Устройство для защиты от эрозии первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием

Полезная модель относится к области управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и может быть использована в реакторах с жидкой защитой стенок. Технической задачей изобретения является создание устройства для увеличения времени непрерывной работы реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы путем повышения износостойкости материалов первой стенки. Для этого предлагается организовать потоки жидкого металла в тех местах первой стенки, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных альфа-частиц, возникающих в результате синтеза. Предпочтительным материалом для защиты первой стенки является литий как наиболее легкий из тугоплавких материалов. Толщина литиевого покрытия должна обеспечивать поглощение быстрых альфа-частиц в жидкой фазе материала, которое не будет приводить к его структурным изменениям. Предлагаемое устройство для защиты от эрозии первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием, имеющего тороидальную камеру с внутренней стенкой и магнитные катушки, окружающие указанную тороидальную камеру, содержит систему ввода рабочего металла в указанную тороидальную камеру, систему сбора рабочего металла в жидком состоянии из указанной тороидальной камеры; систему очистки рабочего металла в жидком состоянии и систему подачи рабочего металла в указанную систему ввода. Предлагаемое устройство отличается тем, что система ввода выполнена в виде инжектора рабочего металла в жидком и/или в твердом состоянии в плазму. Инжектор может быть выполнен в виде ускорителя макрочастиц рабочего металла, в виде инжектора пылевой струи, или может быть основан на лазерном распылении частиц рабочего металла. Возможно устройство, когда используется несколько систем ввода жидкого металла, разнесенных по полоидальному углу или несколько систем ввода жидкого металла, разнесенных по тороидальному углу. 7 з.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к устройствам для защиты от эрозии первой стенки реакторов управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, а именно к устройствам защиты тех мест первой стенки, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных частиц, в том числе альфа-частиц.

Известно устройство [патент US 4344911] для защиты внутренних стенок в инерциальном термоядерном реакторе от быстрых частиц, которое основано на использовании потоков жидкого лития вдоль стенок по принципу «водопада» или потоков падающих литий-керамических микрогранул. Данное устройство не применимо в системах с магнитным удержанием вследствие взаимодействия литиевых потоков с магнитным полем. Известно устройство [свидетельство на полезную модель RU 9657] для защиты первой стенки термоядерного реактора, основанное на использовании капиллярно-пористой металлической основы с возможностью ее заполнения жидким литием, нанесенной на внутреннюю поверхность плазменной камеры. Данное устройство позволяет удерживать толщину жидкого металла масштаба нескольких мкм, что недостаточно для полного торможения альфа-частиц в жидкой фазе. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для защиты первой стенки от нейтронов, использующее протекание толстого слоя жидкого лития, играющего роль первой стенки тороидального дейтерий-тритиевого термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы [патент US 6411666], которое выбрано в качестве прототипа. Недостатками данного устройства являются значительный объем жидкого лития, снижающий характеристики безопасности реактора, и склонность толстых слоев лития к неустойчивому течению и разбрызгиванию.

Технической задачей полезной модели является создание устройства для увеличения времени непрерывной работы реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы путем повышения износостойкости материалов тех частей первой стенки реактора, которые подвержены воздействию высокоэнергетичных альфа-частиц или ускоренных ионов основного топлива (дейтерий и тритий).

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве используется система для ввода в плазму частиц обеспечивающего покрытие первой стенки рабочего металла в жидком и/или в твердом состоянии (инжектор). Частицы рабочего металла испаряются в плазме, а затем создают тонкий слой жидкого рабочего металла на поверхности первой стенки, а также обеспечивают компенсацию уменьшения толщины этого слоя при эрозии поверхности за счет высокоэнергетичных альфа-частиц, возникающих в результате синтеза, либо иных интенсивных потоков энергии и частиц из плазмы. Устройство также содержит систему сбора рабочего металла в жидком состоянии из тороидальной камеры реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. Для обеспечения стационарной работы устройство содержит систему очистки рабочего металла в жидком состоянии, связанную по потоку с инжектором рабочего металла и систему подачи рабочего металла обратно в инжектор. Общая масса рабочего металла в устройстве и на первой стенке реактора ядерного синтеза не превышает несколько килограммов.

На фиг. 1 представлен вариант размещения предлагаемого устройства с одним или несколькими инжекторами в полоидальном сечении реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. На фиг. 2 представлен вариант размещения нескольких предлагаемых устройств, разнесенных по тороидальному углу реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы.

Устройство содержит: 1 - систему ввода рабочего металла в плазму 2 в виде инжектора рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии, 3 - систему сбора жидкого рабочего металла, 4 - систему очистки рабочего металла, и 5 - систему подачи рабочего металла в инжектор 1. Реактор ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, в котором может применяться предлагаемое устройство, содержит тороидальную камеру 6 и окружающие ее магнитные катушки 7.

Устройство работает следующим образом.

Инжектор рабочего металла 1 создает регулируемый поток рабочего металла в плазму. Максимальные потоки используются для первоначального создания слоя жидкого рабочего металла на поверхности первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. Нижняя граница величины потока должна надежно обеспечивать поддержание слоя жидкого рабочего металла на поверхности первой стенки тороидальной камеры 6 реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы в рабочих режимах синтеза дейтерия и трития. Скорость инжектируемых частиц рабочего металла должна обеспечивать их проникновение за сепаратрису внутрь замкнутых магнитных поверхностей (область, показанная серым цветом на фиг. 1 и фиг. 2). Инжектируемый рабочий металл испаряется, ионизуется и равномерно распределяется внутри плазмы 2 по магнитным поверхностям за счет интенсивных продольных потоков. За счет переноса компонент плазмы поперек магнитного поля ионы рабочего металла достигают периферии и, нейтрализуясь, покрывают стенки тороидальной камеры 6 реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. Предпочтительным рабочим металлом для защиты первой стенки является литий как металл с наименьшим зарядом ядра и достаточно высокой температурой кипения. Для обеспечения работы устройства температуру стенки реактора поддерживают на уровне более 181 градуса Цельсия, которая соответствует жидкому состоянию лития. Температура не должна превышать значения 400 градусов Цельсия, при котором начинается активное испарение лития. За счет силы тяжести жидкий рабочий металл стекает в нижнюю часть тороидальной камеры 6 реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и поступает в систему сбора 3. Поскольку рабочий металл может быть загрязнен продуктами термоядерной реакции (гелием), необходима система очистки 4. Для обеспечения стационарной работы очищенный рабочий металл с помощью системы подачи 5 подается в инжектор 1.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на практике в многочисленных вариантах конструкции и размещения системы ввода рабочего металла в тороидальную камеру 6, системы сбора рабочего металла в жидком состоянии из тороидальной камеры 6.

Возможные применения предлагаемого устройства включают, например, следующие, перечисленные ниже, варианты.

Инжектор, выполненный в виде ускорителя макрочастиц рабочего металла размером 1-3 мм со скоростями 0,1-1 км/с.

Инжектор пылевой струи с размерами частиц рабочего металла 30-50 мкм и скоростями 10-50 м/с.

Инжектор, основанный на лазерном распылении частиц рабочего металла размером 10-100 мкм, достигаемые скорости 10-100 м/с.

Возможно устройство, когда используется несколько систем ввода жидкого металла в указанную тороидальную камеру, разнесенных по полоидальному углу.

Возможно устройство, когда используется несколько систем ввода жидкого металла в указанную тороидальную камеру, разнесенных по тороидальному углу.

Предлагаемое устройство отличается простотой конструкции, имеет малое энергопотребление и может быть легко размещено в рабочей зоне термоядерного реактора. Использование в устройстве небольшого количества рабочего металла обеспечивает высокие характеристики безопасности.

1. Устройство для защиты от эрозии первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, имеющего тороидальную камеру с внутренней стенкой и магнитные катушки, окружающие указанную тороидальную камеру, содержащее систему ввода рабочего металла в плазму, систему сбора рабочего металла в жидком состоянии из указанной тороидальной камеры, систему очистки рабочего металла в жидком состоянии и систему подачи рабочего металла в систему ввода, отличающееся тем, что система ввода выполнена в виде инжектора рабочего металла в жидком и/или в твердом состоянии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве рабочего металла используется литий.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инжектор рабочего металла выполнен в виде ускорителя макрочастиц.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инжектор рабочего металла выполнен в виде инжектора пылевой струи.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в инжекторе рабочего металла применяют лазерное распыление рабочего металла.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит несколько систем ввода рабочего металла в указанную тороидальную камеру, разнесенных по полоидальному углу.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит несколько систем ввода рабочего металла в указанную тороидальную камеру, разнесенных по тороидальному углу.