ИНЖЕКТОР ПРИМЕСНЫХ МАКРОЧАСТИЦ В ОБОЛОЧКАХ ИЗ ТВЕРДЫХ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК Российский патент 2004 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для диагностики плазмы в термоядерных установках.

Предшествующий уровень техники

Известны инжекторы примесных макрочастиц без оболочек для термоядерных установок (P.T.Lang et al., Compact gas gun injection system for vaiable sized solid pellets, Review of Scientific Instruments, 1994, v.65, №7, pp.2316-2321). Эти инжекторы вбрасывают в плазму макрочастицу примеси (например, углерода или лития) для того, чтобы по создаваемым ею возмущениям судить о параметрах плазмы. Их ограничением является то, что примеси начинают испаряться на периферии плазмы и не проникают в ее центральные зоны, где наиболее важно знать параметры плазмы.

Известен инжектор примесных макрочастиц в оболочках из полистерена (K.V.Khlopenkov, S.Sudo, Production and acceleration of tracer encapsulated solid pellets for particle transport diagnostics, Review of Scientific Instruments, 1998, v.69, №9, pp.3194-3198). Оболочка защищает примесь от испарения и позволяет увеличить глубину ее проникновения в плазму. Ограничением этого инжектора является то, что оболочка также представляет собой примесь для термоядерной плазмы, которая, как известно, состоит из ионизованных атомов изотопов водорода. Поэтому по возмущениям, создаваемым двумя сортами примесей, труднее судить об истинных параметрах плазмы.

Наиболее близким к предлагаемому является инжектор примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода, содержащий вакуумную камеру, ствол инжектора, формирователь оболочек, полость которого сообщена с полостью ствола инжектора, систему охлаждения формирователя оболочек, обойму, предназначенную для размещения в ней примесных макрочастиц и подсоединенную к формирователю оболочек, толкатель, установленный в обойме с возможностью перемещения его торцом макрочастиц из обоймы в полость формирователя оболочек, систему подачи газов, сообщенную с полостями формирователя, обоймы и ствола инжектора, систему вакуумирования, предназначенную для вакуумирования вакуумной камеры и размещенных в ней ствола инжектора, формирователя оболочек и обоймы с макрочастицами, привод толкателя, подсоединенный к толкателю снаружи вакуумной камеры (S.Sudo, H.Itoh, K.Khlopenkov, Tracer-encapsulated cryogenic pellet production for particle transport diagnostics. Review of Scientific Instruments, 1997, v.68, №7, pp.2717-2724).

В этом техническом решении формирователь оболочек содержит две пластины, выполненные с возможностью перемещения друг относительно друга и относительно корпуса формирователя.

При инжекции такой макрочастицы в плазму оболочка испаряется на периферии плазмы, не внося в нее примесей, а примесная макрочастица начинает испаряться и создавать возмущения в центральных зонах плазмы. По этим возмущениям можно судить о параметрах плазмы.

Ограничением инжектора является недостаточная надежность формирования примесных макрочастиц в оболочках. После формирования половины оболочки в одной из пластин (при температуре от 10 до 15 К в зависимости от вида изотопа водорода) и размещения в ней примесной макрочастицы, производится перемещение пластины внутри формирователя оболочек и дополнительный напуск газообразного изотопа водорода для конденсации и формирования второй половины оболочки в другой пластине. Отверстия в обеих пластинах должны быть соосно и точно позиционированы для того, чтобы из двух половин оболочек получилась одна целая оболочка без выступов на боковой поверхности, которые могут привести к разрушению оболочки во время инжекции. Масса дополнительно подаваемого газа для конденсации второй половины оболочки равна или даже превышает массу уже сформированной первой половины оболочки, а его теплоемкость существенно больше теплоемкости сформированной половины оболочки, поскольку температура газа значительно выше 15 К. Поэтому при конденсации второй половины оболочки выделяется тепло, которое может приводить к частичному разогреву или даже плавлению уже сформированной половины оболочки. Далее обе пластины перемещают оболочку с примесной макрочастицей на ось ствола, что также приводит к тепловыделениям за счет трения и изменения теплопритоков к оболочке. При температурных изменениях внутри оболочки возникают термические напряжения. При разогреве оболочки она размягчается и примесная макрочастица под действием термических напряжений и конвективных потоков внутри оболочки может сместиться из центра к краю оболочки. В таком месте оболочка практически не закрывает макрочастицу и при попадании в плазму макрочастица сразу начнет испаряться на периферии плазмы. Это снижает надежность работы инжектора как инструмента для диагностики параметров центральных зон плазмы. Другим недостатком инжектора является сложность его конструкции, обусловленная необходимостью перемещения и точного позиционирования как примесной макрочастицы, так и оболочки, формирующейся по частям.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности формирования и инжекции примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции инжектора примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном инжекторе примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода для термоядерных установок, содержащем вакуумную камеру, ствол инжектора, формирователь оболочек, полость которого сообщена с полостью ствола инжектора, систему охлаждения формирователя оболочек, обойму, предназначенную для размещения в ней примесных макрочастиц и подсоединенную к формирователю оболочек, толкатель, установленный в обойме с возможностью перемещения его торцом макрочастиц из обоймы в полость формирователя оболочек, систему подачи газов, сообщенную с полостями формирователя, обоймы и ствола инжектора, систему вакуумирования, предназначенную для вакуумирования вакуумной камеры и размещенных в ней ствола инжектора, формирователя оболочек и обоймы с макрочастицами, привод толкателя, подсоединенный к толкателю снаружи вакуумной камеры, согласно изобретению толкатель снабжен каналом, выполненным внутри него и сообщенным с упомянутым торцом толкателя с образованием в нем входного отверстия, диаметр которого выполнен меньшим, чем габаритный размер примесной макрочастицы, а между упомянутым торцом толкателя и его приводом в толкателе выполнено выходное отверстие канала, и через выходное отверстие канала толкателя система вакуумирования дополнительно сообщена с ним.

