Физика плазмы, 2021, T. 47, № 12, стр. 1146-1151

1. ВВЕДЕНИЕ

Токамак с реакторными технологиями (ТRT) представляет собой компактную электрофизическую установку с сильным магнитным полем, мощным дополнительным нагревом плазмы и обмотками электромагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника, предназначенную для решения физико-технических задач, изложенных в работе [1]. Криостат и вакуумная камера, являются одними из основных компонентов токамака с реакторными технологиями.

Криостат, представляет собой герметичную цилиндрическую оболочку, внутри которой создается вакуум для сокращения теплопритоков со стенок криостата на сверхпроводящую магнитную систему, которая работает при криогенных температурах (4.5 К). Криостат формирует второй барьер безопасности для активированных материалов внутри вакуумной камеры и является несущей структурой для электромагнитной системы и вакуумной камеры, установленных внутри него.

Вакуумная камера является первым барьером безопасности установки и предназначена для получения вакуумного объема с характеристиками, обеспечивающими формирование, нагрев, удержание и наблюдение за плазменным шнуром.

Вакуумная камера выполняет следующие функции:

– обеспечивает физическую границу совместимую с созданием и поддержанием высокого вакуума;

– обеспечивает крепление внутрикамерных компонентов с учетом действующих на них нагрузок в рабочем и аварийных режимах работы установки;

– обеспечивает совместно с внутрикамерными элементами специфицированное электросопротивление в тороидальном направлении и вносит вклад в пассивную стабилизацию плазмы;

– обеспечивает доступ персонала для обслуживания внутрикамерных элементов и проходки для системы откачки, нагрева плазмы, диагностики;

– обеспечивает совместно с дивертором и другим оборудованием в патрубках необходимую радиационную защиту сверхпроводящей электромагнитной системы (ЭМС) на завершающей стадии работы установки;

– утилизирует объемное тепловыделение и тепловые потоки в пределах допускаемых температур и напряжений;

– утилизирует остаточное тепловыделение всех внутрикамерных компонентов даже в условиях отсутствия их охлаждения.

2. КРИОСТАТ

Криостат представляет собой цельносварную одностенную цилиндрическую оболочку, подкрепленную ребрами жесткости, внутри которой размещается: сверхпроводящая электромагнитная система, вакуумная камера, тепловая защита криостата и вакуумной камеры. Конструкция криостата воспринимает внешнее атмосферное давление, весовые и электромагнитные нагрузки, действующие на компоненты токамака TRT, установленные внутри криостата. Компоновка оборудования в криостате показана на рис. 1. Криостат на 16-ти опорах устанавливается на фундамент установки TRT. На рис. 2 показаны основные части криостата.

Рис. 1.

Компоновка оборудования токамака TRT внутри криостата.

Рис. 2.

Основные части криостата.

Цилиндрическая оболочка криостата, купол, опорный цилиндр и ребра жесткости, подкрепляющие конструкцию, изготавливаются из нержавеющей стали аустенитного класса 304L, толщиной 30 мм. В каждом из 16-ти полоидальных сечений криостата на верхнем, экваториальном и диверторном уровнях установки TRT размещены проемы, оборудованные сильфонами, которые обеспечивают интерфейс криостата с патрубками вакуумной камеры. Общий вид интерфейса криостата и вакуумной камеры показан на рис. 3.

Рис. 3.

Общий вид интефейса криостата и вакуумной камеры.

Криостат оснащен множеством малых патрубков для фидеров сверхпроводящих электромагнитов, системы криогенной и охлаждения/прогрева вакуумной камеры.

Наибольший диаметр криостата 12 м, высота 11 м, масса 317 тонн, объем 1170 м³. В криостате может быть обеспечен вакуум 1 × 10^–4 Пa.

3. ВАКУУМНАЯ КАМЕРА

В состав вакуумной камеры входят: корпус камеры, патрубки, опоры для крепления внутрикамерных компонентов (первая стенка, дивертор, ОГУП), опоры камеры.

Корпус вакуумной камеры, общий вид которого изображен на рис. 4, представляет собой цельносварную двустенную тороидальной формы конструкцию. Камера устанавливается на 16-ти опорах на несущую конструкцию основания криостата.

Рис. 4.

Общий вид вакуумной камеры TRT.

Внутренняя и наружная стенка толщиной 25 мм соединены сваркой между собой системой тороидальных и полоидальных ребер жесткости (рис. 5). В пространстве между стенками камеры циркулирует борированная вода, которая обеспечивает прогрев камеры до 170°С и в комбинации с блоками нейтронной защиты, расположенными на наружной поверхности камеры, снижает до допустимого уровня ядерный нагрев первых слоев сверхпроводника магнитной системы. В соответствии с выводами, приведенными в статье [2] при нейтронном потоке уровня 5 × 10¹⁷ н/с реакции D-D ядерный нагрев обмотки ОТП находится в допустимых пределах (1 мВт/см³). Конфигурация вакуумной камеры с нейтронной защитой на наружной поверхности показана на рис. 6.

Рис. 5.

Общее устройство внутренней части вакуумной камеры (наружная стенка камеры не показана).

Рис. 6.

Конфигурация вакуумной камеры с нейтронной защитой на наружной поверхности.

По результатам анализа параметров нейтронной защиты и режимов работы установок DDT [3] и JT-60SA [4], а также на основе расчетов, приведенных в работе [2], разработана конструкция блока нейтронной защиты, изображенная на рис. 7. Блок нейтронной защиты представляет собой кейс из нержавеющей стали толщиной 1 мм, в котором уложены чередующиеся между собой плитки карбида бора ¹⁰В⁴С (5.5 мм) и вольфрама W (7.5 мм). Габаритные размеры блока 300 мм × × 300 мм при толщине 30 мм. Основные технические характеристики камеры приведены в табл. 1.

Рис. 7.

Блок нейтронной защиты ВК TRT-2020 в кейсе из нержавеющей стали.

Вакуумную камеру составляют 4 одинаковых по габаритам, но разных по количеству патрубков секторов протяженностью 90 угловых градусов. Сектора свариваются между собой в единое целое на монтажной площадке, после предварительной сборки с 3-мя катушками тороидального поля.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Концептуальные технические решения, предложенные в конструкции криостата и вакуумной камеры компактного токамака с реакторными технологиями (TRT), базируются на основе опыта эксплуатации реакторов деления, бридерных реакторов, установок ТЯР в нашей стране, проектирования и создания международного реактора ИТЭР.

Разработанная конструкция криостата и вакуумной камеры обеспечивают эксплуатацию токамака TRT как при работе с водородной/гелиевой, так и дейтериевой плазмой.