Требования к вакуумным параметрам

Средства высоковакуумной откачки могут быть размещены не ближе 10 — 15 м от камеры и соединены с ней каналами диаметром около 2 м. Коэффициент проводимости такого канала Р 0,2, так что для реализации найденного ранее коэффициента возврата R =0,88 откачными патрубками необходимо занять как минимум (1 — R}/Р =0,6 площади камеры. ТЯР с подобной прозрачностью пространства вокруг плазменного шнура никогда не будут создаваться из-за неудовлетворительных техникоэкономических характеристик. Относительная концентрация гелия в плазме 10%, по-видимому, близка к предельно допустимой, поэтому единственным гипотетическим способом уменьшить объем пустого пространства вокруг плазменного шнура остается избирательное уменьшение ^гНе ^ПР^{И неизменности} других времен удержания. Такой способ, однако, представляется неосуществимым. Эти оценки подтверждают необходимость более эффективного удаления гелия, чем его диффузная откачка. где R_a — коэффициент возврата нейтрального газа из диверторной камеры в плазму; 5_Д — быстрота откачки диверторной камеры; р — коэффициент внедрения ионов в диверторную пластину; п. — усредненная концентрация нейтрального газа в диверторной камере.

Коэффициент Яд зависит от размеров и микропрофиля поверхности диверторного канала, характеристик периферийного слоя плазмы и ряда других факторов. Используя его как параметр, можно найти зависимость между концентрацией нейтрального газа в диверторной камере и быстротой ее откачки (рис. 2.10). Концентрация, при которой реализуется режим диссипации энергии ионов на газе, составляет примерно 2 — 10^{1 9} м~³. Из рис. 2.10 видно, что для получения в диверторной камере такой концентрации DT-смеси при R « 0,5 необходима быстрота откачки около 2 • 10² м³/с, что технически вполне осуществимо. При этом концентрация DT-смеси в плазменной камере всего в 7 раз выше. Приняв теперь, как и ранее, допустимую концентрацию гелия в плазме равной 1,4 • 10¹⁹ м³ для предельных значений R = 0,0; 0,9, можно получить область возможных значений S с , п _и (рис. 2.11). Оставаясь в пределах этой области дне дне поля, можно управлять концентрацией гелия в диверторной камере, не влияя на его содержание в плазме. Видно, что диверторный вариант удаления гелия из плазмы технически вполне приемлем.

В идеале насосы диверторной камеры должны обладать необычной для вакуумной техники селективностью: они должны откачивать все газы, кроме дейтерия и трития. В этом случае осуществлялся бы полный оборот термоядерного топлива и система инжекции DT-смеси должна была бы только восполнять ее сгоревшую в реакции часть.

Сделанные оценки справедливы и для реактора с откачивающим лимитером.

Для удаления газообразных продуктов реакции и остатков топлива в паузе между рабочими циклами камеру откачивают. Давление в паузе снижается на два-три порядка. Требуемая для этого быстрота откачки определяется объемом камеры и продолжительностью паузы. В экспериментальных установках, работающих в режиме одиночных импульсов, продолжительность паузы не лимитирована, однако в реакторах, особенно энергетических, она не должна превышать нескольких десятков секунд. Требуемая быстрота откачки, как видно из рис. 2.12, составляет поэтому около 10² м³/с.

Как видно, в тороидальных реакторах с магнитным удержанием и продолжительным циклом, режимом, определяющим производительность системы откачки и характеристики насосов, является горение. В импульсных реакторах с магнитным удержанием (токамаки с адиабатическим сжатием, тэта-пинчи и т. п.) и в установках с инерциальным удержанием параметры системы откачки лимитируются режимом откачки в паузе между импульсами. В открытых ловушках требуемая быстрота откачки определяется из условия динамического равновесия между потоком вводимых в камеру быстрых атомов (ионов) и потоком нейтральных атомов перезарядки.

Сделаем теперь аналогичные оценки для диверторного варианта. В этом случае при полном захвате ионов диверторным слоем для любой компоненты плазмы можно записать приближенные соотношения, связывающие стационарные плазменные характеристики и параметры вакуумного тракта:

Как видно из табл. 2.4, в которой суммирована информация о вакуумных параметрах ТЯР различных типов, диапазон рабочих давлений находится в пределах 1*10⁶ — 1*10¹ Па, а ожидаемые значения быстроты откачки плазменных камер составляют 10² — 10⁴ м³/с. В существующих экспериментальных установках используются безмасляные насосы промышленных типов с быстротой действия 1 — 10 м³/с. Лишь в открытых ловушках и инжекторах быстрых атомов применяются сверхвысоковакуумные насосы поверхностного действия (НПД) с быстротой откачки до 5 • 10³ м³/с.

Создание более крупных установок, включая реакторы, требует увеличения быстроты откачки и накладывает принципиальные ограничения на выбор средств откачки. Эти ограничения связаны с переходом к экспериментам с тритием и определяются его высокой стоимостью и радиоактивностью. К числу наиболее важных требований относятся: необходимость замкнутого цикла обращения трития; сведение к минимуму количества трития, необратимо накапливающегося в насосах и других элементах ВС; возможность экономичной и быстрой регенерации НПД, используемых для откачки трития; недопустимость применения веществ и материалов, физико-механические свойства которых изменяются при контакте с тритием; недопустимость попадания трития в атмосферу.

Возможности использования некоторых типов насосов в установках реакторных масштабов ограничены. В частности, использование диффузионных парортутных насосов лимитируется высокими энергозатратами и потенциальной опасностью загрязнения плазменной камеры парами ртути. Разрядные насосы эффективно откачивают изотопы водорода, однако они непригодны для ТЯР из-за трудности выделения трития и малой единичной производительности. Трудности выделения трития исключают также применение испарительных геттерных насосов. Наиболее перспективными для откачки водорода представляются конденсационные, криосорбционцые и на основе нераспыляемых металлических геттеров НПД.