Инжектор криогенной водородной струи

Полезная модель предназначена для выключения (гашения) разряда в токамаке-реакторе. Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности работы инжектора за счет упрощения конструкции. Для этого предложен инжектор криогенной водородной струи, состоящий из набора гильз, помещенных в накопитель гильз, соединенного с вакуумированным корпусом, внутри которого размещены механизм перемещения гильз, система заправки гильз водородом, соединенная с системой подачи водорода, и система замораживания водорода, система ускорения водородной струи, представляющая собой расположенные вне вакуумированного корпуса баллон с газом высокого давления, соединенный с рабочим цилиндром с установленным в нем поршнем, соединенным со спусковым устройством, при этом гильза с водородом расположена на шайбе системы замораживания водорода, установленной с возможностью контактирования с бойком, расположенным над поршнем в рабочем цилиндре и соединенным с нижней частью сильфона, верхняя часть которого соединена с корпусом, при этом с противоположной стороны гильзы расположена фильера с выступом, отверстие которой соединено со стволом криогенной водородной струи. 1 н.п.ф., 5 з.п.ф., 3 ил.

Полезная модель относится к устройствам, применяемым для аварийного гашения термоядерного разряда. Оно представляет собой инжектор криогенной водородной струи, предназначенный для выключения (гашения) разряда в токамаке-реакторе.

Быстрое выключение разряда токамака-реактора, необходимое в случае ожидаемого большого срыва разряда, а также в других аварийных ситуациях, в настоящий момент реализовано методом инжекции киллер-пеллетов или массивной инжекцией газовых струй. Обе эти технологии основаны на вводе в плазму холодного вещества с массой, сравнимой или даже превосходящей массу основной компоненты плазмы. После получения сигнала о предвестнике срыва необходимо доставить пеллет или газовую струю в плазму в течение нескольких миллисекунд, что требует их ускорения до скоростей порядка км/с. Для киллер-пеллетов основной технологической проблемой является довольно сложная техника инжекции и достаточно большое время, затрачиваемое на ускорение пеллета. Для источников газовых струй проблемой является отсутствие подходящих быстрых клапанов для высоких давлений (>100 атм) и большой пропускной способности (>10²⁴ атомов на выстрел), также проблемой является низкая скорость звука для тяжелых инертных газов.

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, G21В 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, G21В 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, G21В 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 2737055 В2, G21В 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., Buchl 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, G21В 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.

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, G21В 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).

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности работы инжектора за счет упрощения конструкции.

Для этого предложен инжектор криогенной водородной струи, состоящий из набора гильз, помещенных в накопитель гильз, соединенного с вакуумированным корпусом, внутри которого размещены механизм перемещения гильз, система заправки гильз водородом, соединенная с системой подачи водорода, и система замораживания водорода, система ускорения водородной струи, представляющая собой расположенные вне вакуумированного корпуса баллон с газом высокого давления, соединенный с рабочим цилиндром с установленным в нем поршнем, соединенным со спусковым устройством, при этом гильза с водородом расположена на шайбе системы замораживания водорода, установленной с возможностью контактирования с бойком, расположенным над поршнем в рабочем цилиндре и соединенным с нижней частью сильфона, верхняя часть которого соединена с корпусом, при этом с противоположной стороны гильзы расположена фильера с выступом, отверстие которой соединено со стволом криогенной водородной струи.

Кроме того, механизм перемещения гильз соединен с двигателем, расположенным вне вакуумного корпуса.

Система заправки гильз соединена через дозирующий клапан с топливным баком.

Система заправки гильз водородом выполнена в виде хоботка, соединенного с пневмоприводом.

Система замораживания водорода, представляет собой шайбу, находящуюся в тепловом контакте с охладителем, контактирующим с криоголовкой.

Вакуумный корпус соединен с накопителем отработанных гильз.

Предлагаемый инжектор обладает следующими основными параметрами:

- Инжектируемое вещество - водород или дейтерий (далее для краткости водород);

- Температура замороженного водорода перед выстрелом - 12 К;

- Количество приготовленного для одного выстрела замороженного водорода - до 3 мм³ ;

- Число выстрелов между перезарядками инжектора - 30;

- Максимальная скорость частиц в струе - 1000 м/сек;

В качестве основных принципов работы инжектора выбраны следующие требования:

- Процесс замораживания водорода и инжекция водородной пыли будут осуществляться в вакууме не хуже 10^-6 Торр.

- Замораживание будет осуществляться, используя холодопроизводительность стандартной криоголовки, (основной узел вакуумного крионасоса питающейся от стандартного криокомпрессора.

- Порция замороженного водорода перед выстрелом будет храниться в медной гильзе, охлаждаемой криоголовкой.

- Инжекция будет осуществляться путем ударного выдавливания замороженного водорода из гильзы через фильеру (с деформацией гильзы).

- Для произведения ударного выдавливания будет использована кинетическая энергия тяжелого поршня, разогнанного в пневмоцилиндре давлением сжатого газа.

- Управление работой инжектора(управление шаговым двигателем, криокомпрессором, клапанами) и контроль его параметров будут осуществляться с персонального компьютера.

На фигуре 1 дан общий вид инжектора, на фигуре 2 - показана конструкция гильзы инжектора криогенной водородной струи, на фигуре 3 - разрез по Б-Б. Позициями обозначены:

1. Гильза

2. Накопитель гильз

3. Вакуумный корпус

4. Механизм перемещения гильз и зарядов

5. Охладитель гильз

6. Шайба

7. Криоголовка

8. Боек

9. Фильера

10. Датчик температуры

11. Откачной пост

12. Компрессор гелия

13. Шаговый двигатель

14. Вакуумный ввод вращения

15. Топливный бак

16. Клапан дозирования

17. Контрольный объем

18. Натекатель

19. Вакуумметр

20. Хоботок

21. Клапан

22. Пневмопривод хоботка

23. Поршень

24. Рабочий цилиндр

25. Баллон высокого давления

26. Спусковое устройство

27. Пневмопривод спускового устройства

28. Ствол

29. Окно

30. Быстрая камера

31. Специальный сильфон

32. Накопитель отработанных гильз

Ниже следует описание принципа действия инжектора криогенной водородной струи.

При подготовке к работе набор из 30-ти медных гильз (9×7 мм) 1 помещается в накопитель гильз 2, соединенный с вакуумным корпусом 3, в котором расположены механизм перемещения гильз и зарядов (гильз, заправленных водородом) 4, охладитель гильз 5, шайба 6, криоголовка 7, боек 8, фильера 9, датчик температуры 10.

Далее откачной пост 11 создает требуемый вакуум внутри вакуумного корпуса. После этого включается криокомпрессор 12 и начинает функционировать криоголовка, которая понижает температуру охладителя гильз до 12 К.

Затем гильза из накопителя гильз подается при помощи механизма перемещения гильз и зарядов к месту заправки под хоботок 20. Механизм перемещения гильз и зарядов приводится в действие шаговым двигателем 13, расположенным снаружи вакуумного корпуса, через вакуумный ввод вращения 14. В месте заправки гильза вступает в тепловой контакт с охладителем гильз и начинает охлаждаться до температуры 12 К.

Далее водород, запасенный в топливном баке 15, через клапан позирования 16 начинает подаваться в контрольный объем 17 через натекатель 18. Количество газа в контрольном объеме контролируется по давлению газа в нем при помощи вакуумметра 19. По достижении нужного давления, а, значит, нужного количества газа, которое затем и определит размер заряда, подача прекращается.

После этого обеспечивается одевание хоботка на гильзу, и затем открывается клапан 21. Водород поступает в гильзу по хоботку. Постепенно газ из контрольного объема намораживается на внутреннюю поверхность гильзы. Окончание процесса намораживания газа определяется по уменьшившемуся давлению в контрольном объеме. После этого хоботок устройства заправки гильз снимается с гильзы и последняя перемещается в на шайбу. При этом тепловой контакт гильзы с охладителем гильз (через шайбу) сохраняется. Одевание хоботка на гильзу и снятие хоботка с гильзы осуществляет пневмопривод хоботка 22.

Далее объем под поршнем 23 в рабочем цилиндре 24 заполняется сжатым газом (азотом) из баллона высокого давления 25. Рабочий цилиндр расположен снаружи вакуумного корпуса и механически соединен с ним.

Далее по сигналу старта спусковое устройство 26, управляемое пневмоприводом спускового устройства 27, высвобождает поршень, который ускоряется за счет воздействия на него сжатого газа. Достигнув бойка, разогнанный поршень бьет по нему, а тот, в свою очередь, по шайбе, на которой находится гильза с приготовленным зарядом. Гильза накалывается на выступ фильеры и далее происходит выдавливание замороженного водорода через отверстие фильеры и криогенная струя твердых и жидких частиц водорода вырывается из отверстия фильеры, попадая в ствол 28, а из него в вакуумный объем термоядерной установки. Кроме того, в стволе имеется окно 29 для фотографирования струи при помощи быстрой камеры 30.

Одна сторона бойка «смотрит» на поршень, а другая - на шайбу с гильзой. Подвижность бойка с герметизацией по вакууму обеспечивает специальный сильфон 31.

По окончании инжекции отработанная гильза сбрасывается в накопитель отработанных гильз 32.

1. Инжектор криогенной водородной струи, состоящий из набора гильз, помещенных в накопитель гильз, соединенного с вакуумированным корпусом, внутри которого размещены механизм перемещения гильз, система заправки гильз водородом, соединенная с системой подачи водорода, и система замораживания водорода, система ускорения водородной струи, представляющая собой расположенные вне вакуумированного корпуса баллон с газом высокого давления, соединенный с рабочим цилиндром с установленным в нем поршнем, соединенным со спусковым устройством, при этом гильза с водородом расположена на шайбе системы замораживания водорода, установленной с возможностью контактирования с бойком, расположенным над поршнем в рабочем цилиндре и соединенным с нижней частью сильфона, верхняя часть которого соединена с корпусом, при этом с противоположной стороны гильзы расположена фильера с выступом, отверстие которой соединено со стволом криогенной водородной струи.

2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения гильз соединен с двигателем, расположенным вне вакуумного корпуса.

3. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система заправки гильз соединена через дозирующий клапан с топливным баком.

4. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система заправки гильз водородом выполнена в виде хоботка, соединенного с пневмоприводом.

5. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система замораживания водорода, представляет собой шайбу, находящуюся в тепловом контакте с охладителем, контактирующим с криоголовкой.

6. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что вакуумный корпус соединен с накопителем отработанных гильз.