RU2735945C1

RU2735945C1 - Centrifugal injector of thermonuclear fuel macroparticles

Info

Publication number: RU2735945C1
Application number: RU2020109487A
Authority: RU
Inventors: Игорь Васильевич ВИНЯР
Original assignee: Игорь Васильевич ВИНЯР
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-11-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to centrifugal injector of macroparticles of thermonuclear fuel intended for injection of fuel into thermonuclear plants. Injector contains a vacuum chamber with an outlet branch pipe, into which a rotor is inserted, on which a path for acceleration of macroparticles is fixed, having input and output sections for input and output of macroparticles from the path. Injector also comprises a rotor drive, an extruder provided with a drive, a fuel feed branch pipe and a spinneret having a through channel for releasing fuel from the extruder in the form of an ice rod, as well as cooler, device for movement of ice rod from extruder to trajectory of rotation of inlet section of tract for acceleration of macroparticles. Besides, the extruder is arranged so that the trajectory, from which its outrigger extrudes fuel in the form of an ice rod, is located nearby, but not on the path of rotation of the inlet section of the tract for acceleration of macroparticles.

EFFECT: technical result is possibility of continuous fuel injection into thermonuclear reactor in frequency mode with provision of stationary mode of reactor operation.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для инжекции топлива в термоядерные установки. В термоядерные реакторы (например, ИТЭР) топливо предполагается вбрасывать в виде макрочастиц (льдинок) из твердых изотопов водорода размером 3-5 мм с частотой более 10 Гц со скоростями более 300 м/с в непрерывном режиме в течение 1000 с и более [1].The invention relates to the field of controlled thermonuclear fusion and can be used for fuel injection into thermonuclear installations. In thermonuclear reactors (for example, ITER), fuel is supposed to be injected in the form of macroparticles (pieces of ice) of solid hydrogen isotopes 3-5 mm in size with a frequency of more than 10 Hz at speeds of more than 300 m / s in a continuous mode for 1000 s and more [1] ...

Известны пневматические инжекторы макрочастиц термоядерного топлива [2], в которых макрочастицы ускоряются сжатым газом и инжектируются в плазму. Их недостатком является наличие большого количества газа, сопровождающего макрочастицу, который необходимо удалять, чтобы не прекратилась термоядерная реакция.Known pneumatic injectors of pellets of thermonuclear fuel [2], in which the pellets are accelerated by compressed gas and injected into the plasma. Their disadvantage is the presence of a large amount of gas accompanying the macroparticle, which must be removed so that the thermonuclear reaction does not stop.

Известны центробежные инжекторы макрочастиц термоядерного топлива [3-25], в которых макрочастицы ускоряются центробежной силой. В мире было создано 11 центробежных инжекторов: 5 с участием Германии, 4 в США и 2 в России. Все они состоят из вакуумной камеры, в которой находится вращающийся ротор с укрепленным на нем трактом (желобом или трубкой) для ускорения макрочастиц, и экструдером, выдавливающим ледяной стержень из твердых изотопов водорода, из которого формируются макрочастицы (льдинки). Все известные центробежные инжекторы можно разделить на 2 типа: с прямой и непрямой подачей макрочастиц в ускорительный тракт центрифуги. При прямой подаче макрочастицы отрезаются непосредственно острыми краями ускорительного тракта (обычно выполняемого в виде тонкостенной трубки), вращающегося вместе с ротором. В момент отрезания макрочастица попадает в тракт и далее ускоряется в нем за счет вращения ротора. При непрямой подаче макрочастицы отрезают от ледяного стержня специальными устройствами и вбрасывают в ускорительный тракт в строго определенное время, синхронизированное с вращением ротора центрифуги.Known centrifugal injectors for pellets of thermonuclear fuel [3-25], in which the pellets are accelerated by centrifugal force. 11 centrifugal injectors were created in the world: 5 with the participation of Germany, 4 in the USA and 2 in Russia. All of them consist of a vacuum chamber, in which there is a rotating rotor with a tract (chute or tube) attached to it to accelerate the macroparticles, and an extruder that squeezes out an ice rod of solid hydrogen isotopes, from which macroparticles (ice floes) are formed. All known centrifugal injectors can be divided into 2 types: with direct and indirect feeding of particulates into the accelerating path of the centrifuge. In direct feeding, the particulates are cut directly by the sharp edges of an accelerating path (usually made in the form of a thin-walled tube) rotating with the rotor. At the moment of cutting, the macroparticle enters the tract and is further accelerated in it due to the rotation of the rotor. In the case of indirect feeding, the pellets are cut off from the ice rod by special devices and thrown into the accelerating tract at a strictly defined time, synchronized with the rotation of the centrifuge rotor.

Недостатком центробежных инжекторов с непрямой подачей макрочастиц является низкая надежность вылета макрочастиц из ускорительного тракта вдоль требуемой траектории вылета. Угловой разброс при вылете макрочастиц из таких инжекторов составляет +/- 4° и более, что приводит к разрушению значительного числа макрочастиц из-за их ударов о стенки канала, по которому они транспортируются в плазму термоядерной установки, что снижает надежность подачи топлива. Угловой разброс связан с тем, что при экструзии лед твердых изотопов водорода пластичен и с его поверхности в вакуум постоянно сублимирует пар. Как только макрочастица отрезается от выдавленного ледяного стержня, образующийся при отрезании пар перемещает легкую макрочастицу из водорода в произвольном направлении и с непредсказуемой скоростью. Нестабильность попадания макрочастицы в ускорительный тракт ведет к разбросу по времени вылета макрочастицы из тракта после ускорения и ее движению под недопустимо большим углом к оси требуемой траектории, совпадающей с осью канала для транспортировки макрочастиц в плазму.The disadvantage of centrifugal injectors with indirect feeding of pellets is the low reliability of the release of pellets from the accelerating channel along the required exit trajectory. The angular spread during the emergence of macroparticles from such injectors is +/- 4 ° and more, which leads to the destruction of a significant number of macroparticles due to their impacts on the walls of the channel through which they are transported into the plasma of a thermonuclear installation, which reduces the reliability of the fuel supply. The angular spread is due to the fact that during extrusion ice of solid hydrogen isotopes is plastic and vapor constantly sublimates from its surface into vacuum. As soon as the particulate is cut from the extruded ice rod, the steam generated during the cutting moves the light hydrogen particulate in an arbitrary direction and at an unpredictable speed. The instability of the ingress of the macroparticle into the accelerating channel leads to a scatter in the time of the departure of the macroparticle from the channel after acceleration and to its movement at an unacceptably large angle to the axis of the required trajectory, which coincides with the axis of the channel for transporting the macroparticles to the plasma.

В первом центробежном инжекторе с прямой подачей изогнутая трубка была закреплена на стальном диске, который вращался с частотой до 150 Гц [3]. Острые края трубки при каждом обороте диска отрезали макрочастицы диаметром 0,8 мм от экструдировавшегося стержня твердого дейтерия, так что синхронизация подачи макрочастиц в ускорительный тракт происходила автоматически. Недостаток инжектора в том, что такая прямая подача макрочастиц в тракт ускорителя приводит к тому, что частота инжекции топлива равна частоте вращения центрифуги, которая слишком велика для усвоения топлива плазмой. Кроме того, увеличение размера макрочастиц до 3 мм требует увеличения скорости экструзии до 450 мм/с, что в несколько раз больше максимально достигнутой на сегодняшний день.In the first direct-fed centrifugal injector, a curved tube was fixed to a steel disk that rotated at a frequency of up to 150 Hz [3]. The sharp edges of the tube cut off 0.8 mm diameter pellets from the extruded solid deuterium rod at each rotation of the disk, so that the feed of pellets into the accelerating tract was automatically synchronized. The disadvantage of the injector is that such a direct supply of particulates into the accelerator path leads to the fact that the frequency of fuel injection is equal to the rotational speed of the centrifuge, which is too high for the absorption of fuel by the plasma. In addition, an increase in the size of macroparticles to 3 mm requires an increase in the extrusion speed to 450 mm / s, which is several times higher than the maximum achieved to date.

За ближайший аналог выбран центробежный инжектор с прямой подачей макрочастиц [6,], содержащий вакуумную камеру с системой вакуммирования и выходным патрубком, в которую вставлен ротор, на котором укреплен тракт для ускорения макрочастиц, имеющий входной и выходной участки для ввода и вывода макрочастиц из тракта, привод для вращения ротора, систему подачи топлива в экструдер, снабженный приводом, патрубком для подачи топлива и фильерой, имеющей сквозной канал для выпуска топлива из экструдера в виде ледяного стержня, охладитель, устройство для перемещения ледяного стержня из экструдера на траекторию вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц. Топливо (водород, дейтерий, тритий или их смеси) в виде газа или жидкости поступает в экструдер и затвердевает в нем при низкой температуре (8-10 К), обеспечиваемой охладителем (жидким гелием или криорефрижератором). Привод экструдера выдавливает затвердевшее топливо в виде ледяного стержня при температуре 11-16 К в нижнюю часть экструдера, где оно замораживается до температуры 3-8 К, при которой сублимационный пар с поверхности льда практически исчезает, а лед становится прочным и несжимаемым. При инжекции устройство для перемещения ледяного стержня выдвигает его часть из экструдера на траекторию движения входного участка ускорительного тракта, который своими острыми краями отрезает часть ледяного стержня, и захватывает сформированную таким способом макрочастицу в ускорительный тракт. Макрочастица движется по ускорительному тракту за счет действия центробежных сил и вылетает из выходного участка тракта ускорения в выходной патрубок вакуумной камеры. Ротор вращается вместе с ускорительным трактом и за время одного оборота устройство для перемещения ледяного стержня выдвигает из экструдера новую порцию стержня для отрезания и формирования макрочастицы. Цикл повторяется. Детали конструкции и описание работы ближайшего аналога приведены также в [7-10].For the closest analogue, a centrifugal injector with a direct feed of macroparticles [6,] was chosen, containing a vacuum chamber with a vacuum system and an outlet pipe, into which a rotor is inserted, on which a tract for accelerating the macroparticles is fixed, which has inlet and outlet sections for input and output of macroparticles from the tract , a drive for rotating the rotor, a system for feeding fuel to the extruder, equipped with a drive, a branch pipe for fuel supply and a die having a through channel for discharging fuel from the extruder in the form of an ice rod, a cooler, a device for moving the ice rod from the extruder to the trajectory of rotation of the inlet section of the path to accelerate particulates. Fuel (hydrogen, deuterium, tritium or their mixtures) in the form of a gas or liquid enters the extruder and solidifies in it at a low temperature (8-10 K) provided by a cooler (liquid helium or cryorefrigerator). The extruder drive squeezes the solidified fuel in the form of an ice rod at a temperature of 11-16 K into the lower part of the extruder, where it is frozen to a temperature of 3-8 K, at which the sublimation steam from the ice surface practically disappears, and the ice becomes strong and incompressible. During injection, the device for moving the ice rod pushes a part of it out of the extruder onto the trajectory of the inlet section of the accelerating tract, which cuts off a part of the ice rod with its sharp edges and captures the particulate formed in this way into the accelerating tract. The macroparticle moves along the accelerating path due to the action of centrifugal forces and flies out from the outlet section of the acceleration path into the outlet pipe of the vacuum chamber. The rotor rotates together with the accelerating path and during one revolution the device for moving the ice rod pushes a new portion of the rod out of the extruder for cutting and forming a pellet. The cycle repeats itself. Construction details and a description of the closest analogue operation are also given in [7-10].

