ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 7, с. 571-590
= ТОКАМАКИ
УДК 621.039.61, 533.9.082.79
КОНЦЕПЦИЯ ДИВЕРТОРА ТЕРМОЯДЕРНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ СФЕРИЧЕСКОГО ТОКАМАКА (ТИН-СТ)
© 2012 г. В. Ю. Сергеев, Б. В. Кутеев*, А. С. Быков, В. С. Петров*, А. А. Голиков*, А. В. Голубева*, П. Р. Гончаров, М. П. Грязневич**, Г. С. Кирнев*, А. В. Клищенко*, В. В. Лукьянов*, А. В.Спицын*, Д. Ю. Сычугов***, Ю. С. Шпанский*
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург, Россия * НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия ** TSUK, Culham Science Centre, Abingdon, OX14 3DB, UK *** МГУ им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, Москва, Россия Поступила в редакцию 01.06.2011 г.
Окончательный вариант получен 07.11.2011 г.
Описаны концепция дивертора и технология организации пристеночной плазмы ТИН-СТ. Экспериментальные данные о характеристиках периферийной плазмы современных токамаков экстраполируются на условия ТИН-СТ с использованием полуаналитических моделей. Рассмотрены эффекты, определяющиеся магнитной конфигурацией; геометрией и материалами элементов дивертора и первой стенки. Описаны варианты конструкции дивертора и первой стенки ТИН-СТ. На основе разработанной модели показано, что максимальные плотности теплового потока на диверторных пластинах в двухнулевой магнитной конфигурации не превышают 5—6 МВт/м2, что соответствует современным техническим возможностям. В работе проанализированы пути дальнейшего совершенствования описанной концепции дивертора ТИН-СТ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Достигнутые параметры сферических токамаков (СТ) позволяют рассматривать эти установки как перспективные и экономичные термоядерные источники нейтронов (ТИН-СТ) [1]. Достижение стационарных режимов работы в СТ требует организации пристеночной плазмы с высокой плотностью тепловых потоков. Величина потоков на диверторные пластины определяется отношением Д^УЯ вкладываемой мощности РЬеа1 к большому радиусу установки Я [2], а тепловые потоки на первую стенку площадью S можно оценить параметром ДетУ^ [3]. На рис. 1 показано место ТИН-СТ на диаграмме, описанной в работе [3]. На диаграмме показаны тепловые нагрузки на первую стенку и на дивертор. Компактность ТИН-СТ (Я = 0.5 м, а = 0.3 м) и необходимость использования достаточно большой мощности (Деа1 < 10 МВт) для нагрева и стационарного поддержания тока [5] приводят к напряженной работе первой стенки и дивертора.
Эксперименты, проводимые в настоящее время на сферических токамаках (см., например, М8ТХ [6, 7]), показывают, что максимальные пиковые плотности теплового потока на дивертор-ные пластины могут достигать значений порядка 10 МВт/м2 в импульсном (до 0.5 с) режиме. Концепции дивертора для установок с малым аспект-ным отношением рассматривались в работах
[8—10]. Во всех этих проектах оцениваемые значения тепловых потоков на диверторные пластины находятся либо на границе, либо за пределами технически допустимых тепловых нагрузок для стационарной работы (10 МВт/м2) [11]. Для решения проблемы тепловых нагрузок предлагаются различные экзотические диверторные конфигурации (такие, как super-X дивертор, snowflake дивертор). Величина параметра P/R < 30 МВт/м для ТИН-СТ примерно соответствует значениям ИТЭР и в 2—3 раза меньше, чем в существующих проектах нейтронных источников для испытания компонент термоядерных реакторов. Это обстоятельство открывает возможности использования технологии проекта ИТЭР для создания дивертора ТИН-СТ без заметного усложнения его геометрии.
При организации пристеночной плазмы активно обсуждается инжекция примесей, которая позволяет увеличить излучение и снизить плотности тепловых потоков на диверторные пластины [12-18].
В компактных токамаках с маленьким зазором между плазмой и стенкой (к которым относится ТИН-СТ) реализуется так называемый "неидеальный" режим работы дивертора [19]. Он характеризуется значительным влиянием поперечного переноса в SOL на работу дивертора. В таких условиях, стенка может "перехватывать" значительные тепловые потоки из плазмы. Из рис. 1
0 20 40 60 80
P/R, МВт/м
Рис. 1. Диаграмма характеристик тепловых потоков на первую стенку и дивертор для действующих и перспективных токамаков [3]: FDF — линия токамаков США для разработки технологий термоядерного синтеза; FNST — линия сферических токамаков США по созданию объемных источников нейтронов; ARIES-AT — проект США демонстрационного термоядерного реактора на основе классического токамака; ДЕМО-С — российский проект демонстрационной термоядерной станции на основе классического токамака [4].
Рис. 2. Организация потоков в диверторе и пристеночной зоне токамака с инжекцией литиевой пылевой струи: 1 — диверторные пластины, 2 — сепаратриса, 3 — стенка, 4 — SOL, 5 — струя Li пыли, 6 — потоки частиц между стенкой и сепаратрисой, 7 — потоки частиц из SOL в дивертор и обратно.
видно, что плотности тепловой нагрузки первой стенки, 0.7—1.4 МВт/м2, превышают значения, характерные для современных установок и даже для ИТЭР, и соответствуют значениям, которые необходимы для будущих генераторов энергии и нейтронов на основе термоядерных технологий типа ДЕМО-С [4]. В таких устройствах нагрузки на первую стенку и дивертор сравнимы, что требует использовать технологии диверторных пластин ИТЭР для организации работы первой стенки. Таким образом, ТИН-СТ станет одним из первых термоядерных устройств, организованных этим способом.
В данной работе обсуждается концепция ди-вертора ТИН-СТ, которая в основном базируется на подходах, принятых в ИТЭР, и предполагает максимальные стационарные тепловые нагрузки менее 10 МВт/м2. В разделе 2 описаны функции и основные компоненты дивертора и пристеночной зоны токамака ТИН-СТ. В разделе 3 приведено краткое описание конструкции дивертора и первой стенки, формулируются технические требования к элементам дивертора и первой стенки, а также обсуждаются вопросы интеграции дивер-тора с вакуумной камерой, системами вакуумной откачки и газонапуска. В разделе 4 обсуждаются выбор облицовочного материала и конструкция диверторной приемной панели. В разделе 5 опи-
сано развитие гибридной модели [18], позволяющей рассчитывать потоки энергии на диверторные пластины и учитывающей наиболее важные процессы, протекающие в основной плазме и в диверторном слое (SOL). Приведены результаты расчета тепловых потоков на диверторные пластины для базового режима ТИН-СТ В разделе 6 анализируется влияние расщепления сепаратрис на асимметрию тепловых потоков на дивертор-ные пластины в двухнулевой конфигурации. В разделе 7 суммированы основные результаты и описаны направления дальнейшей работы по оптимизации концепции дивертора ТИН-СТ
2. ФУНКЦИИ И ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ДИВЕРТОРА И ПРИСТЕНОЧНОЙ ЗОНЫ ТОКАМАКА ТИН-СТ
Основное назначение комплекса дивертора и пристеночной зоны ТИН состоит в распределении плазменных потоков тепла и частиц по поверхности первой стенки и диверторных пластин, а также в управлении потоками примесей и топливных газов. Дивертор — это базовый элемент конструкции, связывающий основную плазму и контактирующие с ней материальные поверхности. При этом, из-за компактности установки и близости первой стенки, работа дивертора и пристеночной плазмы далека от "классической", что
иллюстрирует рис. 2. В классическом диверторе потоки частиц, выходящие из основного объема плазмы в SOL, следуют вдоль магнитного поля на диверторные пластины, а потоки нейтральных частиц поступают обратно в основной объем плазмы из района X-точки. В нашем случае ожидается заметное влияние потоков частиц и тепла между SOL и первой стенкой на массовый и энергетический балансы в пристеночной области.
Дивертор ТИН-СТ должен выдерживать предельные тепловые нагрузки до 10 МВт/м2, близкие к технически достижимым, а нагрузки на первую стенку не должны превышать 1.5 МВт/м2. Требование длительной работы дивертора в потоках нейтронов с энергией 14 МэВ с плотностью теплового потока до 0.2 МВт/м2 с набором флю-енса до 3 МВт лет/м2, определяет жесткие ограничения на конструкционные и облицовочные материалы. Тем не менее современные конструкционные материалы способны работать при указанных значениях нейтронной нагрузки и радиационных доз.
Дивертор все еще остается предметом научных исследований, несмотря на значительный прогресс в понимании определяющих его работу процессов [11, 20]. При анализе характеристик диверторной зоны необходимо учесть:
1) влияние магнитной конфигурации (формы сепаратрисы и магнитных поверхностей, количества и расположения катушек полоидального поля, расширения диверторного слоя в области пластин дивертора, зазора между сепаратрисой и первой стенкой);
2) конструкцию и параметры обращенных к плазме элементов (площадь диверторных пластин и их ориентацию относительно сепаратрисы, их форму и материалы, вид теплоносителя, предельные тепловые и электромагнитные нагрузки, предельные нейтронные нагрузки, тепловые режимы поверхности и конструкций, их долговечность, возможность дистанционного обслуживания);
3) параметры систем откачки, инжекции топлива и примесей (проводимость для топливных газов и примесей, характеристики источников и стоков, характеристики рециклинга, эрозия и перенос материалов при взаимодействии плазмы с первой стенкой и дивертором, накопление трития и его проницаемость через элементы конструкции).
В последующих разделах описано возможное влияние перечисленных выше факторов на выбор рабочей концепции дивертора ТИН-СТ.
Рис. 3. Схематический рисунок дивертора и пристеночной зоны ТИН-СТ 1 — сепаратриса, 2 — отражатели, 3 — Х-точка, 4 — внутренняя диверторная пластина, 5 — купол, 6 — внешняя диверторная пластина, 7— основание дивертора, 8 — опорная конструкция.
3. КОНСТРУКЦИИ ДИВЕРТОРА И ПЕРВОЙ СТЕНКИ
Выбор геометрии дивертора базируется на расчетах по доработанной по сравнению с [18] гибридной двухточечной луковичной модели, а также на экстраполяции экспериментальных данных действующих токамаков NSTX, MAST и ASDEX Upgrade. Детали этих расчетов приведены в разделе 5.
Концепция дивертора и пристеночной зоны ТИН-СТ поясняется на рис. 3. Базовая конструкция дивертора Т
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.