Охлаждаемая стенка токамака
COOLED WALL OF TOKAMAK

Изобретение относится к металлургии, ракетному двигателестроению, системам аварийного охлаждения атомных реакторов и, в частности, диверторам, лимитерам и бланкетам термоядерных реакторов типа токамак и может быть использовано для охлаждения стенок камер с высокой интенсивностью теплового потока из центра камер на периферию.
Известна термосиловая охлаждаемая конструкция стенки элемента высокотемпературного воздушно-газового тракта (патент РФ №2403491, публ. 10.11.2010, МПК F16L 59/07), содержащая каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт со стенкой камеры сгорания.
Недостатком настоящего технического решения является ограниченный отвод энергии от горячей стенки, связанный с недопустимостью закипания охлаждающей жидкости в каналах и образованием эффекта «запаривания».
Известен порт-лимитер термоядерного реактора (Патент РФ №2267174, публ. 27.12.2005, МПК G21B 1/00), содержащий каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт с поверхностью, воспринимающей тепловой поток от плазмы.
Недостатком данного технического решения также является ограниченный отвод энергии от горячей стенки.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является охлаждаемая стенка токамака, описанная в патенте РФ №2467416 «Система пассивной безопасности ядерной энергетической установки», публ. 20.11.2012, МПК G21C 15/18, и содержащая поверхность приема теплового потока и прилегаемую к ней теплопроводящую зону, группу форсунок, каждая из которых содержит камеру с осевым отверстием, каналы подвода охлаждающей жидкости. При этом на поверхности приема теплового потока расположены несколько слоев металлических шариков.
Недостатком настоящего технического решения является низкая степень охлаждения при высокой интенсивности теплового потока, обусловленная тем, что вода, попавшая на поверхность шариков, испаряется и по каналам между шариками вырывается наружу, образуя паровую подушку, препятствующую попаданию распыляемой из форсунок воды на охлаждаемую поверхность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности съема тепла с нагреваемой стенки.
Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения стенок камер с высокой интенсивностью теплового пока из центра камер на периферию.
Это достигается тем, что известная охлаждаемая стенка токамака, содержащая поверхность приема теплового потока и прилегающую к ней теплопроводящую зону, группу форсунок, каждая из которых содержит камеру с осевым отверстием, соединенную с каналом подвода охлаждающей жидкости, снабжена кожухом для сбора пара, при этом группа форсунок расположена внутри теплопроводящей зоны, причем в каждой форсунке выполнено сопло, расположенное соосно осевому отверстию, а на внутренней поверхности сопла выполнено оребрение, при этом кожух для сбора пара установлен со стороны сопел.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена охлаждаемая стенка токамака, на фиг. 2 показан разрез форсунки.
Охлаждаемая стенка токамака содержит поверхность приема теплового потока 1 и прилегающую к ней теплопроводящую зону 2, внутри которой расположена группа форсунок 3, причем каждая форсунка 3 содержит камеру 4 с осевым отверстием 5, соединенную с каналом подвода охлаждающей жидкости 6. В каждой форсунке 3 выполнено сопло 7, расположенное соосно осевому отверстию 5. На внутренней поверхности сопла 7 выполнено оребрение 8. Со стороны сопел 7 установлен кожух 9 для сбора пара.
Охлаждаемая стенка токамака работает следующим образом.
Тепловой поток, излучаемый высокотемпературной плазмой, воспринимается поверхностью приема теплового потока 1 и за счет теплопроводности материала охлаждаемой стенки токамака нагревает камеры 4 и сопла 7 форсунок 3. По каналам подвода охлаждающей жидкости 6 к камерам 4 форсунок 3 тангенциально подводится охлаждающая жидкость, например вода. Поток жидкости закручивается и через осевое отверстие 5 в камере 4 выбрасывается на оребренные поверхности сопла 7, где испаряется и образует исходящую струю пара. Исходящий от стенки токамака пар с группы форсунок 3 собирается в полости, образованной кожухом 9, и может использоваться в энергетических целях.
Особенность предлагаемого технического решения заключается в том, что направление теплового потока и направление движения охлаждающей жидкости совпадают, и в месте их соприкосновения, т.е. внутри форсунок 3, не возникает паровой подушки, препятствующей контакту горячей стенки токамака и охлаждающей жидкости. За счет оребрения внутренних поверхностей сопел 7 увеличивается время контакта капель жидкости с горячей поверхностью, что приводит к полному испарению жидкости с поверхностей сопел 7, тем самым повышается эффективность охлаждения стенки токамака.
Пар, образующийся на оребренных поверхностях сопел 7, выносится из них в направлении, совпадающем с направлением теплового потока, и не препятствует новому контакту горячей стенки с распыляемой охлаждающей жидкостью. Тем самым, устраняется принципиальный недостаток форсуночного охлаждения, связанный с образованием паровой подушки, противодействующей эффективному охлаждению стенки.
Одним из технологических вариантов изготовления предлагаемой охлаждаемой стенки токамака является вариант типа «бутерброд». В первом слое фрезеруются каналы подвода охлаждающей жидкости 6 и камеры 4 форсунок 3. Во втором слое по оси камер 4 выполняются сопла 7 форсунок 3. Затем оба слоя пайком высокотемпературным припоем соединяются между собой.
Использование изобретения позволяет повысить эффективность охлаждения стенки токамака за счет улучшения ее контакта с распыляемой охлаждающей жидкостью.