Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 10

Это условие выполняется при:Данная методика применима не только для рельсовых лимитеров. Легко видеть,что основной подход основан на том, что мы нашли плотность тепловогопотока на бесконечно малую площадку dS, а потом проинтегрировали этувеличину по площади поверхности лимитера. Соответственно, и дляполоидальных, и для тороидальных лимитеров, а также для комбинацийосновных видов подход будет тем же. Различия будут лишь в выражении Δ (x1,x2).3.5.

Кольцевой лимитер Т-11МВ целях проверки предположения о роли вторичных лимитеров в сбореэмитированного лития был спроектирован и изготовлен кольцевой лимитер. Он65размещается в тени рельсового «вольфрам-литиевого» лимитера и повёрнут на90 относительно плазменного тора. Лимитер пересекает все магнитныеповерхности с а= 0,24 до 0,21 м (а — расстояние от центра плазмы). При такойконфигурации лимитеров можно осуществить принцип литиевого эмиттераколлектора, в котором в роли эмиттера выступает рельсовый вольфрамлитиевый лимитер, а в роли коллектора — размещённый в его тени кольцевой.На Рисунке 3.9 приведена схема такой конфигурации. На Рисунке 3.10 показаноразмещение кольцевого лимитера в камере токамака Т-11М относительноплазмы, SOL и силовых линий магнитного поля. Основные техническиехарактеристики кольцевого лимитера, закладываемые при проектировании,сведены в Таблице 4.221Рисунок 3.9.

Схема реализацииРисунок 3.10. Размещение кольцевогопринципалимитералитиевогоэмиттера-вкамеретокамакаколлектора с помощью кольцевогоотносительно плазменного шнура: 1 –и горизонтального лимитеров: 1 –кольцевойэмиттер лития, 2 – коллектор литияплазмы, 3 – граница поверхности,лимитер,2–границаотстоящая на λ от границы плазмы, 4 –траекториизаряженныхчастицсиловые линии магнитного поляи66Таблица 4.Основные характеристики кольцевого лимитераПараметрВеличинаИсходная/рабочая температура собирающей поверхности, oC≥20/≤550Количество собирающих элементов, шт.36Максимальная площадь собирающей поверхности, см2~1400Проходное сечение антенного патрубка (Ш×В), мм120×480Внутренний диаметр собирающей поверхности, мм420Внешний диаметр собирающей поверхности, мм478Ширина лимитера, мм892341Рисунок 3.11.

Устройство кольцевого лимитера: 1 – элементы каркаса, 2 –собирающая поверхность, 3 – электроизолирующая проставка, 4 – элементыкрепленияСпроектированное устройство представлено на Рисунке 3.11. Лимитерявляется полоидальным и представляет собой кольцевой каркас, обтянутыйсобирающими элементами из капиллярно-пористой структуры. Основным67конструкционным материалом кольцевой диафрагмы является нержавеющаясталь аустенитного класса типа Х18Н10Т.Для изготовления собирающих элементов лимитера была выбрана сеткаиз нержавеющей стали 03Х19Н11ВИ с эффективным радиусом пор 30 мкм(Рисунок 3.3).

Для предотвращения протекания токов Фуко предусмотренаэлектрическая развязка, которая «разрывает» кольцевой контур. Основнымэлектроизолирующим материалом выбрана керамика. Керамические шайбыбыли установлены так, чтобы минимизировать вероятность попадания на нихлития.3.5.1. Тепловой расчёт кольцевого лимитераДанное устройство в токамаке выполняет роль коллектора лития, поэтомуэффективность его работы тем выше, чем ниже температура его поверхности. Всвязи с этим кольцевому лимитеру не требуется начальный нагрев дотемпературы плавления лития и расчёт начального теплового состояния ненужен. Проведём расчёт теплового состояния лимитера при его взаимодействиис плазмой. Как уже говорилось выше, данный лимитер будет работать в паре сгоризонтальнымрельсовымлитиевымлимитером.Последнийимеетвозможность радиального перемещения относительно центра плазмы вдиапазоне 0,180…0,210 м, следовательно, кольцевой лимитер будет всегданаходиться в его тени.

