СПОСОБ УДАРНОГО СЖАТИЯ ТЕЛ МАЛОЙ ПЛОТНОСТИ, СНАРЯД И РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF IMPACT COMPRESSION OF BODIES WITH LOW DENSITY, APPARATUS AND REACTOR FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области способов и средств получения высоких динамических давлений и температур, а также к области способов и средств получения плазмы, а также (в дальней перспективе) к области гибридных ядерных реакторов деления-слияния (ГЯРДС) и термоядерных реакторов с инерциальным удержанием плазмы (ТЯРИУП). Изобретение может быть использовано для проведения химических реакций, требующих высоких давлений и температур, или для изменения кристаллической структуры твердых тел при высоком давлении и температуре, в частности для получения искусственных алмазов (алмазного порошка) и других веществ с высокой твердостью. В дальней перспективе, при скоростях предлагаемых для получения высоких давлений и температур снарядов порядка сотен км/с, изобретение может быть использовано для сжатия DT-льда с целью получения нейтронного источника, в частности для ГЯРДС, а при еще больших скоростях снарядов - для осуществления инерциального термоядерного синтеза (ИТС) в ТЯРИУП.
Известен способ получения динамического высокого давления с помощью ударных волн [Физическая энциклопедия. Т. 1. Гл. ред. Прохоров A.M. - М: Большая Российская энциклопедия, 1998. С. 552], [Большая российская энциклопедия, т. 8, М.: Науч. изд-во «Большая российская энциклопедия», 2007. С. 220], [Большая советская энциклопедия, т. 7, М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1972. С. 486]. Давление в ударной волне, распространяющейся в конденсированных средах от детонации взрывчатого вещества (ВВ) достигает нескольких десятков ГПа. Близкие давления создаются при ударе по мишени ударником, который разгоняют с помощью пневматических и пороховых пушек до скоростей ~2 км/с (метод метания пластин). С помощью ВВ можно разогнать ударник до скоростей, близких к скорости разлета продуктов взрыва (~10 км/с). При соударении такого ударника с мишенью может достигаться давление в несколько сотен ГПа.
Ударную волну можно использовать, в частности, для получения синтетических алмазов. Микроскопические кристаллы алмазов могут получаться без участия катализаторов при сжатии графита в ударной волне. Этот метод пока не получил промышленного применения [Большая советская энциклопедия, т. 1, М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1970. С. 454], [Большая российская энциклопедия, т. 1, М.: Науч. изд-во «Большая российская энциклопедия», 2005. С. 514]. Синтетические алмазы размером 10-30 мкм получают динамическим высоким давлением около 30 ГПа при температурах ~3000°С и выше [Физическая энциклопедия. Т. 1. Гл. ред. Прохоров A.M. - М: Большая Российская энциклопедия, 1998. С. 61]. Крупные синтетические алмазы получают с помощью статического высокого давления.
Способ получения динамического высокого давления с помощью ударных волн имеет следующие недостатки. Ударная волна (УВ) действует очень кратковременно. Вследствие этого, например, невозможно получить крупные кристаллы алмазов: зародившиеся кристаллы лишены возможности длительного роста и образуют осколки размером в несколько микрон [Безруков Г.Н., Бутузов В.П., Самойлович М.И. Синтетический алмаз. М., «Недра», 1976. С. 22]. Если разгоняется только один ударник, то достигаемое давление в УВ ограничивается его скоростью, которая ограничивается мощностью ВВ. Кроме того, при сжатии вещества в УВ нельзя достичь большой степени сжатия.
3
3
3
Известен способ получения ударносжатой плазмы при помощи лобового столкновения двух плазменных потоков полученных в результате мощного импульсного разряда [Султанов М.А. Газогидродинамический нагрев ударносжатой плазмы. - Душанбе: Дониш, 1990]. Однако таким способом трудно достичь плотности плазмы, необходимой для осуществления ИТС, т.к. плотность ударносжатой плазмы при коэффициенте Пуассона γ=5/3 может возрасти только в 4-64 раза в зависимости от геометрии сжатия [там же, с. 50, с. 47]. Согласно [там же, с. 35] и [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб. руководство: Для втузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1991. С. 122-124] при сжатии по ударной адиабате отношение плотностей газа на скачке уплотнения не превосходит , где γ - коэффициент Пуассона. При γ=5/3 это отношение равно 4. Но для ИТС нужно увеличение плотности на 3-4 порядка [Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шаркова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. С. 38, с. 17]: от 0,215 г/см до 300-1000 г/см или хотя бы до 100 г/см [Кошкарев Д.Г., Чуразов М.Д. Инерциальный термоядерный синтез на базе тяжелоионного ускорителя-драйвера и цилиндрической мишени. -Атомная энергия, 2001, т. 91, вып. 1, с. 47-54]. Поэтому плотности уже начальных потоков должны быть очень большими.
Известен способ магнитогазодинамического сжатия термоядерного горючего для получения нейтронов (варианты) и устройство для его осуществления RU 2416892 С9, опубл. 20.04.2011 (коррекция опубл. 20.08.2011). Специальным устройством организуется столкновение предварительно ускоренных плазменно-токовых оболочек, в результате которого образуется гипоциклоидальный плазменный лайнер. При сжатии таким лайнером плазменного ядра или твердотельной мишени используется как магнитное давление тока оболочек, так и скоростное (динамическое) давление оболочек. Может также использоваться реактивная отдача ос-частиц образующихся в результате реакции синтеза на поверхности мишени. Данный способ сжатия позволяет получить высокие степень сжатия, давление и температуру плазмы. Недостатком данного способа сжатия можно считать использование мощного разряда в газе, в результате которого неизбежно электроды и изолятор будут изнашиваться. Это ограничивает число циклов работы устройства, а также загрязняет (не смотря на очистку центробежной силой) плазму тяжелыми ионами из электродов и изолятора (эти примеси увеличивают потери на излучение). Кроме того, плазменно-токовые оболочки по сути являются плазменными транспортирующими линиями с магнитной самоизоляцией [Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шаркова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. С. 172-179], поэтому расстояние от плазменного ядра или мишени до краев электродов составляет ~1-2 м, что сильно уменьшает долговечность реакторной камеры или ее элементов. Данный способ сжатия имеет один общий признак с заявляемым - использование динамического давления, но геометрия сжатия сильно отличается от используемой в заявляемом способе сжатия.
Известен способ получения алмазов RU 2159670 С1, опубл. 27.11.2000, заключающийся в прессовании графитного порошка с зачеканкой его в капсуле пресс-формы с помощью одновременного взрыва размещенных на противоположных торцах капсулы зарядов ВВ специальной формы. Таким образом, здесь используется не только динамическое давление в ударной волне, но и столкновение, взаимодействие («интерференция») двух встречных ударных волн, а также прессование (квазистатическое сжатие). Недостатком такого способа сжатия является то, что степень сжатия образца, давление и температура в нем ограничены мощностью ВВ и прочностью стенок пресс-формы.
Известен способ обработки веществ динамическим давлением SU 812333 А1, опубл. 15.03.1981 (описание опубл. 18.03.1981). Образцы веществ в металлических ампулах размещают симметрично на противоположных сторонах прокладки и на образцы одновременно воздействуют динамическим давлением, создаваемым ударами метательных пластин. Метательные пластины ускоряются до высокой скорости продуктами взрыва ВВ навстречу друг другу и ударяются с противоположных сторон прокладки о металлические ампулы. Вследствие взаимодействия («интерференции») встречных ударных волн давление обработки повышается более чем в 2 раза по сравнению с давлением в одной ударной волне, в результате охранные кольца, в которые помещаются металлические ампулы, и прокладка разрушаются. Для более плавного квазиизоэнтропического сжатия однородные метательные пластины могут заменяться на слоистые (слои из разных материалов). Недостатком способа обработки является то, что при обычном ударном методе сжатия адиабатическое сжатие образца (а, значит, и высокая степень сжатия) невозможно и к нему можно только немного приближаться (в данном случае за счет использования слоистых метательных пластин). Данный способ обработки веществ динамическим давлением или способ сжатия тел похож на заявляемый способ сжатия, т.к. если убрать прокладку и прикрепить ампулы к метательным пластинам и разгонять их вместе с пластинами, то получатся снаряды похожие на снаряды по пп. 1-3 формулы. Кроме того, в данном способе сжатия тел, как и в заявляемом, используется схождение ударных волн.
Известен способ получения синтетических алмазов RU 2052378 С1, опубл. 20.01.1996, согласно которому сжатие графита осуществляют динамическим внедрением снаряда с графитной массой на конце в мишень. Графит размещают на переднем торце болванки снаряда в углублении в форме шарового сегмента, при этом часть графита выступает вперед из этого углубления и покрыта спереди тонким слоем из пластичного материала. Снаряд помещают в орудие и выстреливают в мишень. Мишень в форме массивного цилиндра закрепляется на массивной станине. При ударе снаряда о мишень в точке контакта снаряда и мишени, т.е. в объеме графита, возникают значительные сжимающие напряжения, достаточные для образования алмазных частиц. Снаряд застревает в мишени и возникающие при этом остаточные сжимающие напряжения существенно продлевают по времени процесс образования частиц алмаза. Недостатком способа является необходимость разрезания массивной мишени для извлечения алмазного порошка. Разгоняется один снаряд, а не два, поэтому степень сжатия ограничивается скоростью этого снаряда. Из-за наличия массивной мишени данный способ сжатия тел не подходит для ИТС. Используемый в описанном способе получения синтетических алмазов способ сжатия тел (ударной волной плюс инерционным давлением задней части снаряда после прохождения ударной волны) примем за прототип. Используемый для осуществления данного способа получения синтетических алмазов снаряд примем за прототип снаряда.
В заявке на изобретение RU 2009149420 А опубл. 10.07.2011, бюл. №19 предлагается лазерный реактор, в котором топливная таблетка обращается в плазму с помощью сфокусированного на нее импульсного лазерного излучения. В момент расширения плазмоида до радиуса 2 см включаются импульсы микроволновых лучей, предназначенных для дог-рева расширяющегося плазмоида и для генерации внутри плазмоида тороидально-полоидальных магнитных полей сферомака. В момент расширения плазмоида до радиуса 20 см включаются импульсы лазерных лучей, направленные на кольцевые лазерные мишени, содержащие кольцевые заряды ВВ, снабженные кольцевыми кумулятивными выемками, облицованными с внутренней стороны слоями металлов. Под действием лазерных лучей ВВ взрывается, и в момент максимального сжатия плазмоида до радиуса 2 см включаются импульсы лазерных и микроволновых лучей, предназначенных для поджига термоядерной реакции в сжатом замагниченном плазмойде. Как один из вариантов при помощи двух пневматических пушек в центре камеры реактора организуется лобовое столкновение снарядов в момент максимального сжатия плазмоида. Таким образом, в этот момент радиальное сжатие плазмоида обеспечивается кольцевыми (коническими) кумулятивными металлическими струями, сходящимися вблизи центра реакторной камеры и получаемыми от взрыва ВВ двух кольцевых лазерных мишеней. Осевое сжатие (и создание ударной волны) в этот момент обеспечивается сталкивающимися снарядами. Недостатком данного лазерного термоядерного реактора является то, что подобно магнитному давлению в MK-генераторе магнитное давление и соответствующая степень сжатия плазмы в плазмоиде (в случае успешного создания в нем необходимых токов и магнитных полей) ограничивается энергией ВВ (с учетом кумулятивного эффекта) и кинетической энергией сталкивающихся снарядов, разогнанных в пневматических пушках. Недостатками также являются необходимость использования большого заряда ВВ в каждой мишени и необходимость сложной высокоточной системы управления. Описанный в заявке способ сжатия кольцевыми металлическими струями и сталкивающимися снарядами похож на заявляемый. Конструкцию реактора, содержащего реакторную камеру и две пушки, обеспечивающие лобовое столкновение снарядов в ее центре можно принять за прототип заявляемого реактора.
Технический результат направлен на достижение большей конечной степени сжатия и на увеличение динамических высоких давлений и температур при динамическом сжатии тел малой плотности.
Технический результат достигается тем, что, в отличие от известного технического решения, в снаряде по п. 1 формулы для ударного сжатия тел малой плотности сжимаемое тело имеет коническую форму с закругленной вершиной, смотрящей в сторону хвоста снаряда, или параболическую форму с вершиной, смотрящей в сторону хвоста снаряда, или цилиндрическую форму с плоским или с закругленным или с параболическим задним краем; оболочка снаряда имеет усеченную коническую форму с плоским большим основанием конуса в хвостовой части снаряда, или усеченную коническую форму с закругленной или с параболической задней частью, или усеченную коническую переднюю часть, переходящую сзади в цилиндрическую с плоским или с закругленным или с параболическим задним краем, или цилиндрическую форму с плоским или с закругленным или с параболическим задним краем, и имеет спереди полость в форме, повторяющей форму сжимаемого тела, для установки в нее сжимаемого тела; передний торец сжимаемого тела лежит в одной плоскости с передним торцом оболочки снаряда; оболочка снаряда выполнена из жаропрочного материала с большей, чем у сжимаемого тела, плотностью; у снаряда по п. 2 формулы, в отличие от предыдущего, сжимаемое тело закрывают спереди тонким покрывающим слоем, и сжимаемое тело, таким образом, оказывается полностью закрытым со всех сторон и поэтому может быть не только твердым, но и жидким и газообразным; покрывающий слой наносят на передний торец оболочки снаряда параллельно плоскости торца оболочки снаряда, или в полость оболочки снаряда для установки в нее сжимаемого тела, в последнем случае передняя поверхность покрывающего слоя лежит в одной плоскости с торцом оболочки снаряда; толщина покрывающего слоя мала по сравнению с толщиной оболочки снаряда в хвостовой части снаряда; у снаряда по п. 3 формулы, в отличие от предыдущих, сжимаемое тело помещают в тонкостенную герметичную капсулу, повторяющую форму сжимаемого тела, которая вставляется в полость оболочки снаряда для установки в нее сжимаемого тела так, что передняя поверхность капсулы лежит в одной плоскости с передним торцом оболочки снаряда; таким образом, сжимаемое тело в любом агрегатном состоянии оказывается закрытым спереди тонким слоем материала капсулы, а со всех остальных сторон материалом капсулы и оболочкой снаряда; толщина стенок капсулы мала по сравнению с толщиной оболочки снаряда в хвостовой части снаряда; у снаряда по п. 4 формулы, в отличие от снаряда по п. 1 формулы, соосно оболочке снаряда и сжимаемому телу на оболочке снаряда с помощью спиц устанавливается полый цилиндр, имеющий внутренний радиус больше максимального радиуса оболочки снаряда, передний торец полого цилиндра лежит в одной плоскости с передним краем оболочки снаряда и сжимаемого тела или смещен назад относительно этого края, полый цилиндр выполняют из материала с плотностью большей или равной плотности материала оболочки снаряда; у снаряда по п. 5 формулы в отличие от предыдущего полый цилиндр устанавливают на снаряд по п. 2 формулы; у снаряда по п. 6 формулы в отличие от снаряда по п. 4 формулы, полый цилиндр устанавливают на снаряд по п. 3 формулы; у снаряда по п. 7 формулы в отличие от снаряда по п. 4 формулы хвостовая часть полого цилиндра имеет продолжение в виде тонкостенного полого цилиндра, сплошного или в виде цилиндрического каркаса любой конструкции, в хвостовой части тонкостенного полого цилиндра на спицах для крепления болванки установлена болванка из того же материала, что и оболочка снаряда, или из более плотного; переднюю поверхность болванки выполняют плоской, при этом заднюю границу оболочки снаряда тоже выполняют плоской, или переднюю поверхность болванки выполняют вогнутой, при этом заднюю границу оболочки снаряда выполняют выпуклой; у снаряда по п. 8 формулы в отличие от предыдущего тонкостенный полый цилиндр с болванкой устанавливают на снаряд по п. 5 формулы; у снаряда по п. 9 формулы в отличие от снаряда по п. 7 формулы тонкостенный полый цилиндр с болванкой устанавливают на снаряд по п. 6 формулы.
Технический результат достигается также тем, что, в отличие от известного технического решения, корпус реакторной камеры имеет сферическую или вытянутую цилиндрическую форму, выполнен разъемным и состоит из двух герметично соединенных половин - полусфер или полых полуцилиндров, на внутренней поверхности корпуса установлен пористый слой, состоящий также из двух полусфер или двух полых полуцилиндров, пористый слой представляет собой слой пористого металла или слой пенометалла, или слой плотно уложенных тонкостенных металлических трубок, или слои тонкостенных ячеек или сот; металл пористого слоя имеет высокую теплоту парообразования, а его поры или полости не заполнены или заполнены водой или другим веществом с высокой теплотой парообразования; пористый слой имеет отверстия для пролета снарядов, являющиеся продолжением аналогичных отверстий в корпусе реакторной камеры; корпус реакторной камеры и стволы разгонных устройств выполнены из жаропрочных материалов; разгонные устройства устанавливаются с противоположных сторон сферического корпуса вдоль его оси или с торцов цилиндрического корпуса вдоль его оси; разгонные устройства имеют систему управления, обеспечивающую столкновение снарядов в центре сферической реакторной камеры или в разных точках на оси цилиндрической реакторной камеры последовательно от одного торца цилиндрического корпуса к другому, причем точки столкновений располагаются на одинаковых расстояниях друг от друга.
Технический результат достигается также тем, что, в отличие от известного способа ударного сжатия, в способе ударного сжатия тел малой плотности по п. 11 формулы сжатие сжимаемых тел осуществляют путем столкновения двух одинаковых снарядов по п. 1 или по п. 2 или по п. 3 формулы, разогнанных до больших одинаковых по модулю скоростей навстречу друг другу, снаряды сталкивают в центре сферической реакторной камеры или в периодически расположенных точках на оси цилиндрической реакторной камеры реактора по п. 10 формулы, при этом радиальный разлет снарядов ограничивают формой, прочностью и инертностью оболочек снарядов и самих сжимаемых тел; для получения одновременно с адиабатным сжатием сжимаемых тел локального увеличения параметров сжатия (давления, температуры, степени сжатия) в плоскости удара за счет схождения в ней отраженных от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов плоских ударных волн эти границы раздела выполняют плоскими, соответственно и задние границы сжимаемых тел выполняют плоскими; для получения одновременно с адиабатным сжатием сжимаемых тел фокусировки в одной точке, лежащей в плоскости удара, или в двух точках внутри сжимаемых тел отраженных от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов ударных волн, распространяющихся сразу после столкновения снарядов от плоскости удара через сжимаемые тела, эти границы раздела выполняют параболическими, соответственно сжимаемые тела выполняют параболической формы или цилиндрической формы с параболической задней частью; для получения одновременно с адиабатным сжатием сжимаемых тел фокусировки в одной точке, лежащей в плоскости удара, или в двух точках внутри сжимаемых тел отраженных от задних границ оболочек снарядов ударных волн, распространяющихся сразу после столкновения снарядов от плоскости удара в оболочках снарядов, задние границы оболочек снарядов выполняют параболическими, а задние границы сжимаемых тел нормальными в каждой точке фокусируемым волновым лучам, при этом учитывают расходимость ударных волн в оболочках снарядов; в способе ударного сжатия тел малой плотности по п. 12 формулы в отличие от способа по п. 11 формулы используют снаряды по п. 4 или по п. 5 или по п. 6 формулы и в зависимости от плотности материала полых цилиндров и массы полых цилиндров, радиальный разлет сжимаемых тел при их осевом инерционном сжатии задними частями оболочек снарядов и задними частями самих сжимаемых тел ограничивают или останавливают, или производят радиальное сжатие сжимаемых тел сходящимся к оси снарядов кольцевым жидким или плазменным потоком, полученным в результате столкновения двух полых цилиндров; в способе ударного сжатия тел малой плотности по п. 13 формулы в отличие от способа по п. 11 формулы используют снаряды по п. 7 или по п. 8 или по п. 9 формулы, и в зависимости от плотности материала полых цилиндров и массы полых цилиндров, радиальный разлет сжимаемых тел при их осевом инерционном сжатии задними частями оболочек снарядов и задними частями самих сжимаемых тел ограничивают или останавливают, или производят радиальное сжатие сжимаемых тел сходящимся к оси снарядов кольцевым жидким или плазменным потоком, полученным в результате столкновения двух полых цилиндров; кроме того, для организации схождения в плоскости удара снарядов плоских ударных волн и соответствующего повышения там давления и температуры, на последних стадиях сжатия сжимаемых тел по задним частям оболочек снарядов производят удар болванок, сорвавшихся с тонкостенных полых цилиндров после столкновения полых цилиндров и продолжающих лететь по инерции навстречу друг другу до удара о задние части оболочек снарядов; длину тонкостенных полых цилиндров, в которых установлены болванки с помощью спиц для крепления болванки, подбирают такой, чтобы повышение давления и температуры при схождении в плоскости удара ударных волн от болванок происходило в момент максимального сжатия сжимаемых тел.
Для удобства понимания сущности изобретения предлагаемые снаряды можно разделить (в соответствии с номерами пунктов формулы изобретения) по наличию или отсутствию полых цилиндров и болванок на три группы (по столбцам):
На рис. 1 показана конструкция снаряда по п. 1 формулы для сжатия твердых тел малой плотности:
1 - сжимаемое тело; 2 - оболочка снаряда.
Сжимаемое тело (СТ) 1 в случае, показанном на рис. 1, имеет коническую форму с закругленной вершиной, смотрящей в сторону хвоста снаряда или параболическую форму с вершиной, смотрящей в сторону хвоста снаряда. СТ установлено в оболочке 2 снаряда в ее передней части.
Оболочка снаряда (ОС) выполнена из жаропрочного материала с большей чем у СТ плотностью. ОС в случае, показанном на рис. 1, имеет усеченную коническую форму с закругленным большим основанием конуса в хвостовой части снаряда, и имеет спереди полость в форме, повторяющей форму сжимаемого тела, для установки в нее СТ. Хвостовая часть ОС выполняется более массивной чем ее передняя и средняя части. Передний торец СТ лежит в одной плоскости с передним торцом ОС.
На рис. 2 показана конструкция снаряда по п. 2 формулы для сжатия любых тел малой плотности (включая жидкие и газообразные):
1 - сжимаемое тело; 2 - оболочка снаряда; 3 - покрывающий слой.
а
Отличие от предыдущего снаряда в том, что сжимаемое тело закрывается спереди тонким покрывающим слоем 3, и сжимаемое тело 1, таким образом, оказывается полностью закрытым со всех сторон и поэтому может быть не только твердым, но и жидким и газообразным. Покрывающий слой 3 может быть из материала ОС или из любого материла, обеспечивающего герметичность (металл, пластик, стекло и т.п.) и может крепиться к ОС различными методами: сваркой, пайкой, штамповкой, на клею и т.п. Покрывающий слой 3 может наноситься на передний торец оболочки снаряда параллельно плоскости этого торца (рис. 2), или в полость оболочки снаряда для установки в нее сжимаемого тела (рис. 2б), в последнем случае передняя поверхность покрывающего слоя лежит в одной плоскости с торцом оболочки снаряда. Толщина покрывающего слоя мала по сравнению с толщиной оболочки снаряда в хвостовой части снаряда (отношение толщины покрывающего слоя к толщине задней части ОС вдоль оси ОС может быть в пределах от 1:3 до 1:100 - в зависимости от используемых материалов покрывающего слоя и ОС, агрегатного состояния СТ и других факторов). Здесь можно говорить только об отношении толщин, т.к. размеры снарядов могут быть любыми и определяются мощностью и конструкцией разгонных устройств.
На рис. 3 показана конструкция снаряда по п. 3 формулы для сжатия любых тел малой плотности (включая жидкие и газообразные):
1 - сжимаемое тело; 2 - оболочка снаряда; 4 - капсула сжимаемого тела.
В отличие от предыдущих снарядов сжимаемое тело помещается в тонкостенную герметичную капсулу 4, повторяющую форму сжимаемого тела, которая вставляется в оболочку снаряда в передней ее части так, что передняя поверхность капсулы лежит в одной плоскости с передним торцом оболочки снаряда; таким образом, сжимаемое тело в любом агрегатном состоянии оказывается закрытым спереди тонким слоем материала капсулы, а со всех остальных сторон материалом капсулы и оболочкой снаряда. Толщина стенок капсулы мала по сравнению с толщиной оболочки снаряда в хвостовой части снаряда (отношение толщины стенок капсулы к толщине задней части ОС вдоль оси ОС может быть в пределах от 1:2 до 1:100).
На рис. 4 показана конструкция снаряда по п. 4 формулы для сжатия твердых тел малой плотности:
1 - сжимаемое тело; 2 - оболочка снаряда; 5 - полый цилиндр; 6 - спицы.
В отличие от снаряда по п. 1 формулы соосно оболочке снаряда и сжимаемому телу на оболочке снаряда с помощью спиц 6 устанавливают полый цилиндр 5, имеющий внутренний радиус больше максимального радиуса оболочки снаряда. Передний торец полого цилиндра лежит в одной плоскости с передним краем оболочки снаряда и сжимаемого тела или смещен назад относительно этого края (последний случай и показан на рис. 4). Полый цилиндр выполняют из материала с плотностью большей или равной плотности материала оболочки снаряда. Полый цилиндр разгоняется заодно со снарядом.
На рис. 5 показана конструкция снаряда по п. 5 формулы для сжатия любых тел малой плотности (включая жидких и газообразных). Отличие от предыдущего снаряда заключается в том, что полый цилиндр 5 устанавливают на снаряд по п. 2 формулы. Покрывающий слой 3 может наноситься на передний торец оболочки снаряда, или в полость оболочки снаряда, последний случай и показан на рис. 5.
На рис. 6 показана конструкция снаряда по п. 6 формулы для сжатия любых тел малой плотности (включая жидкие и газообразные). Отличие от предыдущего снаряда заключается в том, что полый цилиндр 5 устанавливается на снаряд по п. 3 формулы.
На рис. 7 показана конструкция снаряда для сжатия тел малой плотности по п. 7 формулы:
1 - сжимаемое тело; 2 - оболочка снаряда; 5 - полый цилиндр; 6 - спицы; 7 - тонкостенный полый цилиндр; 8 - спицы для крепления болванки; 9 - болванка.
В отличие от снаряда по п. 4 формулы хвостовая часть полого цилиндра 5 имеет продолжение в виде тонкостенного полого цилиндра 7. Тонкостенный полый цилиндр может быть сплошной или в виде цилиндрического каркаса любой конструкции. В хвостовой части тонкостенного полого цилиндра 7 (или цилиндрического каркаса) на спицах 8 для крепления болванки установлена болванка 9 из того же материала, что и оболочка снаряда, или из более плотного. Болванка разгоняется заодно со снарядом. Для уменьшения расходимости ударной волны передняя поверхность болванки 9 может быть вогнутой (рис. 7), при этом заднюю границу оболочки снаряда выполняют выпуклой. Передняя поверхность болванки может быть плоской, при этом заднюю границу оболочки снаряда тоже выполняют плоской.
Конструкция снаряда по п. 8 формулы отличается от предыдущей тем, что тонкостенный полый цилиндр с болванкой устанавливают на снаряд по п. 5 формулы.
Конструкция снаряда по п. 9 формулы отличается от предыдущей тем, что тонкостенный полый цилиндр с болванкой устанавливают на снаряд по п. 6 формулы.
На рис. 8 показан снаряд по п. 4 формулы (вместо него может быть снаряд по п. 5 или по п. 6 формулы) с полимерной пробкой 10, предназначенной для того, чтобы снаряд не сгорел в плазме и чтобы не произошло отрыва полого цилиндра от ОС при разгоне снаряда в газоразрядной пушке или в рельсотроне, а также в пороховой и пневматической пушках. Пробка 10 выполняется из полимерного материала. Форма передней части пробки повторяет форму задней части снаряда. При разгоне снарядов в электромагнитной индукционной пушке пробка 10 не нужна.
На рис. 9 показана конструкция реактора по п. 10 формулы (со сферической реакторной камерой) для осуществления способа ударного сжатия тел малой плотности (для проведения высокотемпературных химических реакций и модификации кристаллической структуры веществ), в котором оба снаряда разгоняются в пневматических или газоразрядных пушках или в рельсотронах:
11 - корпус реакторной камеры; 12 - пористый слой; 13 - ствол разгонного устройства (пушки); 14 - снаряд с пробкой 10; 15 - мембрана; 16 - отсек высокого давления.
При использовании в реакторе электромагнитных индукционных пушек отсеки высокого давления 16 и мембраны 15 отсутствуют, пробки 10 у снарядов не нужны. При использовании пороховых пушек отсеки высокого давления 16 и мембраны 15 также отсутствуют, в этом случае в стволы подаются гильзы с пороховыми зарядами и снарядами по пп. 1-6 формулы с полимерными пробками.
Реактор для ударного сжатия тел малой плотности, состоит из реакторной камеры и двух направленных вдоль одной оси навстречу друг другу разгонных устройств для снарядов по любому из п.п. 1-9 формулы, выходные отверстия которых совпадают со входными отверстиями для пролета снарядов в корпусе реакторной камеры. Корпус 11 реакторной камеры имеет сферическую форму, выполнен разъемным и собирается из двух полусфер, в каждой полусфере корпуса имеется отверстие для пролета снарядов, на внутренней поверхности каждой полусферы корпуса установлен пористый слой 12, представляющий собой слой пористого металла, поры которого могут быть заполнены водой или другим веществом с высокой теплотой парообразования, при больших скоростях снарядов сам пористый металл должен иметь высокую теплоту парообразования. В качестве пористого слоя вместо пористого металла могут использоваться заполненные или незаполненные водой или другим веществом пенометалл, слой плотно уложенных тонкостенных металлических трубок, слои тонкостенных ячеек или сот. Пористый слой нужен для сбора осколков снарядов. Пористый слой на каждой полусфере корпуса имеет отверстие для пролета снарядов, являющееся продолжением аналогичного отверстия в полусфере корпуса реакторной камеры. Для уменьшения вероятности попадания осколков снарядов внутрь разгонного устройства диаметр отверстия для пролета снарядов в каждой полусфере корпуса и в соответствующем пористом слое лишь немного больше диаметра снарядов.
В случае ТЯРИУП и в случае ГЯРДС осколки снарядов полностью испаряются продуктами термоядерной реакции и не могут долететь до стенок реакторной камеры, но пористый слой тоже может использоваться - в этом случае пористый слой играет роль смоченной первой стенки. За ним в случае ТЯРИУП располагается бланкет, а в случае ГЯРДС внутренний бланкет (соединения лития) и внешний (глубоко подкритичные урановые сборки). Так как на данный момент не существует разгонных устройств, подходящих для ТЯРИУП или ГЯРДС, ниже будем рассматривать конструкцию реактора для проведения высокотемпературных химических реакций и модификации кристаллической структуры веществ.
Обе полусферы корпуса герметично соединены с возможностью рассоединения. Внутри реакторной камеры создают вакуум. При использовании в реакторе пневматических или газоразрядных пушек или рельсотронов каждое такое разгонное устройство в своей задней части имеет отсек высокого давления 16, который заполняется воздухом или инертным газом и отделен от ствола мембраной 15, которая выдерживает разность давлений в реакторной камере (вакуум) и в отсеке высокого давления 16 с небольшим запасом прочности, при этом снаряд 14 по любому из пп. 1-6 формулы с полимерной пробкой 10 в хвосте помещается в стволе 13 перед мембраной 15, и, таким образом, находится в вакууме реакторной камеры. В газоразрядной пушке отсек высокого давления 16 является разрядной камерой, в которой при выстреле производится мощный электрический разряд, в пневматической пушке - воздушной камерой, в которую при выстреле резко подается сжатый воздух или инертный газ, в рельсотроне - воздушной камерой, в которой зажигается газовый разряд между двумя «рельсами» в начале разгона снаряда. При использовании рельсотронов снаряды по пп. 1-6 формулы должны выполняться из непроводящих материалов. Корпус 11 реакторной камеры и стволы 13 разгонных устройств выполнены из жаропрочных материалов.
На рис. 10 показана конструкция реактора вытянутой цилиндрической формы для осуществления способа ударного сжатия тел малой плотности (для проведения высокотемпературных химических реакций или модификации кристаллической структуры веществ):
17 - корпус реакторной камеры; 18 - пористый слой; 19 - разгонные устройства (пушки).
Корпус 17 реакторной камеры выполняется вытянутой цилиндрической формы и собирается из двух разъемных частей - полых полуцилиндров, которые покрыты изнутри пористым слоем 18 и состыкованы в плоскости, проходящей через ось цилиндрического корпуса. Разгонные устройства (пушки) 19 устанавливаются с торцов цилиндрического корпуса 17 вдоль его оси. В корпусе 17 и в пористом слое 18 имеются отверстия для пролета снарядов. Разгонные устройства 19 имеют систему управления, обеспечивающую столкновение снарядов в разных точках на оси реакторной камеры последовательно от одного торца цилиндрического корпуса 17 к другому, причем точки столкновений располагаются на примерно одинаковых расстояниях друг от друга (на рис. 10 точки столкновений показаны звездочками).
а
Сущность способа ударного сжатия тел малой плотности по п. 11 формулы заключается в осевом инерционном адиабатном сжатии сжимаемого тела целиком задней частью оболочки снаряда и задней частью самого сжимаемого тела продолжающими лететь по инерции после столкновения снаряда с другим телом и после прохождения по снаряду ударной волны. В заявляемом способе сжатие сжимаемых тел осуществляют путем столкновения двух одинаковых снарядов по п. 1 или по п. 2 или по п. 3 формулы, разогнанных до больших одинаковых по модулю скоростей навстречу друг другу. Предполагаются доступные для современных разгонных устройств (пушек) скорости снарядов от сотен метров в секунду до нескольких километров в секунду. Снаряды сталкивают примерно в центре сферической реакторной камеры реактора или в периодически расположенных точках на оси цилиндрической реакторной камеры реактора. При этом радиальный разлет снарядов ограничивают формой, прочностью и инертностью оболочек снарядов и самих сжимаемых тел. После столкновения снарядов ударные волны распространяются от плоскости удара снарядов к задним частям снарядов. Эти ударные волны распространяются одновременно и в сжимаемых телах и в оболочках снарядов. Далее эти ударные волны будут отражаться от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов, а при не очень больших скоростях снарядов - и от задних границ оболочек снарядов. Отраженные ударные волны будут сходиться к плоскости удара. Подбором формы границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов и формы задних границ оболочек снарядов отраженные ударные волны можно сфокусировать в одну общую точку, лежащую в плоскости удара, или в две разные точки, расположенные внутри сжимаемых тел. Схождение и фокусирование отраженных ударных волн можно использовать для локального увеличения давления и температуры внутри сжимаемых тел на некоторой стадии их адиабатного сжатия целиком задними частями оболочек снарядов и задними частями самих сжимаемых тел. Причем это локальное увеличение параметров может, в принципе, использоваться и как основное в предлагаемых снарядах, а увеличение параметров по всему объему СТ вследствие инерционного адиабатного сжатия используется тогда как второстепенное (если не требуется большая степень сжатия). В этом случае заднюю часть ОС можно выполнять менее массивной - ударная волна все равно отразится. Например, при использовании графитовых сжимаемых тел можно получить кристаллики алмазов в плоскости удара или в фокусе, где сходятся ударные волны. Для получения одновременно с адиабатным сжатием сжимаемых тел целиком локального увеличения температуры и давления в плоскости удара за счет схождения («интерференции») в ней отраженных от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов плоских ударных волн задние границы сжимаемых тел выполняют плоскими (рис. 17), соответственно плоскими будут и границы раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов. Для получения одновременно с адиабатным сжатием сжимаемых тел целиком фокусировки в одной точке, лежащей в плоскости удара, или в двух точках внутри сжимаемых тел отраженных от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов ударных волн, распространяющихся сразу после удара от плоскости удара через сжимаемые тела, сжимаемые тела выполняют параболической формы или цилиндрической формы с параболической задней частью (рис. 17б). Для получения одновременно с адиабатным сжатием сжимаемых тел целиком фокусировки в одной точке, лежащей в плоскости удара, или в двух точках внутри сжимаемых тел отраженных от задних границ оболочек снарядов ударных волн, распространяющихся сразу после удара от плоскости удара в оболочках снарядов, задние границы оболочек снарядов выполняют параболическими, а задние границы сжимаемых тел нормальными в каждой точке фокусируемым волновым лучам, т.е. в виде сферических сегментов (рис. 17в), при этом учитывают расходимость ударных волн в оболочках снарядов. В этом случае, если передняя и средняя части границы сжимаемого тела параболической формы, а задняя часть его границы в форме сферического сегмента (вместо крайней части параболоида вблизи его вершины), то можно также фокусировать и ударные волны, распространяющиеся сразу после удара от плоскости удара через сжимаемое тело (рис. 17в, точечные стрелки), но время схождения этих двух групп ударных волн в точку (или в разные точки) будет разным. Фокусирование ударной волны, распространяющейся первоначально через оболочку снаряда возможно только при не слишком больших скоростях снарядов, т.к. при больших скоростях невозможно отражение сильной ударной волны от задней границы оболочки снаряда. Сильная ударная волна сорвет часть материала с хвоста оболочки снаряда и распылит его за снарядом, т.к. атомы материала оболочки снаряда получат в ударной волне кинетическую энергию достаточную для преодоления сил межмолекулярного притяжения.
Одновременно с локальным сжатием сжимаемых тел в первичных, отраженных и сошедшихся в плоскости удара или в одной или двух точках внутри сжимаемых тел ударных волнах происходит осевое инерционное адиабатное сжатие сжимаемых тел целиком задними частями оболочек снарядов и задними частями самих сжимаемых тел, продолжающими лететь по инерции навстречу друг другу после столкновения снарядов и после прохождения по ним ударных волн с остаточной скоростью, меньшей начальной. Вследствие адиабатного сжатия по инерции после прохождения ударной волны, а также начинающегося радиального разлета материала снаряда, осевая остаточная скорость через некоторое время после прохождения ударной волны уменьшается до нуля и осевое сжатие прекращается. Так как радиальный разлет снарядов по пп. 1-3 формулы ограничивается формой, прочностью и инертностью оболочек снарядов и самих сжимаемых тел, то при таком способе сжатия нельзя добиться большой степени сжатия.
При адиабатном сжатии растет давление в СТ, поэтому при любой форме ОС ее толщина в хвосте снаряда должна быть больше, чем в начале и в середине снаряда, что автоматически получается при конической или параболической форме СТ. Лучше всего если форма ОС не цилиндрическая, а в виде усеченного конуса (рис. 1-7). Давление в СТ очень большое и в течение длительного времени (в случае статического давления) ОС его не выдержит, но время удара очень мало и нужно учитывать инертность как ОС так и СТ.
Для обеспечения устойчивого разгона снарядов по пп. 1-3 формулы в стволе разгонного устройства, особенно если не используются полимерные пробки 10, задние части оболочек снарядов могут иметь цилиндрическую форму, т.е. коническая передняя часть оболочки снаряда переходит в своей задней части в цилиндрическую, задний край оболочки снаряда при этом может быть плоским или закругленным или параболическим. Кроме того, если СТ коническое с закругленной вершиной или параболическое, то ОС может быть полностью цилиндрической с плоским или с закругленным или с параболическим задним краем (при этом условие увеличения массивности ОС от начала к хвосту снаряда выполняется).
На рис. 11 показаны стадии столкновения снарядов по п. 2 или 3 формулы (для сжатия любых тел малой плотности) при высоких скоростях. Распространение ударных волн в снарядах на рисунке не показано.
Если не использовать полые цилиндры, как в этом случае, то при любой форме СТ в процессе удара всегда найдется перпендикулярное оси снаряда сечение, в котором давление СТ на ОС направлено радиально от оси (на рис. 11б это давление показано короткими жирными стрелками). Радиальная составляющая давления СТ на ОС (она есть в любом поперечном сечении снаряда) приведет к радиальному расширению СТ, поэтому без полых цилиндров нельзя добиться большой степени сжатия (рис. 11д). Некоторая степень сжатия в случае снарядов по пп. 1-3 формулы может быть достигнута только вследствие формы, прочности и инертности материала оболочки снаряда и сжимаемого тела (при очень больших скоростях прочность материала ОС и СТ не имеет уже значения). Наличие же полых цилиндров создает в радиальном направлении противоток их материала (плазмы) к оси, что создает противодавление и образуется область высокого давления в форме «стакана» или «мешка» (см. ниже). Наименьшее радиальное расширение возможно при сжатии газообразных СТ.
Рассмотрим удар снарядов по пп. 1-3 формулы (без полых цилиндров). Если бы СТ не было окружено оболочкой снаряда, то при ударе таких тел их материал растекался бы радиально от оси. Если бы сталкивались только одни оболочки снарядов без сжимаемых тел, то материал оболочек снарядов растекался бы радиально и от оси и к оси. Поэтому вблизи плоскости удара на границе СТ и ОС при ударе снарядов с большими скоростями фактически происходит столкновение двух встречных жидких (плазменных) потоков, но масса материала (плазмы) из стенок оболочки снаряда больше (и плотность больше) и вследствие, соответственно, большей полной начальной кинетической энергии, давление в стенках оболочки снаряда вблизи плоскости удара больше давления в СТ. Поэтому отекание материала (плазмы) оболочки снаряда к оси перевешивает над растеканием материала (плазмы) СТ от оси (рис. 11в - для снарядов по п. 2 или по п. 3 формулы; рис. 12 - для снарядов по п. 1 формулы). Вследствие этого при столкновении снарядов по п. 2 или по п. 3 формулы будет происходить натекание материала оболочек снарядов в пространство между двумя сжимаемыми телами (рис. 11в, 11г), а при столкновении снарядов по п. 1 формулы (а также снарядов по п. 4 формулы), в конце концов, может произойти полная рассечка сжимаемых тел, т.е. разделение сомкнувшихся при ударе сжимаемых тел материалом (плазмой) оболочек снарядов - внутренним кольцевым выступом 20 (рис. 12).
При использовании предлагаемого способа сжатия для ИТС полная рассечка сжимаемых тел может быть нежелательным результатом, т.к. уменьшается оптическая плотность DT-топлива. В этом случае подбором геометрии и плотности ОС и СТ нужно добиться частичной рассечки сжимаемых тел.
Возможно, что можно так подобрать угол α при вершине конуса, в котором размещается СТ (рис. 12), что внутренний кольцевой выступ 20 не образуется и сжатие стенки ОС вблизи плоскости удара будет происходить примерно по цилиндрической поверхности (рис. 13). Или можно сказать, что внутренний кольцевой выступ расположен под цилиндрической поверхностью. Либо внутренние конические поверхности оболочек снарядов могут просто скругляться в районе плоскости удара.
Объем внутреннего кольцевого выступа 20 по мере сжатия СТ может не увеличиваться или даже уменьшаться вследствие сопротивления сжимаемого тела (внутреннее давление быстро растет) и, с другой стороны, вследствие свободного вытекания материала оболочки снаряда в вакуум снаружи. Поэтому внешний кольцевой выступ 21 (рис. 12) будет расти в любом случае, а внутренний при определенном угле конуса может вообще не развиться, и внутренние конические поверхности оболочек снарядов могут просто скругляться в районе плоскости удара или кольцевой «выступ» будет под цилиндрической поверхностью (рис. 13). Если вытекший объем под цилиндрической поверхностью несколько уменьшается в процессе сжатия СТ, то в связи с уменьшением радиуса сжимаемого тела образующая цилиндра может оставаться примерно постоянной по длине в процессе сжатия (рис. 13).
Если бы плотность сжимаемого тела была бы больше плотности оболочки снаряда, то все линии тока материала оболочки снаряда уходили бы вблизи плоскости удара радиально от оси симметрии снарядов в вакуум в сторону нулевого давления. Но наличие легко сжимаемой среды в центре снаряда (не смотря на наличие вакуума снаружи) поворачивает часть линий тока материала оболочки снаряда к оси симметрии и эти линии тока обеспечивают сжатие СТ и герметичность сжатия (рис. 12). Таким образом, при сжатии с образованием внутреннего кольцевого выступа 20, часть линий тока материала ОС направлена вовнутрь снаряда и вызывает сжатие СТ (и обеспечивает герметичность сжатия), а большая часть линий тока направлена вовне вблизи плоскости удара (рис. 12) и имеется поверхность раздела (цилиндрическая) между этими двумя видами линий тока. Только на самой последней стадии сжатия все линии тока будут направлены вовне.
