Жидкий литий в качестве материала дивертора для смягчения серьезного повреждения близлежащих компонентов во время плазменных переходных процессов.

Том 12 научных докладов, номер статьи: 18782 (2022 г.) Цитировать эту статью

948 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Успешная работа термоядерных термоядерных реакторов, таких как ИТЭР, ДЕМО и будущих коммерческих установок, во многом определяется оптимальным выбором материалов для различных компонентов. Целью этой работы является точное и всестороннее моделирование всего устройства в 3D, чтобы спрогнозировать плюсы и минусы различных материалов, например, жидкого лития по сравнению с вольфрамом и углеродом, чтобы спрогнозировать будущие характеристики дивертора типа ИТЭР и DEMO. Мы использовали наш комплексный пакет моделирования HEIGHTS для исследования реакции компонентов, подобных ИТЭР, во время переходных процессов в точной трехмерной геометрии. Начиная с потерянных частиц плазмы горячего ядра через SOL, осаждения на поверхности дивертора и генерации вторичной плазмы из материалов дивертора. Наше моделирование предсказало значительное снижение тепловой нагрузки и повреждение близлежащих и внутренних компонентов дивертора в случае использования лития на пластинах дивертора. В то время как, если на пластине дивертора используется вольфрам или углерод, на отражателе, куполе и трубках из нержавеющей стали могут возникнуть значительные площади плавления и пятна испарения (меньше для углерода), и даже части первых стенок могут расплавиться из-за высокого излучения. мощность вторичной диверторной плазмы. Осаждение фотонного излучения лития в дивертор и близлежащие поверхности было уменьшено на два порядка по сравнению с вольфрамом и на один порядок по сравнению с углеродом. Этот анализ показал, что использование жидкого лития для поверхностей, подобных ИТЭР, и будущих DEMO может привести к значительному увеличению срока службы компонентов.

Успешная разработка термоядерных термоядерных реакторов, таких как ИТЭР или устройств DEMO следующего поколения, во многом определяется оптимальным выбором материалов для различных компонентов и систем. Выбор материалов должен способствовать длительному сроку службы компонентов (особенно дивертора), включая устойчивость к высоким тепловым нагрузкам во время переходных процессов в плазме, обеспечивать эффективную термоядерную реакцию и преобразование энергии, сохранять минимальную концентрацию трития в компонентах, способствовать решению вопросов совместимости материалов, безопасности и других требований. . В настоящее время ИТЭР является основным международным проектом, целью которого является демонстрация возможностей концепции токамака для производства энергии в будущем. Устройство ИТЭР намного крупнее любого существующего токамака и будет иметь гораздо более высокие тепловые потоки к компонентам дивертора во время нестабильности плазмы. Ожидаемые поверхностные тепловые нагрузки во время взаимодействия плазменных материалов (PMI) являются одним из основных ограничений в разработке успешных термоядерных устройств. Компоненты, обращенные к плазме (PFC), будут повреждены и разрушены в устройстве ИТЭР не только во время аномальной работы (например, сбоя), но также и при нормальной работе, т. е. в режимах с локализацией на ребре (ELM)1. Использование полностью вольфрамового дивертора, как в нынешней конструкции ИТЭР, может привести к значительному повреждению всех внутренних компонентов, первоначально не видимых для разрушающей плазмы, включая перегородки, отражательные пластины, купол и даже первую бериллиевую стенку. Для ремонта всех этих компонентов потребуются значительные простои в работе реактора в течение длительных периодов времени. Полностью вольфрамовая конструкция дивертора ИТЭР во время нестабильности плазмы приведет к развитию плотной вторичной вольфрамовой плазмы с высоким Z и очень высокой мощностью излучения на различные внутренние компоненты.

Один из предлагаемых способов снижения тепловой нагрузки внутренних компонентов состоит в частичном покрытии или вставке полос из материалов с низким Z вокруг точек удара (SP) вольфрамового дивертора. Небольшие углеродные вставки в SP, например, могут исключить или значительно снизить содержание вольфрама во вторичной плазме, т. е. углеродной плазме, уменьшая загрязнение вольфрамовой плазмы активной зоны и значительно уменьшая повреждение близлежащих поверхностей и первых стенок дивертора из-за значительного снижение мощности излучения2. Небольшая полоска карбоновой вставки (всего менее 10% от полностью карбонового варианта конструкции отклоняющей пластины, у которого есть свои дополнительные проблемы) предотвратит повреждение всех этих очень трудно поддающихся ремонту внутренних компонентов и предотвратит потенциальную значительную поломку. количество загрязнения с высоким Z плазмы активной зоны во время переходных процессов, которое затем может привести к полному нарушению работы или повлиять на успешную работу в текущей конструкции ИТЭР. Углеродная плазма поглощает энергию в основном в тепловую часть по сравнению с вольфрамом с высоким Z. Углерод имеет простую атомную структуру по сравнению с вольфрамом. В результате ионы вольфрама потребляют большую часть переходной энергии плазмы за счет ионизации, а ионы углерода - за счет увеличения скорости своих ионов. Преимущество использования углерода состоит в том, что термическое охлаждение является медленным процессом. Окончательное выделение энергии будет отложено во времени и локализовано внутри углеродных частиц, которые передаются в отдаленные места с очень низкой интенсивностью и не причиняют значительного ущерба. В случае вольфрама процесс охлаждения представляет собой рекомбинацию ионов W и испускание сильных фотонов. Этот процесс происходит гораздо быстрее, и окончательное энерговыделение не локализовано внутри ионов вольфрама из-за переизлученных фотонов, движущихся во всех направлениях независимо от структуры магнитного поля. Поскольку ионы вольфрама тяжелее ионов углерода, процессы столкновений и рассеяния более «эффективны» в случае вольфрама, т.е. большее количество падающих ионов водорода и их энергия меняют направление и отражаются от стенок и внутренних компонентов и не проникнуть глубоко во вторичное плотное плазменное облако. В результате окончательное выделение энергии перераспределяется на внутренние поверхности компонентов, вызывая интенсивные локальные горячие точки.