пробоя газа (которое может зависеть от давления газа). В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, батарея 1 разряжается, когда газовое давление составляет около 10 мТорр (например, около 1.3 Па). Разряд может происходить и при других газовых давлениях, в других конструктивных вариантах. В варианте, показанном на фиг.1A, переключатель 2 замыкают для разряда конденсаторной батареи 1 через газ, для генерирования плазмы. Возможным преимуществом вариантов с использованием переключателя 2 является то, что переключатель 2 замыкают, когда газ имеет желательное давление, что позволяет повысить гибкость эксплуатации.
15
-3
Ток растет (например, ориентировочно до 3 МА в течение времени около 20 мкс в некоторых случаях) и магнитное поле, возникающее за счет этого тока, принудительно направляет плазму в направлении вниз на фиг.1A-1C, а именно, в направлении ускорителя 110 плазмы. Магнитные силовые линии от катушек 5 охватывают плазму. Магнитное поле соединяется с образованием замкнутых магнитных поверхностей, и плазма образует компактный тороид. Например, тороидом может быть сферомак 16, имеющий относительно низкую плотность (например, около 10 см, в некоторых случаях) и низкую температуру (например, около 20 эВ, в некоторых случаях).
В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами системы 1000, после относительно небольшой задержки (например, около 30 мкс, в некоторых случаях), чтобы позволить магнитным полям стабилизироваться и/или чтобы снизить турбулентность, если она есть, сферомак 16 сжимается при помощи ускорителя 110 плазмы и ускоряется в направлении системы 120 воронки жидкого металла.
Например, в конструктивных вариантах, схематично показанных на фиг.1A-1D, ускоряющие электроды 6 соединены со второй конденсаторной батареей 11, которую используют для снабжения энергией плазмы. В некоторых конструктивных вариантах, конденсаторная батарея 11 имеет емкость около 2.6 мФ и заряжена до напряжения около 88 кВ. В некоторых таких конструктивных вариантах, конденсаторная батарея 11 содержит около 100 пар индивидуальных конденсаторов 52 мкФ, 44 кВ, причем конденсаторы каждой пары соединены последовательно, а 100 пар электрически соединены в параллель. В некоторых конструктивных вариантах используют конденсаторы фирмы General Atomics Energy Products (San Diego, CA), модель 32283. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, конденсаторная батарея 11 электрически соединена с ускоряющим электродом 6 с использованием линии 15 передачи в виде диска, по существу охватывающей коаксиальный инжектор 100, чтобы уменьшить или минимизировать индуктивность. Время нарастания тока в некоторых конструктивных вариантах составляет около 40 мкс, принимая во внимание относительно большую емкость батареи 11. В некоторых конструктивных вариантах, линия передачи в виде диска может быть использована для электрического подключения конденсаторной батареи 1 к формирующему электроду 14. В некоторых конструктивных вариантах используют две линии передачи в виде диска, причем первую линию передачи в виде диска используют для электрического подключения конденсаторной батареи 1 к формирующему электроду, а вторую линию передачи в виде диска используют для электрического подключения конденсаторной батареи 11 к ускоряющему электроду 6.
Плазменный ускоритель 110 содержит канал 114 распространения плазмы, через который или вдоль которого ускоряется тороидальная плазма 16. Например, как это схематично показано на фиг.1A-1D, ускоряющий электрод 6 может быть расположен внутри внешнего электрода 7, а канал 114 распространения плазмы представляет собой пространство между электродами 6 и 7. Канал 114 распространения плазмы может иметь поперечное сечение (перпендикулярно к продольной оси 115), которое изменяется (по форме, размеру, ширине, расположению и/или иным другим образом) от первого конца 112a до второго конца 112b ускорителя. Например, в конструктивных вариантах, показанных на фиг.1A-1D, по меньшей мере один из электродов 6 и 7 может идти на конус от первого конца 112a ускорителя 100 (например, поблизости от плазменного инжектора 100) до второго конца 112b ускорителя 100 (например, поблизости от системы 120 воронки). Например, в некоторых конструктивных вариантах, радиус ускорителя 110 (например, радиус от продольной оси 115 до центра канала 114) уменьшается ориентировочно в 30 раз от первого конца 112a до второго конца 112b. В соответствии с другими конструктивными вариантами, радиус ускорителя 110 уменьшается от первого конца до второго конца ориентировочно в 2, 5, 10, 20, 50, 100 раз, или в некоторое другое число раз. В различных конструктивных вариантах, радиус ускорителя от первого конца до второго конца уменьшается в диапазоне ориентировочно от 10 до 50 раз, в диапазоне ориентировочно от 20 до 40, или уменьшается в некотором другом диапазоне.
При дальнейшем рассмотрении конструктивных вариантов, схематично показанных на фиг.1A-1D, следует отметить, что магнитная сила ускорителя 110 плазмы ускоряет тороидальную плазму 16 между коническими коаксиальными электродами 6 и 7, и нагревает и сжимает плазму до более высокой температуры и плотности, формируя сжатую тороидальную плазму 12.
Конфигурация электродов 6, 7 может быть выбрана так, чтобы обеспечить желательную степень сжатия, когда плазма движется от первого конца 112a ко второму концу 112b ускорителя 110. Например, один или несколько показателей, в том числе конусность, форма электродов и/или промежуток между электродами 6, 7, могут быть выбраны для обеспечения желательного сжатия. В случае некоторых тороидальных конфигураций плазмы (например, в случае компактных тороидов), сжатие плазмы в некоторых реализациях системы 1000 может быть измерено как радиальное сжатие тороида (например, отношение радиуса тороида, когда он занимает первое положение в системе, к радиусу тороида, когда он занимает второе положение в системе). Например, в некоторых конструктивных вариантах, радиальное сжатие плазмы, когда плазма движется от первого конца 112a ко второму концу 112b ускорителя 110, составляет около 30:1. Радиальное сжатие плазмы в ускорителе 110 может быть другим в других вариантах и может составлять, например, около 2:1, около 5:1, около 10:1, около 15:1, около 20:1, около 30:1, около 50:1, около 100:1, и т.п. В различных конструктивных вариантах, сжатие плазмы в ускорителе 110 может лежать в диапазоне ориентировочно от 10:1 до 50:1, в диапазоне ориентировочно от 20:1 до 40:1, или в некотором другом подходящем диапазоне. В некоторых конструктивных вариантах, электроды 6, 7 в ускорителе 110 не имеют конусности и поэтому в ускорителе 110 по существу отсутствует сжатие плазмы.
