Materiał wierzchni plazmy - Plasma-facing material

Wnętrze Alcatora C-Mod ukazujące płytki molibdenowe użyte jako pierwszy materiał ścienny
Wnętrze Tokamak à zmienna konfiguracyjna przedstawiająca płytki grafitowe użyte jako pierwszy materiał ścienny

W badaniach nad energią syntezy jądrowej materiał (lub materiały) licujący z plazmą ( PFM ) jest dowolnym materiałem używanym do budowy elementów licujących z plazmą ( PFC ), tych elementów narażonych na działanie plazmy, w których zachodzi fuzja jądrowa , a w szczególności materiału użytego do wykładania pierwszej ściany lub obszaru odchylacza zbiornika reaktora .

Materiały skierowane do plazmy do projektów reaktorów termojądrowych muszą wspierać ogólne etapy wytwarzania energii, które obejmują:

  1. Wytwarzanie ciepła przez fuzję,
  2. Wychwytywanie ciepła w pierwszej ścianie,
  3. Przenoszenie ciepła w szybszym tempie niż przechwytywanie ciepła.
  4. Generuje prąd.

Ponadto PFM muszą działać przez cały okres eksploatacji zbiornika reaktora termojądrowego, radząc sobie z trudnymi warunkami środowiskowymi, takimi jak:

  1. Bombardowanie jonami powodujące fizyczne i chemiczne rozpylanie, a tym samym erozję .
  2. Implantacja jonów powodująca uszkodzenia przemieszczeniowe i zmiany składu chemicznego
  3. Wysokie strumienie ciepła (np. 10 MW/m ) spowodowane ELMS i innymi stanami nieustalonymi.
  4. Ograniczona kodpozycja i sekwestracja trytu.
  5. Stabilne właściwości termomechaniczne podczas eksploatacji.
  6. Ograniczona liczba negatywnych skutków transmutacji jądrowej

Obecnie badania nad reaktorami termojądrowymi koncentrują się na poprawie wydajności i niezawodności wytwarzania i wychwytywania ciepła oraz na podniesieniu szybkości transferu. Wytwarzanie energii elektrycznej z ciepła wykracza poza zakres aktualnych badań ze względu na istniejące wydajne cykle wymiany ciepła, takie jak podgrzewanie wody do napędzania turbin parowych napędzających generatory elektryczne.

Obecne konstrukcje reaktorów są napędzane przez reakcje syntezy deuteru z trytem (DT), które wytwarzają neutrony o wysokiej energii, które mogą uszkodzić pierwszą ścianę, jednak neutrony o wysokiej energii (14,1 MeV) są potrzebne do działania koca i rozmnażania trytu. Tryt nie jest naturalnie występującym izotopem ze względu na krótki okres półtrwania, dlatego w przypadku reaktora syntezy jądrowej DT będzie musiał być hodowany w reakcji jądrowej izotopów litu (Li), boru (B) lub berylu (Be) o wysokim -neutrony energetyczne, które zderzają się w pierwszej ścianie.

Wymagania

Większość urządzeń do syntezy magnetycznej (MCFD) składa się z kilku kluczowych elementów w swoich projektach technicznych, w tym:

  • System magnetyczny: ogranicza paliwo deuterowo-trytowe w postaci plazmy i w kształcie torusa.
  • Naczynie próżniowe: zawiera rdzeń plazmy fuzyjnej i utrzymuje warunki fuzji.
  • Pierwsza ściana: umieszczona między plazmą a magnesami w celu ochrony zewnętrznych elementów naczynia przed uszkodzeniem przez promieniowanie.
  • System chłodzenia: usuwa ciepło z obudowy i przenosi ciepło z pierwszej ściany.

Plazma syntezy jądrowej nie może w rzeczywistości dotykać pierwszej ściany. ITER i wiele innych bieżących i przewidywanych eksperymentów dotyczących syntezy jądrowej, zwłaszcza projektów tokamaków i stellaratorów , wykorzystuje intensywne pola magnetyczne, aby to osiągnąć , chociaż nadal występują problemy z niestabilnością plazmy . Jednak nawet przy stabilnym zamknięciu plazmy, pierwszy materiał ściany byłby wystawiony na strumień neutronów wyższy niż w jakimkolwiek obecnym reaktorze jądrowym , co prowadzi do dwóch kluczowych problemów przy wyborze materiału:

  • Musi wytrzymać ten strumień neutronów przez wystarczająco długi czas, aby był ekonomicznie opłacalny.
  • Nie może stać się wystarczająco radioaktywny , aby wytwarzać niedopuszczalne ilości odpadów jądrowych, gdy w końcu nastąpi wymiana wykładziny lub likwidacja zakładu .

