Концепция тяжелоионного dt-синтеза с быстрым поджигом базовые пераметры яэу на основе тяжелоионного dt-синтеза (стр. 1 из 7)
Содержание
1. Введение ……………………………………………………………………...4
1.1. Концепция тяжелоионного DT-синтеза с быстрым поджигом ………....4
1.2. Базовые пераметры ЯЭУ на основе тяжелоионного DT-синтеза …….…5
2. Физико-математическая модель сжатия и горения мишени …....................7
2.1. Взамодействие тяжелоионного пучка с оболочкой мишени ………….…7
2.2. Уравнения сохранения трехтемпературной гидродинамической
модели ……………………………………………………………………….8
2.3. Уравнения диффузии заряженных частиц и кинетики
термоядерного горения …………………………………………….……...10
3. Результаты расчетов сжатия и горения мишени …………………………...11
3.1. Динамика сжатия мишени цилиндрическим пучком ……………………11
3.2. Выход ударной волны на поверхность мишени, генерация
импульсов энергии нейтронов и рентгеновского излучения …………...13
4. Физико-математическая модель разлета мишени и испарения
защитной жидкой пленки первой стенки камеры …………………………….16
4.1. Сценарий разлета мишени и испарения защитной пленки .…………......16
4.2. Уравнения гидродинамики ………………………………………………...18
4.3. Коэффициенты вязкости и теплопроводности ……………………………19
4.4. Коэффициенты поглощения и температурной релаксации ………………20
4.5. Уравнение состояния ………………………………………………………..23
4.6. Начальные и граничные условия для расчета разлета мишени
и абляции жидкой пленки …………………………………………………..24
4.7. Алгоритм расчета и численная схема ……………………………………...25
5. Результаты расчетов разлета мишени и абляции жидкой пленки ….............26
5.1. Отклик жидкой пленки на воздействие рентгеновского
пред-импульса и нейтронного потока ……………………………………...26
5.2. Разлет облака мишени и абляция жидкой пленки …………………………27
6. Заключение …………………………………………………………………….34
Благодарности ……………………………………………………………………34
Литература………………………………………………………………………...35
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Концепция тяжелоионного DT-синтеза с быстрым поджигом
Настоящая работа является продолжением исследований [1-6], в ходе которых была предложена концепция энергетической установки на основе тяжелоионного DT-синтеза, а также были проведены численные расчеты, показывающие согласованность физических параметров, определяющих технологическую схему такой установки.
Кратко опишем содержание концепции ИТИС (FIHIF), следуя [1, 5, 6].
В работах [2, 7, 8] предполагается, что можно построить мощный тяжелоионный ускоритель, позволяющий ускорять однозарядные ионы тяжелых металлов до энергии ~500 МэВ/на нуклон (~100 ГэВ/на ядро). Пучок ионов облучает с торца цилиндрическую мишень [2, 9], на оси которой находится термоядерное топливо (эквимолярная смесь DT), окруженное свинцовой оболочкой (Рис. 1). Пятно пучка перемещается по торцу мишени по окружности с частотой ~109 Гц, обеспечивая практически однородное по азимуту выделение энергии в кольцевом слое (абсорбере) оболочки. Мощность пучка профилируется по времени так, чтобы энерговыделение в абсорбере обеспечило безударное сжатие топлива [10]. При достижении максимального сжатия DT-топливо поджигается сверхмощным пучком, сфокусированным на торец DT-шнура (режим быстрого поджига). Мишени инжектируются в камеру, где происходит микровзрыв, с частотой 2 Гц.
Рис. 1. Цилиндрическая мишень в концепции ИТИС и ее облучение
ионным пучком на стадии сжатия
Для предложенного сочетания драйвера и мишени в работах [1, 5, 6] представлены общая схема реакторной камеры (включая первую стенку и бланкет) и тепловая схема электростанции. Первая стенка камеры выполнена из пористого карбида кремния. Через поры в камеру просачивается жидкометаллический теплоноситель (эвтектика свинец-литий), образующий защитную пленку. В нижней части камеры сделана конденсационная полость, в которую тот же теплоноситель инжектируется в виде спрэя для ускорения процесса конденсации вещества, испаренного в результате микровзрыва.
Одномерные расчеты сжатия цилиндрической мишени и двумерные расчеты ее последующего воспламенения были выполнены в работе [2]. Моделирование воздействия продуктов термоядерного микровзрыва на первую стенку камеры и конструкционные материалы бланкета реактора ИТИС было проведено в работах [4, 5] в одномерной плоской геометрии и без учета переноса излучения. В настоящей работе мы представляем результаты согласованных расчетов сжатия и горения мишени в цилиндрической постановке, а также разлет мишени - с учетом переноса нейтронов и излучения, а также отклика первой стенки камеры реактора на микровзрыв в сферически-симметричной постановке задачи.
Следует подчеркнуть, что представляемые в данной работе расчеты носят теоретический характер и не имеют верификации в части горения термоядерной мишени и, соответственно, отклика камеры на микровзрыв, поскольку требуемые параметры драйвера в настоящее время не достижимы. Кроме того, численный расчет горения и разлета носит качественный характер и не является инженерным, учитывающим реальную геометрию объекта. Целью работы было проведение сквозного расчета горения мишени, ее разлета и взаимодействия продуктов микровзрыва с материалом первой стенки камеры в идеальной математической постановке задачи, но с возможно более полной физической системой уравнений. Полученные результаты показывают, что такой расчет может быть корректно проведен. Это позволяет надеяться и на возможность проведения таких расчетов в реальной геометрии.
1.2. Базовые параметры ЯЭУ на основе тяжелоионного DT-синтеза
Для дальнейшего анализа приведем значения параметров обсуждаемой энергетической установки, следуя [6].
Драйвер. Энергетические параметры пучка тяжелых ионов (Pt или Bi):
- длительность облучения мишени 75 нс;
- средняя мощность пучка 160 ТВт;
- полное энерговложение в мишень 7,7 МДж, из них 6,0 МДж в основном пучке и 1,7 МДж в поджигающем пучке;
Мишень. Параметры цилиндрической мишени:
- длина мишени 6,4 мм;
- полная масса мишени 3,35 г;
- масса DT-топлива 5,7 мг;
- начальная плотность DT-топлива 0,05 г/см3;
- начальный радиус DT цилиндра
=1,12 мм;- начальный радиус мишени
=4 мм;- степень сжатия DT-топлива по радиусу 22.
Энерговыделение в мишени:
- коэффициент выгорания DT 39 %
- полное усиление мишени 96, энерговыделение 740 МДж, в т.ч.:
- энерговыделение в термоядерных нейтронах 576 МДж;
- рентгеновское излучение 16 МДж;
- кинетическая энергия разлетающегося материала мишени 148 МДж.
Рис. 2. Камера и бланкет реактора ИТИС
Обозначения: 1 – поджигающий пучок; 2 - фокусирующие линзы;
3 - корпус-отражатель; 4 - защита; 5 - инжектор мишеней;
6 - сжимающий кольцевой пучок; 7 - к вакуумному насосу;
8 - к теплообменнику; 9 - поддон (PbLi); 10 – диспергированные
струи; 11 - бланкет; 12 - первая стенка с защитной жидкой пленкой
Камера. Камера предлагаемого реактора ИТИС имеет коаксиально-цилиндрическую конструкцию. С целью обеспечения достаточно быстрой конденсации паров область камеры разделена на две части: взрывная секция, в которой происходит собственно микровзрыв, и секция конденсации, в которой ионизованный пар конденсируется на распыляемых струях теплоносителя. Схема камеры и бланкета в рассматриваемой концепции термоядерного реактора представлена на Рис. 2.
Геометрические размеры камеры:
- радиус взрывной секции 5 м;
- высота взрывной секции 8 м;
- радиус секции конденсации 10 м;
- высота секции конденсации 8 м;
- толщина бланкета 0,5 м;
- толщина бетонной защиты 2 м.
Теплоноситель. В качестве теплоносителя предполагается использовать эвтектику Li17Pb83 при температуре 620 K (нижняя температура на входе в камеру) и 820 K (верхняя, на выходе из камеры). Плотность теплоносителя
=11,34 г/см3. Толщина защитной пленки первой стенки принята равной 2 мм. Удельная теплоемкость 
эвтектики 187 Дж/кг*K, свинца 130 Дж/кг*K. Удельная теплота испарения свинца 0,9 МДж/кг.2. Физико-математическая модель сжатия и горения мишени
2.1. Взаимодействие тяжелоионного пучка с оболочкой мишени
В тяжелоионном термоядерном синтезе для достижения высоких значений интенсивности облучения мишени предполагается ускорение ионов до релятивистских скоростей (0,75 скорости света при удельной энергии
ГэВ/нуклон). При этом величина массового пробега тяжелых ионов составляет 5-20 г/см2. В этих условиях вполне естественным представляется сочетание цилиндрической мишени и продольного пучка ионов.На стадии сжатия DT топлива облучение торца мишени осуществляется пучком ионов 209Bi c энергией Ei0 = 125 ГэВ. Пучок фокусируется в пятно диаметром
1,25 мм, перемещающимся по торцевой поверхности мишени по окружности радиусом 1,875 мм с частотой вращения 1 ГГц [1]. При такой частоте вращения временной азимутальной неоднородностью энерговклада пучка ионов в оболочку мишени можно пренебречь. Радиальное распределение плотности потока энергии в пучке принимается параболическим: