Плазма и ВЧ генератор
Как электрический ток заставляет гудеть провода?
Провода от электрического тока могут гудеть, а могут трещать. Остановимся на гудении.
Характерное электрическое гудение можно вспомнить из опытов с высоковольтным генератором Ван дер Графа. Вероятно, не все видели такую штуку в школе на физике. Её работа сопровождается регулярным гулом. Посмотрите в этом ролике, как оно работает. Звук похож на мечи джедаев в звёздных войнах.
Для того, чтобы это услышать характерный звук, не обязательно идти под высоковольтную линию. Иногда достаточно просто включить электрический нагреватель в розетку и прислушаться.
Далеко не все электрические нагреватели будут именно что гудеть, но некоторые этак точно начинают издавать этот странный звук. Собственно, на процесс напрямую влияет конструкция нагревательного элемента, но об этом чуть позже.
Кстати говоря, подобный эффект легко даже почувствовать пальцами, если потереть рукой раму велосипеда под высоковольтной линией электрических передач. Пальцы по раме будут не скользить, а как будто вязнуть и гудеть. При бОльшей интенсивности воздействия тока, появился бы и слышимый характерный звук.
В чём физика процесса?
Для начала стоит вспомнить, что у нас всегда сопровождает движущиеся заряды? Правильно, если в проводе есть электрический ток, то вокруг провода обязательно появляется и магнитное поле. Характеристики этого поля могут быть самыми разными и зависят от параметров электрического тока, породившего это поле. Помните', например, про электромагнитную индукцию?
Когда провода начинают гудеть, мы имеем дело сразу с несколькими физическими процессами. Один из них механический, а другой сугубо "магнитный".
Непосредственное механическое взаимодействие проводников
Под механическим процессом мы понимаем возникновение звука из-за поведения проводника похожего на поведение струны гитары.
Представьте, что провод, который соединяет две мачты и натянут, как минимум, под действием собственного веса, работает как большая струна. В этом случае, он может испускать механические волны, или, правильнее сказать, колебаться сам. Такие колебания будут причиной появления и звуковых волн, которые являются ответом упругой окружающей среды на появление колебания от провода.
Остается найти резонаторы, чтобы этот звук стал более слышим для нас с вами. Таким резонатором могут стать опоры или столбы, шкафы, корпуса прибора и прочие окружающий предметы.
Вот только откуда берется именно гудение. Тут всё также. Было бы здорово, если бы вы представляли себе поведение электрической гитары. Достаточно дотронуться до струны и поводить по ней пальцами и появится звук, очень похожий на гудение.
С учетом того, что проводник сам постоянно взаимодействует механически с разными предметами, вполне может наблюдаться аналогичный эффект. Кроме того, это мы ещё не учитываем, что ток у нас переменный. Это значит, что в какой-то момент "электричества" в проводе нет, а в какой-то момент ещё и меняется его направление.
Магнитное поле тоже на это реагирует и смена "конфигураций" порождает звук. Стоит тут отметить, что если бы характеристики электрического тока были другие, то и гул был бы на другой частоте. А тут мы обычно получаем гул на 50 Гц, что соответствует параметрам сети.
Магнитное взаимодействие проводников
Теперь пару слов про магнитное взаимодействие. Оно возможно в том случае, если рядом есть два проводника с током. Очень хорошо это заметно именно на электрических линиях. Если характеристики магнитного поля в проводниках окажутся разными, то магнитные поля могут взаимодействовать друг с другом порождать колебания окружающей среды.
Когда магнитные поля отталкиваются, они сами гудят, раскачивая частички воздуха вокруг себя и ещё и создают механическое воздействие на провода, которые являются, как мы ранее выяснили, средой для появления механической волны или струной на гитаре.
Как гудит нагреватель?
Зная это мы можем вернуться к нашему электрическому нагревателю и поймем, откуда там появляется гудение. Гудящий нагреватель состоит из специального СТИЧ-элемента.
Это проводник, по которому проходит переменный электрический ток, а сам он нагревается, что следует из закона Джоуля-Ленца. Очень подробно я разбирал закон тут.
Обратите внимание на специфическое расположение иголочек этого проводника. Каждая из них может быть как струной сама, так ещё и прекрасно будет взаимодействовать с окружающими объектами. Все они смогут играть и гудеть как механически, так и электрически.
