СПОСОБ ИНЖЕКЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОГО ТОПЛИВА В ВАКУУМНУЮ КАМЕРУ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу (УТС) и предназначено для использования в устройствах ввода топлива в плазму термоядерных установок.

Для длительного поддержания термоядерной реакции в установках ядерного синтеза и, в частности, установках токамак необходима дозаправка вакуумной камеры термоядерным топливом во время разряда. В качестве топлива используется один из тяжелых изотопов водорода или смесь из таких изотопов. Ввод топлива необходимо осуществлять с высокой скоростью (500-1500 м/с) и массой, достаточными для проникновения топлива в центральную область плазменного шнура, а также с частотой (5-50 Гц), обеспечивающей необходимое время непрерывной работы установки. Конкретные величины указанных параметров зависят от размеров установок. Топливо может подаваться в зону реакции в виде газовых струй, жидких струй, твердых таблеток, а также в виде нейтральных частиц и плазменных сгустков.

Известен легкогазовый инжектор топливных макрочастиц для термоядерных установок, содержащий расположенные в вакуумном тракте ствол, втулку, охлаждаемую гелиевым теплообменником, систему подачи в ствол ускоряющего газа с импульсным клапаном, систему напуска топливного газа, в частности водорода, теплопроводящую пористую втулку, размещенную внутри охлаждаемой втулки, систему синхронизации, систему дифференциальной откачки и другие элементы (а.с. СССР № 1611139, G 21 B 1/00, заявл. 03.04.89, опубл. 27.05.97, Бюл. № 15). В этом инжекторе реализуется газовый способ инжекции, включающий три стадии: стадию охлаждения газообразного водорода до замерзания; стадию формирования макрочастицы путем подогрева водорода до 14 К и накопления его в пористой втулке с дальнейшим постоянным и интенсивным его охлаждением до полного промерзания жидкой макрочастицы; и стадию ускорения макрочастицы путем подачи в ствол ускоряющего макрочастицу газа. Топливный газ - водород подается при давлении 60 Торр через пористую втулку в ствол с расходом 2,7 мг/с, соответствующим расходу топлива при инжекции в токамак макрочастиц диаметром 2 мм, длиной 2 мм и частотой 5 Гц.

Этот способ инжекции и инжектор такого типа нашел широкое применение в некоторых экспериментальных установках токамак, однако для крупных установок с диаметром плазменного шнура более 2 м он не обеспечивает необходимой скорости (до 1000 м/с) и частоты (до 50 Гц).

На основе легкогазовой пушки разработан инжектор тритиевых макрочастиц ТПИ-1 для ввода топлива в термоядерные реакторы. В казенной части легкогазовой пушки в азотно-гелиевом заливном криостате при температуре 10-20 К формируются от 1 до 50 макрочастиц из твердого трития размером 4 мм. Под действием сжатого легкого газа частица ускоряется до 1-1,2 км/с в стволе. В состав инжектора входит также система подготовки и подачи трития и дейтерия, диагностическая камера, система вакуумирования, система сбора данных и управления (Г.А.Баранов, И.В.Виняр, П.Ю.Кобленц и др. Инжектор тритиевых макрочастиц ТПИ-1. - Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Санкт-Петербург, 27-29 мая 1997. - М.: ЦНИИ управления, экономики и информации Минатома РФ, 1997, с.148). В предложенном для международного реактора ITER проекте инжектора, выполненном на основе этой разработки, планируется достичь скорости 1000 м/с и частоты 50 Гц при инжекции таблеток диаметром 3-7 мм.

Известен 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 ступени, клапан для заполнения резервуара первой ступени, диагностическую камеру; внутренняя полость ячейки формирователя таблеток выполнена в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола. (патент РФ № 2132577, G 21 B 1/00, заявл. 11.02.97, опубл. 27.06.99, Бюл. № 18). В этом инжекторе газообразное топливо (водород) охлаждается жидкогелиевым теплообменником в ячейке формирователя таблеток до температуры около 10 К, таблетка формируется внутри конического отверстия ячейки, где водород замерзает. Процесс инжекции начинается с поступления ускоряющего газа (водород, гелий) при давлении 6-10 МПа, который разгоняет поршень и сжимает топливный газ, находящийся перед ним, и водород, давление которого с начального 0,01-0,05 МПа возросло до 10 МПа, начинает экструдироваться через коническое отверстие ячейки в ствол и далее в плазму термоядерной установки. Подбирается режим работы клапанов инжектора, чтобы поршень не успел вытолкнуть весь газ в ствол, а затормозился давлением этого газа и отскочил в исходное состояние.

В этом инжекторе таблетка начинает ускоряться в стволе при более высоком начальном давлении газа, за счет чего увеличивается скорость инжекции и глубина проникновения топлива в плазму, что позволяет поддерживать стабильную термоядерную реакцию в центральных зонах плазмы. Недостатком является наличие в конструкции инжектора движущегося элемента, что снижает надежность работы. Сложность наладки работы клапанов инжектора, от которых зависит весь процесс его работы, является другим его недостатком.

Разновидностью двухступенчатого инжектора является экспериментально исследованный пеллет-инжектор с лайнерным обжатием толкающего газа, в котором вместо поршня для сжатия толкающего таблетку газа используется цилиндрический алюминиевый лайнер, разгоняемый электромагнитными силами из-за пропускания тока через лайнер, электропитание которого осуществляется от конденсаторной батареи; расчетная скорость пластиковой таблетки составляет 4,6 км/с, дейтериевой 10 км/с при диаметре и длине таблетки 2 мм, измеренная скорость пластиковой таблетки составила 2,5 км/с (В.П.Базилевский, Ю.А.Кареев, А.И.Кольченко и др. Пеллет-инжектор с лайнерным обжатием толкающего газа. / Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. - Санкт-Петербург, 27-29 мая 1997. - М.: ЦНИИ управления, экономики и информации Минатома РФ, 1997, с.155).

Недостатком этого способа разгона поршня (лайнера) является сложность реализации, связанная с необходимостью применения дорогостоящего и энергоемкого оборудования.

Известна высокоскоростная система для инжекции криогенных таблеток, содержащая пневматическую двухступенчатую систему подачи таблеток; на первой ступени газ высокого давления поступает к поршню, который через высокоскоростной регулирующий клапан адиабатически сжимает движущийся газ на второй ступени; в стволе для запуска таблетки создается пиковое давление порядка 200 МПа за 10-100 мкс (патент США № 5406594, G 21 B 1/00, заявл. 17.07.91, опубл. 11.04.95; ИСМ вып.099, 1996, № 5, с.13).

Эта система имеет общий элемент с двухступенчатым инжектором по патенту РФ № 2132577 - поршень и в ней достигается более высокое давление в стволе. Однако наличие движущегося элемента снижает надежность работы системы.

Известно устройство для инжекции дважды ускоренных таблеток, в котором инжектор типа газовой пушки выстреливает таблетку, ускоренную при расширении ускоряющего газа, в зазор между двумя направляющими, равный диаметру направляющей трубки, чтобы предотвратить разрушение таблетки; за таблеткой в ускоряющем газе лазерным лучом инициируют электрический разряд и генерируется плазма, дополнительно ускоряющая таблетку (патент Японии № 2737055В2, G 21 B 1/00, заявл. 17.10.88, опубл. 08.04.98; ИСМ вып.099, 1999, № 5, с.3).

Сохранение целостности таблетки исключает появление плазмы перед таблеткой, что позволяет при дополнительном ускорении сообщить таблетке высокую скорость. Однако реализация такого устройства требует дорогостоящего и энергоемкого оборудования.

