19251

УДАЛЕНИЕ ИЗ ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛА И ЧАСТИЦ, ДИВЕРТОР

Лекция

Физика

Лекция 14 Удаление из термоядерной установки тепла и частиц ДИВЕРТОР Конфигурация скрэпслоя в токамаке с дивертором кондиционирование поверхности разрядных камер токамаков Hмода и Lмода режимов удержания плазмы Дивертор нужен не только очистки плазмы от

Русский

2013-07-11

136 KB

3 чел.

Лекция 14

Удаление из термоядерной установки тепла и частиц, ДИВЕРТОР

Конфигурация скрэп-слоя в токамаке с дивертором, кондиционирование поверхности разрядных камер токамаков,  H-мода и L-мода режимов удержания плазмы

Дивертор нужен не только очистки плазмы от примесей для улучшения энергобаланса в реакторе, но без него, в принципе, трудно представить стационарный режим работа реактора из-за накопления гелиевой «золы». Действительно, из динамики изменения содержания топлива

 

и образующейся в ходе реакции «золы»

,  (14.1)

где ni, n -концентрации, а I,  - времена удержания, Ri,R - коэффициенты возврата соответственно ионов изотопов водорода и гелия, а Sfскорость подпитки топливом, можно найти скорость накопления «золы» в реакторе. Для этого надо учесть квазинейтральность плазмы

ni  + 2n = ne       (14.2)  

и постоянство ее давления в ходе реакции

(ni + ne+ n)kT =2n0kT,    (14.3)

где n0 –концентрация топлива в самом начале реакции.

Решая уравнение (14.1) (<DTv>fDT)  в пренебрежении удалением гелия (R=1) с учетом (14.2) и (14.3) получаем скорость изменения относительной концентрации гелия в плазме:

.     (14.4)

Так как мощность реактора пропорциональна квадрату плотности Pяд  ni2, то, подставляя ni/n0 =1-(3/2)[n/n0] из (14.4) находим время, за которое мощность реактора уменьшится от Pяд(0) до Pяд(t):

Рис.14.1.  Конфигурация скрэп-слоя в токамаке с дивертором.

t =. Откуда для значения fDT  10-22м-3с при Т = 10 кэВ и типичной для реактора-токамака концентрации n=1020м-3, из получаем, что мощность реактора, у которого не удаляется «зола», уменьшится вдвое за 100 с.

Дивертор служит не только для удаления «золы» и примесей, но и для съема уносимого плазмой тепла. Крайняя, проходящая через x-точку замкнутая поверхность – сепаратриса, отделяет центральную область удерживаемой плазмы от удаляемого так называемого скрэп-слоя (scare-off-layer или SOL) периферийной плазмы (см. рис.14.1). В этом слое продиффундировшая через сепаратрису плазма движется с ионно-звуковой скоростью вдоль магнитных силовых линий, огибая по винтовой траектории основную плазму, и заканчивает свой путь на приемных пластинах дивертора. Атомы примесей, вылетающие со стенок под действием корпускулярного (и электромагнитного) излучения плазмы, ионизуются электронами в этом слое и, превратившись в ионы, вместе с плазмой также уносятся в дивертор. Плотность мощности в этом потоке плазмы может быть очень большой (до нескольких десятком МВт/м2). Ни один известный материал таких тепловых нагрузок не выдерживает, поэтому приемные пластины дивертора располагают под скользящим углом к направлению суммарного магнитного поля для увеличения площади контакта. Исследуется и другой прием снижения удельных тепловых нагрузок. В область дивертора напускается газ, атомы которого, возбуждаясь в потоке плазмы, переизлучают приносимую ей мощность на значительно большую площадь обращенных к плазме элементов дивертора (газовый дивертор).

В первых токамаках вместо дивертора использовались ограничивающие плазму диафрагмы или лимитеры. Выполненные из термостойких материалов (сначала вольфрам и молибден, а в дальнейшем исключительно графит и графитовые композиты) лимитеры предохраняют первую стенку от попадания мощных потоков плазмы при срывах разряда или при диссипации плазмы после его окончания.

Кроме потоков заряженных частиц и электромагнитного излучения (и нейтронов в реакторе) внутренние стенки камеры бомбардируются нейтралами перезарядки, которые образуются за счет фоторекомбинации ионов с электронами и перезарядки на выживших в горячей плазме нейтральных атомах. Атомные частицы в отличие от электронов и квантов электромагнитного излучения могут приводить к заметному физическому распылению материалов. Зависимость коэффициента распыления от энергии имеет пороговый характер (ниже которого передаваемая при соударении энергия меньше энергии, необходимой для выбивания атома из решетки), поэтому, если сделать энергию падающих ионов меньше этого порога, то время жизни таких материалов существенно возрастает. Так как водород образует химические соединения с некоторыми элементами, то при их использовании имеет место химическое распыление, которое зависит не от энергии частиц, а от температуры поверхности материала. Поэтому использование очень удобного материала - графита (который при высокой температуре не плавится, а сублимирует) приводит к очень неприятному побочному эффекту, а именно – попавшие в плазму атомы углерода, осаждаясь на стенках (и в щелях) связывают значительное количество водорода. Для DT реактора это крайне нежелательно, так как захватываемый стенками тритий создает дополнительные проблемы в обеспечении безопасности (тритий бета-активен с периодом полураспада 12,3 года) и в наработке трития для реакции синтеза. Расчеты специалистов показали, что количество «омертвленного» в ИТЭРе трития не должно превышать ~350 г.

Здесь надо пояснить, что как короткоживущего изотопа трития в природе очень мало, и в схемах термоядерных DT реакторов предусмотрена его наработка в бланкете за счет взаимодействия термоядерных нейтронов с литием:

 

 6Li + n  4He + T +4,8 МэВ,

7Li + n  4He + T +n – 2,5 МэВ.

Используя в бланкете такие элементы как Be, Pb, Vi, за счет реакции размножения нейтронов (n,2n), сечение которой для нейтронов с энергией 14 МэВ достаточно велико (~21020м-2), можно осуществить расширенное воспроизводство трития, когда на каждый «сгоревший» в реакции синтеза атом трития в бланкете будет нарабатываться 1,1-1,2 атома трития. (Следует заметить, что содержание лития в морской воде ~ 1,510-7,  поэтому его запасы можно считать безграничными).

Подпитка топливом необходима для поддержания концентрации топлива в реакторе на постоянном уровне. Общую необходимую скорость подпитки Qf  для     стационарных условий получим, умножив (14.1) на объем реактора:

Qf =   

Легко подсчитать, что для реактора масштаба ИТЭР (n ~1020м-3, V~500м3) при температуре 10 кэВ, что соответствует скорости реакции   fDT=10-22м3с-1, без дивертора  и откачки (Ri = 1), необходима скорость подпитки Qf ~2,51019с-1. Для одного импульса длительностью 400 с реактора ИТЭР это соответствует 100г трития. Время удержания частиц, как правило, на порядок превышает время удержания энергии с  i~10E. При времени удержания энергии E ~ 1с, что необходимо для выполнения критерия Лоусона в плазме с концентрацией 1020м-3, мы получаем для приведенного выше примера связь между необходимой скоростью подпитки топливом извне и глобальным коэффициентом рециркуляции (рециклинга) топлива RY в реакторе Qf2,51019[1+20(1-RY)] c-1. Если RY = 0, то скорость подпитки надо увеличить в 20 раз.

Подпитку извне можно осуществлять, напуская дополнительно рабочий газ в камеру, однако холодный газ быстро ионизуется на периферии, в то время как  выгорание происходит в  центральных областях установки.

Подпитка осуществляется автоматически при инжекции быстрых нейтральных атомов для нагрева плазмы. Её скорость определяется эквивалентным инжектируемым током  Qf(c- 1) =6,251018Iинж(экв.А). Однако при инжекции быстрых нейтральных атомов мы получаем связь между уровнем вкладываемой мощности и скоростью подпитки, что затрудняет их независимое регулирование.

Этих недостатков лишена так называемая пеллет-инжекция, при которой в плазму выстреливают таблетки замороженного топлива с такой  скоростью, чтобы содержащиеся в них атомы долетели до центральных областей плазмы. Расчеты и эксперименты с пеллет-инжекцией на действующих установках показывают, что для установок с термоядерной плазмой нужно инжектировать пеллеты массой  10-20 г и скоростью 2-3 км/с. Такую, значительно большую, чем у настоящих пушек, скорость пеллет получают с помощью центрифуг или легкогазовых пушек, в которых ускоряющим поршнем служит импульс давления легкого газа (гелия). Причем для квазистационарной работы установки надо обеспечить «пулеметный» режим пеллет-инжекции.

