RU1131364C - Материал первой стенки термо дерных установок и реакторов - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к области физики высокотемпературной плазмы и управл емого термо дерного синтеза и может быть применено в термо дерных установках и реакторах, например втокамаках.

В существующих термо дерных установках в качестве материала первой стенки, обращенной к гор чей плазме, используетс  нержавеюща  сталь, а также нержавеюща  сталь, покрыта  последовательно слоем платины и слоем золота, В проектах термо дерных реакторов на основе замкнутых и открытых магнитных ловушек предлагаютс  следующие материалы дл  первой стенки: нержавеющие стали типа 316 или 304, инконель, молибден, ниобий, сплав ниоби  с 1% циркони , вольфрам,

Перва  стенка и диафрагмы, которые  вл ютс  составной частью упом нутой стенки, подвергаютс  действию облучени  различными атомными частицами и излучени ми , которые создает дейтериево-тритиева  плазма, нагрета  до температуры свыше 100 млн К. Под действием этих излучений материал стенки и газы, растворенные в нем, поступают в плазму, загр зн   ее. Атомы примесей ионизуютс  и возбуждаютс  плазмой, а затем они излучают большое количество энергии, запасенной в плазме, охлажда  ее до температуры, при которой термо дерна  реакци  прекращаетс . Поэтому , после проблемы удержани  высокотемпературной плазмы, загр знение ее примес ми  вл етс  второй принципиально важной проблемой, от решени  которой зависит успех в овладении управл емым термо дерным синтезом.

Наиболее опасным  влением, привод щим к загр знению плазмы,  вл етс  катодное распыление материала стенки под действием бомбардировки потоками ионов и атомов дейтери  и трити , альфа-частиц и нейтронов, а также примесных ионов и атомов . Помимо этого, загр знени  поступают в плазму вследствие десорбции атомов и молекул газов из поверхности при облучении ее упом нутыми выше потоками атомных частиц, а также электронов фотонов. Наконец, загр знени  поступают в плазму из-за испарени  материала под воздействием на него тепловых потоков с высокой плотностью мощности. Поэтому к материалу первой стенки предъ вл ютс  следующие основные физические требовани . 1. Материал должен слабо распыл тьс  под действием ионов и атомов дейтери  и трити . Величина коэффициента распылени  упом нутыми частицами со средней энергией 1 кэВ не должна превышать 1 -10 ат/ион. 2. Материал должен состо ть из элементов с небольшим атомным номером Z. Произведение коэффициента распылени  S, усредненного по энерги м частиц, на ква,црат атомного номера выбиваемого элемента должио быть минимально возможным: SZ mln. 3. Материал должен хорошо обезгаживатьс . Коэффициент десорбции примесных газов под действием электронов с энергией 0,1-1 кэВ не должен превышать

0 10 мол/эл, 4. Материал должен быть радиационно-стойким в потоках быстрых 14 МэВ-ных нейтронов интенсивностью до н/см в течение 10-30-лет,

Наиболее близким прототипом предла5 гаемого материала  вл етс  углерод в виде графита или графитовой ткани. Этот материал имеет небольшой атомный номер, получаетс  очень чистым, он хорошо обезгаживаетс . Чистый и пропитанный

0 смолами графит используетс  в атомных реакторах .

Главный недостаток реакторного графита , а также пиролитического графита, стеклоуглерода , состоит в их большой величине

5 коэффициента катодного распылени , котора  в 10 раз выше допустимого значени .

Целью изобретени   вл етс  уменьшение загр знени  примес ми дейтериевотритиевой плазмы, снижение потерь

0 мощности за счет излучений примесными ионами и  драми атомов, т.е. улучшение характеристик высокотемпературной плазмы, которое обеспечивает протекание интенсивной самоподдерживающей термо дер5 ной реакции.

Дл  достижени  указанной цели в качестве материала первой стенки и диафрагм термо дерного реактора, например типа токамак , предлагаетс  использовать матери0 ал, содержащий углерод и бор в следующих соотношени х ингредиентов, мас.%: бор 818 ,углерод - остальное.

На чертеже показана температурна  зависимость коэффициента катодногр распы5 лени  нескольких углеродсодержащих материалов, а также предлагаемого материала при распылении их протонами с энергией 10 кэВ. Из этих экспериментальных данных видно, что в рабочем диапазоне тем0 ператур 600-800°С величина коэффициента распылени  предлагаемого материала равна 5 10 ат/ион, что в 17 раз меньше, чем у графита, стеклоуглерода и пиролитическйго графита отечественного производства, и

5 в 14 раз меньше, чем у графитовой ткани WCA,

Чтобы определить вли ние содержани  бора на величину коэффициента распылени , изготовлены три образца со следующим содержанием ингредиентов, мас.%: 1. Бор 3, углерод 87.2, Бор 8, углерод 88.3. Бор 18, углерод 79. Результаты измерений приведены в таблице; В дополнение к стандартному методу анализа содержание бора и других примесных элементов на поверхности образцов оп|эедел ют с помощью Оже спектрометра РН1-545 фирмы Phys. Electr. tnd..CmA. Механические и другие физико-химические свойства бороуглеродного материала завис т от,содержани  бора. Дл  найденного оптимального соотношени  механическа  прочность на раст жение, изгиб и сжатие соответственно равны 1000, 2000, 50ЬОкгс/см : . Опыты по обезгаживанию показывают, что предлагаемый материал хорошо обезгаживаетс  в вакууме при 850-1800°С. Жоэффицйент газопроницаемости предлагаемого материала равен 1 10 см /с, что в раз меньше, чем у графита различнь х марок. : Материал химически стоек в среде кислрт , щелочей, хлорорганических соединений , амила/ цианидов, расплавов цветных металлов, фторидов щелочных металлов. Поэтому его можно охлаждать водой, газами , расплавами металлов и солей. Допустима  рабоча  температура предлагаемого материала в восстановительной и нейтральной среде равна 2270 К. Материал поддаетс  пайке и аргоннодуговой сварке. Его можно наносить на подложки из графита и тугоплавких металлов. Толщина нанесенного сло  превышает 10 мм. Он прочно сцепл етс  с подложкой. При изготовлений в лабораторных услови х получены пластины размером 120x200x12 мм и трубки с наружным диаметром 20-80 мм и толщиной стенки 1-5 мм длиной до 200 мм. Таким образом, предлагаемый материал удовлетвор ет всем основным физическим , химических и технологическим требовани м, которые предъ вл ютс  к материалу первой стенки и диафрагм термо дерных установок и реакторов. Способность его к воспри тию импульсных тепловых потоков, создаваемых убегающими электронами с энергией 1-10 МэВ, в 5 раз выше, чем у вольфрама. Экономическа  эффективность предлагаемого материала определ етс  улучшенными характеристиками высокотемпературной плазмы меньшими затратами электроэнергии на нагрев плазмы до термо дерных температур , использованием недефицитного и дешевого материала, а главное, увеличением полезной длительности горени  термо дерной реакции. В демонстрационном термо дерном реакторе СДТРТ) на базе токамака Т-20 в качестве материала первой стенки и двенадцати диафрагм выбран вольфрам. Предлагаетс  вместо Дефицитного Тугоплавкого металла использовать новый материал. Потери мощности на тормозное, рекомбинационное и линейчатое излучение одним ионом вольфрама примерно в 600 раз больше, чем ионом углерода или бора. Но поскольку коэффициент катодного распылени  вольфрама протонами с энергией 10 кэВ примерно в 10 раз меньше, чем у предлагаемого материала, концентраци  ионов вольфрама в плазме в 10 раз меньше концентрации ионов углерода и бора, поэтому мощность, тер ема  плазмой за счет излучени  ионами предлагаемого материала, примерно в 60 раз меньше мощности, излучаемой ионами вольфрама, и в 80 раз меньше, чем излучаема  ионами железа. Дл  нагрева плазмы до термо дерных температур и компенсации излучательных потерь в плазму ДТРТ будут инжектироватьс  пучки атомов дейтери  суммарной мощностью до 60 МВт. Электрическа  мощность, потребл ема  инжекторами пучков атомов дейтери , составл ет около 200 МВт. Применение предлагаемого материала позвол ет уменьшить мощность на компенсацию потерь на излучение до 3,3 МВт Однако дл  стабильной работы реактора нужно инжектировать в плазму дейтроны мощностью 20 МВт. Поэтому Экономи  электрической энергии на питание инжекторов за врем  работы ДТРТ (10 импульсов по 20 с) составл ет 1,1 10® кВт ч. Термо дерна  электростанци  (ТЯЭС) типа ДТРТ при коэффициенте непрерывности работы 0,8 дает экономию электроэнергии на собственные нужды при себестоимости 0.88 коп/кВт- ч свыше 7 млн.руб/год. Экономичность работы циклического реактора-токамака в большой мере определ етс  отношением длительности горени  термо дерной реакции к полной длительности цикла: нагрев плазмы - горение реакции - удаление продуктов сгорани . Применение предлагаемого материала позволит увеличить длительность горени  термо дерной реакции в 10-20 раз. Это означает, что коэффициент нагрузки ТЯЭС увеличитс  с 0,17 , до 0,88. Дл  проектируемых ТЯЭС мощностью 5QOO МВт дополнительна  выработка электроэнергии от применени  предлагаемого материала составит на сумму 87 млн.руб/год. в насто щее врем  наиболее близки к осуществлению гибридные реакторы синтез-деление . содержащие в бланкете уран238 или торий-232, которые будут производить  дерное горючее плутоний-239 или уран-233 и электроэнергию. В этих реакторах будут создаватьс  и нейтроны с небольшими энерги ми. Чтобы ослабить поглощение этих нейтронов в первой стенке, предлагаетс  в новом материале вместо естественного бора использовать его изотоп - бор-11.

(56) R.E. Clausing, С. Emerson, L, Heatherly. Measurements and modification of firstneall surafce composition In the Oan Ridge Tokomak (ORMAK). J.Vac.Sci. Technol. 13. Nb 1 (1976), p.437-442.

Conference on Surface Effects In Controlled Thermonuclear Fusion Devices and Rectors. J.Nucl. Materials, 53 (1974) pp.7, 9, 17,31-32,59,84. 110.

Гусев B.M., Гусева М.И., Гервидс В.И„ Коган В.И., Мартыненко Ю.В., Мирное С.В. Вакуумно-физические услови  на выбор материала первой стенки и диафрагмы демонстрационного термо дерного реактора-токамака Т-20). Препринт Института атомной энергии им. И.В.Курчатова, ИАЭ-2545, М., 1975, с,2-3. 16.

G.LKulclnskI, R.W.Conn, G.Lang. Nuclear

Fusion, 15, (1975) p.327.

Ф0рмулa изобретенИЯ

Claims (2)

1. МАТЕРИАЛ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК И РЕАКТОРОВ, например токамаков, содержащий углерод, отличающийс  тем, что, с целью улучшени  характеристик высокотемпературной плазмы , обеспечивающих протекание интенсивнойсамоподдерживающейс 

термо дерной реакции, в него дополнительно введен бор при следующих соотношени х компонентов, мас.%; Бор8-18

УглеродОстальное

2. Материал по п.1, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  поглощени  медленных нейтронов, используют изотоп естественного бора - бор -11.