ПРИЕМНАЯ ПЛАСТИНА ДИВЕРТОРА СТАЦИОНАРНОГО ТЕМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2020 года по МПК G21B1/13 

Изобретение относится к оборудованию для оснащения термоядерных реакторов типа токамак и, в частности, диверторам, лимитерам, гиротронам и может быть использовано для охлаждения стенок конструкций, воспринимающих стационарный тепловой поток высокой удельной плотности.

Известен порт-лимитер термоядерного реактора (Патент РФ №2267174, опубл. 27.12.2005, МПК G21B 1/00), содержащий каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт с поверхностью, воспринимающей тепловой поток от плазмы.

Недостатком настоящего технического решения является ограничение по величине отводимого от горячей стенки удельного теплового потока, связанное с недопустимостью закипания жидкого охлаждающего теплоносителя в каналах и образованием паровой подушки, препятствующей эффективному отводу тепла от стенки.

Известна охлаждаемая стенка токамака (Патент РФ №2467416, опубл. 20.11.2012, МПК G21C 15/18), содержащая поверхность приема теплового потока и прилегающую к ней теплопроводящую зону, группу форсунок, каждая из которых содержит камеру с осевым отверстием, каналы подвода охлаждающей жидкости. При этом на поверхности приема теплового потока расположены несколько слоев металлических шариков.

Недостатком настоящего технического решения является низкая степень охлаждения при высокой интенсивности теплового потока, обусловленная тем, что вода, попавшая на поверхность шариков, испаряется и по каналам между шариками вырывается наружу, образуя паровую подушку, препятствующую попаданию распыляемой из форсунок воды на охлаждаемую поверхность.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является охлаждаемая стенка токамака (патент РФ №2641651, опубл. 19.01.2018, G21C 15/00), содержащая поверхность приема теплового потока и прилегающую к ней теплопроводящую зону, внутри которой расположена группа форсунок, причем каждая форсунка содержит камеру с осевым отверстием, соединенную с каналом подвода охлаждающей жидкости. В каждой форсунке выполнено сопло, расположенное соосно осевому отверстию. На внутренней поверхности сопла выполнено оребрение.

Недостатком настоящего технического решения является низкая степень охлаждения приемной поверхности при высокой интенсивности теплового потока, обусловленная следующим: 1 - вода, подаваемая к форсункам, проходит по каналам через горячую теплопроводящую зону, что приводит к ее закипанию и образованию паровой пробки в каналах, блокирующей подачу воды в форсунки; 2 - площадь поверхности охлаждения сопел форсунок существенно меньше площади приемной поверхности, что снижает эффективность теплоотвода; 3 - для реализации данного технического решения требуется значительная толщина конструкции теплопроводящей зоны с форсунками, что при передаче тепла от принимающей поверхности к охлаждаемым соплам теплопроводностью приводит к недопустимо высоким температурам принимающей поверхности. Толстая конструкция из электропроводного материала в условиях токамака приводит к возникновению больших по величине индукционных токов, что вызывает возникновение высоких по величине электромагнитных сил и механических напряжений в конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности отвода тепла от нагреваемой стенки и снижение величины потока испаренного вещества с поверхности приемной пластины в плазму токамака.

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения приемной пластины дивертора стационарного термоядерного реактора при высоких плотностях приходящего теплового потока, снижение температуры приемной поверхности, что позволяет ограничить поток испаренного вещества с поверхности пластины в плазму токамака, и снижение уровня электромагнитных нагрузок в конструкции, приводящее к повышению надежности.

Это достигается тем, что известная охлаждаемая стенка, содержащая поверхность приема теплового потока и прилегающую к ней теплопроводящую зону, снабжена принимающей стенкой, выполненной из тонкого листа металла, которая образует с размещенной параллельно ей опорной плитой для установки форсунок и боковыми стенками замкнутую полость зоны отвода тепла, форсунками пневмогидравлического типа, подающими на внутреннюю сторону принимающей стенки мелкодисперсный газокапельный теплоноситель, причем поток распыленного теплоносителя направляется к стенке с помощью пластинчатых дефлекторов, установленных под углом к оси форсунок и соединяющих механически принимающую стенку и несущую плиту, разделяющих замкнутую полость отвода тепла на зону подачи и отвода теплоносителя, в месте контакта дефлекторов с принимающей стенкой имеются отверстия для выпуска пара, канал отвода теплоносителя соединен с зоной отвода пара и теплоносителя.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена приемная пластина дивертора стационарного термоядерного реактора, на фиг. 2 показано поперечное сечение ячейки приемной пластины.

Приемная пластина дивертора стационарного термоядерного реактора содержит принимающую стенку 1, 2, соединенную с ней опорную плиту 3, боковую стенку 4, газожидкостные форсунки 5 с подводящими каналами газа 6 и жидкости 7, дефлекторы газожидкостного потока 8, отверстия выхода газожидкостного потока 9, канал отвода пара и теплоносителя 10.

Приемная пластина дивертора стационарного термоядерного реактора работает следующим образом. Тепловой поток, приходящий с высокотемпературной плазмой, воспринимается лицевой стороной принимающей стенки 1, выполненной из тонкого листового металла, и за счет теплопроводности материала передается на ее тыльную сторону. Тепловой поток отводится с тыльной стороны принимающей стенки 2 за счет испарения мелких капель жидкости, приходящих с газокапельным потоком, генерируемым газожидкостной форсункой 5 и направляемым к принимающей стенке 1 дефлекторами 8. Форсунки устанавливаются на опорной плите 3 так, что их оси перпендикулярны стенке 1, и соединяются с каналами подвода газа 6 и жидкости 7. Опорная плита 3 расположена параллельно принимающей стенке 1 и соединяется с ней боковой стенкой 4, образовывая герметичную полоть зоны теплоотвода. Кроме того, стенка 1 и плита 3 соединены дефлекторами 8, представляющими собой усеченную четырехгранную пирамиду, выполненную из листового металла, придавая жесткость конструкции и разделяя внутреннюю полость зоны теплоотвода на области подачи и отвода теплоносителя. Поток пара и несработавшего теплоносителя отводится из области подачи в область отвода через отверстия 9 и далее выводится из приемной пластины дивертора через канал 10 во внешнюю систему.

Особенность предлагаемого технического решения заключается в том, что обеспечивается оптимальное для капельного охлаждения перпендикулярное направление газокапельного потока теплоносителя относительно охлаждаемой стенки и разделение потоков подаваемого теплоносителя и отводимого пара. Тем самым повышается эффективность отвода тепла от принимающей стенки. Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать конструкцию приемной пластины дивертора стационарного термоядерного реактора из тонкостенных элементов, что обеспечивает снижение уровня температуры поверхности принимающей стенки при тепловых потоках высокой плотности, снижение величины индуцированных токов и, тем самым, величину электромагнитных нагрузок на конструкцию в условиях токамака. Расположение форсунок и каналов подвода газа и жидкости в холодной зоне устраняет возможность образования паровых пробок в каналах и сбоев в работе форсунок. Внутренняя ячеистая структура обеспечивает низкий уровень деформаций и напряжений в тонкостенной коробчатой конструкции при нагреве и при воздействии перепада давлений между внутренней полостью теплоотвода приемной пластины дивертора и камеры токамака.

В одном из вариантов предлагаемой конструкции принимающая стенка 1 с обращенной к плазме стороны покрыта слоем капиллярно-пористого материала 2, пропитанного жидким легкоплавким металлом. Капиллярно-пористый материал 2, пропитанный жидким легкоплавким металлом, защищает принимающую стенку от разрушения плазмой при переходных процессах типа срыв. Такая приемная пластина оборудуется подводящим и отводящим коллекторами для легкоплавкого металла и соединенными гидравлически со слоем капиллярно-пористого материала принимающей стенки. Внутренняя поверхность принимающей стенки оборудуется герметичным кабельным электрическим нагревателем предварительного нагрева легкоплавкого металла

Материалом принимающей стенки служит тонкий лист из теплопроводного конструкционного материала коррозионностойкого по отношению к жидким легкоплавким металлам и компонентам теплоносителя. В качестве такого материала может использоваться волокнистый металлический композиционный материал с высокой прочностью и теплопроводностью.

Возможность получения указанного технического результата подтверждается экспериментально (эксперимент проведен с положительным результатом, Статьи: Lyublinski I.E. et al. Innovative method of cooling and thermostabilization of tokamak elements with capillary-porous structures. - J. of Physics: Conf. Series, 2017, vol. 891(1), p. 012152. Вертков A.B., Жарков М.Ю., Люблинский И.Е., и др. Новый вариант литиевого дивертора токаммака КТМ. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2019, т. 42, вып. 4, с. 5-13).

Изобретение относится к приемной пластине дивертора стационарного термоядерного реактора. Устройство содержит обращенную к плазме принимающую поверхность, соединенную с ней зону отвода тепла, включающую группу форсунок подачи теплоносителя и соединенные с ними каналы подачи теплоносителя. Принимающая стенка, выполненная из тонкого листа металла, образует с размещенной параллельно ей опорной плитой для установки форсунок и боковыми стенками замкнутую полость зоны отвода тепла, форсунки пневмогидравлического типа подают на внутреннюю сторону принимающей стенки мелкодисперсный газокапельный теплоноситель. Причем поток распыленного теплоносителя направляется к стенке с помощью пластинчатых дефлекторов, установленных под углом к оси форсунок и соединяющих механически принимающую стенку и несущую плиту, дефлекторы имеют в месте контакта с принимающей стенкой отверстия для выпуска пара, тем самым разделяют замкнутую полость отвода тепла на зону подачи и отвода теплоносителя, а канал отвода теплоносителя соединен с зоной отвода. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения приемной пластины дивертора стационарного термоядерного реактора при высоких плотностях приходящего теплового потока, снижение температуры приемной поверхности, ограничение потока испаренного вещества с поверхности пластины в плазму токамака, повышение надежности за счет снижения уровня электромагнитных нагрузок в конструкции. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приемная пластина дивертора стационарного термоядерного реактора, содержащая обращенную к плазме принимающую поверхность, соединенную с ней зону отвода тепла, включающую группу форсунок подачи теплоносителя, соединенные с ними каналы подачи теплоносителя, отличающаяся тем, что принимающая стенка, выполненная из тонкого листа металла, образует с размещенной параллельно ей опорной плитой для установки форсунок и боковыми стенками замкнутую полость зоны отвода тепла, форсунки пневмогидравлического типа подают на внутреннюю сторону принимающей стенки мелкодисперсный газокапельный теплоноситель, причем поток распыленного теплоносителя направляется к стенке с помощью пластинчатых дефлекторов, установленных под углом к оси форсунок и соединяющих механически принимающую стенку и несущую плиту, дефлекторы имеют в месте контакта с принимающей стенкой отверстия для выпуска пара, тем самым разделяют замкнутую полость отвода тепла на зону подачи и отвода теплоносителя, а канал отвода теплоносителя соединен с зоной отвода.

2. Приемная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что принимающая стенка со стороны плазмы покрыта слоем капиллярно-пористого металла, пропитанного жидким легкоплавким металлом.

3. Приемная пластина по п. 2, отличающаяся тем, что содержит подводящий и отводящий коллекторы легкоплавкого металла, соединенные гидравлически со слоем капиллярно-пористого металла.

4. Приемная пластина по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности принимающей стенки установлен герметичный кабельный электрический нагреватель предварительного нагрева легкоплавкого металла.

5. Приемная пластина по пп. 2-4, отличающаяся тем, что выполнена из конструкционного материала, коррозионностойкого по отношению к жидким легкоплавким металлам и компонентам теплоносителя.

6. Приемная пластина по пп. 1-5, отличающаяся тем, что принимающая стенка выполнена из металлического композиционного материала с высокой прочностью и теплопроводностью.