[ X ]

 

 

3. ПЛАЗМЕННЫЙ ПРОЦЕССОР LVPP

Проект плазменного процессора LVPP уже кратко упоминался в первой главе. Здесь этот проект будет рассмотрен в деталях на основе разбора патентов Истлунда, а также информации архивной версии сайта eastlundscience.com компании Eastlund Scientific Enterprises Corp.

 

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Плазменный процессор LVPP (Large Volume Plasma Processor) был изобретен Истлундом как реализуемая при достигнутом уровне техники альтернатива термоядерному реактору для выработки плазмы, пригодной для реализации сформулированной в проекте Fusion Torch идеи переработки отходов и других исходных материалов. Концепция и базовые технические и технологические решения процессора, а также способы его использования изложены в трех патентах Истлунда - US-5630880, US-5681434, US-5868909, которые будут рассмотрены далее.

Данные патенты защищают LVPP как средство, пригодное для преобразования в плазму любых исходных материалов с последующим осаждением из нее заданных химических элементов. Соответственно, он позиционировался как инструмент широкого применения, пригодный для использования во многих областях, в т.ч. в технологиях производства полупроводников, в процессах обработки поверхностей, нанесения покрытий, обогащения руд и пр., включая, естественно, и исходную позицию - переработку отходов.

Защишенное данными патентами изобретение было создано Истлундом единолично, без соавторов. Он также является единоличным патентообладателем. Кроме того, на данные изобретения были поданы международные заявки, в т.ч. и в отношении РФ.

Кроме технической основы LVPP безусловный интерес также представляют достигнутые результаты по его реализации в опытных образцах и доведению до стадии коммерческого использования, а также степень новизны его основополагающих отличительных признаков как изобретения и их преемственность в последующих разработках других авторов.

 

3.2. БАЗОВЫЙ ПАТЕНТ

Номер патента: US-5630880

Название изобретения: Method and apparatus for a large volume plasma processor that can utilize any feedstock materials - Способ и устройство для создания больших объемов плазмы, пригодной для переработки любых материалов.

Дата приоритета: 07.03.1996.

Патенты и заявки - аналоги: международная заявка WO-1998-052390.

Автор и патентообладатель: Bernard J. Eastlund

 

Патент защищает базовый физический процесс получения высокотемпературной плазмы с параметрами, требуемыми для испарения, диссоциации и ионизации любых материалов, а также устройство для создания такой плазмы и способ его использования.

В основе конструктивной схемы процессора LVPP (см. рис.3.1) лежит хорошо известная и ставшая общепризнанным стандартом схема установки магнитного удержания плазмы ТОКАМАК, разработанная советскими учеными еще в 50-е годы и до сих пор считающаяся самой совершенной.

схема плазменного процессора LVPP

Рис.3.1. Схема плазменного процессора LVPP

 

Основой LVPP является тороидальная вакуумная камера 11, которую через патрубок 12 заполняют генераторным газом, необходимым для создания исходной плазмы. В качестве такого газа используют легкие газы - водород, гелий или неон. В камере 11 с помощью электрических катушек 13, питаемых источником 14, создается тороидальное магнитное поле, предназначенное для захвата и удержания за счет силы Лоренца заряженных частиц плазмы - электронов и ионов.

Камера 11 охвачена Ш-образны железным сердечником, на котором размещены катушки 21, 23, 25 и 41 для создания различных компонент полоидального магнитного поля, линии которого перпендикулярны линиям тороидального поля. С их помощью обеспечивается разгон заряженных частиц плазмы с образованием тороидального тока, в результате чего плазма разогревается (омический нагрев) и самофокусируется собственным магнитным полем в плазменный шнур. Геометрическое положение плазменного шнура относительно стенок камеры 11 позиционируется катушкой вертикального отклонения 25, управляемой по сигналам датчиков, а также регулируемыми ограничителями 27.

Начальная ионизация генераторного газа в камере 11 осуществляется электронным лучом через патрубок 20. Инжекция перерабатываемого материала производится через патрубок 30 с помощью пневматической пушки со скоростью до 3 км/с, а экстракция полученной плазмы в сепаратор - через патрубок 28 (см. ниже). Антенна 31 питается от СВЧ генератора 44 и обеспечивает дополнительный разогрев плазмы на определенных режимах.

