Пристрій для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у електроенергію за о.о.нахабою

Корисна модель відноситься до фізики високотемпературної плазми, зокрема, до пристроїв, що утримують плазму, регулюють її подальшу емісію та отримання електромагнітного поля за допомогою МГД-генераторів і може бути використаний у енергетичній галузі як основа для альтернативної енергетичної установки. Відомо, що основна проблема створення систем для використання енергії високотемпературної плазми - це проблема її ефективного утримання. На сьогоднішній день тільки магнітне поле може ефективно ізолювати високотемпературну плазму від зовнішнього середовища. Тому виникла необхідність створення електромагнітних пристроїв, котрі були би здатними утримувати плазму та керувати нею. Але сучасні технології дозволяють утримувати високотемпературну плазму лише на долі секунди та не дозволяють повноцінно керувати нею, тому поки ще не мають практичного значення. Найбільш близьким до запропонованого технічного рішення є токамак, що також представляє собою камеру, що складається з надпровідних обмоток, але у цьому токамаці, на відміну від запропонованого пристрою, плазма створюється та утримується у вигляді плазмового шнура тороідної форми [1, 2, 3]. Другим аналогом запропонованого пристрою є МГД-генератор - пристрій, у котрому відбувається перетворення енергії плазми, отриманої при хімічній реакції у електроенергію. Третім найбільш близьким аналогом запропонованого пристрою є запропонований мною раніше пристрій для утримання високотемпературної плазми у згустку сферичної форми та її керованої емісії у строго детермінованому напрямі, на котрий отриманий [патент України на корисну модель №17149 від 15.09.2006 (заявка №200602858)]. Недоліком першого аналогу є низька щільність створеної ним плазми, та її недостатня стабільність, що не дозволяє довготривало утримувати високотемпературну плазму та ефективно її використовувати. Другим недоліком є занадто великі розміри обмоток токамаку для відносно невеликого магнітного потоку, створеного ними, що не дозволяє створити магнітне поле достатньої щільності для довготривалого утримання щільної високотемпературної плазми. Недоліком другого аналогу є недостатньо ефективне утримання плазми, що не дозволяє підвищити її температуру та ступінь іонізації, та потребує використання великої кількості хімічного пального та окислювача. У конструкції третього аналога вже присутній принцип утримання сферичного згустку високотемпературної плазми у надщільному постійному магнітному полі, котре створюється надпровідними обмотками конічної форми із можливістю подальшої керованої емісії плазми у строго детермінованому напрямі крізь центральні канали обмоток, що розташовані по полюсам реакторної камери, але у цій корисній моделі були недостатньо розроблені конструкція та розташування обмоток і електродів інтегрованих МГД-генераторів, та недостатньо конкретизовані алгоритми отримання електроенергії із енергії плазмового згустку. В основу корисної моделі поставлена задача розробки пристрою для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у електроенергію, у якому відбувається тривале утримання щільної високотемпературної плазми у згустку сферичної форми та її керована емісія у строго детермінованому напрямі крізь обмотки інтегрованих МГД-генераторів, в якому за рахунок оригінального конструктивного рішення можливо підвищити герметичність та щільність магнітного поля, за допомогою котрого утримується високотемпературна плазма, та підвищити ефективність отримання електроенергії із плазмового згустку сферичної форми. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно корисної моделі, пристрій для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у електроенергію являє собою сферичну камеру 1, що складається з надпровідних обмоток конічної форми 4, 5, 6 із знімними сердечниками 24 із феромагнетика, у котрих створюється постійне магнітне поле високої щільності, північні полюси котрого направлені у центр реакторного відсіку, де утримується високотемпературна плазма 9 у згустку сферичної форми, та при зниженні сили струму на обмотках 4 (що розташовані по екватору камери 1), відбувається емісія плазми крізь центральні канали обмоток 6 (що розташовані по полюсам камери 1), у проекції котрих розташовані обмотки 15, 19 та надпровідні електроди 16, 20 МГД-генераторів 14, 18, де відбувається розділення та осадження іонів плазмового потоку 23 та генерація електроенергії. На Фіг.1 схематично представлений пристрій для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у електроенергію, вертикальний поздовжній розтин, де: 1 - камера; 2 - отвори; 3 - відсік реакторний; 4 – обмотка конічна екваторіальна з вузьким центральним каналом; 5 - обмотка конічна півкульна з вузьким центральним каналом; 6 - обмотка конічна полярна з широким центральним каналом; 7 - магнітне поле високої щільності; 8 - полюс північний магнітного поля обмоток; 9 - плазма високотемпературна; 10 - канали для кріогенного охолодження обмоток; 11 – гелій рідкий; 12 - корпус герметичний; 13 - бар'єр водяний; 14 - МГД-генератор постійного електричного струму інтегрований; 15 - обмотка надпровідна інтегрованого МГД-генератору для створення постійного магнітного поля; 16 - електрод надпровідний інтегрованого МГД-генератору для поглинання іонів, та створення постійного електричного струму для живлення надпровідних обмоток 4,5 та 6 камери 1; 17 – канали для кріогенного охолодження електродів інтегрованих МГД-генераторів постійного електричного струму; 18 - МГД-генератор перемінного електричного струму інтегрований; 19 - обмотка надпровідна інтегрованого МГД-генератору для створення перемінного магнітного поля із необхідною для споживання частотою (наприклад 50 герц), для генерації перемінного електричного поля із тією же частотою (50 герц) на електродах 20; 20 - електрод надпровідний інтегрованого МГД-генератору для поглинання іонів, та генерації перемінного електричного поля і струму для подачі його на електромагнітні трансформатори освітлювальної мережі; 21 - канали для кріогенного охолодження електродів інтегрованих МГД-генераторів перемінного електричного струму; 22 - ізолятори міжгенераторні, для ізоляції електродів, на котрих створюється постійний електричний струм від електродів, на котрих створюється перемінний електричний струм; 23 - потік плазмовий емісійний; 24 - сердечник знімний з феромагнетика 25 - поперечний розтин МГД-генераторів постійного струму, що знаходяться у проекції центральних каналів полярних обмоток 6,(Фіг.2); 26 - поперечний розтин МГД-генераторів перемінного струму, що знаходяться у проекції центральних каналів полярних обмоток 6, (Фіг.3); 27 - схематичне зображення обмоток 4, 5 та 6 у складі камери 1 сферичної форми (те, що ми бачимо при взгляді на зовнішню поверхню камери 1), (Фіг.4). Пристрій складається з камери 1 сферичної форми з отворами 2, реакторного відсіку 3, надпровідних електромагнітних екваторіальних обмоток конічної форми із знімними сердечниками 24 із феромагнетика з вузьким центральним каналом 4 (розташованих по екватору камери 1), півкульних обмоток конічної форми із знімними сердечниками із феромагнетика з вузьким центральним каналом 5 (з котрих складаються півкулі камери 1) та двох полярних обмоток конічної форми із знімними сердечниками із феромагнетика з широким центральним каналом 6 (розташованих по полюсам камери 1), в усіх цих обмотках створюється постійне магнітне поле високої щільності 7 (північні полюси 8 котрого направлені у центр реакторного відсіку, де утримується високотемпературна плазма 9), каналів 10 для кріогенного охолодження обмоток рідким гелієм 11, герметичного корпусу 12 із водяним бар'єром 13, та інтегрованих МГД-генераторів постійного електричного струму 14 та перемінного електричного струму 18, що у свою чергу складаються з ланцюгів надпровідних електромагнітних обмоток 15, 19, розташованих у проекції центральних каналів обмоток 6 та надпровідних електродів 16, 20 для поглинання іонів плазмового потоку 23 із каналами 17, 21 для кріогенного охолодження. Для ізоляції генеруємого постійного від перемінного електричного струму, проміж МГД-генераторами 14 та 18 розташовано міжгенераторний ізолятор 22. Пристрій реалізується наступним чином. 1 етап – створення у реакторному відсіку 3 камери 1 плазмового згустку сферичної форми. Після увімкнення електромагнітних обмоток 4, 5 та 6 та створення у них постійного магнітного поля, північні полюси 8 котрого направлені у центр реакторного відсіку 3, де за допомогою серії дугових розрядів, створюється плазмовий згусток сферичної форми. Паралельно у цей згусток поступово вводиться речовина, що складається із легких атомів (наприклад рідкий гелій, або газообразний водень), та за допомогою лазерного опромінення уся ця суміш підігрівається до температури, необхідної для іонізації усіх атомів суміші, і таким чином введена речовина підтримується у вигляді плазмового згустку сферичної форми у центрі реакторного відсіку 3 камери 1. Цей етап супроводжується витратою енергії. 