Магнитные поля в этих иголочках обязательно будут иметь разные характеристики и вероятно будут отталкиваться друг от друга. Да и сами поля будут взаимодействовать друг с другом с характерным электрическим гулом. Помимо этого есть ещё металлический корпус, который является неплохим, направленным в потолок, резонатором, да ещё и взаимодействует с полем.
Достаточно представить досконально, как поля с разными характеристиками проходят через каждое звено такого нагревательного элемента и сразу станет понятно, как появляется типичный электрический гул с потрескиванием.
Когда руки ровные
Самодельные HV Трансформаторы
Высоковольтные трансформаторычастотой 30кГц.Генератор ZVS DRIVER мощи 800ватт напряжение питания24вольта ,подобные стоят у меня в посте ниже'Тесла карабин" напряжение разное от 12кВ до 35кВ
Ловец снов "Утренняя заря"
"И, может быть, в судьбе моейВ один из хмурых зимних дней,Неся надежду и тепло,Мелькнет орлиное крыло"(с)
Культ орла универсален. Он широко распространен по всему миру, встречается у народов самых различных культур и рас, причем далеко удаленных друг от друга.
Орёл всегда был олицетворением победы, гордости, величия и силы, уступая по изображениям в символике лишь льву)
У многих народов орел так или иначе ассоциируется с солнцем - считалось, что орел способен долететь до солнца, смотреть на него, не мигая, и соединиться с ним. Это и натолкнуло меня на мысль сделать именно такой ловец)
Собственно, о нем. Ловец относительно небольшой, но выглядит очень солидно. На фоне утреннего солнца парит орёл, внизу под ним - горы из авантюрина и яшмы, а в красном небе видны не успевшие погаснуть звезды
А какой хвост😍 Перья золотого фазана создают яркие акценты и сразу бросаются в глаза, а перья гуся повторяют цветовую гамму плетения, делая картинку гармоничной)
Что такое кровь?, Видео энциклопедия США, 80-90 годы
Фильме рассказывается о свойствах крови и составе.Находясь в непрерывном движение кровь разносит по всему телу тепло и поддерживает таким образом постоянную температуру тела. Кроме того кровь служит главной защитой организма от вторжения инородных веществ.
Материал собирался из разных источников, титры не сохранились, определить авторов и год выпуска не представляется возможнымОриентировочно 80-90 годы.
Электродинамика | Что такое электричество | Лекции по физике – физик Кирилл Половников | Научпоп
Электродинамика с нуля: что она описывает и изучает. Откуда берётся электричество? Как и кто его изучал? Как работают магниты? Есть ли противоречия в электродинамике? Чем электрическое поле отличается от магнитного? Что такое свет? Какие есть законы электродинамики?
Об этом — в мини-лекции по физике Кирилла Половникова, физика, кандидата физико-математических наук, стипендиата фонда «Династия».
О ВЕЛИКОМ ПРОТИВОСТОЯНИИ
Томас Альва Эдисон считал, что будущее — за постоянным током, и производил разнообразное оборудование для его генерирования и использования.
Джордж Вестингауз сделал ставку на переменный ток.
Эдисон дважды цинично обманул молодого инженера Николу Теслу, не заплатив ему огромные по тем временам деньги — в первый раз $25,000, во второй $50,000, а наняв Теслу на работу, всячески ограничивал его исследования.
Вестингауз купил у Теслы около сорока патентов за $1,000,000 и предоставил долю в бизнесе.
Эдисон развернул чёрную PR-кампанию невиданного масштаба для дискредитации переменного тока и всего, что с ним связано, вплоть до фальшивого описания в газете мучений человека, которого казнят на электрическом стуле.
Вестингауз и его партнёр-консультант Никола Тесла продолжали развивать производство и внедрение оборудования переменного тока, демонстрируя его подавляющее преимущество перед постоянным током.
Двухфазные, а после и трёхфазные устройства переменного тока вскоре завоевали мир: Тесла с Вестингаузом победили Эдисона, который так сказал про войну токов:
На картинке — скульптура "Электрик" (Великий Новгород, Россия).
Как работает КОСМИЧЕСКИЙ тепловой щит
Торможение в атмосфере – один из самых ответственных этапов пилотируемых и некоторых беспилотных миссий. Спускаемый аппарат влетает в газовую оболочку планеты со скоростью в десятки тысяч километров в час.
Принцип работы абляционной теплозащиты основан на нескольких физико-химических процессах. Самый главный вклад вносит структура пограничного слоя защиты, непосредственно подвергающегося воздействию высокотемпературного потока. Нагреваясь, этот слой вспенивается и карбонизируется – превращается в углерод.
Если эта тема вам интересна - смотрите видео!
Шоу Тесла - восторг!
Электрическая музыка
Сейчас будет фокус
Учёные Самарского университета испытывают технологию плазменного напыления жаропрочного покрытия на детали турбореактивного двигателя
Проект по созданию технологии производства такого покрытия стал победителем конкурса программы "УМНИК" и получил финансовую поддержку Фонда содействия инновациям. Автор проекта - молодой ученый Самарского университета, старший преподаватель кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, научный сотрудник НИИ технологий и проблем качества Михаил Георгиевич Гиорбелидзе.
"Применение подобного термобарьерного покрытия позволит значительно увеличить ресурс и надежность работы ракетных и авиационных двигателей, газоперекачивающих и энергогенерирующих установок, а также микрогазотурбинных двигателей, применяемых на беспилотных летательных аппаратов, - рассказал Михаил Гиорбелидзе. - Согласно расчетам, внедрение разрабатываемой технологии должно, как минимум, в два-три раза продлить ресурс важнейших конструктивных элементов горячего тракта двигателей, снизив тем самым необходимость в ремонте и замене дорогостоящих деталей".
Жаропрочное покрытие, способное долгое время выдерживать температуры порядка 1500 градусов по Цельсию, защитит от разрушения внутренние поверхности сопел и камер сгорания, лопатки турбин и другие элементы двигателей и энергоустановок. Покрытие наносится путем плазменного напыления: в струю из плазмы, направленную на обрабатываемую поверхность, подают частицы тугоплавкого вещества, например, оксида циркония, в виде порошка. Ускоряясь и нагреваясь в плазме, такие частицы попадают на обрабатываемый объект и образуют покрытие.
Уникальность предлагаемого Самарскими учеными термобарьерного покрытия заключается в его структуре: его можно сравнить со средневековым доспехом - кольчугой, состоящей из слоев плоских дискообразных частиц-чешуек, которые располагаются и скрепляются друг с другом в особом упорядоченном порядке. Толщина одной такой "чешуйки" - 10-20 мкм, а толщина всей "кольчуги" в целом - всего менее полумиллиметра. За счет разрабатываемой технологии внутри отдельных "чешуек" удается сформировать наноструктурный слой материала, что позволяет повысить эксплуатационные свойства "доспеха".
"Такие особенности строения покрытия обеспечивают сочетание высоких значений адгезионной прочности и термостойкости, позволяя уменьшать тепловые нагрузки и локализовывать возникающую в ходе эксплуатации усталостную трещину в пределах одного кристаллита покрытия, не давая ей прорасти до материала детали двигателя", - отметил Михаил Гиорбелидзе.
Еще одно перспективное преимущество: использование более эффективных термобарьерных покрытий дает возможность конструкторам при разработке двигателей повышать рабочую температуру газа перед турбиной и тем самым увеличивать возможную мощность силовой установки.
https://ssau.ruМного всего интересного в нашей группе Вконтакте!
Рождественское
В 1930-х годах в Париже жил инженер-электрик итальянского происхождения Fernand Jacopozzi. Получил заказ оформить витрины магазинов канун Рождества в праздничном стиле. Получились маленькие шедевры.
Генератор своими руками. Бензиновый 25кВт 220V AC + 400V DC. Часть 1 (Подбор компонентов)
Друзья, всем привет. Кто следит за нашим каналом тот знает, что практически весь год мы занимались созданием мощного электрического багги. И осенью были проведены первые боевые тесты. Если кому интересно, то можно почитать здесь Самодельный элетробагги.
Параллельно с багги мы начали второй проект. Это проект электрогенератора под названием Move&Move.
Какие у него основные задачи:
1. Работа в качестве аварийного генератора для загородного дома. Работа на переменном токе.
2. Работа в качестве зарядного устройства для электротранспорта с возможностью зарядки на ходу. Работа на постоянной токе.
2-3 раза в год практически у любого владельца электроавтомобиля есть необходимость дальних поездок. Очень удобно иметь такой генератор на подкате (прицепе) и поехать куда угодно не думая о зарядных станциях. Владельцам Tesla будет очень полезно при дальних поездках брать подобный генератор например в аренду. В отличии от обычных генераторов он позволит выдавать сразу постоянный ток, чтобы сильно ускорит зарядку.