 

В описании изобретения приводятся следующие типовые параметры для комонентов процессора:

  • большой радиус тора вакуумной камеры - 1м, малый радиус - 0,5м;
  • катушки 13 для создания тороидального магнитного поля содержат по 6 витков медной шины на каркасах с окном 80х90 см, имеют внешние габариты 150х150х90см, сопротивление 1,2 миллиома и идуктивность 2 миллигенри, при этом потребляемая всеми катушками мощность от источника питания составляет 65МВт при токе 157кА;
  • катушки 21, 23, 25 и 41 для создания полоидального поля выполненны из медной шины сечением 2х5 см, имеют внутренний и внешний диаметры 90 см и 180 см и потребляют мощность до 2 МВт при токах до 10 кА.

Т.о., в устройство небольшого объема, которое может свободно поместиться на кухне, закачивается колоссальная электромагнитная мощность - более 70 МВт, что в 20 раз превышает суммарную мощность передатчиков суперкомплекса HAARP (см. для сравнения общие сведения о проекте HAARP).

 

Небольшие количества элементов могут осаждаться в зоне 45 основной камеры 11. Для осаждения больших количеств плазма из камеры 11 направляется в линейную камеру 124, имеющую длину от 2-х до 100 м и диаметр от 1 до 10 м. Эта камера снабжена катушками, в т.ч. отклоняющими катушками 120, зануляющими катушками 122 и направляющими катушками 125, запитываемыми от источников питания 121, 123 и 126 соответственно. Они создают магнитное поле специальной конфигурации, служащее для отбора части потока плазмы 130 из камеры 11, ее перенаправления в камеру 124 с удержанием вдоль оси последней, и последующего осаждения в зоне 127.

схема камеры  осаждения плазменного процессора LVPP

Рис.3.2. Схема камеры осаждения плазменного процессора LVPP

 

При работе LVPP сначала в камере 11 создается низкотемпературная плазма. Для этого из нее откачивается газ до получения вакуума 10^-7 torr (1 torr равен давлению в 1 мм ртутного столба), после чего она заполняется генераторным газом под давлением 10^-4 torr и этот газ ионизируется путем «поджига» электронным лучом через патрубок 20. Полученные в результате локальной ионизации ионы и электроны разгоняются магнитным полем катушки омического нагрева вдоль заранее созданных катушками 13 тороидальных магнитных линий. При соударении заряженных частиц с нейтральными атомами происходит дальнейшая ионизация генераторного газа, в результате чего во всем объеме камеры 11 формируется низкотемпературная (10.000 °C - 70.000 °C) плазма.

Далее за счет высокой скорости роста напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой омического нагрева, обеспечивается рост кольцевого тока в плазме, происходит дальнейший ее омический нагрев и формируется собственное полоидальное магнитное поле, сжимающее плазму в плазменный шнур, не соприкасающийся со стенками камеры. При этом для получения необходимой плотности плазмы может добавляться генераторный газ.

Нагрев продолжают до превращения плазмы в высокотемпературную с параметрами:

  • температура термических электронов - не менее 500.000 °С, нетермических - не менее 5.000.000 °C;
  • электронная концентрация - не менее 5х10^12/см^2;
  • плотность потока энергии - не менее 20х10^6 Вт/см^2;

В предельном случае температура электронов может достигать миллионов и десятков миллионов градусов, плотность потока энергии доходить до 1,6 МВт/см^2 и суммарная энергиея в объеме тороидальной камеры при этом может дох доходить до 50.000 дж.

При достижении заданной температуры в плазму инжектируют частицы обрабатываемого материала, размер которых должен быть в пределах от 0,01 до 2 мм в поперечнике, а скорость такой, чтобы они испарились и ионизировались к моменту достижения ими середины плазменного шнура. При этом жидкие и газообразые вещества для превращения в твердые частицы предварительно замораживают или инкапсулируют в микрокапсулы.

