Устройство дивертора реактора-токамака

Полезная модель относится к термоядерной технике и может быть применена в термоядерных реакторах-токамаках 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 секционированными, 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 диффузорам. 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 выходное сечение сопла, которое может быть дозвуковым, сверхзвуковым, соединено с входным сечением диффузора трубопроводом из жаропрочного материала, например вольфрама, на внутренней поверхности которого нанесен слой из материала с низкой работой выхода электронов. Причем трубопровод из жаропрочного материала ориентирован таким образом, что его ось находится под углом к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора из плазменного объема токамака.
2
2
2
При попадании горячих атомов гелия на поверхность трубопровода из жаропрочного материала происходит его нагрев. При этом, с его внутренней поверхности начинают выходить горячие электроны, забирая с собой большое количество тепла. Стенка трубопровода при этом охлаждается. Чем ниже работа выхода электронов внутренней поверхности, тем интенсивнее теплоотвод электронами при термоэлектронной эмиссии и ниже ее температура. Например, тепловой нагрев воспринимающей поверхности дивертора может достигать величин 10-25 МВт/м. Например, при работе выхода электронов (РВЭ) эмиссионного слоя 1.3 эВ, тепловые потоки электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии достигают величины 25 МВт/м при температуре в 1300 К. При такой температуре вольфрам не теряет своих прочностных свойств и может выполнять свои функции в течение длительного промежутка времени. Это повышает надежность и долговечность дивертора токамака и токамака в целом. При этом может отсутствовать необходимость в замене воспринимающих элементов дивертора. Кроме того, при возникновении внештатной ситуации, связанной с перегревом стенки дивертора, заявляемое устройство позволяет скомпенсировать возникающий нештатный нагрев из-за сильной зависимости термоэлектронной эмиссии от температуры. Например при увеличении температуры поверхности с РВЭ в 1.3 эВ всего на 50 К (до 1350 К) тепловые потоки электронного охлаждения вырастают до величины порядка 42 МВт/м. Это практически гарантирует высокий уровень безотказной работы дивертора реактора-токамака в течение всего времени его функционирования при температуре, обеспечивающей целостность вольфрамовых элементов.
Эмитируемые с внутренней поверхности трубопровода попадают в поток рабочего газа и уносятся им от поверхности эмиссии и не препятствуют дальнейшей эмиссии электронов с нагретой поверхности. За диффузором установлен элемент, воспринимающий электроны из потока рабочего газа - анод, электрически соединенный с трубопроводом через электрическую нагрузку, в которой может совершать полезную работу, повышая тем самым эффективность термоядерного реактора-токамака.
Сопла, диффузоры и трубопроводы могут иметь плоскую форму, частично функции анода может выполнять диффузор, если он будет выполнен из электропроводящего материала и покрыт слоем из материала с низкой РВЭ.
2
Кроме того, таким устройством может быть защищены все стенки реактора-токамака, обеспечивая поддержание относительно малой температуры стенок реактора и одновременно генерируя огромные количества электрической энергии (с 1 м защищаемой стенки дивертора теоретически можно будет получать порядка 3-6 МВт электрической энергии).
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение надежности и долговечности дивертора путем снижения температуры воспринимающего элемента дивертора до уровня, при котором сохраняются прочностные свойства жаропрочного материала, из которого он выполнен, например вольфрама, за счет инициации и поддержания электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии с его внутренней поверхности. Увеличению надежности и долговечности также способствует и близкая к экспоненциальной зависимость термоэлектронной эмиссии от температуры, что обеспечивает мгновенный и многократный рост величины электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии в случае возникновения нерасчетного нагрева воспринимающего элемента дивертора. Кроме этого, повышается энергетическая эффективность реактора-токамака, ввиду того, что нагрев воспринимающего элемента дивертора частично может быть преобразован в электроэнергию.
На чертеже представлено заявляемое устройство.
Устройство защиты стенок дивертора имеет в своем составе воспринимающий элемент дивертора (ВЭД) 1, эмиссионный слой 2, причем ВЭД 1 и эмиссионный слой 2 образуют катод, сопло 3, диффузор 4, анод, состоящий из токопроводящей подложки 5 и слоя восприятия электронов 6, каналы системы охлаждения 7, слой электроизоляции 8, электрическую нагрузку 9, трубопровод 10, токовывод 11, токоввод 12.
ВЭД 1 предназначен для восприятия продуктов реакции термоядерного синтеза, например, горячего гелия, попадающего на ВЭД 1 по сепаратрисе магнитных поверхностей. Эмиссионный слой 2 предназначен для обеспечения выхода как можно большего числа электронов при термоэлектронной эмиссии, то есть для обеспечения наиболее интенсивного электронного охлаждения. Сопло 3 предназначено для создания потока газа заданной скорости внутри ВЭД 1, а диффузор 4 для торможения этого потока до дозвуковых скоростей. Токопроводящая подложка анода предназначена для движения электронов, воспринятых СВЭ 6. Для поддержания температурной разности потенциалов между анодом и катодом анод охлаждается путем прокачки охладителя через каналы 7 системы охлаждения анода, расположенные от анода через слой электроизоляции 8. Электрическая нагрузка 9 предназначена для «охлаждения» электронов эмиссии, проходящих от анода к катоду. Трубопровод 10 предназначен для обеспечения движения газа между основными элементами заявляемого устройства. Токовывод 11 предназначен для перенаправления электронов от анода к электрической нагрузке 9, токовводу 12 и катоду.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
В сопло 4 подается рабочий газ, например инертный газ аргон. В сопле 4 рабочий газ разгоняется до высоких скоростей и далее поступает в ВЭД 1эмиссионным слоем 2. Одновременно, в процессе работы реактора-токамака по сепаратрисе магнитных полей на внешнюю поверхность ВЭД 1 поступают продукты реакции термоядерного синтеза, взаимодействие которых с ВЭД 1 нагревает его до температур, при которых с его внутренних поверхностей начинают выходить «горячие» электроны, охлаждая ВЭД 1. Вышедшие «горячие» электроны попадают в рабочее тело и уносятся им с большой скоростью от поверхности эмиссии. Таким образом, исчезает пространственный заряд, препятствующий дальнейшей эмиссии. Далее поток рабочего газа с «горячими» электронами поступает в диффузор 4, где тормозиться до дозвуковых скоростей. После диффузора 4 рабочий газ проходит через анод, который воспринимает электроны из потока рабочего газа, попадающих на СВЭ 6. Форма и расположение анода выбирается таким образом, чтобы обеспечить восприятие всех электронов эмиссии из потока рабочего газа. После СВЭ 6 электроны попадают в токопроводящую подложку анода 5, а от нее через токовывод 11, электрическую нагрузку 9, где совершают полезную работу, охлаждаясь при этом. Одновременно, температура анода поддерживается путем циркуляции хладагента в каналах 7 системы охлаждения анода, расположенной от СВЭ 5 через слой электроизоляции 8. После электрической нагрузки 9 «остывшие» электроны попадают в токоввод 12 и далее в катод, и цикл работы устройства повторяется заново.
Благодаря новой совокупности существенных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше результат, который заключается в повышении надежности и долговечности дивертора токамака, путем снижения температуры его воспринимающего элемента до уровня, при котором сохраняются его прочностные свойства за счет обеспечения электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии с его внутренних стенок. Одновременно, повышение надежности и долговечности дивертора и токамака в целом достигается также и за счет того, что электронное охлаждение при термоэлектронной эмиссии сильно зависит от температуры, таким образом, что существенное увеличение нагрева воспринимающего элемента дивертора, в том числе по причине возникновения внештатной ситуации, приводит к интенсификации термоэлектронной эмиссии, а значит и электронного излучения с внутренней поверхности воспринимающего элемента дивертора. Кроме того, повышается КПД реактора-токамака за счет частичного преобразования тепловой энергии нагрева стенок дивертора в электрическую энергию.