Сущность изобретения заключается в том, что толкатель макрочастиц имеет канал, сквозь который может производиться подача и отсос газа, но не может проникать примесная макрочастица, поскольку входное отверстие канала толкателя должно быть меньше, чем примесная макрочастица.

Существенно также то, что формирование оболочки из твердых изотопов водорода производится вокруг примесной макрочастицы, которая не перемещается во время формирования оболочки. Сама оболочка также не перемещается в формирователе до начала ускорения в стволе инжектора.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением существенно отличается от известных. Во время загрузки макрочастицы из обоймы, ее перемещения в формирователь оболочек и во время формирования оболочки примесная макрочастица прижимается потоком газа к входному отверстию канала толкателя, сквозь которое пройти не может. Поток газа откачивается сквозь зазоры между макрочастицей и стенками канала толкателя. По мере затвердевания газа и образования оболочки вокруг макрочастицы происходит затвердевание газа и внутри канала толкателя. В то время как толкатель медленно выдвигается из сформированной оболочки и направляется к обойме за следующей макрочастицей, замерзшие внутри канала толкателя твердые изотопы водорода начинают сублимировать и конденсироваться внутри полости, оставляемой в оболочке выдвигающимся толкателем. Таким образом, толкатель используется не только как вакуумный пинцет для захвата и удержания примесной макрочастицы, но и в качестве источника изотопов водорода для завершения формирования оболочки вокруг макрочастицы.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает функциональную схему заявленного инжектора.

Фиг.2 схематично показывает формирование оболочек в инжекторе по мере перемещения толкателя, где на (а) показано расположение толкателя макрочастиц в обойме в момент захвата макрочастицы; на (б) показано расположение толкателя с макрочастицей в формирователе оболочек на оси ствола инжектора; на (в) показаны полости формирователя оболочек и канала толкателя, в которых произошла конденсация и затвердевание газообразного изотопа водорода; на г) показана сформированная вокруг примесной макрочастицы оболочка из твердого изотопа водорода с полостью, оставленной выдвинутым из нее толкателем макрочастиц.

Лучший вариант осуществления изобретения

На фиг.1, 2 приняты следующие обозначения: вакуумная камера 1, формирователь 2 оболочек, система 3 охлаждения формирователя 2, ствол 4 инжектора, обойма 5 с примесными макрочастицами, примесные макрочастицы 6, толкатель 7 примесных макрочастиц 6, система 8 подачи газов, система 9 вакуумирования, привод 10 толкателя 7 примесных макрочастиц 6, канал 11 в толкателе 7, входное отверстие 12 канала 11 толкателя 7, выходное отверстие 13 канала 11, оболочка 14 из твердых изотопов водорода.

Инжектор примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода для термоядерных установок (фиг.1) содержит вакуумную камеру 1, ствол 4 инжектора, формирователь 2 оболочек 14, полость которого сообщена с полостью ствола 4. Инжектор имеет систему 3 охлаждения формирователя 2, обойму 5, предназначенную для размещения в ней примесных макрочастиц 6 и подсоединенную к формирователю 2. Толкатель 7 установлен в обойме 5 с возможностью перемещения его торцом макрочастиц 6 из обоймы 5 в полость формирователя 2. Система 8 подачи газов сообщена с полостями формирователя 2, обоймы 5 и ствола 4 инжектора. Система 9 вакуумирования предназначена для вакуумирования вакуумной камеры 1 и размещенных в ней ствола 4 инжектора, формирователя 2 оболочек 14 и обоймы 5 с макрочастицами 6. Привод 10 толкателя 7 подсоединен к нему снаружи вакуумной камеры 1.

