JP4714910B2

JP4714910B2 - Apparatus and method for continuous generation and loading of deuterium ice

Info

Publication number: JP4714910B2
Application number: JP2000342360A
Authority: JP
Inventors: 一平塚; 尚志市毛; 要木津
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002148377A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、遠心加速方式のペレット入射装置において、重水素ガスを冷媒ガス（液体ヘリウム）を用いて冷却し、固体の重水素（水素同位体）を作り、そこから、指定の大きさの重水素氷（ペレット）を連続的に生成するとともに、連続的に射出するために、その加速部位に重水素氷を生成し、装填するための重水素氷の連続生成及び装填方法に関するものである。特に、核融合装置への燃料供給設備における遠心加速方式ペレット入射装置に適用する重水素氷の連続生成・装填方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ペレット入射装置における重水素氷の生成・装填は、ペレット入射装置の加速方式（高圧のガスの開放による方法；空気銃方式、加速ロータによる方法；遠心方式）により、その生成方法や装填方法が異なるとともに、使用設備側の用途により選択されていた。特に、空気銃方式は単発で、遠心方式は連発的に用いられる。
【０００３】
(1)空気銃方式の場合
空気銃方式ペレット入射装置の概要を図１に示す。空気銃方式は、真空断熱されている生成・装填部を冷媒ガス（液体ヘリウム）により低温に冷却し、そこへ燃料ガス（重水素ガス）を供給して固体の重水素を作り、重水素氷を生成する。その後、重水素氷を加速位置に装填し、加速ガスの瞬時作動により、単発的に射出管を介してゲート弁が開されている重水素氷の使用設備側に一定速度で射出するものである。
【０００４】
空気銃方式ペレット入射装置の重水素氷の生成・装填方法としては、その場で重水素氷を生成・装填する方法、キャリアで重水素氷を生成・装填する方法、及び打ち抜いて重水素氷を生成・装填する方法が知られている。以下に、空気銃方式ペレット入射装置で重水素を生成・装填する方法における例を示す。
【０００５】
図２は、その場で重水素氷を生成・装填する方法の例を示す。図に例示するように冷却器等は真空断熱された状態で、まず、冷媒ガスを流して冷却器の温度を下げる。そこに、バルブを開いて燃料ガス（重水素ガス）である重水素を低圧力で供給する。すると、燃料ガスが流れる。さらに、重水素の三重点温度以下まで冷却器を低温にすると、重水素が固化した状態でバルブを閉める。次に、ヒータに電圧を印加し、冷却器周りの不要な固体重水素を解かして重水素氷のみを生成したところで、電磁弁を開放して高圧の加速ガスを瞬時に供給する。すると、重水素氷が射出管を介して射出される。
【０００６】
図３にキャリアで重水素氷を生成・装填する方法の例を示す。図に例示するように冷却器等は真空断熱された状態で、熱交換器に冷媒ガスを供給し、その熱伝導によりバレルハウジングを冷却する。そこで、バレルハウジング内のキャリア部にバルブを開いて燃料ガス（重水素ガス）を供給する。キャリアを中心としたバレルハウジングを三重点以下まで冷却してキャリア内に固体重水素を作り、バルブを閉じる。次いで、バレルハウジングに組み込まれているヒータに電圧を印加し、キャリア周りの不要な固体重水素を解かして、キャリアに連結されている駆動部の動作により生成位置から射出位置に移動させて重水素氷を生成する。そこに、高速電磁弁等の開放により高圧の加速ガスを瞬時に供給すると、重水素氷として射出管を介して射出される。
【０００７】
図４に重水素氷を打ち抜いて生成・装填する方法の例を示す。図に例示するように液化器、上側及び下側冷却器等は真空断熱された状態で、液化器、上側及び下側冷却器に冷媒ガスを供給して冷却する。そこに、バルブを開して液化器に燃料ガス（重水素ガス）を供給して液体重水素を作る。それを、上側冷却器に供給し、下側及び上側冷却器を三重点以下まで冷却して上側冷却器内に固体重水素を作り、バルブを閉じる。次いで、ヒータ加熱により固体重水素が通過しやすいようにノズル部を暖めたところで、ピストンにより押し出す。その後、ペレットカッターを動作させ、打抜パイプをハウジング側に作動させて重水素氷を生成、装填する。そこに、電磁弁等を開放させて、高圧の加速ガスにより重水素氷を押し出し、射出管を介して射出される。
【０００８】
これらの空気銃方式における重水素の生成・装填方法は、電磁弁にコンデンサー電源を用いること、重水素氷の高速繰り返し生成及び装填が行えないこと、高圧力の加速ガスにより重水素氷を加速するために使用設備側にそのガスが流入してしまうこと、及びそのガスを排気するための排気設備を具備しなければならないこと等の問題があった。
【０００９】
(2)遠心方式の場合
遠心方式のペレット入射装置の概要を図５に示す。遠心方式は、真空断熱されている１つの真空槽に液化器、冷却器等の生成機器を、一方の真空槽に切断装置、ガイド管、インナーロータ、ストップシリンター及び加速ロータ等の加速機器を固体燃料供給管で接続するように配置し、生成機器を冷媒ガスにより冷却し、燃料ガス（重水素ガス）を液化器に供給して液体重水素を作る。それを、液化器に供給し、冷却器温度を三重点以下まで冷却して固体重水素を作る。次いで、ヒータ加熱により固体重水素を押し出しやすくしてピストンを作動させ、円柱状の固体重水素として固体燃料供給管を介して切断装置に供給する。固体重水素は、切断装置を作動させることにより切断され、円柱状の重水素氷に生成される。その重水素氷は、ガイド管を落下してインナーロータに入り、ストップシリンダーの開口部より、加速ロータに装填され、遠心力により重水素氷が加速されて使用設備側に射出するものである。
【００１０】
遠心方式における詳細は、生成機器と加速機器を別槽に配置し、液化器、冷却器を冷却して液化器に重水素ガスを供給して液体重水素を作る。その液体重水素を冷却器に供給し、重水素の三重点温度以下までさらに冷却して固体重水素を作る。その後、ヒータにより加熱して押し出しやすい状態にしたところでピストンを動作させ、冷却器の出口内にある丸型形成器により丸棒状の固体重水素に形成されながら押し出す。
【００１１】
図６に遠心方式における加速機器の配置を示す。押し出された固体重水素は、固体燃料供給管を介して真空雰囲気の異なる別槽にある切断装置に導かれる。切断装置が作動すると内部の丸刃カッターが作動し、円柱状の重水素氷を生成し、その重水素氷をガイド管、インナーロータ及びストップシリンダーを通過して加速ロータに装填し、遠心方式にて加速、射出ができる重水素氷を生成・装填する方法が知られている。
【００１２】
遠心方式における重水素の生成・装填方法は、押し出しやすくするために冷却器を加熱し、装填装置に固体重水素を押し出す時の昇華ガスと、切断装置が作動して固体重水素を切断する時に発生する削磨等による昇華ガスが固体燃料供給管のはめ込み部と、切断装置の出口部及び切断装置自身から真空槽に放出されて真空断熱に影響する。そのため、切断装置や固体燃料供給管の温度上昇や真空断熱が破壊され、重水素氷及び固体重水素が早く昇華してしまう欠点や、生成された重水素氷の大きさが一定の大きさにならない欠点及び固体で供給したいところが昇華によるガス状供給となる欠点があった。併せて、押し出し力や切断力によって、切断装置にはめ込んだ固体燃料供給管が外れたり、ガイド管がずれてしまう欠点があった。
【００１３】
この現象は、例え、切断装置及び固体燃料供給管を強制的に冷媒ガスにより冷却しても真空断熱の境界真空度が破られると同様な現象が生じる。また、切断装置の丸刃カッターにて、丸棒状の固体重水素を切断して円柱状の重水素氷を生成しているつもりが、実際、俵形状に切断され、装填の位置及びタイミングが不安定になるとともに、加速途中の接触面が一定しないことから、加速途中での飛び出しや射出方向が一定しないなどの欠点があった。さらに、ストップシリンダーはフッ素樹脂製で製作されているため、精密な同心円状の製作が容易でなく、高回転しているインナーロータや加速ロータと接触すると損傷や破損を生じて、重水素氷を粉砕、消滅させる不具合があった。これは、フッ素樹脂の真空中での性能、特性及び製作精度等に起因している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
空気銃方式に用いられる重水素氷の生成・装填方法では、単発の生成が可能であるが、連発（連続）の生成は不可能である。併せて、装填時間の間隔が大きいため、高速繰り返し装填ができなかった（複数装置の並列運転を行うことを除く）。また、加速ガスの排気には大がかりなシステムが必要であった。さらに、連続的に重水素氷の射出を行う遠心加速方式ペレット入射装置には単発の生成を行う空気銃方式に用いられる重水素の生成・装填方法を適用することは不向きであった。
【００１５】
遠心方式に用いられる重水素の生成・装填方法では、連続的の生成・装填は可能ではあるが、生成機器の接合部からの漏洩ガス及び固体重水素や重水素氷の昇華ガスにより、真空断熱が破壊され、生成機器の温度の安定性に欠ける。また、重水素氷の形状が加速中において不安定であることが問題であった。さらに、回転により加速機器相互の接触によって、損傷や破損を生じ、重水素氷を粉砕、消滅、昇華させる不具合があった。
【００１６】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、従来の空気銃方式や遠心方式ペレット入射装置における重水素氷の生成・装填方法の欠点を改善するとともに、生成機器や加速機器の構成も一新して遠心加速方式ペレット入射装置に適用できる重水素氷の生成・装填方法を提供するものである。
【００１７】
本発明においては、液化器、冷却器、切断装置及び固体燃料供給管からなる生成機器が、固体重水素の押し出し時や重水素氷の切断時に発生する昇華ガスによる影響を受けないようにするとともに、立方体形状の重水素氷が生成でき、ガイド管、インナーロータ、ストップシリダー及びアウターロータからなる加速機器に入って、回転により加速機器相互の接触がなく、安定に加速されるとともに重水素氷が一定方向に射出できるような重水素氷の生成・装填方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の重水素氷の連続生成・装填方法は、遠心加速方式ペレット入射装置に適用可能なように、液化器、冷却器、切断装置及び固体燃料供給管からなる生成機器を冷媒ガスや熱アンカにより冷却できるようにし、ガイド管、インナーロータ、ストップシリダー及びアウターロータからなる加速機器を各々の真空槽に配置して真空断熱している。併せて、各機器は、真空シールを施して固体重水素の押し出し時や重水素氷の切断時に発生する昇華ガスを生成機器側に影響しないようにしている。その昇華ガスは加速機器側に排気される。切断による昇華ガスや装填途中の昇華ガスは、ガイド管、インナーロータ及びストップシリンダーに設けた排気口により加速槽側に排気される。さらに、アウターロータでの加速においては、重水素氷が途中飛び出しを起こさぬように屋根を設けるとともに、重水素氷の面接触により生じる昇華ガスを屋根の隙間から排気できるようにしている。
【００１９】
また、加速途中の接触面を安定な一定面にするために固体燃料供給管の内形状を正四角型にして冷却器と密着し、冷却器で作られた固体重水素を押し出すことにより、角棒状の固体重水素が作られるようにしている。さらに、角棒状の固体重水素の外形と同寸法の平行２枚刃カッターを有した切断装置に導き、その動作により固体重水素を切断して、立方体（キュービック）の重水素氷を生成できるようにしている。固体重水素が切断装置に供給され、それが作動している間は、連続的に定周期で重水素氷が生成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の重水素の連続生成・装填方法は、前記のように、１つの真空槽内（生成槽）に真空シール構造の平行２枚刃カッターを有した切断装置を含め、液化器、冷却器及び固体燃料供給管等の生成機器を配置し、もう１つ真空槽（加速槽）にガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及びアウターロータ等の加速機器を配置し、双方の槽を真空的に絶縁された構造とした。
【００２１】
図７に本発明による遠心加速方式ペレット入射装置の原理を示す。生成機器は冷媒ガスで冷却されている。まず、液化器に燃料ガスである重水素ガスを供給して液化し、それを冷却器に送り、三重点温度以下に冷却して固体重水素を作る。固体重水素の押し出しを滑らかにするためにヒータにて冷却器の一部を暖め、ピストンの押圧力にて固体燃料供給管へ押し出す。固体燃料供給管の内部は四角形状をしており、押し出されることにより固体重水素は、四角棒状の連続した固体重水素に成形される。四角棒状の固体重水素は、緩やかに曲がった固体燃料供給管をとおり、切断装置に入る。その時の昇華ガスは、固体燃料供給管の反対側にある排出管により、加速機器がある真空槽に排気され、生成機器の温度が安定し、真空断熱に影響のないようにしている。切断装置に入った固体重水素は、固体重水素の外形と同寸法の平行２枚刃カッターを有した切断装置の作動により切断されて、立方体の重水素氷を生成する。重水素氷は、ある速度でガイド管をとおり、インナーロータの中心に落下する。切断時に発生する重水素の昇華ガスは、ガイド管に設けた多孔の排気口（穴）により排気され、重水素氷に運動力を与えず、安定して落下するようにしている。
【００２２】
インナーロータに入った重水素氷は、インナーロータ内の斜行部を滑り、ストップシリンダーの内面に接触する。滑り落ちるときの昇華ガスはインナーロータの出口部にある檻状の排気口で排気し、重水素氷が一定してストップシリンダーに接触するようにしている。ストップシリンダーは固定されているが、インナーロータとアウターロータは同時に、同一方向に回転している。ストップシリンダー内面に沿ってインナーロータと一緒に回転した重水素氷は、ストップシリンダーの開口部に達するとアウターロータに移動、装填される。ストップシリンダーの内面に沿って回転し、削磨によって生じる重水素氷の昇華ガスは、ストップシリンダーの周方向に設けた四角穴の排気口により排気され、重水素氷が安定してアウターロータに移動できるようにしている。
【００２３】
アウターロータに装填された重水素氷は、アウターロータの回転による運動力（遠心力）により加速され、回転数に比例した一定の速度で射出される。加速途中の重水素氷の飛び出しは、アウターロータの溝の上部には屋根を設けることにより防止している。また、その加速時に生じる昇華ガスは、アウターロータ溝の屋根の隙間から排気されるため安定に加速が行える。
【００２４】
【実施例】
本発明の重水素の連続生成・装填方法の実施関連図を図７〜図１８に示す。
図７は、遠心加速方式ペレット入射装置の原理（遠心方式ペレット入射装置と構成機器が類似するので、本考案では遠心加速方式としている。）である。真空槽１（生成槽）に液化器、冷却器、切断装置及び固体燃料供給管の生成機器を収納し、真空槽２（加速槽）にガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及び加速ロータ等の装填機器を収納し、各々の真空槽を真空的に絶縁した構造としている。遠心加速方式ペレット入射装置は、液体ヘリウム（4.2K）を冷媒ガスに用いて、燃料ガスを液化器で液化、冷却器で固化し、固化した燃料を押し出して切断装置に送り、それを切断してアウターロータに燃料の氷を装填し、加速、射出するしくみになっている。
【００２５】
図８に遠心加速方式ペレット入射装置の概要を示す。全体配置としては、燃料ガスや重水素氷が昇華した場合のガスが真空槽１に漏洩し、真空槽１の真空度を劣化させないように、機器の取り合い部は真空シール構造として、重水素氷生成機器の温度変化がなようにしている。さらに、切断装置の本体部は、強制的に冷媒ガスを供給して、固体重水素及び重水素氷の状態を維持できるような温度に保てる構造にしている。その上、冷却器から切断装置までの固体燃料供給管は、冷媒ガス配管から熱アンカを用いた熱伝導により冷却し、固体重水素の状態維持を保つ構造としている。また、不要となった場合の燃料ガスや重水素氷が昇華した場合のガスは、排出管やガイド管を介して真空槽２により排気されるようにしている。
【００２６】
重水素氷の生成・装填は、まず、冷媒ガスを供給して、生成機器を低温に冷却する。特に、液化器は、重水素ガスが液化する温度（〜22K程度）にする。そこに、重水素ガスを送り、液化し、冷却器に送る。冷却器では液化重水素が固化する温度（〜12K程度）まで冷却して固体重水素を作る。固体重水素は、押し出しやすくするために冷却器に取り付けられているヒータに電圧を印加して加熱し、数Ｋ昇温してピストンを駆動させて固体燃料供給管に押し出される。その時、冷却器内に真空シールして組み込んだ先端に四角形成コマを持つ固体燃料供給管で四角棒状の固体重水素を作り、それを切断装置に供給する。押し出し時に発生する昇華ガスは、切断装置にある排気管を介して排気される。切断装置に入った固体重水素は、切断装置の平行２枚刃カッターにより立方体の重水素氷として切り出され、ガイド管を介して落下し、インナーロータ内を滑降する。切り出された時の昇華ガスは、ガイド管の排気穴で、滑降時の昇華ガスはインナーロータの檻状の排気口で真空槽２に排気され、安定に装填される。インナーロータに装填された重水素氷は、ストップシリンダーに接触してインターロータの檻内に捕獲された状態で回転し、ストップシリンダーの開口部に来たときにインナーロータと同時に回転しているアウターロータに移動、装填する。ストップシリンダー内を回転接触しているときに発生する昇華ガスはストップシリンダーに設けられた排気口により排気されて安定に回転する。アウターロータに移動した重水素氷は、アウターロータの溝の内内側を遠心力(mrω²)と周速度（rω）のベクトルにより加速され、回転数に比例した速度で使用設備側に射出されるようになっている。加速時における異常な飛び出しは、アウターロータの溝上に付けた屋根により抑えられる。その加速時の昇華ガスは屋根の隙間から排気するようにしている。
【００２７】
図９に遠心加速方式ペレット入射装置における重水素氷の生成の詳細を示す。冷媒ガスは、より低温とする冷却器から液化器を冷却する配管と、冷媒ガスの流量を制御できるように流量調整弁を介して切断装置の本体部を冷却する配管を流れる。固体燃料供給管は、冷却器に入る冷媒ガス配管から熱アンカによる熱伝導により冷却できるようになっている。重水素氷の生成は、予め冷媒ガスにより冷却されている生成機器に、燃料ガスのバルブを開けて、液化器に重水素ガスを供給し、液体重水素を作り、それを更に冷却されている冷却器に送って固体重水素を作る。固体重水素の成熟度が良くなった時点で、冷却器にあるヒータに電圧を印加して固体重水素の表面部のみが柔らかくなり、滑りやすくなった時点でピストンを動作させ、固体燃料供給管側に押し出す。冷却器の出口部には、固体燃料供給管が精密に取り付けられ、冷却器の内径から固体燃料供給管の四角形状になるように圧縮されながら押し出されて切断装置に導かれる。その時の昇華ガス等は、切断装置に取り付けられている排出管により真空槽２に排気され、真空槽１の真空断熱等に影響しないようにしている。切断装置に入った固体重水素は、切断装置の動作周期により連続して切断される。その時間は、冷却器内に生成された固体重水素の量と押し出し距離及び冷却器と固体燃料供給管の押し出し部の面積比に比例する。よって、液化器、冷却器、固体燃料供給管及び切断装置等を冷却、真空断熱することにより、これらの温度が安定して一定に保つことができることから、質の良い固体重水素及び重水素氷の生成が可能となる。
【００２８】
図１０に遠心加速方式ペレット入射装置における重水素氷の装填の詳細を示す。切断装置は電磁弁の原理を利用したものであるため、連続動作をした場合に熱を発生するので本体部は、コイル側と熱絶縁して本体部のみ冷媒ガスで冷却できるようにし、発生した熱は切断装置固定具を介して発散されるようにしている。併せて、槽間仕切フランジからの熱侵入を防止するため切断装置受座により熱絶縁をしている。切断装置受座は、切断装置及び槽間仕切フランジとは真空シール構造としている。ガイド管は、切断装置受座にねじ込みにて取り付けられ、真空力などによるインナーロータ、アウターロータ一体の振動、変動も含め、インナーロータとガイド管の干渉がないような調整、及びインナーロータへの装填高さの調整ができる構造としている。また、高速で回転しているインナーロータが、万が一接触した場合、大きな事故を招く恐れがあるのでガイド管は、フッ素樹脂等の軟質材を用いている。ストップシリンダーは、精密な芯を形成し、回転しているインナーロータとアウターロータの間隙に配置されている。インナーロータとアウターロータは、ガイド管とストップシリンダーを中心に回転するが、ストップシリンダーと万が一接触した場合、大きな事故を招く恐れがあるので、薄肉構造にして、衝撃等を低減できる構造にしている。アウターロータは、高速回転による歪みが生じないように上下左右対称構造をとるとともに、安定な高速回転を得るために軽量で高強度の材料（チタンアルミ合金等）を用いている。
【００２９】
固体重水素は、切断装置を動作させずに排出管側に押し出したとき、CCDカメラにより、その質や透明度を観察できるようにしている。重水素氷の装填は、切断装置の動作により立方体の重水素氷が生成され、ガイド管内を一定速度で落下し、インナーロータに入る。その時の重水素氷の個数や形状は、槽間仕切フランジに仕込んだレーザーセンサーにより切断装置とガイド管の接続間隙より観測できるようにしている。重水素氷生成時の昇華ガスは、ガイド管の排気穴より真空槽２に排気される。インナーロータに入った重水素氷は、インナーロータ内の斜行部を滑走し、ストップシリンダーに接触する。重水素氷の滑走時の昇華ガスは、インナーロータ出口部の檻状の排気口より真空槽２に排気される。インナーロータの先端にある重水素氷は、ストップシリンダーに接触しながらインナーロータとともに回転する。
【００３０】
重水素氷がストップシリンダーに接触しながら回転する時に発生する昇華ガスは、ストップシリンダーの排気口から真空槽２に排気される。回転してストップシリンダーの開口部にきた重水素氷は、ストップシリンダーから開放されてアウターロータに移動し、アウターロータの溝内を遠心力により加速され、アウターロータの端にきた時に射出される。ストップシリンダーは位置調節器により、任意の位置に同芯上を回転調節できる構造にしている。加速途中で重水素氷が飛び出さないようにアウターロータの溝上に設けた屋根で防止するとともに、加速時に発生する昇華ガスは屋根の隙間より真空槽２に排気される。切断装置からガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及びアウターロータに位置する重水素氷の昇華ガスを排気することにより、生成された重水素氷を安定に装填し、加速、射出することが可能となる。また、その繰り返しは、安定に連続して行うことが可能となる。
【００３１】
以下に生成機器及び装填機器等の一例の詳細図を示す。
図１１に冷却器を示す。全体を均一の低温にするために無酸素銅を主材料としている。液体燃料配管や固体燃料供給管等の取り合いは、低温脆性の防止及び熱伝導を目的に銅やステンレス配管と金ロウ、又は銀ロウによるロウ付けにより接続し、フランジは、低温において真空シール性能のよい銀線やインジウム線などで接続できる構造としている。固体燃料供給管は、冷却器の指定位置まで挿入され、その位置で精度よく停止できるような刻み構造にしている。液体水素は、冷却器の上から冷却器内の液溜め部に供給され、冷却器を三重点以下に冷却することにより固化される。初期の固体重水素の生成量は、ここの容量によって決定される。作られた固体重水素は、ピストンに押されて冷却器の内部にある固体燃料供給管の入口で四角の形状に形成される。ここで、ピストン押し出し時に発生する昇華ガスは、ピストンに入ったスリットによりピストン側へも排気できる構造になっている。冷却器に供給される冷媒ガスは、冷却器の中心を安定に均一に冷却できるように冷却器廻りに加工された流路を下方から上方に流れる構造になっている。
【００３２】
図１２に固体燃料供給管を示す。固体燃料供給管の固体重水素を四角棒に形成するための形成コマをロウ付けして冷却器に差し込める構造にしている。固体燃料供給管内は、固体重水素がスムーズに移動できるように、僅かに形成コマより大きめの角穴構造としている。管途中には、冷媒ガスの配管から熱伝導による冷却を目的にその配管と抱き合わせできるような熱アンカを配置している。切断装置へは、切断角度を直角にするため、穏やかな曲率を持たせ、NBR等の真空低温シールゴム材を用いた真空シールを行い、ビスにて固定できる構造にしている。
【００３３】
図１３に切断装置を示す。切断装置は、カッターを駆動させるコイル部位の熱が切断部に伝わらない構造になっており、固体燃料供給管、排気管及び切断装置受座とNBR等の真空低温シールゴム材を介して取り合われる構造になっている。
固体燃料供給管から導入される固体重水素は、カッターが動作しない場合は排出管側に、カッターが動作した場合は、立方体の形状に切断され重水素氷出口より落下する構造になっている。重水素氷の切断形状は、槽間仕切フランジに組み込まれたレーザーセンサーにより、ガイド管と切断装置受座の間から検出した信号により観測、確認できる。また、切断装置内部の真空は加速槽より排気され、その外部は生成槽より排気された真空断熱構造としている。
【００３４】
図１４に切断装置受座及びガイド管を示す。切断装置受座は、槽間仕切フランジにNBR等の真空低温シールゴム材を介して固定される構造で、槽間仕切フランジからの熱が切断装置に伝わらないようにフッ素樹脂等の熱絶縁材を用いている。また、切断された重水素氷がガイド管の中心に安定に導かれるように傾斜底の構造をしている。ガイド管は、ネジ構造により切断装置受座の下方にネジ込みにて取り付けられるとともにネジにより高さ等の調節が行える構造で、先端部はインナーロータに僅かに挿入されるため薄肉構造にしている。重水素氷の切断や落下時の昇華ガスが重水素氷の軌道に影響しないようにガイド管に排気穴を設け、その排気口よりガスを排気できる構造にしている。また、ガイド管とインナーロータが、万が一、干渉したことを考慮し、ガイド管をインナーロータより非常に弱い材料であるフッ素樹脂を用いている。
【００３５】
図１５にインナーロータを示す。インナーロータは、アウターロータのセンターピンに合わせて固定され、アウターロータと一緒に高速回転する構造にしている。重水素氷が移動するインナーロータとアウターロータの面は、移動運動に影響の無いような平らな面にしている。ガイド管を介して落下してくる重水素氷は、インナーロータの入口から斜行部を滑り落ち、ストップシリンダーに接触して停止する。その時の昇華ガスは、檻状になっている出口のガス排気口から加速槽側に排気できる構造にしている。また、重水素氷が確実にアウターロータの溝に移動するようにその中心より僅かに先進する角度に固定している。
【００３６】
図１６にストップシリンダーを示す。ストップシリンダーは位置調節器に取り付けられ、重水素氷がアウターロータから射出される方向、つまり、加速槽から重水素氷使用設備への射出方向に合った位置に微調整できる構造にしている。その調整は、真空槽の外側（大気圧側）から行うことができるようにしている。ストップシリンダーの設定は、アウターロータとインナーロータの間隙に精度良く、微量の隙間に設定する必要があることから、まず、ベースを位置調節器に取り付け、ロックピンに合わせてストップシリンダーを取り付ける構造にしている。
【００３７】
例えば、アウターロータの半径が450mmの場合、射出方向からストップシリンダー開口部の位置は約218度となる。その開口部は、確実に重水素氷がアウターロータの溝に移動できる角度（50度）をもたせている。ストップシリンダー内は、ベースより切りかきを設けて、その内部を真空排気できる構造にし、ガイド管からの排気効率を高めている。インナーロータを滑ってきた重水素氷は、ストップシリンダーに接触して停止してインナーロータと共にストップシリンダーに沿って回転し、ストップシリンダーの開口部まで回転した時にアウターロータ側に開放される。回転時の重水素氷の昇華ガスは、ストップシリンダーの開口部以外の部分に設けられた排気口より排気される。この排気口は、重水素氷が高速回転による影響を受けず、滑らかに回転できるようにするとともに、その排気効率を大きくするために四角穴にし、その内側を鏡面状にしている。また、ストップシリンダーの中心軸を固定するため、ステンレス材を用いているとともに、高速回転することから重量バランスに配慮している。
【００３８】
図１７にアウターロータを示す。アウターロータは、真空中において、高速回転することからバランスのずれにより、アウターロータ回転運動による異常や損傷を発生することが懸念される。そのため、上下、左右が対象で、真空中における高速回転による歪みが生じにくい構造としている。アウターロータの中心にはインナーロータが重水素氷の加速面が平らとなるようにビスにて固定できる構造としている。アウターロータの溝に移動した重水素氷は、溝縁に沿って先端方向に加速される。重水素氷の加速時における昇華ガスは溝上部の隙間より排気される。
【００３９】
例え、重水素氷が加速時の変動や昇華ガスの影響により溝から飛び出そうとすると溝の上に設けた屋根により抑えられる構造にしている。よって、一定の方向に重水素氷が射出される事になる。特に、ストップシリンダー出口部は、インナーロータからの開放や移動角度による影響と加工精度の観点から全面屋根付き構造のフタを設けた構造にしている。また、図１８にアウターロータの全体を示す。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の重水素の連続生成・装填方法は、前記のような生成機器である液化器、冷却器、切断装置及び固体燃料供給管を生成槽に、加速機器であるガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及びアウターロータを加速槽に配置している。各々の機器は真空断熱され、冷媒ガスにより低温に冷却した冷却器内に固体重水素を作り、ピストンにより荷重を加えて、それを押し出す。それにより、固体燃料供給管の形成コマ部で四角棒状態の固体重水素を成形し、透明度のある連続的な固体重水素を安定して生成できるようにした。あわせて、その四角棒状の固体重水素を平行２枚刃のカッターを有した切断装置を動作させることにより、立方体形状の重水素氷を連続して生成でき、重水素氷の供給効率が安定するとともに向上させた。
【００４１】
また、重水素氷の切断時、落下時、装填時、加速時に起こる削磨等により発生する昇華ガスを加速機器の各部位に設けた排気口から排気することにより、重水素氷の運動の乱れを抑制できるようにした。それにより、ガイド管からインナーロータ、インナーロータからストップシリンダーと安定した重水素氷の装填が可能となった。さらに、重水素氷がストップシリンダーの開放部からアウターロータに一定周期で安定な移動ができ、装填数に合った射出効率が向上した。あわせて、重水素氷のストップシリンダーからの初期開放位置を確定することにより、アウターロータへ安定に移動させ、それをアウターロータの溝内で一定方向に加速することにより、アウターロータの回転数に応じた速度で一定角度で射出できるように性能の向上を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】生成・装填部で燃料ガスを固化し、加速ガスの開放により重水素氷を使用設備側に射出する構造の空気銃方式ペレット入射装置の図である。
【図２】その場で重水素氷を生成・装填する方法で、空気銃方式ペレット入射装置に用いられる重水素氷の生成・装填方法の一種を示す図である。
【図３】キャリアで重水素氷を生成・装填する方法で、空気銃方式ペレット入射装置に用いられる重水素氷の生成・装填方法の一種を示す図である。
【図４】打ち抜きで重水素氷を生成・装填する方法で、空気銃方式ペレット入射装置に用いられる重水素氷の生成・装填方法の一種を示す図である。
【図５】液化器、冷却器を生成槽（真空槽１）におき、固体燃料供給管、切断装置、ガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及びアウターロータを加速槽（真空槽２）に配置して重水素氷の生成・装填をして重水素氷を使用設備側に射出する構造の遠心方式ペレット入射装置の図である。
【図６】冷却器より押し出される固体重水素が固体燃料供給管、切断装置、ガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及びアウターロータを配置される加速槽に入り生成される場合の重水素氷を生成・装填する方法で、遠心方式ペレット入射装置に用いられる重水素氷の生成・装填方法の一種を示す図である。
【図７】本発明である重水素氷の連続生成・装填方法を採用した遠心加速方式ペレット入射装置の図である。
【図８】液化器、冷却器、固体燃料供給管及び切断装置を生成槽（真空槽１）に配置し、ガイド管、インナーロータ、ストップシリンダー及びアウターロータを加速槽（真空槽２）に配置して重水素氷の生成・装填をして重水素氷を使用設備側に射出する構造の遠心加速方式ペレット入射装置の図である。
【図９】生成槽内の生成機器の詳細な配置を示し、重水素氷の生成の詳細を示す図である。
【図１０】槽間仕切フランジをはさみ、生成機器と加速機器の詳細な配置を示し、重水素氷の装填の詳細を示す図である。
【図１１】固体重水素を作る冷却器の構造を示す図である。上側はピストンが挿入される側の冷却器、下側は固体燃料供給管が挿入される側の冷却器を示す図である。
【図１２】冷却器からの固体重水素を切断装置に供給する固体燃料供給管の構造を示す図である。固体燃料供給管の冷却器よりには熱アンカが設けられている。
【図１３】固体重水素を立方体の重水素氷に切断する切断装置の構造を示す図である。
【図１４】槽間仕切フランジに切断装置を受けるように取り付けられる切断装置受座と、切断された重水素氷をインナーロータに装填するガイド管の構造を示す図である。
【図１５】重水素氷をアウターロータに装填する初期位置を決めるインナーロータの構造を示す図である。重水素氷がインナーロータに入り、出口の檻状の部位に捕獲された状態で回転し、その時に発生する昇華ガスは、その檻状の格子間から排気される構造を示している。
【図１６】インナーロータを滑降してきた重水素氷をアウターロータに移動、装填させるための位置角度を決めるストップシリンダーの構造を示す図である。開口部以外には四角状の排気穴が無数に設けられている。
【図１７】重水素氷を加速、射出するアウターロータの構造を示す図である。
【図１８】アウターロータの全体を示す図である。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is a centrifugal acceleration type pellet injection apparatus, in which deuterium gas is cooled using a refrigerant gas (liquid helium) to produce solid deuterium (hydrogen isotope), from which deuterium having a specified size is produced. The present invention relates to a method for continuously producing and loading deuterium ice for producing and loading deuterium ice at an acceleration site in order to continuously produce and inject hydrogen ice (pellets). In particular, the present invention relates to a method for continuously generating and loading deuterium ice applied to a centrifugal acceleration type pellet injection device in a fuel supply facility for a fusion apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, deuterium ice is produced and loaded in the pellet injector by the acceleration method of the pellet injector (method by releasing high-pressure gas; air gun method, method by acceleration rotor; centrifugal method). The method was different, and it was selected depending on the usage of the equipment used. In particular, the air gun method is single shot and the centrifugal method is used continuously.
[0003]
(1) Air gun type
An outline of an air gun type pellet injection apparatus is shown in FIG. In the air gun method, the vacuum-insulated production / loading unit is cooled to a low temperature with refrigerant gas (liquid helium), and fuel gas (deuterium gas) is supplied to it to produce solid deuterium. Is generated. After that, deuterium ice is charged at the acceleration position, and by the instantaneous operation of the acceleration gas, the deuterium ice is injected at a constant speed to the facility side where the gate valve is opened through the injection pipe. .
[0004]
Deuterium ice generation / loading method for air gun type pellet injection device includes deuterium ice generation / loading method on site, deuterium ice generation / loading method with carrier, and punching deuterium ice. Methods for generating and loading are known. Below is the air gun type pellet injection device so deuterium The The example in the production | generation and loading method is shown.
[0005]
FIG. 2 shows an example of a method for generating and loading deuterium ice in situ. As illustrated in the figure, in a state where the cooler and the like are vacuum insulated, first, a refrigerant gas is flowed to lower the temperature of the cooler. There, a valve is opened to supply deuterium as a fuel gas (deuterium gas) at a low pressure. Then, fuel gas flows. Further, when the cooler is cooled to a temperature lower than the triple point temperature of deuterium, the valve is closed with deuterium solidified. Next, when a voltage is applied to the heater to dissolve unnecessary solid deuterium around the cooler and only deuterium ice is generated, the solenoid valve is opened and high-pressure acceleration gas is instantaneously supplied. Then, deuterium ice is injected through the injection tube.
[0006]
FIG. 3 shows an example of a method for generating and loading deuterium ice with a carrier. As illustrated in the figure, the cooler or the like is vacuum insulated and supplies refrigerant gas to the heat exchanger and cools the barrel housing by its heat conduction. Therefore, a fuel gas (deuterium gas) is supplied by opening a valve in the carrier portion in the barrel housing. Cool the barrel housing centered on the carrier to below the triple point to create solid deuterium in the carrier and close the valve. Next, a voltage is applied to the heater incorporated in the barrel housing to dissolve unnecessary solid deuterium around the carrier, and the deuterium is moved from the generation position to the injection position by the operation of the drive unit connected to the carrier. Generate ice. When high-pressure acceleration gas is instantaneously supplied by opening a high-speed solenoid valve or the like, deuterium ice is injected through the injection tube.
[0007]
FIG. 4 shows an example of a method for punching and generating deuterium ice. As illustrated in the figure, the liquefier, the upper and lower coolers, etc. are cooled and insulated by supplying a refrigerant gas to the liquefier, upper and lower coolers. There, the valve is opened and fuel gas (deuterium gas) is supplied to the liquefier to produce liquid deuterium. It is fed to the upper cooler and the lower and upper coolers are cooled to below the triple point to produce solid deuterium in the upper cooler and the valve is closed. Next, when the nozzle portion is warmed so that the solid deuterium easily passes by heating the heater, it is pushed out by the piston. Thereafter, the pellet cutter is operated, and the punching pipe is operated to the housing side to generate and load deuterium ice. The solenoid valve or the like is opened there, and deuterium ice is pushed out by the high-pressure acceleration gas and injected through the injection pipe.
[0008]
The deuterium generation and loading methods in these air gun systems use a condenser power supply for the solenoid valve, the high-speed repeated generation and loading of deuterium ice, and acceleration of deuterium ice with high-pressure acceleration gas. For this reason, there have been problems such as the fact that the gas flows into the equipment used and that an exhaust equipment for exhausting the gas must be provided.
[0009]
(2) Centrifugal method
An outline of a centrifugal pellet injection apparatus is shown in FIG. Centrifugal system is a vacuum chamber that is insulated from the vacuum with generators such as liquefiers and coolers, and one vacuum chamber with cutting devices, guide tubes, inner rotors, stop sinters and acceleration rotors. It arrange | positions so that it may connect with a solid fuel supply pipe | tube, cools a production | generation apparatus with refrigerant | coolant gas, supplies fuel gas (deuterium gas) to a liquefier, and makes liquid deuterium. It is fed to the liquefier and the cooler temperature is cooled below the triple point to produce solid deuterium. Next, the piston is operated by facilitating the extrusion of solid deuterium by heating the heater, and the solid deuterium is supplied to the cutting device through a solid fuel supply pipe as columnar solid deuterium. Solid deuterium is cut by operating a cutting device, and is produced in cylindrical deuterium ice. The deuterium ice falls into the inner rotor after falling down the guide tube, and is loaded into the acceleration rotor from the opening of the stop cylinder, and the deuterium ice is accelerated by the centrifugal force and injected to the use equipment side.
[0010]
For details on the centrifugal method, the generating device and the accelerating device are arranged in separate tanks, the liquefier and the cooler are cooled, and deuterium gas is supplied to the liquefier to produce liquid deuterium. The liquid deuterium is supplied to a cooler, and further cooled to below the triple point temperature of deuterium to produce solid deuterium. Thereafter, the piston is operated when it is heated by a heater to be easily pushed out, and pushed out while being formed into round bar-like solid deuterium by a round shaper in the outlet of the cooler.
[0011]
FIG. 6 shows the arrangement of acceleration devices in the centrifugal system. The extruded solid deuterium is guided to a cutting device in a separate tank having a different vacuum atmosphere through a solid fuel supply pipe. When the cutting device is activated, the internal round blade cutter is activated to produce cylindrical deuterium ice, which passes through the guide tube, inner rotor and stop cylinder, and is loaded into the acceleration rotor. There is a known method for generating and loading deuterium ice that can be accelerated and injected.
[0012]
The deuterium generation / loading method in the centrifugal method involves heating the cooler to facilitate extrusion, sublimation gas when pushing solid deuterium into the loading device, and when cutting the solid deuterium by operating the cutting device. The sublimation gas generated by grinding or the like is discharged into the vacuum chamber from the fitting portion of the solid fuel supply pipe, the outlet portion of the cutting device and the cutting device itself, and affects the vacuum insulation. Therefore, the temperature rise and vacuum insulation of the cutting device and the solid fuel supply pipe are destroyed, and the deuterium ice and solid deuterium are sublimated quickly, and the size of the generated deuterium ice is constant. There are disadvantages that do not become necessary, and that where the solid is desired to be supplied is gaseous supply by sublimation. At the same time, the solid fuel supply pipe fitted in the cutting device may be disconnected or the guide pipe may be displaced due to the pushing force or cutting force. Shi There was a fault.
[0013]
For example, even if the cutting device and the solid fuel supply pipe are forcibly cooled by the refrigerant gas, the same phenomenon occurs when the boundary vacuum degree of the vacuum insulation is broken. In addition, while the round blade cutter of the cutting device is intended to cut round bar-shaped solid deuterium to produce cylindrical deuterium ice, it is actually cut into a bowl shape, and the loading position and timing are unsatisfactory. In addition to being stable, the contact surface during acceleration is not constant, so there are drawbacks such as jumping out during acceleration and the injection direction being not constant. In addition, because the stop cylinder is made of fluororesin, it is a precise concentric circle. Condition Is not easy to manufacture, high rotation is doing When it comes into contact with the inner rotor or the acceleration rotor, damage or breakage occurs, and there is a problem that the deuterium ice is crushed and extinguished. This is due to the performance, characteristics, manufacturing accuracy, etc. of the fluororesin in vacuum.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Deuterium used for air gun system ice In the production / loading method, single generation is possible, but continuous (continuous) generation is impossible. At the same time, high-speed repetitive loading could not be performed due to the large loading time interval (except for performing parallel operation of a plurality of devices). Moreover, a large-scale system was required for exhausting the acceleration gas. Furthermore, it is unsuitable to apply the deuterium generation / loading method used in the air gun method for generating single shots to the centrifugal acceleration type pellet injection device that continuously injects deuterium ice.
[0015]
Although the deuterium generation and loading method used in the centrifugal system can be continuously generated and loaded, it is possible to insulate the vacuum by leaking gas from the junction of the generator and sublimation gas of solid deuterium or deuterium ice. Is destroyed and the temperature of the generating device is not stable. Another problem is that the shape of deuterium ice is unstable during acceleration. Furthermore, the rotation caused damage and breakage due to contact between the acceleration devices, and there was a problem that deuterium ice was crushed, disappeared, and sublimated.
[0016]
The present invention has been made in view of the above problems, and improves the drawbacks of the method for generating and loading deuterium ice in conventional air gun type and centrifugal type pellet injection devices, and the configuration of the generating device and the accelerating device. In addition, the present invention provides a method for producing and loading deuterium ice that can be applied to a centrifugal acceleration type pellet injection apparatus.
[0017]
In the present invention, the generation device including the liquefier, the cooler, the cutting device, and the solid fuel supply pipe is not affected by the sublimation gas generated when extruding solid deuterium or cutting deuterium ice. , Cube-shaped deuterium ice can be generated, enter the acceleration device consisting of the guide tube, inner rotor, stop cylinder and outer rotor, and the rotation device will not be in contact with each other, and will be accelerated stably and deuterium ice Provides a method for producing and loading deuterium ice that can be injected in a certain direction.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the method for continuously generating and loading deuterium ice according to the present invention includes a liquefier, a cooler, a cutting device, and a solid fuel supply pipe so as to be applicable to a centrifugal acceleration type pellet injection device. The generating device is cooled by a refrigerant gas or a thermal anchor, and an accelerating device including a guide tube, an inner rotor, a stop cylinder, and an outer rotor is disposed in each vacuum chamber to provide vacuum insulation. In addition, each device is vacuum-sealed so that the sublimation gas generated when solid deuterium is extruded or deuterium ice is cut does not affect the generating device side. The sublimation gas is exhausted to the acceleration device side. Sublimation gas due to cutting and sublimation gas in the middle of loading are exhausted to the acceleration tank side through exhaust ports provided in the guide tube, the inner rotor, and the stop cylinder. Further, in acceleration with the outer rotor, a roof is provided so that deuterium ice does not jump out halfway, and sublimation gas generated by surface contact with deuterium ice can be exhausted from the gap of the roof.
[0019]
In addition, in order to make the contact surface in the middle of acceleration a stable and constant surface, the solid fuel supply pipe has an internal shape of a regular square shape and is in close contact with the cooler. Bar-shaped solid deuterium is produced. Furthermore, it is led to a cutting device having a parallel two-blade cutter having the same dimensions as the shape of the solid solid deuterium in the shape of a square bar, so that the solid deuterium can be cut by the operation to generate cubic deuterium ice. I have to. Solid deuterium is supplied to the cutting device and deuterium ice is produced continuously at regular intervals while it is operating.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, the deuterium continuous production / loading method of the present invention includes a cutting device having a parallel two-blade cutter with a vacuum seal structure in one vacuum tank (generation tank). And generator equipment such as solid fuel supply pipes, and another vacuum tank (acceleration tank) with accelerator equipment such as guide tubes, inner rotor, stop cylinder, and outer rotor, and both tanks are insulated in a vacuum. The structure was made.
[0021]
FIG. 7 shows the principle of a centrifugal acceleration type pellet injection apparatus according to the present invention. The generating device is cooled with a refrigerant gas. First, deuterium gas, which is a fuel gas, is supplied to a liquefier and liquefied, and then sent to a cooler, where it is cooled below the triple point temperature to produce solid deuterium. In order to smooth the extrusion of solid deuterium, a part of the cooler is warmed by a heater and is pushed out to a solid fuel supply pipe by a piston pressing force. The inside of the solid fuel supply pipe has a quadrangular shape, and solid deuterium is formed into continuous solid deuterium in the form of a square bar by being extruded. The solid deuterium in the form of a square bar passes through a gently bent solid fuel supply pipe and enters the cutting device. The sublimation gas at that time is exhausted to the vacuum tank where the accelerating device is located by the discharge pipe on the opposite side of the solid fuel supply pipe, so that the temperature of the generating equipment is stabilized and the vacuum insulation is not affected. The solid deuterium that has entered the cutting device is cut by the operation of a cutting device having a parallel two-blade cutter having the same dimensions as the solid deuterium profile to produce cubic deuterium ice. The deuterium ice passes through the guide tube at a certain speed and falls to the center of the inner rotor. The deuterium sublimation gas generated at the time of cutting is exhausted through a porous exhaust port (hole) provided in the guide tube, so that it does not give kinetic force to the deuterium ice and falls stably.
[0022]
The deuterium ice that has entered the inner rotor slides on the skewed part in the inner rotor and contacts the inner surface of the stop cylinder. The sublimation gas at the time of sliding down is exhausted at the bowl-shaped exhaust port at the outlet of the inner rotor, and deuterium ice is kept constant and stopped. Re It is trying to contact the der. The stop cylinder is fixed, but the inner rotor and outer rotor are simultaneously rotating in the same direction. The deuterium ice rotated together with the inner rotor along the inner surface of the stop cylinder moves and is loaded into the outer rotor when it reaches the opening of the stop cylinder. Deuterium ice sublimation gas, which rotates along the inner surface of the stop cylinder and is generated by grinding, is exhausted by a square hole exhaust port provided in the circumferential direction of the stop cylinder, and the deuterium ice stably moves to the outer rotor. I can do it.
[0023]
The deuterium ice loaded in the outer rotor is accelerated by the kinetic force (centrifugal force) generated by the rotation of the outer rotor, and is ejected at a constant speed proportional to the rotational speed. The jumping of deuterium ice during acceleration is prevented by providing a roof above the groove of the outer rotor. Further, since the sublimation gas generated during the acceleration is exhausted from the gap in the roof of the outer rotor groove, the acceleration can be stably performed.
[0024]
【Example】
FIGS. 7 to 18 show execution related diagrams of the method for continuously producing and loading deuterium of the present invention.
FIG. 7 shows the principle of a centrifugal acceleration type pellet injection device (the centrifugal type pellet injection device is similar to the constituent devices, and therefore the centrifugal acceleration method is used in the present invention). Vacuum tank 1 (generation tank) contains liquefier, cooler, cutting device and solid fuel supply pipe generation equipment, and vacuum tank 2 (acceleration tank) is loaded with guide tube, inner rotor, stop cylinder, acceleration rotor, etc. The equipment is housed and each vacuum chamber is vacuum-insulated. Centrifugal acceleration type pellet injection device uses liquid helium (4.2K) as refrigerant gas, liquefies fuel gas with liquefier, solidifies with cooler, extrudes the solidified fuel, sends it to cutting device, cuts it The outer rotor is loaded with fuel ice to accelerate and inject.
[0025]
FIG. 8 shows an outline of a centrifugal acceleration type pellet injection apparatus. The overall arrangement is such that the gas when the fuel gas or deuterium ice is sublimated does not leak into the vacuum chamber 1 and the vacuum degree of the vacuum chamber 1 is deteriorated. The temperature of the generator is not changed. Further, the main body of the cutting device is configured to be able to maintain a temperature at which solid refrigerant and deuterium ice can be maintained by forcibly supplying the refrigerant gas. In addition, the solid fuel supply pipe from the cooler to the cutting device is cooled by heat conduction using a thermal anchor from the refrigerant gas pipe to maintain the solid deuterium state. Further, the fuel gas when it is no longer needed and the gas when the deuterium ice is sublimated are exhausted by the vacuum chamber 2 via a discharge pipe or a guide pipe.
[0026]
In producing and loading deuterium ice, first, a refrigerant gas is supplied to cool the producing device to a low temperature. In particular, the liquefier is at a temperature at which deuterium gas is liquefied (about 22K). There, deuterium gas is sent, liquefied, and sent to the cooler. In the cooler, solid deuterium is produced by cooling to a temperature at which liquefied deuterium solidifies (about 12K). Solid deuterium is heated by applying a voltage to a heater attached to the cooler to facilitate extrusion, and is heated to several K to drive the piston and is pushed out to the solid fuel supply pipe. At that time, solid rod-shaped solid deuterium is produced by a solid fuel supply pipe having a square coma at the tip which is vacuum-sealed and incorporated in the cooler, and is supplied to the cutting device. The sublimation gas generated at the time of extrusion is exhausted through an exhaust pipe in the cutting device. The solid deuterium that has entered the cutting device is cut out as cubic deuterium ice by the parallel two-blade cutter of the cutting device, falls through the guide tube, and slides down in the inner rotor. The sublimation gas at the time of cutting is exhausted to the vacuum chamber 2 through the exhaust hole of the guide tube, and the sublimation gas at the time of downhill is exhausted to the vacuum chamber 2 through the bowl-shaped exhaust port of the inner rotor, and is stably loaded. The deuterium ice loaded in the inner rotor rotates while contacting the stop cylinder and captured in the cage of the interrotor, and when it reaches the opening of the stop cylinder, it rotates simultaneously with the inner rotor. Move to the rotor and load. The sublimation gas generated when the stop cylinder is in rotational contact is exhausted through an exhaust port provided in the stop cylinder and rotates stably. The deuterium ice that has moved to the outer rotor is subject to centrifugal force (mrω ² ) And the peripheral speed (rω) vector, and is injected into the equipment used at a speed proportional to the rotational speed. Abnormal protrusion during acceleration is suppressed by the roof attached to the groove of the outer rotor. The sublimation gas at the time of acceleration is exhausted from the gap in the roof.
[0027]
FIG. 9 shows details of the generation of deuterium ice in the centrifugal acceleration type pellet injection apparatus. The refrigerant gas flows through a pipe for cooling the liquefier from a cooler having a lower temperature and a pipe for cooling the main body of the cutting device via a flow rate adjusting valve so that the flow rate of the refrigerant gas can be controlled. The solid fuel supply pipe can be cooled by heat conduction by a thermal anchor from a refrigerant gas pipe entering the cooler. The deuterium ice is produced by opening the fuel gas valve to the production equipment that has been cooled by the refrigerant gas in advance, supplying the deuterium gas to the liquefier, creating liquid deuterium, and further cooling it. Send to cooler to make solid deuterium. When the solid maturity of the solid deuterium is improved, a voltage is applied to the heater in the cooler to soften only the surface of the solid deuterium, and when it becomes slippery, the piston is operated, and the solid fuel supply pipe Extrude to the side. A solid fuel supply pipe is precisely attached to the outlet of the cooler, and the solid fuel supply pipe is pushed out from the inner diameter of the cooler while being compressed into a square shape of the solid fuel supply pipe and guided to the cutting device. The sublimation gas or the like at that time is exhausted to the vacuum chamber 2 by the discharge pipe attached to the cutting device so that the vacuum insulation of the vacuum chamber 1 is not affected. Solid deuterium that has entered the cutting device is continuously cut by the operating cycle of the cutting device. The time is proportional to the amount of solid deuterium generated in the cooler and the extrusion distance, and the area ratio of the cooler and the extruded portion of the solid fuel supply pipe. Therefore, by cooling and vacuum-insulating the liquefier, cooler, solid fuel supply pipe, cutting device, etc., these temperatures can be kept stable and constant, so high-quality solid deuterium and deuterium ice Can be generated.
[0028]
FIG. 10 shows details of loading deuterium ice in the centrifugal acceleration type pellet injection apparatus. Since the cutting device uses the principle of a solenoid valve, heat is generated when continuously operated, so the main body is thermally insulated from the coil side so that only the main body can be cooled with refrigerant gas. Heat is dissipated through the cutting device fixture. In addition, in order to prevent heat from entering from the tank partition flange, heat insulation is performed by a cutting device seat. The cutting device seat has a vacuum seal structure with the cutting device and the tank partition flange. The guide tube is attached to the cutting device seat by screwing. Adjustment and adjustment to the inner rotor and the inner rotor due to vacuum force, etc. The loading height can be adjusted. Further, if the inner rotor rotating at a high speed should come into contact, a serious accident may be caused. Therefore, the guide tube is made of a soft material such as a fluororesin. The stop cylinder forms a precise core and is arranged in the gap between the rotating inner rotor and outer rotor. The inner and outer rotors rotate around the guide tube and the stop cylinder. However, in the unlikely event that they come into contact with the stop cylinder, there is a risk of causing a serious accident. . The outer rotor is vertically and horizontally symmetrical to prevent distortion caused by high-speed rotation. The In addition, a light and high-strength material (titanium aluminum alloy or the like) is used to obtain a stable high-speed rotation.
[0029]
When deuterium is pushed out to the discharge pipe without operating the cutting device, its quality and transparency can be observed with a CCD camera. In the loading of deuterium ice, cubic deuterium ice is generated by the operation of the cutting device, falls in the guide tube at a constant speed, and enters the inner rotor. The number and shape of deuterium ice at that time can be observed from the connection gap between the cutting device and the guide tube by a laser sensor installed in the tank partition flange. The sublimation gas when deuterium ice is generated is exhausted to the vacuum chamber 2 through the exhaust hole of the guide tube. The deuterium ice that has entered the inner rotor slides on the skewed part in the inner rotor and contacts the stop cylinder. The sublimation gas during the sliding of the deuterium ice is exhausted to the vacuum chamber 2 from the bowl-shaped exhaust port at the inner rotor outlet. The deuterium ice at the tip of the inner rotor rotates with the inner rotor while contacting the stop cylinder.
[0030]
Sublimation gas generated when the deuterium ice rotates while contacting the stop cylinder is exhausted to the vacuum chamber 2 from the exhaust port of the stop cylinder. The deuterium ice that rotates and comes to the opening of the stop cylinder is released from the stop cylinder, moves to the outer rotor, is accelerated by the centrifugal force in the groove of the outer rotor, and is injected when it reaches the end of the outer rotor. The stop cylinder is structured so that it can be rotated on the same core at any position by a position adjuster. In order to prevent deuterium ice from jumping out during acceleration, it is prevented by the roof provided on the groove of the outer rotor, and the sublimation gas generated during acceleration is exhausted to the vacuum chamber 2 through the gap in the roof. By discharging the sublimation gas of deuterium ice located in the guide tube, inner rotor, stop cylinder and outer rotor from the cutting device, it becomes possible to stably load, accelerate and inject the generated deuterium ice. . Moreover, the repetition can be performed stably and continuously.
[0031]
Details of an example of the generating device and the loading device are shown below.
FIG. 11 shows the cooler. Oxygen-free copper is the main material in order to make the whole uniform and low temperature. Liquid fuel pipes and solid fuel supply pipes are connected with copper or stainless steel pipes by brazing with gold brazing or silver brazing for the purpose of preventing low temperature brittleness and heat conduction, and the flange has vacuum sealing performance at low temperatures. It has a structure that can be connected with a good silver wire or indium wire. The solid fuel supply pipe is inserted into a specified position of the cooler and has a notch structure that can be stopped accurately at that position. Liquid hydrogen is supplied from above the cooler to a liquid reservoir in the cooler, and is solidified by cooling the cooler below the triple point. The initial amount of solid deuterium produced is determined by the volume here. The produced solid deuterium is pushed by the piston and formed into a square shape at the inlet of the solid fuel supply pipe inside the cooler. Here, the sublimation gas generated when the piston is pushed out can be exhausted to the piston side by the slit that has entered the piston. The refrigerant gas supplied to the cooler has a structure that flows from below to above the flow path that is processed around the cooler so that the center of the cooler can be stably and uniformly cooled.
[0032]
FIG. 12 shows a solid fuel supply pipe. A structure for forming solid deuterium in a solid fuel supply pipe into a square bar is brazed and inserted into a cooler. The solid fuel supply pipe has a square hole structure that is slightly larger than the forming top so that solid deuterium can move smoothly. Shi ing. In the middle of the pipe, a thermal anchor is arranged so that the refrigerant gas can be combined with the pipe for the purpose of cooling by heat conduction. In order to make the cutting angle a right angle, the cutting device is given a gentle curvature, vacuum sealed using a vacuum low-temperature sealing rubber material such as NBR, etc., and fixed with screws.
[0033]
FIG. 13 shows a cutting device. The cutting device has a structure in which the heat of the coil part that drives the cutter is not transmitted to the cutting part, and it can be combined with a solid fuel supply pipe, an exhaust pipe, a cutting device seat and a vacuum low temperature seal rubber material such as NBR. It has become.
The solid deuterium introduced from the solid fuel supply pipe has a structure in which the solid deuterium is cut to the discharge pipe side when the cutter does not operate and falls into a cubic shape when the cutter operates and falls from the deuterium ice outlet. The cutting shape of deuterium ice can be observed and confirmed by a signal detected from between the guide tube and the cutting device seat by a laser sensor incorporated in the tank partition flange. Further, the vacuum inside the cutting device is exhausted from the accelerating tank, and the outside thereof has a vacuum heat insulating structure exhausted from the generating tank.
[0034]
FIG. 14 shows a cutting device seat and a guide tube. The cutting device seat is a structure that is fixed to the tank partition flange via a vacuum low-temperature seal rubber material such as NBR, and uses a heat insulating material such as fluororesin so that the heat from the tank partition flange is not transmitted to the cutting device. Yes. In addition, the structure has an inclined bottom so that the cut deuterium ice is stably guided to the center of the guide tube. The guide tube is attached to the lower part of the cutting device seat by screwing with a screw structure, and the height can be adjusted by the screw, and the tip is slightly inserted into the inner rotor, so that it has a thin structure. . An exhaust hole is provided in the guide tube so that the sublimation gas during cutting or dropping of the deuterium ice does not affect the orbit of the deuterium ice, and the gas can be exhausted from the exhaust port. In consideration of the possibility that the guide tube and the inner rotor interfere with each other, the guide tube is made of fluororesin, which is a material much weaker than the inner rotor.
[0035]
FIG. 15 shows the inner rotor. The inner rotor is fixed in accordance with the center pin of the outer rotor and is structured to rotate at a high speed together with the outer rotor. The inner rotor and outer rotor surfaces on which the deuterium ice moves are flat surfaces that do not affect the moving motion. The deuterium ice falling through the guide tube slides down the skewed portion from the inlet of the inner rotor and stops when it contacts the stop cylinder. The sublimation gas at that time has a structure that can be exhausted from the gas exhaust port at the outlet in a bowl shape to the acceleration tank side. In addition, the deuterium ice is fixed at an angle slightly advanced from the center so that the deuterium ice reliably moves to the groove of the outer rotor.
[0036]
FIG. 16 shows the stop cylinder. The stop cylinder is attached to a position adjuster, and has a structure that can be finely adjusted to a position that matches the direction in which deuterium ice is ejected from the outer rotor, that is, the direction in which the deuterium ice is ejected from the acceleration tank to the deuterium ice using facility. The adjustment can be performed from the outside (atmospheric pressure side) of the vacuum chamber. Since the stop cylinder must be accurately set in the gap between the outer rotor and inner rotor with a small amount of clearance, the base is first attached to the position adjuster, and the stop cylinder is attached to the lock pin. ing.
[0037]
For example, when the radius of the outer rotor is 450 mm, the position of the stop cylinder opening from the injection direction is about 218 degrees. The opening has an angle (50 degrees) at which deuterium ice can reliably move into the groove of the outer rotor. The stop cylinder has a notch from the base so that the inside can be evacuated to increase the exhaust efficiency from the guide tube. The deuterium ice that has slipped on the inner rotor comes into contact with the stop cylinder, stops, rotates along with the inner rotor along the stop cylinder, and is released to the outer rotor side when rotated to the opening of the stop cylinder. The sublimation gas of deuterium ice at the time of rotation is exhausted from an exhaust port provided at a portion other than the opening of the stop cylinder. The exhaust port is not affected by high-speed rotation of deuterium ice, and can smoothly rotate. The exhaust port has a square hole in order to increase its exhaust efficiency, and has a mirror surface inside. The center axis of the stop cylinder Fixed Therefore, the balance of weight is taken into consideration because it uses stainless steel and rotates at high speed.
[0038]
FIG. 17 shows the outer rotor. Since the outer rotor rotates at a high speed in a vacuum, there is a concern that abnormality or damage may occur due to the rotational movement of the outer rotor due to a deviation in balance. Therefore, the structure is intended for the top, bottom, left and right, and is less likely to be distorted by high-speed rotation in a vacuum. At the center of the outer rotor, the inner rotor can be fixed with screws so that the acceleration surface of deuterium ice is flat. The deuterium ice that has moved to the groove of the outer rotor is accelerated in the tip direction along the groove edge. The sublimation gas at the time of acceleration of deuterium ice is exhausted from the gap above the groove.
[0039]
For example, if deuterium ice tries to jump out of the groove due to fluctuations during acceleration or the influence of sublimation gas, the structure is such that it can be suppressed by the roof provided on the groove. Therefore, deuterium ice is ejected in a certain direction. In particular, the exit portion of the stop cylinder has a structure with a cover having a full roof structure from the viewpoint of the effect of opening from the inner rotor and the moving angle and processing accuracy. FIG. 18 shows the entire outer rotor.
[0040]
【The invention's effect】
The method for continuously generating and loading deuterium of the present invention includes a liquefier, a cooler, a cutting device, and a solid fuel supply pipe, which are the above-described generation equipment, in a generation tank, a guide pipe, an inner rotor, and a stop which are acceleration equipment. The cylinder and the outer rotor are arranged in the acceleration tank. Each piece of equipment is insulated from the vacuum and produces solid deuterium in a cooler cooled to a low temperature by a refrigerant gas. A load is applied by a piston to push it out. As a result, the solid deuterium in the form of a square bar was formed at the forming frame portion of the solid fuel supply pipe so that continuous solid deuterium having transparency could be stably generated. At the same time, by operating a cutting device having a parallel two-blade cutter for the solid deuterium in the form of a square bar, cubic deuterium ice can be generated continuously, and the deuterium ice supply efficiency is stabilized. Improved with.
[0041]
In addition, exhaust ports provided in each part of the acceleration device for sublimation gas generated by cutting, etc. that occurs during deuterium ice cutting, dropping, loading, and acceleration. Or The turbulence in the motion of deuterium ice can be suppressed by exhausting the air. This enabled stable deuterium ice loading from the guide tube to the inner rotor and from the inner rotor to the stop cylinder. In addition, deuterium ice was able to move stably from the open part of the stop cylinder to the outer rotor in a fixed cycle, and the injection efficiency was improved according to the number of loads. In addition, deuterium ice of Stop cylinder From By determining the initial opening position of the outer rotor, it can be stably moved to the outer rotor, and by accelerating it in a certain direction within the groove of the outer rotor, it can be injected at a constant angle at a speed according to the rotational speed of the outer rotor. It was possible to improve the performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram of an air gun type pellet injection apparatus having a structure in which fuel gas is solidified in a generation / loading unit and deuterium ice is injected to a use facility side by releasing an acceleration gas.
FIG. 2 is a diagram showing a kind of deuterium ice generation / loading method used for an air gun type pellet injection apparatus in a method for generating / loading deuterium ice on the spot.
FIG. 3 is a diagram showing one type of deuterium ice generation / loading method used in an air gun type pellet injection apparatus in a method for generating / loading deuterium ice with a carrier.
FIG. 4 is a view showing a method for producing and loading deuterium ice used in an air gun type pellet injection apparatus in a method for producing and loading deuterium ice by punching.
[Fig. 5] Place the liquefier and cooler in the generation tank (vacuum tank 1), and place the solid fuel supply pipe, cutting device, guide pipe, inner rotor, stop cylinder and outer rotor in the acceleration tank (vacuum tank 2). FIG. 4 is a diagram of a centrifugal pellet injection device having a structure in which deuterium ice is generated and loaded and injected into the use equipment side.
FIG. 6 Generates deuterium ice when solid deuterium extruded from a cooler enters an acceleration tank in which a solid fuel supply pipe, a cutting device, a guide pipe, an inner rotor, a stop cylinder, and an outer rotor are arranged. -It is a figure which shows the kind of the production | generation / loading method of the deuterium ice used for the centrifugal pellet injection apparatus by the loading method.
FIG. 7 is a diagram of a centrifugal acceleration type pellet injection apparatus employing the method for continuously generating and loading deuterium ice according to the present invention.
[Fig. 8] Liquefier, cooler, solid fuel supply pipe and cutting device are arranged in the production tank (vacuum tank 1), and guide pipe, inner rotor, stop cylinder and outer rotor are arranged in the acceleration tank (vacuum tank 2). FIG. 3 is a diagram of a centrifugal acceleration type pellet injection apparatus having a structure in which deuterium ice is generated and loaded and injected into the equipment used.
FIG. 9 is a diagram showing a detailed arrangement of the generating devices in the generating tank and showing details of deuterium ice generation.
FIG. 10 is a diagram showing the detailed arrangement of the generating device and the accelerating device by sandwiching the tank partition flange, and showing the details of the deuterium ice charging.
FIG. 11 is a diagram showing a structure of a cooler for producing solid deuterium. The upper side shows the cooler on the side where the piston is inserted, and the lower side shows the cooler on the side where the solid fuel supply pipe is inserted.
FIG. 12 is a diagram showing a structure of a solid fuel supply pipe that supplies solid deuterium from a cooler to a cutting device. A thermal anchor is provided from the cooler of the solid fuel supply pipe.
FIG. 13 is a diagram showing a structure of a cutting apparatus for cutting solid deuterium into cubic deuterium ice.
FIG. 14 is a view showing a structure of a cutting device receiving seat attached to the tank partition flange so as to receive the cutting device, and a guide tube for loading the cut deuterium ice into the inner rotor.
FIG. 15 is a view showing a structure of an inner rotor for determining an initial position for loading deuterium ice into an outer rotor. Deuterium ice enters the inner rotor and rotates in a state where it is trapped in the bowl-shaped portion at the outlet, and the sublimation gas generated at that time is exhausted from between the bowl-shaped lattices.
FIG. 16 is a view showing a structure of a stop cylinder for determining a position angle for moving and loading deuterium ice that has slid down an inner rotor to an outer rotor. A myriad of square exhaust holes are provided in addition to the openings.
FIG. 17 is a diagram showing a structure of an outer rotor that accelerates and injects deuterium ice.
FIG. 18 is a view showing the entire outer rotor.

Claims

A centrifugal deuterium ice continuous production / filling device comprising a vacuum solid deuterium production tank and a vacuum solid deuterium injection acceleration tank,
The solid deuterium production tank is
Refrigerant gas circulation piping,
Deuterium gas supply piping;
The deuterium gas supply pipe penetrates, and a liquefier for liquefying deuterium gas;
A cooler that is connected to the deuterium gas supply pipe and includes a hollow tube that cools the deuterium gas liquefied in the liquefier to a triple point temperature or lower to form solid deuterium;
A solid fuel supply pipe having a square cross section connected to the middle space inside the cooler and from which solid deuterium formed in the cooler is extruded;
A cutting device that cuts solid deuterium into a cubic shape at the outlet of the solid fuel supply pipe to form deuterium ice,
The solid deuterium injection acceleration tank is
A guide tube having an exhaust port for sublimation gas generated from the deuterium ice by dropping the deuterium ice that has been cut into a cubic shape by the cutting device while dropping it,
A rotatable inner rotor having a skewed portion for receiving and sliding down deuterium ice from the outlet of the guide tube, and an opening for leading to deuterium ice;
An outer rotor having a roof-passing groove that is ejected after receiving and accelerating deuterium ice from the inner rotor, and rotating concentrically with the inner rotor;
A sublimation gas that is fixed between the inner rotor and the outer rotor, rotatably accommodates the inner rotor, and allows the deuterium ice from the inner rotor to be led out to the outer rotor and the deuterium ice. A stop cylinder having an exhaust port of
And the outlet of the guide tube is positioned on the extension line of the center of the inner rotor and the center of the outer rotor,
The liquefier, cooler, solid fuel supply pipe and cutting device of the solid deuterium production tank , and the guide pipe, inner rotor, stop cylinder and outer rotor of the solid deuterium injection acceleration tank are vacuum insulated. Centrifugal deuterium ice continuous production and loading equipment.

The apparatus according to claim 1, wherein the outer rotor includes a cover with a full roof structure at an exit portion of the stop cylinder that receives deuterium ice from the inner rotor.

The apparatus of Claim 1 or 2 with which the heater is provided in the bottom part of the said cooler.

The apparatus according to claim 1, wherein the solid fuel supply pipe is provided with a thermal anchor.

A tank partition flange is provided between the solid deuterium production tank and the solid deuterium injection acceleration tank, and a laser sensor for observing the number and shape of deuterium ice is installed in the tank partition flange. A device according to any of claims 1 to 4.

The device according to claim 1, wherein the stop cylinder is attached to a position adjuster adjustable from the outside.

A method for continuously generating and loading deuterium ice using the apparatus according to any one of claims 1 to 6, comprising:
Supply refrigerant gas to the refrigerant gas circulation pipe to cool the solid deuterium production tank,
Deuterium gas is supplied to the deuterium gas supply pipe, and the deuterium gas is liquefied by the liquefier.
Liquefied deuterium gas is sent to the hollow tube in the cooler and cooled to below the triple point temperature to form solid deuterium,
Solid deuterium is extruded into a solid fuel supply pipe and sent to the cutting device while forming a square cross section.
Deuterium ice is formed by cutting solid deuterium into a cubic shape with a cutting device.
The deuterium ice falls to the skewed portion of the inner rotor through the guide tube, then slides down the skewed portion, moves to the opening of the stop cylinder by the rotation of the inner rotor, and is led out to the passage groove of the outer rotor. Is accelerated by centrifugal force, injected from the outer rotor,
Sublimation gas generated when deuterium ice passes through the guide tube, inner rotor, and outer rotor is exhausted from the exhaust port provided in the guide tube, stop cylinder, and outer rotor to the solid deuterium injection acceleration tank.
Method.