Дивертор термоядерного реактора токамака

 

Использование: в термоядерной энергетике, в частности в диверторных устройствах для снятия высоких тепловых нагрузок, выносимых из плазменного объема термоядерного реактора токамака. Сущность изобретения: дивертор содержит корпус, размещенные в нем приемные пластины с укрепленными на их поверхностях, обращенных к потоку высокоэнергетических частиц из реактора, капиллярно-пористыми матами, выполненными из металлических волокон и соединенными с емкостью, содержащей жидкий литий. Дивертор содержит также расположенные в корпусе пластины-конденсаторы испаренного лития с укрепленными на их поверхностях вышеупомянутыми капиллярно-пористыми матами, соединенными с емкостью, заполненной жидким литием, а также с системой сбора и очистки сконденсированного лития. Соотношение площадей приемных пластин и пластин- конденсаторов составляет 1/20. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к термоядерной энергетике, в частности к диверторным устройствам для снятия высоких тепловых нагрузок, выносимых из плазменного объема термоядерного реактора токамака.

Известен дивертор полоидального термоядерного реактора токамака, в котором защита диверторных пластин от распыления обеспечивается посредством установки в вакуумной камере дивертора сопел Лаваля для создания газовой мишени с каналами для отвода газа мишени [1] Такая конструкция не обеспечивает надежной защиты элементов дивертора от распыления из-за незначительной доли энергии, уходящей на переизлучение на атомах благородных газов, увеличивает объем и металлоемкость конструкции дивертора в целом и ухудшает работоспособность всего термоядерного реактора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является дивертор термоядерного реактора токамака, содержащий корпус и расположенные в нем приемные пластины, выполненные из твердых материалов (графит, вольфрам и т. д.). Приемные пластины, воспринимая тепловую нагрузку, выносимую потоком высокоэнергетических частиц из плазменного объема термоядерного реактора, быстро разрушаются, что приводит к необходимости использовать различные способы для их охлаждения и частой замены [2] Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения надежности и долговечности работы приемных пластин дивертора.

Поставленная техническая задача решается тем, что в диверторе термоядерного реактора токамака, содержащем корпус и расположенные в нем приемные пластины, на их поверхностях, обращенных к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора, из плазменного объема токомака, укреплены посредством точечной сварки выполненные из металлических волокон капиллярно-пористые маты, соединенные с емкостью, заполненной жидким литием, при этом введены пластины-конденсаторы испаренного лития с укрепленными на их поверхностях вышеупомянутыми капиллярно-пористыми матами, соединенными с емкостью, заполненной жидким литием, конструктивно расположенные вдоль силовых линий сепаратрисы магнитных поверхностей в свободном объеме дивертора и соединенные с системой сбора и очистки сконденсированного лития, причем соотношение площадей поверхностей приемных пластин и пластин-конденсаторов составляет 1/20.

Такое конструктивное выполнение дивертора позволяет отвести экстремальные тепловые потоки от поверхностей приемных пластин дивертора, благодаря чему снижается эрозия материалов конструкции дивертора, резко увеличивается срок службы сменных приемных пластин, что позволяет сделать их работу практически постоянной. Это достигается тем, что поднимающийся из емкости литий за счет капиллярного напора к поверхности капиллярно-пористых матов испаряется и образует над этой поверхностью газовую мишень из атомов лития, на которых происходит перераспределение энергии, приносимой выскооэнергетическими частицами из плазменного объема термоядерного реактора. Испарившаяся с поверхности капиллярно-пористых матов пленка атомов лития тут же восстанавливается на этой поверхности под действием капиллярных сил. Испаренный литий конденсируется на пластинах-конденсаторах с укрепленными на их поверхностях капиллярно-пористыми матами, соединенными с системой сбора и очистки сконденсированного лития. При этом соотношение площадей приемных пластин и пластин-конденсаторов составляет 1: 20, а температура приемных пластин выше температуры пластин-конденсаторов на 150-200^оС, поскольку приемные пластины разогреваются потоком попадающих на них высокоэнергетических частиц, а пластины-конденсаторы охлаждаются жидким литием. Благодаря испарению атомов лития с поверхностей приемных пластин и ионизации их в газовой мишени с последующей конденсацией на капиллярно-пористых матах пластин-конденсаторов обеспечивается отвод энергии от 5 МВт и более с квадратного метра приемных пластин дивертора.

Предлагаемое техническое решение поясняется схемой, показанной на чертеже.

Дивертор, расположенный в вакуумной камере 1 термоядерного реактора токамака, содержит корпус 2, размещенные в нем приемные пластины 3, капиллярно-пористые маты 4, укрепленные на поверхностях приемных пластин 3, обращенных к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе из плазменного объема реактора, и соединенные с емкостью 5, содержащей жидкий литий, пластины-конденсаторы 6 лития с укрепленными на их поверхностях капиллярно-пористыми матами 4, также соединенными с емкостью 5, расположенные вдоль силовых линий сепаратрисы и в свободном объеме 7 дивертора и соединенные с системой 8 сбора и очистки сконденсированного лития.

Дивертор работает следующим образом.

Предварительно разогретый литий из емкости 5, являющейся частью общей системы транспорта лития для всего реактора, поступает в капиллярно-пористые маты 4, укрепленные на приемных пластинах 3 и пластинах-конденсаторах 6. При запуске термоядерного реактора токамака энергия, переносимая потоком частиц из плазменной зоны реактора, разогревает приемные пластины 3 дивертора до температур, превышающих температуру испарения лития. Испарясь с поверхностей приемных пластин 3, атомы лития образуют газовую мишень, где происходит перераспределение энергии потока частиц из плазменного объема реактора и ионизация атомов лития. Испарившийся и ионизовавшийся литий конденсируется на пластинах-конденсаторах 6, температура которых ниже температуры приемных пластин на 150-200^оС за счет охлаждения их потоком жидкого лития из емкости 5, и стекает в систему сбора и очистки 8, из которой затем попадает в общую систему транспорта лития всего реактора.

Предлагаемая конструкция дивертора испытана на макете с использованием мощного электронного пучка в качестве имитатора потока высокоэнергетических частиц из плазменного объема термоядерного реактора. Испытания показали высокую стойкость капиллярно-пористых структур к воздействию мощных тепловых потоков и эффективное снятие с их помощью этих экстремальных тепловых нагрузок с элементов конструкции дивертора. Тепловые нагрузки, составляющие до 3 КВт на квадратный сантиметр поверхности приемных пластин дивертора, практически не вызвали разрушений приемных пластин и позволили провести испытания без их замены.

Формула изобретения

ДИВЕРТОР ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ТОКАМАКА, содержащий корпус и расположенные в нем приемные пластины, отличающийся тем, что на поверхностях приемных пластин, обращенных к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора из плазменного объема токамака, укреплены посредством точечной сварки выполненные из металлических волокон капиллярно-пористые маты, соединенные с емкостью, заполненной жидким литием, при этом введены пластины-конденсаторы испаренного лития с укрепленными на их поверхности вышеупомянутыми капиллярно-пористыми матами, соединенными с емкостью, заполненной жидким литием, конструктивно расположенные сепаратрисы магнитных поверхностей в свободном объеме дивертора и соединенные с системой сбора и очистки сконденсированного лития, причем соотношение площадей поверхностей приемных пластин и пластин-конденсаторов составляет 1/20.

РИСУНКИ

Рисунок 1