Первая стенка плазменной установки Советский патент 1982 года по МПК G21B1/00 

(54) ПЕРВАЯ СТЕНКА ПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКИ

1

Изобретение относится к области плазменной техники JI может быть использовано при осуществлении реакции термоядерного синтеза.

В связи с необходимостью уменьшить поступление в горячую водородную плазму примесей тяжелых элементов, которые дают сильное излучение и охлаждают плазму, в термоядерных установках принимают специальные меры для защиты первой стенки от разрушения.

Известна первая стенка плазменной установки, в которой создана система натекателей и система отверстий 1. Через натекатели в пристеночную область подают рабочую смесь и одновременно через оТверстия отсасывают ее вместе с нейтральными примесями.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является конструкция первой стенки плазменной установки, содержащей секции из растворяющего рабочую смесь материала и средства создания раствора рабочей смеси в ней 2.

Кольцевые секции изготовлены из материала с повыщенной способностью к насыщению рабочей смесью и собраны так, что между ними образованы сообщающиеся ;с коллектором отсоса щели. Рабочую смесь яодают непосредственно из кольцевых секций первой стенки и отсасывают вместе с нейтральными примесями через щели. . Сравнительно большая степень чистоты плазмы достигается тем, что около первой 5 стенки создают холодный защитный .слой из непрерывно прокачиваемой рабочей смеси.

Недостатком известной конструкции является то, что параметры защитного слоя

1в (температуру, плотность, толщину), определяющие его эффективность, трудно регулировать и стабилизировать, поскольку для этого необходимо согласованное изменение скоростей подачи и отсоса рабочей смеси.

15 Кроме того, требуется мощное дополнительное оборудование для откачки больщих потоков газа, S томчйсле опасного и дорогостоящего радиоактияного трития, когда пйследний входит в состав рабочей

20 смеси.

Цель изобретения - повышение надежности защиты первой стенки плазменной установки путем упрощения регулировки параметров защитного слоя и повы25 шение радиационной безопасности.

Цель достигается тем, что перваястенка ,плазменной установки, содержащая секции из растворяющего рабочую смесь материала и средства создания раствора

30 рабочей смеси в ней, выполнена ич прлгг

слоев, причем внутренний слой полностью 1вьт6лнен из материала, растворяющего рабочую смесь, а наружный - из материала, непроницаемого для этой смеси и снаб«fe; irf---- ,.,-й Шйа средством для регулирования ее температуры. Средство для регулирования Температуры первой стенки может быть вьгаолнено в виде размещенного снаружи стенки, трубопровода для прокачки теплоносителя.

Устройство позволяет при нагреве предварительно пропитанной рабочей смесью стенки создать защитный слой, параметры которого, определяющие эффективность еТо защиты, легко регулируются за счет Изменения температуры первой сте{1ки. Кроме того, рабочий объем ограничен непроницаемым наружньш слоем первой, стенки, в силу чего рабочая смесь замкнута в нем. Это позволяет повысить радиационную безопасность и исключить потери радиоактивного трития.

Для заполнения рабочего объема газовой рабочей смесью температуру первой сТёнки устанавливают равной Т,,- .

В с6стбянйи термодинамического равновесия раствора и газа плотность газовой рабочей смеси По при созданной во внутреннем слое первой стенки плотности раствора :Na определяется только температурой. Поэтому необходимую плотность атомов рабочей смеси в рабочем объеме получают соответствующим выбором температуры Г.и.Послевключнйя магнитного поля

в ходе нагрева газовой рабочей смеси температуру первой степки увеличивают и по

.достижении рабочего режима первую стенку термостатируют при температуре Т,,. При этом поток газа, выделяемого из внутреннего слоя первой стенки в рабочий объем, равен потоку .атомов и ионов (последние нейтрализуются), поглощаемому им. Это состояние кинетического равновесия при изменяющейся плотности раствора полностью определяется температурой TW, и плотностью потока тепла Q, выносимого из плазмы атомами и ионами. Так как величина Q задайа, например, интенсивностью реакций синтеза и отношением объема термоядерной плазмы к поверхности первой стенки, то параметры .плазмы непосредственно у первой стенки регулируют соответствующим выбором темпера, туры TW. Слой плазмы, прилегающий к первой стенке, должен предохранять ее,от

распыления, возникающего при прямом icoHlraKTe с горячей плазмой и бомбардировке ее быстрыми атомами, которые образуются в горячей плазме и свободно про ходят поперек удерживающего её магнитного поля. Указанными свойствами обладает защитньтй пои низкотемпературной

йлйзйы с вполне опрёдёленШлмЖТемпера(произведение толщины слоя плазмы Z на ее плотность). Быстрые атомы не смогут достичь первой стенки, если они будут Г1ерёза1ряж ться на ионах защиггного 1слоя.

