1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика плазмы
  4. T. 47, № 12, 2021

Физика плазмы, 2021, T. 47, № 12, стр. 1152-1169

Система вакуумной откачки токамака ТRТ

Д. А. Карпов a, b, *, А. Г. Иванов a, b, А. И. Лившиц c, А. Н. Драничников d

a Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА)
Санкт-Петербург, Россия

b Частное учреждение “Проектный центр ИТЭР”
Москва, Россия

c Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Санкт-Петербург, Россия

d Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
Новосибирск, Россия

* E-mail: karpov@niiefa.spb.su

Поступила в редакцию 02.07.2021
После доработки 30.07.2021
Принята к публикации 30.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены расчеты и разработка системы вакуумной откачки термоядерной установки ТRТ на основе серийно выпускаемых промышленностью турбомолекулярных насосов и на основе крионасосов, аналогичных крионасосам ИТЭР. Обсуждаются преимущества и проблемные моменты, связанные с использованием турбомолекулярных и крионасосов, предложены варианты конструктивных решений. Рассмотрена возможность разработки и испытаний в ТRТ системы селективного выделения изотопов водорода с помощью сверхпроницаемых мембран.

Ключевые слова: токамак с реакторными технологиями, система вакуумной откачки, турбомолекулярный насос, крионасос

1. ВВЕДЕНИЕ

В новой концепции ядерной энергетической системы РФ предлагается организация ее таким образом, чтобы производством электроэнергии полностью занимались реакторы деления, а проблемы наработки нового топлива из сырьевых изотопов решались в бланкете термоядерного реактора [1]. Для решения термоядерной части этой проблемы предназначена разработка и создание токамака с реакторными технологиями (ТRТ). Система вакуумной откачки и поддержания рабочего давления (СВО), являясь критически важной и одной из наиболее дорогостоящих систем любой термоядерной установки, должна обеспечить получение и поддержание необходимых вакуумных параметров на всех режимах ее эксплуатации.

Основной проблемой для вакуумной откачки и поддержания рабочего давления в термоядерном реакторе является наличие трития: радиоактивного, химически активного и дорогого изотопа водорода с высокой проницаемостью. Недопустима утечка трития через вакуумные насосы в атмосферу. После выведения не вступившего в реакцию синтеза трития из реактора он должен выделяться из газовой смеси и снова вводиться в реактор, обеспечивая рециркуляцию топливной смеси [2]. Органические уплотнения, обеспечивающие герметичность вакуумной системы и средств откачки, крайне нежелательны, так как при взаимодействии с тритием быстро теряют свои функциональные характеристики. На сегодняшний день нет промышленно выпускаемых вакуумных насосов для обеспечения откачки трития. Для каждой термоядерной установки, предназначенной для работы с тритием, проблема его вакуумной откачки и рециклинга решается индивидуально на основе различных специально разрабатываемых откачных средств (крионасосы, геттерные насосы, ртутные насосы и др.), что требует серьезных усилий, много времени и достаточно затратно. Токамак ТRТ предназначен для отработки физических принципов новой концепции (источник нейтронов для производства топлива для атомных реакторов), на котором предполагается последовательное двухэтапное проведение исследовательских работ: 1) отработка и оптимизация электрофизических режимов установки на протии и дейтерии (без трития), 2) отработка физических принципов с тритием в рабочей газовой смеси. В связи с этим представляется целесообразным рассмотрение двух вариантов системы вакуумной откачки и поддержания рабочего давления ТRТ: на основе стандартных промышленно выпускаемых вакуумных насосов (для работы без трития на первом этапе) и на основе нестандартных специально разрабатываемых вакуумных насосов (для работы с тритием на втором этапе). Такой подход позволяет сэкономить время и средства на этапе отработки и оптимизации электрофизических режимов ТRТ.

Данная работа посвящена разработке вакуумной системы ТRТ. Рассмотрены два варианта ее исполнения: с использованием стандартных промышленно выпускаемых вакуумных насосов (турбомолекулярных насосов) и нестандартных вакуумных насосов (крионасосов), специально разрабатываемых для откачки больших газовых потоков термоядерных установок. Анализируются преимущества и недостатки каждого из этих подходов. При проведении разработки учтен мировой опыт и отработанные технологии создания вакуумных систем крупных термоядерных установок (в первую очередь ИТЭР).

Рассчитаны максимально возможные потоки вводимой излучающей примеси (N, Ne, Ar) для защиты от срывов плазмы и максимальные потоки He для возможности работы с гелиевой плазмой.

