Способ и устройство для оптимизации рециклинга рабочего газа в токамаке
METHOD AND DEVICE FOR OPTIMIZATION OF WORKING GAS RECYCLING IN TOKAMAK

Изобретение относится к области исследований по программе управляемого термоядерного синтеза на установках с магнитным удержанием плазмы, преимущественно на токамаках, в которых используются лимитеры.
Основной технической задачей, стоящей перед исследованиями на токамаках, является достижение максимального удержания энергии для ионной компоненты плазмы в центральных областях плазменного шнура. Это позволяет достичь в этих областях высокой ионной температуры и, следовательно, увеличить (в случае использования в качестве рабочего газа химических элементов, участвующих в термоядерных реакциях синтеза) скорости протекания реакций синтеза и выделяемую при этом мощность.
Список используемых терминов
1. Рециклинг - (в данном контексте) совокупность процессов обмена частицами рабочего газа между элементами конструкции установки и плазмой;
2. Лимитер - внутрикамерный элемент конструкции установки, который определяет границу плазменного шнура;
3. Подвижный лимитер Т-10 - внутрикамерная конструкция, которая может вдвигаться в камеру на различную глубину; таким образом достигается возможность изменения малого радиуса плазменного шнура;
4. Апертурный неподвижный лимитер Т-10 - лимитер, имеющий форму диафрагмы с круглым отверстием в центре;
5. Радиальный профиль величины F(r) - зависимость величины F от малого радиуса r в тороидальной системе координат;
6. Система газонапуска - устройство для напуска рабочего газа в камеру установки с целью компенсации потерь частиц водорода, определяемых адсорбцией на поверхности вакуумной камеры, откачкой и т.п.;
7. Резонансная перезарядка - обмен электронами между атомами и ионами без передачи энергии;
8. Эстафетная перезарядка - многоступенчатый процесс, при котором происходит перезарядка между атомом, двигающимся в плазму и ионом плазмы; в каждом следующем акте взаимодействия энергия результирующего атома нарастает, в итоге создается значительная концентрация атомов в центральных областях плазмы;
9. Периферия плазменного шнура (в данном контексте) - область интенсивного взаимодействия поступающих в плазму нейтральных частиц рабочего газа с заряженными частицами плазмы;
10. Основной объем плазмы, основная плазма (в данном контексте) - область плазмы за исключением периферии плазменного шнура;
11. Конвективные потери энергии (в данном контексте) - потери энергии связанные с поперечными (по отношению к тороидальному магнитному полю) потоками заряженных частиц.
В большинстве случаев в качестве рабочего газа в современных токамаках используются изотопы водорода. В процессе ионизации нейтральных частиц (атомов и молекул рабочего газа) образуется плазма, состоящая из электронов и ионов водорода, удерживаемая магнитным полем установки. Плазма образует тороидальную структуру, именуемую плазменным шнуром. Помимо электронов и ионов водорода в плазме присутствуют ионы примесей, вследствие чего электронная и ионная концентрации различаются. Однако в режимах с не очень высокой концентрацией примесей - а именно такие режимы необходимо использовать в термоядерном реакторе - разница между концентрацией электронов и ионов водорода невелика, и в дальнейших рассуждениях мы будем ей пренебрегать. Поэтому, в нижеследующем тексте (если нет специальных указаний), речь идет о положительно заряженных ионах, атомах и молекулах водорода. Заряженные частицы (электроны и ионы) теряются из плазменного шнура, в основном, из-за поперечного (по отношению к тороидальным магнитным поверхностям) диффузионного потока. Такие потери компенсируются за счет поступления в плазму нейтральных частиц водорода через границу плазменного шнура с последующей ионизацией. Таким образом, зависимость концентрации заряженных частиц от малого радиуса тороидального плазменного шнура (форма радиального профиля плотности) определяется одновременным действием двух основных конкурирующих процессов: ионизации поступающих с периферии плазменного шнура атомов и молекул водорода и диффузионным потоком заряженных частиц наружу. Совокупность этих процессов обычно называют рециклингом водорода. Надежные механизмы влияния на величину поперечной диффузии, которая значительно превышает предсказания классической теории плазмы, до настоящего времени не разработаны. Что касается параметров нейтралов, поступающих в плазменный шнур, то их фракционным составом (атомы или молекулы) и энергией можно управлять, используя различные конструкции элементов и систем установки и параметры плазмы на периферии плазменного шнура. Таким образом, может быть оказано управляющее воздействие на формы радиальных профилей концентрации, как заряженных частиц, так и атомов водорода в плазме.
Известен способ формирования тороидального плазменного шнура, применяемый в первых токамаках. В этих установках плазменный шнур формировался в тороидальной вакуумной камере [А.Л.Безбатченко, И.Н.Головин и др., в книге «Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, Том IV, стр. 116, М., 1958»]. Лимитеры не использовались. В этом случае можно говорить о двух источниках атомов и молекул водорода, влияющих на формирование плазменного шнура: внутренней поверхности вакуумной камеры и системе газонапуска. Недостатки, присущие такому способу, и препятствующие получению технического результата, который обеспечивается описываемым изобретением, рассматриваются ниже.
Следующим этапом развития токамаков явилось введение лимитеров - внутрикамерных элементов конструкции, приближенных к плазме. Лимитеры сильнее всего взаимодействуют с плазмой и определяют положение границы плазменного шнура. Вследствие большой удельной плотности потока ионов плазмы на поверхности лимитеров последние являются мощными источниками нейтрального водорода.
Наиболее близким способом и устройством того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является способ и устройство формирования плазменного шнура, применяемый в токамаке Т-10 (прототип: В.А.Вершков, Д.К.Вуколов, Э.О.Кулешин, А.А.Медведев, Модернизированная эндоскопическая оптическая система Токамака Т-10. Первые экспериментальные результаты, Вопросы атомной науки и техники, Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 4, стр. 80). Т-10 - лимитерный токамак с круглым сечением плазменного шнура. В качестве рабочего газа в большинстве режимов разряда используется дейтерий (тяжелый водород).
Рассмотрим основные элементы конструкции установки Т-10, являющиеся источниками атомов и молекул водорода и влияющие на форму профилей плотности заряженных частиц и атомов водорода в плазме.
Система газонапуска. Выход трубопровода системы газонапуска располагается на поверхности стенки вакуумной камеры. Из трубопровода поступает молекулярный поток водорода.
Внутренняя поверхность вакуумной камеры. Вносит в плазму как молекулярный (возникающий за счет десорбции с поверхности), так и атомарный (результат отражения ионов и атомов водорода от поверхности с нейтрализацией) потоки водорода.
20
-2
-1
Лимитеры. На поверхности подвижного и неподвижного лимитеров падает большой по величине (до 10 смс) удельный поток энергичных ионов, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля. Значительная часть ионов отражается от поверхностей лимитеров с нейтрализацией. В результате образуются атомы с энергией сравнимой по величине с энергией исходного иона. Присутствует также поток молекул, рождающихся в процессе десорбции водорода с поверхностей лимитеров.
Недостатками прототипа являются следующие особенности:
1. При отражении ионов водорода от поверхностей лимитеров образуются энергичные (до 200-300 эВ) атомы, подавляющая часть которых поступает в плазменный шнур. Значительная начальная энергия таких атомов в условиях существования эстафетной перезарядки позволяет им проникать глубоко в плазму. Концентрация атомов в центральной зоне плазмы в таких условиях высока, что имеет следствием высокую удельную объемную мощность потерь энергии из ионной компоненты за счет перезарядки ионов на атомах. Большая глубина проникновения атомов в плазму приводит также к образованию широкого и расположенного на значительной глубине в плазме профиля скорости ионизации атомов и молекул водорода, и, как следствие, формированию профиля плотности заряженных частиц со значительным градиентом в областях плазмы, удаленных от периферии. При такой форме профиля плотности велика удельная объемная мощность конвективных потерь энергии, как из ионной, так и из электронной компонент плазмы.
2. Все вышеперечисленное относится также и к потоку молекул, образующихся в результате десорбции молекул со стенки вакуумной камеры и лимитеров.
Таким образом, прототип не обеспечивает формирование радиальных профилей плотности заряженных частиц плазмы и атомов рабочего газа, оптимальных с точки зрения удержания энергии в плазме.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является обеспечение радиальных профилей плотности заряженных частиц плазмы и атомов рабочего газа, оптимальных с точки зрения удержания энергии в плазме и обеспечивающего получение более высокого энергетического времени жизни в основном объеме плазмы токамака.
При неизменной вкладываемой в плазму мощности увеличение энергетического времени жизни позволяет получить более высокую, мощность, выделяемую при термоядерных реакциях за счет снижения потерь энергии, и, соответственно, более высокий КПД реактора в качестве технического результата.
Из экспериментальных данных следует, что одним из основных, а часто доминирующим, каналом потерь энергии как из электронной, так и из ионной компонент плазмы, являются конвективные потери, определяемые поперечным (по отношению к тороидальным магнитным поверхностям) потоком заряженных частиц плазмы. Поперечный поток заряженных частиц, в свою очередь, растет с увеличением градиента концентрации заряженных частиц. Отсюда следует, что конвективные потери энергии могут быть уменьшены посредством снижения градиента плотности заряженных частиц в основном объеме плазмы.
Для ионной компоненты плазмы еще одним существенным каналом потерь энергии является перезарядка ионов на атомах водорода. В процессе перезарядки образуются энергичные (до нескольких кэВ в условиях Т-10) атомы водорода, покидающие плазменный шнур. Удельная объемная мощность таких потерь может быть уменьшена, если добиться снижения концентрации в основной плазме атомов водорода.
Таким образом, для достижения поставленной задачи - улучшения удержания энергии в плазме - необходимо оптимизировать профили концентрации, заряженных частиц и атомов рабочего газа в основной плазме. Эти макроскопические параметры плазменного шнура находятся в причинно-следственной связи с параметрами атомов и молекул водорода, поступающих в плазменный шнур.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ оптимизации рециклинга рабочего газа в плазме токамака, который осуществляют посредством поступления молекул и атомов рабочего газа с поверхностей стенок вакуумной камеры, подвижного и неподвижного лимитеров, и системы газонапуска с трубопроводом, при этом одновременно снижают поток атомов, рождающихся в результате отражения ионов и атомов, поступающих из плазмы, от поверхностей стенок вакуумной камеры и лимитеров с нейтрализацией, снижают поток молекул рабочего газа, поступающий в плазму с поверхностей стенки вакуумной камеры и лимитеров и увеличивают поток молекул рабочего газа в плазму из системы газонапуска.
Кроме того,
- поток атомов, снижают путем формирования микрорельефа на поверхностях стенок вакуумной камеры.
- формируют микрорельеф в виде микронеровностей, размер которых в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов водорода в области их взаимодействия с поверхностями стенок вакуумной камеры.
- формируют микрорельеф путем размещения на поверхностях стенок вакуумной камеры металлического войлока.
- остаточный поток быстрых атомов, образующихся в результате отражения ионов с нейтрализацией, снижают, направляя поток, отраженный от поверхности подвижного и неподвижного лимитеров в сторону поверхности стенки вакуумной камеры.
- поток молекул рабочего газа, снижают при помощи нанесения на поверхности стенки вакуумной камеры и лимитеров геттера.
- поток молекул рабочего газа, снижают при помощи нанесения на поверхности стенки вакуумной камеры и лимитеров регенерируемого геттера, напыляемого между рабочими циклами установки.
- поток молекул рабочего газа увеличивают, размещая выход трубопровода системы газонапуска на поверхности подвижного лимитера, обращенной к плазме.
- электронную температуру плазмы в области выхода трубопровода системы газонапуска оптимизируют при помощи дополнительного нагрева.
Также для достижения технического результата предложено устройство для оптимизации рециклинга рабочего газа в установках токамак, содержащее вакуумную камеру, с расположенными в ней подвижным и неподвижным лимитерами, и системой газонапуска с трубопроводом,
при этом, боковые поверхности подвижного и неподвижного лимитеров выполнены таким образом, что преимущественный вектор скорости атомов, образующихся при упругом отражении от этих поверхности с нейтрализацией, направлен на стенку вакуумной камеры,
в стенке вакуумной камеры в области преимущественного падения отраженных атомов выполнены полости, выход трубопровода системы газонапуска размещен на поверхности подвижного лимитера, обращенной к плазме, а поверхности, стенок вакуумной камеры и лимитеров выполнены с микрорельефом.
Кроме того:
- на выходе трубопровода системы газонапуска установлено сопло Лаваля.
- на поверхности стенок вакуумной камеры и лимитеров нанесен геттер.
- микрорельеф выполнен в виде микронеровностей, размер которых в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов водорода в области их взаимодействия с поверхностями.
- микрорельеф выполнен из металлического войлока.
- вне вакуумной камеры установлен гиротрон, соединенный с ней волноводом, ось которого ориентирована параллельно большому радиусу тороидальной системы координат токамака, а выход расположен в области выхода трубопровода системы газонапуска.
Краткое описание чертежей:
На фиг. 1 приведены радиальные зависимости концентрации атомов водорода в одном из режимов разряда Т-10 для различных энергий атомов на границе плазменного шнура.
Фиг. 2 иллюстрирует зависимость скоростных кэффициентов различных ветвей реакций взаимодействия молекул водорода с плазмой от электронной температуры.
На фиг. 3 показана схема усовершенствованных лимитеров (сечение вертикальной плоскостью, перпендикулярной главному радиусу тора, не в масштабе).
На фиг. 4 приведена схема реализации электронно-циклотронного нагрева области плазмы, в которую при помощи системы газонапуска инжектируются молекулы.
Позициями обозначены:
1 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 100 эВ;
2 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 50 эВ;
3 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 20 эВ;
4 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 5 эВ;
5 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 2 эВ;
0
+
6 - скоростной коэффициент реакции H2→Н+Н;
0
0
7 - скоростной коэффициент реакции H2→Н+Н;
8 - подвижный лимитер;
9 - апертурный лимитер;
10 - выход трубопровода газонапуска;
11 - стенка вакуумной камеры;
12 - плазма;
13 - полость со стенками, покрытыми геттером;
14 - гиротрон;
15 - волновод.
Осуществление изобретения
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе и устройстве формирования плазменного шнура, применяемом в токамаке Т-10, и заключающемся в использовании для формирования плазменного шнура потоков атомов и молекул водорода, поступающих с лимитеров, внутренней поверхности стенки вакуумной камеры и системы газонапуска, используются следующие действия:
- для минимизации потоков и средней энергии атомов рабочего газа, рождающихся в результате отражения ионов водорода с нейтрализацией от стенки вакуумной камеры и лимитеров и поступающих в плазменный шнур, поверхностям, взаимодействующим с плазмой, придают специальный микрорельеф (шероховатость), который снижает вероятность отражения ионов и атомов с нейтрализацией в результате однократного соударения с поверхностью. Как показывают численные оценки, оптимальный размер микронеровностей должен быть в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов в области поверхности, составляющего десятые доли мм. Такой рельеф может быть создан при помощи механической обработки поверхностей. Можно также применять на упомянутых поверхностях неоднородный материал, при взаимодействии которого с плазмой образуется необходимый микрорельеф. Как вариант, поверхности покрывают «металлическим войлоком» - спрессованной тонкой металлической проволокой.
Кроме того, чтобы уменьшить вероятность попадания остаточных быстрых атомов в плазму, изменяют конструкцию лимитеров 8 и 9. Поверхности лимитеров 8 и 9 (фиг. 3), на которые падает поток ионов, направляют таким образом, что вектора скоростей быстрых атомов, образующихся в результате отражения ионов с нейтрализацией, направляются в противоположную от плазмы сторону (в сторону поверхности стенки вакуумной камеры). В области преимущественного падения на поверхность быстрых атомов организуют полости 13, покрытые геттером. Помимо оптимизации радиальных профилей концентрации заряженных частиц и атомов водорода в плазме это позволяет снизить концентрацию в плазме примесей, что дополнительно улучшает удержание энергии.
Для уменьшения поступления молекулярного газа (например, вследствие десорбции с внутренней поверхности стенки вакуумной камеры) в область плазмы с низкой электронной температурой применяют нанесение на соответствующие поверхности геттера, например, лития или титана. Целесообразно применять геттер, напыляемый между рабочими циклами токамака.
Для обеспечения напуска молекул в область с более высокой электронной температурой выход трубопровода системы газонапуска 10 целесообразно разместить как можно ближе к границе плазмы 12, например, на поверхности лимитера 8 (фиг. 3, 4). Дополнительной мерой для обеспечения проникновения молекулярного газа в области с более высокой электронной температурой на выходе трубопровода системы 10 газонапуска целесообразно установить сопло Лаваля (на фиг. не показано) увеличивающее направленную скорость молекул.
Если электронная температура в зоне выхода трубопровода недостаточно высока, целесообразно использовать для ее повышения дополнительный (например, электронно-циклотронный) СВЧ нагрев. Для генерации СВЧ излучения целесообразно использовать гиротрон. Положение зоны электронно-циклотронного резонанса, зависящее от частоты вводимого в плазму СВЧ излучения и магнитного поля, выбирается таким образом, чтобы мощность дополнительного нагрева вводилась в область взаимодействия молекул газонапуска с плазмой. Один из оптимальных вариантов геометрии введения излучения показан на фиг. 4.
