Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Плотность плазмы в ГОЛ-3 в тридцать раз выше, чем в среднем утокамаков (плотность плазмы в JET 5*1013 см-3), и, в отличие от токамаков,нет ограничений по давлению плазмы. Если давление плазмы будет сравнимо с давлением магнитного поля (5 Тл создаёт давление ~100 атмосфер),то ловушка перейдёт в режим «стеночного» удержания – вытолкнутое изплазмы магнитное поле (плазма – диамагнетик) будет концентрироваться иувеличиваться вблизи стенок камеры и всё равно будет удерживать плазму. Сейчас неизвестно ни одной причины, которая принципиально бы ограничивала рост основных термоядерных параметров (n, T и время удержания) в многопробочных ловушках.Главная задача, стоящая перед коллективом установки ГОЛ-3, это разработка концепции многопробочного термоядерного реактора и последующая экспериментальная проверка основных положений этой концепции.
Оценки показывают, что для многопробочного реактора с Q ~ 1 достаточно длины 60 м и диаметра плазмы ~10 см, это гораздо меньше размеров ИТЭРа. Для подтверждения концепции требуется создать электронныепучки большой длительности (~1 мс), а также системы нагрева плазмыГОЛ-3 нейтральными пучками. Работа по этим направления уже активноведется.6010. ЗАДАЧИ ТЕРМОЯДЕРНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯКак уже говорилось, демонстрация возможности достичь коэффициента усиления мощности Q ≈ 1 в системах с магнитным удержанием привелак резкому увеличению активности в области решения полного комплексанаучных и инженерных проблем, направленных на создание термоядерных установок для производства энергии.
Термоядерный реактор на основе систем с магнитным удержанием должен сочетать в себе трудносовместимые объекты: от сверхпроводящих систем с температурой жидкого гелия до горячей плазмы с температурой в сотни миллионов градусов. Материалы элементов конструкции при этом будут находиться под воздействием экстремально высоких потоков тепла, заряженных частиц и нейтронов.Эти обстоятельства выводят задачи поиска и создания материалов дляэлементов конструкции будущих реакторов в разряд ключевых.
Цельюданного раздела является краткое знакомство читателя с актуальными вопросами термоядерного материаловедения.10.1. Проблема выбора материала первой стенкиОдной из серьезнейших задач программы термоядерного синтеза наоснове магнитного удержания стал вопрос о материале первой стенки, обращенной к плазме. Стенка должна принимать потоки энергии и частиц.В замкнутых магнитных конфигурациях вся энергия выходит через стенку,и только в ловушках открытого типа есть варианты с прямой конверсиейтермоядерной мощности в электрическую, например, проекты открытыхловушек с вращающейся плазмой [11].
В современных токамаках потокичастиц и энергии попадают на стенку в специальном устройстве – диверторе. Расположение дивертора в токамаке обозначено на схеме ИТЭРа(см. рис. 15).К свойствам первой стенки предъявляются следующие требования:• высокая теплопроводность, адекватные механические свойства,низкая активация нейтронами, доступность (в том числе по цене);• совместимость с высокотемпературной плазмой реактора:стойкость к физическому и химическому распылению, высокаятемпература плавления (сублимации), стойкость к тепловым ударам,низкий поток вещества со стенки в основную плазму;• совместимостьстеплоносителем,высокаяпрочность,возможность механического и теплового соединения деталей, (табл. 2).61Таблица 2. Нагрузки на материалы в диверторе ИТЭРа с материалами, использующимися в ТЭЦ и АЭСТЭЦЯдерный Дивертор ИТЭРреакторделенияПоток тепла, МВт/м20,20,75Тепловые удары, МДж/м2––10-100Нейтронная нагрузка, dpa–100,2МатериалСтальZircaloy-4CuCrZr покрытCFC и WТеплоносительВода-парВодаВодаДавление, МПа28154Температура280-600285-325100-150Скорость, м/с3510Допустимые утечки, г/с505010-7Примечание: dpa (displacement-per-atom) – среднее количество перемещенийатома из узлов кристаллической решетки материала под воздействием нейтронногоизлучения за период эксплуатации.Импульсная нагрузка в ИТЭРе в случае вероятного «срыва» плазмы ивысвобождения ее энергии на поверхности первой стенки составит100 МДж/м2 за 1 мс.
Кроме того, 0,5–4 МДж/м2 за 0,3–0,6 мс будет выделяться при развитии так называемых ELMов, представляющих собой периодические явления на границе плазмы токамака, приводящие к выбросуэнергии из горячей области на стенку (ELM – Edge Localized Mode). Ожидается, что ELMы будут происходить многократно (более 103 раз) за одинрабочий импульс [32].
В итоге требования к дивертору ИТЭР это 10 000циклов тепловой нагрузки при потоках 30–50 МВт/м2. Поскольку эти нагрузки слишком велики, для ИТЭРа разрабатываются специальные сценарии работы (например, с использованием быстрых диагностик с обратнойсвязью) без срывов, ELMы при этом развиваются с большей частотой, но сменьшей пиковой нагрузкой.62BeWCFCРис. 28.
Схема дивертора ИТЭРаВ качестве материала дивертора предполагается использовать вольфрам и углеродные материалы (CFC – carbon fiber composite, графит), в качестве первой стенки вакуумной камеры – бериллий (Рис. 28.), параметрыкоторых представлены в Табл. 3.Таблица 3.
Характеристики бериллия, углеродных композитов ивольфрамаBeCFCWZ, атомный номер4674Допустимая концентрация в плаз- 15 % 12 %10-6ме ИТЭР190200…500140Теплопроводность λ, Вт/м*КТемпература плавления, °С12853500 (сублимация) 3410Площадь покрытия в ИТЭРе, м2~680 ~50~10063Рис. 29. Температура плавления различных металлов10.2. Испарение материала, эффект экранировкиРассмотрим, что происходит с материалом под воздействием тепловогопотока.
Для каждого материала существует предельный поток энергииwmax, который может отводиться от облучаемой поверхности вглубь материала за счёт теплопроводности:wmax (t ) = λ∇T ≈ Tmax (λcρ / πt )1 / 2 ,(10.1)где λ – коэффициент теплопроводности; c – удельная теплоёмкость; ρ –массовая плотность; Tmax – максимально возможная температура поверхности материала (это может быть температура кипения или сублимации);t – момент времени от начала взаимодействия.
Например, при t = 1 мкс длявольфрама wmax = 100 ГВт/м2, меди wmax = 50 ГВт/м2, графита wmax = 20ГВт/м2, стали wmax = 15 ГВт/м2 [14]. В том случае, когда поступающий наповерхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь материала, т.е. w > wmax, начинается интенсивное его испарение. Именно такойрежим будет реализовываться на диверторных пластинах ИТЭР при срывах тока, следовательно, пластины могут сильно эродировать и разрушаться. В существующих токамаках условие w > wmax практически не достигается, и основным механизмом эрозии материалов является атомарноераспыление под действием потока частиц.Расчёты показывают, что если бы вся энергия плазменного потока доходила до поверхности диверторных пластин, то это приводило бы к испа64рению большого количества материала, и при каждом срыве тока с поверхности пластин испарялся бы слой вещества толщиной 100—200 мкм[32,33].Специфика взаимодействия мощных потоков плазмы с материаламизаключается в том, что в результате испарения и ионизации материаламишени перед облучаемой поверхностью быстро образуется плотный слоймишенной плазмы, который выполняет роль своеобразного экрана, защищая поверхность от прямого воздействия плазменного потока [12, 34].В условиях, характерных для срыва тока в ИТЭР, экранирующий слоймишенной плазмы образуется в течение нескольких микросекунд [12], т.
е.практически одновременно с началом взаимодействия плазмы с материалом. Затем начинается квазистационарная стадия процесса, когда тепловоевоздействие на мишень полностью определяется процессами переносаэнергии в экранирующем слое. При этом значительная часть энергииплазменного потока рассеивается в виде излучения мишенной плазмы ивообще не доходит по поверхности [13]. В результате тепловая нагрузка намишень существенно снижается, соответственно уменьшается количествоиспаренного материала.Эрозия графита МПГ-8, измеренная на установке МК-200 при однократном воздействии плазменного потока с плотностью энергииq = 15 МДж/м2, составила 0,4 мкм [14]. В отсутствие экранирующего слоя,т.
е. в том случае, когда вся энергия плазменного потока доходила бы доповерхности и полностью расходовалась на нагрев и испарение материаламишени, с облучаемой поверхности испарился бы слой графита толщинойоколо 200 мкм [34]. Таким образом, за счет эффекта экранировки эрозияграфита уменьшилась в 500 раз!В случае вольфрама эффективность экранировки оказалась ещё выше.На испарение материала расходовалось не более 0,1 % энергии плазменного потока, а основная часть энергии трансформировалась в излучение мишенной вольфрамовой плазмы и рассеивалась в окружающее пространство. При этом излучение было настолько интенсивным, что вызывало плавление и испарение элементов вакуумной камеры, не находящихся в контакте с плазмой.
Этот экспериментальный факт указывает на то, что нетолько приемные пластины дивертора, но и другие его элементы, находящиеся за пределами плазменного потока, должны быть покрыты теплозащитными материалами.Если бы эрозия происходила только за счёт испарения, то проблемуэрозии теплозащитных материалов дивертора при срывах тока можно было бы считать уже решённой. Однако существуют еще макроскопическиемеханизмы эрозии, которые могут вызывать более серьёзные поврежденияматериалов, чем испарение.6510.3. Макроскопические механизмы эрозииЕсли в падающем на материал плазменном потоке есть высокоэнергичные (Ее > 100 кэВ) электроны, то они свободно проходят через слой испаренного материала, непосредственно бомбардируют поверхность и проникают внутрь материала, приводя к объёмному нагреву приповерхностнойобласти мишени.
Глубина пробега зависит от плотности материала мишени и энергии падающих электронов. Электроны с энергий 1 МэВ имеютпробег порядка 0,3 мм в вольфраме и 2 мм в графите [15].Резкий объёмный нагрев материала приводит к возникновению в нёмтермических напряжений и макроскопическому разрушению [16].В результате в зависимости от плотности потока энергии на мишень в эксперименте могут реализовываться различные режимы эрозии. Мелкозернистые графиты и С-С-композиты могут эродировать в виде гранул из-замакроскопического хрупкого разрушения [17].Энергетический порог хрупкого разрушения графита, равный 10 кДж/г,был экспериментально определён на установке ГОЛ-3 [35].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
