Способ нагрева дейтерий-тритиевой плазмы

(51)5 С 2 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ИЗОБРЕТЕНИЯНИДЕТЕЛЬ 4 ТВУ ОПИ АеторСМомМ(21) 4043381/24.-25быть использовано при разработке тер- (22) 29.2.85 моядерйого реактора. Целью изобрете- (72) В.ЕЛоголев, С.В.Путвикский . ния является снизение скорости износа и В.А.Чуянов . . первой стенки реактора. Подводом вне- (53) 539.;9(088.8)аней энергии замигают разряд в реак"(56) Пистунович В.И., П 1 аталов Г,И, . торе с магнитной изоляцией плазмы, В сб; Итоги науки и техники. физика После начала стационарной реакции плаэьы, М, ВИНИТИ, 1981, т.2, с,81. обеспечивают поддераание температуры1 пйегпайопа 1 ТоЕашаМ Кеасйог плазьн н диапазонег 8,3 кэВ :Тк .РЬаае Ьео, Рагй 1., 1 пеегпаеюпа 1, с 15 кэВ. При этом тепловая энергия Айоа 1,с Епегяу Аяепсу, 71 еппа, 1983, . частиц преобразуется в тормозное нэр.31 :. , мерение тем более полко, чем блиае(54). СПОСОБ НАГРЕВА ДЕДТЕРИДРИТИЕ- - температура плазмы к величине 8,3 кэВ, ВОД ПЛАЗМЫ. скорость распыления первой стенки ре(Я) Изобретение относится к управля- актора при Т;,.8,3 кэВ минималька. емому термоядерному синтезу и монет 2 ил140723 Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использонано при разработке термоядерного реактора. 5цель изобретения - снижение скорости износа первой стенки реактора. уНа фиг. приведены зависимости . безразмерной температуры плазмы Р от беарааиарлого радиусадла разлил" 1 О вах значений параметра кр характери" зующего теплопроводность плазмы на фиг.2 - зависимости безразмерных функций, выражающих энергосодержанне, термоядерное энерговыделение и тор мозное излучение единицы длины.плазменного шнура от безразмерного радиусадля с=Ов 5.Изобретение обеспечинает условия возможно более полного преобразова ния тепловой энергии частиц в тормоз" ное излучение, т.е. снижение энергии, выносимой на первую стенку реак" тора заряженными частицами, а следовательно, и уменьшение скорости ее 25 распыления.В условиях стационарного термоядер" ного реактора такое нреобразойание возможно. Для этого рассмотрим стационарный тепловой баланс в реакторе 30 типа токамак на основе уравнения теплопроводности для температуры плазмы Т,.считая в соответствии с численны" ми расчетами что плотность плазмыу и примерно постоянна по сечению шну ра. 2скорости реакции синтеза. прийимаемследующую апроксимацию(2)которая имеет точность не хуже 103 в диапазоне температурэВ - 40 кэВ. Поскольку до сих пор еще не выяснен механизм. аномальнбй теплопроводности плазмы и" ,как следствие, не ясна ее функциональная занисимость от температуры, рассмотрим возможные зависимости коэффициента температуропровод- . ности х от Т в широком диапазонех = х,Т", (3) где К - параметр, варьируемый в ди- . апазоне 0,5-2. Величина м, - коэффи" циент температуропроводиости Т в.1 кэВ, при этом значении температурыв при котором в настоящее время проводятся большинство экспериментов и устанавливаются скейлинги,Так, в соответствии с (3) для но- дородной плазмы1 оЧтив) ефф мюааа зт аиае в р (4)пйцДля равнокомпентентной дейтерий"три-, тиевой смеси со средним массовым числом И"-2,5 можно ожидать снижение теплбпроводности примерно в Й раз Принимая характерное значение цщ 2 и выражая,х в указанных выше единицах, получим- в (в )+и С(Т)-01 3 ЗТ ат дг Эг У40где О(Т) - с 7) "С 4 Т 67 - скоЕа4 . нт р атрость реакции синтеза;Ев 3,510 кэВС лв 3,3 О кэВ см ср45г см, Т кэВ, а 1 смМ,д смс-В этом ураннении учтена имеющаясясимметрия круглого тороидапьного пла-"узмеиного шнура, а реальная геометрия заменена,.ее цилиндрическим прибли Ожением . с координатамит , Ф р Еэ а- " О, - О,аеакПри этом учитываются основные каналы потерь эа счет теплопрбводности и тормозного излучения н источник термоядерного нагрева равнокомпонент+ ной дейтерий-тритиевой плазмы. Для(5)где ь) -. безразмернь 1 й коэффициенгкачества удержания; .Яа/Ква Ква - большой н малый радиусы тороидального плаэменно го шнура в сантиметрах. Отметим, что функция источника обращается в ноль при Ту=Тр 4,4, кэВ (0(Т") О), поэтому удобно перейти к следую 6 юм безразмерным величинамТРлаТ/Т 4:г/Ь Ь- " (6)ф 7 р и С . ф При этом,(1) переходит в следующее уравнениеМ,=2 МР 1 - ад (МВт) (11) Таким образом максимальная мощность термоядерного нагрева может быть получена при сд =10 (п=Ь) и составляет 150 МВт, а с учетом энергии рождающихся нейтронов мощность реактора будет в 5 раэ больше. Для защиты первой стенки от распыления в . соответствии с предлагаемым способом надо поддерживать температуру в центре около 8,4 кзВ. Это можно сделать, например, управляемым образом увеличивая ы (ухудшая удержание энергии эа счет увеличения гофрировки или частично разрушая магнитные верхности каким-либо способом). при росте температуры.или уменьшая у при ее падении. Для ИНТОРа рассматривает; ся также возможность стабилизации термоядерного горения при работе а предельными япоскольку Б этих условиях увеличениетемпературы долж-, но приводить к резкому ухудшекюо удер 407 Для выделения единственного решения этого уравнения нужно задавать следующие условия в центре Г(о) = О, Г(0)Г .Последнее условие фактиаф5 чески означает, что необходимо ста- . ционарное распределение температурыс заданным значением в центре То .ФТ ф., Если решение найдено, то для него можно рассчитать энергосо- О держание И и мощность термоядерного энерговыделения Р и тормозного излучения Рь единицы длины плазменного шнура в зависимости от текущего малого радиуса г "1, где- без- .5 размерная координата.1 ЖГе1 Уо =Зв 1. и Т - харакл 2Втерное энергосодержание плазмыРв =Ро1 в ) Р =Ро1 Р =Л. пй СГ(8)20 . где 12Гад, 1 (ф) 2 МР асаф,Е. 2 С(Чт ф Д - безразмерные коэффициенты.Можно показать, что существует не. - кое значение Г1. Если ГГ , то. ГЦ) обращается в ноль в точке" . Этот вывод. справедлив прилюбом К. Распределения Г, соответствующие30 нулевому потоку тепла с границы горячей области плазмы при различных К, показаны на фиг,1 Таким образом, если дальнейшие экспериментальные исследования укажут на другую зависи- . мость теплопроводности плазмы, это не повлияет на вывод о существовании режима с уменьшенным тепловым потоком из плазмы. На фиг.2 для К=0,5 поКазаны термоядерная мощность и энер 40 госодержаиие единицы длины плазменного шнура, функции Г и 1. Отметим, что доля энергии, выносимой на стенку с тепловым потоком, очень чувствительна к величине центральной тем".45 пературы. Как показывают расчеты, при всех К из диапазона 0,5-2 для вынесения тормозным излучением существенной части мощности термоядерного энерговыделения (- в - (0,5) необ-. 50Р РаЕходимо поддерживать температурув центре вблизи Т = Г Т с точностью не хуже 103.В термоядерном реакторе ИНТОР,при планируемой реализации известного55 способа должна поддерживаться температура Т 15 кэВ. В этом случае даже при наличии дивертора скорость-,г 23 4распь 1 ления стенки составляет порядка3 мм в год, что накладывает жесткиетребования на конструкцию и материа- .лы первой стенки и удорожает реактор. П р и м е р. В условиях ИНТОРа, чтобы использовать способ надо обеспечить в нем стационарный режим термоядерного горения с плоским распределением плотности и температурой в центре плазменного шнура, близкой к Т =Г"Т = 8,4 кэВ. Оценим параметры таких режимов, для чего испол"зуем значения К500 см, а . в . 50 см, тороидальное поле на оси В = 5,5 Тл и максимально допустимое Я =8Р/В 4 3 = 0,05 (5%). Наибольшее значение плотности плазмы пд, возможно при Я= ЯА;где р и Я с,.с парамет-: ры. и , =8310, (9) где использовано р=2 пТ=2 п 1 / ", а значения=2,2 1, =2,5 взяты при К =0,5, Из условия а=1.стационарного горения по всему объему момуно по- лучить и = 2,64 1 О 4 ы. (О) Сравнивая (9) и,1 О) легко видеть, что ИНТОР имеет достаточно бельшой запас по зажиганию, так как допустимо ь 2 с 10, Для полной мощности нагре;1ва ю 6-частицами с учетом 1 -"4 полу- чим.5 1410723 6жания энергии. Если при применении Формула и з о б р е т е н и я способа температуру в центре поддерживать 9 кзВ (на границе предлагаемо- Способ нагрева дейтерий-тритиевой го диапазона), будет обеспечвна транс- плазмы в реакторе с магнитным удержа-. формация в тормозное излучение толь- кием путем зажигания разряда и подвоко половины потока энергии быстрых да к плазме энергии извне, о т л и- частиц, идущего из плазмы и эффектив- ч а ю щ и й с я, тем, что, с целью ность способа заметно снижается. Тем снижения скорости износа первой стенке менее и в этом случае скорость из О ки реактора, температуру плазмы Т в носа первой стенки будет ниже, чем в реакторе поддерживают в диапазоне известном способе. 8,3 кэВ ф Т5 кэВ.1410723 оставитель В.Тихоновехред А.Хравчук Еоррек 24 - Тир ВНИИПИ Госуд по делам 1.13035, Москва