Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 13

НаРисунках 3.32, 3.33 показано распределение поверхностной плотноститеплового потока на принимающую поверхность и увеличение температуры заразряд в зависимости от тороидального угла плазмы и центрального угла101лимитера, на Рисунке 3.34 — динамика изменения температуры самойтеплонапряжённой точки и распространения тепловой энергиивглубьматериала.Таблица 9.Результаты теплового расчёта продольного лимитераПараметрВеличинаПолная мощность, приходящая на лимитер, Вт5,72·103Площадь приёмной поверхности, м22,60·10-2Площадь эмиттерной зоны, м21,25·10-2Площадь коллекторной зоны, м21,35·10-2Отношение площадей эмиттерной и коллекторной зон0,94Увеличение температуры в самой теплонапряжённой точкелимитера за разряд, ºСХарактерная глубина проникновения тепловой энергии, м9,51,2·10-3а102бРисунок 3.32. Распределение поверхностной плотности теплового потока напринимающую поверхность лимитера и увеличение температуры поверхностиКПС за время разряда: а – при фиксированном значении γ, б – αРисунок 3.33.

Диаграмма поверхностной плотности теплового потока наприёмную поверхность и увеличения температуры поверхности за разряд вкоординатах α-γ103Рисунок 3.34. 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, γ  35π/180. Увеличение температуры данной точки КПСза разряд составляет 9,5ºС, что является малым значением для заданногодиапазона температур (от 200ºС до 550ºС). Как видно из Рисунка 3.32бувеличение температуры в центральной зоне лимитера (зона эмиттера) намногобольше увеличения температуры на концах (зона коллектора).

Этот фактуказывает на принципиальную возможность организации циркуляции лития.Полученная величина толщины проникновения тепловой энергии (1,2 мм)примерно равна толщине КПС (1 мм), что позволяет использовать допущениеполубесконечной среды при расчёте температурного поля. Интересно отметить,что в отличие от вертикального и кольцевого лимитеров, тепловая нагрузка на104продольный лимитер ассиметрична относительно точки касания с плазмой(α=0, γ = γ0) — горячее пятно сдвинуто в область больших γ. Судя по маломускачку температуры за разряд по сравнению с предыдущими лимитерами,можно утверждать, что пористый вольфрам, как и ожидалось, являетсянаиболее оптимальным материалом для основы КПС. С точки зрения тепловогосостояния данная конструкция работоспособна.

Вид изготовленного лимитера,установленного в камеру, можно увидеть на Рисунках 3.35а и 3.35б.Пластины защитного экранаабРисунок 3.35. Продольный лимитер Т-11М в камере (а) и перед установкой (б)3.8. Оценка работоспособности лимитеров при нештатных режимахтокамакаПриведённые тепловые расчёты лимитеров верны для штатной работытокамака, которая предполагается при проведении экспериментов. Однако, какизвестно, в плазме токамака возникают различного вида неустойчивости,приводящие к срыву плазменного шнура. Одним из самых опасных длялимитеров последствий появлений неустойчивостей является переход плазмы врежим с релятивистскими электронами (режим с «убегающими» электронами).Данныережимыхарактеризуютсявысокимиудельнымимощностями,приходящими на приёмную поверхность (до Qe=100 МВт/м2 в течение te ~ 80мкс [66]).

Очевидно, что необходимо провести оценку работоспособности105созданных устройств при работе в нештатных режимах. Оценка будетпроводитсявсоответствиисусловиемнепревышениямаксимальнойтемпературы литиевой поверхности в 550°C. Максимальная температураприёмной поверхности согласно выражению (3.25):√√где Тнач – максимальная температура литиевой поверхности, полученная израсчёта начального теплового состояния лимитера. Тогда для кольцевоголимитера (Тнач = 20°C) Тmax = 73°C, для вертикального лимитера (Тнач = 357°C)Тmax = 410°C, для продольного лимитера (Тнач = 297°C) Тmax = 317°C. Видно, чтоусловие работы по температурному диапазону выполняется.3.9. Технологические аспекты реализации концепции замкнутойлитиевой петли на стационарных токамаках.

Создание собирающейкриогенной мишениПри реализации идеи стационарного токамака с помощью концепциизамкнутой литиевой петли неизбежно встаёт проблема неконтролируемогонакопления лития на стенках вакуумной камеры. Как следствие, в плёнкахлития будет аккумулироваться тритий, что приведёт к экономическойнецелесообразности токамака (общеизвестно, что тритий является оченьредким и дорогим веществом) и даже к аварийным ситуациям в случаенештатных ситуаций. Решением данной проблемы является периодическаячистка вакуумной камеры от лития.

На данный момент чистка производится втехнологическиеперерывымеждуэкспериментальнымикампаниями.Процедура очистки заключается в обработке стенок камеры водой, которая,взаимодействуя с литием, превращается в раствор щёлочи LiOH. Даннаяпроцедура осуществляется вручную с разгерметизацией вакуумной камеры инадолго вводит установку из строя. По понятным причинам для стационарного106термоядерного реактора такой подход недопустим. В целях организациитехнологической процедуры очистки вакуумной камеры без её разгерметизациибыл предложен метод «вымораживания» осевшего лития, распылённогобомбардировкой заряженными частицами в процессе горения тлеющегоразряда [67].

Этот метод основывается на том, что литий имеет тенденциюсобираться в холодных местах камеры токамака (Рисунок 3.36).В данном методе мишень, охлаждаемая до криогенных температур, будетработать как крионасос по отношению к атомам литий, который, в своюочередь будет являться геттером для изотопов водорода. После выключениятлеющего разряда криомишень можно извлечь из камеры токамака черезвакуумную шлюзовую камеру.

Впоследствии захваченный литий и изотопыводорода (в первую очередь тритий) целесообразно извлекать и возвращать врабочий цикл. Размещение криомишени в камере токамака Т-11М показано наРисунке 3.37. Основные параметры устройства сведены в Таблицу 10.Рисунок 3.36. Схема методаРисунок 3.37. Расположение криомишени в«вымораживания» лития [67]камере токамака Т-11М107Таблица 10.Основные характеристики криомишениПараметрВеличинаГабаритный размер, Д×Ш×В, мм900×100×100Диаметр собирающего элемента, мм58Длина собирающего элемента, мм200Рабочая температура собирающей поверхности, К78 – 80,3Эффективная площадь собирающей поверхности, см2~ 4320Объем жидкого азота, л0,36·10-5Расход жидкого азота в рабочем режиме, л/сСкорость пара на выходе в рабочем режиме, см/с1Расход жидкого азота на захолаживание, л~1Общий вид криогенной мишени показан на Рисунке 3.38.

Удалениеприёмного элемента из вакуумной камеры без её разгерметизации становитсявозможным благодаря наличию сварного тарельчатого сильфона с ходом 600мм и шлюзового устройства для периодической установки, и извлечениямишени. Приёмный элемент криомишени подробно рассмотрен на Рисунке3.39. Он представляет собой трубчатую конструкцию диаметром 58 мм идлиной 200 мм. Температура приемной поверхности мишени, равнаятемпературе кипения жидкого азота, обеспечивается путем подачи жидкогоазота во внутреннюю полость трубчатой конструкции мишени.

Подачаосуществляется через заливную трубку. Испарившийся газообразный азототводитсяизкриомишенивнутренней—стальполости12Х18Н10Т.ватмосферу.КонтрольОсновнойтемпературыматериалприемнойповерхности криомишени производится термопарой, введенной во внутреннююполость. [68]108345126Рисунок3.38.ОбщийвидРисунок3.39.Приёмныйэлементкриомишени: 1 – вакуумная камеракриомишени: 1 – приёмный элементтокамака Т-11М, 2 – шлюзоваякриомишени, 2камера, 3 – шибер, 4 – тарельчатыйжидкого азота, 3 – отверстие длясильфон, 5 – воронка для заливкивыходажидкоготермопара, 5 – шлюзовая камераазота,6–откачной– трубка заливкииспарённогоазота,4–патрубок шлюза3.9.1.

Тепловой расчёт криомишениОсновная суть работы криомишени состоит в «вымораживании» лития,поэтому эффективность устройства напрямую зависит от температурысобирающей поверхности. В идеальном случае на поверхности криомишенидолжна поддерживаться температура, равная температуре кипения жидкогоазота 77,3°К, что осуществляется его заливкой во внутреннюю полость. Однаков процессе тлеющего разряда на мишень приходит тепловой поток величинойдо 10 Вт.

Также приёмная поверхность может нагреваться путём теплопередачиот элементов токамака, которые имеют комнатную температуру. Основная цельрасчёта: рассчитать распределение температуры собирающей поверхностикриомишени. Расчётная схема представлена на Рисунок 3.40.При расчётепредполагается, что азот залит до верхнего края заливной трубки, торецнесущей трубы имеет температуру 293°К.109Решениекриомишенидифференциальноговыполненоавторомуравнениятеплопередачичисленнымиметодами(3.9)вдлясистемеCosmosFlowWorks. Результат представлен на Рисунке 3.41.Нижняя часть мишени, в которой находится жидкий азот полностьюохлаждена до температуры его кипения.

Верхняя часть мишени нагреваетсявплоть до 92,5°К, что было ожидаемо, так как стенки криомишени толщиной 2мм обладают достаточно высоким термосопротивлением. Но, несмотря на«горячее пятно», локальное повышение температуры мишени на 15° некритично для работы, поэтому можно считать, что устройство работоспособно.Вид изготовленной криомишени показан на Рисунке 3.42.Рисунок 3.40. Расчётная схемаРисунок 3.41.