Расчёт проводился для штатного положения рельсовоголимитера (Rpl = 0,180 м) в среде MathCad.Исходные данные для расчёта:Внутренний радиус кольцевого лимитера r1, м …………………………..0,210Внешний радиус кольцевого лимитера r2, м………………………………0,240Тороидальный радиус плазмы RTor, м……………………………………..0,700Радиус плазмы Rpl, м………………………………………………………..0,18068Характерная длина уменьшения теплового потока λ, м………………….0,020Полная мощность разряда в омическом режиме Pразр, Вт………...…….105Угол наклона собирающей пов-ти к потоку частиц α……………………33ºДлительность плазменного импульса tpl, c………………………………..0,200Объёмная доля лития в КПС εLi……………………………………………0,35Запас устойчивости токамака q…………………………………………….2,9Теплофизические параметры материала основы КПС (сталь 03Х19Н11ВИ):Плотность ρss, кг/м3 ……………………………..………………………….7895Теплопроводность λss, Вт/(м·К)……………………………………………16,5Теплоёмкость cpss, Дж/ (кг·К)………………………………………………520Теплофизические параметры лития:Плотность ρLi, кг/м3 ………………………………………………………….535Теплопроводность λLi, Вт/(м·К)……………………………………………..84,8Теплоёмкость cpLi, Дж/ (кг·К)………………………………………………..

3570Расчёт:Введём координаты, характеризующие положение точки на приёмнойповерхности лимитера. Для данной геометрии это: r — расстояние от центраоси плазмы до точки и угол φ — полоидальный угол плазмы. Подробнаярасчётная схема представлена на Рисунке 3.12.Рассчитаем мощности от излучения плазмы и от частиц в SOL поформулам (3.13):Принимая во внимание допущение №2 и, используя формулу (3.12),определим угол θ:69абРисунок 3.12. Расчётная схема: а — общий вид конфигурации лимитеров, Hлимитер — горизонтальный, R-лимитер — кольцевой; б — сечение А-АСоставим выражения для тороидальной, полоидальной и радиальнойсоставляющей плотности потока мощности по методике, описанной выше.Плотность потока от излучения плазмы (радиальная составляющая):()Тороидальная составляющая плотности теплового потока от частиц в SOL:()()Полоидальная составляющая плотности теплового потока от частиц вSOL будет равняться нулю, так как легко видеть, что в любой точке онанаправлена по касательной к поверхности:Для данной геометрии Δ принимает вид:Согласно выражениям (3.23) распределение плотности мощности поповерхности лимитера:70Из (3.24) получаем выражение для полной мощности:∫∫Согласно выражению (3.25) скачок температуры за время разряда:√√√√Учитывая, что КПС является композитным материалом, состоящим изпропитаннойлитиемстальнойсетки,определиминтегральныетеплофизические свойства КПС (плотность, теплопроводность и теплоёмкость)по формулам (3.6) – (3.8):Из выражения (3.26) рассчитаем полную площадь приёмной поверхности:∫∫Площадь эмиттерной зоны лимитера в зависимости от радиуса плазмы извыражения (3.27):∫∫()Площадь коллекторной зоны по формуле (3.28):Соотношение площадей эмиттерной и коллекторных зон:71Полученный результат говорит, что лимитер не имеет эмиттерной зоны,то есть работает в штатном режиме как коллектор лития, что и закладывалосьпри проектировании.Характерная глубина проникновения тепловой энергии по формуле(3.29):√Для проверки выполнения условия функционирования лимитера потемпературевычислимувеличениетемпературызаразрядвсамойтеплонапряжённой точке (r=0,210 м, электронная сторона):На Рисунке 3.13 показано распределение поверхностной плотноститеплового потока на принимающую поверхность лимитера и увеличениетемпературы в зависимости от расстояния до центра плазмы, на Рисунке 3.14 —динамика изменения поверхностной температуры самой теплонапряжённойточки и распространения тепловой энергии вглубь материала.

Все полученныерезультаты сведены в Таблице 5.Выводы: скачок температуры за время плазменного импульса в самойтеплонапряжённой точке составляет 8,7ºС, что является малым значением длязаданного диапазона температур (от 20ºС до 550ºС). Полученная величинатолщины проникновения тепловой энергии (0,9 мм) меньше толщины КПС (1мм), что позволяет использовать допущение полубесконечной среды прирасчёте температурного поля.

При заданном значении радиуса плазмы(Rpl=0,180 м) эмиттерной зоны лимитер не имеет, то есть он всецело выполняетроль коллектора.Изготовленное устройство показано на Рисунке 3.15, перед установкой натокамак Т-11М — на Рисунке 3.16.72Таблица 5.Результаты теплового расчёта кольцевого лимитераВеличинаЗначениеМощность, приходящая на лимитер, Вт1,75·104Площадь приёмной поверхности, м21,56·10-1Площадь эмиттерной зоны, м20Площадь коллекторной зоны, м21,56·10-1Отношение площадей эмиттерной и коллекторной зонУвеличение температуры за разряд в самой теплонапряжённой08,9точке лимитера, ºС8,8·10-4Глубина проникновения тепловой энергии, мРисунок 3.13. Распределение поверхностной плотности теплового потока напринимающуюповерхностьлимитераповерхности КПС за время разрядаиувеличениетемпературы73Рисунок 3.14.

Увеличение температуры поверхности КПС в течение разряда всамой теплонапряжённой точке лимитера и глубина проникновения тепловойэнергииСобирающие элементыРисунок3.15.кольцевой лимитерИзготовленныйРисунок 3.16. Установка кольцевоголимитера на токамак Т-11М743.6. Вертикальный лимитер Т-11МВ процессе экспериментов с кольцевым лимитером стал очевиден егоглавныйнедостаток—длятранспортировкисобранноголитияи,соответственно, замыкания литиевой петли необходимо провести сложнуюпроцедуру его извлечения с последующей рекуперацией и возвращения вэмиттер.При этом необходимо разгерметизировать вакуумную камерутокамака, что надолго выводит установку из работы.

Разумеется, в будущихстационарных токамаках-реакторах это недопустимо. Эти обстоятельстваподтолкнули к поиску более технологичного решения транспортировки лития.После проработки всех решений были отобраны два варианта:1) Организация бадминтонной модели транспортировки лития (рисунок1.13б), в которой имеются два идентичных или почти идентичныхлитиевыхлимитерасвозможностьюменятьсвоёположениеотносительно центра плазмы от разряда к разряду. Таким образом,лимитеры попеременно выступают в роли то эмиттера, то коллекторалития.2) Создание протяжённого лимитера, центральная часть которогосоприкасается с горячей плазмой и выступает в роли эмиттера лития, ахолодные концы выступают в роли коллектора. Транспортнойсистемой в таком лимитере может выступать КПС.Очевидно, что создание протяжённого литиевого лимитера отвечаетобоим вариантам решения проблемы.

Проблемой, ставшей на пути реализациипроекта, стал выбор местоположения лимитера в камере. Нижние патрубкибыли слишком малы для нового лимитера, так как их проходное сечениепозволяло установить только рельсовый лимитер, размер которого неудовлетворял концепции литиевого эмиттера-коллектора. После тщательногоанализа возможных мест выбор был остановлен на антенном патрубке, где былустановлен кольцевой лимитер. Размеры патрубка позволяли изготовить75лимитер протяжённостью до 400 мм, однако лимитер должен был бытьвертикальным, что на этапе проектирования вызвало опасения относительноудержания лития КПС.

На Рисунке 3.17 показано размещение вертикальноголимитера в камере токамака Т-11М относительно плазмы и силовых линиймагнитного поля. Как можно видеть на Рисунке 3.17 концы приёмнойповерхностидалекоотстоятотплазмытокамака.НаРисунке3.18проиллюстрирована реализация концепции литиевого эмиттера-коллектора спомощьюлимитеравертикальногоисполнения.Основныетехническиехарактеристики вертикального лимитера сведены в Таблицу 6.Рисунок3.17.РазмещениекольцевогоРисунок3.18.Реализациялимитера в камере токамака относительноконцепции литиевого эмиттера-плазменного шнура: 1 – вертикальныйколлекторалимитер, 2 – граница плазмы, 3 – границавертикального лимитера: 1 –поверхности, отстоящая на λ от границызонаплазмы, 4 – траектории заряженных частицколлектора, 3 – потоки лития ви силовые линии магнитного поляплазме, 4 – потки лития в КПСсэмиттера,помощью2–зона76Таблица 6.Основные характеристики вертикального лимитераПараметрТемпературный диапазон работы устройства, oCВеличина200 – 550Длина приёмной поверхности, мм.320Диаметр литиевой приемной поверхности, мм27Площадь поверхности взаимодействия с плазмой, см2~ 150Максимальная площадь открытой литиевой поверхности , см2~ 270Количество точек термометрирования3Минимальный запас лития, г30Ход лимитера по малому радиусу токамака, мм0 – 40Основной компонент лимитера — литиевый приёмный элемент (Рисунок3.19а, б).