научная статья по теме 12-СТВОЛЬНЫЙ ИНЖЕКТОР ДЕЙТЕРИЕВЫХ МАКРОЧАСТИЦ ДЛЯ УСТАНОВКИ С-2 C ОБРАЩЕННОЙ МАГНИТНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «12-СТВОЛЬНЫЙ ИНЖЕКТОР ДЕЙТЕРИЕВЫХ МАКРОЧАСТИЦ ДЛЯ УСТАНОВКИ С-2 C ОБРАЩЕННОЙ МАГНИТНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 129-137

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА

УДК 533.915.082

12-СТВОЛЬНЫЙ ИНЖЕКТОР ДЕЙТЕРИЕВЫХ МАКРОЧАСТИЦ ДЛЯ УСТАНОВКИ С-2 C ОБРАЩЕННОЙ МАГНИТНОЙ

КОНФИГУРАЦИЕЙ

© 2014 г. И. В. Виняр, А. Я. Лукин, С. В. Скобликов, П. В. Резниченко, E. Trask*, M. Wyman*, А. Смирнов*

ПЕЛИН

Россия, 195220, С.-Петербург, ул. Гжатская, 27а *Tri Alpha Energy Inc., P.O. Box 7010, Rancho Santa Margarita, California 92688, USA Поступила в редакцию 08.10.2013 г.

Описан компактный 12-ствольный инжектор дейтериевых макрочастиц для исследования плазмы с обращенной магнитной конфигурацией на установке C-2 (США). Как и в других многоствольных инжекторах, макрочастицы формируются одновременно внутри охлаждаемых до 8—10 К коротких участков всех стволов. К особенностям инжектора относятся низкие (до 50 м/с) скорости макрочастиц, что обеспечивается встроенными в клапаны подачи газа толкателями, а также возможность инжектирования в плазму макрочастицы длиной, в 15 раз превышающей ее диаметр.

DOI: 10.7868/S0032816214030124

ВВЕДЕНИЕ

Обращенная магнитная конфигурация является перспективной для создания термоядерного реактора на основе "безнейтронных" реакций D—3He иp—11B [1]. В установке С-2 (компания Tri Alpha Energy, США) плазма с обращенной магнитной конфигурацией создается методом динамического формирования двух компактных тороидов с последующим их столкновением и слиянием [2]. Инжекция нейтральных пучков с энергией 20 кэВ и осесимметричная стабилизация плазмы с помощью торцевых плазменных пушек позволяют увеличить время жизни плазмы в несколько раз по сравнению с традиционными экспериментальными скейлингами [3]. Инжекция дейтериевых макрочастиц призвана обеспечить поддержание плотности плазмы на уровне, необходимом для эффективного захвата нейтрального пучка.

Макрочастицы в цилиндрическую камеру, в которой с двух противоположных торцов вдоль оси установки ускоряются тороиды, инжектируются таким образом, чтобы первая макрочастица оказалась в точке встречи тороидов в момент их столкновения, а следующие могли быть доставлены в плазму в любой момент в течение времени жизни плазменной конфигурации. Синхронизировать столкновение тороидов с первой макрочастицей в центре камеры проще, если скорость макрочастицы составляет ~50 м/с. Объем первой макрочастицы в момент встречи с тороидами должен составлять 5—15 мм3, но при этом желательно, чтобы она быстро испарялась. Поэтому мак-

рочастица должна иметь сигарообразную форму с минимальным диаметром при достаточно большой длине. С другой стороны, сразу после первой макрочастицы могут понадобиться еще несколько макрочастиц объемом 0.5—1.5 мм3, движущихся со скоростями <200—300 м/с, так как иначе они пролетят сквозь плазму, не успев испариться.

