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Etre
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Est-a
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DANS
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SENS
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Fert
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Pha-e
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Est Gene
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Tric
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Physical
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2 V
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de 2000 m/s
(1)
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2000 m/s
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22 s
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2 L
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24 N
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de 2 V
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Molecule
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hydrogen
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DES
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dispc
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Polymer
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Rayon
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Disease
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Rupture
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2516812A1
Family ID 1961690
Probable Assignee Max Planck Gesellschaft
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF D'ACCELERATION MECANIQUE DE PARTICULES
MACROSCOPIQUES
Abstract
_________________________________________________________________
DISPOSITIF D'ACCELERATION MECANIQUE DE PARTICULES MACROSCOPIQUES A
VITESSE ELEVEE, AVEC UN CORPS ACCELERATEUR EXERCANT UNE FORCE
D'ACCELERATION SUR LES PARTICULES.
DANS UNE PREMIERE FORME DE REALISATION COMPRENANT UN CORPS
ACCELERATEUR ROTATIF ET UNE SECTION DE GUIDAGE PARCOURUE PAR LA
PARTICULE, LA SECTION DE GUIDAGE20 SE SITUE ESSENTIELLEMENT SUR UNE
SURFACE CYLINDRIQUE18. DANS UNE SECONDE FORME DE REALISATION,
COMPORTANT UN CORPS ACCELERATEUR ANIME D'UN MOUVEMENT LINEAIRE, CE
DERNIER COMPORTE UNE SECTION DE GUIDAGE DES PARTICULES CINTREE ET
CONCAVE SUIVANT LE SENS DU DEPLACEMENT.
Description
_________________________________________________________________
a presente invention concerne un dispositif d'acceleration meca-
nique de particules macroscopiques a une vitesse elevee Dans une pre-
miere forme de realisation, le dispositif comporte un corps accelera-
teur rotatif qui exerce une force d'acceleration sur les particules et
comporte une section de guidage parcourue par la particule Dans une
seconde forme de realisation, le dispositif comporte un corps
accelera-
teur anime d'un mouvement lineaire et exercant une force
d'acceleration
sur les zarticules.
L'acceleration mecanique de particules macroscopiques a l'aide
d'une centrifugeuse, c'est-a-dire par la force centrifuge, est genera-
lement connue et utilisee par exemple pour la realimentation en
combustible, sous forme de particules (pastilles) d'hydrogen
comprimees puis accelerees, Je machines fonctionnant avec des plasmas
de densite et temperature elevees (S L Milora, "Review of Pellet
Fuelling", J of Fusion Energy, vol 1, n 1, 1981) La particule a
accelerer est injectee dans une section de guidage du rotor de la
centrifugeuse, a une distance r de l'axe de rota Lion, r)uis acceleree
par la force centrifuge sur son o trajet vers la peri-pherie du rotor
La particule quitte la centrifugeuse a la vitesse 2 V cs ( 0/12), V
etant la vitesse tangentielle du rotor
U U
et O 1 angle forme par la tangente a la circonference du rotor, a
l'emplacement de sortie de la particule, et la direction de la section
de guidage.
Dans les centrifugeuses connues, les particules a accelerer sont
introduites dans le rotor a proximite de son axe de rotation, ce qui
se traduit par une dispersion angulaire notable de la direction de
sortie des particules accelerees Une faible dispersion angulaire est
toutefois requise pour de nombreuses applications, et notamment pour
l'injection de particules d'hydrogen (pastilles de combustible) dans
une machine a plasma.
Dans le cas des centrigeuses connues, la vitesse realisable des
particules est en outre limitee par la resistance du materiau du rotor
par exemple, en forme de bras ou de disques Des etudes ont montre
a que les materiaux actuellement disponibles ne permettent pas de
depas-
ser sensiblement une vitesse des particules de 2000 m/s La realimen-
tation en combustible de machines a plasma exige toutefois des
vitesses
de particules tres superieures a 2000 mis.
L'invention a pour objet un dispositif d'acceleration nan q'e de
particules macroscopiques, garantissant une dispersion angulaire
beaucoup plus faible de la direction des particules accelerees et
permettant d'obtenir des vitesses de particules superieures a celes
des centrifugeuses connues.
Selon une caracteristique essentielle de l'invention, la secticn de
guidage se situe essentiellement sur une surface cylindrique Selon
une autre caracteristique de l'invention, le corps accelerateur com-
porte une section de guidage des particules, cintree et concave
suivant
la direction du mouvement.
Dans une forme de realisation de l'invention comportant un corps
accelerateur rotatif (rotor), la diminution de la dispersion angulaire
des particules quittant le rotor est essentiellement obtenue par une
section de guidage aziaiutale, c'est-a-dire situee sur la surface
enveloppe d'un cylindre rotatif Il est ainsi possible d'obtenir une
acceleration egale a l'acceleration centrifuge, mais la dispersion
angulaire est sensiblement reduite dans le rapport R/r, R etant le
rayon du cylindre et r la distance entre le point d'injection et l'axe
de rotation des centrifugeuses classiques Les formes de realisation
fonctionnant avec un ou plusieurs corps accelerateurs animes d'un mou-
vement lineaire fournissent aussi des particules accelerees a une
vitesse elevee, avec une faible dispersion angulaire.
Les dispositifs selon l'invention permettent en outre d'obtenir des
vitesses tres elevees, et notamment des vitesses tres superieures
A 2000 m/s, par le montage en serie de plusieurs unites et/ou le
trans-
fert de particules accelerees de la sortie vers l'entree d'un dispc-
sitif a un ou plusieurs etages La disposition des sections de guidage
sur des surfaces enveloppes cylindriques permet une realisation tech-
niquemnent simple du montage en serie de plusieurs etages
accelerateurs.
Le choix de rapports rationnels entre les vitesses de rotation de deuy
etages successifs permet en outre d'obtenir facilement une
selection de particules.
D'autres caracteristiques et avantages de l'invention seront mieux
compris a l'aide de la description detaillee ci-dessous d'exemples de
realisation et du dessin annexe sur lequel: la figure 1 represente un
schema illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention;
la figure 2 est une elevation en coupe d'un dispositif a un seul
etage, dans une forme de realisation de l'invention; la figure 3
represente un dispositif accelerateur a plusieurs etages, constituant
une forme de realisation preferentielle de l'invention; et la figure 4
represente le developpement des surfaces enveloppes et des
sections de guidage de deux etages accelerateurs successifs du dispo-
sitif selon figure 3.
Le dispositif plan represente a la figure 1 est decrit ci-dessous
pour illustrer le principe de fonctionnement du dispositif selon l'in-
vention La gravite et le frottement sont negliges x, y sont les
coordonnees d'une masse M supposee ponctuelle, dans un systeme de
coor-
donnees fixe dans l'espace Un chariot plan S, presentant une section
de guidage F semi-circulaire de centre 0, se deplace dans le plan (x,
y) et suivant le sens x negatif, a une vitesse de module vs.
Les coordonnees x, y du point materiel M dans le systeme de coor-
donnees fixe dans l'espace peuvent s'exprimer par les coordonnees du
centre de courbure O anime d'une vitesse constante vs a l'aide du
rayon de courbure consr ant et de l'angle le.
x(t) = -vs t Z X sin f (t) ( 1) y(t) = t ( 1 cost(t)) ( 2) Conditions
initiales: x = O y = O pour t = 0, O = O pour t = O Une
differentiation par rapport au temps t donne les composantes de
vitesse x(t) et y(t).
x(t) = -v + cos %(t) ( 3) s t) T ' sin (t) ( 4) Lorsque Z ' = vs pour
= 1800, le point materiel quitte la section
de guidage a la vitesse x = -2 v et y = 0.
s Par hypothese, au temps t = O la masse M est au repos et le chariot
S se deplace a vs = constante A l'origine, on a donc g ' T vs Il reste
a montrer que constante est valable pendant toute la reste h montrer
que Z 't'= constante est valable pendant toute la
duree du phenomene d'acceleration.
Le formalisme de Lagrange est utilise pour ce faire (cf par exemple L
D Landau, E M Lifschitz: "Lehrbuch der theoretischen
M 4 echanik").
Fonction de Lagrange L = T U; U = O; T = 2 ( + y 2) 22 s C s x = v + 2
+ 2 co? 2 v cost; y = sin 2 T L =T = 2 (Vs + t -2 _2 v 4 cose; as L= m
Ut (g 2 _ 2 v 4 cosl); d 2 L( 2 t+ 2 v sin); DL v2 sinf; On a:d DL _L
d X X = O
c'est-a-dire m 2 = o et par suite t= constante.
Dans l'equation ( 3), est, au debut de l'acceleration, la
vitesse relative du point materiel par rapport au chariot mobile.
Lorsque le point materiel apparait deja a la vitesse de 2 vs, sui-
vant la direction des valeurs croissantes de x, dans le chariot se
deplacant a v suivant le sens negatif de x, la vitesse relative du
point materiel par rapport au chariot est 2 = 3 v et, te etant
constant dans la section de guidage semicirculaire pendant le
phenomene d'acceleration, la vitesse de sortie ((= 1800) apres un
second etage accelerateur est: = -4 v Le dispositif represente en
coupe axiale a la figure 2 comporte un moteur synchrone avec un stator
10, fixe sur un arbre 12 vertical fixe Un rotor 16 est monte autour du
stator par l'intermediaire de
paliers 14 permettant des vitesses de rotation elevees Le rotor pre-
sente une enveloppe cylindrique 18, sur laquelle est fixee une section
de guidage 20, sous forme par exemple d'un petit tube qui, apres deve-
loppement de la surface cylindrique 18 dans un plan, presente une
configuration semicirculaire, telle que celle representee schematique-
ment a la figure 4 pour la section de guidage 20 a L'enveloppe est
constituee par une piece tubulaire metallique et maintenue par une
nervure annulaire interieure La section de guidage peut aussi etre
disposee sur la face interieure de l'enveloppe Le dispositif se
trouve de preference dans ur I enceinte sous vide.
Les particules a accelerer sont injectees, de preference avec une
vitesse initiale aussi elevee que possible, a une-extremite de la
section de guidage, a peu pres tangentiellement et sous un angle
relativement faible par rapport a un plan perpendiculaire a l'axe de
rotation 22, danrs le sens oppose au sens de rotation; apres franchis-
sement de la section de guidage, elles sortent a peu pres tangentiel-
lement de cette derniere, dans le sens de rotation Les particules sent
ainsi accelerees, de la facon precedemment decrite a l'aide de
la figure t.
Dans une forme d realisatioti preferentielle de l'invention, plu-
sieurs unites du type de:cit a l'aide de la figure 2 sont montees en
serie pour former une 'cascade centrifuge" representee par exemple a
la figure 3 Le dispositif selon figure 3 comporte plusieurs unites 24
a, 24 b,, 24 N 1, 24 n, qui peuvent etre constitutes chacune de la
facon decrite a l'aide de la figure 2 Chaque unite 24 comporte
ainsi son prupre lmoteur electrique et les rotors d'unites voisines
tour-
nent en sens contraire, co Erne l'indiquent les flecheso Chaque rotor
comprend une mince enveloppe cylindrique d'un materiau approprie, en
acier par exemple, et sur laquelle est disposee une section de
guidage.
Le materiau de l'enveloppe doit presenter un rapport aussi eleve que.
possible entre la resistance a la rupture et la masse volumiqueo Le
debut et la fin de ehaqu-e section de guidage sont axialement opposes
et le trace de la section de guidage est choisi de facon que la
particule a accelerer subisse une inversion de direction Des reperes
disposes sur les rotors (et non representes) permettent la synchroni-
sation de la rotation relative des divers rotors, par une regulation
electronique de type classique, afin de garantir un transfert parfait
des particules entre l'extremite de sortie de la section de guidage
d'une unite et l'extremite d'entree de la section de guidage de
l'unite suivante Dans le cas d'un tracee monotone de la section de
guidage, l'augmentation de vitesse realisable dans une unite est
independante du trace de la section de guidage et, en negligeant le
frottement, est
de 2 V au maximum, V etant la vitesse circonferentielle du rotor.
e u
Dans le cas de N unites montees en serie, la vitesse finale des par-
ticules est ainsi d'environ 2 n V u Pendant le phenomene
d'acceleration, la particule est soumise a l'action de forces
perpendiculaires a la section de guidage Il est avantageux de choisir
le trace de la section de guidage de facon que les forces agissant
tangentiellement a la surface enveloppe demeurent constantes pendant
tout le phenomene d'acceleration dans la section de guidage Ce
resultat est sensiblement atteint-avec une section de guidage en forme
de selle Une telle section de -guidage presente sur le developpement
de la surface cylindrique la forme d'un demi-cercle a rayon aussi
grand que possible (egal a la demi-hauteur du cylindre au maximum) La
nature du frottement dans la section ou le canal de guidage est
essentielle pour le transfert des particules d'une unite ou d'un etage
au suivant Dans le cas d'un frottement de roulement, la
particule emmagasine aussi une energie de rotation pendant l'accelera-
tion La section de guidage de l'etage suivant doit se raccorder a
l'etage precedent de facon que la rotation de la particule puisse se
poursuivre sans interruption Cette limitation est inutile dans le cas
d'un frottement de glissement.
Comme le montrent les developpements de la figure 4, les particules
sortent a peu pres tangentiellement de la section de guidage 20 a de
l'unite 24 a, puis penetrent dans la section de guidage 20 b en sens
inverse de l'unite 24 b, le long d'une section de transfert 26 formant
un faible angle avec un plan perpendiculaire a l'axe de rotation, pour
etre accelerees de nouveau.
