Камера реактора инерционного термоядерного синтеза

Динамический способ защиты и камера реактора инерционного термоядерного синтеза.

Полезная модель относится к термоядерной энергетике, и может быть использована для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа.

Камера реактора инерционного термоядерного синтеза содержащая защиту реактора, бланкет, драйвер и инжектор мишеней, причем защита реактора выполнена в виде слоя теплоносителя с возможностью инжектирования в него мишени и инициации мишени излучением от драйвера.

Камера реактора инерционного термоядерного синтеза.

Область техники

Полезная модель относится к термоядерной энергетике, и может быть использована для создания безопасной ядерной электроэнергетики нового типа.

Предшествующий уровень техники

Известны экспериментальные реакторы инерционного типа (Басов Н.Г. "Состояние, перспективы и проблемы Л.Т.С. в энергетике будущего", Природа, 1978 г., N6). В этих реакторах термоядерный синтез происходит в небольшом характерном объеме (100 мкм), при плотности 10²⁵ ядер реагента в 1 см³. Реакция протекает за время 10 ^-10 с. В результате происходит микротермоядерный взрыв с энерговыделением порядка 10⁸ Дж. Энергию микротермоядерного взрыва можно преобразовать в электрическую.

Известен также проект реактора HYLIFE-11, согласно которому камера реактора имеет диаметр 8 метров и высоту 20 метров. Для поглощения энергии взрыва используется жидкая завеса из расплавленной соли Li₂BeF₄, окружающая область, куда вбрасываются мишени. Жидкая завеса служит также для смывания остатков мишеней и демпфирования давления взрывов, сила которых эквивалентна 20-200 кг в тротиловом эквиваленте. Расход жидкого теплоносителя составляет 50 м³ /с. Предусмотрена жидкая шторка, открывающаяся синхронизировано с подачей мишени с частотой около 5 Гц для пропускания пучка тяжелых ионов. Точность подачи мишени составляет доли миллиметра. Известен также проект реактора для инерциального термоядерного синтеза на тяжелых ионах имеющий коаксиально-цилиндрическую конструкцию. С целью обеспечения достаточно быстрой конденсации паров область камеры разделена на две части: первая - относительно небольшая, в которой происходит собственно микровзрыв (взрывная секция), и объемный поддон, в котором ионизованный пар конденсируется на распыляемых струях теплоносителя (1-Ядерный синтез с инерционным удержанием.

Современное состояние и перспективы для энергетики. - под редакцией Шаркова Б.Ю. Москва. Физматлит. 2005. - С.264.).

Среди методов защиты первой стенки рассматриваются два подхода: покрытие пористой поверхности стенки жидкой пленкой теплоносителя и струйный жидкий бланкет, внутри которого создается динамическая полость для организации микровзрыва. Известны конструкции реакторов со смоченной первой стенкой. В данном типе реакторов используется защита первой стенки жидкой пленкой теплоносителя. Защитная пленка создается на пористой поверхности первой стенки за счет перепада давления в подводящих каналах и полости камеры реактора. Выделение энергии нейтронов происходит в бланкете с проточным теплоносителем. Пленочная защита рассматривалась в проектах реакторов ИТИС ГНЦ РФ ИТЭФ, HIBALL-II, LIBRA (1).

Пленочная защита на жесткой пористой стенке используется в проекте PROMETHEUS-H. Первая стенка выполнена из SiC, жидкая пленка - свинец. Полость камеры имеет цилиндрическую геометрию с полусферическими верхом и низом. Бланкет имеет модульную конструкцию, охлаждаемую гелием (1).

В проекте HYLIFE-II бланкетом служит динамические струйные структуры, образующие объем жидкости с внутренней полостью. Стенки жидкого объема имеют толщину, достаточную для поглощения нейтронов. В полости отсутствуют микрокапли, препятствующие транспорту пучка к центру полости, где происходит микровзрыв мишени. Проблемами являются - защита большого количества сопел и динамике образования полости из множества нестационарных струй. Недостатком реактора с жидким бланкетом является малый перепад температур теплоносителя и, соответственно, большой расход теплоносителя в реакторе (1).

Камера реактора HIBALL-II имеет цилиндрическую геометрию (см. рис.4.3). Цилиндрическая часть бланкета образована из отдельных трубок с теплоносителем. Трубки изготовлены из пористого материала на основе SiC. Теплоноситель - эвтектика Li₁₇ Рb₈₃ выдавливается на поверхность камеры, где образует жидкую пленку. Смоченная

поверхность труб имеет большую площадь, что способствует конденсации паров испарившейся в результате микровзрыва части пленки. Стекающий по стенкам теплоноситель собирается на дне цилиндрической камеры, образуя жидкий бланкет. Существенно проблематичным является конструктивное оформление бланкета в верхней крышке цилиндрической камеры. Здесь первая стенка изготовлена из пористого материала SiC, образующего радиальные фалды на конической поверхности крышки камеры. Несущая часть бланкета имеет коробчатую конструкцию с протоком теплоносителя (1).

Наиболее близким техническим решением является реактор ИТИС для инерциального термоядерного синтеза содержащий бланкет, представляющий собой систему нескольких вертикальных коаксиальных круговых цилиндров высотой 6 м. Радиус внутреннего цилиндра (собственно камеры) составляет 3 м, внешний радиус бланкета - 3,5 м. Первая стенка представляет собой пористую керамическую структуру SiC, через которую просачивается теплоноситель, образуя жидкую защитную пленку камеры. Каналы, по которым течет теплоноситель, выполнены из ванадиевого сплава. Реактор ИТС представляет собой прочную стальную камеру, окруженную бетонной радиационной защитой и содержащую на своей внутренней поверхности систему утилизации тепла термоядерного микровзрыва - бланкет.Стенки реактора имеют необходимое число отверстий для инжекции мишеней, ввода пучков, откачки газов, ввода и вывода теплоносителя (Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики - под редакцией Шаркова Б.Ю. Москва. Физматлит.2005. -С.264.). Недостатками известных технических решений являются:

- Сложность и нетехнологичность конструкции;

- Низкая надежность и ресурс работы;

- Сложность организации подачи теплоносителя в камеру;

- Сложная эксплуатация;

- Энергоемкость процесса;

- Невозможность регулирования в широких пределах параметров защиты;

- Воздействие энергии микровзрыва на систему подачи теплоносителя в камеру реактора;

- Большая масса и габариты.

Раскрытие полезной модели

Целью полезной модели является создание надежного реактора для инерциального термоядерного синтеза. Техническое решение позволяет упростить конструкцию и улучшить эксплуатационные и энергетические характеристики реактора, а также дает возможность достичь высокой технологичности. Техническое решение дает также возможность в широких пределах регулировать параметры динамической защиты, а также надежно защитить выходные устройства - инжектора, сопла мишеней и ускорителей и т.п.

Краткое описание фигур чертежей

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид реактора, на фиг.2-5 показана динамика работы реактора.

Описание

Камера реактора для осуществления инерционного термоядерного синтеза содержит стенку реактора 1 (Фиг.1), бланкет (система утилизации тепла термоядерного микровзрыва) 2, драйвер 3, ускоритель мишеней (инжектор) 4 и мишень 5, насосы 6. Теплоноситель 7 подается и удаляется в камеру реактора при помощи насосов 6. Теплоноситель 7 представляет собой, например жидкометаллическую эвтектику Pb₈₃Li ₁₇. Камера может быть соединена с вакуумным насосом (на рисунке не изображен). Драйвер может быть выполнен легко- или тяжелойонным, электронным или лазерным с системой фокусировки. Камера реактора связана с теплообменником (на рисунке не изображен) трубопроводами 8.

Варианты осуществления полезной модели

В соответствии с общей схемой инерционного термоядерного синтеза, DT-топливо помещается в мишень 5 (Фиг.1), при помощи инжектора 4 мишень 5 катапультируется в камеру реактора. При помощи насосов 6

жидкий теплоноситель 7 подается в камеру реактора. Мишень 5 подлетает к поверхности теплоносителя 7 (Фиг.2) и входит в нее (Фиг.3). При вхождении мишени 5 в слой теплоносителя 7 образуется воронка, расположенная в донной части мишени 5. Воронка с течением времени смыкается.

Мишени 5 может быть придана гидродинамическая форма для осуществления гнобходимых характеристик образования воронки. При попадании мишени 5 в теплоноситель производят инициирование вещества мишени при помощи драйвера 3, например тяжелоионном излучением (Фиг.4). Мишень 5 подвергается сжатию до колоссальных плотностей. В момент наибольшего сжатия достигаются необходимые условия по плотности и температуре вещества начинает идти ядерная реакция синтеза с выделением энергии в виде нейтронов и -частиц. В этот момент происходит микровзрыв (Фиг.5).

Жидкий теплоноситель поглощает сверхмощные потоки энергии рентгеновского излучения и ионов материала мишени 5. Теплоноситель 7 частично испаряется и нагревается и поступает к теплообменнику по трубопроводам 8 при помощи насосов 6. В дальнейшем процесс повторяется.

В случае необходимости путем регулирования режима подачи организуется слой теплоносителя 7 необходимой толщины. Мишень 5 в момент микровзрыва окружена слоем теплоносителя 7, что позволяет снизить ударные нагрузки на стенки камеры реактора 1 и существенно упростить конструкцию реактора. Одной из главных проблем при инерционном термоядерном синтезе является точное позиционирование мишени 5 в камере реактора. Для обеспечения точности мишень 5 скрепляют со стержнем (на рисунке не изображен), который инжектируют в камеру реактора, а затем фиксируют в требуемом положении. Стержень может быть выполнен с полостью (на рисунке не показана), сквозь которою излучение от драйвера попадает в мишень 5. Стержень может быть выполнен из того же материала, что и теплоноситель, но в твердом состоянии.

Лазерные, электронные и ионные драйверы практически в равной мере совместимы со всеми типами бланкета и способами защиты первой стенки.

Достоинства заявляемого технического решения заключаются в создании оптимальных условий функционирования, наилучшим образом удовлетворяющих условиям работы камер реакторов инерционного термоядерного синтеза.

1. Камера реактора инерционного термоядерного синтеза, содержащая защиту реактора, бланкет, драйвер и инжектор мишеней, причем камера реактора связана с теплообменником, отличающаяся тем, что защита реактора выполнена в виде слоя теплоносителя с возможностью инжектирования в него мишени и инициации мишени излучением от драйвера.

2. Камера реактора инерционного термоядерного синтеза по п.1, отличающаяся тем, что драйверы расположены под углом, большим чем 70 градусов по отношению траектории полета мишени.

3. Камера реактора инерционного термоядерного синтеза по п.1, отличающаяся тем, что мишень скреплена со стержнем.

4. Камера реактора инерционного термоядерного синтеза по п.1, отличающаяся тем, что мишень скреплена с полым стрежнем с возможностью посылки импульса энергии от драйвера до мишени через полость.

5. Камера реактора инерционного термоядерного синтеза по п.1, отличающаяся тем, что бланкет расположен за защитной стенкой и выполнен в виде трубок, по которым протекает теплоноситель.