ДВУХНУЛЕВЫЕ ДИВЕРТОРЫ С ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ Российский патент 2023 года по МПК G21B1/05 G21B1/13 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к плазменным камерам токамаков, в частности - к диверторам плазменных камер токамаков.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Дивертор - это устройство в пределах плазменного сосуда токамака, которое обеспечивает удаление отходов и съем мощности из плазмы в процессе эксплуатации токамака. Отходы возникают естественным путем, когда частицы диффундируют из ядра удерживаемой магнитным полем плазмы. Частицы отходов представляют собой совокупность топлива (дейтерия и трития), продуктов термоядерного синтеза (гелиевого шлака) и более тяжелых ионов, высвобождающихся со стенок. Для удержания плазмы в токамаках используются магнитные поля. Однако частицы диффундируют наружу медленно и произвольно, а в конечном счете - ударяются об одну из поверхностей дивертора, конфигурация которых позволяет выдерживать поток ионов с высокой плотностью.

На фиг.1 иллюстрируется полоидальное поперечное сечение, проведенное через одну сторону примерного токамака. Токамак 100 содержит тороидальную плазменную камеру 101. Катушки полоидального магнитного поля создают полоидальное магнитное поле для удержания плазмы (которая несет ток). Если бы между частицами плазмы не возникали столкновения, турбулентность, волны или другие такие явления, то плазма (состоящая из заряженных частиц) была бы эффективно привязана к силовым линиям магнитного поля (которые можно представить в виде линий 113 постоянного полоидального потока). Плазма, как говорят, оказывается ограниченной линиями постоянного полоидального потока внутри «ядра плазмы», потому что линии постоянного потока замкнуты, образуя так называемые «замкнутые поверхности потока». Посредством столкновений и других таких процессов, плазма медленно диффундирует наружу из ядра плазмы. «Последняя замкнутая поверхность 111 потока» имеет нулевую точку 112 на одном конце (обычно - нижнем конце) и ограничивает край удерживаемого ядра. Линии 114 потока непосредственно вне ядра плазмы («пристеночная область плазмы», scrape-off layer) пересекают две поверхности ниже нуля: внешнюю (т.е., радиально внешнюю) поверхность 121 дивертора (находящуюся в этом примере на дне канала в нижней части плазменной камеры), и внутреннюю (т.е., радиально внутреннюю) поверхность 122 дивертора. На эти поверхности осаждаются частицы отходов и выделяется мощность, причем большинство частиц отходов и мощности оказывается на внешней поверхности дивертора (установление четкого различия между внутренней и внешней поверхностями зависит от физики турбулентности в пределах пристеночной области плазмы). Поверхности дивертора построены из элементов, имеющих относительно малые атомные номера (во избежание загрязнения плазмы ионами элементов, имеющих большие атомные номера, посредством ионного распыления и других таких процессов эрозии), являющихся металлами (во избежание удержания трития в пределах диверторов). Подходящие металлы включают в себя вольфрам, молибден, бериллий, эвтектику свинец-литий или литий.

На фиг.2 иллюстрируется поперечное сечение, проведенное через второй примерный токамак. Этот токамак имеет «двухнулевой» дивертор. Принцип «двухнулевого» дивертора является таким же, как для «однонулевого» дивертора согласно фиг.1, за исключением того, что нули 211, 212 и соответствующие поверхности 221, 222, 223, 224 дивертора предусмотрены на обоих - верхнем и нижнем - краях ядра 210 плазмы. Преимущество двухнулевой конфигурации заключается в том, что поток тепла на каждой поверхности дивертора составляет примерно половину того, который воздействовал бы на однонулевую конфигурацию.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с аспектом настоящего изобретения, предложен плазменный сосуд токамака. Плазменный сосуд токамака содержит тороидальную плазменную камеру, множество катушек полоидального поля, верхний узел дивертора и нижний узел дивертора. Множества катушек полоидального поля выполнено для обеспечения полоидального магнитного поля с практически симметричным ядром плазмы и верхним и нижним нулями, так что ионы в пристеночной области плазмы вне ядра плазмы направляются магнитным полем мимо одного из верхнего и нижнего нулей к поверхностям дивертора соответствующих верхнего и нижнего узлов дивертора. Каждый из верхнего и нижнего узлов дивертора содержит впуск жидкого металла и выпуск жидкого металла, находящийся ниже впуска жидкого металла. Каждый из верхнего и нижнего узлов дивертора выполнен так, что при эксплуатации жидкий металл течет от впуска жидкого металла к выпуску жидкого металла по по меньшей мере одной поверхности дивертора, принадлежащей узлу дивертора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлено поперечное сечение токамака, имеющего однонулевой дивертор;

