Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 14

Результаты теплового расчёта криомишени110абРисунок 3.42. а – изготовленная криомишень, б – криомишень, установленнаяна токамак3.10. Выводы по главе 3Итак, для токамака были сконструированы и рассчитаны три различныхлимитера:кольцевой,вертикальныйипродольный.Ониразличаютсяконфигурацией, формой принимающей поверхности, материалом-основойКПС,расположениемвкамереит.д.Оченьважнодлябудущегопроектирования провести анализ в целях оптимизации конструкции. Как ужеговорилось, основной фактор воздействия на лимитеры — тепловой, поэтому впервую очередь проанализируем тепловые потоки, приходящие на приёмнуюповерхность. В тепловых расчётах (во время плазменного разряда) былрассчитан самый неблагоприятный вариант тепловой нагрузки, при котором80% мощности выделялось в SOL токамака. Определяющей величиной притепловом расчёте является плотность теплового потока на поверхность.

Cудяпо формулам (3.15) и (3.16) тепловой поток от частиц в SOL априори будетвыше теплового потока от излучения, ввиду того, что поверхность (см.111знаменатель формул), учитываемая при расчёте излучательной составляющейявляется тор с параметрами Rtor/Rpl, а при расчёте составляющей от частиц вSOL — кольцо толщиной λ . Отсюда следует основное достоинство литиевыхКПС как переизлучателя — их применение позволяет повысить долюмощности от излучения и равномерно рассеять тепловой поток от частиц,который сконцентрирован в кольце толщиной λ, по поверхности камеры.

Еслирассматривать составляющую мощности от частиц в SOL (без учёта факторагеометриипринимающейповерхности),томожнопримернооценитьсоотношение между тороидальной и полоидальной составляющими:где tg θ мал в силу малости угла θ (примерно 5°) и составляет  0.1, а этоозначает, что полоидальная составляющая как минимум меньше тороидальнойна порядок.Также немаловажным является фактор геометрии поверхности. Путёмправильного её профилирования можно добиться существенного сниженияплотности тепловых потоков. Это отражено в формуле (3.14) в виде скалярногопроизведения вектора мощности на вектор нормали к поверхности.

В работебыли спроектированы лимитеры с конической (кольцевой) и цилиндрической(вертикальный и продольный) поверхностью. Фактор поверхности дляспроектированных лимитеров выразился в угле α (фиксированный длякольцевого и варьирующийся для вертикального и продольного лимитеров).При расчёте тороидальной составляющей (самой большой из всех) этот уголявлялся углом между потоком и нормалью к поверхности. В случае кольцевоголимитера, где α = const, тепловой поток спадает экспоненциально по радиусу.По-другому тепловой поток спадет в лимитерах с цилиндрической приёмнойповерхностью: в этом случае одновременно увеличивается косинус угла α иуменьшается экспоненциальный множитель (в силу увеличения расстояния допоследней замкнутой магнитной поверхности).

Таким образом, на верхушкелимитера (самая близкая точка лимитера к последней замкнутой магнитной112поверхности для данного поперечного сечения), где α = 0, поток тоже равеннулю. С увеличением угла α до какого-то определённого значения потокувеличивается,азатемсновападаетвсилурезкогоуменьшенияэкспоненциального множителя. Применение цилиндрической поверхностипозволяет значительно уменьшить тепловые потоки в зонах лимитера наиболееблизких к последней замкнутой магнитной поверхности в силу малости угла α.Если развивать данную мысль, то можно прийти к выводу, что самаяоптимальнаяформапринимающейповерхностидолжнаиметьформу«сплющенной шляпки гриба», на верхушке которой угол между тепловымпотоком и нормалью равен 90° и постепенно уменьшается по мере удаления отточки контакта с плазмой.Немаловажным также является анализ расположения лимитера в камере.Как было отмечено выше, лимитеры можно разделить на тороидальные,полоидальные и рельсовые (Рисунок 3.7).

Из спроектированных лимитеров кполоидальным относится кольцевой лимитер, к рельсовым – вертикальный,продольный лимитер же являет собой некоторую суперпозицию рельсового итороидального лимитера. Влияние вида устройства на величину тепловыхпотоков отчётливо можно проследить на примере кольцевого лимитера. Ввыражении (3.35) для полоидальной составляющей видно, что вследствиевыбранной конфигурации эта составляющая равна нулю. Это объясняется тем,чтовлюбойеготочкевекторнормаликприёмнойповерхностиперпендикулярен полоидальному потоку.

Отсюда вытекает важное следствие,что наименее теплонапряжёнными будут тороидальные лимитеры, в которыхнормаль к поверхности всегда перпендикулярна тороидальной составляющей.Для сравнения тороидальной, полоидальной и радиальной компоненттеплового потока (с учётом фактора геометрии и расположения) созданныхлимитеров на Рисунке 3.43 приведены графики (ось ординат выполнена влогарифмическоммасштабе).Видно,чтотороидальнаясоставляющаяпревалирует над остальными. Сравнивая тороидальную и радиальную (от113излучения) составляющие можно увидеть, что в случае переизлучения литиемдо 80% теплового потока можно как минимум на порядок уменьшить пиковыетепловые нагрузки на приёмную поверхность.аб114вРисунок 3.43.

Сравнение составляющих теплового потока для кольцевого (а),вертикального (б), продольного (в) лимитеров. Для кольцевого рассмотренаэлектронная сторона, для вертикального – α = /3 и продольного – α = -/3Увеличению эксплуатационных характеристик лимитеров способствует иправильный выбор материала-основы КПС. Как видно из формулы (3.25)скачок температуры на поверхности лимитера тем ниже, чем вышетеплофизические характеристики материала: плотность, теплопроводность итеплоёмкость. Сравнивая два материала: нержавеющая сталь и вольфрамовый«войлок», предпочтение следует отдавать второму в силу высоких значений егохарактеристик.Применениетакихтермостойкихматериаловпозволяетзначительно расширить диапазон воспринимаемой нагрузки на лимитер.Приконструированиилимитеров необходимовыбирать наиболееоптимальное размещение запаса лития относительно нагревателя. Основноеусловие: литий в баке должен располагаться наиболее близко к нагревателю.Это позволит уменьшить начальную температуру КПС в идеальном случае дотемпературы плавления лития.

При сравнении вертикального и продольного115лимитеров видно, что продольный лимитер спроектирован более рационально,так как бак с литием расположен на всём протяжении нагревателя. В отличие отпродольного лимитера бак с литием вертикального лимитера имеет оченьмалую протяжённость. Вследствие этого температура КПС вертикальноголимитера разогревается до температуры 357°С при разогреве лития в баке до250°С. В это же время КПС продольного лимитера греется всего лишь до 297°Спри аналогичном разогреве лития в баке.

К тому же можно видеть, что длянагревателя продольного лимитера требуется мощность 50 Вт, а длянагревателя вертикального лимитера — 80 Вт.Рекомендации к проектированию будущих лимитеров:1) использование эффекта переизлучения позволяет существенно снизитьтепловые нагрузки на лимитер — основное преимущество использованиялития как материала контактирующего с плазмой;2) оптимальной формой принимающей поверхности лимитера является«сплющенная шляпка гриба», где в точке контакта с плазмой угол междутепловым потоком и нормалью равен 90° и постепенно уменьшается помере удаления от неё;3) анализ показал, что наименее теплонапряжёнными являются тороидальныелимитеры;4) наиболее оптимальными для основы КПС являются материалы с высокимитеплофизическимихарактеристиками(плотность,теплопроводность,теплоёмкость);5) бак с литием необходимо располагать на протяжении всей длинынагревателя и как можно ближе к нему.116Глава 4.

