Коллекторное устройство для термализации и откачки частиц плазмы Советский патент 1984 года по МПК G21B1/00 

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система форсунок расположена за пределами обмоток создающих основное магнитное

поле и установлена внутри патрубков, соединенных с ьакуумно камероП и проходящих между обмотками основного махнитного поля.

1. КОЛЛЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМАЛИЗАЦИИ И ОТКАЧКИ ЧАСТИЦ ПЛАЗМЫ, удаляемых из рабочего объема камеры термоядерного реактора, с магнитным удержанием плазмы, включающее узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свободной поверхностью жидкого металла, расположенные внутри вакуумной камеры реактора, окруженной системой обмоток для создания основного и вспомогательных магнитных полей, отличающееся тем, что с целью повышения тёплоаккумулирующей и откачивающей способности колллекторного устрЬйства,узлы подвода жидкого металла вьшолненыв виде системы струйных форсунок. (Л с

Изобретение относится к термоядерным установкам с магнитным удержанием плазмы и может применяться также в различных системах, в которых используются потоки заряженных частиц, движущиеся в магнитном поле При создании установок с длительно существующей (свыше нескольких секунд) плазмой , удерживаемой магнитным полем, возникает проблема термали.зации и откачки частиц плазмы, диффундирующих поперек магнитного поля и уходящих за пределы объема, который должна занимать плазма, например, частиц плазмы, отводимых в дивертор термоядерного реактора токамака. Известны устройства для термализации и откачки частиц плазмы, включающие узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свободной поверхностью жидкого металла, расположенные на пути пото ка частиц плазмы- внутри диверторног объема вакуумной камеры термоядерно го реактора токамака, окруженной системой обмоток для создания основ ного и вспомогательных магнитных полей. Рабочие участки могут содер жать твердую металлическую подложку для стабилизации пленки жидкого металла l . Б известных устройствах скорость пленки и ее теплоаккумулирующая способность, которая характеризуется допустимой величиной удельного тепло вого потока, воспринимаемого пленкой ограничены магнитогидродинамическим (МГД) взаимодействием потока металла с магнитным полем,причем наличие подложки усиливает это взаимодействие вследствие замыкания электрических то ков через материал подложки и через пограничный слой жидкого металла вблизи ее поверхности. Описанные устройства позволяют откачивать . ионы водорода (дейтерия, трития), которые хорошо захватываются и удерживаются, например, жидким литием. Для откачки гелия, который является продуктом термоядерной реакции и должен уадаляться из плазмы, необхо димы дополнительные средства, поскол ку гелий не удерживается в жидком металле, а диффундирует из него обратно. Невысокая теплоаккумулирую щач способность жидкой пленки является недостатком устройств описанного типа при их использовании, например , в термоядерных реакторах / где поток частиц, уходящих из рабочего объема плазмы, может нести значительную долю от полной мощности термоядерной реакции (). Ближайшим техническим решением являются коллекторы устройства для термализации и откачки частиц плазмы, уходяи-их из рабочего объема камеры термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы,включающее узлы подвода и отвода жидкого металла и рабочие участки со свобод-.ной поверхностью жидкого металла, расположенные внутри вакуумной камеры реактора, окруженной системой обмоток для создания основного и вспомогательных магнитных полей 2. Известное устройство включает узел подвода для создания свободно падающей пленки жидкого металла в диверторном объеме реактора токамака. Однако теплоаккумулирующая способность пленки жидкого металла в этом устройстве также невелика, поскольку ее скорость ограничена высотой свободного падения, которая в практически важных случаях, например в условиях термоядерного реактора токамака, не может быть большой вследствие неоднородности магнитного поля, при большой протяженности пленки ее разные участки будут находиться в магнитном поле различной напряженности и направления, что приводит к существенному МГД-взаимодействию и разрушению пленки. Указанное ограничение скорости не позволяет также обеспечить в данном устройстве эффективную откачку гелия. Целью изобретения является повышение теплоаккумулирующей и откачивающей способности коллекторного устройства. Для достижения указанной цели узлы подвода жидкого металла выполнены в виде системы струйных форсунок. Указанная система, может быть вынесена за пределы обмоток, создающих основное магнитное поле и расположенных внутри патрубков, выполненнь х как предложение вакуумной камер реактора и проходящих между обмотка ми основного магнитного поля. Положения рабочих участков коллекторног устройства в области сильного (осно ного)магнитного поля, узлы подвода могут быть вынесены за пределы обмо ток, создающих основное магнитное поле. На чертеже представлено предлага мое коллекторное устройство.Устройс во включает узел подвода 1, выполненный в виде системы струйных форс нок, и узел отвода 2 жидкого металл Узел подвода 1 расположен внутри патрубка 3, являющегося продолжение вакуумной камеры 4 реактора, и нахо дится за пределами обмотки 5, созда щей основное магнитное поле для удержания плазмы 6. Металл подается в виде пелены капель 7. Коллекторное устройство работает следующим образом. Поток жидкого металла, например лития, поступает в узел подвода 1 (например, с помощью электромагнитного насоса), который создает систе му струй, распадающихся а области слабого магнитного поля на капли. Капли движутся вдоЛь патрубка 3 и попадают в область основного магнит ного поля, испытывая лишь, незначительные силовые воздействия. Пелена капель 7 образует рабочий участок потока жидкого металла, пересекающийся с потоком 6 частиц плазмы. Тепловой поток, приносимый плазмой, вызывает разогрев поверхности капел и за счет теплопроводности жидкого металла отводится внутрь капель. Частицы плазмы - ионы дейтерия, трития и гелия - внедряются -в жидки металл и выносятся вместе с ним в узле отвода 2. При этом изотопы водорода вступают в химическое соеди нение с жидким литием, а гелий диффу ндирует обратно, но малое время пребывания капель в рабочей зоне должно способствовать уносу гелия с жидким металлом. Кроме того, наличие развитой поверхности жидкого металла и сама пространственная структура многослойной пелены капель обусловли вают высокую вероятность захвата рассеянных частиц, не внедрившихся в металл, при первом столкновении. С помощью указанного выполнения узлов подвода на рабочем участке коллекторного устройства создается пелена капель жидкого металла, движу щихся с большой скоростью и в то же время слабо взаимодействующих с магнитным полем. Слабость этого взаимодействия обусловлена выполнением трех условий Rer (U6 Vr «1; (1 ) ,15R«l;(2) W; 0,25KR(5co5p+2Rsin p)«.l, (3) магнитное число Рейнольдса; фактор внешнего воздействия магнитного поля; фактор внутреннего воздействия магнитного поля; параметр МГД-взаимодейстВИЯ : -r/L - млсштлбный Фяктоо; pV% отношение кинетической энеогии капли к потенциальной энеогии сил повеохностного натяжения, удельная электропроводность жидкого металла; плотность жидкого металла; поверхностное натяжение; радиус капли; скорость капель; индукция магнитного поля; магнитная проницаемость; характерная длина, на которой изменение индукции магниного поля равно ее абсолютной величине; угол между вектором индукции магнитного поля и вектором ее производной по траектории капли. Указанные условия выполняются при ростях капель, существенно превыщих скорость пленки жидкого алла, используемой в известном ройстве (20-30 м/с против 3,5 м/с) вязи с этим существенно возрастает ичество тепла, которое может ь аккумулировано единицей поверхти рабочего участка коллекторноустройства. Наряду с этим, в силу чительного снижения времени преания жидкого металла в рабочей е, где он подвергается бомбардике частицами плазмы, должна улучься откачивающая способность лекторного устройства по гелию. Для облегчения образования капель кого металла путем естественного пада струй, создаваемых узлами пода, посл(Едние располагают за пределабмоток, создающих основное нитное поле. В качестве примера ы возможные параметры коллекторо устройства для дивертора терморного реактора токамака с испольанием капель жидкого лития: Тепловая нагрузка на коллекторное устрой50 МВт ство 610 сПолный поток ионов 1 мм Диаметр капель 30 м/с Скорость капель Температура лития в узле подвода Максимальная температура на поверхнотсти капель при нагреве потоком плазмы