Рассмотрена возможность разработки и испытаний в ТRТ системы селективного выделения изотопов водорода с помощью сверхпроницаемых мембран. Применение этого метода может позволить отделить от примесей и вернуть в рабочую плазму ~90% не вступившей в реакцию топливной смеси.

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРТ ДЛЯ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ВАКУУМНОЙ ОТКАЧКИ И ПОДДЕРЖАНИЯ РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ

Были взяты следующие основные параметры:

Объем вакуумной камеры с патрубками V = 112 м3
Температура вакуумной камеры в режиме импульса T = 30°С
Температура обезгаживающего прогрева T0 = 170°С
Требуемое остаточное давление P = 1 × 10–5 Па
Давление газа в рабочем режиме в области дивертора 2…10 Па
Полный поток частиц (H) из плазменного шнура 1.5 × 1022 част/с
Полный поток частиц для молекулярного дейтерия 7.5 × 1021 (28.3 м3 Па/с)
Поток гелия, част/с 5 × 1020 (1.89 м3 Па/с)
Поток гелия в случае гелиевой плазмы, част/с 1.5 × 1022 (56.6 м3Па/с)
Поток излучающей примеси (N, Ne, Ar), част/с макс. возможный
Длительность плато тока до 100 с

Можно выделить четыре основных режима работы системы вакуумной откачки.

1. Форвакуумная откачка (камеры и криостата).

2. Высоковакуумная откачка с прогревом.

3. Высоковакуумная откачка до предельного давления.

4. Рабочий режим.

В расчетах учтены газовые потоки теплового газовыделения из конструкционных материалов и потоки в рабочем режиме из плазмы разряда. Потоками через течи и неплотности пренебрегается.

Величины удельного газовыделения для использующихся в ТRТ материалов взяты из [3–6]. В общем случае изменение удельного газовыделения qtg представлялось в виде

${{q}_{{{\text{tg}}}}} = {{q}_{1}}{{t}^{{ - a}}},\;{{{\text{м}}}^{3}} \cdot {\text{Па/(с}} \cdot {{{\text{м}}}^{2}}{\text{)}},$
где q1 – газовыделение после откачки в течение 1 часа, t – время откачки, час, α – показатель степени.

Поток теплового газовыделения Qtg

${{Q}_{{{\text{tg}}}}} = {{q}_{{{\text{tg}}}}}F,\;{{{\text{м}}}^{3}} \cdot {\text{Па/с}}{\text{.}}$

В случае отсутствия данных по удельному газовыделению материалов при заданной температуре, величины удельного газовыделения линейно интерполировались. Так как установки подобного масштаба откачиваются с прогревом в течение нескольких (многих) рабочих смен, поток газовыделения из материалов определяется, в основном, десорбцией водорода.

Температура дивертора в рабочем режиме находится в диапазоне от 30 до 1500°С. Температура стенок вакуумной камеры в рабочем режиме поддерживается равной 30°С. Поскольку коэффициент аккомодации газа на стенках близок к единице, температура газа T в рабочем режиме принята равной 30°С.

Рассчитанные потоки тепловой десорбции в различных режимах откачки представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Потоки тепловой десорбции в различных режимах работы ТРТ

Рабочий режим Режим высоковакуумной откачки при выходе на предельное давление Режим высоковакуумной откачки при прогреве
материал площадь, м2 темпе-ратура, °С материал площадь, м2 темпе-ратура, °С материал площадь, м2 темпе-ратура, °С
Вольфрам 3.1 1500 Вольфрам 31 30 Вольфрам 31 170
Вольфрам 27.9 300
316(LN) 60 300 Сталь (316(LN)) 1060 30 Сталь (316(LN)) 1060 170
316(LN) 999.9 50
Бериллий 10.7 380 Бериллий (TGP-56FW) 107 30 Бериллий (TGP-56FW) 107 170
Бериллий 96.3 200
Суммарный поток газовыделения по режимам
Qtg.work м3 ⋅ Па/с 1.41 × 10−4 Qult м3 ⋅ Па/с 5.61 × 10−5 Qtg м3 ⋅ Па/с 1.42 × 10−3

В рабочем режиме поток тепловой десорбции много меньше потока частиц из плазмы.

3. КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА СВО ТRТ

Вакуумная камера установки ТRТ комплектуется 16 диверторными патрубками для загрузки и обслуживания диверторов (рис. 1). Эти патрубки имеют трапецеидальное сечение с размерами меньшего и большего оснований 310/520 мм и высотой 750 мм. Их предполагается использовать для вакуумной откачки. При этом каждая из диверторных кассет снабжена отверстиями для откачки газа из вакуумной камеры установки.

Рис. 1.

Компоновка вакуумной камеры ТРТ (1/4 сегмента).