Исследование литиевых капиллярно-пористых систем какматериала, непосредственно контактирующего с горячей плазмойтокамакаОсновная часть всех устройств, описанных в главе 3, — литиевыекапиллярно-пористыесистемы,которыеобеспечиваютихбезопасноевзаимодействие с горячей плазмой. Это становится возможным благодаряпреимуществам лития как внутрикамерного материала перед другимиматериалами (бериллий, графит, вольфрам) в совокупности с капиллярнопористой системой, которая обеспечивает стабилизацию в условиях МГДнагрузок и регенерацию жидкой поверхности. Суть защиты внутрикамерныхповерхностей с помощью литиевых КПС изложена в главе 1. В соответствие сней, литиевые КПС позволяют организовать замкнутый контур циркуляциилития, рассеивающий до 80% тепловой энергии [36].

Одно из основныхпреимуществ такой схемы является локализация лития в узкой зонепериферийной плазмы и его непроникновение в центр плазменного шнура [38].К моменту начала работы над диссертацией исследования распределенияпотоков эмитированного лития в SOL токамака только начинались. Однако длястационарного термоядерного реактора (для которого и разрабатываласьконцепция замкнутой литиевой петли) важно знать, как распространяется литийв SOL по двум причинам: 1) для организации эффективного сбораэмитированного лития и 2) для предотвращения потоков лития на стенкитокамака.

В данной главе будут рассмотрены проведённые эксперименты натокамаке Т-11М, целью которых стали:1) исследования захвата примесей литиевыми КПС в условиях токамака;2) измерениепотоковлитиявSOLотразличныхлимитеров(вертикального, горизонтального, продольного, кольцевого и их комбинаций);3) тестирование «бадминтонной» модели;4) эксперименты с отравлением литиевой поверхности бомбардировкойдейтерием;1175) эксперименты по сбору лития, осевшего на стенках вакуумной камерыкриогенной мишенью.4.1.

Исследование поведения эмиссии лития из литиевого лимитерапод воздействием длительной бомбардировки дейтериемЦель исследования — определение изменения эмиссии лития изгоризонтального литиевого лимитера в процессе работы стационарноготермоядерного реактора. Условия стационарной работы были обеспеченыпреобразованием токамака Т-11М в стенд с долгоживущей плазмой тлеющегоразряда на основе дейтерия [42].4.1.1. Методика проведения экспериментаЦикл тестовой работы заключал в себе: два начальных тестовых разрядатокамака после одной ночи с низким вакуумом (10-2 Па), процедура литиизациив гелиевом тлеющем разряде, четыре тестовых разряда токамака, 5 часов вусловиях тлеющего разряда на дейтерии, 10 тестовых разрядов токамака,перерыв на 2 дня с низким вакуумом и снова два тестовых разряда токамака.

Впроцессетестовыхразрядовметодомрегистрацииинтенсивностирекомбинационного излучения лития на графитовом лимитере (описан в главе2) снимались данные об эмиссии лития из лимитера.4.1.2. Результаты тестовой кампанииРезультаты проведённой тестовой кампании представлены на Рисунке4.1. Исследование показало, что эмиссия свежего литиевого покрытия послепятичасовой экспозиции в дейтерии уменьшалась не больше, чем на 20 %.Такое экспонирование эквивалентно  1000 секундам экспозиции первой118стенки T-11M в обычных разрядах и  10 секундам экспозиции лимитера.

Этоозначает, что эффект «отравления лития бомбардировкой дейтерия» являетсяне столь значительным, и литиевый лимитер может использоваться в течениестационарнойработытокамакакакэмиттерлития.Однаковэтихэкспериментах было обнаружено, что эмиссия лития является оченьчувствительной к «отравлению лития остаточными газами» в течение пауз воткачке. Для устранения влияния остаточных газов на работу литиевыхвнутрикамерных элементов в будущем стационарном токамаке-реакторе будетдостаточно поместить всю камеру стационарного токамака в дополнительнуюгерметичную оболочку, заполненную инертным газом.Рисунок 4.1.