ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ИНЖЕКТОР МАКРОЧАСТИЦ ТЕРМОЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
CENTRIFUGAL INJECTOR OF THERMONUCLEAR FUEL MACROPARTICLES

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для инжекции топлива в термоядерные установки. В термоядерные реакторы (например, ИТЭР) топливо предполагается вбрасывать в виде макрочастиц (льдинок) из твердых изотопов водорода размером 3-5 мм с частотой более 10 Гц со скоростями более 300 м/с в непрерывном режиме в течение 1000 с и более [1].
Известны пневматические инжекторы макрочастиц термоядерного топлива [2], в которых макрочастицы ускоряются сжатым газом и инжектируются в плазму. Их недостатком является наличие большого количества газа, сопровождающего макрочастицу, который необходимо удалять, чтобы не прекратилась термоядерная реакция.
Известны центробежные инжекторы макрочастиц термоядерного топлива [3-25], в которых макрочастицы ускоряются центробежной силой. В мире было создано 11 центробежных инжекторов: 5 с участием Германии, 4 в США и 2 в России. Все они состоят из вакуумной камеры, в которой находится вращающийся ротор с укрепленным на нем трактом (желобом или трубкой) для ускорения макрочастиц, и экструдером, выдавливающим ледяной стержень из твердых изотопов водорода, из которого формируются макрочастицы (льдинки). Все известные центробежные инжекторы можно разделить на 2 типа: с прямой и непрямой подачей макрочастиц в ускорительный тракт центрифуги. При прямой подаче макрочастицы отрезаются непосредственно острыми краями ускорительного тракта (обычно выполняемого в виде тонкостенной трубки), вращающегося вместе с ротором. В момент отрезания макрочастица попадает в тракт и далее ускоряется в нем за счет вращения ротора. При непрямой подаче макрочастицы отрезают от ледяного стержня специальными устройствами и вбрасывают в ускорительный тракт в строго определенное время, синхронизированное с вращением ротора центрифуги.
Недостатком центробежных инжекторов с непрямой подачей макрочастиц является низкая надежность вылета макрочастиц из ускорительного тракта вдоль требуемой траектории вылета. Угловой разброс при вылете макрочастиц из таких инжекторов составляет +/- 4° и более, что приводит к разрушению значительного числа макрочастиц из-за их ударов о стенки канала, по которому они транспортируются в плазму термоядерной установки, что снижает надежность подачи топлива. Угловой разброс связан с тем, что при экструзии лед твердых изотопов водорода пластичен и с его поверхности в вакуум постоянно сублимирует пар. Как только макрочастица отрезается от выдавленного ледяного стержня, образующийся при отрезании пар перемещает легкую макрочастицу из водорода в произвольном направлении и с непредсказуемой скоростью. Нестабильность попадания макрочастицы в ускорительный тракт ведет к разбросу по времени вылета макрочастицы из тракта после ускорения и ее движению под недопустимо большим углом к оси требуемой траектории, совпадающей с осью канала для транспортировки макрочастиц в плазму.
В первом центробежном инжекторе с прямой подачей изогнутая трубка была закреплена на стальном диске, который вращался с частотой до 150 Гц [3]. Острые края трубки при каждом обороте диска отрезали макрочастицы диаметром 0,8 мм от экструдировавшегося стержня твердого дейтерия, так что синхронизация подачи макрочастиц в ускорительный тракт происходила автоматически. Недостаток инжектора в том, что такая прямая подача макрочастиц в тракт ускорителя приводит к тому, что частота инжекции топлива равна частоте вращения центрифуги, которая слишком велика для усвоения топлива плазмой. Кроме того, увеличение размера макрочастиц до 3 мм требует увеличения скорости экструзии до 450 мм/с, что в несколько раз больше максимально достигнутой на сегодняшний день.
За ближайший аналог выбран центробежный инжектор с прямой подачей макрочастиц [6,], содержащий вакуумную камеру с системой вакуммирования и выходным патрубком, в которую вставлен ротор, на котором укреплен тракт для ускорения макрочастиц, имеющий входной и выходной участки для ввода и вывода макрочастиц из тракта, привод для вращения ротора, систему подачи топлива в экструдер, снабженный приводом, патрубком для подачи топлива и фильерой, имеющей сквозной канал для выпуска топлива из экструдера в виде ледяного стержня, охладитель, устройство для перемещения ледяного стержня из экструдера на траекторию вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц. Топливо (водород, дейтерий, тритий или их смеси) в виде газа или жидкости поступает в экструдер и затвердевает в нем при низкой температуре (8-10 К), обеспечиваемой охладителем (жидким гелием или криорефрижератором). Привод экструдера выдавливает затвердевшее топливо в виде ледяного стержня при температуре 11-16 К в нижнюю часть экструдера, где оно замораживается до температуры 3-8 К, при которой сублимационный пар с поверхности льда практически исчезает, а лед становится прочным и несжимаемым. При инжекции устройство для перемещения ледяного стержня выдвигает его часть из экструдера на траекторию движения входного участка ускорительного тракта, который своими острыми краями отрезает часть ледяного стержня, и захватывает сформированную таким способом макрочастицу в ускорительный тракт. Макрочастица движется по ускорительному тракту за счет действия центробежных сил и вылетает из выходного участка тракта ускорения в выходной патрубок вакуумной камеры. Ротор вращается вместе с ускорительным трактом и за время одного оборота устройство для перемещения ледяного стержня выдвигает из экструдера новую порцию стержня для отрезания и формирования макрочастицы. Цикл повторяется. Детали конструкции и описание работы ближайшего аналога приведены также в [7-10].
Недостатком инжектора является ограниченность времени непрерывной работы. Во-первых, охлажденный до температуры 3-8 К стержень, из которого нарезаются макрочастицы, имеет длину около 100 мм и из него можно сформировать всего 80-100 макрочастиц длиной 1-1,2 мм. Но для формирования макрочастиц длиной 3 мм с частотой 10 Гц в течение 1000 с, как того требует реактор ИТЭР, потребуется экструдировать при температуре 11-16 К, охладить до 3-8 К и выдвигать из экструдера стержень длиной более 30 м, что практически неосуществимо. Во-вторых, экструдер расположен так, что выдвигаемый из него ледяной стержень попадает точно на траекторию вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц. Из-за такого расположения экструдера выдвигаемый из него ледяной стержень должен иметь достаточную скорость, чтобы за время одного оборота ротора центрифуги длина выдвинутой части стержня была не меньше длины макрочастицы, которая будет от него отрезана. То есть скорость выдвижения стержня должна соответствовать скорости вращения центрифуги и фактически определяется ею. Скорость макрочастицы должна быть не менее 300 м/с, что при разумных размерах тракта для ускорения макрочастиц и ротора центрифуги (диаметр менее 1 м) требует вращения ротора с частотой от 50 до 500 Гц. Даже при минимальной частоте вращения ротора 50 Гц, то есть за время одного оборота в 20 мс, стержень должен выдвигаться из экструдера со скоростью не менее 150 мм/с для того, чтобы можно было отрезать макрочастицу длиной 3 мм и инжектировать ее в плазму. Это недостижимая на сегодняшний день скорость экструзии льда из твердых изотопов водорода, которая ограничена их физическими свойствами и составляет менее 100 мм/с. Именно поэтому в инжекторе, выбранном за ближайший аналог [6-10], да и в других центробежных инжекторах с непрямой подачей макрочастиц в ускорительный тракт [11-14], ледяной стержень сначала экструдируется при 11-15 К, потом охлаждается до 3-8 К чтобы избавиться от насыщенного пара и приобрести необходимую прочность и несжимаемость, и только затем стержень длиной около 100 мм выдвигается из экструдера с требуемой скоростью. Чтобы обеспечить высокую скорость выдвижения стержня из экструдера (0,6-3,5 м/с) в устройстве для перемещения льда применяется ударный или молотковый механизм, который изнашивается после 5000 ударов (5000 сформированных макрочастиц) и требует замены, что также ограничивает время непрерывной работы инжектора [9]. Кроме того, из-за взаимного расположения экструдера и входного участка тракта ускорения на траекторию вращения последнего за один оборот ротора можно подавать только один стержень, тогда как фильера может иметь 2 и более каналов для одновременной экструзии льда в виде 2 и более стержней. Это также ограничивает время непрерывной работы инжектора.
Технической задачей и целью изобретения является создание центробежного инжектора для длительной непрерывной подачи топливных макрочастиц в частотном режиме.
Решение технической задачи достигается тем, что в центробежном инжекторе содержащем вакуумную камеру с системой вакуммирования и выходным патрубком, в которую вставлен ротор, на котором укреплен тракт для ускорения макрочастиц, имеющий входной и выходной участки для ввода и вывода макрочастиц из тракта, привод для вращения ротора, систему подачи топлива в экструдер, снабженный приводом, патрубком для подачи топлива и фильерой, имеющей сквозной канал для выпуска топлива из экструдера в виде ледяного стержня, охладитель, устройство для перемещения ледяного стержня из экструдера на траекторию вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц, экструдер расположен так, что траектория, по которой из его фильеры выдавливается топливо в виде ледяного стержня, находится вблизи, но не на траектории вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц.
Сущность изобретения заключается в том, что ледяной стержень непрерывно экструдируется вблизи траектории входного участка ускорительного тракта и перемещается на эту траекторию с требуемой частотой инжекции. При этом существенно то, что как было установлено в наших экспериментах, при экструзии ледяной стержень является пластичным и, под действием насыщенного пара сублимирующего с его поверхности, легко изгибается без разрушения, как видно из серии фотографий на Фиг. 1, сделанных видеокамерой со скоростью 15 кадров в секунду, а также из прилагаемой видеозаписи экструзии 2 мм дейтериевого стержня, которая размещена в облаке И.В. Виняра и доступна по ссылке https://yadi.sk/i/I8-x4JTQEdN16A. Многолетние наблюдения автора за экструзией водорода/дейтерия подтверждают, что выдавленный стержень часто колеблется влево-вправо под действием насыщенных паров сублимирующих с поверхности стержня и, следовательно, может быть принудительно перемещен целиком на траекторию входного участка тракта ускорения без нарезания его на макрочастицы. Надо отметить, что стержень не меняет своих размеров и качество льда не ухудшается из-за абляции по крайней мере на расстоянии 100 мм от экструдера, которое было доступно для визуального контроля, как показано на Фиг. 2. В предлагаемой конструкции нет необходимости выдавливать стержень нужной длины за один оборот ротора центрифуги. Ротор (радиусом 0,3 м) может вращаться с регулируемой частотой 100-150 Гц, необходимой для ускорения макрочастиц до 300-400 м/с, а стержень подаваться на траекторию вращения входного участка ускорительного тракта с требуемой частотой инжекции 10 Гц и более. При этом острая кромка входного участка ускорительного тракта будет вырезать макрочастицу из стержня и будут обеспечены все преимущества прямого метода подачи макрочастиц в ускорительный тракт, а именно: абсолютная синхронизация подачи макрочастиц с положением ротора, надежная и стабильная инжекция с минимальным угловым разбросом макрочастиц при вылете из выходного патрубка вакуумной камеры центрифуги. Кроме того, допустимо применение фильеры с 2 и более каналами для выдавливания стержней из одного экструдера вблизи траектории вращения входного участка вращающегося ускорительного тракта, как показано на Фиг. 3.
Предлагаемое устройство существенно отличается от известных. В известных конструкциях стержень экструдируется вблизи траектории входного участка тракта ускорения, но во входной участок тракта ускорения подаются только отрезанные из стрежня макрочастицы. Существенно, что стержень сохраняет целостность при перемещении на траекторию входного участка тракта ускорения до момента отрезания от него макрочастицы острой кромкой этого тракта ускорения в отличие от макрочастицы, которая, будучи отрезана от стержня на некотором расстоянии от входного участка тракта ускорения, подается в него с нестабильной скоростью по случайной траектории и в не точно заданный момент времени (который зависит от влияния сублимирующего с поверхности макрочастицы пара), что приводит к снижению надежности инжекции [21].
Схема предлагаемой конструкции центробежного инжектора приведена на Фиг. 4. Шнековый экструдер (или поршневой с достаточным количеством топлива для работы в течение 1000 с) вставлен в вакуумную камеру. К экструдеру прикреплен охладитель (в виде 1-3 криорефрижераторов или теплообменника с жидким гелием). В нижней части вакуумной камеры размещен ротор, на котором закреплен ускорительный тракт в виде изогнутой трубки, выходной участок которой расположен на окружности ротора, как показано на Фиг. 5. Экструдер может быть вакуумно изолирован от нижней части камеры с ротором для снижения влияния сублимирующего пара на работу экструдера. Экструдер расположен так, чтобы выдавливаемый из него ледяной стержень проходил на расстоянии примерно 1 мм от траектории вращения входного участка ускорительного тракта. Экструдированный стержень может двигаться как в свободном пространстве, так и внутри гибкой направляющей трубки (например, пружины), нижний конец которой прикреплен к устройству перемещения ледяного стержня на траекторию вращения входного участка тракта ускорения макрочастиц. Устройство может перемещать ледяной стержень (или гибкую трубку с ледяным стержнем) взад-вперед и устанавливать его на траекторию движения входного участка ускорительного тракта.
Инжектор работает следующим образом. После откачки вакуумной камеры системой вакууммирования охладитель понижает температуру экструдера до 8-10 К. Газообразный (или жидкий) водород/дейтерий подается в экструдер из системы подачи топлива и замерзает там. Шнек экструдера вращается приводом и непрерывно выдавливает ледяной стержень из экструдера мимо ротора с ускорительным трактом. Ротор раскручивается приводом до заданной частоты вращения в диапазоне 100-150 Гц. По команде устройство перемещения ледяного стержня смещает его нижнюю часть на короткое время на траекторию вращения входного участка ускорительного тракта, а затем возвращает стержень в исходное положение. Острые края трубки входного участка тракта ускорения вырезают макрочастицу из стержня, которая тут же попадает в ускорительный тракт. Макрочастица движется вдоль ускорительного тракта и вылетает из него по касательной сквозь выходной патрубок вакуумной камеры. При радиусе тракта ускорения 0,3 м скорость вылетевших макрочастиц может варьироваться от 300 м/с до 400 м/с при изменении частоты вращения ротора от 100 Гц до 150 Гц. Остатки стержня после отрезания макрочастиц испаряются на поверхности вакуумной камеры, имеющей комнатную температуру и удаляются из нее системой вакууммирования.
Предлагаемый центробежный инжектор выгодно отличается от известных тем, что способен длительное время работать непрерывно и инжектировать топливные макрочастицы в частотном режиме. Топливо в виде ледяного стержня может непрерывно выдавливаться из экструдера мимо траектории вращения входного участка тракта ускорения макрочастиц и скорость экструзии топлива не зависит от частоты вращения ротора. Одновременно из одного экструдера могут выдавливаться 2 и более стержней различных размеров, которые с определенной частотой могут перемещаться на траекторию вращения входного участка тракта ускорения независимо друг от друга, что позволяет повысить частоту инжекции и варьировать размеры макрочастиц.
Список литературы
1. L.R. Baylor, Р.В. Parks, Т.С. Jerningan, et al. Pellet fuelling and control of burning plasmas in ITER. // Nuclear Fusion. 2007. Vol. 47. PP. 443-448.
2. S. Combs. Pellet injection technology // Rev. Sci. Instr. 1993. Vo. 64. No. 7. PP. 1679-1698.
3. C. Foster. Centrifugal pellet injector. Bullet. American Physical Society. Series 2. 1980. Vol. 25. P. 976.
th
4. C. Foster, S. Milora, D. Schuresko, et al. Pellet fueling development at Oak Ridge National Laboratory // Proceeding of the 12 Symposium on Fusion Technology. Julich. Germany. 1982 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1983. Vol. 2. PP. 1513-1518.
5. C. Foster. Solid deuterium centrifuge pellet injector // J. Vac. Sci. Technol. A. 1983. Vol. 1. No. 2. PP. 952-958.
th
6. W. Amenda, R. Lang. D2 pellet acceleration with a centrifuge // Proceeding of the 12 Symposium on Fusion Technology. Julich. Germany. 1982 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1983. Vol. 2. PP. 1501-1505. - ближайший аналог.
7. W. Amenda, R. Lang. Cryostat for production and fast ejection of deuterium filaments // Cryogenics. 1982. July. PP. 364-366.
th
8. W. Amenda, R. Lang. A centrifugal D2 pellet injector for refuelling plasma machines // Proceeding of the 13 Symposium on Fusion Technology. Varese. Italy. 1984 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1985. Vol. 1. PP. 243-245.
2
9. W. Amenda, R. Lang. Fast, controlled stepping drive for D filament ejection // Rev. Sci. Instrum. 1985. Vol. 56. No. 12. PP. 2283-2286.
10. W. Amenda, R. Lang. Centrifugal pellet injector with direct solid-deuterium feed // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1986. Vol. 19. PP. 970-975.
th
11. C. Andelfinger. Device for varying pellet size in a centrifuge pellet injector // Proceeding of the 14 Symposium on Fusion Technology. Avignon. France. 1986 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1986. Vol. 2. PP. 1349-1353.
12. C. Andelfinger, E. Buchelt, P. Cierpka, et al. A new centrifuge pellet injector for fusion experiments // Rev. Sci. Instrum. 1993. Vol. 64. No. 4. PP. 983-989.
13. C. Andelfinger, H. Kollotzek, M. Ulrich, G. Weber. A centrifuge pellet injector for ASDEX Upgrade // Vacuum. 1990. Vol. 41. No. 4-6. PP. 1508-1509.
14. P. Lang, P. Cierpka. 80 Hz repetitive centrifuge injector for hydrogen pellets // Rev. Sci. Instrum. 1996. Vol. 67. No. 2. PP. 619-620.
15. K. Kizu, H. Hiratsuka, H. Ichige, et al. A repetitive pellet injection system for JT-60U // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 331-335.
16. M. Watson, M. Gadeberg, T. Jones, et al. Improvement, commissioning and operation of the JET pellet centrifuge // Proceedings of the 18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering. Albuquerque. USA. 1999 / IEEE. New York. 1999. PP. 326-329.
17. P. Lang, P. Cierpka, L. Horton, et al. Improved stop cylinder loading scheme for a centrifuge pellet accelerator // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. No. 10. PP. 3744-3746.
th
18. C. Foster, W. Houlberg, M. Gouge, et al. ORNL centrifuge pellet fueling system // Proceedings of the 17 Symposium on Fusion Technology. Rome. 1992. / Fusion Technology. Edited by C. Ferro, M. Gasparotto, H. Knoepfel. Elsevier. Amsterdam. 1993. Vol. 1. PP. 496-499.
19. Foster, A. Quails, L. Baylor, et al. A 400-pellet feed system for the ORNL centrifuge pellet injector // Proceedings of the 15th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering. Hyannis. USA. Oct 11-15. 1993 / IEEE. New York. 1994. Vol. 1. PP. 51A-51D.
20. S.K. Combs and C.R. Foust. New extruder-based deuterium feed system for centrifuge pellet injection. // Rev. Sci. Instr. 1997. Vo. 68. No. 12. PP. 4448-4457.
21.  J.F. Artaud, G. Gros, et al. Test of an extruder feed system on the TORE SUPRA centrifugal pellet injector // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 337-341.
22. Г.А. Баранов, B.H. Скрипунов, П.А. Александрии и др. Центробежный инжектор топливных таблеток // Тезисы докладов 5-й Всесоюз. конф. по инженерным проблемам термояд, реакторов / М.: ЦНИИатоминформ. 1990. С. 318.
23. I. Viniar. A new centrifuge pellet injector with a screw extruder for steady state fuelling // J. of Plasma and Fusion Research Series. 2000. Vol. 3. PP. 467-469.
24.1. Viniar, S. Sudo, A. Geraud, et al. Pellet injectors developed at the PELIN laboratory for international projects // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 295-299.
25. И.В. Виняр, А.Я. Лукин, С.В. Скобликов, и др. Прототип центробежного инжектора топливных макрочастиц для токамака ИТЭР. // Приборы и техника эксперимента. 2006. №4. СС. 135-142.