СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ЭРОЗИИ ПЕРВОЙ СТЕНКИ РЕАКТОРА ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА С МАГНИТНЫМ УДЕРЖАНИЕМ
ANTI-EROSION PROTECTION OF NUCLEAR SYNTHESIS REACTOR FIRST WALL WITH MAGNETIC RETENTION

Изобретение относится к способам защиты от эрозии первой стенки реакторов управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, а именно способам защиты тех мест первой стенки, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных частиц, в том числе альфа-частиц.
Известен способ защиты первой стенки в инерциальном термоядерном реакторе, где мишень с термоядерным топливом инжектируют в камеру реактора и затем инициируют микровзрыв с помощью ее сжатия и нагрева потоками энергии высокой плотности. Для защиты стенок реактора от ударной волны и быстрых частиц вдоль них прокачивают струи жидкого лития, выполняющие защитную функцию [авторское свидетельство SU №1529475]. Данный способ не применим в системах с магнитным удержанием вследствие взаимодействия литиевых потоков с магнитным полем. Кроме того, известен способ защиты пластин дивертора термоядерного реактора, состоящий в нанесении пленки жидкого металла на пластины дивертора с использованием предварительного напыления [авторское свидетельство SU №818335]. Данный способ не может обеспечить самовосстанавливаемость покрытия при распылении и, таким образом, не подходит для использования в термоядерном реакторе с длительным рабочим циклом до десятков месяцев. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ защиты первой стенки от нейтронов, использующий протекание толстого слоя жидкого лития, играющего роль первой стенки тороидального дейтерий-тритиевого термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы [патент US №6411666], который выбран в качестве прототипа. Недостатками данного способа являются значительный объем жидкого лития, снижающий характеристики безопасности реактора, и склонность толстых слоев лития к разбрызгиванию.
Технической задачей изобретения является увеличение времени непрерывной работы реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы путем повышения износостойкости материалов тех частей первой стенки реактора, которые подвержены воздействию высокоэнергетичных альфа-частиц или ускоренных ионов основного топлива (дейтерий и тритий).
p
p
Поставленная задача решается за счет того, что при создании слоя жидкого металла на первой стенке реактора ядерного синтеза, в плазму инжектируют частицы рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии, создают тонкий слой жидкого металла на поверхности первой стенки, толщину которого H выбирают из условия H>H, где H - глубина проникновения альфа-частиц с энергией не более 4 МэВ, при этом толщину слоя жидкого металла поддерживают и регулируют с помощью инжекции, температуру поверхности первой стенки поддерживают выше температуры плавления рабочего металла и ниже температуры кипения рабочего металла.
На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа, где 1 - система ввода рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии в плазму, 2 - реактор ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, 3 - система сбора, охлаждения и очистки рабочего металла, 4 - система подачи (возврата) рабочего металла в систему ввода 1.
Способ реализуется следующим образом.
В плазму инжектируют частицы рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии, которые используют как для создания тонкого слоя жидкого металла на поверхности первой стенки реактора 2, так и для компенсации абляции этого слоя за счет высокоэнергетичных альфа-частиц, возникающих в результате синтеза, либо иных интенсивных потоков энергии.
Для формирования слоя жидкого металла на стенке реактора 2 частицы рабочего металла инжектируют в плазму таким образом, чтобы он испарялся и ионизовался внутри сепаратрисы, что обеспечивает покрытие всей поверхности стенки реактора 2 выходящими за последнюю замкнутую магнитную поверхность потоками рабочего металла.
p
p
Толщину слоя с помощью инжекции частиц рабочего металла поддерживают достаточной для торможения быстрых альфа-частиц в жидкой фазе рабочего металла, который при этом не испытывает структурные изменения, толщину слоя жидкого металла H выбирают из условия H>H, где H - глубина проникновения альфа-частиц с энергией не более 4 МэВ. Температуру поверхности первой стенки поддерживают выше температуры плавления рабочего металла и ниже температуры кипения рабочего металла.
Предпочтительным рабочим металлом для защиты первой стенки является литий как металл с наименьшим зарядом ядра и достаточно высокой температурой кипения. Испаренный литий собирают, охлаждают, очищают и подают для повторного ввода в плазму. Таким образом обеспечивают стационарную защиту первой стенки реактора.
p
p
Предлагаемый способ может быть реализован на практике за счет создания слоя жидкого рабочего металла на первой стенке реактора ядерного синтеза с помощью системы ввода 1 рабочего металла в тороидальную камеру реактора ядерного синтеза 2, системы сбора, охлаждения и очистки 3 рабочего металла в жидком состоянии из тороидальной камеры реактора ядерного синтеза и системы подачи (возврата) 4 рабочего металла в систему ввода 1. При этом за счет тонкого слоя жидкого рабочего металла обеспечивается защита тех мест первой стенки реактора ядерного синтеза 2, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных частиц, в том числе альфа-частиц. Система ввода 1 рабочего металла может представлять собой инжектор, который обеспечивает возможность управления скоростью ввода в плазму рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии. При первоначальном создании слоя жидкого рабочего металла (при работе реактора с дейтериевой плазмой) скорость ввода рабочего металла должна быть больше, чем для дальнейшего поддержания толщины слоя (при работе реактора с дейтерий-тритиевой плазмой). Максимальная скорость ввода, которая определяется параметрами дейтериевой плазмы (без синтеза альфа-частиц) в реакторе ядерного синтеза 2, необходима при первоначальном создании поверхностного слоя толщиной более H=60 мкм на элементах первой стенки. При работе реактора с дейтерий-тритиевой плазмой (при синтезе альфа-частиц) умеренные скорости ввода должны обеспечивать поддержание толщины слоя жидкого металла на первой стенке не менее H=60 мкм, необходимого для полного торможения быстрых альфа-частиц в жидкой фазе. Для стационарной работы устройства кроме инжектора 1 рабочего металла необходима система 3 для сбора, охлаждения и очистки рабочего металла, предотвращающая испарение и кипение собранного рабочего металла, перед последующей подачей в систему 4 возврата рабочего металла в систему ввода 1. Под действием силы тяжести тонкая пленка жидкого рабочего металла будет стекать в нижнюю часть установки, где должна располагаться система сбора рабочего металла. Поскольку потоки частиц из плазмы загрязняют рабочий металл, необходима его очистка, в первую очередь от гелия. Как указано выше, предпочтительным рабочим металлом является литий.
4
21
Реализация предлагаемого способа включает решение проблемы износостойкости материалов первой стенки термоядерных устройств, предназначенных как для выработки энергии, таких как DEMO (демонстрационный термоядерный энергетический реактор), так и для производства свободных нейтронов, таких как ТИН (токамак - источник нейтронов). Основными конструкционными материалами для термоядерного реактора, в настоящее время, рассматриваются углерод, бериллий и вольфрам. Максимальные значения числа смещений атома в узле решетки (с.н.а. - смещений на атом) порядка 10 при дозе 10 альфа-частиц/сек значительно превышают значения 40-50, допустимые при условии сохранения кристаллической решетки материалов типа бериллий и вольфрам. Такие же большие дозы альфа-частиц не изменяют, однако, состояние жидкого лития и позволяют организовать работу первой стенки в стационарном режиме указанных выше устройств.
Предложенный способ обеспечит существенное упрощение конструкции промышленных термоядерных электростанций на основе токамака. Он также заметно повысит ресурс первой стенки реактора и сократит затраты на обслуживание и замену обращенных к плазме компонент, подверженных интенсивным потокам энергии, частиц плазмы и нейтронов. Реализация указанного способа может быть проведена с относительно низкими затратами ввиду использования дешевого материала покрытия - лития - и несложных технологических систем, обеспечивающих реализацию способа.