DE19515362A1 - Vorrichtung zur Sublimation der Asche von Fusionsreaktoren in evakuierbaren Kammern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beseitigung von auf als Desublimationsflächen dienenden metallischen Tafeln - sogenannten Panels - desublimierter Fusionsasche aus einem Fusionsreaktor durch Sublimation mit Hilfe von Mikrowellen.

Die Beseitigung der Asche von Fusionsreaktoren kann dadurch erzielt werden, daß innerhalb einer definierten Zeit die gasförmige Asche in einer evakuierten, mit dem Fusionsreaktor verbundenen und ebenfalls evakuierten Kammer auf auf kryogenen - also nahe dem absoluten Nullpunkt liegenden - Temperaturen gehaltenen Oberflächen von metallischen Panels desublimiert. In periodischen, möglichst kurz zu haltenden Zeiträumen wird die Kammer von dem Reaktor getrennt. Während dieser Zeit soll die entstandene Desublimationsschicht durch schnelles Erhitzen sublimiert werden. Dies soll dadurch geschehen, daß die Oberfläche der Panels erhitzt wird. Die dazu erforderliche Temperaturdifferenz beträgt typischerweise zwischen 20 bis 100 Grad Kelvin. Das entstandene Gas wird abgesaugt. Anschließend sollen die Desublimationsflächen möglichst schnell wieder auf kryogene Temperaturen abgekühlt werden.

Aus diesem Grund ist ein Verfahren zu finden, das möglichst schnell nur eine möglichst dünne Oberflächenschicht des Panels kurzzeitig erwärmt, was wegen der geringen erforderlichen Wärmemenge sowohl ein schnelles Aufheizen als auch ein schnelles Abkühlen ermöglicht. Als eine geeignete Heizmethode wird die Mikrowellenheizung angesehen. Tatsächlich haben Mikrowellen nur eine geringe Eindringtiefe in Metall und werden nur in einer dünnen Schicht absorbiert. Ein Nachteil ist jedoch die geringe Absorption der eingestrahlten Mikrowellen. Die Leistung wird fast vollständig reflektiert. Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn sich die zu heizenden Elemente auf kryogenen Temperaturen befinden. Die Berechnung der Reflexion und Absorption kann einfach mit Hilfe der Gleichungen aus Balanis, C. A. (Advanced Engineering Electromagnetics, New York, John Wiley & Sons 1989, Seite 213) durchgeführt werden.

Eine Erhöhung der Absorption ist prinzipiell dadurch möglich, daß die Mikrowellen mehrfach auf das Panel gestrahlt werden. Dies läßt sich zum Beispiel dadurch erreichen, daß das Panel und zusätzliche metallische Wände einen Resonator bilden. Die damit verbundene Feldstärkeüberhöhung im evakuierten Resonatorvolumen würde jedoch unweigerlich zu Überschlägen (Arcing) im Vakuum führen.

Auch die Verwendung eines Materials mit höherer Absorption, d. h. mit geringerer Leitfähigkeit, führt zu keiner Verbesserung, da die erhöhte Absorption zu einer größeren Eindringtiefe und damit zu einer Vergrößerung des zu heizenden Volumens führt. Es ist ohnehin schwierig, ein bei den herrschenden kryogenen Temperaturen gut absorbierendes Material zu finden.

Rechnungen zeigen zudem, daß wegen der Wärmeleitung in einem gut leitfähigem Material das ausschließliche Erwärmen einer dünnen Oberflächenschicht praktisch unmöglich ist, da die eingebrachte Wärme sofort ins Volumen abgeleitet werden würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu finden, mit deren Hilfe die auf Panels desublimierte Fusionsasche innerhalb möglichst kurzer Zeit sublimiert wird, was dadurch zu erreichen ist, daß eine möglichst dünne Oberflächenschicht des Panels (und damit ein möglichst geringes Volumen mit einer möglichst geringen Wärmekapazität) durch Einbringen von Mikrowellen mit möglichst geringer Feldamplitude möglichst schnell erwärmt wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichen der Ansprüche 1-3 gelöst.

