RU2725161C1

RU2725161C1 - Cooled tokamak wall

Info

Publication number: RU2725161C1
Application number: RU2019138756A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Варава; Алексей Викторович Дедов; Александр Валентинович Захаренков; Александр Тимофеевич Комов; Владимир Дмитриевич Локтионов; Виктор Васильевич Мясников; Юлия Владимировна Сморчкова; Петр Готлобович Фрик
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-06-30

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to tokamak cooled wall. Wall includes heat flow receiving surface [1] and heat-conducting zone adjoining it [2], together with casing [3] forming steam collection cavity, needle heat-conducting elements [4] located perpendicularly to heat-conducting zone [2] and having thermal contact with it. Needle-shaped heat-conducting elements [4] form rows. All even elements in even row are made hollow [5] and in lower part have jet sprayers [6], and in upper part hollow elements [5] are connected by individual pipelines [7] with group pipeline [8] of water supply. Heat flux emitted by the high-temperature plasma is received by the heat flow reception surface 1 and, due to heat conductivity of the material of heat-conducting zone 2, heats the needle heat-conducting elements 4 in casing 3, including hollow elements 5, to which water is supplied via individual pipelines 7 from group pipeline 8. Perpendicular arrangement of needle heat generating elements 4 and hollow elements 5 increases efficiency of heat removal from heat flow receiving surface 1. Note here that heat flow receiving surface 1 and heat-conducting zone 2 have maximum temperature.EFFECT: increased efficiency of tokamaks walls cooling with high intensity of emitted heat flow.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, и в частности к системам отвода тепла в термоядерных реакторах типа токамак.The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to heat dissipation systems in fusion reactors such as tokamak.

Известна термосиловая охлаждаемая конструкция стенки высокотемпературного воздушно-газового тракта (патент РФ №2403491, публ. 10.11.2010, МПК F16L 59/07), содержащая каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт со стенкой камеры сгорания.Known thermo-power cooled wall structure of a high-temperature air-gas tract (RF patent No. 2403491, publ. 10.11.2010, IPC F16L 59/07), containing channels for the passage of coolant having thermal contact with the wall of the combustion chamber.

Недостатком настоящего технического решения является ограниченный отвод энергии от горячей стенки, связанный с недопустимостью закипания охлаждающей жидкости в каналах и образованием эффекта «запаривания».The disadvantage of this technical solution is the limited removal of energy from the hot wall, associated with the inadmissibility of boiling of the coolant in the channels and the formation of the effect of "steaming".

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является охлаждаемая стенка токамака (патент РФ №2641651, опуб. 19.01.2018, МПК G21C 15/00, F16L 59/07, F23M 5/00), содержащая поверхность приема теплового потока и прилегаемую к ней теплопроводящую зону, внутри которой расположена группа форсунок. Каждая форсунка содержит камеру с осевым отверстием, соединенную с каналом подвода охлаждающей жидкости. В каждой форсунке выполнено сопло, расположенное соосно осевому отверстию. Со стороны сопел установлен кожух для сбора пара. Нагрев и испарение жидкости происходит на поверхности контакта.The closest in technical essence to the claimed invention is a cooled tokamak wall (RF patent No. 2641651, publ. 01/19/2018, IPC G21C 15/00, F16L 59/07, F23M 5/00), containing and adjacent to the heat flux receiving surface heat-conducting zone, inside which there is a group of nozzles. Each nozzle contains a chamber with an axial hole connected to the channel for supplying coolant. Each nozzle has a nozzle located coaxially to the axial hole. A casing for collecting steam is installed on the nozzle side. Heating and evaporation of the liquid occurs on the contact surface.

Недостатком настоящего технического решения является низкая степень охлаждения при высокой интенсивности теплового потока, обусловленная небольшой площадью контакта охлаждающей жидкости и нагретой внутренней поверхностью сопел.The disadvantage of this technical solution is the low degree of cooling at a high intensity of the heat flow due to the small contact area of the coolant and the heated inner surface of the nozzles.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности парообразования и съема тепла с нагреваемой стенки.The technical task of the invention is to increase the efficiency of vaporization and heat removal from the heated wall.

