ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ИНЖЕКТОР ТАБЛЕТОК ТЕРМОЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть применено в инжекторах топливных таблеток для ввода топлива и диагностики плазмы термоядерных установок.

Известны двухступенчатые инжекторы таблеток термоядерного топлива /1,2/. Недостатками этих устройств является низкая скорость таблеток, поскольку, как только газ между поршнем второй ступени и таблеткой в стволе сжимается до 1-2 МПа, сила действующая на таблетку превышает силу сцепления (примерзания) таблетки со стволом и она начинает ускоряться. При этом объем ствола за таблеткой увеличивается, и повышение давления внутри трубы второй ступени слабо влияет на повышение давления непосредственно на тыльную сторону таблетки. Это приводит к тому, что, несмотря на большие давления газа во второй ступени (100 МПа и более), давление непосредственно на таблетку не превышает 1-3 МПа и ее скорость не удается увеличить свыше 3-3,4 км/с. Для ввода таблеток в центральную зону плазменного шнура термоядерных установок необходимо увеличить скорость свыше 5 км/с.

За ближайший аналог выбран двухступенчатый инжектор таблеток термоядерного топлива /3/, содержащий вакуумную камеру со стволом, в начале которого установлена ячейка формирователя таблеток, соединенная с теплообменником, труба второй ступени с клапаном для ввода газа, поршень, имеющий возможность перемещаться внутри трубы, клапан для подачи газа из резервуара первой ступени в трубу второй ступени, клапан для заполнения резервуара, диагностическая камера, в которую вставлен конец ствола. В ячейке формирователя соосно с каналом ствола выполнено цилиндрическое отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру ствола. Газообразный водород (дейтерий) подается в ячейку, поддерживаемую при температуре около 10 К за счет охлаждения жидкогелиевым теплообменником, и замерзает внутри нее, формируя таблетку. Выстрел производится путем открывания клапана. Газ из резервуара разгоняет поршень, который сжимает газ, находящийся перед ним, в свою очередь ускоряя таблетку внутри ствола.

Недостатком инжектора является невысокая скорость таблеток.

Для поддержания стабильной термоядерной реакции необходимо вводить топливо в центральную зону плазменного шнура, что требует решения технической задачи по увеличению скорости топливных таблеток свыше 5 км/с.

Решение технической задачи достигается тем, что в двухступенчатом инжекторе таблеток термоядерного топлива, содержащем вакуумную камеру со стволом, в начале которого установлена ячейка формирователя таблеток, соединенная с теплообменником, трубу второй ступени с клапаном для ввода газа, поршень, имеющий возможность перемещаться внутри трубы второй ступени, клапан для подачи газа из резервуара первой ступени в трубу второй ступени, клапан для заполнения резервуара, диагностическую камеру, внутренняя полость ячейки формирователя таблеток выполнена в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола, причем меньший диаметр конуса равен внутреннему диаметру ствола, больший диаметр конуса равен внутреннему диаметру трубы второй ступени, а угол вершины конуса меньше 90^o.

Такое выполнение внутренней полости ячейки формирователя таблеток позволит увеличить скорость таблеток, поскольку повышается давление, при котором таблетка начинает ускоряться в стволе. Обычно ускорение таблетки начинается, когда давление газа превышает 1-2 МПа, чтобы преодолеть силу примерзания таблетки к стволу. В предлагаемой конструкции ускорение таблетки начинается с ее экструзии сквозь сужающийся конический канал. Поэтому таблетка остается практически неподвижной до тех пор, пока давление газа, действующего непосредственно на ее тыльную часть не превысит 10 МПа и более, необходимых для экструзии при температуре твердого водорода 10-11 К /4/. Таким образом, на таблетку, выдавленную в ствол, действует начальное давление газа в 10 МПа и более, вместо обычных 1-З МПа. Это при прочих равных условиях увеличивает скорость таблеток в 1,5-2 раза, как показано в расчетах /5/.

Предлагаемое техническое решение существенно отличается от известных. В баллистике для повышения давления форсирования газа, действующего на снаряд, последний изготавливают с небольшим буртиком, который срезается, как только давление газа превысит определенное значение. Для твердоводородных таблеток это решение малоэффективно, так как прочность твердого водорода на срез составляет всего 0,2-0,4 МПа /6/. С другой стороны, таблетки инжектируются при температуре около 10 К, при которых твердый водород является пластичным материалом и не разрушается при сжатии, если в нем не возникают ударные волны. Поэтому при относительно небольших давлениях в 10-20 МПа, твердый водород легко выдавливается сквозь коническое отверстие с небольшой скоростью в 1-4 см/с. Условием отсутствия образования ударных волн в таблетке является условие на скорость увеличения давления на таблетку /7/
dP/dt < Р_o/2l,
где P -давление на торец таблетки,
t - время;
P_o - предел прочности (пластичности),
l - длина таблетки.

Для обычных параметров двухступенчатых инжекторов это условие соблюдается, так как давление газа перед поршнем растет медленно.

На поясняющем чертеже показана схема предлагаемого устройства. Инжектор содержит вакуумную камеру 1 со стволом 2, в начале которого установлена ячейка формирователя таблеток 3, соединенная с теплообменником 4; ячейка выполнена в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола, причем меньший диаметр конуса равен внутреннему диаметру ствола, больший диаметр конуса равен внутреннему диаметру трубы второй ступени 5, снабженной клапаном 6 для ввода газа, а угол вершины конуса меньше 90; поршень 7, имеющий возможность перемещаться внутри трубы 5; клапан 8 для подачи газа из резервуара первой ступени 9 в трубу второй ступени; клапан 10 для заполнения резервуара; диагностическую камеру 11.

Инжектор работает следующим образом. Газообразное топливо (например, водород) при давлении 0,01-0,05 МПа подается через клапан 6 в трубу 5 и далее в ячейку 3, поддерживаемую при температуре около 10 К за счет охлаждения жидкогелиевым теплообменником 4. Водород замерзает внутри конического отверстия ячейки. Давление в трубе 5 повышается до 0,06-0,07 МПа. В резервуар 9 подается газ (водород, гелий) при давлении 6-10 МПа через клапан 10. Выстрел начинается в момент, когда открывается клапан 8 и газ из резервуара 9 проникает в трубу 5 позади поршня 7. Поршень разгоняется и сжимает газ, находящийся перед ним. Давление и температура газа возрастают и при достижении 10 МПа водород начинает экструдироваться сквозь коническое отверстие прямо в ствол. Давление за таблеткой продолжает увеличиваться и выдавленная в ствол таблетка ускоряется газом и вылетает в диагностическую камеру 11 и далее в плазму. Вылетающий вслед за таблеткой газ откачивается через диагностическую камеру, а газ, ускоряющий поршень, откачивается через клапан 6. Режим работы клапанов 6 и 8 подбирается таким образом, чтобы поршень не успел вытолкнуть весь газ в ствол, а затормозился давлением этого газа и отскочил в обратную сторону в исходное состояние. Существенно, чтобы, как показывают эксперименты, угол при вершине конуса ячейки формирователя таблеток был менее 90^o для того, чтобы твердый водород экструдировался из ячейки формирователя в ствол без разрушения. Меньший диаметр конической ячейки должен равняться диаметру ствола, чтобы между стенками ствола и выдавленной в него таблеткой не возник зазор для прорыва ускоряющего газа. Больший диаметр конической ячейки должен быть равен диаметру трубы второй ступени для того, чтобы избежать образования паразитных "застойных" зон в газе и неоправданного (без повышения скорости таблеток) увеличения количества ускоряющего газа, что увеличивает расходы на его откачку. Длина ячейки подбирается таким образом, чтобы длина таблетки всегда превышала ее диаметр, что необходимо в баллистике для устойчивого ускорения снаряда в стволе.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных тем, что таблетка начинает ускоряться в стволе при более высоком начальном давлении газа, что приводит к увеличению ее скорости в 1,5-2 раза. Это дает возможность увеличить глубину проникновения топлива в плазму на 10-15% и поддерживать стабильную термоядерную реакцию в центральных зонах плазмы.

Список литературы
1. Development of a two-stage light gas gun to accelerate hydrogen pellets to high speeds for plasma fueling applications./ S.K.Combs, S.L.Milora, C.R.Foust, at al.// J.Vac.Sci.Technol. A7(3),May/Jun,1989,p.963-967.

2. High-speed pellet injection with a two-stage pneumatic gun./A.Reggiori, R.Carlevaro, G.Riva, at al.// J.Vac.Sci.Technol. A6(4), Jul/Aug,1988,p. 2556-2558.

3. Development of a two-stage pellet injector for Heliotron-E. /S.Sudo, T.Baba, M. Kanno, S.Saka//Fusion Technology, vol.20, Dec., 1991, p.387-398.

4. И. В.Виняр и др./ Метод непрерывной экструзии твердого термоядерного топлива// ЖТФ, 1995, т.65, вып.7, стр. 167-175.

5. И. В. Виняр и др./ Инжектор топливных таблеток, использующий высокотемпературный газ: принцип действия, конструкция, диагностика// ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 1986, вып.4, с.22-26.

6. И.Н. Крупский и др./Пластическая деформация твердого водорода// Физика низких температур, 1977,т.3, вып.7, с.933-939.

7. И.В.Виняр / К вопросу о разрушении и испарении топливных таблеток при ускорении в легкогазовых инжекторах// Доклады 5 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. М.:ЦНИИатоминформ, 1990, с. 309-310.

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано в системах подпитки топливом термоядерных реакторов и диагностики плазмы термоядерных установок. Инжектор содержит вакуумную камеру со стволом, в канале которого установлена ячейка формирователя таблеток с теплообменником. Труба второй ступени снабжена клапаном для ввода газа. Внутри второй ступени установлен поршень с возможностью перемещения. Резервуар первой ступени сообщен со второй ступенью через клапан. Инжектор содержит также клапан для заполнения резервуара первой ступени и диагностическую камеру. Для повышения скорости таблеток внутренняя полость ячейки формирования таблеток выполнена в форме усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола. Меньший диаметр конуса равен внутреннему диаметру ствола. Больший диаметр конуса равен внутреннему диаметру трубы второй ступени. Угол при вершине конуса ячейки формирователя меньше 90^o. 1 ил.

Двухступенчатый инжектор таблеток термоядерного топлива, содержащий вакуумную камеру со стволом, в начале которого установлена ячейка формирователя таблеток, соединенная с теплообменником, трубу второй ступени с клапаном для ввода газа, поршень, имеющий возможность перемещения внутри трубы второй ступни, клапан для подачи газа из резервуара первой ступни в трубу второй ступени, клапан для заполнения резервуара первой ступени, диагностическую камеру, отличающийся тем, что внутренняя полость ячейки формирователя таблеток выполнена в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола, причем меньший диаметр конуса равен внутреннему диаметру ствола, больший диаметр конуса равен внутреннему диаметру трубы второй ступени, а угол вершины конуса меньше 90^o.