УСТРОЙСТВО БЕССТРУЙНОГО УДАРНОВОЛНОВОГО СЖАТИЯ ГАЗОВВОДА

Полезная модель относится к области исследований газодинамического термоядерного синтеза (ГДТС) и применяется для сосудов высокого давления, претерпевающих ударноволновые воздействия, в частности дейтерий-тритиевые мишени в широко известных исследованиях ГДТС.
Известно устройство для формирования пересжатой детонацией высокого сжатия материалов цилиндрической трубки (п. Канады №2460762, МПК B01J 3/08, F42B 12/06, опубл. 2004 г. ), которое содержит стержень, окруженный зарядом взрывчатого вещества (ВВ). При использовании устройства сжатие стержня также осуществляется за счет продуктов детонации. В данном устройстве исследованы разные режимы сжатия материала трубки, в том числе и пересжатой детонацией. Это позволяет добиться большей плотности сжимаемого материала. Следует отметить, что полость в стержне отсутствует, в связи с чем отсутствует и кумулятивная струя. При наличии такой полости (для обеспечения возможности транспортировки газа без полости не обойтись) в данном устройстве сразу сформируется газометаллическая струя, что не позволит обеспечить высокую чистоту сжимаемого газа.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области сверхвысоких давлений (п. РФ №2545289, МПК B01J 3/08, G01N 7/00, 9/00, опубл. 2015 г.), которое содержит заряд ВВ, охватывающий металлическую оболочку с полостью для напуска газа, соединенную трубопроводом с системой наполнения газом. Вдоль оси трубопровода установлен полый металлический стержень, внутри которого размещена термопара. Со стороны полости трубопровод выполнен расходящимся под заданным углом, с образованием в оболочке отверстий, через которые в полость поступает исследуемый газ. Количество отверстий и угол их расхождения выбираются, исходя из геометрических размеров устройства.
Данное устройство обеспечивает высокую точность проводимого эксперимента за счет высокой чистоты сжимаемого газа посредством ликвидации образования газометаллической струи из трубопровода и предназначено для исследования сжимаемости газов в области сверхвысоких давлений.
Однако, наличие металлического стержня или заглушки с образованием в оболочке отверстий, расходящихся под определенным углом к оси трубопровода, может привести к загрязнению сжимаемого газа этой же заглушкой и частью металлического стержня при работе устройства.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, - обеспечение высокой чистоты сжимаемого газа.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - недопущение формирования паразитной струи в газовводе.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве бесструйного ударноволнового сжатия газоввода, которое содержит газоввод, соединенный с системой наполнения газом и полостью, окруженной зарядом ВВ, особенностью является то, что использован газ надпороговой плотности, а полость образована частью газоввода, которую охватывает заряд ВВ.
Общеизвестно, что при размещении газоввода (цилиндрической полой трубки) в ВВ после детонации возникают сходящиеся детонационные волны и под их воздействием полость трубки схлопывается. Это, в свою очередь, приводит к формированию кумулятивной струи из частиц металла, которые засоряют внутреннее пространство полости. Если плотность газа в системе мала, то в газовводе формируется газометаллическая струя, втекающая в полость и засоряющая ее. Для осуществления ГДТС очень важным условием является высокая чистота сжимаемого газа, так как засорение сжимаемого газа инертными металлическими частицами снижает температуру и плотность сжатого топлива и, как следствие, не дает возможности зажечь термоядерную реакцию. Также кумулятивная струя не дает возможности разместить в полости датчики, что, в свою очередь, препятствует получению информации о происходящих при сжатии процессов. Способами теоретического моделирования и физического экспериментирования авторы определили, что негативного влияния засорения удается избежать в режиме бесструйного сжатия газоввода. Этот режим достигается, если перед взрывом повысить плотность газа в системе до порогового значения и выше. Использование газа надпороговой плотности позволяет при воздействии ударных волн, которые деформируют стенки полости путем их схлопывания, эффективно противодействовать процессу формирования кумулятивной струи. За счет газа надпороговой плотности происходит снижение геометрической кумуляции энергии на оси газоввода, где происходит фокусировка ударных волн. При этом не создаются условия для образования газометаллической кумулятивной струи в газовводе. Таким образом, происходит ликвидация (недопущение формирования) кумулятивной струи, имеющей паразитный характер (исключается загрязнение полости металлическими частицами), что в свою очередь обеспечивает высокую чистоту сжимаемого газа.
Кроме того, обеспечивая возможность такого до сих пор неизвестного определения данных, настоящее техническое решение облегчает оценку порогового значения плотности газа и позволяет оценить риск того, что при смене материала газоввода либо ВВ, технологии и качества их изготовления, не изменится пороговое значение плотности газа. В самом деле, для существующих исследований ГДТС мешает недостаточное понимание последствий влияния этих различных факторов на чистоту сжимаемого топлива.
В настоящее время не существует и не разрабатывается эквивалентных или аналогичных средств. Для специалистов будет очевидно, что предлагаемое техническое решение обеспечивает уникальную рабочую область, которая дает большие возможности для научных исследований.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данной полезной модели. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства.
На фиг. 2 представлена зависимость опережения газометаллической струи относительно детонационного фронта от плотности газа в полости трубопровода.
В состав устройства бесструйного ударноволнового сжатия газоввода (фиг. 1) входят: система наполнения газом 1 (например, баллон с газом), заряд ВВ 2, газоввод 3, полость 4 для напуска газа.
Полость 4 для напуска газа образована частью газоввода 3, которую охватывает заряд ВВ 2. При этом газоввод соединен с баллоном 1, в котором находится газ надпороговой плотности (под высоким давлением).
Т.к., устройство предназначено, в том числе, для изучения газодинамических процессов, в полости 4 размещается система регистрации 5 контролируемых параметров.
Заявленное устройство работает следующим образом. В полость 4 закачивается газ надпороговой плотности, после чего инициируют заряд ВВ. При инициировании детонационная волна скользит вдоль стенок полости, создавая серию сходящихся и отраженных от оси ударных волн, приводящих к схлопыванию стенок полости. Наличие и величину ударных волн контролируют системой регистрации 5. При этом газ надпороговой плотности, закачанный в полость 4, устраняет образование газометаллической струи, что позволяет обеспечить чистоту закачиваемого газа, а также живучесть размещенных в полости датчиков.
3
По проверке работоспособности устройства были проведены эксперименты. В проведенных экспериментах наличие газа надпороговой плотности - аргона плотности ~0,12 г/см (давление в системе 7 МПа) - полностью ликвидировало струеобразование, при этом стоит отметить, что наличие газа устраняет формирование кумулятивной струи постепенно.
На фиг. 2 по оси абсцисс отложено давление аргона в газовводе (атм). По оси ординат отложена разновременность Δt (мкс), характеризующая опережение струи относительно детонационного фронта по окончании детонации заряда ВВ 88 длиной 100 мм и диаметром 30 мм. Газоввод - стальная трубка диаметром 3 мм и толщиной стенки 1 мм. В бесструйном варианте ударноволнового сжатия газоввода величина Δt=0. Это имеет место при давлении газа в полости Р=70 атм=7 МПа, чему соответствует плотность аргона 0,12 г/см3 при комнатной температуре.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность размещения в полости датчиков, позволяющих регистрировать газодинамические процессы вплоть до ее* схлопываиия, методиками на различных физических принципах, а также обеспечивается высокая чистота сжимаемого газа. При этом не требуется изменять конструкцию системы наполнения, что влечет за собой дополнительные расходы.
Представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области газодинамического термоядерного синтеза (для обеспечения высокой чистоты сжимаемого газа и, как следствие, повышение максимальной температуры и плотности топлива);
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».