2 етап - перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у електроенергію. Після завершення створення плазмового згустку, сила струму на обмотках 4, розташованих по екватору камери 1 зменшується і починається емісія плазми крізь центральні канали обмоток 6 (що розташовані по полюсам камери 1), у проекції котрих розташовані обмотки та надпровідні електроди МГД-генераторів, де відбувається розділення та осадження іонів плазмового потоку 23 на електродах та генерація електроенергії. При цьому обмотки 15 МГДгенераторів 14 створюють постійне магнітне поле для отримання на електродах 16 постійного електричного струму для електроживлення обмоток 4, 5 та 6 камери 1. Одночасно обмотки 19 МГД-генераторів 18 створюють перемінне магнітне поле необхідної частоти (наприклад 50 герц) для отримання на електродах 20 перемінного електричного струму тієї ж частоти для подальшої його подачі на трансформатори мережі споживачів електроенергії. Цей етап супроводжується виділенням корисної електроенергії, частина котрої витрачається на роботу електромагнітних обмоток, що утримують плазму у центрі реакторного відсіку і на перезарядку джерел живлення обмоток МГД-генераторів, що розкладають плазмовий емісійний поток 23 на позитивно зарядженні і негативно зарядженні іони. Пристрій функціонує наступним чином - створюється герметичне надщільне постійне магнітне поле у котрому за допомогою серії дугових розрядів, створюється плазмовий згусток сферичної форми. У цьому первинному згустку розкладається на іони інжектована у реактор речовина, що складається із легких атомів (наприклад рідкий гелій, або газообразний водень), та за допомогою лазерного опромінення уся ця суміш підігрівається до температури, необхідної для іонізації усіх атомів суміші, і таким чином введена і іонізована речовина за допомогою сили Лоренца підтримується у вигляді плазмового згустку сферичної форми у центрі реакторного відсіку 3 камери 1. Далі при зменшенні сили струму одночасно тільки у екваторіальних обмотках 4, починається емісія плазми крізь центральні канали двох полярних обмоток 6 у трубу магнітогідродинамічних генераторів постійного та перемінного електричного поля, при цьому емісія плазми зворотньопропорційна силі струму у екваторіальних обмотках 4. Отриманий постійний електричний струм використовується на роботу обмоток 4, 5 та 6 камери 1, та на перезарядку джерел живлення обмоток МГД-генераторів, а отриманий перемінний електричний струм подається на електромагнітні трансформатори мережі споживачів електроенергії. При використанні даної корисної моделі кількість енергії, що витрачається на формування плазмового згустку, більше енергії, що виділяється при його розкладенні на іони. Але основна мета цієї корисної моделі - це розробка пристрою для ефективного перетворення згустку плазми сферичної форми у електроенергію, і ця конструкція повністю відповідає поставленій меті. В порівнянні з прототипом, запропонований пристрій має ряд переваг: - за рахунок конічної форми обмоток, збільшується герметичність та щільність магнітного поля за рахунок максимального зближення бокових поверхонь обмоток 4, 5 та 6, а також концентрації усіх магнітних силових ліній у центрі камери 1, що створює умови для ефективного тривалого утримання щільної високотемпературної плазми з високим ступенем іонізації; - за рахунок використання надпровідних високоіндуктивних обмоток є можливість у сотні разів підвищити у них силу струму при збереженні їх розмірів та діаметру провідника, з котрого вони виготовленні, що також підвищує щільність магнітного потоку необхідного для ефективного тривалого утримання щільної високотемпературної плазми; - за рахунок екваторіальних конічних обмоток 4 із змінюваною силою струму є можливість регульованої емісії високотемпературної плазми у строго детермінованому напрямі через центральні канали полярних обмоток 6; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою - значно зменшується кількість енергії, необхідної для утримання високотемпературної плазми; - за рахунок можливості зменшення розмірів - збільшення портативності пристрою; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою - значно (у мільйони разів у порівнянні з американським прототипом) зменшуються економічні витрати на створення таких систем; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою зменшується обсяг плазми, що одночасно утримується у реакторному відсіку, що у разі аварійного вибуху представляє меншу загрозу для навколишнього середовища і таким чином підвищує безпечність цього пристрою. - розміщення обмоток МГД-генераторів у проекції центральних каналів двох обмоток 6, розташованих по полюсам камери 1, дозволяє без зайвих втрат більшу частину виділених іонів при емісії використати для створення електромагнітного поля. Література: 1. Бунин В.А. Аппаратура для получения, удержания и нагрева плазмы. М.,1966; 2. Бишоп, Амаса С. Проект Шервуд. Программа США по управляемому термоядерному синтезу. Под обш. ред. ак. Л.А. Арцимовича. М.,Атомиздат, 1960. 3. Киловатая Т.Г. Управление формой плазмы в токамаке. Харьковский физико-технический институт АН УССР ЦНИИ Атоминформ, 1989; 4. Л.Д. Ланадау, А.И. Китайгородский. Физика для всех. М., «Наука», 1979; 5. Ландсберг Г.С. Учебник по физике. М., «Наука», 1970; 6. Мякишев Г.А. Элементарные частицы. М., «Просвещение», 1977;