Вакуумные системы термоядерных установок: структура и принципы построения
В экспериментальных установках для изучения физики плазмы ВС обеспечивает необходимые условия для формирования, нагрева и удержания плазмы, работу средств дополнительного нагрева плазмы, криостатов сверхпроводящих магнитных систем, ввод в установку протия или дейтерия. Принципиальное отличие ТЯР от экспериментальных установок — работа на DT-топливе и наличие бланкета для утилизации энергии нейтронов и синтеза трития, а в реакторах гибридного типа — и плутония. В конструктивном отношении бланкет представляет собой набор литийсодержащих модулей, окружающих плазменный шнур и пронизанных каналами системы охлаждения. Вакуумная система ТЯР совместно с тритиевым контуром образуют вакуумно-тритиевый комплекс (ВТК), дополнительными функциями которого является подготовка и подача в реактор трития, переработка газообразных продуктов термоядерной реакции и извлечение синтезируемого в бланкете трития. Функциональные элементы ВТК показаны на рис. 6.1.
К ключевым физико-техническим проблемам создания ВТК относятся следующие вопросы:
выбор газокинетических и теплофизических параметров, компоновки вакуумного тракта и разработка его элементов, отвечающих критериям абсолютной эксплуатационной надежности;
комплексные исследования конструкционных материалов и отбор тех из них, которые обладают оптимальным для условий ТЯР сочетанием свойств;
синтез специальных конструкционных материалов с заранее заданными свойствами,- выбор параметров, разработка схем и технологического оборудования для приготовления, ввода, переработки и очистки термоядерного топлива.
Центральным вопросом является проблема первой стенки, т. е. совокупности элементов, находящихся в непосредственном взаимодействии с плазмой. В установках дореакторного поколения первая стенка в конструктивном отношении тождественна стенке разрядной (вакуумной) камеры. При переходе к реакторам функции разрядной камеры все в большей степени выполняет внутренняя оболочка бланкета.
Первую стенку бомбардируют одновременно интенсивные потоки быстрых атомов и ионов, а также потоки нейтронов энергией до 14 МэВ (см. табл. 2.1), причем их флюенс за весь период эксплуатации близок к 1027 м-2. Стенка должна выдерживать периодическую тепловую нагрузку до 106 Вт/м2 в водородной среде при средней температуре 600 — 700 К и ее колебания в пределах 100 К, а также распределенную механическую нагрузку 1—1,5 МПа при числе рабочих циклов 10s — 106. Материал первой стенки должен удовлетворять одновременно почти 20 критериям по механическим, тепло-, электро- и нейтронно-физическим свойствам, радиационной стойкости, газодиффузионным характеристикам, совместимости с теплоносителем, технологичности и т. п. Еще более жестким требованиям должен удовлетворять материал первой стенки реакторов будущих термоядерных электростанций.
Детальное рассмотрание проблемы первой стенки ТЯР выходит за рамки этой книги. Мы ограничимся лишь ее вакуумно-технологическими аспектами, в частности вопросами очистки первой стенки (см. 6.2).
Важным аспектом проектирования ТЯР является выбор оптимальной компоновочной схемы вакуумного тракта, в частности взаимного оасположения первой стенки и вакуумной оболочки, локализующих зону формирования остаточной газовой среды и плазменного шнура. В экспериментальных установках их функции выполняет единый конструктивный элемент — разрядная камера (концепция первой стенки с совмещенными функциями}. Однако в реакторах следование такой схеме наталкивается на серьезные трудности. Их причина — экстремальные тепловые, радиационные и механические нагрузки, которым должна противостоять первая стенка, сохраняя одновременно вакуумную герметичность. Эти трудности усугубляются наличием сварных швов и различных вставок по периметру камеры. В условиях ТЯР более целесообразной становится реализация концепции стенки с разделенными функциями. В этом случае первая стенка воспринимает лишь корпускулярное и тепловое излучения, а функции вакуумной границы выполняет дополнительная оболочка, экранированная от плазмы и находящаяся поэтому в менее напряженных условиях.
К настоящему времени предложено несколько компоновочных схем ТЯР с магнитным удержанием, реализующих названные концепции. Рассмотрим более подробно их особенности применительно к реактору-токамаку.
Первая стенка с совмещенными функциями. Согласно этой концепции выполнены все экспериментальные установки. Плазменный шнур формируется в сварной разрядной камере — тороидальной оболочке, снабженной патрубками для откачки, ввода топлива и пучков быстрых нейтральных атомов, устройств диагностики и т. п. Камеру охватывают катушки тороидального магнитного поля; на внешней стороне ее периферической части могут быть размещены модули бланкета.