3. Эксперименты с высоким напряжением порядка миллиона вольт в отдаленных ненаселенных местах. Катушка Тесла.
4. Приобретение опыта в разработке электрогенераторов высокой мощности.
Чтобы произвести электрический ток нам надо один тип энергии преобразовать в другой.
Основой послужил двигатель внутреннего сгорания HR12DE от Nissan. Он удовлетворял сразу нескольким критериям поиска. Так как в будущем планируется установка данного генератора сделанного своими руками на подкат, то двигатель должен был быть легким и компактным. При этом у него должно было быть небольшое потребление топлива во всем диапазоне оборотов. И на последок сам двигатель должен был быть с невысокой ценой до 20 тысяч рублей (на конец 2021 года).
Двигатель внутреннего сгорания Nissan HR12DE был выпущен в 2010 году компанией Nissan Motors. Имеет 3 цилиндра и 12 клапанов. Объем данного двигателя 1,2 литра. В поршневой системе, диаметр поршня составляет 78 миллиметров, а его рабочий ход составляет 83,6 миллиметра. Система впрыска топлива установлена Double Over Head Camshaft (DOHC). Такая система предопределяет собой установку двух распределительных валов в головке блока цилиндров (ГБЦ). Такие технологии изготовления двигателя, позволили достичь довольно сильное снижение шума и получить мощность 79 лошадиных сил, а так же крутящий момент 108 Нм. Двигатель имеет довольно легкий вес: 60 килограмм (вес голого двигателя).
Мощность, л.с. (кВт) при об./мин. 79 (58) / 6000
Расход топлива (смешанный режим) 6,1
Далее преобразование механической энергии в электрическую происходит путем вращения через маховик генератора из коробки электрической версии Nissan Note. Сам двигатель пришлось немного доработать, чтобы колокол коробки встал как надо. Причем в коробке установлено 2 электромотора. Один силовой и второй вспомогательный на 50 кВт (на фото справа). Вот вспомогательный нам и нужен. Силовой же будет демонтирован и положен на полку в ожидании своего часа.
На выходе генератор выдает 3 фазы переменного тока высокой частоты порядка 1 кГц в зависимости от оборотов на которые вышел ДВС.
Сам генератор встает в корпус коробки передач.
Далее переменное высокочастотное напряжение поступает на выпрямительный блок. В качестве выпрямительного модуля был использован IGBT модуль от Toyota Aqua мощностью до 50 кВт.
После чего выпрямленное напряжение поступает в DC-DC преобразователь также от Toyota Aqua мощностью 27 кВт.
Сам конвертор пришлось сильно переделать. На выходе мы имеем хорошо стабилизированное напряжение 400V DC. А те выходы, которые раньше использовались для подключения электромоторов теперь можно использовать для подключения нагрузки 220В 50 Гц.
Более подробную информацию о генераторе своими руками можно посмотреть на нашем канале в Youtube "Время инженеров"
Запуск артефакта из прошлого
Обнаружился тут в закормах артефакт древней, более высокоразвитой цивилизации. Агрегат бензиноэлектрический АБ - 1 - 230 - В. Т.е. номинальная мощность 1 кВт, напряжение - 230 вольт. Двигатель одноциллиндровый, безниновый от мотоцикла "минск". Масса 65 (. ) кг. Выглядит наш артефакт вот так
Еще к нему в комплекте идет защитная крышка, которая крепится защёлками к станине. Т.е. в транспортировочном положении это выглядит вот так (фото не мое)
Если верить шильдику и маркировке двигателя, то произведен наш генератор был в далеком 1965 году
Агрегат укомплектован вольтметром, амперметром, частотомером на передней панели и омметром сбоку.
Со слов хозяина (тестя) последний раз агрегат запускался в 90-е, во время веерных отключенй электроэнергии. Ну чтож. Заправляем. Обращаем внимание, двигатель одноциллиндровый, смазка добавляется в топливо. На крышке бака есть мерный стаканчик для масла. Получается где-то 1:33. Заливаем бензин, масло для двухтактных движков. Паспорт уотверждает что лить надо бензин марки А-66. Родной, да где ж мы тебе его найдем-то!? Льем 92-й, все равно его разбадяжили еще на АЗС, так что сойдет. Сразу вылезает первая проблема. Топливный шланг рассохся и течет из всех щелей. Меняем. Проверяем искру, выкручиваем и чистим свечу от нагара. Заодно выставляем зажигание. Чтобы упростить процедуру инженеры прошлого придумали специальное смотровое окно.