После инжекции твердые частицы испаряются, диссоциируют на атомы и ионизируются в течение времени 50-300 микросекунд. При этом увеличиватся плотность плазмы, падает ее температура и, соответственно, растет электрическое сопротивление (до 10-50 раз). Это вызывает уменьшение тороидального тока и его полоидального магнитного поля, что может повлечь за собой расширение плазмы с быстрым ее гашением при касании стенок камеры.

После инжекции частиц материала с низким атомным весом (не более 16) плазма может стабилизироваться сама (рис.3.3b), однако при инжекции материала с большим атомным весом погасание плазмы неизбежно (рис.3.3c). Для стабилизации плазмы в изобретении предусматривается резкое увеличение (от 2-х до 100 раз) магнитного потока катушки омического нагрева или катушки дополнительного омического нагрева с помощью входящих в состав соответствующих источников питания мощных батарей накопительных конденсаторов (рис.3.3d). Кроме этого предусмотрена дополнительная ионизация СВЧ полем на частотах от 3 до 10 ГГц.

диаграммы процессов LVPP

Рис.3.3. Диаграммы процессов LVPP

 

Itor/Utor - тороидальный ток/напряжение; Ne/Te - концентрация/температура электронов.
a) - инжекции нет; b) - инжекция материала с низким атомным весом; c) - инжекция материала с высоким атомным весом; d) инжекция материала с любым атомным весом со стабилизацией плазмы.
Пунктиром обозначен момент инжекции. Длительность одиночного цикла - 400-600 мс, в рабочем режиме циклы повторяются с заданным интервалом.

 

Для осаждения диссоциированных атомов обрабатываемого материала в конце цикла формирования «продуктовой» плазмы ее смещают с помощью вертикального магнитного поля катушки 23 или ограничителей 27 к зоне осаждения 45. Для осаждения больших количеств материала плазму с помощью отклоняющих катушек 120 перенаправляют в сепаратор 124, где в конце цикла элементы осаждаются в зоне 127. Для дальнейшего использования твердый осажденный материал удаляют с поверхности зоны осаждения. Газообразные материалы и пары жидких материалов удаляют через патрубки 28 и 128.

Камеры могут изготавливаться из стали с диэлектрическими вставками, из стекала, кварца и других высокотемпературных непроводящих материалов. Для повышения КПД могут использоваться катушки из сверхпроводника. Более подробные сведения о режимах, параметрах и конструкции базовой модификации LVPP см. в описании патента.

 

3.3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПАТЕНТЫ

Решения, развивающие признаки базового патента в части обработки и разделения на фракции радиоактивных отходов, изложены в двух дополнительных патентах US-5681434 и US-5868909.

Патент US-5681434

Название изобретения: Method and apparatus for ionizing all the elements in a complex substance such as radioactive waste and separating some of the elements from other the elements - Способ и устройство для ионизации всех элементов в комплексной субстанции, в частности, в радиоактивных отходах и сепарации одних элементов от других элементов.

Дата приоритета: 07.03.1996.

Патенты и заявки - аналоги: международная заявка WO-1999-010086.

Автор и патентообладатель: Bernard J. Eastlund

 

Схема LVPP данной модификации приведена на рис.3.4. От базовой она отличается тем, что линейных камер сепарации 124 может быть несколько, при этом каждая из них имеет дополнительные элементы - электромагнитную антенну 250 с источником питания 251, аппликатор пондеромоторной силы 252 с источником питания 252, атомно-молекулярный инжектор 254, капельный инжектор 255, криогенный охладитель 129, а также несколько дополнительных выхлопных патрубков 128 (назначение элементов см. ниже).

общий вид LVPP для утилизации радиоактивных отходов

Рис.3.4. Общий вид LVPP для утилизации радиоактивных отходов

 

Осаждение сепарируемых элементов может производиться как в основной тороидальной камере 11 в зоне 45, так и в линейных камерах сепарации 124 в зоне 127. Газообразные продукты и пары жидких продуктов выводятся наружу через патрубки 128, в т.ч. могут конденсироваться в криогенных охладителях 129. Патент предусматривает использование следующих способов сепарации:

Сепарация по температуре испарения. Осуществляется выбором таких температур поверхностей осаждения 45 и 127, при которых с них не испаряются осадившиеся атомы тяжелых металлов и углерода, но испаряются и возвращаются в плазму атомы щелочных металлов и газов.

Сепарация по потенциалу ионизации. Ионы атомов с бОльшим потенциалом ионизации рекомбинируют и восстанавливаются до атомов быстрее, чем ионы атомов с меньшим потенциалом ионизации. На этом принципе в линейных камерах 124 из плазмы выделяются молекулы газов - водорода, кислорода, азота и др., которые далее конденсируются в виде жидкостей в криогенных охладителях 129.

Сепарация абсорбцией. Осуществляется путем выбора таких материалов поверхностей осаждения, которые имеют избирательную абсорбирующую способность по отношению к конкретным химическим элементам.

Сепарация с помощью обмена зарядами. Осуществляется инжекцией в линейную камеру 124 через инжектор 254 перпендикулярно потоку плазмы диссоциированного на молекулы или атомы вещества, избирательно взаимодействующего путем обмена зарядами с ионами определенного элемента, в результате чего последний восстанавливается до атомов, осаждающихся из плазмы на поверхность осаждения 127.

Сепарация по величине отношения заряда ионов к их массе. Осуществляется торможением ионов с заданным соотношением заряда и массы путем приложения к ним пондеромоторных электрических сил с помощью аппликатора 252. Заторможенные ионы быстро рекомбинируют с электронами и осаждаются из плазмы.

Сепарация по величине адгезии. Осуществляется путем инжекции в линейную камеру 124 через инжектор 255 гранул стекла, керамики или другого неметаллического материала, обладающего избирательной адгезией по отношению определенному элементу, который будет «налипать» на гранулы.

Возможные схемы осаждения по зонам элементов из радиоактивных или токсических отходов приведены на рис.3.5. Схема может предусматривать дополнительные линейные сепараторы 124, включаемые на отбор плазмы из главной камеры 11 в зависимости от химического состава плазмы, определяемого спектроскопическим методом. Антенны 250 могут использоваться при этом для дополнительного разогрева отобранной плазмы с помощью электромагнитного излучения в диапазоне 50 МГц - 2900 ГГц.

cхема разделения в LVPP элементов радиоактивных отходов

Рис.3.5. Схема разделения в LVPP элементов радиоактивных отходов

 

Патент US-5868909

Название изобретения: Method and apparatus for improoving the energy efficiency for separating the elements in a complex substance such as radioactive waste with a large volume plasma processor - Способ и устройство повышения энергетической эффективности разделения элементов в комплексной субстанции, в частности, в радиоактивных отходах, с помощью плазменного процессора большой производительности.

Дата приоритета: 21.04.1997.

Патенты и заявки - аналоги: нет

Автор и патентообладатель: Bernard J. Eastlund

 

Патент защищает фактически два отдельных изобретения. Суть первого изобретения - усовершенствование плазменного процессора с тороидальной камерой. В основе этого усовершенстования лежит переход от однокамерной тороидальной схемы с циклическим режимом функционирования к двухкамерной тороидальной схеме с непрерывным режимом. Такое решение позволяет поднять производительность переработки отходов и снизить энергетичесике затраты.

Суть второго изобретения заключается в переходе от тороидальной формы камеры к линейной с использованием для разогрева плазмы электронного или лазерного луча.

Принцип первого изобретения иллюстируется схемой рис.3.6 и диаграммой рис.3.7.

схема LVPP с двумя тороидальными камерами

Рис.3.6. Поперечное сечение LVPP с двумя тороидальными камерами

 

Схема усовершенстованного тороидального плазменного процессора включает основную тороидальную камеру 90 прямоугольного сечения, в которой с помощью кольцевых перегородок вдоль внешней стенки образована дополнительная тороидальная камера 94. В основной камере 90 во внешней зоне 93 плазмы 91 размещены нагреваемые поверхности осаждения 95, на которых осаждаются тугоплавкие элементы. Оставшаяся в зоне 93 плазма с легкоплавкими элементами с помощью магнитного поля отклоняющих катушек 96 отбирается в дополнительную камеру 94, где из нее на поверхностях 97 осаждаются более легкоплавкие металлы. Щелочные металлы - натрий, калий, цезий и др. и их изотопы осаждаются на низкотемпературных жалюзийных пластинах 99 выхлопного потрубка 98, а на охлаждаемых до криогенных температур пластинах 99 конденсируются в жидком виде газы - водород, азот, кислород и др.

В отличие от рассмотренных выше изобретений после ионизации инжектированного в плазму материала и его осаждения плазма не гасится, а восстанавливается до состояния первичной плазмы, после чего процесс инжекции и осаждения повторяется.

Диаграмма работы усовершенстованного LVPP с тороидальной камерой

Рис.3.7. Диаграмма работы усовершенстованного LVPP с тороидальной камерой

 

Схема другой модификации плазменного процессора - с линейной камерой и электронно-лучевым разогревом плазмы - приведена на рис. 3.8. Источник электронного луча 140 с релятивистскими электронами через окно 141 фокусируется в точке 143 линейной камеры 54. В эту точку через патрубок 142 инжектируются частицы обрабатываемого материала, которые диссоциируются на атомы и ионизируются, минуя стадию испарения, за счет высокой энергии релятивистских электронов. Полученная плазма удерживается магнитным полем катушек 55, расположенных вдоль камеры. Она может дополнительно разогреваться электромагнитным ВЧ/СВЧ излучением антенны 130. Тугоплавкие элементы осаждаются на высокотемпературных поверхностях 57, легкоплавкие и газы - на низкотемпературных и криогенных жалюзийных пластинах 59 выхлопных патрубков 58.

схема усовершенстованного LVPP с линейной камерой

Рис.3.8. Схема усовершенстованного LVPP с линейной камерой

 

3.4. НОВИЗНА И ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ

Степень новизны можно определить, анализируя патенты и другие источники, указанные автором в описании достигнутого уровня техники, а также использованные при патентной экспертизе. С точки зрения генеральной идеи - использования сверхгорячей плазмы для диссоциации материалов с последующей сепарацией на атомном уровне по характерным признакам - LVPP имеет в качестве прямого предшественника проект Fusion Torch самого Истлунда. Данная идея для своего времени не имела аналогов и являлась авангардной. В этой части LVPP является ответвлением идеи Fusion Torch с заменой термоядерной энергии на электрическую. Но к моменту подачи Истлундом заявок использование электрической энергии для создания плазмы, диссоциирующей материалы, с последующей сепарацией элементов, уже практиковалось и интенсивно патентовалось (см, например, патенты US-3942975 Method and apparatus for reducing matter for constituate elements and separation one of the elements from other the elements, US-4059761 Separation of isotopes by time of flight, US-4066893 Isotope separation by waves и другие, указанные в заявках Истлунда при описании уровня техники).

В качестве базовой схемы LVPP Истлундом также был выбран известный аналог - схема тороидальной камеры с удержанием плазмы тороидальным магнитным полем. Для разогрева плазмы также использованы хорошо известные решения - ускорение заряженных частиц полоидальным магнитным полем, высокочастотным электромагнитным полем и электронным лучом. Более того, последний вариант LVPP с линейной камерой и электронным лучом имеет прямым прототипом патент US-5256854 Tunable plasma method and apparatus using radio frequency heating and electron beam irradiation. Принцип отклонения потока плазмы магнитным полем, перпендикулярным к удерживающему плазму полем, использованный в LVPP для приведения ее в соприкосновение с поверхностью осаждения, а также ее отбора в другую камеру, также уже был известен (см., например, патент US-5421891 High density plasma deposition and etching apparatus). Известны также были и все указанные в патентах Истлунда методы сепарации - по температуре испарения, с использованием абсорбции, адгезии, по величине соотношения заряд-масса и пр.

Т.о, принципиальной новизной отдельные решения LVPP не обладают, однако в целом новизна заключается в их совокупности. Кроме того, заявленные конкретные параметры функционирования - состав, плотность и температура плазмы, временная циклограмма и последовательность стадий процесса, размер частиц обрабатываемого материала и пр., являются важнейшими факторами достижения заявленного эффекта.

Кроме новизны любого проекта интересной и важной является его преемственность и значимость для дальнейшего развития техники, выражающиеся в том, в какой степени и как широко передовые решения проекта используются в дальнейшем в проектах других авторов. Анализ патентов на аналогичные устройства и способы показывает, что в указанных в них списках патентов, принятых во внимание экспертизой, патенты на LVPP встречаются часто, а в списке патентов, указанных авторами при описании уровня техники, не упоминаются. Это свидетельствует о том, что LVPP не стал базой для других разработок, что можно объяснить различными причинами, в первую очередь очень высокой сложностью и стоимостью реализации подобных проектов (см. ниже)

 

3.5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

В мае 1999 года Министерство Энергетики (DoE) США обратилось к Истлунду с просьбой подготовить план создания на базе его патентов демонстрационного образца LVPP для утилизации радиационных отходов, складируемых на полигоне в Хэнфорде (Hanford). Такой план был подготовлен и предусматривал несколько этапов работ, в т.ч.:

  1. проверку возможности создания плазмы с требуемыми параметрами по электронной температуре и плотности, способной диссоциировать до атомов и ионов твердые частицы с радиусом до 1 мм с частотой инжекции 60 Гц;
  2. оценку энергетических затрат и стоимости переработки 1 кг радиационных отходов;
  3. отработку отдельных технических решений, связанных с инжектированием отходов, выгрузкой полученных химических элементов, дистанционным управлением и пр.
  4. проектирование, изготовление, отладку и испытания демонстрационного образца.

Исследовательские работы предполагалось проводить на установке Токомак Техасского Университета в Далласе при участии лаборатории DIAL (Diagnostic Instrumentation and Analysis Laboratory).

Демонстрационный образец должен был обеспечивать переработку до 250 кг отходов в день и потреблять при этом до 2-х Мвт электроэнергии. Стоимость переработки должна была составить 7-10 $/кг, что было на порядок ниже стоимости переработки в Хэнфорде на тот момент. Камера образца должна была иметь диаметр 7 футов при высоте 3 фута, размеры инжектора - 3х3х3 фута, а источника питания - 10х10х10 футов. Стоимость исследовательских и проектно-конструкторских работ вместе со стоимостью образца оценивалась ориентировочно в 72 миллиона долларов.

Первоначально проект оценивался Министерством Энергетики положительно, однако до стадии финансирования не дошел. Других заказчиков на LVPP для утилизации отходов не нашлось.

Истлундом также был задуман компактный вариант экспериментального образца LVPP, предназначенного для напыления материалов на кремниевые пластины в производстве полупроводников. Его тороидальная камера должна была иметь большой и малый радиусы всего 20 и 5 см соответственно и обеспечивать нанесение от 600 до 2400 эпитаксиальных слоев в минуту на площади 200х200 см. Он также мог использоваться для напыления арсенид-галлиевых светодиодных структур на подложки из сапфира или карбида кремния. Стоимость этого мини-проекта оценивалась в 2,5 миллиона долларов. Однако и на этот проект заказчиков не нашлось.

Учитывая отстутствие коммерческих перспектив LVPP Истлунд в начале 2000-х перестал уплачивать патентные пошлины за поддержание в силе всех трех патентов, а также не стал доводить до стадии национальных патентов соответствующие международные заявки, которые предусматривали патентование в Канаде, Японии и в 17 странах Европы.

Таким образом, грандиозный и амбициозный проект LVPP, точно так же, как и его еще более грандиозный предшественник Fusion Torch, так и остался на бумаге и в мечтах его автора.

 

* * *

 

 

поделиться ссылкой

 

Перепечатка без согласования с автором запрещена.
При цитировании обязательно указание автора, названия и активной ссылки на данную страницу
или ссылки на титульную страницу публикации.

 

наверх

 

 

Плазменный процессор LVPP

Опубликовано 15.05.19. Последнее изменение - нет.

© Janto 2019