Plazma bilan qoplangan material - Plasma-facing material

Ichki Alcator C-Mod ko'rsatib molibden birinchi devor materiali sifatida ishlatiladigan plitkalar
Ichki Tokamak konfiguratsiya o'zgaruvchisi ko'rsatib grafit birinchi devor materiali sifatida ishlatiladigan plitkalar

Yilda yadroviy termoyadroviy quvvat tadqiqot, plazma bilan qoplangan material (yoki materiallar) (PFM) qurish uchun ishlatiladigan har qanday materialdir plazma bilan qoplangan komponentlar (PFC), ta'sir qiladigan qismlarga plazma ichida yadro sintezi sodir bo'ladi va ayniqsa, astar uchun ishlatiladigan material birinchi devor yoki yo'naltiruvchi mintaqasi reaktor kemasi.

Sintezli reaktorni loyihalash uchun plazma bilan qoplangan materiallar energiya ishlab chiqarishning umumiy bosqichlarini qo'llab-quvvatlashi kerak, bunga quyidagilar kiradi

  1. Birlashma orqali issiqlik hosil qilish,
  2. Birinchi devorda issiqlikni ushlab turish,
  3. Issiqlikni ushlab turishdan ko'ra tezroq tezlikni o'tkazish.
  4. Elektr energiyasini ishlab chiqarish.

Bundan tashqari, PFMlar termoyadroviy reaktor kemasining ishlash muddati davomida atrof-muhitning og'ir sharoitlarini boshqarish orqali ishlashi kerak:

  1. Fizikaviy va kimyoviy ta'sirga olib keladigan ion bombardimoni paxmoq va shuning uchun eroziya.
  2. Ion implantatsiyasi siljish va kimyoviy tarkibi o'zgarishiga olib keladi
  3. Yuqori issiqlik oqimlari (masalan, 10 MVt / m) sababli ELMS va boshqa vaqtinchalik narsalar.
  4. Cheklangan tritiy kodizatsiyasi va sekvestratsiyasi.
  5. Amaldagi barqaror termomekanik xususiyatlar.
  6. Cheklangan soni salbiy yadroviy transmutatsiya effektlar

Hozirgi vaqtda termoyadroviy reaktorlarning tadqiqotlari issiqlik ishlab chiqarish va olishda samaradorlik va ishonchlilikni oshirishga va uzatish tezligini oshirishga qaratilgan. Elektr generatorlarini boshqaradigan bug 'turbinalarini ishlatish uchun suvni isitish kabi samarali issiqlik uzatish davrlari tufayli issiqlikdan elektr energiyasini ishlab chiqarish hozirgi tadqiqotlar doirasidan tashqarida.

Hozirgi reaktor konstruktsiyalari birinchi devorga zarar etkazishi mumkin bo'lgan yuqori energiyali neytronlarni ishlab chiqaradigan deuterium-tritium (D-T) termoyadroviy reaktsiyalari bilan ta'minlanadi.[1]ammo adyol va Tritium selektsionerining ishlashi uchun yuqori energiyali neytronlar (14,1 MeV) kerak. Tritiy yarim umrining qisqa davri tufayli tabiiy ravishda izotop emas, shuning uchun termoyadroviy D-T reaktori uchun tarbiyalangan litiy (Li), bor (B) yoki berilyum (Be) izotoplarining birinchi devor ichida to'qnashgan yuqori energiyali neytronlar bilan yadroviy reaktsiyasi natijasida.[2]

Talablar

Ko'pgina magnitlangan termoyadroviy qurilmalar (MCFD) texnik dizayndagi bir nechta asosiy tarkibiy qismlardan iborat, shu jumladan:

  • Magnit tizim: deyteriy-tritiy yoqilg'isini plazma shaklida va torus shaklida cheklaydi.
  • Vakuum idishi: yadroli termoyadroviy plazmani o'z ichiga oladi va termoyadroviy holatini saqlaydi.
  • Birinchi devor: tashqi tomir qismlarini radiatsiya shikastlanishidan himoya qilish uchun plazma va magnitlar o'rtasida joylashgan.
  • Sovutish tizimi: kamerani issiqxonadan olib tashlaydi va birinchi devordan issiqlikni uzatadi.