Известен пеллет-инжектор для термоядерной установки JET, выполненный по принципу центрифуги. Это центробежное устройство, предназначенное для метания одиночных таблеток, сформированных из водорода при криогенных температурах, в плазму, содержит ротор в виде стержня, расположенный в вакуумной камере инжектора и соединенный с валом привода; на боковой поверхности стержня выполнен радиальный ускоряющий канал, имеющий конусное сечение с большим основанием, открытым в полость вакуумной камеры; в верхней части камеры установлен криогенный экструдер таблеток с механизмом их подачи в выходную трубку, размещенную перпендикулярно плоскости вращения ускоряющего канала; с помощью механизма подачи таблетка из водорода подается к ускоряющему каналу, захватывается им, ускоряется и выбрасывается на периферии ротора в трубопровод, соединяющий вакуумную камеру инжектора с вакуумной камерой термоядерной установки, в которой идет процесс горения плазмы (Andelfinger С., Вuchl К. et al., Pellet Injectors for JET. - IPP, 1/193, Sept. 1981, Max-Planck Institute for Plasmaphysik).

Использованный в этом устройстве способ подачи таблетки в ускоряющий канал путем ее захвата этим каналом при перемещении таблетки в перпендикулярном каналу направлении требует жесткой синхронизации скорости вращения ротора и скорости таблетки, что усложняет систему управления работой и надежность подачи. Кроме того, подача таблетки в конусный ускоряющий канал связана с неопределенностью точки соприкосновения таблетки и канала, что снижает точность попадания таблетки в соединительный трубопровод и увеличивает вероятность потери таблетки в полости камеры инжектора.

Известен способ подачи таблетки в ускоряющий канал ротора инжектора макрочастиц путем перемещения таблетки перпендикулярно радиальному ускоряющему каналу, согласно которому таблетку сначала перемещают перпендикулярно ускоряющему каналу, затем захватывают ее ротором, перемещают в радиальном и окружном направлениях, выбрасывают из ротора по касательной в плоскость ускоряющего канала, после чего улавливают таблетку ускоряющим каналом ротора (а.с. СССР № 1258223, G 21 B 1/00, заявл. 17.12.84, опубл. 06.04.87, Бюл. № 12, с.281). Устройство подачи таблетки в ускоряющий канал ротора инжектора макрочастиц для осуществления этого способа содержит экструдер таблеток с выходной трубкой, установленный на корпусе, в котором расположен ротор с радиальным ускоряющим каналом на боковой поверхности, а также полый цилиндр, установленный на корпусе с торцевым зазором относительно плоскости ротора, которая расположена в плоскости оси симметрии ускоряющего канала, выходная трубка экструдера размещена внутри полого цилиндра, в котором выполнено радиальное выходное отверстие, а на плоскости ротора расположены радиальные ребра с зазором относительно цилиндра.

Этим способом и устройством устраняются недостатки вышеописанного центробежного устройства, однако они имеют свои недостатки, а именно: возможен упругий отскок криогенной твердоводородной таблетки от стенки неподвижного цилиндра за счет ее испарения при соприкосновении с "теплым" цилиндром, что препятствует захвату следующей таблетки и снижает частоту захвата таблеток; упругий отскок таблетки в момент ее выхода через окно неподвижного цилиндра приводит к нестабильности ее вылета и увеличению угла рассеяния; увеличение угла рассеяния на выходе из неподвижного цилиндра приводит к изменению точки захвата таблетки основным ускоряющим каналом и, следовательно, к увеличению угла рассеяния таблетки на выходе из центрифуги, что приводит к дополнительным потерям массы и скорости таблетки при ее прохождении по трубопроводу к плазме термоядерной установки.

Из приведенных выше способов и устройств инжекции термоядерного топлива за прототип выбран газовый способ инжекции, использованный в двухступенчатом инжекторе по патенту РФ № 2132577. Газовый способ инжекции, нашедший наиболее широкое применение в существующих и проектируемых тороидальных термоядерных установках и позволяющий достичь необходимых для крупных установок параметров инжекции, включает в себя три осуществляемых в вакууме стадии: стадию охлаждения газообразного топливного водорода жидкогелиевым теплообменником; стадию формирования таблеток из замороженного водорода и двухступенчатую стадию ускорения таблетки под действием ускоряющего газа (водорода или гелия) с использованием дополнительного сжатия топливного газа с помощью поршня.

