RU2546333C1 - Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention - Google Patents
Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention Download PDFInfo
- Publication number
- RU2546333C1 RU2546333C1 RU2013148722/07A RU2013148722A RU2546333C1 RU 2546333 C1 RU2546333 C1 RU 2546333C1 RU 2013148722/07 A RU2013148722/07 A RU 2013148722/07A RU 2013148722 A RU2013148722 A RU 2013148722A RU 2546333 C1 RU2546333 C1 RU 2546333C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wall
- liquid
- metal
- working metal
- lithium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам защиты от эрозии первой стенки реакторов управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, а именно способам защиты тех мест первой стенки, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных частиц, в том числе альфа-частиц.The invention relates to methods for protecting against erosion of the first wall of controlled nuclear fusion reactors with magnetic plasma confinement, namely, methods for protecting those places of the first wall where the highest flows of high-energy particles, including alpha particles, are expected.
Известен способ защиты первой стенки в инерциальном термоядерном реакторе, где мишень с термоядерным топливом инжектируют в камеру реактора и затем инициируют микровзрыв с помощью ее сжатия и нагрева потоками энергии высокой плотности. Для защиты стенок реактора от ударной волны и быстрых частиц вдоль них прокачивают струи жидкого лития, выполняющие защитную функцию [авторское свидетельство SU №1529475]. Данный способ не применим в системах с магнитным удержанием вследствие взаимодействия литиевых потоков с магнитным полем. Кроме того, известен способ защиты пластин дивертора термоядерного реактора, состоящий в нанесении пленки жидкого металла на пластины дивертора с использованием предварительного напыления [авторское свидетельство SU №818335]. Данный способ не может обеспечить самовосстанавливаемость покрытия при распылении и, таким образом, не подходит для использования в термоядерном реакторе с длительным рабочим циклом до десятков месяцев. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ защиты первой стенки от нейтронов, использующий протекание толстого слоя жидкого лития, играющего роль первой стенки тороидального дейтерий-тритиевого термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы [патент US №6411666], который выбран в качестве прототипа. Недостатками данного способа являются значительный объем жидкого лития, снижающий характеристики безопасности реактора, и склонность толстых слоев лития к разбрызгиванию.There is a method of protecting the first wall in an inertial thermonuclear reactor, where a target with thermonuclear fuel is injected into the reactor chamber and then microexplosion is initiated by compressing it and heating with high-density energy fluxes. To protect the walls of the reactor from the shock wave and fast particles, jets of liquid lithium are pumped along them, performing a protective function [copyright certificate SU No. 1529475]. This method is not applicable in systems with magnetic confinement due to the interaction of lithium fluxes with a magnetic field. In addition, there is a method of protecting fusion reactor divertor plates, which consists in applying a liquid metal film to divertor plates using preliminary deposition [copyright certificate SU No. 818335]. This method cannot provide self-healing of the coating during atomization and, therefore, is not suitable for use in a fusion reactor with a long duty cycle of up to tens of months. Closest to the proposed invention is a method of protecting the first wall from neutrons, using a thick layer of liquid lithium, playing the role of the first wall of a toroidal deuterium-tritium thermonuclear reactor with magnetic plasma confinement [US patent No. 6411666], which is selected as a prototype. The disadvantages of this method are a significant amount of liquid lithium, which reduces the safety characteristics of the reactor, and the tendency of thick lithium layers to spray.
Технической задачей изобретения является увеличение времени непрерывной работы реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы путем повышения износостойкости материалов тех частей первой стенки реактора, которые подвержены воздействию высокоэнергетичных альфа-частиц или ускоренных ионов основного топлива (дейтерий и тритий).An object of the invention is to increase the continuous operation time of a nuclear fusion reactor with magnetic plasma confinement by increasing the wear resistance of materials of those parts of the first wall of the reactor that are exposed to high-energy alpha particles or accelerated main fuel ions (deuterium and tritium).
Поставленная задача решается за счет того, что при создании слоя жидкого металла на первой стенке реактора ядерного синтеза, в плазму инжектируют частицы рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии, создают тонкий слой жидкого металла на поверхности первой стенки, толщину которого H выбирают из условия H>Hp, где Hp - глубина проникновения альфа-частиц с энергией не более 4 МэВ, при этом толщину слоя жидкого металла поддерживают и регулируют с помощью инжекции, температуру поверхности первой стенки поддерживают выше температуры плавления рабочего металла и ниже температуры кипения рабочего металла.The problem is solved due to the fact that when creating a layer of liquid metal on the first wall of the nuclear fusion reactor, particles of the working metal are injected into the plasma in a liquid and / or solid state, a thin layer of liquid metal is created on the surface of the first wall, the thickness of which H is chosen from the condition H> H p, where H p - penetration depth of alpha particles with an energy of not more than 4 MeV, wherein the thickness of the layer of liquid metal is maintained and regulated by means of injection of the first wall surface temperature is maintained above the melting temperature Ia metal working and metal working temperature below boiling.
На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа, где 1 - система ввода рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии в плазму, 2 - реактор ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, 3 - система сбора, охлаждения и очистки рабочего металла, 4 - система подачи (возврата) рабочего металла в систему ввода 1.Figure 1 presents a diagram of the implementation of the proposed method, where 1 is a system for introducing a working metal in a liquid and / or solid state into a plasma, 2 is a nuclear fusion reactor with magnetic plasma confinement, 3 is a system for collecting, cooling and purifying a working metal, 4 - supply system (return) of working metal in the
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
В плазму инжектируют частицы рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии, которые используют как для создания тонкого слоя жидкого металла на поверхности первой стенки реактора 2, так и для компенсации абляции этого слоя за счет высокоэнергетичных альфа-частиц, возникающих в результате синтеза, либо иных интенсивных потоков энергии.Particles of the working metal in the liquid and / or solid state are injected into the plasma, which are used both to create a thin layer of liquid metal on the surface of the first wall of the
Для формирования слоя жидкого металла на стенке реактора 2 частицы рабочего металла инжектируют в плазму таким образом, чтобы он испарялся и ионизовался внутри сепаратрисы, что обеспечивает покрытие всей поверхности стенки реактора 2 выходящими за последнюю замкнутую магнитную поверхность потоками рабочего металла.To form a layer of liquid metal on the wall of the
Толщину слоя с помощью инжекции частиц рабочего металла поддерживают достаточной для торможения быстрых альфа-частиц в жидкой фазе рабочего металла, который при этом не испытывает структурные изменения, толщину слоя жидкого металла H выбирают из условия H>Hp, где Hp - глубина проникновения альфа-частиц с энергией не более 4 МэВ. Температуру поверхности первой стенки поддерживают выше температуры плавления рабочего металла и ниже температуры кипения рабочего металла.The layer thickness by injection of the particles of the working metal is maintained sufficient to inhibit fast alpha particles in the liquid phase of the working metal, which does not undergo structural changes, the thickness of the layer of liquid metal H is chosen from the condition H> H p , where H p is the penetration depth of alpha particles with an energy of not more than 4 MeV. The surface temperature of the first wall is maintained above the melting temperature of the working metal and below the boiling point of the working metal.
Предпочтительным рабочим металлом для защиты первой стенки является литий как металл с наименьшим зарядом ядра и достаточно высокой температурой кипения. Испаренный литий собирают, охлаждают, очищают и подают для повторного ввода в плазму. Таким образом обеспечивают стационарную защиту первой стенки реактора.The preferred working metal for protecting the first wall is lithium as the metal with the lowest core charge and a sufficiently high boiling point. Evaporated lithium is collected, cooled, purified and fed for reintroduction into the plasma. In this way, stationary protection of the first reactor wall is provided.
Предлагаемый способ может быть реализован на практике за счет создания слоя жидкого рабочего металла на первой стенке реактора ядерного синтеза с помощью системы ввода 1 рабочего металла в тороидальную камеру реактора ядерного синтеза 2, системы сбора, охлаждения и очистки 3 рабочего металла в жидком состоянии из тороидальной камеры реактора ядерного синтеза и системы подачи (возврата) 4 рабочего металла в систему ввода 1. При этом за счет тонкого слоя жидкого рабочего металла обеспечивается защита тех мест первой стенки реактора ядерного синтеза 2, на которые ожидаются наибольшие потоки высокоэнергетичных частиц, в том числе альфа-частиц. Система ввода 1 рабочего металла может представлять собой инжектор, который обеспечивает возможность управления скоростью ввода в плазму рабочего металла в жидком и/или твердом состоянии. При первоначальном создании слоя жидкого рабочего металла (при работе реактора с дейтериевой плазмой) скорость ввода рабочего металла должна быть больше, чем для дальнейшего поддержания толщины слоя (при работе реактора с дейтерий-тритиевой плазмой). Максимальная скорость ввода, которая определяется параметрами дейтериевой плазмы (без синтеза альфа-частиц) в реакторе ядерного синтеза 2, необходима при первоначальном создании поверхностного слоя толщиной более Hp=60 мкм на элементах первой стенки. При работе реактора с дейтерий-тритиевой плазмой (при синтезе альфа-частиц) умеренные скорости ввода должны обеспечивать поддержание толщины слоя жидкого металла на первой стенке не менее Hp=60 мкм, необходимого для полного торможения быстрых альфа-частиц в жидкой фазе. Для стационарной работы устройства кроме инжектора 1 рабочего металла необходима система 3 для сбора, охлаждения и очистки рабочего металла, предотвращающая испарение и кипение собранного рабочего металла, перед последующей подачей в систему 4 возврата рабочего металла в систему ввода 1. Под действием силы тяжести тонкая пленка жидкого рабочего металла будет стекать в нижнюю часть установки, где должна располагаться система сбора рабочего металла. Поскольку потоки частиц из плазмы загрязняют рабочий металл, необходима его очистка, в первую очередь от гелия. Как указано выше, предпочтительным рабочим металлом является литий.The proposed method can be implemented in practice by creating a layer of liquid working metal on the first wall of a nuclear fusion reactor using a system for introducing 1 working metal into the toroidal chamber of a
Реализация предлагаемого способа включает решение проблемы износостойкости материалов первой стенки термоядерных устройств, предназначенных как для выработки энергии, таких как DEMO (демонстрационный термоядерный энергетический реактор), так и для производства свободных нейтронов, таких как ТИН (токамак - источник нейтронов). Основными конструкционными материалами для термоядерного реактора, в настоящее время, рассматриваются углерод, бериллий и вольфрам. Максимальные значения числа смещений атома в узле решетки (с.н.а. - смещений на атом) порядка 104 при дозе 1021 альфа-частиц/сек значительно превышают значения 40-50, допустимые при условии сохранения кристаллической решетки материалов типа бериллий и вольфрам. Такие же большие дозы альфа-частиц не изменяют, однако, состояние жидкого лития и позволяют организовать работу первой стенки в стационарном режиме указанных выше устройств.The implementation of the proposed method includes solving the problem of wear resistance of materials of the first wall of thermonuclear devices designed both for energy production, such as DEMO (demonstration thermonuclear energy reactor), and for the production of free neutrons, such as TIN (tokamak - a source of neutrons). The main structural materials for a fusion reactor, at present, are carbon, beryllium and tungsten. The maximum values of the number of atomic displacements in the lattice site (s.d. - atomic displacements) of the order of 10 4 at a dose of 10 21 alpha particles / sec significantly exceed the values of 40-50, acceptable provided that the crystal lattice of materials such as beryllium and tungsten is preserved . The same large doses of alpha particles do not change, however, the state of liquid lithium and make it possible to organize the operation of the first wall in the stationary mode of the above devices.
Предложенный способ обеспечит существенное упрощение конструкции промышленных термоядерных электростанций на основе токамака. Он также заметно повысит ресурс первой стенки реактора и сократит затраты на обслуживание и замену обращенных к плазме компонент, подверженных интенсивным потокам энергии, частиц плазмы и нейтронов. Реализация указанного способа может быть проведена с относительно низкими затратами ввиду использования дешевого материала покрытия - лития - и несложных технологических систем, обеспечивающих реализацию способа.The proposed method will provide a significant simplification of the design of industrial thermonuclear power plants based on tokamak. It will also significantly increase the resource of the first wall of the reactor and reduce the cost of servicing and replacing plasma-facing components that are subject to intense energy flows, plasma particles and neutrons. The implementation of this method can be carried out at relatively low cost due to the use of cheap coating material - lithium - and simple technological systems that ensure the implementation of the method.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013148722/07A RU2546333C1 (en) | 2013-10-31 | 2013-10-31 | Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013148722/07A RU2546333C1 (en) | 2013-10-31 | 2013-10-31 | Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2546333C1 true RU2546333C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53295812
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013148722/07A RU2546333C1 (en) | 2013-10-31 | 2013-10-31 | Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2546333C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2674997C1 (en) * | 2018-02-16 | 2018-12-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6411666B1 (en) * | 1998-10-21 | 2002-06-25 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus to produce and maintain a thick, flowing, liquid lithium first wall for toroidal magnetic confinement DT fusion reactors |
RU77486U1 (en) * | 2008-05-26 | 2008-10-20 | Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии Наук | Inertial Thermonuclear Fusion Reactor Chamber |
KR20090103545A (en) * | 2008-03-28 | 2009-10-01 | 한국기초과학지원연구원 | A data processor for remote-control of tokamak |
-
2013
- 2013-10-31 RU RU2013148722/07A patent/RU2546333C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6411666B1 (en) * | 1998-10-21 | 2002-06-25 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus to produce and maintain a thick, flowing, liquid lithium first wall for toroidal magnetic confinement DT fusion reactors |
KR20090103545A (en) * | 2008-03-28 | 2009-10-01 | 한국기초과학지원연구원 | A data processor for remote-control of tokamak |
RU77486U1 (en) * | 2008-05-26 | 2008-10-20 | Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии Наук | Inertial Thermonuclear Fusion Reactor Chamber |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
МИХАЙЛОВ В.Н., ЕВТИХИН В.А. и др.Литий в термоядерной космической энергетике ХХI века. Москва, Энергоиздат, 1999, стр. 33. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2674997C1 (en) * | 2018-02-16 | 2018-12-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lyublinski et al. | Protection of tokamak plasma facing components by a capillary porous system with lithium | |
US20100063344A1 (en) | Fusion neutron source for fission applications | |
Azizov | Tokamaks: from A D Sakharov to the present (the 60-year history of tokamaks) | |
Mirnov et al. | Li-CPS limiter in tokamak T-11M | |
Garkusha et al. | Simulation of plasma–surface interactions in a fusion reactor by means of QSPA plasma streams: recent results and prospects | |
Zhang et al. | Study on the Parameters of the ADS Spallation Target | |
RU2546333C1 (en) | Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention | |
Hassanein et al. | Can tokamaks PFC survive a single event of any plasma instabilities? | |
Evtikhin et al. | Research of lithium capillary-pore systems for fusion reactor plasma facing components | |
Kikuchi et al. | Surface modifications on toughened, fine-grained, recrystallized tungsten with repetitive ELM-like pulsed plasma irradiation | |
EP2356659A2 (en) | Replaceable fusion neutron source | |
Chen et al. | Transmutation of nuclear wastes using photonuclear reactions triggered by Compton backscattering photons at the Shanghai laser electron gamma source | |
US20100246740A1 (en) | Nuclear Material Tracers | |
Sun et al. | Numerical simulation of Li pellet ablation in the H-mode pedestal region | |
WO2006046680A1 (en) | Molecule chemistry nuclear fusion reaction generation method and molecule chemistry nuclear fusion energy generator | |
Wang et al. | Existing and new applications of micropellet injection (MPI) in magnetic fusion | |
Ono | Lithium as plasma facing component for magnetic fusion research | |
Schiller et al. | Projected materials requirements for the next european torus and for longterm tokamak-based demo fusion devices | |
Gribkov et al. | The Vikhr plasma focus device for diagnosing the radiation-thermal resistance of materials intended for thermonuclear energy and aerospace engineering | |
Nishitani et al. | DEMO activities in the broader approach and beyond | |
Kuteev et al. | Dust technologies for magnetic fusion | |
Magaud et al. | Nuclear fusion reactors | |
Ezato et al. | Monte Carlo/molecular dynamics simulation on melting and evaporating processes of material due to laser irradiation | |
RU139490U1 (en) | DEVICE FOR PROTECTION AGAINST EROSION OF THE FIRST WALL OF A NUCLEAR SYNTHESIS REACTOR WITH MAGNETIC RETAINING | |
Hosseinimotlagh | The stopping power of relativistic electrons and laser-accelerated proton beams for fast ignition of DT and D3He and P11B fuels |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171101 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20191001 |