RU2686478C1 - Method and device for optimization of working gas recycling in tokamak - Google Patents
Method and device for optimization of working gas recycling in tokamak Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686478C1 RU2686478C1 RU2018133624A RU2018133624A RU2686478C1 RU 2686478 C1 RU2686478 C1 RU 2686478C1 RU 2018133624 A RU2018133624 A RU 2018133624A RU 2018133624 A RU2018133624 A RU 2018133624A RU 2686478 C1 RU2686478 C1 RU 2686478C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- vacuum chamber
- limiters
- atoms
- working gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21B—FUSION REACTORS
- G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к области исследований по программе управляемого термоядерного синтеза на установках с магнитным удержанием плазмы, преимущественно на токамаках, в которых используются лимитеры.The invention relates to the field of research on the program of controlled thermonuclear fusion in plants with magnetic plasma confinement, mainly on tokamaks, in which limiters are used.
Основной технической задачей, стоящей перед исследованиями на токамаках, является достижение максимального удержания энергии для ионной компоненты плазмы в центральных областях плазменного шнура. Это позволяет достичь в этих областях высокой ионной температуры и, следовательно, увеличить (в случае использования в качестве рабочего газа химических элементов, участвующих в термоядерных реакциях синтеза) скорости протекания реакций синтеза и выделяемую при этом мощность.The main technical challenge facing tokamaks is to achieve maximum energy retention for the ionic plasma component in the central regions of the plasma pinch. This allows us to achieve a high ionic temperature in these areas and, consequently, to increase (in the case of using chemical elements participating in thermonuclear fusion reactions as working gas), the speed of synthesis reactions and the power released.
Список используемых терминовList of terms used
1. Рециклинг - (в данном контексте) совокупность процессов обмена частицами рабочего газа между элементами конструкции установки и плазмой;1. Recycling - (in this context) a set of processes for the exchange of particles of the working gas between the structural elements of the installation and the plasma;
2. Лимитер - внутрикамерный элемент конструкции установки, который определяет границу плазменного шнура;2. Limiter is an intracameral element of the installation design that defines the boundary of the plasma cord;
3. Подвижный лимитер Т-10 - внутрикамерная конструкция, которая может вдвигаться в камеру на различную глубину; таким образом достигается возможность изменения малого радиуса плазменного шнура;3. The mobile limiter T-10 is an intracameral design that can be pushed into the chamber at different depths; thus, the possibility of changing the small radius of the plasma cord;
4. Апертурный неподвижный лимитер Т-10 - лимитер, имеющий форму диафрагмы с круглым отверстием в центре;4. Aperture stationary limiter T-10 - a limiter having the shape of a diaphragm with a round hole in the center;
5. Радиальный профиль величины F(r) - зависимость величины F от малого радиуса r в тороидальной системе координат;5. The radial profile of F (r) is the dependence of F on a small radius r in the toroidal coordinate system;
6. Система газонапуска - устройство для напуска рабочего газа в камеру установки с целью компенсации потерь частиц водорода, определяемых адсорбцией на поверхности вакуумной камеры, откачкой и т.п.;6. Gas injection system - a device for inlet of the working gas into the installation chamber in order to compensate for the loss of hydrogen particles, determined by adsorption on the surface of the vacuum chamber, pumping, etc .;
7. Резонансная перезарядка - обмен электронами между атомами и ионами без передачи энергии;7. Resonant charge exchange - the exchange of electrons between atoms and ions without energy transfer;
8. Эстафетная перезарядка - многоступенчатый процесс, при котором происходит перезарядка между атомом, двигающимся в плазму и ионом плазмы; в каждом следующем акте взаимодействия энергия результирующего атома нарастает, в итоге создается значительная концентрация атомов в центральных областях плазмы;8. Relay charging - a multi-step process in which there is a charge exchange between an atom moving into a plasma and a plasma ion; in each subsequent interaction event, the energy of the resulting atom increases, resulting in a significant concentration of atoms in the central regions of the plasma;
9. Периферия плазменного шнура (в данном контексте) - область интенсивного взаимодействия поступающих в плазму нейтральных частиц рабочего газа с заряженными частицами плазмы;9. The periphery of the plasma cord (in this context) is the region of intense interaction of neutral particles of the working gas entering the plasma with charged plasma particles;
10. Основной объем плазмы, основная плазма (в данном контексте) - область плазмы за исключением периферии плазменного шнура;10. The main volume of plasma, the main plasma (in this context) is the plasma area with the exception of the periphery of the plasma cord;
11. Конвективные потери энергии (в данном контексте) - потери энергии связанные с поперечными (по отношению к тороидальному магнитному полю) потоками заряженных частиц.11. Convective energy losses (in this context) are energy losses associated with transverse (with respect to the toroidal magnetic field) fluxes of charged particles.
В большинстве случаев в качестве рабочего газа в современных токамаках используются изотопы водорода. В процессе ионизации нейтральных частиц (атомов и молекул рабочего газа) образуется плазма, состоящая из электронов и ионов водорода, удерживаемая магнитным полем установки. Плазма образует тороидальную структуру, именуемую плазменным шнуром. Помимо электронов и ионов водорода в плазме присутствуют ионы примесей, вследствие чего электронная и ионная концентрации различаются. Однако в режимах с не очень высокой концентрацией примесей - а именно такие режимы необходимо использовать в термоядерном реакторе - разница между концентрацией электронов и ионов водорода невелика, и в дальнейших рассуждениях мы будем ей пренебрегать. Поэтому, в нижеследующем тексте (если нет специальных указаний), речь идет о положительно заряженных ионах, атомах и молекулах водорода. Заряженные частицы (электроны и ионы) теряются из плазменного шнура, в основном, из-за поперечного (по отношению к тороидальным магнитным поверхностям) диффузионного потока. Такие потери компенсируются за счет поступления в плазму нейтральных частиц водорода через границу плазменного шнура с последующей ионизацией. Таким образом, зависимость концентрации заряженных частиц от малого радиуса тороидального плазменного шнура (форма радиального профиля плотности) определяется одновременным действием двух основных конкурирующих процессов: ионизации поступающих с периферии плазменного шнура атомов и молекул водорода и диффузионным потоком заряженных частиц наружу. Совокупность этих процессов обычно называют рециклингом водорода. Надежные механизмы влияния на величину поперечной диффузии, которая значительно превышает предсказания классической теории плазмы, до настоящего времени не разработаны. Что касается параметров нейтралов, поступающих в плазменный шнур, то их фракционным составом (атомы или молекулы) и энергией можно управлять, используя различные конструкции элементов и систем установки и параметры плазмы на периферии плазменного шнура. Таким образом, может быть оказано управляющее воздействие на формы радиальных профилей концентрации, как заряженных частиц, так и атомов водорода в плазме.In most cases, hydrogen isotopes are used as the working gas in modern tokamaks. In the process of ionization of neutral particles (atoms and molecules of the working gas) plasma is formed, consisting of electrons and hydrogen ions, held by the magnetic field of the installation. A plasma forms a toroidal structure called a plasma cord. In addition to electrons and hydrogen ions, impurity ions are present in the plasma, as a result of which the electron and ion concentrations differ. However, in regimes with a not very high impurity concentration — namely, such regimes must be used in a thermonuclear reactor — the difference between the concentration of electrons and hydrogen ions is small, and we will ignore it in further arguments. Therefore, in the following text (unless there are special instructions), we are talking about positively charged ions, atoms and hydrogen molecules. Charged particles (electrons and ions) are lost from the plasma cord, mainly due to the transverse (with respect to toroidal magnetic surfaces) diffusion flux. Such losses are compensated for by the entry of neutral hydrogen particles into the plasma through the boundary of the plasma column, followed by ionization. Thus, the dependence of the concentration of charged particles on the small radius of the toroidal plasma cord (the shape of the radial density profile) is determined by the simultaneous action of two main competing processes: the ionization of the plasma cord of atoms and hydrogen molecules coming from the periphery and the diffusion flow of charged particles out. The combination of these processes is commonly referred to as hydrogen recycling. Reliable mechanisms of influence on the magnitude of transverse diffusion, which far exceeds the predictions of the classical theory of plasma, have not yet been developed. As for the parameters of the neutrals entering the plasma cord, their fractional composition (atoms or molecules) and energy can be controlled using various designs of the elements and systems of the installation and plasma parameters at the periphery of the plasma cord. Thus, a control effect can be exerted on the shapes of the radial concentration profiles of both charged particles and hydrogen atoms in the plasma.
Известен способ формирования тороидального плазменного шнура, применяемый в первых токамаках. В этих установках плазменный шнур формировался в тороидальной вакуумной камере [А.Л.Безбатченко, И.Н.Головин и др., в книге «Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, Том IV, стр. 116, М., 1958»]. Лимитеры не использовались. В этом случае можно говорить о двух источниках атомов и молекул водорода, влияющих на формирование плазменного шнура: внутренней поверхности вакуумной камеры и системе газонапуска. Недостатки, присущие такому способу, и препятствующие получению технического результата, который обеспечивается описываемым изобретением, рассматриваются ниже.A known method of forming a toroidal plasma cord, used in the first tokamaks. In these installations, a plasma cord was formed in a toroidal vacuum chamber [AL Bezbatchenko, I. Golovin and others, in the book “Plasma Physics and the Problem of Controlled Thermonuclear Reactions, Volume IV, p. 116, M., 1958”] . Limiters were not used. In this case, we can speak of two sources of atoms and hydrogen molecules that affect the formation of the plasma pinch: the inner surface of the vacuum chamber and the gas supply system. The disadvantages inherent in this method, and preventing obtaining a technical result, which is provided by the described invention, are discussed below.
Следующим этапом развития токамаков явилось введение лимитеров - внутрикамерных элементов конструкции, приближенных к плазме. Лимитеры сильнее всего взаимодействуют с плазмой и определяют положение границы плазменного шнура. Вследствие большой удельной плотности потока ионов плазмы на поверхности лимитеров последние являются мощными источниками нейтрального водорода.The next stage in the development of tokamaks was the introduction of limiters - intracameral structural elements close to the plasma. Limiters interact most strongly with the plasma and determine the position of the plasma cord boundary. Due to the high specific flux density of plasma ions on the surface of the limiters, the latter are powerful sources of neutral hydrogen.
Наиболее близким способом и устройством того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является способ и устройство формирования плазменного шнура, применяемый в токамаке Т-10 (прототип: В.А.Вершков, Д.К.Вуколов, Э.О.Кулешин, А.А.Медведев, Модернизированная эндоскопическая оптическая система Токамака Т-10. Первые экспериментальные результаты, Вопросы атомной науки и техники, Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 4, стр. 80). Т-10 - лимитерный токамак с круглым сечением плазменного шнура. В качестве рабочего газа в большинстве режимов разряда используется дейтерий (тяжелый водород).The closest method and device of the same purpose to the claimed invention in terms of the maximum number of similar features is the method and device for the formation of a plasma cord used in the T-10 tokamak (prototype: V.A. Vershkov, D.K. Vukolov, E.O.Kuleshin , A.A.Medvedev, Modernized Tokamak T-10 Endoscopic Optical System (First Experimental Results, Problems of Atomic Science and Technology, Series Thermonuclear Synthesis, 2012,
Рассмотрим основные элементы конструкции установки Т-10, являющиеся источниками атомов и молекул водорода и влияющие на форму профилей плотности заряженных частиц и атомов водорода в плазме.Consider the basic structural elements of the installation T-10, which are sources of atoms and hydrogen molecules and affect the shape of the density profiles of charged particles and hydrogen atoms in the plasma.
Система газонапуска. Выход трубопровода системы газонапуска располагается на поверхности стенки вакуумной камеры. Из трубопровода поступает молекулярный поток водорода.Gas supply system. The outlet of the gas supply system pipeline is located on the wall surface of the vacuum chamber. From the pipeline comes the molecular flow of hydrogen.
Внутренняя поверхность вакуумной камеры. Вносит в плазму как молекулярный (возникающий за счет десорбции с поверхности), так и атомарный (результат отражения ионов и атомов водорода от поверхности с нейтрализацией) потоки водорода.The inner surface of the vacuum chamber. It introduces into the plasma both molecular (arising due to desorption from the surface) and atomic (the result of reflection of ions and hydrogen atoms from the surface with neutralization) hydrogen flows.
Лимитеры. На поверхности подвижного и неподвижного лимитеров падает большой по величине (до 1020 см-2с-1) удельный поток энергичных ионов, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля. Значительная часть ионов отражается от поверхностей лимитеров с нейтрализацией. В результате образуются атомы с энергией сравнимой по величине с энергией исходного иона. Присутствует также поток молекул, рождающихся в процессе десорбции водорода с поверхностей лимитеров.Limiters. On the surface of the movable and stationary limiters, a large amount (up to 10 20 cm -2 s -1 ) of the specific flux of energetic ions moving along the magnetic field lines is large. A significant part of the ions is reflected from the surfaces of the limiters with neutralization. As a result, atoms are formed with an energy comparable in magnitude with the energy of the initial ion. There is also a flow of molecules produced in the process of desorption of hydrogen from the surfaces of the limiters.
Недостатками прототипа являются следующие особенности:The disadvantages of the prototype are the following features:
1. При отражении ионов водорода от поверхностей лимитеров образуются энергичные (до 200-300 эВ) атомы, подавляющая часть которых поступает в плазменный шнур. Значительная начальная энергия таких атомов в условиях существования эстафетной перезарядки позволяет им проникать глубоко в плазму. Концентрация атомов в центральной зоне плазмы в таких условиях высока, что имеет следствием высокую удельную объемную мощность потерь энергии из ионной компоненты за счет перезарядки ионов на атомах. Большая глубина проникновения атомов в плазму приводит также к образованию широкого и расположенного на значительной глубине в плазме профиля скорости ионизации атомов и молекул водорода, и, как следствие, формированию профиля плотности заряженных частиц со значительным градиентом в областях плазмы, удаленных от периферии. При такой форме профиля плотности велика удельная объемная мощность конвективных потерь энергии, как из ионной, так и из электронной компонент плазмы.1. Upon reflection of hydrogen ions from the surfaces of the limiters, energetic (up to 200-300 eV) atoms are formed, the overwhelming part of which enters the plasma cord. The significant initial energy of such atoms in the conditions of the existence of a relay charge allows them to penetrate deep into the plasma. The concentration of atoms in the central zone of the plasma under such conditions is high, which results in a high specific volume power of energy loss from the ionic component due to charge exchange of ions on atoms. The large depth of penetration of atoms into the plasma also leads to the formation of a wide profile of the ionization rate of atoms and hydrogen molecules located at a considerable depth in the plasma and, as a consequence, the formation of the density profile of charged particles with a significant gradient in plasma regions remote from the periphery. In this form of the density profile, the specific volume power of convective energy loss is large, both from the ionic and electron plasma components.
2. Все вышеперечисленное относится также и к потоку молекул, образующихся в результате десорбции молекул со стенки вакуумной камеры и лимитеров.2. All of the above also applies to the flow of molecules resulting from the desorption of molecules from the wall of the vacuum chamber and limiters.
Таким образом, прототип не обеспечивает формирование радиальных профилей плотности заряженных частиц плазмы и атомов рабочего газа, оптимальных с точки зрения удержания энергии в плазме.Thus, the prototype does not ensure the formation of the radial density profiles of charged plasma particles and working gas atoms that are optimal from the point of view of energy retention in the plasma.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является обеспечение радиальных профилей плотности заряженных частиц плазмы и атомов рабочего газа, оптимальных с точки зрения удержания энергии в плазме и обеспечивающего получение более высокого энергетического времени жизни в основном объеме плазмы токамака.The technical problem solved by the invention is to ensure the radial density profiles of charged plasma particles and working gas atoms, which are optimal from the point of view of energy retention in the plasma and ensuring a higher energy lifetime in the main volume of the tokamak plasma.
При неизменной вкладываемой в плазму мощности увеличение энергетического времени жизни позволяет получить более высокую, мощность, выделяемую при термоядерных реакциях за счет снижения потерь энергии, и, соответственно, более высокий КПД реактора в качестве технического результата.With a constant power invested in the plasma, an increase in the energy lifetime makes it possible to obtain a higher power emitted during thermonuclear reactions by reducing energy losses, and, accordingly, a higher reactor efficiency as a technical result.
Из экспериментальных данных следует, что одним из основных, а часто доминирующим, каналом потерь энергии как из электронной, так и из ионной компонент плазмы, являются конвективные потери, определяемые поперечным (по отношению к тороидальным магнитным поверхностям) потоком заряженных частиц плазмы. Поперечный поток заряженных частиц, в свою очередь, растет с увеличением градиента концентрации заряженных частиц. Отсюда следует, что конвективные потери энергии могут быть уменьшены посредством снижения градиента плотности заряженных частиц в основном объеме плазмы.From the experimental data, it follows that one of the main, and often dominant, channel of energy loss from both the electron and ion plasma components is the convective loss determined by the transverse (relative to toroidal magnetic surfaces) flow of charged plasma particles. The transverse flux of charged particles, in turn, increases with an increase in the concentration gradient of charged particles. It follows that convective energy losses can be reduced by reducing the density gradient of charged particles in the main plasma volume.
Для ионной компоненты плазмы еще одним существенным каналом потерь энергии является перезарядка ионов на атомах водорода. В процессе перезарядки образуются энергичные (до нескольких кэВ в условиях Т-10) атомы водорода, покидающие плазменный шнур. Удельная объемная мощность таких потерь может быть уменьшена, если добиться снижения концентрации в основной плазме атомов водорода.For the ionic component of the plasma, another significant channel of energy loss is the charge exchange of ions on hydrogen atoms. In the process of recharge, energetic (up to several keV under T-10 conditions) hydrogen atoms are formed, leaving the plasma cord. The specific volume power of such losses can be reduced if a decrease in the concentration of hydrogen atoms in the main plasma is achieved.
Таким образом, для достижения поставленной задачи - улучшения удержания энергии в плазме - необходимо оптимизировать профили концентрации, заряженных частиц и атомов рабочего газа в основной плазме. Эти макроскопические параметры плазменного шнура находятся в причинно-следственной связи с параметрами атомов и молекул водорода, поступающих в плазменный шнур.Thus, in order to achieve the objective - to improve energy retention in a plasma - it is necessary to optimize the profiles of the concentration, charged particles and working gas atoms in the main plasma. These macroscopic parameters of the plasma cord are in a causal relationship with the parameters of the atoms and molecules of hydrogen entering the plasma cord.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ оптимизации рециклинга рабочего газа в плазме токамака, который осуществляют посредством поступления молекул и атомов рабочего газа с поверхностей стенок вакуумной камеры, подвижного и неподвижного лимитеров, и системы газонапуска с трубопроводом, при этом одновременно снижают поток атомов, рождающихся в результате отражения ионов и атомов, поступающих из плазмы, от поверхностей стенок вакуумной камеры и лимитеров с нейтрализацией, снижают поток молекул рабочего газа, поступающий в плазму с поверхностей стенки вакуумной камеры и лимитеров и увеличивают поток молекул рабочего газа в плазму из системы газонапуска.This technical result is achieved by the fact that a method has been proposed for optimizing the recycling of a working gas in a tokamak plasma, which is carried out by supplying molecules and atoms of the working gas from the surfaces of the walls of the vacuum chamber, mobile and fixed limiters, and a gas supply system with a pipeline, while simultaneously reducing the flow of atoms the ions and atoms generated from reflection from the plasma, from the surfaces of the walls of the vacuum chamber and neutralization limiters, reduce the flow of working molecules ase entering the plasma from the surfaces of the wall of the vacuum chamber and limiters and increase the flow of working gas molecules into the plasma from the gas injection system.
Кроме того,Besides,
- поток атомов, снижают путем формирования микрорельефа на поверхностях стенок вакуумной камеры.- the flow of atoms is reduced by forming a microrelief on the surfaces of the walls of the vacuum chamber.
- формируют микрорельеф в виде микронеровностей, размер которых в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов водорода в области их взаимодействия с поверхностями стенок вакуумной камеры.- form a microrelief in the form of asperities, the size of which is several times smaller than the Larmor radius of hydrogen ions in the region of their interaction with the surfaces of the walls of the vacuum chamber.
- формируют микрорельеф путем размещения на поверхностях стенок вакуумной камеры металлического войлока.- form the microrelief by placing on the surfaces of the walls of the vacuum chamber of metal felt.
- остаточный поток быстрых атомов, образующихся в результате отражения ионов с нейтрализацией, снижают, направляя поток, отраженный от поверхности подвижного и неподвижного лимитеров в сторону поверхности стенки вакуумной камеры.- the residual flux of fast atoms resulting from the reflection of ions with neutralization is reduced by directing the flux reflected from the surface of the movable and fixed limiters towards the wall surface of the vacuum chamber.
- поток молекул рабочего газа, снижают при помощи нанесения на поверхности стенки вакуумной камеры и лимитеров геттера.- the flow of working gas molecules is reduced by applying a vacuum chamber and getter limiters to the wall surfaces.
- поток молекул рабочего газа, снижают при помощи нанесения на поверхности стенки вакуумной камеры и лимитеров регенерируемого геттера, напыляемого между рабочими циклами установки.- the flow of working gas molecules is reduced by depositing a regenerated getter on the walls of the vacuum chamber and limiters, sprayed between the operating cycles of the installation.
- поток молекул рабочего газа увеличивают, размещая выход трубопровода системы газонапуска на поверхности подвижного лимитера, обращенной к плазме.- the flow of the working gas molecules is increased by placing the outlet of the gas supply system pipeline on the surface of the mobile limiter facing the plasma.
- электронную температуру плазмы в области выхода трубопровода системы газонапуска оптимизируют при помощи дополнительного нагрева.- electron plasma temperature in the exit area of the gas supply system pipeline is optimized using additional heating.
Также для достижения технического результата предложено устройство для оптимизации рециклинга рабочего газа в установках токамак, содержащее вакуумную камеру, с расположенными в ней подвижным и неподвижным лимитерами, и системой газонапуска с трубопроводом,Also, to achieve a technical result, a device has been proposed for optimizing the recycling of a working gas in tokamak installations, comprising a vacuum chamber with movable and fixed limiters located in it, and a gas supply system with a pipeline,
при этом, боковые поверхности подвижного и неподвижного лимитеров выполнены таким образом, что преимущественный вектор скорости атомов, образующихся при упругом отражении от этих поверхности с нейтрализацией, направлен на стенку вакуумной камеры,at the same time, the lateral surfaces of the movable and fixed limiters are made in such a way that the predominant velocity vector of the atoms formed by elastic reflection from these surfaces with neutralization is directed to the wall of the vacuum chamber,
в стенке вакуумной камеры в области преимущественного падения отраженных атомов выполнены полости, выход трубопровода системы газонапуска размещен на поверхности подвижного лимитера, обращенной к плазме, а поверхности, стенок вакуумной камеры и лимитеров выполнены с микрорельефом.in the wall of the vacuum chamber, cavities are made in the area of preferential fall of reflected atoms, the outlet of the gas supply system pipeline is placed on the surface of the movable limiter facing the plasma, and the surfaces, walls of the vacuum chamber and limiters are made with microrelief.
Кроме того:Besides:
- на выходе трубопровода системы газонапуска установлено сопло Лаваля.- A Laval nozzle is installed at the outlet of the gas supply system pipeline.
- на поверхности стенок вакуумной камеры и лимитеров нанесен геттер.- a getter was applied on the surface of the walls of the vacuum chamber and limiters.
- микрорельеф выполнен в виде микронеровностей, размер которых в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов водорода в области их взаимодействия с поверхностями.- the microrelief is made in the form of asperities, the size of which is several times smaller than the Larmor radius of hydrogen ions in the region of their interaction with surfaces.
- микрорельеф выполнен из металлического войлока.- microrelief made of metal felt.
- вне вакуумной камеры установлен гиротрон, соединенный с ней волноводом, ось которого ориентирована параллельно большому радиусу тороидальной системы координат токамака, а выход расположен в области выхода трубопровода системы газонапуска.- a gyrotron is installed outside the vacuum chamber, connected to it by a waveguide, whose axis is oriented parallel to the large radius of the toroidal coordinate system of the tokamak, and the output is located in the exit area of the gas supply system pipeline.
Краткое описание чертежей:Brief Description of the Drawings:
На фиг. 1 приведены радиальные зависимости концентрации атомов водорода в одном из режимов разряда Т-10 для различных энергий атомов на границе плазменного шнура.FIG. 1 shows the radial dependences of the concentration of hydrogen atoms in one of the modes of the T-10 discharge for different atomic energies at the plasma cord boundary.
Фиг. 2 иллюстрирует зависимость скоростных кэффициентов различных ветвей реакций взаимодействия молекул водорода с плазмой от электронной температуры.FIG. 2 illustrates the dependence of the velocity coefficients of the various branches of the reactions of the interaction of hydrogen molecules with a plasma on the electron temperature.
На фиг. 3 показана схема усовершенствованных лимитеров (сечение вертикальной плоскостью, перпендикулярной главному радиусу тора, не в масштабе).FIG. 3 shows a diagram of advanced limiters (vertical section, perpendicular to the torus main radius, not to scale).
На фиг. 4 приведена схема реализации электронно-циклотронного нагрева области плазмы, в которую при помощи системы газонапуска инжектируются молекулы.FIG. 4 shows a scheme for the implementation of electron-cyclotron heating of a plasma region into which molecules are injected using a gas-injection system.
Позициями обозначены:Positions marked:
1 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 100 эВ;1 — radial profile of the concentration of atoms at their energy at a cord boundary of 100 eV;
2 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 50 эВ;2 — radial profile of the concentration of atoms at their energy at the cord boundary 50 eV;
3 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 20 эВ;3 — radial profile of the concentration of atoms at their energy at a cord boundary of 20 eV;
4 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 5 эВ;4 — radial profile of the concentration of atoms at their energy at the
5 - радиальный профиль концентрации атомов при их энергии на границе шнура 2 эВ;5 - the radial profile of the concentration of atoms at their energy at the boundary of the
6 - скоростной коэффициент реакции H2→Н0+Н+;6 - reaction rate coefficient H2 → H 0 + H + ;
7 - скоростной коэффициент реакции H2→Н0+Н0;7 — reaction rate coefficient H2 → H 0 + H 0 ;
8 - подвижный лимитер;8 - mobile limiter;
9 - апертурный лимитер;9 - aperture limiter;
10 - выход трубопровода газонапуска;10 - outlet gas pipeline;
11 - стенка вакуумной камеры;11 - the wall of the vacuum chamber;
12 - плазма;12 - plasma;
13 - полость со стенками, покрытыми геттером;13 - cavity with walls covered with getter;
14 - гиротрон;14 - gyrotron;
15 - волновод.15 - waveguide.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе и устройстве формирования плазменного шнура, применяемом в токамаке Т-10, и заключающемся в использовании для формирования плазменного шнура потоков атомов и молекул водорода, поступающих с лимитеров, внутренней поверхности стенки вакуумной камеры и системы газонапуска, используются следующие действия:This technical result is achieved by the fact that in a known method and device for the formation of a plasma cord used in the T-10 tokamak, which consists in using the flows of atoms and hydrogen molecules coming from limiters, the inner surface of the wall of the vacuum chamber and the gas start system to form the plasma cord, The following actions are used:
- для минимизации потоков и средней энергии атомов рабочего газа, рождающихся в результате отражения ионов водорода с нейтрализацией от стенки вакуумной камеры и лимитеров и поступающих в плазменный шнур, поверхностям, взаимодействующим с плазмой, придают специальный микрорельеф (шероховатость), который снижает вероятность отражения ионов и атомов с нейтрализацией в результате однократного соударения с поверхностью. Как показывают численные оценки, оптимальный размер микронеровностей должен быть в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов в области поверхности, составляющего десятые доли мм. Такой рельеф может быть создан при помощи механической обработки поверхностей. Можно также применять на упомянутых поверхностях неоднородный материал, при взаимодействии которого с плазмой образуется необходимый микрорельеф. Как вариант, поверхности покрывают «металлическим войлоком» - спрессованной тонкой металлической проволокой.- to minimize the flow and average energy of the working gas atoms generated as a result of the reflection of hydrogen ions with neutralization from the wall of the vacuum chamber and limiters and entering the plasma cord, plasma interacting surfaces are given a special microrelief (roughness), which reduces the likelihood of reflection of ions and atoms with neutralization as a result of a single collision with the surface. As shown by numerical estimates, the optimal size of asperities should be several times smaller than the Larmor radius of the ions in the surface area of tenths of a mm. Such a relief can be created using mechanical surface treatment. It is also possible to apply a non-uniform material on the above-mentioned surfaces, the interaction of which with the plasma forms the necessary microrelief. As an option, the surface is covered with “metal felt” - pressed with a thin metal wire.
Кроме того, чтобы уменьшить вероятность попадания остаточных быстрых атомов в плазму, изменяют конструкцию лимитеров 8 и 9. Поверхности лимитеров 8 и 9 (фиг. 3), на которые падает поток ионов, направляют таким образом, что вектора скоростей быстрых атомов, образующихся в результате отражения ионов с нейтрализацией, направляются в противоположную от плазмы сторону (в сторону поверхности стенки вакуумной камеры). В области преимущественного падения на поверхность быстрых атомов организуют полости 13, покрытые геттером. Помимо оптимизации радиальных профилей концентрации заряженных частиц и атомов водорода в плазме это позволяет снизить концентрацию в плазме примесей, что дополнительно улучшает удержание энергии.In addition, in order to reduce the likelihood of residual fast atoms in the plasma, they change the design of
Для уменьшения поступления молекулярного газа (например, вследствие десорбции с внутренней поверхности стенки вакуумной камеры) в область плазмы с низкой электронной температурой применяют нанесение на соответствующие поверхности геттера, например, лития или титана. Целесообразно применять геттер, напыляемый между рабочими циклами токамака.To reduce the flow of molecular gas (for example, due to desorption from the inner surface of the wall of the vacuum chamber) to the plasma region with a low electron temperature, apply to the corresponding surfaces of the getter, for example, lithium or titanium. It is advisable to use a getter sprayed between tokamak duty cycles.
Для обеспечения напуска молекул в область с более высокой электронной температурой выход трубопровода системы газонапуска 10 целесообразно разместить как можно ближе к границе плазмы 12, например, на поверхности лимитера 8 (фиг. 3, 4). Дополнительной мерой для обеспечения проникновения молекулярного газа в области с более высокой электронной температурой на выходе трубопровода системы 10 газонапуска целесообразно установить сопло Лаваля (на фиг. не показано) увеличивающее направленную скорость молекул.To ensure the inlet of molecules into the region with a higher electron temperature, it is advisable to place the outlet of the
Если электронная температура в зоне выхода трубопровода недостаточно высока, целесообразно использовать для ее повышения дополнительный (например, электронно-циклотронный) СВЧ нагрев. Для генерации СВЧ излучения целесообразно использовать гиротрон. Положение зоны электронно-циклотронного резонанса, зависящее от частоты вводимого в плазму СВЧ излучения и магнитного поля, выбирается таким образом, чтобы мощность дополнительного нагрева вводилась в область взаимодействия молекул газонапуска с плазмой. Один из оптимальных вариантов геометрии введения излучения показан на фиг. 4.If the electron temperature in the exit zone of the pipeline is not high enough, it is advisable to use additional (for example, electron cyclotron) microwave heating to increase it. To generate microwave radiation, it is advisable to use a gyrotron. The position of the electron cyclotron resonance zone, depending on the frequency of the microwave radiation and the magnetic field introduced into the plasma, is chosen in such a way that the additional heating power is introduced into the region of interaction of the gas inlet molecules with the plasma. One of the best options for the geometry of the introduction of radiation is shown in FIG. four.
Таким образом, за счет минимизации потока и средней энергии поступающих в плазму атомов водорода формируются оптимальные профили плотности заряженных частиц и атомов водорода в плазменном шнуре, позволяющие существенно снизить потери энергии, связанные с конвекцией и перезарядкой.Thus, by minimizing the flux and the average energy of hydrogen atoms entering the plasma, optimal density profiles of charged particles and hydrogen atoms are formed in the plasma string, which can significantly reduce the energy losses associated with convection and recharge.
В известном способе формирования плазменного шнура, применяемом в токамаке Т-10, в котором плазменный шнур формируется путем использования в качестве источников нейтральных частиц водорода лимитеров, внутренней поверхности стенки вакуумной камеры, системы газонапуска, предлагается использовать следующие действия:In the known method of forming a plasma cord, used in the T-10 tokamak, in which the plasma cord is formed by using limiters, sources of neutral hydrogen particles, the inner surface of the vacuum chamber wall, gas supply system, as sources of neutral hydrogen particles, it is proposed to use the following steps:
1. Минимизировать потоки и среднюю энергию атомов рабочего газа, рождающихся в результате отражения ионов водорода с нейтрализацией от поверхностей стенки вакуумной камеры, а также лимитеров, и поступающих затем в плазменный шнур. Поток атомов, снижают путем формирования микрорельефа на поверхностях стенок вакуумной камеры (пункт 2 Формулы изобретения).1. Minimize the fluxes and the average energy of the working gas atoms generated as a result of the reflection of hydrogen ions with neutralization from the surfaces of the wall of the vacuum chamber, as well as limiters, and then coming into the plasma cord. The flow of atoms is reduced by forming a microrelief on the surfaces of the walls of the vacuum chamber (Claim 2).
Микрорельеф создают в виде микронеровностей, размер которых в несколько раз меньше ларморовского радиуса ионов водорода в области их взаимодействия с поверхностями стенок вакуумной камеры (пункт 3 Формулы изобретения). Как вариант возможно размещение на поверхностях стенок вакуумной камеры металлического войлока (пункт 4 Формулы изобретения). Остаточный поток быстрых атомов, образующихся в результате отражения ионов с нейтрализацией, снижают, направляя поток, отраженный от поверхности подвижного и неподвижного лимитеров в сторону поверхности стенки вакуумной камеры (пункт 5 Формулы изобретения).The microrelief is created in the form of microroughness, the size of which is several times smaller than the Larmor radius of hydrogen ions in the region of their interaction with the surfaces of the walls of the vacuum chamber (
2. Одновременно с этим уменьшить поступление молекулярного водорода (например, вследствие десорбции со стенки вакуумной камеры) в область плазмы с параметрами, при которых процессы диссоциации, приводящие к образованию атомов, превалируют над процессами ионизации с образованием электронов и ионов. Поток молекул рабочего газа снижают при помощи нанесения на поверхности стенки вакуумной камеры и лимитеров геттера (пункт 6 Формулы изобретения). Целесообразно использование регенерируемого геттера, напыляемого между рабочими циклами установки (пункт 7 Формулы изобретения).2. At the same time, reduce the flow of molecular hydrogen (for example, due to desorption from the wall of the vacuum chamber) to the plasma region with parameters at which dissociation processes leading to the formation of atoms prevail over ionization processes with the formation of electrons and ions. The flow of working gas molecules is reduced by depositing a vacuum chamber and getter limiters on the wall surfaces (Claim 6). It is advisable to use a regenerated getter, sprayed between the operating cycles of the installation (paragraph 7 of the claims).
3. Одновременно с действиями, перечисленными выше, компенсировать уменьшение полного потока нейтральных частиц в плазменный шнур при помощи увеличения потока молекулярного газа из системы газонапуска в область плазмы с большей электронной температурой. Для достижения этого условия поток молекул рабочего газа увеличивают, размещая выход трубопровода системы газонапуска на поверхности подвижного лимитера, обращенной к плазме (пункт 8 Формулы изобретения). Кроме того, на выходе трубопровода системы газонапуска устанавливают сопло Лаваля (пункт 11 Формулы изобретения).3. Simultaneously with the actions listed above, to compensate for the decrease in the total flux of neutral particles into the plasma cord by increasing the flux of molecular gas from the gas supply system to the plasma region with a higher electron temperature. To achieve this condition, the flow of working gas molecules is increased by placing the outlet of the gas supply system pipeline on the surface of the movable limiter facing the plasma (Claim 8). In addition, at the exit of the pipeline system gas installation set the Laval nozzle (
4. В случае, если напуск молекулярного газа в область плазмы с достаточно высокой электронной температурой плазмы невозможен, оптимизируют этот параметр в области взаимодействия молекул, поступающих из системы газонапуска, при помощи дополнительных методов нагрева (пункт 9 Формулы изобретения). Целесообразно использовать электронно-циклотронный нагрев (пункт 15 Формулы изобретения). Одной из наиболее оптимальных схем организации электронно-циклотронного нагрева является использование гиротрона, излучение с выхода которого вводится в вакуумную камеру посредством волновода, ось которого ориентирована параллельно большому радиусу токамака и проходит непосредственно над выходом трубопровода системы газонапуска.4. If it is impossible to overlap a molecular gas into a plasma region with a sufficiently high electron temperature of the plasma, optimize this parameter in the interaction region of molecules coming from the gas supply system using additional heating methods (
Благодаря введению в решение-прототип совокупности отличительных признаков, атомарный поток рабочего газа в плазму в значительной мере замещается молекулярным потоком. В случае если электронная температура плазмы в зоне поступления этого молекулярного потока оптимальна, подавляющая часть молекул конвертируется в электроны и ионы. Как следствие, радиальный профиль скорости рождения электронов и ионов водорода становится более узким и смещается к границе плазменного шнура. Градиент плотности заряженных частиц и концентрация атомов водорода в основной плазме снижаются, что приводит к улучшению удержания энергии.Due to the introduction of a set of distinctive features into the prototype solution, the atomic flow of the working gas into the plasma is largely replaced by the molecular flow. If the electron temperature of the plasma in the zone of entry of this molecular flow is optimal, the vast majority of the molecules are converted into electrons and ions. As a result, the radial profile of the rate of production of electrons and hydrogen ions becomes narrower and shifts to the boundary of the plasma cord. The gradient of the density of charged particles and the concentration of hydrogen atoms in the main plasma are reduced, which leads to improved energy retention.
Преимущество изобретения состоит в следующем. Как показывают сделанные численные оценки, основанные на экспериментальных данных, благодаря введению в известный прототип совокупности отличительных признаков, энергетическое время жизни в центральной зоне плазмы возрастает. В результате может быть достигнуто при прочих равных условиях увеличение центральной ионной температуры на 30-80%.The advantage of the invention is as follows. As shown by the numerical estimates based on experimental data, due to the introduction into the well-known prototype of a set of distinctive features, the energy lifetime in the central zone of the plasma increases. As a result, with other things being equal, an increase in the central ionic temperature by 30-80% can be achieved.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133624A RU2686478C1 (en) | 2018-09-24 | 2018-09-24 | Method and device for optimization of working gas recycling in tokamak |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133624A RU2686478C1 (en) | 2018-09-24 | 2018-09-24 | Method and device for optimization of working gas recycling in tokamak |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686478C1 true RU2686478C1 (en) | 2019-04-29 |
Family
ID=66430297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018133624A RU2686478C1 (en) | 2018-09-24 | 2018-09-24 | Method and device for optimization of working gas recycling in tokamak |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2686478C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113421659A (en) * | 2021-06-11 | 2021-09-21 | 合肥聚能电物理高技术开发有限公司 | Water-cooling molybdenum-copper limiter |
| RU2799504C1 (en) * | 2023-02-21 | 2023-07-05 | Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Automatic control system for the supply of producer and process gases in various modes of operation of a tokamak-type plant |
| WO2023135312A1 (en) * | 2022-01-14 | 2023-07-20 | Tokamak Energy Ltd | Evaporation pump |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2297649C1 (en) * | 2005-11-25 | 2007-04-20 | Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" | System for measuring energy distribution of plasma-escaping atoms in tokamak plants |
| US8090071B2 (en) * | 2001-08-08 | 2012-01-03 | James Robert DeLuze | Apparatus for hot fusion of fusion-reactive gases |
| EA018812B1 (en) * | 2005-03-07 | 2013-10-30 | Дзе Риджентс Оф Дзе Юниверсити Оф Калифорниа | Plasma electric generation system |
| KR20140012519A (en) * | 2012-07-20 | 2014-02-03 | 전홍석 | Nuclear fusion power by hypervelocity bullet collision |
-
2018
- 2018-09-24 RU RU2018133624A patent/RU2686478C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8090071B2 (en) * | 2001-08-08 | 2012-01-03 | James Robert DeLuze | Apparatus for hot fusion of fusion-reactive gases |
| EA018812B1 (en) * | 2005-03-07 | 2013-10-30 | Дзе Риджентс Оф Дзе Юниверсити Оф Калифорниа | Plasma electric generation system |
| RU2297649C1 (en) * | 2005-11-25 | 2007-04-20 | Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" | System for measuring energy distribution of plasma-escaping atoms in tokamak plants |
| KR20140012519A (en) * | 2012-07-20 | 2014-02-03 | 전홍석 | Nuclear fusion power by hypervelocity bullet collision |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113421659A (en) * | 2021-06-11 | 2021-09-21 | 合肥聚能电物理高技术开发有限公司 | Water-cooling molybdenum-copper limiter |
| WO2023135312A1 (en) * | 2022-01-14 | 2023-07-20 | Tokamak Energy Ltd | Evaporation pump |
| RU2799504C1 (en) * | 2023-02-21 | 2023-07-05 | Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Automatic control system for the supply of producer and process gases in various modes of operation of a tokamak-type plant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9768033B2 (en) | Methods for high precision etching of substrates | |
| RU2686478C1 (en) | Method and device for optimization of working gas recycling in tokamak | |
| US5061838A (en) | Toroidal electron cyclotron resonance reactor | |
| TW201328438A (en) | High efficiency plasma source | |
| Kimura et al. | Experiments and global model of inductively coupled rf Ar/N2 discharges | |
| Yaala et al. | Plasma-assisted catalytic formation of ammonia in N 2–H 2 plasma on a tungsten surface | |
| US20040086434A1 (en) | Apparatus and method for treating objects with radicals generated from plasma | |
| Wauters et al. | 0D model of magnetized hydrogen–helium wall conditioning plasmas | |
| WO1990010547A1 (en) | Electron cyclotron resonance plasma source and method of operation | |
| Qin et al. | Three-dimensional multispecies nonlinear perturbative particle simulations of collective processes in intense particle beams | |
| EP2044610B1 (en) | Plasma sources | |
| Cunge et al. | Production and loss mechanisms of SiClX etch products during silicon etching in a high density HBr∕ Cl2∕ O2 plasma | |
| CN109195298B (en) | Negative hydrogen ion generating device and method | |
| Sakurai et al. | Control of magnetic field in neutral loop discharge plasma for uniform distribution of ion flux on substrate | |
| Fauroux et al. | Experimental and theoretical study of a magnetron DC-PECVD acetylene discharge: Determination of the main species and reactions taking place in the plasma | |
| Bogdanov et al. | Scaling laws for oxygen discharge plasmas | |
| Zielke et al. | Predictive fluid model for self-consistent description of inductive RF coupling in powerful negative hydrogen ion sources | |
| Stevens | Electron cyclotron resonance plasma sources | |
| Cernusca et al. | Edge plasma-relevant ion–surface collision processes | |
| JP2008159802A (en) | Plasma doping method and device | |
| JP2012044035A (en) | Semiconductor manufacturing apparatus | |
| Psikal | Ion acceleration in small-size targets by ultra-intense short laser pulses (simulation and theory) | |
| Miracoli | Characterization of microwave discharge ion source for high protom beam production in cw and pulsed mode. | |
| Economou | Modeling and simulation of fast neutral beam sources for materials processing | |
| JPH0270063A (en) | Plasma/ion forming source and plasma/ion treating device |