Недостатками этого способа являются сложность реализации, работа только с одной формой состояния топлива (замороженные таблетки), необходимость работы в вакууме самого инжектора и наличие вакуумного тракта между инжектором и вакуумной камерой.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания более простого способа инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерных реакторов, удовлетворяющего требованиям к параметрам инжекции, необходимым для демонстрационных термоядерных реакторов токамаков, при котором возможна работа как с твердыми топливными таблетками, так и с газообразным и жидким состоянием термоядерного топлива.

Сущность изобретения состоит в способе инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерного реактора, заключающемся в формировании макроэлементов с термоядерным топливом, ускорении этих макроэлементов воздействием газа и введении термоядерного топлива в вакуумную камеру. В этом способе макроэлементы с термоядерным топливом формируют путем помещения термоядерного топлива в металлические герметичные капсулы, которые прицельно и дистанционно, одиночно или очередями выстреливают из пневматического или огнестрельного оружия в отверстие в области стенки вакуумной камеры термоядерного реактора, отведенной для инжекции топлива, обеспечивая кумулятивное проникновение термоядерного топлива внутрь вакуумной камеры в область плазменного шнура. В частном случае осуществления изобретения прицельная стрельба в отверстие вакуумной камеры может вестись через препятствие, установленное вблизи вакуумной камеры, имеющее отверстие, соосное по траектории полета капсулы отверстию в вакуумной камере, при этом металлический корпус капсулы в отверстии препятствия застревает, а содержимое капсулы через отверстие в вакуумной камере проникает внутрь нее.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в отсутствии вакуумного тракта, соединяющего инжектор с вакуумной камерой реактора, в возможности варьирования скорости полета капсулы в зависимости от типа оружия в пределах ~(0,7-2,5) км/с, что, как минимум, будет соответствовать скорости кумулятивной струи, в возможности изменения в широких пределах дистанции от оружия до вакуумной камеры, учитывая размеры ее радиационной защиты.

Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 приведено схематическое изображение приспособления для осуществления инжекции в вакуумную камеру термоядерного реактора, а на фиг.2 приведен фрагмент стенки вакуумной камеры с отверстием, в которое вбрасывается термоядерное топливо.

Способ инжекции осуществляется следующим образом. На специальном участке производится формирование макроэлементов. Термоядерное топливо (дейтерий или тритий или смесь дейтерия и трития) в виде газа, жидкости или замороженной таблетки заводится в свинцовые капсулы, которые завальцовываются в виде пуль. Таблетки (пеллеты) изготавливаются с помощью обычных экструдеров и для их хранения необходимы криогенные устройства. На выбранном расстоянии от вакуумной камеры термоядерного реактора устанавливается оружие. В зависимости от необходимой скорости полета капсулы-пули может использоваться мелкокалиберная винтовка, обычная винтовка или карабин, автомат или обычное духовое ружье (пневматическое оружие), которые могут быть снабжены оптическим прицелом. Оружие прицеливается в отверстие в области инжекции вакуумной камеры термоядерного реактора и жестко фиксируется. Стрельбу целесообразно осуществлять, используя приспособление, изображенное на фиг.1. На массивном основании 1, закрепленном на фундаменте между оружием и вакуумной камерой термоядерного реактора, устанавливается препятствие 2 в виде массивного металлического тела, в котором на оси траектории полета капсулы 3 с термоядерным топливом 4 выполнено сквозное отверстие 5 с воронкообразным входом со стороны подлета капсулы. Отверстие 6 на вакуумной камере 7 термоядерного реактора выполняется с воронкообразным входом на внешней поверхности вакуумной камеры, куда осуществляется прицеливание (фиг.2). Диаметр отверстия 5 на препятствии 2 выполняется примерно равным 1,5 мм, а диаметр отверстия 6 в вакуумной камере 7 примерно равным 1-1,5 мм исходя из размеров капсулы, помещающей достаточное для разовой инжекции количество термоядерного топлива. Препятствие 2 захватывает капсулу 3 при подлете и задерживает в воронкообразной части отверстия 5 металлическую часть капсулы, а ее содержимое, т.е. термоядерное топливо, влетает в воронкообразную часть отверстия 6 в вакуумной камере 7 и через это отверстие кумулятивным образом проникает внутрь вакуумной камеры 7 термоядерного реактора. Для сохранения условий вакуума в вакуумной камере в отверстии 6 может быть установлена обычная диафрагма по типу диафрагмы фотоаппарата с системой синхронизации с выстрелом. Диафрагма открывается в момент пролета пеллета через отверстие 6 в вакуумной камере 7 термоядерного реактора. Отверстие 6 может также выполняться в виде пружинных лепестков, открывающихся с помощью влетающей струи топлива и закрывающихся после ее прохождения практически без нарушения вакуума в камере 7. Капсула-пуля 3 тормозится о препятствие 2 перед вакуумной камерой 7 в приемном устройстве (конус воронкообразного входа отверстия 5), а струя жидкости (газа) летит дальше в направляющее устройство (конус воронкообразного входа отверстия 6) вакуумной камеры 7 термоядерного реактора. Пуля удаляется из приемного устройства, например, с помощью обычного его раздвижения. В этом случае препятствие 2 выполняется из двух половин с пружинами между ними.

Изобретение предназначено для использования в устройствах ввода топлива в плазму термоядерных установок. В заявленном способе макроэлементы с термоядерным топливом формируют путем помещения термоядерного топлива в металлические герметичные капсулы, которые прицельно и дистанционно, одиночно или очередями выстреливают из пневматического или огнестрельного ружья в отверстие в области стенки вакуумной камеры термоядерного реактора, отведенной для инжекции топлива, обеспечивая кумулятивное проникновение термоядерного топлива внутрь вакуумной камеры в область плазменного шнура. Стрельба может вестись через препятствие, установленное внутри вакуумной камеры, имеющее отверстие, соосное по траектории полета капсулы отверстию в вакуумной камере, при этом металлический корпус капсулы в отверстии препятствия застревает, а содержимое капсулы через отверстие в вакуумной камере проникает внутрь нее. Технический результат заключается в отсутствии вакуумного тракта, соединяющего инжектор с вакуумной камерой реактора, в возможности варьирования скорости полета капсулы в пределах ~ (0,7-2,5) км/с, в возможности изменения дистанции от оружия до вакуумной камеры. 2 ил.

1. Способ инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерного реактора, заключающийся в формировании макроэлементов с термоядерным топливом, ускорении этих макроэлементов воздействием газа и введении термоядерного топлива в вакуумную камеру, отличающийся тем, что макроэлементы с термоядерным топливом формируют путем помещения термоядерного топлива в металлические герметичные капсулы, которые прицельно и дистанционно, одиночно или очередями выстреливают из пневматического или огнестрельного оружия в отверстие в области стенки вакуумной камеры термоядерного реактора, отведенной для инжекции топлива, обеспечивая кумулятивное проникновение термоядерного топлива внутрь вакуумной камеры в область плазменного шнура.2. Способ инжекции по п.1, отличающийся тем, что прицельную стрельбу в отверстие вакуумной камеры ведут через препятствие, установленное вблизи вакуумной камеры, имеющее отверстие, соосное по траектории полета капсулы отверстию в вакуумной камере, при этом металлический корпус капсулы в отверстии препятствия застревает, а содержимое капсулы через отверстие в вакуумной камере проникает внутрь нее.