На рис. 2 показано расположение дивертора в вакуумной камере и диверторный патрубок, на рис. 3 – схема расчета проводимости каналов откачки.

Рис. 2.

Расположение дивертора в вакуумной камере и диверторного патрубка для вакуумной откачки (при выходе патрубка из криостата предусмотрена сильфонная развязка).

Рис. 3.

Схема расчета проводимости каналов откачки.

Нейтральный газ, попадая в отверстия с проводимостью U1 и U2, проходит через них и попадает в полость между дивертором и вакуумной камерой. Далее газ меняет направление движения на радиальное и проходит канал сложной формы с проводимостью U3 до радиуса (2515 мм), на котором начинается входное отверстие в диверторный патрубок (рис. 3). Попадая в диверторный патрубок протяженностью 2600 мм с проводимостью U4, газ проходит по нему до торцевой крышки в область стыковки патрубка с криостатом (на рис. 2 в этом месте изображен сильфон). Из-за необходимости обслуживания дивертора расположить насосы на торцевой крышке невозможно, необходим дополнительный отводящий патрубок. На выходе из диверторного патрубка газ поворачивает, попадая в отводящий патрубок с проводимостью Utube.n, размеры которого зависят от использующегося насоса и места его установки. На выходе отводящего патрубка располагается высоковакуумный затвор с проводимостью Ugate соответствующего сечения, к которому присоединяется высоковакуумный насос. После выхода из высоковакуумного насоса газ попадает в форвакуумную кольцевую магистраль, смонтированную вокруг криостата, проходит через насосы форвакуумной откачки и направляется в систему фильтрации топливного цикла установки ТRТ.

Для выбора вакуумных насосов, обеспечивающих требуемое давление на всех режимах работы ТRТ, требуется определить проводимость газового тракта. В зависимости от концентрации газа и характерных размеров трубопровода газ может течь в вязкостном, переходном и молекулярном режимах. Так как в молекулярном режиме проводимость трубопровода меньше, чем в вязкостном, для оценки сверху вакуумные расчеты проводились в молекулярном режиме. При известной проводимости трубопровода эффективная быстрота откачки Seff определяется через основное уравнение вакуумной техники

${{S}_{{{\text{eff}}}}} = \frac{{{{S}_{{\text{n}}}}U}}{{{{S}_{{\text{n}}}} + U}}~,$
где Sn – номинальная быстрота действия насоса (насосов), U – проводимость трубопровода.

4. СИСТЕМА ВАКУУМНОЙ ОТКАЧКИ ТРТ НА ОСНОВЕ ТМН

Достоинствами ТМН являются простота, надежность, отсутствие необходимости сервисного обслуживания. Современные ТМН могут быть расположены в произвольной ориентации и иметь широкий диапазон рабочих давлений с максимумом вплоть до 50 Па. Однако эти насосы могут эксплуатироваться в магнитных полях с индукцией не более 3–7 мТл. То есть для работы в ТRТ в случае установки их на выходе диверторных патрубков требуется надежная экранировка, защищающая насосы от магнитных полей рассеяния, а также от магнитных полей, создаваемых при срывах плазмы. В Приложении 1 приведены вакуумные расчеты проводимостей газового тракта, эффективной быстроты откачки для поддержания рабочего давления в диверторе и количество необходимых насосов для варианта откачки стандартными промышленно выпускаемыми турбомолекулярными насосами (ТМН) при их надежной экранировке от магнитного поля. Также рассчитано время откачки до предельного остаточного давления с требуемым прогревом.

Возможен также вариант удаленного от ТRТ размещения турбомолекулярных насосов с приемлемой для их эксплуатации величиной магнитных полей рассеяния. Вакуумные расчеты этого варианта исполнения СВО приведены в Приложении 1.

Результаты расчетов

Для СВО на основе ТМН наиболее эффективен насос Pfeiffer ATP 2300 M. Этот насос спроектирован для работы с большими потоками легких газов с высокой степенью сжатия по водороду и номинальной скоростью откачки по водороду 1.7 м3/с. В варианте установки насосов на выходе диверторных патрубков (в непосредственной близости от криостата) откачку требуемых газовых потоков и поддержание рабочего давления в области дивертора в диапазоне 2–10 Па обеспечат 24 ТМН, установленных попарно на 12 патрубках. Эффективная скорость откачки на входе в дивертор варьируется контроллерами блоков питания ТМН от 3.4 до 17.2 м3/с на высоком вакууме и от 1.94 до 9.69 м3/с при работе с плазменным шнуром. После 100 ч (4.2 сут) прогрева насосы обеспечивают предельное давление в вакуумной камере 3.73 × 10–6 Па. Максимально возможный поток излучающей примеси (азот) оценен равным ${{Q}_{{{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}}}}$ = 3.75 × 1021 част/с (1/4QD) или 14.2 м3Па/с при давлении в диверторе ~8 Па. Откачку требующегося потока гелия 1.5 × 1022 част/с (56.6 м3 Па/с) при работе с чисто гелиевой рабочей смесью эти насосы обеспечивают при давлении в диверторе ~9.8 Па. Это значение давления близко к пороговому рабочему давлению, поэтому работа с таким потоком гелия не может быть рекомендована. Оптимальной представляется работа с гелием при поддержании давления в диверторе ТRТ не более 7 Па. Это давление обеспечивается 24 ТМН (при давлении в насосах 4.2 Па) при потоке гелия 1.1 × × 1022 част/с (3/4 от максимального потока изотопов водорода из плазмы), которое и следует принять максимально возможным при работе с гелиевой плазмой.

Возможен вариант использования ТМН без магнитных экранов. В этом случае они должны быть удалены от оси установки на ~16 м с помощью дополнительных патрубков. При использовании дополнительных патрубков длиной ~10 м и диаметром ~250 мм необходимое число насосов для обеспечения вакуумных параметров увеличивается до 32 (по два на каждом из 16 патрубков) за счет уменьшения проводимости откачных каналов. Эффективная скорость откачки на входе в дивертор в этом случае 2.58–12.9 м3/с на высоком вакууме и 1.97–9.84 м3/с при работе с плазменным шнуром. После 100 ч откачки с прогревом и последующего охлаждения до комнатной температуры насосы обеспечивают предельное давление в вакуумной камере ТРТ 5.2 × 10–6 Па. Максимально возможный поток излучающей примеси (азот) оценен в этом случае равным ${{Q}_{{{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}}}}$ = 5.2 × × 1021 част/с (0.35QD) или 19.8 м3 Па/с при давлении в диверторе ~7.6 Па. При работе с чисто гелиевой плазмой максимальный поток гелия оценен равным 1.1 × 1022 част/с (3/4 от максимального потока изотопов водорода из плазмы) при давлении на входе в дивертор 6.1 Па.

Компоновка СВО на основе 32 ТМН представлена на рис. 4.

Рис. 4.

Компоновка СВО ТРТ на основе 32 ТМН (красным пунктиром выделены возможные места расположения СПМ).

5. СИСТЕМА ВАКУУМНОЙ ОТКАЧКИ ТРТ НА ОСНОВЕ КРИОНАСОСОВ

В качестве альтернативы турбомолекулярным рассмотрим систему вакуумной откачки на основе криооткачки. Крионасосы, работающие по циклу Гиффорда–Макмагона, которые широко выпускаются промышленностью, невозможно использовать из-за слишком низкой хладопроизводительности, а также слишком высокой минимальной температуры криопанелей таких машин 10–15 К, чего не хватает для уверенной откачки гелия. Коэффициент прилипания гелия к активированному углю на криопанелях зависит от их температуры и при снижении ее с 12 до 5 К меняется на порядок от 0.03 до 0.35. С этой точки зрения логичнее рассматривать систему с криопанелями, охлаждаемыми потоком жидкого или газообразного (при температуре ~5 К) гелия, как это сделано в крионасосах вакуумной откачки ИТЭР, где криосорбция газов на поверхности криопанелей с приклеенным к ним сорбентом из кокосового угля осуществляется при температуре 4.5 К. В ИТЭР предполагается работа шести крионасосов, попеременно работающих/регенерирующихся так, что в рабочем режиме четыре насоса всегда откачивают камеру. В каждом насосе находится 11.2 м2 поверхности криопанелей с наклеенным углем, охлаждающиеся потоком сверхкритического гелия до температуры 4.5 К [7]. Криопанели окружены тепловым экраном температурой 80 К, охлаждающимся потоком газообразного гелия. Основные требования к системам вакуумной откачки камер ИТЭР и ТРТ приведены в табл. 2 [8]. Очевидным различием является значительно меньшая длительность плато тока, в три раза меньший максимальный поток частиц из плазмы в дивертор, а также работа ИТЭР со значительными потоками трития. Удельные скорости откачки s0i криопанелей ИТЭР [9] по основным откачиваемым газам представлены в табл. 3.

Таблица 2.

Основные требования к системам вакуумной откачки

  ИТЭР ТРТ D2 (He)
дейтериевая плазма гелиевая плазма
Длительность плато тока, с 3000 100
Пауза, с 1000 –
Максимальный поток частиц (молекул и атомов одноатомных газов) в СВО, м3 ⋅ Па/с 153 33.02 (50) 45.3
Максимальный поток гелия, м3 ⋅ Па/с 60 1.89 42.5
Поток (максимальный поток) излучающей примеси, м3 ⋅ Па/с 10 2.83 (19.8) 2.83
Максимальный поток примесей, м3 ⋅ Па/с 13 –
Рабочее давление, Па 1–10 2–10
Предельное давление по изотопам водорода, Па 1 × 10–5 1 × 10–5
Предельное давление между импульсами, Па 5 × 10–4 –
Таблица 3.

Удельные скорости откачки криопанелей ИТЭР [9]

${{s}_{{0{{{\text{H}}}_{2}}}}}$, м3/(с · м2) 6.92 ${{s}_{{0{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$, м3/(с · м2)* 2.89
s0He, м3/(с · м2) 4.61 ${{s}_{{0{{{\text{N}}}_{2}}}}}$, м3/(с · м2) 1.88
${{s}_{{0{{{\text{D}}}_{2}}}}}$, м3/(с · м2) 4.91 s0Ne, м3/(с · м2) 1.95
${{s}_{{0{{{\text{T}}}_{2}}}}}$, м3/(с · м2) 4.04 s0Ar, м3/(с · м2) 2.21

* C учетом того, что пары воды откачиваются экраном 80 К.

Следует также отметить, что разработка крионасоса – отдельная достаточно сложная задача, которая при выборе системы вакуумной откачки на основе криопанелей потребует проведения соответствующего НИОКР. Оценочные расчеты такой системы с использованием удельных характеристик вакуумной системы ИТЭР приведены в Приложении 2.

Результаты расчетов

При диаметре условного прохода крионасосов 400 мм, площади криопанелей в каждом насосе 2 м2 и температуре 4.5 К необходимо шесть крионасосов (четыре работающих и два на регенерации). При работе с дейтериевой плазмой и максимальным потоком излучающей примеси четыре насоса способны поддерживать откачку и обеспечение рабочих вакуумных параметров в течение всего импульса 100 с. При частичной регенерации в паузах между импульсами длительностью ~1200 с возможна одновременная работа всех шести крионасосов. Полная регенерация насосов может производиться в более продолжительных (>20 мин) перерывах между импульсами. Система обеспечивает эффективную скорость откачки по дейтерию на входе в дивертор 9.9 м3/с. При высоковакуумной откачке с прогревом в течение 100 ч и последующего охлаждения до комнатной температуры обеспечивается предельное давление 4.0 × 10–6 Па. Криопанели с приклеенным активированным (кокосовым) углем должны охлаждаться потоком сверхкритического гелия при температуре 4.5 К. Расчетная требуемая хладопроизводительность: на температурном уровне 4.5 К–581 Вт, на температурном уровне 80 К–13.0 кВт. За время откачки в течение рабочего импульса (100 с) максимальных потоков рабочей смеси масса сорбированного четырьмя крионасосами дейтерия составит ~5 г.

Максимальный поток излучающей примеси (азот) составляет ${{Q}_{{{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}}}}$ = 3.75 × 1021 част/с (1/4QD) или 14.2 м3Па/с при давлении в диверторе 6.8 Па. В случае работы с чисто гелиевой плазмой с потоком равным 3/4 от максимального потока дейтерия из плазмы (1.1 × 1022 част/с) четыре крионасоса обеспечивают на входе в дивертор давление 5.1 Па.

Емкость крионасоса по дейтерию ограничена только требованиями безопасности [8, 9], технически она не ограничена, так как откачка дейтерия происходит за счет десублимации.

Компоновка СВО на основе шести крионасосов представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Компоновка СВО ТРТ на основе шести крионасосов.

Другая возможность состоит в использовании криогенных насосов, разрабатываемых в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) для инжекторов нейтральных пучков водорода и дейтерия [10]. В разработанных вакуумных системах инжекторов используются заливные крионасосы, либо крионасосы, работающие по циклу Гиффорда–Макмагона, снабженные криоголовками фирмы Sumitomo, обладающих в обоих случаях низкой величиной рабочего давления ~1.33 × 10–2 Па. В заливных насосах рабочая температура конденсирующей поверхности поддерживается на уровне от 4.2 до 2.5 К, и при площади криопанелей ~8 м2 достигается скорость откачки ~0.62 × 103 м3/с. Для откачки максимальных газовых потоков в ТRТ крионасосы, работающие по циклу Гиффорда–Макмагона, обладают недостаточной хладопроизводительностью и высокой температурой конденсирующей поверхности ~10 К для уверенной откачки гелия, требующей также использования криопанелей с наклеенным углем. Для заливных насосов откачка указанных в табл. 2 потоков гелия с учетом его коэффициента прилипания при температуре поверхности 4.5 К (0.35) возможна при увеличении площади криопанелей примерно до 30 м2. Существенно снизить площадь поверхности криопанелей возможно при уменьшении их температуры до ~2.5 K. В условиях ТRТ для обеспечения бесперебойной работы при максимальных газовых нагрузках потребуется модернизация заливных крионасосов в прокачные и обеспечение более высокой величины их рабочего давления.

6. СЕЛЕКТИВНАЯ ОТКАЧКА ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ТRТ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХПРОНИЦАЕМЫХ МЕМБРАН (СПМ)

Металлические мембраны макроскопической толщины могут быть сверхпроницаемыми для водородных частиц, если их энергия (кинетическая, химическая или внутренняя) превышает ∼1 эВ [11]. Это означает, что практически вся та часть падающего потока надтепловых водородных частиц, которая не отражается от поверхности, проходит сквозь мембрану независимо от ее толщины и температуры. В случае атомов водорода с тепловыми скоростями (они по сравнению с молекулами имеют избыточную химическую энергию 2.25 эВ) эта часть составляет ~20% [12, 13], а в случае более энергетичных водородных частиц (например, ускоренных ионов) эта доля близка к единице, и, таким образом, проницаемость металлической мембраны приближается к мыслимому пределу – проницаемости отверстия в тонкой стенке той же площади.

СПМ практически непроницаемы для любых других газов, включая He, а также для обычных тепловых молекул водорода (H2, D2, T2).

СПМ способны автоматически сжимать проникающий водород на порядки величины.

Важным преимуществом СПМ является ее полная совместимость с тритием (отсутствие движущихся частей, требующих смазки, отсутствие органических жидкостей и т.п.). Работа СПМ с тритием проверялась экспериментально специально для демонстрации возможности применения таких мембранных технологий в ТЯР [14].

Откачка энергетичных водородных частиц (нейтралов) с помощью СПМ непосредственно в области рабочей и диверторной плазмы может быть применена для управления потоками частиц (particle control) и, соответственно, режимами работы термоядерной установки [15, 16]. Другое направление применений СПМ – откачка, компрессия и отделение D/T-смеси от He в топливном цикле ТЯР. Здесь СПМ открывают возможность короткоциклового (т. е. непосредственно за дивертором) отделения D/T-смеси от He и ее автоматического возвращения обратно в рабочую плазму, минуя тритиевый завод [17–19]. Такая схема, известная также как “прямой внутренний рециклинг” (direct internal recycling) [19], предлагалась для ИТЭРа [17, 18] в качестве альтернативы варианту рециклинга D/T с помощью криогенной откачки, который был предпочтен и осуществляется в настоящее время. Однако для пост ИТЭРовских ТЯР, в которых планируемый расход трития существенно выше (например, в Д-ЕМО – на порядок), чисто криогенное решение невозможно из-за неприемлемого накопления трития. Соответственно, предлагается большую часть D/T-смеси (например, 80% в ДЕМО [19]) отделять от He и рециркулировать с помощью СПМ, расположенной непосредственно за дивертором [18, 19].

В идеальном случае СПМ, расположенная в непосредственной близости от дивертора, могла бы откачивать надтепловые водородные частицы (энергетические нейтралы), поступающие прямо из дивертора [15, 16]. В этом случае рециклинг D/T с помощью СПМ не требует каких-либо существенных дополнительных устройств и затрат энергии. Однако ближайшее поколение ТЯР (включая ТRТ) будет еще представлено экспериментальными установками, и режимы работы дивертора в них будут варьироваться. Соответственно, дивертор не может служить пока единственным источником надтеплового водорода, обеспечивающего работу СПМ и предполагается установка второй, более удаленной СПМ, обеспеченной собственным генератором надтеплового водорода [18, 19]. Таким генератором может служить, например, горячая металлическая поверхность (“атомизатор”), на которой происходит диссоциация молекул D2 и T2 на атомы [14, 17, 20, 21] либо холодная водородная плазма [18, 22, 23].

Проект ТRТ, одной из основных целей которого является испытание инновационных технических решений [24], представляется особенно удобным для апробации новых технологий в топливном цикле, поскольку переход к полномасштабной работе с тритием планируется в несколько этапов: сначала – только D2, затем – D2 + + 1% T2 и лишь на третьем этапе 50% D2 + 50% T2. Соответственно, предоставляется возможность испытания и поэтапного развития технологии СПМ в условиях термоядерной установки при отсутствии неоправданных рисков.

В качестве первого этапа этой работы рассматривается вариант установки СПМ-насоса в откачной тракт одного из 32 удаленных ТМН (на рис. 4 показано возможное место расположения СПМ-насоса). СПМ-насос будет в этом случае удалять водород из газового потока, проходящего в ТМН, который будет откачивать остатки водорода и все примеси, включая He (предполагается, что присутствие СПМ-насоса не приведет к заметному снижению проводимости откачного тракта между ТМН и дивертором (рис. 4)).

Если для откачки планируемого в ТRТ потока D2, приходящегося на один из 32 откачных патрубков (2.4 × 1020 D2/с), взять СПМ-насос с мембраной площадью ∼3 м2, сопряженной с атомизатором площадью ∼0.6 м2, то оценка масштаба величины скорости откачки D2 дает несколько десятков м3/c. Такой СПМ-насос позволит откачать, компримировать и отправить обратно в рабочую плазму порядка 90% потока D2, продемонстрировав таким образом прямой внутренний рециклинг. Приведенная оценка сделана в предположении кнудсеновского режима течения и отсутствия перепада давления внутри СПМ-насоса. Для более точного расчета, возможно, потребуется учет вязкостного и переходного режимов течения газовой смеси, а также роли газовой проводимости в конкретной геометрии СПМ-насоса.

Отметим также, что в процессе этих исследований может быть рассмотрен вариант и более глубокого извлечения изотопов водорода из выхлопной смеси с целью более радикального снижения водородной (тритиевой) нагрузки на ТМН (или любой другой насос, предназначенный для откачки He и других примесей, например, упомянутый выше криогенный или ртутный [19] насосы).

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана система вакуумной откачки и поддержания рабочего давления термоядерной установки ТRТ. Рассмотрены и рассчитаны два варианта исполнения системы вакуумной откачки: с использованием стандартных промышленно выпускаемых турбомолекулярных насосов и нестандартных крионасосов, подлежащих последующей разработке и изготовлению (аналогичных крионасосам ИТЭР).

Система вакуумной откачки на базе промышленных турбомолекулярных насосов привлекательна тем, что не требует затрат на НИОКР. Все вакуумное оборудование в этом варианте исполнения является промышленно выпускаемым и доступным, что приводит к существенному снижению затрат как средств, так и времени. На этапе отработки и оптимизации электрофизических режимов установки на протии и дейтерии этот вариант представляется оптимальным.

В случае откачки на основе крионасосов вакуумная система состоит из шести крионасосов с 2 м2 криопанелей в каждом. При работе с дейтериевой плазмой и максимальным потоком излучающей примеси четыре насоса способны откачивать камеру весь импульс и выходить на частичную регенерацию после импульса в 100 с, в этом случае возможна одновременная работа во время импульса и всех шести крионасосов. Полная регенерация насосов производится в более продолжительных (>20 мин) перерывах между импульсами работы плазмы ТRТ.

В пользу системы вакуумной откачки на основе крионасосов говорит то, что в случае использования низкотемпературных сверхпроводящих катушек полоидального и тороидального магнитных полей, ТRТ будет снабжен криокомплексом, и добавочная хладопроизводительность для системы вакуумной откачки не потребует неоправданных капитальных затрат.

Рассмотрена возможность разработки и испытаний в ТRТ системы селективного выделения изотопов водорода с помощью сверхпроницаемых мембран. Положительный результат таких испытаний в ТRТ даст возможность осуществить в термоядерных устройствах прямой внутренний рециклинг рабочей топливной смеси, позволяющий существенно снизить накопление трития и уменьшить тритиевую нагрузку на все системы топливного цикла, включая вакуумные насосы.

Список литературы

  1. Велихов Е.П., Давиденко В.Д., Цибульский В.Ф. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2019. Т. 42. С. 5.

  2. Ананьев С.С., Спицын А.В., Кутеев Б.В. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2014. Т. 37. С. 11.

  3. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1990.

  4. Worth L. ITER vacuum handbook. Vacuum group – CEP, 2009.

  5. Chiggiato P. Materials and Properties IV Outgassing. CERN Accelerator School (CAS) on Vacuum for Particle Accelerators, 2017.

  6. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1979.

  7. Dremel M., Pearce R., Strobel H., Hauer V., Day C., Wikus P., Papastergiou S. // Fusion Eng. Design. 2013. V. 88. P. 760. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2013.02.026

  8. Hauer V., Day Chr., Dremel M., Haas H., Jensen H. Report for TASK of the EFDA Technology Programme. Forschungszentrum Karlsruhe. Institut für Technische Physik, 2006.

  9. Pearce R.J., Antipenkov A., Boussier B., Bryan S., Dremel M., Levesy B., Mayaux Chr., Wykes M. // Fusion Eng. Design. 2013. V. 88. P. 809. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2013.01.050

  10. Бельченко Ю.И., Давыденко В.И., Дейчули П.П., Емелев И.С., Иванов А.А., Колмогоров В.В., Константинов С.Г., Краснов А.А., Попов С.С., Санин А.Л., Сорокин А.В., Ступишин Н.В., Шиховцев И.В., Колмогоров А.В., Атлуханов М.Г., Абдрашитов Г.Ф., Драничников А.Н., Капитонов В.А., Кондаков А.А. // УФН. 2018. Т. 188. С. 595. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.02.038305

  11. Livshits A.I. // Vacuum. 1979. V. 29. P. 103. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(79)80450-9

  12. Livshits A.I., Metter I.M., Samartsev A.A. // Sov. Phys. Tech. Phys. 1976. V. 21. P. 848.

  13. Livshits A.I., Notkin M.E., Samartsev A.A. // J. Nucl. Mater. 1990. V. 170. P. 74. https://doi.org/10.1016/0022-3115(90)90329-L

  14. Musyaev R.K., Lebedev B.S., Grishechkin S.K., Yukhimchuk A.A., Busnyuk A.A., Notkin M.E., Samartsev A.A., Livshits A.I. // Fusion Sci. Technol. 2005. V. 48. P. 35. https://doi.org/10.13182/FST05-A874

  15. Nakamura Y., Sengoku S., Nakahara Y., Suzuki N., Suzuki H., Ohyabu N., Busnyuk A., Notkin M.E., Liv-shits A.I. // J. Nucl. Mater. 2000. V. 278. P. 312. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(99)00243-3

  16. Ohyabu N., Komori A., Akaishi K., Inoue N., Kubota Y., Livshits A.I., Noda N., Sagara A., Suzuki H., Watanabe T., Motojima O., Fujiwara M., Iiyoshi A. // J. Nucl. Mater. 1995. V. 220–222. P. 298. https://doi.org/10.1016/0022-3115(94)00432-3

  17. Livshits A.I., Samartsev A.A., Busnyuk A.O., Notkin M.E., Alimov V.N., Yuchimchuk A.A., Musyaev R.K., Hatano Y., Matsuyama M. // Proc. 8th Int. Conf. on Tritium Science and Technology, Rochester, USA, 2007.

  18. Livshits A.I., Yuchimchuk A.A. // Proc. 11th Int. Conf. on Tritium Science and Technology, Charleston, USA, 2016.

  19. Day Chr., Butler B., Giegerich T., Lang P.T., Lawless R., Meszaros B. // Fusion Eng. Design. 2016. V. 109–111. Part A. P. 299. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2016.03.008

  20. Livshits A.I., Ohyabu N., Notkin M.E., Alimov V., Suzu-ki H., Samartsev A., Solovyev M., Grigoriadi I., Glebovski A., Busnyuk A., Doroshin A., Kamatsu K. // J. Nucl. Mater. 1997. V. 241–243. P. 1203. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(97)80221-8

  21. Livshits A. I., El Balghity F., Bacal M. // Plasma Sources Sci. Technol. 1994. V. 3. P. 465. https://doi.org/10.1088/0963-0252/3/4/003

  22. Livshits A.I., Sube F., Solovyev M.N., Notkin M.E., Bacal M. // J. Appl. Phys. 1998. V. 84. P. 2558. https://doi.org/10.1063/1.368418

  23. Hanke S., Day C., Giegerich T., Igitkhanov J., Kathage Y., Luo X., Varoutis S., Vazquez Cortes A., Härtl T., Busniuk A., Livshits A., Merli S., Schulz A., Walker M., Baumgär-tner K., Hofmann J. // Fusion Eng. Design. 2020. V. 161. P. 111890. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.111890

  24. Красильников A.В., Коновалов С.В., Бондарчук Э.Н., Мазуль И.В., Родин И.Ю., Минеев A.Б., Кузьмин E.Г., Кавин A.A., Карпов Д.A., Леонов В.M., Хайрутди-нов Р.Р., Кукушкин A.С., Портнов Д.В., Иванов А.А., Бельченко Ю.И., Денисов Г.Г. // Физика плазмы, настоящий выпуск.

  25. Perinic D., Haas H., Mack A. // Fusion Eng. Des. 1991. V. 18. P. 79. https://doi.org/10.1016/0920-3796(91)90111-3

  26. 26. Giors S., Boussier B., Dremel M., Kosek J., Veleiro Blanco A.M. // Fusion Eng. Des. 2017. V. 124. P. 850. doi: . fusengdes.2017.03.051.https://doi.org/10.1016/j

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика плазмы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал