Мишень для отвода тепла из потока плазмы

 

Использование: в установках с высокотемпературной плазмой, в частности, в установках типа токамак. Сущность изобретения: рабочая поверхность мишени образована защитными тепловоспринимающими элементами-ячейками охлаждения 1, которые охлаждаются с внутренней стороны жидким металлом, например галлием. Жидкий металл подается через форсуночные головки 3 по трубопроводам 7. Стекая из ячеек охлаждения 1, жидкий металл попадает в наклонные желобы 4. Ячейки охлаждения 1 закрепляются в направляющих пазах 2 форсуночных головок 3, которые прикреплены к наклонным сливным желобам 4. 5 ил.

Изобретение относится к технике, связанной с физикой плазмы и проблемой управляемого ядерного синтеза, может быть использовано в установках управляемого типа токамак и других, инжекторах быстрых атомов, ускорителях заряженных частиц, в плазменной технологии.

Известны мишени в виде диверторных пластин, которые располагаются на пути потока плазмы, отводимого с периферии плазменного шнура термоядерной установки типа токамак [1] Такая диверторная пластина включает защитные тепловоспринимающие элементы из тугоплавкого материала, например графита или вольфрама, припаянные к трубками тракта охлаждения, выполненным из материала с высокой теплопроводностью, обладающего необходимыми механическими и технологическими свойствами (пластичностью, свариваемостью и т.п.), например из бронзы. По трубкам тракта охлаждения прокачивается вода под давлением.

Известному решению присущи такие недостатки, как тяжелые последствия аварий при возникновении трещин в трубках охлаждения, вытекание воды под давлением в плазменную камеру и ее взаимодействие с горячим защитным материалом, а также опасность кризиса теплоотдачи при высоких тепловых потоках.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является мишень в виде диверторной пластины, охлаждаемой жидким металлом, конструкция которой включает защитные тепловоспринимающие элементы, средства соединения этих элементов с опорной конструкцией и тракт охлаждения жидким металлом [2] Использование жидкого металла в качестве охладителя устраняет опасность кризиса теплоотдачи и снижает опасность аварий с разгерметизацией тракта охлаждения, тем не менее данное решение обладает рядом серьезных недостатков, а именно большими термическими напряжениями в паяном соединении между защитными тепловоспринимающими элементами и трубками тракта охлаждения, значительным перепадом температуры на термическом сопротивлении, которое включает слой защитного материала, контактное сопротивление в паяном соединении и слой материала трубки охлаждения, сложностью замены и ремонтом диверторных пластин в условиях термоядерного реактора при наличии активации конструкционных материалов и необходимости дистанционного выполнения операций разрезки и сварки трубопроводов тракта охлаждения. Кроме того, необходимость прокачки жидкого металла по трубкам охлаждения в магнитном поле термоядерного реактора со значительной скоростью приводит к большим перепадам и росту давления в тракте охлаждения (до 12 МПа).

Указанные недостатки в значительной мере связаны с тяжелыми условиями работы диверторных пластин термоядерного реактора-токамака и делают дивертор его критическим компонентом, от которого зависят надежность и безопасность реактора в целом.

Техническим результатом предлагаемого решения является отделение напорного тракта охладителя от конструкции защитного слоя, устранение паяного стыка между трубопроводами охладителя и защитными тепловоспринимающими элементами и использование безнапорного течения жидкого металла в ячейках охлаждения и в отводящем тракте.

Технический результат достигается тем, что в мишени для отвода тепла из потока плазмы, включащей защитные тепловоспринимающие элементы, ячейки охлаждения, образующие в совокупности рабочую поверхность мишени, обращенную к плазме, средства соединения этих элементов с опорной конструкцией и тракт охлаждения жидким металлом, тракт охлаждения выполнен из трех раздельных частей: напорных подводящих трубопроводов, оканчивающихся форсуночными головками со струйными форсунками, независимых друг от друга ячеек охлаждения, открытых со стороны, противоположной рабочей поверхности, и безнапорного отводящего тракта в виде системы наклонных желобов, установленных под ячейками охлаждения, а защитные тепловоспринимающие элементы-ячейки охлаждения снабжены выступами для закрепления в направляющих пазах опорной конструкции.

На фиг.1 и 2 изображена предлагаемая мишень в виде диверторной пластины токамака (даны фрагменты диверторной пластины в зонах с максимальным и минимальным тепловым потоком, поперечные сечения; на фиг.3 фрагмент диверторной пластины, продольное сечение; на фиг.4 вид на рабочую поверхность мишени со стороны плазмы; на фиг.5 установка мишени в токамаке, радиальное сечение.

Мишень состоит из защитных тепловоспринимающих элементов-ячеек 1 охлаждения, установленных в направляющих пазах 2 форсуночных головок 3, которые прикреплены к наклонным сливным желобам 4. Боковые стенки желобов 4 имеют профиль, соответствующий оптимальной ориентации в пространстве защитных тепловоспринимающих элементов-ячеек 1 охлаждения, относительно расчетного направления силовых линий магнитного поля и потока 5 частиц плазмы. Защитные тепловоспринимающие элементы -ячейки 1 охлаждения удерживаются от смещения фиксаторами 6. К форсуночным головкам 3 подведены трубопроводы 7. Желобы 4 электроизолированы друг от друга с помощью покрытий 8 типа оксидных пленок и установлены на основании 9, которое образует модуль 10 диверторной пластины. Трубопроводы 7 на входе в желобы 4 снабжены коллективным разъемным устройством 11. Желобы 4 оканчиваются коллекторами 12, переходящими в колодец 13. Ячейки 1 охлаждения имеют форму коробок, открытых со стороны, противоположной рабочей поверхности мишени, и снабжены выступами для установки в направляющих пазах 14 форсуночных головок 3.

Мишень работает следующим образом. Поток плазмы 5 и диверторного слоя токамака попадает на рабочую поверхность мишени, образованную защитными тепловоспринимающими элементами-ячейками 1 охлаждения, которые охлаждаются с внутренней стороны жидким металлом, например галлием, (температура плавления 30^оС, давление паров при рабочей температуре до 270^оС ниже 10^-10 Торр). Жидкий металл подается через форсуночные головки 3 по трубопроводам 7. Стекая из ячеек 1, жидкий металл попадает в наклонные желобы 4, которые служат сборными коллекторами для каждого радиального ряда ячеек. Из желобов 4 жидкий металл поступает в коллекторы 12 и затем через сливной колодец 13 отводится из реактора. Подача жидкого металла в реактор происходит также через колодец 13 по трубопроводам 7, проходящим через коллективное разъемное устройство 11, которое позволяет производить дистанционную установку и демонтаж модуля 10 диверторной пластины в целом (вместе с системой охлаждения). С целью удобства эксплуатации и экономии затрат может производиться отдельно от остальной конструкции мишени дистанционная замена защитных тепловоспринимающих элементов-ячеек 1, которые подвергаются интенсивной эрозии под действием потока частиц плазмы. Предусмотрена также возможность периодического смещения рабочей поверхности мишени на величину стандартного шага, равного радиальной длине защитного тепловоспринимающего элемента-ячейки 1, что обеспечивает более равномерный износ различных защитных тепловоспринимающих элементов-ячеек 1 в условиях сильно неравномерного распределения потоков тепла и частиц на рабочей поверхности мишени. Это достигается путем приложения толкающих усилий на крайние защитные тепловоспринимающие элементы-ячейки 1 на внутренней приподнятой стороне кольца модулей 10 мишени вдоль направляющих пазов 14. Неконтролируемое смещение защитных тепловоспринимающих элементов-ячеек 1 вдоль направляющих пазов 14 предотвращается фиксаторами 6.

Описанное устройство системы охлаждения мишени при ее нормальной работе исключает попадание жидкого металла в плазму, что могло бы привести к недопустимому росту ее загрязнения. Низкое давление паров жидкого металла позволяет выполнить конструкцию защитного слоя, состоящего из множества отдельных элементов, совмещенных с ячейками охлаждения, без герметичных стыков и уплотнений. При срывах тока плазмы в жидком металле индуцируются вихревые токи и возникают электромагнитные силы, способные вызвать расплескивание жидкого металла с открытой поверхности желобов 4. Эти эффекты подавляются с помощью электроизолирующих покрытий 8 стенок желобов 4, а защитные тепловоспринимающие элементы-ячейки 1 служат экраном, предотвращающим выброс жидкого металла в плазменную камеру.

Сущность технического решения может быть изложена на примере мишени в виде модуля диверторной пластины для реактора типа ИТЭР. Материал защитных тепловоспринимающих элементов бериллий, рабочий жидкий металла галлий с входной рабочей температурой 80^оС.

Рассмотрим для выбранного примера возможные параметры системы охлаждения, используя следующие обозначения: h толщина пленки жидкого металла в ячейке охлаждения; u скорость жидкого металла; р массовая плотность; с теплоемкость; λ теплопроводность; μ динамическая вязкость; σ- удельная электропроводность; w ширина ячейки охлаждения в тороидальном направлении; В индукция магнитного поля;
j плотность тока;
Nu, Re, Pe, Ha числа Нуссельта, Рейнольдса, Пекле и Гартмана.

Свойства галлия при рабочей температуре приняты следующими: p 5900 кг/м³, с 346 Дж/(кг К), σ= 3,3 МСм/м, λ 27 Вт/(м К), μ 1,6 ^.10^-3 кг/(м с).

