Системы, способы и устройство сжатия плазмы

Системы, способы и устройство сжатия плазмы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию систем и способов, предназначенных для сжатия плазмы.

Известный уровень техники

Некоторые системы для сжатия плазмы до высоких температур и плотностей типично являются очень большими, дорогими, и имеют ограниченную частоту повторения и срок службы. Введение магнитного поля в плазму является многообещающим способом повышения эффективности любой данной схемы нагрева, за счет снижения частоты выхода частиц и потерь энергии из объема плазмы.

Способы сжатия плазмы включают в себя следующие шесть схем:

(1) Прямое сжатие плазмы с использованием внешнего магнитного поля, которое увеличивается во времени.

(2) Сжатие при помощи интенсивного электромагнитного излучения или пучков частиц с высокой энергией (например, с использованием некоторых устройств ядерного синтеза с инерционным удержанием плазмы (ICF)). См., например, публикацию R.W.Moir et al., "HYLIFE-H: An approach to a long-lived, first-wall component for inertial fusion power plants," Report Numbers UCRL-JC-117115; CONF-940933-46, Lawrence Livennore National Lab, August 1994, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки.

(3) Сжатие за счет электромагнитной имплозии проводящего вкладыша, типично изготовленного из металла, управляемое при помощи больших импульсных электрических токов, втекающих в проводящий вкладыш.

(4) Сжатие за счет сферической или цилиндрической фокусировки акустического импульса большой амплитуды в проводящей среде. См., например, системы и способы, раскрытые в заявках на патент США Nos. 2006/0198483 и 2006/0198486, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки. В некоторых видах осуществления, сжатие проводящей среды может быть осуществлено с использованием внешнего сжатого газа. См., например, систему LINUS, описанную в публикации R.L.Miller and R.A.Krakowski, "Assessment of the slowly-imploding liner (LINUS) fusion reactor concept", Rept. No. LA-UR-80-3071, Los Alamos Scientific Laboratory, Los Alamos, NM 1980, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки.

(5) Пассивное сжатие за счет инжекции движущейся плазмы в статическую, но конически сходящуюся полость в проводящей среде, так что кинетическая энергия плазмы создает сжатие, определяемое граничными условиями. См., например, публикации С W. Hartman et al., "A Compact Torus Fusion Reactor Utilizing a Continuously Generated String of CTs. The CT String Reactor", CTSR Journal of Fusion Energy, vol. 27, pp.44-48 (2008); and "Acceleration of Spheromak Toruses: Experimental results and fusion applications," UCRL-102074, in Proceedings of 11th US/Japan workshop on field-reversed configurations and compact toroids; 7-9 Nov 1989; Los Alamos, NM, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки.

(6) Сжатие плазмы, управляемое за счет удара имеющих высокую кинетическую энергию макроскопических снарядов, например, пары сталкивающихся снарядов, или за счет одного снаряда, соударяющегося со стационарной мишенью. См., например, патент США No. 4,328,070, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки. См., также, упомянутую выше публикацию by C.W. Hartmann et al., "Acceleration of Spheromak Toruses: Experimental results and fusion applications."

Раскрытие изобретения

В изобретении раскрыт вариант осуществления системы для сжатия плазмы. Система может содержать плазменный инжектор, который содержит систему формирования плазмы, сконфигурированную так, чтобы возбуждать намагниченную плазму, и ускоритель плазмы, имеющий первую часть, вторую часть и продольную ось между первой частью и второй частью. Ускоритель плазмы может быть сконфигурирован так, чтобы получать намагниченную плазму в первой части и ускорять намагниченную плазму вдоль продольной оси в направлении второй части. Система для сжатия плазмы также может содержать систему циркуляции жидкого металла, сконфигурированную так, чтобы доставлять жидкий металл, который образует по меньшей мере часть камеры, сконфигурированной так, чтобы получать намагниченную плазму от второй части ускорителя плазмы. Намагниченная плазма может иметь первое давление при ее вводе в камеру. Система также может содержать ускоритель снаряда, сконфигурированный так, чтобы ускорять снаряд вдоль по меньшей мере части продольной оси в направлении камеры. Система может быть сконфигурирована так, что снаряд сжимает намагниченную плазму в камере, так что сжатая намагниченная плазма может иметь второе давление, которое больше, чем первое давление.