Технический результат заключается в развитии поверхности испарения охлаждающей жидкости, что ведет к повышению эффективности парообразования и, как следствие, эффективности охлаждения стенок токамаков с высокой интенсивностью излучаемого теплового пока.The technical result consists in the development of the surface of evaporation of the coolant, which leads to an increase in the efficiency of vaporization and, as a result, the cooling efficiency of the walls of tokamaks with high intensity of the radiated heat so far.

Это достигается тем, что в известную охлаждаемую стенку токамака, содержащую поверхность приема теплового потока и прилегающую к ней теплопроводящую зону, совместно с кожухом образующую полость сбора пара, введены игольчатые теплопроводящие элементы, расположенные перпендикулярно теплопроводящей зоне и имеющие с ней тепловой контакт. Игольчатые теплопроводящие элементы образуют ряды. Все четные элемент в четном ряду выполнены полыми и в нижней части имеют струйные распрыскиватели, обеспечивающие круговой выброс воды на окружающие игольчатые теплопроводящие элементы, а в верхней части полые элементы соединены индивидуальными трубопроводами с групповым трубопроводом подачи воды.This is achieved by the fact that needle-shaped heat-conducting elements located perpendicular to the heat-conducting zone and having thermal contact with it are introduced into the known cooled wall of the tokamak containing the heat flux receiving surface and the adjacent heat-conducting zone, together with the casing forming a vapor collection cavity. Needle heat-conducting elements form rows. All even-numbered elements in an even row are hollow and in the lower part have jet sprayers providing a circular discharge of water to the surrounding heat-conducting needle elements, and in the upper part, the hollow elements are connected by individual pipelines to a group water supply pipeline.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена охлаждаемая стенка токамака, на фиг. 2 показан игольчатый теплопроводящий элемент, на фиг. 3 полый теплопроводящий элемент, а на фиг. 4 - размещение игольчатых теплопроводящих элементов на поверхности теплопроводящей зоны.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the cooled wall of the tokamak; FIG. 2 shows a needle heat-conducting element; FIG. 3 is a hollow heat-conducting element, and in FIG. 4 - placement of needle heat-conducting elements on the surface of the heat-conducting zone.

Охлаждаемая стенка токамака содержит поверхность приема теплового потока 1 и прилегающую к ней теплопроводящую зону 2, совместно с кожухом 3 образующую полость сбора пара, игольчатые теплопроводящие элементы 4, расположенные перпендикулярно теплопроводящей зоне 2 и имеющие с ней тепловой контакт. Игольчатые теплопроводящие элементы 4 образуют ряды. Все четные элемент в четном ряду выполнены полыми 5 и в нижней части имеют струйные распрыскиватели 6, а в верхней части полые элементы 5 соединены индивидуальными трубопроводами 7 с групповым трубопроводом 8 подачи воды.The tokamak wall to be cooled comprises a heat flux receiving surface 1 and an adjacent heat-conducting zone 2, together with a casing 3 forming a vapor collection cavity, needle heat-conducting elements 4 located perpendicular to the heat-conducting zone 2 and having thermal contact with it. The needle heat-conducting elements 4 form rows. All even elements in an even row are made hollow 5 and have jet sprayers 6 in the lower part, and in the upper part the hollow elements 5 are connected by individual pipelines 7 to a group water supply pipe 8.

Охлаждаемая стенка токамака работает следующим образом.The cooled wall of the tokamak works as follows.

Тепловой поток, излучаемый высокотемпературной плазмой, воспринимается поверхностью приема теплового потока 1 и за счет теплопроводности материала теплопроводящей зону 2 нагревает игольчатые теплопроводящие элементы 4 в кожухе 3, в том числе и полые элементы 5, к которым через индивидуальные трубопроводы 7 из группового трубопровода 8 подается вода. Перпендикулярное расположение игольчатых тепловыделяющих 4 и полых элементов 5 повышает эффективность отвода тепла от поверхности приема теплового потока 1. При этом максимальную температуру имеют поверхность приема теплового потока 1 и теплопроводяшая зона 2. Поверхность приема теплового потока 1 выполняется из тугоплавких материалов, например, вольфрама, молибдена и т.п. При подаче воды в полые элементы 5 и ее выбросе через струйные распрыскиватели 6 на теплопроводящую зону 2, являющейся основанием игольчатых теплопроводящих элементов 4, происходит закипание воды в тонком слое контакта с горячей поверхностью приема теплового потока 1. Процесс носит взрывной характер, при котором часть микрокапли отбрасывается от горячей поверхности приема теплового потока 1. Подхваченная потоком образовавшегося пара часть микрокапли попадает на другой игольчатый теплопроводящий элемент 4, где процессы повторяются. В результате образуется смесь фрагментов перегретого пара и микрокапель воды, которая за счет давления образовавшегося пара перемещаемая к выходу. Контактируя с вершиной игольчатых теплопроводящих элементов 4, перегретый пар отдает часть тепла и остывает, а микрокапли испаряются. Движение пара обеспечивает быстрый отвод тепла от поверхности приема теплового потока 1. Каждый полый игольчатый элемент 5, осуществляющий выброс воды на горячее основание и окружающих его игольчатых теплопроводящих элементов 4, что обеспечивает развитую поверхность испарения. Все четные элемент в четном ряду выполнены полыми и в нижней части имеющими струйные распрыскиватели 6, обеспечивается круговой выброс воды на окружающие игольчатые теплопроводящие элементы 4.The heat flux emitted by the high-temperature plasma is perceived by the receiving surface of the heat flux 1 and, due to the heat conductivity of the material, the heat-conducting zone 2 heats the needle heat-conducting elements 4 in the casing 3, including hollow elements 5, to which water is supplied through individual pipelines 7 from the group pipeline 8 . The perpendicular arrangement of the needle-shaped heat-generating elements 4 and hollow elements 5 increases the efficiency of heat removal from the heat-receiving surface 1. The heat-receiving surface 1 and the heat-conducting zone 2 have a maximum temperature. The heat-receiving surface 1 is made of refractory materials, for example, tungsten, molybdenum etc. When water is supplied to the hollow elements 5 and discharged through jet sprayers 6 to the heat-conducting zone 2, which is the base of the heat-conducting needle elements 4, water boils in a thin layer of contact with the hot surface of heat flux 1. The process is explosive, in which part of the microdrops discarded from the hot surface of the heat flux receiving 1. Part of the microdroplet caught by the flow of generated steam falls onto another needle heat-conducting element 4, where the processes are repeated. As a result, a mixture of fragments of superheated steam and microdrops of water is formed, which, due to the pressure of the formed vapor, moves to the outlet. Contacting with the tip of the needle heat-conducting elements 4, the superheated steam gives off part of the heat and cools down, and the microdrops evaporate. The movement of steam provides a quick heat removal from the surface of the heat flux 1. Each hollow needle element 5, which releases water to the hot base and the surrounding needle heat-conducting elements 4, which provides a developed evaporation surface. All even elements in an even row are hollow and have jet sprayers 6 in the lower part, a circular discharge of water to the surrounding needle heat-conducting elements 4 is provided.

Таким образом, обеспечивается развитие поверхности испарения охлаждающей жидкости, что приводит к повышению эффективности парообразования и съема тепла с нагреваемой стенки.Thus, the development of the surface of evaporation of the coolant is ensured, which leads to an increase in the efficiency of vaporization and heat removal from the heated wall.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность парообразования и, как следствие, эффективность охлаждения стенок токамаков с высокой интенсивностью излучаемого теплового потока.The use of the invention allows to increase the efficiency of vaporization and, as a result, the cooling efficiency of the walls of tokamaks with high intensity of the radiated heat flux.

Claims

The cooled tokamak wall, containing the heat flux receiving surface and the adjacent heat-conducting zone, together with the casing, form a vapor collection cavity, characterized in that it is equipped with needle heat-conducting elements located perpendicular to the heat-conducting zone, having thermal contact with it and forming rows, all even elements in an even row of which they are made hollow and in the lower part they have jet sprayers, and in the upper part they are connected by individual pipelines to a group water supply pipeline.