Приемный элемент лимитера реактора-токамака
Предлагаемая полезная модель относится к термоядерной энергетике, в частности, к лимитерным устройствам токамаков без дивертора, предназначенным для защиты стенок разрядной камеры от чрезмерно интенсивного взаимодействия с плазмой и снятия высоких тепловых нагрузок, выносимых потоком плазмы. Приемный элемент лимитера, содержащий капиллярно-пористый мат из металлических волокон, укрепленный непосредственно на сплошной стенке тракта теплоносителя реактора, тракт подачи лития, связывающий гидравлически с помощью транспортной капиллярной системы мат приемной поверхности непосредственно с внешней питающей емкостью с литием, а также устройство для поддержания и регулирования температуры, размещенное коаксиально в канале тракта подачи теплоносителя реактора. Ил. 1.
Предлагаемая полезная модель относится к термоядерной энергетике, в частности, к лимитерным устройствам токамаков без дивертора, предназначенным для защиты стенок разрядной камеры от чрезмерно интенсивного взаимодействия с плазмой и снятия высоких тепловых нагрузок, выносимых потоком плазмы.
Известны кольцевой и «рельсовый» лимитеры, в которых поток энергии, приходящий из плазмы во время разряда воспринимается взаимодействующими непосредственно с ним приемными элементами из твердых тугоплавких материалов (бериллий, графит, вольфрам и т.д.). Высокие температуры на поверхности приемного элемента приводят к его оплавлению. Вследствие возникающего высокого градиента температуры твердый материал приемного элемента испытывает большие термические напряжения и разрушается. Эрозия и распыление под действием потока частиц из плазмы и возникающих в процессе разряда униполярных дуг приводит к загрязнению плазмы примесями с высоким зарядовым числом. Таким образом, высокие удельные тепловые нагрузки в современных токамаках приводят для таких конструкций к быстрому разрушению твердых приемных элементов лимитера, частой их замене и неизбежному загрязнению плазмы токамака примесями с высокими зарядовыми значениями, что отрицательно сказывается на параметрах плазменного разряда. Обеспечение длительной работы таких приемных элементов лимитера и соответствующих ограничений по поступлению загрязняющих плазму примесей требует увеличения площади контакта приемных элементов с плазмой и, как следствие, размеров лимитера (Мирнов СВ. Физические процессы в плазме токамака. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.184.).
Наиболее близким по техническому решению является жидкометаллический литиевый лимитер реактора - токамака. В приемном элементе лимитера, содержащем обращенную к плазме приемную поверхность, эта поверхность выполнена из капиллярно-пористых матов на основе металлических волокон, укрепленных на перфорированной стенке тракта подачи лития, соединенного с заполненной жидким литием внешней питающей емкостью с помощью транспортной капиллярной системы, при этом для регулирования и поддержания температуры элемента во внутренней полости тракта подачи лития установлено устройство для прокачки теплоносителя. (Патент №10486, G21В 1/00. прототип).
Такое конструктивное решение позволяет избежать прямого контакта плазменного потока с поверхностью материалов с высокими значениями зарядового числа, благодаря чему не происходит загрязнения плазмы, увеличивает срок службы приемного элемента за счет отсутствия его разрушения и расплавления. Недостатками такого решения является то, что при высоких тепловых потоках (до 10 МВт/м2 ) система охлаждения, действующая в лимитере такой конструкции, не справляется и допускает нагрев поверхности литиевой капиллярно-пористой структуры до температуры выше 550°С. При такой температуре поток лития в плазму становится настолько высоким, что нарушает стабильность плазменного разряда и работоспособность самого приемного элемента.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу ограничения максимальной рабочей температуры приемной поверхности лимитера, повышения рабочих характеристик надежности и долговечности работы приемного элемента лимитера токамака в условиях его стационарного функционирования.
Поставленная техническая задача решается тем, что в приемном элементе лимитера реактора - токамака, содержащем приемную поверхность, выполненную из капиллярно-пористых матов на основе металлических волокон и обращенную к плазме, эта поверхность непосредственно соединена с заполненной жидким литием внешней питающей емкостью с помощью транспортной капиллярной системы и крепится непосредственно на стенке тракта теплоносителя лимитера реактора - токамака.
Такое выполнение приемного элемента реактора - токамака позволяет решить поставленную задачу за счет того, что исключение промежуточного между приемной поверхностью и теплоносителем конструктивного элемента позволяет снизить термическое сопротивление в конструкции приемного элемента лимитера реактора - токамака и, тем самым, позволяет поддерживать температуру его приемной поверхности на необходимом уровне.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Приемный элемент лимитера содержит капиллярно-пористый мат 1 из металлических волокон, укрепленный непосредственно на сплошной стенке 2 тракта теплоносителя реактора, тракт подачи лития, связывающий гидравлически с помощью транспортной капиллярной системы 3 капиллярно-пористый мат 1 приемной поверхности непосредственно с внешней питающей емкостью с литием 4, устройство
поддержания и регулирования температуры 5, размещенное аксиально в канале тракта подачи теплоносителя реактора.
Приемный элемент лимитера работает следующим образом. Предварительно разогретый литий из внешней питающей емкости 4 поступает под действием капиллярных сил по транспортной капиллярной системе 3 непосредственно в капиллярно-пористый мат 1 на поверхности приемного элемента и смачивает его. На поверхности капиллярно-пористого мата образуется и удерживается капиллярными силами пленка лития, которая непосредственно контактирует с плазмой в процессе разряда в токамаке. Тепловой поток из плазмы отводится за счет теплопроводности к устройству поддержания температуры 5 и за счет испарения лития с поверхности. Испарение лития с поверхности постоянно компенсируется его поступлением под действием капиллярных сил из внешней питающей емкости. Температурный режим приемного элемента во время разряда поддерживается с помощью устройства поддержания и регулирования температуры 5, которое благодаря исключению промежуточного тракта подачи лития между капиллярно-пористым матом 1 и стенкой тракта теплоносителя охлаждения 2 обеспечивает эффективный отвод тепла, поступающего из плазмы на приемную поверхность лимитера. Расчеты показывают, что при использовании в качестве материала капиллярно-пористого мата металла с высокой теплопроводностью, например вольфрама или молибдена, толщиной 0,5-2 мм, использовании аналогичных материалов для стенки канала теплоносителя, толщиной в тех же пределах возможно поддержание температуры литиевой поверхности в условиях стационарного подвода теплового потока 10 МВт/м2 не выше 550°С в случае применения эффективных теплоносителей, например воды или легкоплавких щелочных металлов необходимых тепловых параметров.
Приемный элемент лимитера реактора-токамака, содержащий приемную поверхность, обращенную к плазме, выполненную из капиллярно-пористых матов на основе металлических волокон и непосредственно соединенную с заполненной жидким литием внешней питающей емкостью с помощью транспортной капиллярной системы, отличающийся тем, что приемная поверхность крепится непосредственно на стенке тракта теплоносителя реактора.