на фиг.2 представлено поперечное сечение токамака, имеющего двухнулевой дивертор;

на фиг.3 представлено поперечное сечение токамака, имеющего поверхности дивертора с жидким металлом;

на фиг.4 представлена схематическое изображение поверхности дивертора с жидким металлом;

на фиг.5 представлено поперечное сечение альтернативного токамака, имеющего внешние поверхности дивертора с жидким металлом и внутренние твердые поверхности дивертора;

на фиг.6 представлено примерное изображение вероятных углов для поверхности дивертора с жидким металлом;

на фиг.7 представлено поперечное сечение альтернативного токамака, имеющего поверхности дивертора с жидким металлом;

на фиг.8 представлено поперечное сечение узла дивертора токамака, имеющего поверхности дивертора с жидким металлом;

на фиг.9 представлено схематическое изображение системы циркуляции жидкого металла.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Поверхность дивертора, по которой течет жидкий металл, можно обеспечить за счет использования металлов, которые являются жидкими при температурах в пределах плазменного сосуда. Такую поверхность можно быстро восстановить после событий с переходным процессом высокой тепловой нагрузки в плазме (например, режимов с краевой локализацией, РКЛ). Однако диверторам с текущими жидкими металлами трудно придать двухнулевую конфигурацию, поскольку жидкий металл надо либо предусматривать на обращенной вверх поверхности дивертора (тогда как для известных двухнулевых диверторов поверхность дивертора для верхних диверторов была бы обращенной вниз), либо удерживать на обращенной вниз поверхности негравитационными средствами, которые трудно обеспечить и которые могут привести к неоднородным потокам из-за «разрежения» в жидком металле - в сущности, жидкий металл должен течь «по потолку».

Двухнулевой дивертор, предусматривающий использование текущего жидкого металла, можно обеспечить, если верхние поверхности дивертора не симметричны нижним поверхностям дивертора. Этого можно достичь с помощью либо симметричного магнитного поля, либо несимметричного магнитного поля. Использование несимметричного магнитного поля обеспечивает больше свободы выбора проектных решений для позиционирования поверхностей дивертора, но придает дополнительную сложность катушкам полоидального поля из-за необходимости обеспечивать несимметричное поле вне ядра плазмы, сохраняя ядро плазмы практически симметричным. В отличие от этого, использование симметричного магнитного поля жестче ограничивает положения поверхностей дивертора, но упрощает проектирование катушек полоидального поля.

На фиг.3 показано поперечное сечение примерного токамака 300, имеющего несимметричное магнитное поле и двухнулевой дивертор, при этом все поверхности дивертора представляют собой текущий жидкий металл. Токамак 300 содержит плазменный сосуд, имеющий центральную колонну 302. Токамак содержит катушки полоидального поля, выполненные для обеспечения магнитного поля таким образом, что само ядро 311 плазмы является практически симметричным, и таким образом, что пристеночная область плазмы 312 направлена к каждой из поверхностей дивертора. Поверхностями дивертора являются верхняя внутренняя поверхность 321 дивертора, верхняя внешняя поверхность 322 дивертора, нижняя внутренняя поверхность 323 дивертора и нижняя внешняя поверхность 324 дивертора. Каждая поверхность дивертора имеет конструкцию, показанную на фиг.4, и содержит опору 401 конструкции (с каналами охлаждения внутри), по которой течет слой 402 жидкого металла. Слой жидкого металла подается из впуска 403 и стекает в выпуск 404, при этом впуск находится выше выпуска, так что жидкий металл течет самотеком. Для поддержания поверхностей дивертора на месте предусмотрены дополнительные несущие конструкции 303. Внешние поверхности дивертора (которые отбирают большинство частиц отходов и мощность) расположены так, что они пересекают пристеночную область плазмы 312 под малым углом скольжения (например, в первоисточниках широко цитируются углы величиной 2 градуса; этот параметр устанавливается расчетными значениями допусков). Токамак также включает в себя пластины 304 пассивной стабилизации, действие которых снижает темп роста различных нестабильностей плазмы (так что система активного управления сможет управлять плазмой). Упомянутое положение пластин пассивной стабилизации находится около нулевой точки и поэтому должно учитываться при проектировании системы дивертора несмотря на выполнение отличающейся функции.

Угол потока жидкого металла может находиться в диапазоне от крутого до пологого. Фактически, поверхность дивертора можно перевернуть, в частности, так, что она будет обращена вниз. Жидкий металл будет течь по нижней стороне поверхности при условии, что угол смачивания и поверхностное натяжение жидкого металла смогут противодействовать силе тяжести. Это будет зависеть от угла между поверхностью и вертикалью. Для некоторой заданной комбинации поверхности, жидкого металла и расхода будет существовать критический угол, выше которого металл окажется неспособным течь по упомянутой нижней стороне (этот угол может составлять вплоть до 90°, и в момент достижения этого значения жидкий металл будет смачивать даже горизонтальную, обращенную вниз поверхность). Бóльших достижимых углов инверсии можно достичь за счет увеличения смачиваемой площади поверхности (например, за счет изменения геометрии поверхности или обеспечения каналов на поверхности либо придания ей дополнительной шероховатости) путем обеспечения поверхности, которая имеет увеличенный угол смачивания жидким металлом, или путем использования более тонкого потока жидкого металла.

Во время эксплуатации токамака, в пределах жидкого металла будут возникать силы электромагнитного поля, и их надо будет рассчитать так, чтобы они способствовали противодействию влиянию силы тяжести на жидкий металл. Это может предусматривать пропускание тока через жидкий металл, вследствие чего взаимодействие этого тока и магнитного поля противодействовало бы силе тяжести.

На фиг.6 представлен пример углов, допустимых для примерного дивертора при некотором определенном расходе. Дивертор 600 можно ориентировать в некотором угловом диапазоне, представленном дугой 601 (причем эта дуга представляет направление линии, перпендикулярной поверхности). Сегмент дуги между точками B и C - это место, где поверхность «обращена в основном вверх» в том смысле, в каком этот термин употребляется в приводимых здесь примерах, - т.е., линия, перпендикулярная поверхности, имеет составляющую, которая проходит вверх (даже если эта составляющая может быть малой по сравнению с горизонтальной составляющей для крутого наклона). Дуги между точками A и B, а также между точками C и D, представляют примеры, где поверхность «обращена в основном вниз», при этом угол таков, что поток жидкого металла будет оставаться на поверхности, несмотря на силу тяжести. Дуга между точками A и D (не проходящая через точки B или C) представляет примеры, где жидкий металл окажется неспособным остаться на поверхности - диверторы при этих углах окажутся неподходящими.

