Оглавление:
Термоядерные энергетические установки
- Рассмотрим системы токамака для исследования управляемого термоядерного синтеза(рис. 7.1).Его принцип аналогичен принципу а дело в том, что первичная обмотка / сердечник 2 приводится в движение источником переменного тока, а вторичная обмотка-замкнутая тороидальная камера 4-заполнена плазмой(смесью дейтерия и трития). Когда переменный ток течет в первичной обмотке, продольный тороидальный gy / индуцируется во вторичной обмотке.
Это приводит к тому, что рабочая смесь дейтерия и трития находится в плазменном состоянии, индуцируя полоидальное магнитное поле B ^на поверхности плазмы. ^ = 0.5 РО / Д /. Где D-радиус Тора. B стабилизирует и сохраняет плазменный код 3, предотвращая генерацию различных неустойчивостей в плазме. Я! Близость печи токамак показана на рисунке. 7.2.
Используя внешнюю магнитную катушку, намотанную вокруг Тора, создается сила Совместное действие полоидального и продольного магнитных полей Людмила Фирмаль
Термоядерные нейтроны уносят более 80% энергии, выделяющейся в реакции. Они проходят через внутреннюю стенку вакуумной камеры 2 и всасываются во внешнее покрывало 4.Ограничивающую вакуум полость токамака wall2 обычно называют первой, поскольку она получает тепло и поток излучения от плазмы первой.
Размеры токамака и ресурс его работы во многом определяются материалом и размерами первого wall. As в качестве материала для его изготовления используют легированную сталь, ниобий или молибден, которые выдерживают тепловые потоки от (1 4-5) до 10W Вт /м2.Высокая плотность теплового потока приводит к отсутствию начальных ресурсов стенки.
Однако расширение вакуумной камеры для уменьшения плотности магнитного потока, приводит к увеличению размеров реактора, в результате чего требуются большие затраты на его изготовление. Поэтому для защиты первой стенки применяют впрыск холодного газа и литиевую защиту между плазмой и стенкой. Токамак представляет собой тороидальную камеру с магнитной катушкой. 8. Lt. Рисунок 7.2. I1 поперечное сечение коробки передач .
Токамак: J-тороидальная катушка магнитного поля. 2-внутренняя стенка; 3-защитная оболочка; 4-Внешнее одеяло. 5-катушка; 6 и 12-катушка полоидального поля; 7-стойка 8-сепаратор; 9-индукционная катушка; 10 защищена от вихревых токов. Источник питания II-RF. 13-вход СВЧ; 14-плазма; 15-опора Важной частью термоядерной установки является одеяло, которое преобразует кинетическую энергию нейтрона в тепловую энергию материала одеяла, что способствует регенерации трития.
Одеяло заполнено однородной смесью литийсодержащих материалов (жидкий литий, литий-оксид Li2O, литий-оксид Li2C2, литий-алюминий-алюминат LiAi, расплавленная соль BeG2 4 21 iF (Li2BeF3)и др.).Камера одеяла обычно сделана из ниобия. Он сохраняет температуру до 1300 К, через которую тритий достаточно диффундирует. Создание магнитного поля в термоядерном реакторе требует значительного количества энергии.
Например, для питания установки Токамак-10 (СССР) потребляется до 180 Н4 Вт электроэнергии, а для установки струи-до 7-10jдж за импульс. Поэтому для создания магнитного поля необходимы сверхпроводящие магниты. Первая установка токамака («токамак-7») со сверхпроводящей обмоткой, созданная в нашей стране, имеет проводящий провод из сплава ниобия и титана (Нбти).Жидкий гелий циркулирует при температуре около 4.5 К. Для этих целей можно использовать сплав ниобия и олова Nb₃Sn.
Это связано с высокими критическими характеристиками. Сверхпроводимость Змеевик помещают в криостат, который охлаждают жидким азотом. Такое усложнение конструкции необходимо потому, что в непосредственной близости от сверхпроводника находятся десятки миллионов МПа-дус плазмы. Максимальное значение критерия Лоусона (nt = 4-K) 1⁹s /m3 в настоящее время достигается в FT tokamak (Италия) с сильным магнитным полем (B = «8 T). чтобы увеличить значение nt, необходимо увеличить размер токамака и величину продольного магнитного поля.
На данный момент большой токамак (табл. 7.1)является только эмпирическим по своей природе, предназначенным для получения термоядерной реакции с выходной энергией, близкой к энергии, накопленной в plasma. As из таблицы видно, какую энергию потребляет токамак для создания и поддержания магнитного поля, нагревающего плазму. Из-за того, что он настолько велик, минимальная мощность промышленной печи токамака должна составлять не менее 2000 МВт. Энергетический баланс термоядерной установки с Токамаком reactor. To для создания энергетического баланса термоядерной установки с печью токамак удобно использовать ее функциональную схему (рис.7.3). Полезная мощность.
Рисунок 7.3. Схема потока энергии условия icpiioH в anovx： / — Термоядерный реактор; 2-тепловой преобразователь;3-система впрыска. 4-мат системы Среднее за цикл АПН = [А; + Н. + / В „(у меня −5)] П.—М/ Пи-АМ1 / ПМ-8). Где A’N, Agts и A’M-выходы термоядерных реакторов, инжекторов и систем генерации магнитного поля соответственно. 5-доля мощности / ВМ, возвращаемая в систему индуктивно для создания магнитного поля при выключении (инверсии) осевого силового поля. Т),, т] м и Т) КПД м-тепловых преобразователей, инжекторов и систем генерации магнитного поля. Эффективность системы можно оценить по величине КПД.
Таблица 7.1 Параметр T-10 T-15 T-20 PLT TFTR JT-60 IN- Вершина Большой радиус Тора, м 1.5 2.4 5 1.3 2.48 2.96 5.2 Малый радиус Тора, м 0.36 0.75 2 0.4 0.85 1.2 1.25 Ток плазмы, Ма 0.65 1.4 3.3 0.55 2.5 4.8 6.4 Магнитное поле T 4.5 3.5 5.0 3.5 3.5 5.2 4.4 Ионная температура, К (5-10) х 6.5-10 ’6-10’ 5-10′ 10 ′ 10 * х10 ’ Параметры лгр, с / м’5-10“ * 102’）10»» 0.5-1020 0.5 1020 Объем вакуумной камеры. 3.83 26.6 400 4.1 64 190 148 Эй. Пик потребления Могц-180 1680 700 Нос, МВ г Внимание всего международного токамака печи. Термоядерные реакторы и установки в целом разделены.
Эффективность термоядерного реактора можно определить как отношение L = [N, _ L’i — (1-8) Нм] / N,*(1-1 / X）- (7.10） Кроме того, коэффициент 6 может быть значительно меньше 1. Эффективность термоядерной установки il = Nn / N «= [1 + Nh / W » + Nm(1- — (L / L) (1 / PM-8). (7.Х.） 8?Предполагая R 1.、 Т)=(1 4-1Д) т)т-[нл + + PMLm1 /(t / / PMLgL X = NK!(NH + NM) — суммарный прирост энергии реактора. Соотношение мощности и L’M во время работы установки может быть различным. Для NM n 8 Ki формула (7.11) принимает вид: Р»(1 + 1 / МПТ-(1Д) П- Для ЛГМ » л » я «и 8» я Н =(1 + 1Д) ПГ-(1Д) ПМ.
Анализ уравнения показывает, что КПД N термоядерной электростанции во всех случаях близок к КПД tjₜ теплового преобразователя. Это связано с тем, что общий коэффициент усиления X очень велик в печи токамака, обычно X> 100.To для получения более точных данных о работе установки можно использовать следующие значения: г | н-0,6-Т-0,8; км * 0,9; 8 0,8 Лазерного термоядерного синтеза В термоядерной установке с инерционным удержанием дейтерий-тритиевой плазмы эти мишени подвергаются воздействию мощного лазерного луча, а реакции термоядерного синтеза осуществляются в виде мельчайших детонаций мишени.
- Электронные или ионные. Симметричное облучение мишени вызывает ее сильное сжатие, в основном за счет силы реакции, возникающей при испарении внешнего слоя мишени shell. As расчеты показывают, что около 30%тепловой ядерной энергии используется для нагрева мишени до высокой температуры с образованием расширяющейся плазмы, а около 70% энергии уносится нейтронами. В качестве примера рассмотрим лазер fusion. In лазерный синтез, минутный взрыв термоядерного ядра вызван лазерным излучением.
Для обеспечения положительного выхода энергии в рассматриваемых лазерных и термоядерных реакторах и тепловых преобразовательных системах должны быть выполнены определенные условия. Выход системы Н = в£ₙ(латекс-1 / ЛД(7.12） Где V-частота повторения микровзрывов. El-энергия лазера; L g и t | l-КПД преобразователя тепла и лазера соответственно. X = eje реактор-коэффициент усиления энергии reactor. It это энергия термоядерных реакторов. Для получения положительного выхода энергии необходимо выполнить условие₁₁x-1 / г) > 0.Это возможно только при достаточно большом коэффициенте усиления X.
Учитывая параметры лазеров, реакторов и преобразователей, можно увеличить суммарную мощность вашего оборудования за счет увеличения частоты микровзрывов и количества реакторных камер. Людмила Фирмаль
Даже учитывая перспективное значение и Lg, коэффициент усиления должен быть X> 10. Полная эффективность работы термоядерной установки может быть определена соотношением Тл = Н / вэ. =(Л / Х) (ihx по-1/40 = =(ЛГ-1 / ХЛ). (7.13）Расчетные параметры микровзрыва приведены в таблице. 7.2 доказательства Таблица 7.2 Энергетический коэф Энс Пи ня Лазер! o Фитси-термо-масса полная .
