Пристрій для перетворення енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції у корисні види енергії за о.о.нахабою.

Корисна модель відноситься до ядерної фізики та фізики високотемпературної плазми, зокрема, до пристроїв, що використовуючи ядерні реакції створюють, утримують плазму і регулюють її подальшу емісію і може бути використанa у транспортної та енергетичної галузях як основа для альтернативної рухової та енергетичної установок для стаціонарних та рухомих об'єктів, що відрізняється більшою автономністю, компактністю та можливістю її використання незалежно від контактної середи (на землі, під водою, у повітрі, у космічному просторі, а при використанні захисного іонного екрану [патент України на корисну модель №23394] у агресивних атмосферах інших планет та навіть у атмосфері сонця. Відомо, що основна проблема створення систем для використання енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції - це проблема ефективного утримання високотемпературної плазми. 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 ядерну 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 ядерний реактор, у котрому енергія повільної ланцюгової ядерної реакції трансформується крізь теплоносій та парову турбіну у електроенергію. Другим аналогом запропонованого пристрою 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]. 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 занадто низька компактність пристрою та великі втрати енергії при роботі парової турбіни, неповне використання ядерного палива, та велика кількість радіоактивних відходів. Недоліком другого аналогу є низька щільність створеної ним плазми, та її недостатня стабільність, що не дозволяє довгочасно 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. 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 розроблена конструкція компонентів для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції, та недостатньо конкретизовані алгоритми ефективного утримання та використання плазмового згустку при температурі у кілька мільйонів кельвінів. В основу корисної моделі поставлена задача розробки пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у малій кількості ядерного палива (у десятки тисяч разів меншій за критичну масу - наприклад у 1 грамі урану-235 замість "класичних" 13 кілограмів урану-235) та ефективного перетворення енергії високотемпературної плазми (T = біля 1 мільйона кельвінів) у корисні види енергії, в якому за рахунок оригінального конструктивного рішення забезпечується концентрація випромінювання від багатьох (близько 350) джерел у центрі реакторного відсіку, де знаходиться плазмовий згусток ядерного палива (у даному патенті урану235), при цьому для більш ефективного (у 500 разів) опромінення при використанні нейтронів, використовується технологія уповільнення нейтронів графітовими стрижнями; максимальне зближення бокових поверхонь обмоток 4,5 та 6 камери 1, що створює більш герметичне магнітне поле, а за рахунок зменшення розмірів камери до кількох сантиметрів при збереженні високої сили струму у надпровідних високоіндуктивних обмотках значно підвищується щільність магнітного потоку і створюються умови для ефективного тривалого утримання нехай і невеликої кількості (кілька мм3) ядерної плазми. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно корисної моделі, пристрій для перетворення енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції у корисні види енергії, що являє собою електромагнітний контейнер для плазми, у котрому ініціюється швидка ланцюгова ядерна реакція, продукти котрої у вигляді плазмового згустку сферичної форми утримуються у центрі реакторного відсіку, при цьому камера 1 першого плазмового контейнера складається із великої кількості (350 у даному патенті) конічних обмоток 4 та 5 у котрих замість осередь у центральні канали 10 розташовані 350 джерел випромінення 15 (у даному патенті 350 стрижнів із суміші урану235 та урану-238), одночасно опромінюючих центральний плазмовий згусток урану-235 потоками повільних нейтронів, уповільнених графітовими стрижнями 14, котрі знаходяться у центральних каналах обмоток 4 та 5 між урановими стрижнями 15 та центральним плазмовим згустком 9, центральні канали обмоток 6 даного плазмового контейнера 25 з'єднанні із центральними каналами обмоток 4 двох сусідніх плазмових контейнерів 26 великої ємності, де у кожному 0.5 грамів урану-235 при температурі біля мільйону кельвінів змішується із 1 кілограмом води, що створює у великих плазмових контейнерах 26 по 1 кілограму іонізованої води 29 при температурі у кілька тисяч кельвінів і ця охолоджена плазма поступово використовується для отримання електроенергії [см. патент України на корисну модель №22116 (заявка № и200613325) 10.04.2007 Бюл.№4,2007 p.], отримання сили тяги [см. патент України на корисну модель №23743 (заявка № и200613327) 11.06.2007 Бюл.№8,2007 p.], формування захисного іонного екрану [см.патент України на корисну модель №23394 (заявка № U200613330) 25.05.2007 Бюл.№7,2007 p.], або для інших корисних нужд. Перелік фігур креслень та інших ілюстративних матеріалів: Фіг.1 - пристрій для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, вертикальний поздовжній розтин; Фіг.2 - схема розташування окремих конічних обмоток у сферичній камері 1 пристрою для перетворення енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції у корисні види енергії, вертикальний поздовжній розтин; Фіг.3 - схема розташування окремих плазмових контейнерів пристрою для перетворення енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції у корисні види енергії, вертикальний поздовжній розтин; Фіг.4 - фотографія екваторіальної частини (частини що складається із 120 екваторіальних конічних обмоток 4) камери 1 пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми; Фіг.5 - фотографія камери 1 пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, що виконана з боку полярної обмотки 6; Фіг.6 - фотографія камери 1 пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, що виконана з боку півкульних обмоток 5; Фіг.7 - фотографія камери 1 пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, що виконана з боку отвору, що веде до реакторного відсіку камери 1 пристрою крізь центральний канал полярної обмотки 6; Фіг.8 - фотографія конічної мініобмотки камери 1 пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, на 1500 витків, виконана із лакерованого мідного дроту 0,03 мм у діаметрі; Фіг.9 - фотографія камери 1 пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, зібрана з 24 конічних мініобмоток (на 1500 витків кожна обмотка). На Фіг.1 схематично представлений пристрій для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, вертикальний поздовжній розтин, де: 1 - камера сферична; 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 - ядерне пальне у згустку сферичної форми (згусток урану-235); 10 - канали для кріогенного охолодження обмоток; 11 - гелій рідкий (схематично показано жовтим кольором); 12 - корпус герметичний; 13 - бар'єр водяний; 14 - стрижні, що сповільнюють потоки швидких часток (у даному патенті стрижні із графіту, що сповільнюють швидкі нейтрони до швидкості теплового руху - 2x103 м/с); 15 - джерела потоків часток, або інших видів випромінювання (у даному патенті стрижні із суміші урану-235 та урану-238, що випромінюють швидкі нейтрони); 16 - контейнери для джерел випромінювання нейтронів, що зроблені із суміші бору та кадмію - поглиначі повільних нейтронів; 17 - захисні затвори, що також зроблені із суміші бору та кадмію -поглиначі повільних нейтронів; 18 - напрямки руху швидких нейтронів (показано червоними стрілками із пунктиром); 19 - напрямки руху повільних нейтронів (показано зеленими стрілками із пунктиром); 20 - плазма при температурі біля мільйону кельвінів, що виділяється із реакторного відсіку крізь центральні канали полярних обмоток 6 камери 1; 21 - напрямок руху високотемпературної плазми; 22 - уранові стрижні, розташовані у центральних каналах обмоток, у максимально відкритому стані (режим максимального випромінювання нейтронів); 23 - уранові стрижні, частково розташовані у центральних каналах обмоток, у частково відкритому стані (режим часткового випромінювання нейтронів); 24 - уранові стрижні, заховані у контейнери для джерел випромінювання нейтронів, що зроблені із суміші бору та кадмію (поглиначі повільних нейтронів) (режим мінімального випромінювання нейтронів та захисту стрижнів від нейтронного опромінення під час протікання швидкої ланцюгової реакції у реакторному відсіку). На фіг.2 представлена схема розташування окремих конічних обмоток у сферичній камері 1 пристрою для перетворення енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції у корисні види енергії, вертикальний поздовжній розтин, де: 1 - камера сферична; 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; 10 - канали центральні конічних обмоток, для кріогенного охолодження та для введення у них джерел випромінювання часток та інших видів випромінювання. На фіг.З представлена схема розташування окремих плазмових контейнерів пристрою для перетворення енергії швидкої ланцюгової ядерної реакції у корисні види енергії, вертикальний поздовжній розтин, де: 4 - екваторіальні обмотки плазмових контейнерів; 5 - півкульні обмотки плазмових контейнерів; 6 - полярні обмотки плазмових контейнерів; 20 - потоки іонів ядерної плазми при температурі біля мільйону кельвінів (напрямок руху показано червоними стрілками); 25 - плазмовий контейнер для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку ядерного палива (урану - 235); 26 - плазмові контейнери для змішування невеликої кількості високотемпературної плазми (при температурі біля мільйону кельвінів) із великою кількістю баластної речовини (води) для отримання великої кількості плазми при температурі 3000-6000K; 27 - канали, що з'єднують реакторні відсіки плазмових контейнерів; 28 - плазмовий згусток із 1 г урану-235 при температурі біля мільйону кельвінів (K); 29 - плазмові згустки із 1 кг води при температурі у кілька тисяч K; 30 - потоки іонів охолодженої плазми при температурі у кілька тисяч кельвінів (напрямок руху показано фіолетовими стрілками). На фіг.4, фіг.5, фіг.6, фіг.7, фіг.8, та фіг.9 представлені фотографії експериментальних макетів пристрою для ініціації швидкої ланцюгової ядерної реакції у плазмовому згустку урану-235 сферичної форми, що виготовлені автором, та на котрих вивчалась геометрія пристрою та технологія виготовлення камери 1 пристрою із окремих конічних обмоток при мінімальному оснащенні та устаткуванні. Пристрій складається із одного плазмового контейнера 25 для невеликої кількості плазми температурою біля мільйону кельвінів, двох плазмових контейнерів 26 для великої кількості плазми температурою у кілька тисяч кельвінів, та пристроїв для перетворення енергії охолодженої плазми у корисні види енергії. Плазмовий контейнер, у котрому ініціюється швидка ланцюгова ядерна реакція складається із камери 1 сферичної форми з отворами 2, реакторного відсіку 3, надпровідних електромагнітних екваторіальних обмоток конічної форми без осередь з вузьким центральним каналом 4 (розташованих по екватору камери 1), півкульних обмоток конічної форми без осередь з вузьким центральним каналом 5 (з котрих складаються півкулі камери 1) та двох полярних обмоток конічної форми без осередь із 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, та герметичного корпусу 12 із водяним бар'єром 13. У центральні канали усіх обмоток (окрім полярних) вводять джерела потоків часток, або інших видів випромінювання (у даному патенті стрижні 15 із суміші урану-235 та урану-238, що випромінюють швидкі нейтрони, котрі уповільнюються графітовими стрижнями 14, що сповільнюють швидкі нейтрони до швидкості теплового руху - 2x103 м/с). Для захисту уранових стрижнів 15 від нейтронного випромінювання, під час протікання швидкої ланцюгової ядерної реакції, використовують контейнери 16 для джерел випромінювання нейтронів та захисні затвори 17, що зроблені із суміші бору та кадмію -поглиначі повільних нейтронів. Пристрій реалізується наступним чином. Усі обмотки 4,5 та 6 підключають до джерела постійного струму таким чином, що північні полюси створеного у обмотках магнітного поля направлені до центру реакторного відсіку, а південні полюси - направлені назовні. У центр реакторного відсіку 3 вводиться ядерне паливо (у даному патенті електрод із урану-235, крізь котрий пропускають великий струм, що призводе до формування електричної дуги та формування у центрі реакторного відсіку плазмової хмари, що складається із іонів урану- 235 при температурі у кілька тисяч кельвінів, та утримується у надщільному постійному магнітному полі у згустку сферичної форми. Коли 1 г урану-235 із введеного стрижня іонізується та переходить у стан плазмової хмарки, урановий стрижень видаляють із реакторного відсіку. Далі силу струму у електромагнітних обмотках 4,5 та 6 збільшують, та у центральні канали обмоток 4 та 5 вводять джерела випромінювання 15 (у даному патенті стрижні із суміші урану-235 та урану-238, що випромінюють швидкі нейтрони), далі швидкі нейтрони проходячи крізь графітові стрижні 14 уповільнюються до швидкості теплового руху - 2x103 м/с, бомбардують плазмовий згусток урану-235, та ініціюють у центрі реакторного відсіку 3 швидку ланцюгову ядерну реакцію ділення ядер урану-235, що розігріває плазмовий згусток 9 до температури біля мільйону кельвінів. У ході цієї реакції утворюються позитивнозаряджені частки, негативнозаряджені частки, нейтрони та гама-кванти. Позитивно- та негативнозаряджені частки утримуються магнітним полем і формують високотемпературну плазму 9, нейтрони, пролітаючи крізь магнітне поле, затримуються водяним бар'єром 13, утворюючи при цьому молекули важкої води, а інші високошвидкісні частки без заряду частково затримуються корпусом 12, а решта вилітає за межі пристрою. Для захисту стрижнів 15 від нейтронного випромінювання під час протікання швидкої ядерної реакції, вони або вводяться у захисні контейнери 16, що зроблені із матеріалів поглинаючих нейтрони, або повністю видаляються із пристрою та знаходяться на безпечній відстані від реакторного відсіку 3. Далі зменшуючи силу струму одночасно тільки у екваторіальних обмотках 4, що перпендикулярні полярним обмоткам з широким центральним каналом 6, починається емісія високотемпературної плазми крізь центральні канали двох полярних обмоток 6 до двох сусідніх увімкнених плазмових контейнерів крізь центральні канали їх обмоток 4, де у кожному 1г ядерної плазми при температурі біля мільйону кельвінів змішується із 1кг баластної речовини (у даному патенті 1кг води), що призводе до створення у великих плазмових контейнерах по 1 кілограму іонізованої води при температурі у кілька тисяч кельвінів і ця охолоджена плазма поступово використовується для отримання електроенергії [см. патент України на корисну модель №22116 (заявка № и200613325) 10.04.2007 Бюл.№4,2007 p.], отримання сили тяги [см. патент України на корисну модель №23743 (заявка № и200613327) 11.06.2007 Бюл.№8,2007 p.], формування захисного іонного екрану [см.патент України на корисну модель №23394 (заявка № U200613330) 25.05.2007 Бюл.№7,2007 p.], або для інших корисних нужд. Після повної евакуації високотемпературної плазми із реакторного відсіку центрального плазмового контейнера, його обмотки вимикають. Пристрій функціонує наступним чином - створюється герметичне надщільне постійне магнітне поле у котрому за допомогою дугового розряду іонізується 1 г урану-235 та у центрі реакторного відсіку 3 створюється плазмовий згусток урану-235 при температурі у кілька тисяч кельвінів, котрий там утримується під дією сили Лоренца. Далі у центральні канали обмоток 4 та 5 пристрою (а їх біля 350) вводять джерела для випромінювання (у даному патенті стрижні із суміші урану-235 та урану-238 що випромінюють швидкі нейтрони одночасно із 350 стрижнів), далі ці нейтрони уповільнюються графітовими стрижнями до швидкості теплового руху -2x10м/с, та бомбардують центральний плазмовий згусток урану-235 із більшою ефективністю. Відомо, що ядра урану-235 поглинають повільні нейтрони у 500 разів більше, ніж швидкі нейтрони, таким чином використовуючи 350 потоків уповільнених нейтронів одночасно, ми збільшуємо ефективність бомбардування ядер центрального плазмового згустку урану у 350x500=175000 разів, та у стільки же разів зменшуємо критичну масу для початку при таких умовах швидкої ланцюгової реакції ділення ядер урану-235. Таким чином, при таких умовах класична для урану-235 критична маса у 13 кг зменшується у 175000 разів і становить 0.0742 г, що дозволяє без труднощів ініціювати швидку ланцюгову ядерну реакцію у згустку урану-235 масою 1 г, що розігріває плазмовий згусток 9 до температури біля мільйону кельвінів. У ході цієї реакції утворюються позитивнозаряджені частки, негативнозаряджені частки, нейтрони та гама-кванти. Позитивно- та негативнозаряджені частки утримуються магнітним полем і формують високотемпературну плазму 9, нейтрони, пролітаючи крізь магнітне поле, затримуються водяним бар'єром 13, утворюючи при цьому молекули важкої води, а інші високошвидкісні частки без заряду частково затримуються корпусом 12, а решта вилітає за межі пристрою. Але використовуючи електромагнітне поле, легше утримувати 2 кг плазми при температурі у кілька тисяч кельвінів, ніж 1г плазми при температурі біля мільйону кельвінів. Тому далі зменшуючи силу струму одночасно тільки у екваторіальних обмотках 4, що перпендикулярні полярним обмоткам з широким центральним каналом 6, починається емісія високотемпературної плазми крізь центральні канали двох полярних обмоток 6 до двох сусідніх увімкнених плазмових контейнерів крізь центральні канали їх обмоток 4, де у кожному 1г ядерної плазми при температурі біля мільйону кельвінів змішується із 1кг баластної речовини (у даному патенті 1кг води), що призводе до створення у великих плазмових контейнерах по 1 кілограму іонізованої води при температурі у кілька тисяч кельвінів і ця охолоджена плазма утримується у плазмових контейнерах під дією сили Лоренца, та поступово використовується для отримання електроенергії [см. патент України на корисну модель №22116 (заявка № и200613325) 10.04.2007 Бюл.№4,2007 p.], отримання сили тяги [см. патент України на корисну модель №23743 (заявка № U200613327) 11.06.2007 Бюл.№8,2007 p.], формування захисного іонного екрану [см. патент України на корисну модель №23394 (заявка № U200613330) 25.05.2007 Бюл.№7,2007р.], або для інших корисних нужд. Після повної евакуації високотемпературної плазми із реакторного відсіку центрального плазмового контейнера 25, його обмотки вимикають, для економії електроенергії. Таким чином у даному пристрої кінетична енергія часток іонізованого ядерного палива, збільшена у ході ядерної реакції у тисячі разів використовується для іонізації баластної речовини (води), що при невеликій кількості ядерного палива створює велику кількість охолодженої плазми, котра використовується для отримання електроенергії (при використанні МГД-генераторів), отримання сили тяги (при використанні плазмового двигуна), отримання захисного плазмового екрану, та для інших корисних нужд. При цьому змінюючи кількість співвідношення кількості ядерної плазми та кількості баластної речовини, можна змінювати температуру охолодженої плазми у діапазоні 6000-1000000 кельвінів, що має значення при використанні даного пристрою для отримання сили тяги у плазмовому двигуні - для регулювання максимальної швидкості до котрої такий двигун може розігнати транспортний засіб. В порівнянні з прототипом, запропонований пристрій має ряд переваг: - за рахунок створення та утримання плазми у згустку сферичної форми, значно підвищується стабільність плазми, що створює умови для більш тривалого утримання більш щільної високотемпературної плазми; - за рахунок екваторіальних конічних обмоток 4 із змінюваною силою струму є можливість регульованої емісії плазми у строго детермінованому напрямі крізь центральні канали полярних обмоток 6; - за рахунок зменшення розмірів пристрою значно зменшується кількість енергії, необхідної для утримання високотемпературної плазми; - за рахунок зменшення розмірів збільшення портативності пристрою; - за рахунок зменшення розмірів пристрою значно (у мільйони разів у порівнянні із прототипом) зменшуються економічні витрати на створення таких систем; - за рахунок одночасного опромінення центрального плазмового згустку 350 потоками уповільнених нейтронів у 175000 разів зменшується критична маса для початку швидкої ланцюгової ядерної реакції, що дозволяє значно зменшити обсяг ядерної плазми, що одночасно утримується у реакторному відсіку, що у разі аварійного вибуху представляє меншу загрозу для навколишнього середовища і підвищує безпечність цього пристрою; - за рахунок використання технології охолодження ядерної плазми баластною речовиною, значно легше утримати таку плазму, при використанні електромагнітних плазмових контейнерів (бо сумарний заряд збільшується, а кінетична енергія кожної частки зменшується); - за рахунок використання технології охолодження ядерної плазми баластною речовиною, зникає необхідність використання класичних теплоносіїв та парових турбін, що підвищує КПД такого пристрою, тобто більша частина кінетичної енергії часток, прискорених при ядерній реакції використовується одразу для іонізації баластної речовини, та далі для отримання корисних видів енергії; - універсальність даного пристрою, тобто даний пристрій у майбутньому стане основою для створення альтернативних енергетичних установок, альтернативних двигунів, та високоефективних плазмових захисних екранів. 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.,Атомиздат,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 - M.: «Аванта плюс», 2004. 5. Ландсберг Г.С. Учебник по физике. M., «Наука», 1970. 6. Мякишев Г.А. Элементарные частицы. M., «Просвещение», 1977.