Замкнутые термоядерные установки с магнитным удержанием
Изложенные принципы построения ВС экспериментальных термоядерных установок нашли различное конструктивное воплощение.
Вакуумная камера. Даже в наиболее крупных экспериментальных установках нейтронные и другие радиационные нагрузки не налагают жестких ограничений на выбор материала и конструктивное решение камеры. Для большинства этих установок принята концепция первой стенки с совмещенными функциями. Определяющее влияние на конструктивные решения оказывают соображения прочности и устойчивости под действием атмосферного давления и пондеромоторных сил, обеспечения необходимых вакуумно-технологических и электрофизических характеристик.
Основной конструкционный материал камер — аустенитная нержавеющая сталь или хромоникелевые сплавы. Эти материалы обладают благоприятным сочетанием физико-механических, вакуумных и электрофизических свойств и хорошей технологичностью. Традиционная для токамаков конструкция разрядной камеры — цельносварная тороидальная оболочка кругового или овального сечения, набранная из сильфонных секций и промежуточных силовых колец (табл. 6.2). Такое исполнение обеспечивает необходимые механическую прочность, электрическое сопротивление по контуру тора и отвечает требованиям сверхвысоковакуумной технологии. Толщина сильфонных секций 0,5 — 2,5 мм. В большинстве установок для повышения эксплуатационной надежности вокруг разрядной камеры создается охранный вакуум. Для этого используют коаксиально расположенные тороидальные камеры с независимыми системами откачки либо двойные сильфоны. В установках со сверхпроводящей магнитной системой оболочка охранного вакуума формируется криостатом. В отдельных случаях герметизацию камеры осуществляют с помощью болтовых соединений; требуемое электрическое сопротивление создают изоляционными вставками.
Для защиты тонкостенных оболочек от термических разрушений при выбросах плазмы применяют экраны из тугоплавких металлов и углеродсодержащих композиций. Из таких же материалоа выполняют диафрагмы, ограничивающие плазменный шнур.
Вакуумные камеры большинства экспериментальных установок стеллараторно-го типа выполнены по аналогичным схемам. Исключение составляет отечественный трахзаходный торсатрон Ураган-3, в компоновке которого реализована концепция вакуумного дома. Элементы магнитной и диверторной систем этой установки размещены внутри камеры объемом 70 м3 со встроенной системой криогенной откачки. Камера выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т и герметизирована металлическими уплотнителями. Функции первой стенки выполняют прогреваемые перфорированный лайнер вокруг плазменного шнура и экраны дивертора.
Технология вакуумного тракта. Технология, играющая первостепенную роль в сверхвысоковакуумном аппаратостроении в целом, в термоядерных установках становится еще более значимой в силу подчеркивавшегося выше влияния первой стенки на плазменные параметры. Развитие термоядерных исследований показывает, что успех плазменного эксперимента во многом предопределяется тщательным выполнением вакуумно-технологических требований на всех этапах изготовления, транспортировки и хранения деталей, монтажа, наладки и эксплуатации вакуумного тракта.
В конечном итоге эти требования направлены на то, чтобы конструкционные материалы и детали вакуумного тракта были в максимальной степени свободны от примесей, имели однородную гладкую поверхность, не содержащую жировых, диэлектрических и других включений, сохраняли требуемую герметичность, допускали эффективную очистку поверхности от адсорбированных паров и газов. С этих же позиций должен производиться выбор конструктивных решений. Нежелательны, в частности, щелевые зазоры, в которых могут скапливаться загрязнения, и закрытые полости, недоступные для обработки разрядом. Сварные швы должны допускать технологический и эксплуатационный контроль герметичности и иметь минимальную протяженность. Должна быть минимизирована площадь поверхности вакуумируемых деталей и предусмотрены возможности их термического обезгаживания, очистки разрядом или электромагнитным облучением.
Типичными технологическими этапами изготовления элементов вакуумного тракта, отвечающего указанным требованиям, являются: оптимизированный цикл изготовления заготовок; механические, электрохимические и комбинированные методы очистки поверхности и формирования ее микрорельефа; электросварочные работы и контроль качества швов; термическое обезгаживание заготовок и деталей в вакууме или в среде инертного газа при температурах до 1000 К; поэтапный контроль герметичности сварных швов различными методами, включая масс-спектро-метрический, в режимах с максимальной чувствительностью (в частности, методом гелиевой камеры).
После сборки элементы вакуумного тракта подвергаются дополнительным видам обработки. Их цель — удаление паров воды и других парогазовых компонентов, сорбирующихся на стенках в процессе монтажа, а также уменьшение концентрации атомов кислорода и углерода, присутствующих в составе окислов и других химических соединений на стенке. Эти виды обработки включают термическое обезгаживание при 400 — 800 К и очистку стенки разрядом.
Примесные атомы кислорода и углерода удаляются со стенок в разряде в результате параллельно идущих процессов ионно-стимулированной десорбции, распыления и плазмохимических взаимодействий. В настоящее время с этой целью используются различные типы и режимы разряда — обычный режим при пониженном уровне вводимой мощности, тейлоровский разряд в водороде, характеризующийся низкой электронной температурой, тлеющий разряд в инертных газах, ВЧ-разряд в водородной плазме, а также комбинированные методы термических и ионных воздействий на стенку. Особенность разряда в водороде — высокая химическая активность плазмы и малое распыление стенки. Инертные газы, особенно тяжелые, напротив, вызывают ее интенсивную ионную эрозию; одновременно происходит их внедрение в поверхностный слой, что требует последующего прогрева для их реэмиссии. Тренировочнй разряд в водороде проводят при давлении около 0,1 Па; давление газа при тейлоровском разряде — около 5 • 10 2 Па. Оптимальные условия тлеющего разряда в инертных газах зависят от геометрии камеры; обычно давление газа составляет примерно 1 Па, флюенс — около 1022 м 2. Режим разрядов, их частоту и длительность подбирают опытным путем для каждой установки. После напуска в камеру атмосферного воздуха требуются длительная (до нескольких суток) предварительная очистка и ежедневная обработка разрядом перед началом плазменного эксперимента.
Дальнейшего снижения концентрации легких примесей, в частности кислорода, можно добиться нанесением на стенку геттерных покрытий, например пленок титана. Обладая высокой энергией связи с кислородом, титан препятствует его выделению со стенок. Нанесение титановых пленок в ТЯР приведет, однако, к нежелательной сорбции трития, для полного выделения которого может потребоваться длительный прогрев при 800 — 1100 К. Этого можно избежать, нанося вместо титана пленки хрома, столь же эффективно связывающего кислород, но не образующего гидридов. Режим напыления геттерных пленок зависит от размеров установки. Так, на токамаке Doublet-Ill напыление титана с помощью двух испарителей производят в течение 3—5 мин перед каждым рабочим импульсом, тогда как на меньшей установке ISX-B оказывается достаточным одного-двух циклов напыления на 8-часовой эксперимент с несколькими десятками импульсов.
Аналогичный эффект дает размещение в непосредственной близости от плазменного шнура слоя нераспыляемого геттера. Такой способ применен, в частности, на установке TFTR, в камере которой установлены панели, покрытые мелкодисперсным геттером на основе циркониево-алюминиевого сплава.
Система откачки. Обычно для откачки используется модульная схема. Высоковакуумные насосы группируются в автономные блоки (модули), размещаемые по периметру вакуумной камеры. Основу блоков составляют, как правило, турбомоле-кулярные насосы (табл. 6.3). В блоки откачки входят также криогенные насосы различных модификаций, а в отдельных случаях и геттерно-ионные насосы.
Установка Ураган-3 снабжена блоками внешней криооткачки и встроенными криогенными насосами. Первые служат для откачки от атмосферного давления до 10”4 Па и для поддержания требуемого вакуума при подготовке к экспериментам; быстрота их действия составляет (1 — 2) • 10 2 м3/с в форвакуумной и порядка 10 м3/с — в высоковакуумной области. Быстрота действия встроенных насосов, размещенных в диверторной зоне, составляет примерно 10л мл/с (по водороду); в рабочем режиме давление в камере около 10-4 Па, а вблизи диверторных пластин 10-2 Па.
Высоковакуумные насосы различных типов имеют следующие усредненные параметры откачки изотопов водорода. Быстрота действия по тритию (относительно протия) турбомолекулярный насос 0,95; испарительный геттерный насос 0,25; магниторазрядные насосы 0,65 — 0,90; нераспыляемый циркониево-алюминиевый геттер 0,1 — 0,5. Максимальное значение скорости сорбции геттером наблюдается в температурных интервалах 670 — 770 К (протий), 620 — 720 К (дейтерий) и 570 — 670 К (тритий). Коэффициент прилипания на пленках титана при 300 К (77 К) составляет 0,05 (0,27) для протия; 0,015 (0,078) для дейтерия; 0,012 (0,065) для трития з 2
Критические значения толщины слоя криоосадка, м • Па/м , соответствующие резкому уменьшению коэффициента конденсации, составляют около 10 (водород; 4,2 К); 1 (водород; 3,2 К); 102 — 104 (дейтерий; 4,2 К); (4 — 6) • 103 (тритий; 4/г к).