Инжектор твердоводородных микрочастиц со шнековым экструдором для непрерывного ввода топлива в термоядерные установки

• Автор: Кобленц, Павел Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 106 с. : ил

Оглавление
Введение.
Глава 1. Методы и устройства подачи водородного топлива в термоядерные установки с магнитным удержанием плазмы.

1.1. Способы ввода топлива в термоядерные установки.

1.2. Формирование топливных таблеток.

1.3. Ускорение и диагностика топливных таблеток.

1.4. Особенности инжекторов тритийсодержащих таблеток.

Глава 2. Математическая модель процессов непрерывной экструзии твердого водорода и методика расчета инжекторов на основе шнекового экструдера.

2.1. Баланс потоков и производительность шнекового экструдера.

2.2. Расчетные характеристики экструдера.

2.3. Расчет теплообменника.
2.4. Сублимационное охлаждение экструдируемого водорода.
2.5. Системы вакуумирования и пневматического ускорения
Глава 3. Экспериментальное моделирование процессов формирования и пневматического ускорения водородных таблеток.
3.1. Аппаратура и методика проведения экспериментов.
3.2. Моделирование и оптимизация режимов криоэкструзии твердого водорода.
3.3. Пневматическое ускорение топливных таблеток
Глава 4. Экспериментальный образец инжектора непрерывного действия на основе шнекового экструдера.
4.1. Функциональная схема и расчетные характеристики инжектора.
4.2.Формирователь топливных таблеток на основе шнекового экструдера.
4.3. Конструктивное исполнение узлов и элементов инжектора
4.4. Результаты испытаний инжектора
Заключение.
Список литературы.

Введение.
Осуществление управляемой термоядерной реакции - один из перспективных путей решения энергетических проблем человечества [1]. Наиболее активно разрабатываются сейчас проекты создания установок типа токамак и стелларатор. Крупнейшие из создаваемых в настоящее время термоядерных установок (ITER, LHD) будут иметь плазменные параметры, близкие к термоядерной станции [2, 3]. Необходимость длительного поддержания термоядерной реакции выдвигает в качестве одной из важнейших проблему дозаправки реактора топливом во время разряда.
В небольшие термоядерные установки топливо вводится в виде струй газообразных изотопов водорода. Однако, в крупные токамаки типа TORE-SUPRA, JET, JT-60, ТОКАМАК-15, а тем более в ITER, имеющий плазменный шнур диаметром более двух метров, вводить топливо только в виде газовых струй малоэффективно, так как ионизированные частицы слабо проникают вглубь плазмы [4, 5, 6, 7].
Впервые вводить топливо в термоядерные установки в виде ускоренных макрочастиц (таблеток) из замороженных изотопов водорода предложил Спитцер [8]. Эксперименты на токамаках ISX-B, Doublet-Ill, Alcator, TFTR, TORE-SUPRA, ASDEX, JT-60, JET и других доказали перспективность этого метода [9].
Принципиальным преимуществом инжекции топливных таблеток в термоядерный реактор является ‘возможность ввода топлива вглубь плазмы. При инжекции лить сравнительно небольшая часть таблетки испаряется на периферии плазменного шнура; основная масса вводимого топлива попадает в зону реакции. Обеспечить доставку таблеток в зону реакции можно за счет сообщения им высокой скорости (до 1000 м/с) при максимально допустимом размере таблеток. Размеры таблеток ограничиваются требованиями сохранения устойчивости разряда в плазме [10].

При эксплуатации крупнейших термоядерных установок предусматривается инжекция топливных таблеток в течение десятков минут. Например, в плазму установки ITER планируется инжектировать таблетки диаметром 3-7 мм со скоростью до 1000 м/с и частотой до 50 Гц

Существовавшие до недавнего времени инжекторы обеспечивали работу с заданной частотой лишь в течение нескольких секунд, а затем требовали перерыва для возобновления запаса твердого водорода.
Таким образом, создание надежного инжектора непрерывного действия - актуальная проблема, выходящая на первый план при разработке топливных систем термоядерных реакторов.
Данная диссертация посвящена разработке нового способа экструзии твердого водорода с применением шнекового экструдера и созданию инжектора на его основе.
Предложенная технология позволяет решить проблему непрерывного, длительного и надежного формирования топливных таблеток. Она получила свое развитие при разработке модели и крупномасштабного прототипа тритиевого инжектора топливных таблеток для термоядерного реактора ITER (ТПИ-1; ТПИ-2).
В работе решались следующие задачи:
• Проектная разработка и инженерная реализация концепции непрерывного формирования стержней из твердых изотопов водорода с помощью шнекового криоэкструдера.
• Адаптация известных методов расчета и проектирования шнековых экструдеров, работающих при комнатной и повышенной температурах, к условиям двойного фазового перехода и криогенной экструзии твердых изотопов водорода.

Для количественного анализа процесса выделим три составляющие баланса потоков: прямой и обратный потоки вдоль винтового канала и поток утечки через зазоры между гребнем шнека и внутренней поверхностью цилиндра. Прямой поток образуется, из-за относительного перемещения шнека и цилиндра при вращении шнека. Водород, находящийся в замкнутом пространстве между сердечником шнека и поверхностью цилиндра, подвергается деформации сдвига, и в результате воздействия стенок винтового канала возникает его поступательное движение. Обратный поток по винтовому каналу шнека возникает под действием давления водорода перед головкой экструдера. Эта же причина вызывает поток утечки через радиальный зазор между гребнем шнека и цилиндром.
Рассмотрим модель течения водорода при экструзии в предположении, что он ведет себя как вязкая несжимаемая жидкость. Для коэффициента вязкости водорода примем зависимость, полученную в работе [50]:
р = 0.0027ехр[0.44(Тз-Т)] [МПа-с] , 2.
где Т и Тя соответственно температуры водорода в интервале от 10 до 13 К и в тройной точке.
Для стационарного ламинарного потока вязкой несжимаемой изотропной жидкости уравнение движения в направлении оси г можно записать в следующем виде:

■ — 2.2 ду
Уравнение 2.2. не подразумевает каких-либо ограничений на поток (не требует, чтобы жидкость обладала ньютоновской вязкостью, а течение было изотермическим).
Вязкость водорода мало изменяется вдоль оси х в поперечном сечении каналЙ, так как температура в канале и градиент скорости при переходе от

д2чг ^

ф ду — + — дх