Таким образом, за счет минимизации потока и средней энергии поступающих в плазму атомов водорода формируются оптимальные профили плотности заряженных частиц и атомов водорода в плазменном шнуре, позволяющие существенно снизить потери энергии, связанные с конвекцией и перезарядкой.
В известном способе формирования плазменного шнура, применяемом в токамаке Т-10, в котором плазменный шнур формируется путем использования в качестве источников нейтральных частиц водорода лимитеров, внутренней поверхности стенки вакуумной камеры, системы газонапуска, предлагается использовать следующие действия:
1. Минимизировать потоки и среднюю энергию атомов рабочего газа, рождающихся в результате отражения ионов водорода с нейтрализацией от поверхностей стенки вакуумной камеры, а также лимитеров, и поступающих затем в плазменный шнур. Поток атомов, снижают путем формирования микрорельефа на поверхностях стенок вакуумной камеры (пункт 2 Формулы изобретения).
Микрорельеф создают в виде микронеровностей, размер которых в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов водорода в области их взаимодействия с поверхностями стенок вакуумной камеры (пункт 3 Формулы изобретения). Как вариант возможно размещение на поверхностях стенок вакуумной камеры металлического войлока (пункт 4 Формулы изобретения). Остаточный поток быстрых атомов, образующихся в результате отражения ионов с нейтрализацией, снижают, направляя поток, отраженный от поверхности подвижного и неподвижного лимитеров в сторону поверхности стенки вакуумной камеры (пункт 5 Формулы изобретения).
2. Одновременно с этим уменьшить поступление молекулярного водорода (например, вследствие десорбции со стенки вакуумной камеры) в область плазмы с параметрами, при которых процессы диссоциации, приводящие к образованию атомов, превалируют над процессами ионизации с образованием электронов и ионов. Поток молекул рабочего газа снижают при помощи нанесения на поверхности стенки вакуумной камеры и лимитеров геттера (пункт 6 Формулы изобретения). Целесообразно использование регенерируемого геттера, напыляемого между рабочими циклами установки (пункт 7 Формулы изобретения).
3. Одновременно с действиями, перечисленными выше, компенсировать уменьшение полного потока нейтральных частиц в плазменный шнур при помощи увеличения потока молекулярного газа из системы газонапуска в область плазмы с большей электронной температурой. Для достижения этого условия поток молекул рабочего газа увеличивают, размещая выход трубопровода системы газонапуска на поверхности подвижного лимитера, обращенной к плазме (пункт 8 Формулы изобретения). Кроме того, на выходе трубопровода системы газонапуска устанавливают сопло Лаваля (пункт 11 Формулы изобретения).
4. В случае, если напуск молекулярного газа в область плазмы с достаточно высокой электронной температурой плазмы невозможен, оптимизируют этот параметр в области взаимодействия молекул, поступающих из системы газонапуска, при помощи дополнительных методов нагрева (пункт 9 Формулы изобретения). Целесообразно использовать электронно-циклотронный нагрев (пункт 15 Формулы изобретения). Одной из наиболее оптимальных схем организации электронно-циклотронного нагрева является использование гиротрона, излучение с выхода которого вводится в вакуумную камеру посредством волновода, ось которого ориентирована параллельно большому радиусу токамака и проходит непосредственно над выходом трубопровода системы газонапуска.
Благодаря введению в решение-прототип совокупности отличительных признаков, атомарный поток рабочего газа в плазму в значительной мере замещается молекулярным потоком. В случае если электронная температура плазмы в зоне поступления этого молекулярного потока оптимальна, подавляющая часть молекул конвертируется в электроны и ионы. Как следствие, радиальный профиль скорости рождения электронов и ионов водорода становится более узким и смещается к границе плазменного шнура. Градиент плотности заряженных частиц и концентрация атомов водорода в основной плазме снижаются, что приводит к улучшению удержания энергии.
Преимущество изобретения состоит в следующем. Как показывают сделанные численные оценки, основанные на экспериментальных данных, благодаря введению в известный прототип совокупности отличительных признаков, энергетическое время жизни в центральной зоне плазмы возрастает. В результате может быть достигнуто при прочих равных условиях увеличение центральной ионной температуры на 30-80%.