Les particules accelerees par un dispositif du type represente a la
figure 2 ou 3, peuvent etre ramenees a l'entree des particules du
dispositif considere par un dispositif de renvoi, et notamment un
canal de guidage stationnaire a courbure monotone, de sorte que les
particules parcourent plusieurs fois le dispositif considere et sont
ainsi accelerees a plusieurs reprises Un sas, tel qu'une partie
pivotante du canal de guidage stationnaire, peut etre prevu dans ce
dernier pour decouplage des particules Le decouplage peut aussi etre
assure par une modification de la rotation du ou des rotors, de facon
que les particules a decoupler passent devant l'entree du canal de
retour. La figure 4 montre que des sections de guidage planes du type
represente forment une cascade centrifuge lineaire Une telle forme-:
de realisation comporte donc au minimum un corps accelerateur du type
chariot, anime d'un mouvement lineaire, et presentant une section de
guidage concave suivant le sens du deplacement (fleches de la figure
4) et de preference semi- circulaire Les explications relatives aux
formes de realisation selon figures 2 et 3, comportant un ou plusieurs
corps accelerateurs rotatifs, s'appliquent de la meme facon Le ou les
corps accelerateurs animes d'un mouvement lineaire peuvent etre animes
d'un mouvement oscillatoire autour d'une position de repos, par un
entrainement magnetique par exemple, et une acceleration en phase peut
etre effectuee sur plusieurs etages (comme dans le cas de la
figure 3), avec ou sans passage repete dans la ou les sections de gui-
dage par on retour en pha-e des particules.
Les dispositifs sen L l'invention sont utilisables partout o il
s'agit de preparer des rai:icules a grande vitesse, frequence de repe-
tition elevee et faible dispersion directionnelle Les dispositifs
selon l'invention se pretent en particulier a l'alimentation en com-
bustible et a la regulation de la combustion de machines de fusion.
Ils sont egalement utillsables comme auxiliaires pour le diagnostic
de machines a plasma es generations actuelle et future, et de reac-
teurs a fusion La taille des pastilles d'hydrogen utilisees est gene-
ralement de l'ordre de quelques millimetres cubes.
Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportees par
l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'etre
decrits uniquement a titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du
cadre de l'invention -
16812
Claims
_________________________________________________________________
Revendications
1 Dispositif d'acceleration mecanique de particules-macroscopiques a
une vitesse elevee, avec un corps accelerateur rotatif qui exerce une
force d'acceleration sur les particules et comporte une section de
guidage parcourue par la particule, ledit dispositif etant carac-
terise en ce que la section de guidage ( 20) se situe pour l'essentiel
sur une surface cylindrique ( 18).
2 Dispositif d'acceleration mecanique de particules macroscopiques a
une vitesse elevee,-avec un corps accelerateur anime d'un mouve- ment
lineaire et exercant une force d'acceleration sur les particules,
ledit dispositif etant caracterise en ce que-le corps accelerateur
presente une section de guidage des particules, cintree et concave
suivant le sens du mouvement.
3 Dispositif selon revendication 2, caracterise en ce que la section
de guidage est sensiblement semicirculaire.
4 Dispositif selon revendication 1, caracterise en ce que la sec- tion
de guidage presente au moins sensiblement la forme d'un demi-
cercle-sur le developpement de la surface cylindrique sur un plan.
5 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 a 4, carac-
terise en ce que le debut et la fin de la section de guidage ( 20) se
trouvent sur une droite perpendiculaire au sens de deplacement du
corps accelerateur.
6 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 a 5, carac-
terise en ce que la section de guidage-est constituee par un canal
tubulaire.
7 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 a 6, carac-
terise en ce qu'un autre dispositif ( 24 b) identique au moins est
dispose du cote de sortie des particules du dispositif ( 24 a); les
corps accelerateurs de deux dispositifs voisins ( 24 a, 24 b) se
deplacent en sens inverse; les sections de guidage ( 20 a, 20 b)des
deux dispositifs voisins sont disposees de facon qu'une particule
sortant de la section de guidage ( 20 a) du premier dispositif ( 24 a)
puisse penetrer dans l'ex- tremite d'entree de la section de guidage (
20 b) du dispositif suivant ( 24 b); et un dispositif est prevu pour
synchroniser le mouvement des corps accelerateurs des deux
dispositifs.
8 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 a 7, carac-
terise par une section de retour, qui permet une acceleration repetee
d'une particule par le m?ete dispositif.
9 Dispositif selon revendication 1, caracterise par un moteur elec-
tric, comportant un stator ( 10) monte sur un arbre ( 12) vertical
fixe, et un rotor ( 16) monte en rotation autour du rotor et
presentant une enveloppe cylindrique ( 18) qui porte la section de
guidage ( 20).
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