В соответствии с другими конструктивными вариантами ускоритель 110 плазмы может быть сконфигурирован так, что внешний электрод 7 действует как ускоряющий электрод. В соответствии с другими конструктивными вариантами, оба электрода 6 и 7 могут быть использованы для электромагнитного ускорения плазмы от первого конца ко второму концу. В соответствии с другими конструктивными вариантами, могут быть использованы дополнительные электроды (например, чтобы содействовать стабилизации плазмы и/или чтобы запрещать наклон тороида в канале 114).
Электроды 6, 7 и/или 14 могут быть изготовлены из электропроводящего металла. Электроды 6, 7 и/или 14 могут иметь одну или несколько секций. Например, в некоторых конструктивных вариантах, электроды 6, 7 и/или 14 содержат одну или несколько пластин (или листов) из нержавеющей стали 304, имеющих толщину около 5 мм. Секции электродов могут быть соединены вместе при помощи сварки, с использованием крепежных деталей (например, болтов), и т.п. В соответствии с другими конструктивными вариантами электроды могут быть изготовлены из других материалов и/или с использованием дополнительных материалов, которые могут иметь другие толщины. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами плазма может стать достаточно горячей, чтобы по меньшей мере частично приводить к испарению некоторых электродов. Испарение электродов может в некоторых случаях загрязнять плазму металлическими включениями, которые могут охлаждать плазму. Поэтому, в некоторых реализациях, в которых используют электроды, которые могут (по меньшей мере частично) испаряться, один или несколько электродов 6, 7 и 14 могут быть покрыты материалом с высокой температурой плавления, например, таким как вольфрам. Материал покрытия может быть выбран так, чтобы температура плавления материала покрытия (например, вольфрама) была выше чем температура плавления материала электрода (например, нержавеющей стали). Например, в некоторых реализациях, вольфрам наносят за счет плазменного распыления на материал электрода (например, на нержавеющую сталь 304). Например, для этого может быть использована установка для плазменного распыления фирмы Flamespray Northwest in Seattle, Washington. В соответствии с другими конструктивными вариантами материал с высокой температурой плавления может быть нанесен или осажден в виде слоя на электрод. В соответствии с другими конструктивными вариантами, электроды образованы из материала с высокой температурой плавления.
Во время нарастания тока, плазма будет ускоряться, когда она движется в канале 114 распространения плазмы (например, в пространстве между ускоряющим электродом 6 и внешним электродом 7) в направлении системы 120 воронки жидкого металла. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, плазма ускоряется на расстоянии около 20 м и затем на другом расстоянии около 20 м или около того, чтобы завершить разряд конденсаторной батареи 11. В таких конструктивных вариантах, полная длина ускорителя 110 плазмы составляет около 40 м. Ускоритель плазмы может иметь и другую длину. Например, напряжение конденсаторов в батарее 11 может быть повышено, в то время как емкость батареи 11 может быть снижена, что позволяет сохранить энергию в конденсаторной батарее 11. Это позволяет уменьшить время нарастания тока и длину ускорителя 110. Использование более высокого напряжения в некоторых реализациях может быть связано с недостатками, такими как усложнение технологии и повышение стоимости.
В некоторых конструктивных вариантах ускоритель 110 плазмы содержит ограничитель 23 плазмы. Длина конструктивного варианта ускорителя 110, который содержит ограничитель плазмы, может быть меньше чем длина конструктивного варианта ускорителя, который не содержит ограничителя плазмы. В конструктивном варианте, показанном на фиг.1 В, ограничитель 23 плазмы расположен поблизости от первого конца 112a ускорителя 110, например, ниже первого конца 112a. Когда ток в электродах 6 и/или 7 возрастает, магнитное поле ускорителя 110 плазмы первоначально является недостаточным для принудительного направления плазмы за ограничитель 23. Движение плазмы вдоль канала 114 распространения запрещено. Система может быть сконфигурирована так, что когда магнитное поле ускорителя 110 возрастает (например, когда возрастает ток и/или напряжение, приложенное к электродам 6 и/или 7), тогда магнитное поле растет и достигает порогового значения, при котором магнитная сила (напряженность магнитного поля) достаточна для принудительного направления плазмы за ограничитель 23. Плазма затем ускоряется вдоль канала 114 распространения. Например, система может быть сконфигурирована так, что при пиковом токе (или поблизости от него) магнитная сила достаточна для проталкивания плазмы через ограничитель 23 и для начала ускорения плазмы вниз через ускоритель плазмы 110.
В некоторых конструктивных вариантах ограничитель 23 плазмы содержит сужение в канале 114 распространения плазмы. Например, сужением может быть уменьшение промежутка между ускоряющим электродом 6 и внешним электродом 7. В некоторых конструктивных вариантах, сужение создают за счет введения одной или нескольких структур 23a в канал 114 распространения плазмы (см., например, фиг.1B). В соответствии с другими конструктивными вариантами сужение в канале 114 распространения плазмы создают за счет профилирования внешнего электрода 7 и/или ускоряющего электрода 6, так чтобы канал 114 был уже в месте сужения. Местоположение, форма, размер, промежуток между сужениями и/или число сужений (например, для структур, расположенных в канале 114 или вдоль него или для сужений канала 114), расположенных вдоль канала 114 распространения выбирают так, чтобы создать желательную степень ограничения движения плазмы вдоль канала 114. В некоторых таких конструктивных вариантах, ускоритель длиной около 10 м может быть использован для передачи энергии от конденсаторной батареи 11 к плазме, с использованием конденсаторов с напряжением 88 кВ.
