DE3600646A1

DE3600646A1 - First wall for a fusion reactor

Info

Publication number: DE3600646A1
Application number: DE19863600646
Authority: DE
Inventors: Siegfried Malang
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1986-01-11
Filing date: 1986-01-11
Publication date: 1987-07-16
Also published as: DE3600646C2

Abstract

First wall for a fusion reactor, one side of which is directed straight towards the plasma and the other side of which exhibits cooling devices such as cooling channels. The heat is transferred to the cooling channels predominantly by radiation. The side of the wall directed towards the plasma consists of juxtaposed plates, one flat top side of which is directed towards the plasma. The aim of the present invention is, on the one hand, to improve the thermodynamic properties of such a wall and, on the other hand, to provide a good exchangeability of the elements which are exposed directly to the radiation. This is achieved when the cooled side of the wall exhibits cooling channels (4) whose walls (3) form rail-type structures (7) which, seen in the direction pointing away from the plasma (6), exhibit constrictions (9) and expansions (10) adjoining the latter. The plates are formed by shaped blocks (bricks) (11) whose top side (12) is of flat construction and faces the plasma (6). The ends, facing the cooled side, of the shaped blocks (6) have bulges (13) whose positive shape corresponds approximately to the negative structures (7) between the sheet-metal walls. The shaped blocks (11) are threaded one behind another with their bulges (13) into the rails (7) in a self-closed fashion. Their top sides (12), which are respectively juxtaposed, form a surface directed towards the plasma (6). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine erste Wand für einen Fusionsreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.The present invention relates to a first wall for one Fusion reactor according to the preamble of the claim.

Zwischen dem Plasma und der es umgebenden ersten Wand kommt es zu Wechselwirkungen durch Strahlung und Teilchen. In einem Fusionsreaktor muß die erste Wand ca. 20% der im Plasma freigesetzten Fusionsleistung aufnehmen. Diese tritt in Form von Strahlung oder von Strömen geladener und ungeladener Teilchen aus dem Plasma auf. Die erste Wand muß in der Lage sein, die auftretenden Belastungen auszuhalten und beachtli che Wärmemengen abzuführen. Daraus resultieren Forderungen für die Werkstoffwahl und die konstruktive Gestaltung der ersten Wand auf der Plasmaseite sowie der Zone zwischen Plasma und erster Wand und ihrer dem Plasma abgewandten Seite.It comes between the plasma and the surrounding first wall there are interactions by radiation and particles. In one Fusion reactor must have the first wall about 20% of that in the plasma released fusion power. This takes shape of radiation or of charged and uncharged currents Particles from the plasma. The first wall must be able to be able to withstand the loads that occur and be noteworthy dissipate heat. This results in demands for the choice of materials and the design of the first wall on the plasma side and the zone between Plasma and first wall and their facing away from the plasma Page.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Schutzplatten aus Graphit oder keramischem Material gegenüber der dem Plasma ausge setzten Seite vorzusehen, die befestigt werden müssen. Me tallische Verbindungen zwischen den Platten und den tragenden Teilen der ersten Wand führen jedoch zu sehr hohen Beanspru chungen durch Wärmeausdehnungen. Durch mechanischen Druck befestigte Platten besitzen den Nachteil, daß der Druck in folge thermischen und strahleninduzierten Kriechens reduziert wird. Man strebt daher an, die Wärme lediglich durch Strah lung bzw. zum überwiegenden Teil durch Strahlung über die Wand an das Kühlmittel zu übertragen.It has already been proposed to use protective plates made of graphite or ceramic material compared to the plasma provided side that must be attached. Me metallic connections between the plates and the load-bearing However, parts of the first wall lead to very high demands thermal expansion. By mechanical pressure attached plates have the disadvantage that the pressure in thermal and radiation-induced creep reduced becomes. One therefore strives to heat only by means of a jet or mainly by radiation from the Transfer wall to the coolant.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine erste Wand für einen Fusionsreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu schaffen, die den Belastungen durch Strah lung, Teilchenbeschuß und Kühlmittel standhält ohne zu schmelzen oder zu große Abtragung zu erleiden. Dabei muß die auf der ersten Wand durch Strahlung und Teilchen aus dem Plasma deponierte Energie so abgeführt werden können, daß sie in Nutzenergie verwandelt werden kann. Sehr wünschenswert ist es dabei, daß die Platten der ersten Wand sehr einfach und möglichst fernbedient ausgewechselt werden können, da sie infolge der dort herrschenden Bedingungen einer relativ hohen Abtragung unterliegen.The present invention has for its object a first Wall for a fusion reactor according to the preamble of To create a claim that the strains by beam tion, particle bombardment and coolant withstand without too much melt or suffer too much erosion. The on the first wall by radiation and particles from the Plasma deposited energy can be dissipated so that it can be converted into useful energy. Is very desirable it that the panels of the first wall are very simple and can be replaced remotely as possible, since they due to the prevailing conditions there a relatively high Subject to deduction.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin dung bei einer ersten Wand der eingangs beschriebenen Art die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspruches aufge führt sind.The present inventor proposes to solve this task dung with a first wall of the type described above Features before in the characterizing part of the claim leads are.

Eine solche Ausbildung der Wand bzw. der Platten als Form steine besitzt nun beachtliche Vorteile:Such a design of the wall or the plates as a shape steine now has considerable advantages:

Das Verhältnis der Wärme abgebenden zu der Wärme bzw. Strah lung aufnehmenden Fläche der Formkörper ist groß. Kleine Abmessungen der Formkörper führen zu verringerter Wärmedeh nung und damit zu minimierten thermischen Spannungen, da die Formkörper auch mit gewissem Spiel befestigt werden. Es tre ten kurze und gleichförmige Wärmeflußpfade auf, die dazu führen, die Temperaturen und Temperaturänderungen in den Strukturmaterialien zu minimalisieren. Die Spalte zwischen den Formsteinen und den Halteelementen können groß genug gemacht werden, um freie thermische Ausdehnungen oder strah leninduziertes Schwellen aufzunehmen. Dies minimiert, wie bereits erwähnt, die Wärmespannungen und erlaubt die Anwen dung von z.B. Formsteinen aus Siliciumkarbid. Die Wärme abge bende Fläche kann grob gesehen zweimal so groß wie die dem Plasma ausgesetzte Oberfläche ausgeführt werden, welches zu einer Reduktion der Formkörpertemperatur um etwa 200°K, verglichen mit anderen Konzepten, führt. Ebenso ist es leicht möglich, gebrochene oder beschädigte Formsteine zu entfernen und auszuwechseln, ohne das gesamte Blanketsegment zu entfer nen oder die Kühlung abzuschalten.The ratio of the heat emitted to the heat or radiation lung receiving area of the molded body is large. Little one Dimensions of the moldings lead to reduced thermal expansion voltage and thus minimized thermal stresses, since the Shaped bodies can also be attached with a certain amount of play. It tre short and uniform heat flow paths, which cause the temperatures and temperature changes in the Minimize structural materials. The column between the shaped stones and the holding elements can be large enough made to free thermal expansions or strah to record len-induced swelling. This minimizes how already mentioned the thermal tensions and allowed the users of e.g. Shaped stones made of silicon carbide. The heat dissipated Roughly speaking, the surface area can be twice as large as that Plasma exposed surface can be run, which too a reduction of the molded body temperature by approximately 200 ° K, compared to other concepts. It is also easy possible to remove broken or damaged stones and replace them without removing the entire blank segment or switch off the cooling.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.Further details of the present invention are explained in more detail below and with reference to FIGS. 1 to 3.

Es zeigen:Show it:

die Fig. 1 einen Schnitt durch die erste Wand eines Fusions reaktors mit flüssigkeitsgekühltem Blanket, Fig. 1 shows a section through the first wall of a fusion reactor having a liquid-cooled Blanket,

die Fig. 2 die gleiche Wand mit Gaskühlung und Kühlrohren, Fig. 2 shows the same wall with gas cooling and cooling tubes,

die Fig. 3 eine Wand ähnlich der Fig. 2 mit anderer Anord nung der Kühlrohre. Fig. 3 shows a wall similar to that of Fig. 2 with other Anord voltage of the cooling tubes.

In der Fig. 1 ist eine Platte 2 dargestellt, auf die ge wellte Strukturen aus Stahlblech 3 aufgeschweißt sind, wäh rend der Platte 2 gegenüberliegende innere Hohlräume Kühlka näle 4 bilden, in denen das Kühlmittel 5 z.B. ein Flüssigme tall in toroidaler Richtung fließt. Auf der dem Plasma 6 abgewendeten Seite der Platte 2 fließt Kühlmittel 8, eben falls z.B. Flüssigmetall in poloidaler Richtung. In Fig. 1, a plate 2 is shown, on the corrugated structures of sheet steel 3 are welded, while the plate 2 opposite inner cavities form cooling channels 4 , in which the coolant 5 flows, for example, a liquid metal in a toroidal direction. Coolant 8 flows on the side of the plate 2 facing away from the plasma 6 , even if, for example, liquid metal in the poloidal direction.

Die Bleche 3 sind nun so gewellt, daß sich zwischen den Wellen schienenartige Negativstrukturen bilden, die Verengun gen 9 und - vom Plasma 6 aus gesehen - folgende Erweiterungen 10 aufweisen.The sheets 3 are now corrugated so that rail-like negative structures form between the waves, the constrictions 9 and - seen from the plasma 6 - have the following extensions 10 .

Dem Plasma 6 gegenüber sind nun Formsteine 11 gelegen, deren Oberseite 12 flach ist - gegenüber dem Plasma - und deren untere Seite eine gewölbte Positivstruktur 13 besitzt, die etwa der Negativform 7 in etwas kleineren Abmessungen ent spricht. Die Form der Oberfläche 12 der Formsteine 11 kann etwa quadratisch ausgebildet sein, das Material ist z.B. Graphit oder Keramik wie Siliciumkarbid.The plasma 6 opposite are now shaped stones 11 , the top 12 is flat - compared to the plasma - and the lower side has a curved positive structure 13 , which speaks about the negative form 7 ent in somewhat smaller dimensions. The shape of the surface 12 of the shaped stones 11 can be approximately square, the material is, for example, graphite or ceramic such as silicon carbide.

Die Formsteine 11 sind nun mit ihren gewölbten Strukturen 13 in die negativen Strukturen 7 der Kühlkanäle 4 hintereinander eingefädelt, sitzen mit gewissem Abstand relativ lose darin und werden durch die Verengungen 9 formschlüssig festgehal ten. Diese Art der Befestigung ermöglicht eine leichte Aus wechselbarkeit, die sich sehr einfach fernbedient durchführen läßt. Die dem Plasma 6 zugewandte, die Wärme aufnehmende Oberfläche 12 der Steine 11 ist dabei etwa halb so groß wie die Wärme abgebende gewölbte Struktur 13, die die aufge nommene Wärme durch Strahlung auf die Kühlkanäle 4 überträgt und damit an das Kühlmittel 5 abgibt. Auf diese Art läßt sich eine gute Kühlung der ersten Wand erzielen und die Oberflä chentemperaturen an den Flächen 12 voraussichtlich auf den gewünschten und möglichst nicht zu überschreitenden Tempera turbereich von ca. 1200°C halten.The shaped blocks 11 are now threaded with their curved structures 13 in the negative structures 7 of the cooling channels 4 one behind the other, sit relatively loosely at a certain distance and are positively held by the constrictions 9. This type of fastening allows for easy interchangeability can be carried out very easily by remote control. The plasma 6 facing, the heat-absorbing surface 12 of the stones 11 is about half the size of the heat-emitting curved structure 13 , which transfers the heat absorbed by radiation to the cooling channels 4 and thus releases it to the coolant 5 . In this way, good cooling of the first wall can be achieved and the surface temperatures on the surfaces 12 are likely to be kept at the desired temperature range of approximately 1200 ° C. which should not be exceeded.

Die Fig. 2 zeigt nun dieselben Formsteine 11 wie in der Fig. 1, die jedoch an einer gasgekühlten ersten Wand 1 verwendet werden. Die Negativstrukturen 14, die hier die gewölbten Strukturen 13 der Steine 1 festhalten, werden durch Kühlrohre 15 gebildet, die von einem Kühlgas 16 durchströmt werden und die mit einem Fußteil 17 an der Platte 18 ange schweißt sind. Diese Platte 18 wird an ihrer Seite 19 von weiterem Kühlgas 20 gekühlt. FIG. 2 now shows the same shaped blocks 11 as in FIG. 1, but which are used on a gas-cooled first wall 1 . The negative structures 14 , which hold the curved structures 13 of the stones 1 here , are formed by cooling tubes 15 through which a cooling gas 16 flows and which are welded to the plate 18 with a foot part 17 . This plate 18 is cooled on its side 19 by further cooling gas 20 .

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung der ersten Wand 1 mit etwas abgewandelten Formsteinen 21, die aber, ebenso wie im vorstehenden beschrieben, befestigt sind. Die Kühlung wird hier aus zwei Reihen von miteinander verschweißten Kühlrohren 22 für das Kühlgas 23 gebildet, zwischen denen sich ebenfalls negative Strukturen 24 zur Halterung befinden. FIG. 3 shows another embodiment of the first wall 1 with slightly modified form of stones 21, which, however, are fixed as described in the foregoing. The cooling is formed here from two rows of welded cooling tubes 22 for the cooling gas 23 , between which there are also negative structures 24 for holding.

1 first wall
2 plate
3 sheet steel wall
4 cooling channels
5 coolant
6 plasma
7 negative structures, rails
8 coolant
9 constrictions
10 extensions
11 shaped stones
12 flat top
13 arched structure
14 negative structures
15 cooling tube
16 cooling gas
17 foot section
18 plate
19 page
20 cooling gas
21 shaped stones
22 cooling tube
23 cooling gas
24 negative structures

Claims

First wall for a fusion reactor, one side of which is directly facing the plasma and the other side of which has cooling devices such as channels, the heat being transmitted to the cooling channels predominantly by radiation and the side of the wall facing the plasma consisting of adjacent plates, whose flat upper side faces the plasma, characterized by the further features:

a) The cooled side of the wall ( 1 ) has cooling channels ( 4 ), the walls ( 3 ) of which form rail-like negative structures ( 7 ) which - directed away from the plasma ( 6 ) - constrictions ( 9 ) and subsequent extensions ( 10 ) exhibit,
b) the plates are formed by shaped stones ( 11 ), the top ( 12 ) of which is flat and the plasma ( 6 ) is turned,
c) the ends of the shaped blocks ( 6 ) facing the cooled side of the wall ( 1 ) have curvatures or structures ( 13 ) whose positive shape roughly corresponds to the negative structures ( 7 ) between the sheet metal walls ( 3 ) with somewhat smaller dimensions,
d) the shaped blocks ( 11 ) are one behind the other with their Wölbun gene ( 13 ) positively threaded into the rails ( 7 ), their tops ( 12 ) each lying side by side forming a plasma ( 6 ) facing flat surface.