При сжатии без образования внутреннего кольцевого выступа 20 - по цилиндрической поверхности или со скруглением внутренних конических поверхностей оболочек снарядов - возрастает вероятность утечки материала СТ вблизи плоскости удара (см. жирные стрелки на рис. 13), поэтому такое сжатие и соответствующий угол α при вершине конуса, в котором размещается СТ, следует признать вредным. В тоже время в случае ИТС при сжатии DT-топлива с образованием внутреннего кольцевого выступа 20 (рис. 12) в случае полной рассечки топлива достигаемые параметры меньше, но зато утечка невозможна, т.к. нет линий тока, уходящих от поверхности раздела СТ и ОС в плоскость удара и далее радиально от оси симметрии снарядов в вакуум (ср. рис. 12 и рис. 13). Поэтому в случае ИТС оптимальным вариантом следует признать сжатие с образованием внутреннего кольцевого выступа 20, но без полной рассечки СТ (см. ниже рис. 16в, 16г). Этого следует добиваться подбирая геометрические параметры и материалы ОС и СТ.
На развитие внутреннего кольцевого выступа 20 от оболочек снарядов внутри сжимаемых тел влияют несколько факторов. Все сказанное о внутреннем кольцевом выступе 20 относится и к столкновению всех остальных снарядов, особенно снарядов по п. 4 и п. 7 формулы, в которых СТ спереди открыто.
Сущность способа ударного сжатия тел малой плотности по п. 12 формулы, состоит в том, что в отличие от предыдущего способа ударного сжатия тел малой плотности (по п. 11 формулы) используют снаряды по п. 4 или по п. 5 или по п. 6 формулы (рис. 4-6). В зависимости от плотности материала полых цилиндров 5 и их массы, радиальный разлет сжимаемых тел при их осевом инерционном сжатии задними частями оболочек снарядов и задними частями самих сжимаемых тел ограничивают или останавливают, или производят радиальное сжатие сжимаемых тел сходящимся к оси снарядов кольцевым жидким или плазменным потоком, полученным в результате столкновения двух полых цилиндров 5.
Полые цилиндры могут сталкиваться одновременно со столкновением оболочек снарядов и сжимаемых тел. Если же передний торец полого цилиндра смещен назад относительно переднего края оболочки снаряда и сжимаемого тела (как и показано на рисунках), то полые цилиндры после удара оболочек снарядов срываются со спиц 6 и летят навстречу друг другу по инерции и затем сталкиваются. Смещение переднего торца полого цилиндра назад может быть полезно при не очень больших скоростях снарядов, доступных в настоящее время, что связано с шириной и формой внутреннего кольцевого выступа 22 полых цилиндров (рис. 12, 14).
Давление сходящегося к оси снарядов кольцевого жидкого или плазменного потока от столкнувшихся полых цилиндров (внутреннего кольцевого выступа 22 полых цилиндров) передается сжимаемым телам через стенки оболочек снарядов. При этом одновременно с ограничением или остановкой радиального разлета сжимаемых тел или одновременно с радиальным сжатием сжимаемых тел происходит осевое сжатие сжимаемых тел задними частями оболочек снарядов и задними частями самих сжимаемых тел за счет кинетической энергии снарядов.
Рассмотрение данного способа сжатия начнем с простейшей модели. При столкновении двух полых цилиндров (рис. 14а) разлет, растекание их материала будет происходить не только радиально от оси симметрии полых цилиндров, но и радиально к оси симметрии. В месте контакта полых цилиндров в плоскости удара образуется кольцо высокого давления, которое заставляет ускоряться материал полых цилиндров радиально от оси и радиально к оси. Образуются кольцевые выступы 22 и 23 полых цилиндров (выбросы). Поэтому часть кинетической энергии полых цилиндров превратится в кинетическую энергию радиально сходящегося к оси симметрии полых цилиндров потока (внутренний кольцевой выступ 22 полых цилиндров). При большом отношении внутреннего радиуса полых цилиндров к толщине их стенок кинетическая энергия радиально сходящегося потока (внутренний кольцевой выступ 22 полых цилиндров) будет примерно равна кинетической энергии радиально разлетающегося от оси симметрии потока (внешний кольцевой выступ 23 полых цилиндров). Большая часть кинетической энергии полых цилиндров потеряется на сжатие и нагрев их материала, на излучение, на образование ударных волн. Тем не менее, кинетическую энергию радиально сходящегося потока (и тепловую) можно использовать для радиального сжатия (и нагрева) тел малой плотности.
Аналогичные процессы (образование кольцевых выступов 20 и 21 (рис. 12, 16б)) происходят при столкновении оболочек снарядов, но там развитие внутреннего кольцевого выступа 20 сразу же затрудняется противодавлением со стороны сжимаемых тел.
Сжатие СТ как полыми цилиндрами, так и оболочками снарядов вблизи плоскости удара можно рассматривать с другой точки зрения. Кольцо высокого давления ускоряет материал полых цилиндров или оболочек снарядов от оси и по третьему закону Ньютона возникает реактивная отдача на внутренние слои полых цилиндров или оболочек снарядов. Поэтому сжатие СТ можно рассматривать как реактивное. Сжатие мишени ИТС тоже является реактивным. Оно вызывается испарением внешних слоев оболочки мишени.
На рис. 14б показано дальнейшее развитие процесса столкновения двух полых цилиндров. В связи с тем, что при движении к оси симметрии полых цилиндров кольцевой поток, по крайней мере в плоскости удара, не расширяется, а сжимается (не растекание, а стекание), то плотность материала (плазмы) полых цилиндров в центре схождения кольцевого потока на оси симметрии повышается. Это увеличение плотности и давления можно использовать для радиального сжатия тел малой плотности. Если полые цилиндры достаточно большие, то их столкновение можно использовать и для всестороннего сжатия мишени, но эффективность сжатия мишени в осевом направлении меньше эффективности сжатия в радиальном направлении, кроме того поток материала полых цилиндров (плазма) будет идти вдоль поверхности мишени и сносить ее материал.
Можно разместить мишень в плоскости удара сталкивающихся полых цилиндров и сжимать ее радиально сходящимся кольцевым потоком от полых цилиндров плюс сжимать ее в осевом направлении двумя болванками, летящими навстречу друг другу на мишень (рис. 15). Однако такой способ сжатия потребует очень точной синхронизации полета полых цилиндров и болванок, что практически очень трудно реализуемо. Поэтому полый цилиндр, СТ и ОС должны составлять одно целое (как и показано на рис. 4-7), и разгоняться они должны как одно целое. Скорости полых цилиндров и оболочек снарядов со сжимаемыми телами до столкновения, таким образом, одинаковы.
На рис. 16 показаны стадии столкновения снарядов по п. 4 формулы для сжатия твердых тел малой плотности. Стадии столкновения снарядов по п. 5 и по п. 6 формулы практически такие же, как и стадии столкновения снарядов по п. 4 формулы, но в этом случае, т.к. плотность сжимаемых тел меньше плотности оболочек снарядов, то в процессе удара будет происходить натекание материала оболочек снарядов в зазор между двумя сжимаемыми телами (см. рис. 11) и, как следствие, некоторое увеличение расстояния между ними. Начальные стадии столкновения снарядов по пп. 7-9 формулы совпадают со стадиями столкновения соответствующих снарядов по пп. 4-6 формулы, а затем на последних стадиях сжатия сжимаемых тел происходит удар болванок о хвосты оболочек снарядов, осевое сжатие и радиальный разлет болванок, распространение в снарядах двух встречных ударных волн от болванок, схождение двух встречных ударных волн в плоскости удара.
На рис. 16а показан момент касания снарядов по п. 4 формулы. В рассматриваемом случае материал оболочек снарядов и полых цилиндров имеет одинаковую плотность.
На рис. 16б показан момент касания полых цилиндров. В этот момент в каждом снаряде идет процесс сжатия передних частей ОС и СТ и распространение ударной волны. Одновременно идет растекание материала оболочек снарядов от оси и его стекание к оси снарядов. Стекание материала оболочек снарядов к оси затруднено вследствие противодавления со стороны сжимаемых тел. Это стекание сжимает сжимаемые тела радиально. Таким образом, на этой стадии происходит не только осевое сжатие сжимаемых тел, но и радиальное, т.к. плотность материала оболочек снарядов больше плотности сжимаемых тел, поэтому в каждом снаряде давление за фронтом ударной волны в оболочке снаряда больше давления за фронтом ударной волны в сжимаемом теле. На этой стадии между внешним кольцевым выступом 21, образованным растекающимся от оси материалом оболочек снарядов, и задней частью оболочки каждого снаряда образуются две «канавки» (коническая внешняя поверхность ОС переходит в поверхность внешнего кольцевого выступа 21), которые на следующей стадии заполнятся стекающим к оси материалом полых цилиндров, что необходимо для последующего формирования «мешка» из области высокого давления вокруг сжимаемых тел. Фронт ударной волны подошел близко к спицам. Через очень малое время, когда фронт пройдет спицы, полые цилиндры сорвутся со спиц из-за возникшей разности скоростей невозмущенного вещества полых цилиндров (его скорость равна начальной скорости снаряда) и вещества оболочек снарядов за фронтами ударных волн (его скорость меньше начальной скорости снаряда). В зависимости от конструкции снарядов (положения полых цилиндров и спиц относительно оболочек снарядов) срыв полых цилиндров со спиц может происходить еще до касания полых цилиндров, в момент их касания или после касания.
На рис. 16в идет растекание материала полых цилиндров от оси, а стекание их материала к оси ограничивается растеканием от оси материала оболочек снарядов. Движущийся с большой скоростью от оси материал оболочек снарядов разбил стекающий к оси материал полых цилиндров на две части (на два параллельных кольцевых выступа) и начинается формирование «мешка» из области высокого давления вокруг СТ. Меняя в конструкции снаряда положение полого цилиндра относительно оболочки снаряда можно организовать простое столкновение материала оболочек снарядов и материала полых цилиндров без разбивки кольцевого потока на две части. Сходящийся к оси кольцевой поток от столкнувшихся полых цилиндров не дает материалу оболочек снарядов и сжимаемых тел разлетаться радиально или, при плотности полых цилиндров большей плотности оболочек снарядов, радиально сжимает оболочки снарядов, а через них и сжимаемые тела.
На рис. 16г показан момент, когда сжимаемые тела, оболочки снарядов, а также полые цилиндры сильно сжаты, сформировался «мешок» из области высокого давления - область сильно сжатого вещества оболочек снарядов и полых цилиндров вокруг сжимаемых тел. В зависимости от параметров снарядов перемычка между сжимаемыми телами, образованная внутренним кольцевым выступом от оболочек снарядов, на последних стадиях сжатия может сомкнуться полностью, разделив полностью оба сжимаемых тела, или не полностью, частично, последний случай показан на рис. 16г.
После стадии, показанной на рис. 16г, сжатие сжимаемых тел закончится и начнется разлет вещества снарядов во все стороны (прежде всего радиально).
В месте столкновения кольцевых потоков от оболочек снарядов и от полых цилиндров образуется кольцевая область высокого давления с последующим распространением радиально расходящейся и радиально сходящейся ударных волн. Можно даже сказать, что «мешок» или «стакан» из области высокого давления - это конструкция из ударных волн (но для ее создания нужны реальные снаряды соответствующей реальной конструкции). Если столкновение полых цилиндров происходит немного позже столкновения оболочек снарядов и сжимаемых тел (как и показано на рис. 16), то растекающийся в плоскости удара материал оболочек снарядов разбивает стекающийся навстречу в этой же плоскости материал полых цилиндров на две части. Это отдаляет границу области высокого давления от плоскости удара, т.е. увеличивает высоту боковых стенок «стакана» или «мешка» из области высокого давления (рис. 16в, 16г), которые не позволяют ОС и СТ расширяться радиально или радиально сжимают ОС и СТ. При очень больших скоростях снарядов создаются очень сильные ударные волны и высота боковых стенок «стакана» получается большой и без запаздывания столкновения полых цилиндров (радиальный разлет вещества происходит не в виде узких кольцевых выбросов из-за потерь энергии УВ на фазовые превращения, а со всей боковой поверхности снаряда за ударной волной). Далее будем рассматривать столкновение снарядов при сравнительно малых, доступных на настоящий момент скоростях.
а
Если удар полых цилиндров запаздывает по времени, то в момент, когда начинается формирование «стакана» или «мешка» из области высокого давления, сжимаемые тела (малоплотные вначале) уже частично сжаты, поэтому большая ширина внутреннего кольцевого выступа 22 (рис. 14, рис. 12) материала полых цилиндров, стекающего к оси, или большая высота стенок «стакана» уже не требуется.
В общем случае положение полого цилиндра относительно переднего края ОС и СТ, плотность и размеры СТ, ОС и полого цилиндра подбираются так, чтобы в нужный момент времени ширина внутреннего кольцевого выступа 22 полых цилиндров была достаточна для удержания радиального расширения СТ и ОС или для их радиального сжатия, а с другой стороны чтобы сжимаемые тела вдоль оси снарядов сжимались достаточно быстро, чтобы хватило имеющейся ширины внутреннего кольцевого выступа 22 полых цилиндров. Однако если между полым цилиндром и ОС небольшой зазор (как и показано на рис. 4-7), то в этом зазоре мало места, а сюда натекает материал как от полых цилиндров, так и от ОС. Это увеличивает высоту стенок «стакана» или «мешка» из области высокого давления, и ширина внутреннего кольцевого выступа 22 полых цилиндров (при их столкновении без ОС и СТ) не играет большой роли.
а
При растекании материала полых цилиндров от оси происходит расширение в вакуум, поэтому давление во внешних кольцевых выступах 23 полых цилиндров (рис. 14) быстро падает. Но в местах схождения кольцевых потоков от полых цилиндров и от оболочек снарядов давление высокое, т.к. движение здесь ограничено со всех сторон, кроме направлений противоположных скоростям снарядов, тут и образуются стенки «стакана» из области высокого давления. От места столкновения этих потоков распространяются расходящаяся и сходящаяся к оси снарядов ударные волны, последняя радиально сжимает СТ. Причем параметры снарядов нужно подбирать так, чтобы внутренние стенки «стакана» или фронт этой сходящейся ударной волны были бы как минимум параллельны оси снаряда, или лучше, чтобы наклонялись к оси снаряда (если смотреть от плоскости удара), образуя уже не «стакан», а «мешок» из области высокого давления. Если же стенки «стакана» или фронт сходящейся к оси ударной волны будут наклоняться от оси, то появляется опасность расширения СТ вдоль таких стенок, скольжения СТ вдоль них или выдавливания СТ в направлении к хвосту снаряда с одновременным радиальным расширением, и тогда нельзя будет достичь большой степени сжатия.
