Пристрій для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об’єктів від механічного зіткнення із іншими об’єктами та іншими видами матерії о.о.нахаби

Пристрій для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об'єкта від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, що містить множину електромагнітних контейнерів для плазми, інтегрованих із МГД-генераторами та вмонтованих під поверхнею захищуваного об'єкта, який відрізняється тим, що контейнери виконані у ви C2 2 (19) 1 3 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 № 2006 02858)]. 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 цьому винаході були недостатньо розроблені конструкція та розташування обмоток інтегрованих МГД-генераторів, та недостатньо конкретизовані алгоритми використання енергії плазмового згустку для створення захисного екрану. В основу винаходу поставлена задача розробки пристрою для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, здатними до взаємодії із іонами випромінюваного плазмового потоку, пристрою 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, далі крізь негативнозаряджені надпровідні кільця, де відбувається розсіювання потоку позитивнозаряджених іонів та іх виброс за межі стінки захищаємого об'єкту, в якому за рахунок оригінального конструктивного рішення можливо підвищити герметичність та щільність магнітного поля, за допомогою котрого утримується високотемпературна плазма, та підвищити ефективність отримання механічного відштовхнення від захищаємого об'єкту. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно винаходу, пристрій для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту 86065 4 об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, являє собою серію сферичних камер 1, що складаються з надпровідних обмоток конічної форми 4,5,6 із сердечниками 30 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 камері), відбувається емісія плазми крізь центральні канали обмоток 6 (що розташовані по полюсам камер 1), у проекції котрих розташовані обмотки МГД-генераторів 14, де відбувається розділення плазмових потоків 20 на потоки позитивнозаряджених 21 та негативнозаряджених іонів 22, при цьому потоки позитивнозаряджених іонів відхиляються на 90°, за допомогою негативнозаряджених надпровідних кілець 18 розсіюються, спрямовуються крізь отвори за межі корпусу захищаємого об'єкту та здійснюють механічне відштовхнення усіх об'єктів та часток, що наближуються до нього. На Фіг.1 схематичнопредставлена одна функціональна одиниця пристрою для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, вертикальний поздовжній розтин а також розташування десяти таких функціональних одиниць у складі стінки захищаємого об'єкту (кожна функціональна одиниця пристрою складається з камери для утримання плазми, МГД генераторів для розділення плазмового потоку на різнойменні іони та негативно заряджених кілець для розсіювання потоків позитивнозаряджених іонів), 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, для розділення плазмового потоку на позитивнозарядженні та негативнозарядженні іони; 15 - надпровідні обмотки інтегрованих МГД генераторів; 16 - вектори магнітних силових ліній постійного магнітного поля, створеного надпровідними обмотками інтегрованих МГД - генераторів; 17 - електрод надпровідний інтегрованого МГД - генератору для поглинання негативнозаряджених іонів; 5 18 - надпровідне негативнозаряджене кільце, для розсіювання потоку позитивнозаряджених іонів; 19 - надпровідний електрокабель для передачі негативнозаряджених іонів з електроду 16 на кільце 17; 20 - змішаний плазмовий потік, що складається з позитивнозаряджених та негативнозаряджених іонів; 21 - потік позитивнозаряджених іонів; 22 - потік негативнозаряджених іонів; 23 - розташування камер 1 та негативнозаряджених кілець 18 у складі стінки захищаємого об'єкту (вигляд спереду); 24 - направлення руху позитивнозаряджених іонів; 25 - направлення руху негативнозаряджених іонів; 26 - направлення вектору сили відштовхнення, створенної пристроєм; 27 - канали для кріогенного охолодження електродів 17; 28 - розташування камер 1 та негативнозаряджених кілець 18 у складі стінки захищаємого об'єкту (вигляд збоку); 29 - розсіяні плазмові пучки, що створюють захисний екран відштовхнення (показано пунктиром); 30 - сердечник із феромагнетика; 31 - схематичне зображення обмоток 4,5 та 6 у складі камери 1 сферичної форми (те що ми бачимо при взгляді на зовнішню поверхню камери 1) 32 - схематичне зображення камер 1 пристрою у складі стінки захищаємого об'єкту; 33 - схематичне зображення негативнозаряджених кілець 18 пристрою у складі стінки захищаємого об'єкту. Пристрій складається з серії функціональних одиниць кожна з котрих складається з камери 1 сферичної форми з отворами 2, реакторного відсіку З, надпровідних електромагнітних екваторіальних обмоток конічної форми із сердечниками 30 із феромагнетика з вузьким центральним каналом 4 (розташованих по екватору камери 1), півкульних обмоток конічної форми із сердечниками 30 із феромагнетика з вузьким центральним каналом 5 (з котрих складаються півкулі камери 1) та двох полярних обмоток конічної форми із сердечниками 30 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 для розділення плазмових потоків 20 на позитивнозарядженні 21 та негативнозарядженні іони 22, що у свою чергу складаються з серії надпровідних електромагнітних обмоток 15, що створюють постійне магнітне поле із векторами магнітних силових ліній 16, надпровідних електродів 17 для поглинання негативнозаряджених іонів плазмових потоків, надпровід 86065 6 них негативнозаряджених кілець 18 для розсіювання потоків позитивнозаряджених іонів 21, електрокабелів 19 для передачі іонів з електродів 17 на кільця 18, каналів 27 для кріогенного охолодження надпровідних електродів та кілець. Для збільшення площі захисного екрану використовується велика кількість функціональних одиниць, розташованих у одній площині таким чином, щоби створені розсіяні пучки позитивнозаряджених іонів сусідніх одиниць перекривали один одного. Пристрій реалізується наступним чином (розглянуто на прикладі однієї функціональної одиниці, те ж саме відбувається у інших функціональних одиницях пристрою). 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 реакторних відсіку 3, де за допомогою серії дугових розрядів, створюється плазмовий згусток сферічної 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 сгустку сферичної форми у центрі реакторного відсіку 3 камери 1. Цей етап супроводжується витратою енергії. 2 етап - перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у силу відштовхнення об'єктів та часток від захищаємої поверхні. Після завершення створення плазмового згустку, сила струму на обмотках 4, розташованих по екватору камери 1 зменшується і починається емісія плазми через центральні канали обмоток 6 (що розташовані по полюсам камери 1), у проекції котрих розташовані обмотки МГД-генераторів 14, де відбувається розділення плазмових потоків 20 на потоки позитивнозаряджених 21 та негативнозаряджених іонів 22, при цьому потоки позитивнозаряджених іонів відхиляються на 90°, за допомогою негативнозаряджених надпровідних кілець 18 розсіюються, та спрямовуються крізь отвори за межі корпусу захищаємого об'єкту та здійснюють механічне відштовхнення усіх об'єктів та часток, що наближуються до нього, таким чином відбувається перетворення кінетичної енергії іонів плазми у механічний імпульс відштовхненного об'єкту. При цьому отриманні негативнозарядженні іони 22 осаджуються на електродах 17 та по електрокабелям 19 передаються на надпровідні кільця 18 для розсіювання потоку позитивнозаряджених іонів 21. Пристрій функціонує наступним чином (розглянуто на прикладі однієї функціональної одиниці, те ж саме відбувається у інших функціональних одиницях пристрою) - створюється герметичне надщільне постійне магнітне поле у котрому за допомогою серії дугових розрядів, створюється плазмовий згусток сферічної форми. У цьому первинному згустку розкладається на іони інжектована у реактор речовина, що складається із легких 7 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, далі крізь обмотки 15 магнітогідродинамічних генераторів постійного поля, котрі розділяють змішані плазмові потоки 20 на потоки позитивнозаряджених іонів 21 та негативнозаряджених іонів 22. При цьому негативнозарядженні іони осаджуються на надпровідних електродах 17 та за допомогою електрокабелів 19 передаються на надпровідні кільця 18, котрі за допомогою кулонівського притягнення розсіюють потоки позитивнозарядженних іонів 21 та формують сегменти захисного екрану відштовхнення. У разі знаходження захищаємого об'єкту у агресивних високотемпературних атмосферах, за рахунок відштовхнення часток від його поверхонь - досягається термоізоляція данного об'єкту. В порівнянні з прототипом, запропонований пристрій має ряд переваг (розглянуто для однієї функціональної одиниці пристрою): - 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 іх розмірів та діаметру провідника, з котрого вони виготовленні, що також підвищує щільність магнітного потоку необхідного для ефективного тривалого утримання щільної високотемпературної плазми; 86065 8 - за рахунок екваторіальних конічних обмоток 4 із змінюваною силою струму є можливість регульованої емісії високотемпературної плазми у строго детермінованому напрямі крізь 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 можливість розміщення великої кількості функціональних одиниць у стінках захищаємого об'єкту; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою - значно зменшуються економічні витрати на створення таких; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою зменшується обсяг плазми, що одночасно утримується у реакторному відсіку, що у разі аварійного вибуху представляє меншу загрозу для захищаємого об'єкту та навколишнього середовища і таким чином підвищує безпечність цього пристрою; - за рахунок відштовхнення часток від стінок захищаємого об'єкту, помимо захисту від механічного зіткнення є можливість термоізоляції при знаходженні об'єкту у агресивних середах. 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 ред. ак. Л.А.Арцимовича. М.Дтомиздат,1960. 3. Киловатая Т.Г. Управление формой плазмы в токамаке. Харьковский физико-технический институт АН УССР ЦНИИ Атоминформ, 1989. 4. Космонавтика /Глав.ред. Е.Ананьева; отв.ред. В.Чеснов - М.: «Аванта плюс», 2004. 5. Ландсберг Г.С. Учебник по физике. М., «Наука», 1970. 6. Мякишев Г.А. Элементарные частицы. М., «Просвещение», 1977. 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86065 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601