Недостатком инжектора является ограниченность времени непрерывной работы. Во-первых, охлажденный до температуры 3-8 К стержень, из которого нарезаются макрочастицы, имеет длину около 100 мм и из него можно сформировать всего 80-100 макрочастиц длиной 1-1,2 мм. Но для формирования макрочастиц длиной 3 мм с частотой 10 Гц в течение 1000 с, как того требует реактор ИТЭР, потребуется экструдировать при температуре 11-16 К, охладить до 3-8 К и выдвигать из экструдера стержень длиной более 30 м, что практически неосуществимо. Во-вторых, экструдер расположен так, что выдвигаемый из него ледяной стержень попадает точно на траекторию вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц. Из-за такого расположения экструдера выдвигаемый из него ледяной стержень должен иметь достаточную скорость, чтобы за время одного оборота ротора центрифуги длина выдвинутой части стержня была не меньше длины макрочастицы, которая будет от него отрезана. То есть скорость выдвижения стержня должна соответствовать скорости вращения центрифуги и фактически определяется ею. Скорость макрочастицы должна быть не менее 300 м/с, что при разумных размерах тракта для ускорения макрочастиц и ротора центрифуги (диаметр менее 1 м) требует вращения ротора с частотой от 50 до 500 Гц. Даже при минимальной частоте вращения ротора 50 Гц, то есть за время одного оборота в 20 мс, стержень должен выдвигаться из экструдера со скоростью не менее 150 мм/с для того, чтобы можно было отрезать макрочастицу длиной 3 мм и инжектировать ее в плазму. Это недостижимая на сегодняшний день скорость экструзии льда из твердых изотопов водорода, которая ограничена их физическими свойствами и составляет менее 100 мм/с. Именно поэтому в инжекторе, выбранном за ближайший аналог [6-10], да и в других центробежных инжекторах с непрямой подачей макрочастиц в ускорительный тракт [11-14], ледяной стержень сначала экструдируется при 11-15 К, потом охлаждается до 3-8 К чтобы избавиться от насыщенного пара и приобрести необходимую прочность и несжимаемость, и только затем стержень длиной около 100 мм выдвигается из экструдера с требуемой скоростью. Чтобы обеспечить высокую скорость выдвижения стержня из экструдера (0,6-3,5 м/с) в устройстве для перемещения льда применяется ударный или молотковый механизм, который изнашивается после 5000 ударов (5000 сформированных макрочастиц) и требует замены, что также ограничивает время непрерывной работы инжектора [9]. Кроме того, из-за взаимного расположения экструдера и входного участка тракта ускорения на траекторию вращения последнего за один оборот ротора можно подавать только один стержень, тогда как фильера может иметь 2 и более каналов для одновременной экструзии льда в виде 2 и более стержней. Это также ограничивает время непрерывной работы инжектора.The disadvantage of the injector is the limited time of continuous operation. First, the rod cooled to a temperature of 3-8 K, from which the macroparticles are cut, has a length of about 100 mm, and only 80-100 macroparticles with a length of 1-1.2 mm can be formed from it. But to form macroparticles with a length of 3 mm with a frequency of 10 Hz for 1000 s, as required by the ITER reactor, it will be necessary to extrude at a temperature of 11-16 K, cool to 3-8 K and pull out a rod longer than 30 m from the extruder, which is practically impossible ... Secondly, the extruder is positioned so that the ice rod pulled out from it falls exactly on the trajectory of rotation of the inlet section of the path for accelerating the pellets. Due to this arrangement of the extruder, the ice rod pulled out of it must have a sufficient speed so that during one revolution of the centrifuge rotor, the length of the extended part of the rod is not less than the length of the pellet that will be cut off from it. That is, the speed of extension of the rod should correspond to the rotation speed of the centrifuge and is actually determined by it. The speed of the macroparticle must be at least 300 m / s, which, with a reasonable size of the path for accelerating the macroparticles and the centrifuge rotor (diameter less than 1 m), requires the rotation of the rotor with a frequency of 50 to 500 Hz. Even at a minimum rotor speed of 50 Hz, that is, during one revolution of 20 ms, the rod must be pulled out of the extruder at a speed of at least 150 mm / s in order to be able to cut a pellet with a length of 3 mm and inject it into the plasma. This is the currently unattainable rate of ice extrusion from solid hydrogen isotopes, which is limited by their physical properties and is less than 100 mm / s. That is why, in the injector chosen for the closest analogue [6-10], as well as in other centrifugal injectors with indirect feeding of macroparticles into the accelerating tract [11-14], the ice rod is first extruded at 11-15 K, then cooled to 3-8 To get rid of saturated steam and acquire the necessary strength and incompressibility, and only then a rod about 100 mm long is pulled out of the extruder at the required speed. To ensure a high speed of extension of the rod from the extruder (0.6-3.5 m / s), an impact or hammer mechanism is used in the ice transfer device, which wears out after 5000 blows (5000 formed macroparticles) and requires replacement, which also limits the time of continuous injector operation [9]. In addition, due to the relative position of the extruder and the inlet section of the acceleration path, only one rod can be supplied to the trajectory of rotation of the latter in one revolution of the rotor, while the die can have 2 or more channels for the simultaneous extrusion of ice in the form of 2 or more rods. This also limits the continuous operation of the injector.

Технической задачей и целью изобретения является создание центробежного инжектора для длительной непрерывной подачи топливных макрочастиц в частотном режиме.The technical problem and purpose of the invention is to create a centrifugal injector for long-term continuous supply of fuel pellets in a frequency mode.

Решение технической задачи достигается тем, что в центробежном инжекторе содержащем вакуумную камеру с системой вакуммирования и выходным патрубком, в которую вставлен ротор, на котором укреплен тракт для ускорения макрочастиц, имеющий входной и выходной участки для ввода и вывода макрочастиц из тракта, привод для вращения ротора, систему подачи топлива в экструдер, снабженный приводом, патрубком для подачи топлива и фильерой, имеющей сквозной канал для выпуска топлива из экструдера в виде ледяного стержня, охладитель, устройство для перемещения ледяного стержня из экструдера на траекторию вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц, экструдер расположен так, что траектория, по которой из его фильеры выдавливается топливо в виде ледяного стержня, находится вблизи, но не на траектории вращения входного участка тракта для ускорения макрочастиц.The solution to the technical problem is achieved by the fact that in a centrifugal injector containing a vacuum chamber with a vacuum system and an outlet pipe, into which a rotor is inserted, on which a tract for accelerating macroparticles is fixed, which has an inlet and outlet sections for input and output of macroparticles from the tract, a drive for rotating the rotor , a system for supplying fuel to the extruder, equipped with a drive, a branch pipe for supplying fuel and a die having a through channel for discharging fuel from the extruder in the form of an ice rod, a cooler, a device for moving the ice rod from the extruder to the trajectory of rotation of the inlet section of the path for accelerating the pellets, extruder is located so that the trajectory along which the fuel in the form of an ice rod is squeezed out of its spinneret is near, but not on the trajectory of rotation of the inlet section of the tract for accelerating the macroparticles.

Сущность изобретения заключается в том, что ледяной стержень непрерывно экструдируется вблизи траектории входного участка ускорительного тракта и перемещается на эту траекторию с требуемой частотой инжекции. При этом существенно то, что как было установлено в наших экспериментах, при экструзии ледяной стержень является пластичным и, под действием насыщенного пара сублимирующего с его поверхности, легко изгибается без разрушения, как видно из серии фотографий на Фиг. 1, сделанных видеокамерой со скоростью 15 кадров в секунду, а также из прилагаемой видеозаписи экструзии 2 мм дейтериевого стержня, которая размещена в облаке И.В. Виняра и доступна по ссылке https://yadi.sk/i/I8-x4JTQEdN16A. Многолетние наблюдения автора за экструзией водорода/дейтерия подтверждают, что выдавленный стержень часто колеблется влево-вправо под действием насыщенных паров сублимирующих с поверхности стержня и, следовательно, может быть принудительно перемещен целиком на траекторию входного участка тракта ускорения без нарезания его на макрочастицы. Надо отметить, что стержень не меняет своих размеров и качество льда не ухудшается из-за абляции по крайней мере на расстоянии 100 мм от экструдера, которое было доступно для визуального контроля, как показано на Фиг. 2. В предлагаемой конструкции нет необходимости выдавливать стержень нужной длины за один оборот ротора центрифуги. Ротор (радиусом 0,3 м) может вращаться с регулируемой частотой 100-150 Гц, необходимой для ускорения макрочастиц до 300-400 м/с, а стержень подаваться на траекторию вращения входного участка ускорительного тракта с требуемой частотой инжекции 10 Гц и более. При этом острая кромка входного участка ускорительного тракта будет вырезать макрочастицу из стержня и будут обеспечены все преимущества прямого метода подачи макрочастиц в ускорительный тракт, а именно: абсолютная синхронизация подачи макрочастиц с положением ротора, надежная и стабильная инжекция с минимальным угловым разбросом макрочастиц при вылете из выходного патрубка вакуумной камеры центрифуги. Кроме того, допустимо применение фильеры с 2 и более каналами для выдавливания стержней из одного экструдера вблизи траектории вращения входного участка вращающегося ускорительного тракта, как показано на Фиг. 3.The essence of the invention lies in the fact that the ice rod is continuously extruded near the trajectory of the inlet section of the accelerating tract and moves to this trajectory with the required injection frequency. At the same time, it is important that, as it was established in our experiments, during extrusion, the ice rod is plastic and, under the action of saturated steam sublimating from its surface, easily bends without destruction, as can be seen from the series of photographs in Fig. 1, taken with a video camera at a speed of 15 frames per second, as well as from the attached video recording of the extrusion of a 2 mm deuterium rod, which is located in the cloud of I.V. Vinyar and is available at https://yadi.sk/i/I8-x4JTQEdN16A. The author's long-term observations of the extrusion of hydrogen / deuterium confirm that the extruded rod often oscillates left-right under the action of saturated vapors sublimating from the rod surface and, therefore, can be forcibly moved entirely onto the trajectory of the entrance section of the acceleration tract without cutting it into macroparticles. It should be noted that the rod does not change its dimensions and the quality of the ice does not deteriorate due to ablation at a distance of at least 100 mm from the extruder, which was accessible for visual inspection, as shown in FIG. 2. In the proposed design, there is no need to squeeze out a rod of the required length during one revolution of the centrifuge rotor. The rotor (with a radius of 0.3 m) can rotate with an adjustable frequency of 100-150 Hz, which is necessary to accelerate the macroparticles to 300-400 m / s, and the rod can be fed into the trajectory of rotation of the inlet section of the accelerating tract with the required injection frequency of 10 Hz or more. In this case, the sharp edge of the inlet section of the accelerating channel will cut out a particulate from the rod and all the advantages of the direct method of feeding particulates into the accelerating channel will be ensured, namely: absolute synchronization of the feeding of particulates with the rotor position, reliable and stable injection with a minimum angular spread of particulates when leaving the outlet. the branch pipe of the vacuum chamber of the centrifuge. In addition, it is permissible to use a die with 2 or more channels for extruding rods from one extruder near the trajectory of rotation of the inlet section of the rotating accelerating path, as shown in FIG. 3.

Предлагаемое устройство существенно отличается от известных. В известных конструкциях стержень экструдируется вблизи траектории входного участка тракта ускорения, но во входной участок тракта ускорения подаются только отрезанные из стрежня макрочастицы. Существенно, что стержень сохраняет целостность при перемещении на траекторию входного участка тракта ускорения до момента отрезания от него макрочастицы острой кромкой этого тракта ускорения в отличие от макрочастицы, которая, будучи отрезана от стержня на некотором расстоянии от входного участка тракта ускорения, подается в него с нестабильной скоростью по случайной траектории и в не точно заданный момент времени (который зависит от влияния сублимирующего с поверхности макрочастицы пара), что приводит к снижению надежности инжекции [21].The proposed device differs significantly from the known ones. In the known structures, the rod is extruded near the trajectory of the inlet section of the acceleration path, but only the pellets cut from the rod are fed into the inlet portion of the acceleration path. It is essential that the rod retains its integrity when moving to the trajectory of the input section of the acceleration tract until the macroparticle is cut off from it by the sharp edge of this acceleration tract, in contrast to the macroparticle, which, being cut off from the rod at some distance from the input section of the acceleration tract, is fed into it with an unstable velocity along a random trajectory and at an inaccurately specified moment of time (which depends on the influence of vapor sublimating from the surface of a macroparticle), which leads to a decrease in the reliability of injection [21].

Схема предлагаемой конструкции центробежного инжектора приведена на Фиг. 4. Шнековый экструдер (или поршневой с достаточным количеством топлива для работы в течение 1000 с) вставлен в вакуумную камеру. К экструдеру прикреплен охладитель (в виде 1-3 криорефрижераторов или теплообменника с жидким гелием). В нижней части вакуумной камеры размещен ротор, на котором закреплен ускорительный тракт в виде изогнутой трубки, выходной участок которой расположен на окружности ротора, как показано на Фиг. 5. Экструдер может быть вакуумно изолирован от нижней части камеры с ротором для снижения влияния сублимирующего пара на работу экструдера. Экструдер расположен так, чтобы выдавливаемый из него ледяной стержень проходил на расстоянии примерно 1 мм от траектории вращения входного участка ускорительного тракта. Экструдированный стержень может двигаться как в свободном пространстве, так и внутри гибкой направляющей трубки (например, пружины), нижний конец которой прикреплен к устройству перемещения ледяного стержня на траекторию вращения входного участка тракта ускорения макрочастиц. Устройство может перемещать ледяной стержень (или гибкую трубку с ледяным стержнем) взад-вперед и устанавливать его на траекторию движения входного участка ускорительного тракта.A diagram of the proposed design of a centrifugal injector is shown in Fig. 4. A screw extruder (or piston extruder with sufficient fuel to run for 1000 s) is inserted into the vacuum chamber. A cooler is attached to the extruder (in the form of 1-3 cryorefrigerators or a heat exchanger with liquid helium). In the lower part of the vacuum chamber there is a rotor, on which an accelerating path in the form of a curved tube is fixed, the outlet section of which is located on the circumference of the rotor, as shown in FIG. 5. The extruder can be vacuum sealed from the bottom of the rotor chamber to reduce the effect of freeze-drying steam on the operation of the extruder. The extruder is positioned so that the ice rod extruded from it passes at a distance of about 1 mm from the trajectory of rotation of the inlet section of the accelerating tract. The extruded rod can move both in free space and inside a flexible guide tube (for example, a spring), the lower end of which is attached to a device for moving the ice rod to the trajectory of rotation of the entrance section of the particle acceleration tract. The device can move an ice rod (or a flexible tube with an ice rod) back and forth and place it on the trajectory of the acceleration tract inlet section.

Инжектор работает следующим образом. После откачки вакуумной камеры системой вакууммирования охладитель понижает температуру экструдера до 8-10 К. Газообразный (или жидкий) водород/дейтерий подается в экструдер из системы подачи топлива и замерзает там. Шнек экструдера вращается приводом и непрерывно выдавливает ледяной стержень из экструдера мимо ротора с ускорительным трактом. Ротор раскручивается приводом до заданной частоты вращения в диапазоне 100-150 Гц. По команде устройство перемещения ледяного стержня смещает его нижнюю часть на короткое время на траекторию вращения входного участка ускорительного тракта, а затем возвращает стержень в исходное положение. Острые края трубки входного участка тракта ускорения вырезают макрочастицу из стержня, которая тут же попадает в ускорительный тракт. Макрочастица движется вдоль ускорительного тракта и вылетает из него по касательной сквозь выходной патрубок вакуумной камеры. При радиусе тракта ускорения 0,3 м скорость вылетевших макрочастиц может варьироваться от 300 м/с до 400 м/с при изменении частоты вращения ротора от 100 Гц до 150 Гц. Остатки стержня после отрезания макрочастиц испаряются на поверхности вакуумной камеры, имеющей комнатную температуру и удаляются из нее системой вакууммирования.The injector works as follows. After pumping out the vacuum chamber by the vacuum system, the cooler lowers the temperature of the extruder to 8-10 K. Gaseous (or liquid) hydrogen / deuterium is fed into the extruder from the fuel supply system and freezes there. The screw of the extruder is rotated by the drive and continuously pushes the ice rod out of the extruder past the rotor with the accelerating path. The rotor is spun up by the drive to a given rotation frequency in the range of 100-150 Hz. On command, the device for moving the ice rod shifts its lower part for a short time to the trajectory of rotation of the inlet section of the accelerating tract, and then returns the rod to its original position. The sharp edges of the tube of the inlet section of the acceleration tract cut out a particulate from the rod, which immediately enters the acceleration tract. The macroparticle moves along the accelerating tract and flies out of it tangentially through the outlet of the vacuum chamber. With a radius of the acceleration path of 0.3 m, the speed of the escaped macroparticles can vary from 300 m / s to 400 m / s when the rotor speed changes from 100 Hz to 150 Hz. The remains of the rod after cutting off the pellets evaporate on the surface of the vacuum chamber at room temperature and are removed from it by the vacuum system.

Предлагаемый центробежный инжектор выгодно отличается от известных тем, что способен длительное время работать непрерывно и инжектировать топливные макрочастицы в частотном режиме. Топливо в виде ледяного стержня может непрерывно выдавливаться из экструдера мимо траектории вращения входного участка тракта ускорения макрочастиц и скорость экструзии топлива не зависит от частоты вращения ротора. Одновременно из одного экструдера могут выдавливаться 2 и более стержней различных размеров, которые с определенной частотой могут перемещаться на траекторию вращения входного участка тракта ускорения независимо друг от друга, что позволяет повысить частоту инжекции и варьировать размеры макрочастиц.The proposed centrifugal injector compares favorably with the known ones in that it is capable of operating continuously for a long time and injecting fuel pellets in a frequency mode. Fuel in the form of an ice rod can be continuously squeezed out of the extruder past the trajectory of rotation of the inlet section of the acceleration path of particulates, and the rate of fuel extrusion does not depend on the rotor speed. At the same time, 2 or more rods of various sizes can be extruded from one extruder, which can move at a certain frequency to the rotation path of the inlet section of the acceleration path independently of each other, which makes it possible to increase the injection frequency and vary the size of the macroparticles.

Список литературыList of references

1. L.R. Baylor, Р.В. Parks, Т.С. Jerningan, et al. Pellet fuelling and control of burning plasmas in ITER. // Nuclear Fusion. 2007. Vol. 47. PP. 443-448.1. L.R. Baylor, R. B. Parks, T.C. Jerningan, et al. Pellet fuelling and control of burning plasmas in ITER. // Nuclear Fusion. 2007. Vol. 47. PP. 443-448.

2. S. Combs. Pellet injection technology // Rev. Sci. Instr. 1993. Vo. 64. No. 7. PP. 1679-1698.2. S. Combs. Pellet injection technology // Rev. Sci. Instr. 1993. Vo. 64. No. 7. PP. 1679-1698.

3. C. Foster. Centrifugal pellet injector. Bullet. American Physical Society. Series 2. 1980. Vol. 25. P. 976.3. C. Foster. Centrifugal pellet injector. Bullet. American Physical Society. Series 2. 1980. Vol. 25. P. 976.

4. C. Foster, S. Milora, D. Schuresko, et al. Pellet fueling development at Oak Ridge National Laboratory // Proceeding of the 12^th Symposium on Fusion Technology. Julich. Germany. 1982 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1983. Vol. 2. PP. 1513-1518.4. C. Foster, S. Milora, D. Schuresko, et al. Pellet fueling development at Oak Ridge National Laboratory // Proceeding of the 12 ^th Symposium on Fusion Technology. Julich. Germany. 1982 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1983. Vol. 2. PP. 1513-1518.

5. C. Foster. Solid deuterium centrifuge pellet injector // J. Vac. Sci. Technol. A. 1983. Vol. 1. No. 2. PP. 952-958.5. C. Foster. Solid deuterium centrifuge pellet injector // J. Vac. Sci. Technol. A. 1983. Vol. 1.No. 2. PP. 952-958.

6. W. Amenda, R. Lang. D2 pellet acceleration with a centrifuge // Proceeding of the 12^th Symposium on Fusion Technology. Julich. Germany. 1982 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1983. Vol. 2. PP. 1501-1505. - ближайший аналог.6. W. Amenda, R. Lang. D2 pellet acceleration with a centrifuge // Proceeding of the 12 ^th Symposium on Fusion Technology. Julich. Germany. 1982 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1983. Vol. 2. PP. 1501-1505. - the closest analogue.

7. W. Amenda, R. Lang. Cryostat for production and fast ejection of deuterium filaments // Cryogenics. 1982. July. PP. 364-366.7. W. Amenda, R. Lang. Cryostat for production and fast ejection of deuterium filaments // Cryogenics. 1982. July. PP. 364-366.

8. W. Amenda, R. Lang. A centrifugal D2 pellet injector for refuelling plasma machines // Proceeding of the 13^th Symposium on Fusion Technology. Varese. Italy. 1984 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1985. Vol. 1. PP. 243-245.8. W. Amenda, R. Lang. A centrifugal D2 pellet injector for refuelling plasma machines // Proceeding of the 13 ^th Symposium on Fusion Technology. Varese. Italy. 1984 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1985. Vol. 1. PP. 243-245.

9. W. Amenda, R. Lang. Fast, controlled stepping drive for D₂ filament ejection // Rev. Sci. Instrum. 1985. Vol. 56. No. 12. PP. 2283-2286.9. W. Amenda, R. Lang. Fast, controlled stepping drive for D ₂ filament ejection // Rev. Sci. Instrum. 1985. Vol. 56. No. 12. PP. 2283-2286.

10. W. Amenda, R. Lang. Centrifugal pellet injector with direct solid-deuterium feed // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1986. Vol. 19. PP. 970-975.10. W. Amenda, R. Lang. Centrifugal pellet injector with direct solid-deuterium feed // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1986. Vol. 19. PP. 970-975.

11. C. Andelfinger. Device for varying pellet size in a centrifuge pellet injector // Proceeding of the 14^th Symposium on Fusion Technology. Avignon. France. 1986 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1986. Vol. 2. PP. 1349-1353.11. C. Andelfinger. Device for varying pellet size in a centrifuge pellet injector // Proceeding of the 14 ^th Symposium on Fusion Technology. Avignon. France. 1986 / Fusion Technology. Pergamon Press. Oxford. 1986. Vol. 2. PP. 1349-1353.

12. C. Andelfinger, E. Buchelt, P. Cierpka, et al. A new centrifuge pellet injector for fusion experiments // Rev. Sci. Instrum. 1993. Vol. 64. No. 4. PP. 983-989.12. C. Andelfinger, E. Buchelt, P. Cierpka, et al. A new centrifuge pellet injector for fusion experiments // Rev. Sci. Instrum. 1993. Vol. 64. No. 4. PP. 983-989.

13. C. Andelfinger, H. Kollotzek, M. Ulrich, G. Weber. A centrifuge pellet injector for ASDEX Upgrade // Vacuum. 1990. Vol. 41. No. 4-6. PP. 1508-1509.13. C. Andelfinger, H. Kollotzek, M. Ulrich, G. Weber. A centrifuge pellet injector for ASDEX Upgrade // Vacuum. 1990. Vol. 41. No. 4-6. PP. 1508-1509.

14. P. Lang, P. Cierpka. 80 Hz repetitive centrifuge injector for hydrogen pellets // Rev. Sci. Instrum. 1996. Vol. 67. No. 2. PP. 619-620.14. P. Lang, P. Cierpka. 80 Hz repetitive centrifuge injector for hydrogen pellets // Rev. Sci. Instrum. 1996. Vol. 67. No. 2. PP. 619-620.

15. K. Kizu, H. Hiratsuka, H. Ichige, et al. A repetitive pellet injection system for JT-60U // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 331-335.15. K. Kizu, H. Hiratsuka, H. Ichige, et al. A repetitive pellet injection system for JT-60U // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 331-335.

16. M. Watson, M. Gadeberg, T. Jones, et al. Improvement, commissioning and operation of the JET pellet centrifuge // Proceedings of the 18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering. Albuquerque. USA. 1999 / IEEE. New York. 1999. PP. 326-329.16. M. Watson, M. Gadeberg, T. Jones, et al. Improvement, commissioning and operation of the JET pellet centrifuge // Proceedings of the 18th IEEE / NPSS Symposium on Fusion Engineering. Albuquerque. USA. 1999 / IEEE. New York. 1999. PP. 326-329.

17. P. Lang, P. Cierpka, L. Horton, et al. Improved stop cylinder loading scheme for a centrifuge pellet accelerator // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. No. 10. PP. 3744-3746.17. P. Lang, P. Cierpka, L. Horton, et al. Improved stop cylinder loading scheme for a centrifuge pellet accelerator // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. No. 10. PP. 3744-3746.

18. C. Foster, W. Houlberg, M. Gouge, et al. ORNL centrifuge pellet fueling system // Proceedings of the 17^th Symposium on Fusion Technology. Rome. 1992. / Fusion Technology. Edited by C. Ferro, M. Gasparotto, H. Knoepfel. Elsevier. Amsterdam. 1993. Vol. 1. PP. 496-499.18. C. Foster, W. Houlberg, M. Gouge, et al. ORNL centrifuge pellet fueling system // Proceedings of the 17 ^th Symposium on Fusion Technology. Rome. 1992. / Fusion Technology. Edited by C. Ferro, M. Gasparotto, H. Knoepfel. Elsevier. Amsterdam. 1993. Vol. 1. PP. 496-499.

19. Foster, A. Quails, L. Baylor, et al. A 400-pellet feed system for the ORNL centrifuge pellet injector // Proceedings of the 15th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering. Hyannis. USA. Oct 11-15. 1993 / IEEE. New York. 1994. Vol. 1. PP. 51A-51D.19. Foster, A. Quails, L. Baylor, et al. A 400-pellet feed system for the ORNL centrifuge pellet injector // Proceedings of the 15th IEEE / NPSS Symposium on Fusion Engineering. Hyannis. USA. Oct 11-15. 1993 / IEEE. New York. 1994. Vol. 1. PP. 51A-51D.

20. S.K. Combs and C.R. Foust. New extruder-based deuterium feed system for centrifuge pellet injection. // Rev. Sci. Instr. 1997. Vo. 68. No. 12. PP. 4448-4457.20. S.K. Combs and C.R. Foust. New extruder-based deuterium feed system for centrifuge pellet injection. // Rev. Sci. Instr. 1997. Vo. 68. No. 12. PP. 4448-4457.

21.

J.F. Artaud, G. Gros, et al. Test of an extruder feed system on the TORE SUPRA centrifugal pellet injector // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 337-341.21.

JF Artaud, G. Gros, et al. Test of an extruder feed system on the TORE SUPRA centrifugal pellet injector // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 337-341.

22. Г.А. Баранов, B.H. Скрипунов, П.А. Александрии и др. Центробежный инжектор топливных таблеток // Тезисы докладов 5-й Всесоюз. конф. по инженерным проблемам термояд, реакторов / М.: ЦНИИатоминформ. 1990. С. 318.22. G.A. Baranov, B.H. Skripunov, P.A. Alexandria and others. Centrifugal injector of fuel pellets // Abstracts of the 5th All-Union. conf. on engineering problems of thermonuclear reactors / M .: TsNIIatominform. 1990.S. 318.

23. I. Viniar. A new centrifuge pellet injector with a screw extruder for steady state fuelling // J. of Plasma and Fusion Research Series. 2000. Vol. 3. PP. 467-469.23. I. Viniar. A new centrifuge pellet injector with a screw extruder for steady state fuelling // J. of Plasma and Fusion Research Series. 2000. Vol. 3. PP. 467-469.

24.1. Viniar, S. Sudo, A. Geraud, et al. Pellet injectors developed at the PELIN laboratory for international projects // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 295-299.24.1. Viniar, S. Sudo, A. Geraud, et al. Pellet injectors developed at the PELIN laboratory for international projects // Proc. of 21th Symp. on Fusion Technology. Madrid. Spain. 2000. / Fusion Engineering and Design. 2001. Vol. 58-59. PP. 295-299.

25. И.В. Виняр, А.Я. Лукин, С.В. Скобликов, и др. Прототип центробежного инжектора топливных макрочастиц для токамака ИТЭР. // Приборы и техника эксперимента. 2006. №4. СС. 135-142.25. I.V. Vinyar, A. Ya. Lukin, S.V. Skoblikov, et al. Prototype of a centrifugal fuel pellet injector for the ITER tokamak. // Instruments and experimental techniques. 2006. No. 4. SS. 135-142.

Claims

A centrifugal injector for pellets of thermonuclear fuel, containing a vacuum chamber with an outlet pipe, into which a rotor is inserted, on which a tract is fixed for accelerating the pellets, having inlet and outlet sections for input and output of pellets from the tract, a drive for rotating the rotor, an extruder equipped with a drive, a branch pipe for supplying fuel and a die having a through channel for discharging fuel from the extruder in the form of an ice rod, a cooler, a device for moving the ice rod from the extruder to the trajectory of rotation of the inlet section of the tract for accelerating the pellets, characterized in that the extruder is located so that the trajectory follows which is squeezed out of its spinneret fuel in the form of an ice rod, is located near, but not on the trajectory of rotation of the inlet section of the tract for accelerating the macroparticles.