Толкатель 7 снабжен каналом 11, выполненным внутри него и сообщенным с упомянутым торцом толкателя 7 с образованием в нем входного отверстия 12. Диаметр входного отверстия 12 выполнен меньшим, чем габаритный размер примесной макрочастицы 6. Между упомянутым торцом толкателя 7 и его приводом 10 (снаружи вакуумной камеры 1, как показано на фиг.1, или внутри нее) в толкателе 7 выполнено выходное отверстие 13 канала 11 толкателя 7. Через выходное отверстие 13 канала 11 система вакуумирования 9 дополнительно сообщена с каналом 11 толкателя 7. Диаметр входного отверстия 12 выполнен меньшим, чем габаритный размер примесной макрочастицы 6 для того, чтобы можно было использовать примесные макрочастицы различной формы, не обязательно в форме шара, при этом под габаритным размером примесной макрочастицы 6, обладающей не шарообразной формой, подразумевается минимальный габаритный размер в любом из пространственных направлений.

Инжектор примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода (фиг.1) работает следующим образом.

После вакуумирования всех полостей инжектора система 3 охлаждения понижает температуру формирователя 2 до уровня на 5-10 К выше критической точки того изотопа водорода, из которого будет формироваться оболочка 14. Выбранный газообразный изотоп водорода поступает из системы 8 подачи газов в формирователь 2 оболочек 14, обойму 5 и ствол 4 и откачивается системой 9 вакуумирования только через канал 11 в толкателе 7 примесных макрочастиц 6, создавая направленный поток газа сквозь толкатель 7. Привод 10 толкателя 7 устанавливает его в положение, показанное на Фиг.2 (а), при котором примесная макрочастица 6, находящаяся в обойме 5, сдувается направленным потоком газа к входному отверстию 12 толкателя 7 (за счет перепада давлений, создаваемого системой 9 при вакуумировании полости ствола 4 и полости канала 11 толкателя 7, или перемещается к толкателю 7 другими средствами, например механическими) и присасывается к толкателю 7, поскольку пройти сквозь входное отверстие 12 не может. Для этого входное отверстие 12 канала 11 толкателя 7 должно быть меньше примесной макрочастицы 6. Привод 10 толкателя 7 перемещает его вместе с находящейся на его конце примесной макрочастицей 6 из обоймы 5 в формирователь 2 и устанавливает примесную макрочастицу 6 на ось ствола 4, как показано на Фиг.2 (б). Система 3 охлаждения понижает температуру формирователя 2 до уровня на 3-10 К ниже температуры затвердевания газообразного изотопа водорода. Газ затвердевает в полости формирователя 2 и в канале 11 толкателя 7, образуя оболочку 14 вокруг толкателя 7 с примесной макрочастицей 6, как показано на Фиг.2 (в). Система 9 вакуумирования отключает откачку канала 11 толкателя 7. Толкатель 7 медленно выдвигается из оболочки 14 обратно по направлению к обойме 5 с примесными макрочастицами 6, как показано на Фиг.2 (г). Поскольку площадь контакта примесной макрочастицы 6 с толкателем 7 существенно меньше площади контакта примесной макрочастицы 6 с замерзшей вокруг нее оболочкой 14, то примесная макрочастица 6 отрывается от толкателя 7, оставаясь неподвижной в оболочке 14. Характерный размер оболочки 14 для инжекции примесной макрочастицы 6 в термоядерную установку LHD (Япония) составляет 3 мм (диаметр и длина), а размер примесной макрочастицы 6 около 0,1-0,2 мм. Для таких размеров можно выбрать диаметр входного отверстия 12 канала 11 толкателя 7 примерно 0,05 мм, диаметр самого канала 11 толкателя 7 около 0,2-0,3 мм, а внешний диаметр толкателя 7 около 0,5-0,6 мм. По мере перемещения толкателя 7 к обойме 5 происходит сублимация твердого изотопа водорода, замерзшего в канале 11 толкателя 7. Пар поступает в полость, образуемую в оболочке 14 за счет выдвижения толкателя 7, и затвердевает внутри этой полости, заполняя ее и завершая формирование оболочки 14, как показано на фиг.1. Диаметр полости, оставляемой толкателем 7, составляет 0,5-0,6 мм, а длина около 1,5 мм, так что объем заполняемой полости составляет всего 2% от объема уже сформированной оболочки 14. Температурные изменения, вызванные сублимацией и затвердеванием такого количества изотопа водорода незначительны и не приводят к существенному изменению температуры всей оболочки 14, поскольку температура сублимирующего пара близка к температуре оболочки 14. После формирования оболочки 14 открывается тракт, соединяющий инжектор с термоядерной установкой, и система 8 подачи газов производит быстрый напуск ускоряющего газа, который ускоряет оболочку 14 вместе с примесной макрочастицей 6 в стволе 4 инжектора и направляет в плазму термоядерной установки. Система 3 охлаждения устанавливает температуру формирователя 2 на 5-10 К выше критической точки изотопа водорода и после откачки системой 9 вакуумирования цикл формирования и инжекции примесной макрочастицы 6 в оболочке 14 повторяется.