Materiał podszewki musi również:

  • Umożliwiają przejście dużego strumienia ciepła .
  • Być kompatybilnym z intensywnymi i zmiennymi polami magnetycznymi .
  • Zminimalizuj zanieczyszczenie plazmy.
  • Być produkowane i wymieniane po rozsądnych kosztach.

Niektóre krytyczne elementy skierowane w stronę plazmy, takie jak, aw szczególności odchylacz , są zazwyczaj chronione innym materiałem niż ten, który został użyty do wykonania głównej powierzchni pierwszej ściany.

Proponowane materiały

Materiały aktualnie używane lub rozważane obejmują:

Rozważane i stosowane są również wielowarstwowe płytki z kilku z tych materiałów, na przykład:

  • Cienka warstwa molibdenu na płytkach grafitowych.
  • Cienka warstwa wolframu na płytkach grafitowych.
  • Warstwa wolframu na wierzchu warstwy molibdenu na płytkach grafitowych.
  • Warstwa węglika boru na wierzchu płytek CFC.
  • Ciekła warstwa litu na płytkach grafitowych.
  • Warstwa ciekłego litu na wierzchu warstwy boru na płytkach grafitowych.
  • Ciekła warstwa litu na stałych powierzchniach PFC na bazie wolframu lub deflektorach.

Grafit został użyty do wykonania pierwszego materiału ściennego Joint European Torus (JET) przy jego uruchomieniu (1983), w zmiennej konfiguracji Tokamak à (1992) oraz w National Spherical Torus Experiment (NSTX, pierwsza plazma 1999).

Beryl wykorzystano do podłożenia JET w 2009 r. w oczekiwaniu na jego proponowane zastosowanie w ITER .

Wolfram jest używany jako divertor w JET i będzie używany jako divertor w ITER. Jest również używany do pierwszej ściany w ASDEX Upgrade . Do dywertora ASDEX Upgrade użyto płytek grafitowych natryskiwanych plazmowo wolframem.

Molibden został użyty jako pierwszy materiał ścienny w Alcator C-Mod (1991).

Ciecz litu (LL) została wykorzystana do pokrycia PFC o Tokamak testowego reaktor syntezy w Eksperymencie litowo tokamaka (TFTR, 1996).

Rozważania

Opracowanie zadowalających materiałów do powlekania plazmowego jest jednym z kluczowych problemów, które nie zostały jeszcze rozwiązane przez obecne programy.

Materiały przeznaczone do obróbki plazmowej można mierzyć pod kątem wydajności pod względem:

  • Produkcja energii dla danej wielkości reaktora.
  • Koszt wytworzenia energii elektrycznej.
  • Samowystarczalność produkcji trytu.
  • Dostępność materiałów.
  • Projekt i wykonanie PFC.
  • Bezpieczeństwo w usuwaniu odpadów i konserwacji.

W szczególności zajmie się tym Międzynarodowy Ośrodek Napromieniania Materiałów Fuzyjnych (IFMIF). Materiały opracowane przy użyciu IFMIF zostaną wykorzystane w projekcie DEMO , proponowanym następcy ITER.

Francuski laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Pierre-Gilles de Gennes powiedział o syntezie jądrowej: „Mówimy, że włożymy słońce do pudełka. Pomysł jest ładny. Problem w tym, że nie wiemy, jak zrobić pudełko”.

Ostatnie zmiany

Wiadomo, że stałe materiały licujące z plazmą są podatne na uszkodzenia pod wpływem dużych obciążeń cieplnych i wysokiego strumienia neutronów. W przypadku uszkodzenia te ciała stałe mogą zanieczyścić plazmę i zmniejszyć stabilność uwięzienia plazmy. Ponadto promieniowanie może przenikać przez defekty w ciałach stałych i zanieczyszczać zewnętrzne elementy naczynia.

