Способ нагрева дейтерий-тритиевой плазмы

 

Изобретение относится к управля- «йМому термоадерному синтезу и может быть использовано при разработке термоядерного реактора. Целью изобретения является снижение скорости износа первой стенки реактора. Подводом внецней энергии зажигают разряд в реакторе с магнитной изоляцией плазмы После начала стационарной реакции обеспечивают поддержание температуры плазмы в диапазоне: 8,3 кэВ Т„д .15 к$В« При зтом тепловая энергия частиц Преобразуется в тормозное измерение тем более полно, чем ближе плазмы к величине 8,Зк9В, схорЬсть распыления первой стенки реакторе при Т 8,3 кзВ минимальна. 2 ил.

1

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 0% 01) 1 (51)5 С 21 В 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н двтоесмомм с етальствм ;(".! Йю-.4

Ъ

И ейск

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЗ (46) 15,09,90.Бюл, 1 34 (21) 4043381/24.-25 (22) 29. 12. 85 (72) В.Е.111оголев, С.В.Путвинский и В.А.Чуянов . (53) 539.;9(088. 8) (56) Пистунович В.И., Шаталов Г.И

В сб; Итоги науки и техники. Физика плазмы, М, ВИНИТИ, 1981, т.2, с.81.

International Tokamak Reactor.Phase two, Part 1, International

Atomic Energy Agency, Vienna, 1983, фе311ь

° (54) СПОСОБ НАГРЕВА ДЕЙТЕРИЙ-1РИТИЕВОЙ ПЛАЗИЫ (57) Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу н монет быть использовано при разработке термоядерйого реактора. Целью изобретения является снижение скорости износа первой стенки реактора. Подводом внещней энергии замигают разряд в реак- торе с магнитной изоляцией плазмы ° .

После начала стационарной реакции обеспечивают поддераанне температуры плаэвн н диапаэонег 8,3 кэВ »:T„„»

< 15 кэВ. При этом тепловая энергия частиц преобразуется в тормозное измерение тем более полно, чем бли ае температура плазма к величине 8,3 кзВ, скорость распыления первой стенки реактора при Т r ..8,3 кэВ минимальна.

2 ил. у

1410723

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано при разработке термоядерного реактора. 5 цель изобретения - снижение скорости износа первой стенки реактора.

На фиг.1 приведены зависимости . безразмерной температуры плазмы F от

Веараамарлого радиуса f дла разлил- }О вах значений параметра k, характери" зующего теплопровопность плазмы1 на ф}нг.2 - зависимости безразмерных функций, выражающих энергосодержание, термоядерное энерговыделение и тор- f5 мозное излучение единицы длины. плазменного шнура от безразмерного радиуса $ для k -=0,5.

Изобретение обеспечивает условия возможно более полного преобразова- 29 ния тепловой энергии частиц в тормозное излучение, т.е. снижение энергии, выносимой на первую стенку реактора заряженными частицами, а следовательно, и уменьшение скорости ее распыления.

В условиях стационарного термоядерного реактора такое цреобразовгание возможно. Для этого рассмотрим ста-. ционарный тепловой баланс в реакторе 30 типа токамак на основе уравнения теплопроводности для температуры плазмы

Т,.считая в соответствии с численны.-. ми расчетами,; что плотность плазмы

j и примерно постоянна по сечению шну- 5 ра. .1

2 скорости реакции синтеза прийимаем следующую апроксимацию (bvp вт

8 4 10 ехр (-О, 476/1пд /2, 25) см с (2)

I которая имеет точность не хуже IOX в диапазоне температур I кэВ - 140 кэВ.

Поскольку до сих пор еще не выяснен механизм. аномальнбй теплопроводности плазмы и как следствие не ясна ее функциональная зависимость от температуры, рассмотрим возможные зависимости -коэффициента температуропровод- . ности х от Т в широком диапазоне с= к,- TK, . (3) где К вЂ” параметр, варьируемый в ди- . апазоне 0,5-2. Величина В, — коэффи" циент температуропроводиости Т .1 кэВ, при этом значении температурыВ при котором в настоящее время проводятся большинство экспериментов и устанавливаются скейлинги, Так, в соответствии с (3) для водородной плазмы

}О Ч т2.В} Е™

° а за» р (4)

nRq

Для равнокомпентентной дейтерий"три-, тиевой смеси со средним массовым числом И"-2,5 можно ожидать снижение теплопроводности примерно в МЙ pas.Принимая характерное значение ц =2 и выражая, х в укаэанных выше единицах, получим

- †(rn "-)+n G(T)0

1 3 3Т а т дг 3r У

40 где G(T) — с6Ч) "С }1Т (6V> - ско-.

Ед

4 вт 9 рость реакции синтеза;

E(3,5 I0 кэВ;С 3,3 10 кэВ см сВ

r) см, fT) кэВ, (а1 см М,) см ° с

В этом .уравнении учтена имеющаяся симметрия круглого тороидальиого пла-у змеиного шнура, а реальная геометрия заменена ..ее цилиндрическим прибли- 50 жением . с координатами r,ч р,. .Е а †--О, †-О. ам az

При этом учитываются основные каналы потерь эа счет теплопрбводности и тормозного излучения н источник термоядерного нагрева равнокомпонентной дейтерий-тритиевой плазмы. Для

- — - (Р ° "-)+Е 0

1 d — KdF

$df Щ 1 где Е (Р) 0/С1Т" - — г 7 86c б ЧЪФт

- F

4С ГТ (,7) хО=10 . Е И /nR тИ

Ф где 6 -. безразмерный коэффициен г качества удержания; .

l5 а/R; R,a — большой а малый радиусы тороидального плаэменно™

ro шнура в сантиметрах. Отметим, что функция источника обращается в ноль при Т Т" 4,4, кэВ (G(T ) О), поэтому удобно перейти к следукпМм безразмерным величинам

