УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ СТЕНОК ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ ДИВЕРТОРА РЕАКТОРА-ТОКАМАКА

Устройство относится к термоядерной технике и может быть применено в системах защиты и охлаждения стенок дивертора термоядерных реакторов-токамаков и др.
Известен ДИВЕРТОР ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА по патенту РФ № 2051430, содержащий корпус и расположенные в нем приемные пластины, причем на поверхностях приемных пластин, обращенных к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора из плазменного объема токамака, укреплены посредством точечной сварки выполненные из металлических волокон капиллярно-пористые маты, соединенные с емкостью, заполненной жидким литием, при этом введены пластины-конденсаторы испаренного лития с укрепленными на их поверхности вышеупомянутыми капиллярно-пористыми матами, соединенными с емкостью, заполненной жидким литием, конструктивно расположенные сепаратрисы магнитных поверхностей в свободном объеме дивертора и соединенные с системой сбора и очистки сконденсированного лития, причем соотношение площадей поверхностей приемных пластин и пластин-конденсаторов составляет 1/20.
Известен СПОСОБ ТЕПЛОСЪЕМА С ПОВЕРХНОСТИ ЭНЕРГОПРИЕМНИКА ДИВЕРТОРА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА по патенту РФ № 1672858, заключающийся в прокачке водяного теплоносителя через трубку, образующую тепловой контакт с тепловоспринимающим внешним трубчатым кожухом через слой жидкометаллического наполнителя, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы и надежности энергоприемника, жидкометаллический наполнитель прокачивают вдоль кольцевого зазора, образованного трубкой теплоносителя с размещенной в нем спиральной направляющей вставкой и тепловоспринимающим трубчатым кожухом.
2
2
В термоядерном реакторе-токамаке ITER дивертор предполагается выполнить из плиток вольфрама, находящихся в тепловом контакте с трубочками из нержавеющей стали, в которых предполагается прокачивать жидкий охладитель, например литий. Тепловая нагрузка на такие плитки должна составлять величину порядка 20 МВт/м в импульсе и 10 МВт/м постоянно.
Недостатком аналогов является использование жидкого охладителя, который не обеспечивает высокого уровня надежности системы охлаждения ввиду низкой тепловой инерционности, то есть при возникновении чрезвычайной ситуации с сильным перегревом дивертора для такой системы может быть проблематичным скомпенсировать возникающий нерасчетный перегрев. Предполагается, что рабочая температура таких плиток будет порядка 2000 К, что будет приводить к их постепенному разрушению. В связи с этим планируется их плановая замена в течение всего срока эксплуатации ITER. Отсюда также следует, что уже в настоящий момент необходим поиск новых методов и устройств охлаждения элементов дивертора термоядерных реакторов-токамаков.
Прототипом заявляемого устройства дивертора является устройство по патенту РФ № 1312649 «Устройство для защиты стенок вакуумной камеры дивертора реактора-токамака», содержащее каналы для откачки нейтрального газа, сопла Лаваля для создания газовой мишени, каналы для отвода газа мишени, причем формкамеры сопл снабжены щелевым каналом для подачи газа-мишени, выполненным в пространстве между соплами, каналы для отвода газа мишени в стенке вакуумной камеры дивертора выполнены секционироваными, имеющими входы в виде сверхзвуковых диффузоров.
Устройство по прототипу работает следующим образом.
Газ-мишень подается в форкамеру сопл Лаваля по щелевому каналу. При этом с помощью сопл газ разгоняется до сверхзвуковой скорости и затем истекает в пространство вакуумной камеры со стенками. Перепад давлений в форкамере выбирается так, чтобы поворот границы недорасширенной свободной струи не допускал перетока газа в рабочую камеру, и потери давления в скачках уплотнения, возникающих в сверхзвуковых диффузорах, были минимальными. Расширяющаяся свободная струя-мишень, воспринимающая поток энергии плазмы, собирается сверхзвуковым диффузором. Диффузор обеспечивает переход сверхзвуковой струи к дозвуковому потоку.
Недостатком прототипа является то, что при увеличении мощности реактора-токамака, в том числе и нештатной, возникает необходимость в увеличении плотности газа мишени. Это может привести к сложностям, как в предотвращении попадания частиц газа в пространство реактора, что может стать причиной изменений параметров плазмы, так и в предотвращении перегрева стенок вакуумной камеры дивертора. Все это не гарантирует высокий уровень надежности данной системы и долговечности реактора-токамака.
Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники, является повышение надежности и долговечности термоядерных реакторов-токамаков путем снижения температуры стенок приемного устройства дивертора при тепловых нагрузках, вызванных попаданием на поверхность этих стенок продуктов реакции термоядерного синтеза, например гелия (в дейтеро-тритиевом реакторе-токамаке), применяя безынерционный отвод тепла от воспринимающей стенки электронами при термоэлектронной эмиссии.
Указанная задача решается тем, что диффузор выполнен из жаропрочного материала, например вольфрама, а на его внутренней поверхности нанесен слой из материала с низкой работой выхода электронов. Такой диффузор представляет собой катод. Причем диффузор ориентирован таким образом, что поверхность его стенки находится под углом к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора из плазменного объема токамака. На выходе из диффузора размещен элемент, воспринимающий электроны из потока рабочего газа и перенаправляющий их к электрической нагрузке и далее к катоду.
Единым техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является повышение надежности и долговечности воспринимающего элемента дивертора за счет организации его охлаждения путем отвода тепла электронами при термоэлектронной эмиссии с воспринимающей поверхности. Кроме того, уменьшается воздействие высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных линий за счет организации их столкновений с электронами эмиссии и частицами рабочего газа. При этом повышается КПД реактора-токамака за счет получения дополнительной электроэнергии, являющейся частью тепловой энергии нагрева воспринимающего элемента дивертора. Также заявляемое устройство способствуют отводу продуктов реакции от дивертора.
На чертеже представлена заявляемая полезная модель.
Устройство включает эмиссионный слой 1 из материала с низкой работой выхода и диффузор 2 из жаропрочного электропроводного материала, например вольфрама. Оба они образуют катод. Устройство также включает сопло 3, анод, состоящий из токопроводящей подложки 4 и слоя восприятия электронов 5, причем токопроводящая подложка находится в термическом контакте с каналами системы охлаждения анода 6 через слой электроизоляции 7. Также устройство имеет в своем составе токовывод 10, токоввод 9 и электрическую нагрузку 8. Движение рабочего газа между элементами происходит по трубопроводу 11.
Эмиссионный слой 1 предназначен для обеспечения высокой эмиссии электронов при нагреве. Диффузор 2 выполняет роль воспринимающего продукты реакции термоядерного синтеза, а также для торможения потока рабочего тела до дозвуковых скоростей. Сопло 3 предназначено для увеличения скорости потока и может быть сверхзвуковым или дозвуковым. Анод предназначен для восприятия электронов из потока рабочего тела и состоит из слоя восприятия электронов (СВЭ) 5 и токопроводящей подложки анода (ТПП) 4. СВЭ 5 предназначен для обеспечения прохождения электронов эмиссии внутрь анода и выполнен из материала также с низкой работой выхода электронов при нагреве, а ТПА 4 для обеспечения движения электронов в направлении токовывода 10. Электрическая нагрузка 8 предназначена для «охлаждения» электронов эмиссии путем совершения полезной работы. Токоввод предназначен для перенаправления электронов на катод.
Устройство работает следующим образом.
В сопло 3 поступает рабочий газ, например инертный газ аргон, где разгоняется. Далее рабочий газ выходит из сопла и попадает в диффузор, где тормозится. Одновременно по сепаратрисе магнитных линий стекают продукты реакции термоядерного синтеза, например гелий, и попадают на обращенную к оси поверхность диффузора 2, покрытую эмиссионным слоем 1. В результате эта поверхность нагревается до температур, при которых с ее поверхности начинают выходить электроны, то есть происходит термоэлектронная эмиссия. При этом диффузор 1 охлаждается. В то же время «горячие» электроны попадают в поток рабочего газа и уносятся им от поверхности эмиссии. Далее рабочий газ тормозится и направляется по трубопроводу 10 к аноду. Из потока рабочего газа электроны эмиссии проникают в СВЭ 5 и в ТПА 4, от которой направляются к токовыводу 10, а от него в электрическую нагрузку 8, где охлаждаются путем совершения полезной работы. После электрической нагрузки 8 «остывшие» электроны попадают в токоввод 9 и далее в катод, и цикл движения электронов повторяется заново.
Благодаря новой совокупности существенных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше результат, который заключается в повышении надежности и долговечности дивертора реактора-токамака за счет обеспечения охлаждения стенки воспринимающего устройства путем отвода тепла электронами при термоэлектронной эмиссии. При этом снижается воздействие на воспринимающий элемент дивертора за счет столкновения высокоэнергичных частиц из активной зоны реактора-токамака с электронами эмиссии и частицами рабочего газа. При этом повышается КПД реактора за счет частичного преобразования тепловой энергии нагрева дивертора в электрическую энергию.