Первая стенка термоядерного реактора

 

Изобретение относится к термоядерной технике и может быть использовано при осуществлении управляемого термоядерного синтеза с применением трития в качестве компоненты топлива. Целью изобретения является повышение ресурса и повышение стабильности воспроизводства трития. В первой стенке плазменной установки, состоящей из двух слоев, наружный слой выполнен из материала, непроницаемого для рабочей смеси или трития, а внутренний слой изготовлен из высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью, например, графита, при этом равномерно по окружности во внутреннем слое выполнены одинаковые по форме и размерам цилиндрические полости, в каждой из которых размещен генератор трития, причем цилиндрические полости сообщаются посредством каналов с внутренним объемом плазменной установки, электроды генераторов изолированы от графита через керамику, например электрофарфор, и выведены наружу через герметичные изоляторы, установленные в отверстиях стенки плазменной установки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к термоядерной технике и может быть использовано при осуществлении управляемого термоядерного синтеза с применением трития в качестве компоненты топлива. Известна конструкция первой стенки плазменной установки, содержащая секции из растворяющего рабочую смесь материала и средства создания раствора рабочей смеси в ней. Кольцевые секции изготовлены из материала с повышенной способностью к насыщению рабочей смесью и собраны так, что между ними образованы сообщающиеся с коллектором отсоса щели. Рабочую смесь подают непосредственно из кольцевых секций первой стенки и отсасывают вместе с нейтральными примесями через щели. Сравнительно большая степень чистоты рабочей плазмы достигается тем, что около первой стенки создается защитный слой низкотемпературной плазмы из непрерывно прокачиваемой рабочей смеси. Недостатком известной конструкции является трудность стабилизации и регулирование величины рабочего давления в камере, поскольку для этого необходимо согласованное изменение скоростей подачи и отсоса рабочей смеси. Кроме того, требуется мощное дополнительное оборудование для откачки больших потоков газа, в том числе опасного для персонала и дорогостоящего радиоактивного трития, являющегося компонентом топлива (совместно с дейтерием). Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является конструкция первой стенки плазменной установки, которая выполнена из двух слоев, причем внутренний слой полностью выполнен из материала, растворяющего тритий, рабочую смесь, а наружный - из материала, непроницаемого для этой смеси, и снабжена средством для регулирования ее температуры. Средство для регулирования температуры первой стенки выполнено в виде размещенного снаружи стенки трубопровода для прокачки теплоносителя. Первая стенка размещена внутри плазменной установки. Известное устройство позволяет при нагреве предварительно пропитанной рабочей смесью (или тритием) стенки создать защитный слой, параметры которого, определяющие эффективность его защиты, регулируются за счет изменения температуры первой стенки. Кроме того, рабочий объем ограничен непроницаемым наружным слоем первой стенки, в результате чего рабочая смесь замкнута в нем. Это позволяет повысить радиационную безопасность и исключить потери радиоактивного трития. К недостаткам известного устройства относится малый ресурс работы плазменной установки, что приводит к необходимости подавать периодически (по исчерпании всего запаса поглощенного трития внутренним слоем первой стенки) трития через патрубок, служащий для подачи трития (или рабочей смеси) для создания раствора трития или смеси изотопов водорода в титане, из которого выполнен внутренний слой известной первой стенки. Это обстоятельство ухудшает радиационную обстановку в атмосфере рабочих помещений, так как периодическая работа с тритием приводит к повышению проникновения его через стенки труб и емкостей, расположенных вне плазменной установки в тритиевой системе, в окружающую среду. Кроме того, ресурс известной конструкции невелик, так как известно, что при частом термоводородоциклировании компактный титан разрушается вследствие водородной коррозии. Одновременно происходит загрязнение микрочастицами титана внутреннего объема плазменной установки, что по условиям физики процессов плазменной установки недопустимо из-за больших радиационных потерь из плазмы, уменьшения длительности существования плазмы. Известному устройству, кроме того, присущ еще один принципиально трудноустранимый недостаток. Активный слой тритида (или дейтерида + тритида) титана работает в жестких условиях воздействия потоков излучений и частиц из высокотемпературной плазмы, что делает проблематичной регулировку температуры сравнительно тонкого слоя тритида с помощью только каналов теплоносителя (в особенности в условиях повышенного энерговыделения в плазме или резких пульсаций мощности). Искусственное охлаждение слоя теплоносителем в этом случае не будет успевать за изменением теплового и корпускулярного потока, слой тритида перегреется, что приведет к резкому незапрограммированному увеличению потока газа в плазму и, как следствие, броску мощности или срыву плазмы. Целью изобретения является повышение ресурса плазменной установки, улучшение характеристик плазмы, например, устойчивость плазмы и повышение стабильности воспроизводства трития. Указанная цель достигается тем, что в первой стенке плазменной установки, состоящей из двух слоев, наружный слой которого выполнен из материала, непроницаемого для рабочей смеси или трития, с размещенным на его внешней поверхности трубопроводом для прокачки теплоносителя, установленной внутри плазменной установки, имеющей патрубок для подачи рабочей смеси или трития, причем в ней и корпусе выполнены соосно отверстия с установленной в отверстии первой стенки заслонкой, сообщающиеся с коллектором системы откачки, ее внутренний слой изготовлен из высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью, например графита, при этом равномерно по окружности во внутреннем слое выполнены одинаковые по форме и размерам цилиндрические полости, в каждой из которых размещен генератор трития, причем цилиндрические полости сообщаются посредством каналов с внутренним объемом плазменной установки, электроды указанных генераторов изолированы от графита, например, посредством керамики, например, электрофарфора, и выведены наружу через герметичные изоляторы, установленные в отверстиях стенки плазменной установки. Вследствие того, что в предложенном устройстве существенно больше содержится трития за счет размещения внутри установки достаточно большого количества генераторов трития по сравнению с прототипом резко возрастает ресурс плазменной установки. Кроме того, из-за меньшего значения порядкового номера графита по сравнению с порядковым номером титана (в прототипе) уменьшены радиационные потери из плазмы, в результате чего достигнута большая длительность существования плазмы, а значит большее выгорание трития и дейтерия, т.е. повышен КПД установки. На фиг. 1 изображен поперечный разрез предложенной первой стенки плазменной установки (термоядерного реактора) при радиальном размещении (в шахматном порядке) генераторов рабочей смеси или трития в два ряда; на фиг. 2 - показана модификация предложенной первой стенки при тангенциальном размещении генераторов в один ряд. Внутри камеры 1 плазменной установки (фиг.1,2) размещена первая стенка, которая состоит из двух слоев. Внутренний слой 2 выполнен из высокотемпературного материала, с низкой теплопроводностью, например графита. Наружный слой 3 первой стенки выполнен из материала, непроницаемого для изотопов водорода, в том числе трития, например нержавеющей стали. Соосное отверстие 4, сообщающееся с коллектором отсоса 5 системы откачки, закрыто подвижной заслонкой 6 для вакуумирования установки. Патрубок 7 (фиг.1,2) служит для подачи дейтерия в случае, если генераторы 8 выделяют только тритий при их нагреве. Одновременно патрубок 7 (фиг.1) служит также для подачи рабочей смеси или трития для создания раствора изотопов водорода (трития) в генераторе 8 после исчерпания ресурса всех генераторов 8. Трубопроводы 9 служат для протока теплоносителя, охлаждающего снаружи наружный слой 3 первой стенки и внутренний слой 2 первой стенки (не показаны на фиг.1 и фиг.2). Генераторы 8 трития размещены равномерно по окружности во внутреннем слое 2 первой стенки. Полости, внутри которых размещены генераторы 8 трития, имеют радиальные каналы 10 (см.фиг.1 и 2), по которым рабочая смесь или тритий поступает во внутренний объем плазменной установки при нагреве генератора 8 трития электрическим током, который подводится к нему снаружи плазменной установки с помощью электродов - общего 11 и отдельным для каждого генератора трития, например, 12,13 (см.фиг.1,2). Электроды 11-13 и другие изолированы от графита посредством керамики, например электрофарфора, иналунда. Они выведены наружу к источнику электроэнергии (не показан на фиг.1,2) через герметичные изоляторы 14, установленные в отверстиях стенки 1 плазменной установки. Возможна также другая схема подключения, при которой ток поступает на все генераторы трития одновременно. В качестве генераторов 8 трития могут быть использованы, например, генераторы в виде цилиндрической камеры, стенки которой выполнены из изоляционного материала, к торцовой стороне которой прикреплен фильтр и сепараторы. Между сепараторами размещена смесь порошка тритида с изоляционным порошком, например Al₂O₃. За фильтром и сепараторами в цилиндрической камере помещен тритид титана в виде порошка или титан с поглощенной рабочей смесью, например дейтерия и трития, к которому прижата пружина для обеспечения достаточного электрического контакта между частицами порошка и для компенсации расширения порошка. Трубопроводы 9 с теплоносителем размещены между генераторами 8 трития так, чтобы температура внутреннего слоя генераторов 8 не превышала 300-400^оС, т.е. той температуры, при которой равновесное давление над тритидом титана в генераторах трития 8 мало (≅ 10^-3-10^-2 Па при оптимальной концентрации трития в титане). Тритий в этих условиях не поступает во внутренний объем плазменной установки, т.е. разогрев внутреннего слоя первой стенки от источника тепла - плазмы (условно показанной на фиг.1,2 в виде круга во внутреннем объеме плазменной установки) не приводит к выделению трития или рабочей смеси. Генераторы 8 трития в зависимости от конструкции плазменной установки, ее габаритов, толщины графита и размеров генераторов могут быть расположены радиально в несколько рядов в шахматном порядке (например, в два ряда, как показано на фиг.1) или в случае малой толщины графитового слоя - тангенциально (см.фиг.2). Устройство работает следующим образом. Генераторы 8 трития, помещенные во внутреннем слое первой стенки плазменной установки, предельно насыщены тритием или рабочей смесью трития с дейтерием. Вначале откачивают внутренний объем плазменной установки форвакуумным, а затем турбомолекулярными насосами (не показаны на фиг.1,2), открыв предварительно заслонку 6, при этом коллектор отсоса 5 соединен с насосами. По достижении вакуума, например 10^-8 Па, закрывают заслонку 6 и подают напряжение на один, два или на все генераторы трития 8 в зависимости от выбранной схемы электрического подсоединения их. Тритид титана, содержащийся в генераторе трития, нагревается до 700-800^оС и тритий по каналам 10, выполненным в материале, например графите, внутреннего слоя первой стенки, заполняет внутренний объем плазменной установки. По достижении вакуума, необходимого для создания плазмы, например 10^-3 Па, отключают ток, нагревающий генератор или генераторы трития. Таким образом, подано во внутренний объем плазменной установки необходимое количество трития или рабочей смеси трития с дейтерием. В случае, если генераторы 8 выделяют при нагреве электрическим током только тритий, то дейтерий подают через патрубок 7 снаружи непосредственно во внутренний объем плазменной установки. Затем проводят операции по ионизированию смеси, сжатию магнитным полем, при этом доводят ионизованную плазму до миллионных температур, при которых начинается термоядерный синтез. После того, как плазма гаснет, температура понижается и тритий поглощается, сорбируется графитом, и титаном, содержащимся в генераторах трития, проходя по каналам 10. Оставшийся непоглощенный газ, метан и др. - продукты плазмы и ее взаимодействия с графитом - удаляют, открывая заслонку 6 и через коллектор 5 направляют с помощью откачных средств на утилизацию. После этого во внутреннем объеме плазменной установки вновь создают газовую рабочую смесь и получают плазму, т.е. проводят термоядерный синтез. Использование высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью, например графита, в качестве материала внутреннего слоя первой стенки обусловлено его теплофизическими свойствами, порядковым номером Z: большая температура сублимации (> 3000^оС) ограничивает весьма нежелательное испарение и попадание ионов графита (углерода) в плазму; низкая теплопроводность позволяет легко выбрать в толще внутреннего слоя место (полости) со сравнительно невысокой, необходимой для нормальной работы генераторов трития температурой. Это приводит к тому, что тритий из генераторов выделяется под действием электрического тока, а не от излучения плазмы, так как в момент термоядерного синтеза (существования плазмы) не требуется выход трития из генератора: смесь трития и дейтерия была создана нужной концентрации до зажигания плазмы; малый порядковый номер Z углерода (графита) способствует снижению радиационных потерь из плазмы в случае, если углерод все же попал в качестве примеси в плазму. Увеличение ресурса предлагаемого устройства происходит по следующим причинам. Так, для условной внутренней поверхности известной плазменной установки порядка 50 м² и эффективной толщины титанового слоя порядка 0,3 мм (большая толщина слоя ведет к резкому росту диффузионно-кинетических ограничений выделения изотопов водорода из титана), общая масса титанового слоя в известной плазменной установке составляет 50 м² ˙ 3˙ 10^-4 м˙4,5˙10³ кг/м³ = 67,5 кг, где 4,5˙10³ кг/м³ - плотность металлического титана, т.е. ориентировочно 50-100 кг. Такое количество титана может адсорбировать, при составе Т₁Т₁, 3 кг Т₂ (трития), или 3х10⁷ Кюри. При расходе трития в термоядерном процессе 30-100 нормальных см³/с (100-300 Кюри/с), характерном для известных плазменных установок будущего, такого запаса трития или дейтериево-тритиевой смеси хватит без его возобновления на время 3˙ 10⁷/(10²-3˙ 10²) = 3˙ 10⁵-10⁵ с, или трое-одни сутки при непрерывной работе. После чего, необходимо отвакуумировать плазменную установку, ее внутренний объем и начать процесс насыщения тритием или смесью дейтерий-тритий первой стенки известной плазменной установки с помощью тритиевой линии или аккумуляторов (генераторов) трития, размещенных вне плазменной установки. В предлагаемой первой стенке плазменной установки ввиду наличия каналов в графите и весьма пористой структуры самих элементов генераторов трития, выполненных из дейтерида и тритида титана, эффективная толщина тритийсодержащего слоя резко повышена. Так, при геометрической толщине внутреннего слоя графита порядка 0,2 м и коэффициенте заполнения его активным элементом (тритидом титана) порядка 0,1 полезная масса тритида составит порядка (1-2) ˙ 10³ кг, общий запас трития в ней до 1 ˙ 10⁹ Кюри, ресурс непрерывной работы, таким образом, повышается до 1˙ 10⁹/(10²-3х10²) = 10⁷-3 ˙ 10⁶ с или 30-100 сут непрерывной работы, т.е. в 30 раз ресурс возрастает по сравнению с прототипом. Кроме того, так как порядковый номер графита меньше порядкового номера титана (материала устройства-прототипа), то примеси, имеющиеся в плазме, дают большие радиационные потери в устройстве-прототипе, чем в предлагаемом устройстве, а значит, улучшаются в предлагаемом устройстве характеристика плазмы - устойчивость плазмы, при этом возрастает время существования плазмы, ее длительность, выжигается больше дейтерия и трития и повышается тем самым КПД плазменной установки.

Формула изобретения

1. ПЕРВАЯ СТЕНКА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащая два слоя, наружный из которых выполнен из материала, непроницаемого для изотопов водорода, с размещенным на его внешней поверхности трубопроводом для прокачки теплоносителя, отличающаяся тем, что, с целью повышения ресурса и повышения стабильности воспроизводства трития, внутренний слой первой стенки изготовлен из жаропрочного материала, при этом равномерно по окружности во внутреннем слое выполнены одинаковые по форме и размерам цилиндрические полости, в каждой из которых размещен генератор трития, причем в стенке выполнены каналы, соединяющие цилиндрические полости с внутренним объемом термоядерного реактора, электроды генераторов изолированы от жаропрочного материала посредством электроизоляционного материала, а их токоподводы выведены из стенки через герметичные изоляторы. 2. Стенка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электроизоляционного материала выбрана керамика. 3. Стенка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве жаропрочного материала выбран графит.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2