Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 3

/ 0,02 п.л.).7. Progress in development and application of lithium based components forTokamak / M. Zharkov [et al.] // Fusion Engineering and Design. 2014. V.89. Issues7–8. P. 996–1002. (0,44 п.л. / 0,06 п.л.).8. Tests of the cryogenic target for lithium and hydrogen isotopes extraction from thechamber of T-11M tokamak without its venting / M. Zharkov [et al.] // FusionEngineering and Design. 2014. V. 89. Issue 12. P. 2923–2929. (0,44 п.л. / 0,04 п.л.).14Структура и объём диссертацииВся диссертация изложена на 188 страницах, включая 110 рисунков, 17таблиц и 90 наименований в списке литературы.

Структурно диссертациясостоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы.Личный вклад автораЯвляясьведущимконструкторомАО«Краснаязвезда»,автордиссертации лично разработал литиевые внутрикамерные устройства токамакаТ-11М,контролировалпроцессихизготовленияииспытаний.Всяэкспериментальная часть выполнялась им на токамаке Т-11М в сотрудничествес коллективом АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». В ходе экспериментальных кампанийавтор занимался обработкой полученных данных в целях рационализацииконструкции созданных устройств.

В ходе материаловедческих исследованийперспективных материалов на основе ванадия автор разработал испытательныестенды, провёл расчёты конвективных потоков рассматриваемой коррозионноагрессивной среды, непосредственно контролировал ход эксперимента, а такжелично провёл испытания механических свойств образцов с последующейобработкой результатов.Автор выражает глубокую благодарность к.т.н. Люблинскому И.Е. ик.т.н. Верткову А.В. (АО «Красная звезда», г. Москва) за консультации впроцессе расчёта и создания внутрикамерных элементов токамака Т-11М,д.т.н.

профессору Мирнову С.В. (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», г. Москва) запомощь в экспериментальных исследованиях литиевых устройств на токамакеТ-11М и своему научному руководителю д.ф.–м.н. профессору Бондаренко Г.Г.(МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва) за всестороннюю помощь и поддержку в ходедиссертационного исследования.15Глава 1. Литературный обзор. Анализ перспектив использованиялития в качестве материала для внутрикамерных элементов токамака1.1.Материаловедческая проблема внутрикамерных элементовтокамаков и предполагаемые методы её решенияВ связи с истощением углеводородных энергетических ресурсов иувеличением энергопотребления в XXI веке остро встаёт вопрос о созданииальтернативного источника, способного обеспечить человечество относительнодешёвой и чистой в экологическом отношении энергией. Одно из решенийданнойпроблемы—управляемыйтермоядерныйсинтез(УТС)—удовлетворяет всем критериям такого альтернативного источника энергии.

Впроцессеразвития УТСбыло разработано множество устройств, однакосамым оптимальным и перспективным на данный момент является токамак,предложенный Сахаровым А.Д. и Таммом И.Е [4, 5]. Плазменный шнур второидальной камере токамака удерживается с помощью магнитного поляособой конфигурации: суперпозиция винтового магнитного поля от тока,текущего в плазме, и тороидального поля от тока внешних катушек токамака.Оптимальная температура плазмы, при которой максимален энергетическийвыход дейтерий-тритиевой термоядерной реакции — 10 КэВ.

Из этого следует,что для работы токамака необходимо термически изолировать разряднуюстенку от горячей плазмы, но термоизоляция магнитным полем недостаточноэффективна: некоторая часть частиц за счёт диффузии поперёк магнитногополя и во время срывов всё же достигает поверхности камеры, к тому жеудержание магнитным полем совершенно неприменимо к переносу энергииизлучением и нейтральными частицами.Для решения этой проблемы наранних токамаках было предложено специальное устройство — лимитер, наболее поздних – дивертор. Основные задачи этих устройств — термоизоляциястенки камеры токамака и предотвращение диффузии примесей в центрплазменного шнура.16В работе [6] показано, что тепловой поток на лимитер и дивертор втокамаке может достигать 20…50 МВт/м2. В связи с этим возникает проблемавыбора материалов для этих устройств.

Перечислим некоторые требования кним:– долговечность или возобновляемость;– отсутствие потоков элементов с высоким Z в плазму;– радиационная и термическая стойкость.Разработанная на сегодняшний день конструкция дивертора ИТЭР, верхматериаловедческих и инженерных технологий, очень слабо решает проблемуснятия теплового потока. Для реактора ДЕМО, где условия работы намногожёстче, проблема внутрикамерных элементов не решена. В целом, материалов,способных выдержать такие нагрузки в природе не существует [7 – 11]. Вработе [12] были предложены такие решения поставленной задачи:–организациябыстротекущихпоохлаждаемойподложкежидкометаллических пленок;– создание, завесы сплошным потоком жидкого металла;– создание капельной жидкометалличекой завесы;– создание завесы из падающих твердых шаров;– размещение в диверторе вращающихся цилиндров.На первый взгляд, все предложения очень просты, однако на практикеони труднореализуемы. Все идеи жидкометаллического дивертора в работе[12] сводятся либо к охлаждению твёрдой подложки жидким металлом, либосозданию капельной завесы, воспринимающей тепловой поток из плазмы.

Впервом случае имеет место ограничение по тепловой нагрузке (до 5 МВт/м2), вовтором случае, как показали эксперименты на токамаке Т-3М [13], имеет местонестабильность системы в условиях магнитного поля.Вработах[14, 15] рассмотренвариант приёмнойдиверторнойповерхности в виде текущей плёнки жидкого галлия (скорость потока V=10 м/с,толщина плёнки 2 – 8 мм).

Анализ этого варианта [16] показывает, что галлий17при благоприятных условиях не может воспринимать удельную мощностьвыше 15 – 20 МВт/м2 в силу высокого Z.1.2.Использованиежидкоголитиявкачествематериала,контактирующего с плазмой. Литиевые капиллярно-пористые системы(КПС)Следующим этапом в развитии жидкометаллического внутрикамерногоэлемента стала концепция лимитера (дивертора) на основе лития, как металла снаименьшим зарядовым числом [17,18]. Одной из простейших схем реализацииэтой концепции является дивертор (лимитер), в котором передача тепла отплазмы к стенке осуществляется за счёт переизлучения ионами и нейтральнымиатомами лития.

Основным фактором, определяющим эффективность схемы,является концентрация ионов в периферийной области плазменного шнура,которая в свою очередь зависит от величины эмиссии лития и времени егожизни в плазме. К тому же следует учитывать, что литий является плохимпереизлучателем из-за малого Z.

Исправить этот недостаток можно двумяпутями: введением примеси с более высоким Z, либо переводом лития в сильнонестационарное ионизационное состояние, когда литий переходит из одногоионизационного состояния в другое. Из-за опасности проникновения примеси свысоким Z в центр плазменного шнура более предпочтителен второй вариант.Применение жидкого металла (лития) в условиях токамака имеет многопотенциальных достоинств [19], однако возникают и технологическиепроблемы, а именно:– неустойчивость поверхности жидкого металла из-за МГД эффектов;– аномальное распыление поверхности жидкого металла ионами плазмы;– снятиетепловыхнагрузокитермическаяповерхности для предотвращения сильного испарения лития;– осаждение лития на поверхности вакуумной камеры;стабилизация18– накопление трития и дейтерия в жидком литии и их извлечение излития;– влияние примеси лития на параметры плазмы.В целях компенсации пондеромоторных сил, возникающих во времяразряда, было предложено использование литиевых капиллярно-пористыхсистем (КПС) — принципиального нового материала, в котором жидкий литийзаключён в матрицу из пористого материала и удерживается силамиповерхностного натяжения (Рисунок 1.1) [17, 18].абРисунок 1.1.

КПС с (а) и без (б) заполнения литием1.3.Экспериментальноеподтверждениецелесообразностиприменения лиитиевых КПС в качестве материала, контактирующего сплазмой токамакаЭкспериментальное подтверждение оценок работоспособности литиевыхКПС было проведено при испытаниях моделей внутрикамерных элементовтокамака. Моделирование условий проводилось облучением литиевых КПСэлектронным пучком с удельной плотностью падающего потока энергии до 50МВт/м2 [20 – 25]. Полученные результаты показали, что литиевые КПС сограниченным запасом лития и отсутствием активного охлаждения способнывоспринимать тепловую нагрузку до 50 МВт/м2, что позволяет использовать ихв термоядерном реакторе.19Отдельным вопросом стоит совместимость литиевых КПС с плазмойтокамака.

Под термином «совместимость» здесь подразумевается отсутствиеканалов аномальной эрозии лития. Причины такой эрозии могут быть:– разность электрических потенциалов плазма-стенка и, как следствиеэтого, развитие униполярных дуг или локальных "взрывов" поверхности;– процессы ионного распыления лития;– микрокапиллярные волны вблизи границы жидкий металл-плазма.1.3.1. Исследования динамики эмиссии и распыления лития вусловиях плазмы токамакаДинамика эмиссии лития с поверхности КПС во время разряданаблюдалась в экспериментах на токамаке Т-11М с лимитером на основе КПС[26].