Electrode plongée dans un gaz ionisé soumis à un champ magnétique L'invention est relative à une électrode plongée dans un gaz ionisé ou plasma soumis à un champ magnétique. Cette électrode peut, par exemple, constituer l'électrode positive d'un générateur ma- gnétohydrodynamique,
c'est-à-dire d'un générateur engendrant directement du courant électrique, sans pièces mécaniques en mouvement, à partir d'un plasma soumis à un champ magnétique, par collec- tion des charges, séparées par ce champ, au moyen d'au moins une électrode négative et d'au moins une électrode positive.
Elle a pour but, surtout, de fournir une électrode dont l'aptitude à échanger des charges électriques avec le plasma dans lequel elle est plongée est amé liorée, du fait que sa surface de contact avec le plasma est augmentée et que sa configuration a pour effet d'accroitre son pouvoir à injecter des électrons dans ce plasma.
L'électrode selon l'invention est caractérisée par le fait qu'elle comporte des cannelures présentant certaines surfaces non parallèles à la direction du champ magnétique.
Les dessins ci-annexés représentent, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de Pin vention.
La fig. 1 de ces dessins illustre schématiquement, en perspective cavalière, une portion d'un générateur magnétohydrodynamique..
La fig. 2, qui est une coupe par II-II de la fig. 1, représente l'électrode positive du générateur de la fig. 1, établie selon une première forme d'exécution de l'invention.
Les fig. 3 et 4, enfin, illustrent, également en coupe, deux autres modes de réalisation de l'électrode selon l'invention. Avant d'entrer dans la description détaillée des formes d'exécution de l'invention, on rappellera, avec référence à la fig. 1, la constitution d'un générateur magnétohydrodynamique.
On sait qu'un tel générateur comporte habituel lement - des moyens (par exemple une .source de chaleur non représentée) pour ioniser un gaz en le trans- formant en plasma P ;
- une tubulure, chambre, ou un conduit analogue 1, en une matière diélectrique, dans lequel circule le plasma avec une certaine vitesse
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- des moyens (constitués de préférence par un électro-aimant,
comportant une armature 2 en fer doux et un bobinage 3) pour engendrer, dans un entrefer 4, un champ magné- tique intense B agissant dans une certaine zone 5 de la tubulure 1,
la direction du champ magné tique étant généralement perpendiculaire à la vitesse V du plasma de manière à séparer dans celui-ci les charges positives ou ions (qui se déplacent dans le sens S orienté perpendiculai- rement aux vecteurs B et V)
des charges néga tives ou électrons (qui se déplacent dans le sens opposé à S) ; - et des électrodes collectrices, disposées générale ment contre les parois de la .tubulure 1 .avec leur surface de collection 6 parallèle à la vitesse d'écoulement du plasma et à la direction du champ magnétique,
à savoir au moins une élec- trode négative 7 pour capter des électrons du plasma et au moins une électrode positive 8 pour collecter des ions du plasma et/ou injecter des électrons dans celui-ci. Ii en résulte l'apparition entre ces deux élec trodes 7 et 8 d'une différence de
potentiel utilisable dans un circuit de charge 9 (représenté schématique ment sous la- forme d'une résistance qui est alors traversée par un courant
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et également pour ali menter (une fois le générateur amorcé) le bobinage 3, l'ensemble du généraxeur transformant l'énergie de la source de chaleur (non représentée), qui chauffe et ionise le plasma,
directement en énergie électrique utilisable dans la charge 9 et ceci sans aucune pièce mécanique en mouvement (seul le gaz ionisé P étant en mouvement, ainsi que les charges électriques de celui-ci).
On sait et on a constaté que, alors que l'échange d'électricité entre le gaz ionisé ou le plasma et l'élec trode négative ne pose généralement pas de problème du fait qu'il a lieu par absorption d'électrons prove nant du gaz, es échanges de charges électriques entre le plasma et l'électrode positive étaient limités, car - d'une part, la densité du courant ionique attei gnant une électrode positive telle que 8 est limi tée,
d'après la théorie cinétique des gaz, à une valeur Jl fonction de la nature, de la température et du nombre des ions dans de plasma, et - d'autre part, la densité du courant d'émission électronique J2 de l'électrode 8, qui est limitée par sa température et sa constitution chimique,
peut se trouver sensiblement réduite par le champ magnétique parallèle à la surface de l'électrode 8 ; en effet,
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les électrons émis dans une direc tion
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perpendiculaire à la surface 6 de celle-ci et au champ magnétique
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se trouvent déviés par ce dernier et l'incurvation des trajectoires des électrons peut être telle qu'ils reviennent sur l'électrode émissive 8.
Du fait de ces limitations de l'intensité Jl du courant ionique venant du gaz ionisé et capté par l'électrode positive 8 et de la densité du courant électronique J2 émis par cette électrode,
il peut arri ver que leur somme J soit .inférieure à la densité de courant Jo qu'il serait -possible d'obtenir dans le conduit 1 s'il n'y avait pas de limitations aux élec trodes, JO étant fonction de l'intensité du champ magnétique, de 1a vitesse et de la conductivité du plasma et du champ électrostatique entre les élec trodes 7 et 8.
Si J est inférieur à Jo, il ne sera pas possible d'imposer le champ électrostatique souhaité et le générateur fonctionnera dans des conditions défavorables, en particulier avec une intensité et un rendement diminués.
On signale, d'ailleurs, que les expériences de la titulaire ont montré d'une manière plus précise que si l'on continue à augmenter la force électromotrice du générateur, malgré la limitation du courant à la suite des phénomènes considérés,
la différence de potentiel entre .l'électrode positive du générateur et le gaz ionisé peut atteindre une valeur telle que des décharges et même des arcs s'amorcent.
On ne peut plus parler alors de courant limite mass l'augmen tation du courant que l'on obtient ainsi se fait au prix d'une plus grande chute de potentiel (qui peut atteindre plusieurs dizaines de volts), de sorte que, malgré tout, le rendement du générateur se trouve diminué.
Pour pallier ces inconvénients (fig. 2), les élec trodes, notamment l'électrode positive 8, plongées dans le plasma comportent des cannelures ou cré neaux 10 dont certaines faces ou portions 6b ne sont pas parallèles, à la direction du champ magné tique
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et sont même de préférence perpendicu- laires à cette direction,
certaines portions 6a de la surface 6 de l'électrode 8 en contact avec le plasma P pouvant bien entendu rester parallèles à cette direction.
Grâce à cette configuration de l'électrode posi tive 8 - on, augmente la surface de contact entre le plasma P et l'électrode 8 (on peut aisément doubler cette surface), d'où augmentation de la quantité totale d'ions collectés et d'électrons injectés par cette électrode par unité de temps (on peut ainsi doubles cette quantité totale),
- du fait que cette surface comporte des portions 6b non parallèles ,au champ magnétique les électrons émis par ces portions ne risquent
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pas d'être déviés et renvoyés sur l'électrode par le champ magnétique:
comme la force agissant sur un électron se déplaçant dans la direction
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dans le champ magnétique
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est proportionnelle à
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elle est (pour une même valeur de F et B)
maximum lorsque
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est .perpendiculaire à dont parallèle à la surface émissive (ce qui est
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justement le cas pour les vecteurs
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qui correspondent à des portions 6a), et minimum (en fait nulle)
lorsque
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est parallèle à donc
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perpendiculaire à la surface émissive (ce qui est justement le cas pour les vecteurs
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qui cor- respondent à des portions 6b).
Par la présence de ces portions 6b non paral lèles à B, on augmente encore le rendement, qui peut ainsi âtre multiplié par un facteur de l'ordre de 5 par exemple.
Enfin, les cannelures ou créneaux de l'électrode décrite ont pour effet de réduire la chute de potentiel entre l'électrode positive et le gaz ionisé pour une même valeur du courant débité, d'où amélioration du fonctionnement et accroissement du rendement du générateur.
Les dimensions des cannelures ne sont pas criti ques ; celles-ci sont avantageusement comprises entre 1 millimètre et 1 décimètre environ, de préférence égales à un ou quelques centimètres, les largeurs et les profondeurs des cannelures étant généralement du même ordre de grandeur.
L'électrode décrite présente, par rapport aux électrodes du genre en question déjà existantes, de nombreux avantages, notamment les suivants - tout d'abord, on réduit le nombre des électrons renvoyés par le champ magnétique sur l'élec trode, dans le cas d'une électrode émissive d'élec trons ; - on augmente la surface d'échange d'électricité entre l'électrode et le plasma ;
- on accroît finalement le nombre de charges élec triques échangées par unité de temps entre l'élec trode et le plasma ; - on réduit la différence de potentiel entre élec trode positive et gaz ionisé pour une même valseur du courant débité ; - enfin, dans le cas où une telle électrode est dis posée dans un générateur magnétohydrodynami que, on augmente l'intensité du courant débité par celui-ci et, par conséquent, son rendement.
Dans une variante, on pourrait modifier la confi guration géométrique spécifique illustrée sur la fig. 2 pour lui donner une forme quelque peu différente ayant également pour effet d'augmenter la surface de l'électrode en contact avec le plasma et de faire comporter à celle-ci des pontions de surface non parallèles au champ magnétique.
Sur les fig. 3 et 4, on a indiqué, à titre d'exemple, deux autres configurations, à savoir une configura- tion à cannelures de section semi-circulaire (fig. 3) et une configuration à cannelures de section semi- hexagonale (fig. 4), ces configurations présentant d'ailleurs l'avantage d'une meilleure tenue mécanique notamment en présence de chocs thermiques.
Sur les fig. 3 et 4, on a eu recours aux mêmes nombres de référence que sur la fig. 2 pour dési gner les éléments équivalents. Les cannelures ou cré neaux 10 présentent des portions de surface 6a paral- léles au champ magnétique
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qui émettent des élec trons dans la direction des flèches
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perpendiculai rement à
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et des portions de surface 6c obliques par rapport
à
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qui émettent des électrons dans les directions des flèches
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obliques par rapport à
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Le rendement est accru pour les mêmes raisons que dans le mode de réalisation de la fig. 2 (aug- m:
entation de la surface de contact, diminution du nombre des électrons renvoyés sur l'électrode, réduc tion de la chute de potentiel entre électrode et gaz ionisé pour une même valeur du courant débité).
11 convient d'ajouter que les électrodes décrites pourraient également être utilisées dans d'autres domaines (que celui des générateurs magnétohydro dynamiques) mettant en oruvre un gaz ionisé ou plasma, par exemple comme sondes dans des machi nes à fusion thermonucléaire.
Electrode immersed in an ionized gas subjected to a magnetic field The invention relates to an electrode immersed in an ionized gas or plasma subjected to a magnetic field. This electrode can, for example, constitute the positive electrode of a magnetohydrodynamic generator,
that is to say from a generator generating electric current directly, without moving mechanical parts, from a plasma subjected to a magnetic field, by collection of charges, separated by this field, by means of 'at least one negative electrode and at least one positive electrode.
Its aim, above all, is to provide an electrode whose ability to exchange electric charges with the plasma in which it is immersed is improved, owing to the fact that its contact surface with the plasma is increased and that its configuration has for effect of increasing its power to inject electrons into this plasma.
The electrode according to the invention is characterized by the fact that it comprises grooves having certain surfaces which are not parallel to the direction of the magnetic field.
The accompanying drawings show, by way of example, some embodiments of the invention.
Fig. 1 of these drawings illustrates schematically, in perspective, a portion of a magnetohydrodynamic generator.
Fig. 2, which is a section through II-II of FIG. 1, represents the positive electrode of the generator of FIG. 1, established according to a first embodiment of the invention.
Figs. 3 and 4, finally, illustrate, also in section, two other embodiments of the electrode according to the invention. Before entering into the detailed description of the embodiments of the invention, it will be recalled, with reference to FIG. 1, the constitution of a magnetohydrodynamic generator.
It is known that such a generator usually comprises - means (for example a heat source not shown) for ionizing a gas by transforming it into plasma P;
- a pipe, chamber, or a similar conduit 1, made of a dielectric material, in which the plasma circulates at a certain speed
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- means (preferably consisting of an electromagnet,
comprising a soft iron armature 2 and a coil 3) to generate, in an air gap 4, an intense magnetic field B acting in a certain zone 5 of the pipe 1,
the direction of the magnetic field being generally perpendicular to the speed V of the plasma so as to separate the positive charges or ions therein (which move in the direction S oriented perpendicular to the vectors B and V)
negative charges or electrons (which move in the opposite direction to S); - And collecting electrodes, arranged generally against the walls of the .tubulure 1. with their collecting surface 6 parallel to the flow speed of the plasma and to the direction of the magnetic field,
namely at least one negative electrode 7 for collecting electrons from the plasma and at least one positive electrode 8 for collecting ions from the plasma and / or injecting electrons into the latter. This results in the appearance between these two electrodes 7 and 8 of a difference of
potential usable in a load circuit 9 (schematically represented in the form of a resistor which is then traversed by a current
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and also to supply (once the generator has started) the coil 3, the entire generator transforming the energy of the heat source (not shown), which heats and ionizes the plasma,
directly into electrical energy which can be used in the load 9 and this without any moving mechanical part (only the ionized gas P being in motion, as well as the electrical charges thereof).
It is known and found that, while the exchange of electricity between the ionized gas or the plasma and the negative electrode does not generally pose a problem because it takes place by absorption of electrons coming from the gas, the exchanges of electric charges between the plasma and the positive electrode were limited, because - on the one hand, the density of the ionic current reaching a positive electrode such as 8 is limited,
according to the kinetic theory of gases, at a value Jl depending on the nature, temperature and number of ions in the plasma, and - on the other hand, the density of the electron emission current J2 of the electrode 8, which is limited by its temperature and chemical constitution,
may be significantly reduced by the magnetic field parallel to the surface of electrode 8; indeed,
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electrons emitted in a direction
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perpendicular to the surface 6 thereof and to the magnetic field
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are deflected by the latter and the curvature of the trajectories of the electrons may be such that they return to the emissive electrode 8.
Due to these limitations of the intensity Jl of the ionic current coming from the ionized gas and captured by the positive electrode 8 and of the density of the electronic current J2 emitted by this electrode,
it may happen that their sum J is less than the current density Jo which it would be possible to obtain in line 1 if there were no limitations to the electrodes, JO being a function of the magnetic field strength, plasma velocity and conductivity, and electrostatic field between electrodes 7 and 8.
If J is less than Jo, it will not be possible to impose the desired electrostatic field and the generator will operate under unfavorable conditions, in particular with reduced intensity and efficiency.
It is pointed out, moreover, that the experiments of the holder have shown in a more precise way that if one continues to increase the electromotive force of the generator, in spite of the limitation of the current following the phenomena considered,
the potential difference between the positive electrode of the generator and the ionized gas can reach a value such that discharges and even arcs are initiated.
We can no longer speak of a mass limit current, the increase in current which is thus obtained takes place at the cost of a greater drop in potential (which can reach several tens of volts), so that, despite everything , the output of the generator is reduced.
To overcome these drawbacks (FIG. 2), the electrodes, in particular the positive electrode 8, immersed in the plasma comprise grooves or cracks 10, certain faces or portions 6b of which are not parallel to the direction of the magnetic field.
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and are even preferably perpendicular to this direction,
certain portions 6a of the surface 6 of the electrode 8 in contact with the plasma P can of course remain parallel to this direction.
Thanks to this configuration of the positive electrode 8 - on, the contact area between the plasma P and the electrode 8 is increased (this area can easily be doubled), hence increasing the total quantity of ions collected and electrons injected by this electrode per unit of time (we can thus double this total quantity),
- because this surface has non-parallel portions 6b, the electrons emitted by these portions are not liable to a magnetic field.
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not to be deflected and returned to the electrode by the magnetic field:
as the force acting on an electron moving in the direction
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in the magnetic field
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is proportional to
EMI0002.0173
it is (for the same value of F and B)
maximum when
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is perpendicular to which parallel to the emissive surface (which is
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precisely the case for vectors
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which correspond to portions 6a), and minimum (in fact zero)
when
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is parallel to therefore
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perpendicular to the emissive surface (which is precisely the case for the vectors
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which correspond to portions 6b).
By the presence of these portions 6b not parallel to B, the yield is further increased, which can thus be multiplied by a factor of the order of 5, for example.
Finally, the grooves or crenellations of the electrode described have the effect of reducing the potential drop between the positive electrode and the ionized gas for the same value of the current supplied, hence improving the operation and increasing the efficiency of the generator.
The dimensions of the grooves are not critical; these are advantageously between 1 millimeter and 1 decimetre approximately, preferably equal to one or a few centimeters, the widths and depths of the grooves generally being of the same order of magnitude.
The electrode described has, compared to electrodes of the type in question already existing, many advantages, in particular the following - first of all, the number of electrons returned by the magnetic field to the electrode is reduced, in the case of an electron-emitting electrode; - The electricity exchange surface between the electrode and the plasma is increased;
- Finally, the number of electric charges exchanged per unit of time between the electrode and the plasma is increased; - The potential difference between positive electrode and ionized gas is reduced for the same valseur of the flowed current; - Finally, in the case where such an electrode is placed in a magnetohydrodynamic generator, the intensity of the current delivered by the latter and, consequently, its efficiency, is increased.
In a variant, one could modify the specific geometric configuration illustrated in FIG. 2 to give it a somewhat different shape, which also has the effect of increasing the surface area of the electrode in contact with the plasma and causing the latter to comprise surface pontions which are not parallel to the magnetic field.
In fig. 3 and 4, two other configurations have been indicated by way of example, namely a configuration with splines of semi-circular section (fig. 3) and a configuration with splines of semi-hexagonal section (fig. 4). ), these configurations also having the advantage of better mechanical strength, especially in the presence of thermal shock.
In fig. 3 and 4, the same reference numbers as in FIG. 2 to designate equivalent elements. The grooves or cracks 10 have surface portions 6a parallel to the magnetic field.
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which emit electrons in the direction of the arrows
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perpendicular to
EMI0003.0053
and portions of surface 6c oblique with respect to
at
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which emit electrons in the directions of the arrows
EMI0003.0057
oblique to
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The efficiency is increased for the same reasons as in the embodiment of FIG. 2 (increase- m:
entation of the contact surface, reduction in the number of electrons returned to the electrode, reduction of the potential drop between electrode and ionized gas for the same value of the current delivered).
It should be added that the electrodes described could also be used in other fields (than that of magneto-hydro dynamic generators) using an ionized gas or plasma, for example as probes in thermonuclear fusion machines.