Достоинства схемы — легкий доступ к бланкету и магнитной системе, минимальные объем и площадь стенок вакуумируемого пространства; недостатки — исключительно высокие радиационные, термические и механические нагрузки и, как результат, низкая надежность сварных швов, диффузионный перенос в атмосферу значительных количеств трития, затрудненный доступ к камере.
Первая стенка с разделенными функциями. Этой концепции подчинено несколько конструктивных схем ТЯР. По варианту I разрядная камера собирается из отдельных секций, расположенных внутри катушек тороидального поля и бланкета, однако сварные швы в радиальном направлении вынесены за пределы бланкета. Благодаря этому резко снижаются нагрузки на эти швы и увеличивается их эксплуатационная надежность; кроме того, они становятся более доступными. Однако одновременно возрастают объем и площадь стенок вакуумируемого пространства.
По варианту II герметизированные модули бланкета вводятся в полость вакуумной камеры, так что первой стенкой становится их внутренняя оболочка. В этом случае эксплуатационная надежность камеры как элемента ВС возрастает, но заметно увеличиваются объем и площадь стенок вакуумируемого пространства, а также масса сорбированного стенками трития. Кроме того, становятся труднодоступными модули бланкета, возрастают требования к герметичности их оболочек. Правда, удовлетворить этим требованиям легче, поскольку модули по сравнению с камерой малы.
Таблица 6.1. Вакуумные параметры ТЯР при различных положениях вакуумной границы плазменной области (оценки для реактора INTOR)
Снижение давления в камере в сраднем на три порядка при степени перфорации стенки откачными патрубками 5—10%.
С учетом только физической адсорбции и диффузии при концентрации сорбированного трйтия 5-102 м-2; с учетом имплантации быстрых заряженных и нейтральных атомов трития его содержание в материале первой стенки достигает около 103 г.
По варианту III в полость камеры вводятся и бланкет, и катушки с радиационной защитой. Весь реактор оказывается в вакуумном доме большого объема, так что доступ к бланкету и магнитной системе оказывается очень затрудненным. Условия же эксплуатации самой камеры в этом случае облегчены.
Абсолютно предпочтительной компоновочной схемы, таким образом, нет (см. также табл. 6.1). Ее выбор должен быть компромиссным решением, основанным на совместном анализе плазменных и энергетических характеристик реактора и технико-технологических решений ВТК, бланкета и магнитной системы.
При выборе схемы, материалов и разработке конструкций первой стенки, бланкета и вакуумной камеры необходимо учитывать также ограничения, связанные с формированием требуемой структуры магнитного поля. В частности, допустимы лишь незначительные, до 1%, искажения поля из-за влияния магнитных свойств используемых материалов и наводимых электрических токов. Первое из этих требований лимитирует применение ферромагнитных сталей и сплавов, второе — электрическое сопротивление конструкций.
Детализируем теперь инженерно-физические вопросы и задачи, которые должны быть рашены при создании ВТК. К числу важнейших из них относятся:
методы контроля примесей в плазме, схемные решения, газокинетические и теплофизические режимы вакуумного тракта;
выбор компоновочной схемы и определение вакуумной границы плазменной области реактора;
выбор конструктивных решений и конструкционных материалов основных элементов первой стенки и бланкета;
создание надежных способов герметизации и коммутации вакуумного тракта, в том числе при автоматической сборке;
оптимизация технологии очистки вакуумного тракта;
определение вакуумных параметров и требований к средствам откачки различных подсистем реактора;
схемная и конструктивная разработка, технико-экономическая оптимизация модульных блоков откачки этих подсистем;
развитие методов и аппаратуры дистанционного контроля герметичности и устранения течей на различных участках вакуумного тракта;
совершенствование методов вакуумных измерений и соответствующей аппаратуры;
подпитка плазмы топливом путем регенерации несгоревшей DT-смеси с удалением примесей, ее очистки и дозированной подачи в реактор;
воспроизводство сгоревшего трития в литиевой зоне бланкета;
обеспечение радиационной безопасности по тритию в эксплуатационных режимах и при аварийных ситуациях;
разработка автоматизированной системы управления средствами откачки, блоками регенерации, очистки и подачи топлива, коммутирующей арматурой и контрольно-измерительными приборами.
В следующих параграфах дан краткий обзор решений наиболее сложных из этих задач в крупных экспериментальных установках и в проектируемых ТЯР.