Материал первой стенки термоядерных установок и реакторов

(11) 1 ТЕНИ ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССС ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) МАТЕРИАЛ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК И РЕАКТОРОВИзобретение относится к области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза и может быть применено в термоядерных установках и реакторах, например в токамаках.В существующих термоядерных установках в качестве материала первой стенки, обращенной к горячей плазме, используется нержавеющая сталь, а также нержавеющая сталь, покрытая последовательно слоем платины и слоем золота, В проектах термоядерных реакторов на основе замкнутых и открытых магнитных ловушек предлагаются следующие материалы для первой стенки; нержавеющие стали типа 316 или 304,инконель,молибден, ниобий, сплав ниобия с 1 циркония, вольфрам,Первая стенка и диафрагмы, которые являются составной частью упомянутой стенки, подвергаются действию облучения различными атомными частицами и излучениями, которые создает дейтериево-тритиевая плазма, нагретая до температуры свыше 100 млн К. Под действием этих излучений материал стенки и газы, растворенные в нем, поступают в плазму, загрязняя ее. Атомы примесей ионизуются и возбуждаются плазмой, а затем они излучают большов количество энергии, запасенной в плазме, охлаждая ее до температуры, при которой термоядерная реакция прекращается. Поэтому, после проблемы удержания высокотемпературной плазмы, загрязнение ее примесями является второй принципиально важной проблемой, от решения которой зависит успех в овладении управляемым термоядерным синтезом,Наиболее опасным явлением, приводящим к загрязнению плазмы, является катодное распыление материала стенки под действием бомбардировки потоками ионов и атомов дейтерия и трития, альфа-частиц и нейтронов, а также примесных ионов и атомов. Помимо этого, загрязнения поступают в плазму вследствие десорбции атомов и молекул газов из поверхности при облучении ее упомянутыми выше потоками атомных частиц, а также электронов фотонов.Наконец, загрязнения поступают в плазму из-за испарения материала под воздействием на него тепловых потоков с высокой плотностью мощности. Поэтому к материалу первой стенки предьявляются следующие основные физические требования, 1.Материал должен слабо распыляться под действием ионов и атомов дейтерия и трития, Величина коэффициента распыления упомянутыми частицами со средней энергией 1 кэВ не должна превышать 1 10 ат/ион, 2, Материал должен состоять из элементов с небольшим атомным номером Е.Произведение коэффициента распыленияЯ, усредненного по энергиям частиц, наквадрат атомного номера выбиваемого эле 5 мента должно быть минимально возможным: Я. =в 1 п, 3, Материал должен хорошо, - гобезгаживаться, Коэффициент десорбциипримесных газов под действием электроновс энергией 0,1 - 1 кэВ не должен превышать10 мол/эл. 4. Материал должен быть радиационно-стойким в потоках быстрых 14МэВ-ных нейтронов интенсивностью до10 и/см в течение 10 - 30 лет,Наиболее близким прототипом предла 15 гаемого материала является углерод в видеграфита или графитовой ткани. Этот материал имеет небольшой атомный номер, получается очень чисть 1 м, он хорошообезгаживается, Чистый и пропитанный20 смолами графит используется в атомных реакторах.Главный недостаток реакторного графита, а также пиролитического графита, стеклоуглерода, состоит в их большой величинекоэффициента катодного распыления, которая в 10 раз выше допустимого значения,Целью изобретения является уменьшение загрязнения примесями дейтериевотритиевой плазмы, снижение потерь30 мощности за счет излучений примеснымиионами и ядрами атомов, т.е, улучшение характеристик высокотемпературной плазмы,которое обеспечивает протекание интенсивной самоподдерживающей термоядер 35 ной реакции,Для достижения указанной цели в качестве материала первой стенки и диафрагмтермоядерного реактора, например типа токамак, предлагается испольэовать матери 40 ал, содержащий углерод и бор в следующихсоотношениях ингредиентов, мас,%: бор 818, углерод - остальное.На чертеже показана температурная зависимость коэффициента катодног 9 рдспы 45 ления нескольких углеродсодержащихматериалов, а также предлагаемого материала при распылении их протонами с энергией 10 кэВ. Из этих экспериментальныхданных видно, что в рабочем диапазоне температур 600-800 С величина коэффициентараспыления предлагаемого материала равна 5 10 ат/ион, что в 17 раз меньше, чему графита, стеклоуглерода и пиролитическОго графита отечественного производства, и55 в 14 раз меньше, чем у графитовой тканиКСА.Чтобы определить влияние содержаниябора на величину коэффициента распыления, изготовлены три образца со следующим содержанием ингредиентов, мас,о : 1.Бор 3, углерод 87. 2. Бор 8, углерод 88.3. Бор18, углерод 79. Результаты измерений приведены в таблице. В дополнение к стандартному методу анализа содержание бора идругих примесных элементов на поверхности образцов определяют с помощью Ожеспектрометра. РН 1-545 фирмы Рпуз. Еессг.арпб., США.Механические и другие физико-химические свойства бороуглеродного материалазависят от,содержания бора. Для найденного оптимального соотношения механическая прочность на растяжение, изгиб исжатие соответственно равны 1000, 2000,. 5000 кгс/см,Опыты по обезгаживэнию показывают,что предлагаемый материал хорошо обезгаживается в вакууме при 850-1800 С.. Коэффициент газопроницаемости пред.6 2лагаемого материала равен 1 10 см /с,что в 10-10 раз меньше, чем у графитаразличных марок.Материал химически стоек в среде кислот, щелочей, хлорорганических соединений, амила; цианидов, расплавов цветныхметаллов, фторидов щелочных металлов.Поэтому его можно охлаждать водой, газами, расплавами металлов и солей, Допустимая рабочая температура предлагаемогоматериала в восстановительной и нейтральной среде равна 2270 К.Материал поддается пайке и аргоннодуговой сварке, Его можно наносить на подложки из графита и тугоплавких металлов.Толщина нанесенного слоя превышает 10мм. Он прочно сцепляется с подложкой.При изготовлении в лабораторных условиях получены пластины размером120 х 200 х 12 мм и трубки с наружным диаметром 20 - 80 мм и толщиной стенки 1 - 5 ммдлиной до 200 мм,Таким образом, предлагаемый материал удовлетворяет воем основным физическим, химических и технологическимтребованиям, которые предъявляются к материалу первой стенки и диафрагм термоядерных установок и реакторов,Способность его к восприятию импульсныхтепловых потоков, создаваемых убегающими электронами с энергией 1-10 МэВ, в 5раз выше, чем у вольфрама,Экономическая эффективность предлагаемого материала определяется улучшенными характеристиками высокотемпературнойплазмы, меньшими затратами электроэнергии на нагрев плазмы до термоядерных температур, использованием недефицитного идешевого материала, а главное, увеличением полезной длительности горения термоядерной реакции. В демонстрационном термоядерном реакторе (ДТРТ) на базе токамака Тв качестве материала первой стенки и двенадцатидиафрагм выбран вольфрам, Предлагается5 вместо дефицитного тугоплавкого металлаиспользовать новый материал. Потери мощности на тормозное, рекомбинационное илинейчатое излучение одним ионом вольфрама примерно в 600 раз больше, чем ионом10 углерода или бора. Но поскольку коэффициент катодного распыления вольфрама протонами с энергией 10 кэВ примерно в 10 разменьше, чем у предлагаемого материала,концентрация ионов вольфрама в плазме в15 10 раз меньше концентрации ионов углерода и бора, поэтому мощность, теряемаяплазмой за счет излучения ионами предлагаемого материала, примерно в 60 раз меньше мощности, излучаемой ионами20 вольфрама, и в 80 раз меньше, чем излучаемая ионами железа. Для нагрева плазмы дотермоядерных температур и компенсацииизлучательных потерь в плазму ДТРТ будутинжектироваться пучки атомов дейтерия25 суммарной мощностью до 60 МВт. Электрическая мощность, потребляемая инжекторами пучков атомов дейтерия, составляетоколо 200 МВт, Применение предлагаемогоматериала позволяет уменьшить мощность30 на компенсацию потерь на излучение до.3,3 .МВт, Однако для стабильной работы реактора нужно инжектировать в плазму дейтронымощностью 20 М Вт. Поэтому экономия электрической энергии на питание инжекторов35 за время работы ДТРТ (10 импульсов по 20с) составляет 1,1 10 кВт ч,Термоядерная электростанция (ТЯЭС)типа ДТРТ при коэффициенте непрерывности работы 0,8 дает зкономию электроэнер 40 гии на собственные нужды присебестоимости 0,88 коп/кВт ч свыше .7мл н. руб/год,Экономичность работы циклическогореактора-токамака в большой мере опреде 45 ляется отношением длительности горениятермоядерной реакции к полной длительности цикла: нагрев плазмы - горение реакции- удаление продуктов сгорания. Применение предлагаемого материала позволит уве 50 личить длительность горения термоядернойреакции в 10-20 раз. Это означает, что коэффициент нагрузки ТЯЭС увеличится с 0,17до 0,88, Для проектируемых ТЯЭС мощностью 5000 МВт дополнительная выработка55 электроэнергии от применения предлагаемого материала составит на сумму 87млн.руб/год.В настоящее время наиболее близки косуществлению гибридные реакторы син1131364 лнитно-1. МА МОЯДЕР например отличающ характер мы, обес сиеной-18ное тем,Остал 1, отличающийся ения поглощения спользуют изото р. Углерод2, Материал по и что, с целью уменьш ленных нейтронов. тественного бора - б стез-деление, содержащие в бланкете уран или торий, которые будут производить ядерное горючее плутонийили урани электроэнергию. В этих реакторах будут создаваться и нейтроны с небольшими энергиями, Чтобы ослабить поглощение этих нейтронов в первой стенке, предлагается в новом материале вместо естественного бора использовать его изотоп - бор.(56) В.Е, Сацзп 9, С. Еаегзоп, ., Неайегу. Меазцгетепв апб вобйсатоп о 1 йгз 1 пеа зцга 1 се соарозтоп и йе Оап Вбце То 1 оааК (ОВМАК). З,Час.Яс, ТесЬпо. 13. Ь 1 (1976), р.437 - 442. рмула изобретения ТЕРИАЛ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРНЫХ УСТАНОВОК И РЕАКТОРОВ, токамаков, содержащий углерод, ийся тем, что, с целью улучшения стик высокотемпературной плазпечивающих протекание интен- самоподдерживающейся Соп 1 егепсе оп Яцгасе ЕНестз и Соп 1 го- еб ТЬеггпопцсеаг Рцзоп 0 ечсез апбВес 1 огз. Л,йцс. Масегаз, 53 (1974) рр,7, 9,17, 31-32, 59, 84, 110,5Гусев В.М., Гусева М.И., Гервидс В.И.,Коган В.ИМартыненко Ю.В., Мирнов С.В.Вакуумно-физические условия на выбор материала первой стенки и диафрагмы демонстра 10 ционного термоядерного реактора-токамака(Т). Преп ринт Института атомной энергииим. И.В.Курчатова, ИАЭ, М., 1975, с.2-3,16,ОЛКцспзИ, ВМ,Сопп,6.1 апд. чцсеаг15 Рцзоп, 15, (1975) р.327,термоядерной реакции, в него доптельно введен бор при следующих сшениях компонентов, мас,:Б.Юрко едакт хр Заказ 3 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 Я ф.ЮЯ ИО Юд Ид твпращууа Ы Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5