Спосіб одержання плазми

Спосіб одержання плазми, що включає збудження ударних хвиль у порожнині із газом шляхом утискування у порожнину металевої пластини, розігнаної продуктами детонації вибухової речовини, в результаті високошвидкісного співударяння з металевою матрицею виникає зіткнення фронту ударної хвилі з поверхнею порожнини у режимі нерегулярного відбивання та формування гідродинамічних потоків плазми, який відрізняється тим, що використовують порожнину конічної форми із визначеними параметрами, при яких процес зіткнення фронту ударної хвилі з поверхнею порожнини здійснюється у режимі нерегулярного відбивання безперервно, при цьому формують гідродинамічні потоки низькотемпературної плазми, потім, при інерціальному утриманні потоків, шляхом кумуляції енергії формують потоки високотемпературної плазми до значень температури, необхідних для ініціювання реакції термоядерного синтезу. Винахід відноситься до областей фізики плазми, у тому числі до кумулятивних і гідродинамічних процесів та техніки, що використовує ці процеси у цілях керованого термоядерного синтезу. Відомий ряд способів одержання плазми, у яких ударна хвиля у газі виникає шляхом утискування у порожнину конічної форми поршню, розігнаного за допомогою вибуху до швидкостей декілька десятків кілометрів на годину. При цьому температура плазми досягає 106 К [1. Derentowicz H., Kaliski S., Wolski J., Ziolkowski Z. // Bull. Akad. Sci. Pol. Ser. Sci. Teсn. - 1977. - V.25. - P. 897.; 2. Анисимов С.И., Беспалов В Е., Вовченко В.И. и др. // Письма в ж. экспер. и теор. физ. - 1980. - Т.3. - С. 67]. Загальним недоліком відомих способів є те, що порожнини конічної форми були виконані з гострим кутом і моделювали у першому наближенні сферичну кумуляцію ударних хвиль. Крім того геометричні параметри порожнини не перевищували у діаметрі 1 мм, а задані параметри конічної порожнини не дають змогу керувати процесом утворення плазми. Реалізація процесу підривання вибухової речовини потребує використання складного вибухового пристрою генератору плоскої хвилі. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є спосіб одержання плазми, в якому використовувалася порожнина у формі напівсфери (генератор Войтенко) [3. Войтенко А.Е. // Ж. прикладн. матем. и техн. физики. - 1968. №2. - C. 51]. Збудження ударної хвилі здійснювалося металевою пластиною, розігнаною продуктами детонації вибухової речовини. Радіус напівсфери дорівнював 5 см, що є позитивною характеристикою. Недоліком даного способу є те, що використання порожнини у формі напівсфери має обмеження по параметрах плазми і не дає можливості керувати процесом кумуляції енергії після утворення гідродинамічної течії. Ця UA (11) 80966 (13) (21) 20040907831 (22) 27.09.2004 (24) 26.11.2007 (72) СОБОЛЄВ ВАЛЕРІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA, БУНЧУК ЮРІЙ ПАВЛОВИЧ, UA, ГУБЕНКО СВІТЛАНА ІВАНІВНА, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA, ДЕРЖАВНЕ КОНСТРУКТОРСЬКЕ БЮРО "ПІВДЕННЕ" ІМ М.К. ЯНГЕЛЯ, UA, НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ, UA (56) UA 17521, 06.05.1997 SU 1540639, 30.10.1991 US 4121123, 17.10.1978 US 3724383, 03.04.1973 SU 1268080, 19.06.1995 RU 2181531, 20.04.2002 JP 2236998, 19.09.1990 EP 0289184, 02.11.1988 Войтенко А. Е., Соболев О.П. Некоторые случаи ускорения магнитогидродинамической ударной волны //Журнал прикладной механики и технической физики - 1968. - №2.- C.51-53 C2 2 (19) 1 3 неможливість пов'язана з тим, що кут зустрічі фронту ударної хвилі з поверхнею порожнини безперервно змінюється від максимально можливого (90°) до мінімального ~ 0°. Таким чином, на цьому шляху в якомусь вузькому діапазоні кутів буде реалізовано нерегулярне зіткнення ударних хвиль, але це зіткнення буде носити імпульсний характер і сам процес течії у цьому випадку в нерегулярному режимі не буде у подальшому підтримуватися оскільки він затухне при швидкому змінюванні кута зустрічі, а остаточне зіткнення потоків пройде при лобовому співударенні. Недолік прототипу полягає в тому, що він не забезпечує умов для одержання високотемпературної плазми. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу одержання плазми шляхом вибору заряду вибухової речовини та інших технологічних параметрів, кумуляції енергії за рахунок згущення власної енергії течії (але не за рахунок необмеженого збільшення зовнішнього діяння), що забезпечує можливість одержання високотемпературної плазми. Поставлена задача вирішується тим, що процес зіткнення фронту ударної хвилі з поверхнею конічної порожнини здійснюється безперервно у режимі нерегулярного відбивання, при цьому формують гідродинамічні потоки низькотемпературної плазми, а далі при інерціальному утриманні їх і шляхом кумуляції енергії формують потоки високотемпературної плазми до значень, необхідних для термоядерного синтезу. Відмінною рисою передбачуваного рішення є спосіб згущення власної енергії течії шляхом перерозподілу її при реалізації нерегулярних режимів зіткнення ударних хвиль. На фіг.1 показана схема пристрою для реалізації способу. Пристрій, виконаний у формі циліндра, включає металеву матрицю 1 з конічною порожниною 2, яка закривається металевою пробкою 3 і при потребі заповнюється замість повітря іншим газом. З боку основи матриці з пробкою встановлене металеве сопло 4, у якому виконана відтулина у форми конусу з невеликим кутом. Основа сопла з меншим діаметром конусу прилягає до основи матриці, а з більшим - до заряду високобризантної вибухової речовини (ВР) 5. На невеликій відстані від основи заряду ВР розміщено металеву пластину 6. Прозір 7 між пластиною 6 і зарядом ВР 5 забезпечує плавке зростання тиску продуктів детонації (ПД) і зменшує температуру нагріву пластини. На відкриту основу заряду ВР 5 прилягає шар вибухової речовини 8, яка характеризується високою чутливістю до детонаційного перетворення при дії на її відкриту поверхню моноімпульсу лазерного випромінювання 9. Спосіб реалізують таким чином. Лазерне випромінювання 9 збуджує детонацію у шарі ВР 8, плоский фронт якої переходить у заряд ВР 5. Детонаційна хвиля з плоским фронтом переміщується по заряду ВР 5 у бік до протилежної його основи, тобто у бік пластини 6. 80966 4 ПД заповнюють прозір 7, тиск збільшується до максимальної величини і під дією цього тиску пластина починає рухатися у відтулині матриці 4. В кінці свого шляху пластина наносить удар по відкритій поверхні пробки 3, збуджує у матеріалі цієї пробки ударну хвилю, яка входить у конічну порожнину 2. В газовій атмосфері порожнини виникає сильна ударна хвиля. В залежності від параметрів динамічного впливу (тип ВР, матеріалу пластини, пробки, швидкості співударення та швидкості фронту ударної хвилі, що входить у конічну порожнину) температура газу у порожнині збільшується до 6000-25000 К і вище. На фіг.2 приведені залежності температури газу від швидкості ударної хвилі у порожнині. Розповсюдження ударної хвилі здійснюється у газі, що характеризується степінною залежністю густини r 0 від координати х ( r0 ~ x n , n=const). Якщо координата фронту x ® 0 , то течія супроводжується збільшенням температури газу і таким чином ефект при x ® 0 перестає залежати від зовнішнього діяння [4. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических давлений. - М.: Наука, 1966. - 686 с.]. Фронт ударної хвилі, яка входить у порожнину, випереджає рухому поверхню пробки. На фіг.3а показано схематичне зображення основних етапів формування гідродинамічних потоків плазми. Завдяки вибору кута конічної порожнини зіткнення фронту ударної хвилі з поверхнею порожнини здійснюється безперервно у режимі нерегулярного відбивання у зв'язку з чим виникає перша головна (махівська) ударна хвиля, яка розігріває газ за фронтом до температури, що перевищує 105 К, тобто формується гідродинамічний потік низькотемпературної плазми. Потік речовини за фронтом першої головної хвилі неминуче "захоплює" частину металлу з поверхні порожнини, при цьому густина потоку різко збільшується і наближується до густини металу. Попереду махівської хвилі утворюється потужний потік іонізуючого випромінювання, що акумулюється навколо вісі порожнини й викликає розгалужене коло реакцій у газі. Плазма, що утворена за фронтом першої головної хвилі, знаходиться в умовах інерціального утримання. Остаточною стадією у цьому сценарії є процес наступного зіткнення махівських хвиль біля вершини конічної порожнини, який породжує виникнення другої дуже сильної головної хвилі. За рахунок зіткнення потоків плазми, які стікають з поверхні конічної порожнини, здійснюється кумуляція енергії і формується потік високотемпературної плазми до значень, необхідних для термоядерного синтезу (106-106,5 К). Температура струменя плазми при співударенні з металевою перешкодою підвищується, зростає його густина ( £ 0 г/см3). Після формування симетричного струменя плазми метал пробки ще продовжує деякий час стискувати плазму. Максимальний тиск струменя плазми на металічні пробку й матрицю складає за 5 розрахунками близько 20 ТПа при швидкості співударення більше 45 км/с. Температура плазми зростає до 107 К (1 кеВ), що є достатньою величиною для ініціювання реакції термоядерного синтезу. Загальний час формування струменя плазми й впливу її на перешкоди не перевищує (1 - 2) × 10 6 с. Цей результат має принципове значення тому, що експериментально доведена можливість використання хімічних ВР для цілей ініціювання термоядерного синтезу. На фіг.3б показана форма порожнин, які утворилися в матеріалі пробки й матриці в результаті діяння струменя гарячої плазми. Приклади реалізації способу. В сталевій матриці у формі циліндра діаметром 100 і висотою 40 мм виготовляють спочатку циліндричну порожнину діаметром 20 мм і висотою 6 мм. Після цього виготовляють конічну порожнину, параметри якої складають: діаметр основи 8 мм, висота в залежності від газу, що заповнює порожнину, буде від 4 до 3,3 мм. Вибір параметрів конусу залежить від умов нерегулярного відбивання ударних хвиль у тому чи іншому газі. При використанні аргону висота порожнини буде дорівнювати не менш 3,6 мм. Пробка виготовлена з алюмінію, а матеріалом для сопла був використаний свинець. Задана геометрія сопла була одержана шляхом лиття у форму. Висота і діаметр сопла складали 100 мм. Як показано на фіг.1 сталева пластина у формі диску товщиною 18 мм розміщується від поверхні верхньої основи сопла або нижньої основи заряду вибухової речовини (ВР) на відстані 5 мм. На основу сопла установлюють заряд ВР діаметром 100 мм і висотою 120 мм. Заряд виготовлений з високобризантної вибухової речовини (ВВР) октоген/інертна речовина (95/5), яка має швидкість детонації 8,70 км/с, густину 1,75 г/см3. На верхню відкриту основу ВВР наносять товщиною 4 мм шар вибухової речовини (ВС) [5. Чернай А.В., Соболєв В.В., Коваленко О.П. та ін. Ініціювальний вибуховий склад // Патент на винахід №17319, Україна МКІ 7 С06В25/04, 29/00, 45/04. №94053210; заявл. 23.05.94. Опубл. 17.09.2001. Бюл. №8, 2001 p.]. Діяння лазерного випромінювання на неодимовому склі у режимі моноімпульсу водночас на всю поверхню вибухової речовини (ВС) збуджує у ВС плоский фронт детонаційної хвилі, яка переходить у основний заряд ВВР. Під тиском продуктів детонації пластина починає рухатися у отвір сопла. Швидкість співудару пластини з пробкою дорівнює 8,7 км/с. Швидкість ударної хвилі в алюмінієвій пробці досягає 13 км/с, масова швидкість ~ 5,6 км/с, а тиск майже 2 × 1011 Па. Ударна хвиля, що виходить на межу розподілу пластина-газ має швидкість ~ 11,0 км/с, температура аргону за фронтом ударної хвилі досягає 33000 К (холодна плазма). Кут зустрічі фронту ударної хвилі з поверхнею конічної порожнини дорівнює критичним значенням нерегулярного відбивання. В зв’язку з цим виникає перша головна хвиля (див. фіг.3а), швидкість якої складає 15,6 км/с, а температура за її фронтом 80966 6 перевищує 105 К. При подальшому зіткненні фронтів головних хвиль і проникнення утвореного при цьому струменя у матеріал матриці й пробки, температура утвореної плазми за даними розрахунків дорівнює ~107-106,5 К (~ 1 кеВ).