RU173227U1 - Устройство дивертора реактора-токамака - Google Patents

Устройство дивертора реактора-токамака Download PDF

Info

Publication number
RU173227U1
RU173227U1 RU2016146643U RU2016146643U RU173227U1 RU 173227 U1 RU173227 U1 RU 173227U1 RU 2016146643 U RU2016146643 U RU 2016146643U RU 2016146643 U RU2016146643 U RU 2016146643U RU 173227 U1 RU173227 U1 RU 173227U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
divertor
cooling
layer
diffuser
Prior art date
Application number
RU2016146643U
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Андреевич Керножицкий
Алексей Васильевич Колычев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ")
Priority to RU2016146643U priority Critical patent/RU173227U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU173227U1 publication Critical patent/RU173227U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21BFUSION REACTORS
    • G21B1/00Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11Details
    • G21B1/13First wall; Blanket; Divertor
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Устройство дивертора реактора-токамака относится к термоядерной технике и может быть применено в системах защиты и охлаждения стенок дивертора термоядерных реакторов типа ITER, DEMO и др.Устройство дивертора реактора-токамака, содержащее сопла, трубопроводы для подвода газа к соплу и трубопроводы для отвода газа, имеющие входы в виде диффузоров, причем выходное отверстие сопла соединено с входным отверстием диффузора через катод, образованный трубопроводом, выполненным из жаропрочного материала, например вольфрама, и нанесенным на его внутреннюю поверхность слоем из материала с низкой работой выхода электронов, причем на участке трубопровода, располагаемом за диффузором, установлен анод, образованный токопроводящей подложкой анода и слоем восприятия электронов, который находится в тепловом контакте через слой электроизоляции с каналами системы охлаждения анода, причем анод электрически последовательно через токовывод, электрическую нагрузку и токоввод связан с катодом.Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение надежности и долговечности дивертора путем снижения температуры воспринимающего элемента дивертора до уровня, при котором сохраняются прочностные свойства жаропрочного материала, из которого он выполнен, например вольфрама, за счет инициации и поддержания электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии с его внутренней поверхности. Увеличению надежности и долговечности также способствует и близкая к экспоненциальной зависимость термоэлектронной эмиссии от температуры, что обеспечивает мгновенный и многократный рост величины электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии в случае возникновения нерасчетного нагрева воспринимающего элемента дивертора. Кроме этого, повышается энергетическая эффективность реактора-токамака, ввиду того, что нагрев воспринимающего элемента дивертора частично может быть преобразован в электроэнергию.