„.Т4 к+!/а . а а м,.Т

РТ/Т 4:г/Ь Ь - — " — — -.— (e) и С

При этом (1) переходит в следующее уравнение

МФ,=2МРОТ% = 1563 (МВт) (1 1)

Таким образом максимальн-"я мощность-термоядерного нагрева может быть получена при с>=10 (п=Ь„„„ ) и составляет 150 Мвт, а с учетом энергии рождающихся нейтронов мощность реактора будет в 5 раэ больше. Для защиты первой стенки от распыления в соответствии с предлагаемым способом надо поддерживать температуру в центре около 8,4 кзВ. Это можно сделать, например, управляемым образом увеличивая ы (ухудшая удержание энергии эа счет увеличения гофрировки или частично разрушая магнитные верхностк каким-либо способом). прк росте температуры.или уменьшая у при ее падении. Для ИНТОРа рассматривает.. ся также воэможность стабилизации термоядерного горения при работе с

IIpедельными j поскольку Б этих условиях увеличение температуры долж-, Но приводить к резкому ухудшекюо удер.

:1

14107

Для выделения единственного решения этого уравнения нужно задавать следующие условия в центре F (î) = О, F(0) F .Последнее условие фактиа

5 чески означает, что необходимо ста- . цконарное распределение температуры с заданным значением в цектре То

Й Т ".,Если решение найдено, то для него можно рассчитать энергосо- f0 держание W и мощность термоядерного энерговыделения Р и тормозного излучения Р единицы длины плазменного шнура в зависимости от текущего мало го радиуса r $ L, где $ — без- 15 размерная координата, WW ° I, W 3 L ï. Т вЂ” характерное энергосодержание плазмы

Р =Ро I >I P =Pä 1Е э Р =Ж п С Г (8)

20 где I (Р=г I F $ dg, I, <У>-2 и f dP, ЕЕ.(P = 2- (> ф af — безо размерные коэффициенты.

Можно показать, что существует не.— кое значение F > I. Если F v F", то.

F I(y) обращается в ноль в точке " .

Этот вывод. справедлив при любом К.

Распределения F ($), соответствующие

30 нулевому потоку тепла с границы горячей области плазмы при различных К, показаны на фиг.!..Òàêèè образом, если дальнейшие экспериментальные исследования укажут на другую зависи- . мость теплопроводности плазмы, это не повлияет на вывод о существовании режима с уменьшенным тепловым потоком из плазмы. На фиг.2 для К=0,5 поКаэаны термоядерная мощность и энер40 госодержаиие единицы длины плазменного шкура, функции F и I . Отметим, что доля энергии, выносимой на стенку с тепловым потоком, очень чувствительна к величине центральной тем-.

45 пературы. Как показывают расчеты, при всех К из диапазона 0,5-2 для вынесения тормозным излучением существенной части мощности термоядерного энерговыделения (- — - c0,5) необ-. 50

Р Ра

Е ходимо поддерживать температуру в центре вблизи Т = F ° T с точностью ке хуже 10Х.

В термоядерном реакторе ИНТОР,прк планируемой реализации известного способа должна поддерживаться температура Т, 15 кэВ. В этом случ ае даже прк налички дивертора скорость

23 4 распыления стенки составляет пооядка

3 мм в год, что накладывает жесткие требования на конструкцию и материа- . лы первой стенки и удорожает реактор.

Пример. В условиях ИНТОРа, чтобы использовать способ надо обеспечить в нем стационарный режим термоядерного горения с плоским распределением плотности и температурой в центре плазменного шнура, близкой к

T =F Т = 8,4 кэв. Оценим параметры

h таких режимов, для чего испол"зуем значения К 500 см, а =- !50 см, тороидальное поле ка оск В = 5,5 Тл и максималько допустимое Р =8 л Р/B <

«(j„„„,= 0,05 (5 ). Наибольшее значение плотности плазмы пд, возможно при

p= p где р и Pr„a„c парамет-: ры. и „, -"8310, (9) где использовано р=2пТ=2пХ / г ", а значения (=2,2 Т =2,5 взяты при К

=0,5. Из условия a=L $ стационарного горения по всему объему мо><но получить

n = 2,64-10 4ы . (10)

Сравнивая (9) и (10) легко видеть, что ИНТОР имеет достаточно бельшой запас по зажиганию, так как допустимо ь2 и 10. Для полной мощности кагре;1 ва î6-частицами с учетом I -"4 полуЕ чим.5 1410723 6 жания энергии. Если при применении Формула и з о б р е т е н и я способа температуру в центре поддерживать 9 кзВ (на границе предлагаемо- Способ нагрева дейтерий-тритиевой

ro диапазона), будет обеспечвна транс- плазмы в реакторе с магнитным удержа-. формация в тормозное излучение толь- кием путем зажигания разряда и подвоко половины потока энергии быстрых да к плазме энергии извне, о т л ичастиц, идущего из плазмы и эффектив- q a ю шийся тем, что, с целью ность способа заметно снижается. Тем снижения скорости износа первой стенке менее и в этом случае скорость из- 1д ки реактора, температуру плазмы Т„„ в носа первой стенки будет ниже, чем в реакторе поддерживают в диапазоне известном способе. 8,3 кэВ Т„„ » 15 кэВ.

1410723

Составитель В.Тихонов

Техред А.Еравчук Корректор Л.Пилипенко

Редактор H,Ôåäîðîâà

Заказ 3324 Тираж 350 - Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений H открытий

1.13035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д..4/5

«« ФЮ »» ««« °

Производственно-полиграфическое предприятие,,г, ужгород, ул. Проектная, 4