阅读说明：本技术 一种高速弹丸离心加速系统和方法 (High-speed projectile centrifugal acceleration system and method ) 是由 左桂忠 胡建生 黄明 孟献才 李成龙 钱玉忠 徐伟 孙震 陈跃 李琳 汤中亮 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高速弹丸离心加速系统和方法,包括有旋转泵体、旋转轴、旋转叶片、旋转腔室、加速器支撑、加料室、加料管道、出料口、出料管道、靶室、分子泵机组及控制器。旋转轴安装在旋转泵体上,旋转轴的上方安装旋转叶片,旋转轴及旋转叶片放置在旋转腔室内部；加料室位于旋转腔室顶部,通过加料管道连接到旋转叶片上方；出料口设置在旋转腔室的侧壁,出料管道焊接到出料口上,出料管道在旋转腔室的切线方向上；分子泵机组连接到旋转泵体；控制器为旋转泵体提供电源及变频控制旋转轴转速,并实时显示旋转转速。本发明利用涡轮分子泵的旋转泵体及旋转轴为旋转叶片提供高达每分钟40000-90000转的转速,最终通过旋转腔室切线方向的出料口及出料管道将弹丸甩出,实现弹丸500-1000m/s的高速注入,解决聚变装置中高速弹丸注入的难题。(The invention discloses a high-speed projectile centrifugal acceleration system and a high-speed projectile centrifugal acceleration method. The rotating shaft is arranged on the rotating pump body, the rotating blades are arranged above the rotating shaft, and the rotating shaft and the rotating blades are placed in the rotating cavity; the feeding chamber is positioned at the top of the rotating chamber and is connected to the upper part of the rotating blade through a feeding pipeline; the discharge port is arranged on the side wall of the rotating chamber, the discharge pipeline is welded on the discharge port, and the discharge pipeline is arranged in the tangential direction of the rotating chamber; the molecular pump unit is connected to the rotary pump body; the controller provides power for the rotary pump body, controls the rotating speed of the rotary shaft through frequency conversion, and displays the rotating speed in real time. The invention utilizes the rotary pump body and the rotary shaft of the turbo molecular pump to provide the rotating blades with the rotating speed of 40000-.)

一种高速弹丸离心加速系统和方法

技术领域

本发明涉及聚变反应堆领域，主要涉及一种高速弹丸离心加速系统和方法。

背景技术

在聚变装置上，高速弹丸注入广泛应用在等离子体加料及杂质弹丸注入上，实现对等离子体加料、破裂防护、边界局域模控制及杂质输运研究等领域。尤其是，通过冰冻氢同位素弹丸注入技术实现等离子体芯部加料，提高等离子体的加料效率。

目前，国内外许多聚变装置都配备了不同的弹丸注入系统，如EAST、HL-2A、JET、ASDEX-U和DIII-D等。其中，冰冻氢同位素弹丸注入是一种将气体通过低温技术冷凝成固态弹丸，采用高压气体推进的方式注入到聚变装置内。这种推进弹丸方式的优点是气体保护弹丸，缓解弹丸与管道壁的碰撞，避免弹丸破碎；但是也有很大的问题，那就是需要的推进气体气压高，弹丸最大加载速度相对较低，比如DIII-D装置使用3.4MPa气体推进，速度在200-350m/s；同时需要较大的泵组抽除推进气体，体积庞大，所需的费用很高。杂质弹丸注入目前采用离心加速的方式，其转动采用的是普通的电机驱动，电机旋转轴的真空腔室密封采用油脂密封，漏率在10-⁸m³/s,可以实现最大150m/s的，对于这种电机驱动的离心加速器，越快的转速将在转轴与真空腔室密封处产生越多的热量，高于150m/s的速度有真空泄漏的风险。

对于未来的聚变堆装置，由于等离子体具有高温、高密度的特点，普通的弹丸注入方式很难实现高速的弹丸注入，弹丸将在等离子体边界区域很快消融，难以注入到等离子体的芯部，难以满足等离子体芯部加料及破裂防护等需求。鉴于高速弹丸注入在聚变领域良好的应用前景，所以需要研制一种用于聚变装置内的高速弹丸离心加速系统。

发明内容

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本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高速弹丸离心加速系统和方法。，以解决现有聚变装置技术中难以实现高速弹丸注入的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种高速弹丸离心加速系统，包括有旋转泵体、旋转轴、旋转叶片、旋转腔室、加速器支撑、加料室、加料管道、出料口、出料管道、靶室、分子泵机组及控制器；