Смотрим карбюратор, вроде ничего страшного с ним время не сделало.
После получаса подготовки пробуем заводить. Подключаем контрольную лампочку, подкачиваем бензин в карбюратор, крутим рукоятку стартера иииииии
56-ти летний генератор после пары оборотов вполне бодро заводится. Специальным переключателем на передней панели подаем ток на выходные контакты. Лампочка загорается и гаснет. Инструкция утверждает что это происходит из-за размагничивания постоянного магнита генератора. При нажатии кнопки возбуждения генератора контролька горит ярко. Лезем и интернет, узнаем что можно либо намагнитить обмотку от внешнего источника питания (аккумулятора) либо попробовать подключить большую мощность. Подключаем двухкиловаттный паяльник для пластиковых труб. Секунд 30 намагничивания и генератор выходит на усточйчивые обороты и бодро выдает 2080 ватт) 2 кВт на паяльник и 80 вт на лампочку. Оставляем поработать. После нагрева и отключения паяльника обороты падают и начинают плавать. При повторном включении нагрузки - выравниваются. Впрочем, подобрать можно рукояткой газа установленной на карбюраторе. Итог. Советский арефакт уверенно выдает мощность в два раза превышающую номинал. Время оказалось не властно над ним. Реальный расход топлива не известен. Паспорт утверждает что бака на 6,5 литров хватает на 4 часа. Многовато конечно. Вольтметр и амперметр на передней паннели крайне удобны. Частотомер тоже в тему. Также на передней панели присутствует верньер регулятора напряжения. Работает, напряжение меняется в диапазоне от 150 до 230 В. Единственный минус что я увидел в этом агрегате это вес. Вместе со станиной - 65 кг. Но, как говорил товарищ Бритва про продукцию советского ВПК - тяжесть, это надёжно. Как по мне после апокалипсиса мутировавшие крысы и тараканы будут освещать свои гнезда именно от таких генераторов. Чистый советский фоллаут так сказать. Прям задумался о приобретении в пару к современному двухкиловаттнику.
Там, на неведанных дорожках, следы невиданных зверей.
Рентабельный термоядерный реактор уже скоро?
Сегодня расскажу вам об одной из существующих исследовательских установок термоядерного синтеза импульсного типа, которая при дальнейшей доработке сможет первой в мире или одной из первых осуществить давнюю мечту человечества - производство экологически чистой энергии из широко доступного топлива, без большого количества вредных выбросов и углеродного следа. Ответ на вопрос возможно ли это в теории давно получен, всех нас больше интересует увидим ли мы первые рентабельные термоядерные реакторы на нашем веку.
Это установка-прототип Trenta от частной американской компании Helion Energy. В мире есть целая россыпь компаний, утверждающих что они сделают что-то в течение 10 лет. Хотя сейчас Trenta не может похвастать абсолютными рекордами температуры, давления и времени удержания плазмы, и тем не менее, на мой взгляд, её разработчики ближе всего подобрались к тому, чтобы уже в следующей итерации разработки построить прототип первого коммерческого реактора управляемого синтеза.
Несколько фактов, которые позволяют на это надеяться:
1) Конструкция установки в достаточной мере проста для строительства коммерчески успешного проекта. Затраты на строительство реактора гораздо меньше, в сравнении с токамаками более низких энергий плазмы, но стабильным ее удержанием. Но при этом и затраты на механизмы отведения/преобразования тепла кратно меньше, чем в классических атомных электростанциях на распаде.
2) Установка не создана с нуля, а является уже шестым поколением этой компоновки. Текущая версия успешно осуществляет синтез, при ее испытании достигнуты важные вехи, о которых коротко в самом низу длиннопоста;
3) Расчеты показывают достижимость коэффициента воспроизводства термоядерной энергии Q = 8 на установке данного типа, но при этом установка позволяет снимать электричество с высоким КПД даже при малых значениях Q;
4) Хотя есть необходимость во внешнем источнике или аккумуляторе энергии, нет необходимости непрерывно поддерживать плазму в стационарном состоянии, со всеми ее трудностями.
5) За вычетом стоимости топлива, эксплуатационные затраты на производство электроэнергии, включая обеспечение безопасности, времени выхода на полную мощность и снятие энергоблоков с эксплуатации, будет сравнимо с классическими ТЭС. Поскольку нет повышенного риска радиационного загрязнения, риска неконтролируемой реакции, а также вероятности использования электростанции в качестве оружия.