Среди более чем 100 созданных к настоящему времени в мире топливных инжекторов всех типов наиболее простыми и надежными являются те, в которых макрочастицы формируются непосредственно в стволах путем замораживания газа при температуре 6—10 К [4—8]. Однако в этом случае макрочастицы примерзают к стенкам ствола, и, для того чтобы сдвинуть их с места, требуется значительное (>1 МПа) давление ускоряющего газа, особенно при соотношении длина/диаметр заметно больше единицы. При таком давлении легкие макрочастицы дейтерия приобретают скорость ~1 км/с. Отогрев ствола перед выстрелом с целью уменьшения давления газа до уровня, достаточного, чтобы стронуть частицу с места, резко снижает надежность инжекции. Это связано с тем, что макрочастицы начинают ускоряться в непредсказуемый момент под действием пара, появляющегося при отогреве.

Чтобы обеспечить надежную инжекцию с минимальными скоростями, в работе [9] между макрочастицей и клапаном подачи ускоряющего газа размещали дополнительный толкатель, который сдвигал макрочастицы перед выстрелом, отрывая их от стенок ствола. Но даже без подачи ускоряю-

Рис. 1. Схема инжектора макрочастиц. 1 — вакуумная камера; 2 — теплоизоляционный экран; 3 — головка криорефри-жератора; 4 — клапаны; 5 — генератор макрочастиц; 6 — стволы; 7 — шиберный затвор; 8 — диагностическая камера; 9 — направляющие трубки; 10 — система фотографирования; 11 — камеры системы дифференциальной откачки; 12 — вакуумные насосы.

щего газа скорость макрочастиц в таком инжекторе составляла 90—160 м/с.

В данной статье описан инжектор, который, благодаря встроенным в клапаны подачи ускоряющего газа толкателям и специальному режиму инжекции, позволяет инжектировать "медленную" (50—80 м/с) макрочастицу 01 мм и длиной 8—15 мм из первого ствола и "быстрые" (100—250 м/с) макрочастицы 00.9 мм и длиной 1—2.5 мм из остальных стволов.

КОНСТРУКЦИЯ ИНЖЕКТОРА И ПРИНЦИП ЕГО РАБОТЫ

В основе разработки конструкции инжектора лежат принципы, изложенные в [4], которые сформулированы на основе анализа ранее созданных и успешно работающих многоствольных инжекторов. Схема инжектора приведена на рис. 1, а его внешний вид — на рис. 2.

В вакуумной камере внутри теплового экрана размещена головка криорефрижератора Sumitomo SRDK-415D холодопроизводительностью 1.5 Вт на уровне 4.2 К, к которой прикреплен генератор макрочастиц, представляющий собой кольцо из

меди 0200 мм и шириной 60 мм с перегородкой по диаметру шириной 28 мм. По периферии кольца закреплены 11 ячеек из медных пластин толщиной 0.9 мм и шириной 8 мм для формирования коротких макрочастиц (рис. 3). Ячейка для формирования длинных макрочастиц расположена в центре перегородки кольца и представляет собой пластину такой же ширины, что и остальные, но толщиной 6 мм. Ко всем ячейкам припаяны стволы, оснащенные клапанами.

Два нагревателя общей мощностью 40 Вт приклеены к медному блоку, соединяющему кольцо генератора с головкой рефрижератора, а на каждом стволе с обеих сторон от ячеек размещены 12 нагревателей мощностью 2.5 Вт каждый. Еще один нагреватель мощностью 14 Вт прикреплен непосредственно к ячейке первого ствола. Нагреватели задают температурные профили, необходимые для формирования макрочастиц требуемой длины. Температура длинной макрочастицы измеряется датчиком, установленным непосредственно в ее ячейке, а температура коротких макрочастиц определяется по показаниям датчика, установленного внизу кольца на наибольшем удалении от головки рефрижератора. Разница в по-

Рис. 2. Внешний вид 12-ствольного инжектора.

казаниях этих двух датчиков перед циклом ин-жекции составляла ~1 К.