В соответствии с другими конструктивными вариантами ограничитель 23 плазмы может быть сконфигурирован без сужения, схематично показанного на фиг.1B. Например, на фиг.1C схематично показан конструктивный вариант, в котором ограничитель 23 плазмы содержит одну или несколько катушек 23b электромагнитов, расположенных поблизости от первого конца 112a ускорителя 110. Когда ток подают в одну или несколько катушек 23b электромагнитов, катушки 23b обеспечивают ограничение магнитной силы, которая тормозит движение тороида плазмы после катушек, пока магнитная сила, созданная ускорителем 110, выше порогового значения. В некоторых конструктивных вариантах, ток в катушках 23b может быть понижен (или выключен), чтобы снизить (или по существу исключить) ограничивающее магнитное поле, чтобы позволить тороиду плазмы ускоряться в направлении второго конца 112b ускорителя 110. В некоторых конструктивных вариантах, комбинация увеличения магнитной силы, созданной за счет ускорителя 110, и снижения ограничивающей магнитной силы, созданной за счет катушек 23b, позволяет ускорять плазму вдоль канала 114 в соответствующее время. В некоторых конструктивных вариантах, магнитное поле, созданное за счет катушек 23b, достаточно для запрета ускорения тороидальной плазмы вдоль канала 114, даже при максимальном токе ускорителя 110. В таких конструктивных вариантах, ток в катушках 23b уменьшают (или отключают), чтобы освободить тороидальную плазму в желательное время. В некоторых конструктивных вариантах, ограничитель 23 плазмы может иметь одно или несколько сужений 23a и одну или несколько катушек 23b
2
После формирования плазмы, плазма электрически контактирует с внешним электродом Рис ускоряющим электродом 6. Этот контакт может приводить к короткому замыканию конденсаторной батареи 11 и исходного тока, протекающего через плазму. Как уже было указано здесь выше, может быть желательно в некоторых реализациях задержать ускорение (например, ориентировочно на 30 мкс, в некоторых случаях), чтобы позволить образоваться замкнутым магнитным поверхностям и/или снизить турбулентность, если она есть. В некоторых таких реализациях, насыщающийся реактор 17 (например, как это показано на фиг.1B) используют для задержки подачи напряжений на электроды. Насыщающийся реактор 17 может быть расположен в линии 15 передачи. Насыщающийся реактор 17 может быть изготовлен из насыщающегося магнитного материала. Например, для этого может быть использован аморфный металл, например, такой как METGLAS 2605 Со (фирма Metglas Inc., Conway, South Carolina). Для создания задержки около 30 мкс при напряжении около 88 кВ, реактор 17 должен накапливать энергию, равную произведению около 88 кВ на 30 мкс = 2.6 В·с. В некоторых конструктивных вариантах, реактор 17 является по существу тороидальным и имеет поперечное сечение около 0.6 м и главный радиус около 1 м. В некоторых конструктивных вариантах, реактор 17 содержит намотанную ленту из материала Metglas и имеет поле насыщения около 1.8 Тл, чтобы создать соответствующую задержку.
В конструктивных вариантах схематично показанных на фиг.1A-1D, система сконфигурирована так, что в точке или раньше точки, в которой давление плазмы нарастает так, что оно может превышать точку разрыва или предел прочности материала или сборки, которая содержит электроды 6 и/или 7 (или другие компоненты ускорителя поблизости от второго конца 112b), плазма выходит из ускорителя 110 и входит в систему 120 воронки жидкого металла. Преимущество некоторых таких конструктивных вариантов состоит в том, что давление плазмы в ускорителе повышается до относительно высокого значения без повреждения ускорителя (например, за счет разрушения и/или деформации второго конца 112b ускорителя 110).
В показанных конструктивных вариантах система 120 воронки жидкого металла содержит бак 10 и один или несколько насосов 9, сконфигурированных для создания циркуляции жидкого металла, чтобы образовать воронку 8 жидкого металла. Жидкий металл протекает самотеком от верхнего конца системы 120 воронки к нижнему концу системы 120 воронки. В некоторых конструктивных вариантах, верхний конец системы 120 воронки находится по существу над нижним концом системы 120 воронки. В некоторых конструктивных вариантах, насосы 9 могут прикладывать давление к жидкому металлу, которое также может влиять на течение жидкого металла в бак 10. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, воронка 8 имеет по существу цилиндрический форму и содержит проход 125, который по существу совмещен с продольной осью ускорителя 110 плазмы. Поперечное сечение прохода 125 (перпендикулярно к продольной оси прохода 125) может быть по существу круглым, по существу овальным, по существу многоугольным, или может иметь любую другую форму. Форма (и/или размер) поперечного сечения прохода может изменяться от верхнего конца к нижнему концу. Например, площадь поперечного сечения прохода у нижнего конца может быть меньше чем площадь поперечного сечения прохода у верхнего конца. Проход 125 может иметь внутреннюю поверхность, имеющую внутренний диаметр. Поперечное сечение внутренней поверхности может быть по существу круглым, по существу овальным, по существу многоугольным (например, прямоугольным), или может иметь любую другую подходящую форму. Внутренний диаметр у нижнего конца может быть меньше чем внутренний диаметр у верхнего конца. Форма поперечного сечения, размер и/или внутренний диаметр прохода могут быть сконфигурированы так, чтобы обеспечивать желательную степень сжатия плазмы, когда она движется ниже верхнего конца. Например, в некоторых конструктивных вариантах, внутренний диаметр прохода 125 у нижнего конца ориентировочно в 3 раза меньше чем внутренний диаметр прохода 125 у верхнего конца. Отношение внутреннего диаметра прохода у верхнего конца к внутреннему диаметру прохода у нижнего конца может составлять около 1.5, около 2, около 4, около 5, около 10, около 15, или больше. Это отношение может лежать в диапазоне ориентировочно от 1.5 до 5, ориентировочно от 2 до 4, или может лежать в некотором другом диапазоне.
В некоторых конструктивных вариантах плазма может двигаться от верхнего конца к нижнему концу прохода. В соответствии с другими конструктивными вариантами, давление плазмы может становиться достаточно высоким при движении плазмы вдоль канала, так что плазма может разрушать воронку 8 до того, как плазма дойдет до нижнего конца прохода.
В некоторых конструктивных вариантах жидкий материал, образующий жидкую воронку 8, по существу не вращается вокруг оси прохода. В соответствии с другими конструктивными вариантами, жидкий материал может быть введен в бак 10, так что жидкий материал вращается вокруг оси прохода, когда жидкий материал движется от верхнего конца к нижнему концу. Воронки, в которых жидкий материал обладает некоторой степенью вращения (или вихревого движения), могут быть предпочтительными в некоторых реализациях, так как это, например, повышает стабильность внутренней поверхности прохода.
Так как плазма может двигаться со скоростью (например, около нескольких тысяч км/с или выше, в некоторых случаях), которая выше чем скорость звука в жидком металле (например, около 3 км/с, в некоторых случаях), то жидкий металл не имеет времени для выхода с пути движения, когда плазма проходит систему 120 жидкой воронки (например, когда сила инерции воронки жидкого металла по меньшей мере частично удерживает плазму). Поэтому жидкий металл стремится действовать по отношению к плазме как твердый материал и может удерживать плазму в проходе 125 воронки 8. Плазма может испытывать сжатие (и нагревание) в воронке 8, когда она движется от верхнего конца воронки 8 к нижнему концу воронки 8. Например, давление плазмы, когда плазма находится ниже верхнего конца воронки 8, может быть больше чем давление плазмы, когда плазма находится выше верхнего конца воронки 8. На фиг.1A-1C схематично показан сжатый тороид 13 плазмы в воронке 8.
Радиальное сжатие плазмы в проходе 125 воронки может быть около 3:1 (или больше) в некоторых реализациях. В других реализациях, радиальное сжатие плазмы может быть около 1.5:1, около 2:1, около 4:1, около 5:1, около 7:1, около 10:1, около 15:1, или больше. Радиальное сжатие плазмы в проходе 125 воронки 8 может быть в диапазоне ориентировочно от 1.5:1 до 5:1, ориентировочно от 2:1 до 4:1, или может лежать в некотором другом диапазоне. В некоторых реализациях, желательное полное радиальное сжатие плазмы, измеренное между первым концом ускорителя 110 и окончательным положением плазмы в воронке 8 (например, когда давление плазмы становится достаточно большим для разрыва воронки), может быть около 200:1, около 150.1, около 100:1, около 90:1, около 75:1, около 50:1, около 30:1, около 20:1, около 10:1, или может иметь некоторое другое значение. Полное радиальное сжатие может лежать в диапазоне ориентировочно от 50:1 до 150:1, ориентировочно от 75:1 до 125:1, ориентировочно от 80:1 до 100:1, или может лежать в некотором другом диапазоне.
В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами желательное полное радиальное сжатие тороида плазмы (например, от первого конца 112a ускорителя 110 до окончательного положения плазмы в воронке 8) может быть обеспечено системой 1000, сконфигурированной так, чтобы иметь первый коэффициент сжатия в ускорителе 110 и чтобы иметь второй коэффициент сжатия в воронке 8, так чтобы первый коэффициент сжатия, умноженный на второй коэффициент сжатия, давал желательный полный коэффициент сжатия. Например, для обеспечения полного сжатия около 90:1, ускоритель 110 может быть сконфигурирован так, чтобы обеспечивать первый коэффициент сжатия около 30:1, а воронка 8 может быть сконфигурирована так, чтобы обеспечивать второй коэффициент сжатия около 3:1. Эти отношения не являются ограничительными для заявленных систем и способов, так что полный коэффициент сжатия 90:1 может быть обеспечен иным образом в других реализациях системы 1000, например, около 45:1 в ускорителе и около 2:1 в воронке, около 18:1 в ускорителе и около 5:1 в воронке, и т.п. В некоторых конструктивных вариантах, первый коэффициент сжатия в ускорителе 110 выбран так, что давление плазмы у второго конца 112b ускорителя не превышает предел прочности или предел разрушения материалов или сборок материалов у второго конца 112b ускорителя 110. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами ускоритель 110 может быть сконфигурирован так, чтобы легче обеспечивать желательный первый коэффициент сжатия, чем жидкая воронка, которая сконфигурирована для обеспечения желательного второго коэффициента сжатия. В некоторых таких реализациях, предпочтительно, чтобы ускоритель 110 обеспечивал большее сжатие, чем воронка 8 (например, предпочтительно, чтобы первый коэффициент сжатия был больше чем второй коэффициент сжатия).
Жидкая воронка 8 может содержат подходящий жидкий металл, например, такой как расплав свинца и лития (PbLi), содержащий около 17% лития (Li). Другие процентные содержания лития могут быть использованы в других конструктивных вариантах (например, 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, и т.п.). Кроме того, другие жидкие материалы (например, другие жидкие металлы, жидкие металлические сплавы и т.п.) могут быть использованы в других конструктивных вариантах. Например, в других конструктивных вариантах, может быть использован по существу чистый жидкий литий и/или обогащенный жидкий литий. В некоторых конструктивных вариантах, жидкий металл содержит один или несколько изотопов лития, которые могут поглощать нейтроны и образовывать тритий.
В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами системы, в которой плазма содержит расщепляемый материал, плазма может быть сжата до плотности и/или нагрета до температуры, достаточной для возбуждения по меньшей мере некоторых термоядерных реакций в расщепляемом материале. Термоядерные реакции позволяют получать нейтроны. Некоторые нейтроны могут быть использованы для нейтронного анализа, если система сконфигурирована, например, как источник нейтронов. Некоторые нейтроны могут поглощаться, например, воронкой 8 жидкого металла и их энергия преобразуется в теплоту в воронке жидкого металла. Некоторая доля этой теплоты может быть отведена для выработки электрической энергии (например, при помощи паровых турбин), если система сконфигурирована, например, как источник энергии. Во время или после прохода плазмы через воронку 8, воронка 8 жидкого металла обычно по меньшей мере частично нарушается и/или разрушается (например, жидкий металл выплескивается наружу, но остается в баке 10). Насосы 9 обеспечивают циркуляцию жидкого металла в бак 10 для повторного формирования воронки 8 жидкого металла, для последующих вводов (или впрысков) плазмы. Таким образом, варианты системы, схематично показанной на фиг.1A-1D, могут быть сконфигурированы так, чтобы действовать как импульсный источник нейтронов и/или источник энергии, когда тороиды плазмы многократно вводят в воронку 8 жидкого металла.
В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами (см., например, фиг.1B-1D) в дополнение к воронке 8 жидкого металла, система 120 жидкой воронки содержит по существу центральную или осевую жидкую направляющую 22. Например, жидкая направляющая 22 может быть по существу совмещена с продольной осью 115 ускорителя 110 и/или с осью прохода 125. Жидкая направляющая 22 может быть сконфигурирована для стабилизации тороида плазмы и/или снижения тенденции к наклону тороида плазмы в системе 120 воронки. В некоторых конструктивных вариантах, жидкая направляющая 22 образована за счет жидкого металла из бака или резервуара 18 для хранения жидкого металла. В некоторых конструктивных вариантах, бак 18 для хранения жидкого металла расположен между ускоряющими электродами 6. В конструктивном варианте, показанном на фиг.1B, жидкая направляющая 22 течет самотеком по меньшей мере частично в направлении дна бака 10, и насос 21 может быть использован для рециркуляции жидкого металла назад в бак 18 для хранения жидкого металла, для его повторного использования. В некоторых таких конструктивных вариантах, предпочтительно, чтобы жидкий металл, который используют для воронки 8, и жидкий металл, который используют для жидкой направляющей 22, был одним и тем же материалом, по причине возможного перемешивания жидкого металла жидкой направляющей 22 и жидкого металла воронки 8 в баке 10. Например, жидким металлом для жидкой направляющей 22 может быть расплав PbLi.