Yadro termoyadroviy plazmasi aslida birinchi devorga tegmasligi kerak. ITER va boshqa ko'plab joriy va rejalashtirilgan sintez tajribalari, xususan tokamak va yulduzcha dizaynlar, intensiv foydalaning magnit maydonlari urinish bilan erishish bu, garchi plazmadagi beqarorlik muammolari qolmoq. Biroq, barqaror plazma qamoqxonasida bo'lsa ham, birinchi devor materiallari a neytron oqimi har qanday oqimdan yuqori atom reaktori, bu materialni tanlashda ikkita asosiy muammoga olib keladi:

  • Iqtisodiy jihatdan foydali bo'lishi uchun u ushbu neytron oqimiga etarlicha vaqt bardosh berishi kerak.
  • Bu etarli bo'lmasligi kerak radioaktiv qabul qilinmaydigan miqdorlarni ishlab chiqarish uchun yadro chiqindilari astarni almashtirish yoki ekish paytida ishdan chiqarish oxir-oqibat sodir bo'ladi.

Astar materialiga quyidagilar ham kerak:

  • Katta o'tishga ruxsat bering issiqlik oqimi.
  • Kuchli va o'zgaruvchan bilan mos keling magnit maydonlari.
  • Plazmaning ifloslanishini minimallashtirish.
  • O'rtacha narxda ishlab chiqarilishi va almashtirilishi.

Plazmadagi ba'zi muhim tarkibiy qismlar, masalan, va xususan yo'naltiruvchi, odatda, birinchi devorning asosiy maydoniga nisbatan boshqa material bilan himoyalangan.[3]

Tavsiya etilgan materiallar

Hozirda foydalanilayotgan yoki ko'rib chiqilayotgan materiallarga quyidagilar kiradi:

Ushbu materiallarning bir nechta ko'p qatlamli plitalari ham ko'rib chiqilmoqda va foydalanilmoqda, masalan:

  • Grafit plitkalaridagi ingichka molibden qatlami.
  • Grafit plitkalaridagi ingichka volfram qatlami.
  • Grafit plitkalaridagi molibden qatlami ustiga volfram qatlami.
  • CFC plitalari ustiga bor karbid qatlami.[6]
  • Grafit plitkalaridagi suyuq lityum qatlam.[7]
  • Grafit plitkalardagi bor qatlami ustiga suyuq lityum qatlam.[8]
  • Volfram asosidagi qattiq PFK yuzalarida yoki divertorlarda suyuq lityum qatlam.[9]

Grafit birinchi devor materiali uchun ishlatilgan Qo'shma Evropa Torusi (JET) ishga tushirilganda (1983), yilda Tokamak à konfiguratsion o'zgaruvchisi (1992) va Milliy sferik Torus tajribasi (NSTX, birinchi plazma 1999).[10]

Berilliy JET-ni 2009 yilda ishlatilishini kutib, uni qayta tiklash uchun ishlatilgan ITER.[11]

Volfram uchun ishlatiladi yo'naltiruvchi JET-da va ITER-da divertor uchun ishlatiladi.[11] Bundan tashqari, u birinchi devor uchun ishlatiladi ASDEX yangilanishi.[12] ASDEX Upgrade divertori uchun volfram bilan purkalgan grafit plitkalar plazmasi ishlatilgan.[13]

Molibden birinchi devor materiali uchun ishlatiladi Alcator C-Mod (1991).

Suyuq lityum (LL) ning PFC-ni qoplash uchun ishlatilgan Tokamak termoyadroviy sinov reaktori ichida Lityum Tokamak tajribasi (TFTR, 1996).[7]

Mulohazalar

Qoniqarli plazma bilan ishlangan materiallarni ishlab chiqish dolzarb dasturlar tomonidan hal qilinadigan asosiy muammolardan biridir.[14][15]

Plazmadagi materiallarni ishlash ko'rsatkichlari bo'yicha quyidagilar bo'yicha o'lchash mumkin:[8]

  • Berilgan reaktor hajmi uchun quvvat ishlab chiqarish.
  • Elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun xarajatlar.
  • Tritiy ishlab chiqarishning o'zini o'zi ta'minlashi.
  • Materiallarning mavjudligi.
  • PFKning dizayni va ishlab chiqarilishi.
  • Chiqindilarni yo'q qilish va texnik xizmat ko'rsatishda xavfsizlik.

The Xalqaro termoyadroviy materiallarni nurlantirish vositasi (IFMIF) bu masalani ayniqsa ko'rib chiqadi. IFMIF yordamida ishlab chiqilgan materiallarda foydalaniladi DEMO, ITERning taklif qilingan vorisi.

Frantsuzcha Fizika bo'yicha Nobel mukofoti sovrindori Per-Gilles de Gennes yadro sintezi to'g'risida "Biz quyoshni qutiga solamiz deymiz. G'oya juda chiroyli. Muammo shundaki, biz qutini qanday yasashni bilmaymiz."[16]

So'nggi o'zgarishlar

Qattiq plazma bilan qoplanadigan materiallar katta issiqlik yuklari va yuqori neytron oqimi ta'sirida shikastlanishga moyilligi ma'lum. Zarar ko'rgan holda, bu qattiq moddalar plazmani ifloslantirishi va plazmadagi barqarorlikni pasaytirishi mumkin. Bundan tashqari, radiatsiya qattiq moddalardagi nuqsonlar orqali oqishi va tashqi tomir qismlarini ifloslantirishi mumkin.[1]

PFKdagi muammolarni hal qilish uchun plazmani qamrab oladigan suyuq metall plazmasiga qaraydigan komponentlar taklif qilingan. Xususan, suyuq lityum (LL) termoyadroviy reaktorning ishlashi uchun jozibali bo'lgan turli xil xususiyatlarga ega ekanligi tasdiqlangan.[1]

Lityum

Lityum (Li) past Z (atom raqami) bo'lgan ishqoriy metalldir. Li ~ 5.4 eV past birinchi ionlanish energiyasiga ega va termoyadroviy reaktor yadrolari plazmasida joylashgan ion turlari bilan yuqori kimyoviy reaktivdir. Xususan, Li D-T plazmasida mavjud bo'lgan vodorod izotoplari, kislorod, uglerod va boshqa aralashmalar bilan barqaror lityum birikmalar hosil qiladi.[1]

D-T termoyadroviy reaktsiyasi plazmadagi zaryadlangan va neytral zarralarni hosil qiladi. Zaryadlangan zarralar magnitlangan plazma bilan chegaralangan bo'lib qoladi. Neytral zarralar magnit bilan chegaralanmagan va issiqroq plazma bilan sovuq PFC o'rtasidagi chegaraga qarab harakatlanadi. Birinchi devorga etib borgach, ikkala neytral zarralar ham, plazmadan qochgan zaryadlangan zarralar ham gazsimon sovuq sovuq neytral zarrachalarga aylanadi. Keyin sovuq neytral gazning tashqi qirrasi issiqroq plazma bilan "qayta ishlanadi" yoki aralashtiriladi. Sovuq neytral gaz va issiq plazma orasidagi harorat gradyenti anomal elektron va magnit bilan chegaralangan plazmadan ionlar tashilishining asosiy sababi deb hisoblanadi. Qayta ishlashning pasayishi bilan harorat gradyenti pasayadi va plazmadagi barqarorlik oshadi. Plazmadagi termoyadroviy uchun yaxshi sharoitlar bilan reaktorning ishlashi oshadi.[17]

1990-yillarda litiydan dastlabki foydalanish past qayta ishlanadigan PFCga bo'lgan ehtiyoj tufayli ro'y bergan. 1996 yilda TFTR PFC-ga ~ 0,02 gramm lityum qoplama qo'shildi, natijada termoyadroviy quvvati ishlab chiqarildi va termoyadroviy plazmasining saqlanishi ikki baravar yaxshilandi. Birinchi devorda lityum neytral zarralar bilan reaksiyaga kirishib, barqaror lityum birikmalar hosil qildi, natijada sovuq neytral gaz kam qayta ishlandi. Bundan tashqari, plazmadagi lityum ifloslanishi 1% dan ancha pastroq bo'lgan.[1]

1996 yildan buyon ushbu natijalar ko'plab PFK-larda lityumdan foydalangan magnit kamerali termoyadroviy qurilmalar (MCFD) tomonidan tasdiqlangan, masalan:[1]

  • TFTR (AQSh), CDX-U (2005) /LTX (2010) (AQSh), CPD (Yaponiya), HT-7 (Xitoy), EAST (Xitoy), FTU (Italiya).
  • NSTX (AQSh), T-10 (Rossiya), T-11M (Rossiya), TJ-II (Ispaniya), RFX (Italiya).

Birlashma reaktori konstruktsiyalarida asosiy energiya ishlab chiqarish yuqori energiyali neytronlarning yutilishidan kelib chiqadi. Ushbu MCFD natijalari ishonchli energiya ishlab chiqarish uchun suyuq lityum qoplamalarining qo'shimcha afzalliklarini ta'kidlaydi, shu jumladan:[1][17][7]

  1. Yuqori energiyani yoki tez harakatlanadigan neytronlarni yutib oling. D-T sintez reaktsiyasida hosil bo'lgan energiyaning taxminan 80% yangi ishlab chiqarilgan neytronning kinetik energiyasiga to'g'ri keladi.
  2. Yutilgan neytronlarning kinetik energiyasini birinchi devordagi issiqlikka aylantiring. Keyin birinchi devorda hosil bo'ladigan issiqlikni elektr energiyasini ishlab chiqaradigan yordamchi tizimlardagi sovutish moddalari olib tashlashi mumkin.
  3. Yutilgan neytronlar bilan yadro reaktsiyasi bilan tritiumni o'zini o'zi etishtirish. Turli xil kinetik energiyalarning neytronlari tritiumni ko'paytirish reaktsiyalarini qo'zg'atadi.

Suyuq lityum

Hozirgi vaqtda suyuq lityumning yangi ishlanmalari sinovdan o'tkazilmoqda, masalan:[8][9]

  • Borgan sari murakkablashgan suyuq lityum birikmalaridan qoplamalar.
  • LL, B, F va boshqa past Z metallarning ko'p qatlamli qoplamalari.
  • PFC-da foydalanish uchun LL ning yuqori zichlikdagi qoplamalari katta issiqlik yuklari va neytronlar oqimiga mo'ljallangan.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v d e f g Magnit sintezni o'rganish uchun plazma bilan qoplash komponenti sifatida litiy. Ono. 2012 yil 2015 yil 1-noyabrda olingan.
  2. ^ Ixli, T; Basu, T.K; Giankarli, L.M; Konishi, S; Malang, S; Najmabadi, F; Nishio, S; Raffray, A.R .; Rao, CV.S; Sagara, A; Vu, Y (dekabr 2008). "Kengaytirilgan termoyadroviy reaktorlar uchun adyol konstruktsiyalarini ko'rib chiqish". Termoyadroviy muhandislik va dizayn. 83 (7–9): 912–919. doi:10.1016 / j.fusengdes.2008.07.039.
  3. ^ Stoafer, Kris (2011 yil 14 aprel). "Tokamak Divertor tizimi kontseptsiyasi va ITER uchun dizayn" (PDF). Kolumbiya universitetida amaliy fizika va amaliy matematika. Olingan 20 aprel 2019.
  4. ^ Xino, T; Jinushi, T; Yamauchi, Y; Xashiba, M.; Xirohata, Y .; Katoh Y .; Kohyama, A. (2012). "Plazma qoplamasi yoki adyol materiali sifatida kremniy karbid". Kengaytirilgan SiC / SiC seramika kompozitsiyalari: energiya tizimlarida ishlanmalar va qo'llanmalar. Ceramic Transaction Series. 144: 353–361. doi:10.1002 / 9781118406014.ch32. ISBN  9781118406014.
  5. ^ "Vendelshteyn 7-X uchun bor karbid bilan ishlangan birinchi devor komponentlarini yaratish". Maks Plank Gesellschaft. Arxivlandi asl nusxasi 2011 yil 12 mayda.
  6. ^ a b v Birinchi devor plitkalarining mexanik sinishi topilgan. B4C-ga o'tkazilgan CFC plitkalarining birinchi qo'llanilishi (konversion usulidan foydalangan holda sirt bilan qoplangan)., 2012 yil 11 sentyabrda olingan
  7. ^ a b v "Lityum Tokamak tajribasi (LTX)" (PDF). Ma'lumotlar sahifasi. Princeton plazma fizikasi laboratoriyasi. 2011 yil mart. Olingan 20 aprel 2019.
  8. ^ a b v Kaita R, Berzak L, Boyl D (29 aprel 2010). "Suyuq metall devorlar bilan tajribalar: lityum tokamak eksperimentining holati". Termoyadroviy muhandislik va dizayn. 85 (6): 874–881. doi:10.1016 / j.fusengdes.2010.04.005.
  9. ^ a b NSTX / NSTX-U lityum dasturidagi so'nggi yutuqlar va reaktorga tegishli suyuqlik-lityumga asoslangan divertorni rivojlantirish istiqbollari., 2015 yil 1-noyabrda olingan.
  10. ^ Goranson, P .; Barns, G .; Xrzanovskiy, J .; Heitzenroeder, P.; Nelson, B .; Neumeyer, C .; Ping, J. (1999). Milliy sharsimon Tokamak eksperimenti (NSTX) uchun plazma qoplamali komponentlarning dizayni. 18-IEEE / NPSS termoyadroviy muhandisligi bo'yicha simpozium. doi:10.1109 / FUSION.1999.849793.
  11. ^ a b Heirbaut, Jim (2012 yil 16-avgust). "Qanday qilib termoyadroviy reaktorni liniyalash kerak". Ilm-fan. Olingan 20 aprel 2019.
  12. ^ "ASDEX-ni yangilash uchun volframning birinchi devorini sinash uchun qoplamalarga misollar: turli qoplama usullarini taqqoslash". Maks Plank Gesellschaft. Arxivlandi asl nusxasi 2011 yil 13 mayda.
  13. ^ Neu, R .; va boshq. (1996 yil dekabr). "ASDEX Upgrade-da volfram divertori tajribasi". Plazma fizikasi va boshqariladigan sintez. 38 (12A): A165-A179. doi:10.1088 / 0741-3335 / 38 / 12A / 013.
  14. ^ Evans, Ll. M.; Margetts, L .; Casalegno, V .; Lever, L. M .; Bushell, J .; Lou, T .; Devorga ishlov berish, A .; Yosh, P .; Lindemann, A. (2015-05-28). "X-ray tomografiya ma'lumotlari yordamida CFC-Cu ITER monoblokining vaqtinchalik termik cheklangan elementlari tahlili". Termoyadroviy muhandislik va dizayn. 100: 100–111. doi:10.1016 / j.fusengdes.2015.04.048.
  15. ^ Evans, Ll. M.; Margetts, L .; Casalegno, V .; Leonard, F.; Lou, T .; Li, P. D .; Shmidt, M.; Mummery, P. M. (2014-06-01). "X-ray tomografiya yordamida termoyadroviy qo'llanmalar uchun keramika / metallni birlashtirish texnikasining termal tavsifi". Termoyadroviy muhandislik va dizayn. 89 (6): 826–836. doi:10.1016 / j.fusengdes.2014.05.05.002.
  16. ^ Michio Kaku, Mumkin bo'lmagan fizika, s.46-47.
  17. ^ a b Molokov, S. S.; Moro, R .; Moffatt K. H. Magnetohidrodinamika: tarixiy evolyutsiya va tendentsiyalar, p. 172-173.

Tashqi havolalar

  • Maks Plank Institutining PFM-dagi sahifasi
  • Plazma qoplamali materiallar va termoyadroviy qo'llanilishining tarkibiy qismlari bo'yicha 13-Xalqaro seminar / Termoyadroviy energetikasi materiallari bo'yicha 1-xalqaro konferentsiya
  • Ruset, C .; Grigore, E .; Mayer, X .; Neu, R .; Greuner, X .; Mayer, M .; Matthews, G. (2011). "Termoyadroviy qo'llanmalar uchun W qoplamalarini ishlab chiqish". Termoyadroviy muhandislik va dizayn. 86 (9–11): 1677–1680. doi:10.1016 / j.fusengdes.2011.04.031. Xulosa: Qog'ozda turli xil usullar bilan uglerod materiallariga (uglerod tolasi kompozitsiyasi - CFC va ingichka donali grafit - FGG) yotqizilgan volfram (V) qoplamalari haqida qisqacha ma'lumot berilgan. Vakuum plazma purkagichi (VPS), kimyoviy bug 'birikmasi (CVD) va fizik bug' birikmasi (PVD) ... So'nggi 4 yil ichida ishlab chiqarilgan kombinatsiyalangan magnetronli püskürtme va ion implantasyonu (CMSII) texnikasiga alohida e'tibor qaratilmoqda. laboratoriya sanoat miqyosida va JET va ASDEX modernizatsiya qilishda ITERga o'xshash devor loyihasi uchun 2500 dan ortiq plitkalarni V (10-15 mkm va 20-25 mkm) qoplamasi uchun muvaffaqiyatli tatbiq etiladi. Eksperimental ravishda W / Mo qoplamalari qalinligi 50 mkm gacha bo'lgan GLADIS 23 MVt / m2 gacha bo'lgan ion nurlari inshootida ishlab chiqarilgan va muvaffaqiyatli sinovdan o'tgan. Kalit so'zlar: Volfram qoplamasi; Karbon tolali kompozit (CFC); ITERga o'xshash devor; Magnetron sepish; Ion implantatsiyasi