Первый ствол расположен по оси вакуумной камеры и на всем протяжении остается прямым, с тем чтобы снизить вероятность разрушения макрочастицы 01 мм и длиной до 15 мм. Остальные стволы до ячеек — прямые, а после — изогнуты и собраны в одну втулку, как показано на рис. 1. Кроме того, к клапану первого ствола подведена отдельная линия подачи ускоряющего газа для установления в нем давления независимо от других клапанов. Все каналы подачи ускоряющего и топливного газов к стволам и клапанам выполнены внутри фланца, к которому прикреплены клапаны, что обеспечивает компактность инжектора.

Схема системы подачи газов приведена на рис. 4. Помимо датчиков давления и клапанов, система снабжена общей линией откачки, игольчатым на-текателем для тонкой регулировки потока дейтерия в генератор макрочастиц и капиллярами, обеспечивающими регулировку давления ускоряющего газа. Кроме того, имеется дополнительная линия, соединяющая концы всех стволов, собранных во втулку в топливной камере перед шиберным затвором, с линией подачи топливного газа и линией откачки. Это позволяет обеспечить напуск газообразного дейтерия для формирования макрочастиц с обеих сторон ячеек и откачку оставшегося дейтерия перед ускорением макрочастиц, не открывая шиберный затвор.

Рис. 3. Схема генератора макрочастиц. 1 — головка криорефрижератора; 2 — фланец вакуумной камеры; 3 — клапаны; 4 — ячейка первого ствола; 5 — ячейки остальных стволов; 6 — нагреватели; 7 — стволы.

Основной конструктивной особенностью инжектора являются клапаны со встроенным толкателем, которые предназначены для выдвигания сформированных макрочастиц из ячеек непосредственно перед их ускорением с целью снижения давления форсирования и скорости макрочастиц. Схема клапана показана на рис. 5. Подпружиненный якорь 4 размещен между двумя неподвижными стопами 10, 11 электромагнита 2. Подвижная головка 6 соединена с якорем штоком 9 и прижата к седлу клапана пружиной 5.

При отсутствии тока через катушку электромагнита головка с размещенной в ней уплотни-тельной прокладкой 7 закрывает седло клапана и не пропускает ускоряющий газ в ствол. При этом топливный газ может проникать в ствол сквозь отверстия в головке якоря, а также по каналу внутри штока и припаянной к нему трубки 1, которая служит толкателем. Трубка длиной 130 мм с внешним и внутренним диаметрами соответственно 0.8 и 0.5 мм должна быть прямой, чтобы свободно перемещаться внутри стволов. При подаче импульса тока через катушку электромагнита якорь смещается вместе со штоком и толкателем и сжимает обе пружины. В конце своего хода шток якоря отрывает головку от седла и открывает клапан, позволяя ускоряющему газу проникнуть в ствол. По окончании импульса тока пружины возвращают якорь к стопу, а головку — к седлу клапана и закрывают его.

Принцип работы данного инжектора схож с описанным ранее в [4]. Дейтерий при определенном давлении поступает из системы подачи газа внутрь всех стволов и замораживается в ячейках,

Рис. 4. Схема системы подачи газов. 1 — стреляющие клапаны; 2 — клапан откачки стволов; 3 — дополнительный баллон; 4 — датчики давления; 5 — капилляры; 6, 7 — клапаны откачки каналов к ячейкам; 8 — клапан откачки дейтерия; 9, 10 — клапаны подачи толкающего газа (гелия или водорода) в стреляющие клапаны; 11 — игольчатый клапан; 12 — клапан подачи дейтерия в ячейки; 13 — линия откачки.

Рис. 5. Схема конструкции стреляющего клапана со встроенным толкателем макрочастиц. 1 — трубка толкателя; 2 — электромагнит; 3, 5 — пружины; 4 — якорь; 6 — головка; 7 — прокладка; 8 — фланец вакуумной камеры; 9 — толкатель; 10, 11 — стопы электромагнита.

формируя макрочастицы. После их формирования остаточный газ откачивается из стволов, а

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком