Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 6

Это значение близко к оценке полных потерь лития «активной головы»в процессе взаимодействия плазма-лимитер в течение всей кампании (60 ± 20%) [35].На Рисунке 1.16 показано распределение осаждённого лития по боковойповерхности лимитера от края литиевой питающей ёмкости до стенки камеры.Можно ясно различить три характерные зоны:1) зона малого сбора лития, близкая к «активной голове» лимитера;2) зона интенсивного осаждения лития;3) периферийная зона малого сбора лития.Рисунок 1.16.

Вид боковой стороны литиевого лимитера (слева) и радиальноераспределение осажденного лития на ней (справа)Очевидно, что осаждение лития будет иметь минимум около «головы»лимитера, который имеет высокую температуру (300 – 400ºС) в течение37плазменного разряда. В зоне интенсивного литиевого сбора вес осажденноголития увеличивается сначала в тени лимитера, а затем падает при приближениик стенке вакуумной камеры с характерной длиной падения (падение количествалития в е раз) 2 – 3 см.

Эта область боковой стенки лимитера представляетсобой главный коллектор ионов лития, которые перемещаются в SOL вдольлиний магнитного поля в тени лимитера. Для замыкания петли литий,осаждённый на боковых стенках, должен быть возвращён в эмиттер.1.4.Выводы по главе 1Из представленного литературного обзора ясно, что использованиелитиевых КПС для внутрикамерных элементов токамака чрезвычайноперспективно и на сегодняшний день даёт широкое поле для научныхисследований новых методов термоизоляции плазмы от стенок токамака.Проведённые эксперименты на токамаке Т-11М показали принципиальнуювозможность создания замкнутой литиевой петли для термоядерных реакторовстационарного действия.

Были рассмотрены эмисссия и сбор лития лимитерамина основе КПС. К моменту начала работы над диссертацией оставалсяоткрытым вопрос о транспортировке лития из зоны коллектора в зону эмиттера.Предложенная бадминтонная модель, идея транспортировки лития с помощьюсил поверхностного натяжения, а также расширенное исследование концепциизамкнутой литиевой петли требуют создания новых моделей литиевыхлимитеров для токамака Т-11М. Решению этих задач посвящена часть даннойдиссертации. Будут рассмотрены кольцевой, вертикальный и продольныйлимитеры для токамака Т-11М.

При работе с литием он неизбежно будетоседать в виде тонких плёнок на внутренней поверхности вакуумной камеры,что при длительной работе неизбежно приведёт к аварийным ситуациям. Кмоменту начала написания диссертации все технологические операции поочистке вакуумной камеры от плёнок лития сводились к трудоёмкой работе сразгерметизацией камеры и последующим смыванием лития обычной водой.38По мере развития концепции замкнутой литиевой петли этот вопрос будеттребовать иного, более технологического, решения. В диссертации будет даноописание такого метода с разработкой соответствующего устройства ипоследующим его испытанием.

Вся литиевая программа на токамаке Т-11Мнаправлена на развитие стационарного термоядерного синтеза, в том числе и набольших токамаках, таких как JET, ИТЭР, а в будущем и ДЕМО.39Глава 2. Экспериментальные методы исследования2.1. Токамак Т-11М. Описание экспериментальной установкиНаучно-исследовательская работа, в рамках которой написана даннаяработа, проводилась на токамаке Т-11М (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», г. Москва,РФ).

Токамак Т-11М — классический бездиверторный токамак [41] с круглымсечением вакуумной камеры. Характеристики токамака представлены вТаблице 3. Фотография токамака — на Рисунке 2.1.К моменту начала работы над диссертацией на токамаке былиустановлены литиевый лимитер горизонтального исполнения (Рисунки 1.14 и1.15) и графитовый лимитер. В процессе работы были спроектированы,изготовлены и испытаны кольцевой, вертикальный, продольные литиевыелимитеры и криогенная мишень для эвакуации лития из камеры токамака.Таблица 3.Характеристики токамака Т-11МХарактеристикаЗначениеБольшой радиус тора, м0,7Малый радиус тора, м0,25Тороидальное магнитное поле на оси тора, Тл1,2Средняя омическая мощность в разряде, кВт100Длительность разряда, с0,1…0,3Ток в плазме, кА7…100Средняя электронная плотность, м-3Температура электронной компоненты на оси тора, эВ(1…5)·1019300…400Температура электронной компоненты у поверхности лимитера, эВ20…30Тепловой поток на поверхность лимитера, МВт/м24…12Рабочее веществоH2, D2, He40Рисунок 2.1.

Токамак Т-11МРасположение лимитеров и диагностического оборудования токамака Т11М показано на Рисунке 2.2.Интенсивность эмиссионных линий нейтрального лития с поверхностилитиевоголимитераиграфитовоголимитераизмеряласьоптическойдиагностикой (датчики линии LiI). В качестве сенсоров были примененыфотодатчикиспредусилителямииоптическимиузкополоснымиинтерференционными фильтрами для линии нейтрального лития LiI (λ = 670,8нм) и полосой пропускания приблизительно 5 нм. Также использовался датчикс интерференционным фильтром с максимальной передачей для линиинейтрального водорода Hα (λ = 656,3 нм) для регистрации потока рециркуляциидейтерия с графитового лимитера.Датчик мягкого рентгена (SXR) применялся для оценки электроннойтемпературы на оси плазменного шнура методом фольг (применялисьбериллиевые фольги толщиной 30 и 60 мкм).Датчики жёсткого рентгена (HXR) использовались для качественногоконтроля режимов с «убегающими электронами».41Для определения эффективного заряда плазмы Zэфф(0) применялосьсравнениерасчётнойиизмереннойэлектропроводностиплазмы(предполагалось, q(0)1).Пятиканальный микроволновый интерферометр на длине волны λ=2 ммиспользовался для определения плотности электронной компоненты ne.БыстродействующийИК-радиометр(IR)сохлаждаемымGe:Auдетектором применялся для измерения температуры литиевой поверхностилимитеров в процессе разряда.

Быстродействие устройства составляет 100 мс,чувствительность — 1ºС, рабочая длина волны — λ=3…6 мкм.Для измерения радиационных потерь на токамаке Т-11М использовался16-ти канальный фотодиодный болометр, направленный тангенциально к осиплазменного шнура.Кроме всех вышеперечисленных диагностик в измерениях активноучаствовали диагностики лимитеров — термоэлектрические элементы, однако всилу их инертности их применение ограничено. Они использовались дляизмерения температуры литиевой поверхности и определения его фазовогосостояния при подготовке лимитера к работе, калибровки ИК радиометра,измерения скачка температуры во время разряда, определения энерговклада итеплоёмкости лимитера [43].Рисунок 2.2. Схема расположения лимитеров и диагностик Т-11М [42]422.2.

Подготовка литиевых КПС к экспериментамВ качестве основного материала принимающей поверхности устройстваиспользовался литий марки ЛЭ-1. В качестве основы КПС — сетка тканая изнержавеющей стали марки 03Х19Н11ВИ и элементы из вольфрамового«войлока». Перед смачиванием они были обезжирены и подвергнутывакуумнойтермообработкепритемпературе700С.Вопросывыбораматериалов для основы КПС будут подробно рассмотрены в главе 3.2.3.

Экспериментальные методы, используемые в экспериментах слитиевыми устройствамиРаспределение лития и его потоков в SOL токамака при применениилитиевыхустройствявляетсяключевойинформациейдлявыработкирекомендаций к эффективному охлаждению периферии плазмы, поэтомунеобходимо выстроить точную систему измерений. В этих целях на токамакеТ-11М применяется графитовый лимитер, который находится в тени основноголитиевого лимитера.

При такой схеме ионы лития, циркулирующие в SOLтокамака, приходят на графитовый лимитер, рекомбинируют и излучают. Порекомбинационному излучению можно судить о количестве ионов лития.Графитовый лимитер имеет возможность перемещения относительно центраплазмы от разряда к разряду. Таким образом, перемещая лимитер, можно«просканировать» весь SOL токамака и определить распределение лития в нём[44, 45].Для оценки характера миграции лития, а также для оценки величинызахваченного водорода во время экспериментов применялся метод «вспышки».Суть метода заключается в следующем: первая серия разрядов выполняется слитиевым лимитером в качестве основного, графитовый лимитер находится втени. Потом лимитеры меняются ролями. Для очистки графитового лимитераот осаждённого лития требуется два-три плазменных разряда.

В процессе43экспериментов фиксируется эмиссия с графитового лимитера. Повышение илихотя бы стабильное значение литиевой эмиссии с графитового лимитераговорит о том, что литий мигрирует с литиевого на графитовый лимитер.Подобным образом происходит исследование захвата водорода в процессеразрядов. Отличие состоит лишь в том, что роль графитового играетдополнительный литиевый лимитер и фиксируется эмиссия водорода [43, 44].В экспериментах с кольцевым лимитером и криогенной мишенью важнобыло узнать абсолютное количество лития, захваченное устройством.

Однако,как известно, литий химически активен по отношению к основнымкомпонентам воздуха — азоту, кислороду и парам воды. В течение изъятияобразцов-свидетелей осаждённый литий неизбежно взаимодействует с азотом икислородом из воздуха и формирует смесь Li3N:Li2O=3:1 [46]. В результате,анализ абсолютного количества лития, осаждённого на образце, представляетсложную проблему. В экспериментах на токамаке Т-11М она была решенаследующим путём: образцы-свидетели были экспонированы в плазме, а затембыли вынесены на воздух в течение вентилирования камеры и опущены вкипящую воду. При этом происходят следующие реакции с водой:2Li + 2Н2О = 2LiOH +H2;Li3N + 3H2O = 3LiOH + NH3;Li2O +2H2O = 2LiOH +H2;Li2C2 +2H2O = 2LiOH +C2H2.Как можно видеть, LiOH всегда появляется в продуктах реакции.Количество LiOH в водном растворе и, соответственно, начальное количестволития в образцах-свидетелях определяется с помощью метода химическоготитриметрического анализа [47].