Description

Полезная модель относится к термоядерной технике и может быть применена в термоядерных реакторах-токамаках и др.
Известен ДИВЕРТОР ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА по патенту РФ №2051430, содержащий корпус и расположенные в нем приемные пластины, причем на поверхностях приемных пластин, обращенных к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора из плазменного объема токамака, укреплены посредством точечной сварки, выполненные из металлических волокон капиллярно-пористые маты, соединенные с емкостью, заполненной жидким литием, при этом введены пластины-конденсаторы испаренного лития с укрепленными на их поверхности вышеупомянутыми капиллярно-пористыми матами, соединенными с емкостью, заполненной жидким литием, конструктивно расположенные сепаратрисы магнитных поверхностей в свободном объеме дивертора и соединенные с системой сбора и очистки сконденсированного лития, причем соотношение площадей поверхностей приемных пластин и пластин-конденсаторов составляет 1/20.
Известен СПОСОБ ТЕПЛОСЪЕМА С ПОВЕРХНОСТИ ЭНЕРГОПРИЕМНИКА ДИВЕРТОРА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА по патенту РФ №1672858, заключающийся в прокачке водяного теплоносителя через трубку, образующую тепловой контакт с тепловоспринимающим внешним трубчатым кожухом через слой жидкометаллического наполнителя, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы и надежности энергоприемника, жидкометаллический наполнитель прокачивают вдоль кольцевого зазора, образованного трубкой теплоносителя с размещенной в нем спиральной направляющей вставкой и тепловоспринимающим трубчатым кожухом.
В термоядерном реакторе-токамаке ITER дивертор предполагается выполнить из плиток вольфрама, находящихся в тепловом контакте с трубочками из нержавеющей стали, в которых предполагается прокачивать жидкий охладитель, например литий. Тепловая нагрузка на такие плитки должна составлять величину порядка 20 МВт/м2 в импульсе и 10 МВт/м2 постоянно.
Недостатком аналогов является использование жидкого охладителя, который не обеспечивает высокого уровня надежности системы охлаждения ввиду низкой тепловой инерционности, то есть при возникновении чрезвычайной ситуации с сильным перегревом дивертора для такой системы может быть проблематичным скомпенсировать возникающий нерасчетный перегрев. Предполагается, что рабочая температура таких плиток будет порядка 2000 К, что будет приводить к их постепенному разрушению. В связи с этим планируется их плановая замена в течение всего срока эксплуатации ITER. Отсюда также следует, что уже в настоящий момент необходим поиск новых методов и устройств охлаждения элементов дивертора термоядерных реакторов-токамаков.
Прототипом заявляемого устройства дивертора является устройство по патенту РФ №1312649 «Устройство для защиты стенок вакуумной камеры дивертора реактора-токамака», содержащее каналы для откачки нейтрального газа, сопла Лаваля для создания газовой мишени, каналы для отвода газа мишени, причем формкамеры сопл снабжены щелевым каналом для подачи газа-мишени, выполненным в пространстве между соплами, каналы для отвода газа мишени в стенке вакуумной камеры дивертора выполнены секционированными, имеющими входы в виде сверхзвуковых диффузоров.
Устройство по прототипу работает следующим образом.
Газ-мишень подается в форкамеру сопл Лаваля по щелевому каналу. При этом с помощью сопл газ разгоняется до сверхзвуковой скорости и затем истекает в пространство вакуумной камеры со стенками. Перепад давлений в форкамере выбирается так, чтобы поворот границы недорасширенной свободной струи не допускал перетока газа в рабочую камеру, и потери давления в скачках уплотнения, возникающих в сверхзвуковых диффузорах, были минимальными. Расширяющаяся свободная струя-мишень, воспринимающая поток энергии плазмы, собирается сверхзвуковым диффузорам. Диффузор обеспечивает переход сверхзвуковой струи к дозвуковому потоку.
Недостатком прототипа является то, что при увеличении мощности реактора-токамака, в том числе и нештатной, возникает необходимость в увеличении плотности газа мишени. Это может привести к сложностям, как в предотвращении попадания частиц газа в пространство реактора, что может стать причиной изменений параметров плазмы, так и в предотвращении перегрева стенок вакуумной камеры дивертора. Все это не гарантирует высокий уровень надежности данной системы и долговечности реактора-токамака.
Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники, является повышение надежности и долговечности термоядерных реакторов-токамаков путем снижения температуры стенок приемного устройства дивертора при тепловых нагрузках, вызванных попаданием на поверхность этих стенок продуктов реакции термоядерного синтеза, например гелия (в дейтеро-тритиевом реакторе-токамаке), применяя безынерционный отвод тепла от воспринимающей стенки электронами при термоэлектронной эмиссии.
Указанная задача решается тем, что выходное сечение сопла, которое может быть дозвуковым, сверхзвуковым, соединено с входным сечением диффузора трубопроводом из жаропрочного материала, например вольфрама, на внутренней поверхности которого нанесен слой из материала с низкой работой выхода электронов. Причем трубопровод из жаропрочного материала ориентирован таким образом, что его ось находится под углом к потоку высокоэнергетических частиц, стекающих по сепаратрисе магнитных поверхностей, создаваемых в камере реактора из плазменного объема токамака.
При попадании горячих атомов гелия на поверхность трубопровода из жаропрочного материала происходит его нагрев. При этом, с его внутренней поверхности начинают выходить горячие электроны, забирая с собой большое количество тепла. Стенка трубопровода при этом охлаждается. Чем ниже работа выхода электронов внутренней поверхности, тем интенсивнее теплоотвод электронами при термоэлектронной эмиссии и ниже ее температура. Например, тепловой нагрев воспринимающей поверхности дивертора может достигать величин 10-25 МВт/м2. Например, при работе выхода электронов (РВЭ) эмиссионного слоя 1.3 эВ, тепловые потоки электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии достигают величины 25 МВт/м2 при температуре в 1300 К. При такой температуре вольфрам не теряет своих прочностных свойств и может выполнять свои функции в течение длительного промежутка времени. Это повышает надежность и долговечность дивертора токамака и токамака в целом. При этом может отсутствовать необходимость в замене воспринимающих элементов дивертора. Кроме того, при возникновении внештатной ситуации, связанной с перегревом стенки дивертора, заявляемое устройство позволяет скомпенсировать возникающий нештатный нагрев из-за сильной зависимости термоэлектронной эмиссии от температуры. Например при увеличении температуры поверхности с РВЭ в 1.3 эВ всего на 50 К (до 1350 К) тепловые потоки электронного охлаждения вырастают до величины порядка 42 МВт/м2. Это практически гарантирует высокий уровень безотказной работы дивертора реактора-токамака в течение всего времени его функционирования при температуре, обеспечивающей целостность вольфрамовых элементов.
Эмитируемые с внутренней поверхности трубопровода попадают в поток рабочего газа и уносятся им от поверхности эмиссии и не препятствуют дальнейшей эмиссии электронов с нагретой поверхности. За диффузором установлен элемент, воспринимающий электроны из потока рабочего газа - анод, электрически соединенный с трубопроводом через электрическую нагрузку, в которой может совершать полезную работу, повышая тем самым эффективность термоядерного реактора-токамака.
Сопла, диффузоры и трубопроводы могут иметь плоскую форму, частично функции анода может выполнять диффузор, если он будет выполнен из электропроводящего материала и покрыт слоем из материала с низкой РВЭ.
Кроме того, таким устройством может быть защищены все стенки реактора-токамака, обеспечивая поддержание относительно малой температуры стенок реактора и одновременно генерируя огромные количества электрической энергии (с 1 м2 защищаемой стенки дивертора теоретически можно будет получать порядка 3-6 МВт электрической энергии).
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение надежности и долговечности дивертора путем снижения температуры воспринимающего элемента дивертора до уровня, при котором сохраняются прочностные свойства жаропрочного материала, из которого он выполнен, например вольфрама, за счет инициации и поддержания электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии с его внутренней поверхности. Увеличению надежности и долговечности также способствует и близкая к экспоненциальной зависимость термоэлектронной эмиссии от температуры, что обеспечивает мгновенный и многократный рост величины электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии в случае возникновения нерасчетного нагрева воспринимающего элемента дивертора. Кроме этого, повышается энергетическая эффективность реактора-токамака, ввиду того, что нагрев воспринимающего элемента дивертора частично может быть преобразован в электроэнергию.
На чертеже представлено заявляемое устройство.
Устройство защиты стенок дивертора имеет в своем составе воспринимающий элемент дивертора (ВЭД) 1, эмиссионный слой 2, причем ВЭД 1 и эмиссионный слой 2 образуют катод, сопло 3, диффузор 4, анод, состоящий из токопроводящей подложки 5 и слоя восприятия электронов 6, каналы системы охлаждения 7, слой электроизоляции 8, электрическую нагрузку 9, трубопровод 10, токовывод 11, токоввод 12.
ВЭД 1 предназначен для восприятия продуктов реакции термоядерного синтеза, например, горячего гелия, попадающего на ВЭД 1 по сепаратрисе магнитных поверхностей. Эмиссионный слой 2 предназначен для обеспечения выхода как можно большего числа электронов при термоэлектронной эмиссии, то есть для обеспечения наиболее интенсивного электронного охлаждения. Сопло 3 предназначено для создания потока газа заданной скорости внутри ВЭД 1, а диффузор 4 для торможения этого потока до дозвуковых скоростей. Токопроводящая подложка анода предназначена для движения электронов, воспринятых СВЭ 6. Для поддержания температурной разности потенциалов между анодом и катодом анод охлаждается путем прокачки охладителя через каналы 7 системы охлаждения анода, расположенные от анода через слой электроизоляции 8. Электрическая нагрузка 9 предназначена для «охлаждения» электронов эмиссии, проходящих от анода к катоду. Трубопровод 10 предназначен для обеспечения движения газа между основными элементами заявляемого устройства. Токовывод 11 предназначен для перенаправления электронов от анода к электрической нагрузке 9, токовводу 12 и катоду.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
В сопло 4 подается рабочий газ, например инертный газ аргон. В сопле 4 рабочий газ разгоняется до высоких скоростей и далее поступает в ВЭД 1эмиссионным слоем 2. Одновременно, в процессе работы реактора-токамака по сепаратрисе магнитных полей на внешнюю поверхность ВЭД 1 поступают продукты реакции термоядерного синтеза, взаимодействие которых с ВЭД 1 нагревает его до температур, при которых с его внутренних поверхностей начинают выходить «горячие» электроны, охлаждая ВЭД 1. Вышедшие «горячие» электроны попадают в рабочее тело и уносятся им с большой скоростью от поверхности эмиссии. Таким образом, исчезает пространственный заряд, препятствующий дальнейшей эмиссии. Далее поток рабочего газа с «горячими» электронами поступает в диффузор 4, где тормозиться до дозвуковых скоростей. После диффузора 4 рабочий газ проходит через анод, который воспринимает электроны из потока рабочего газа, попадающих на СВЭ 6. Форма и расположение анода выбирается таким образом, чтобы обеспечить восприятие всех электронов эмиссии из потока рабочего газа. После СВЭ 6 электроны попадают в токопроводящую подложку анода 5, а от нее через токовывод 11, электрическую нагрузку 9, где совершают полезную работу, охлаждаясь при этом. Одновременно, температура анода поддерживается путем циркуляции хладагента в каналах 7 системы охлаждения анода, расположенной от СВЭ 5 через слой электроизоляции 8. После электрической нагрузки 9 «остывшие» электроны попадают в токоввод 12 и далее в катод, и цикл работы устройства повторяется заново.
Благодаря новой совокупности существенных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше результат, который заключается в повышении надежности и долговечности дивертора токамака, путем снижения температуры его воспринимающего элемента до уровня, при котором сохраняются его прочностные свойства за счет обеспечения электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии с его внутренних стенок. Одновременно, повышение надежности и долговечности дивертора и токамака в целом достигается также и за счет того, что электронное охлаждение при термоэлектронной эмиссии сильно зависит от температуры, таким образом, что существенное увеличение нагрева воспринимающего элемента дивертора, в том числе по причине возникновения внештатной ситуации, приводит к интенсификации термоэлектронной эмиссии, а значит и электронного излучения с внутренней поверхности воспринимающего элемента дивертора. Кроме того, повышается КПД реактора-токамака за счет частичного преобразования тепловой энергии нагрева стенок дивертора в электрическую энергию.

Claims (1)

  1. Устройство дивертора реактора-токамака, содержащее сопла, трубопроводы для подвода газа к соплу и трубопроводы для отвода газа, имеющие входы в виде диффузоров, отличающееся тем, что выходное отверстие сопла соединено с входным отверстием диффузора через катод, образованный трубопроводом, выполненным из жаропрочного материала, например вольфрама, и нанесенным на его внутреннюю поверхность слоем из материала с низкой работой выхода электронов, причем на участке трубопровода, располагаемом за диффузором, установлен анод, образованный токопроводящей подложкой анода и слоем восприятия электронов, который находится в тепловом контакте через слой электроизоляции с каналами системы охлаждения анода, причем анод электрически последовательно через токовывод, электрическую нагрузку и токоввод связан с катодом.
RU2016146643U 2016-11-28 2016-11-28 Устройство дивертора реактора-токамака RU173227U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146643U RU173227U1 (ru) 2016-11-28 2016-11-28 Устройство дивертора реактора-токамака

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146643U RU173227U1 (ru) 2016-11-28 2016-11-28 Устройство дивертора реактора-токамака

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU173227U1 true RU173227U1 (ru) 2017-08-17

Family

ID=59633406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016146643U RU173227U1 (ru) 2016-11-28 2016-11-28 Устройство дивертора реактора-токамака

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU173227U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107731315A (zh) * 2017-10-30 2018-02-23 中国科学院合肥物质科学研究院 一种适用于east下偏滤器的靶板调节及固定结构

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU312649A1 (ru) * И. Н. Натин ВСЕСОЮЗНАЯ I'-^^?йШ'Т1ХШчСЛ4^?; БНБЛЙОТ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU312649A1 (ru) * И. Н. Натин ВСЕСОЮЗНАЯ I'-^^?йШ'Т1ХШчСЛ4^?; БНБЛЙОТ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
МИХАЙЛОВ В.Н., ЕВТИХИН В.А. и др.Литий в термоядерной космической энергетике ХХI века. Москва, Энергоиздат, 1999. Janeschitz g. et al. Divertor and Design Overview Requirements for ar iter Divertor San Diego 17.10 - 29.10. 1994. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107731315A (zh) * 2017-10-30 2018-02-23 中国科学院合肥物质科学研究院 一种适用于east下偏滤器的靶板调节及固定结构
CN107731315B (zh) * 2017-10-30 2024-02-13 中国科学院合肥物质科学研究院 一种适用于east下偏滤器的靶板调节及固定结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2750441C (en) Systems and methods for compressing plasma
CN103269558A (zh) 一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪
RU173227U1 (ru) Устройство дивертора реактора-токамака
Liang et al. Exploration of collector materials in high-power microwave sources
Mirnov et al. Innovative method of cooling and thermostabilization of tokamak elements with capillary-porous structures
RU173179U1 (ru) Устройство для защиты стенок вакуумной камеры дивертора реактора-токамака
Vertkov et al. Technological aspects of liquid lithium limiter experiment on FTU tokamak
US20030174800A1 (en) Method of and apparatus for generating recoilless nonthermal nuclear fusion
Sharkov et al. Power plant design and accelerator technology for heavy ion inertial fusion energy
CN105931934A (zh) 双螺旋水槽型强流电子束收集极
Kuteev Pellet-injection-based technologies for fusion reactors
Anshakov et al. Electric-arc steam plasma generator
Sarkar et al. Intrinsic dust dynamics and temporal correlation with plasma parameters in experimental advanced superconducting tokamak
Schuresko et al. Development of a hydrogen electrothermal accelerator for plasma fueling
Ribe et al. Fast-liner-compression fusion systems
CN102946686A (zh) 一种基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置
RU151082U1 (ru) Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
Li et al. Analysis of energy deposition on ion source components of EAST neutral beam injector
Evtikhin et al. Design, calculation and experimental studies for liquid metal system main parameters in support of the liquid lithium fusion reactor
Cohen et al. The status of ITER divertor design concepts
Cohen et al. Plasma–materials interaction issues for the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)
Mazul et al. First Wall Components
Lackner et al. Comments to" High current ionic flows via ultra-fast lasers for fusion applications" by H. Ruhl and G. Korn (Marvel Fusion, Munich)
Dietz et al. The ITER divertor
CN108806813A (zh) 一种核脉冲电源及运行方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20170718