Достижимый угол инверсии (т.е., угол поверхности по сравнению с вертикальной поверхностью) для конкретной конфигурации поверхности и жидкого металла может быть определен методом проб и ошибок. Например, это можно сделать, создавая такую поверхность, прикрепляя ее к оси поворота в пределах вакуумной камеры (при давлении, температуре и электромагнитных условиях, аналогичных тем, которые ожидаются при эксплуатации), и реализуя течение жидкого металла по поверхности в пределах некоторого диапазона углов до тех пор, пока жидкий металл больше не будет прилипать. В альтернативном варианте достижимый угол инверсии может быть определен посредством надлежащего моделирования, как известно в данной области техники, - т.е., моделирования текучих сред, которое учитывает увлажнение и магнитогидродинамические эффекты.

Жидкий металл может течь в направлении радиально внутрь, т.е., каждый впуск 403 может находиться радиально снаружи соответствующего выпуска 404. Это вызовет уменьшение площади поверхности жидкого металла вдоль потока (поскольку поверхности дивертора являются практически кольцевыми - с учетом того, что на фиг.3 представлено поперечное сечение через объект с цилиндрической симметрией относительно центральной колонны 302), и это опять важнее для внешних поверхностей дивертора. В отсутствие магнитного поля толщина жидкости увеличится вдоль потока, а в сочетании с магнитным полем этот эффект будет возникать в меньшей степени. Это позволяет быстрее восстанавливать дивертор после высыхания (т.е., удаления существенной части жидкого металла с дивертора, например, благодаря событию с переходным процессом высокой тепловой нагрузки, такому, как РКЛ). Как можно увидеть на фиг.3, в частности, достичь этих необязательных признаков для внутренних поверхностей 322 и 324 дивертора трудно (в самом деле, внутренняя верхняя поверхность 322 дивертора не имеет подобного признака).

В альтернативной конструкции, показанной на фиг.5, полоидальное магнитное поле является симметричным, а внутренние поверхности 521, 523 дивертора могут быть выполнены из твердого металла (например, вольфрама, молибдена или любого другого подходящего металла, известного из уровня техники), причем другие признаки являются такими же, как для фиг.3. Хотя твердые металлы менее эффективны, чем диверторы с жидким металлом, это представляет относительно незначительную проблему для внутренних диверторов, поскольку они подвергаются воздействию значительно меньшего потока тепла, чем внешние диверторы. В качестве дополнительной альтернативы из твердого металла можно выполнить лишь одну из верхней внутренней поверхности дивертора или нижней внутренней поверхности дивертора, при этом другие поверхности дивертора будут поверхностями дивертора с жидким металлом, как описано выше.

Использование симметричного полоидального магнитного поля не требует твердых внутренних поверхностей дивертора, или наоборот. Симметричное магнитное поле можно использовать с образованными жидкостью внутренними поверхностями дивертора, или твердые внутренние поверхности дивертора можно использовать с aсимметричным магнитным полем.

На фиг.7 показана дополнительная альтернативная конструкция. В этом примере нижние поверхности 323, 324 дивертора имеют такую же конструкцию, как на фиг.3, а верхние поверхности 721, 722 дивертора расположены так, что верхняя внешняя поверхность дивертора обращена в основном вниз.

В предыдущих примерах полагалось, что некоторая заданная область дивертора во всей ее полноте (например, верхняя внутренняя поверхность дивертора или нижняя внешняя поверхность дивертора) является либо образованной жидкостью, либо твердой. Однако это не обязательно так. На фиг.8 показан гибридный дивертор (показаны только нижние поверхности дивертора, но тот же самый принцип применим и к двухнулевому дивертору). Дивертор содержит ударно-точечную внутреннюю поверхность 801 дивертора и ударно-точечную внешнюю поверхность 802 дивертора, внутреннюю дальнюю поверхность 803 дивертора и внешнюю дальнюю поверхность 804 дивертора, а также внутреннюю частную поверхность 805 дивертора и внешнюю частную поверхность 806 дивертора.