Im folgenden soll die Erfindung nähers erläutert werden. Dazu werden in der Zeichnung drei Figuren aufgenommen.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Sublimation der Fusionsachse mit Hilfe von Mikrowellen. Sie besteht aus einer in das Vakuum eingebrachten Mikrowellenantenne 1, eine Panel 2 und einer Desublimationsschicht 3. Die Desublimationsschicht 3 und das Panel 2 werden der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Um Feldstärkeüberhöhungen im Vakuum zu vermeiden, soll die vom Panel reflektierte Leistung möglichst gering sein.

Fig. 2 zeigt in den Darstellungen "Einzelheit A" und "Einzelheit B" den Aufbau des Panels. Es besteht erfindungsgemäß aus einer im Vergleich zur Eindringtiefe - 1/e Abfall der Feldstärke - dünnen mikrowellenabsorbierenden Absorptionsschicht 2A auf einer nichtleitenden dielektrischen Schicht 2B, die wiederum auf einer Metallschicht 2C aufgebracht ist. Die Metallschicht 2C dahinter muß mindestens so dick gewählt werden, daß die sie erreichenden Mikrowellen praktisch vollständig reflektiert werden. Durch die Wahl der Dicke der Metallschicht 2C zu einem Mehrfachen der Eindringtiefe wird dies erreicht. Da jedoch diese Metallschicht (2C) zur Kühlung auf kryogene Temperaturen mit Kühlkanälen ausgestattet ist, wird die Dicke der Metallschicht (2C) ohnehin dieses Kriterium erfüllen.

In Fig. 3 sind die in der Berechnung verwendeten Formelzeichen gezeigt. Hierbei entspricht c_i der in negativer x-Richtung propagierenden Wellenamplitude, b_i der in positiver x-Richtung propagierenden Wellenamplitude. Die Wellenwiderstände der Schichten (allgemeine Bezeichnung Z_i, Z_j) beziehungsweise des Vakuums werden als Z₀ für das Vakuum, Z_v für die absorbierende Schicht (2A in Fig. 2), Z_d für die dielektrische Schicht (2B in Fig. 2) und Z_m für die metallische Schicht (2C in Fig. 2) bezeichnet.

Die gegenüber der auf reinem Metall erhöhte Absorption der Mikrowellen findet nach dem Prinzip sogenannter Folienkalorimeter statt, wie es zum Beispiel in Wharton, C. B., Earley, L. M. and Ballard, W. P. (rev. Sci. Instrum. 57(5), May 1986) beschrieben ist. Die Auslegung ist dem Fachmann bekannt, die Berechnung von Mehrschichtproblemen ist z. B. in Collin, R. E. (Field Theory of Guided Waves, IEEE Press, ISBN 0-87942-237-8, Seite 181-202) sowohl für senkrechten wie auch für schrägen Einfall relativ zum Flächenlot beschrieben.

Im Folgenden wird eine Vierschichtanordnung (Vakuum: Index 0 - dielektrische Schicht: Index d - absorbierende Schicht: Index v - Metallschicht: Index m) für den Fall des senkrechten Einfalls von Mikrowellen vom Vakuum her kommend beispielhaft berechnet.

Die Desublimationsschicht (3 in Fig. 2) ist nur wenige Mikrometer dick und somit für das Mikrowellenverhalten irrelevant. Weiterhin wird ausGründen der Prozeßsicherheit und Vorhersagbarkeit das Panel und nicht die Desublimationsschicht (3 in Fig. 2) als absorbierendes Volumen ausgelegt. Damit ist die Heizwirkung von eventuellen Inhomogenitäten in der Dicke und Verteilung der Desublimationsschicht (3 in Fig. 2) unabhängig. In anderen Anwendungsfällen kann natürlich eine desublimierte oder kondensierte Schicht die Funktion der absorbierenden Schicht übernehmen.

Die Berechnung für den schrägen Einfall und die entsprechende Modifikation der Ergebnisse ist für den Fachmann ohne weiteres durchführbar.

Bei der Berechnung wird das Metall (2C in Fig. 2) idealisiert als unendlich leitfähig angesehen. Es gilt somit

b₀ = 0

und das Transmissionselement

T_dm = 0

(Transmission der Feldamplitude vom Medium i zum Medium j wird mit Tÿ gekennzeichnet) woraus folgt:

b₁ = -c₁

(seihe Gleichung 46, Collin, Seite 185).

Diese Vektoren dienen als Eingangsparameter für die Transformation durch die dielektrische Schicht (d), absorbierende Schicht (v) zum Vakuum (0). Die Transmissionsmatrix für die Trennstellen lautet (siehe Gleichung 56, Collin, Seite 188)

wobei T_ÿ der Transmissionskoeffizient vom Medium i zum Medium j ist, also:

T_ÿ = 2*Z_i/(Z_i+Z_j)

und R_i der Reflexionskoeffizient zwischen den Medien i und j ist, also:

R_i = (Z_i-Z_j)/(Z_i+Z_j)

(siehe Collin Gl. 40, Seite 183). Bei der Transmission durch eine Schicht der Dicke δ ergibt sich:

wobei γ=κ+iβ wobei κ die Dämpfungskonstante ist, β=2π/λ die Wellenzahl mit λ der Wellenlänge ist. Das Hintereinanderschalten von Schichten (Matritzenmultiplikation) wie in Fig. 3 (Exponent der dielektrischen Schicht: γ_dd_d=iΘ, der absorbierenden Schicht: γ_vd_v=γδ und Trennstellen ergibt die Gesamtübertragungsfunktion:

wobei

Die wählbaren Parameter Z_v und Z_d und die Dicken der Schichten sind so zu wählen, daß gilt:

b₅ = 0 [3]

Gl. [3] wird in die untere Gleichung Gl. [2] eingesetzt. Werden als Näherung die absorbierende Schicht extrem dünn angenommen, d. h.

e^γδ ≈ 1+γδ

und die Schichtdicke der dielektrischen Schicht zu einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge im Medium gewählt, so erhält man:

Tatsächlich geht man bei der exakten Lösung jedoch anders vor: Es werden Materialien gewählt und die Schichtdicken d_dopt und d_vopt so optimiert, daß |b₅|→min.

Das obige Beispiel diente zur anschaulichen Betrachtung: Die eingestrahlten Mikrowellen werden von der ersten absorbierenden Schicht teilweise reflektiert, teilweise absorbiert und teilweise transmittiert. Die transmittierte Leistung wird in der folgenden dielektrischen Schicht praktisch nicht absorbiert, an der metallischen Wand, die lediglich ein Mehrfaches der Eindringtiefe betragen muß, vollständig reflektiert und erreicht nach der optischen Weglänge von einer Wellenlänge und einer Reflexion an Metall (→zusätzlicher Phasensprung 180°) wiederum die absorbierende Schicht.

Die wiederum durch diese absorbierende Schicht (Index v in Fig. 3, 2A in Fig. 2) transmittierte Leistung überlagert sich mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad mit der eingangs reflektierten Mikrowellenleistung. Die Phasenverschiebung in der dünnen, absorbierenden Schicht (Index v Fig. 3, 2A in Fig. 2) wird in der anschaulichen Betrachtung vernachlässigt. Sind die eingangs reflektierte Strahlung und die rückwärts durch die absorbierende Schicht (Index v in Fig. 3, 2A in Fig. 2) transmittierte Leistung in der Amplitude gleich groß, so wird keine Leistung reflektiert. In (Wharton et al) wird ein solches Folienkalorimeter beschrieben, bei der der Absorptionskoeffizient größer als 97% war.

Erfindungsgemäß wird nun ein Panel mit einer solchen Mehrschichtanordnung versehen. Die Mikrowellenleistung wird in der dünnen absorbierenden Schicht (Index v in Fig. 3, 2A in Fig. 2) fast vollständig absorbiert. Dadurch wird erreicht, daß die eingestrahlte Mikrowellenleistung nur lokal eine dünne Schicht erwärmt. Die nichtleitende dielektrische Schicht (Index d in Fig. 3, 2B in Fig. 2) kann aus einem Material mit möglichst schlechter Wärmeleitfähigkeit gewählt werden.

Die Formeln wurden für den Fall eines senkrechten Einfalls abgeleitet. Ein senkrechter Einfall läßt sich prinzipiell durch eine entsprechend geartete Antenne erreichen. Tatsächlich steht man jedoch häufig vor dem Problem, daß nicht ausreichend Bauraum für eine solche Antenne vorhanden ist. Im vorliegenden Fall steht nur der Bauraum für ein zylinderförmiges Rohr vorgegebenen Außendurchmessers (D2a) zur Verfügung. Die Entfernung vom Panel (Maß l in Fig. 2) ist vorgegeben. Dies hat zur Folge, daß der Wellenzahlvektor der auftreffenden Mikrowellenleistung längs der Fläche in der Einfallsrichtung variiert. Die Bedingungen zur Auslegung der Schichtdicken variieren damit ebenfalls.

Die Intensität variiert in transversaler Richtung ebenfalls, falls die Antenne über den Abstrahlwinkel eine gleichmäßige Abstrahlcharakteristik hat.

Ein schräger Einfall unter den Winkeln Beta (siehe Fig. 2) und Alpha (siehe Fig. 1) erfordert andere Schichtdicken als ein senkrechter. Die Rechnung ist dann aufwendiger, jedoch für den Fachmann ohne weiteres durchführbar (siehe Collin, Seite 192-199). Hierbei ist der Winkel Alpha konstant (der Winkel Alpha ist der Brillioun Winkel des Modes in dem als Antenne dienenden Wellenleiter mit dem Innendurchmesser D1a) und der Winkel Beta variiert über die Breite Bp des Panels (2) (siehe Fig. 2). Die Höhe Hp des Panels (2 in Fig. 1) und die Höhe Ha der Antenne (1 in Fig. 1) werden zweckmäßig gleich groß gewählt. Um den Winkel Alpha nicht zu groß werden zu lassen, wird der als Antenne dienende Wellenleiter nahe der Grenzfrequenz betrieben.

Zu beachten ist, daß die Transmission und Reflexion von der Polarisation abhängen. Prinzipiell wird wie beim normalen Einfall vorgegangen, jedoch müssen für die unterschiedlichen Fälle der Polarisation des E-Feldes in der Einfallsebene und senkrecht dazu die Wellenwiderstände entsprechend geändert werden (siehe Collin, Seite 194-196). Die Gleichungen 91 und 92 in Collin (siehe Seite 198 und 199) geben normierte Wellenwiderstände für schrägen Einfall bei verlustbehafteten Medien an. Die oberen Gleichungen können zur Berechnung verwendet werden wenn die Wellenwiderstände entsprechend dem schrägen Einfall und der Polarisation zu effektiven Wellenwiderständen berechnet werden (siehe Collin, Gleichung 90+91, Seite 198 und 199).

Aus herstellungsbedingten Gründen ist die Variation der Schichtdicken jedoch ungünstig. Es ist dennoch eine möglichst gleichmäßige Absorption über der gesamten Fläche anzustreben. Dazu wird ausgenutzt, daß die Absorption bei einer über den Azimuth gleichmäßig eingestrahlten Mikrowellenleistung ebenfalls längs der Fläche variiert. Ist die elektromagnetische Welle so polarisiert, daß der elektrische Vektor in der Einfallsebene liegt, so ist das Verhältnis der transmittierten zur reflektierten Leistung vom Winkel des Auftreffens abhängig. Diese Effekte können zur Erzielung einer gleichmäßigen Absorption ausgenutzt werden.

Die Bandbreite des Panels läßt sich dadurch steigern, daß statt einer dielektrischen, nichtleitenden Schicht mehrere dielektrische, nichtleitende Schichten verwendet werden. Die Berechnung verläuft analog.

Die Fig. 1 und 2 enthalten die Darstellung eines Panels 2 mit einer geeigneten zylindrischen Antenne 1. Zweckmäßig besteht die Antenne aus einem zylindrischen oder koaxialen Wellenleiter, in dem bevorzugt der TM01-Mode bevorzugt nahe der Grenzfrequenz oder ein TEM mode propagiert. Bevorzugt dienen transversale Schlitze in der Antenne als Auskoppelöffnungen. Die Form, Größe und die Abstände der Schlitze zueinander sowie die Anzahl und Lage der Schlitze können so optimiert werden, daß das Panel 2 mit einer gewünschten Leistungsdichteverteilung beaufschlagt wird. Die Optimierung ist nicht Gegenstand der Erfindung. Dadurch kann jedoch der Effekt kompensiert werden, daß die Absorption der Mikrowelle im Panel von der Richtung der einfallenden Mikrowellenleistung relativ zur Flächennormalen abhängt.

Dies wird durch die Darstellung der Einzelheit A und Einzelheit B in Fig. 2 verdeutlicht.

Dabei wird die wirksame Schichtdicke gezeigt. Die optimale Schichtdicken d_dopt und d_vopt genauso wie die optimnalen Wellenwiderstände Z_dopt und Z_vopt erhält der Fachmann durch numerisches Lösen der Gleichung [2]. Materialien mit den entsprechenden Wellenwiderständen lassen sich in der entsprechendenb Literatur finden. Der Unteranspruch 3 zeigt die Bauform einer entsprechenden Antennenvorrichtung.

Bezugszeichenliste:

1 Antenne
2 Panel, aufgebaut aus
Position 2A: absorbierende Schicht
Position 2B: dielektrische Schicht
Position 2C: metallische Schicht mit Kühlkanälen
3 Desublimationsschicht

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Sublimation von desublimierter Asche von Fusionskraftwerken bestehend aus einer Mikrowellenantenne und einem sich im Vakuum befindlichen als Desublimationsfläche dienenden Panel, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Panel eine Mehrschichtstruktur aufweist, bestehend aus einer bevorzugt metallischen, elektrisch leitfähigen Grundplatte von einer Dicke von mindestens einem Vielfachen der Eindringtiefe, auf die eine dielektrische, nichtleitfähige Schicht der Dicke d_dopt (in schlecher Näherung von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge dieses Mediums Z_d) aufgebracht ist, auf welche wiederum eine im Vergleich zur Eindringtiefe dünne mikrowellenabsorbierende Schicht des Mediums Z_v der Dicke d_vopt aufgebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die dielektrische, nichtleitfähige Schicht Wellenwiderstand Z_d durch mehrere dielektrische, nichtleitfähige Schichten ersetzt wird, wodurch die Bandbreite erhöht wird.

3. Eine Antenne zur Bestrahlung des Panels mit Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Antenne aus einem zylindrischen Wellenleiter, in dem bevorzugt der TM01-Mode bevorzugt nahe der Grenzfrequenz propagiert besteht,
• - an dieser Antenne bevorzugt transversale als Auskoppelöffnungen dienende Schlitze angebracht sind, deren Form, Größe und Abstände zueinander sowie deren Anzahl und Lage so optimiert werden können, daß das Panel mit einer gewünschten Leistungsdichteverteilung beaufschlagt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Antenne aus einem koaxialen Wellenleiter besteht.