Для гашения тепла термоядерной плазмы потребуется испаритель жидкого металла

В сферических токамаках нового поколения, учёные из Принстонской лаборатории физики плазмы PPPL Министерства энергетики США предлагают использовать испаряющийся жидкий металл для защиты внутренней части установки от перегрева.

Эта идея появилась несколько десятилетий назад и связана с одним из направлений работы PPPL — исследованием жидких металлов.

Раджеш Маинги, руководитель экспериментальной науки о токамаках в PPPL и соавтор статьи в журнале Nuclear Fusion, рассказал, что опыт PPPL в использовании жидкого лития для улучшения термоядерного синтеза помогает понять, как применять его в токамаке.

Исследователи провели компьютерное моделирование, чтобы найти оптимальное место для «пещеры» из паров лития в термоядерном реакторе.

Пещера нужна, чтобы держать литий вдали от горячей плазмы ядра, но вблизи избыточного тепла. Атомы лития выпариваются на нагретой поверхности и направляются туда, где скапливается избыточное тепло.

Учёные рассмотрели три варианта размещения пещеры:

• В нижней части токамака вблизи центрального стека (область частного потока).
• На внешнем краю (область общего потока).
• С поступлением паров лития из обеих областей.

Результаты компьютерных симуляций показали, что оптимальное место для испарителя лития — в нижней части токамака у центрального стека.

Новые симуляции учитывают столкновения между нейтральными частицами. Эрик Эмди, младший научный физик из PPPL и ведущий автор новой работы, объясняет: «Если испаритель лития расположен не в области частного потока, он не работает». Когда литий испаряется в этой области, частицы становятся положительно заряженными ионами. Они защищают близлежащие стены и рассеивают тепло по большой площади токамака, снижая риск расплавления компонентов.

Область частных потоков — идеальная цель для испаренного лития, потому что она находится отдельно от горячей плазмы ядра. Литий должен отвести тепло до того, как покинет пещеру, но при этом нельзя допустить, чтобы плазма ядра загрязнилась литием и остыла.

Удержание лития: коробка против пещеры

Исследователи думали, что литий нужно поместить в «металлическую коробку» с отверстием в верхней части. Плазма будет стекать в отверстие, и литий сможет рассеивать тепло плазмы до того, как она достигнет стенок.

Теперь исследователи считают, что пещера — геометрически это половина коробки, заполненная парами лития, — проще, чем коробка. Разница не только в названии: она влияет на то, куда движется литий и насколько эффективно он рассеивает тепло.

Мы думали, что нам нужна полноценная четырёхсторонняя коробка, но теперь мы знаем, что можем сделать что-то гораздо более простое», — говорит Эмди.

Данные нового моделирования показали, что можно так же хорошо удерживать литий, если разрезать коробку пополам. Теперь мы называем это «пещерой».

В конфигурации «пещера» у устройства будут стенки сверху, снизу и со стороны центра токамака. Это улучшит траекторию испаряющегося лития, направит его оптимальным курсом для захвата максимального количества тепла из области частного потока и упростит устройство.

Рассмотрение капиллярно-пористой системы для всасывания лития

Учёные PPPL предложили новый подход, который позволяет добиться эффекта теплогашения без изменения формы стенок токамака. Жидкий литий быстро протекает под пористой стенкой в области дивертора, где избыточное тепло оказывает наибольшее влияние на токамак. Пористая стенка позволяет литию проникать на поверхность, обращённую к плазменному нагреву, и доставлять жидкий литий туда, где он больше всего нужен. Этот принцип описан в более ранней работе, опубликованной в журнале Physics of Plasmas.

Андрей Ходак, ведущий автор работы и главный инженер-аналитик PPPL, предпочитает использовать пористую стенку в виде плитки, встроенной в токамак. По его словам, преимущество такой стенки в том, что не нужно менять форму конфайнмента — достаточно поменять плитку.

Ходак написал статью вместе с Робертом Голдстоном, бывшим директором лаборатории. В статье описана новая модель, учитывающая связь между краем плазмы и компонентом, обращённым к плазме. Нагрев плазмы приводит к испарению лития на поверхности дивертора, а это изменяет тепловой поток плазмы к жидкому литию. Статья опубликована в журнале IEEE Transactions on Plasma Science.

Ученые и инженеры PPPL будут продолжать тестировать и развивать свои идеи в рамках своей основной миссии — сделать термоядерный синтез важной частью энергосистемы.

21.08.2024