В некоторых таких конструктивных вариантах плазму сжимают между внутренней поверхностью воронки 8 и внешней поверхностью жидкой направляющей 22, что преимущественно позволяет обеспечить большую степень сжатия, чем в конструктивных вариантах, в которых не используют жидкую направляющую 22. Размер и/или форма воронки 8 и/или жидкой направляющей 22 могут быть сконфигурированы для создания желательной степени сжатия и/или нагрева плазмы, когда плазма движется ниже верхней части системы 120 воронки жидкого металла. В различных конструктивных вариантах, жидкая направляющая 22 может быть физически и/или электрически изолирована от жидкой воронки 8 (и/или от бака 10).
Преимуществом некоторых конструктивных вариантов системы, в которой используют жидкую направляющую 22, является то, что жидкий металл является электропроводным и действует по существу как центральный или осевой электрод. В некоторых таких конструктивных вариантах, электрический ток от ускорителя 110 плазмы может создавать магнитную (и/или электромагнитную) силу, которая воздействует на плазму и обеспечивает ее дополнительное сжатие. Таким образом, некоторые такие конструктивные варианты могут обеспечивать дополнительное сжатие по сравнению с некоторыми другими вариантам, в которых нет жидкой направляющей и в которых сжатие в воронке 8 обеспечено в первую очередь за счет количества движения плазмы.
5
В некоторых таких конструктивных вариантах жидкая направляющая 22 электрически изолирована от внешнего электрода 7, чтобы исключить возможность короткого замыкания электрического контура. В некоторых таких конструктивных вариантах, жидкая направляющая 22 не поступает непрерывно в бак 10. Например, система 120 жидкой воронки может иметь систему впрыска жидкой направляющей, которая производит впрыск жидкой направляющей 22 в проход воронки 8 в желательные моменты времени. Например, система впрыска жидкой направляющей может иметь импульсный клапан 20, который может открываться непосредственно перед впуском плазмы. Впуск плазмы может быть осуществлен ранее контакта нижнего конца жидкого металла в жидкой направляющей 22 с дном бака 10 (или ранее контакта жидкого металла с дном бака 10), так как такой контакт может приводить к замыканию электрического контура. После каждого впуска плазмы, насос 21 (например, насос прерывистого движения) подает некоторую порцию жидкого металла из бака 10 в бак 18 хранения. В некоторых конструктивных вариантах, насос 21 обеспечивает пополнение бака 18 хранения, когда ускоряющий электрод 6 не находится под высоким напряжением (например, между впусками плазмы). В некоторых конструктивных вариантах, участок тракта рециркуляции (например, обратную трубу 31), который используют для рециркуляции жидкого металла в бак 18, содержит электрически изолированную секцию 19 (как это показано, например, на фиг.1B и 1C). Изолированная секция 19 может быть ориентирована по существу вертикально, чтобы позволить дренаж остаточного жидкого металла после дозаправки бака 18 хранения, чтобы снизить вероятность короткого замыкания ускоряющего электрода 6. В некоторых конструктивных вариантах, в пространстве над жидким металлом в баке 18 хранения создают повышенное давление (например, давление около 30 psi, в некоторых случаях) (например, около 2.07×10 Па) за счет впуска инертного газа, например, такого как аргон. Сжатый инертный газ прикладывает направленную вниз силу к жидкому металлу в баке 18 хранения, которая (совместно с силой тяжести) позволяет выталкивать жидкий металл с желательной скоростью.
Примерные применения ядерного синтеза с намагниченной мишенью
В последующем обсуждении приведены пояснительные, не ограничительные примеры некоторых параметров варианта системы, которые могут быть использованы для достижения некоторых коэффициентов сжатия плазмы. Различные допущения обсуждаются в контексте этих примеров, и различные уравнения и примерные вычисления приведены здесь для того, чтобы высветить некоторые факторы и соображения, использованные в примерном варианте системы для сжатия плазмы. Последующее обсуждение не предназначено для ограничения объема патентных притязаний заявленных систем и способов или их окончательного использования или применения. В других реализациях заявленных систем и способов могут быть использованы другие уравнения, параметры, факторы и соображения.
20
-3
2
В системах ядерного синтеза с намагниченной мишенью (в MTF системах) типично используют значительную энергию (например, около 100 МДж в некоторых случаях) для сжатия плазмы. Для генерирования энергии термоядерного синтеза во многих системах, хорошо известные критерии устойчивости Лоусона указывают, что плазма с плотностью п, поддерживаемая при температуре 10 кэВ, в течение времени т, должна быть выбрана так, чтобы nτ>10 м с, для того чтобы нагрев превышал тепловые потери плазмы. Однако, плазма охлаждается в течение времени τ=r/χ, где r представляет собой самое малое расстояние между горячей сердцевиной плазмы и холодным концом реактора, а χ представляет собой коэффициент температуропроводности. Следовательно, чем больше размер плазмы (например, чем больше r), тем больше нужно энергии для ее формирования и тем больше и дороже соответствующее устройство.
i
e
i
e
i
c
Энергия в плазме равна 3/2 NkT для ионов и 3/2NkT для электронов, где T представляет собой температуру ионов, T представляет собой температуру электронов, а N представляет собой число ионов или электронов. Число ионов и электронов одинаково в случае полной нейтральности заряда. Если принять, что температуры T и T равны, тогда тепловая энергия (Eih) в плазме равна 3NkT.
Таким образом, приведенные далее уравнения применимы для оценки, например, параметров в некоторых вариантах системы:
20
-3
nτ>10мc
2
τ=r/χ
th
E=3VnkT
mag
th
th
mag
2
2
2
3
где N=nV, где V - объем плазмы, и E=E/β где d представляет собой отношение давление плазмы/ магнитное давление. Полная энергия равна тепловой энергии E плюс магнитная энергия E. Для тора, объем равен 2πrR где R большой радиус (вокруг тора) и r малый радиус. Для компактного тора, R ориентировочно равен r, так что объем может быть аппроксимирован как 2πr.
При объединении этих уравнений можно найти, что минимальная энергия, позволяющая обеспечить критерий устойчивости Лоусона при температуре 10 кэВ в некоторых вариантах системы, составляет около:
16
3/2
-1/2
-3
2
E=7×10(1+1/β)χ n Дж, где n выражена в м и χ выражен в м/с.
Энергия E уменьшается при повышении плотности и уменьшается при повышении χ. Диффузии и величине χ в этих системах посвящено множество исследований. Значение диффузии в некоторых системах намного больше чем результат так называемого классического вычисления, по причине сложной турбулентности. Классические оценки значения диффузии обычно дают возможно лучшую диффузию. Во многих экспериментах наблюдали диффузию, намного большую чем классическая диффузия, но меньшую чем так называемая диффузия Бома, причем:
Bohm
i
i
χ=ρv/16
i
i
где ρ - гирорадиус иона и v - тепловая скорость иона.