Длительность цикла составляет 5-10 минут. Для формирования оболочки 14 нужной конфигурации формирователь 2 должен иметь полость, выполненную в виде соответствующего канала, соосного каналу ствола 4 инжектора, диаметром, равным диаметру канала ствола 4, а длиной, равной желаемой длине оболочки 14. К каналу формирователя 2 с двух противоположных сторон присоединены ствол 4 и трубка для подачи ускоряющего газа во время инжекции. Газообразные изотопы водорода не конденсируется в этих трубке и стволе 4, поскольку последние не охлаждаются системой 3 охлаждения формирователя 2. Указанную трубку для подачи ускоряющего газа и ствол 4 можно оснастить нагревателями (не показаны) для регулирования длины образующейся оболочки 14.

Инжектор примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает надежную подачу и удержание примесных макрочастиц 6 в формирователе 2 прямо на оси ствола 4 инжектора во время образования оболочки 14 из твердых изотопов водорода. Во время формирования оболочки 14 примесная макрочастица 6 и оболочка 14 неподвижны до самого момента инжекции, что существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию инжектора и повышает надежность инжекции примесных макрочастиц 6.

Промышленная применимость

Наиболее успешно заявленный инжектор примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода для термоядерных установок может быть промышленно применим для диагностики высокотемпературной плазмы, преимущественно в концепции строительства будущего токамака ИТЭР, а также на действующих установках LHD (Япония), ASDEX-UPGRADE (Германия) и других.

Устройство содержит вакуумную камеру, ствол инжектора, формирователь оболочек, полость которого сообщена с полостью ствола инжектора, систему охлаждения формирователя оболочек. Обойма предназначена для размещения в ней примесных макрочастиц и подсоединена к формирователю оболочек. Толкатель установлен в обойме с возможностью перемещения его торцом макрочастиц из обоймы в полость формирователя оболочек. Система подачи газов сообщена с полостями формирователя, ствола инжектора и обоймы. Система вакуумирования предназначена для вакуумирования вакуумной камеры и размещенных в ней ствола инжектора, обоймы и формирователя оболочек. Привод толкателя подсоединен к толкателю снаружи вакуумной камеры. Толкатель снабжен каналом, выполненным внутри него и сообщенным с упомянутым торцом толкателя с образованием в нем входного отверстия, диаметр которого выполнен меньшим, чем габаритный размер примесной макрочастицы. Между упомянутым торцом толкателя и его приводом в толкателе выполнено выходное отверстие канала. Через выходное отверстие канала толкателя система вакуумирования дополнительно сообщена с каналом. Устройство обеспечивает повышение надежности формирования и инжекции примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода. 2 ил.

Инжектор примесных макрочастиц в оболочках из твердых изотопов водорода для термоядерных установок, содержащий вакуумную камеру, ствол инжектора, формирователь оболочек, полость которого сообщена с полостью ствола инжектора, систему охлаждения формирователя оболочек, обойму, предназначенную для размещения в ней примесных макрочастиц и подсоединенную к формирователю оболочек, толкатель, установленный в обойме с возможностью перемещения его торцом макрочастиц из обоймы в полость формирователя оболочек, систему подачи газов, сообщенную с полостями формирователя, ствола инжектора и обоймы с макрочастицами, систему вакуумирования, предназначенную для вакуумирования вакуумной камеры и размещенных в ней ствола инжектора, обоймы и формирователя оболочек, привод толкателя, подсоединенный к толкателю снаружи вакуумной камеры, отличающийся тем, что толкатель снабжен каналом, выполненным внутри него и сообщенным с упомянутым торцом толкателя с образованием в нем входного отверстия, диаметр которого выполнен меньшим, чем габаритный размер примесной макрочастицы, а между упомянутым торцом толкателя и его приводом в толкателе выполнено выходное отверстие канала и через выходное отверстие канала толкателя система вакуумирования дополнительно сообщена с ним.