Пср&ОА стенка Магниты

1 сетка

Генератор ионов

Камера нейтрализации

Зйо^ито'

Бланкет

Рис.3.14

На рис.3.14 изображена одна из схем инжекции нейтральных чаатиц. С помощью высокочастотного плазменного генератора либо сильноточного разряда получавтоя плазма, состоящая из ионизованных атомов водорода или дейтерия. Ионы извлекаются из плазмы и ускоряются электрическим полем с помощью последовательности металлических электродов, которые формируют пучок. В результате получается пучок заряженных частиц, движущихся параллельно с одинаковыми скоростями. В камере нейтрализации, содержащей холодный газ нейтрального водорода или дейтерия, чаогицы перезаряжаются , т.е. нейтрализуются, захватывая электроны у медленных нейтральных атомов. Медленные нейтральные атомы, превратившись в ионы, дрейфуют к стенкам камеры и захватываются собирающими пластинами. Пучок попадает в дрейфовую трубу, где небольшая доля быстрых ионов, оставшихоя в пучке, отклоняется магнитом. Основной поток нейтральных атомов проходит через магнитное поле реактора, попадая в плазму. Подобным образом спроектирован отдельный модуль сисгемы инкекции реактора ITER (мощности 8,3 МВг, энергия частиц 1,3 МэВ). Длина модуля 15 м, диаметр около 4 м. Воя система нейтральной инкекции реактора состоит из 9 таких модулей. Она должна создавать пучок нейтральных часгиц мощностью 75 МВт с энергией 1,3 МэВ.

1) омический нагрев;

2) нагрев о помощью инкекции нейтральных частиц;

3) высокочастотный (ВЧ) нагрев;

4) адиабатическое сжатие.

Омический нагрев происходит вследстше выделения в плазме мощности I R при пропускании через плазму большого тока I . Однако, по мере повышения температуры плазмы, сопротивление ее R уменьшается до такого значения (существенно меньшего, чем сопротивление меди), что дальнейший омический нагрев становится неэффективным. Оценки показывает, что о помощью одного омического нагрева температуру плазмы мокно повысить лишь до нескольких кэВ. Таким образом, помимо омичеокого нагрена необходимы дополнительные способы нагрева плазмы. Выло предложено увеличивать сопротивление плазмы при высоких температурах путем создания в плазме турбулентности, которая приводит к увеличению эффективного числа соударений частиц в плазме, т.е. к росту ее сопротивления. Таким образом, турбулентность мокет сделать эффективным омический нагрев при высоких температурах. В то же время турбулентность мокет привести к ухудшению удержания плазмы.

В схема нейтральной инжекции в плазму вводится пучок нейтральных атомов дейтерия и трития высокой энергии (см. 3.1, 3.2). Когда пучок попадает в плазму, происходит ионизация нейтральных частиц. В дальнейшем эти быстрые ионы замедляются при столкновениях и таким образш нагревают плазму. Оптшлально разреженный пучок нейтральных частиц мокет переносить энергию, достаточную для нагрева плазмы, но не сможет обеспечить инжекцию топлива. Для обеспечения как нагрева, так и пополнения запасов топлива необходимы пучки нейтрельвых частиц высокой энергии и достаточно большой плотности. Получение пучков о определенныгл соотношением энергии частиц, мощности и тока представляет достаточно сложную техническую проблему. Для достикения требуемой глубины проникновения пучка в плазму энергия частиц в пучке должна лежать в пределах от 100 до 200 кзВ. Так как мощнооть нагрева плазмы должна быть не менее 100 Шт, то пучок, в котором частицы имеют энергию 200 кэВ, ,олкен быть эквивалентен току 500 к при плотности тока до I А/см. Это очень высокие гребонания по сравнению о возможноотями обычных лабораторных ускорителей, в которых ток при энергии частиц 200 кэВ измеряется тыcячны^ли долями ампера. Поэтому для достижения необходшшх мощностей применяется модульный принцип построения системы инкекции.

- 58 -

В схеме шссксчастстнсгс нагрева плазма пслучает энергию за счет поглощения излучения в радиочастотном диапазоне. Высокочастотный нагрев основан на резонансном взаимодействии радиоволн и чаотиц плазмы, в результате которого происходит преобразование энергии электромагнитных или электростатических волн в кинетическую энергию частиц. Здесь наибольшее внимание привлекают три частотных диапазона. Першй - от 5 до 100 МГц. В этом случае частота радиоволн совпадает с ионной циклотронной частотой и ее гармониками. Второй - от I до примерно 10 ГГц, когда частота радиоволн соответствует частоте флуктуации плотности ионов в плазме. Третий - от 80 до 140 ГГц. В этот диапазон попадает циклотронная частота электронов плазмы. Все системы ВЧ-нагрева являются, по сути дела, передающими радиостанциями. Они имеют источник р.ч.-излучения, усилитель, линию передачи и возбуяедаю-ций элемент, расположенный на внешней или на внутренней стороне стенки плазменной камер. Источник и усилитель прдставдяют собой электронную лампу, клистрон или мазер в зависимости от частотного ржима; линия пердачи - это коаксиальный кабель или волновод; возбуждающим элементом служит антенна или волновод. Материал, из которого он оделан, должен быть выбрн так, чтобы противостоять поврждающему действию нейтронов и других форм рдиации, испус- каемой плазмой. В дополнение к этому в линию пердачи должно быть вставлево диэлектрическое окно, которое, пропуская радиоволны, будет прпятствсвать попаданию радиоактивного тртия в систему. По срвнению с нейтрльной инжекцией ВЧ-нагрв имеет то примущество, что он основан на уже имеющейся технологии. Недостаток схемы ВЧ-нагрва обусловлен трудностью ввода излучения в плазму черз бланкет в условиях, когда длина волны излучения слишком велика, чтобы использовать волновод. В рактор ITER предполагается использовать 2 системы ВЧ-нагрва: первая - мощностью 20 МВт с частотой 120 ГГц и вторя - мощностью 50 МВт с частотой 5 П'ц,

Сжатие плазмы наротающим магнитным полем также является одншл из способов ее нагрва. В основном этот способ применим для импульсных ректоров, но может быть также использован на начальной стадии рзогрва в ракторх квазинепррвного действия. Нагрев за счет сжатия происходит следующим обрзом. По мер возрстания удерживающего магнитного поля магнитное давление на плазму также увеличивается. Увеличенное магнитное давление заставляет частицы двигаться вглубь плазш и плазма сжимается. Кинетическая энергия этого напрвленного внутр движе1шя частиц в ре-

зультате столкновений с частицами плазмы быстро переходит в энергию хаотического движения и прводит к увеличению тепловой энергии плазмы.

Независимо от схеш нагрева основное внимание уделяется тому, чтобы процесс нагрва не приводил к рзвитию неустойчивостей, напршлер.за счет отклонений функции рспрделения от максвеллов-ской.

Удаление отработанного тошшва. В дополнение к проблеме инжекции топлива в рактор возникает проблема удаления продуктов рак-ции из рактор. Необходимость удаления отрботанного тошшва ( Не) связана о тем, что его накопление в области взаимодействия прводит к увеличению потерь на тормозное излучение (воледствие увеличения эффективного значения Н ) и рзкому снижению энергетического баланса плазмы. В ракторе непррвного действия тр-буется непррвная прокачка топливной омеси черз реактор и систему ее очистки и инжекции, причем отделение продуктов рак-ции должно происходить вблизи области взаимодействия пр наличии высокой темпертуры и интенсивного потока нейтронов. Откачка D-T смеси из области сильного магнитного поля сложна, она трбует охлаждения и нейтрлизашш смеси, что происходит и само собой на стенке камер, но воспользоваться этим трудно из-за малой скорости диффузии ионов поперк магнитного поля. Скорость откачки должна быть высокой (от I до 10 млн,литров в секунду), а вакуум, образующийся пр этом в камер рактор, должен быть достаточно шсоким,порядка 10 атм, Соврменные кросорбционные насосы, рботающие пр темпертур жидкого гелия, имеют в этом плане наилучшие технические возможности,

Кронасосы прдставляют собой систему молекулярных сит, охлаждаемых жидким гелием до темпертур 4 К. Сита окружены шенро-нами, которе охлаждаются жидким азотом до темпертур 77 К. Летучие гаэы,такие как водород, дейтерй и тртий, конденсируются на ситах. Менее летучие такие, как киолород, азот и метан, поглощаются шевронами. Гелий тоже может быть захвачен, если рзбрз-гать жидкий аргон по поверхности насоса. Кронасосы имеют высокую скорсть откачки, но трбуют периодического удаления газов, которе были адсорбированы. Более того, адсорбция газов влечет за собой увеличение количества тртия в рактор. Чтобы избежать этих трудностей,были созданы устройства, поднимащие давление газа на входе в откачиваешй патрубок насоса.

Для этих целей можно воспользоваться потоком ионов больших

Рис.3.15

энергии частиц растет их распыляющее воздейотвие, и, кроме того, вблизи поверхности возникает электрический потенциал еЦ-ЗТ, ускоряющий положительно заряженные частицы, в том числе ионизованные продукты эрозии. В последнем случае возникает особенно оильное оамораспыление . Такой лтштер может располагаться не-пооредствеяно в кнмере реактора на периферии плазменного шнура (откачиваемый лимитер). В этом случае, однако, тепловые потоки и эрозия особенно велики. На рис.3.15 показаны схемы расположения лимитера, предложенные для проекта ИНТОР (I - плазш, 2 - лимитер, 3 - откачиваемый нейтральный газ).

Приемные плаотины мокно раополокить в соседнем с основной камерой объеме, куда плазменные потоки выводятся за счет образо-

вания специальной диверторной конфигурации магнитного поля (магнитный дивертор). На рис. 3.16 изображена схема полоидального диве ртора для проекта ИНТОР (I - внутренняя пластина, 2 -внешняя пластина). Дивертор снимает внешний слой плазмы и с помощью специальной конфигурации магнитного поля т-водит снятый слой из области взаимодействия, после чего происходит нейтрализация

Нейтральный газ

Рис.3.16

сбор и очистка частично израоходо-ванного топлива для дальнейшего использования в реакторе. На рис.3.17 схематично показаны различные диверторные конфигурациж магнитного поля, позволяющие шводить плазму из области взаимо-

г- \Л

ПроекциА линии маг нмтнеи инкции дм- \ бергора /

Рио.3.17

действия: (а) - тороидальный дивертор (вид оверху); (б) - сдно-нулевсй полсидальный дивертор (ток не показан); (в) - двухнуле-

OKopociefl вдоль магнитных силовых линий, располоиив на их пути лимитеш - охлавдаемые приемники плазменных потоков. Они преобразуют плазменный поток в нейтральный газ, откачиваемый насосами из области вблизи лимитера. Ери этом возникают две проблемы: I) охлаадеяие приемных плаотин, на которых тепловые потоки дооти-гают значений порядка кВт/ом; 2) эрозия плаотин под действием мощных потоков быстрых частиц, сопрововдающаяоя выходом в плазму стравляющих ее продуктов эрозии. Эрозия плаотин сильно зависит от температуры плазмы вблизи их поверхнооти, так как с ростом