ЛЕГКОГАЗОВЫЙ ИНЖЕКТОР ТОПЛИВНЫХ МАКРОЧАСТИЦ ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК Советский патент 1996 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть применено для ввода топлива в термоядерные установки.

Известны высокочастотные инжекторы термоядерного топлива на основе центрифуги. Их недостатком является недостаточная скорость макрочастиц, не позволяющая вводить топливо вглубь плазмы.

Известен высокочастотный легкогазовый инжектор, в котором при ускорении макрочастиц твердого водорода (дейтерия, трития) толкающий газ (гелий или водород при 300 К и выше) проходит сквозь криогенный блок формирования макрочастиц, имеющий температуру около 10 К. Недостатком такого инжектора является то, что толкающий газ разогревает криогенный блок, что снижает частоту инжекции. Кроме того, разогрев вызывает существенные потери топлива за счет испарения.

Наиболее близким техническим решением является высокочастотный легкогазовый инжектор топливных макрочастиц для токамака Т-15(3), содержащий расположенный в вакууме блок формирования макрочастиц, который состоит из экструдера, имеющего постоянный тепловой контакт с гелиевым теплообменником, ножа с отверстием и бойка, совершающих синхронные возвратно-поступательные движения; промежуточный ствол, систему подачи топливного газа, основной ствол с клапаном подачи толкающего газа в промежуточный ствол, системами синхронизации и управления и дифференциальной откачки.

Топливный газ, например водород, подается в экструдер, охлажденный теплообменником до 10 12К, где затвердевает. Под действием поршня экструдера твердый водород сдавливается. Когда отверстие в ноже совмещается с выходным отверстием экструдера водород выдавливается из последнего в нож. Нож перемещается в направлении промежуточного ствола и тем самым отрезает часть экструдированного твердоводородного стержня, формируя макрочастицу. Когда отверстие ножа совмещается с отверстием промежуточного ствола, боек ударяет по макрочастице, расположенной в ноже, и выталкивает ее в промежуточный ствол.

Из него макрочастица попадает в основной ствол. Прерыватель закрывает отверстие промежуточного ствола, а клапан подает сжатый до 4 6 МПа толкающий газ в основной ствол позади макрочастицы. Последняя ускоряется под действием газа и через систему дифференциальной откачки попадает в термоядерную установку. Нож перемещается к экструдеру, отрезает новую часть водородного стержня и цикл повторяется. Параметры и последовательность всех процессов определяются системой синхронизации и управления. Толкающий газ откачивается системой дифференциальной откачки. В настоящее время достигнуты параметры: частота 2 Гц, скорость 1,3 км/с.

Недостатком данного инжектора является низкая надежность, связанная со сложностью конструкции, обусловленной большим количеством движущихся при криогенных температурах деталей. Трение ножа и, особенно, бойка в вакууме при низких температурах приводит к быстрому износу и нарушению точности позиционирования, что чревато заклиниванием бойка в отверстии ножа и остановкой инжектора.

Целью изобретения является повышение надежности высокочастотного легкогазового инжектора за счет упрощения его конструкции путем уменьшения числа движущихся в вакууме криогенных деталей и снижения требований к точности позиционирования.

Цель достигается тем, что в высокочастотном легкогазовом инжекторе, содержащем расположенный в вакууме блок формирования макрочастиц, который состоит из экструдера, имеющего постоянный тепловой контакт с гелиевым теплообменником, и ножа, выполненного с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, промежуточный ствол, систему подачи топливного газа, основной ствол с клапаном подачи толкающего газа и прерывателем потока толкающего газа в промежуточный ствол, систему синхронизации и управления, систему дифференциальной откачки, промежуточный ствол установлен соосно с выходным отверстием экструдера, причем между экструдером и промежуточным стволом расположен нож.

Cущность изобретения заключается в следующем. Экструдируемое твердое термоядерное топливо находится при температурах (например, водород при 10 12 К), при которых давление его насыщенного пара составляет несколько сот Паскалей (единицы Торр). Поскольку промежуточный ствол вакуумируется системой дифференциальной откачки, то по нему со стороны экструдера идет поток насыщенного пара. Этот поток пара в состоянии перемещать макрочастицу из промежуточного в основной ствол без сообщения ей импульса от удара бойка. Действительно, для водорода при Т=10 К давление насыщенного пара равно 230 Па. Тогда ускорение макрочастицы размером 4 мм (5 мг) составляет 700 м/c², что приводит к ее перемещению по промежуточному стволу на расстояние 10 см за 17 мс. Эксперименты показывают, что макрочастица ускоряется по промежуточному стволу под действием собственного пара, практически не испаряясь.

Таким образом, за счет того, что термоядерное топливо имеет малую плотность и большое давление насыщенного пара, возможно перемещение отрезанной макрочастицы под действием собственного пара в основной ствол.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства, инжектор содержит расположенный в вакуумной камере блок 1 формирования макрочастиц, который состоит из экструдера 2, имеющего постоянный тепловой контакт с гелиевым теплообменником 3, и ножа 4, выполненного с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, датчики 5, прикрепленные к промежуточному стволу 6, систему 7 подачи топливного газа, основной ствол 8 с клапаном 9 подачи толкающего газа и прерывателем 10 потока толкающего газа в промежуточный ствол, систему 11 синхронизации и управления, систему 12 дифференциальной откачки.

Высокочастотный легкогазовый инжектор работает следующим образом. Гелиевый теплообменник 3 охлаждает экструдер 2 до 10 К. Водород, поступающий в экструдер из системы 7 подачи топливного газа, затвердевает в нем. Нож 4 отводится в крайнее положение, при котором выходное отверстие экструдера открыто и водород под действием поршня экструдера выдавливается в промежуточный ствол 6. Нож перемещается в обратном направлении и отрезает часть экструдированного стержня водорода. Под действием давления собственного насыщенного пара отрезанная макрочастица твердого водорода перемещается из промежуточного в основной ствол 8. Полезно изготовить нож таким образом, например с отверстиями, чтобы насыщенный пар от расположенного в экструдере твердого топлива легко проникал в промежуточный ствол и способствовал лучшему ускорению макрочастицы. После попадания макрочастицы в основной ствол прерыватель 10 запирает промежуточный ствол, а клапан 9 подает вслед за макрочастицей толкающий газ. После ускорения и откачки толкающего газа прерыватель открывается, твердый водород выдавливается в промежуточный ствол, нож отрезает макрочастицу и цикл повторяется. Длину выдавливаемой макрочастицы можно варьировать, если снабдить промежуточный ствол датчиками 5 (например, оптическими или термическими), которые будут реагировать на заполнение определенной длины промежуточного ствола.

Устройство выгодно отличается от прототипа простотой конструкции. За счет ликвидации бойка уменьшается число движущихся в вакууме криогенных деталей, снижается износ и повышается надежность инжектора. Если в прототипе для удара бойка по макрочастице нож должен был быть позиционирован относительно канала промежуточного ствола и бойка с погрешностью не хуже 0,1 мм, то в предлагаемом инжекторе погрешность положения ножа может составлять 1 мм.

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано для ввода топлива в термоядерные установки. Целью изобретения является повышение надежности высокочастотного легкогазового инжектора топливных макрочастиц. В инжекторе промежуточный ствол установлен соосно с выходным отверстием экструдера, причем между экструдером и промежуточным стволом расположен нож. После отрезания макрочастица ускоряется в основной ствол под действием собственного пара. 1 ил.

Легкогазовый инжектор топливных макрочастиц для термоядерных установок, содержащий расположенный в вакуумной камере блок формирования макрочастиц, который состоит из экструдера, имеющего постоянный тепловой контакт с гелиевым теплообменником, и ножа, выполненного с возможностью возвратно-поступательного движения, промежуточный ствол, систему подачи топливного газа, основной ствол с клапаном подачи толкающего газа и прерывателем потока толкающего газа в промежуточный ствол, систему синхронизации и управления, систему дифференциальной откачки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности инжектора путем уменьшения числа движущихся в вакууме криогенных деталей и снижения требований к точности позиционирования, промежуточный ствол установлен соосно с выходным отверстием экструдера, причем нож расположен между экструдером и промежуточным стволом.