Способ защиты пластин дивертора термоядерного реактора Советский патент 1987 года по МПК G21B1/00 

18

Изобретение относится к области плазменной техники, может быть использовано для защиты поверхностей, разрушаемых в результате эрозии и циклических термических напряжений, возникающих под действием пучка заряженных частиц, и преимущественно для защиты токоприемных пластин дивертора термоядерного реактора токамак.

Для удаления .потока частиц, поступающих из плазмы на стенку, в термоядерном реакторе токамак применяют устройства, называемые диверторами, которые содержат катушку магнитного поля, вакуумируемую камеру и токоприемник. Диверторная катушка создает специальную магнитную конфигурацию, с помощью которой заряженные частицы, поступающие из плазмы в пристеночную область рабочего объема реактора, эвакуируются в камеру дивертора и нейтрализуются на пластинах токоприемника. Под действием пучка заряженных частиц приемные пластины не только интенсивно нагреваются во время рабочего импульса, но и разрушаются в результате эрозии. Способы зашиты диверторных пластин направлены на предохранение их от распыления и трещинообразования в результате термокачки.

Известен способ защиты диверторных пластин, основанный на использовании свободно падающей завесы из жидкого лития. Однако при этом способе встречаются принципиальные трудности из-за особенностей гидродинамики свободно падающей струи .в присутствии магнитного поля, образования объемных зарядов и из-за чрезвычайно больших расходов жидкого металла.

Наиболее близким по технической сущности решением является способ зап1иты пластин дивертора термоядерного реактора токамак, состоящий в нанесении пленки жидкого металла на пластины дивертора, причем пленка все время стекает по поверхности пластин. Пленочный слой жидкого металла (лития) предохраняет диверторные пластины от распыления и, аккумулируя тепло, выделяющееся на пластинах, уносит его из зоны дивертора. При этом температура поверхностного слоя пленки и соответствующее ей парциальное давление паров жидкого металла должны находиться в определен5.2

ных пределах, определяемых степенью разрежения в камере дивертора.

Недостатки известного способа состоят в следующем. Движение свободно стекающей токопроводящей пленки жидкого металла в сильном магнитном поле не. исключает возможности отрыва ее от поверхности диверторной пластины в результате МГД-явлений, а ограничения по температуре жидкого металла требуют увеличения расхода, т.е. скорости его движения, что еще больше затрудняет получение гидродинамически устойчивой защитной пленки. Кроме того, создание защиты в виде непрерывно стекающей пленки связано с большими расходами жидкого металла. Целью настоящего изобретения является повьш1ение надежности работы дивертора с одновременным снижением расхода защитного жидкого металла.

Поставленная цель достигается тем,, что в известном способе защиты пластин дивертора термоядерного реактора, состоящего в нанесении пленки жидкого металла на пластины дивертора, рабочую поверхность пластин дивертора в паузах между рабочими периодами покрывают пленкой жидкого металла, охлаждают противоположную поверхность пластин до температуры, меньшей температуры затвердевания жидкого металла, и поддерживают этот уровень, температуры в течение одного, по крайней мере, рабочего периода, после чего прекращают охлаждение, пластины нагревают и цикл повторяют. Охлаждение пластин дивертора можно прекратить в конце рабочего периода до истечения времени, достаточного для нагрева пластин падающим пучком заряженных частиц. Нагрев пластины дивертора можно производить hoTOKOM вновь

наносимой пленки жидкого металла.

Стабильность защитной пленки во время рабочего периода способствует повышению надежности работы дивертора, а дискретность операций нанесения пленки приводит к существенному снижению суммарного расхода жидкости металла. Кроме того, отсутствие жесткой регламентации в скорости движения наносимой пленкИ;позволяет умень-

шить мощность системы подачи и откач-ки жидкого металла.

На чертеже изображен вариант устройства, реализующего изобретение.

38

Дивертор термоядерного, реактора токамак включает в себя катушку 1 магнитного поля, вакуумируемую камеру 2 и токоприемник 3, расположенные внутри корпуса 4. Поток заряженных частиц из рабочего объема реактора вводится в камеру 2 через диверторные каналы 5 и попадает на пластины токоприемника 3, где нейтрализуется и, выделяясь в объем 7 камеры 2, откачивается насосами 8. Токоприемник выполнен в виде полого герметичного корпуса 9, внутри которого расположены трубки 10, подводящие хладагент (в данном случае - воду) к диверторным пластинам 6. В верхней части токоприемника расположена ванна 11 с жидким металлом 12 и нагревателями 13, в которую металл подается через питающий канал 14 с помощью МГД-насоса 15. Нагреватели 13 служат для термоядерной стабилизации металла в ванне 11. При переполнении ванны жидкий металл переливается через ее край и свободной пленкой стекает по наклонной поверхности пластин дивертора. Нанесение пленки производится в промежутках между импульсами, когда скорость движения пленки не регламентируется. Избыток жидкого металла так же как и заменяемая пленка, стекающая с пластин 6, попадает

335

на поддон 16 и собирается в приемном коллекторе 17, откуда перекачивается во внешние коммуникации МГД-насосом 18. В качестве защитного металла для диверторных пластин используется, например, галлий, имеющий низкую температуру плавления и хорошую текучесть. Отсутствие реакции галлия с

Q водой позволяет использовать последнюю для охлаждения пластин дивертора. Применение галлия по сравнению с литием исключает таким образом появление взрывоопасйых ситуаций в случае

5 повреждения пластин дивертора.

Экономическая эффективность предлагаемрго способа заключается в существенном уменьшении расхода жидкого металла, в уменьшении мощности систем прокачки металла, в повьш1ении надежности работы дивертора и снижении вероятности появления взрывоопасных ситуаций. Так, например, расчеты показывают, что применительно к опыт5 но-промьшшенной гибридной термоядерной электростанции расход лития в случае пленочной защиты пластин дивертора составляет 2,5 м /с, в то время как в случае применения данного изобретения расход галлия составляет 2,6 , соответственно мощность систем прокачки снижается с 600 до 125 кВт,

1. СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПЛАСТИН ДИВЕРТОРА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, состоящий в н^анесении пленки жидкого металле на пластины дивертора, о т- личающийся тем, что, с целью повышения надежности работы дивертора с одновременным снижением расхода защитного жидкого металла, .00 00^со ел