Для начала немного теории, чтобы понять, что же происходит внутри реактора. Для того, чтобы запустить синтез, необходимо создать такие условия, при которых удастся преодолеть силы отталкивания атомов друг от друга - преодолеть кулоновский барьер. На практике это означает поднять температуру и давление (концентрацию) плазмы до необходимых значений на достаточное время. Внутри Солнца огромное давление, поэтому протон-протонный синтез успешно начинается всего лишь при температуре
10 млн градусов благодаря туннелированию ядер водорода через кулоновский барьер. Однако, на Земле мы не можем воссоздать подобное давление в макросистемах, поэтому реакция синтеза возможна лишь при достижении один-два порядка большей температуры.
Нижняя планка температуры зависит от выбранного топлива. На Солнце почти нет изотопов водорода и горит преимущественно водород и гелий-4, а вот на Земле нам доступен гораздо больший ассортимент. Например, при Земных условиях, реакция с нижним порогом необходимой энергии - синтеза дейтерия и трития (D-T) требует нагрева до 100млн C. Наиболее доступная анейтронная реакция синтеза Дейтерий-Гелий-3 (D-He3), т.е. без образования нейтронов или с их малым количеством, начнется при температуре порядка 800 млн C. Однако, на Земле очень малое количество Гелия-3 и в основном его получают как продукт бета-распада трития - полураспад которого составляет 12.5 лет. Однако, и мировые запасы трития невелики и исчисляются килограммами, поскольку получают его искусственно на атомных реакторах деления. Следующая по доступности анейтронная реакция - водород-бор-11. Хотя 80% встречающегося бора в природе как раз и составляет этот изотоп, синтез с водородом требует критической температуры 3 млрд C.
Выходом из положения является создание очень мощных магнитных полей в несколько десятков ТЛ, во-первых для компрессии плазмы и снижения требований к критической температуры, а во-вторых для тепловой изоляции внутренней части реактора от плазмы.
В реакторах непрерывного цикла люди уже научились поддерживать температуру 100-150млн С в течение минуты и более, что вполне подходит для поддержания реакции D-T. В импульсных реакторах достигнуть необходимой величины магнитного поля, давления и критической температуры на короткое, но достаточное для "сжигания" топлива время намного проще, чем поддерживать эти условия длительное (или бесконечно длительное) время, чем и пользуются малобюджетные частные стартапы подобные Helion Energy в гонке за пальму первенства с монстрами-токамаками HL-2M EAST, ITER и подобными, не имеющих недостатка в финансировании благодаря государственным бюджетным инвестициям. Так же как в случае с термоядерными бомбами, где время протекания реакции очень мало 10^-7 – 10^-6 сек, импульсные термоядерные реакторы с большой вероятностью опередят токамаки в первых коммерческих системах из-за простоты своей конструкции.
А замахнулись в Helion Energy, ни много ни мало, на анейтронную реакцию D-He3 как основной источник энергии. Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания), также известное как критерий Лоусона. По этому параметру реакция D-He3 примерно в 100 раз сложнее, чем D-T. Но и свои причины, почему все-таки стоит замахнуться на столь сложную реакцию, разумеется есть:
Во-первых, жесткое нейтронное излучение в атомных реакторах создает огромное количество проблем, из-за которых так многие люди выступают против их строительства: здесь и повышенная радиационная опасность, накопление радиоактивных отходов, высокий уровень износа реактора изнутри. Защитить внутренности реактора от износа нейтронным излучением не менее трудная задача, чем защитить его от высокой температуры плазмы, только магнитные поля в качестве основы защиты уже не помогут, ведь нейтроны не имеют заряда.
Во-вторых, снимать полезную энергию анейтронной реакции гораздо проще, чем нейтронной - поток заряженных протонов напрямую индуцирует ток, и нет потери КПД на преобразование тепла в электричество. И что особенно важно для мобильного использования и применения в условиях космоса - готовая электростанция будет в 1000 раз меньше в размерах.
В-третьих, при сопоставимом энерговыделении D+He3 с реакцией синтеза D-T, эффективное сечение реакции слияния с дейтерием больших энергий >1 МэВ у гелия-3 намного больше и растет с увеличением энергии набегающего дейтерия, а не снижается, как в случае трития. Что конечно гораздо лучше трития подходит для подобных импульсных реакторов, где необходимая компрессия достигается столкновением высокоэнергетических частиц, и где для успешного протекания реакции есть совсем немного времени.
В-четвертых, в отличие от другой конкурирующей компании TAE Technologies, создавшей похожий реактор, но использующий в качестве топлива p+B11, запустить реакцию D+He3 значительно проще, т.к. для ее работы необходимо создать гораздо менее экстремальные условия.
Похожая установка Norman от конкурирующей компании TAE Technologies
Работа установки чем-то похожа на работу дизельного двигателя внутреннего сгорания: аналогичные циклы адиабатического сжатия, воспламенения и расширения. Но вместо механических цилиндров и поршней здесь плазмой управляют мощные магнитные поля.
Получение энергии происходит в пять этапов, циклическими импульсами, с повторами всех этапов каждую секунду, или дважды в секунду - в перспективном реакторе 50 МВт следующего поколения.
1. Формирование - два плазмоида FRC конфигурации динамически формируются в противоположных концах установки последовательной сменой полярности магнитных полей;
2. Ускорение - плазмоиды разгоняются во встречных направлениях до скоростей свыше 300 км/с;
3. Слияние плазмоидов - преобразование кинетической энергии столкновения плазмоидов в тепловую энергию ионов;
4. Сжатие + слияние атомов - FRC плазмоид сжимается магнитными полями до температур реакции синтеза;
5. Генерация энергии - поток заряженной отработанной плазмы проходящий сквозь магнитное поле установки, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея возбуждает электрический ток, часть которого используется в следующем цикле для питания магнитов, а другая часть - полезная энергия, которую можно отдать потребителям в сеть.
Теперь, когда есть общее представление, рассмотрим чуть подробнее каждый из этапов.
1. FRC конфигурация - это встречное поле с обратной связью. Плазменные пушки на обоих концах создают кольцо вращающейся самоподдерживаемой плазмы в форме тора. Внутри нее индуцируется электрический ток, создавая полоидальное магнитное поле, перевернутое по отношению к направлению внешнего магнитного поля.
Производство термоядерной энергии путем удержания плазмы с помощью магнитных полей наиболее эффективно, если силовые линии не проникают через твердые поверхности, а замыкаются в окружности или тороидальные поверхности. Токамаки и стеллараторы делают это в тороидальной камере, что позволяет в значительной степени контролировать магнитную конфигурацию, но требует очень сложной конструкции. Конфигурация с перевернутым полем предлагает альтернативу в том смысле, что силовые линии закрыты, обеспечивая самоподдерживание силами инерции, но камера имеет цилиндрическую форму, что упрощает конструкцию и обслуживание.
2-3. Два облака плазмы на каждом из ускорителей развивают скорость 300 км/сек, что дает относительную скорость столкновения 600 км/сек (0,002 скорости света). Это намного выше, чем скорость теплового движения молекул в каждом из отдельно взятых облаков плазмы, и поднимает температуру свободных электронов плазмы в области генерации ионов до килоэлектронвольтных значений. Ионная температура на данный момент достигнута на уровне 9 кэВ.
4. Дополнительное сжатие полем в центральном FRC позволяет достигнуть необходимого значения компрессии плазмы для осуществления реакции синтеза D-He3. Благодаря которому происходит самостоятельный нагрев плазмы до температуры, уже достаточной для протекания реакции синтеза D-D. Задача магнитов в центральном FRC - удержать плазму на время, достаточное для успешного завершения реакции, которое составляет менее 1 мкс.
5. После чего происходит расширение плазмы, состоящей преимущественно из положительно заряженных протонов. Теоретически, при условии создания магнитного потока от 20 мВб, разница между первоначальной силой магнитного поля затраченного для сжатия и силой магнитного поля плазмы полученной после успешной реакции синтеза составляет более 10 Тл, что позволяет извлекать выгоду и получать больше электроэнергии с тех же магнитов, чем было затрачено для их работы на сжатие. Эмпирически Q
1 достигается при магнитном потоке 25 мВб.
Более высокие значения Q возможны, если применять дальнейшие ухищрения для продления времени удержания горячей плазмы высокой плотности для более полного "сгорания" топлива и достижения еще больших значений магнитного потока. Либо добиваться дальнейшего прироста температуры, линейное приращение которой почти экспоненциально увеличивает вероятность протекания реакции и ее скорость соответственно. При разработке исследовательского реактора следующего поколения разработчики поставили амбициозную цель - добиться значения Q = 8.
Все выглядит хорошо, но как же быть с редкостью гелия-3, необходимого для работы реактора? Но решение и этой проблемы предусмотрено разработчиками. Действительно, накопление первоначально необходимого для запуска объема может быть проблемой. Но в дальнейшем реактор способен нарабатывать большее количество гелия-3, чем он использует для собственных нужд. Для этого используется комбинация нескольких видов реакций в одном цикле:
1) D-D синтез с образованием свободных нейтронов и гелия-3. Образующийся в ходе этой реакции He3 прямо на месте используется в реакции D+He3.
2) n+Li6 Свободные нейтроны относительно низкой энергии 2.45 МэВ образуемые в вышеописанной реакции взаимодействуют с жидким литиевым экраном реактора (например, из расплава фтористых солей лития) - одеялом, одновременно защищающим реактор от выхода нейтронов, и осуществляющим теплообмен с внешним миром. В нем размножается тритий, который удаляется из системы в виде газа для дальнейшего использования. Тритий сам по себе возможно использовать в бета-вольтаических ячейках как источник постоянного тока, а после распада до гелия-3 - возвращать обратно в реактор как топливо.
Остаточное тепло возможно отводить и преобразовывать в электричество классическими методами в тепловом двигателе для повышения КПД системы, но это лишь дополнительный источник электричества.
3) D-D синтез с образованием протона и трития. Протоны - индуцируют ток, а потеряв большую часть кинетической энергии, вновь обретают электронную оболочку, образуют связанные пары и удаляются из реактора в виде газообразного водорода через отверстия в диверторе.
Тритий удаляется вместе с другими продуктами реакции в виде газа и помещается в аналогичное хранилище, о котором говорили выше. Реакция синтеза D–T практически не происходит из-за малого сечения реакции слияния при таких огромных энергиях набегающих дейтронов. Хотя температура внутри установки и допускает протекание подобной реакции, вероятность ее очень мала из-за чрезвычайно быстрого цикла сжатия.
4) D+He3 - наконец, то ради чего все затевалось. Львиную долю в энергетическом балансе реактора вносит реакция слияния дейтерия с гелием-3 с образованием протонов высокой энергии и гелия-4, который удаляется после каждого цикла вместе с другими продуктами реакции.
Полный топливный цикл:
Разделение смеси продуктов реакции на отдельные фракции будет производиться установками изотопной очистки. При этом проще всего очищать именно дорогой и редкий гелий-3, поскольку в отличие от изотопов водорода, он не образует целого набора полутяжелых молекул. Теоретически, для очистки гелия-3 есть несколько способов, и пока еще предстоит выяснить какой из них наиболее выгоден. Какой именно подход выбрали разработчики из Helion Energy - не раскрывается.
Что удалось достигнуть:
* по состоянию на январь 2021, Helion достигли полей компрессии, по разным источникам, от 10 до 100 Тесла
* одновременно добились температуры 100 млн C, времени жизни плазмы более 1 миллисекунды, и достаточного уровня сжатия для запуска реакции синтеза
* зарегистрировали выход нейтронов, подтверждающих успешность ядерного синтеза
* продемонстрировали съем энергии с 95% эффективностью
* разработали полный цикл самообеспечения гелием-3
Сейчас перед учеными из Helion Energy стоят не задачи из области теоретической физики, а чисто прикладные инженерные задачи, решением которых они и занимаются.
В планах создание прототипа коммерческого устройства 50 МВт класса, в котором значение Q достигнет значения 15, и последующего выхода на стоимость производства 1 кВт/ч по различным оценкам от $0.04 до $0.11. По мысли инженеров, размер предполагаемый размер электростанции - два стандартных портовых контейнера, что позволяет доставлять энергию туда, где она необходима.
Пусть цена за кВт/ч вас не пугает - ведь со стоимостью производства электроэнергии с электростанциями гигаватного класса сравнивать мягко говоря не корректно. Область применения - в первую очередь территории, где нет развитой распределительной сети, и где стоимость производства электричества очень высока. Можно будет постепенно заменять старые ТЭС на ископаемом топливе, либо наращивать существующую емкость добавляя новые реакторы Helion Energy по мере роста потребностей. Затем займутся масштабированием для получения больших мощностей генерации. Мощные энергоблоки, скорее всего, будут модульными для возможности их обслуживания без полного отключения производства и будут иметь цилиндрическую компоновку: