RU2132577C1

RU2132577C1 - Double-stage injector of fusion-fuel pellets

Info

Publication number: RU2132577C1
Application number: RU97102027A
Authority: RU
Inventors: И.В. Виняр
Original assignee: Предприятие "Прикладная физика" при Санкт-Петербургском государственном техническом университете
Priority date: 1997-02-11
Filing date: 1997-02-11
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: refueling fusion reactors and diagnosing fusion power plant plasma. SUBSTANCE: injector has vacuum chamber whose channel accommodates pellet shaping cell with heat exchanger. Second-stage pipe is provided with gas admission valve. Second stage accommodates piston installed therein for displacement. First-stage tank communicates with second stage through valve. Injector also has first-stage tank filler valve and diagnostic chamber. Inner space of pellet shaping cell is made in the form of truncated cone whose axis is aligned with that of channel. Smaller diameter of cone equals inner diameter of channel. Larger diameter of cone equals inner diameter of second-stage pipe. Angle at cone top is smaller than 90 deg. EFFECT: increased speed of pellets. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть применено в инжекторах топливных таблеток для ввода топлива и диагностики плазмы термоядерных установок. The invention relates to the field of controlled thermonuclear fusion and can be used in fuel injector tablets for fuel injection and plasma diagnostics of thermonuclear plants.

Известны двухступенчатые инжекторы таблеток термоядерного топлива /1,2/. Недостатками этих устройств является низкая скорость таблеток, поскольку, как только газ между поршнем второй ступени и таблеткой в стволе сжимается до 1-2 МПа, сила действующая на таблетку превышает силу сцепления (примерзания) таблетки со стволом и она начинает ускоряться. При этом объем ствола за таблеткой увеличивается, и повышение давления внутри трубы второй ступени слабо влияет на повышение давления непосредственно на тыльную сторону таблетки. Это приводит к тому, что, несмотря на большие давления газа во второй ступени (100 МПа и более), давление непосредственно на таблетку не превышает 1-3 МПа и ее скорость не удается увеличить свыше 3-3,4 км/с. Для ввода таблеток в центральную зону плазменного шнура термоядерных установок необходимо увеличить скорость свыше 5 км/с. Known two-stage injectors of tablets of thermonuclear fuel / 1,2 /. The disadvantages of these devices are the low speed of the tablets, because as soon as the gas between the second stage piston and the tablet in the barrel is compressed to 1-2 MPa, the force acting on the tablet exceeds the adhesion force (freezing) of the tablet and the barrel and it starts to accelerate. At the same time, the volume of the barrel behind the tablet increases, and the increase in pressure inside the second-stage pipe weakly affects the increase in pressure directly on the back of the tablet. This leads to the fact that, despite the high gas pressure in the second stage (100 MPa and more), the pressure directly on the tablet does not exceed 1-3 MPa and its speed cannot be increased above 3-3.4 km / s. To enter tablets into the central zone of the plasma cord of thermonuclear installations, it is necessary to increase the speed above 5 km / s.

За ближайший аналог выбран двухступенчатый инжектор таблеток термоядерного топлива /3/, содержащий вакуумную камеру со стволом, в начале которого установлена ячейка формирователя таблеток, соединенная с теплообменником, труба второй ступени с клапаном для ввода газа, поршень, имеющий возможность перемещаться внутри трубы, клапан для подачи газа из резервуара первой ступени в трубу второй ступени, клапан для заполнения резервуара, диагностическая камера, в которую вставлен конец ствола. В ячейке формирователя соосно с каналом ствола выполнено цилиндрическое отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру ствола. Газообразный водород (дейтерий) подается в ячейку, поддерживаемую при температуре около 10 К за счет охлаждения жидкогелиевым теплообменником, и замерзает внутри нее, формируя таблетку. Выстрел производится путем открывания клапана. Газ из резервуара разгоняет поршень, который сжимает газ, находящийся перед ним, в свою очередь ускоряя таблетку внутри ствола. For the closest analogue, a two-stage thermonuclear fuel tablet injector / 3 / was selected, containing a vacuum chamber with a barrel, at the beginning of which a tablet former cell connected to the heat exchanger, a second-stage pipe with a gas inlet valve, a piston that can move inside the pipe, a valve for gas supply from the tank of the first stage to the pipe of the second stage, a valve to fill the tank, a diagnostic chamber into which the end of the barrel is inserted. A cylindrical hole is made coaxially with the bore in the shaper cell, the diameter of which is equal to the inner diameter of the barrel. Hydrogen gas (deuterium) is supplied to the cell, maintained at a temperature of about 10 K by cooling with a liquid-helium heat exchanger, and freezes inside it, forming a tablet. A shot is made by opening the valve. Gas from the reservoir accelerates the piston, which compresses the gas in front of it, in turn accelerating the tablet inside the barrel.

Недостатком инжектора является невысокая скорость таблеток. The disadvantage of the injector is the low speed of the tablets.

Для поддержания стабильной термоядерной реакции необходимо вводить топливо в центральную зону плазменного шнура, что требует решения технической задачи по увеличению скорости топливных таблеток свыше 5 км/с. To maintain a stable thermonuclear reaction, it is necessary to introduce fuel into the central zone of the plasma cord, which requires solving the technical problem of increasing the speed of fuel pellets over 5 km / s.

Решение технической задачи достигается тем, что в двухступенчатом инжекторе таблеток термоядерного топлива, содержащем 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 перемещаться внутри трубы второй ступени, клапан для подачи газа из резервуара первой ступени в трубу второй ступени, клапан для заполнения резервуара, диагностическую камеру, внутренняя полость ячейки формирователя таблеток выполнена в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола, причем меньший диаметр конуса равен внутреннему диаметру ствола, больший диаметр конуса равен внутреннему диаметру трубы второй ступени, а угол вершины конуса меньше 90^o.The solution to the technical problem is achieved by the fact that in a two-stage injector of thermonuclear fuel tablets containing a vacuum chamber with a barrel, at the beginning of which a tablet former cell is connected, connected to a heat exchanger, a second-stage pipe with a gas inlet valve, and a piston that can move inside the second-stage pipe valve for supplying gas from the tank of the first stage to the pipe of the second stage, a valve for filling the tank, a diagnostic chamber, the internal cavity of the cell of the shaper the current is made in the form of a truncated cone, the axis of which coincides with the axis of the barrel, and the smaller diameter of the cone is equal to the inner diameter of the barrel, the larger diameter of the cone is equal to the inner diameter of the pipe of the second stage, and the angle of the apex of the cone is less than 90 ^o .

Такое выполнение внутренней полости ячейки формирователя таблеток позволит увеличить скорость таблеток, поскольку повышается давление, при котором таблетка начинает ускоряться в стволе. Обычно ускорение таблетки начинается, когда давление газа превышает 1-2 МПа, чтобы преодолеть силу примерзания таблетки к стволу. В предлагаемой конструкции ускорение таблетки начинается с ее экструзии сквозь сужающийся конический канал. Поэтому таблетка остается практически неподвижной до тех пор, пока давление газа, действующего непосредственно на ее тыльную часть не превысит 10 МПа и более, необходимых для экструзии при температуре твердого водорода 10-11 К /4/. Таким образом, на таблетку, выдавленную в ствол, действует начальное давление газа в 10 МПа и более, вместо обычных 1-З МПа. Это при прочих равных условиях увеличивает скорость таблеток в 1,5-2 раза, как показано в расчетах /5/. This embodiment of the inner cavity of the cell of the shaper tablets will increase the speed of the tablets, since the pressure increases, at which the tablet begins to accelerate in the barrel. Typically, tablet acceleration begins when the gas pressure exceeds 1-2 MPa to overcome the freezing power of the tablet to the barrel. In the proposed design, tablet acceleration begins with its extrusion through a tapering conical channel. Therefore, the tablet remains virtually stationary until the pressure of the gas acting directly on its back does not exceed 10 MPa or more, necessary for extrusion at a temperature of solid hydrogen of 10-11 K / 4 /. Thus, an initial gas pressure of 10 MPa or more acts on a tablet squeezed into the barrel instead of the usual 1-MPa. This, other things being equal, increases the speed of the tablets by 1.5-2 times, as shown in the calculations / 5 /.

Предлагаемое техническое решение существенно отличается от известных. В баллистике для повышения давления форсирования газа, действующего на снаряд, последний изготавливают с небольшим буртиком, который срезается, как только давление газа превысит определенное значение. Для твердоводородных таблеток это решение малоэффективно, так как прочность твердого водорода на срез составляет всего 0,2-0,4 МПа /6/. С другой стороны, таблетки инжектируются при температуре около 10 К, при которых твердый водород является пластичным материалом и не разрушается при сжатии, если в нем не возникают ударные волны. Поэтому при относительно небольших давлениях в 10-20 МПа, твердый водород легко выдавливается сквозь коническое отверстие с небольшой скоростью в 1-4 см/с. Условием отсутствия образования ударных волн в таблетке является условие на скорость увеличения давления на таблетку /7/
dP/dt < Р_o/2l,
где P -давление на торец таблетки,
t - время;
P_o - предел прочности (пластичности),
l - длина таблетки.The proposed technical solution differs significantly from the known. In ballistics, to increase the pressure forcing the gas acting on the projectile, the latter is made with a small bead that is cut off as soon as the gas pressure exceeds a certain value. For solid tablets, this solution is ineffective, since the shear strength of solid hydrogen is only 0.2-0.4 MPa / 6 /. On the other hand, tablets are injected at a temperature of about 10 K, at which solid hydrogen is a plastic material and does not collapse under compression if shock waves do not occur in it. Therefore, at relatively low pressures of 10-20 MPa, solid hydrogen is easily squeezed out through a conical hole at a low speed of 1-4 cm / s. The condition for the absence of shock waves in the tablet is the condition for the rate of increase in pressure on the tablet / 7 /
dP / dt <P _o / 2l,
where P is the pressure on the end face of the tablet,
t is the time;
P _o - tensile strength (ductility),
l is the length of the tablet.

Для обычных параметров двухступенчатых инжекторов это условие соблюдается, так как давление газа перед поршнем растет медленно. For the usual parameters of two-stage injectors, this condition is met, since the gas pressure in front of the piston grows slowly.

На поясняющем чертеже показана схема предлагаемого устройства. Инжектор содержит вакуумную камеру 1 со стволом 2, в начале которого установлена ячейка формирователя таблеток 3, соединенная с теплообменником 4; ячейка выполнена в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью ствола, причем меньший диаметр конуса равен внутреннему диаметру ствола, больший диаметр конуса равен внутреннему диаметру трубы второй ступени 5, снабженной клапаном 6 для ввода газа, а угол вершины конуса меньше 90; поршень 7, имеющий возможность перемещаться внутри трубы 5; клапан 8 для подачи газа из резервуара первой ступени 9 в трубу второй ступени; клапан 10 для заполнения резервуара; диагностическую камеру 11. The explanatory drawing shows a diagram of the proposed device. The injector comprises a vacuum chamber 1 with a barrel 2, at the beginning of which a tablet former 3 is connected, connected to a heat exchanger 4; the cell is made in the form of a truncated cone, the axis of which coincides with the axis of the barrel, the smaller diameter of the cone equal to the inner diameter of the barrel, the larger diameter of the cone equal to the inner diameter of the pipe of the second stage 5, equipped with a valve 6 for introducing gas, and the angle of the apex of the cone is less than 90; a piston 7 having the ability to move inside the pipe 5; a valve 8 for supplying gas from the reservoir of the first stage 9 to the pipe of the second stage; valve 10 for filling the tank; diagnostic camera 11.

Инжектор работает следующим образом. Газообразное топливо (например, водород) при давлении 0,01-0,05 МПа подается через клапан 6 в трубу 5 и далее в ячейку 3, поддерживаемую при температуре около 10 К за счет охлаждения жидкогелиевым теплообменником 4. Водород замерзает внутри конического отверстия ячейки. Давление в трубе 5 повышается до 0,06-0,07 МПа. В резервуар 9 подается газ (водород, гелий) при давлении 6-10 МПа через клапан 10. Выстрел начинается в момент, когда открывается клапан 8 и газ из резервуара 9 проникает в трубу 5 позади поршня 7. Поршень разгоняется и сжимает газ, находящийся перед ним. Давление и температура газа возрастают и при достижении 10 МПа водород начинает экструдироваться сквозь коническое отверстие прямо в ствол. Давление за таблеткой продолжает увеличиваться и выдавленная в ствол таблетка ускоряется газом и вылетает в диагностическую камеру 11 и далее в плазму. Вылетающий вслед за таблеткой газ откачивается через диагностическую камеру, а газ, ускоряющий поршень, откачивается через клапан 6. Режим работы клапанов 6 и 8 подбирается таким образом, чтобы поршень не успел вытолкнуть весь газ в ствол, а затормозился давлением этого газа и отскочил в обратную сторону в исходное состояние. Существенно, чтобы, как показывают эксперименты, угол при вершине конуса ячейки формирователя таблеток был менее 90^o для того, чтобы твердый водород экструдировался из ячейки формирователя в ствол без разрушения. Меньший диаметр конической ячейки должен равняться диаметру ствола, чтобы между стенками ствола и выдавленной в него таблеткой не возник зазор для прорыва ускоряющего газа. Больший диаметр конической ячейки должен быть равен диаметру трубы второй ступени для того, чтобы избежать образования паразитных "застойных" зон в газе и неоправданного (без повышения скорости таблеток) увеличения количества ускоряющего газа, что увеличивает расходы на его откачку. Длина ячейки подбирается таким образом, чтобы длина таблетки всегда превышала ее диаметр, что необходимо в баллистике для устойчивого ускорения снаряда в стволе.The injector operates as follows. Gaseous fuel (for example, hydrogen) at a pressure of 0.01-0.05 MPa is supplied through valve 6 to pipe 5 and then to cell 3, maintained at a temperature of about 10 K by cooling with a liquid-helium heat exchanger 4. Hydrogen freezes inside the conical opening of the cell. The pressure in the pipe 5 rises to 0.06-0.07 MPa. Gas (hydrogen, helium) is supplied to the tank 9 at a pressure of 6-10 MPa through the valve 10. The shot starts at the moment when the valve 8 opens and the gas from the tank 9 enters the pipe 5 behind the piston 7. The piston accelerates and compresses the gas in front him. The pressure and temperature of the gas increase and when it reaches 10 MPa, hydrogen begins to extrude through a conical hole directly into the barrel. The pressure behind the tablet continues to increase and the tablet squeezed out into the barrel is accelerated by gas and flies into the diagnostic chamber 11 and further into the plasma. The gas escaping after the tablet is pumped out through the diagnostic chamber, and the gas accelerating the piston is pumped out through valve 6. The operating mode of valves 6 and 8 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 back side to its original state. It is essential that, as experiments show, the angle at the apex of the cone of the tablet former is less than 90 ^° so that solid hydrogen is extruded from the former to the barrel without breaking. The smaller diameter of the conical cell should be equal to the diameter of the barrel, so that between the walls of the barrel and the extruded tablet there is no gap for the breakthrough of the accelerating gas. The larger diameter of the conical cell should be equal to the diameter of the second-stage pipe in order to avoid the formation of spurious "stagnant" zones in the gas and unjustified (without increasing the speed of the tablets) increase in the amount of accelerating gas, which increases the cost of pumping it. The cell length is selected so that the length of the tablet always exceeds its diameter, which is necessary in ballistics for sustained acceleration of the projectile in the barrel.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных тем, что таблетка начинает ускоряться в стволе при более высоком начальном давлении газа, что приводит к увеличению ее скорости в 1,5-2 раза. Это дает возможность увеличить глубину проникновения топлива в плазму на 10-15% и поддерживать стабильную термоядерную реакцию в центральных зонах плазмы. The proposed device compares favorably with the known ones in that the tablet begins to accelerate in the barrel at a higher initial gas pressure, which leads to an increase in its speed by 1.5-2 times. This makes it possible to increase the depth of fuel penetration into the plasma by 10-15% and maintain a stable thermonuclear reaction in the central zones of the plasma.

Список литературы
1. Development of a two-stage light gas gun to accelerate hydrogen pellets to high speeds for plasma fueling applications./ S.K.Combs, S.L.Milora, C.R.Foust, at al.// J.Vac.Sci.Technol. A7(3),May/Jun,1989,p.963-967.List of references
1. Development of a two-stage light gas gun to accelerate hydrogen pellets to high speeds for plasma fueling applications./ SKCombs, SLMilora, CRFoust, at al.// J.Vac.Sci.Technol. A7 (3), May / Jun, 1989, p. 963-967.

2. High-speed pellet injection with a two-stage pneumatic gun./A.Reggiori, R.Carlevaro, G.Riva, at al.// J.Vac.Sci.Technol. A6(4), Jul/Aug,1988,p. 2556-2558. 2. High-speed pellet injection with a two-stage pneumatic gun./A. Reggiori, R. Carlevaro, G. Riva, at al.// J.Vac.Sci.Technol. A6 (4), Jul / Aug, 1988, p. 2556-2558.

3. Development of a two-stage pellet injector for Heliotron-E. /S.Sudo, T.Baba, M. Kanno, S.Saka//Fusion Technology, vol.20, Dec., 1991, p.387-398. 3. Development of a two-stage pellet injector for Heliotron-E. / S. Sudo, T. Baba, M. Kanno, S. Saka // Fusion Technology, vol. 20, Dec., 1991, p. 387-398.

4. И. В.Виняр и др./ Метод непрерывной экструзии твердого термоядерного топлива// ЖТФ, 1995, т.65, вып.7, стр. 167-175. 4. I.V. Vinyar et al. / Method of continuous extrusion of solid thermonuclear fuel // ZhTF, 1995, v.65, issue 7, p. 167-175.

5. И. В. Виняр и др./ Инжектор топливных таблеток, использующий высокотемпературный газ: принцип действия, конструкция, диагностика// ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 1986, вып.4, с.22-26. 5. I. V. Vinyar et al. / Fuel pellet injector using high-temperature gas: principle of operation, design, diagnostics // VANT. Ser. Thermonuclear Fusion, 1986, issue 4, pp. 22-26.

6. И.Н. Крупский и др./Пластическая деформация твердого водорода// Физика низких температур, 1977,т.3, вып.7, с.933-939. 6. I.N. Krupsky et al. / Plastic deformation of solid hydrogen // Low Temperature Physics, 1977, v. 3, issue 7, pp. 933-939.

7. И.В.Виняр / К вопросу о разрушении и испарении топливных таблеток при ускорении в легкогазовых инжекторах// Доклады 5 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. М.:ЦНИИатоминформ, 1990, с. 309-310. 7. I.V. Vinyar / On the issue of the destruction and evaporation of fuel pellets during acceleration in light gas injectors // Reports of the 5th All-Union Conference on Engineering Problems of Thermonuclear Reactors. M.: Central Research Institute of Atominform, 1990, p. 309-310.

Claims

A two-stage injector of thermonuclear fuel tablets containing a vacuum chamber with a barrel, at the beginning of which there is a tablet former cell connected to a heat exchanger, a second-stage pipe with a gas inlet valve, a piston that can move the second stage inside the pipe, a valve for supplying gas from the first tank feet into the pipe of the second stage, a valve for filling the reservoir of the first stage, a diagnostic chamber, characterized in that the internal cavity of the cell of the tablet former is made in de truncated cone whose axis coincides with the barrel axis, the smaller diameter of the cone is equal to the inner diameter of the barrel, the larger diameter of the cone equal to the inner diameter of the tube of the second stage, and cone apex angle less than 90 ^o.