所述旋转轴安装在旋转泵体上，所述旋转轴的上方设有旋转叶片，所述旋转轴及旋转叶片布置在旋转腔室内部，所述加料室位于旋转腔室顶部，所述的弹丸存储在加料室内，所述的加料管道连通加料室与旋转叶片，所述的出料口设置在旋转腔室的侧壁，所述的出料管道焊接到出料口上，所述的靶室焊接到出料管道的终端，所述的分子泵机组连接到旋转泵体，所述的控制器通过控制线连接到旋转泵体；

将弹丸从加料室通过加料管道坠入到高速旋转的叶片中心区域，通过旋转叶片的旋转加速，将弹丸甩出到旋转腔室的内壁做圆周运动；当高速旋转的弹丸达到出料口位置时，将沿切线高速通过出料口，注入到出料管道内，实现弹丸500-1000m/s的高速注入。

进一步的，所述的高速弹丸为固态弹丸，尺寸为0.5-3mm，材质为锂、铍、碳及钨中的任一一种，或为固态的氢同位素弹丸，要求速度为500-1000m/s可调。

进一步的，所述的旋转泵体为普通的涡轮分子泵泵体，所述的旋转轴为泵体裸露的旋转轴，利用分子泵在真空环境下实现每分钟40000-90000转的转速。

进一步的，所述的旋转叶片固定在旋转轴的顶部，旋转叶片采用轻质的钛合金材料，包括槽体模块和盖板，所述的槽体模块中间开深度5mm菱形槽，为弹丸的坠落区域；槽体模块两边开方形槽，深度5mm，宽度6mm，为弹丸的加速槽；所述的盖板中间开直径1.5cm的圆孔，通过螺钉紧固在槽体模块上，阻止加速槽内的弹丸溢出；旋转叶片的长度根据设计的弹丸速度调整，弹丸的速度与旋转轴转速及叶片长度正相关。

进一步的，所述旋转腔室为不锈钢圆桶，在旋转叶片上离心加速的弹丸脱离叶片后，将在旋转腔室内壁绕圆周运动旋转；所述的出料口布置在旋转腔室的侧壁，形状为圆形，圆形中心与旋转叶片保持在同一水平高度。

进一步的，所述加料室位于旋转腔室顶部，固态弹丸存储在加料室内部；所述的加料管道连通加料室与旋转叶片中心圆形槽区，弹丸通过加料管道坠落到旋转叶片的中心圆形槽内，由于圆形槽位于中心，初速度为零，能阻止弹丸溢出。

进一步的，所述的出料管道焊接到出料口上，尺寸与出料口一致，内表面光滑，方向为旋转腔室的切线方向；所述的靶室焊接到出料管道的终端，为高速弹丸注入的腔室。

进一步的，所述的分子泵机组连接到旋转泵体，为旋转腔室提供真空度小于10-³Pa的真空环境；所述的控制器通过控制线连接到旋转泵体，控制器为旋转泵体提供电源及变频控制旋转轴转速，并实时显示旋转转速，分子泵机组及控制器为旋转泵体及旋转轴工作提供必要条件。

根据本发明的另一方面，还提出一种根据权利要求1所述的高速弹丸离心加速系统进行弹丸加速的方法，包括如下步骤：

步骤1、首先完成加料室弹丸的填充，然后封装系统法兰，通过分子泵机组对整个系统抽气实现真空度优于10-³Pa的要求，为旋转叶片的旋转提供好的真空环境；

步骤2、通过控制器控制旋转叶片旋转，并实时监测叶片转速；

步骤3、待旋转达到预定转速后，释放加料室内的弹丸，通过加料管道落入旋转模块中心区域，该中心区域转速为零，防止弹丸溢出；

步骤4、然后弹丸将在旋转模块槽内离心加速，加速到旋转叶片末端的弹丸，将脱离旋转叶片到达旋转腔室内壁，并在旋转腔室内壁圆周运动；

步骤5、当高速旋转的弹丸达到出料口位置时，将沿切线高速通过出料口，注入到出料管道内，最终打入靶室，实现弹丸速度500-1000m/s的高速注入。

有益效果：

本发明的优点是：本发明利用涡轮分子泵的旋转泵体及旋转轴为旋转叶片提供每分钟40000-90000转的转速，通过内部开槽顶部盖板保护的钛合金旋转叶片实现弹丸在槽内加速，脱离旋转叶片的弹丸将继续在旋转腔室光滑的内壁上做圆周运动，最终通过旋转腔室切线方向的出料口及出料管道将弹丸甩出，实现弹丸500-1000m/s的高速注入。

本发明提供了一种简单、经济、有效地解决聚变装置内高速弹丸注入的方法，通过高速弹丸离心加速系统的实现，为未来聚变堆中芯部加料及高速杂质注入提供一种新手段。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明弹丸加速部件结构图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明旋转叶片结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1-4，一种高速弹丸离心加速系统，包括有旋转泵体1、旋转轴2、旋转叶片3、旋转腔室4、弹丸5、加料室6、加料管道7、出料口8、出料管道9、靶室10、分子泵机组11及控制器12。所述旋转轴2安装在旋转泵体1上，所述旋转轴2的上方设有旋转叶片3，所述旋转轴2及旋转叶片3布置在旋转腔室4内部，所述加料室6位于旋转腔室4顶部，所述的弹丸5位于加料室6内，所述的加料管道7连通加料室6与旋转叶片3，所述的出料口8设置在旋转腔室4的侧壁，所述的出料管道9焊接到出料口8上，所述的靶室10焊接到出料管道9的终端，所述的分子泵机组11连接到旋转泵体1，所述的控制器12通过控制线连接到旋转泵体1。

作为关键部件的旋转泵体1为普通的涡轮分子泵泵体，旋转轴2利用分子泵的旋转轴，泵的选择与其转速相关，通过去除分子泵内的叶片(定子和转子)获得裸露的旋转轴，或者厂家定制裸露的旋转轴结构。在真空环境下，实现每分钟40000-90000转的转速，解决普通电机高转速下转轴与真空室动密封处真空泄漏的问题。而传统的电机很难达到该转速，比如破壁机标称最高也就48000，但实际都达不到，而且存在真空泄露的问题；本发明采用分子泵改装，不仅能到达到高速旋转，而且没有真空泄漏风险，本发明的实验都是在真空环境下开展的，采用了真空泵，最高转速长时间运行，也不存在密封泄漏问题。

作为关键部件的旋转叶片3安装在旋转轴2上，旋转叶片3采用轻质的钛合金材料，包括槽体模块17和盖板16，槽体模块17中间开深度5mm菱形槽18，为弹丸的坠落区域；槽体模块17两边开方形槽19，深度5mm，宽度6mm，为弹丸的加速槽。盖板16中间开直径1.5cm的圆孔，通过螺钉紧固在槽体模块17上，阻止加速轨道内的弹丸溢出。

作为关键部件的旋转腔室4，为圆桶状不锈钢结构，内表面光滑、无毛刺、圆度高，旋转腔室4与旋转叶片3末端的间距略大于弹丸的尺寸约3mm，可根据实验需求确定并加工旋转腔室4。出料管道9焊接到出料口8上，尺寸与出料口一致，内表面光滑，方向为旋转腔室4的切线方向；所述的靶室10焊接到出料管道9的终端，为高速弹丸注入的腔室。

作为关键部件的加料室6位于旋转腔室4顶部，通过刀口法兰14与旋转腔室4连接，固态弹丸存储在加料室6内部；加料管道7连通加料室6与旋转叶片3中心菱形槽区的中心区，弹丸通过加料管道7坠落到旋转叶片3的中心菱形槽区内，由于圆形槽位于中心，初速度为零，可阻止弹丸溢出。

作为关键部件的分子泵机组11连接到旋转泵体抽气口15上，为旋转腔室4提供真空度小于10-³Pa的真空环境；控制器12通过控制线连接到旋转泵体1，控制器12为旋转泵体1提供电源及变频控制旋转轴转速，并实时显示旋转转速，分子泵机组及控制器为旋转泵体及旋转轴工作提供必要条件。

高速弹丸离心加速系统具体的工作流程如下：

首先完成加料室弹丸的填充，然后封装系统法兰，通过分子泵机组对整个系统抽气实现真空度优于10-³Pa的要求，为旋转叶片的旋转提供好的真空环境。通过控制器控制旋转叶片旋转，并实时监测叶片转速。待旋转达到预定转速后，释放加料室内的弹丸，通过加料管道落入旋转模块中心区域，该中心区域转速为零，防止弹丸溢出。然后弹丸将在旋转模块槽内离心加速，加速到旋转叶片末端的弹丸，将脱离旋转叶片到达旋转腔室内壁，并在旋转腔室内壁圆周运动。当高速旋转的弹丸达到出料口位置时，将沿切线高速通过出料口，注入到出料管道内，最终打入靶室，实现弹丸500-1000m/s(这个速度约等于叶片旋转的末端切线速度)的高速注入。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。