Длина распада струй на капли за пределами основно о магнитного поля Длина рабочего участка пелены капель Время пребывания капель на рабочем участке

Допустимый удельный тепловой поток на поверхность петель капель при одностороннем нагреве при пересечении потока плазмы и плоскостью пелены капель Отношение диаметра капель к шагу форсуночной головки Числд слоев капель в пелене для обеспечения перехйата частиц плазмы с вероятностью 99% при пересечении потока плазмы с плосктью пелены капель под

Суммарная ширина пеле капель,пелена может состоять из ряда участков небольшой ширины

Толщина многослойной пелены капель

Расход жидкого лития 600 кг/с Индукция основного . . магнитного поля 6 т Характерная длина изменения магнитного поля в зазоре между обмоткамиО , 3 м

Факторы, описывающие взаимодействие капель с магнитным полем: Магнитное число Рейнольдса ,04

Фактор внешнего воздействияПредельнаявеличина фактора внутреннего

воздействия(при f 0) М; 0,069

Г.О Предлагаемое устройство имеет существенно более высокую теплоаккумулирующую способности по сравнению с прототипом, описанным: выше, где допустимый удельный тепловой поток на поверхность пленки жидкого лития составляет 2,8 МВт/м. В данном случае достигается выигрыш в 2,5 . 5 раза. Этот выигрыш должен дать значительный экономический эффект за счет уменьшения поверхностей коллекторных устройств уменьшения габаритов реактора и снижения его стоимости. Дополнительный выигрыш может быть получен вследствие улучшения откачки гелия за счет снижения мощностей дополнительных средств откачки (например, криопанелей).