г: 10 см - радиус

г - 63 -

1дв cs<6>tx - скорость термоядерной реакции; <tJ>

ta 10 смЗ/с; а й1 10* см-3; V=Sf<:2Г^) -объем тора; S - площадь его поверхности; первой стенки; г: 3,5 МзВ,

Цри таких значениях параметров тепловой поток на перцую стенку во время работы реактора составляет около 10 Вт/см. При этом в токамаке тепловой поток являетоя пульсирующим. Частота повторения характеризуется длительностью рабочего цикла 10-10 с при полном числе повторения циклов за время эксплуатации более 10. Типичная величина циклирующей тепловой нагрузки 25 Вг/см.

Оценим теперь влияние нейтронов с энергией 14,1 МэВ на первую отенку реактора. Нейтронная нагрузка на первую стенку -это величина энергии, переносимой ежесекундно через единицу по-

верхности нейтранами с энергией Е ,

14,1 МэВ

Этой величине соответствует поток нейтронов около Ю' нейтр/(с1с). Однако из-за отражения, рассеяния и замедления нейтронов на первую стенку воздействует поток нейтронов, характеризуемый целым спектром энергий.

Оценим мощность, приходящуюся на единицу объема реактора Pjj . На рс.3.18 изобржено поперечное сечение ректора торк-дальной геометрии. Обозначения: R - большой радиус тор,

- радиус первой стенки, t - толщина бланкета в радиальном напрвлании, В - толщина обмоток магнита в радиальном напрвлении, - ростояние от главной оси тор до обмоток магнита, R = + S + t + Гс

Мощность, приходящаяся на единицу объема рактор , может

быть рассчитана как отношение мощности 25Г1Г^1 , пр-

ходящейся на элемент длины первой стенке, к соответствующему

элементу объема тор SfCr+t-hS) В

2П

(5Гг) р -

(3.29)

где - тепловая нагрузка на первую стенку.

Величину t4-S можно считать независящей вой стенки , так как толщина бланкета Ь

опрделяется требованием обеспэчзния полного поглощения нейтронов, а толщина слоя магнитных обмоток S в основном зависит от

от радиуса пер-в основном

вой полоидальвнй дквартор. Дивергор требует дополнительного объема внутри тороидальвнх катушек и дополнительных обмоток с током, близким к току плазмы I р , что усложняет конструкцию реактора, хотя эти ке обмотки служат и для образования штянутого по вертикали профиля плазменного шнура. Условия работы приемных пластин могут быть облегчены, а вероятность проникновения продуктов эроэии в основную камеру снижена за счет торможения плазменных потоков самим нейтральным D-Т -газом при достижении им определенной плотности в дивергорной камере. Таким путем можно понизить темпарьтуйг плазмы вблизи пластин до уровня Т' 10 эВ, что ниже порога распыления многих материалов.

3.4. Опенка конструкционных параметров термоядерного реактора и его выходной электрической мощности

В D -Т -реакторе энергия ионов дейтерия и трития достигает величины примерно 10 кэВ, а максшлальные энергаи 0 -частиц и нейтронов составляют соответственно 3,5 и 14,1 МэВ. Оценим тепловую нагрузку первой стенки реактора .

Корпускулярные потоки D и Т , имеющие энергию порядка десятков килоэлектронвольт,приводить к объемным явлениями материале первой стенки немогут, поскольку их пробеги составляют величины порадка 1000 А. Эти частицы вносят существенный вклад в развитие поверхностных и тепловых явлений в материале. Наиболее важными поверхностными эффекшш являются распыление и блио-теринг (образование газовых пузырьков вблизи поверхности). Эрозия поверхности первой стенки вследствие блистеринга существенна в первыЗ период работы реактора, но в дальнейшем она снижается и наибольший вред приносит эрозия за счет распыления. Скорость эрозии составляет около I мм/год.

Роль оС -частиц, являющихся продуктом реакции синтеза, во многом схо*а с ролью частиц J) и Т , Следует отметить, что ди-вертор является весьма ОДюктивным способом борьбы оо слишком большими значениями корпускулярных потоков на первую стенку. Оценим тепловую нагрузку на первую стенку за счет корпускулярных потоков

Пер&ая стенка

OSmotku магнита

Рис.зла

толщины геилоизолирующаго материала, необходимого для изоляции

сверхироводящих обмоток от горячего бланкета.

При заданном значении t +-S (определяемом овойотвами м*-

териалов) шюгнооть мощнооти Bjj мокно максимизировать по Выбор максимального пщ заданном Р^ позволяет уменьшить объем магнитного поля, необходимый для получения заданной

шходноА мощнооти и, следовательно, снизить затраты на постройку дорогоотоящей магнитной системы. Предотавление о ооотавляю-щих стоимости опытного реактора мокно получить из данных, полученных по мекцународному проекту ilHTOP и другаы проектам, приведенным в табл.3.3. В ней показаны затраты на системы реактора в долях от общих прямых затрат {%).

Таблица 3.3

аолагая ctp/dr О в формуле (3.28), находим, что rj) достигает максимального значения при Гу - t+s При -t = 1,25 ми S = 0,5 ы независимо от опишаль^

ное значение соответствует t+s = 1,75м.

Вычиолим среднюю плотность мощности по формуле (3.29) при следующих значениях параметров; t = 1,25 м; £ аЗ м;

(3,30)

Эта мощность минимальна прж Г^. О, т.е. при минимальном R. Однако практически невозмокно создать удовлетворительно работающую магнитную систему при =0, так как необходимо пространство для систем инкекции и охлакдения, вакуумной системы и т. д., т.е. по практическим сообракениям минимальное значение составляет около 4 м. Используя это значение, получаем тепловую мощнооть Rj. Si 2100 МВт. Воли эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую равна примерно 40 %, то выходная электрическая мощнооть ооогавляет около 840 МВт.

Тепловая нагрузка первой стенки определяет не толь-

ко выходную мощность реактора, но такке плотность плазмы tx ее температуру Т и косвенным образом величину удеркивающего магнитного поля.

Чтобы выяснить, как это происходит, рассмотрим небольшой сектор длиной t (по окружности) тороидального реактора. Мощнооть, производимая в этом секторе, равна произведению плотности термоядерной мощнооти , выделяемой в плазме (ооотноше-ние (1.5)), на объем плазмы в секторе (,5Trp)t :

Рсектор = 4> Р/ . le fp - радиус плазмы.

является некоторой функцией gCn.T) температуры и плотности (рис.1.6), Выракение для теплоной нагрузки на первую отен-ку можно получить, разделив Рсектор площадь боковой поверхности сектора (2.5Гг)£ :

где

Рзэ 1,1 МВт/мЗ.

Средняя плотность мощности, пересчитанная на объем, ограниченный первой стенкой реактора (а не на весь объем тора), равна 4,5 МВт/м . При реальных значениях радиуса плазмы плотность мощнооти в вей (выделяемая тепловая энергия, деленная на объем плазмы) составляет около 9 МВт/м . Это значение не слишком сильно отличается от упомянутого выше значения 40 МВт/м ( 2.1), которое оказалось несколько завышенным для реакторов непрерывного действия.

Площадь первой стенки равна приблизительно (2Jiry)-(2R), следовательно тепловая мощнооть на выходе составляет

дсп,Т) г.

- 66 -

г

или учитывая, что Гр :5

имеем

Величина выбрана равной 6+5 , чтобы оптимизировать плотность мощности в реакторе. Таким образол), требуемое значение Ру моашо получить лишь за счет выбора подходящих значений Тип. Предполоашм, что существует некоторое максимальное кинетическое давление плазмы, выше которого нельзя осуществить удерЕание плазмы в реакторе (что вполне естественно из-за механических нагрузок или, например, технологических или экономических ограничений величины области магнитного поля). Тогда moisho записать:

Таким образом, при этом предполокении допустимая плотность частиц П. ~ I/T, Из соотношения (1.5) следует, что плотность мощности, выделяемой в результате термоядерных реакций оинтеза, равна Pji = lfCT), где JCT) - некоторая функция температуры. Используя предыдущее выражение, получим

1.8. при заданном значении PtcLX заданном напряжении)

зависимость плотности мощности Pj от температур определя-етоя множителем СТ)/ . Для реакций D - Т функция (Т)/Т имеет максш^аум npi Т ~ КИМ обрзом. пр заданном значении Р

, выбиря Т СЬ. 10 кэВ, При этом значение УХ. ется по известным значениям Т и Руплх w *

есть значения Ртд^ и Р^ эффективно опрделяют Тип. . Опрделенная таким способом темпертур лежит в диапазоне, соог-ветствупцем минимуму порогового значения (см. 1.3).

Дальнейшие трбования к плазме и магнитному полю связаны с достижением необходашого времени удержания . За врмя Т

в рзультате ракций синтеза должна выделиться энергия, необходимая для поддержания непррвной рботы рактор, и, кроме того, дополнительная энергия для использования. Следовательно, врмя

10 кэВ (см.рис.3,1). Та-

мы максимизируем зчзние KL

определя-

пророриональна сированноы

(пропориональна объему плазмы пр фик-

t ). Увеличение приводит к уменьшению срд-

ней плотности мощности в рактор и, следовательно, к некоторому росту затрт на его стрительство. Однако рзультирующее уменьшение магнитного поля стрмится снизить эти затрты. Какой из этих двух факторов оказывается доминирующим, зависит от того, что трбует больших затрт: создание сильного поля в небольшом объеме ЕЛИ срвнительно слабого поля в увеличенном объеме,

В табл.3,4 прведены основные конструкционные парметр то-камаков и тороидальных ракторв, полученные по сценкам, прва-денным в этой главе.

удержания должно првышать пороговое значение Т , опрделяе-мое кртерем Доуоона, Врмя удержания возротает как пр увеличении магнитной индукции удерживающего поля, так и пр увеличении рзмеров плазмы (так как ордний путь, проходимый частицей до выхода из области взаимодействия, увеличивается). Врмя удержания зависит также от темпертур плазмы и ее плотности. Однако, поскольку Гр , Т , Л опрделены пр выбор оптимального значения , для получения трбуемого врмени удержания

(и выходной мощности) необходимо соответствующим обрзом ныбрть величину удерживающего магнитного поля. Следовательно, магнитное поле косвенным образом зависит от , Увеличение магнитного поля огрничено экономическими и технологическими сообркениями, поэтому важно добиваться увеличения за счет пседбор кбнфи-

гурции магнитного поля и других парметров поля и плазмы с целью подавления неустойчивостей и связанных с ними потерь энергии. Пр выполнении этих требований, доминирующим пр конструировании рактор яндяегся шбор ыатерала первой стенки и бланкета, оп-рделяющий значение Ру

Трбуемая величина магнитного поля уменьшается, если радиус плазмы првышает t +5 пр фиксированных прчих параметрх плазмы. Чтобы пр увеличении радиуса плазмы осталось не-

изменным, следует несколько увеличить радиус стенок. Это обусловлено тем, что интенсивность излучения участка плазмы длиной t