Тепло- и массообмен при конденсационном формировании таблеток водорода и испарении их в плазме токамака тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВВДЖЕ.

ГЛАВА I. Методы поддержания материального баланса термоядерного токамака-реактора.

1.1. Ввод топлива в термоядерные реакторы типа токамака.

1.2. Способы ускорения топливных таблеток

1.3. Механизм испарения-таблетки в плазме.

1.4. Взаимодействие табле*гогк с плазмой токамака.

ГЛАВА 2. Инжектор топливных таблеток.

2.1. Конструкция инжектора.

2.2. Формирование и ускорение топливных таблеток.

2.3. Модель формирования таблеток из твердого водорода и дейтерия.

ГЛАВА 3. Влияние инжекции водородных таблеток на плазму токамака Т-10.

3.1. Границы устойчивости плазмы при инжекции.

3.2. Влияние инжекции на основные характеристики разряда.

3.3. Процессы переноса в плазме после инжекции.

ГЛАВА 4. Тепломассообмен водородной таблетки с плазмой токамака.

4.1. Модель испарения таблетки в высокотемпературной плазме.

4.2. Экспериментальное и расчетное определение глубины проникновения таблеток в плазму токамака.

4.3. Испарение топливных таблеток в плазме

Анализ и сопоставление различных способов ввода топлива позволили заключить, что наиболее предпочтительным оказывается метод ввода замороженных таблеток изотопов водорода. Топливные таблетки с характерным размером в несколько миллиметров должны инжектироваться в плазму со скоростью от нескольких сот метров до километров в секунду - тем большей, чем больше размер камеры реактора и выше параметры плазмы. Такой способ, несмотря на более сложную технику, имеет ряд преимуществ по сравнению, например, с существовавшим до настоящего времени методом напуска газообразного топлива: топливо вводится в плазму без потерь, снижается нагрузка на систему откачки и очистки топлива, удается активно воздействовать на профили концентрации и температуры плазмы, а также плотности тока.

Техническая реализация ввода топлива в токамаки с помощью топливных таблеток потребовала решения ряда сложных задач. Более двадцати лет прошло с момента первого предложения Спитцера /I/ об использовании топливных таблеток (1954г.) до начала экспериментов на токамаке Oft/УАК (США, 1977г.) /15/. Относительно медленное развитие этих работ обусловлено тем, что твердый водород может существовать лишь при температурах менее 141С , а требуемые скорости инжекции таблеток ( 1-г-Юкм/С ) превышают скорости, характерные для пуль и снарядов. Тем не менее, усилия сотрудников Окриджской национальной лаборатории (США) и Института физики плазмы (ФРГ) привели к созданию и успешному испытанию первых экземпляров устройств для инжекции таблеток водорода на основе легкогазовых пушек и центрифуг с параметрами, близкими к требуемым для существующих токамаков.

Работы в этом направлении в нашей стране были начаты в Ленинградском политехническом институте им.М.И.Калинина в 1979г. При этом в качестве основного был выбран метод пневматического ускорения таблетки с помощью легкогазовой цушки. Было учтено, что работы зарубежных исследователей не давали ответа на многочисленные вопросы о путях реализации метода: отсутствие сведений об особенностях процессов, определяющих формирование таблетки, не позволяли выработать обоснованные рекомендации по рационально^ оформлению блока формирования таблеток различных размеров ; неизвестность механизма взаимодействия таблетки с толкающим газом и со стенками ствола пушки не давали возможности гарантировать сохранение массы таблетки, особенно в условиях повышенных температур толкающего газа и больших ускорений; оставались невыясненными вопросы механизма взаимодействия таблетки с плазмой, что не давало возможности установить четкую взаимосвязь требований к локализации и интенсивности ввода топлива в плазму с требованиями к параметрам инжекции. Между тем, национальной программой развития исследований в области термоядерной энергетики в СССР предусматривается создание 1фупных токамаков, в которых

- б предполагается достижение параметров плазмы, близких к критическим параметрам инициирования самоподдерживающейся термоядерной реакции. Следовательно, уже для этих реакторов необходимо создавать эффективную систему подпитки плазмы топливом, а это в свою очередь, требует проведения большого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, обеспечивающих получение ответов на поставленные выше и другие вопросы практической реализации метода.

Перед автором настоящей работы стояла задача разработки, сборки, отладки и испытаний на 1фупнейшем в СССР токамоке первого в стране высокоскоростного инжектора таблеток твердого водорода. В процессе работы решалась задача подготовки обоснованных рекомендаций по организации процессов формирования и ускорения таблеток с учетом особенностей взаимодействия их с плазмой. Поскольку основополагающими процессами, определяющими работу всей системы являются процессы теплофизической природы, диссертационная работа представлена по специальности 01.04.14 "Теплофизика".

В процессе работы было выполнено:

- расчетная и конструкторская разработка инжектора,

- сборка и отладка его в стендовых условиях в ЛПИ им.М.И.Калинина,

- установка инжектора на токамаке Т~ 10 в ИАЭ им.И.В.Курчатова,

- экспериментальное исследование взаимодействия таблетки с плазмой токамака,

- разработка модели и расчетное исследование процесса формирования таблетки,

- уточнение модели и расчетное исследование взаимодействия.таблетки с плазмой.

В тексте диссертационной работы принят следующий порядок изложения.

В первой главе проведен анализ возможных методов подпитки топливом термоядерных реакторов-токамаков. Показано, что наиболее предпочтительным является метод, основанный на инжекции таблеток изотопов твердого водорода. Рассмотрены различные способы ускорения топливных таблеток. Приводятся параметры вариантов построения системы инжекции топливных таблеток. Описаны существующие инжекторы, основанные на принципе легкогазовой пушки. Рассмотрен механизм взаимодействия таблеток с высокотемпературной плазмой и обсуждены модели математического описания процесса. Приводятся результаты экспериментов по инжекции топливных таблеток в токамаки, проводимых в СССР, США и некоторых странах Европы.

Вторая глава посвящена описанию инжектора для токамака Т-10, обеспечивающего формирование цилиндрических таблеток диаметром 1,35 мм и ускорение их до 500-700 м/с. Описан режим формирования таблеток в легкогазовой пушке, охлаждаемой жидким гелием. Приводятся результаты испытаний инжектора. Построена модель конденсации водорода в легкогазовой пушке инжектора, позволившая оптимизировать его работу. На основании численного эксперимента выработаны рекомендации по формированию таблеток из дейтерия.

В третьей главе анализируется место экспериментов на Т-10 в общей программе исследований по инжекции топливных таблеток в токамаки. Приводится схема размещения инжекционной аппаратуры на токамаке. Рассматривается влияние инжекции на основные характеристики разряда в различных режимах работы токамака. Описаны границы устойчивости плазмы при инжекции. Исследованы процессы переноса в послеинжекционный период, анализ которых позволил определить средний коэффициент диффузии и эффективный коэффициент теплопроводности плазмы.

В четвертой главе предложена модифицированная модель испарения таблетки. Определены границы применимости моделей экранирования таблетки облаком нейтрального газа. Проведен численный эксперимент по предложенной модели испарения топливных таблеток в плазме токамаков. Рассмотрено влияние выхолаживания плазмы испарившимся веществом на скорость испарения таблетки. Приведены экспериментальные данные по глубине проникновения таблетки в плазму Т-10 . Проведено сравнение экспериментальных кривых испарения с расчетными. На основе данных численного эксперимента определены рекомендации по режиму ввода топлива в реактор-токамак типа ИНТОР.

При проведении работы автор пользовался консультациями и помощью доцента кафедры теплофизики А.П.Андреева (разработка, конструирование и сборка инжектора, построение модели формирования таблеток), консультациями доцента кафедры физики плазмы Б.В.Кутеева (обработка экспериментальных данных по диагностике плазмы), помощью инженера кафедры физики плазмы А.П.Умова (разработка системы автоматического управления работой инжектора). Данные стандартных диагностик плазмы в режимах инжектирования таблеток предоставлены автору сотрудниками группы токамака ИАЭ им.И.В.Курчатова. Всем указанным товарищам выражаю благодарность за содействие в выполнении работы.

На защиту выносятся следующие положения, составляющие научную новизну работы.

I. Реализованный в действующей установке метод инжекции крупных водородных таблеток, позволивший существенно увеличить предельную плотность плазмы токамака, в том числе в режиме с малым запасом устойчивости ( С^—2 ).

2. Модель формирования таблеток твердого водорода и дейтерия ; результаты численного моделирования процесса формирования и основанные на них рекомендации по выбору режима формирования топливных таблеток.

3. Установление границ применимости моделей нейтрального экранирования.

4. Определение параметров инжекции в реактор типа ИНГОР на основании численного исследования испарения таблетки в плазме.

5. Методика использования инжектора топливных таблеток в качестве диагностического устройства, позволившая определить коэффициенты переноса в плазме.

Диссертационная работа выполнена на кафедре теплофизики ЛПИ им.М.И.Калинина. Испытания инжектора проводились на тока-маке Т-10 в отделении физики плазмы ИАЭ им.И.В.Курчатова.

- 182 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Разработана и создана первая в стране высокоскоростная система инжекции таблеток твердого водорода для крупнейшего в СССР токамака Т-10. Инжектор,представляющий собой легкогазовую пушку,размещенную в едином корпусе с азотно-гелиевым крио-статом обеспечивает формирование таблеток диаметром 1,35 мм и ускорение их до скорости 500-700 м/с. Инжектор является дистанционно автоматически управляемой системой. Время его автономной работы в рабочем режиме без дозаливки жидкого гелия составляет четыре часа при рабочем цикле шесть минут. Скачок давления на выходе системы, обусловленный выбросом толкающего газа, не превышает I-I0"

2.Исследованы режимы формирования и ускорения топливных таблеток в инжекторе. Построена математическая модель процесса формирования таблетки при конденсации водорода в камере формирования легкогазовой пушки, удовлетворительно согласующаяся с экспериментальными данными. При помощи предложенной модели проведена оптимизация работы инжектора при формировании таблеток из твердого водорода и выработаны рекомендации по формированию таблеток из твердого дейтерия.

3.Установлено, что ввод в плазму Т-10 водородной таблетки, содержащей до половины числа частиц, имевшихся в камере до инжекции, не приводит к срыву разряда в широком диапазоне изменения параметров плазмы, в том числе при реакторном значении запаса устойчивости плазмы f^—2. . Экспериментально определены границы устойчивости плазмы при инжекции и достигнуто существенное увеличение предельного значения концентрации частиц в плазме. Прирост плотности плазмы при инжекции таблетки составлял величину 30-50% и позволил получить рекордную для плазмы

13

Т-10 электронную концентрацию 8,3*10 см'

13-3

4.Определено влияние инжекции на электронную и ионную температуру, МГД- активность и излучение плазмы, другие основные характеристики разряда. На основе анализа изменения указанных характеристик продемонстрировано преимущество инжекции таблеток по сравнению с газовым напуском.

5.Изучение пространственно-временной эволюции профилей концентрации и температуры плазмы в послеинжекционный период позволило определить средний коэффициент диффузии и эффективный коэффициент теплопроводности плазмы. По данным регистрации свечения континуума при инжекции таблетки и данным интерферометрии определено время установления тороидальной симметрии внесенного инжекцией возмущения плотности, которое имеет величину 2.7-3.0 мс,что соответствует тороидальному вращению плазмы со скоростью 10^ см/с, либо полоидальному-со скоростью 10^ см/с.

6.Получена зависимость скорости испарения топливной таблетки в плазме от её радиуса, а также температуры и концентрации электронов плазмы. На основании анализа зависимости температуры поверхности экранирующего облака от параметров плазмы деляет допустимость применимости моделей экранирования нейтральным облаком.

7.Проведен численный эксперимент по испарению топливных таблеток в плазме современных токамаков. Результаты численного моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными,полученными с использованием -излучения. Предложена модель механизма выхолаживания плазмы испарившимся . веществом. На основании численного эксперимента предлагается режим ввода топлива в термоядерный реактор-токамак типа ИНТОР. предложен параметр величина которого опре

Результаты диссертации опубликованы в работах /33,52,58, 70/. Материалы работы докладывались на УП Всесоюзной конференции по тепломассообмену (г.Минск,май 1984г),на Ш Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г.Ленинград,июнь 1984г),на Всесоюзном научно-техническом совещании "Новые методы производства,передачи и распределения электроэнергии" (г.Свердловек,1983г),на научном семинаре кафедры "Теплофизика" ЛПИ им .М.И.Калинина.

Результаты диссертации использованы для разработки технических предложений по организации ввода топлива в токамак-реактор ИНГОР, а также при разработке и создании инжектора топливных таблеток для токамака Т-З-М в институте высоких температур АН СССР (акт о внедрении № 2517).

1. Problems of the Stellarator as a Useful Power Sourse /L.J.Spitzer, D.J.Grove, W.E.Johnson et al. N.Y.: Report N10-6047 US AEG, 1954.-14 p.

2. Results of Hydrogen Pellet injection into ISX-B /S.L.Milora, C.A.Foster, O.E.Thomas et al.-Nuclear Fusion, 1980, vol.20, N12, p.1491-1514.

3. Pellet injection into PDK diverted plasma/S.L.Milora, G.L.Schmidt, R.J.Turubull et al.-Nuclear Fusion, 1982, vol.22, N10, p.1263-1271.

4. The Feasibility of Pellet re-fuelling of a Fusion Reactor/ C.T.Chang, L.W.Jorgensen, L.W.Nielsen, L.L.Lengyel.-Nuclear Fusion, 1980, vol.20, N7, p.859-893.

5. Jassby D.L. Fusion Fuelling. N.Y.: CONF-1129 US Department of Commerce, 1978.-18p.

6. INTOR GROUP. INTOR Phase One. Vienna: IAEA, 1982.628 p.

7. Apparatus for produsing uniform solid spheres of hydrogen/C.A.Foster, K.Kim, R.J.Turubull et al.-Review of Scientific Instruments, 1977, vol.48, N6, p.625-631.

8. Mills R.G. Course on the Stationary and Quasi-Stationary Toroidal Reactors.- In book; International School of Fusion Reactor Technology.Erice-Trapani, 1972, p.325-331.- 186

9. Effects of fuelling profiles on plasma transport/ A.T.Mense, W.A.Haulberg, S.E.Attenberger, S.L.Milora.-Nuclear Fusion, 1979, vol.19, N11, p.1473-1489.

10. Amenda W., Lang R.S., Cryostat for production and fast ejection of deuterium folaments.- Cryogenics, 1982, N6, p.$64-366.

11. Kazunari I. Ablation Acceleration of Macroparticle in Spiral Magnetic Fields. Nagoya, Japan: Research Report IEPJ-518. Institute of Plasma Fhysics,1981.-14 p.

12. Acceleration of Macroparticles by laser light/ M.D.J.Burgess, H.Motz, I.J.Spolding, A.C.Walker. Oxfordshire, England: Reprint CLM-546 Culham Laboratory, 1978.-8p#

13. Solid Hydrogen Pellet Injection into the ORMAK Tokamak/ C.A.Foster, R.J.Colohin, S.L.Milora et al.-Nuclear Fusion, 1977, vol.17, N5, p. 1067-Ю75.

14. Milora S.L., Foster C.A. Pneumatic Hydrogen p Pellet Injection System for the I,SX Tokamak. Oak Rodge, USA: Preprint TM-6598 Oak Ridge National Laboratory, 1978.28 p.

15. Milora S.L. Review of Pellet Fuelling.-Review Paper Journal of Fusion Energy, 1981» vol.1, N1, p.1-9.

16. Chubb J.N. Linear Induction Acceleration for Fuel Injection into Fusion Reactor.- Oxfordshire, Engkand: Reptpnt CLLM-P4, Culham Laboratory, 1968, 22 p.

17. Lenqguel L.L., Riedmuller W. Estimates on the Acceleration of Pellets by Gosdynamic and Electrostatic Heans. Munchen: Preprint IPP 4/171 Mar-Plank-Indtitute fur Plasma-Physic, 1998.-12 p.

18. Dimock D., Jensen K. Pellet Acceleration Studies Relating to the Refuelling of a Steady-Fusion Reactor. Oxfordshire, England: Research Report 332 Culham Laboratory, 1975»- 16 p.

19. Spolding I.J. Laser Driven Pellet Refuelling for JET uses. Oxfordshire, England: Preprint CLM-R193 Calham Laboratory, 1979.- 10 p.

20. Cattarei G., Dorst D., Eisner A. Neutral Injection Heating in the Wendelstein Vll-Stellarator. Munchen: Preprint D-8046 Max-Plank-Institute fur Plasma-Physic,1982.-16 p.

21. Milora S.L., Poster C.A., Edminds P.H. Hydrogen-Pellet Fuelling Experiments on the ISX-A Tokamak.-Physical Review Letters, 1979, vol.42, N2, р.97-Ю1.

22. Milora S.L. New Algorithm for Computing the Ablation of Hydrogenic Pellets in Hot Plasmas. Oak Ridge, USA: Preprint TM-8616 Oak Ridge National Laboratory, 1983.-26 p.

23. Buche K., Sandmann W. Launching of Pellets through Guide Tubes. Garching, Germany: Preprint D-8046, Max-Plank-Institute fur Plasma-Physics, 198312 p.

24. Rose D.J., Clark M.J. Plasmas and Controlled Fusion. Cambridge, England: MIT Press, 1961.-92 p.

25. Miles W.T., Thompson R., Green A.E. Electron-Impact Cross Section and Energy Deposition in Molecular Hydrogen. Journal of Applied Physics, 1972, vol.4-3, N2, p.678-686.

26. Milora S.L., Foster C.A. A Revised Neutral Gas Shielding Model for Pellet-Plasma Interactions.- IEEE Transactions on Plasma Science, 1978» vol.PS-6, N 4,p.578-600.

27. Oak Ridge National Laboratory, 1979*-34 Р»

28. Effects of Atomic Processes on Fuel Pellet Ablaticm. in a Thermonuclear Plasma/ F.S.Felber, P.H.Miller» P.B.Parks et al.- Nuclear Fusion, 1979» vol.19» N8,p.1061-1072.

29. Chang C.T. The Magnetic Shielding Effect of a Re-Fuelling Pellet.- Nuclear Fusion, 1975» vol.15, N5» p.595-604.

30. Lengyel L.L. Pellet Ablation in Hot Plasmas and the Problem of Magnetic Shilding.- Physics of Fluids, 1978, vol.21, N11, p.19^5-1956.

31. Chang C.T. Comments on Pellet Ablation in Hot Plasmas and the Problem of Magnetic Shielding.-Physics of Fluids, 1979, vol.22, N9, p.1840-1841.

32. Lengjtel L.L. Reply to the comments of C.T.Chang.-Physics of Fluids, 1979, vol.22, N9, p.1841.

33. Parks P.B. Magnetic-Field Distorption near an Ablating Hydrogen Pellet.- Nuclear Fusion, 1980, vol.20, N3, p.311-320.

34. Parks P.B. Linear Stability Analisis for the Ablation Flow near a cylindrical Pellet in a Plasma.- Phi-sics of Fluids, 1979, vol.22, N10, p.1890-1898.

35. Parks P.B., Turnbull R.J. Effect of Transonic Flow in the Ablation Cloud on the Lifetime of a Solid Hydrogen Pellet in a Plasma.- Physics of Fluids, 1978, vol.21, N10, p.1735-1741.

36. Lengyel L.L. Comments on Effect of Transonic Flow in the Ablation Cloud on the Lifetime of a Solid Hydrogen

37. Pellet in a Plasma.- Physics of Fluids, 1980, vol.23, N3, p.656-658.

38. Parks P.В., Turnbull E.J. Reply to comments by L.L.Lengyel.-Physics of Fluids, 1980, vol.23, N3,p.658-659.

39. Marcus F.B., Baker D.R., Luxon J.L. In-Situ Solid Hydrogen Pellet Experiments on Doublet III.-Nuclear Fusion, 1981, vol.21, N7, p.859-870.

40. Clampitt R. Ablation of Solid Hydrogen by electrons and ions.- Oxfordshire, England: Preprint CLM-P400 Calham Laboratory, 1974.- 24 p.

41. Milora S.L. Review of Pellet Fuelling.- Journal of Fusion Energy, 1981, vol.1, N1, p.15-47.

42. Politzer P.A., Thomas C.E. Magnetic Shielding Effects in Pellet Plasma Interactions.- In Fusion Fuelling Workshop, Princeton, N.J., 1978.- 94 p.

43. Lengyel L.L. On Pellet Induced Charde Exchange Effects in Ohmically Heated and NB Heated Tokamak Plasmas. Garching, Germany: Preprint IPP 1/213 Max-Plank-Institute fur Plasma-Physic, 1983.- 24 p.

44. Vasilev N.N., Lukosh V.E., Nedospasov A.V. Effect of Fuel Pellet Injection Velocity on the Parameters of a Tokamak Reactor.- Nuclear Fusion, 1979» vol.19» N12,p.1619-1625.

45. Карпухин В.И., Саппа Н.Н. Поддержание материального баланча плазмы инжекцией крупинок водорода. Харьков: Препринт ХФТИ 80-26, 1980. 28 с.

46. Манзон Б.М. Ускорение макрочастиц для управляемого термоядерного синтеза. Успехи физических наук, 1979,т.134, вып.4, с.611-623.

47. Жийяр И.Р., Киш К., Тернболл Р.Ж. Аппарат для приготовления сферических таблеток твердого водорода и инжекции их в плазму. Приборы для научных исследований, 1980, № 2, с.31-34.

48. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях /Под ред. Н.А.Златина. М.: Энергия, 1974. 230 с.

49. К вопросу об инжекции крупинок в стелларатор Л-2 /Г.С.Воронов, Б.И.Верхин, В.Н.Григорьев и др. М.: Препринт 66 ФИАН им.П.Н.Лебедева, 1978. 10 с.

50. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров С.А, Основы физики плазмы. М.:Атомиздат, 1977. 384 с.

51. Справочник по физико-техническим основам нриогв-ники /Под ред.М.П.Малкова. М.: Энергия, 1973. 392 с.

52. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М.: Машиностроение, 1982. 328 с.

53. Уайт Г.К. Экспериментальная техника в физике низких температур. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. 368 с.- 192

54. Фастовский В.Г. Криогенная техника. М.: Энергия, 1974. 496 с.

55. Свойства кидкого и твердого гелия /Б.Н.Есельсон,

56. B.Н.Григорьев, В.Г.Иванцов, Э.Я.Рудовский. М.: Издательство стандартов, 1978. 128 с.

57. Кутателадзе С.С., Борелианский В.М. Справочник по теплопередаче. ГЛ.: Государственное энергетическое издательство, 1959. 414 с.

58. Андреев А.П., Скобликов С.В., Умов А.П. Система дифференциальной откачки газа. Информационный листок150.83. Л.: ЦНТИ, 1983. 4 с.

59. Тепломассообмен топливной таблетки с термоядерной плазмой в токамаке Т-Ю /А.П.Андреев, Б.В.Кутеев,