Чтобы поймать СТ в «стакан» или «мешок» и радиально сжимать СТ, материал полых цилиндров лучше выбирать с плотностью большей плотности материала оболочек снарядов. Тогда при равных объемах и скоростях начальная кинетическая энергия материала полых цилиндров будет больше начальной кинетической энергии материала оболочек снарядов. Соответственно давление за фронтами ударных волн, распространяющихся в полых цилиндрах от плоскости удара, будет больше чем давление за фронтами ударных волн, распространяющихся от плоскости удара в оболочках снарядов (это можно доказать с помощью формул). Поэтому материал полых цилиндров продавит оболочки снарядов, образуя «стакан» или «мешок» из области высокого давления вокруг сжимаемых тел. Можно также просто увеличить толщину стенок полых цилиндров, выполненных из того же материала, что и оболочки снарядов. Но тогда давление за фронтами ударных волн, распространяющихся от плоскости удара в полых цилиндрах и в оболочках снарядов будет одинаковым, поэтому эффект радиального сжатия сжимаемых тел будет слабее, т.к. в этом случае полые цилиндры будут только ограничивать разлет материала оболочек снарядов (и сжимаемых тел), и не будут дополнительно их сжимать радиально. Давление за фронтами ударных волн распространяющихся от плоскости удара в малоплотных сжимаемых телах меньше чем давление за фронтами ударных волн в оболочках снарядов и в полых цилиндрах, поэтому на начальном этапе столкновения снарядов радиальное сжатие малоплотных сжимаемых тел будет происходить в любом случае, в том числе и в снарядах по пунктам 1-3 формулы.
Хвост ОС нужно делать массивнее, чем начало и середину, т.к. с одной стороны задняя часть ОС действует как массивный поршень, сжимающий по инерции СТ, с другой стороны в сопутствующей снаряду системе отсчета СТ сжимается в сторону хвоста, при этом давление в СТ растет и поэтому именно задняя часть ОС должна выдерживать максимальное давление или обладать максимальной инертностью для уменьшения радиального расширения СТ перед его обжатием сходящимся радиальным потоком от столкнувшихся полых цилиндров.
При небольшой конечной степени сжатия твердых тел, например для получения алмазного порошка, можно обойтись и без полых цилиндров и использовать снаряды по пп. 1-3 формулы.
При прямом преобразовании графита в алмаз в ударной волне давление порядка 200 кбар и температура около 3000 К [Безруков Т.Н., Бутузов В.П., Самойлович М.И. Синтетический алмаз. М., «Недра», 1976. С. 13], [Большая советская энциклопедия, т. 1, М: Издательство «Советская энциклопедия», 1970. С. 454, рис. 2], при статическом давлении прямое преобразование получено при 120 кбар и температуре около 3000 К [Верещагин Л.Ф. Синтетический алмаз и гидроэкструзия: Сб. статей. - М.: «Наука», 1982. С. 24, 25], тогда согласно [Большая советская энциклопедия, т. 7, М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1972. С. 484, рис. 5] степень сжатия графита при образовании алмаза не больше 1,2 (см. также [Твердые тела под высоким давлением. Ред. Пол В., Варшауэр Д. / Перевод с англ. М., «Мир», 1966. С. 439]). С учетом высокой температуры она еще меньше.
Полное превращение графита в алмаз наблюдается при динамическом давлении 400 кбар [Твердые тела под высоким давлением. Ред. Пол В., Варшауэр Д. / Перевод с англ. М., «Мир», 1966. С. 451], но и тогда согласно [Большая советская энциклопедия, т. 7, М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1972. С. 484, рис. 5] степень сжатия графита всего 1,25. Поэтому полые цилиндры здесь в принципе не нужны и сжатие можно производить в снарядах по пп. 1-3 формулы.
Для прямого (быстрого) зажигания DT-топлива можно было бы использовать сильные ударные волны, сходящиеся в плоскости удара и получить тем самым «волновой драйвер» - пустить в нужное время вдогонку снарядам по п. 4 формулы пустые металлические болванки (снаряды без DT-топлива) подходящей формы и плотности со скоростью, превышающей скорость снаряда. Но при этом, кроме необходимости разгона болванок до еще больших скоростей, чем основных снарядов, возникают трудности синхронизации разгона уже четырех снарядов. Кроме того, при ударе болванок не возможна фокусировка (кумуляция) ударных волн.
Сущность способа ударного сжатия тел малой плотности по п. 13 формулы, состоит в том, что в отличие от предыдущего способа ударного сжатия тел малой плотности (по п. 12 формулы) используют снаряды по п. 7 или по п. 8 или по п. 9 формулы (рис. 7), и для организации схождения в плоскости удара снарядов плоских ударных волн и соответствующего «интерференционного» повышения там давления и температуры, на последних стадиях сжатия по п. 12 формулы сжимаемых тел по задним частям оболочек снарядов производят удар болванок 9.
Ударная волна от места столкновения полых цилиндров распространяется сначала по самому полому цилиндру 5, затем по тонкостенному полому цилиндру 7 (или по цилиндрическому каркасу), и, когда она проходит спицы 8 для крепления болванки, болванка 9 вместе со спицами 8 для крепления болванки срывается с тонкостенного полого цилиндра 7 из-за возникшей разности скоростей. Сорвавшиеся болванки продолжают лететь по инерции навстречу друг другу до удара о задние части оболочек снарядов. В результате удара болванок образуются две плоские ударные волны, которые сходятся в плоскости удара снарядов, где при этом происходит дополнительное «интерференционное» повышение давления и температуры вследствие взаимодействия этих двух ударных волн. Для достижения максимальных параметров длину тонкостенных полых цилиндров 7 (или цилиндрических каркасов), в которых установлены болванки 9 с помощью спиц 8 для крепления болванки, подбирают такой, чтобы «интерференционное» повышение давления и температуры при схождении ударных волн от болванок в плоскости удара происходило в момент, когда сжимаемые тела максимально сжаты по п. 12 формулы.
При сжатии DT-льда и очень большой скорости снарядов температура плазмы сжимаемых тел может, в принципе, вырасти вплоть до «прямого (быстрого) зажигания» ударными волнами от ударов болванок, но это возможно только если сжимаемые тела сжимаются со всех сторон - при плоском сжатии (которое легче обеспечить) осевая оптическая плотность получается на порядок меньше требуемой для самоподдерживаемой реакции. Чтобы при плоском сжатии увеличить осевую оптическую плотность до требуемой для самоподдерживаемой реакции (при массе DT-льда приемлемой для ИТС), длина цилиндрического СТ должна быть в несколько раз больше его диаметра, т.е. форма СТ становится похожей на иглу. Но сжать такую иглу предлагаемым способом, скорее всего, невозможно.
Ударная волна ослабляется процессом осевого сжатия болванки 9 при ударе о хвост уже сжатой ОС и радиальным разлетом болванки. Тем не менее ударная волна все равно образуется, т.к. при ударе импульс массивной болванки, летящей с первоначальной скоростью снаряда, передается оболочке снаряда, летящей на последних стадиях сжатия со сравнительно малой скоростью.
К сожалению, с помощью удара болванки с вогнутой передней поверхностью нельзя получить сходящуюся в одной точке ударную волну, что подтверждается экспериментом с волнами на воде. Если на воду плашмя падает полукольцо, то наблюдается схождение волн в одной точке (в центре мысленно достроенного кольца). Если же это же полукольцо опустить в воду и быстро сдвинуть вогнутостью вперед, то схождения волн в одной точке не наблюдается: основная волна создается центральной частью полукольца, причем она почему-то изначально расходящаяся, не смотря на вогнутую центральную часть полукольца (видимо это связано с тем, что вода собирается, сгребается полукольцом у центра передней поверхности полукольца). Кроме основной волны слабые волны сходятся к оси полукольца от его концов. На больших расстояниях спереди от полукольца волна расходящаяся как от точечного источника.
Некоторые особенности сжатия снарядов. При столкновении снарядов по п. 5, или по п. 6 или по п. 8 или по п. 9 формулы стекание материала оболочек снарядов к оси вызовет перенос материала оболочек снарядов в зазор между двумя СТ, утолщение этого зазора, особенно по краям, и в результате некоторое удаление сжимаемых тел от плоскости удара. Поэтому в этих снарядах, чтобы можно было сжимать и жидкие тела и газы, потребуются более высокие стенки «стакана» или «мешка» из области высокого давления, особенно при большой толщине покрывающего слоя или стенки капсулы СТ.
При больших скоростях прочность материала ОС не имеет значения и определяющим фактором для получения большой степени сжатия становится инертность ОС (точнее плотность материала ОС) и наличие у снарядов полых цилиндров. Это связано с тем, что при больших скоростях на последних стадиях сжатия весь материал снарядов уже или жидкий или в состоянии плазмы. При сжатии обычной мишени ИТС ее оболочка на последних стадиях сжатия тоже находится в плазменном сжатом состоянии.
При столкновении снарядов по пп. 1, 4, 7 формулы утечка материала сжимаемых тел невозможна, если сжатие проходит с частичной рассечкой сжимаемых тел, т.к. все прилежащие к СТ слои материала оболочки снаряда переходят в плоскость удара и движутся к оси, а дальние от СТ слои материала оболочки снаряда переходят в плоскость удара и движутся от оси (рис. 12). При столкновении снарядов по пп. 2 и 3 формулы при большой толщине покрывающего слоя или при большой толщине стенки капсулы сжимаемого тела на конечных стадиях сжатия возможна небольшая утечка материала сжимаемых тел вблизи оси снаряда с передней части каждого СТ (см. линии тока материала ОС на рис. 11г). Наличие полых цилиндров устраняет этот эффект.
В начале столкновения снарядов в сторону оси пойдет меньшая часть слоев материала оболочки снаряда вследствие противодавления со стороны сжимаемого тела. При наличии полых цилиндров они во время удара создают динамическое давление к оси и слои материала ОС могут разделяться примерно посередине или в основном все или вообще все слои материала ОС пойдут в сторону оси, но в самом полом цилиндре тоже меньшая часть слоев их материала пойдет к оси (хотя в начале соударения цилиндров деление почти пополам). Назначение полого цилиндра, поэтому, не в увеличении КПД (КПД сжатия обычных мишеней ИТС тоже мал и поэтому требуется большой коэффициент усиления), а в уменьшении радиального расширения сжимаемого тела, остановке радиального расширения или в радиальном сжатии СТ за счет создания области высокого давления в форме стакана или мешка. Кроме того, с помощью полых цилиндров можно изменять геометрию «стакана» или «мешка». За счет большего чем у ОС радиуса, а также за счет возможного смещения полого цилиндра назад относительно ОС, сжимающее действие кольцевого потока от столкнувшихся полых цилиндров начинает проявляться позднее чем сжимающее действие высокого давления за фронтом ударной волны в оболочке снаряда. Этим обеспечивается радиальное сжатие сжимаемых тел на этапе их адиабатного сжатия задними частями оболочек снарядов после прохождения по снарядам первичных ударных волн.
Материал оболочки снаряда может быть использован для реакции, как химической, так и ядерной. Во втором случае оболочка может содержать слой лития, если способ ускорения снарядов позволяет использовать металл в оболочках снарядов.
Для обеспечения устойчивости полета снаряд при разгоне можно раскрутить вокруг оси симметрии. Правда, центробежная сила усилит радиальный разлет снарядов, но это очень слабый эффект при больших скоростях. Кроме того, снаряды можно раскрутить в противоположные стороны, чтобы при столкновении вращение исчезло.
При сравнительно малых скоростях снарядов в сжимаемых телах можно разместить датчики, непрерывно до их разрушения передающие по радио исследуемые параметры сжатия.
Таким образом, в заявляемом способе ударного сжатия тел малой плотности используется три вида сжатия: 1) ударными волнами, распространяющимися в снарядах от плоскости удара сразу после их столкновения; 2) основное - инерционное адиабатное сжатие после прохождения ударных волн - задними частями оболочек снарядов, играющими роль массивных поршней, и стенками оболочек снарядов с полыми цилиндрами; 3) «интерференционное» - сходящимися в плоскости удара ударными волнами от ударов болванок о задние части оболочек снарядов (в снарядах по пп. 7-9 формулы) или сходящимися в плоскости удара или в одной точке или в двух точках внутри сжимаемых тел отраженными от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов или от задних границ оболочек снарядов ударными волнами. Третий вид сжатия с помощью отраженных ударных волн можно не использовать (размытая фокусировка или рассеяние отраженной ударной волны), если он вызывает нежелательное в том или ином случае предварительное увеличение температуры. Или, наоборот, третий вид сжатия с помощью отраженных ударных волн может быть основным, а инерционное адиабатное сжатие - второстепенным (при сравнительно тонкой задней стенке ОС). Может быть еще удар продуктов реакции или модификации кристаллической решетки о стенку реакторной камеры, но этот удар имеет отрицательную роль, и для его смягчения предлагается использовать пористый слой 12 или 18.
Ионизация давлением и ударом при больших скоростях снарядов. При достаточно больших скоростях снарядов в результате их столкновения будет происходить ионизация вещества сжимаемых тел, оболочек снарядов и полых цилиндров и последующее сжатие плазмы. Сечение ионизации мало для разреженных газов. Если же плотность вещества такая, что перекрываются электронные орбиты, и энергии сжатия достаточно, то будет происходить ионизация давлением, причем при любой температуре [Эбелинг В., Крефт В., Кремп Д. Теория связанных состояний и ионизационного равновесия в плазме и твердом теле: Пер. с англ. А.С. Каклюгина под ред. Г.Э. Нормана. М.: «Мир», 1979. С. 7]. В случае столкновения снарядов можно говорить еще и о ионизации ударом (ударными волнами).
При любом сжатии вещества в некоторый момент будет наблюдаться резкий скачек давления в веществе когда начнут перекрываться электронные орбиты большей части атомов. В этот момент требуется очень большая мощность на сжатие. При этом совершается работа против сил межмолекулярного взаимодействия, которые складываются из сил взаимного отталкивания молекул (обратно пропорциональны тринадцатой степени расстояния между молекулами) и Ван-дер-ваальсовых сил межмолекулярного притяжения (обратно пропорциональны седьмой степени расстояния между молекулами) [Дет-лаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособ. для втузов. - М.: Высш. шк., 2000. С. 169]. Но силы взаимного отталкивания молекул не бесконечны. В конце концов, электроны будут выбиты с орбит, и дальше будет сжиматься полностью ионизированная плазма. При многократном адиабатном сжатии твердого тела скачек давления будет в самом начале сжатия, т.к. атомы уже плотно уложены.
