= СТЕЛЛАРАТОРЫ :
УДК 533.9
ИСПЫТАНИЕ НА СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ МИКРОТЕЧИ ВОДЫ В РЕАКТОРЕ ИТЭР ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ ЛИНИЯМ ГИДРОКСИЛА ОН
© 2013 г. Г. С. Воронов, М. С. Бережецкий, Ю. И. Бондарь, И. Ю. Вафин, Д. Г. Васильков, Е. В. Воронова, С. Е. Гребенщиков, И. А. Гришина, Н. Ф. Ларионова, А. А. Летунов, В. П. Логвиненко, А. И. Мещеряков, Е. И. Плешков, Ю. В. Хольнов, О. И. Федянин, В. А. Цыганков, С. В. Щепетов, В. А. Курнаев*, И. В. Визгалов*, В. А. Урусов*, И. А. Сорокин*, Ф. С. Подоляко*, A. Антипенков**, Р. Пирс**, Л. Ворх**
Институт общей физики им. А.М. Прохорова, Москва, Россия *Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия **Организация ИТЭР, Сан Поль ле Дюранс, Франция e-mail: voronov@fpl.gpi.ru Поступила в редакцию 14.08.2012 г.
Описываются результаты испытаний на стеллараторе Л-2М одного из возможных решений проблемы поиска микротечи воды в системе охлаждения вакуумной камеры и первой стенки реактора ИТЭР. Идея состоит в обнаружении методами спектроскопии излучения линий гидрокси-ла ОН, образующегося при диссоциации в плазме молекулы воды. Излучение в спектральной полосе 305—310 нм может быть обнаружено при уровне натекания воды менее 1 х 10-4 Па м3/с. Химическое взаимодействие воды с соединениями бора на стенках вакуумной камеры приводит к задержке регистрации возникновения течи порядка 2000 секунд. Аналогичное явление можно ожидать при появлении течи в ИТЭР, где предполагаемые материалы для покрытия первой стенки (Be, Li) также химически взаимодействуют с водой.
DOI: 10.7868/S0367292113040100
1. ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЯ
Среди проблем, возникших при сооружении первого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, одной из самых трудных оказалась задача обнаружения протечек воды в системе охлаждения реактора. Эта проблема одна из важнейших для любого реактора. Но в случае термоядерного реактора добавился новый фактор — высокий вакуум.
Вода в системе охлаждения вакуумной камеры реактора находится при температуре 120—240°С и давлении 30—40 атм. Возникновение даже микроскопических трещин в трубах или уплотнениях в этих условиях приводит к нарушению вакуума и остановке работы реактора. Для восстановления работоспособности реактора в этой ситуации необходима частичная разборка первой стенки, бланкета и узлов вакуумной камеры. На более поздних стадиях реализации проекта — при работе с дейтерием и тритием — эти операции должны производиться без участия людей из-за наведенной радиоактивности. Это еще более усложняет ремонтные работы.
Для решения этой проблемы важно как можно раньше обнаружить образовавшуюся течь и достаточно точно ее локализовать. Бланкет и первая стенка реактора ИТЭР состоят из 440 отдельных модулей размером 1 х 1.5 м. Обращенная к плазме поверхность бланкета покрыта пластинами из Ве толщиной 8 мм. Пластина разбита на ячейки размером 25 х 25 мм. Охлаждающая вода циркулирует в канале из сплава СиСйг, обладающего высокой теплопроводностью. Соединение Ве пластины с пластиной из СиСйг и с основой из нержавеющей стали осуществляется с помощью лазерной сварки. Если течь образуется в месте сварки, то пары воды будут поступать в вакуумную камеру реактора через зазоры между ячейками. Вероятность такого события достаточно велика, так как количество таких ячеек исчисляется сотнями тысяч. Для надежного определения дефектного модуля в таком случае система обнаружения течи должна обладать пространственным разрешением на уровне сантиметров. Необходимо разработать методы обнаружения течи для каждого из предполагаемых режимов работы ИТЭР — основного режима удержания термоядерной плазмы (Н-режим
P, Торр
103
101
10-1
10-3
10-5
10-7
10-9
10-11 200
700 T, K
Рис. 1. Линия — расчетное давление насыщающих паров воды (P, Торр) над поверхностью гидроокиси кальция Ca(OH)2 в зависимости от температуры (T, К). Точка — давление паров воды над поверхностью гидроокиси кальция при комнатной температуре (эксперимент).
с улучшенным удержанием и транспортным барьером на краю плазмы), режима с обычным удержанием (Ь-режим без транспортного барьера) и режима чистящих разрядов с холодной плазмой. Требования к чувствительности системы обнаружения течи воды установлены на уровне 1 х 10-5 Па м3/с или 2.7 х 1015 молекул/с для Ь- и Н-режимов удержания плазмы и 1 х 10-2 Па м3/с или 2.7 х 1018 молекул/с для чистящих разрядов.
Удовлетворительного решения этой проблемы пока не найдено. Среди предложенных методов одним из наиболее перспективных считается спектроскопический метод обнаружения продуктов диссоциации молекул воды при взаимодействии с плазмой основного или чистящего разряда в камере реактора [1]. В частности, может быть зарегистрировано появление полосы 305—310 нм в электронно-колебательном спектре молекулы гидроксила ОН. Другой перспективный способ — регистрация спектральных линий растворенной в воде добавки, например ксенона. Ксенон не используется в каких-либо процедурах при работе ИТЭР и его содержание в атмосфере достаточно мало. Так что фоновый сигнал для линий ксенона при отсутствии течи будет достаточно слабым.
В нашей предыдущей работе [2] описаны эксперименты по обнаружению линий ксенона в горячей плазме в условиях, подобным условиям в краевой плазме ИТЭР. Обнаружено 11 линий ионов ксенона, в том числе линия Хе11 542 нм, расположенная в удобной области спектра, свободной от линий водорода и примесей. Эту линию можно рекомендовать для поиска течи
воды в условиях реактора ИТЭР. Минимальный уровень натекания ксенона в этих экспериментах — 1 х 10-6 Па м3/с. В работе [3] выполнены измерения чувствительности спектроскопического метода при детектировании свечения гидроксила в тлеющем разряде с полым катодом на установке "Течь", моделирующей условия вблизи первой стенки ИТЭР в режиме чистки тлеющим разрядом. В настоящей работе исследуется возможность регистрации течи воды по линиям гидроксила ОН, образующегося в процессе диссоциации при попадании молекул воды в горячую плазму с параметрами характерными для Ь-режима удержания плазмы в ИТЭР.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Термохимический источник паров воды
Согласно требованиям к системе обнаружения течи воды в ИТЭР, испытания метода обнаружения течи воды для основных режимов разряда ИТЭР должны быть проведены при скорости натекания от 10-5 Па м3/с или 2.7 х 1015 молекул в секунду. Создание механического натекателя, способного обеспечить контролируемое изменение потока воды в вакуум при столь малом натекании, встречает трудности связанные с конденсацией и замерзанием воды при расширении струи из малого отверстия в вакуум. Чтобы обойти эти трудности для описываемых экспериментов был разработан термохимический источник паров воды (ТИПВ). Принцип действия источника ТИПВ основан на явлении абсорбции и десорбции молекул воды кристаллами окиси и гидроокиси кальция при изменении температуры:
Ca(OH)2 ^ CaO + H2O
(1)
Равновесное давление паров воды для этой реакции показано на рис. 1. При комнатной температуре (300 К) давление паров воды в присутствии кристаллов окиси и гидроокиси кальция очень низкое ~10-8 Торр. При повышении температуры давление быстро возрастает, и при температуре около 650 К может достигать атмосферного давления. Диапазон давлений 1—10 Па, подходящий для экспериментов на стеллараторе Л-2М, может быть получен при умеренном нагревании кристаллов гидроокиси кальция до температуры около 450 К.
Термохимический источник паров воды (ТИПВ) состоит из небольшой капсулы, содержащей мелкокристаллический порошок Са(ОН)2, электрического нагревателя и термопары для измерения температуры. Источник соединен с вакуумной камерой стелларатора Л-2М через клапан. Также через клапан к источнику подсоединен насос мембранного типа для безмасляной откачки ТИПВ от атмосферного
давления до 2 Торр. Дальнейшая откачка осуществляется через вакуумную систему стеллара-тора. К источнику присоединен также прибор для измерения вакуума типа "баротрон", работающий в диапазоне давлений от атмосферного до 4 х 10-4 Торр (рис. 2).
Источник ТИПВ установлен на верхнем вертикальном патрубке стелларатора. В системе крепления источника предусмотрены сильфон-ные развязки, предохраняющие источник от ударов, возникающих при быстром включении магнитного поля стелларатора (рис. 3). Опыт использования термохимического источника паров воды в описываемых экспериментах показал его надежность и стабильность.
2.2. Схема расположения спектральной аппаратуры
Пары воды подводятся к камере стелларатора по трубке диаметром 8 мм, заканчивающейся соплом диаметром 1 мм. Сопло опущено в камеру стелларатора так, что до последней замкнутой магнитной поверхности, ограничивающей объем занятый плазмой, остается расстояние в 1.2 см (рис. 4). Спектральные измерения проводятся через окно горизонтального патрубка диаметром 8 см. Спектрометр МДР-206 расположен на расстоянии 80 см от стелларатора. Угол наклона подобран так, чтобы область наблюдения включала поверхность плазмы в месте инжек-ции паров воды.
Область взаимодействия воды с плазмой отображается на входную щель спектрометра МДР-206 с помощью кварцевой линзы с фокусным расстоянием 10 см. В качестве приемника света используется CCD матрица размером 1024 х 1160 пикселей. Пиксель имеет размеры 16 х 16 мкм. При выбранном масштабе изображения на 1 пиксель приходится 0.012 см в области инжекции. Размеры окна ограничивают поле зрения размером порядка 7 см по
Рис. 3. Термохимический источник паров воды (ТИПВ): 1 — верхний патрубок стелларатора, 2 — ТИПВ, 3 — трубопровод к форвакуумному насосу, 4 — датчик для измерения давления.
Рис. 4. Расположение спектрометра МДР-206 и инжектора паров воды.
вертикали, что соответствует приблизительно 600-м пикселей.
Пространственное разрешение ограничено аберрациями оптической системы спектрометра. Калибровка пространственного разрешения проводилась на оптической скамье до установки спектрометра на стелларатор. В качестве источника света использовалась нить электрической лампы накаливания толщиной около 0.1 мм. Размер изображения нити на CCD матрице ~8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.