Способ термализации и откачки частиц в потоке плазмы Советский патент 1984 года по МПК G21B1/00 H05H1/00 

Изобретение относится, к термоядерным установкам с магнитным удер жанием плазмы и может применяться также в различных системах, в которых используются потоки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле а также при создании установок с дл тельно существующей (свыше нескольких секунд) плазмой, удерживаемой магнитным полем. Известен способ термализации и откачки частиц плазмы, по которому на пути потока частиц плазмы органи зуют поток жидкого металла, например лития, в виде пленки, стекающей под действием силы тяжести по твердой металлической подложке. При этом скорость движения пленки и ее теплоаккумулирующая способность, которая характеризуется допустимой величиной удельного теплового потока, воспринимаемого пленкой, .ограничены магнитогидродинамическим (МГД) взаи модействием потока металла с магнит ным nojiGM. Наличие подложки усиливает это взаимодействие вследствие замыкания электрических токов через материал подложки и через пбграничный слой жидкого металла вблизи под ложки. Способ позволяет откачивать ионы водорода (дейтерия, трития), которые хорошо захватываются и удер живаются жидким литием С1. Однако для откачки гелия, наприме при использовании данного способа в термоядерных реакторах, где гелий является продуктом реакции и должен удаляться из плазмы, необходимы дополнительные средства, поскольку гелий не удерживается в жидком металле, а диффундирует .из него обратн Наиболее близким к предлагаемому является способ термализации и откачки частиц в потоке плазмы, движущемся в магнитном поле, включающий создание потока жидкого металла пересекающего поток плазмы 23. Скорость пленки ограничивается высотой ее свободного падения, которая в практически важных случаях, например в .условиях термоядерного реактора, 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 МГЦ-взаимодействию и разрушению пленки). Указанное ограничение скорости не позволяет получить теплоаккумулирующую способность пленки, существенно превышающую уровень, достигаемый в способе с подложкой, а также обеспечить эффективную ; откачку гелия. Из-за этого эффективность термализа ции и захвата частиц невелика. Цель изобретения - повышение сте-, пёйи термализации и захвата частиц плазмы. Цля достижения указанной цели по предложенному способу поток жидкого металла формируют в капельной фазе. На чертеже представлено коллекторное устройство для термализации и откачки частиц плазмы, уходящих из рабочего объекта термоядерного реактора. Устройство включает узел 1 подвода, выполненный в виде системы струйных форсунок с шагом порядка диаметра капли, расположенных в несколько рядов, и узел 2 отвода жидкого металла. Узел 1 подвода расположен внутри патрубка 3, являющегося продолжением вакуумной камеры 4 реактора, и находится за пределами обмотки 5, создающей основное магнитное поле для удержания плазмы. Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Поток жидкого металла, например лития, поступает в узел 1 подвода с помощью электромагнитного насоса, который создает систему струй, распадающихся в области слабого магнитного поля на капли. Капли движутся вдоль г1атрубка 3 и попадают в область основного магнитного поля. Пелена капель б образует рабочий участок потока жидкого металла, пересекакнцийся с потоком 7 частиц плазмы. Тепловой поток, приносимый плазмой, вызывает разогрев поверхности капель и за счет теплопроводности жидкого металла отводится внутрь капель. Частицы плазмы ионы дейтерия, трития и гелия внедряются в жидкий металл и выносятся вместе с ним в узел 2 отвода. При этом изотопы водорода могут вступать в химическое соединение с жидким литием, а гелий диффундирует обратно, но малое время пребывания капель в рабочей зоне должно способствовать уносу гелия жидким металлом. Кроме того, наличие развитой поверхности жидкого металла и сама пространственная структура многослойной пелены капель обусловливают высокую вероятность захвата рассеянных частиц, не внедрившихся в металл при первом столкновении. Эффект изобретения определяет- ся тем, что взаимодействие капель с магнитным полем может быть очень слабым при значительно больших, чем в случае пленки, скоростях. Условия реализации способа определяются соотношениями. .vr «-f - 0,-fSR « -( ,25KR{5co5p4-2R5in p) (31 - магнитное число Рейнольд фактор внешнего воздейст вия магнитного поля; фактор внутреннего возде ствия магнитного поля; параметр МГЦ-взаимодейст вия; масштабный фактор; отношение кинетической энергии капли к потенциальной энергии сил поверхностного натяжения; радиус капли; плотность жидкого металл удельная электропровод-ность;jW - магнитная проницаемость; 6 - поверхностное натяжение; V - скорость капель; В - индукция магнитного поля L, - характерная длина, на ко торой изменение индукции магнитного поля равно ее абсолютной величине; (5 - угол между вектором Б и дукции магнитного поля и вектором § ее производно по направлению движения капель. Выполнение условий (1) - (3) озна чает слабое взаимодействие капель с магнитным полем. Условие (1) соответствует отсутствию вмораживания силовых линий магнитного поля в жидкий металл и деформации поля. Условие (2) выражает слабость внешнего взаимодействия магнитного поля на каплю как на твердое тело, в результате которого могут меняться ее скорость и траектория. Это воздействие обусловлено изменением магнитного поля вдоль траектории капли, приводящим к возникновению электрического тока в объеме капли, и взаимодействием последнего с изменяющимся в пространстве магнитным полем. Условие (3) означает, что внутренние силы, которые возникают в капле в результате указанного взаимодействия с изменяющимся магнитным полем, малы по сравнению с силами поверхностного натяжения и не могут, следовательно, привести к разрушению капли. Первое слагаемое в выражении (3) соответствует воздействию пондеромоторного сжатия капли вокруг оси, совпадающей с направлением векторав .производной индукции магнитного поля по траектории капли, второе слагаемое соответствует воздействию центро бежных сил, вызываемых вращением кап |ли вокруг оси,перпендикулярной к лоскости,проведенной через векторы В и указанные условия выполняются скоростях потока капель, сущеенно превышающих скорости потока нок жидкого металла, используев известном способе (20-30 м/с тив 3,5 м/с). Соответственно возтает количество тепла, которое ет быть аккумулировано жидким аллом, или допустимый удельный ловой поток на поверхность жидо металла. В силу значительного ньшения времени пребывания жидо металла в рабочей зоне, где подвергается бомбардировке часами плазмы, должна улучшиться откачйвакяцая способность по ию. В случае когда потоки частиц змы и жидкого металла пересекаютпод большими углами (до 90°), можно использование многослойпелены капель для обеспечения таточно, полного захвата частиц змы. В качестве примера даны возможпараметры пелены капель жидкого ия. Циаметр капель1 мм Скорость капель30 м/с Температура лития в узле подвода475 К Максимальная температура на поверхности капп 1 при нагреве потоком плазмы 580 К Длина рабочего участка пелены капель0,5 м Время пребывания капель на рабочем участке 0,017 с Поверхность пелены капель при одностороннем нагревеО МВт/м Отношение диаметра капли к шагу форсуночной головки0,7 Число слоев капель на пелене для перехвата частиц плазмы с вероятностью 99% 18 Индукция основного магнитного поля6 Т Хар 1ктерная длина изменения магнитного поля. 0,3 м Факторы, описывающие взаимодейие капель с магнитным полем. Магнитное число Рейнольдса .. 0,04

.актор внешнего

воздействия 4,3-10

Предел ная ве1щчи 4iaKTopa

вйу1;рённего воздействия{np;i (i 0°). 0,069

Изобретение позволяет существенувеличить теплоаккумулирующую

способность единицы поверхности потока жидкого металла и тем самым снизить суммарную необходимую его поверхность для отвода заданной мощности. Например, для системы со свободно падающей пленки допустимый удельный тепловой поток составляет. 2,8 МВт/м , т.е. предлагаемый способ дает повышение плотности потока в 2,5 раза.

СПОСОБ ТЕРМАЛИЗАЦИИ И ОТКАЧКИ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ, движущимся в магнитном поле, включающий создание потока жидкого металла, пересекающего поток плазмы, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения степени термализации и захвата частиц плазмы, поток жидкого металла формируют в капельной фазе.J-(/)