Brevet FR2516812A1 — publié le 19830527

a présente invention concerne un dispositif d'accélération méca- nique de particules macroscopiques à une vitesse élevée Dans une pre- mière forme de réalisation, le dispositif comporte un corps accéléra- teur rotatif qui exerce une force d'accélération sur les particules et comporte une section de guidage parcourue par la particule Dans une seconde forme de réalisation, le dispositif comporte un corps accéléra- teur animé d'un mouvement linéaire et exerçant une force d'accélération sur les zarticules. L'accélération mecanique de particules macroscopiques à l'aide d'une centrifugeuse, c'est-à-dire par la force centrifuge, est généra- lement connue et utilisée par exemple pour la réalimentation en combustible, sous forme de particules (pastilles) d'hydrogène comprimées puis accélérées, Je machines fonctionnant avec des plasmas de densité et température élevées (S L Milora, "Review of Pellet Fuelling", J of Fusion Energy, vol 1, n 1, 1981) La particule à accélérer est injectée dans une section de guidage du rotor de la centrifugeuse, à une distance r de l'axe de rota Lion, r)uis accélérée par la force centrifuge sur son o trajet vers la péri-phérie du rotor La particule quitte la centrifugeuse à la vitesse 2 V cs ( 0/12), V étant la vitesse tangentielle du rotor U U et O 1 angle formé par la tangente à la circonférence du rotor, à l'emplacement de sortie de la particule, et la direction de la section de guidage. Dans les centrifugeuses connues, les particules à accélérer sont introduites dans le rotor à proximité de son axe de rotation, ce qui se traduit par une dispersion angulaire notable de la direction de sortie des particules accélérées Une faible dispersion angulaire est toutefois requise pour de nombreuses applications, et notamment pour l'injection de particules d'hydrogène (pastilles de combustible) dans une machine a plasma. Dans le cas des centrigeuses connues, la vitesse réalisable des particules est en outre limitée par la résistance du matériau du rotor par exemple, en forme de bras ou de disques Des études ont montré a que les matériaux actuellement disponibles ne permettent pas de dépas- ser sensiblement une vitesse des particules de 2000 m/s La réalimen- tation en combustible de machines à plasma exige toutefois des vitesses de particules très supérieures à 2000 mis. L'invention a pour objet un dispositif d'accélération nan q'e de particules macroscopiques, garantissant une dispersion angulaire beaucoup plus faible de la direction des particules accélérées et permettant d'obtenir des vitesses de particules supérieures à celes des centrifugeuses connues. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la secticn de guidage se situe essentiellement sur une surface cylindrique Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps accélérateur com- porte une section de guidage des particules, cintrée et concave suivant la direction du mouvement. Dans une forme de réalisation de l'invention comportant un corps accélérateur rotatif (rotor), la diminution de la dispersion angulaire des particules quittant le rotor est essentiellement obtenue par une section de guidage aziaiutale, c'est-à-dire située sur la surface enveloppe d'un cylindre rotatif Il est ainsi possible d'obtenir une accélération égale à l'accélération centrifuge, mais la dispersion angulaire est sensiblement réduite dans le rapport R/r, R étant le rayon du cylindre et r la distance entre le point d'injection et l'axe de rotation des centrifugeuses classiques Les formes de réalisation fonctionnant avec un ou plusieurs corps accélérateurs animés d'un mou- vement linéaire fournissent aussi des particules accélérées à une vitesse élevée, avec une faible dispersion angulaire. Les dispositifs selon l'invention permettent en outre d'obtenir des vitesses très élevées, et notamment des vitesses très supérieures à 2000 m/s, par le montage en série de plusieurs unités et/ou le trans- fert de particules accélérées de la sortie vers l'entrée d'un dispc- sitif à un ou plusieurs étages La disposition des sections de guidage sur des surfaces enveloppes cylindriques permet une réalisation tech- niquemnent simple du montage en série de plusieurs étages accélérateurs. Le choix de rapports rationnels entre les vitesses de rotation de deuy étages successifs permet en outre d'obtenir facilement une sélection de particules. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente un schéma illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention; la figure 2 est une élévation en coupe d'un dispositif à un seul étage, dans une forme de réalisation de l'invention; la figure 3 représente un dispositif accélérateur à plusieurs étages, constituant une forme de réalisation préférentielle de l'invention; et la figure 4 représente le développement des surfaces enveloppes et des sections de guidage de deux étages accélérateurs successifs du dispo- sitif selon figure 3. Le dispositif plan représenté à la figure 1 est décrit ci-dessous pour illustrer le principe de fonctionnement du dispositif selon l'in- vention La gravité et le frottement sont négligés x, y sont les coordonnées d'une masse M supposée ponctuelle, dans un système de coor- données fixe dans l'espace Un chariot plan S, présentant une section de guidage F semi-circulaire de centre 0, se déplace dans le plan (x, y) et suivant le sens x négatif, à une vitesse de module vs. Les coordonnées x, y du point matériel M dans le système de coor- données fixe dans l'espace peuvent s'exprimer par les coordonnées du centre de courbure O animé d'une vitesse constante vs à l'aide du rayon de courbure consr ant et de l'angle le. x(t) = -vs t Z X sin f (t) ( 1) y(t) = t ( 1 cost(t)) ( 2) Conditions initiales: x = O y = O pour t = 0, O = O pour t = O Une différentiation par rapport au temps t donne les composantes de vitesse x(t) et y(t). x(t) = -v + cos %(t) ( 3) s t) T ' sin (t) ( 4) Lorsque Z ' = vs pour = 1800, le point matériel quitte la section de guidage à la vitesse x = -2 v et y = 0. s Par hypothèse, au temps t = O la masse M est au repos et le chariot S se déplace à vs = constante A l'origine, on a donc g ' T vs Il reste à montrer que constante est valable pendant toute la reste h montrer que Z 't'= constante est valable pendant toute la durée du phénomène d'accélération. Le formalisme de Lagrange est utilisé pour ce faire (cf par exemple L D Landau, E M Lifschitz: "Lehrbuch der theoretischen M 4 echanik"). Fonction de Lagrange L = T U; U = O; T = 2 ( + y 2) 22 s C s x = v + 2 + 2 co? 2 v cost; y = sin 2 T L =T = 2 (Vs + t -2 _2 v 4 cose; as L= m Ut (g 2 _ 2 v 4 cosl); d 2 L( 2 t+ 2 v sin); DL v2 sinf; On a:d DL _L d X X = O c'est-à-dire m 2 = o et par suite t= constante. Dans l'équation ( 3), est, au début de l'accélération, la vitesse relative du point matériel par rapport au chariot mobile. Lorsque le point matériel apparaît déjà à la vitesse de 2 vs, sui- vant la direction des valeurs croissantes de x, dans le chariot se déplaçant à v suivant le sens négatif de x, la vitesse relative du point matériel par rapport au chariot est 2 = 3 v et, te étant constant dans la section de guidage semicirculaire pendant le phénomène d'accélération, la vitesse de sortie ((= 1800) après un second étage accélérateur est: = -4 v Le dispositif représenté en coupe axiale à la figure 2 comporte un moteur synchrone avec un stator 10, fixé sur un arbre 12 vertical fixe Un rotor 16 est monté autour du stator par l'intermédiaire de paliers 14 permettant des vitesses de rotation élevées Le rotor pré- sente une enveloppe cylindrique 18, sur laquelle est fixée une section de guidage 20, sous forme par exemple d'un petit tube qui, après déve- loppement de la surface cylindrique 18 dans un plan, présente une configuration semicirculaire, telle que celle représentée schématique- ment à la figure 4 pour la section de guidage 20 a L'enveloppe est constituée par une pièce tubulaire métallique et maintenue par une nervure annulaire intérieure La section de guidage peut aussi être disposée sur la face intérieure de l'enveloppe Le dispositif se trouve de préférence dans ur I enceinte sous vide. Les particules à accélérer sont injectées, de préférence avec une vitesse initiale aussi élevée que possible, à une-extrémité de la section de guidage, à peu près tangentiellement et sous un angle relativement faible par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 22, danrs le sens opposé au sens de rotation; après franchis- sement de la section de guidage, elles sortent à peu près tangentiel- lement de cette dernière, dans le sens de rotation Les particules sent ainsi accélérées, de la façon précédemment décrite à l'aide de la figure t. Dans une forme d réalisatioti préférentielle de l'invention, plu- sieurs unités du type dé:cit à l'aide de la figure 2 sont montées en série pour former une 'cascade centrifuge" représentée par exemple à la figure 3 Le dispositif selon figure 3 comporte plusieurs unités 24 a, 24 b,, 24 N 1, 24 n, qui peuvent être constitutes chacune de la façon décrite à l'aide de la figure 2 Chaque unité 24 comporte ainsi son prupre lmoteur électrique et les rotors d'unités voisines tour- nent en sens contraire, co Erne l'indiquent les flècheso Chaque rotor comprend une mince enveloppe cylindrique d'un matériau approprié, en acier par exemple, et sur laquelle est disposée une section de guidage. Le matériau de l'enveloppe doit présenter un rapport aussi élevé que. possible entre la résistance à la rupture et la masse volumiqueo Le début et la fin de ehaqu-e section de guidage sont axialement opposés et le tracé de la section de guidage est choisi de façon que la particule à accélérer subisse une inversion de direction Des repères disposés sur les rotors (et non représentés) permettent la synchroni- sation de la rotation relative des divers rotors, par une régulation électronique de type classique, afin de garantir un transfert parfait des particules entre l'extrémité de sortie de la section de guidage d'une unité et l'extrémité d'entrée de la section de guidage de l'unité suivante Dans le cas d'un traceé monotone de la section de guidage, l'augmentation de vitesse réalisable dans une unité est indépendante du tracé de la section de guidage et, en négligeant le frottement, est de 2 V au maximum, V étant la vitesse circonférentielle du rotor. e u Dans le cas de N unités montées en série, la vitesse finale des par- ticules est ainsi d'environ 2 n V u Pendant le phénomène d'accélération, la particule est soumise à l'action de forces perpendiculaires à la section de guidage Il est avantageux de choisir le tracé de la section de guidage de façon que les forces agissant tangentiellement à la surface enveloppe demeurent constantes pendant tout le phénomène d'accélération dans la section de guidage Ce résultat est sensiblement atteint-avec une section de guidage en forme de selle Une telle section de -guidage présente sur le développement de la surface cylindrique la forme d'un demi-cercle à rayon aussi grand que possible (égal à la demi-hauteur du cylindre au maximum) La nature du frottement dans la section ou le canal de guidage est essentielle pour le transfert des particules d'une unité ou d'un étage au suivant Dans le cas d'un frottement de roulement, la particule emmagasine aussi une énergie de rotation pendant l'accéléra- tion La section de guidage de l'étage suivant doit se raccorder à l'étage précédent de façon que la rotation de la particule puisse se poursuivre sans interruption Cette limitation est inutile dans le cas d'un frottement de glissement. Comme le montrent les développements de la figure 4, les particules sortent à peu près tangentiellement de la section de guidage 20 a de l'unité 24 a, puis pénètrent dans la section de guidage 20 b en sens inverse de l'unité 24 b, le long d'une section de transfert 26 formant un faible angle avec un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, pour être accélérées de nouveau. Les particules accélérées par un dispositif du type représenté à la figure 2 ou 3, peuvent être ramenées à l'entrée des particules du dispositif considéré par un dispositif de renvoi, et notamment un canal de guidage stationnaire à courbure monotone, de sorte que les particules parcourent plusieurs fois le dispositif considéré et sont ainsi accélérées à plusieurs reprises Un sas, tel qu'une partie pivotante du canal de guidage stationnaire, peut être prévu dans ce dernier pour découplage des particules Le découplage peut aussi être assuré par une modification de la rotation du ou des rotors, de façon que les particules à découpler passent devant l'entrée du canal de retour. La figure 4 montre que des sections de guidage planes du type représenté forment une cascade centrifuge linéaire Une telle forme-: de réalisation comporte donc au minimum un corps accélérateur du type chariot, animé d'un mouvement linéaire, et présentant une section de guidage concave suivant le sens du déplacement (flèches de la figure 4) et de préférence semi- circulaire Les explications relatives aux formes de réalisation selon figures 2 et 3, comportant un ou plusieurs corps accélérateurs rotatifs, s'appliquent de la même façon Le ou les corps accélérateurs animés d'un mouvement linéaire peuvent être animés d'un mouvement oscillatoire autour d'une position de repos, par un entraînement magnétique par exemple, et une accélération en phase peut être effectuée sur plusieurs étages (comme dans le cas de la figure 3), avec ou sans passage répété dans la ou les sections de gui- dage par on retour en pha-e des particules. Les dispositifs sen L l'invention sont utilisables partout o il s'agit de préparer des rai:icules à grande vitesse, fréquence de répé- tition élevée et faible dispersion directionnelle Les dispositifs selon l'invention se prêtent en particulier à l'alimentation en com- bustible et à la régulation de la combustion de machines de fusion. Ils sont également utillsables comme auxiliaires pour le diagnostic de machines à plasma es générations actuelle et future, et de réac- teurs à fusion La taille des pastilles d'hydrogène utilisées est géné- ralement de l'ordre de quelques millimètres cubes. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention - 16812 Revendications 1 Dispositif d'accélération mécanique de particules-macroscopiques à une vitesse élevée, avec un corps accélérateur rotatif qui exerce une force d'accélération sur les particules et comporte une section de guidage parcourue par la particule, ledit dispositif étant carac- térisé en ce que la section de guidage ( 20) se situe pour l'essentiel sur une surface cylindrique ( 18). 2 Dispositif d'accélération mécanique de particules macroscopiques à une vitesse élevée,-avec un corps accélérateur animé d'un mouve- ment linéaire et exerçant une force d'accélération sur les particules, ledit dispositif étant caractérisé en ce que-le corps accélérateur présente une section de guidage des particules, cintrée et concave suivant le sens du mouvement. 3 Dispositif selon revendication 2, caractérisé en ce que la section de guidage est sensiblement semicirculaire. 4 Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce que la sec- tion de guidage présente au moins sensiblement la forme d'un demi- cercle-sur le développement de la surface cylindrique sur un plan. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le début et la fin de la section de guidage ( 20) se trouvent sur une droite perpendiculaire au sens de déplacement du corps accélérateur. 6 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que la section de guidage-est constituée par un canal tubulaire. 7 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce qu'un autre dispositif ( 24 b) identique au moins est disposé du côté de sortie des particules du dispositif ( 24 a); les corps accélérateurs de deux dispositifs voisins ( 24 a, 24 b) se déplacent en sens inverse; les sections de guidage ( 20 a, 20 b)des deux dispositifs voisins sont disposées de façon qu'une particule sortant de la section de guidage ( 20 a) du premier dispositif ( 24 a) puisse pénétrer dans l'ex- trémité d'entrée de la section de guidage ( 20 b) du dispositif suivant ( 24 b); et un dispositif est prévu pour synchroniser le mouvement des corps accélérateurs des deux dispositifs. 8 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé par une section de retour, qui permet une accélération répétée d'une particule par le m?ête dispositif. 9 Dispositif selon revendication 1, caractérisé par un moteur élec- trique, comportant un stator ( 10) monté sur un arbre ( 12) vertical fixe, et un rotor ( 16) monté en rotation autour du rotor et présentant une enveloppe cylindrique ( 18) qui porte la section de guidage ( 20).