При столкновении снарядов перекрытие электронных орбит может наблюдаться вблизи плоскости удара сразу после касания снарядов, т.е. в самом начале процесса сжатия. Дальше по снарядам от плоскости удара пойдут сильные ударные волны, которые будут по крайней мере частично ионизировать материал снарядов. Полная ионизация СТ может быть завершена на этапе его адиабатного сжатия после прохождения ударной волны.
На то чтобы сжать и «сломать» электронные оболочки, ионизировать атомы за счет теплового движения ионов и электронов, а также быстрыми электронами и фотонами перед скачком уплотнения ударной волны потребуется энергия. Поэтому часть кинетической энергии снарядов пойдет на работу ионизации, остальная часть пойдет на сжатие и на нагрев плазмы, а также на различные потери.
Использование схождения («интерференции») ударных волн при сжатии снарядов по пп. 7-9 формулы. При столкновении снарядов по пп. 7-9 формулы каждая из двух болванок 9 (рис. 7) продолжает лететь по инерции, срывается (вместе со спицами 8 для крепления болванки) с тонкостенного полого цилиндра 7 (или с цилиндрического каркаса) и ударяется о хвост ОС практически с первоначальной скоростью снаряда. При этом в сжатых и уже практически остановившихся ОС и СТ (длина тонкостенного полого цилиндра 7 или цилиндрического каркаса подбирается соответствующим образом) возбуждается сильная ударная волна. Известно, что на скачке уплотнения ударной волны температура возрастает в
раз (одно из соотношений Ренкина-Гюгонио),
2
где Т - температура за скачком уплотнения;
1
Т - температура перед скачком уплотнения;
1
М - число Маха начального потока;
γ - показатель адиабаты [Султанов М.А. Газогидродинамический нагрев ударносжатой плазмы. - Душанбе: Дониш, 1990. С. 30, 34].
В момент схождения двух ударных волн в плоскости удара параметры еще больше возрастут вследствие взаимодействия («интерференции») волн. Ширина ударносжатой плазмы с нужными параметрами полученной при схождении ударных волн в плоскости удара должна быть достаточной, чтобы захватить оба сжимаемых тела, полностью рассеченных внутренним кольцевым выступом 20 (рис. 12) или разделенных изначально покрывающими слоями или стенками капсул сжимаемых тел. Лучше всего если рассечка сжимаемых тел неполная. Но и без схождения ударных волн в плоскости удара на гребне ударной волны в любом месте ее прохождения температура возрастает согласно (1).
Ударная волна будет ослабляться необходимостью осевого сжатия материала болванки, который при ударе имеет плотность обычного твердого тела. Кроме того, болванка после удара будет разлетаться радиально. Свободный радиальный разлет не позволит получить большую плотность материала болванки. Таким образом, осевое сжатие болванки и радиальный разлет болванки ослабят создаваемую ею ударную волну. Тем не менее, ударная волна все равно образуется (хотя и более слабая), т.к. в любом случае при ударе происходит передача импульса.
Дополнительный фактор, ослабляющий ударную волну от болванки когда скорости снарядов очень большие - газовое или плазменное облако, образующееся за снарядом после достижения сильной ударной волной задней границы ОС. Это облако будет препятствовать движению болванки. Газовое или плазменное облако будет уплотняться в результате испарения тонкостенного полого цилиндра 7 (или цилиндрического каркаса) при прохождении по нему сильной ударной волны. При больших скоростях предпочтительно использовать вместо сплошного тонкостенного полого цилиндра 7 цилиндрический каркас, например стержни, расположенные вдоль образующих мысленно построенного цилиндра, которые могут скрепляться кольцами. Тогда испаренный материал ОС и цилиндрического каркаса частично рассеется сквозь промежутки между элементами этого каркаса до подлета болванки. Поэтому радиус цилиндрического каркаса может быть меньше радиуса сплошного тонкостенного полого цилиндра 7, показанного на рис. 7, и спицы 8 для крепления болванки могут быть короткими.
Использование тонкостенного полого цилиндра 7 (или цилиндрического каркаса) увеличивает массу конструкции и соответственно затраты энергии на разгон снаряда, но этим решается проблема синхронизации (в пространстве и во времени) удара болванок в момент почти максимального сжатия сжимаемых тел. Таким образом, проблема синхронизации удара для полых цилиндров 5 и для болванок 9 решается одинаковым способом -особой конструкцией снаряда.
2
1
В принципе, если первоначальная скорость снаряда такая, что конечная достигнутая на этапе адиабатного сжатия DT-топлива температура в Т/Т раз меньше температуры зажигания, то произойдет «прямое (быстрое)» зажигание предварительно сжатого топлива ударной волной (если позволяет оптическая плотность). С учетом взаимодействия («интерференции») ударных волн в плоскости удара конечная достигнутая на этапе адиабатного сжатия DT-топлива температура может быть еще меньше.
Сильная ударная волна будет также распространяться с самого начала столкновения двух снарядов от плоскости удара к хвосту каждого снаряда, но СТ при этом еще не сжато адиабатно. При использовании заявляемого способа сжатия для ИТС эта первичная волна вредна для сжатия DT-топлива, т.к. вызывает его предварительный нагрев (при сжатии мишени ИТС предварительный нагрев топлива происходит быстрыми электронами).
Использование схождения («интерференции», кумуляции) двух отраженных ударных волн. В предлагаемых снарядах можно получить схождение двух отраженных ударных волн в плоскости удара или в одной точке, лежащей в плоскости удара, или в двух точках внутри сжимаемых тел. Эти волны образуются в результате отражения первичных ударных волн от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов или (при не очень больших скоростях снарядов) от хвостовых границ оболочек снарядов (рис. 17). В результате можно получить локальное повышение температуры и давления, особенно при сферической геометрии схождения [Султанов М.А. Газогидродинамический нагрев ударносжатой плазмы. - Душанбе: Дониш, 1990. С. 50, 47, 160, 197].
Это повышение температуры и особенно давления можно использовать для проведения высокотемпературных химических реакций и модификации кристаллической структуры веществ. Схождение отраженных ударных волн будет наблюдаться когда СТ уже имеет некоторую (небольшую) степень сжатия.
Отражение ударных волн от границ раздела сжимаемых тел и оболочек снарядов будет происходить при любых скоростях снарядов. Отражение ударных волн от хвостовых границ оболочек снарядов при очень больших скоростях снарядов наблюдаться не будет: при обмене скоростями у задней границы ОС крайние частицы ОС получат скорость достаточную для преодоления сил межмолекулярного притяжения, оторвутся от снаряда и распылятся за ним. В связи с этим при необходимости хвостовая часть ОС может быть выполнена из более жаропрочного материала, чем передняя и средняя части, либо ОС может быть двухслойной с более жаропрочным внешним слоем.
Если скорость снарядов и соответственно скорость и энергия первичной ударной волны не очень велика, но достаточна для расплавления материала ОС, то возможно отражение ударной волны даже от жидкой границы (расплавленной) хвостовой части ОС, т.к. силы межмолекулярного притяжения действуют и в жидкости. Однако форма жидкой границы может легко меняться.
Рассмотрим процессы, связанные с распространением ударных волн в снарядах более подробно.
Оболочка снаряда и СТ будут нагреваться первичной ударной волной, распространяющейся от плоскости удара. Известно, что энергия, передаваемая плазме (газу) сильной ударной волной, наполовину переходит в макроскопическую, кинетическую энергию частиц, а другая половина - во внутреннюю энергию среды [Султанов М.А. Газогидродинамический нагрев ударносжатой плазмы. - Душанбе: Дониш, 1990. С. 35]. В данном случае первичная ударная волна от плоскости удара пойдет в твердом теле (СТ может быть и жидким и газообразным), вызывая его нагревание (при большей скорости снарядов - расплавление, при очень большой скорости - ионизацию). Далее при отражении этой волны от границы раздела СТ и ОС или от заднего края оболочки снаряда температура материала СТ или ОС повысится (для плазмы и газа с показателем адиабаты γ=5/3 максимум в 2,4 раза), а скорость отраженной ударной волны равна половине скорости падающей волны [см. там же, с. 36-37]. Повышение параметров в СТ при отражении ударной волны при желании также можно использовать.
w
Рассмотрим процесс схождения отраженных ударных волн в снарядах. В сопутствующей снаряду системе отсчета встречный снаряд летит со скоростью 2υ, где υ - скорость снаряда относительно неподвижной системы отсчета, поэтому после удара скорость частиц за фронтом первичной ударной волны в сопутствующей системе будет равна половине встречной скорости снарядов υ=2υ/2=υ согласно [Твердые тела под высоким давлением. Ред. Пол В., Варшауэр Д. / Перевод с англ. М., «Мир», 1966. С. 433-434]. Таким образом, скорость вещества за фронтом первичной ударной волны равна нулю относительно неподвижной системы отсчета, это волна остановки вещества. Скорость самой первичной ударной волны в системе отсчета снаряда D=(4/3)υ, а относительно неподвижной системы отсчета D=(1/3)υ.
a
Сначала рассмотрим столкновение снарядов у которых граница раздела СТ и ОС плоская (рис. 17). При некоторой (небольшой) степени сжатия СТ первичная ударная волна достигнет границы раздела СТ и ОС или задней границы ОС. Здесь ударная волна отразится, потеряв энергию и половину скорости [Султанов М.А. Газогидродинамический нагрев ударносжатой плазмы. - Душанбе: Дониш, 1990. С. 37], и пойдет в обратном направлении. Затем она отразится от границы раздела СТ и ОС или от задней границы ОС встречного снаряда, затем опять отразится от границы раздела СТ и ОС или от задней границы ОС первого снаряда и т.д. (имеется ввиду столкновение снарядов по пп. 1, 4, 7 формулы). При каждом отражении ударная волна теряет энергию. Таким образом в сжимаемых телах образуется серия затухающих ударных волн.
Прошедшая из СТ в ОС ударная волна слабее первичной, поэтому ее скорость меньше (4/3)υ, скорость вещества за ее фронтом меньше υ, в результате материал ОС не остановится относительно неподвижной системы отсчета, а будет продолжать двигаться вперед с остаточной скоростью меньшей первоначальной скорости снаряда и сжимать благодаря своей инерции (кинетической энергии) СТ. Поэтому и после отражения ударной волны от границы раздела СТ и ОС сжимаемое тело будет продолжать сжиматься адиабатно, хотя и с меньшей скоростью (задняя часть ОС играет роль массивного поршня, летящего по инерции в цилиндре со сжимаемым рабочим веществом). Чем больше коэффициент отражения первичной ударной волны от границы раздела СТ и ОС тем слабее ударная волна, прошедшая в ОС, и тем выше остаточная скорость материала ОС, а, значит, сильнее осевое адиабатное инерционное сжатие СТ массивной задней частью ОС после прохождения первичной ударной волны.
Вернемся к отраженным ударным волнам. Нас будут интересовать только отраженные в первый раз ударные волны, т.к. они еще достаточно сильные. В некоторый момент в плоскости удара сойдутся две отраженные ударные волны и произойдет их взаимодействие («интерференция»), поэтому здесь (локально) дополнительно возрастут температура, давление, плотность, что можно использовать для проведения высокотемпературных химических реакций или модификации кристаллической структуры твердых тел.
Если задняя граница раздела СТ и ОС или задняя граница оболочки снаряда не плоская, а параболическая (рис. 17б, 17в), то отраженная ударная волна будет фокусироваться на оси снарядов на сжатых реактивах или модифицируемом веществе. Можно сфокусировать две встречные отраженные ударные волны в одной точке в плоскости удара (при использовании снарядов по п. 1 или по п. 4, или по п. 7 формулы), или в двух разных точках, лежащих внутри каждого СТ. При такой фокусировке параметры возрастут сильнее, чем при схождении двух плоских ударных волн. В случае плазмы, согласно [см. там же, с. 50, с. 47], для плоской кумуляции плотность возрастает в 4 раза, для цилиндрической в 16, для сферической в 64 раза. Поэтому, не смотря на потерю энергии при отражении ударной волны от границы раздела СТ и ОС или от задней границы ОС, можно локально получить некоторое увеличение параметров в плоскости или, тем более, в точке схождения ударных волн (или одной ударной волны).
Для фокусирования отраженной ударной волны, распространявшейся первоначально (до отражения) от плоскости удара в ОС (рис. 17в, сплошные стрелки) нужна параболическая задняя граница ОС и форма границы раздела СТ и ОС нормальная в каждой точке фокусируемым волновым лучам (сферический сегмент), чтобы не было преломления ударной волны на границе раздела ОС и СТ. При этом нужно учитывать возможное искажение формы границы раздела СТ и ОС при прохождении через нее первичной ударной волны, а также расходимость ударной волны в ОС. Поэтому исходные форма границы раздела СТ и ОС и форма задней границы ОС могут несколько отличаться от сферической и параболической. Если граница раздела СТ и ОС выполнена в виде вытянутого параболоида со сферическим сегментом вместо его вершины, то можно в ту же точку (или в близко расположенную) фокусировать и ударную волну, отраженную от параболической части границы раздела СТ и ОС (рис. 17в, точечные стрелки), но время схождения в точку этих двух ударных волн будет разным. Преломленная ударная волна, распространявшаяся первоначально в СТ и прошедшая в оболочку снаряда как на параболическом участке границы раздела СТ и ОС (рис. 17в, точечные стрелки), так и на сферическом, не будет фокусироваться после отражения от задней границы ОС. Преломленная ударная волна слабее исходной ударной волны, поэтому ее потеря не так уж и страшна. Если используется эффект фокусирования отраженной ударной волны, распространявшейся первоначально от плоскости удара в ОС, то боковая стенка ОС должна быть достаточно толстой (рис. 17в). При прохождении отраженной от задней границы ОС ударной волны через границу раздела ОС и СТ ударная волна потеряет часть энергии из-за отражения от этой границы.
Если граница раздела СТ и ОС параболическая, то можно сфокусировать отраженную ударную волну распространявшуюся первоначально (до отражения) от плоскости удара через СТ (рис. 17б). Фокусировку таких отраженных ударных волн можно использовать при тонкой боковой стенке ОС.
Если увеличение параметров вследствие фокусировки отраженных ударных волн в процессе сжатия конкретного вещества преждевременно и вредно, то фокусировку можно не проводить, выбирая границу раздела СТ и ОС или заднюю границу ОС плоской или закругленной (размытая фокусировка). Можно также заменить параболическую границу раздела СТ и ОС на коническую (размытая фокусировка). Подбором формы границы раздела СТ и ОС или задней границы ОС можно получить и рассеяние отраженной ударной волны.
