Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 11

Литиевая поверхность приемного элемента лимитера имеетцилиндрическую форму и создается путем установки КПС на поверхностьопорной трубы. Опорная труба аксиально вставлена в ёмкость подачи лития.КПС имеет гидравлический контакт с литием, находящимся в питающейёмкости. В процессе работы капиллярные силы поднимают литий вверх поКПС и восполняют его потери. Во внутренней полости опорной трубырасполагаются электрический нагреватель и термоэлектрические датчикиконтроля температуры [64, 65].В процессе работы лимитера литиевая поверхность нагревается, ипоэтому возникает необходимость эффективного отвода тепла от неё.

Учитываяимпульсный характер разряда и мощность, приходящую на лимитер, в качествемеханизма теплоотвода был выбран механизм теплопроводности.Дляобеспечения теплоотвода за счёт механизма теплопроводности предусмотрентепловой аккумулятор в виде молибденовой проволоки, намотанной наопорную трубу (Рисунок 3.19в). Для дополнительной транспортировки литиявдоль опорной трубы на поверхность опорной трубы нанесены транспортные77каналы в виде винтовой канавки.

В качестве материала внешнего слоякапиллярно-пористойсистемылимитера,располагающегосянатеплоаккумуляторе, выбрана сетка из нержавеющей стали 03Х19Н11ВИ сэффективным радиусом пор 30 мкм (Рисунок 3.3). В целях предотвращенияпротекания токов Фуко предусмотрена электрическая развязка, котораяизолирует приёмный элемент от рамы.

Основным электроизолирующимматериалом выбрана керамика. Керамические шайбы установлены так, чтобыминимизировать вероятность попадания на них лития. Электрическийнагреватель лимитера представляет собой проволоку из сплава ВР-20,продетую через керамические изоляторы и закреплённую на трубе, котораявставляется внутрь опорной трубы.вабРисунок 3.19. Литиевый приёмный элемент: а – общий вид, б –устройство, в – транспортные каналы и тепловой аккумулятор. На Рисунке3.19б: 1 – пористый мат из КПС, 2 – опорная труба, 3 – бак подачи лития, 4 –электрический цепи нагревателя и термопар78Во избежание воздействия атмосферы на литий, находящийся в КПС, вовремя транспортировки лимитера предусмотрен специальный защитный экран,плотно установленный на литиевую поверхность лимитера (т.е. припаянжидким литием во время термообработки).

После установки лимитера ввакуумную камеру токамака и её откачки экран снимается с помощьюспециального устройства.3.6.1. Тепловой расчёт вертикального лимитераКак отмечалось выше, тепловое состояние лимитера один из главныхкритериев его работоспособности. В отличие от кольцевого лимитера, которыйвыступает исключительно в роли коллектора лития, вертикальный лимитервыступает в роли и коллектора и эмиттера. Этим обуславливается нижнийтемпературный предел работоспособности устройства (200ºС): для получениясамовосстанавливающейся поверхности литий должен быть в жидкой фазе,температура плавления лития Тпл=180,6ºС.

Температура 200ºС обеспечиваетсявстроенным электрическим нагревателем. Тепловой расчёт будем проводить вдва этапа: расчёт начального теплового состояния и расчёт теплового состояниялимитера при его взаимодействии с плазмой. Основная методика тепловогоописана выше.3.6.1.1. Расчёт начального теплового состояния лимитераНачальноетепловоесостояние лимитераустройства непосредственно перед плазменным—тепловоеимпульсом.состояниеРаспределениетемператур в этом случае должно быть таковым, чтобы обеспечить нахождениелития в жидкой фазе в любой точке лимитера. Данное условие выполняетсяблагодаря наличию электрического нагревателя, находящегося внутри опорнойтрубы.

Цель данного расчёта — определить минимальную тепловую мощность79нагревателя, при которой выполняется это условие. Расчёт будет проводиться всистеме CosmosFlowWorks методом конечных элементов. Задание тепловогораспределения в данной системе представляется затруднительным, поэтомубудем проводить расчёт итерационным методом, задавая величину мощностинагревателя P, начиная с 50 Вт с шагом 10 Вт, до тех пор, пока не будетполучено необходимое температурное распределение. Расчётная модельпоказана на Рисунке 3.20. Исходными данными для проведения расчётаабРисунок 3.20. Схема теплового расчётаРисунок3.21.Начальноеначального состояния: а – общий вид, б –тепловое состояние лимитерапоперечное сечениепри P= 80 Вт80являются геометрия устройства, теплофизические характеристики материаловлимитера и предполагаемая мощность нагревателя.

Охлаждение в данноймодели осуществляется излучением (ε=0,2) и теплопроводностью (торцовыеповерхности кронштейнов играют роль тепловых стоков с постояннойтемпературойT=293°К).Необходимоераспределениетемпературыснекоторым запасом по минимальной температуре было получено при P=80 Вт.Результаты расчёта представлены на Рисунке 3.21. Видно, что минимальнаятемпература лития в баке T530ºК, что на 50º выше его температурыплавления.

Максимальная температура литиевой поверхности: Т  630ºК =357ºС < 550ºC, что удовлетворяет условиям работы устройства. Следовательно,нагреватель мощностью 80 Вт обеспечивает требуемое тепловое состояниеустройства.3.6.1.2. Расчёт теплового состояния лимитера при его взаимодействиис плазмойИсходные данные для расчёта:Радиус плазмы Rpl, м ……………………………...……….……….……0,180Тороидальный радиус плазмы RTor………………….……………..……0,700Характерная длина уменьшения теплового потока λ, м…....................0,020Полная мощность разряда в омическом режиме Pразр, Вт….…….……105Радиус приёмной поверхности лимитера a, м………….…....................0,145Длительность плазменного импульса tpl, c……………….…………….0,200Объёмная доля лития в КПС εLi…………………………………………0,35Запас устойчивости q…………………………………….……………....2,9Теплофизические параметры материала основы КПС (сталь 03Х19Н11ВИ):Плотность ρss, кг/м3 …………………………………………...................7895Теплопроводность λss, Вт/(м·К)…………………………………………16,5Теплоёмкость cpss, Дж/ (кг·К)………………………………………..…..52081Теплофизические параметры лития:Плотность ρLi, кг/м3 ……………………………………...…..……….….535Теплопроводность λLi, Вт/(м·К)……………………….…….………..…84,8Теплоёмкость cpLi, Дж/ (кг·К)……………………………………………3570РасчётВведём координаты, характеризующие положение точки на приёмнойповерхности лимитера.

Для данной геометрии это: угол α — центральный уголлимитера и угол φ — полоидальный угол плазмы.Расчёт проводился в средеMathCad. Подробная расчётная схема представлена на Рисунке 3.22.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:Расстояние по r от вершины лимитера до текущей т.А (Рисунок 3.22б):Расстояние от периферии плазмы до текущей т. А на поверхности лимитера скоординатами α и φ (Рисунок 3.22а):Составим выражения для тороидальной, полоидальной и радиальнойсоставляющей плотности потока мощности по методике, описанной выше.Плотность потока от излучения плазмы (радиальная составляющая):82абРисунок 3.22. Расчётная схема: а – общий вид лимитера, б – поперечноесечение Б-Б приёмной поверхности лимитер83Сторона лимитера (ионная или электронная) в данном математическомописании определяется знаком координаты α.

Для ионной стороны α < 0, дляэлектронной α > 0. Тогда тороидальная составляющая плотности тепловогопотока от частиц в SOL:{()()Полоидальная составляющая плотности теплового потока от частиц в SOL:{Согласновыражению(){(){(3.23)распределениеплотностимощностипоповерхности лимитера:Из (3.24) получаем выражение для полной мощности:∫∫()где углы φ1 и φ2 — минимальный и максимальный полоидальные углы плазмы,в диапазоне которых ведётся интегрирование (см. Рисунок 3.22а), углы α1 и α2— минимальный и максимальный центральные углы лимитера, в диапазонекоторых ведётся интегрирование.

Пределы интегрирования получаем изчертежа:Пределы интегрирования по α получаем из предположения, что с плазмойвзаимодействует только половина цилиндрической поверхности лимитера.Подставив пределы интегрирования, и проинтегрировав, получаем:84Согласно выражению (3.25) скачок температуры за время разряда:√√где в знаменателе стоят интегральные теплофизические характеристики КПС.Так как КПС вертикального лимитера полностью идентична КПС кольцевоголимитера, то значения характеристик возьмём из выражений (3.40) – (3.42).Из выражения (3.26) рассчитаем полную площадь приёмной поверхности:∫∫ ()Площадь эмиттерной зоны по формуле (3.27):∫∫ ()Площадь коллекторной зоны по формуле (3.28):Соотношение площадей эмиттерной и коллекторной зон:Характерная глубина проникновения тепловой энергии по формуле (3.29):√Для проверки выполнения условия функционирования лимитера потемпературевычислимувеличениетемпературызаразрядвсамойтеплонапряжённой точке (α  π/3, φ = 0):()Все полученные результаты из системы MathCAD сведены в Таблице 7.На Рисунках 3.23, 3.24 показано распределение поверхностной плотноститеплового потока на принимающую поверхность лимитера и увеличение85температуры в зависимости от полоидального угла плазмы и центрального углалимитера, на Рисунке 3.25 — динамика изменения температуры самойтеплонапряжённой точки лимитера и распространения тепловой энергии вглубьматериала.Таблица 7.Результаты теплового расчёта вертикального лимитераПараметрВеличинаПолная мощность, приходящая на лимитер, Вт5,53·103Площадь приёмной поверхности, м21,42·10-2Площадь эмиттерной зоны, м26,59·10-3Площадь коллекторной зоны, м27,61·10-3Отношение площадей эмиттерной и коллекторной зон0,87Увеличение температуры в самой теплонапряжённой точке42,6лимитера за разряд, ºСХарактерная глубина проникновения тепловой энергии, м8,8·10-4а86бРисунок 3.23.

Распределение поверхностной плотности теплового потока напринимающую поверхность лимитера и увеличение температуры поверхностиКПС за время разряда: а – при фиксированном значении α, б – φРисунок 3.24. Диаграмма поверхностной плотности теплового потока наприёмную поверхность и увеличения температуры поверхности за разряд87Рисунок 3.25. Увеличение температуры поверхности КПС в течение разряда всамой теплонапряжённой точке лимитера и глубина проникновения тепловойэнергииВыводы: из графиков видно, что наиболее теплонапряжённая точка имееткоординаты α  π/3, φ = 0. Увеличение температуры данной точки КПС заразряд составляет 42,6ºС, что является малым значением для заданногодиапазона температур (от 200ºС до 550ºС).

Как видно из Рисунка 3.23аувеличение температуры в центральной зоне лимитера (зона эмиттера) намногобольше увеличения температуры на концах (зона коллектора). Полученнаявеличина толщины проникновения тепловой энергии (0,9 мм) меньше толщиныКПС (1 мм), что позволяет использовать допущение полубесконечной средыпри расчёте температурного поля. Можно утверждать, что с точки зрениятеплового состояния данная конструкция работоспособна. Вид изготовленноголимитера показан на Рисунке 3.26.881324абгвРисунок 3.26. Вид изготовленного лимитера с (а,б) и без (в,г) защитногоэкрана: 1 – КПС, 2 – литиевый бак, 3 – защитный экран, 4 - нагреватель3.7. Продольный лимитер Т-11МИдея увеличения коллекторных зон с целью увеличения количествазахваченного лития, и, следовательно, увеличения эффективности циркуляциилития стала логическим продолжением экспериментов по организациизамкнутой литиевой петли с помощью вертикального лимитера.

Создание болеепротяжённого лимитера (по сравнению с вертикальным) сопряжено спроблемой выбора его положения в камере. Очевидно, что единственноерешение данной проблемы является размещение лимитера тангенциально кплазменному шнуру вдоль силовых линий магнитного поля. Расположениетакого продольного лимитера относительно плазменного шнура, SOL исиловых линий в токамаке Т-11М показано на Рисунке 3.27.Реализацияконцепции литиевого эмиттера-коллектора осуществляется таким же образомкак и в случае с вертикальным лимитером (Рисунок 3.18).Основныетехнические характеристики вертикального лимитера сведены в Таблицу 8.89231абвРисунок 3.27.

Продольный лимитер в камере токамака Т-11М: а – общий вид, б– схема расположения лимитера (вид сверху), в - размещение продольноголимитера в камере токамака относительно плазменного шнура. На Рисунке3.27а: 1 – приёмный элемент, 2 – ось качения лимитера, 3 – подвижная опора.На Рисунках 3.27б, в: 1 – продольный лимитер, 2 – граница плазмы, 3 – границаповерхности, отстоящей на λ от границы плазмы, 4 – траектории заряженныхчастиц и силовые линии магнитного поля90Таблица 8.Основные характеристики продольного лимитераПараметрТемпературный диапазон работы устройства, oCВеличина200 – 550Длина приёмной поверхности, мм.590Диаметр литиевой приемной поверхности, мм32Площадь поверхности взаимодействия с плазмой, см2~ 300Количество точек термометрирования6Минимальный запас лития, г40Основной компонент лимитера — литиевый приёмный элемент показанна Рисунке 3.28.