Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Методы поддержания материального баланса термоядерного токамака-реактора 10
1.1. Ввод топлива в термоядерные реакторы типа токамака 10
1.2. Способы ускорения топливных таблеток 13
1.3. Механизм испарения-таблетки в плазме 22
1.4. Взаимодействие таблеток с плазмой токамака.. 36
ГЛАВА 2. Инжектор топливных таблеток 43
2.1. Конструкция инжектора 43
2.2. Формирование и ускорение топливных таблеток 57
2.3. Модель формирования таблеток из твердого водорода и дейтерия 74
ГЛАВА 3. Влияние инжекции водородных таблеток на плазму токамака Т-10 91
3.1. Границы устойчивости плазмы при инжекции. .. 91
3.2. Влияние инжекции на основные характеристики разряда 105
3.3. Процессы переноса в плазме после инжекции.. 121
ГЛАВА 4. Тепломассообмен водородной таблетки с плазмой токамака 145
4.1. Модель испарения таблетки в высоко температурной плазме 145
4.2. Экспериментальное и расчетное определение глубины проникновения таблеток в плазму токамака 162
4.3. Испарение топливных таблеток в плазме Т-Ю 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 182
ЛИТЕРАТУРА 185
- Ввод топлива в термоядерные реакторы типа токамака
- Конструкция инжектора
- Границы устойчивости плазмы при инжекции.
- Модель испарения таблетки в высоко температурной плазме
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС, планами дальнейшего развития народного хозяйства СССР предусматривается интенсивное развитие наиболее перспективных способов производства энергии и особенно атомной и термоядерной энергетики. Для решения задач по осуществлению управляемого термоядерного синтеза необходимо обеспечить длительное поддержание термоядерной реакции в энергетической установке соответствующего типа. Из разрабатываемых установок наиболее перспективными являются реакторы типа токамак. На данной стадии их разработки одной из важнейших становится проблема организации подпитки работающего реактора термоядерным топливом. Именно этой проблеме и посвящена настоящая работа.
Анализ и сопоставление различных способов ввода топлива позволили заключить, что наиболее предпочтительным оказывается метод ввода замороженных таблеток изотопов водорода. Топливные таблетки с характерным размером в несколько миллиметров должны инжектироваться в плазму со скоростью от нескольких сот метров до километров в секунду - тем большей, чем больше размер камеры реактора и выше параметры плазмы. Такой способ, несмотря на более сложную технику, имеет ряд преимуществ по сравнению, например, с существовавшим до настоящего времени методом напуска газообразного топлива: топливо вводится в плазму без потерь, снижается нагрузка на систему откачки и очистки топлива, удается активно воздействовать на профили концентрации и температуры плазмы, а также плотности тока.
Техническая реализация ввода топлива в токамаки с помощью топливных таблеток потребовала решения ряда сложных задач. Более двадцати лет прошло с момента первого предложения Спитцера /I/ об использовании топливных таблеток (1954г.) до начала экспери- - 5 -ментов на токамаке QWkK (США, 1977г.) /15/. Относительно медленное развитие этих работ обусловлено тем, что твердый водород может существовать лишь при температурах менее 14 /С , а требуемые скорости инжекции таблеток ( 1-r-WKM/C ) превышают скорости, характерные для пуль и снарядов. Тем не менее, усилия сотрудников Окриджской национальной лаборатории (США) и Института физики плазмы (ФРГ) привели к созданию и успешному испытанию первых экземпляров устройств для инжекции таблеток водорода на основе легкогазовых пушек и центрифуг с параметрами, близкими к требуемым для существующих токамаков.
Работы в этом направлении в нашей стране были начаты в Ленинградском политехническом институте им.М.И.Калинина в 1979г. При этом в качестве основного был выбран метод пневматического ускорения таблетки с помощью легкогазовой пушки. Было учтено, что работы зарубежных исследователей не давали ответа на многочисленные вопросы о путях реализации метода: отсутствие сведений об особенностях процессов, определяющих формирование таблетки, не позволяли выработать обоснованные рекомендации по рациональному оформлению блока формирования таблеток различных размеров ; неизвестность механизма взаимодействия таблетки с толкающим газом и со стенками ствола пушки не давали возможности гарантировать сохранение массы таблетки, особенно в условиях повышенных температур толкающего газа и больших ускорений; оставались невыясненными вопросы механизма взаимодействия таблетки с плазмой, что не давало возможности установить четкую взаимосвязь требований к локализации и интенсивности ввода топлива в плазму с требованиями к параметрам инжекции. Между тем, национальной програм мой развития исследований в области термоядерной энергетики в СССР предусматривается создание крупных токамаков, в которых предполагается достижение параметров плазмы, близких к критическим параметрам инициирования самоподдерживающейся термоядерной реакции. Следовательно, уже для этих реакторов необходимо создавать эффективную систему подпитки плазмы топливом, а это в свою очередь, требует проведения большого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, обеспечивающих получение ответов на поставленные выше и другие вопросы практической реализации метода.
Перед автором настоящей работы стояла задача разработки, сборки, отладки и испытаний на крупнейшем в СССР токамоке первого в стране высокоскоростного инжектора таблеток твердого водорода. В процессе работы решалась задача подготовки обоснованных рекомендаций по организации процессов формирования и ускорения таблеток с учетом особенностей взаимодействия их с плазмой. Поскольку основополагающими процессами, определяющими работу всей системы являются процессы тешюфизической природы, диссертационная работа представлена по специальности 01.04.14 "Теплофизика".
В процессе работы было выполнено: расчетная и конструкторская разработка инжектора, сборка и отладка его в стендовых условиях в ЛІШ им.М.И.Калинина, установка инжектора на токамаке 7 ~ 10 в ИАЗ им.И.В.Курчатова, экспериментальное исследование взаимодействия таблетки с плазмой токамака, разработка модели и расчетное исследование процесса формирования таблетки, уточнение модели и расчетное исследование взаимодейст- - 7 -вия.таблетки с плазмой.
В тексте диссертационной работы принят следующий порядок изложения.
В первой главе проведен анализ возможных методов подпитки топливом термоядерных реакторов-токамаков. Показано, что наиболее предпочтительным является метод, основанный на инжекции таблеток изотопов твердого водорода. Рассмотрены различные способы ускорения топливных таблеток. Приводятся параметры вариантов построения системы инжекции топливных таблеток. Описаны существующие инжекторы, основанные на принципе легкогазовой пушки. Рассмотрен механизм взаимодействия таблеток с высокотемпературной плазмой и обсуждены модели математического описания процесса. Приводятся результаты экспериментов по инжекции топливных таблеток в токамаки, проводимых в СССР, США и некоторых странах Европы.
Вторая глава посвящена описанию инжектора для токамака Т-10, обеспечивающего формирование цилиндрических таблеток диаметром 1,35 мм и ускорение их до 500-700 м/с. Описан режим формирования таблеток в легкогазовой пушке, охлаждаемой жидким гелием. Приводятся результаты испытаний инжектора. Построена модель конденсации водорода в легкогазовой пушке инжектора, позволившая оптимизировать его работу. На основании численного эксперимента выработаны рекомендации по формированию таблеток из дейтерия.
В третьей главе анализируется место экспериментов на Т-10 в общей программе исследований по инжекции топливных таблеток в токамаки. Приводится схема размещения инжекционной аппаратуры на токамаке. Рассматривается влияние инжекции на основные характеристики разряда в различных режимах работы токамака. Описаны - 8 -границы устойчивости плазмы при инжекции. Исследованы процессы переноса в послеинжекционный период, анализ которых позволил определить средний коэффициент диффузии и эффективный коэффициент теплопроводности плазмы.
В четвертой главе предложена модифицированная модель испарения таблетки. Определены границы применимости моделей экранирования таблетки облаком нейтрального газа. Проведен численный эксперимент по предложенной модели испарения топливных таблеток в плазме токамаков. Рассмотрено влияние выхолаживания плазмы испарившимся веществом на скорость испарения таблетки. Приведены экспериментальные данные по глубине проникновения таблетки в плазму Т~10 . Проведено сравнение экспериментальных кривых испарения с расчетными. На основе данных численного эксперимента определены рекомендации по режиму ввода топлива в реактор-токамак типа ИНТОР.
При проведении работы автор пользовался консультациями и помощью доцента кафедры теплофизики А.П.Андреева (разработка, конструирование и сборка инжектора, построение модели формирования таблеток), консультациями доцента кафедры физики плазмы Б.В.Кутеева (обработка экспериментальных данных по диагностике плазмы), помощью инженера кафедры физики плазмы АЛ* Умова (разработка системы автоматического управления работой инжектора). Данные стандартных диагностик плазмы в режимах инжектирования таблеток предоставлены автору сотрудниками группы токамака ИАЭ им.И.В.Курчатова. Всем указанным товарищам выражаю благодарность за содействие в выполнении работы.
На защиту выносятся следующие положения, составляющие научную новизну работы.
I. Реализованный в действующей установке метод инжекции крупных водородных таблеток, позволивший существенно увеличить предельную плотность плазмы токамака, в том числе в режиме с малым запасом устойчивости ( й—2 ).
Модель формирования таблеток твердого водорода и дейтерия ; результаты численного моделирования процесса формирования и основанные на них рекомендации по выбору режима формирования топливных таблеток.
Установление границ применимости моделей нейтрального экранирования.
Определение параметров инжекции в реактор типа ИНГОР на основании численного исследования испарения таблетки в плазме.
Методика использования инжектора топливных таблеток в качестве диагностического устройства, позволившая определить коэффициенты переноса в плазме.
Диссертационная работа выполнена на кафедре теплофизики ДЛИ им.М.И.Калинина. Испытания инжектора проводились на тока-маке Т~10 в отделении физики плазмы ИАЭ им.И.В.Курчатова.
Ввод топлива в термоядерные реакторы типа токамака
Поддержание материального баланса в современных токамаках осуществляется напуском газообразного водорода или его изотопов от стенки. Однако этот способ нерационален для токамаков с дивертором, так как вглубь плазменного шнура будет проникать лишь небольшая часть вводимого топлива. Для разрабатываемых крупных токамаков-реакторов этот метод также малоэффективен, даже в случае отсутствия дивертора, так как введение с малой скоростью топливо будет быстро ионизироваться и не сможет проникать вглубь плазмы поперек линий магнитного поля.
Подпитка топливом путем высокоскоростной инжекции была впервые предложена Спитцером в 1954 году /I/. Оценки показывают, что в этом случае увеличивается эффективное время удержания частиц из-за увеличения пути диффузии и меньших значений коэффициента диффузии во внутренних областях плазмы /2/. Увеличение эффективного времени удержания частиц поддерживается численным моделированием /3/ и экспериментами по инжекции таблеток твердого водорода в плазму токамака /4,5/.
В работах Принстонского университета была рассмотрена эффективность различных способов инжекции: нейтральный пучок, заряженный пучок, жидкая струя, твердая таблетка /б/. Достаточная глубина проникновения нейтрального или заряженного пучка обеспечивается при энергии дейтронов не менее ЮОкэВ /15/, что может привести к возникновению нежелательной связи между температурой и плотностью плазмы. Кроме того, в связи с высокой требуемой энергией частиц, указанный способ невыгоден энергетически. Ввод топлива в виде таблеток или струи требует энергозатрат не более 1э& на дейтрон, даже при скорости инжекции около 10 км/с, достаточной для инжекции в токамак-реактор /54/, что выгодно отличает этот способ от нейтрального или заряженного пучков. Требуемая скорость инжекции таблеток (твердых или жидких) зависит от ряда факторов, таких, как механизм испарения таблетки в плазме, влияние таблетки на плазму, профиль высадки введенного топлива, механизм переноса, размер таблеток.
Конструкция инжектора
Блок-схема системы инжекции приведена на Рис.2.I. Инжектор I, содержащий легкогазовую пушку б и азотно-гелиевый криостат 7, обеспечивает формирование и ускорение топливных таблеток. Подача газообразного водорода в инжектор осуществляется газовой системой 2. Для предотвращения попадания толкающего газа в камеру токамака газ отсекается системой дифференциальной откачки 3. Система регистрации 5 позволяет осуществлять теневое фотографирование таблетки и вырабатывает импульс, используемый для определения скорости таблетки.
Управление инжектором осуществляется дистанционно в ручном или автоматическом режимах с помощью системы управления 4, размещенной в пультовой Т-Ю.
Формирование таблетки производится в блоке формирования (см.Рис.2.3)І аналогичном по принципу действия формирователю инжектора, описанного в/16/. При этом газообразный водород, поступающий в блок, конденсируется в отверстии 13 диска заряд-ника. Подача таблетки к стволу 5 обеспечивается поворотом вала зарядника 10 на 180.
Инжектор топливных таблеток, изображенный на рис.2.2, представляет собой легкогазовую пушку I, криостатированную при температуре жидкого гелия и размещенную в единой для пушки и криостата вакуумной камере 2.
Наклон под углом в 30 пушки I со стволом 3 и соответствующей части вакуумной камеры связан с условиями состыковки системы инжекции с патрубком токамака Т-Ю, имеющим наклон 30к горизонтали. В качестве материала вкуумной камеры выбрана аусте-нитная нержавеющая сталь для обеспечения высокого вакуума до. Толщина стенки части какуумной камеры, в которой размещен криостат, выбрана равной 0,8мм из расчета на жесткость и устойчивость оболочки. Расчетная толщина стенки наклонной обечайки вакуумной камеры выбрана равной 2 мм, в связи с повышенными требованиями к жесткости этой оболочки, служащей опорой для криостатной части и для крепления пушки I.
Границы устойчивости плазмы при инжекции
Место экспериментов на Т-Ю в общей программе исследований иллюстрируется на Рис.3.1-3.4. Скорость инжекции до 700 м/с (4 на Рис.3.1) находится на уровне наибольших скоростей, достигнутых на установках,использующих гелий в качестве ускоряющего газа: 1 0RMAK , 2 - ISX A ,3 ASDEX , 4-Т-ІО.Как указывалось выше, переход на водород может повысить скорость инжекции на Т-Ю до величины I км/с, полученной на установках РДХ (5), 1$Х-В(6) и А-СсаЛоъ С(?) (Рис.3.1). Дальнейшее увеличение скорости инжекции осуществимо при использовании в качестве ускоряющего газа водорода, нагретого до высокой температуры.
Эксперименты по инжекции таблеток в различные токамаки охватывают широкий диапазон изменения параметров Ґіе и й : І-Т-І0, г-1$Х-Ь , 3-РДХ, 4-/4&#&П-С(рис.з.2). Ранее проводились эксперименты при значениях запаса устойчивости и 3 .В данных экспериментах исследовано взаимодействие таблеток с плазмой Т-Ю при значениях (1 , 1,9 , которые будут необходимы для работы реактора-токамака типа INTOR (5 на Рис.3.2).При уменьшении 0, от 4 до 2 не наблюдалось ухудшения устойчивости во время инжекции таблеток. Физика испарения таблеток определяется, в основном,двумя параметрами: средней скоростью испарения К NT У = п/т / г ( г -число атомов водорода в таблетке) и максимальной температурой.
Для установки масштаба INTQR (7 на Рис.3.3-3.4), в которую требуется инжектировать таблетки размером 4 мм, величина /Vr будет превышать 10 атомов в секунду, а Те 2,&K3D . Динамика приближения экспериментов к условиям реактора-токамака типа ИНТОР (7) представлена на Рис.3.3-3.4 для установок: I- 0RMAK (1977г), 2- ШХ-А и PuZs-aicn СІ979г), 3- ASfiEX (1983г), 4-ISX-3 (1980г) и РДХ (1982г), 5- A CcUob (1983г), б- Т-ІО (1983г). Максимальные скорости испарения получены на установках Т-Ю и РДХ в 1983г. Необходимо отметить,что процессы, определяющие испарение таблетки в современных установках, могут существенно отличаться от процессов в установках большего масштаба. Поэтому уже сейчас становится задача моделирования условий, близких к условиям в установках типа ИНТОР. Это возможно осуществить на Т-Ю при использовании электронно-циклотронного нагрева (ЭЦН) и увеличении Vr » благодаря тому, что определяющее влияние на скорость испарения Пт оказывает электронная температура. Электронная температура при использовании ЭЦН на Т-Ю может достигнуть значений,характерных для пристеночной плазмы реактора, в которую должны проникать топливные таблетки (см.Рис.3.4).
Модель испарения таблетки в высоко температурной плазме
Для параметров плазмы современных токамаков типа Т-10 значение критерия О лежит в диапазоне (3-3,5)«Кг для различ ных координат по малому радиусу. Таким образом влияние ионизации защитного облака в условиях плазмы современных токамаков должно быть не очень сильным и может быть точно оценено посредством вклю чения в уравнения (4.35)-(4.39) уравнений,описывающих скорости элементарных процессов диссоциации,ионизации и рекомбинации в за щитном облаке. Влияние ионизации экранирующего облака должно быть более сильным для установки типа ИНГОР, которой соответствует значение критерия .Следует отметить, что влияние кинетики элементарных процесоов в экранирующем облаке может изменяться по мере движения таблетки в глубь плазмы токама-ка. В связи с более заполненными профилями концентрации по сравнению с профилями температуры, более сильное влияние ионизации и диссоциации должно наблюдаться в периферийных областях плазменного шнура.
Преимущественное влияние на скорость испарения таблетки оказывают плотные области экранирующего облака,прилегающие к поверхности таблетки и удаленные от неё не более чем на величину Хт . Поэтому кроме поведения температуры Тг исследовалась зависимость температуры в точке, удаленной от поверхности таблетки на расстояние Ът . Указанная зависимость имеет также линейный характер в логарифмическом масштабе.