4
Если принять диффузию Бома (как наихудший случай примерного сценария), то минимальная энергия плазмы для достижения критерия устойчивости Лоусона для различных плотностей плазмы (например, при 10 кэВ и β=0.1, что является типичным для некоторых сферомаков), может быть получена из приведенных выше уравнений для примерной системы, что показано сплошной линией с ромбиками на графике на фиг.2. Магнитное давление плазмы при температуре 10 кэВ, β=0.1 при различных плотностях также показано на графике на фиг.2 сплошной линией с квадратиками. Максимальное давление, приложенное к твердому материалу до его разрушения, типично составляет около 1×10 атм (например, около 1000 МПа). При этом давлении, примерные расчетные графики, показанные на фиг.2, свидетельствуют о том, что примерная система должна обеспечивать энергию около 100 МДж в плазме, чтобы обеспечивать рентабельность (break-even), и возможно в несколько раз больше этой энергии, чтобы получить прибыль. Если принять эффективность переноса из источника питания в плазму составляющей около 50%, то система должна обеспечивать по меньшей мере около 200 МДж энергии для нагревания плазмы до температуры ядерного синтеза (fusion temperature).
Варианты заявленной системы, сконфигурированной как источник энергии, могут быть предпочтительными. Например, использование воронки жидкого металла позволяет достичь давлений в плазме, которые превышают точку разрушения твердых материалов. Следовательно, варианты заявленных систем могут обеспечивать повышенную плотность плазмы, что выгодным образом снижает энергию, потребляемую системой. Это также позволяет снизить стоимость и/или размер системы.
В некоторых вариантах заявленных систем и способов давление плазмы возрастает, когда плазма ускоряется и затем сжимается, при движении плазмы вниз через ускоритель 110 (например, вдоль канала 114 распространения между коаксиальными коническими электродами 6, 7). В точке вдоль траектории плазмы (или раньше ее), где давление плазмы соответствует прочности материала удерживающего электрода и/или превышает ее, плазма направляется в систему 120 воронки жидкого металла, в которой происходит дополнительное сжатие. Например, может происходить сжатие плазмы в 30 раз в ускорителе и ориентировочно в 3 раза в системе воронки. В некоторых конструктивных вариантах, плазма может ускоряться до скорости ориентировочно больше чем 100 км/с в ускорителе 110. Скорость звука в жидком металле обычно составляет около 3 км/с, так что жидкий металл не имеет времени для выхода с пути движения, и поэтому высокое давление плазмы поддерживается в воронке 8. В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами, в жидком металле может возникать ударная волна. Энергия в спутной струе ударной волны выводит из плазмы кинетическую энергию, что может быть новым механизмом потери энергии в некоторых таких конструктивных вариантах.
p
s
s
p
p
p
На фиг.3 схематично показано поперечное сечение примерной тороидальной плазмы 30, которая движется внутри участка конической воронки 25 жидкого металла. Если принять скорость плазмы равной v и длину плазмы равной L, при скорости звука в жидком металле равной c, то получают ударную волну, которая тянется позади плазмы, как это схематично показано на фиг.3. Толщина ударной волны составляет около cL/v. В момент времени около L/v (например, в момент времени, когда плазма проходит свою собственную длину), объем сжатой жидкости в воронке составляет около 2πRLcs·L/v. Разделив сжатый объем на время, получаем оценку скорости, с которой происходит сжатие жидкого металла:
s
3
dV/dt=2πRLc м/с
где R - радиус воронки 25 жидкого металла.
В качестве примера, может быть использована простая приблизительная формула для оценки состояния жидкого металла:
0
P=K(V/V-1)
0
где K - модуль объема сжатия и V - исходный объем при нулевом сжатии.
Следовательно, работа сжатия, PdV, может быть определена для вычисления энергии, запасенной в сжатом жидком металле в этом примере:
3
E/V=K[ln(P/K+1)-1/(1+K/P)], Дж/м
Мощность, которая рассеивается в следе в этом примере, может быть определена по следующей формуле:
s
Мощность = 2πRLc K[ln(P/K+1)-1/(1+K/P)], Вт
В некоторых вариантах реализации, электрические токи могут наводиться в жидком металле за счет магнитного поля сферомака. Резистивные потери в жидком металле, которые могут уменьшать энергию в магнитном поле, которое удерживает плазму, представляют собой другой возможный механизм потери энергии, в некоторых случаях. Следующий пояснительный пример позволяет дать оценку этого механизма потери энергии.
Ток I, текущий в жидком металле, чтобы создавать магнитное поле, равен:
0
I=LB/µ
0
где L - длина плазмы, В - магнитное поле в сферомаке (или в другом подходящем компактном тороиде) и µ - магнитная проницаемость вакуума.
Толщина t листа электрического тока, протекающего в жидком металле, равна:
0
1/2
t=(ητ/µ)
p
где η - электрическое удельное сопротивление металла и τ - время, в течение которого магнитное поле приложено к металлу, причем τ=L/v
Сопротивление может быть определена следующим образом:
Сопротивление = η2πR/Lt
Таким образом, мощность, рассеиваемая омически в жидком металле, равна:
2
2
1/2
-3/2
p
0
Мощность = Сопротивление I=2πRB(η Lv)µ , Вт
В соответствии с некоторыми конструктивными вариантами также могут быть потери мощности за счет турбулентного переноса. Оценка таких потерь мощности с использованием формулы Бома может быть произведена следующим образом:
Bohm
th
Bohm
Power=E/τ
Радиационные потери Бремссталунга могут возникать в некоторых случаях и их оценка может быть произведена следующим образом:
Bremsstralung
eff
-38
2
1/2
3
Power=1.67×10 nT Z, Вт/м
-3
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><munder><mi>Σ</mi><mo>.</mo></munder><msup><mi>Z</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>n</mi><mi>z</mi></msub><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow>
z
где Т - в эВ и n - в м и
, причем Z - атомный номер примеси и n - ее плотность. Радиационные потери Бремссталунга являются функцией квадрата атомного номера примеси (Z), так что низкое содержание примесей является предпочтительным в некоторых случаях, в особенности примесей с большими атомными номерами.