У снарядов, показанных на рис. 1-7, происходит размытая фокусировка отраженных ударных волн, распространявшихся первоначально в ОС и в СТ. Если у этих снарядов выполнить заднюю границу ОС параболической, то такая форма ОС и показанная на рисунках форма СТ, при не очень больших скоростях подходит для отражения и фокусировки ударной волны, распространяющейся первоначально от плоскости удара в оболочке снаряда, т.к. используется толстая боковая стенка ОС. При больших скоростях, в случае если граница раздела СТ и ОС вытянутая параболическая (а не коническая как показано на рисунках), в таких снарядах будет происходить только фокусирование отраженной ударной волны, распространявшейся первоначально от плоскости удара через СТ.
Метод фокусирования отраженных ударных волн можно использовать и в классическом методе метания пластин.
При отражении ударной волны от параболической границы раздела СТ и ОС или от параболической задней границы ОС (в последнем случае - если ударная волна не очень сильная) будет происходить фокусировка ударной волны. В то же время при ударе болванки с вогнутой параболической передней поверхностью о выпуклую параболическую заднюю границу ОС фокусировки ударной волны не будет (экспериментально не наблюдается, см. выше), хотя с помощью косых ударов можно заставить отдельные шары или частицы отскакивать к общему центру.
Таким образом, при столкновении снарядов предлагаемой конструкции можно адиабатно сжимать сжимаемые тела целиком задними частями оболочек снарядов в осевом направлении, и одновременно сжимать их радиально кольцевым потоком от полых цилиндров (при их наличии), и дополнительно на начальной стадии такого сжатия можно получить локальное ударное сжатие материала сжимаемых тел в плоскости удара или в одной общей точке или в двух точках внутри сжимаемых тел при схождении отраженных ударных волн и, таким образом, получить локально дополнительное увеличение температуры, давления и плотности. Локальное ударное сжатие с помощью отраженных ударных волн может использоваться и как основной способ сжатия. Можно также получить локальное ударное дополнительное увеличение параметров сжатия в плоскости удара в момент максимального адиабатного сжатия сжимаемых тел целиком при схождении в плоскости удара ударных волн, вызванных ударами болванок о задние части оболочек снарядов на последних стадиях адиабатного сжатия сжимаемых тел.
Способы разгона. Для разгона снарядов с целью проведения высокотемпературных химических реакций и модификации кристаллической структуры веществ можно использовать различные пушки: пневматические, пороховые, газоразрядные (газ нагревается при мощном газовом разряде и толкает снаряд), электромагнитные. К электромагнитным пушкам относятся индукционные, а также рельсотрон, который позволяет разгонять тела до нескольких км/с.
Снаряды по пп. 1-9 формулы можно разгонять индукционными электромагнитными пушками, в которых под действием нарастающего магнитного поля в снарядах возбуждаются индукционные токи, взаимодействующие с нарастающим полем. При этом снаряд должен быть выполнен из проводящих материалов, за исключением, может быть, самого СТ. Если требуется избегать нагрева СТ при разгоне, то его нужно отделить от проводящей ОС теплоизолирующим не проводящим слоем, или ОС выполнить двухслойной. В качестве примера электромагнитной индукционной пушки, подходящей для разгона снарядов по пп. 1-9 формулы можно привести устройство для разгона макротел RU 2406279 С1, опубл. 10.12.2010. Это устройство создает бегущую магнитную волну, распространяющуюся со скоростью до 3 км/с.
При разгоне снарядов в электромагнитных индукционных пушках не требуется устанавливать пробки 10 за снарядами.
Средств разгона макротел массой достаточной для целей ИТС до сотен км/с необходимых для осуществления ИТС (даже для гибридного реактора) в настоящее время не существует. Плазму можно разогнать до сотен км/с в электромагнитной ударной трубе (460 км/с - см. [Макаров Ю.В., Чекалин Э.К. Физические процессы в электромагнитных ударных трубах. - М., Атомиздат, 1968. С. 16]). Но здесь разгонять нужно твердое тело достаточной массы, причем без сильного нагревания. Именно сильный нагрев метаемого тела при разгоне в любой пушке является основной проблемой, ограничивающей достигаемые параметры ударного сжатия.
Согласно [Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы. // УФН. 1966, том 88, вып. 4. С. 725-734, с. 732] алюминиевое кольцо массой 2 г разгонялось в МК-генераторе до 100 км/с, но кольцо при этом превращалось в пар, и сам МК-генератор, естественно, взрывался, что не подходит для промышленных установок.
Современные разгонные устройства позволяют разгонять снаряды до нескольких км/с. Таким образом, для осуществления ИТС требуется увеличить скорость снарядов на 1-2 порядка, причем при приемлемой для реактора длине разгонного устройства. Это очень проблематично, если вообще возможно. С учетом ограниченного ускорения (требуется сохранять форму снарядов при разгоне) длина разгонного устройства потребуется очень большая (хорошо, если десятки километров). С учетом того, что у реактора должно быть два разгонных устройства, реактор будет представлять собой очень вытянутое многокилометровое сооружение.
a
Приведем пример. Расчет с помощью простейших кинематических формул показывает, что если разгонять снаряд каким-либо способом с таким же ускорением как у пули винтовки М16 (длина ствола l=510 мм, начальная скорость пули υ=948 м/с (модификация М16А4), отсюда среднее ускорение пули в стволе =89906g), то для достижения скорости 548 км/с, при которой столкновение снарядов можно использовать как источник нейтронов, потребуется длина разгонного устройства 170 км.
При очень больших скоростях снаряды должны разгоняться в глубоком вакууме и без трения о ствол, т.е. не должны его касаться.
Принцип работы реактора. Реактор для проведения высокотемпературных химических реакций или для модификации кристаллической структуры веществ, показанный на рис. 9 при использовании пневматических, газоразрядных пушек или рельсотронов работает следующим образом.
В двух отсеках высокого давления 16 одновременно создается импульс высокого давления путем проведения газового разряда или подачи сжатого газа (или зажигания газового разряда в рельсотроне, но в рельсотроне используется и магнитное давление). Две ударные волны распространяются одновременно по отсекам высокого давления, доходят до мембран 15, разрушают их, и давят на полимерные пробки 10 снарядов 14. Материал пробок частично испаряется, давление передается на снаряды 14 и разгоняет их в стволах 13 разгонных устройств. Если позволяет форма снарядов, полимерные пробки 10 не используются. Снаряды вылетают из разгонных устройств в реакторную камеру, состоящую из корпуса 11 и пористого слоя 12, и сталкиваются примерно в ее центре. Происходит ударное (плоскими первичными и затем отраженными ударными волнами) и осевое инерционное адиабатное сжатие сжимаемых тел целиком задними частями оболочек снарядов, а также радиальное сжатие сжимаемых тел сходящимся к оси кольцевым потоком от столкнувшихся полых цилиндров (при их наличии). Осколки, брызги полых цилиндров, оболочек снарядов, прореагировавших реагентов или пылинки вещества с измененной кристаллической структурой разлетаются в разные стороны (в основном радиально), сталкиваются с пористым слоем 12 и застревают в нем. При небольшой конечной степени сжатия разлетаются не только мелкие осколки и брызги, но и отскакивают друг от друга деформированные снаряды целиком, которые также задерживаются пористым слоем 12.
При использовании электромагнитных индукционных пушек отсеки высокого давления 16 и мембраны 15 отсутствуют (разгон снарядов происходит в вакууме), полимерные пробки 10 для снарядов не нужны.
При использовании пороховых пушек в стволы 13 разгонных устройств (без отсеков высокого давления 16 и мембран 15) подаются гильзы с пороховыми зарядами и снаряды по пп. 1-6 формулы (с полимерными пробками 10 или без них), гильзы и снаряды перед выстрелом находятся в вакууме.
После каждого столкновения снарядов при использовании пневматических, газоразрядных пушек или рельсотронов нужно сменить мембраны 15, установить новые снаряды 14 (с полимерными пробками 10 или без них) и откачать инертный газ (или воздух) из реакторной камеры. В отсеках высокого давления 16 создается начальное давление. При использовании газоразрядных пушек кроме всего перечисленного в каждой из них для сохранения зазора между электродами нужно вдвинуть каждый электрод к центру отсека высокого давления (играющего роль разрядной камеры) на величину испарившейся при разряде части электрода.
При использовании пороховых пушек после каждого столкновения снарядов нужно установить в стволы новые гильзы с пороховыми зарядами и снаряды и откачать продукты горения пороха из реакторной камеры.
Использование электромагнитных индукционных пушек имеет преимущество, т.к. не требуется откачивать толкающий снаряды газ из реакторной камеры после каждого столкновения снарядов, этим увеличивается производительность реактора.
При любых используемых пушках после серии столкновений (или после каждого столкновения) нужно разгерметизировать реакторную камеру, раздвинуть полусферы корпуса реакторной камеры и сменить пористый слой 12. Затем снова соединить полусферы корпуса и откачать воздух. Отработавший пористый слой отправляется на переработку, где химическим или механическим способом отделяется прореагировавшее или изменившее кристаллическую структуру вещество от материалов пористого слоя, полых цилиндров и оболочек снарядов. Способ отделения может быть разным и зависит от вида реакции или от вещества с модифицированной кристаллической структурой: химический способ, например, растворение материала пористого слоя, полых цилиндров и оболочек снарядов в кислоте для отделения алмазного порошка [Большая советская энциклопедия, т. 1, М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1970. С. 453]; флотация полученного вещества из расплава металлов пористого слоя, полых цилиндров и оболочек снарядов; осаждение полученного вещества в расплаве; визуальное отделение полученного вещества вручную.
При небольшой конечной степени сжатия и использовании снарядов, в которых СТ покрыто спереди покрывающим слоем или СТ находится в капсуле, прореагировавшее или изменившее кристаллическую структуру вещество может не разлетаться по всей реакторной камере, а оставаться внутри деформированных снарядов, отскочивших друг от друга после столкновения. Снаряды также могут сплавиться в результате удара и застрять в таком виде в пористом слое. В этих случаях из отработавшего пористого слоя вытаскиваются деформированные снаряды, затем они вскрываются и прореагировавшее или изменившее кристаллическую структуру вещество отправляется потребителю.
-7
3
⋅7
4
При атмосферном давлении и расстоянии между электродами 1 см время пробоя газа (время формирования самостоятельного разряда) 10 с [Физическая энциклопедия. Т. 4. Гл. ред. Прохоров A.M. - М: Большая Российская энциклопедия, 1994. С. 127]. Естественно предположить, что ошибка во времени, связанная с неодновременностью разрядов, при разгоне снарядов в двух одинаковых газоразрядных пушках или в двух одинаковых рельсотронах не превосходит этой величины, умноженной на два. Тогда максимальная пространственная ошибка положения снаряда при его разгоне до конечной скорости, например, 4 км/с будет 4⋅10⋅10=4⋅10⋅ м=0,4 мм. Так как снарядов два, то максимальная ошибка положения точки столкновения снарядов, связанная с неодновременностью разрядов, будет не более 0,8 мм. Такая ошибка не определяет размер реакторной камеры. Но эта ошибка растет с увеличением скорости снарядов, а также может сказываться в реакторах малых размеров. Если потребуется уменьшить эту ошибку, можно использовать ниже следующие соображения.
Для обеспечения одновременного развития разряда в двух газоразрядных пушках или в двух рельсотронах и, соответственно, синхронного разгона двух снарядов и столкновения их примерно в центре реакторной камеры в разрядный промежуток каждой газоразрядной пушки или каждого рельсотрона можно перед выстрелом непрерывно подавать «затравочные» электроны с помощью, например, термоэлектронной эмиссии.
В принципе для синхронного разгона можно использовать один газовый разряд на оба снаряда. При этом к одной разрядной камере присоединяются две изогнутые ударные трубы («волноводы»). Но тогда возникает проблема поворота фронта ударной волны на 180° в каждой ударной трубе.
Для обеспечения защиты от пробоя стенки корпуса реакторной камеры в случае если снаряды в результате, например, сейсмического толчка не столкнулись или срикошетили (косой удар), стенка корпуса в опасных местах вблизи отверстий в корпусе реакторной камеры для вылета снарядов из разгонных устройств может иметь дополнительные слои вещества с высокой теплотой парообразования. Можно так же использовать опыт, накопленный при разработке противометеоритной защиты, например, когда метеор испаряется электрическим разрядом.
При сравнительно малых скоростях снарядов и, соответственно, малой конечной степени сжатия сжимаемых тел (которой, тем не менее, достаточно для модификации кристаллической структуры или проведения химических реакций) снаряды по пп. 1-3 формулы после удара могут не разлетаться радиально, а отскакивать друг от друга. Но большая часть кинетической энергии снарядов уйдет на остаточный (необратимый) нагрев снарядов, излучение, а так же на фазовые превращения или химическую реакцию. Поэтому скорость отскока много меньше первоначальной. Удар близок к неупругому. Снаряды могут даже сплавиться друг с другом (неупругий удар).
После столкновения деформированные снаряды и осколки снарядов могут попасть в отверстия в корпусе реакторной камеры для вылета снарядов из разгонных устройств. Можно предложить три следующих способа борьбы с попаданием отскочивших друг от друга снарядов и их осколков в разгонные устройства.
1. Большие размеры реакторной камеры. При больших размерах реакторной камеры сила тяжести отклонит отскочившие снаряды вниз. Даже без учета силы тяжести при больших размерах реакторной камеры уменьшается вероятность попадания снарядов и осколков в отверстия разгонных устройств.
2. Диаметр отверстий для пролета снарядов в корпусе реакторной камеры и в пористом слое должен быть минимально возможного размера, необходимого только для пролета снарядов. При столкновении оба снаряда деформируются, расплющиваются, их диаметр увеличивается и после их отскока друг от друга, даже если деформированный снаряд попадет прямо в отверстие, соединяющее реакторную камеру и разгонное устройство, то он не сможет пройти сквозь это узкое теперь для него отверстие, и застрянет в пористом слое, расположенном вокруг отверстия. При этом вылет следующих снарядов будет невозможен и придется разгерметизировать реакторную камеру и вытаскивать застрявший снаряд или менять весь пористый слой или его часть. Можно также предусмотреть устройство, которое сможет выбить застрявший снаряд без разгерметизации реакторной камеры. Если отскочивший снаряд попадет не в само отверстие разгонного устройства, а в пористый слой рядом с этим отверстием, то вылет следующего снаряда также может быть затруднен из-за смещения пористого слоя в отверстии. В этом случае придется или менять весь пористый слой или его часть или каким-либо способом срезать, сточить в отверстии выступающую часть пористого слоя. Таким образом, перед каждым выстрелом нужно проверять состояние отверстий для пролета снарядов в пористом слое и в корпусе реакторной камеры.
3. Можно установить в реакторной камере вместо пористого слоя, расположенного вокруг каждого отверстия для пролета снарядов, быстро вращающийся в вакууме реакторной камеры прочный диск (с пористым слоем или без него) с отверстием для пролета снарядов сквозь диск (и его пористый слой). Диск устанавливается внутри реакторной камеры непосредственно перед корпусом реакторной камеры (или перед пористым слоем). Нужно синхронизировать разгон снаряда с вращением диска таким образом, чтобы снаряд пролетел сквозь отверстие в диске, а отскочивший после столкновения снарядов деформированный снаряд попал в диск. При этом будет не только защита от отскочивших деформированных снарядов, но и защита от любых осколков, летящих назад прямо в отверстие разгонного устройства. Следует заметить, что разлет осколков все же в основном радиальный, и вероятность их попадания в отверстия реакторной камеры для пролета снарядов мала.
При использовании предлагаемого способа сжатия тел для осуществления ИТС в ГЯРДС, а также в исследовательском ТЯРИУП, и использовании снарядов по п. 4 или по п. 7 формулы, остатки оболочек снарядов, полых цилиндров, тонкостенных полых цилиндров (или элементов цилиндрических каркасов) и болванок испарятся не долетев до стенки реакторной камеры в результате нагрева продуктами ядерной реакции (γ-кванты, нейтроны, α-частицы). Таким образом, в этом случае пористый слой как таковой не нужен, но если используется смоченная первая стенка, то она по структуре фактически является тонким пористым слоем [Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шаркова. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2005. С. 80]. Тогда за пористым слоем, играющим роль смоченной первой стенки, устанавливаются: в случае ТЯРИУП - бланкет; в случае ГЯРДС - внутренний бланкет (соединения лития) и внешний бланкет (глубоко подкритичные урановые сборки, уран может быть необогащенный или обедненный, или отработанный в АЭС, что очень выгодно). Размер реакторной камеры должен быть как можно больше. При очень больших размерах реакторной камеры может использоваться сухая первая стенка [см. там же, с. 84], даже при сохранении глубокого вакуума в реакторной камере [см. там же, с. 81, табл. 4.2 на с. 77], необходимого для пролета снарядов.
Цилиндрическая реакторная камера. В цилиндрической реакторной камере реактора по п. 10 формулы (рис. 10) столкновение снарядов производят в разных периодически повторяющихся точках на ее оси последовательно от одного торца цилиндрического корпуса 17 реакторной камеры к другому (на рис. 10 точки столкновений показаны звездочками). Для этого система управления разгонными устройствами 19 должна обеспечить необходимую задержку времени начала разгона одного из снарядов. Корпус 17 такой цилиндрической реакторной камеры тоже выполняется состоящим из двух половин (двух полых полуцилиндров), которые после разгерметизации реакторной камеры можно раздвинуть и сменить пористый слой 18, состоящий также из двух половин (двух полых полуцилиндров).
Так как разлет осколков и брызг после столкновения снарядов в основном радиальный, то при такой конструкции реакторной камеры увеличивается срок службы пористого слоя и уменьшается его необходимая толщина, увеличивается производительность реактора, уменьшается ударная нагрузка на продукты реакции или модификации кристаллической структуры. Обоснуем эти преимущества.
Срок службы пористого слоя увеличивается т.к. осколки снарядов не попадают в одно и тоже место в пористом слое, при этом также уменьшается его толщина, необходимая для защиты корпуса реакторной камеры. Производительность реактора увеличивается вследствие увеличения количества столкновений производимых до замены пористого слоя. Продукты реакции или модификации кристаллической структуры лучше сохраняются от ударов, т.к. разлетающийся материал снарядов не попадает в застрявший в пористом слое материал снарядов, столкнувшихся перед этим.
Пористый слой. Разлет осколков снарядов после их столкновения в основном радиальный. В этом направлении (и, возможно, в меньшей степени в других направлениях) на внутренней поверхности корпуса реакторной камеры предлагается разместить устройство для сбора разлетающихся частей снарядов - пористый слой. Это устройство может состоять из тонкостенных металлических ячеек (сот) для сбора осколков. Принцип действия: осколок пробивает покрытие ячейки и застревает в ней. На стенке реакторной камеры может быть несколько слоев таких ячеек. Кроме того, для этой цели можно использовать пористый металл (металлическая губка), пенометалл или использовать плотно уложенные тонкостенные металлические трубки. Металл для изготовления ячеек, сот, пористого металлического слоя, твердого пенного слоя или слоя трубок должен быть достаточно пластичным (не должен быть хрупким), а при больших скоростях снарядов должен иметь высокую теплоту парообразования (например, алюминий). Ячейки, соты, пористый металл, тонкостенные металлические трубки можно заполнить водой или другим веществом с высокой теплотой парообразования. С точки зрения поддержания вакуума в реакторной камере в процессе работы реактора в качестве пористого слоя лучше всего подходят незаполненные ничем пористый металл, тонкостенные металлические трубки, тонкостенные металлические ячейки или соты (если все ячейки или соты сообщаются между собой и из них вследствие этого можно откачать воздух).
Кинетическая энергия осколков снарядов при ударе их о пористый слой расходуется на деформацию материала пористого слоя, и, как следствие, на его нагрев, вплоть до плавления, а при больших скоростях снарядов и на нагрев жидкой фазы и, в конце концов, на испарение материала пористого слоя (при еще больших скоростях - еще и на ионизацию). Если пористый слой заполнен водой или другим веществом с высокой теплотой парообразования, то кинетическая энергия осколков снарядов будет также расходоваться и на испарение этого вещества. Поэтому пористый слой будет смягчать удар осколков, охлаждать их, накапливать продукты реакции или кристаллической модификации и уменьшать ударную нагрузку на корпус реакторной камеры.
Размер пустого пространства внутри реакторной камеры может быть небольшим, т.е. почти вся реакторная камера может быть наполнена пористым слоем. Так даже можно несколько увеличить степень сжатия, т.к. у разлетающихся полых цилиндров появляется как бы опора из пористого материала, что усилит внутренний кольцевой выступ 22 полых цилиндров (рис. 12, рис. 14). Однако так усиливается неоднородность сжатия из-за структуры пористого слоя. Если требуется очень большая степень сжатия, то такое решение неприемлемо. Пример: неравномерность сжатия мишени ИТС допускается не более 1% [Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шаркова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. С. 17] (но для ТЯРИУП стенка реакторной камеры должна находиться далеко от центра взрывов и пористый слой как таковой не нужен, т.к. осколки снарядов испарятся, не долетев до стенки; пористый слой в ТЯРИУП может играть только роль смоченной первой стенки). Поэтому если требуется высокая однородность сжатия, пористый слой нужно размещать на достаточном расстоянии от места столкновения снарядов. Можно также уменьшать размеры пор, ячеек, сот, диаметр трубок.
Хорошая равномерность сжатия и большая степень сжатия были бы при отсутствии пористого слоя и близкой стенке реакторной камеры, или при столкновении снарядов в одном общем очень прочном стволе двух разгонных устройств. Но тогда получится сильный поток продуктов столкновения назад в сторону каждого разгонного устройства и сильное радиальное давление на стенку реакторной камеры или на общий ствол. Получается одноразовый реактор или одноразовый общий ствол разгонных устройств.
Еще один недостаток заполнения почти всего внутреннего пространства реакторной камеры пористым слоем - отскочившие друг от друга после столкновения деформированные снаряды, осколки снарядов и смещенный ими пористый слой могут препятствовать пролету следующих снарядов, поэтому придется чаще менять пористый слой, что уменьшает производительность реактора.
При сравнительно небольших скоростях снарядов и, соответственно, небольшой конечной степени сжатия после столкновения снаряды не разлетятся полностью радиально-деформированные снаряды отскочат в противоположных начальным скоростям направлениях. В этом случае пористый слой будет задерживать не только мелкие осколки и брызги, но и почти целые деформированные снаряды. Тогда, чтобы избежать разлета материала сжимаемых тел из отскочивших друг от друга деформированных снарядов (чтобы потом не собирать его по всей реакторной камере), лучше использовать снаряды по пп. 2 и 3, 5 и 6, 8 и 9 формулы, а снаряды по пп. 4 и 7 формулы лучше подходят для ИТС.
Если при сравнительно небольших скоростях снарядов используются полые цилиндры, то их материал, а также материал оболочек снарядов должен быть достаточно пластичным, а не хрупким, чтобы он мог растекаться от оси и стекаться к оси симметрии (а не разлетаться и «рассыпаться»).
Недостатки предлагаемого способа сжатия.
Прерывистый характер производства. Необходимость периодически разгерметизировать реакторную камеру и менять пористый слой.
Необходимость принятия дополнительных мер для защиты от пробоя корпуса реакторной камеры в случае, если снаряды в результате, например, сейсмического толчка не столкнулись или срикошетили (косой удар).
При большой конечной степени сжатия будет происходить радиальный разлет продуктов реакции или модификации кристаллической структуры и удар их о стенку (пористый слой), в результате которого продукты реакции или модификации могут разрушиться или повредиться. При этом также возникает необходимость отделения продуктов реакции или модификации кристаллической структуры от материалов пористого слоя, полых цилиндров и оболочек снарядов. Эта проблема исчезает при использовании предлагаемого способа сжатия для ИТС, но тогда появляются другие проблемы.
При использовании предлагаемого способа сжатия тел для осуществления ИТС необходимо разгонять снаряды достаточной для этой цели массы до скоростей в сотни км/с и выше. Таких разгонных устройств в настоящее время не существует. Кроме того, в целях сохранения формы снарядов при разгоне длина разгонных устройств должна быть очень большой. В связи с очень большими скоростями снарядов необходима разработка защиты от пробоя корпуса реакторной камеры в случае, если снаряды не столкнулись или срикошетили.
Преимущества предлагаемого способа сжатия.
Достигаемые динамические давления и температуры намного больше, чем можно получить при статических методах, и больше чем можно получить при известных динамических методах. В отличие от классического динамического метода получения высокого давления, с помощью предлагаемого способа сжатия можно получить большую степень сжатия.
При одинаковом способе разгона встречная скорость снарядов в 2 раза больше чем скорость одного ударника в классическом способе ударного сжатия, поэтому ударная волна сильнее. С другой стороны это ослабляет требования к разгонным устройствам.
Можно доказать, что для получения одного и того же динамического высокого давления (в ударной волне), по энергии, затрачиваемой на разгон, использование столкновения снарядов в 2 раза более эффективно, чем использование столкновения одного снаряда с неподвижной мишенью.
В предлагаемом способе сжатия может использоваться схождение («интерференция») и фокусирование (кумуляция) отраженных ударных волн, в результате локально в плоскости удара или в одной точке, лежащей в плоскости удара, или в двух точках внутри сжимаемых тел можно получить увеличение параметров сжатия. Схождение и фокусирование ударных волн можно использовать и как дополнительный, и как основной способ сжатия в предлагаемых снарядах (или его можно вообще не использовать).
В предлагаемом способе сжатия используется адиабатное инерционное сжатие СТ целиком массивной задней частью оболочки снаряда после прохождения по снаряду ударной волны, а не только ударное сжатие (ударной волной). Поэтому можно достигнуть большой степени сжатия. Кроме того, например, при ударном и последующем адиабатном сжатии графитового СТ в предлагаемых снарядах могут получиться более крупные кристаллики алмазов, чем от одной только ударной волны: микрокристаллы алмазов полученные прямым преобразованием графита в алмаз действием ударной волны можно на втором этапе использовать как затравочные [Безруков Г.Н., Бутузов В.П., Самойлович М.И. Синтетический алмаз. М., «Недра», 1976], т.е. немного дорастить их в процессе адиабатного сжатия.
Для предлагаемого способа сжатия характерна большая скорость реакции или модификации кристаллической структуры, а значит, в принципе (развивая конструкцию реакторной камеры и используя сохраняющие вакуум электромагнитные индукционные пушки), можно получить и большую производительность реактора, чем при использовании статического давления.
При использовании предлагаемого способа сжатия в исследовательском ТЯРИУП нет проблемы фокусировки пучка с большого расстояния на мишень (как при использовании ионного или электронного драйверов). Поэтому размер реакторной камеры, с этой точки зрения, может быть каким угодно большим. Передняя стенка может быть достаточно далеко (например, 20-30 м) от центра микровзрыва, поэтому ее долговечность больше: плотность потока нейтронов у далекой стенки меньше, значит, ее прочность в результате насыщения нейтронами будет медленнее уменьшаться. Долговечность реактора в 5-6 лет из-за насыщения нейтронами [Физическая энциклопедия. Т. 5. Гл. ред. Прохоров A.M. - М: 1998. С. 233] не может устраивать, а здесь можно ее увеличить в разы. При больших размерах реакторной камеры можно обойтись без струйного жидкого бланкета, без смоченной первой стенки и использовать сухую первую стенку при сохранении глубокого вакуума в реакторной камере [Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шаркова. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2005. С. 75-87], что упрощает конструкцию и энергопотери. В ГЯРДС при большом размере реакторной камеры глубоко подкритичные урановые сборки будут находиться в менее агрессивных условиях. Однако большие размеры порождают проблему захоронения такой реакторной камеры, характерную также и для реакторов с магнитным удержанием плазмы. Следует заметить, что захоранивать нужно только саму реакторную камеру, а многокилометровые разгонные устройства действию радиации практически не подвергаются. К сожалению, для осуществления ИТС требуются скорости снарядов в сотни км/с и выше, которые в ближайшие десятилетия не могут быть достигнуты.
Преимуществом как ТЯРИУП так и ГЯРДС является невозможность разгона реактора. Преимуществом ГЯРДС является также возможность использования отработанного в АЭС урана.
3
14
3
2
3
13
20
В заключение заметим следующее. С точки зрения современной техники скорости макротел в сотни км/с (а встречная скорость в 2 раза выше) и плотности в сотни г/см слишком большие. Но с точки зрения астрофизики они унизительно маленькие. Скорость плазмы на этапе сжатия будущей сверхновой звезды за 2 мс перед полным коллапсом звезды (с последующим ее расширением - вспышкой сверхновой) превышает 10000 км/с [Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Цюбер К. Астрофизика элементарных частиц: Пер. с нем. / Под ред. В.А. Беднякова. - М.: Редакция журнала «Успехи физических наук», 2000. - 496 с. - Библиогр.: 1459 назв. С. 399, рис. 13.7], причем радиус звезды в этот момент превышает 1000 км, а масса измеряется массами Солнца. Плотность вещества звезды в конце сжатия перед расширением доходит до плотности атомных ядер ρ>10 г/см [см. там же, с. 400], а технически очень трудно получить даже 10 г/см. В области разгона элементарных частиц также лидирует природа: в Большом адронном коллайдере планируют сталкивать протоны, разогнанные до энергии 7 ТэВ, т.е. почти 10 эВ [Википедия > Большой адронный коллайдер: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9%D0%B0%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B0%D0%B9%D0%B4%D0%B5%D1%80], в то же время в космических лучах встречаются частицы с энергией порядка 10 эВ [Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Цюбер К. Астрофизика элементарных частиц: Пер. с нем. / Под ред. В.А. Беднякова. - М.: Редакция журнала «Успехи физических наук», 2000. - 496 с. - Библиогр.: 1459 назв. С. 227-251].