DE2901421A1 - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING AND ACCELERATING PELLETS - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING AND ACCELERATING PELLETSInfo
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Description
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LEYBOLD-HERAEUS GMBH Köln-BayentalLEYBOLD-HERAEUS GMBH Cologne-Bayental
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung und Beschleunigung von PelletsMethod and device for the production and acceleration of pellets
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Beschleunigung von Pellets aus gefrorenen Materialien, wobei das Ausgangsmaterial in Form eines kontinuierlichen Stranges durch eine Düse hindurchgedrückt wird, nach dem Austreten des Stranges aus der Düse die Bildung der Pellets durch Abtrennung kleiner Abschnitte von dem Strang erfolgt und dann die so gebildeten Pellets beschleunigt werden. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for the production and acceleration of pellets from frozen Materials, wherein the starting material is in the form of a continuous strand through a The nozzle is pushed through, after the strand has emerged from the nozzle, the formation of the pellets through Separation of small sections from the strand takes place and then the pellets thus formed are accelerated. The invention also relates to a Apparatus for carrying out this process.
Pellets aus gefrorenen Materialien, vorzugsweise Wasserstoff oder Deuterium, können sowohl zur Erzeugung von Plasmen im Brennpunkt fokussierter, energiereicher Laser- und Elektronenstrahlen, zur Brennstoffnachfüllung in Anordnungen zur Untersuchung der gesteuerten Kernfusion und auch in zukünftigen Fusionsreaktoren verwendet werden. Bei der Durchführung solcher Experimente ist es notwendig, daß die Pellets vom Erzeugungsort zu dem davon entfernt liegenden Reaktionsort transportiert werden. Beim Gegenstand der DE-OS 2611 314m aus der ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt sind, geschieht das in der Weise, daß die vom extrudierten Strang abgetrennten Pellets durch freien FallPellets made from frozen materials, preferably hydrogen or deuterium, can both be used to generate plasmas in the focal point, more focused, more energetic Laser and electron beams, for refueling in arrangements for examining the controlled Nuclear fusion and also to be used in future fusion reactors. When performing such Experiments, it is necessary that the pellets from the place of production to the distant one Reaction site to be transported. When the subject of DE-OS 2611 314m from a method and a Device of the type mentioned are known, this is done in such a way that the extruded from Strand of severed pellets by free fall
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zum Reaktionsort gelangen. Nachteilig daran ist, daß auf die Geschwindigkeit der Pellets am Reaktionsort kein Einfluß genommen werden kann, da die Fallbeschleunigung stets gleich ist. Weiterhin ist nachteilig, daß die Pellet-Erzeugungseinrichtung stet? oberhalb des Reaktionsortes angeordnet sein muß. Schließlich ist die Streuung, mit der die Pellets den Reaktionsort treffen, noch relativ groß, was von der nicht immer gleichmäßig arbeitenden Pellet-Abtrenneinrichtung herrührt.get to the reaction site. The disadvantage of this is that the speed of the pellets at the reaction site cannot be influenced, since the acceleration of gravity is always the same. Another disadvantage is that the pellet production device is steadily? must be arranged above the reaction site. Finally, the dispersion with which the pellets hit the reaction site, still relatively large, which is from the pellet separator, which does not always work uniformly originates.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung und Beschleunigung von Pellets - wie eingangs angegeben - zu schaffen, womit es möglich ist, die Pellets mit hoher Präzision zum Reaktionsort zu transportieren. Außerdem sollen dabei die Geschwindigkeit der Pellets am Reaktionsort und die Erzeugungsrate einstellbar sein.The present invention is based on the object of a method and a device for production and acceleration of pellets - as stated at the beginning - to create, with which it is possible, the To transport pellets to the reaction site with high precision. In addition, the speed should be of the pellets at the reaction site and the generation rate can be adjusted.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der aus der Extruder-Düse austretende Strang in eine seitliche öffnung eines im wesentlichen senkrecht zur Düsenachse drehbar angeordneten Elementes eingedrückt wird, wenn diese Öffnung eine Stellung etwa gleichachsig mit der Düsenachse hat, daß durch weiteres Drehen des rotierenden Elementes der in der öffnung befindliche Abschnitt des Stranges abgetrennt und so ein Pellet-Element gebildet wird, und daß das Pellet aus dieser Öffnung heraus mit Hilfe eines Druckgases beschleunigt wird. Bei einem Verfahren dieser Art ist der Schritt des Erzeugens der Pellets vom Schritt des Beschleunigens der Pellets getrennt, so daß die Bildung der Pellets auf die Beschleunigungsrichtung keinen Einfluß mehr nehmen kann. Dadurch ist sichergestellt, daß die Streuung, mit der die Pellets inThis object is achieved according to the invention in that the strand emerging from the extruder nozzle into a lateral opening of an essentially perpendicular to the Nozzle axis rotatably arranged element is pushed in when this opening has a position approximately coaxial with the nozzle axis has that by further turning the rotating element in the opening located section of the strand is separated and so a pellet element is formed, and that the pellet is accelerated out of this opening with the aid of a compressed gas. In a procedure of this kind the step of producing the pellets is separate from the step of accelerating the pellets so that the Formation of the pellets can no longer influence the direction of acceleration. This ensures that the spread with which the pellets in
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Reaktionsort eintreffen, extrem klein ist. Durch Veränderung der Drehzahl des Elemens und durch Veränderung des Arbeitsdruckes des der Beschleunigung dienenden Druckgases kann sowohl auf die Erzeugungsrate als auch auf die Geschwindigkeit im Reaktionsort Einfluß genommen werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß - wie in letzter Zeit häufiger erwünscht - Pellets mit extrem hohen Geschwindigkeiten, z.B. mehrere tausend Meter pro Sekunde, erzeugt werden können.The reaction site is extremely small. By changing the speed of the element and by Changing the working pressure of the compressed gas used for acceleration can affect both the generation rate as well as the speed in the reaction site can be influenced. Particularly It is advantageous that - as has recently been more often desired - pellets with extremely high speeds, e.g. several thousand meters per second, can be generated.
Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, Pellets mit Hilfe einer Leichtgaskanone zu beschleunigen (vgl. D. Dimock et al.: "Pellets Accelaration Studies Relating to the Refueling of Steady-state fusion Reactor"; Danish Atomic Energy Commission, Ris Report No. 332, 1975). Dort wird so vorgegangen, daß eine ebene Platte mit Hilfe einer speziell hierfür konzipierten Kryoapparatur auf die erforderliche Temperatur abgekühlt wird. Die ebene Platte besitzt eine Bohrung, in der durch Gaszufuhr Pellet-Material ausgefroren wird. Anschließend wird die Platte so verschoben, daß deren Bohrung mit dem Pellet sich im Lauf der Gaskanone befindet. Nachteilig hieran ist, daß bei der geschilderten Kondensationsmethode nicht gewährleistet ist, daß das Pelletmaterial den ganzen hierfür vorgesehenen Raum ausfüllt. Je nach den Bedingungen (Druck, Temperatur und Temperaturgradient) während des Einkondensierens des Ausgangsgases erhält man erfahrungsgemäß unterschiedliche Formen des festen Ausgangsgases, z.B. schneeähnlich oder teilweise kompakt mit größeren Hohlräumen. Eine nicht kompakte Form der Pellets hat zur Folge, daß die anschließende Beschleunigung mit der Gaskanone nicht immer gleichmäßig ist, so daß sich wieder eine große Streuung der Pellets am Reaktionsort ergibt.It has already been suggested to accelerate pellets with the help of a light gas cannon (cf. D. Dimock et al .: "Pellets Accelaration Studies Relating to the Refueling of Steady-State Fusion Reactor "; Danish Atomic Energy Commission, Ris Report No. 332, 1975). The procedure there is such that a level plate to the required temperature with the aid of a specially designed cryogenic apparatus is cooled. The flat plate has a hole in which pellet material is frozen out by gas supply will. Then the plate is moved so that its hole with the pellet is in The barrel of the gas cannon is located. The disadvantage of this is that it does not use the condensation method described it is guaranteed that the pellet material fills the entire space provided for this purpose. Depending on the conditions (Pressure, temperature and temperature gradient) obtained during the condensation of the starting gas Experience has shown that different forms of the solid starting gas, e.g. snow-like or partially compact with larger cavities. A non-compact shape of the pellets has the consequence that the subsequent Acceleration with the gas cannon is not always steady, so there is another results in a large scattering of the pellets at the reaction site.
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Demgegenüber bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, daß auf die hochentwickelte, bis zur industriellen Fertigung gediehene und daher preisgünstige Extrusionstechnologie zurückgegriffen werden kann und daß infolge der Extrusion des Pelletmaterials in die dafür vorgesehene öffnung des drehbaren Elementes eine gleichbleibende, kompakte und den ganzen vorbestimmten Raum ausfüllende Form der Pellets gewährleistet ist, womit eine wesentliche Voraussetzung für eine gleichmäßige und effektive Beschleunigung nach dem Prinzip der Gaskanone erfüllt ist. Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Bildung eines Stranges aus dem Pellet-Ausgangsmaterial mit einer Düse vorgesehen ist, daß die Düse in einen von einem Gehäuse gebildeten Raum mündet, in dem das drehbare Element nach Art eines Hahnkükens angeordnet ist, daß dieses drehbare Element in Höhe der Düsenmündung mindestens eine seitliche öffnung aufweist und daß dieser öffnung eine Pellet-Austrittsöffnung in der Wandung des Gehäuses zugeordnet ist.In contrast, the solution according to the invention offers the advantage that on the highly developed, up to industrial production and therefore flourished Inexpensive extrusion technology can be used and that as a result of the extrusion of the Pellet material in the opening provided for this purpose of the rotatable element a constant, compact and the whole predetermined space filling Shape of the pellets is guaranteed, which is an essential prerequisite for uniform and effective acceleration according to the principle of the gas cannon is fulfilled. A suitable device for carrying out the method according to the invention is characterized in that a device to form a strand from the pellet starting material with a nozzle is provided that the nozzle opens into a space formed by a housing in which the rotatable element in the manner of a Hahn plug is arranged that this rotatable element at least one lateral at the level of the nozzle mouth Has opening and that this opening has a pellet outlet opening in the wall of the housing assigned.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.Further advantages and details of the invention are to be shown schematically in FIGS Embodiments are explained.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist ein Extruderrohr 1 vorgesehen, in dem sich das Pellet-Ausgangsmaterial 2, z.B. gefrorene Gase, befinden. Die notwendigen Kühleinrichtungen bzw. Kryostate sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. In der DE-OS 2611 314 ist dergleichen offenbart.In all exemplary embodiments, an extruder tube 1 is provided in which the pellet starting material 2, e.g. frozen gases. The necessary cooling devices or cryostats are for the sake of clarity because of not shown. In DE-OS 2611 314 the like is disclosed.
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Mit Hilfe eines Stempels 3 wird das Pellet-Ausgangsmaterial 2 durch eine Düse 4 in das Innere des Gehäuses 5 gedrückt. Dort ist nach Art eines Hahnkükens ein Element 6 drehbar angeordnet, das eine seitliche, der Düse 4 zugeordnete Öffnung 7 aufweist. Das GehäuseWith the aid of a punch 3, the pellet starting material 2 is fed through a nozzle 4 into the interior of the housing 5 pressed. There an element 6 is rotatably arranged in the manner of a cock plug, which has a lateral, the nozzle 4 has associated opening 7. The case
5 weist in Verlängerung der Düse 4 jeweils noch eine öffnung 8 auf, durch die überschüssiges Pellet-Ausgangsmaterial nach unten austreten kann.5 also has an opening 8 in extension of the nozzle 4 through which the excess pellet starting material can exit downwards.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist das drehbare Element 6 zylindrisch ausgebildet. Die der Düse 4 zugeordnete seitliche Öffnung 7 ist als durchgehende Bohrung ausgebildet. Der Antrieb und die Steuerung für das drehbare Element 6 sind im einzelnen nicht dargestellt. Befindet sich das drehbare ElementIn the embodiment according to Figures 1 and 2, the rotatable element 6 is cylindrical. the The side opening 7 assigned to the nozzle 4 is designed as a through hole. The drive and the Controls for the rotatable element 6 are not shown in detail. The rotatable element is located
6 - wie in Figur 1 dargestellt - in einer Stellung, bei der die Düse 4 und die Bohrung 7 gleichachsig liegen, dann dringt Pellet-Ausgangsmaterial in die Bohrung6 - as shown in Figure 1 - in a position in which the nozzle 4 and the bore 7 are coaxial, then pellet feedstock penetrates the bore
7 ein. Zweckmäßig wird so lange extrudiert, bis die gesamte Bohrung 7 mit Sicherheit gefüllt ist. Danach nimmt das drehbare Element 6 eine Stellung ein, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. In dieser Stellung liegt die Bohrung 7 gleichachsig mit im Gehäuse 5 vorgesehenen Öffnungen 9 und 10. Der Öffnung 10 wird über den Anschlußstutzen 11 in nicht näher dargestellter Weise Druckgas zugeführt. Die Öffnung 9 dient dem Austritt der Pellets. Ihr ist ein Lauf 12 nach Art einer Gaskanone zugeordnet. Es ist ersichtlich, daß mit Hilfe von durch den Anschlußstutzen 11 geführtem Druckgas das in der Bohrung 7 befindliche Pellet 13 aus dem Lauf 12 herausgeschossen werden kann. Die Geschwindigkeit des den Lauf 12 verlassenden Pellets hängt vom Arbeitsdruck des Druckgases ab. Die Pellet-Erzeugungsrate hängt von der Drehzahl des drehbaren Elementes 6 ab. Die in der Bohrung 7 befindlichen Pellets 13 haben stets gleiche Länge, gleichen Durchmesser und gleiche Konsistenz,7 a. It is expedient to extrude until the entire bore 7 is definitely filled. After that takes the rotatable element 6 is in a position as shown in FIG. In this position lies the Bore 7 coaxial with openings 9 and 10 provided in the housing 5. The opening 10 is via the connecting piece 11 supplied compressed gas in a manner not shown. The opening 9 is used to exit the Pellets. It is assigned a barrel 12 in the manner of a gas cannon. It can be seen that with the help of through the connection piece 11 led pressurized gas in the Hole 7 located pellet 13 shot out of the barrel 12 can be. The speed of the pellet leaving the barrel 12 depends on the working pressure of the Pressurized gas. The pellet production rate depends on the rotational speed of the rotatable member 6. The one in the hole 7 located pellets 13 always have the same length, the same diameter and the same consistency,
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so daß eine gleichmäßige Beschleunigung nacheinander erzeugter Pellets gewährleistet ist.so that a uniform acceleration of successively produced pellets is guaranteed.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 ist das drehbare Element 6 hohl ausgebildet. Damit die Länge der Pellets stets wieder gleich ist, ist der Innenwandung des drehbaren Elements 6 ein feststehendes Messer 14 zugeordnet. Die Größe der erzeugten Pellets hängt also vom Durchmesser der Öffnung 7 und von der Wandstärke des hohlen drehbaren Elementes 6 ab. Die Art der Erzeugung der Pellets und ihrer Beschleunigung aus dem Lauf 12 heraus entspricht der beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 beschriebenen Art.In the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4 the rotatable element 6 is hollow. So that the length of the pellets is always the same again a fixed knife 14 is assigned to the inner wall of the rotatable element 6. The size of the generated Pellets therefore depends on the diameter of the opening 7 and on the wall thickness of the hollow rotatable element 6 from. The type of production of the pellets and their acceleration from the barrel 12 corresponds to in the embodiment of Figures 1 and 2 described type.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5, 6 und 7 ist das drehbare Element 6 ebenfalls hohl ausgebildet. Unterschiedlich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 ist, daß die Druckgaszufuhr nicht über einen gesonderten Anschlußstutzen 11, sondern durch die ebenfalls hohl ausgebildete Drehachse 15 (vgl. Fig. 7) des drehbaren Elementes 6 erfolgt. Dadurch wird die Zahl der erforderlichen Kontakte zwischen kalten und auf Zimmertemperatur befindlichen Bereichen beschränkt, die thermische Belastung der Kryoapparatur also auf ein Minimum reduziert. Aus der Figur 7 ist noch ersichtlich, daß das drehbare Element als Hohlkegel gestaltet sein kann, dessen Durchmesser an dem der Gaszufuhr näher gelegenen Ende kleiner als an dem anderen Ende ist, so daß während der Druckgaszufuhr zur Beschleunigung der Pellets das Element 6 in das innen ebenfalls kegelförmig ausgebildete Gehäuse 5 gedrückt wird und so die Dichtigkeit zwischen den drehbaren Elementen 6 und dem Gehäuse 5 selbsttätig erhöht wird. Schließlich sind beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 zwei seitliche Öffnungen 7 und 7* vorgesehen, so daß bei einer Umdrehung des Elementes 6 mehrere Pellets erzeugt werden.In the exemplary embodiment according to FIGS. 5, 6 and 7 the rotatable element 6 is also hollow. Different from the embodiment according to Figures 3 and 4 is that the pressurized gas supply is not Via a separate connecting piece 11, but rather through the axis of rotation 15, which is also hollow (see. Fig. 7) of the rotatable element 6 takes place. This will reduce the number of contacts required between cold areas and areas at room temperature, the thermal load on the cryogenic apparatus so reduced to a minimum. From Figure 7 it can also be seen that the rotatable element can be designed as a hollow cone, the diameter of which at the end closer to the gas supply is smaller than at the other end, so that the element 6 is pressed into the inside also conical housing 5 and so the tightness between the rotatable elements 6 and the housing 5 is automatically increased. Finally, in the exemplary embodiment According to Figure 7, two lateral openings 7 and 7 * are provided, so that with one rotation of the element 6 multiple pellets can be produced.
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Bei allen Ausführungsbeispielen liegt die Drehachse des drehbaren Elementes 6 etwa senkrecht zur Achse der Düse 4. Auf der von der Drehachse und der Düsenachse gebildeten Ebene steht wiederum der Lauf 12 der Gaskanone etwa senkrecht.In all exemplary embodiments, the axis of rotation of the rotatable element 6 is approximately perpendicular to the axis of the nozzle 4. The barrel 12 again stands on the plane formed by the axis of rotation and the axis of the nozzle the gas cannon approximately vertically.
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