Коллекторное устройство для термализации и откачки частиц плазмы

Коллекторное устройство для термализации и откачки частиц плазмы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. КОЛЛЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМАЛИЗАЦИИ И ОТКАЧКИ ЧАСТИЦ ПЛАЗМЫ, удаляемых из рабочего объема камеры термоядерного реактора, с магнитным удержанием плазмы, включающее узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свободной поверхностью жидкого металла, расположенные внутри вакуумной камеры реактора, окруженной системой обмоток для создания основного и вспомогательных магнитных полей, отличающееся тем, что с целью повышения тёплоаккумулирующей и откачивающей способности колллекторного устрЬйства,узлы подвода жидкого металла вьшолненыв виде системы струйных форсунок. (Л с

(193 011

СОЮЗ СОВЕТСИИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

115Р G 21 В 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 2 76 7777/1 8-25 (22) 17 ° 05 ° 79 (46) 15.06.84. Вюл. 9 22 (72) Е.В.Муравьев (53) 621.039.6(088.8) (56) Tien-. Fang Yang, Lee.A.Õ., Ruck G.Ч.ЧеаЪ1в Ьоаае СотрасС

Poloidal Divertor Reference Design. WFFH-ТМЕ-042, 1977.

2. Badger В. at а1. А conceptual

Tokumakl Reaktor Dcs ign VMMAK-II, VWFDM-112, 1975. (54)(57) 1. КОЛЛЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ТЕРМАЛИЗАЦИИ И ОТКАЧКИ ЧАСТИЦ

П11АЗМЫ, удаляемых из рабочего объема камеры термоядерного реактора, с магнитным удержанием плазмы, включающее узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свободной поверхностью жидкого металла, расположенные внутри вакуумной камеры реактора, окруженной системой обмоток для создания основного и вспомогательных магнитных полей, о т л ич а ю щ е е с я тем, что с целью повышения теплоаккумулирукщей и откачиваюцей способности колллекторного устройства, узлы подвода жидкого металла выполнены в виде системы струйных Форсунок.

776332

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что система форсунок расположена эа пределами обмоток создающих основное магнитное

Изобретение относится к термоядерным установкам с магнитным удержанием плазмы и может применяться также в различных системах, в которых используются потоки заряженных частиц, движущиеся в магнитном поле.

При создании установок с длительно существующей (свыше нескольких секунд) плазмой, удерживаемой магнитным полем, возникает проблема термализации и откачки частиц плазмы, диффундирующих поперек магнитного поля и уходящих за пределы объема, который должна занимать плазма, например, частиц плазмы, отводимых в дивертор термоядерного реактора токамака.

Известны устройства для термализации и откачки частиц плазмы, включающие узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свободной поверхностью жидкого Щ металла, расположенные на пути потока частиц плазмы внутри диверторного объема вакуумной камеры термоядерного реактора токамака, окруженной системой обмоток для создания основноro и вспомогательных магнитных полей. Рабочие участки могут содер жать твердую металлическую подложку для стабилизации пленки жидкого металла (11 . зо

В известных устройствах скорость пленки и ее теплоаккумулирующая способность, которая характеризуется допустимой величиной удельного теплового потока, воспринимаемого пленкой, ограничены магнитогидродинамическим (МГД) взаимодействием потока металла с маг нитным полем, причем наличие подложки усиливает это взаимодействие вследствие замыкания электрических токов через материал подложки и через "О пограничный слой жидкого металла вблизи ее поверхности, Описанные устройства позволяют откачивать ионы водорода (дейтерия, трития), которые хорошо захватываются и удер- 45 живаются, например, жидким литием.

Для откачки гелия, который является продуктом термоядерной реакции и должен уадаляться из плазмы, необхо димы дополнительные средства, посколь. О ку гелий не удерживается в жидком металле, а диффундирует из него обратно. Невысокая теплоаккумулируюполе и установлена внутри патрубков, соеди не нных с ва куумной к амерой и проходящих мвжду обмотками основного магнитного поля.

2 щач способность жидкой пленки является недостатком устройств описанного типа при их использовании, например, в термоядерных реакторах где поток частиц, уходящих иэ рабочего объема плазмы, может нести значительную долю от полной мощности термоядерной реакции (15%).

Ближайшим техническим решением являются коллекторы устройства для термализации и откачки частиц плазмы, уходят.их « з рабочего объема камеры термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы, включающее узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свобод-,. ной поверхностью жидкого металла, расположенные внутри вакуумной камеры реактора, окруженной системой обмоток для создания основного и вспомогательных магнитных полей (2) .

Известное устройство включает узел подвода для создания свободно падающей пленки жидкого металла в диверторном объеме реактора токамака. Однако теплоаккумулирующая способность пленки жидкого металла в этом устройстве также невелика, поскольку ее скорость ограничена высотой свободного падения, которая в практически важных случаях, например в условиях термоядерного реактора токамака, не может быть большой вследствие неоднородности магнитного поля, при большой протяженности пленки ее разные участки будут находиться в магнитном поле различной напряженности и направления, что приводит к существенному

МГД-взаимодействию и разрушению пленки. Укаэанное ограничение скорости не позволяет также обеспечить в данном устройстве эффективную откачку гелия.

Целью изобретения является повышение теплоаккумулирующей и откачивающей способности коллекторного устройства.

Для достижения указанной цели узлы подвода жидкого металла выполнены в виде системы струйных форсунок. Укаэанная система может быть вынесена эа пределы обмоток, создающих основное магнитное поле и расположенных внутри патрубков, выполнен776332 ных как предложение вакуумной камеры реактора и проходящих между обмотками основного магнитного поля. Положения рабочих участков коллекторного устроиства в области сильного (оснонного)магнитного поля, узлы подвода могут быть вынесены за пределы обмоток, создающих основное магнитное поле.

На чертеже представлено предлагаемое коллекторное устройство.устройст-1О во включает узел подвода 1, выполненный в ниде системы струйных форсунок, и узел отвода 2 жидкого металла.

Уэел подвода 1 расположен внутри патрубка 3, являющегося продолжением 15 вакуумной камеры 4 реактора, и находится эа пределами обмотки 5, создающей основное магнитное попе для удержания плазмы 6. Металл подается в виде пелены капель 7.

Коллекторное устройство работает следующим образом.

Поток жидкого металла, например лития, поступает в узел подвода 1 (например, с помощью электромагнитного насоса), который создает систему струй, распадающихся а области слабого магнитного поля на капли.

Капли движутся вдоЛь патрубка 3 и попадают в область основного магнитного поля, испытывая лишь незначительные силовые воздействия. Пелена капель 7 образует рабочий участок потока жидкого металла, пересекающийся с потоком 6 частиц плазмы.

Тепловой поток, приносимый плазмой, 35 вызывает разогрев поверхности капель и за счет теплопроводности жидкого металла отводится внутрь капель.

Частицы плазмы — ионы дейтерия, трития и гелия — внедряются в жидкий 4р металл и выносятся вместе с ним в узле отвода 2. При этом изотопы водорода вступают в химическое соединение с жидким литием, а гелий диффундирует обратно, но малое время пребывания капель в рабочей зоне должно способствовать уносу гелия с жидким металлом. Кроме того, наличие развитой поверхности жидкого металла и сама пространственная структура многослойной пелены капель обусловли-э0 вают высокую вероятность захвата рассеянных частиц, не внедрившихся в металл. при первом столкновении.

С помощью указанного выполнения узлов подвода на рабочем участке 55 коллекторного устройства создается пелена капель жидкого металла, движу- щихся с большой скоростью и в то же время слабо взаимодействующих с магнитным полем. Слабость этого взаимо- 6() действия обусловлена выполнением трех условий

R = (Об чг «1; . (1)

Mg= О, 151<<1; (2)

М, = О, 25KR(Scca(+2 R sin Я) с< 1, (3) где К щ — магнитное число

Рейнольдса; фактор внешнего воздейстния магнитного поля фактор внутреннего воздействия магнитного поля; р 2

5 = — — параметр МГД-вэаимодейст Ч

1 нияЙ= /L — MRñøòàáíûé Фактоо

pV г — отношение кинетической

46 энеогии капли к потенциальной энеогии сил повеохностного натяжения, удельная электропроводность жидкого металла; плотность жидкого металла; 3э — поверхностное натяжение; радиус капли; скорость капель; индукция магнитного поля; магнитная проницаемость; характерная длина, на которой изменение индукции магниного поля равно ее абсолютной величине; угол между вектором индукции магнитного поля и вектором ее производной по траектории капли.

Указанные условия выполняются при скоростях капель, существенно превышающих скорость пленки жидкого металла, используемой в известном устройстве (20 -30 м/с против 3,5 м/с)

В связи с этим существенно возрастает количество тепла, которое может быть аккумулировано единицей поверхности рабочего участка коллекторного устройства. Наряду с этим, в силу значительного снижения времени пребывания жидкого металла в рабочей зоне, где он подвергается бомбардировке частицами плазмы, должна улучшиться откачивающая способность коллекторного устройства по гелию.

Для облегчения образования капель жидкого металла путем естественного распада струй, создаваемых узлами подвода, последние располагают эа пределами обмоток, создающих основное магнитное поле. В качестве примера даны возможные параметры коллектор- ного устройства для дивертора термоядерного реактора токамака с использованием капель жидкого лития:

Теплоная нагрузка на коллекторное устройство

50 МВт и

Полный поток ионов 6 ° 10 с

Диаметр капель 1 мм

Скорость капель 30 м/с

Температура лития о в узле подвода 475 K

Максимальная температура на поверхности капель при нагреве потоком плазмы 580 К

776332

0,25 м

0,5 м

0,017 с

Мвт/м 2

0,7

14 м

2,2 см. Составитель В.Обухов

Техред M. Тепер Корректор Г.Решетник

Редактор О.Юркова

Заказ 3999/2 Тираж 414 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Длина распада струй на капли эа пределами основного магнитного поля

Длина рабочего участ- ка пелены капель

Время пребывания капель на рабочем участке

Допустимый удельный тепловой поток на поверхность петель капель при одностороннем нагреве при пересечении потока плазмы и плоскостью пелены капель под А =90

Отношение диаметра капель к шагу форсу- ночной головки

Число слоев капель в пелене для обеспечения перехвата частиц плазмы с вероятностью

99% при пересечении потока плазмы с плоскостью пелены капель под k =90

Суммарная ширина пелены капель, пелена может состоять из ряда участков небольшой ширины

Толщина многослойной пелены капель

Расход жидкого лития

Индукция основного магнитного поля 6 т

Характерная длина изменения магнитного поля в зазоре между обмотками 0,3 м

Факторы, описывающие взаимодействие капель с магнитным полем:

Магнитйое число Рейнольдса Rem 0,04

Фактор внешнего воз действия МЕ 4 3104

Предельная величина фактора внутреннего воздействия(при (3 =0 ) М„ 0,069

Предлагаемое устройство имеет существенно более высокую теплоаккумулирующую способность по сравнению

20 с прототипом, описанным: выше, где допустимый удельный тепловой поток на поверхность пленки жидкого лития составляет 2,8 МВт/м2. В данном случае достигается выигрыш в 2,5 ъ5 раза. Этот выигрыш должен дать значительный экономический эффект эа счет уменьшения поверхностей коллекторных устройств уменьшения габаритов реактора и снижения его стоимости. дополнительный выигрыш может быть получен вследствие улучшения откачки гелия за счет снижения мощностей дополнительных средств откачки (например, криопанелей).