Ударно-точечные поверхности 801, 802 дивертора являются твердыми и находятся в «ударных точках» - местах, где силовые линии 810 магнитной индукции, соответствующие нулю 811, ударяют в дивертор. Дальние поверхности 803, 804 дивертора находятся в «дальней пристеночной области плазмы», т.е. изнутри от ударно-точечной внутренней поверхности дивертора и снаружи от ударно-точечной внешней поверхности дивертора соответственно. Частные внутренняя и внешняя поверхности 805 и 806 дивертора находятся в «частной области», т.е., между ударно-точечными внутренней и внешней поверхностями дивертора.

Любая комбинация частных и дальних поверхностей дивертора может (или все они могут) представлять собой поверхности дивертора с жидким металлом, как описано ранее. Эта схема расположения придает хороший баланс сопротивления твердой поверхности дивертора высокой тепловой нагрузке (в случае, если пиковая тепловая нагрузка оказывается достаточно большой, чтобы прервать поток жидкости) в сочетании с дополнительным перекачиванием частиц, которое обеспечивается поверхностями с жидким металлом (т.е., удалением частиц пристеночной области плазмы из плазмы). Эта схема расположения функционирует потому, что поток тепла на диверторе спадает приблизительно экспоненциально с увеличением расстояния от ударных точек - так что в случае, где пиковая тепловая нагрузка в ударной точке излишне высока, поверхности дивертора с жидким металлом по-прежнему можно использовать еще дальше от ударных точек.

В качестве альтернативы, можно предусмотреть одиночную частную поверхность дивертора, простирающуюся между ударно-точечными внутренней и внешней поверхностями дивертора.

На фиг.9 представлено схематическое изображение системы циркуляции жидкого металла для использования с поверхностями дивертора, по которым течет жидкий металл. дивертор 910 с жидким металлом имеет впуск 911 и выпуск 912. Система циркуляции содержит насос 901 и резервуар 902 (плюс связанные с ними трубопроводы и клапаны). Резервуар 901 обеспечивает подачу жидкого металла к впуску 911 с сообразным расходом благодаря силе тяжести. Жидкий металл, покидающий выпуск 912, поднимается обратно в резервуар 902 посредством насоса 901.

В альтернативном варианте можно использовать систему, которая содержит насос, но не резервуар (при этом насос будет подавать метал непосредственно от выпуска 912 ко впуску 911). Вообще говоря, подходит любая система подачи жидкого металла, которая обеспечивает сообразный расход. В частности, когда проектируют обращенные вниз поверхности дивертора, расход будет частично определять углы, под которыми следует размещать обращенную вниз поверхность.

Подавать жидкий металл может система циркуляции, как описано выше, или она может содержать резервуар, периодически пополняемый из внешнего источника.

В пределах системы циркуляции жидкого металла можно предусмотреть средства очистки и/или фильтрации, чтобы можно было вычистить любые отходы из жидкого металла. В альтернативном или дополнительном варианте система циркуляции может включать в себя окна для удаления жидкого металла из системы циркуляции и замены его жидким металлом, который не имеет отходов.

Предпочтительным металлом для поверхностей дивертора с жидким металлом является литий, поскольку он является элементом с наименьшим атомным номером, который оказывается подходящим (и поэтому вызывает наименьшее загрязнение плазмы). В качестве альтернативы можно использовать олово или другие металлы с подходяще малым атомным номером. Либо такую комбинацию, как олово-литий.

Изобретение относится к плазменному сосуду токамака. Плазменный сосуд содержит тороидальную плазменную камеру, множество катушек полоидального поля, верхний узел дивертора и нижний узел дивертора. Множество катушек полоидального поля выполнено с возможностью обеспечения полоидального магнитного поля с практически симметричным ядром плазмы и верхним и нижним нулями, так что ионы в пристеночной области плазмы вне ядра плазмы направляются магнитным полем мимо одного из верхнего и нижнего нулей к поверхностям диверторов соответствующих верхнего и нижнего узлов дивертора. Каждый из верхнего и нижнего узлов дивертора содержит радиально внутреннюю поверхность дивертора, образованную из твердого металла и расположенную с возможностью приема ионов из пристеночной области плазмы; радиально внешнюю поверхность дивертора, расположенную с возможностью приема ионов из пристеночной области плазмы, которая находится радиально снаружи от внешней границы плазмы; впуск жидкого металла и выпуск жидкого металла, находящийся ниже впуска жидкого металла. Каждый из верхнего и нижнего узлов дивертора выполнен так, что при эксплуатации жидкий металл течет от впуска жидкого металла к выпуску жидкого металла по, по меньшей мере, соответствующей радиально внутренней поверхности дивертора. Техническим результатом является оптимизация распределения нагрузок на поверхности дивертора при уменьшении воздействия тепловых потоков на поверхности дивертора. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Плазменный сосуд токамака, содержащий:

тороидальную плазменную камеру;

множество катушек полоидального поля;

верхний узел дивертора;

нижний узел дивертора;

причем упомянутое множество катушек полоидального поля выполнены с возможностью обеспечения полоидального магнитного поля с практически симметричным ядром плазмы и верхним и нижним нулями, так что ионы в пристеночной области плазмы вне ядра плазмы направляются магнитным полем мимо одного из верхнего и нижнего нулей к поверхностям дивертора соответствующих верхнего и нижнего узлов дивертора;

при этом каждый из верхнего и нижнего узлов дивертора содержит:

радиально внутреннюю поверхность дивертора, образованную из твердого металла и расположенную с возможностью приема ионов из пристеночной области плазмы, которая находится радиально изнутри от внешней границы плазмы;

радиально внешнюю поверхность дивертора, расположенную с возможностью приема ионов из пристеночной области плазмы, которая находится радиально снаружи от внешней границы плазмы;

впуск жидкого металла; и

выпуск жидкого металла, находящийся ниже впуска жидкого металла,

будучи выполненным так, что при эксплуатации жидкий металл течет от впуска жидкого металла к выпуску жидкого металла по, по меньшей мере, соответствующей радиально внутренней поверхности дивертора.

2. Плазменный сосуд токамака по п.1, причем катушки полоидального магнитного поля выполнены с возможностью обеспечения симметричного магнитного поля.

3. Плазменный сосуд токамака по п.1, причем катушки полоидального магнитного поля выполнены с возможностью обеспечения магнитного поля, которое асимметрично вне ядра плазмы с тем, чтобы оптимизировать взаимодействие с обращенными вверх поверхностями дивертора.

4. Плазменный сосуд токамака по любому предыдущему пункту, содержащий средство подачи жидкого металла, выполненное с возможностью подачи жидкого металла к каждому впуску жидкого металла с соответствующим расходом.

5. Плазменный сосуд токамака по любому предыдущему пункту, причем каждая поверхность дивертора, по которой течет жидкий металл, обращена в основном вверх.

6. Плазменный сосуд токамака по п.4, причем верхний узел дивертора содержит по меньшей мере одну поверхность дивертора, по которой течет жидкий металл и которая обращена в основном вверх, и причем эта поверхность дивертора находится под таким углом, что, когда средство подачи жидкого металла подает жидкий металл на поверхность с соответствующим расходом, смачивание поверхности дивертора жидким металлом предотвращает падение жидкого металла с поверхности дивертора.

7. Плазменный сосуд токамака по п.6, причем поверхности дивертора расположены с зеркальной симметрией, так что поверхности дивертора, принадлежащие верхнему узлу дивертора, являются зеркальным отражением поверхностей дивертора, принадлежащих нижнему узлу дивертора, в экваториальной плоскости плазменного сосуда токамака.

8. Плазменный сосуд токамака по п.6 или 7, причем обращенная в основном вниз поверхность дивертора содержит каналы.

9. Плазменный сосуд токамака по любому предыдущему пункту, причем впуск жидкого металла по меньшей мере одной из поверхностей дивертора находится радиально снаружи от соответствующего выпуска жидкого металла.

10. Плазменный сосуд токамака по любому предыдущему пункту, причем жидким металлом является литий или олово.