ЛЕГКОГАЗОВЫЙ ИНЖЕКТОР ТАБЛЕТОК ТЕРМОЯДЕРНОГО ТОПЛИВА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1998 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть применено для ввода топлива в плазму термоядерных установок.

Известен легкогазовый инжектор таблеток термоядерного топлива, в котором непрерывное формирование и ускорение таблеток осуществляется за счет периодического напуска и замерзания газообразных изотопов водорода, которые являются топливом для горящей плазмы, внутрь ствола инжектора, короткий участок которого охлаждается жидким гением, с последующим выстреливанием твердой таблетки из ствола сжатым газом, подаваемым из клапана [1]. Недостатком этого устройства является то, что цикл формирования таблетки занимает не менее 20-30 с, что требует для поддержания непрерывного режима ввода топлива в плазму с частотой 10 Гц применения одновременно нескольких многоствольных инжекторов.

За ближайший аналог выбран формирователь таблеток [2], содержащий вакуумную камеру 1 с теплообменником 2, состоящим из двух отдельных блоков, которые герметично соединены теплоизолирующей втулкой 3 и снабжены нагревателями 4, привод 5 с поршнем 6, расположенным внутри цилиндрической полости, выполненной вдоль оси теплообменника и втулки, патрубок 7 на входе в полость теплообменника для подачи газообразного топлива, коническую втулку 8, расположенную на входе из полости теплообменника, к которой прикреплен ствол 9, выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательных движений и снабженный приводом 10, и ускоритель таблеток 11.

Формирователь, являющийся по сути инжектором таблеток, работает следующим образом. Водород непрерывно поступает в первый блок теплообменника 2, поддерживаемый при температуре 15 К за счет охлаждения жидким гелием, и конденсируется в жидкость, которая стекает сквозь втулку 3 во второй блок теплообменника, также охлаждаемый жидким гелием до температуры 10 К, и затвердевает там. С помощью привода 5 поршень 6 сжимает водород и выдавливает его сквозь коническую втулку 8, формируя твердоводородный стержень 12. Привод 10 перемещает ствол 9 и тот острыми краями отрезает таблетку от стержня и перемещает ее внутрь ствола, где ей с помощью ускорителя 11 сообщается необходимая скорость и направление для проникновения в плазму термоядерной установки. Привод возвращает ствол в исходное положение и, после выдавливания очередной части твердоводородного стержня, вновь перемещает ствол и отрезает таблетку. Цикл повторяется.

Недостатком формирователя является недостаточная надежность работы из-за наличия большого количества движущихся деталей. Привод со стволом и ускоритель таблеток должны работать в режиме с частотой 10 Гц синхронно и непрерывно, что приводит к быстрому износу узлов и снижению надежности. Другим недостатком является ограниченность времени непрерывной работы инжектора, связанная с тем, что после выдавливания порции топлива из объема теплообменника и втулки требуется некоторое время (несколько десятков секунд) для возврата поршня в исходное положение и заполнения этого объема новой порцией топлива. Чтобы избежать прекращения ввода топлива в плазму с частотой до 10 Гц предполагается использовать несколько формирователей таблеток, работающих друг за другом. Это усложняет систему ввода топлива и снижает надежность.

Технической задачей является повышение надежности работы инжектора таблеток в непрерывном частотном режиме.

Решение технической задачи достигается тем, что в инжекторе 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, коническую втулку, расположенную на выходе из полости теплообменника, ускоритель таблеток и ствол, на боковой поверхности поршня выполнена спиральная канавка, а к выходу конической втулки прикреплена камера, выполненная из низкотеплопроводного материала, имеющая полость, сообщающуюся с цилиндрической полостью теплообменника и полостью конической втулки, причем размеры внутренней полости камеры в любом направлении больше внутреннего диаметра ствола, а ствол и ускоритель таблеток размещены вдоль одной оси и герметично прикреплены с двух противоположных сторон к камере, в стенках которой также с двух противоположных сторон вдоль оси ствола и ускорителя выполнены два отверстия, равные внутреннему диаметру ствола.

Сущность изобретения заключается в том, что вырезание таблетки из экструдированного твердого топлива осуществляется самим ускоряющим газом, без использования отсекателя с приводом. При этом существенно, что размеры полости, заполненной твердым топливом, в любом направлении превышают диаметр ствола инжектора, а отверстия в камере равны ему, так что диаметр вырезанной таблетки в точности равен диаметру ствола при любом взаимном пространственном расположении камеры, теплообменника и ствола. Другим существенным моментом является то, что в течение времени ускорения таблетки в стволе, равного 0,5-0,8 мс, твердое топливо внутри полости камеры с вырезанным отверстием от таблетки пропускает ускоряющий газ в ствол из ускорителя таблеток и препятствует проникновению газа в коническую втулку и полость теплообменника, тем самым защищая теплообменник от перегрева. Этой же цели служит материал с низкой теплопроводностью, из которого изготовлена камера. За это время тепло от ускоряющего газа передается в твердое топливо, которое нагревается и испаряется (поскольку топливом служит замороженный водород, дейтерий, тритий), освобождая полость камеры для новой порции экструдированного топлива. Камера может быть снабжена собственной дополнительной системой вакуумирования для ускорения откачки испаряющегося топлива и ускоряющего газа. Другим существенным моментом является то, что наличие спиральной канавки на боковой поверхности поршня позволяет сжимать и выдавливать топливо из цилиндрической полости теплообменника в принципиально непрерывном режиме за счет вращения поршня приводом, поскольку топливо имеет возможность постоянно охлаждаться, замораживаться, сжиматься и перемещаться к выходу из полости теплообменника вдоль спиральной канавки.

Предлагаемое устройство существенно отличается от известных. В известных в технике конструкциях разогрев казенной части ствола ускоряющим газом препятствует быстрому заряжанию ствола новой таблеткой, имеющей температуру около 10 К, что снижает частоту стрельбы. В предлагаемом устройстве казенную часть ствола составляет фактически камера, заполненная оставшейся после вырезания таблетки массой замороженного топлива, которое аккумулирует тепло от ускоряющего газа и испаряется при каждом выстреле, эффективно охлаждая камеру для заполнения новой порцией топлива.

В приложении 1 приведена схема формирователя, выбранного за ближайший аналог.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства. Устройство содержит вакуумную камеру 1, теплообменник 2, теплоизолирующую втулку 3 герметично соединенную (например, с помощью пайки или сварки) с обеими частями теплообменника, нагреватели 4, привод 5 с поршнем 6, патрубок для подачи газообразного топлива 7, конусную втулку 8, ствол 9, камеру 10, ускоритель таблеток 11.

Инжектор работает следующим образом. Камера 1 вакуумируется до высокого вакуума, при котором жидкий гелий охлаждает теплообменник 2 так, чтобы температура его верхней части поддерживалась на уровне 15-20 К, а нижней - на уровне 10-12 К. Теплоизолирующая втулка 3 и нагреватели 4 способствуют тонкой настройке температур верхней и нижней частей теплообменника и поршня и поддержанию их на заданном уровне. Газообразный водород под давлением 1 атм непрерывно подается сквозь патрубок 7 на вход в цилиндрическую полость теплообменника. Водород охлаждается за счет теплообмена со стенками верхней части теплообменника и конденсируется в жидкость. Жидкий водород стекает вдоль спиральной канавки в нижнюю часть теплообменника и замерзает в ней. Привод 5 вращает поршень 6 и твердый водород перемещается к конической втулке 8. Уплотняясь при деформации в конусе, твердый водород выдавливается из полости теплообменника в полость камеры 10, принимая ее форму. Ускоритель 11 подает импульс ускоряющего газа, который своим давлением 10 МПа и более выдавливает часть твердого топлива из камеры внутрь ствола, формируя, тем самым, таблетку. Газ ускоряет вырезанную таблетку и вбрасывает ее в плазму термоядерной установки. При диаметре таблетки 2 - 4 мм, она ускоряется в стволе длиной 0,4 - 0,8 м в течение 0,5 - 0,8 мс. Газ вылетает из ствола (т.е. его давление падает до значений менее 0,01 МПа) в течение следующих 5 - 10 мс. За все это время ускоряющий газ успевает передать внутрь оставшейся после вырезания таблетки массе твердого водорода тепло, равное 0,5 - 1 Дж, что приводит к испарению около 0,02 см³ твердого водорода. Освободившееся место в полости камеры заполняется новой порцией экструдированного твердого топлива, поступающего под действием поршня из теплообменника. Цикл повторяется. Частота стрельбы определяется скоростью заполнения камеры новой порцией твердого топлива, то есть скоростью экструзии, которая в настоящее время в экспериментах составляет около 0,6-0,7 см³/с [2]. Даже с учетом потерь на испарение водорода максимальная частота стрельбы таблетками диаметром 4 мм из одного ствола далеко превышает необходимые для подпитки плазмы 10 Гц.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных тем, что и формирование и ускорение таблеток твердого термоядерного топлива производится в непрерывном частотном режиме одним и тем же ускоряющим газом, что не требует применения дополнительных синхронно движущихся специальных механизмов для отрезания и перемещения таблетки в ствол. Это дает возможность сократить число работающих узлов в инжекторе и увеличить его надежность при длительной непрерывной работе в частотном режиме на термоядерных станциях. Наличие спиральной канавки на боковой поверхности поршня позволяет заменить возвратно-поступательное движение поршня на вращательное и тем самым обеспечить непрерывное формирование и ускорение топливных таблеток одним инжектором вместо нескольких.

Источник информации
1. Карпухин В. И. , Новиков М.Н., Швец М.О. Система для формирования и инжекции твердоводородных таблеток. - Приборы и техника эксперимента, 1991, 3, 235-237.

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. - Ближайший аналог.

Инжектор предназначен для ввода термоядерного топлива в термоядерный реактор. Инжектор содержит вакуумную камеру 1 с теплообменником 2, привод 5 с поршнем 6. На выходе из полости теплообменника расположена коническая втулка 8. Инжектор содержит ствол 9, ускоритель таблеток 11. На боковой поверхности поршня выполнена спиральная канавка. К конической втулке 8 прикреплена камера 12. Размеры внутренней полости камеры в любом направлении больше внутреннего диаметра ствола 9. Ствол 9 и ускоритель 11 расположены с противоположных сторон камеры 10 на одной оси. В стенках камеры выполнены отверстия, равные внутреннему диаметру ствола. Предложенный реактор позволяет повысить частоту ввода таблеток в термоядерный реактор. 2 ил.

Легкогазовый инжектор 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, ствол и ускоритель таблеток, отличающийся тем, что на боковой поверхности поршня выполнена спиральная канавка, а к выходу конической втулки прикреплена камера, выполненная из низкотеплопроводного материала, имеющая полость, сообщающуюся с цилиндрической полостью теплообменника и полостью конической втулки, причем размеры внутренней полости камеры в любом направлении больше внутреннего диаметра ствола, а ствол и ускоритель таблеток размещены вдоль одной оси и герметично прикреплены с двух противоположных сторон к камере, в стенках которой также с двух противоположных сторон вдоль оси ствола и ускорителя выполнены два отверстия, равные внутреннему диаметру ствола.