Целевое излучение, ЛОР ядерный номер Ny, мг суммарных реактивных нейтронов кДж Торус е».Новый X MJ. 10 6. — 10 — ’ 80 8 2.8101 ’ 10-610?Тем не менее, 11 3.9-10 ″» 10 ’0.15 1000 10′ 3.5-10？О Они говорят о возможности получения положительного выхода энергии. Анализ представленных данных позволяет определить основные параметры установки лазерного синтеза. Лазерное излучение энергии Эл =(5-к) ⁵4-5-к)⁶) дж дж; ЛГЛ максимальная выходная мощность лазера>5-101⁴W; эффективность лазерной системы в — > 0.02-0.03;получаете x> 100;повторение курса микро-взрыв с V> 10 Гц.
В будущем такие параметры могут быть получены с помощью газовых (CO₂) лазеров, твердого неодима или химических веществ. Внутри таблицы. 7.3 приведены некоторые параметры крупнейшего лазера, используемого в настоящее время при исследовании лазерного термоядерного синтеза. В термоядерных электростанциях большая часть энергии выделяется в виде тепла при относительно низких температурах. Таким образом, для преобразования тепла как в квазистационарных, так и в импульсных термоядерных реакторах наиболее перспективными являются тепловые циклы и схемы с МГД генераторами, совмещенными с паром.
Схема преобразования воздуха 2 контуров / оба： / — Реактор. 2-турбина калия с генератором; 3 теплообменник; 4 паровая турбина с генератором Монтаж турбин и газовых турбин. Используя МГД-генератор в качестве 1-й ступени, верхнюю предельную температуру цикла квазистационарного реактора можно поднять примерно до 2500 Кив импульсного реактора (24-3) — 10⁴K. In в этом случае достаточно высокое значение КПД термоядерных установок(около 0,6-0,8). На рис. 7.4 показана двухконтурная схема преобразования энергии.
Первичный теплоноситель, который проходит через литиевую подушку в реакторе 1, нагревается до температуры около 1200-1300 к, приводится в движение калиевой турбиной 2, а затем поступает в теплообменник 3, нагревая пар в нем до температуры. Таблица 7.3 Численная продолжительность энергии Лазерная установка каналов импульсного излучения、 кДж НС. Дельфин (СССР) твердое состояние (неодим 12 10 2 мовы） Ми-35 (СССР) то же 32 10 15 Шеба(США)»20 2- 20 0.1-3 Гелиос (США) газ (СО ？?)) 8 10 1 Шива-Джоба (США) твердое состояние (неодим 20 (0.8-1.2) 10?1 3. мовы） Антарес (США) газ (СОГ) 6 10? 1.
Рисунок 7.5. МГД схема термоядерной двухконтурной установки с использованием датчиков и пара■： 1-реактор:2-МГД генератор. 3 и 9-теплообменник: 4-фильтр. 5-насос подачи присадки; 6-компрессор; 7-турбина:8-насос На около 850-900 K, он работает с паровыми турбинами 4. На рис. 7.5 показана схема термоядерной двухконтурной установки с МГД-генератором и паровой турбиной. Часть энергии плазмы вытекающей из реактора １ преобразуется в электрическую энергию МГД генератором Затем плазма проходит через третий теплообменник и нагревает рабочий материал паротурбинного цикла.
Проходя через тот же теплообменник 3, охлаждающая жидкость охлаждает одеяло. Рабочее вещество (водяной пар) нагревается теплообменником 9 примерно до 900 К и запускается турбиной 7. Во 2-м контуре термоядерной установки могут использоваться не только паровые, но и газовые и парогазовые циклы. При разработке лазерных термоядерных установок преобразование термоядерной энергии происходит сначала в тепловую, а затем в электрическую energy. An важной задачей при создании такого объекта, как печь токамак, является защита первой стенки ядерного реактора, которая подвергается сильному тепловому удару, от теплового ядерного микровзрыва.
На рисунке показана схема лазерной термоядерной установки с тепловым циклом. 7.6.Реакционная камера четыре окружена пористой внутренней стенкой Этот защитный вариант обычно называют «мокрой (или потной) стенкой».Жидкий литий из заготовки 3 проходит через пористую стенку/, и на ее внутренней поверхности образуется защитный слой толщиной около 1 мм. Во время теплового ядерного микровзрыва жидкая литиевая мембрана испаряется и снова восстанавливается в промежутке между импульсами.
Образующаяся при микровзрыве плазма поступает вместе с парами защитной литиевой мембраны Рис. 7.6. Лазер лазерного термоядерного синтеза цепи yciaiiouKw： / — Пористая внутренняя стенка: 2-силовая установка; 3-одеяло (расплавленный литий); 4-Камера; 5-лазерный луч; 6-инжекция мишени; 7-насос; 9-теплообменник Тепло плазмы преобразуется в электрическую энергию в канале м основного генератора.
Большая часть энергии микровзрыва уносится быстрыми нейтронами. Они входят в одеяло и нагревают содержащийся в нем литий до температуры приблизительно 1273 к. тепло этого теплоносителя также преобразуется в электрическую энергию.
Смотрите также:
| Основные параметры и характеристики | Основы термоядерной энергетики |
| Энергетические установки с МГД-генераторами | Компрессорные машины |
