Влияние транспорта водорода в первой стенке термоядерных реакторов на рециклинг

• Автор: Маренков, Евгений Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

1 Обзор литературы
1.1 Накопление и рециклинг водорода в материалах, контактирующих с плазмой
1.1.1 Внедрение
1.1.2 Диффузия водорода в металлах
1.1.3 Проницаемость через простую мембрану
1.1.4 Проницаемость через многослойную мембрану
1.1.5 Захват водорода в металлах
1.2 Н-режим и ЭЛМы
1.2.1 Основные понятия
1.2.2 МГД теория
1.3 МАШ^Е, срывы
1.4 Длительный разряд
1.5 Выводы
2 Термическая неустойчивость
2.1 Введение
2.2 Десорбция первого порядка
2.3 Случай диффузии
2.4 Выводы
3 Реакция на ЭЛМ
3.1 Введение
3.2 Нульмерная модель
3.2.1 Код РАСЕ
3.3 Результаты моделирования
3.4 Выводы
4 Проницаемость водорода через многослойные мембраны
4.1 Введение

4.2 Основные уравнения
4.3 Проникающий поток
4.4 Накопление
4.5 Выводы
5 Транспорт водорода в материале с дефектами, имеющими непрерывное распределение по энергиям выхода
5.1 Введение
5.2 Случайные блуждания в решетке с ловушками
5.3 Уравнение с распределенными ловушками
5.4 Выводы
Заключение Список литературы

Взаимодействие плазмы со стенкой представляет собой сложную проблему физики термоядерных реакторов. Процессы взаимодействия важны для выбора материалов стенки термоядерного реактора (хотя для проекта ITER такой выбор уже сделан [1]), а так же для его правильной эксплуатации, учитывающей ограничения, накладываемые взаимодействием со стенкой. Активные исследования в этой области, хотя и прояснили большое число вопросов, связанных со взаимодействием плазмы с твердыми телами, все же оставляют и не меньше еще не понятых проблем. Состояние исследований в этой области отражены в большом количестве книг и обзоров (например, [2,3]). Особенно трудно дается понимание явлений, связанных со взаимным влиянием процессов, происходящих в простеночной плазме, и процессов рециклинга изотопов водорода в первой стенке.
В обзоре [4], посвященном основным проблемам взаимодействия со стенкой для проекта ITER, выделены следующие три критических проблемы *:
1. время жизни обращенных к плазме материалов;
2. образование пыли из-за эрозии обращенных к плазме материалов;
3. накопление трития (Т) в материалах вакуумной камеры.
Последние два пункта определяют пределы безопасной эксплуатации установки по следующим причинам:
• опасность случайного выброса в окружающую среду токсичных (Be) и радиоактивных (из-за накопления в них трития) материалов;
• возможное активное выделение водорода из-за реакции с паром при возникновении случайной течи воды;
• возможный взрыв пыли, следующий за выделением водорода и случайным прорывом воздуха.
1 Любопытно, что жесткие условия, в которых находятся материалы первой стенки токаыака, приводят также к появлению технических проблем, напрямую не связанных с взаимодействием плазмы с веществом; например, в работе [5] обсуждается механизм самопроизвольного раскручивания болтов, крепящих тайлы в токамакс EAST из-за тепловых нагрузок, которым подвергается первая стенка.

причем величина 1 — к равна отношению потока из стенки только за счет десорбции,
N exp {—Et/To) /т(,
к потоку из плазмы на стенку, Г в равновесии. Величина rw = N/Г равна отношению количества водорода в стенке к потоку водорода из стенки в равновесии и представляет собой, поэтому, время удержания водорода в стенке.
Структура уравнения (2.7) напоминает структуру дисперсионного уравнения, полученного в [10]. Первая скобка в левой части (2.7) соответствует устойчивому решению уравнения баланса частиц (2.1), вторая скобка (2 7)—решению уравнения для энергии (2.2). Правая часть характеризует связь между этими процессами и определяет реакцию стенки.
В общем случае решения уравнения (2.7) относительно 7 комплексные. При этом если действительная часть решения положительна, то происходит рост малого возмущения со временем, т.е. развивается неустойчивость. В общем случае произвольных 7 анализ условий возникновения неустойчивости из дисперсионного уравнения (2.7) затруднен. Однако такой анализ может быть выполнен для важного случая малых (по модулю) инкрементов, |7| <С 1 . При этом thz/z = 1 и уравнение (2.7) становится квадратным относительно 7 . Его решение в общем виде:
7 = (7е “ 7е ~ 7Р ± ]('Те -'Ie- Ipf
(2.8)
где _ _
1 — к 1 1 е (1 — к)
Ъ = + —, 7 е = — Ъ
Тр Тц, ТЕ Тр
Ясно, что для того, чтобы действительная часть 7 была положительной, необходимо выполнение условия
/3 = Ъ ~ 1е - ъ > о,

£> 1 + -^= (— + —") (2.9)
1 - к тЕ т„, )
Таким образом, возможность возникновения неустойчивости определяется безразмерными параметрами е, к и временами удержания энергии и частиц. При этом характерные значения е ~ 10 — 30 , времена тЕр обычно порядка 1 с, а /г и туу могут меняться в очень широких пределах из-за их экспоненциальной зависимости от температуры. Из критерия (2.9) видно, что неустойчивость вероятна для больших £ . что соответствует, прежде всего, большой доле потерь £г (температура и энергия входят также в правую часть неравенства и поэтому их влияние сложнее). Если к ~ 1 (т.е. стенка почти полностью насыщена в стационаре), то имеем 7Р сй 1 /тИ/ , 7е <С 7Р, 7Е и развитие неустойчивости невозможно; при этом характерная величины инкремента, с которым затухает возмущение, есть 7 ~ — 1 /тц, при Тц,- > тЕ и