Способ осуществления инерционного термоядерного синтеза и преобразования полученной энергии

 

Изобретение относится к термоядерной энергетике. Способ включает генерацию сферической кавитационной полости при воздействии ультразвуком на электропроводящую жидкость, в качестве которой используется D₂O + KOD. Под воздействием мощной сферически сходящейся волны происходит коллапсирование с последующим преобразованием энергии микровзрыва посредством Виллари-преобразования и МГД-генерации. Изобретение направлено на осуществление управляемой термоядерной реакции с последующей эффективной утилизацией энергии. Способ реализуется в компактном устройстве. 11 ил.

Изобретение относится к инерционным системам управляемого термоядерного синтеза и предназначено для получения энергии.

Известны экспериментальные реакторы инерционного типа (Басов Н. Г. "Состояние, перспективы и проблемы Л.Т.С. в энергетике будущего", Природа, 1978 г. , N 6). В этих реакторах термоядерный синтез происходит в небольшом характерном объеме (100 мкм), при плотности 10²⁵ ядер реагента в 1 см³. Реакция протекает за время 10^-10 с. В результате происходит микротермоядерный взрыв с энерговыделением порядка 10⁸ Дж. Энергию микротермоядерного взрыва можно преобразовать в электрическую.

В реакторах инерционного типа имеется камера, в центр которой помещается мишень. Мишень представляет собой многослойную сферу диаметром 0,5 - 1,5 см, центральная часть которой дейтерий - тритиевый (D+T) реагент. На мишень сферически симметрично подается импульс с энергией 10⁶ Дж и мощностью 10¹⁴ Вт. В качестве драйвера энергии применяются или лучи лазера, или пучки релятивистских электронов. К лазерным системам относится экспериментальная установка "Кальмар", к электронным - "Ангара". Недостатком упомянутых установок являются сравнительно низкие энергетические параметры (недостаточные для инициирования эффективного синтеза). Установка "Дельфин-3" имеет следующие параметры: число пучков -12; энергия - 20 кДж; длительность импульса - 0,1 - 10 нсек.

К недостаткам установки "Дельфин - 3" следует отнести малый КПД преобразования энергии в лазерное излучение, составляющий 1-3%. Установка отличается большими геометрическими размерами, требует высокой точности монтажа и сложнейшей системы управления. Не решена до конца проблема эффективной коммутации лазерных лучей на мишень. Неудовлетворительно решается проблема выполнения режима абляции из-за предварительного прогрева реагента (вторичная передача энергии с облучаемой оболочки). Существует проблема "первой стенки". Главным недостатком установки "Дельфин -3" и ее аналогов является потребность в большом количестве мишеней, которые изготовляются с очень высокой точностью (допустимые отклонения от сферичности ≈ 1 мкм). Производство мишеней - сложный технологический процесс.

Наиболее близким прототипом к заявляемому изобретению является способ, предложенный в американском патенте US 4333796 A (HUGH G FLYNN), именуемом: "Способ генерирования энергии посредством акустически индуцированного кавитационного синтеза и реактор для осуществления этого способа".

Предложенный в прототипе способ заключается в генерировании в камере реактора кавитационного процесса с помощью ультразвукового воздействия. Активная среда в камере является жидким металлом (литий), в котором растворен специально подаваемый дейтерий. В результате кавитационного синтеза должен нарабатываться тритий, необходимый для эффективного протекания последующих циклов реакции и утилизации.

К недостаткам предложенного способа, описанного в прототипе, следует отнести отсутствие комплексного (в единой установке) преобразования энергии до вида, доступного для потребления. Показанный в прототипе способ подразумевает необходимость применения целых цепочек энергопреобразования со всеми неизбежными потерями. Кроме того, в должной мере не рассматривается стадия подготовки активной среды (жидкий металл). Конфигурация ультразвуковых излучателей, по описанию и прилагаемому чертежу, не даст сферически сходящейся ультразвуковой волны. Это еще один канал энергетических потерь. В результате суммирования только перечисленных недостатков КПД способа, заявленного в прототипе, будет заведомо невысок.

К описанию изобретения прилагаются фиг. 1 - 11.

На фиг. 1 изображено продольное сечение реактора.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение реактора.

На фиг. 3 изображена схема формирования сходящихся сферически - симметричных ударных волн.

На фиг. 4 изображен генератор ударных волн - компоновочная схема.

На фиг. 5 изображена схема элементов встроенного в реактор дискового холловского МГД - генератора.

На фиг. 6 изображено продольное сечение канала удаления парогазовых продуктов микровзрыва.

На фиг. 7 изображена гидравлическая схема заполнения камеры реактора охлажденной электропроводящей жидкостью.

На фиг. 8 изображена принципиальная схема циркуляции жидкости и газов по термодинамическому контуру.

На фиг. 9 - 11 изображены сечения трубопроводов реактора, устойчивые к гидроударам, внережимному промерзанию.

Целью настоящего изобретения является осуществление управляемой термоядерной реакции с последующей эффективной утилизацией энергии способом, отличающимся высокими удельной мощностью и КПД. Способ реализуем в компактном устройстве. Изобретение квалифицируется автором как пионерное.

Поставленная цель достигается тем, что камера реактора содержит электропроводящую жидкость D₂O (D - дейтерий, О - кислород). Проводимость обеспечивается добавлением щелочи KOD (K - калий). В центре камеры с помощью ультразвука образуется сферичная кавитационная полость (каверна) диаметром ≈ 2 см. В каверну (полость) в течение 0,01 сек диффундируют растворенные в жидкости газы : D; Т; ₂He³ и пары D₂O. Затем сферически симметрично на каверну подается мощная ударная волна с энергией n · 10⁵ Дж. В результате происходит коллапс полости в режиме, близком к адиабатическому (n определяется экспериментально). Кавитационная каверна в данном случае - термоядерная мишень. При выполнении следующих условий: сферичность полости (правильная форма), совпадающие центра полости и фокуса ударной волны, достаточная мощность (n · 10⁵ Дж) и малое поперечное сечение волны, в фокусе после схлапывания создаются термоядерные параметры: P > 10¹¹ ати; t⁰ > 10⁸.

Выполняется критерий Лоусона nτ > 10¹⁶(D+D), n - (плотность для инерционной схемы) достигает значения .......... 10²⁵/см³
τ - (эффективное время) 1/10⁹ сек.

Происходит микротермоядерный взрыв с энерговыделением 10⁷-10⁸ Дж с проявлениями:
а) ударной взрывной волны;
б) гидростатического давления газового пузыря;
в) нейтронного излучения.

Энергия ударной взрывной волны преобразуется посредством эффекта Виллари (обратной магнитострикции) в электрическую. Газовый пузырь продуктов взрыва вытесняет электропроводящую жидкость из камеры реактора. Электропроводящая жидкость радиально истекает из камеры, пересекает силовые линии магнитного поля, происходит холловский МГД - процесс генерации тока.

Нейтронное излучение частью способствует образованию газового пузыря. Остальная часть нейтронного излучения нагревает электропроводящую жидкость и конструктивные элементы реактора. Избыточное тепло от конструкций и собственно в электропроводящей жидкости "сбрасывается" в холодильнике излучателя.

Предлагается схема реактора (фиг.1):
1 - камера реактора;
2 - канал удаления парогазовых продуктов микровзрыва ;
3 - генератор ударной волны;
4 - акустическая линза большой скорости звука;
5 - акустическая линза малой скорости звука;
6 - кольцевой канал дискового холловского МГД - генератора;
Сечение А-А фиг.2:
7 - силовая конструкция - демпфер;
8 - электромагнитные обмотки;
9 - гидропривод подачи охлажденной электропроводящей жидкости;
10 - гидропривод отвода нагретой электропроводящей жидкости;
11 - парогазопровод отвода продуктов микровзрыва на холодильник - конденсатор;
12 - канавки для создания вращательного момента подаваемой в камеру электропроводящей жидкости.

Для достижения сферичности подающейся в камеру волны необходимы акустические линзы. Принцип действия акустической линзы основан на разной скорости звука в различных твердых материалах. В результате применения акустических линз фронт волны на выходе в жидкость имеет форму полусферы. Для создания геометрии полной сферы следует применить систему из двух излучателей, направленных навстречу друг другу, синхронизированных по времени с допустимыми отклонениями ~ 10^-6 сек. Система из двух излучателей УЗВ и двух генераторов ударной волны оптимальна.

Излучающая внутренняя поверхность камеры не обладает правильной сферичностью, а представляет собой линзовидную конфигурацию. Сферичность волны достигается избыточностью фокусировки по отношению к кривизне поверхности излучения. См. фиг. 3.

Излучатель ультразвуковой волны основан на магнитострикционном эффекте. Магнитострикционный излучатель наиболее надежен в экстремальных условиях термоядерного реактора. Длина стержня сердечника магнитострикционного излучателя l = λ/2 = 1 см, λ = - длина волны в см.

Генератор ударной волны (драйвер) так же как излучатель ультразвуковых волн основан на использовании магнитострикционного эффекта. Для достижения большой мощности магнитострикционного генератора необходимо большое значение относительного удлинения магнитострикционного материала.

K = ΔL/L₀ _→ max;
ΔL/L₀ = (L-L₀)/L₀;
L₀ - длина стержня первоначальная;
ΔL - удлинения стержня в магнитном поле;
L - длина стержня в магнитном поле;
K - относительное удлинение стержня.

Максимальное значение этот эффект принимает у ферромагнитных материалов, включающих некоторые лантаноиды (гигантская магнитострикция).

ΔL/L₀ до 1/100; при L₀=L_м удлинение достигает 1 см.

При простой магнитострикционной генерации такая длина стержня даст волну
λ = 2L₀=2 м, что неприемлемо (слишком большая длина волны).

Для уменьшения длины волны до приемлемых значений (≈ 1 см) предлагаю соосно с излучателем ультразвуковых волн расположить ближе к камере магнитострикционный генератор ударной волны.

См. фиг.4, где показано:
3 - генератор ударной волны;
4;5 - акустические линзы;
13 - излучатель ультразвуковых волн.

Формирование ударной волны выглядит следующим образом.

Излучатель ультразвуковых волн подает в камеру реактора ультразвук для формирования кавитационной полости. Мощность ультразвуковых волн подобрана таким образом, чтобы в центре камеры, в фокусе ультразвукового излучения, сформировалась единичная каверна (полость). Ультразвук пересекает генератор ударных волн, в котором в долгопериодном режиме (t= 0,1 сек.) происходит перемагничивание.

H_поля растет до H_max и затем через О_до - H_max.

Процесс описывается петлей гистерезиса. В момент, когда внешнее поле соленоида (Н) приобретает отрицательное значение (-Н), в сердечнике некоторое время остается положительная намагниченность (+М). Это состояние неустойчиво и под воздействием достаточно мощного внешнего импульса (выше порогового значения) переходит в равновесие с внешним полем. В данном случае внешним импульсом будет ультразвуковой одиночный импульс (солитон). Ультразвуковой излучатель работает в двух режимах. Первый режим - создание относительно слабого ультразвука для формирования каверны (полости). Второй режим - повышенной мощности импульс для воздействия на сердечник генератора ударных волн. Импульс создает волну, которая, проходя через генератор ударной волны, многократно усиливается, затем достигает акустических линз и фокусируется на кавитационной полости. При этом длина волны остается малой (≈ 1 см), что и требовалось получить.

Генератор ударной волны является одновременно Виллари-преобразователем (эффект, обратный магнитострикционному). Через генератор ударной волны после микровзрыва проходит ударная взрывная волна, энергия которой трансформируется в электрическую.

