Способ термализации и откачки частиц в потоке плазмы

 

СПОСОБ ТЕРМАЛИЗАЦИИ И ОТКАЧКИ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ, движущимся в магнитном поле, включающий создание потока жидкого металла, пересекающего поток плазмы, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения степени термализации и захвата частиц плазмы, поток жидкого металла формируют в капельной фазе.J-(/)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

«Ц «

РЕСПУБЛИК (1И (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2767778/25 (22) 17.05.79 (46) 07.06.84. Бюл. М 21 (72) Е.В. Муравьев (53) 621.039.6(088.8) (56) 1. Tien-Fand Yang, Lee АЛ. Rack

G.W. Westinghouse Compact Poloidal Divertor

References Design WFPS-TME-О,42, 1977.

2 . Badger В. et al. А conceptual Tokamak

Reactor Design UWMAK-l1, UWFDM-112, 1975 (прототип) .

3(5)):С 21 В 1/00; Н 05 Н 1/00 (54) (57) СПОСОБ ТЕРМАЛИЗАЦИИ И ОТКАЧКИ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ, движущимся в магнитном поле, включающий создание потока жидкого металла, пересекающего поток плазмы, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повыпения степени термалиэации и захвата частиц плазмы, поток жидкого металла формируют в капельной фазе.

813509

Изобретение относится, к термоядерным установкам с магнитным удержанием плазмы и может применяться также в различных системах, в которых используются потоки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле, а также при создании установок с длительно существующей (свыше нескольких секунд) плазмой, удерживаемой магнитным полем.

Известен способ термализации и 10 откачки частиц плазмы, по которому на пути потока частиц плазмы организуют поток жидкого металла, например лития, в виде пленки, стекающей под действием силы тяжести по твердой 15 металлической подложке . При этом скорость движения пленки и ее теплоаккумулирующая способность, которая характеризуется допустимой величиной удельного теплового потока, воспринимаемого пленкой, ограничены магнитогидродинамическим (МГд) взаи-. модействием fIoTQKck металла с магнитным попем. Наличие подложки усиливает это взаимодействие вследствие замыкания электрических токов через материал подложки и через пограничный слой жидкого металла вблизи подложки. Способ позволяет откачивать ионы водорода (дейтерия, трития), которые хорошо захватываются и удер- З0 живаются жидким литием (.13.

Однако для откачки гелия, например. при использовании данного способа в термоядерных реакторах, где гелий является продуктом реакции и должен 35 удаляться иэ плазмы, необходимы дополнительные средства, поскольку

Фгелий не удерживается в жидком металле, а диффундирует .иэ него обратно, 40

Наиболее близким к предлагаемому является способ термалиэации и откачки частиц в потоке плазмы, движущемся в магнитном поле, включающий создание потока жидкого металла, пересекающего поток плазмы ).23.

Скорость пленки ограничивается высотой ее свободного падения, которая в практически важных случаях, например в,условиях термоядерного реактора, не может быть большой вследствие неоднородности магнитного поля (при большой протяженности пленки ее разные участки будут находиться в магнитном поле различной напряженности и направления, что - 55 приводит к существенному МГЦ-взаимодействию и разрушению пленки) . Указанное ограничение скорости не позволяет получить теплоаккумулирующую способность пленки, существенно Я) превышающую уровень, достигаемый в способе с подложкой, а также обеспечить эффективную,откачку гелия.

Из-эа этого эффективность термалиэа ции и захвата частиц невелика.

Цель изобретения — повышение сте-, пени термализации и захвата частиц плазмы.

Пля достйжения указанной цели по предложенному способу поток жидкого металла формируют в капельной фазе.

На чертеже представлено коллекторное устройство для термалиэации и откачки частиц плазмы, уходящих из рабочего объекта термоядерного реактора.

Устройство включает узел 1 подвода, выполненный в виде системы струйных форсунок с шагом порядка диаметра капли, расположенных в несколько рядов, и узел 2 отвода жидкого металла.

Узел 1 подвода расположен внутри патрубка 3, являющегося продолжением вакуумной камеры 4 реактора, и находится эа пределами обмотки 5, создающей основное магнитное поле для удержания плазмы.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Поток жидкого металла, например лития, поступает в узел 1 подвода с помощью электромагнитного насоса, который создает систему струй, распадающихся в области слабого магнитного поля на капли. Капли движутся вдоль патрубка 3 и попадают в область основного магнитного поля. Пелена капель б образует рабочий участок потока жидкого металла, пересекающийся с потоком 7 частиц плазмы. Тепловой поток, приносимый плазмой, вызывает разогрев поверхности капель и эа счет теплопроводности жидкого металла отводится внутрь капель. Частицы плаэмы— ионы дейтерия, трития и гелия внедряются в жидкий металл и выносятся вместе с ним в узел 2 отвода. При этом изотопы водорода могут вступать в химическое соединение с жидким литием, а гелий диффундирует обратно, но малое время пребывания капель в рабочей зоне должно способствовать уносу гелия жидким металлом. Кроме того, наличие развитой поверхности

)жидкого металла и сама пространственная структура многослойной пелены капель обусловливают высокую вероятность захвата рассеянных частиц, не внедрившихся в металл при первом столкновении.

Эффект изобретения определяется тем, что взаимодействие капель с магнитным полем может быть очень слабым при значительно больших, чем в случае пленки, скоростях.

Условия реализации способа определяются соотношениями.

) - АЙvr (< 1

+e = 045ß (((813509

М = g,25 KR (5 c05P+ 2R sin P j М яе магнитное число Рейнольдса; фактор внешнего воздействия магнитного поля; фактор внутреннего воздействия магнитногО поля; параметр МГП-взаимодействия; масштабный фактор; 10

„2

i(< р

46 отношение кинетической энергии капли к потен- . циальной энергии сил по- 15 верхностного натяжения;

- радиус капли; р — плотность жидкого металла; ь — удельная электропровод". ность| 20

Ф -- магнитная проницаемость;

6 — поверхностное натяжение; ч — скорость капель;

 — индукция магнитного поля; характерная длина, на которой изменение индукции магнитного поля равно ее абсолютной величине; р — угол между вектором б индукции магнитного поля и

I вектором б ее производной по направлению движения капель.

Выполнение условий (1) — (3) означает сл бое взаимодействие капель с магнитным полем. Условие (1) соответствует отсутствию "вмораживания" силовых линий магнитного поля в жидкий металл и деформации поля.

Условие (2) выражает слабость внешнего взаимодействия магнитного поля 40 на каплю как на твердое тело, в результате которого могут меняться ее скорость и траектория. Это воздействие обусловлено изменением магнитного поля вдоль траектории капли, приводящим к возникновению электрического тока в объеме капли, и взаимодействием последнего с изменяющимСЯ B ll OCT .HOTS MctFHHTHblM ПОЛЕМ.

Условие (3) означает, что внутренние силы, которые возникают в капле в результате указанного взаимодействия с изменяющимся магнитным полем, малы по сравнению с силами поверхностного натяжения и не могут, следо-вательно, привести к разрушению капли. Первое слагаемое в выражении (3} соответствует воздействию пондеромоторного сжатия капли вокруг оси, совпадающей с направлением векторав, производной индукции магнитного поля 60 по траектории капли, второе слагаемое соответствует воздействию центробежных сил, вызываемых вращением капли вокруг оси,перпендикулярной к илос,кости, проведенной через векторы В и У.

475 К

0,5 м

0,7

0,04

Указанные условия выполняются при скоростях потока капель, существенно превышающих скорости потока пленок жидкого металла, используемых в известном способе (20-30 м/с против 3,5 м/с) . Соответственно возрастает количество тепла, которое может быть аккумулировано жидким металлом, или допустимый удельный тепловой поток на поверхность жидкого металла. В силу значительного уменьшения времени пребывания жидкого металла в рабочей зоне, где он подвергается бомбардировке частицами плазмы, должна улучшиться

его откачивающая способность по гелию.

В случае когда потоки частиц плазмы и жидкого металла пересекаются под большими углами (до 90 ), возможно использование многослойной пелены капель для обеспечения достаточно, полного захвата частиц плазмы.

В качестве примера даны возможные параметры пелены капель жидкого лития.

Циаметр капель 1 мм

Скорость капель 30 м/с

Температура лития в узле подвода

Максимальная температура на поверхности каплМ при нагреве потоком плазмы 580 К

Длина рабочего участка пелены капель

Время пребывания капель на рабочем участке 0,017 с

Поверхность пелены капель при одностороннем нагреве 0 МВт/м

Отношение диаметра капли к шагу форсуночной головки

Число слоев капель на пелене для перехвата частиц плазмы с вероятностью 99% 18

Индукция основного магнитного поля б Т

Характерная длина изменения магнитного поля 0,3 м

Факторы, описывающие взаимодействие капель с магнитным полем.

Магнитное число Рейнольдса

813509

4,3 .10 4

0,069

Составитель ,Редактор Л. Утехина ТехредЖ.Кастелевич

Корректор В. Гирняк

Заказ 3956/1 Тираж 540 Подписное, ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4, фактор внешнего доздействия Щедельная вехц и н .Фактора

Ф вйутреннего воздействия (при р= 0 ).

Изобретение позволяет существенувеличить теплоаккумулирующую способность единицы поверхности потока жидкого металла и тем самым снизить суммарную необходимую его по:верхность для отвода заданной мощности. Например, для системы со свободно падающей пленки допустимый удельный тепловой поток составляет.

2,8 МВт/м, т.е. предлагаемый способ

:дает повышение плотности потока в

2,5 раза.