Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 5

На Рисунке 1.8 изображены развитие во времениинтенсивностиизлучениядлятрехначальныхтемператур и тока плазмы. Эти результаты подтверждают прямую зависимостьэмиссии лития от температуры лимитера.В данном эксперименте были проведены исследования по распылениюлития и удержанию дейтерия о чём было сказано выше. Кроме того, ставилсяспециальный эксперимент [34] для выявления поведения лития в условияхсрывов разряда. Результаты показали переизлучение приповерхностным слоемлимитера подавляющей части приходящего теплового потока. После 200выстрелов со срывами твёрдая база КПС не претерпела каких-либоразрушений.Рисунок 1.7. Литиевый лимитер: (a) общий вид; (б) КПС литиевый лимитер (вразрезе): 1 – КПС слой с порами радиусом 100 мкм, 2 – нагреватель лимитера;3 – КПС слой с порами радиусом 30 мкм. Все размеры – в милиметрах27Рисунок 1.8.

Временная зависимость полной световой интенсивности и токаплазмы для различных начальных температур (100 – 300 ºС)Эксперименты с литиевым лимитером на основе КПС проводились и натокамаке с высоким магнитным полем (токамак FTU) [34]. Параметры токамакаFTU приведены в Таблице 2.Таблица 2.Параметры токамака FTUПараметрЗначениеГлавный радиус, м0,93Малый радиус, м0,30Магнитное поле, Тл<8Ток разряда, МА< 1,6Длительность разряда, с1,5Изготовленный литиевый лимитер для токамака FTU представляет собойтри отдельных модуля.

Каждый модуль представляет собой молибденовыйтеплоаккумулятор,обтянутыйслоемКПСизнержавеющейсталисэффективным радиусом пор 15 мкм. Запас лития находится в резервуаре,28расположенного в нижней части модуля. КПС имеет гидравлический контакт сзапасом лития.Посредствомсилповерхностногонатяженияонпоступаетнаповерхность, контактирующую с плазмой. Систему диагностики лимитерапредставляют термопары и зонды Ленгмюра. Температура поверхностилимитера измеряется с помощью ИК-детекторов. Присутствие лития в плазмеконтролируется методами спектроскопии (по интенсивности третьей линиилития λ=13,5 нм). Фотография литиевого лимитера представлена на Рисунке1.9.Рисунок 1.9. Фотография литиевого лимитера токамака FTUЛимитер был предварительно нагрет в специальнойкамере дотемпературы 220ºС а затем введён в камеру в тени тороидального лимитерачерез вертикальный вакуумный ввод.

Положение лимитера относительноплазмы можно менять от выстрела к выстрелу.На Рисунке 1.10 сравнены два подобных омических разряда, один послелитиизации, другой после боронизации: в разряде после литиизации доляизлученной мощности из плазмы уменьшена на 50 %,Vloop уменьшен на ∼ 10 %из-за более низких значений эффективного заряда иона (Zэфф). Электроннаятемпература Te также уменьшается, вследствие уменьшения мощности. Втечениепочтивсейэкспериментальнойкампании,включающей29приблизительно 200 плазменных разрядов с параметрами BT = 6 Тл, Ip = 0,5 –0,9 MA и средней электронной плотности ne от 0,15 до 2,6·1020 м-3, значениеZэффв основном держится ниже 2,0, изменяясь от 1,5 при низкой плотности (ne=0,5·1020м-3) до 1,0 при более высокой плотности (> 1020м-3) как показано наРисунке 1.11.

Также было проведено сравнение параметров разрядов послелитиизации и боронизации с параметрами разряда с чистыми металлическимистенками. Показано увеличение времени удержания в 1,3 раза, но в то же времякоэффициент переноса для электронов χe уменьшается, но не так значительно.Эти результаты показывают, что причина увеличения времени удержания —сильное уменьшение омической мощности в разрядах с литиизацией иборонизацией, вследствие более низкого эффективного заряда иона, Zэфф. Этообъясняется тем, что омическая мощность и потери на излучение, которыеглавным образом вносят вклад при вычислении χe, зависят от Zэфф.В большинстве случаев на токамаке FTU предусмотрены режимы сплотностями, превышающими предел Гринвальда.

После литиизации разрядывыше этого предела были без затруднений получены в диапазоне разрядноготока Ip=0,5…0,9 МА. Для Ip=0,5 МА, BT = 6 Тл предельная плотность (2,7·1020м3) в 1,7 раза выше, чем в разрядах после свежей боронизации и в 1,4 разавыше соответствующего предела Гринвальда.С введением литиевого лимитера внутрь вакуумной камеры (#28510) nевыросло до 2·1020 м-3(~nGW), что в два раза больше значения в разряде безлимитера (#28508), и не изменялось приблизительно в течение 0,4 с. В началефазы высокой плотности выстрела #28510 количество дейтерия слегкауменьшилосьиосталосьнизким,указываянасильноуменьшеннуюрециркуляцию частиц дейтерия, тогда как в выстреле #28508 количестводейтерия осталось высоким.

Пиковая плотность повысилась с fpk~1,5 в выстреле#28508 до fpk> 2 в выстреле #28510. Это весьма высокое значение для ne. Такойпрофиль электронной плотности, дает основание говорить, что был достигнутновыйрежимработытокамака, длящийся почти 0,5 с. Его завершениепроисходит из-за изменения SOL: выработка лития и радиационные потери в30SOL недостаточны, чтобы поддержать этот режим вследствие уменьшенноговзаимодействия литиевого лимитера с плазмой.

Все описанные параметрыплазменного разряда представлены на Рисунке 1.12.Рисунок 1.10. Сравнение параметровРисунок 1.11. Зависимость Zэфф отразрядовиполноговниз:течениепослеборонизацииконцентрациялитизации(—).Сверхуэлектронов(—)(ne),числакампании.выстреловвэкспериментальнойВертикальнаялиниятемпература электронов (Te), отношениеразделяет выстрелы до и послеизлучённой мощности к оммическойлитиизации(Prad/Pohm),объёмпетли(Vloop),эффективный заряд (Zэфф)В течение работы, несмотря на высокие тепловые потоки, приходящие налимитер (~5 МВт/м2), температура литиевой поверхности не превышала 250ºС.Аномальных выбросов лития с поверхности зафиксировано не было даже вовремя срывов.

Значительных повреждений основы КПС замечено тоже небыло.31Предел ГринвальдаРисунок 1.12. Параметры плазменных разрядов в зависимости от времени.Сверху вниз: плотность электронов (ne), интенсивность линии Dα и факторнеравномерности электронной плотности (fpk=ne0/<ne>). Выстрел #28510 —лимитер введён в плазму, #28508 — вне плазмыРезультаты экспериментов на токамаке FTU подтвердили преимуществалития как материала для внутрикамерных элементов. Литизация первой стенкидает результаты, превосходящие даже боронизацию [35], однако эффектлитизации сохраняется намного дольше.

Рециркуляция дейтерия сильноуменьшается. Достигнут новый режим протекания разряда, при котором имеетместо низкий поток частиц из плазмы и «пиковый» профиль плотности,близкий к пределу Гринвальда. КПС с жидким литием выдерживают большиетепловые нагрузки без аномального разбрызгивания лития.321.3.4. Концепция замкнутой литиевой петли в токамакеКак показали эксперименты на токамаке Т11-М [36] эффективныммеханизмом охлаждения периферии плазмы, а, следовательно, и защитыконтактирующих с плазмой поверхностей в условиях квазистационарногоразряда, может служить некорональное излучение атомов лития. Эффектобъясняется постоянно циркулирующими между плазмой и защищаемойповерхностью ионами лития и позволяет рассеять почти 80% всей энергииомическогонагреванастенкивакуумнойкамерыпосредствомультрафиолетового излучения.

Эффект «экранирования» может послужитьосновой концепции замкнутой литиевой петли в стационарно работающихтокамаках с литиевыми эмиттером и коллектором. Физический принципэффекта на данный момент до конца не ясен. Предполагается, что он можетбыть результатом большого энергетического промежутка между низкимпервым (5,8 эВ) и высоким вторым (75 эВ) потенциалами ионизации лития. Врезультате ионы лития в SOL (Те=10 – 30 эВ) будут находиться в состояниипервичной ионизации и трение между ними и основными ионами плазмы(основной механизм аккумуляции ионов с высоким Z в ядре плазмы) будетнизким. Кроме того, известно, что продукты литиевой эрозии составляютглавным образом ионы лития, которые должны накапливаться на периферииплазмы.Концепция литиевого эмиттера-коллектора (Рисунок 1.13а) предполагаетсоздание замкнутой петли циркуляции лития на границе плазменного шнура спредварительно нагретым (до 400 – 700°С) лимитером, выступающим в ролиэмиттера, и вторым более холодным лимитером в его тени — литиевыйколлектор.

Литиевый эмиттер может работать не только как главный лимитертокамака, но и как второй лимитер, расположенный в тени главного лимитераили в диверторном SOL. Если имеется несколько идентичных литиевыхлимитеров в камере токамака, то можно менять их эмиттерные и коллекторныероли (так называемая бадминтонная модель, Рисунок 1.13б) периодическим33изменением их относительных положений или с помощью локальныхмагнитных возмущений [37].

Литиевый коллектор должен быть расположен вхолодной области, в тени эмиттера. В таком случае литиевая циркуляционнаяпетля будет охлаждать периферию плазмы, и защищать поверхность,контактирующую с ней.Концепция литиевой замкнутой петли подразумевает четыре характерныхэтапа:1) эмиссия лития в плазму;2) охлаждение границ плазмы некорональным излучением литиевыхионов;3) захват литиевых ионов коллектором перед их осаждением на стенкивакуумной камеры;4) транспортировка лития из коллектора в эмиттер.а34бРисунок1.13.принципиальнаяОрганизациясхемаохлажденияконцепцииперифериилитиевогоплазмы:а–эмиттера-коллектораслитиевой эмиссией [38], б – принципиальная схема концепции литиевогоэмиттера-коллектора с несколькими идентичными литиевыми лимитерами[39]Про эмиссию лития было сказано выше.

В работе [40] исследованыосновныекритическиевопросысозданиялитиевогоконтура—транспортировка и сбор лития в вакуумной камере.Эксперимент, поставленный на токамаке Т-11М, осуществлялся спомощью лимитера на основе вольфрам-литиевой КПС, выполняющего рольэмиттера лития. На Рисунке 1.14 показана схема «активной головы» лимитера сводяным охлаждением (200°С), которая одновременно и нагревает литий дотемпературы его плавления (180°С) и охлаждает в процессе плазменныхразрядов. Капиллярно-пористая система лимитера выполнена из вольфрамовоговойлока, соединенного с литиевой питающей ёмкостью. Боковые «пассивные»35сторонылимитерабылиоборудованыразвивающимиповерхностьвольфрамовыми «крыльями» для более эффективного сбора ионов лития.Лимитер был успешно испытан в течение 2000 разрядов с мощностью в10 МВт/м2 и длительностью 0,1 – 0,2 с.

Главное отличие этого варианталимитера от лимитера с КПС из нержавеющей стали — повышеннаятеплопроводность активного слоя КПС (в 2 – 3 раза). На Рисунке 1.15 показанлимитер до и во время разряда.Рисунок 1.14. Схема «активной головы» лимитера с водяным охлаждением[40]Рисунок 1.15. Литиевый лимитер токамака Т-11М до (слева) и во время(справа) разряда36Полные весовые потери «W-Li» лимитера в процессе процедурылитиизации вакуумной камеры [36] и работы в течение 1000 разрядов первойкампании было ниже 0,5 грамм. Полное количество лития, собранногобоковыми сторонами лимитера и вольфрамовыми «крыльями» составило 0,2грамма.