Электроды МГД - преобразователя целесообразно расположить так:
положительный - на демпферах (14);
отрицательный - на газовыпускном канале (15) (канал удаления парогазовых продуктов микровзрыва). См. фиг. 5.

Проблема удаления парогазовых продуктов микровзрыва решается применением каналов удаления парогазовых продуктов микровзрыва (2). См. фиг. 1.

Канал представляет собой круглую в сечении трубку, помещенную коаксиально по центральной оси реактора. Приемный конец канала расположен наиболее близко к центру камеры реактора. Газовый пузырь, увеличиваясь в размерах, в первую очередь коснется приемных концов каналов. Канал удаления парогазовых продуктов микровзрыва работает как вентиль, относительно свободно пропускающий газ, но задерживающий жидкость.

См. фиг.6. Движение от А к Б:
16 - пороги гидросопротивления;
19 - контур парогаза.

Поступление жидкости в канал удаления продуктов микровзрыва ограничивается количеством, необходимым для охлаждения канала, нагретого после прохождения порции парогазовых продуктов.

В момент выхода парогаза из камеры реактора освободившийся объем займет электропроводящая жидкость (D₂ O+KOD). В отличие от динамического потока под давлением парогазового пузыря, когда скорость движения жидкости максимальна, в момент поступления ее в камеру реактора скорость на порядок меньше и на направление движения жидкости окажут влияние направляющие канавки. См. фиг. 7, где показано:
12 - направляющие канавки;
23 - газовый пузырь.

В результате появляется вращающий момент и поступающая в камеру реактора жидкость закручивается вокруг продольной оси реактора.

В процессе работы реактора тепло аккумулируется теплоносителем (электропроводящая жидкость). В результате теплоноситель находится в двух агрегатных состояниях. В устройстве предусматривается сброс тепла в радиаторах, теплоноситель приводится в единое жидкое агрегатное состояние и вновь поступает в камеру реактора. Цикл показан на фиг. 8, где
1 - камера реактора;
17 - контур охлажденной электропроводящей жидкости;
18 - контур нагретой электропроводящей жидкости;
19 - контур парогаза;
20 - сепаратор;
21 - клапан выпуска газа (дивертор);
22 - насос.

В цикл включена система удаления шлаков ₂He⁴; ₂He³ (₂He³ - хороший термоядерный реагент, но плохо растворим в воде).

Батареи радиаторов следует выполнить в виде труб звездообразного сечения. См. фиг.9 - 11. Это позволяет смягчить динамические нагрузки и избежать последствий гидравлических ударов. Радиаторы многосекционные и автоматически перекрывающиеся посекционно при разгерметизации. Для этого на входе и выходе каждой секции расположен клапан. Радиаторы реактора в процессе эксплуатации погружены в жидкую среду.

Эффективность предлагаемого способа автором численно не определена. Внедрение устройства, отличающегося компактностью, высоким КПД преобразования энергии, большим ресурсом эксплуатации (отсутствует проблема "первой стенки"), стабильностью эксплуатационного режима, позволит перейти к практической реализации проблемы управляемого термоядерного синтеза. Способ реализуем на Земле и в космосе. Способ может стать базовым по перевооружению энергетики и наращиванию ее мощности без существенного негативного экологического воздействия. Перспективное применение данного способа - энергетический орган кибернетической реплицирующей субстанции на множестве унифицированных модулей.

Формула изобретения

Способ осуществления термоядерных реакций, включающий генерацию сферической кавитационной полости при воздействии ультразвуком на электропроводящую жидкость и коллапсирование под воздействием мощной сферически сходящейся волны с последующим преобразованием энергии микровзрыва, отличающийся тем, что в качестве электропроводящей жидкости используется D₂O + KOD, а преобразование энергии микровзрыва осуществляется посредством Виллари-преобразования и МГД-генерации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11