Первая стенка термоядерного реактора

Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно к конструкции первой стенки термоядерного реактора. Технический результат, который может быть получен при использовании данной конструкции первой стенки в термоядерном реакторе, заключается в обеспечении длительной работоспособности первой стенки при воздействии на ее поверхность экстремально больших тепловых потоков из плазмы вплоть до значений уровня 10 МВт/м², характерного для термоядерного реактора, а также минимальных толщин оболочек, формирующих первую стенку, а также самой первой стенки, что требуется для оптимизации нейтронных полей в термоядерном или гибридном реакторе. Для достижения этого результата предложена первая стенка термоядерного реактора, состоящая из внутренней стенки из материала с высокой теплопроводностью, с прикрепленными к ней посредством промежуточного слоя защитными блоками, и с сформированными в ней каналами для прохода теплоносителя, при этом внутренняя стенка имеет по всей площади множество углублений, расположенных рядами на равном расстоянии друг от друга, при этом вершины углублений соединены с внешней стенкой, представляющей собой тонкостенную оболочку из конструкционного материала. Кроме того, промежуточный слой и защитные блоки имеют форму, сопряженную с формой внутренней стенки. Внутренняя стенка выполнена из бронзы, промежуточный слой выполнен из меди, защитные блоки выполнены из бериллия или вольфрама или графита. Каналы для прохода теплоносителя сформированы в пространстве между внешней и внутренней стенками. 1 н.п.ф., 5 з.п.ф., 7 ил.

Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно к конструкции первой стенки термоядерного реактора.

Известны конструкции первой стенки термоядерного реактора [1-4], основными элементами которых являются:

1. Облицовочный - защитный слой в виде тайлов (плиток), обращенный к термоядерной плазме, предназначенный для защиты конструкционного материала первой стенки от распыления и эрозии потоками тепла и частиц плазмы. Элементы защитного слоя представляют собой тайлы (плитки) определенной формы из бериллия, вольфрама или графита и прикрепляются к поверхности конструкционного материала первой стенки при помощи промежуточного медного слоя, выполняющего функции:

- механически связующего материала,

- компенсатора относительных деформаций таила и поверхности первой стенки,

- элемента конструкции, обеспечивающего эффективный теплоотвод от таила к поверхности первой стенки.

2. Панель или оболочечная конструкция с принудительным внутренним охлаждением, изготовленная из конструкционных материалов.

Технология нанесения медного слоя на поверхность конструкционного материала первой стенки и закрепление на нем тайлов из бериллия, вольфрама или графита отработана в рамках разработок ИТЭР [5].

Известно также техническое решение для мощных тепловых потоков [2]. Данное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.

В указанном решении первая стенка может состоять из рядов бронзовых трубок с прикрепленными к ним посредством промежуточного медного слоя графитовых (или из другого защитного материала) моноблоков.. Данное техническое решение изначально предлагалось для диверторных и лимитерных элементов термоядерного реактора, обращенных к плазме для тепловых потоков более 10 МВт/м², но в силу недавно обнаруженных возможных значительных нагрузок на первую стенку, адаптировано и к ее конструкции.

Однако в рамках данной конструкции сложно осуществить обход теплоносителем технологических отверстий в первой стенке, предназначенных для каналов нейтральной инжекции, диагностик, и других целей. Также сложно осуществить монтаж такой сферической стенки. В случае компактного реактора, такого например, как ТИН-СТ расхождение трубок ближе к экватору на внешней первой стенке превышает допустимые значения для существенных тепловых потоков, поскольку вынужденное увеличение ширины моноблоков относительно диаметра трубок у экватора внешней первой стенки приводит к перегреву воспринимающих тепловой поток моноблоков и трубки, возникновению трещин в медном промежуточном слое.

Технический результат, который может быть получен при использовании данной конструкции первой стенки в термоядерном реакторе, заключается в обеспечении

- длительной работоспособности первой стенки при воздействии на ее поверхность экстремально больших тепловых потоков из плазмы вплоть до значений уровня 10 МВт/м ², характерного для термоядерного реактора;

- минимальных толщин оболочек, формирующих первую стенку, а также самой первой стенки, что требуется для оптимизации нейтронных полей в термоядерном или гибридном реакторе.

Для этого предложена первая стенка термоядерного реактора, состоящая из внутренней стенки из материала с высокой теплопроводностью, с прикрепленными к ней посредством промежуточного слоя защитными блоками, и с сформированными в ней каналами для прохода теплоносителя, при этом внутренняя стенка имеет по всей площади множество углублений, расположенных рядами на равном расстоянии друг от друга, при этом вершины углублений соединены с внешней стенкой, представляющей собой тонкостенную оболочку из конструкционного материала.

Кроме того, промежуточный слой и защитные блоки имеют форму, сопряженную с формой внутренней стенки.

Также:

- внутренняя стенка выполнена из бронзы.

- промежуточный слой выполнен из меди.

- защитные блоки выполнены из бериллия или вольфрама или графита.

Каналы для прохода теплоносителя сформированы в пространстве между внешней и внутренней стенками.

При компактных размерах вакуумной камеры, например в случае термоядерного источника нейтронов - сферического токамака (ТИН-СТ) [8], в которой большой радиус установки равен 0,5 м, возникают необходимые требования минимизации толщины первой стенки и вакуумной камеры. Отличие от прототипов заключается в том, что система охлаждения первой стенки представляет собой не ряды независимых каналов с теплоносителем, а общий канал, по которому теплоноситель течет между внешней и внутренней оболочкой первой стенки, образуя единый поток по всей секции первой стенки, обтекая соединяющие оболочки воронки и обеспечивая за счет этого более интенсивное перемешивание теплоносителя и теплосъем, охлаждая большую площадь. Тем самым отпадает необходимость в организации по всей площади первой стенки независимых каналов или трубок охлаждения. Предлагаемая конструкция позволяет также устанавливать в секциях первой стенки технологические отверстия, которые практически невозможно реализовать без применения байпасов для теплоносителя в случае с отдельными каналами охлаждения.

В проекте нейтронного источника ТИН-СТ первая стенка, выполняет также функцию вакуумной камеры. Внешняя стальная оболочка может укрепляться тороидальными и полоидальными ребрами жесткости. Толщина внешней стальной оболочки может варьироваться в зависимости от условия жесткости вакуумной камеры применительно к конкретной установке, в частности при дополнительных нагрузках, возникающих в результате возможных срывов тока разряда.

Предлагаемая конструкция первой стенки обладает новизной за счет того, что конструкция таила и формованной бронзовой оболочки обеспечивает их более надежное крепление за счет идентичной формы сопрягаемых поверхностей тайла и оболочки. Эта поверхность сопряжения отлична от плоской поверхности тайла и первой стенки в имеющихся прототипах первой стенки и форма тайла не имеет аналогов среди ранее предложенных [1-4, 6, 7].

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-7, где позициями обозначены

1- - бронзовая оболочка

2 - стальная оболочка

3 - промежуточный медный слой

4 - тайлы (защитный слой, например, из бериллия)

5 - теплоноситель

На фиг.1 показан фрагмент внутренней и внешней оболочки первой стенки.

Первая стенка представляет собой две тонкостенные скрепленные оболочки толщиной 0,5-5 мм каждая - стальную 2 (например, нерж. Сталь 316L) и бронзовую - 1 (медный сплав CuCrZr), между которыми течет теплоноситель 5 (фиг.1). Бронзовая внутренняя оболочка (со стороны термоядерной плазмы) имеет множество углублений (воронок/пуклевок) по всей площади оболочки, расположенных рядами на равном расстоянии друг от друга.

На фиг.2 показан фрагмент первой стенки со стороны плазмы (вид сверху на бронзовую оболочку 1) с четырьмя воронками для наглядности без тайлов и медного слоя.

Сечение А-А на фиг.2 представлено в изометрии на фиг.3,где 1 - бронзовая оболочка, 2 - стальная. Вершины (центры) воронок могут соединяться со стальной внешней оболочкой первой стенки путем диффузионной сварки, для чего на бронзовую оболочку со стороны будущей сварки предварительно может наноситься тонкий слой стали. Также возможно соединение бронзовой внутренней оболочки и стальной внешней при помощи штифтов, помещаемых в просверленные круглые отверстия определенного диаметра в центре воронок и далее в примыкающей стальной оболочке.

Сечение А-А на фиг.2 в сборе с промежуточным медным слоем 3 и тайлами 4 в изометрии представлено на фиг.4.

Форма тайла представлена на фиг.5.

Сечение А-А на фиг.2 с промежуточным медным слоем 3 и тайлами 4 представлено на фиг.6 и фиг.7. На фиг.6 показаны: защитный слой из блоков-тайлов из, например, бериллия - позиция, 4, медный промежуточный слой - позиция 3, внутренняя бронзовая оболочка из CuCrZr - позиция 1, внешняя оболочка из стали 316L - позиция 2 и теплоноситель - позиция 5.

В качестве примера приводится первая стенка ТИН-СТ. Она содержит защитный слой из бериллия в виде однотипных блоков - тайлов полностью закрывающую ее поверхность со стороны плазмы. Тайлы квадратной формы 15,6×15,6 мм и переменной толщины по площади таила, которая уменьшается от максимальной 9,1 мм в середине таила до минимальной 2,5 мм на краю тайла. Полная толщина стенки с тайлами составляет 11,3 мм. Зазоры между соседними тайлами для компенсации их температурных расширений составляют 0,4 мм. Тайлы прикрепляются к бронзовой поверхности охлаждаемой панели стенки посредством промежуточного медного слоя, толщина которого увеличивается от минимальной в центре тайла 0,3 мм до максимальной по краям 0,6 мм, что более оптимально компенсирует термическое расширение таила от его центра к краям, не создавая избыточную толщину медного слоя по всей поверхности внутренней бронзовой оболочки. Промежуточный медный слой может отсутствовать у краев таила. При этом граница медного слоя может проходить по краю углубления-воронки. Сток тепла из таила к теплоносителю в этом случае происходит в большей мере через углубления в бронзовой оболочке, уменьшая температуру бронзовой оболочки вне углублений и снижая в ней максимальные термические напряжения. На фиг.6 и фиг.7 представлены основные геометрические размеры в сечении А-А (фиг.2) первой стенки:L1=16 мм, L2=0,6 мм, L3=2,5 мм, L4=l,9 мм, L5=1 мм, R1=7,22 мм, R2=7,22 мм, R3=1 мм, R4=0,7 мм, R5=2 мм.

Указанные размеры могут варьироваться в большом диапазоне в зависимости от конкретной установки.

Предложенная конструкция первой стенки ТИН-СТ работает в стационарных условиях воздействия теплового потока из плазмы в силу специфики работы самой установки. Номинальный тепловой поток составляет 1,5 МВт/м² при максимальных значениях до 5 МВт/м ². Защитный экран предохраняет поверхность конструкционного материала первой стенки, обращенного к плазме, от эрозии ионами плазмы, а также перераспределяет и усредняет передаваемый на первую стенку тепловой поток. Охлаждение первой стенки осуществляется теплоносителем - водой под давлением порядка 10 атм, циркулирующим внутри первой стенки, а именно между двух оболочек, образующих первую стенку. Скорость теплоносителя составляет величину порядка 10 м/с. В общем случае тип и параметры теплоносителя могут выбираться в зависимости от условий работы конкретной установки.

Список литературы

1. Schedler et al., First-wall component with the tube segment. Patent USA 7,940,880 B2 Issued on May 10, 2011.

2. Friedrich et al., First-wall component for a fusion reactor. Patent USA 2008/0032530 A1 Issued on Feb. 7, 2008.

3. Schedler et al., First-wall component for a fusion reactor with a heat sink of a copper alloy. Patent USA 2008/0100991 A1 Issued on May 1, 2008.

4. Schedler et al. First-wall component for a fusion reactor with a heat sink of a copper alloy. Patent USA 2009/0175400 A1 Issued on Jul. 9, 2008.

5.ITER DDD, 2002.

6. Robert F. Bourque. Composite first wall for a fusion device. Patent USA 4,696,781 Issued on Sep. 29, 1987.

7. Gotoh et al., Nuclear fusion reactor. Patent USA 5,182,075 Issued on Jan. 26, 1993.

8. B.V.Kuteev et al., Steady-state operation in compact tokamaks with copper coils, Nucl. Fusion 51 (2011) 073013.

1. Первая стенка термоядерного реактора, состоящая из внутренней стенки из материала с высокой теплопроводностью, с прикрепленными к ней посредством промежуточного слоя защитными блоками, и с сформированными в ней каналами для прохода теплоносителя, отличающаяся тем, что внутренняя стенка имеет по всей площади множество углублений, расположенных рядами на равном расстоянии друг от друга, при этом вершины углублений соединены с внешней стенкой, представляющей собой тонкостенную оболочку из конструкционного материала.

2. Первая стенка термоядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный слой и защитные блоки имеют форму, сопряженную с формой внутренней стенки.

3. Первая стенка термоядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя стенка выполнена из бронзы.

4. Первая стенка термоядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен из меди.

5. Первая стенка термоядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что защитные блоки выполнены из бериллия или вольфрама, или графита.

6. Первая стенка термоядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что каналы для прохода теплоносителя сформированы в пространстве между внешней и внутренней стенками.