RU110861U1

RU110861U1 - CRYOGENIC HYDROGEN JET INJECTOR

Info

Publication number: RU110861U1
Application number: RU2011125643/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Вячеславович Крылов; Борис Васильевич Кутеев; Вячеслав Сергеевич Петров; Артем Александрович Грибов
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2011-11-27

Abstract

1. Инжектор криогенной водородной струи, состоящий из набора гильз, помещенных в накопитель гильз, соединенного с вакуумированным корпусом, внутри которого размещены механизм перемещения гильз, система заправки гильз водородом, соединенная с системой подачи водорода, и система замораживания водорода, система ускорения водородной струи, представляющая собой расположенные вне вакуумированного корпуса баллон с газом высокого давления, соединенный с рабочим цилиндром с установленным в нем поршнем, соединенным со спусковым устройством, при этом гильза с водородом расположена на шайбе системы замораживания водорода, установленной с возможностью контактирования с бойком, расположенным над поршнем в рабочем цилиндре и соединенным с нижней частью сильфона, верхняя часть которого соединена с корпусом, при этом с противоположной стороны гильзы расположена фильера с выступом, отверстие которой соединено со стволом криогенной водородной струи. ! 2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения гильз соединен с двигателем, расположенным вне вакуумного корпуса. ! 3. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система заправки гильз соединена через дозирующий клапан с топливным баком. ! 4. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система заправки гильз водородом выполнена в виде хоботка, соединенного с пневмоприводом. ! 5. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система замораживания водорода, представляет собой шайбу, находящуюся в тепловом контакте с охладителем, контактирующим с криоголовкой. ! 6. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что вакуумный корпус соединен с накопителем отработанных гильз. 1. A cryogenic hydrogen jet injector, consisting of a set of liners placed in a liner storage connected to an evacuated body, inside which there are a liner movement mechanism, a hydrogen liner filling system connected to a hydrogen supply system, and a hydrogen freezing system, a hydrogen jet acceleration system, which is a high-pressure gas cylinder located outside the evacuated body, connected to a working cylinder with a piston installed in it, connected to a trigger, while a liner with hydrogen is located on a washer of a hydrogen freezing system installed with the possibility of contact with a striker located above the piston in working cylinder and connected to the lower part of the bellows, the upper part of which is connected to the body, while on the opposite side of the liner there is a nozzle with a protrusion, the opening of which is connected to the barrel of the cryogenic hydrogen jet. ! 2. An injector according to claim 1, characterized in that the sleeve moving mechanism is connected to an engine located outside the vacuum housing. ! 3. An injector according to claim 1, characterized in that the liner filling system is connected through a metering valve to the fuel tank. ! 4. The injector according to claim 1, characterized in that the system for filling the liners with hydrogen is made in the form of a proboscis connected to a pneumatic drive. ! 5. The injector according to claim 1, characterized in that the hydrogen freezing system is a washer in thermal contact with a cooler in contact with the cryhead. ! 6. The injector according to claim 1, characterized in that the vacuum body is connected to the accumulator of spent liners.

Description

Полезная модель относится к устройствам, применяемым для аварийного гашения термоядерного разряда. Оно представляет собой инжектор криогенной водородной струи, предназначенный для выключения (гашения) разряда в токамаке-реакторе.The utility model relates to devices used for emergency quenching of a thermonuclear discharge. It is a cryogenic hydrogen jet injector designed to turn off (quench) a discharge in a tokamak reactor.

Быстрое выключение разряда токамака-реактора, необходимое в случае ожидаемого большого срыва разряда, а также в других аварийных ситуациях, в настоящий момент реализовано методом инжекции киллер-пеллетов или массивной инжекцией газовых струй. Обе эти технологии основаны на вводе в плазму холодного вещества с массой, сравнимой или даже превосходящей массу основной компоненты плазмы. После получения сигнала о предвестнике срыва необходимо доставить пеллет или газовую струю в плазму в течение нескольких миллисекунд, что требует их ускорения до скоростей порядка км/с. Для киллер-пеллетов основной технологической проблемой является довольно сложная техника инжекции и достаточно большое время, затрачиваемое на ускорение пеллета. Для источников газовых струй проблемой является отсутствие подходящих быстрых клапанов для высоких давлений (>100 атм) и большой пропускной способности (>10²⁴ атомов на выстрел), также проблемой является низкая скорость звука для тяжелых инертных газов.The quick shutdown of the tokamak-reactor discharge, necessary in the event of an expected large discharge disruption, as well as in other emergency situations, is currently implemented by killer-pellet injection method or by massive injection of gas jets. Both of these technologies are based on introducing cold matter into the plasma with a mass comparable to or even exceeding the mass of the main plasma component. After receiving a signal about the precursor of a breakdown, it is necessary to deliver a pellet or gas stream to the plasma within a few milliseconds, which requires their acceleration to speeds of the order of km / s. For killer pellets, the main technological problem is the rather complicated injection technique and the rather large time spent on accelerating the pellet. For gas jet sources, the problem is the lack of suitable quick valves for high pressures (> 100 atm) and high throughput (> 10 ²⁴ atoms per shot), and the low sound speed for heavy inert gases is also a problem.

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, G21В 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.Known light gas injector of fuel particles for thermonuclear installations, containing located in the vacuum path of the barrel, a sleeve cooled by a helium heat exchanger, a system for supplying an accelerating gas to the barrel with a pulse valve, a fuel gas inlet system, in particular hydrogen, a heat-conducting porous sleeve located inside the cooled sleeve, synchronization system, differential pumping system and other elements (AS USSR No. 1611139, G21В 1/00, application. 03.04.89, publ. 27.05.97, Bull. No. 15). This injector implements a gas injection method comprising three stages: the stage of cooling gaseous hydrogen to freezing; the stage of formation of the particulate by heating hydrogen to 14 K and its accumulation in a porous sleeve with further constant and intensive cooling to complete freezing of the liquid particulate; and a step of accelerating the particulate by supplying gas accelerating the particulate to the barrel. Fuel gas-hydrogen is supplied at a pressure of 60 Torr through a porous bushing into the barrel with a flow rate of 2.7 mg / s, corresponding to the fuel consumption during injection into the tokamak of particulate matter with a diameter of 2 mm, a length of 2 mm and a frequency of 5 Hz.

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).This type of injection and injector of this type is widely used in some experimental tokamak installations, however, for large installations with a plasma cord diameter of more than 2 m, it does not provide the necessary speed (up to 1000 m / s) and frequency (up to 50 Hz).

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.Based on the light gas gun, the TPI-1 tritium particulate injector was developed for introducing fuel into thermonuclear reactors. In the breech of a light-gas gun in a nitrogen-helium jellied cryostat at a temperature of 10-20 K, 1 to 50 particles of solid tritium 4 mm in size are formed. Under the action of compressed light gas, the particle accelerates to 1-1.2 km / s in the barrel. The injector also includes a system for the preparation and supply of tritium and deuterium, a diagnostic chamber, a vacuum system, a data acquisition and control system (G.A.Baranov, I.V. Vinyar, P.Yu. Koblents and others. Injector of tritium particles TPI- 1. - Abstracts of the sixth All-Russian Conference on Engineering Problems of Thermonuclear Reactors, St. Petersburg, May 27-29, 1997. - M .: Central Research Institute of Management, Economics and Information of the Ministry of Atomic Energy of the Russian Federation, 1997, p.148). In the injector project proposed for the ITER international reactor, based on this development, it is planned to achieve a speed of 1000 m / s and a frequency of 50 Hz for the injection of tablets with a diameter of 3-7 mm.

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, G21В 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.Known two-stage injector of thermonuclear fuel tablets, containing a vacuum chamber with a barrel, at the beginning of which is installed a cell of the tablet former, connected to the heat exchanger, a pipe of the second stage with a valve for introducing gas, a piston that can be moved inside the pipe of the second stage, a valve to fill the tank of the first stage diagnostic camera; the inner cavity of the cell of the tablet former is made in the form of a truncated cone, the axis of which coincides with the axis of the barrel (RF patent No. 2132577, G21B 1/00, application. 02/11/97, publ. 27.06.99, Bull. No. 18). In this injector, gaseous fuel (hydrogen) is cooled by a liquid-helium heat exchanger in the cell of the tablet former to a temperature of about 10 K, a tablet is formed inside the conical opening of the cell where hydrogen freezes. The injection process begins with the arrival of an accelerating gas (hydrogen, helium) at a pressure of 6-10 MPa, which accelerates the piston and compresses the fuel gas in front of it, and hydrogen, whose pressure from the initial 0.01-0.05 MPa has increased to 10 MPa begins to be extruded through the conical opening of the cell into the barrel and further into the plasma of the fusion plant. The mode of operation of the injector valves is selected so that the piston does not have time to push all the gas into the barrel, but is inhibited by the pressure of this gas and bounces to its original state. In this injector, the tablet begins to accelerate in the barrel at a higher initial gas pressure, which increases the rate of injection and the depth of penetration of fuel into the plasma, which allows maintaining a stable thermonuclear reaction in the central zones of the plasma. The disadvantage is the presence in the design of the injector of a moving element, which reduces the reliability. The complexity of adjusting the operation of the injector valves, on which the entire process of its operation depends, is its other drawback.

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.A type of two-stage injector is an experimentally studied pellet injector with liner compression of pushing gas, in which instead of a piston, a cylindrical aluminum liner is used to compress the gas pushing the tablet, accelerated by electromagnetic forces due to the passage of current through the liner, which is powered by a capacitor bank; the calculated speed of the plastic tablet is 4.6 km / s, deuterium 10 km / s with a diameter and length of the tablet 2 mm, the measured speed of the plastic tablet was 2.5 km / s (V.P. Bazilevsky, Yu.A. Kareev, A .I. Kolchenko et al. Pellet injector with liner compression of pushing gas. / Abstracts of the Sixth All-Russian Conference on Engineering Problems of Thermonuclear Reactors. - St. Petersburg, May 27-29, 1997. - M. Central Research Institute of Management, Economics and Information of the Ministry of Atomic Energy RF, 1997, p. 155). The disadvantage of this method of acceleration of the piston (liner) is the implementation complexity associated with the need to use expensive and energy-intensive equipment.

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, G21В 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.Known high-speed system for injection of cryogenic tablets, containing a pneumatic two-stage system for feeding tablets; at the first stage, high-pressure gas enters the piston, which adiabatically compresses the moving gas through the high-speed control valve in the second stage; in the barrel to start the tablet creates a peak pressure of the order of 200 MPa for 10-100 μs (US patent No. 5406594, G21В 1/00, application. 17.07.91, publ. 11.04.95; ISM issue 099, 1996, No. 5, s .13). This system has a common element with a two-stage injector according to the patent of the Russian Federation No. 2132577 - a piston and a higher pressure in the barrel is achieved in it. However, the presence of a moving element reduces the reliability of the system.

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 № 2737055 В2, G21В 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.A device for injecting twice accelerated tablets is known, in which an injector such as a gas gun shoots a tablet accelerated during expansion of the accelerating gas into a gap between two guides equal to the diameter of the guide tube to prevent destruction of the tablet; after a tablet in an accelerating gas, a laser beam initiates an electric discharge and a plasma is generated that additionally accelerates the tablet (Japanese Patent No. 2737055 B2, G21B 1/00 of the application. 17.10.88, publ. 08.04.98; ISM issue 099, 1999, No. 5, p.3). Preserving the integrity of the tablet eliminates the appearance of plasma in front of the tablet, which allows for additional acceleration to inform the tablet high speed. However, the implementation of such a device requires expensive and energy-intensive equipment.

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., Buchl 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.Known pellet injector for a thermonuclear installation JET, made on the principle of a centrifuge. This centrifugal device, designed to throw single tablets formed of hydrogen at cryogenic temperatures into a plasma, contains a rotor in the form of a rod located in the vacuum chamber of the injector and connected to the drive shaft; on the side surface of the rod there is a radial accelerating channel having a conical section with a large base open to the cavity of the vacuum chamber; in the upper part of the chamber there is a cryogenic extruder of tablets with a mechanism for feeding them into an outlet tube placed perpendicular to the plane of rotation of the accelerating channel; using a feeding mechanism, a hydrogen tablet is supplied to the accelerating channel, captured by it, accelerated and thrown out on the periphery of the rotor into a pipeline connecting the vacuum chamber of the injector to the vacuum chamber of the thermonuclear installation, in which the plasma is burning (Andelfinger C., Buchl K. et al ., Pellet Injectors for JET. - IPP, 1/193, Sept. 1981, Max-Planck Institute for Plasmaphysik). The method of feeding a tablet to the accelerating channel used in this device by capturing it by this channel when moving the tablet in a direction perpendicular to the channel requires tight synchronization of the rotor speed and the tablet speed, which complicates the operation control system and the supply reliability. In addition, the feed of the tablet into the conical accelerating channel is associated with the uncertainty of the contact point between the tablet and the channel, which reduces the accuracy of the tablet entering the connecting pipe and increases the likelihood of tablet loss in the cavity of the injector chamber.

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, G21В 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.A known method of supplying a tablet to the accelerating channel of the rotor of the particulate injector by moving the tablet perpendicular to the radial accelerating channel, according to which the tablet is first moved perpendicular to the accelerating channel, then it is captured by the rotor, is moved in the radial and circumferential directions, is thrown tangentially from the rotor into the plane of the accelerating channel, after what catch the tablet accelerating the channel of the rotor (AS USSR No. 1258223, G21B 1/00, decl. 17.12.84, publ. 06.04.87, Bull. No. 12, s.281). A device for supplying a tablet to an accelerating channel of a rotor of a particle injector for implementing this method comprises a tablet extruder with an output tube mounted on a housing in which a rotor with a radial accelerating channel is located on the side surface, as well as a hollow cylinder mounted on the housing with an end gap relative to the plane of the rotor , which is located in the plane of the axis of symmetry of the accelerating channel, the output tube of the extruder is placed inside a hollow cylinder, in which a radial outlet e and the rotor plane are arranged on the radial ribs with a clearance relative to the cylinder. This method and device eliminates the disadvantages of the centrifugal device described above, but they have their drawbacks, namely: elastic rebound of the cryogenic solid-hydrogen tablet from the wall of the stationary cylinder is possible due to its evaporation upon contact with the “warm” cylinder, which prevents the capture of the next tablet and reduces the capture frequency pills the elastic rebound of the tablet at the time of its exit through the window of the stationary cylinder leads to instability of its departure and an increase in the scattering angle; an increase in the scattering angle at the exit from the stationary cylinder leads to a change in the capture point of the tablet by the main accelerating channel and, therefore, to an increase in the scattering angle of the tablet at the exit of the centrifuge, which leads to additional loss of mass and speed of the tablet during its passage through the pipeline to the plasma of the thermonuclear installation.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности работы инжектора за счет упрощения конструкции.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of the injector by simplifying the design.

Для этого предложен инжектор криогенной водородной струи, состоящий из набора гильз, помещенных в накопитель гильз, соединенного с вакуумированным корпусом, внутри которого размещены механизм перемещения гильз, система заправки гильз водородом, соединенная с системой подачи водорода, и система замораживания водорода, система ускорения водородной струи, представляющая собой расположенные вне вакуумированного корпуса баллон с газом высокого давления, соединенный с рабочим цилиндром с установленным в нем поршнем, соединенным со спусковым устройством, при этом гильза с водородом расположена на шайбе системы замораживания водорода, установленной с возможностью контактирования с бойком, расположенным над поршнем в рабочем цилиндре и соединенным с нижней частью сильфона, верхняя часть которого соединена с корпусом, при этом с противоположной стороны гильзы расположена фильера с выступом, отверстие которой соединено со стволом криогенной водородной струи.To do this, a cryogenic hydrogen jet injector is proposed, consisting of a set of shells placed in a cartridge case connected to a vacuum housing, inside of which there is a cartridge transfer mechanism, a cartridge refueling system with hydrogen connected to a hydrogen supply system, and a hydrogen freezing system, a hydrogen jet acceleration system representing a high-pressure gas cylinder located outside the evacuated housing, connected to a working cylinder with a piston installed in it, connected to the trigger device, wherein the sleeve with hydrogen is located on the washer of the hydrogen freezing system, which is installed with the possibility of contacting with the striker located above the piston in the working cylinder and connected to the lower part of the bellows, the upper part of which is connected to the housing, while the die is located on the opposite side of the sleeve with a protrusion, the opening of which is connected to the barrel of a cryogenic hydrogen jet.

Кроме того, механизм перемещения гильз соединен с двигателем, расположенным вне вакуумного корпуса.In addition, the mechanism for moving sleeves is connected to an engine located outside the vacuum housing.

Система заправки гильз соединена через дозирующий клапан с топливным баком.The sleeve filling system is connected via a metering valve to the fuel tank.

Система заправки гильз водородом выполнена в виде хоботка, соединенного с пневмоприводом.The system for filling the cartridges with hydrogen is made in the form of a proboscis connected to a pneumatic actuator.

Система замораживания водорода, представляет собой шайбу, находящуюся в тепловом контакте с охладителем, контактирующим с криоголовкой.The hydrogen freezing system is a washer that is in thermal contact with a cooler in contact with a cryohead.

Вакуумный корпус соединен с накопителем отработанных гильз.The vacuum housing is connected to a spent cartridge storage.

Предлагаемый инжектор обладает следующими основными параметрами:The proposed injector has the following main parameters:

- Инжектируемое вещество - водород или дейтерий (далее для краткости водород);- Injectable substance - hydrogen or deuterium (hereinafter referred to as hydrogen for short);

- Температура замороженного водорода перед выстрелом - 12 К;- The temperature of the frozen hydrogen before the shot is 12 K;

- Количество приготовленного для одного выстрела замороженного водорода - до 3 мм³;- The amount of frozen hydrogen prepared for one shot is up to 3 mm ³ ;

- Число выстрелов между перезарядками инжектора - 30;- The number of shots between reloads of the injector - 30;

- Максимальная скорость частиц в струе - 1000 м/сек;- The maximum speed of particles in the stream - 1000 m / s;

В качестве основных принципов работы инжектора выбраны следующие требования:The following requirements were selected as the main principles of the injector operation:

- Процесс замораживания водорода и инжекция водородной пыли будут осуществляться в вакууме не хуже 10^-6 Торр.- The process of hydrogen freezing and injection of hydrogen dust will be carried out in vacuum no worse than 10 ^-6 Torr.

- Замораживание будет осуществляться, используя холодопроизводительность стандартной криоголовки, (основной узел вакуумного крионасоса питающейся от стандартного криокомпрессора.- Freezing will be carried out using the cooling capacity of a standard cryohead, (the main unit of a vacuum cryo pump powered by a standard cryocompressor.

- Порция замороженного водорода перед выстрелом будет храниться в медной гильзе, охлаждаемой криоголовкой.- A portion of frozen hydrogen before the shot will be stored in a copper sleeve cooled by a cryohead.

- Инжекция будет осуществляться путем ударного выдавливания замороженного водорода из гильзы через фильеру (с деформацией гильзы).- The injection will be carried out by shock extrusion of frozen hydrogen from the sleeve through the die (with deformation of the sleeve).

- Для произведения ударного выдавливания будет использована кинетическая энергия тяжелого поршня, разогнанного в пневмоцилиндре давлением сжатого газа.- To produce impact extrusion, the kinetic energy of a heavy piston, dispersed in a pneumatic cylinder by the pressure of a compressed gas, will be used.

- Управление работой инжектора(управление шаговым двигателем, криокомпрессором, клапанами) и контроль его параметров будут осуществляться с персонального компьютера.- Injector operation management (stepper motor control, cryocompressor, valves) and control of its parameters will be carried out from a personal computer.

На фигуре 1 дан общий вид инжектора, на фигуре 2 - показана конструкция гильзы инжектора криогенной водородной струи, на фигуре 3 - разрез по Б-Б. Позициями обозначены:Figure 1 shows a general view of the injector, figure 2 shows the construction of the injector sleeve of a cryogenic hydrogen jet, and figure 3 shows a section along BB. The positions indicated:

1. Гильза1. Sleeve

2. Накопитель гильз2. Case storage

3. Вакуумный корпус3. Vacuum housing

4. Механизм перемещения гильз и зарядов4. The mechanism for moving cartridges and charges

5. Охладитель гильз5. Cooler shells

6. Шайба6. Washer

7. Криоголовка7. Cryohead

8. Боек8. The striker

9. Фильера9. Die

10. Датчик температуры10. Temperature sensor

11. Откачной пост11. Pumping post

12. Компрессор гелия12. Helium compressor

13. Шаговый двигатель13. Stepper motor

14. Вакуумный ввод вращения14. Vacuum rotation input

15. Топливный бак15. Fuel tank

16. Клапан дозирования16. Dosing valve

17. Контрольный объем17. The control volume

18. Натекатель18. Leakage

19. Вакуумметр19. The vacuum gauge

20. Хоботок20. Proboscis

21. Клапан21. Valve

22. Пневмопривод хоботка22. Proboscis pneumatic actuator

23. Поршень23. Piston

24. Рабочий цилиндр24. Slave cylinder

25. Баллон высокого давления25. High pressure tank

26. Спусковое устройство26. Release device

27. Пневмопривод спускового устройства27. Pneumatic trigger device

28. Ствол28. The trunk

29. Окно29. Window

30. Быстрая камера30. Quick camera

31. Специальный сильфон31. Special bellows

32. Накопитель отработанных гильз32. Waste cartridge case

Ниже следует описание принципа действия инжектора криогенной водородной струи.The following is a description of the principle of operation of the cryogenic hydrogen jet injector.

При подготовке к работе набор из 30-ти медных гильз (9×7 мм) 1 помещается в накопитель гильз 2, соединенный с вакуумным корпусом 3, в котором расположены механизм перемещения гильз и зарядов (гильз, заправленных водородом) 4, охладитель гильз 5, шайба 6, криоголовка 7, боек 8, фильера 9, датчик температуры 10.In preparation for operation, a set of 30 copper sleeves (9 × 7 mm) 1 is placed in a cartridge case 2 connected to a vacuum housing 3, in which there is a mechanism for moving cartridges and charges (cartridges filled with hydrogen) 4, cartridge cooler 5, washer 6, cryohead 7, striker 8, die 9, temperature sensor 10.

Далее откачной пост 11 создает требуемый вакуум внутри вакуумного корпуса. После этого включается криокомпрессор 12 и начинает функционировать криоголовка, которая понижает температуру охладителя гильз до 12 К.Next, the pumping station 11 creates the required vacuum inside the vacuum housing. After that, the cryocompressor 12 is turned on and the cryogelter starts functioning, which lowers the temperature of the cartridge cooler to 12 K.

Затем гильза из накопителя гильз подается при помощи механизма перемещения гильз и зарядов к месту заправки под хоботок 20. Механизм перемещения гильз и зарядов приводится в действие шаговым двигателем 13, расположенным снаружи вакуумного корпуса, через вакуумный ввод вращения 14. В месте заправки гильза вступает в тепловой контакт с охладителем гильз и начинает охлаждаться до температуры 12 К.Then the sleeve from the drive sleeve is supplied using a mechanism for moving the sleeves and charges to the place of filling under the proboscis 20. The mechanism for moving the sleeves and charges is driven by a stepper motor 13 located outside the vacuum housing through the vacuum input of rotation 14. At the place of filling the sleeve enters the heat contact with the cartridge cooler and begins to cool to a temperature of 12 K.

Далее водород, запасенный в топливном баке 15, через клапан позирования 16 начинает подаваться в контрольный объем 17 через натекатель 18. Количество газа в контрольном объеме контролируется по давлению газа в нем при помощи вакуумметра 19. По достижении нужного давления, а, значит, нужного количества газа, которое затем и определит размер заряда, подача прекращается.Further, the hydrogen stored in the fuel tank 15, through the posing valve 16 begins to be supplied to the control volume 17 through the leak 18. The amount of gas in the control volume is controlled by the gas pressure in it using a vacuum gauge 19. Upon reaching the desired pressure, and, therefore, the right amount gas, which then determines the size of the charge, the flow stops.

После этого обеспечивается одевание хоботка на гильзу, и затем открывается клапан 21. Водород поступает в гильзу по хоботку. Постепенно газ из контрольного объема намораживается на внутреннюю поверхность гильзы. Окончание процесса намораживания газа определяется по уменьшившемуся давлению в контрольном объеме. После этого хоботок устройства заправки гильз снимается с гильзы и последняя перемещается в на шайбу. При этом тепловой контакт гильзы с охладителем гильз (через шайбу) сохраняется. Одевание хоботка на гильзу и снятие хоботка с гильзы осуществляет пневмопривод хоботка 22.After that, the proboscis is put on the sleeve, and then the valve 21 is opened. Hydrogen enters the sleeve through the proboscis. Gradually, the gas from the control volume is frozen onto the inner surface of the sleeve. The end of the gas freezing process is determined by the reduced pressure in the control volume. After that, the proboscis of the cartridge refueling device is removed from the cartridge case and the latter moves to the washer. In this case, the thermal contact of the liner with the liner cooler (through the washer) is maintained. Dressing the proboscis on the sleeve and removing the proboscis from the sleeve carries out pneumatic proboscis 22.

Далее объем под поршнем 23 в рабочем цилиндре 24 заполняется сжатым газом (азотом) из баллона высокого давления 25. Рабочий цилиндр расположен снаружи вакуумного корпуса и механически соединен с ним.Next, the volume under the piston 23 in the working cylinder 24 is filled with compressed gas (nitrogen) from the high pressure cylinder 25. The working cylinder is located outside the vacuum housing and is mechanically connected to it.

Далее по сигналу старта спусковое устройство 26, управляемое пневмоприводом спускового устройства 27, высвобождает поршень, который ускоряется за счет воздействия на него сжатого газа. Достигнув бойка, разогнанный поршень бьет по нему, а тот, в свою очередь, по шайбе, на которой находится гильза с приготовленным зарядом. Гильза накалывается на выступ фильеры и далее происходит выдавливание замороженного водорода через отверстие фильеры и криогенная струя твердых и жидких частиц водорода вырывается из отверстия фильеры, попадая в ствол 28, а из него в вакуумный объем термоядерной установки. Кроме того, в стволе имеется окно 29 для фотографирования струи при помощи быстрой камеры 30.Further, according to the start signal, the trigger device 26, controlled by the pneumatic actuator of the trigger device 27, releases the piston, which is accelerated by the action of compressed gas on it. Having reached the striker, the overclocked piston hits him, and that, in turn, hits the washer, on which there is a sleeve with a prepared charge. The sleeve is punctured on the protrusion of the die and then the frozen hydrogen is extruded through the hole of the die and a cryogenic jet of solid and liquid hydrogen particles breaks out of the hole of the die, falling into barrel 28, and from it into the vacuum volume of the thermonuclear installation. In addition, in the barrel there is a window 29 for photographing the jet using a quick camera 30.

Одна сторона бойка «смотрит» на поршень, а другая - на шайбу с гильзой. Подвижность бойка с герметизацией по вакууму обеспечивает специальный сильфон 31.One side of the striker "looks" at the piston, and the other at the washer with a sleeve. The mobility of the striker with vacuum sealing is provided by a special bellows 31.

По окончании инжекции отработанная гильза сбрасывается в накопитель отработанных гильз 32.At the end of the injection, the spent sleeve is discharged into the spent sleeve store 32.

Claims

1. The cryogenic hydrogen jet injector, consisting of a set of sleeves placed in a cartridge case connected to a vacuum housing, inside of which there is a sleeve transfer mechanism, a cartridge refueling system with hydrogen connected to a hydrogen supply system, and a hydrogen freezing system, a hydrogen jet acceleration system, which is a high-pressure gas cylinder located outside the evacuated housing, connected to a working cylinder with a piston installed in it, connected to a trigger device, etc. and this sleeve with hydrogen is located on the washer of the hydrogen freezing system, installed with the possibility of contact with the striker located above the piston in the working cylinder and connected to the lower part of the bellows, the upper part of which is connected to the housing, while on the opposite side of the sleeve there is a die with a protrusion, the hole of which is connected to the barrel of a cryogenic hydrogen stream.

2. The injector according to claim 1, characterized in that the sleeve movement mechanism is connected to an engine located outside the vacuum housing.

3. The injector according to claim 1, characterized in that the sleeve filling system is connected via a metering valve to the fuel tank.

4. The injector according to claim 1, characterized in that the system for filling the liners with hydrogen is made in the form of a proboscis connected to a pneumatic actuator.

5. The injector according to claim 1, characterized in that the hydrogen freezing system is a washer in thermal contact with a cooler in contact with the cryohead.

6. The injector according to claim 1, characterized in that the vacuum housing is connected to a spent cartridge storage.