Спосіб здійснення реакції термоядерного синтезу

Реферат: Спосіб здійснення реакції термоядерного синтезу із використанням дейтерію, в якому після розгону негативно заряджених іонів дейтерію до великої швидкості, яка відповідає енергії приблизно 10 кеВ, за рахунок дії на них електронів та електричного поля при іскровому розряді. Частину цих негативно заряджених іонів дейтерію піддають дії лазерного випромінювання великої потужності та спрямованого в напрямку, протилежному напрямку руху іонів дейтерію, в наслідок дії якого ця частина іонів дейтерію змінює напрямок свого руху на протилежний та наближається до основної маси іонів дейтерію, що не міняють напрямку руху, на відстань, достатню для здійснення реакції термоядерного синтезу, за рахунок чого відбувається реакція термоядерного синтезу. UA 93079 U (54) СПОСІБ ЗДІЙСНЕННЯ РЕАКЦІЇ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗУ UA 93079 U UA 93079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів здійснення реакції термоядерного синтезу та пристроям для здійснення цього синтезу. Некерована реакція термоядерного синтезу здійснюється у водневій бомбі. Роботи по здійсненню керованої реакції термоядерного синтезу проводяться у двох основних напрямках: використання установок Токамак з тороідальною камерою, та використання установок з лазерним імпульсом для розігріву речовини. Найбільших успіхів, а саме отримання максимально можливої температури, було досягнуто при використанні установок лазерного імпульсу. Внаслідок сферично-симетричного опромінювання дейтерієвої мішені лазерним випромінюванням мішень розігрівалася до шістдесяти мільйонів градусів. Одночасно виникали нейтрони, що вказує на можливість термоядерної реакції з використанням лазерних систем /Маркушевич А.И. Детская энциклопедия.Т.3 - М.:Педагогика, 1973/. Перевагою сферично-симетричного опромінювання є висока температура та поява нейтронів, яких вдалося досягти. Недоліком є, незважаючи на досягнуті результати, відсутність реакції термоядерного синтезу. В основу корисної моделі поставлено задачу знайти спосіб здійснення реакції термоядерного синтезу шляхом використання установок лазерного випромінювання, а також створити пристрій, який дозволить здійснити реакцію даним способом. Нагадаємо, що для здійснення реакції термоядерного синтезу необхідно якимось чином наблизити два атоми дейтерію один до одного на дуже малу відстань, а для цього вони повинні рухатися на зустріч один до одного з великою швидкістю. При цьому даний рух, наближення та реакція повинні відбуватися в такому пристрої, який би дозволив ефективно використовувати енергію, що виділяється в наслідок цього синтезу. Технічним результатом даного способу стане можливість здійснення як керованої, так і некерованої реакції термоядерного синтезу. Технічний результат досягається тим, що дії лазерного випромінювання піддається не нерухома мішень, початковою енергією атомів якої можливо знехтувати, а негативно заряджені іони дейтерію, які рухаються, з дуже великою швидкістю, назустріч лазерному випромінюванню, або під кутом максимально наближеним до ста вісімдесяти градусів. Висока швидкість негативно зарядженим іонам дейтерію попередньо надається деяким чином. Суть способу полягає в тому, що для надання негативно зарядженим іонам дейтерію високої швидкості використовується явище іскрового розряду між катодом та анодом, електрони якого перетворюють частину атомів дейтерію у негативно заряджені іони дейтерію, та, разом з електричним полем, надають цим іона велику швидкість, в наслідок наближення до них в процесі руху, після чого частина цих швидко рухаючихся іонів піддається дії лазерного випромінювання, яке спрямовано на зустріч руху іонів дейтерію, що спричиняє зміну напрямку їх руху на протилежний, наближення до основної маси іонів дейтерію на дуже малу відстань та реакцію термоядерного синтезу. Для здійснення способу застосовують термоядерний реактор дія якого полягає в тому, що для одночасного потрапляння в зону реакції перших негативно заряджених іонів дейтерію, що мають велику швидкість, та перших промінів лазерного випромінювання, напівпрозоре дзеркало виготовлено у вигляді шайби та оснащено фотоелементами для ініціації іскрового розряду, а сама лазерна установка зміненої конструкції оснащена двома конусоподібними призмами, завдяки руху однієї з яких в середині внутрішньої порожнини робочого тіла лазеру відбувається синхронізація надходження в фокус лінзи перших промінів лазерного випромінювання разом із першими негативно зарядженими іонами дейтерію, що мають велику швидкість. Для того, щоб підтвердити можливість здійснення реакції даним способом та побудови установки для її здійснення, надамо опис установки в статичному стані та принцип її дії, що підтвердить можливість здійснення реакції даним способом. Спочатку надамо опис зміненої лазерної установки, лазерного трансформатору, який змонтовано на реакторі знизу та який виконує три функції: 1. Генерує монохроматичний промінь та перетворює його в промінь високої питомої потужності, що дозволило застосувати збиральну лінзу мінімального діаметру. 2. Синхронізує в часі початок проходу лазерних промінів крізь напівпрозоре дзеркало із початком дії трьох фотоелементів, крізь яки відбувається розряд накопичувального конденсатору високої напруги, що спричиняє іскровий розряд між катодом та анодом. 3. Завдяки рухомій конусоподібній призмі дозволяє синхронізувати потрапляння в фокус лінзи перших промінів лазерного випромінювання разом із першими негативно зарядженими іонами дейтерію, що мають велику швидкість. Робочим тілом лазерного трансформатору, який зображено в перерізі на Фіг. 1, є рубіновий циліндр 1, що має внутрішню порожнину, тобто він має форму відрізку труби великого діаметру. Напівпрозоре дзеркало 2 та звичайне дзеркало 3 виконані у вигляді шайб так, щоб внутрішні діаметри цих дзеркал співпадали з внутрішнім діаметром рубінового циліндра. Внутрішня 1 UA 93079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 поверхня циліндра має дзеркальне покриття 9. На зовнішній поверхні напівпрозорого дзеркала змонтовано три фотоелементи 4, які рівновіддалені один від одного. Лазерний трансформатор оснащено двома конусоподібними призмами: рухомою призмою 6 та нерухомою призмою 5. В кожній з цих призм відбиваючи поверхні є боковими поверхнями зрізаних конусів, на яки нанесено дзеркальне покриття. Відбиваючи поверхні виконано під кутом дев'яносто градусів одна до іншої. Це зроблено для того, щоб змінити напрямок падаючих на призму паралельних промінів на протилежний з деяким зміщенням. При цьому площа, крізь яку проходять падаючи проміні, більша площі, крізь яку проходять проміні відбити, Фіг. 2. На цьому малюнку, розріз по А-А, ділянки 10, умовно обмежені пунктирними відрізками, це тіні, яки відкидають фотоелементи 4. Крапками на креслені позначені лазерні проміні, яки йдуть до нас, а малими хрестиками ті, яки йдуть від нас. Така оптична схема дозволяє застосувати збиральну лінзу, з отвором, 7, невеликого діаметру При цьому питома потужність падаючого на лінзу випромінювання буде великою, Крізь середину рухомої призми 6 проходить анод 11, в наслідок чого ця призма може рухатися вздовж аноду нагору або долу. На аноді також змонтована збиральна лінза 7. В аноді зроблено отвір 12 для підводу води, яка буде проходити вздовж аноду, три відводячи трубки 13, з'єднувальні трубки 23 та попадати до труб 15 прямоточного котла, де буде перетворюватися у пар та виходити крізь кільцеву трубку пари 18 до турбогенератору 26, Фіг. 3, Фіг. 4. На цих кресленнях також зображені корпус реактору 14, простір реакції навколо фокусу лінзи 16, фланець для кріплення ізолятору 19, керамічний ізолятор 20, випускний клапан 22, впускний клапан 21. Дамо опис блок-схеми установки термоядерного синтезу, Фіг. 5, та принципу її роботи. На Фіг. 5 позначені реактор з лазерним трансформатором 24, градирня 29. Установка працює наступним чином. Підключається акумуляторна батарея 25, запускається вакуумний насос 32, який створює вакуум в реакторі при відкритому випускному клапані 22, електролізний апарат 31, який розкладає суміш звичайної та важкої води на кисень, дейтерій, гідроген та спрямовує гідроген з дейтерієм до реактору, водяний насос 30, який забезпечує високий тиск води для прокачування її крізь анод, відводячи водяні трубки, трубки з'єднувальні та труби прямоточного котла. Після цього підключають індуктор високовольтний 27, блок керування 28. З індуктора високовольтного подається напруга на катод 17, який оснащено розігрівом. В наслідок термоелектронної емісії, між катодом та анодом іде струм малої сили. Одночасно з цим починають заряджатися конденсатор лампи накачки лазеру та конденсатор високої напруги, з'єднаний з клемами фотоелементів. Конденсатори на кресленнях не позначені. Катодна клема фотоелемента з'єднана з обкладкою конденсатору, яка заряджається негативним зарядом. Друга обкладка конденсатору з'єднана з анодною клемою фотоелемента та катодом 17, який має надлишок електронів та крізь який іде струм малої сили. Обидві обкладки конденсатору високої напруги мають негативний заряд, але потенціал катодної клеми фотоелемента значно більше потенціалу анодної клеми фотоелементу та катоду 17, щоб під дією лазерного випромінювання фотоелемент міг працювати. Після зарядки конденсаторів випускний клапан 22 зачиняється та відчиняється впускний клапан 21. Реактор заповнюється сумішшю дейтерію та гідрогену, в який на один атом дейтерію повинно припадати приблизно сорок п'ять атомів гідрогену. Клапан 21 зачиняється. При цьому, під дією слабкого розряду між катодом та анодом, суміш частково іонізується та перетворюється у плазму. На підпалюваючий електрод лампи накачки лазеру 8 подається напруга та, в наслідок спалаху лампи, відбувається накачка робочого тіла лазеру та потужний імпульс лазерного випромінювання. Після проходу крізь напівпрозоре дзеркало частина випромінювання попадає на фотоелементи, що спричиняє розряд конденсатору високої напруги, при якому з катоду 17 вилітає значно більше електронів. Потужна емісія спричиняє часте зіткнення електронів з атомами дейтерію та гідрогену що спричиняє сильну іонізацію атомів, після чого негативно заряджені іони дейтерію та гідрогену починають рухатися до аноду, як завдяки дії на них електронів, так і завдяки дії на них електричного поля між катодом та анодом, набуваючи при цьому великої швидкості, Фіг. 6/Габович М. Д. Физика и техника плазменых источников ионов.-М: Атомиздат, 1972/. Оскільки негативно заряджені іони гідрогену, що мають вигляд незабарвлених кіл, значно легші за негативно заряджені іони дейтерію, що зображені забарвленими колами, то вони, під дією електронів та електричного поля, починають рухатися до аноду значно скоріше. В наслідок цього відбувається ізотопний розподіл негативно заряджених іонів водню Фіг. 7. На Фіг. 6 та Фіг. 7 маленькими рисками позначені електрони. Одночасно з цим, під дією великої сили струму, плазма стягується у плазмовий шнур. Інша частина випромінювання, що проходить між фотоелементами, почергово потрапляє на призми 5 та 6, та виходить крізь лінзу 7. Рухома призма 6 повинна бути, попередньо, розташована таким чином, шляхом руху її вздовж аноду 11, щоб перші проміні лазерного випромінювання попали в фокус лінзи одночасно з першими негативно зарядженими іонами 2 UA 93079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дейтерію, що мають велику швидкість. В наслідок взаємодії частини цих іонів дейтерію з лазерним випромінюванням, яке рухається їм на зустріч, ця частина іонів дейтерію змінює напрямок свого руху на протилежний та зіштовхується з основною масою іонів дейтерію, яка продовжує свій рух у потоку електронів у напрямку аноду. Відбувається реакція термоядерного синтезу. Гідроген не бере участь у реакції, але виконує функції уповільнювача реакції та теплоносія, завдяки якому відбувається розігрів трубок 15 у реакторі. У даній реакції бере участь невелика частина іонів дейтерію, в наслідок чого процес розгону негативно заряджених іонів дейтерію та опромінювання їх лазерним випромінюванням повторюється від декількох десятків до декількох сотень разів. Після цього відкривається випускний клапан 22 і відпрацьована плазма спрямовується у ресивер вакуумного насосу 32. Після цього цикл повторюється. Фотоелементи 4 потрібно розташувати на дзеркалі 2 так, щоб відводячи водяні трубки 13 знаходилися в тінях 10, яки лишають фотоелементи. ПРИСТРІЙ ВІДХИЛЯЮЧИЙ Планета Земля піддається небезпеці зіштовхнутися з іншим космічним об'єктом, наприклад метеоритом або астероїдом, наслідком чого може стати велика кількість руйнувань та загибель людей. Для передбачення цієї небезпеки є чутливі оптичні та радіотелескопи, людство також має ракети, системи керування та зв'язку. Невирішеним лишається питання о заряді, яким доцільно оснащувати ракети. Заряд повинен мати невеликі розміри та масу, велику потужність у тротиловому еквіваленті та, по можливості, не бути дуже дорогим, оскільки для забезпечення глобальної безпеки планети Земля їх знадобиться велика кількість. Використання в якості заряду звичайних атомних або водневих бомб недоцільно, оскільки крім великої ваги та вартості заряду у наслідок його застосування утворюється велика кількість радіоактивних уламків, що, при застосуванні заряду недалеко від Землі, може спричинити її забруднення радіоактивними викидами. Крім того, у разі невикористання, атомні заряди досить складно утилізувати. На основі способу здійснення реакції термоядерного синтезу є можливість для створення заряду, який би відповідав всім переліченим вимогам. Даним зарядом будеводнева бомба, але без ядерної бомби на основі урану або плутонію в якості первинного вибухового пристрою. Технічним результатом денного даного винаходу стане створення пристрою відхиляючого, який буде являти собою термоядерний заряд, оснащений новим типом первинного вибухового пристрою. Технічний результат досягається тим, що в якості первинного вибухового пристрою, який ініціює термоядерну реакцію, використано явище взаємодії потужного імпульсу лазерного випромінювання з частиною негативно заряджених іонів дейтерію, яки рухаються від катоду до аноду під дією електронів Іскрового розряду та електричного поля. Суть винаходу пристрою відхиляючого у тому, що всередині стального балону знаходяться конусоподібна призма та лазерний трансформатор, в середині внутрішній порожнини робочого тіла якого знаходяться катод, анод, збиральна лінза та дейтерій. Це дозволило використати іскровий розряд як для утворення та розгону негативно заряджених іонів дейтерію, разом з електричним полем, так і для накачки робочого тіла лазеру, що спричиняє імпульс лазерного випромінювання, термоядерну реакцію, вибух балону та зміну траєкторії руху метеориту або астероїду. Для збільшення потужності вибуху анод оснащується невеликим тонкостінним балоном із дейтерітом літію шість. Для того, щоб підтвердити можливість створення пристрою відхиляючого та його працездатності, надамо опис пристрою у статичному стані та принцип його роботи. Спочатку опишемо оптичну схему пристрою відхиляючого, яка складається з порожнистого рубінового циліндру 1, пристрою заломлюючого 33, напівпрозорого дзеркала у формі шайби 2, звичайного дзеркала у формі шайби 3, збиральної лінзи, з отвором, 7. Виготовлений зі скла, пристрій заломлюючий 33 являє собою конусоподібну призму, виготовлену як одне ціле із порожнистим циліндром. Два торця циліндру виконують роль опор, одна з яких впирається у дно балону, а друга впирається у керамічний ізолятор 20. Поверхні 34 є боковими поверхнями зрізаних конусів, розташованими під кутом дев'яносто градусів одна до одної та вкриті дзеркальним покриттям, Фіг. 8. Стрілками на Фіг. 8 зображені проміні, що входять у призму, проходять крізь неї та виходять із неї. На скляний циліндр пристрою заломлюючого 33 насаджено напівпрозоре дзеркало у формі шайби 2, рубіновий циліндр 1, звичайне дзеркало у формі шайби 3. Ці деталі змонтовано у середині товстостінного сталевого балону 37, до дна якого попередньо приварено анод 11. В верхній частині аноду розташований тонкостінний балон 36 заповнений дейтерітом літію шість. На анод насаджена та закріплена збиральна лінза 7. В верхній частині балона розташований керамічний ізолятор 20 з оснащеним розігрівом катодом 17, який притискається фланцем 38 за допомогою болтового з'єднання. Внутрішній простір 35 заповнено чистим дейтерієм, Фіг. 9. 3 UA 93079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Пристрій відхиляючий, який змонтовано на ракеті, яка оснащена системою наведення, індуктором високовольтним, акумулятором та конденсатором високої напруги, працює таким чином. Початкове положення ракети на навколоземній орбіті у режимі очікування, при якому, завдяки сонячним батареям, відбувається періодична підзарядка акумулятора. Після одержання команди та координат космічного об'єкту, траєкторію руху якого необхідно змінити, від'єднуються сонячні батареї, вмикається ракетний двигун та індуктор високовольтний, який здійснює зарядку високовольтного конденсатору. Одночасно відбувається розігрів катоду 17 та часткова іонізація дейтерію в просторі 35 під дією слабкого струму між катодом та анодом. За декілька часток секунди до зіткнення ракети з метеоритом або астероїдом від'ємна клема конденсатору високої напруги з'єднується з катодом 17, в наслідок чого у внутрішнім просторі 35 відбувається дуже потужний іскровий розряд. Цей розряд іонізує та розганяє до великої швидкості, разом із електричним полем, частину негативно заряджених іонів дейтерію та, одночасно із цим, здійснює накачку робочого тіла лазеру. В наслідок потужного спалаху лазерного випромінювання в фокусі лінзи збираються лазерні проміні, сукупна питома потужність яких дуже велика. При взаємодії цих промінів із частиною негативно заряджених іонів дейтерію, яки рухаються з великою швидкістю у напрямку аноду, частина цих іонів дейтерію змінює напрямок свого руху на протилежний та зіштовхується з Іонами дейтерію основної маси, яки напрямок свого руху не змінюють. Відбувається реакція термоядерного синтезу між атомами дейтерію в наслідок якої виділяється велика кількість енергії, що спричиняє перетворення реакції в некерований стан, розплавлення стінок балону 36 та вступ до реакції термоядерного синтезу дейтеріту літію шість, який у цьому балоні знаходиться. Після цього відбувається руйнація корпусу балону 37 та вибух пристрою відхиляючого, що змінює траєкторію руху метеориту або астероїду. Принцип дії та будова лазерної установки, термоядерного реактору, пристрою відхиляючого та суть способу здійснення реакції термоядерного синтезу пояснюється кресленнями, на яких зображено: на Фіг. 1 - розріз лазерного трансформатору вздовж аноду; на Фіг. 2 - розріз лазерного трансформатору по А-А; на Фіг. 3 - розріз котла реактору вздовж катоду та аноду; на Фіг. 4 - розріз котла реактору по В-В; на Фіг. 5 - принципова блок-схема установки термоядерного синтезу; на Фіг. 6 - початок процесу іскрового розряду; на Фіг. 7 - кульмінація та результат процесу іскрового розряду; на Фіг. 8 - пристрій заломлюючий у розрізі; на Фіг. 9 - пристрій відхиляючий у розрізі. Використання даного способу термоядерного синтезу у термоядерному реакторі та пристрої відхиляючому дає можливість здешевити електричну енергію, зберегти навколишнє середовище та забезпечити глобальну безпеку планети Земля. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб здійснення реакції термоядерного синтезу із використанням дейтерію, який відрізняється тим, що після розгону негативно заряджених іонів дейтерію до великої швидкості, яка відповідає енергії приблизно 10 кеВ, за рахунок дії на них електронів та електричного поля при іскровому розряді, частину цих негативно заряджених іонів дейтерію піддають дії лазерного випромінювання великої потужності та спрямованого в напрямку, протилежному напрямку руху іонів дейтерію, в наслідок дії якого ця частина іонів дейтерію змінює напрямок свого руху на протилежний та наближається до основної маси іонів дейтерію, що не міняють напрямку руху, на відстань, достатню для здійснення реакції термоядерного синтезу, за рахунок чого відбувається реакція термоядерного синтезу. 4 UA 93079 U 5 UA 93079 U 6 UA 93079 U 7 UA 93079 U 8 UA 93079 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9