В изобретении раскрыт вариант осуществления способа сжатия плазмы. Способ предусматривает возбуждение тороидальной плазмы, ускорение тороидальной плазмы в направлении полости в жидком металле, ускорение снаряда в направлении полости в жидком металле, и сжатие тороидальной плазма при помощи снаряда, когда тороидальная плазма находится в полости в жидком металле. В некоторых вариантах осуществления, способ может также предусматривать втекание жидкого металла, чтобы образовать полость. В некоторых вариантах осуществления, способ может также предусматривать рециркуляцию части жидкого металла, чтобы образовать по меньшей мере один новый снаряд.

В изобретении раскрыт вариант осуществления устройства для сжатия плазмы. Устройство может содержать плазменный инжектор, сконфигурированный для ускорения компактного тороида плазмы в направлении полости в жидком металле. Полость может иметь вогнутую форму. Устройство может также содержать ускоритель снаряда, сконфигурированный для ускорения снаряда в направлении полости, и систему синхронизации, сконфигурированную так, чтобы координировать ускорение компактного тороида и ускорение снаряда, так чтобы снаряд ограничивал компактный тороид в полости в жидком металле.

Краткое описание чертежей

На всех чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Чертежи приведены для пояснения приведенных примерных вариантов осуществления настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема патентных притязаний.

На фиг.1 схематично показана блок-схема примерного варианта осуществления системы для сжатия плазмы с ограничивающей стенкой жидкого металла, причем указанная система содержит устройство для ускорения снаряда, плазменный инжектор, резервуар для рециркуляции жидкого металла и подсистему формирования снаряда.

На фиг.2 схематично показана блок-схема части примерного варианта плазменного инжектора, расположенного коаксиально вокруг жерла ускорителя снаряда. В показанном варианте осуществления, плазменный инжектор расположен вращательно симметрично вокруг оси 40а ускорения снаряда.

На фиг.3 показаны упрощенные схемы (A-I) примера того, как, во временной последовательности, ведут себя снаряд и плазма, от момента соударения с жидким металлом до точки максимального давления, и затем последующее разрушение снаряда и перемешивание с жидким металлом, что используют для рециркуляции материала снаряда. Значения плотности (кг/м) показаны как уровни серой шкалы справа на фиг.3.

На фиг.4A-4F схематично показаны поперечные сечения примерных конструктивных вариантов снарядов.

На фиг.5 схематично показан пример синхронизации клапанов выпуска газа в примерном варианте осуществления ускорителя снаряда.

На фиг.6 показана схема последовательности операций примерного варианта осуществления способа сжатия плазмы в камере жидкого металла, с использованием соударения снаряда с намагниченной плазмой.

Подробное описание изобретения

Обзор

Описанные здесь выше схемы сжатия плазмы имеют различные преимущества и недостатки. Однако существенным препятствием для эффективного внедрения любой схемы сжатия плазмы типично является стоимость конструирования такого устройства в необходимых физических размерах. Для некоторых из описанных выше схем, стоимость конструирования затрудняет или даже исключает испытание и проектирование макетов в полных физических размерах. Таким образом, целесообразно рассматривать технологии, которые позволяют конструировать макеты в полных физических размерах, с использованием некоторых стандартных процессов и материалов, причем такие макеты имеют относительно простую конструкцию и относительно малые физические размеры.

Варианты осуществления описанных здесь выше схем сжатия обычно являются импульсными по своей природе. Два возможных фактора, которые необходимо учитывать, представляют собой стоимость одного импульса и частоту повторения импульсов. Схемы, в которых используют высокоточные детали, которые разрушаются в каждом импульсном цикле (например, схемы 2, 3 и некоторые разновидности схемы 6), типично имеют намного большую стоимость одного импульса, чем схемы, которые являются либо не разрушаемыми (например, схема 1), либо используют пассивную рециркуляцию материала (например, схемы 4, 5 и некоторые разновидности схемы 6). Не разрушаемые импульсные схемы обычно могут иметь самую высокую частоту повторения (которая может быть ограничена за счет магнитных эффектов), которая в некоторых вариантах осуществления может быть в кГц диапазоне. Схемы с пассивной рециркуляцией являются следующими по частоте повторения (которая может быть ограничена за счет скоростей потока линейного флюида), которая в некоторых вариантах осуществления может составлять несколько кГц. Схемы, в которых центральный узел импульсного сжатия разрушается каждым импульсом, имеют самую низкую собственную частоту повторения, которая определяется временем, необходимым для удаления разрушенных элементов и для установки нового узла. Вероятнее всего, в некоторых вариантах осуществления этих схем, в лучшем случае частота повторения составляет доли Гц.

Принимая во внимание возможность интенсивного рентгеновского излучения и испускания частиц высокой энергии из плазмы при высокой плотности и температуре, может быть выгодно проектировать схемы, которые содержат большой объем заменяемого поглощающего материала, чтобы уменьшить поступление продуктов радиационного распада из плазмы в постоянные конструктивные элементы устройства сжатия. Устройства, которые не содержат такого поглощающего материала или защитного слоя, подвержены радиационному разрушению их конструктивных элементов и имеют соответственно пониженный срок службы. Несмотря на то что некоторые варианты схем 1, 2 и 3 могут быть приспособлены для использования некоторого количества поглощающего материала, это может приводить к усложнению их конструкции (см., например, HYLIFE-II реактор, описанный в приведенной выше ссылке Moir et al.). В отличие от этого, схемы 4, 5 и 6 содержат поглощающий материал, либо за счет выбора материала, использованного для сжатия линейного флюида, и/или за счет добавки материала в большие не используемые объемы, окружающие устройство. Системы с рециркуляцией поглощающей жидкости также позволяют реализовать дешевый способ отбора теплоты, полученной во время сжатия. Рециркуляция поглощающей жидкости также позволяет использовать продукты радиационного распада из сжатой плазмы для трансмутации изотопов, которые содержатся в поглощающей жидкости. Этот подход может быть использован для обработки отходов, или для создания дешевого способа производства редких изотопов.

В управляемых за счет соударения схемах сжатия типично используют способы ускорения небольших, но макроскопических снарядов до сверхвысоких скоростей, необходимых для сжатия и нагревания твердых снарядов до очень плотного, горячего плазменного состояния, типично без магнитного поля, или с магнитным полем, имеющим только краевые ограничивающие свойства. Это типично требует использования очень длинного электромагнитного ускорителя (например, длиной до нескольких километров), чтобы развить требуемую скорость, что приводит к запретительно высоким расходам на конструирование.

Различные варианты осуществления настоящего изобретения позволяют решить некоторые из приведенных выше и других проблем. Например, в большинстве систем с использованием снарядов, до сих пор не использовали никакой способ рециркуляции материала снаряда, что приводит к разрушению высокоточных деталей и значительно повышает стоимость одного импульса. Кроме того, в большинстве известных систем до сих пор не использовали механизмы поглощения продуктов радиационного распада из плазмы для решения полезных задач, так что любое поглощающее покрытие может быть добавлено к ним с большими инженерными сложностями.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения позволяют использовать ударное воздействие снаряда для управления сжатием плазмы, и создают конфигурацию системы, позволяющую создать систему со значительно меньшими размерами и более высокими частотами повторения и/или с большим сроком службы, чем известные ранее подходы. В отличие от некоторых способов ударного сжатия (см., например, патент США No. 4,435,354, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки), некоторые варианты заявленных подходов позволяют использовать большую массу, которая перемещается с низкой скоростью и обеспечивает сжатие хорошо намагниченной плазмы. Это позволяет использовать более простой и более дешевый способ ускорения снаряда для сжатия плазмы. Например, пушка с использованием легкого газа может быть использована для ускорения снаряда до скоростей несколько км/сек в интервале, например, около 100 метров. Примеры построения пушек с использованием легкого газа и пусковых систем снарядов, которые могут быть использованы вместе с раскрытыми здесь вариантами осуществления системы для сжатия плазмы, описаны в патенте США No. 5,429,030 и в патенте США No. 4,534,263, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки. Подходящая пусковая система снаряда, которая описана в публикации L.R.Bertolini, et al., "SHARP, a first step towards a full sized Jules Verne Launcher", Report Number UCRL-JC-114041; CONF-9305233-2, Lawrence Livermore National Lab, May 1993, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки, также может быть использована вместе с раскрытыми здесь вариантами осуществления системы для сжатия плазмы.

Варианты заявленного подхода могут содержать встроенную систему пассивной рециркуляции для материала снаряда. Это позволяет улучшать (например, делать относительно высокой) частоту повторения и/или повышать срок службы системы. При подходящем выборе материалов, снаряд и линейный флюид могут действовать как эффективный поглотитель продуктов радиоактивного распада плазмы, что позволяет создать систему, которая является экономически реализуемой и практически полезной.

Примерные системы и способы сжатия плазмы

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются варианты осуществления систем и способов сжатия плазмы. В некоторых вариантах осуществления, плазма может быть сжата за счет соударения снаряда с тороидом намагниченной плазмы в полости жидкого металла. Снаряд может расплавляться в полости жидкого металла, а жидкий металл может быть рециркулирован для формирования новых снарядов. Плазма может быть нагрета во время сжатия.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой схематично показан вариант осуществления новой примерной системы 10 для сжатия плазмы. Примерная система 10 содержит устройство 34 для формирования/ инжекции намагниченной плазмы, ускоритель 40 (например, пушку с использованием легкого газа или электромагнитный ускоритель), который посылает снаряды 12 вдоль оси 40а ускорения в направлении камеры 26 сжатия, образованной в части сходящегося потока жидкого металла 46. Жидкий металл 46 содержится в рециркуляционном резервуаре 18 для жидкого металла, причем коническое сопло 24 направляет поток жидкого металла 46 во вкладыш удержания магнитного потока, имеющий поверхность 27 с желательной формой у камеры 26 сжатия. Камера 26 сжатия может быть в основном симметричной относительно оси. Ось камеры 26 сжатия может быть в основном коллинеарной с осью 40а ускорения (как это показано, например, на фиг.1 и 2). Система 10 может иметь систему синхронизации (не показана), которая сконфигурирована так, чтобы координировать относительную синхронизацию таких событий, как, например, формирование плазмы, ускорение плазмы, запуск или ускорение снаряда, и т.п. Например, так как, в некоторых вариантах осуществления, скорость снаряда может быть значительно меньше, чем скорость инжекции плазмы, формирование и инжекция плазмы могут быть задержаны и могут запускаться при помощи системы синхронизации, когда снаряд 12 доходит до заданного положения относительно ускорителя 40 (например, будет находиться поблизости от его жерла).

На фиг.1 схематично показаны три примерных снаряда 12а, 12b и 12с, которые движутся в направлении камеры 26 сжатия. Четвертый снаряд 12d находится в жидком металле 46, поблизости от точки максимального сжатия плазмы. Четыре снаряда 12а-12d показаны для пояснения возможностей системы 10 и не имеют ограничительного характера. Например, в других вариантах осуществления, различное число снарядов (например, 1, 2, 4 или больше) могут ускоряться при помощи ускорителя 40 в любой момент времени. На фиг.1 также схематично показан тороид плазмы в трех различных положениях в системе 10. В показанном варианте осуществления, тороид намагниченной плазмы может быть образован поблизости от формирующей области 36а устройства 34 формирования/ инжекции. Намагниченная плазма, показанная в положении 36b, подверглась ускорению и сжатию между коаксиальными электродами 48 и 50. В положении 36с, поблизости от жерла ускорителя 40, намагниченная плазма расширяется из конца коаксиальных электродов 48 и 50 в камеру 26 сжатия большего объема, заданную при помощи передней поверхности снаряда 12с (см. фиг.1) и поверхности 27 жидкого металла. Намагниченная плазма может оставаться в положении 36с в камере 26 сжатия с временем магнитного спада, которое в несколько раз больше, чем время сжатия.

Движение снаряда 12с может сжимать плазму поблизости от положения 36с, причем внутреннее магнитное удержание плазмы уменьшает или предотвращает существенную потерю частиц назад в плазменный инжектор во время ранней фазы сжатия. В системе 10, схематично показанной на фиг.1, размер снаряда 12с в направлении, перпендикулярном к оси 40а ускорения, меньше, чем размер отверстия в камере 26 сжатия, так что кольцевое отверстие существует вокруг наружной стороны снаряда, когда снаряд находится поблизости от положения 36с. Более поздняя фаза сжатия начинается после того, как снаряд 12с закрывает отверстие в камеру, при этом камера 26 сжатия будет в основном или полностью закрыта за счет поверхности 27 жидкого металла и снаряда 12с. См., например, фиг.3, на которой схематично показана смоделированная временная последовательность геометрии сжатия. Таким образом, ударное воздействие снаряда 12 на плазму в камере сжатия может повышать давление, плотность и/или температуру плазмы. Например, плазма может иметь первое давление (или плотность или температуру), когда она введена в камеру 26 сжатия, и второе давление (или плотность или температуру) после воздействия снаряда 12, причем второе давление (или плотность или температура) больше, чем первое давление (или плотность или температура). Второе давление (или плотность или температура) могут быть больше, чем первое давление (или плотность или температура), например, в 1.5, 2, 4, 10, 25, 50, 100 или больше раз. После поглощения снаряда в жидком металле 46 (показанного на фиг.1 как снаряд 12d), снаряд может быстро разрушиться и расплавиться в металле 46. Как это описано далее более подробно, жидкий металл 46 из резервуара 18 может быть рециркулирован для формирования новых снарядов.

В результате сжатия, плазма может быть нагрета. Чистый нагрев жидкого металла 46 может происходить за счет поглощения продуктов радиационного распада из сжатой плазмы, а также за счет термализации кинетической энергии снаряда. Например, в некоторых вариантах реализации, жидкий металл 46 может быть нагрет до нескольких сот градусов Цельсия за счет сжатия плазмы. Таким образом, как это показано в примере на фиг.1, когда жидкий металл 46 рециркулируют при помощи насоса 14, жидкий металл необходимо охлаждать при помощи системы 16 теплообмена, чтобы поддерживать желательную температуру во впускной трубе 28 или в коническом сопле 24. В некоторых вариантах реализации, теплота, образуемая за счет сжатия плазмы, может быть отведена при помощи теплообменника и использована в системе выработки электроэнергии (например, в турбине, приводимой во вращение за счет пара, поученного за счет отведенной теплоты). В некоторых вариантах осуществления, температура жидкого металла может поддерживаться немного выше его температуры плавления (например, T_melt + ориентировочно 10-50°С). Теплообменником 16 может быть любой подходящий теплообменник.

В некоторых вариантах осуществления, выход теплообменника может быть использован в других процессах. Например, в дополнение к впускному патрубку 28, который направляет поток жидкого металла 46 в коническое сопло 24, чтобы создать поверхность 27 камеры 26 сжатия, труба 30 рециркуляции может подавать запас жидкого металла 46 в кристаллизаторы 32 снарядов в подсистеме для изготовления партий новых снарядов (например, подавать на производство 37 снарядов, показанное на фиг.1). В некоторых вариантах осуществления, механизм 38 загрузки может быть использован для автоматической загрузки новых снарядов в брешь ускорителя 40. В некоторых вариантах осуществления, группа снарядов 12 может быть вставлена в кассету, которая может быть загружена при помощи механизма 38 загрузки в брешь ускорителя 40 и выпущена в относительно быстрой очереди вдоль оси 40а ускорения. В некоторых случаях, в течение короткого периода времени, возможно, в течение 1-2 секунд в некоторых вариантах реализации, из ускорителя 40 может быть произведен выпуск группы снарядов, после чего может быть произведена загрузка следующей кассеты снарядов. В некоторых вариантах осуществления, механизм 38 загрузки может иметь прямой цикл загрузка-выпуск-загрузка-выпуск, причем в таком случае кассеты не используют, при этом поддерживают в основном постоянную частоту повторения выпуска снарядов.

В некоторых вариантах осуществления, кристаллизаторы 32 снарядов могут быть автоматизированы, чтобы получать рецикловый жидкий металл 46 и осуществлять цикл охлаждения, позволяющий производить отливку новых снарядов с использованием различных технологических процессов. Скорость рециркуляции жидкого металла и производства новых снарядов должна быть достаточной для подачи снарядов, обеспечивающих заданную частоту выпуска снарядов. Полное время охлаждения жидкого металла, необходимое для достаточного застывания в кристаллизаторах, должно быть синхронизовано с процессом приготовления партий новых снарядов. В некоторых вариантах реализации системы 10, время охлаждения может быть сделано возможно более коротким и/или может зависеть от скорости работы механизма загрузки и/или от способности снаряда 12 выдерживать ускорение в стволе пушки. В этом высоко автоматизированной цикле выпуска снарядов, может быть обеспечена высокая частота повторения в течение длительного времени. Также, с возможным исключением инжекции плазмы для каждого выпуска снаряда, некоторые варианты осуществления системы 10 преимущественно могут быть системами регулирования в замкнутом контуре, в которых твердые снаряды 12 в конечном счете поступают в резервуар 18, заполненный по существу этим же материалом в жидком виде, причем жидкий металл 46 может быть рециркулирован для образования новых снарядов 12. В некоторых вариантах осуществления, изготовление снарядов может быть осуществлено с использованием систем и способов, описанных, например, в патенте США No. 4,687,045, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки.

Система 10 может быть использована в различных практических и полезных применениях. Например, в применениях, предусматривающих трансмутацию изотопов за счет поглощения продуктов радиационного распада, может быть использована другая ветвь потока жидкого металла (не показана), в которой изотопы могут быть удалены из жидкого металла 46, например, с использованием стандартных технологий со слоем геттера. При необходимости, в некоторых вариантах осуществления, дополнительный металл может быть добавлен в поток, чтобы восполнить потери за счет трансмутации или другие потери.

В некоторых вариантах реализации системы 10, некоторая часть системы или вся система рециркуляции жидкого металла может быть аналогичной системам, которые используют в некоторых вариантах реализации описанных здесь выше схем 4 и 5 сжатия. Некоторые варианты реализации этой схемы могут отличаться от некоторых вариантов реализации схемы 4 в том, что не используют вихревую гидродинамику для создания центральной полости камеры 26 сжатия, причем вместо этого может быть использован линейный поток в сопле. Некоторые варианты реализации заявленного подхода также могут отличаться от некоторых вариантов реализации схемы 4 в том, что только единственный снаряд используют для воздействия при каждом сжатии, так что синхронизация удара нескольких плунжеров, которую используют для создания по существу симметричных акустических импульсов, может не потребоваться.

Некоторые варианты осуществления заявленного подхода также имеют некоторые преимущества по сравнению со схемой 5, в которой типично используют намного более длинный и более мощный плазменный инжектор, чтобы получить кинетическую энергию, необходимую для полного сжатия плазмы, что приводит к более высокой стоимости создания установки за счет стоимости емкостного накопителя энергии. В некоторых вариантах реализации заявленного подхода, энергия, которая может быть использована для сжатия плазмы, в первую очередь может быть получена за счет сжатого газа, который ускоряет снаряд 12 в ускорителе 40. В некоторых случаях, такая технология может быть менее сложной и более дешевой, чем технология, используемая в некоторых вариантах реализации схемы 5.

Варианты осуществления системы 10 для сжатия плазмы могут содержать ускоритель 40 для выпуска снаряда 12 вдоль по существу прямолинейной траектории, которая проходит вдоль оси 40а, по существу через центр инжектора 34 плазмы и заканчивается соударением с плазмой и стенками жидкого металла камеры 26 сжатия внутри резервуара 18 рециркуляции. В некоторых вариантах осуществления, ускоритель 40 может быть сконфигурирован так, что он может эффективно обеспечивать высокие скорости снаряда (например, ориентировочно 1-3 км/с), в случае снаряда большого калибра (например, имеющего массу около 100 кг и диаметр около 400 мм), и может работать очередями. Существует несколько известных ускорителей, которые могут быть приспособлены для такого применения. В одном возможном случае может быть использована пушка с использованием легкого газа. В некоторых вариантах реализации, конструкция пушки позволяет производить быструю перезарядку объема камеры позади снаряда сжатым легким "газом-толкателем" (который может содержать, например, водород или гелий). В некоторых вариантах реализации, может быть выгодно создавать по меньшей мере частичный вакуум в области впереди снаряда, до следующего выстрела пушки. Например, следует иметь в виду, что когда снаряд 12 движется вперед, он может толкать порцию газа на своем пути, так что она поступает в камеру 26 сжатия. В зависимости от состава газа, это может приводить к загрязнению плазмы, которая введена в камеру 26 сжатия. Наличие другого газа (примесей) может в некоторых случаях приводить к охлаждению плазмы за счет линейного излучения, которое уменьшает энергию, предназначенную для нагревания плазмы.

В вариантах реализации, в которых используют водород в качестве газа-толкателя, водород может быть полностью ионизирован и введен в плазму без создания таких проблем, связанных с охлаждением. Кроме того, следует иметь в виду, что остаточный газ впереди снаряда действует как сила лобового сопротивления, снижающая ускорение снаряда в пушке. Таким образом, в вариантах реализации, в которых имеется по меньшей мере частичный вакуум впереди снаряда, может быть достигнута повышенная эффективность пушки.

В некоторых вариантах осуществления, стандартная пушка с использованием легкого газа может быть использована для быстрой откачки ствола 44 пушки в перерывах между выстрелами. Например, в одной возможной конструкции пушки, главный ствол 44 пушки может быть окружен вакуумной камерой значительно большего размера (на фиг.1 не показана), причем большое число приводимых в действие выпускных клапанов 42 распределены вдоль длины пушки 44. Один возможный примерный способ работы клапанов предусматривает следующее. В перерывах между выстрелами, все клапаны 42 (или по меньшей мере их значительная часть) могут быть открыты, и газ-толкатель от предыдущего выстрела может быть выпущен в вакуумную камеру. После открывания клапанов, если не учитывать эффект истечения за счет активной откачки у поверхности вакуумной камеры, оценка начального равновесного давления может быть выражена как

P_equ=P_push V_gun/V_tank=P_push(r_gun/r_tank)²,

в которой P_pusn представляет собой окончательное давление в пушке после выпуска снаряда из жерла, V_gun, V_tank представляют собой соответственно объемы ствола 44 пушки и вакуумной камеры, которые для соосной цилиндрической системы пушка - камера также пропорциональны квадрату отношений радиусов ствола пушки и вакуумной камеры. Например, если (r_gun/r_tank)=1/10, и окончательное толкающее давление P_pusn равно одной атмосфере (ориентировочно 1.013×10 Па), то тогда начальное равновесное давление будет составлять около 1/100 атмосферы. В некоторых вариантах осуществления системы, эта объемная потеря давления позволяет использовать стандартный высокоскоростной турбонасос для откачки системы, который обычно не используют при очень высоких давлениях, возникающих в некоторых конструкциях газовых пушек. В некоторых таких вариантах осуществления, вакуумные турбонасосы (не показаны) могут быть распределены вдоль поверхности вакуумной камеры и, в случае параллельной работы, могут иметь объединенную скорость откачки, которая равна или превышает усредненную по времени скорость втекания газа за счет инжекции газа-толкателя, чтобы приводить в движение снаряд. Одно возможное устройство может быть устройством с замкнутым контуром для газа-толкателя, в котором компрессоры используют отработавшие газы вакуумных насосов и непосредственно повышают давление в камере пушки. Тепловая энергия от системы 16 теплообмена может быть дополнительно или альтернативно использована для теплового повышения давления газа в камере.

Продолжая рассмотрение примерного способа работы клапана, можно сказать, что как только давление в пушке 40 существенно понизится, клапаны 42 могут начать закрываться и могут быть синхронизированы так, что клапаны, ближайшие к жерлу пушки 40, полностью закроются первыми. В некоторых случаях, время полного закрывания клапанов 42 может изменяться в линейной последовательности вдоль длины пушки 40, так что оно отслеживает траекторию снаряда. Могут быть использованы и другие схемы синхронизации. При выборе подходящей схемы синхронизации, некоторые конструктивные варианты пушки 40 могут быть сконфигурированы с возможностью начала выпуска другого снаряда 12 сразу после того, как закроются клапаны 42 поблизости от жерла, а когда снаряд 12 движется в стволе пушки 40, снаряд может проходить мимо позже закрытых клапанов, причем клапаны впереди снаряда находятся в процессе закрывания, и все еще остаются достаточно открытыми, чтобы любой остаточный газ мог быть выпущен в вакуумную камеру. В других конструктивных вариантах пушки могут быть использованы другие схемы выпуска снарядов.

Приведение в действие клапанов 42 может быть осуществлено, например, за счет движения, которое может быть линейным или вращательным по своей природе. На фиг.5 схематично показан пример синхронизации вращательных клапанов 42a-42d для выпуска газа в варианте ускорителя снаряда. Двигатели 78a-78d могут быть использованы для вращения соответствующих роторов 72a-72d клапанов. В этом примере, синхронизация может быть выполнена так, что роторы 72а и 72b клапанов по меньшей мере частично перекрывают одно или несколько соответствующих вентиляционных отверстий 74а и 74b, расположенных позади местоположения 76 снаряда (который движется направо в этом примере), а роторы 72с и 72d клапанов оставляют по меньшей мере частично открытыми одно или несколько соответствующих вентиляционных отверстий 74с и 74d, расположенных впереди местоположения 76 снаряда, так что газ может быть по меньшей мере частично замкнут в области позади снаряда, в то время как область впереди снаряда может быть по меньшей мере частично откачена. В некоторых вариантах реализации, рециркуляция газа-толкателя через систему может потребовать значительного расхода энергии в течение короткого (например, полсекунды) периода времени между выстрелами. В других способах эксплуатации пушки, выпускные клапаны (если они есть) могут работать иным образом, отличающимся от описанного здесь выше.

В некоторых вариантах осуществления, частота повторения системы ускорения снаряда может быть больше, чем собственная частота повторения схемы сжатия или равна ей. В других вариантах осуществления, частота повторения системы ускорения снаряда может быть меньше, чем собственная частота повторения схемы сжатия.

Следует иметь в виду, что могут быть использованы и другие способы ускорения снаряда. Например, другой возможный способ ускорения снаряда предусматривает использование пушки с катушкой индуктивности, которая, в некоторых вариантах осуществления, создает последовательность электромагнитных импульсов для приложения последовательности магнитных сил для ускорения снаряда. Одним возможным преимуществом пушки с катушкой индуктивности является то, что она позволяет постоянно поддерживать высокую степень откачки.

В некоторых вариантах реализации системы 10, могут быть предусмотрены дополнительные датчики (не показаны) и цепь запуска (не показана), для точного запуска ускорителя 40.

Снаряд 12 и/или жидкий металл 46 могут содержать металл, сплав, или их комбинацию. Например, может быть использован сплав свинца с литией, содержащий около 17% лития по атомной концентрации. Этот сплав имеет температуру плавления около 280°С и плотность около 11.6 г/см³. Могут быть использованы и другие концентрации лития (например, 5%, 10%, 20%), причем, в некоторых вариантах реализации, литий не используют. В некоторых вариантах осуществления, снаряд 12 и жидкий металл 46 имеют по существу одинаковую композицию (например, в некоторых импульсных, рецикловых вариантах осуществления). В других вариантах осуществления, снаряд 12 и жидкий металл 46 могут иметь разные композиции. В некоторых вариантах осуществления, снаряд 12 и/или жидкий металл 46 могут быть изготовлены из металлов, сплавов, или из их комбинаций. Например, снаряд и/или жидкий металл может содержать железо, никель, кобальт, медь, алюминий и т.п. В некоторых вариантах осуществления, жидкий металл 46 может быть выбран так, чтобы иметь достаточно низкое поглощение нейтронов, так что полезный поток нейтронов выходит из жидкого металла.

Варианты инжектора 34 тороидальной плазмы могут быть в основном аналогичны некоторым известным конструкциям коаксиальной рельсовой пушки. См., например, различные варианты инжектора тороидальной плазмы, описанные в публикациях: J.Н.Degnan, et al., "Compact toroid formation, compression, and acceleration", Phys. Fluids B, vol. 5, no. 8, pp.2938-2958, 1993; R.E.Peterkin, "Direct electromagnetic acceleration of a compact toroid to high density and high speed". Physical Review Letters, vol. 74, no.16, pp.3165-3170, 1995; and J.Н.Hammer, et al., "Experimental demonstration of acceleration and focusing of magnetically confined plasma rings", Physical Review Letters, vol. 61, no. 25, pp.2843-2846, December 1988. См., также, конструкцию инжектора, которая была экспериментально проверена и описана в публикации Н.S.McLean et al., "Design and operation of a passively switched repetitive compact toroid plasma accelerator", Fusion Technology, vol. 33, pp.252-272, May 1998. Каждая из вышеупомянутых публикаций полностью включена в данное описание в качестве ссылки. Кроме того, варианты генераторов плазмы, которые описаны в заявках на патент США Nos. 2006/0198483 и 2006/0198486, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки, могут быть использованы в вариантах инжектора 34 тороидальной плазмы.

Тороидальной плазмой, возбуждаемой при помощи плазменного инжектора 34, может быть компактный тороид, такой как, например, сферомак, который представляет собой