КАМЕРА РЕАКТОРА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИНЕРЦИОННОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА

Область техники
Техническое решение относится к термоядерной энергетике, и может быть использовано для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа.
Предшествующий уровень техники
25
3
-10
8
Известны экспериментальные реакторы инерционного типа (Басов Н.Г. "Состояние, перспективы и проблемы Л.Т.С. в энергетике будущего", Природа, 1978 г., N6). В этих реакторах термоядерный синтез происходит в небольшом характерном объеме (100 мкм), при плотности 10 ядер реагента в 1 см. Реакция протекает за время 10 с. В результате происходит микротермоядерный взрыв с энерговыделением порядка 10 Дж. Энергию микротермоядерного взрыва можно преобразовать в электрическую.
2
4
3
Известен также проект реактора HYLIFE-11, согласно которому камера реактора имеет диаметр 8 метров и высоту 20 метров. Для поглощения энергии взрыва используется жидкая завеса из расплавленной соли LiBeF, окружающая область, куда вбрасываются мишени. Жидкая завеса служит также для смывания остатков мишеней и демпфирования давления взрывов, сила которых эквивалентна 20-200 кг в тротиловом эквиваленте. Расход жидкого теплоносителя составляет 50 м/с. Предусмотрена жидкая шторка, открывающаяся синхронизировано с подачей мишени с частотой около 5 Гц для пропускания пучка тяжелых ионов. Точность подачи мишени составляет доли миллиметра. Известен также проект реактора для инерциального термоядерного синтеза на тяжелых ионах имеющий коаксиально-цилиндрическую конструкцию. С целью обеспечения достаточно быстрой конденсации паров область камеры разделена на две части: первая - относительно небольшая, в которой происходит собственно микровзрыв (взрывная секция), и объемный поддон, в котором ионизованный пар конденсируется на распыляемых струях теплоносителя
(1-Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. - под редакцией Шаркова Б.Ю. Москва. Физматлит. 2005. -С.264.).
Среди методов защиты первой стенки рассматриваются два подхода: покрытие пористой поверхности стенки жидкой пленкой теплоносителя и струйный жидкий бланкет, внутри которого создается динамическая полость для организации микровзрыва. Известны конструкции реакторов со смоченной первой стенкой. В данном типе реакторов используется защита первой стенки жидкой пленкой теплоносителя. Защитная пленка создается на пористой поверхности первой стенки за счет перепада давления в подводящих каналах и полости камеры реактора. Выделение энергии нейтронов происходит в бланкете с проточным теплоносителем. Пленочная защита рассматривалась в проектах реакторов ИТИС ГНЦ РФ ИТЭФ, HIBALL-II, LIBRA (1).
Пленочная защита на жесткой пористой стенке используется в проекте PROMETHEUS-H. Первая стенка выполнена из SiC, жидкая пленка - свинец. Полость камеры имеет цилиндрическую геометрию с полусферическими верхом и низом. Бланкет имеет модульную конструкцию, охлаждаемую гелием (1).
В проекте HYLIFE-II бланкетом служит динамические струйные структуры, образующие объем жидкости с внутренней полостью. Стенки жидкого объема имеют толщину, достаточную для поглощения нейтронов. В полости отсутствуют микрокапли, препятствующие транспорту пучка к центру полости, где происходит микровзрыв мишени. Проблемами являются - защита большого количества сопел и динамике образования полости из множества нестационарных струй. Недостатком реактора с жидким бланкетом является малый перепад температур теплоносителя и, соответственно, большой расход теплоносителя в реакторе (1).
Камера реактора HIBALL-II имеет цилиндрическую геометрию (см. рис.4.3). Цилиндрическая часть бланкета образована из отдельных трубок с теплоносителем. Трубки изготовлены из пористого материала на основе
17
83
SiC. Теплоноситель - эвтектика LiPb выдавливается на поверхность камеры, где образует жидкую пленку. Смоченная поверхность труб имеет большую площадь, что способствует конденсации паров испарившейся в результате микровзрыва части пленки. Стекающий по стенкам теплоноситель собирается на дне цилиндрической камеры, образуя жидкий бланкет. Существенно проблематичным является конструктивное оформление бланкета в верхней крышке цилиндрической камеры. Здесь первая стенка изготовлена из пористого материала SiC, образующего радиальные фалды на конической поверхности крышки камеры. Несущая часть бланкета имеет коробчатую конструкцию с протоком теплоносителя (1).
Наиболее близким техническим решением является реактор ИТИС для инерциального термоядерного синтеза содержащий бланкет, представляющий собой систему нескольких вертикальных коаксиальных круговых цилиндров высотой 6 м. Радиус внутреннего цилиндра (собственно камеры) составляет 3 м, внешний радиус бланкета - 3,5 м. Первая стенка представляет собой пористую керамическую структуру SiC, через которую просачивается теплоноситель, образуя жидкую защитную пленку камеры. Каналы, по которым течет теплоноситель, выполнены из ванадиевого сплава. Реактор ИТС представляет собой прочную стальную камеру, окруженную бетонной радиационной защитой и содержащую на своей внутренней поверхности систему утилизации тепла термоядерного микровзрыва - бланкет. Стенки реактора имеют необходимое число отверстий для инжекции мишеней, ввода пучков, откачки газов, ввода и вывода теплоносителя (Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. - под редакцией Шаркова Б.Ю. Москва. Физматлит. 2005. -С.264.). Недостатками известных технических решений являются:
1 Сложность и нетехнологичность конструкции;
2 Низкая надежность и ресурс работы;
3 Сложность организации подачи теплоносителя в камеру;
4 Сложная эксплуатация;
5 Энергоемкость процесса;
6 Невозможность регулирования в широких пределах параметров защиты;
7 Воздействие энергии микровзрыва на систему подачи теплоносителя в камеру реактора;
8 Большая масса и габариты.
Раскрытие полезной модели
Целью полезной модели является создание надежного реактора для инерциального термоядерного синтеза. Техническое решение позволяет упростить конструкцию и улучшить эксплуатационные и энергетические характеристики реактора, а также дает возможность достичь высокой технологичности. Техническое решение дает также возможность в широких пределах регулировать параметры (геометрические и массовые) динамической пленочной защиты, а также защитить выходные устройства - инжектора, сопла мишеней и ускорителей и т.п.
Краткое описание фигур чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид реактора, на фиг.2-6 показана динамика работы реактора и образования пленочной защиты, на фиг.7 дан общий вид двухкамерного реактора, а на фиг.8 мишень скрепленная со стержневым держателем, на фиг.9-12 показана динамика образования пленочной защиты, на фиг.13 показано расположение сопел в камере реактора, а на фиг.14-16 показана динамика образования пленочной защиты, на фиг.17-18 показано возможное расположение плоских сопел в камере реактора с возможностью перекрывания их пленочной защитой, а на фиг.19-22 даны возможные конфигурации реакторов.
Описание
Камера реактора для осуществления инерционного термоядерного синтеза содержит стенку реактора 1 (Фиг.1), бланкет (система утилизации тепла термоядерного микровзрыва) 2, драйвер 3, ускоритель мишеней
83
17
(инжектор) 4 и мишень 5, кольцевое сопло 6, связанное с насосом (на рисунке не изображен). Кольцевое сопло 6 расположено в нижней части камеры реактора и покрыто слоем теплоносителя 7. Теплоноситель 7 подается и удаляется в камеру реактора при помощи насосов (на рисунке не изображены). Теплоноситель представляет собой, например жидкометаллическую эвтектику PbLi. Камера может быть соединена с вакуумным насосом (на рисунке не изображен). Драйвер может быть выполнен легко- или тяжелоионным, электронным или лазерным с системой фокусировки.
Двухкамерный реактор содержит камеры 8 и 9 (Фиг.7), в верхней камере 8 происходит микровзрыв мишени 5, а во второй камере 9 происходит конденсация пара теплоносителя. Бланкет 2 расположен за защитной стенкой 1 и выполнен, например, в виде трубок (на рисунке не показаны) по которым протекает теплоноситель 7. Кольцевое сопло 6 связано с насосом (на рисунке не изображен), подающим теплоноситель 7 посредством трубопровода 10. Фокусировка излучения производится при помощи фокусирующих линз 11. Вакуум в камере создается при помощи вакуумного насоса (на рисунке не изображен), соединенного с камерой реактора посредством трубопровода 12. Камера реактора связана с теплообменником (на рисунке не изображен) посредством трубопровода 13.
Мишень 5 может быть скреплена со стержнем 14 (Фиг.8), который выбрасывается из ускорителя 4 и фиксируется в нужном положении. Стержень 14 может быть выполнен полым с целью пропускания потока энергии от драйвера 3.
Варианты осуществления полезной модели
В соответствии с общей схемой инерционного термоядерного синтеза, DT-топливо помещается в мишень 5 (Фиг.1), при помощи инжектора 4 мишень 5 катапультируется в камеру реактора. При помощи насосов и кольцевой сопловой насадки 6 жидкий теплоноситель 7 распространяется по поверхности стенки реактора 1 (Фиг.3, 4). Стенки реактора имеют
положительный градиент по отношению к распространяющейся струе теплоносителя и струя теплоносителя инерционно плотно прилегает и распространяется по поверхности стенки камеры реактора 1, по крайне мере до момента микровзрыва мишени 5. С целью получения необходимых параметров пленки, например равномерности по толщине, регулируют подачу и высоту истекающего из соплового насадка 6 теплоносителя 7. Мишень 5 (Фиг.1) подвергается сжатию до колоссальных плотностей за счет импульса давления, обеспечиваемого внешним источником энергии - драйвером 3. В момент наибольшего сжатия достигаются необходимые условия по плотности и температуре вещества начинает идти ядерная реакция синтеза с выделением энергии в виде нейтронов и α-частиц. В этот момент осуществляется формирование защитной пленки теплоносителя и происходит микровзрыв (Фиг.5). Жидкая пленка поглощает сверхмощные потоки энергии рентгеновского излучения и ионов материала мишени 5 в тонком поверхностном слое. Теплоноситель 7 испаряется и конденсируется в нижней части реактора (Фиг.6). Теплоноситель поступает к теплообменнику. В дальнейшем процесс повторяется. Сопловая насадка находится под защитой слоя теплоносителя (Фиг.2).
В случае необходимости путем регулирования режима подачи организуется струйная завеса теплоносителя 7 в камере реактора, которая смывает продукты конденсации.
Двухкамерный реактор состоит из камер 8 и 9 (Фиг.7). Бланкет 2 расположен за защитной стенкой 1 и выполнен, например, в виде трубок (на рисунке не показаны) по которым протекает теплоноситель 7. В кольцевое сопло 6 подают теплоноситель 7 посредством трубопровода 10. В камере реактора создают вакуум при помощи вакуумного насоса (на рисунке не изображен), соединенного с камерой реактора посредством трубопровода 12. Мишень 5 инжектируют в камеру 8, а теплоноситель 7 подается насосом и при помощи кольцевого сопла 6 распространяется и образует защитную пленку на внутренней поверхности камеры 1 (Фиг.9, 10). Фокусировка излучения на мишени 5 производят при помощи
фокусирующих линз 11 (Фиг.7) и в камере происходит микровзрыв мишени 5 (Фиг.11) и конденсация паров теплоносителя (Фиг.12). Для конденсации паров необходимо поддерживать низкое давление, которое создается при помощи вакуумного насоса (на рисунке не изображен), соединенного с камерой реактора посредством трубопровода 12 (Фиг.7). Конденсация пара теплоносителя 7 происходит в основном в камере 9. В дальнейшем теплоноситель 7 подается в теплообменник посредством насосов через трубопровод 13 и процесс повторяется.
Одной из главных проблем при инерционном термоядерном синтезе является точное позиционирование мишени 5 в камере реактора. Для обеспечения точности мишень 5 скрепляют со стержнем 14 (Фиг.8), который инжектируют в камеру реактора, а затем фиксируют в требуемом положении. Стержень 14 может быть выполнен с полостью (на рисунке не показана), сквозь которою излучение от драйвера попадает в мишень 5 (при коллинеарном расположении драйвера). Стержень может быть выполнен из того же материала, что и теплоноситель, но в твердом состоянии.
Корпус реактора может содержать ряд плоских сопел 6 расположенных тангенциально (Фиг.13). Защитную пленку из теплоносителя 6 формируют следующим образом. В плоские сопла 6 подают теплоноситель 7 (Фиг.14). Клапаны сопел (на рисунке не изображены) открывают и теплоноситель 7 распространяется в виде плоской струи (пленки) по поверхности камеры реактора 1 (Фиг.15). В момент микровзрыва мишени пленка теплоносителя 7 перекрывает сопла 6, тем самым, защищая их от излучения (Фиг.16). Путем регулирования подачи и изменения геометрии соплового сечения можно регулировать параметры плоской струи (пленки), например толщину создаваемой пленки. Взаимное расположение сопловых насадок 6 с их взаимным перекрытием пленочной защитой показано на фиг.17-18.
Лазерные, электронные и ионные драйверы практически в равной мере совместимы со всеми типами бланкета и способами защиты первой стенки.
Достоинства заявляемого технического решения заключаются в создании оптимальных условий функционирования, наилучшим образом удовлетворяющих условиям работы камер реакторов инерционного термоядерного синтеза.