Подпитка топливом может происходить и без всякой внешней инжекции, если во время разряда в плазму начинает поступать водород, ранее захваченный стенками установки. При этом коэффициент рециклинга, определяемый как отношение суммы потоков частиц, попадающих из стенки в плазму к суммарному потоку падающих на стенку ионов Гi и нейтральных атомов водорода Га

RY=

может быть и больше единицы. В этой формуле ГR – поток отраженных (и соответственно, сохранивших часть своей первоначальной энергии) частиц, ГD –поток частиц, десорбированных со стенок падающими из плазмы частицами или электромагнитным излучением, ГS – поток газа, попадающего в плазму при распылении материала стенки частицами плазмы, ГG – поток тепловой десорбции, связанный с диффузией к поверхности и выходом из материала ранее внедренных или содержащихся  в исходном материале атомов газа. При этом атом водорода может неоднократно циркулировать между плазмой и стенкой. Атом водорода может быть «возвращен» из плазмы  в стенку за счет следующих процессов. Во-первых, это диссоциация десорбированной с поверхности молекулы водорода в периферийной плазме. При этом в результате диссоциации образуются фран-кондоновские атомы с энергией 2-4 эВ, один из которых летит в плазму, а другой возвращается на стенку. Во-вторых, это перезарядка покинувшего стенку нейтрального атома на ионах плазмы, и, наконец, атом или молекула может испытать ионизацию  и с потоком плазмы возвратиться на лимитер или приемную пластину дивертора.

Если атомы стенки вступают в химическое взаимодействие с водородом, например, в случае стенки или лимитера из графита, то одновременно с переносом водорода в многократных процессах образования углеводородов на стенки и последующей диссоциации и ионизации в плазме, происходит и перенос углерода. Поэтому элементы разрядных камер установок, изготовленных из других материалов, в местах, где осаждение преобладает над распылением,  оказываются покрытыми углеводородными пленками.

Для предотвращения нежелательной подпитки плазмы ранее захваченными газами разрядные камеры токамаков тренируют в тлеющих или других разрядах в инертных газах. Попадающие на стенку, ускоренные пристеночным падением потенциала ~(3-5)kTe ионы инертных газов (He, Ne, Ar) десорбируют водород и другие примеси, предотвращая их попадание в плазму во время основного разряда.

Кондиционирование поверхности разрядных камер токамаков путем осаждения в газовом разряде легких элементов, таких как бор (боронизация), кремний (силиконизация), производят не только для поглощения активных примесей (в основном кислорода), но, главным образом, для понижения среднего заряда плазмы. Эффективный заряд плазмы снижается из-за того, что в нее попадают элементы с существенно меньшим атомным номером, чем элементы непокрытой поверхности камеры (например, камеры из нержавеющей стали). Такая процедура сильно (примерно как Z2) снижает радиационные потери плазмы и приводит к заметному улучшению ее параметров – повышается время удержания и температура плазмы. Так, распыление в токамаке TFTR литиевых пеллет (Z=3) позволило получить рекордные значения температуры  (около 40 кэВ) и тройного термоядерного произведения.  

6. Следует упомянуть еще об одном обнаруженном в токамаках явлении, которое неожиданно привело к удвоению тройного термоядерного произведения. В экспериментах с дополнительным нагревом, как правило, за повышение температуры плазмы приходилось расплачиваться уменьшением      энергетического времени удержания. Однако, когда у токамаков появился дивертор, то оказалось, что в процессе нагрева плазмы время удержания внезапно скачком возрастает в два раза. Такой режим улучшенного удержания назвали H-модой (high confinement) в отличие от L-моды (low confinement), которая была характерна для токамаков с лимитером. В этом режиме профиль плотности скачком перестраивается с образованием значительно большего градиента давления на периферии плазмы, в то время как на меньших радиусах градиент плотности уплощается, приводя к возникновению транспортного барьера (рис.14.2).

Параметры скрэп-слоя в Н-моде меняются, температура повышается, а поток приносимой плазмой на стенки мощности становится резко неравномерным во времени с периодическими большими выбросами энергии в локализованных на периферии неустойчивостях – ELM-ах (edge localized mode). При этом за короткое время масштаба 1 мс в ограниченной зоне, соответствующей винтовой конфигурации всплывающей из основной плазмы магнитной силовой трубки, выделяется  столько энергии, что, например, возможно локальное оплавление Be тайлов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31211. История формирования принципов телеметрии 36 KB
  Сначала появились первые телеметрические сейсморегистрирующие системы ТСС разработчики которых вообще отказались от кабельной системы передачи сейсмической информации от места ее регистрации от сейсмоприемников к месту ее окончательной записи в сейсморазведочную станцию. Телеметрические сейсморегистрирующие системы представляют собой сложно организованные и многофункциональные устройства основными элементами которых является полевой модуль сбора информации ПМ и центральная регистрирующая станция ЦРС По принципу передачи информации...
31212. Элементы методики ВСП 39 KB
  Гальперина метод ВСП начинает интенсивно развиваться и применяться при разведке на нефть и газ во всем мире. В настоящее время трудно себе представить сейсморазведочные работы без использования в том или ином объеме ВСП. ВСП метод скважинных около скважинных и межскважинных сейсмических исследований предназначенный для решения геологических методических и технологических задач на различных этапах геологоразведочного процесса с целью повышения геологоэкономической эффективности разведки месторождений различных полезных ископаемых...
31213. Телеметрические сейсморегистрирующие системы 39.5 KB
  Включает в себя следующие элементы: консоль оператора Opertor Console ModuleOSM на базе IBM486 блок управления системой System Control ModuleSCM с подблоком памяти SIM; линейный интерфейсный модуль Line Interfce ModuleLIM магнитофон Таре Trnsport ModuleTTM корреляторсумматор Correltor Stcker ModuleCSM. Оно включает в себя: полевые регистрирующие модули RSC MRX RSX; коммутационный модуль LT или АLТ Периферийное оборудование станции содержит: устройство управления источником взрыва...
31214. Телеметрические сейсморегистрирующие системы фирмы „SERCEL” 37.5 KB
  Сейсмическая станция SN368 включает в себя две подсистемы аппаратуры: центральную контролирующую электронику Centrl Control UnitCCU; полевое оборудование. Центральная контролирующая электроника CCU включает в себя б блоков: основной контрольный блок {Mster Control Unit MCU дисплей {Disply UnitDU; линейный расширитель Line Extension UnitLXV; ленточный регистратор {Tpe TrnsportsTT; устройство для подключения дополнительной периферии: принтера плоттера коррелятора сумматора дополнительного магнитофона; блок...
31215. Атрибуты систем наблюдения и их анализ 44.5 KB
  Если перекрытие по линиям приема происходит наполовину то количество отрабатываемых полос по всей площади съемки можно рассчитать следующим образом: NS=LY 0. Количество отрабатываемых шаблонов групп сейсмоприемников по полосе рассчитывается по формуле: NT=LX SLI1. В рассматриваемом примере для отработки всей площади участка потребуется отработать количество полос NS number swtch равное 15.6 км 1 = 8 а количество отрабатываемых в полосе шаблонов 16.
31216. Вспомогательные технические средства 37.5 KB
  Технологическая связь между отдельными подразделениями сейсморазведочной партии сейсморазведочная станция СВП СМ буровые установки и т. Для производства топогеодезических работ в сейсморазведочной партии создается один или несколько топогеодезический отряд возглавляемый старшим техником или инженеромтопографом. В задачи отряда входит рекогносцировка местности и определение наиболее удобных путей подъезда к площади работ вынесение на местность и подготовка профилей для работы на них сейсморазведочного отряда привязка отработанных...
31217. Группирование сейсмоприемников и источников 43 KB
  При кажущейся скорости поверхностной волны Vпов разность времен прихода этой волны на кый элемент группы по сравнению с первым элементом будет составлять к1 x Vпов. Для этих волн временной сдвиг между кым и первым элементом группы будет равен к1x Vотр. Учитывая то что элементы интерференционной группы одинаковы и выбирая начало отсчета в центре базы группы амплитудночастотную характеристику группы можно записать в виде: . Для изучения свойств амплитудночастотной характеристики линейной группы строится и анализируется график...
31218. Источники упругих волн 30 KB
  Все источники упругих волн применяемые в сейсморазведке подразделяются на два вида: взрывные и невзрывные. Невзрывные источники колебаний в свою очередь делятся на импульсные и вибрационные. Импульсные невзрывные источники могут быть построены на различных физических принципах. При работе на суше используются преимущественно источники либо механического принципа работы удар по грунту падающего груза либо газодинамического типа.
31219. Классификация методов сейсморазведки 30 KB
  Классификация методов сейсморазведки. Внутри нее сформировалось много различных направлений и модификаций которые в силу сложившейся в геофизической литературе терминологической практики получили название методов. Общее число методов сейсморазведки весьма велико. Однако на производстве фактически широко используется лишь ограниченное число методов.