Способ инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерного реактора
Изобретение предназначено для использования в устройствах ввода топлива в плазму термоядерных установок. В заявленном способе макроэлементы с термоядерным топливом формируют путем помещения термоядерного топлива в металлические герметичные капсулы, которые прицельно и дистанционно, одиночно или очередями выстреливают из пневматического или огнестрельного ружья в отверстие в области стенки вакуумной камеры термоядерного реактора, отведенной для инжекции топлива, обеспечивая кумулятивное проникновение термоядерного топлива внутрь вакуумной камеры в область плазменного шнура. Стрельба может вестись через препятствие, установленное внутри вакуумной камеры, имеющее отверстие, соосное по траектории полета капсулы отверстию в вакуумной камере, при этом металлический корпус капсулы в отверстии препятствия застревает, а содержимое капсулы через отверстие в вакуумной камере проникает внутрь нее. Технический результат заключается в отсутствии вакуумного тракта, соединяющего инжектор с вакуумной камерой реактора, в возможности варьирования скорости полета капсулы в пределах ~ (0,7-2,5) км/с, в возможности изменения дистанции от оружия до вакуумной камеры. 2 ил.
Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу (УТС) и предназначено для использования в устройствах ввода топлива в плазму термоядерных установок.Для длительного поддержания термоядерной реакции в установках ядерного синтеза и, в частности, установках токамак необходима дозаправка вакуумной камеры термоядерным топливом во время разряда. В качестве топлива используется один из тяжелых изотопов водорода или смесь из таких изотопов. Ввод топлива необходимо осуществлять с высокой скоростью (500-1500 м/с) и массой, достаточными для проникновения топлива в центральную область плазменного шнура, а также с частотой (5-50 Гц), обеспечивающей необходимое время непрерывной работы установки. Конкретные величины указанных параметров зависят от размеров установок. Топливо может подаваться в зону реакции в виде газовых струй, жидких струй, твердых таблеток, а также в виде нейтральных частиц и плазменных сгустков.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, G 21 B 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, G 21 B 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, G 21 B 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 № 2737055В2, G 21 B 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., Вuchl 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, G 21 B 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.Из приведенных выше способов и устройств инжекции термоядерного топлива за прототип выбран газовый способ инжекции, использованный в двухступенчатом инжекторе по патенту РФ № 2132577. Газовый способ инжекции, нашедший наиболее широкое применение в существующих и проектируемых тороидальных термоядерных установках и позволяющий достичь необходимых для крупных установок параметров инжекции, включает в себя три осуществляемых в вакууме стадии: стадию охлаждения газообразного топливного водорода жидкогелиевым теплообменником; стадию формирования таблеток из замороженного водорода и двухступенчатую стадию ускорения таблетки под действием ускоряющего газа (водорода или гелия) с использованием дополнительного сжатия топливного газа с помощью поршня.Недостатками этого способа являются сложность реализации, работа только с одной формой состояния топлива (замороженные таблетки), необходимость работы в вакууме самого инжектора и наличие вакуумного тракта между инжектором и вакуумной камерой.Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания более простого способа инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерных реакторов, удовлетворяющего требованиям к параметрам инжекции, необходимым для демонстрационных термоядерных реакторов токамаков, при котором возможна работа как с твердыми топливными таблетками, так и с газообразным и жидким состоянием термоядерного топлива.Сущность изобретения состоит в способе инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерного реактора, заключающемся в формировании макроэлементов с термоядерным топливом, ускорении этих макроэлементов воздействием газа и введении термоядерного топлива в вакуумную камеру. В этом способе макроэлементы с термоядерным топливом формируют путем помещения термоядерного топлива в металлические герметичные капсулы, которые прицельно и дистанционно, одиночно или очередями выстреливают из пневматического или огнестрельного оружия в отверстие в области стенки вакуумной камеры термоядерного реактора, отведенной для инжекции топлива, обеспечивая кумулятивное проникновение термоядерного топлива внутрь вакуумной камеры в область плазменного шнура. В частном случае осуществления изобретения прицельная стрельба в отверстие вакуумной камеры может вестись через препятствие, установленное вблизи вакуумной камеры, имеющее отверстие, соосное по траектории полета капсулы отверстию в вакуумной камере, при этом металлический корпус капсулы в отверстии препятствия застревает, а содержимое капсулы через отверстие в вакуумной камере проникает внутрь нее.Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в отсутствии вакуумного тракта, соединяющего инжектор с вакуумной камерой реактора, в возможности варьирования скорости полета капсулы в зависимости от типа оружия в пределах ~(0,7-2,5) км/с, что, как минимум, будет соответствовать скорости кумулятивной струи, в возможности изменения в широких пределах дистанции от оружия до вакуумной камеры, учитывая размеры ее радиационной защиты.Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 приведено схематическое изображение приспособления для осуществления инжекции в вакуумную камеру термоядерного реактора, а на фиг.2 приведен фрагмент стенки вакуумной камеры с отверстием, в которое вбрасывается термоядерное топливо.Способ инжекции осуществляется следующим образом. На специальном участке производится формирование макроэлементов. Термоядерное топливо (дейтерий или тритий или смесь дейтерия и трития) в виде газа, жидкости или замороженной таблетки заводится в свинцовые капсулы, которые завальцовываются в виде пуль. Таблетки (пеллеты) изготавливаются с помощью обычных экструдеров и для их хранения необходимы криогенные устройства. На выбранном расстоянии от вакуумной камеры термоядерного реактора устанавливается оружие. В зависимости от необходимой скорости полета капсулы-пули может использоваться мелкокалиберная винтовка, обычная винтовка или карабин, автомат или обычное духовое ружье (пневматическое оружие), которые могут быть снабжены оптическим прицелом. Оружие прицеливается в отверстие в области инжекции вакуумной камеры термоядерного реактора и жестко фиксируется. Стрельбу целесообразно осуществлять, используя приспособление, изображенное на фиг.1. На массивном основании 1, закрепленном на фундаменте между оружием и вакуумной камерой термоядерного реактора, устанавливается препятствие 2 в виде массивного металлического тела, в котором на оси траектории полета капсулы 3 с термоядерным топливом 4 выполнено сквозное отверстие 5 с воронкообразным входом со стороны подлета капсулы. Отверстие 6 на вакуумной камере 7 термоядерного реактора выполняется с воронкообразным входом на внешней поверхности вакуумной камеры, куда осуществляется прицеливание (фиг.2). Диаметр отверстия 5 на препятствии 2 выполняется примерно равным 1,5 мм, а диаметр отверстия 6 в вакуумной камере 7 примерно равным 1-1,5 мм исходя из размеров капсулы, помещающей достаточное для разовой инжекции количество термоядерного топлива. Препятствие 2 захватывает капсулу 3 при подлете и задерживает в воронкообразной части отверстия 5 металлическую часть капсулы, а ее содержимое, т.е. термоядерное топливо, влетает в воронкообразную часть отверстия 6 в вакуумной камере 7 и через это отверстие кумулятивным образом проникает внутрь вакуумной камеры 7 термоядерного реактора. Для сохранения условий вакуума в вакуумной камере в отверстии 6 может быть установлена обычная диафрагма по типу диафрагмы фотоаппарата с системой синхронизации с выстрелом. Диафрагма открывается в момент пролета пеллета через отверстие 6 в вакуумной камере 7 термоядерного реактора. Отверстие 6 может также выполняться в виде пружинных лепестков, открывающихся с помощью влетающей струи топлива и закрывающихся после ее прохождения практически без нарушения вакуума в камере 7. Капсула-пуля 3 тормозится о препятствие 2 перед вакуумной камерой 7 в приемном устройстве (конус воронкообразного входа отверстия 5), а струя жидкости (газа) летит дальше в направляющее устройство (конус воронкообразного входа отверстия 6) вакуумной камеры 7 термоядерного реактора. Пуля удаляется из приемного устройства, например, с помощью обычного его раздвижения. В этом случае препятствие 2 выполняется из двух половин с пружинами между ними.Формула изобретения
1. Способ инжекции термоядерного топлива в вакуумную камеру термоядерного реактора, заключающийся в формировании макроэлементов с термоядерным топливом, ускорении этих макроэлементов воздействием газа и введении термоядерного топлива в вакуумную камеру, отличающийся тем, что макроэлементы с термоядерным топливом формируют путем помещения термоядерного топлива в металлические герметичные капсулы, которые прицельно и дистанционно, одиночно или очередями выстреливают из пневматического или огнестрельного оружия в отверстие в области стенки вакуумной камеры термоядерного реактора, отведенной для инжекции топлива, обеспечивая кумулятивное проникновение термоядерного топлива внутрь вакуумной камеры в область плазменного шнура.2. Способ инжекции по п.1, отличающийся тем, что прицельную стрельбу в отверстие вакуумной камеры ведут через препятствие, установленное вблизи вакуумной камеры, имеющее отверстие, соосное по траектории полета капсулы отверстию в вакуумной камере, при этом металлический корпус капсулы в отверстии препятствия застревает, а содержимое капсулы через отверстие в вакуумной камере проникает внутрь нее.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2