При продолжении этого пояснительного не ограничительного примерного вычисления, разделим энергию в конфигурации плазмы на эти различные потери мощности и получим полное время τ удержания плазмы. Использование этого времени τ удержания плазмы позволяет вычислить минимальную энергию плазмы для достижения критериев устойчивости Лоусона при различных плотностях для этого примерного варианта системы. Энергия для этого варианта показана в виде графика на фиг.4.
19
-3
Следует иметь в виду, что использованная энергия в некоторых реализациях может быть больше той, которая указана на примерном графике на фиг.2, так как были учтены механизмы потери, специфические для указанного выше примерного варианта. График на фиг.4 показывает, что примерная оценка минимальной использованной энергии плазмы составляет около 3 МДж при примерной плотности 10 см. Сравните это с примерными результатами, показанными на фиг.2, которые дают ориентировочно меньше чем 1 МДж при этой примерной плотности. Внешний радиус плазмы (R) составляет 2.4 см в этом примерном расчете. Время удержания составляет 10 мкс в этом примерном расчете. Магнитное поле имеет магнитную индукцию 200 Тл, а давление равно 0.16 Мбар, в этом примерном расчете. Возможное значение скорости плазмы при максимальном сжатии находится непосредственно выше скорости звука и составляет, например, около 5 км/с. На основании этих примерных значений, плазма движется только на расстоянии около 50 мм в течение времени, когда значения температуры и давления плазмы позволяют производить ядерный синтез.
fe
f
fe
f
f
Как уже было указано здесь выше, во время и/или после прохода плазмы, воронка жидкого металла может выходить наружу и разрываться в некоторых реализациях системы. В некоторых таких реализациях, система может быть сконфигурирована так, что воронка жидкого металла может вновь быть сформирована по истечении времени L/v, где L - длина воронки и v - скорость, при которой жидкость выталкивают из сопел (которые вводят жидкий металл в бак 10 системы 120 воронки). Эти параметры могут быть использованы для определения примерной оценки максимальной частоты повторения импульсов в таком конструктивном варианте. В этом пояснительном, не ограничительном примере, около 1 м жидкого металла используют для поглощения большинства нейтронов, так что, например, воронка жидкого металла длиной 2 м, в которой температура и давление плазмы подходят для осуществления ядерного синтеза в центре, является подходящей для некоторых конструктивных вариантов. Предположим, что v составляет около 10 м/с, а частота повторения составляет около 5 Гц в этом примере. Наконец, если выход полезной энергии ориентировочно соответствует вводу энергии, то плазма будет вырабатывать ориентировочно 3 МДж при 5 Гц, что соответствует выработке энергии около 15 МВт, что подходит для создания небольшой энергоустановки. Следует иметь в виду, что эти оценки дают только одну возможную оценку размера рентабельной энергоустановки в этом примере, причем энергоустановка больших размеров может вырабатывать больше энергии, но для ее разработки и конструирования потребуются большие расходы.
14
-3
19
-3
Продолжая описание этого пояснительного, не ограничительного примера следует сказать, что если работать при условиях максимального сжатия и предполагать, что некоторые плазменные инжекторы 100 типично создают плазму с плотностями, не намного превышающими ориентировочно 10 см, то формирование начальной плазмы у первого конца 112a ускорителя 110 плазмы диаметром около 2.2 м будет достаточно для формирования сжатой плазмы радиусом 2.4 см с плотностью около 10 см. Длина формирования плазмы первоначально будет составлять около 1 м, что в основном соответствует оценке длины области формирования в этом примере реализации. Таким образом, отношение радиального размера компактного тороида у первого конца 112a ускорителя 110 к радиальному размеру компактного тороида, когда тороид находится в воронке 8 жидкого металла, составляет около 100 к 1 в этом примере. В соответствии с другими конструктивными вариантами, это отношение может быть другим, например, может составлять около 5:1, около 10:1, около 25:1, около 50:1, около 90:1, около 125:1, около 150:1, около 200:1, или может иметь некоторое другие значение.
3
3
Предположим, например, что при эффективности передачи энергии между конденсаторами и плазмой, составляющей около 33%, около 10 МДж используют в этом примере. Типичные конденсаторы с фольговыми обкладками быстрого разряда имеют плотность энергии около 1 Дж/см, так что около 10 м объема конденсаторов используют в этом примере. Предположим, что конденсаторы имеют высоту 1 м и упакованы с обеих сторон в линию 15 передачи в виде диска, объединенную с ускорителем плазмы, причем диски с внутренним диаметром около 2.2 м и с внешним диаметром около 2.6 м используют в этом примере. В некоторых конструктивных вариантах, эта дисковая линия передачи плюс внутренняя индуктивность конденсаторов создают индуктивность около 20 нГн. Индуктивность ускорителя плазмы составляет около 130 нГн в некоторых реализациях. Обычно, чем выше напряжение на конденсаторе, тем быстрее разряд. Предположим, что напряжение составляет около 88 кВ, тогда конденсаторная батарея может иметь емкость около 2.6 мФ. В такой примерной реализации, система будет иметь LC время звона (постоянную времени) около 100 мкс. В одной примерной реализации, для осуществления приемлемой передачи энергии, половина времени звона (например, около 50 мкс) должна быть ориентировочно равна времени ускорения плазмы через ускоритель. Финальная скорость преимущественно должна быть достаточно высокой, чтобы кинетическая энергия плазмы была достаточно высокой, чтобы плазма сама сжималась в воронке жидкого металла до максимального сжатия. Приравнивая найденную здесь выше примерную энергию кинетической энергии, получим:
2
3 МДж=mv/2
Масса плазмы представляет собой ее объем, умноженный на плотность, и составляет около:
m=2 мг
Таким образом, в этом примере, финальная скорость плазмы составляет около 1700 км/с. Для того чтобы время прохождения плазмы было равно половине времени звона, ускоритель с длиной около 40 м может быть использован в некоторых случаях. Длина ускорителя преимущественно может быть уменьшена за счет использования ограничителя плазмы, установленного на первом конце или поблизости от первого конца 112a ускорителя 110 (см., например, сужение, показанное на фиг.1 В или катушки 23b электромагнитов, показанные на фиг.1C). Когда ток возрастает, ограниченный индуктивностью, плазма не может проходить через сужение. В некоторых конструктивных вариантах, система сконфигурирована так, что только при пиковом токе (или поблизости от него), магнитная сила является достаточно мощной, чтобы принудительно пропускать плазму через сужение и быстро ускорять плазму. В некоторых таких конструктивных вариантах, так как плазма начинает ускорение только при пиковом токе (или поблизости от него), может быть использован ускоритель с длиной, составляющей ориентировочно только 1/4 указанной выше длины (например, с длиной около 10 м, в некоторых случаях). Это позволяет обеспечить рациональную, практичную, реалистическую реализацию системы для сжатия плазмы и, в некоторых случаях, позволяет возбуждать реакции ядерного синтеза. Однако могут быть использованы и другие реализации системы.
Другие примерные варианты и полезные применения
Как уже было указано здесь выше, некоторые варианты описанных здесь выше систем и способов могут быть использованы для сжатия плазмы, которая содержит расщепляемый материал, достаточного для того, чтобы протекали реакции ядерного синтеза и происходила выработка полезных нейтронов. Например, расщепляемый материал может содержать один или несколько изотопов легких элементов, например, таких как дейтерий, тритий, гелий-3, литий-6, литий-7, и т.п. Таким образом, некоторые варианты системы могут быть сконфигурированы и могут работать как генераторы нейтронов или источники нейтронов. Выработанные таким образом нейтроны имеют широкий диапазон практического использования в области исследования и в промышленной области. Например, источник нейтронов может быть использован в нейтронном радиоактивационном анализе (NAA), который представляет собой многоэлементный анализ содержания основных элементов, не основных элементов, следов элементов и благородных элементов в различных веществах (например, во взрывчатых веществах, лекарственных средствах, в расщепляемых материалах, ядах и т.п.) и может быть использован в различных применениях (например, при обнаружении и идентификации взрывчатых веществ, в экологическом контроле за качеством окружающей среды и в экологическом контроле отходов атомной промышленности, и т.п.). Варианты системы, сконфигурированной как источник нейтронов, также могут быть использованы для исследования материалов (например, для анализа структуры, динамики, состава и химической однородности материалов), для неразрушающего контроля промышленных объектов (например, с использованием нейтронной радиографии и/или нейтронной томографии), и для многих других промышленных и технологических применений. Например, варианты системы могут быть использованы для очистки отходов атомной промышленности и для получения медицинских нуклеотидов.
Варианты описанных здесь выше систем и способов для нагревания и сжатия плазмы также могут быть использованы для изучения плазмы с высокой плотностью энергии, в том числе, например, для применений в астрофизике и в ядерной физике.
Недавний прогресс в области хранения энергия (например, появление суперконденсаторов) и в области мощных полупроводниковых переключателей позволяет снизить стоимость мощных электрических компонентов. Можно полагать, что дальнейшее развитие электрических импульсных силовых систем и возрастающая потребность в таких компонентах для различных применений сделают MTF систему (и/или источник нейтронов) с электроприводом конкурентоспособной по сравнению с другими подходами. В тех применениях, в которых стоимость не является доминирующим фактором (например, в космических ядерных ракетных двигателях, где снижение массы полезной нагрузки является первостепенным), варианты таких систем с электроприводом уже могут быть привлекательными по сравнению с другими возможными технологиями.
В некоторых вариантах реализации раскрытых здесь систем и способов, обеспечение сжатия плазмы на основании скорее электрического, а не механического подхода, (например, как в некоторых системах па базе поршней) позволяет, в некоторых случаях, снижать эксплуатационные расходы и обеспечивает другие преимущества. Например, в некоторых таких реализациях, система ускорения может быть сконфигурирована с использованием меньшего числа движущихся деталей или вообще без них, и может иметь пониженный вес. В некоторых таких конструктивных вариантах, синхронизация упрощается по сравнению с некоторыми вариантами систем на базе поршней.
Несмотря на то что специфические элементы, конструктивные варианты, примеры и применения настоящего изобретения были описаны и показаны на чертежах, следует иметь в виду, что объем патентных притязаний настоящего изобретения не ограничен этим, так что специалистами в данной области могут быть сделаны модификации, особенно в свете приведенных объяснений, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Так, например, в любом раскрытом здесь способе, операции способа могут быть осуществлены в любой подходящей последовательности, а не обязательно в специфической описанной здесь последовательности. Элементы и компоненты могут быть сконфигурированы или расположены иным образом, а также могут быть объединены и/или исключены в различных конструктивных вариантах. Ссылка в описании настоящего изобретения на "некоторые конструктивные варианты," "конструктивный вариант," и т.п., означает, что специфические признак, структура, операция, способ или характеристика, описанные в связи с этим конструктивным вариантом, включены по меньшей мере в один конструктивный вариант. Таким образом, фразы "в некоторых конструктивных вариантах," "в конструктивном варианте," и т.п., в тексте описания изобретения, не обязательно относится к одному и тому же варианту, и может относиться к одному или нескольким тем же самым или другим конструктивным вариантам. В самом деле, описанные здесь новые способы и системы могут быть реализованы в различных других формах. Более того, различные исключения, добавки, замены, перестройки, изменения и использование эквивалентов в описанных здесь вариантах могут быть осуществлены без выхода за рамки настоящего изобретения и в соответствии с его сущностью.
Были описаны различные аспекты и преимущества настоящего изобретения. Однако следует иметь в виду, что не все такие аспекты и преимущества могут быть обеспечены в каждом специфическом конструктивном варианте. Так, например, следует иметь в виду, что различные конструктивные варианты могут быть осуществлены так, чтобы обеспечить или оптимизировать одно преимущество или группу преимуществ, без обязательного обеспечения других преимуществ, описанных или подсказанных здесь выше.
Сослагательные термины, такие как "может," "например," и т.п., если не указано иное или если это не следует из контекста, обычно означают, что некоторые варианты содержат, а другие варианты не содержат некоторые характеристики, элементы и/или операции. Таким образом, эти сослагательные термины обычно не означают, что характеристики, элементы и/или операции обязательно требуются в одном или нескольких вариантах, или что один или несколько вариантов обязательно содержат логику для принятия решения, при помощи оператора или без него, о том, что эти характеристики, элементы и/или операции будут включены в любой специфический вариант. Ни одна единственная характеристика или группа характеристик не требуется и не является необходимой для любого специфического варианта. Термины "содержащий," "включающий в себя," "имеющий," и т.п., являются синонимами и использованы с возможностью включения дополнительных элементов, признаков, операций и т.п. Кроме того, использованный термин "или" не имеет исключительного смысла и при его использовании, например, в связи со списком элементов, этот термин относится к одному, нескольким или ко всем элементам в списке.
Приведенные примерные расчеты, результаты, графики, величины и параметры, описанные здесь, предназначены для пояснения, а не для ограничения заявленных конструктивных вариантов. Другие конструктивные варианты могут быть сконфигурированы и/или выполнены иным образом, чем описанные здесь пояснительные примеры.