В ячейке охлаждения после слияния струй жидкого металла на охлаждаемой поверхности формируется пленочное течение. Поскольку струйные форсунки расположены рядами в тороидальном направлении, пленка течет в квазикомпланарном (близком к компланарному) магнитном поле, основная составляющая которого тороидальная B_t лежит в плоскости течения и перпендикулярна сектору скорости, а дополнительная составляющая полоидальная дает продольную компоненту, совпадающую с направлением течения, и нормальную к охлаждаемой поверхности, В_n. Компланарное магнитное поле слабо взаимодействует с осредненным течением и в этом плане аналогично продольному магнитному полю. Поэтому при отсутствии экспериментальных данных по теплообмену в компланарном магнитном поле можно воспользоваться эмпирической формулой, предложенной для течения жидкого металла в трубе в продольном магнитном поле:
N u_* 4,36 + (Nu_o 4,36) e^{- 32 Ha / Re}, где Nu_o 7 + 0,025 Pe^0,8 коэффициент теплоотдачи для турбулентного потока жидкого металла без магнитного поля. Для наихудших условий (при максимальной величине магнитного поля на внутренней стороне тора) в реакторе-токамаке типа ИТЭР имеем, что B_t 7 Тл, B_n 0,2 Тл. Пусть толщина пленки h 1 мм, скорость течения u 5 м/с, тогда с учетом полного поля Ha/Re= 0,017, Nu_* ≈11, коэффициент теплоотдачи α:
α λ Nu_*/d≈ 7,4 * 10⁴ (здесь d=4h гидравлический диаметр для пленки). Перепад температуры от стенки к жидкому металлу при максимальном тепловом потоке q_s 10⁷ МВт/м²
Δ T_α qs/ α ≈ 135^о. Подогрев жидкого металла происходит в ячейке охлаждения с полоидальной длиной L_p:
ΔT Пусть в зоне максимального теплового потока Δ T ≈ 50^о, тогда L_p ≈ 50 мм. При этом максимальная температура Т_w ^max жидкого металла на охлаждаемой поверхности ячейки будет:
T_w^max T_o + Δ T + Δ T_α 80 + 50 + 135 265^оС.

Давление паров галлия при такой температуре ниже 10^-10 Торр, т.е. пренебрежимо мало даже в условиях вакуумной камеры токамака. В зонах с более низким тепловым потоком скорость течения жидкого металла может быть уменьшена, а подогрев увеличен.

Убедимся, что при выбранной длине ячейки охлаждения торможение пленки жидкого металла магнитным полем несущественно, принимая во внимание, что поверхность охлаждаемых беррилиевых элементов покрыта оксидной пленкой и является неэлектропроводной. Из уравнения движения стационарной пленки, пренебрегая действием силы тяжести, для осредненной скорости течения u будем иметь:
pu -(j_tB_n+j_nB_t) Электрические токи замыкаются через тонкие Гартмановские пограничные слои на самой охлаждаемой поверхности (взаимодействие с нормальной составляющей поля B_n и на боковых стенках ячейки (взаимодействие с тороидальной составляющей поля В_t), поэтому в ядре потока плотность тока имеет порядок величины Ha^-1, т.е.

jt σuB_nHa_n^-1, j n σ uB_tHat^-1. Числа Гартмана Ha_n и Ha_t определяются через соответствующие компоненты магнитного поля и характерные размеры Ha_n hB_n( σ / μ )^1/2 и Ha_t 0,5 wB_t ( σ / μ )^1/2, где h толщина пленки, w ширина ячейки охлаждения в тороидальном направлении. Заменяя du/dx на Δu/ Δ x, где Δ u ≈ -u, а Δx длина торможения, получим, что
Δx При ширине ячейки охлаждения w=100 мм для указанных выше параметров Δ x ≈ 1,2 м.

Таким образом, при длине ячейки L_p50 мм и скорости 5 м/с торможение не превысит, очевидно, 5% а при снижении скорости в 10 раз до 0,5 м/с может составить порядка 50%
Максимальный расход жидкого металла на одну ячейку при выбранных параметрах составит 0,0005 м³/с, а в целом для всей диверторной мишени при отводимой полной мощности 100 Мт и с учетом большего подогрева жидкого металла в менее напряженных ячейках полный расход жидкого металла может быть примерно 0,64 м³/с млм по 0,02 м³/с на каждый из 32-х модулей. Один модуль может содержать около 800 ячеек охлаждения. При максимальном расходе на ячейку 0,0005 м³/с и скорости жидкого металла в подводящей трубке 2 м/ч внутренний диаметр ее должен быть 18 мм. Каждый радиальный ряд может содержать 60-70 ячеек охлаждения с тороидальной шириной 100 мм и 10-12 подводящих трубопроводов жидкого металла, каждый из которых питает от одной ячейки охлаждения (с максимальным расходом) до нескольких (с пониженными расходами). Все эти подводящие трубки могут разместиться под соответствующим рядом ячеек в 2-3 слоя.

Оценим потери давления Δ p Σ в подводящем тракте для наихудших условий (подвод к ячейке на внутренней стороне тора в зоне максимального магнитного поля и наиболее удаленной от сливного колодца 13). Как и в случае ячеек охлаждения, полагаем что стенки подводящего тракта имеют электроизолирующее покрытие типа оксидных пленок. Потери на трение Δp₁ по длине подводящей трубки имеют следующий вид:
Δp_i= l₁, при l₁≈ 3 м Δp₁≈ 0,33 МПа Потери Δp₂ на повороте при входе из трубки в тороидальный коллектор форсуночной головки имеют следующий вид:
Δp₂ ζ ρu²/2, где ζ ≈ 0,2 коэффициент локаль- ных потерь,для выбранных параметров d18 мм и u 2 м/c получим, что Δp₂ 0,29 МПа.

Потери Δp₃ на повороте при входе из коллектора в каналы форсунок, принимая диаметр форсунки равным d_о 2,5-3 мм и максимальную скорость истечения u_о 7 м/с, находим по той же формуле равными
Δ p₃ 0,15 МПа
Потери Δp₄ на трение в канале форсунки длиной l_о 6 мм, по аналогии с Δp₁, Δ p₄₌ 0,02 МПа.

Потери Δp₅ на разгон жидкого металла в струе до 7 м/с:
Δp₅ρ /₂ ≈ 0,15 МПа,
суммарные потери давления в подводящем тракте составляют Δ_pΣ Δp₁ + Δ p₂ + Δ p₃ + Δ p₄ + Δ p₅ < 1 МПа.

Покажем возможность самослива жидкого металла в отводящем тракте. Условие равновесного течения в лотке под углом α к горизонту и при наличии нормальной и тороидальной (компланарной) составляющих магнитного поля выглядит так:
pg sinα u + где Н глубина потока жидкого металла, g= 9,81 м/с² ускорение силы тяжести.

Для дивертора реактора ИТЭР можно принять, что α 40. Тогда при максимальном магнитном поле B_t 7 Тл и B_n 0,2 Тл с учетом условия неразрывности uwH Q, где Q суммарный объемный расход жидкого металла для одного радиального ряда ячеек, имеем, что Q ≈0,00167 м³/с, u ≈ 2,2 м/с иН < 1 см.

Таким образом, предлагаемое отделение напорного тракта охладителя от конструкции защитного слоя, устранение паяного стыка между трубопроводами охладителя и защитными тепловоспринимающими элементами и использование безнапорного течения жидкого металла в ячейках охлаждения и в отводящем тракте позволяет существенно повысить надежность дивертора и безопасность работы реактора в целом. Отсутствие сварно-паяных соединений или уплотнений между напорным трактом жидкого металла и защитными тепловоспринимающими элементами позволяет легко заменять последние, вышедшие из строя или подвергшиeся значительной эрозии под действием плазмы, без разрезки и последующей сварки трубопроводов жидкого металла. Предлагаемое решение предусматривает возможность повышения срока службы и дополнительное упрощение замены защитных тепловоспринимающих элементов путем их унификации и периодического смещения с помощью соответствующих средств дистанционного обслуживания вдоль радиальных направляющих пазов через зоны с переменной интенсивностью потоков тепла и частиц, что обусловливает более равномерный износ различных элементов. Это дает дополнительные преимущества с точки зрения затрат материальных средств и времени на обслуживание реактора.

Формула изобретения

Мишень для отвода тепла из потока плазмы, включающая защитные тепловоспринимающие элементы-ячейки охлаждения, образующие рабочую поверхность мишени, обращенную к плазме, средства соединения тепловоспринимающих элементов с опорной конструкцией и тракт охлаждения жидким металлом, отличающаяся тем, что защитные тепловоспринимающие элементы-ячейки охлаждения выполнены открытыми со стороны, противоположной рабочей поверхности, и снабжены выступами для закрепления в направляющих пазах, выполненных в опорной конструкции, при этом тракт охлаждения образован напорными подводящими трубопроводами, соединенными с форсуночными головками со струйными форсунками, размещенными в ячейках охлаждения, автономными защитными тепловоспринимающими элементами-ячейками охлаждения и безнапорным отводящим трактом в виде системы наклонных желобов, установленных под защитными тепловоспринимающими элементами-ячейками охлаждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5