Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 8

5 – кольцевой лимитер (располагается в антенном патрубке, заменяявертикальный лимитер поз. 1)3.1.Основныетребования,предъявляемыеклитиевымвнутрикамерным устройствамПри проектировании литиевых внутрикамерных устройств необходимоучитывать специфику их работы, а именно:1) устройство должно быть снабжено достаточным количеством литияи/или иметь систему питания литием;2) литиевая поверхность должна быть прогрета до температуры вышетемпературы плавления лития (Tпл=180С);3) необходимо предусмотреть эффективный теплоотвод, гарантирующийтемпературу поверхности не выше 550С.

Данное требование вводится длянедопущения выбросов больших потоков лития в плазму посредствомиспарения;514) должно выполняться условие капиллярного напора на протяжениивсего пути мигрирования лития в пределах устройства, а также условиеудержания жидкого лития КПС;5) при работе токамака в конструкции лимитера будут генерироватьсяконтурные токи и, как следствие, будут возникать пондеромоторные силы,действующиенаконструкцию,поэтомунеобходимопроектироватьконструкцию с минимальным количеством замкнутых проводящих контуров;6) для возможности регенерации литиевой поверхности тлеющимразрядом литиевый лимитер должен быть электрически изолирован от камерытокамака с возможностью замыкания на неё через сопротивление во избежаниенакопления заряда во время штатной работы;7) литиевая поверхность должна быть защищена от воздействияатмосферы в процессе транспортировки и монтажа.Требования к материалам литиевых лимитеров:1) все используемые материалы должны обладать диамагнитными илипарамагнитными свойствами для минимизации токов Фуко;2) материал твёрдой основы КПС должен быть совместим с жидкимлитием и не образовывать с ним раствора.

Пористость, эффективный радиуспор и характер плетения должны подбираться с учётом полного удержанияжидкого лития силами поверхностного натяжения;3) все материалы должны иметь высокую теплопроводность для быстроговыравнивания температур и предотвращения локального перегрева;4)всематериалыдолжнысоответствоватьтепловойнагрузке,приходящей на них в процессе работы;5) материалы изоляторов также должны выбираться из соображенийтепловой нагрузки и совместимости изолятора с жидким литием;6) материалы тепловых аккумуляторов должны иметь высокую величинутеплоёмкости;527) конструкционные материалы должны быть технологичными;8) материалы должны обладать пониженным уровнем наведённойрадиоактивности («малоактивируемость»).3.2.

Вопросы выбора материала-основы КПССпособность жидкого металла смачивать контактирующие с нимиматериалы, проникать в поры и трещины зависит от смачиваемости материаловметаллом и его поверхностного натяжения. Для лития в интервале температур200–1300°Свеличинаповерхностногонатяженияопределяласьэкспериментально.

Обобщенное уравнение для поверхностного натяжениялития (в мН/м) имеет следующий вид:Сравнивая величину поверхностного натяжения, мН/м (при температуреплавления) для лития – 406, натрия – 200, калия – 112, рубидия – 87 и цезия –71,можновидеть,чтолитийимеетмаксимальноезначениеэтойхарактеристики [55]. Это в сочетании с низкой плотностью и определяетуникальные капиллярные свойства лития.Высокое значение поверхностного натяжения лития обусловливаетвысокое капиллярное давление, которое может создаваться в литиевыхкапиллярных структурах Pс, Па, которое определяется соотношением:где θ — краевой угол смачивания, Rэфф — эффективный радиус пор вкапиллярной системе. Зависимость капиллярного давления в литиевыхкапиллярных структурах при cos θ = 1 представлена на Рисунке 3.2 [55].Материалами для КПС могут быть сетки тканые из нержавеющей стали03Х19Н11ВИ (Рисунок 3.3), 03Х17Н11МИ, меди М0, латуни Л63.53Рисунок 3.2.

Капиллярное давлениеРисунок3.3.лития PC как функция эффективногоструктурарадиуса пор КПС Rэффнержавеющей стали 03Х19Н11ВИ снаКапиллярно-пористаяосновесеткиизэффективным радиусом пор 30 мкмКак было уже сказано одним из критериев работоспособности лимитерана основе литиевой КПС является удержание жидкого лития капиллярнопористой структурой. Дестабилизирующим фактором в данном случаеявляются электромагнитные силы от взаимодействия наведённых токов смагнитным полем.

Компенсация этих сил осуществляется подбором сетки КПСс таким эффективным радиусом пор, чтобы силы поверхностного натяженияпревосходили электромагнитные силы. В главе 1 упоминалось, что на токамакеТ11-М были проведены эксперименты по удержанию лития капиллярнопористой структурой [34], показавшие, что сетка с эффективным радиусом пор30 мкм способна удержать жидкий литий в условиях токамака Т-11М. Привыборематериаласеткитакженеобходимоучитыватьсовместимостьматериалов и их теплофизические характеристики. Во избежание локальныхперегревов материал сетки должен иметь высокую теплопроводность, поэтомулогично выбрать сетку из таких материалов как медь или серебро. Однаколитий с этими материалами образует твёрдый раствор [56, 57].

Растворимость54стали в литии составляет 6·10-4 %, поэтому в качестве основного материалатвёрдой матрицы КПС для всех созданных лимитеров была выбрананержавеющая сталь марки 03Х19Н11ВИ (Рисунок 3.3). Эта сталь относится каустенитному классу сталей, взаимодействие с которыми с литием в условияхтокамака хорошо изучено [58].При всех достоинствах нержавеющей стали как материала для твёрдойматрицы КПС с увеличением мощности токамаков и времени удержанияплазмыбудеттребоватьсяиной, болеетермостойкийматериал.Приувеличенной тепловой нагрузке КПС на основе нержавеющей стали теряетустойчивость и в зоне взаимодействия с плазмой начинает «отслаиваться» оттеплоаккумулятора, что приводит к её разрушению.

Для лимитеров на токамакеТ-11М это не столь критично как, например, для лимитеров на токамаках FTU,КТМ. По этим соображениям для лимитеров этих токамаков необходимосоздаватьКПСнаосновематериаласбольшейплотностью,теплопроводностью и теплоёмкостью, а также совместимым с жидким литием вусловиях токамака. На сегодняшний день такой материал есть — это элементыиз прессованной вольфрамовой проволоки очень малого диаметра ( 30 мкм).Структура такого материала очень напоминает войлок. На Рисунке 3.4 показантакой элемент и его структура.

Из-за сложности в его изготовлении один такойэлемент имеет очень высокую цену, поэтому его применение достаточноограничено. Ниже будет рассмотрено устройство (продольный лимитертокамака Т-11М), в котором используются элементы из вольфрамового«войлока».Рисунок 3.4. Элементы из вольфрамового «войлока»553.3. Тепловое состояние литиевых лимитеров. Обобщённая методикатеплового расчёта литиевых лимитеровНарядусудержаниемлитиякапиллярно-пористойсистемойработоспособность устройства напрямую зависит от его теплового состояния.Нижняя граница температурного диапазона, равная 200ºС, вводится дляобеспечения фазового состояния лития (Tпл=180С), верхняя (550ºС) — дляограничения уноса лития с поверхности лимитера путём испарения. Очевидно,что тепловой расчёт — неотъемлемая часть конструкторской работы посозданию таких внутрикамерных элементов.3.3.1.

Методика расчёта начального теплового состояния лимитераРабочий цикл литиевых лимитеров на токамаке включает в себяподготовительный этап и, собственно, работу устройства в плазменныхусловиях.Наподготовительномэтапенеобходимоперевестилитий,заключённый в капиллярно-пористую структуру, в жидкое состояние. Длясозданных лимитеров предварительный нагрев осуществляется с помощьюэлектрического нагревателя, который помещается внутрь лимитера. ОбобщённоконструкциялимитерапредставляетсобойпористыйматизКПС,установленный на тепловой аккумулятор, который в свою очередь крепится наопорной трубе.

При такой геометрии устройства и способе его нагрева расчётначального теплового состояния сводится к задаче о теплопроводности оченьдлинного многослойного цилиндра с источником объёмного тепловыделенияна внутренней стенке и теплосбросом путём излучения с внешней стенки итеплопроводности через элементы крепления. Цель расчёта: определитьтребуемую электрическую мощность нагревателя для полного перевода лития вжидкую фазу в любой точке устройства. Расчётная схема представлена наРисунке 3.5.56Рисунок 3.5. Обобщённая расчётная схема начального теплового состояниялимитера. Слева – общий вид, справа – сечение А-АКаждый слой имеет свои теплофизические (плотность, теплопроводность,теплоёмкость) и геометрические (диаметр цилиндров) характеристики.

Вданном случае первый слой – это тепловой аккумулятор, 2ой и 3ий слои —КПС (2 различных вида). Предполагается идеальный тепловой контакт слоёвмежду собой. Температура внутренней поверхности равна температуренагревателя Тнаг, внешней поверхности — нижней границе температурырабочего диапазона. Тепловая мощность от нагревателя Qнаг передаётся вконструкцию через внутреннюю стенку.

Тепло с поверхности сбрасываетсяизлучением и теплопроводностью в элементы конструкции (например, в узлахкрепления лимитера к кронштейну). Тепловой поток Qизл с поверхностилимитера по закону Стефана-Больцмана:где S — площадь поверхности лимитера, ε  0.2 — степень чернотыповерхности, СБ = 5.67·10-8 Вт/(м2·К4) — постоянная Стефана-Больцмана. Встационарном состоянии тепловой поток одинаков по всему сечению:где Qтеплопр — тепловой поток в элементы конструкцииИз [59] решение задачи теплопроводности:(( )( )())где di — внутренний диаметр i-го слоя, λi — теплопроводность i-го слоя.57Отдельностоитупомянутьотеплофизическиххарактеристикахкапиллярно-пористой структуры.

Капиллярно-пористую структуру в общемвиде можно представить как конгломерат из k материалов со своимитеплофизическими характеристиками и своей объёмной долей ε в КПС. Тогдахарактеристики такой капиллярно-пористой структуры:∑∑∑Используя данную методику расчёта, мы можем лишь приблизительнооценить тепловое состояние поверхности лимитера, к тому же для созданныхлимитеров достаточно проблематично определить Qтеплопр. Для уточнениярасчёта начального теплового состояния следует решить дифференциальноеуравнение теплопередачи с учётом радиационного охлаждения:()где Qн — удельное (в единице объёма) тепловыделение источника тепла, xi —i-ая ось системы координат.Решение данного уравнения для проектируемых лимитеров будетвыполнено автором численными методами в системе CosmosFlowWorks.