5 На чертеже представлен вариант термоядерного реактора при таком положении подвижной заслонки, когда щель открыта для откачки рабочего объема.

В термоядерном реакторе в качестве

0 рабочей смеси используют смесь изотопов водорода.

Устройство содержит тороидальную вакуумную камеру 1, первая стенка 2 которой вьШолнена из двух слоев. Внутренний слой

5 выполнен из материала, хорощо растворяюlite o изотопы водорода, например из титана. Нарул ный слой 3 выполнен из материала, непроницаемого для изотопов водорода, наприм-ер -нержакеющей стали. Щель

4, сообщавшаяся с коллектором отсоса 5 системы откачки, закрыта подвижной заслонкой 6. 7 служит для подачи рабочей смеси с щелью -создания 1ра:ство|ра изотопов водорода в титане. Трубопроводы

5 8 служат для протока теплоносителя, регулирующего температуру первой стенки.

стройство работает следующим образом.

В титановом слое первой стенки создают

0 раствор рабочей смеси, для чего открывают клапан 7 и вводятв предварительно откачанный замкнутый рабочий объем (щель 4 после откачки закрыта подвижной заслонкой 6) смесь изотопов водорода. За время

5 порядка двух минут в слое титана толщиной 0,1 см при температуре 750° С и давлении рабочей смеси около 50 торр образз етея раствор с плотностью атомов изотопов водорода /Va 5 см . После этого

0 клапан 7 закрывают и переводятв рабочий цикл. Сначала в рабочем объеме создают рабочую плотность смеси изотопов водорода. Например, если плотность плазмы в центральной области тремоядерного реактора должна быть 2 Ю см,то температуру первой стенки устанавливают равной Гда, 300° С. После включения магнитного поля в ходе нагрева газа в рабочем объеме температуру первой стенки увеличивают и

0 по достижении рабочего режима, когда из термоядерной плазмы на первую стенку идет поток тепла, плотность Q которого лежит, например, в диапазоне 10 Q 50 ВТ см-2, первук) стенку термостати55 руют соответственно в диапазоне температур TW, 330-400° С. При таком выборе температуры TW, плазма около первой стенк-я имеет следующие параметры; температура TO 1,5 эв, плотность л 4-7Х

0 X 10 QM . Толц1;И|Н;а пристенного слоя плазм ы, в котором прирост температуры сравнительно мал, составляет Z {2-1} см. Такой защитный слой низкотемпературной плазмы предохраняет первую стенку от расс „,, гтл Г4ипнчянии пабочего режима

температуру первой стенки понижают, так что большая часть непрореагировавшей рабочей смеси конденсируется в стенку. Например, чтобы плотность молекул изотопов водорода в рабочем объеме реактора не превышала 3- 10° см- (это соответствует рабочему вакууму с давлением остаточного газа около ), температуру первой стенки понижают до Гщ,, 120°С. Затем с помощью подвижной заслонки 6 открывают сообщающуюся с коллектором отсоса 5 щель 4, а после окончания откачки рабочего объема от продуктов реакции щель 4 закрывают и начинают следующий рабочий цикл. В процессе работы установки внутренний слой первой стенки обедняется рабочей смесью. Медленное падение плотности раствора компенсируют тем, что постепенно повышают температуры Гщ,, и Tw, и таким образом вырабатывают большую часть растворенной смеси. После этого во внутреннем слое первой стенки снова создают раствор рабочей смеси.

Преимущество устройства заключается в том, что защитный слой надежно предохраняет плазму от загрязнения сильно излучающими тяжелыми примесями, так как его napaiwreTpbi хорощо стабилизируются и регулируются сравнительно небольшим изменением температуры первой стенки. Кроме того, облегчается работа с радиоактивными и дорогими изотопами, уменьшается

радиационная опасность

и загрязнение окружающей среды.

Формула изобретения

1.Первая стенка плазменной установки, содержащая секции из растворяющего рабочую смесь материала и средства создания раствора рабочей смеси в ней, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности защиты первой стенки путем упрощения регулировки параметров защитного слоя и повышения радиационной безопасности, первая стенка выполнена из двух слоев, причем внутренний слой полностью выполнен из материала, растворяющего рабочую смесь, а наружный - из материала, непроницаемого для этой смеси, иснабжена средством для регулирования ее температуры.

2.Устройство поп. 1,отличающеес я тем, что средство для регулирования температуры первой стенки выполнено в виде размещенного снаружи стенки трубопровода для прокачки теплоносителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Nuclear Fusion, v. 8, № 3, 1968, p. 173. 2. Авторское свидетельство СССР № 464987, кл. Н 05 Н 1/02, 14.10.71 (прототип).

.

f-ffy, -782553

- - J-f

.-3#1er-

;