Materiał skierowany w stronę plazmy

Wnętrze Alcatora C-Mod przedstawiające płytki molibdenowe użyte jako pierwszy materiał ścienny
Wnętrze Tokamaka – zmienna konfiguracyjna przedstawiająca grafitowe płytki użyte jako pierwszy materiał ścienny

W badaniach nad energią syntezy jądrowej materiałem (lub materiałami) skierowanym w stronę plazmy ( PFM ) jest dowolny materiał użyty do skonstruowania komponentów skierowanych w stronę plazmy ( PFC ), elementami wystawionymi na działanie plazmy , w której zachodzi synteza jądrowa , a w szczególności zastosowanym materiałem do wyłożenia pierwszej ściany lub obszaru zwrotnicy zbiornika reaktora .

Materiały napawane plazmą do projektów reaktorów termojądrowych muszą wspierać ogólne etapy wytwarzania energii, obejmują one:

  1. Wytwarzanie ciepła poprzez topienie,
  2. Przechwytywanie ciepła w pierwszej ścianie,
  3. Przenoszenie ciepła z większą szybkością 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 jonowe powoduje fizyczne i chemiczne rozpylanie , a tym samym erozję .
  2. Implantacja jonów powodująca uszkodzenia przemieszczeniowe i zmiany składu chemicznego
  3. Strumienie wysokiej temperatury (np. 10 MW / m ELMS i innymi stanami przejściowymi.
  4. Ograniczona kodpozycja i sekwestracja trytu.
  5. Stabilne właściwości termomechaniczne podczas pracy.
  6. Ograniczona liczba negatywnych skutków transmutacji jądrowej

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

Obecne konstrukcje reaktorów wykorzystują reakcje syntezy deuteru i trytu (DT), w wyniku których powstają neutrony o wysokiej energii, które mogą uszkodzić pierwszą ścianę, jednak neutrony o wysokiej energii (14,1 MeV) są potrzebne do działania generatora koca i trytu . Tryt nie jest naturalnie występującym izotopem ze względu na jego krótki okres półtrwania, dlatego w przypadku reaktora termojądrowego DT będzie musiał zostać wyhodowany w wyniku reakcji jądrowej izotopów litu (Li), boru (B) lub berylu (Be) o wysokiej -neutrony energetyczne zderzające się w obrębie pierwszej ściany.

Wymagania

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

  • Układ magnetyczny: zamyka paliwo deuterowo-trytowe w postaci plazmy i w kształcie torusa.
  • Naczynie próżniowe: zawiera rdzeń plazmy termojądrowej i utrzymuje warunki syntezy.
  • Pierwsza ściana: umieszczona pomiędzy plazmą a magnesami w celu ochrony zewnętrznych elementów naczynia przed uszkodzeniem radiacyjnym.
  • Układ chłodzenia: usuwa ciepło z zamknięcia i przenosi ciepło z pierwszej ściany.

Plazma termojądrowa nie może w rzeczywistości dotykać pierwszej ściany. ITER oraz wiele innych obecnych i planowanych eksperymentów z syntezą termojądrową , szczególnie te dotyczące tokamaka i stellaratora , wykorzystuje w tym celu intensywne pola magnetyczne , chociaż problemy z niestabilnością plazmy pozostają. Jednak nawet przy stabilnym zamknięciu plazmy materiał pierwszej ściany byłby wystawiony na strumień neutronów większy niż w jakimkolwiek obecnym reaktorze jądrowym , co prowadzi do dwóch kluczowych problemów w doborze materiału:

Materiał podszewki musi również:

Niektóre krytyczne elementy skierowane w stronę plazmy, takie jak w szczególności odwracacz , są zazwyczaj chronione innym materiałem niż ten zastosowany w głównym obszarze pierwszej ściany.

Proponowane materiały

Materiały aktualnie używane lub rozważane obejmują:

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

  • Cienka warstwa molibdenu na płytkach grafitowych.
  • Cienka warstwa wolframu na płytkach grafitowych.
  • Warstwa wolframu na warstwie molibdenu na płytkach grafitowych.
  • Warstwa węglika boru na wierzchu płytek CFC.
  • Warstwa ciekłego litu na płytkach grafitowych.
  • Warstwa ciekłego litu na wierzchu warstwy boru na płytkach grafitowych.
  • Warstwa ciekłego litu na powierzchniach lub dywertorach ze stałego PFC na bazie wolframu.

Grafit został użyty do wykonania pierwszego materiału ścian wspólnego torusa europejskiego (JET) podczas jego uruchomienia (1983), w zmiennej konfiguracyjnej Tokamaka (1992) oraz w eksperymencie National Spherical Torus Experiment (NSTX, pierwsza plazma 1999).

Beryl użyto do odnowienia JET w 2009 r. w oczekiwaniu na jego proponowane zastosowanie w ITER .

Wolfram jest używany w przekierowaniu w JET i będzie używany w przekierowaniu w ITER. Jest również używany do pierwszej ściany w ASDEX Upgrade . W dywertorze ASDEX Upgrade zastosowano płytki grafitowe plazmowe natryskiwane wolframem. Badania wolframu w dywertorze przeprowadzono w ośrodku DIII-D. W eksperymentach tych wykorzystano dwa pierścienie izotopów wolframu osadzone w dolnym odchylaczu w celu scharakteryzowania erozji wolframu podczas pracy. Molibden został użyty jako pierwszy materiał ścienny w Alcatorze C-Mod (1991).

Ciekły lit (LL) zastosowano do pokrycia PFC reaktora testowego syntezy tokamaka w eksperymencie z tokamakiem litowym (TFTR, 1996).

Rozważania

Opracowanie zadowalających materiałów do napawania plazmowego jest jednym z kluczowych problemów, które wciąż czekają na rozwiązanie w ramach obecnych programów.

Materiały napawane plazmą można mierzyć pod kątem wydajności w kategoriach:

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

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

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

Ostatnie zmiany

Wiadomo, że materiały napawane stałą 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 przechowywania plazmy. Ponadto promieniowanie może przedostawać się przez defekty w cząstkach stałych i zanieczyszczać zewnętrzne elementy naczynia.

Aby sprostać wyzwaniom związanym z PFC, zaproponowano komponenty skierowane w stronę plazmy ciekłego metalu, które otaczają plazmę. W szczególności potwierdzono, że ciekły lit (LL) ma różne właściwości atrakcyjne z punktu widzenia wydajności reaktora termojądrowego.

Lit

Lit (Li) jest metalem alkalicznym o niskiej liczbie atomowej Z. Li ma niską pierwszą energię jonizacji ~5,4 eV i jest wysoce reaktywny chemicznie z formami jonowymi występującymi w plazmie rdzeni reaktorów termojądrowych. W szczególności Li łatwo tworzy stabilne związki litu z izotopami wodoru, tlenem, węglem i innymi zanieczyszczeniami występującymi w plazmie DT.

Reakcja syntezy DT wytwarza w plazmie naładowane i obojętne cząstki. Naładowane cząstki pozostają magnetycznie związane z plazmą. Neutralne cząstki nie są ograniczone magnetycznie i będą przemieszczać się w kierunku granicy między gorętszą plazmą a zimniejszym PFC. Po dotarciu do pierwszej ściany zarówno cząstki obojętne, jak i cząstki naładowane, które uciekły z plazmy, stają się zimnymi cząstkami obojętnymi w postaci gazowej. Zewnętrzna krawędź zimnego gazu obojętnego jest następnie „poddawana recyklingowi”, czyli mieszana z gorętszą plazmą. Uważa się, że gradient temperatury pomiędzy zimnym gazem obojętnym a gorącą plazmą jest główną przyczyną nieprawidłowego transportu elektronów i jonów z magnetycznie ograniczonej plazmy. W miarę zmniejszania się recyklingu zmniejsza się gradient temperatury i zwiększa się stabilność zamknięcia plazmy. Lepsze warunki topnienia w plazmie zwiększają wydajność reaktora.

Początkowe użycie litu w latach 90. było motywowane potrzebą stosowania PFC o niskim poziomie recyklingu. W 1996 r. do PFC TFTR dodano około 0,02 grama powłoki litowej, co spowodowało dwukrotną poprawę mocy wyjściowej termojądrowej i ograniczenia plazmy termojądrowej. Na pierwszej ścianie lit reagował z cząstkami obojętnymi, tworząc stabilne związki litu, co skutkowało niskim poziomem recyklingu zimnego gazu obojętnego. Ponadto zanieczyszczenie litem w osoczu utrzymywało się na poziomie znacznie poniżej 1%.

Od 1996 r. wyniki te zostały potwierdzone przez dużą liczbę urządzeń do syntezy magnetycznej (MCFD), w których również zastosowano 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 wytwarzana w projektach reaktorów termojądrowych pochodzi z absorpcji neutronów o wysokiej energii. Wyniki tych MCFD podkreślają dodatkowe zalety powłok ciekłego litu w zakresie niezawodnego wytwarzania energii, w tym:

  1. Absorbuj wysokoenergetyczne lub szybko poruszające się neutrony. Około 80% energii wytwarzanej w reakcji syntezy DT stanowi energia kinetyczna nowo wytworzonego neutronu.
  2. Zamień energie kinetyczne pochłoniętych neutronów na ciepło na pierwszej ścianie. Ciepło wytworzone na pierwszej ścianie można następnie usunąć za pomocą chłodziw w systemach pomocniczych wytwarzających energię elektryczną.
  3. Samowystarczalna hodowla trytu w drodze reakcji jądrowej z zaabsorbowanymi neutronami. Neutrony o różnych energiach kinetycznych będą napędzać reakcje rozmnażania trytu.

Płynny lit

Obecnie testowane są nowsze rozwiązania 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 niskim Z.
  • Powłoki LL o większej gęstości do stosowania na PFC zaprojektowane z myślą o większych obciążeniach cieplnych i strumieniu neutronów.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

  • Strona projektu Instytutu Maxa Plancka w PFM
  • 13. Międzynarodowe warsztaty na temat materiałów i komponentów pokrywanych plazmą do zastosowań termojądrowych / 1. Międzynarodowa konferencja na temat nauki o materiałach związanych z energią termojądrową
  • Ruset, C.; Grigore, E.; Maier, H.; Neu, R.; Greuner, H.; Mayer, M.; Matthews, G. (2011). „Rozwój powłok W do zastosowań termojądrowych”. Inżynieria i projektowanie termojądrowe . 86 (9–11): 1677–1680. doi : 10.1016/j.fusengdes.2011.04.031 . Streszczenie: W artykule dokonano krótkiego przeglądu powłok wolframowych (W) nakładanych różnymi metodami na materiały węglowe (kompozyt z włókna węglowego – CFC i grafit drobnoziarnisty – FGG). Próżniowe natryskiwanie plazmowe (VPS), chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) i fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)... Szczególną uwagę zwraca się na technikę kombinowanego rozpylania magnetronowego i implantacji jonowej (CMSII), która została opracowana w ciągu ostatnich 4 lat od laboratorium na skalę przemysłową i z powodzeniem zastosowano go do powlekania W (10–15 μm i 20–25 μm) ponad 2500 płytek w ramach projektu ściany typu ITER-like Wall w JET i ASDEX Upgrade.... Eksperymentalnie, powłoki W/Mo o grubości do 50 μm zostały wyprodukowane i pomyślnie przetestowane w zakładzie wiązki jonowej GLADIS do 23 MW/m2. Słowa kluczowe: powłoka wolframowa; Kompozyt z włókna węglowego (CFC); ściana przypominająca ITER; rozpylanie magnetronowe; Implantacja jonów
Źródło: „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma-facing_material&oldid=1140680709 ”