ФОРМИРОВАТЕЛЬ ТАБЛЕТОК ТЕРМОЯДЕРНОГО ТОПЛИВА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть применено в инжекторах топливных таблеток для ввода топлива и диагностики плазмы термоядерных установок.

Известны формирователи таблеток термоядерного топлива непрерывного действия на основе конденсации топливного газа непосредственно внутри ствола [1]
Недостатками этих устройства является то, что цикл формирования таблетки занимает 1 200 с, что требует применения одновременно нескольких формирователей для обеспечения частоты инжекции таблеток в плазму 10 Гц и поддержания непрерывного режима ввода топлива.

Наиболее близким к изобретению является формирователь таблеток [2] содержащий вакуумную камеру 1 (фиг.1) с теплообменником 2, состоящим из двух отдельных блоков, которые герметично соединены теплоизолирующей втулкой 3. Вдоль оси теплообменника и втулки выполнена цилиндрическая полость, внутри которой расположен поршень 4 с приводом 5, имеющий возможность совершать возвратно-поступательное движение. К входу теплообменника присоединен патрубок 6 для подачи газообразного топлива в полость теплообменника. К выходу теплообменника присоединена коническая втулка 7, к которой прикреплен отсекатель таблеток 8 с приводом 9, ствол 10 и ускоритель таблеток 11.

Формирователь работает следующим образом.

Поршень 4 выдвигается из теплообменника 2 в крайнее положение, при котором он открывает полость теплообменника для подачи в нее газообразного топлива (например, водорода). Водород поступает в первый блок теплообменника 2, поддерживаемого при температуре 15K за счет охлаждения жидким гелем, и конденсируется в жидкость, которая стекает во второй блок теплообменника, также охлаждаемого жидким гелем до температуры 10K, и затвередевает там. С помощью привода 5 поршень 4 начинают перемещать к выходу теплообменника и выдавливают твердый водород сквозь коническую втулку 7, формируя твердоводородный стержень 12. Отсекатель 8 с приводом 9 отрезает таблетку от стержня и перемещает ее в ствол 10, где ей с помощью ускорителя 11 сообщается необходимая скорость и направление для проникновения в плазму термоядерной установки. После выдавливания всей порции твердого водорода поршень возвращается в исходное положение и новая порция жидкого водорода стекает в теплообменник и затвердевает там. Цикл повторяется.

Недостатком формирователя является недостаточный ресурс работы в непрерывном режиме. При частоте инжекции таблеток 1Гц практически реализуемые длина (1 м) и диаметр (20 мм) теплообменника способны обеспечить непрерывное формирование таблеток (размером 4 мм) в течение 100 300 с. После выдавливания всей порции водорода из теплообменника требуется некоторое время (1 5 мин) для возвращения поршня в исходное положение и затвердевания новой порции водорода внутри теплообменника. Поскольку термоядерные станции требуют непрерывный режим подачи топлива, то приходится использовать два и более одновременно работающих формирователя таблеток.

Техническая задача изобретения повышение ресурса формирователя таблеток при работе в непрерывном режиме.

Это достигается тем, что в формирователе таблеток содержащем: вакуумную камеру с теплообменником, состоящим из двух отдельных блоков, которые герметично соединены теплоизолирующей втулкой и снабжены нагревателями; привод с поршнем, расположенным внутри цилиндрической полости, выполненной вдоль оси теплообменника и втулки; патрубок на входе в полость теплообменника для подачи газообразного топлива; коническая втулка, расположенная на выходе из полости теплообменника, к которой прикреплен отсекатель таблеток с приводом, ствол и ускоритель таблеток; на боковой поверхности поршня формирователя таблеток выполнена спиральная канавка, причем длина поршня превышает длину теплообменника. Поршень выполнен из теплонизкопроводного материала, а теплообменник из высокотеплопроводного, причем внутри поршня размещен нагреватель.

Сущность изобретения заключается в том, что по мере конденсации газообразного топлива (водорода, дейтерия, трития) в первом блоке теплообменника в жидкость, она непрерывно заполняет спиральную канавку на поршне и перемещается при вращении поршня во второй блок теплообменника, где затвердевает из-за контакта с поверхностью теплообменника по мере движения конической втулке. При этом существенно, что температура жидкого водорода (15 20K) только на несколько градусов превышает оптимальную температуру экструзии твердого водорода (10 12K), поэтому за счет теплоизолирующей втулки и низкотеплопроводного поршня легко установить и поддерживать (например, с помощью нагревателей) разную температуру в верхней части теплообменника и в его нижней части, где находится конусная полость. Другим существенным моментом является то, что поршень имеет длину превышающую длину теплообменника и вращается внутри цилиндрической полости в обеих частях теплообменника. Это исключает возможность закупоривания канала подачи топлива из-за возможного локального переохлаждени, так как спиральная канавка на поршне выходит за пределы теплообменника, где конденсация водорода не происходит.

Существенным моментом является также то, что поршень изготовлен из материала с низкой теплопроводностью, а теплообменник из высокотеплопроводного материала. Это снижает теплопередачу между двумя частями теплообменника и создает градиент температуры не только вдоль оси формирователя, но и в радиальном направлении. В этом случае твердое топливо примерзает к стенке теплообменника прочнее, чем к поршню внутри спиральной канавки и препятствует холостому вращению поршня ( то есть вращению поршня с намерзшими на него топливом без выдавливания в коническую втулку). Все это приводит к непрерывному выдавливанию твердоводородного стержня из конической втулки и формированию таблеток.

Предлагаемое устройство существенно отличается от известных. В известных в технике конструкциях шнековых экструдеров пластмасса подается в спиральную канавку в твердом виде и по мере сдавливания ее температура повышается, материал размягчается (иногда расплавляется) и перемещается к эксрузионному конусу, при этом сдвиговая прочность (вязкость) материала и его трение о стенки снижается при приближении к экструзионному конусу, что обеспечивает перемещение материала к экструзионному конусу, а не в противоположном направлении (вверх по шнеку). Температура экструдера и шнека (поршня) поддерживается одинаковой и максимальной в экструзионном конусе. В предлагаемом устройстве температура экструдера (теплообменника) должна быть минимальной в экструзионном конусе, что приводит к тому, что сдвиговая прочность и вязкость водорода там являются максимальными. Это необходимо для обеспечения режима непрерывного охлаждения и затвердевания газообразного водорода (дейтерия, трития), используемого при формировании таблеток. Однако это приводит к тому, что твердый водород примерзает к поршню и вращается вместе с ним без продвижения к конической втулке, поэтому существенным отличием является то, что необходимо поддерживать температурный градиент как по оси поршня, так и(главное) в радиальном направлении, т.е. изготовить поршень и теплообменник с существенно отличающимися коэффициентами теплопроводности. Тогда температура водорода, контактирующего с поршнем по спиральной канавке, будет на 0,5 1,5K выше температуры водорода, соприкасающегося с поверхностью теплообменника. Сдвиговая прочность твердого водорода и трение его о стенки теплообменника при этом больше, чем о стенки поршня, что обеспечивает перемещение водорода к конической втулке и упрочнение твердого водорода при экструзии, необходимое для формирования прочной таблетки. Таблетка, сформированная без такого упрочнения, легко разрушается в ускорителе до ввода в плазму.

На фиг. 1 приведена схема формирователя; на фиг. 2 схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, теплообменник 2, конусную втулку 3, поршень (шнек) 4 с приводом 5, патрубок для подачи газообразного топлива 6, теплоизолирующую втулку 7 герметично соединенную (например, с помощью пайки или сварки) с обеими частями теплообменника, нагреватели 8, отсекатель таблеток 9 с приводом 10, ствол 11 с ускорителем таблеток 12, стержень твердого топлива 13 от которого отсекаются таблетки.

Формирователь работает следующим образом.

Жидкий гелий охлаждает теплообменник 2 таким образом, чтобы температура его верхней части поддерживалась на уровне 15 20K, а нижней на уровне 10 - 12K. Нагреватели способствуют такой настройке температур верхней и нижней частей теплообменника и поршня и поддерживанию их на заданном уровне. Типичный расход гелия 8 10 л/ч. Газообразный водород под давлением 1 атм непрерывно подается сквозь патрубок 6 на вход в цилиндрическую полость теплообменника 2. Двигатель вдоль поршня (шнека) 4 по спиральной канавке водород охлаждается за счет теплообмена со стенками верхней части теплообменника 2 и конденсируется в жидкость. Жидкий водород стекает в нижнюю часть теплообменника 2 и замерзает в ней. Привод 5 непрерывно вращает вкладыш 4 и перемещает жидкий и твердый водород к конической втулке 3. Уплотняясь при деформации в конусе твердый водород выдавливается из теплообменника 2 в виде стержня 13. Отсекатель 9 перемещается приводом 10 влево-вправо, периодически отсекая часть стержня 13, формируя таким образом таблетки и выталкивая их в ствол 11. Ускоритель 12 сообщает таблетке необходимую скорость и направление для инжекции в плазму термоядерной установки. Скорость вращения вкладыша 4 можно варьировать от 0,1 до 5 об/с, при этом скорость выдавливания стержня 13 меняется от 1 до 50 мм/с, что достаточно для инжекции таблеток с частотой 10 Гц.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных тем, что охлаждение, конденсация и экструзия твердого термоядерного топлива производятся в непрерывном режиме в одной камере при атмосферном давлении, что дает возможность рассматривать предлагаемое устройство как наиболее перспективное для инжекторов термоядерного топлива крупных термоядерных реакторов с длительным режимом работы.

Список литературы
1. Lafferanderie, G. Claudet, F. Disier et al. Experiment test of 6 mm diameter D2 pellets produced by in-situ condensation / In. Proceeding of 14th Symposium of Fusion Technology, Avignon, France, 1986.

2 Комбс С. Е. Милора С. Л. Фауст С. Р. и др. Пневматический инжектор таблеток водорода для пополнения плазмы. Приборы для научных исследований, 1985, 6, с. 41 47, прототип.

Использование: управляемый термоядерный синтез, в частности системы подпитки топливом термоядерных реакторов. Сущность изобретения: формирователь таблеток содержит вакуумную камеру 1 с теплообменником 2, который состоит из двух блоков, герметично соединенных теплоизолирующей втулкой 7. В теплообменнике размещены нагреватели 8. В теплообменнике вдоль его оси выполнена цилиндрическая полость, в которой размещен поршень 4 с приводом 5. На выходе из полости установлена коническая втулка 3, к которой прикреплен отсекатель таблеток 9 с приводом 10, ствол 11 и ускоритель таблеток 12. На входе в полость теплообменника размещен патрубок 6 для подачи газообразного топлива. Поршень 4 имеет спиральную канавку на боковой поверхности и выполнен из низкотеплопроводного материала, а теплообменник выполнен из высокотеплопроводного материала. Длина поршня больше, чем длина цилиндрической полости внутри теплообменника. 2 ил.

Формирователь таблеток термоядерного топлива непрерывного действия, содержащий вакуумную камеру с теплообменником, состоящим из двух отдельных блоков, которые герметично соединены теплоизолирующей втулкой и снабжены нагревателями, привод с поршнем, расположенным внутри цилиндрической полости, выполненной вдоль оси теплообменника и втулки, патрубок на входе в полость теплообменника для подачи газообразного топлива, коническую втулку, расположенную на выходе из полости теплообменника, к которой прикреплен отсекатель таблеток с приводом, ствол и ускоритель таблеток, отличающийся тем, что на боковой поверхности поршня формирователя таблеток выполнена спиральная канавка, причем поршень выполнен из низкотеплопроводного материала, а теплообменник из высокотеплопроводного, а длина поршня превышает длину цилиндрической полости внутри теплообменника.