ПРИЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛИМИТЕРА РЕАКТОРА-ТОКАМАКА

ПРИЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛИМИТЕРА РЕАКТОРА - ТОКАМАКА
Предлагаемая полезная модель относится к термоядерной энергетике, в частности, к лимитерным устройствам токамаков без дивертора, предназначенным для защиты стенок разрядной камеры от чрезмерно интенсивного взаимодействия с плазмой и снятия высоких тепловых нагрузок, выносимых потоком плазмы.
Известны кольцевой и «рельсовый лимитеры 1, в которых поток энергии, приходящий из плазмы во время разряда, воспринимается взаимодействующими непосредственно с ним приемными элементами из твердых тугоплавких материалов (графит, вольфрам и т.д.). Высокие температуры на поверхности приемного элемента приводят к его оплавлению. Вследствие возникающего высокого градиента температуры твердый материал приемного элемента испытывает большие термические напряжения и разрушается. Эрозия и распыление под действием потока частиц из плазмы и возникающих в процессе разряда униполярных дуг приводит к загрязнению плазмы примесями с высоким зарядовым числом. Таким образом высокие удельные тепловые нагрузки в современных токамаках приводят для таких конструкций к быстрому разрушению твердых приемных элементов лимитера, частой их замене и неизбежному загрязнению плазмы токамака примесями с высокими зарядовыми значениями, что отрицательно сказывается на параметрах разряда. Обеспечение длительной работы таких приемных элементов лимитера и соответствующих ограничений по поступлению загрязняющих плазму примесей требует увеличения площади контакта приемных элементов с плазмой и, как следствие, размеров лимитера.
Наиболее близким по техническому решению является жидкометаллический лимитер реактора - токамака, в котором поверхность приемного элемента J взаимодействующая с плазмой, представляет собой формируемую с помощью специальных инжерсторных устройств открытзто поверхность жидкого металла, текущего с больщой скоростью по цррожке из твердого конструкционного материала 2. Недостатками так|го рев|1П1Я является отсутствие устойчивости потока жидкого металла при воздействии
плазмы, сложность формирования быстротекущих пленок жидкого металла в магнитном поле токамака, ограничения по пространственной ориентации и форме поверхности приемного элемента и не исключена возможность оголения подложки и ее разрушения.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу повышения надежности и долговечности работы приемного элемента лимитера токамака, снижает размеры лимитера и улучшает функциональные характеристики лимитера и токамака в целом.
Поставленная техническая задача решается тем, что в приемном элементе лимитера, содержащем обращенную к плазме приемную поверхность, эта поверхность выполнена из капиллярно-пористых матов на основе металлических волокон, укрепленных на перфорированной стенке тракта подачи лития, соединенного с заполненной жидким литием внешней питающей емкостью с помощью транспортной капиллярной системы, при этом для регулирования и поддержания температуры элемента во внутренней полости тракта подачи лития установлено устройство для прокачки теплоносителя.
Такое конструктивное решение позволяет избежать прямого контакта плазменного потока с поверхностью материалов с высокими значениями зарядового числа, благодаря чему не происходит загрязнения плазмы, увеличивает срок службы приемного элемента за счет отсутствия его разрушения и расплавления. Это достигается тем, что поступающий из питательной емкости за счет сил капиллярного напора жидкий литий пропитывает капиллярно-пористый мат приемного элемента лимитера и полностью покрывает его поверхность не зависимо от ее пространственной ориентации и формы. Испарение лития с поверхности мата при высоких удельных тепловых нагрузках защищает материал основы от расплавления и эрозии. Испаряющаяся с поверхности пленка лития мгновенно восстанавливается под действием ьсапиллярных сил. Кроме того, в пропитанном литием капиллярно-пористом мате из металлических волокон не возникают приводящие к его разрушению термические напряжения. Образуюшаяся на поверхности капиллярно-пористого мата пленка жидкого металла удерживается капиллярными силами и весьма устойчива к воздействию поШщхлазмы.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг. 1.
Приемный элемент лимитера содержит: капиллярно-пористый мат 1 из металлических волокон, укрепленный на перфорированной стенке 2 тракта подачи лития 3 и связанный гидравличесьси с транспортной капиллярной системой 4 в полости тракта, соединенного с внешней питаюшей емкостью с литием 5, устройство поддержания и регулирования температуры 6, размещенное аксиально в канале тракта подачи.
Приемный элемент лимитера работает следующим образом. Предварительно разогретбш литий из внешней питающей емкости 5 поступает под действием капиллярных сил по транспортной капиллярной системе 4 в полость тракта подачи лития 3 Ьткуда через перфорированную стенку 2 литий поступает в капиллярно-пористый мат 1 на поверхности приемного элемента и смачивает его. На поверхности капиллярно-пористого мата образуется и удерживается капиллярными силами пленка лития, которая непосредственно контактирует с плазмой в процессе разряда в токамаке. Тепловой поток из плазмы отводится за счет теплопроводности к устройству поддержания температуры 6 и за счет испарения лития с поверхности. Испарение лития с поверхности постоянно компенсируется его поступлением под действием капиллярных сил. Температурный режим приемного элемента как в процессе подготоврш к работе, так и во время разряда поддерживается с помощью устройства поддержания и регулирования температуры 6, которое обеспечивает нагрев или охлаждение лития в тракте подачи приемного элемента за счет поступления теплоносителя с заданной температурой.
Предлагаемая конструкция приемного элемента лимитера в целом испытана в виде приемного элемента подвижного «рельсового лимитера токамака Т-ИМ. Испытания показали, что поверхность приемного элемента не претерпевала изменений в результате воздействия потока плазмы и характер разряда не изменялся, а по некоторым параметрам наблюдалось улучшение по сравнению с использованием графитового лимитера 3. Способность конструкции противостоять ВЫСО1СИМ удельным тепловым нагрузкам в
стационарном (до 50 МВт/м) и импульсном (до 5 МДж/м в течение 0,5 мс) режимах экспериментально подтверждена на моделях 4.
Источники информации, использованные в описании
1.Мирнов С.В. Физические процессы в плазме токамака.- М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 184.
2.Муравьев Е.В. Контактные устройства диверторных и лимитерных систем реакторов-токамаков. 4.1. Устройства с жидкометаллической рабочей поверхностью. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 1980, вьт. 2(6), с. 57-64. (прототип).
3.Evtikhin V.A., et al.. Designing, calculating and experimental studies on liquid metal system main parameters substantiate of liquid lithium fusion reactor. Extended synopses of 17 th. IAEA Fusion Enrgy Conf, Yokohama, Japan, 19-24 Oct., 1998, IAEA -CN-69, FTP/27, p.287.
4.Evtikhin V.A., et al.. Experimental and calculated basis of the lithium capillary system as divertor material, J. Nucl. Mater. 241-243 (1997) 1190-1196.