Aby sprostać wyzwaniom w PFC, zaproponowano elementy licujące z ciekłym metalem, które otaczają plazmę. W szczególności potwierdzono, że ciekły lit (LL) ma różne właściwości, które są atrakcyjne dla wydajności reaktora syntezy jądrowej.

Lit

Lit (Li) jest metalem alkalicznym o niskiej liczbie atomowej Z (liczba atomowa). Li ma niską energię pierwszej jonizacji ~5,4 eV i jest wysoce reaktywny chemicznie z jonami znajdującymi się w plazmie rdzeni reaktora termojądrowego. W szczególności Li łatwo tworzy stabilne związki litu z izotopami wodoru, tlenem, węglem i innymi zanieczyszczeniami znajdującymi się w plazmie DT.

Reakcja fuzji DT wytwarza naładowane i obojętne cząstki w plazmie. Naładowane cząstki pozostają magnetycznie ograniczone do plazmy. Cząstki obojętne nie są magnetycznie ograniczone i przemieszczają się w kierunku granicy między cieplejszą plazmą a zimniejszym PFC. Po dotarciu do pierwszej ściany zarówno obojętne, jak i naładowane cząstki, które uciekły z plazmy, stają się zimnymi obojętnymi cząstkami w postaci gazowej. Zewnętrzna krawędź zimnego gazu neutralnego jest następnie „zawracana” lub mieszana z cieplejszą plazmą. Uważa się, że główną przyczyną nieprawidłowego transportu elektronów i jonów z magnetycznie ograniczonej plazmy jest gradient temperatury między zimnym gazem obojętnym a gorącą plazmą. W miarę zmniejszania się zawracania zmniejsza się gradient temperatury i wzrasta stabilność utrzymywania plazmy. Przy lepszych warunkach do fuzji w plazmie wydajność reaktora wzrasta.

Pierwsze użycie litu w latach 90. było motywowane potrzebą niskorecyklingowego PFC. W 1996 r. do PFC TFTR dodano ~0,02 grama powłoki litowej, co spowodowało dwukrotną poprawę mocy wyjściowej syntezy jądrowej i ograniczenia plazmy termojądrowej. Na pierwszej ścianie lit reagował z obojętnymi cząstkami, tworząc stabilne związki litu, co skutkuje niskim recyklingiem zimnego gazu obojętnego. Ponadto zanieczyszczenie osocza litem zwykle wynosiło znacznie poniżej 1%.

Od 1996 r. wyniki te zostały potwierdzone przez dużą liczbę urządzeń do fuzji magnetycznej (MCFD), które również wykorzystywały lit w swoich PFC, na przykład:

  • TFTR (USA), CDX-U (2005)/ LTX (2010) (USA), CPD (Japonia), HT-7 (Chiny), EAST (Chiny), FTU (Włochy).
  • NSTX (USA), T-10 (Rosja), T-11M (Rosja), TJ-II (Hiszpania), RFX (Włochy).

Energia pierwotna w projektach reaktorów termojądrowych pochodzi z absorpcji wysokoenergetycznych neutronów. Wyniki tych MCFD podkreślają dodatkowe korzyści płynnych powłok litowych dla niezawodnego wytwarzania energii, w tym:

  1. Absorbują wysokoenergetyczne lub szybko poruszające się neutrony. Około 80% energii wytworzonej w reakcji fuzji DT znajduje się w energii kinetycznej nowo wytworzonego neutronu.
  2. Przekształć energie kinetyczne pochłoniętych neutronów na ciepło na pierwszej ścianie. Ciepło wytwarzane na pierwszej ścianie może być następnie usuwane przez chłodziwa w systemach pomocniczych wytwarzających energię elektryczną.
  3. Samowystarczalna hodowla trytu poprzez reakcję jądrową z zaabsorbowanymi neutronami. Neutrony o różnych energiach kinetycznych będą napędzać reakcje rozmnażania trytu.

Ciekły lit

Obecnie testowane są nowsze osiągnięcia w zakresie ciekłego litu, na przykład:

  • Powłoki wykonane z coraz bardziej złożonych ciekłych związków litu.
  • Wielowarstwowe powłoki z metali LL, B, F i innych metali o niskiej zawartości Z.
  • Powłoki LL o wyższej gęstości do stosowania na PFC przeznaczone do większych obciążeń cieplnych i strumienia neutronów.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki