Способ кумуляции плазмы и устройство для его осуществления

Способ кумуляции плазмы и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

> .»ÒÐ -

ОП ИСААКИЕ

< 671681

Союз Советскнк

Социалнстмческик

Республмк

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«+

1 L ф..» (6l ) Дополнительн1зе к авт. свид-ву — (51)M. Кл. (22) Заявлено 27.06.77 (2() 2500980/18-25

Н 05 Н 1/ с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР (23) Приоритет

/ (53) УДК 539.9, .03(088. 8) ла делам изобретений и открытий

Опубликовано 25.05.80. Бюллетень М 19

Дата опубликования описания 18.05.80

+ 3 -. мйа» м -»»»»»»»»»фа а»июле» (72) Авторы изобретения

В. С. Комельков и В. И. Модзолевский

Государственный научно-исследовательский энергетический институт им. Г. M. Кржижановского (7I) Заявитель (54) СПОСОБ КУМУЛЯПИИ ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1 . Изобретение относится к способам и устройствам получения высокотемпературной плазмы повышенной плотности и может быть применено в области импульсной плазменной техники, занимающейся вопросами концентрации энергии

5 в небольшом объеме.

Известен импульсный способ кумуля-, ции плазмы путем пропускания быстронарастающего тока большой амплитуды

10 . (до 10 A) через цилиндр с рабочим гаэом при начальном форвакуумном давлении (Е -н.) $13.

Рабочий ток при этом проходит в тонком поверхностном слое цилиндрического газового столба, ионизует его, образую щееся азимутальное ьтагнитное поле, взаимодействуя с током, создает направ ленное к оси магнитное давление. По ме» ре роста разрядного тока возникает с о дящаяся к центру цилиндрическая ударная волна сжатия, толкаемая магнитным порш нем, в виде цилиндрического скин-слоя с током. При движении fc оси ионизуется и захватывается в скин- слой все большее количество нейтрального газа, одновременно из-оа уменьшения радиуса разряда и увеличения тока скорость схождения всюрастает. В момент схлопывания вблизи оси образуется цилиттдрическая область горячей плотйой плазмы.

Однако такой способ кумуляции имеет малое время существования плазмы в сжатом состоянии, ограниченное возник» новением магнитогидрбдинамических неустойчивостей.

Известен также способ кумузтяции плазмы путем . инерционного цилиндрически симметричного сжатия под действием газодинамического напора и магнитного давления от протекающего разрядного тока (3).

При этом токовая обопочка в своем движении к торцу центрального электрода иониэует нейтральный газ, частично он захватывается частью оболочки, ближайшей к поверхности центрального электрода, частично выталкивается радиально на1681 (5

3 67 . ружу к внутренней поверхности внешнего электрода, Мгновенная масса токового слоя нарастает почти линейно во времени и пространстве, и ко времени выхода обо . лочки с током на торец центрального электрода сходящаяся ее часть может иметь значительную массовую плотность.

В результате гидродинамического сжатия на оси достигаются значительные плотности и температуры дейтериевой плазмы, сопровождающиеся нейтронным излучением.

Но в таком способе мал получаемый обьем плазмы в сжатом состоянии и непродолжительно время жизни сжатой плазмы.

Целью изобретения является увеличе-. ние длительности кумуляции и протяженности области сжимаемой плазмы.

Поставленная цель достигается тем, что формируют по крайней мере две спутные коаксиальные струи с максимально допустимыми разрядными токами, определяемыми эрозионной стойкостью электро да, пропускают одну струю внутри другой так, чтобы совпадали их передние фронты в пределах толшин скин-слоев, Способ может быть осуществлен устройством, состоящим из коаксиально рас" положейных электродов: центрального цилиндрического и охватывающего его профилированного, состоящего из конической токоподводяшей и цилиндрической ускорявшей частей., Отличие устройства, позволяющего осуществить новый способ, состоит в том, что применен по крайней мере один дополнительный профилированный электрод с цилиндрической ускоряющей частью, охватывающей цилиндрическую часть — профилированного электрода устройства и соосной ей.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Устройство состоит из коаксиальных электродов 1 и 2, причем профилированный электрод 2 состоит из токоподводяшей 3 и ускоряющей 4 частей. Пополни» тельные электроды 5 и 6 установлены соосно электродам устройства, а их уско-l ряюшие цилиндрические части охватывают ускоряющую часть профилированного электрода устройства.

Устройство работает следующим образом.

С целью осуществления кумуляции плазмы формируют по крайней мере две, а в данном примере конкретного выполнения три, плазменные струи с током. Для этого межэлектродное пространство электродов заполняют рабочим газом импульсно или стационарно, включают стартовые разрядники 7, 8, 9, в заданной последовательности разряжают конденсаторные батареи 1 О, 1 1, 1 2 предварительно заряженные до требуемых рабочих напряжений, на соответствующие пары электродов

1 и 2, 2 и 5, 5 и 6.

В областях межэлектродного пространства, ограниченных цилиндрическими поверхностями, возникают токи, с„, и и . Сначала они текут в отдельных каэ калах, затем по достижении токами определенной плотности каналы сливаются, образуя сплошные плазменные оболочки с током, которые ионизуют, захватывают и ускоряют нейтральный газ. Двигаясь под действием собственного магнитного поля, оболочки, выходя за пределы

20 электродов, становятся плазменными струями с вынесенным током. Так при выходе тока на торец центрального электрода 1 образуется плазменный шнур 13,. с которого ток замыкается на внутреннюю боковую поверхность электрода 2 через оболочку с током, толщина которой равна скин-слою. Начало кумуляции совпадает с моментом выхода трех плазменных оболочек за торцы цилиндрических объемов, в которых они ускорялись. СинхронноСть взаимодействия струй обеспечивается, если скорости струй равны, а фронты их смещены в пространстве не более, чем в пределах толшин их скин-слоев. ОдноЗ5 временность выхода струи в зону кумуляции и одинаковые скорости их продольного движения устанавливают выбором времени включения стартовых разрядни1 ков 7, 8, 9, напряжений и током конденсаторных батарей, длин цилиндрических частей электродов,2, 5 и 6.

Когда оболочка с током покидает пределы цилиндрической части электрода 2, шнур сохраняется продолжительное время только в случае ограничения поперечного движении боковой плазменной обсаочки 14. Такое ограничение выполняет боковая поверхность 15 плазменной струи с током с . Аналогично боковая поверхность 16 препятствует поперечному расширению плазменной струи с током сд а цилиндрическая часть электрода 6 ограничивает боковое расширение струи с током ° вкругими словами, после вы55 хода струй с токами i„, и i в область электрода 6 длиной с все они оказываются компактно вложенными одна в другую. Происходит кумуляция централь1. Способ кумуляции плазмы путем инерционного цилиндрически симметричного сжатия под действием газодинами- ческого напора и магнитного давления от протекающего разрядного тока, о тл и ч а ю m и и с я тем, что, с целью увеличения длительности: кумуляции и протяженности области сжимаемой плазмы, формируют по крайией мере две спутные коаксиальные струи с максимально допустимыми разрядными токами определяемыми эфозионной стойкостью электрода, пропускают одну струю внутри другой гак, чтобы совпадали их передние фронты в пределах толщин скин-слоев.

2. Устройство для осуществления способа по и. 1, состоящее из коаксиально расположенных электрсаов центрально5 6716 ной плазменной струи с током (4 дополнительными струями с токами

Чтобы сжатие было наибольшим, токи в струях в момент начала кумуляции уста-навливают экспериментальными и удовлетворяющими неравенству:

i, ((2 -(5.

Магнитное давление, создаваемое этими токами, передается на плазменный шнур центральной струи с помощью магнитных полей.

Несоблюдение таких условий одновременности выхода струй в зону кумуляции приводит к вариантам взаимодействия, исключающим кумуляцию плазменного шну15 ра центральной струи; если центральная плазменная струя опережает остальные, тогда стажие приходится на ее хвост, в результате чего происходит ее ускорение по типу спринцовки ; если центральная

Р го плазменная струя запаздывает по отношению к сжимавшим, то в результате их расширения в направлении оси устройства происходит кумуляция внутренней сжимаю25 шей струи по типу полого Х -линча, причем наружная струя усиливает эффект кумуляции. Поскольку скорость кумуляции существенно больше скорости продольно го движения, в этом варианте реализует» зо ся удар центральной плазменной струи в область плазменного фокуса.

Поскольку токоподвод к струям ведут через металлические электроды, их токо . вая нагрузка не может превышать преде35 лов механической прочности скин- слоя материала. Так,например, если ток, проходящий через центральный электрод

1 (диаметр 1 см), должен быть не более 1 0 А, то ток через электрод 2, 6 цилиндрическая часть которого имеет диаметр 5см, не может превышать

5 10 А. Однако чем больше ток, тем больше магнитное давление и выше сжатие. Представляется возможным увеличить

7 45 ток до 1 0 А, если применить электрод 2 диаметром 10 см. Возможны тогда два ваоианта. Электрод 1 имеет тонкую стенку. При большом внутреннем диаметре для тока L плотность его в части меж1 50 электродного зазора будет недостаточна для формирования сплошной плазменной оболочки, а в отсутствие оболочки кумуляция шнура невозможна. Электрод 1 имеет толстую стенку. Взаимодействую щие оболочки после выхода на его торец движутся навстречу друг другу. Столкно вение носит локальный характер, сопро вождается колебаниями и неустойчивостью

81 6 плазменного шнура, в результате чего продолжительность кумуляции .и область сжимаемой плазмы невелики.

Такое качественное рассмотрение показывает, что для наращивания тока в струе нельзя резко увеличить диаметр соседнего электрода; а потому наиболее перспективными системами являются многоструйные. Они позволяют применять электроды с тонкими стенками, располагая их друг от друга на расстояниях, обеспечивающих возникновение в межэлектродном пространстве сплошных плазменных оболочек с токами, не раэрушатощими токоподводящие электроды. Ток в каждой струе возрастает пропорционально диаметрам соответствутоших токоподводящих электродов, причем толщина сте нок такова, чтобы в момент выхода струй на торец электрода они были бы удалены друг от друга на расстояние не более толщины скин-слоя.

Наконец, помимо вйшеописанного одновременного сжатия центральной плазмен ной струи с током остальными струями, применяют программированное сжатие, которое состоит в следующем; сжимающие струи выпускают иэ электродов поочередно, от центра к периферии, а момент начала очередной кумуляции и ее длительность регулируют, изменяя глубину пог ружения торца цилиндрического электро да в ближайший внешний электрод. Каждая новая струя, осуществляющая куму ляцию, сжимает центральну1о струю, воздействуя на боковые поверхности струй, начинающих сжатие раньше. формула изобретения

7 67 го цилиндрического и охватывающего его профьлированного, состоящего из коннчесao% токоподводящей и цилиндрической ус» коряющейчастей, отл ича ю ще ес я тем, что применен по крайней мере один дополнительный профилированный электрод с цилиндрической ускоряющей частью, охватывающей цилиндрическую

1681 8 часть профилированного электрода устройства.

Источники информации, принятые Во внимание при акспертиэе

1. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. M., 1963, с. 155.

2. Йо1Ьег дЛ (., Во 1оть Р, 3, Рnvs |с

of FKv ale 11, N 33, 1868.

Составитель Н. Ермохин

Редактор Е. Месропова Техред М. Кузьма Корректор М. Вигула

Заказ 2136/62 Тираж 885 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР йо делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская Ha6., д. 4/5 филиал ППП Патеж", r. Ужгород, ул. Проектная, 4