Fusionsreaktor, der anvender flydende metalbruser

I en fusionsreaktor med magnetfeltindeslutning, vi opretholder højtemperaturplasmaet gennem magnetfeltlinjerne ved at flyde plasmaet adskilt fra et kar. Imidlertid, der danner uundgåeligt et sted, hvor plasmaet rammer. På sådan et sted, for at modtage varmen fra plasmaet er der monteret en varmeabsorberingsenhed, der kaldes divertor. I nuværende plasmaeksperimentelle enheder, herunder Large Helical Device (LHD) på National Institute for Fusion Science (NIFS), der bruges typisk en solid afleder, hvor plasmaet ledes til en plade eller blok bestående af kulstof eller wolfram, og disse plader eller blokke afkøles med vand. I den internationale termonukleære eksperimentelle reaktor (ITER), også, en fast afleder, der består af wolframblokke, der vil blive afkølet med vand, vedtages.

Den solide afledning, fordi den lider af slid ved at blive ramt af høje temperaturplasmaer, kræver hyppig vedligeholdelse. På NIFS, fusionsreaktoren af ​​spiralformet type, hvortil designforskning er ved at blive avanceret, har det særlige kendetegn ved gode udsigter til stabil drift. Omvendt fordi strukturen er tredimensionel og kompliceret, hvordan vedligeholdelse af afledere vil blive udført, er ved at blive et vanskeligt teknologisk problem.

I den fremtidige fusionsreaktor, mængden af ​​varme, som afledningen vil modtage, vil vokse sig større, og der er bekymring for, at varmefluxen væsentligt vil overgå ITER -designværdien, hvilket er cirka 20 megawatt pr. kvadratmeter. Som en afleder, der vil bære denne ekstremt høje varmeflux, metoder til brug af flydende metal er blevet foreslået og overvejet i mere end 40 år. Ideen har været at modtage den høje varmeflux med strømmen af ​​smeltet lithium, tin, og andre flydende metaller. Hvis strømningshastigheden kan overstige flere meter i sekundet, så kan aflederen modstå fusionsplasmas høje varmeflux. På den anden side, fordi partikler, der er blevet omdannet til neutral gas fra et plasmastop på aflederen, rollen som udtømning af disse gasser til ydersiden kræves således. I særdeleshed, om fusionsreaktoren med spiralformet type med dens komplicerede struktur, der havde ikke været noget forslag til tanken om en flydende metalafleder, hvor høj varmebestandighed og evakueringsydelse er kompatible.

Forskergruppen for professor Junichi Miyazawa, Professor Akio Sagara, og andre, hele National Institute for Fusion Science, konstrueret en ny type flydende metal bruseafledersystem, der evakuerer plasma som neutrale gasser, før de ankommer til fartøjet. De sigtede mod en fin jetstrøm af flydende metal, der var stillet op i en brusebadstilstand mod perifere områder af højtemperaturplasmaet. De brugte tin, hvilket er fremragende til lavt damptryk og til at være billigt, og også for sikkerheden.

I denne nye metode, de placerede apparatet med intervaller på kun ti steder inde i den toroidale indeslutningsindretning (se figur 1). På denne måde, vedligeholdelse bliver meget lettere at udføre. Omvendt området, som plasmaet kan komme i kontakt med, falder, og så øges varmebelastningen kraftigt. Hvis vi anvender højhastigheds flydende metalstrøm, så bliver dette en modforanstaltning.

Fordi plasma med høj temperatur bevæger sig langs magnetfeltlinjerne, ved at placere det flydende metal på skrå, der dannes en stærk væg, hvorigennem plasmaet ikke kan passere. (Se figur 2 til venstre.) Plasma neutraliseret på overfladen af ​​det flydende metalbruser passerer gennem bruserne mellem bruseren mod bagfladen, og dermed er effektiv evakuering mulig. (Se figur 2 til højre.)

Den flydende metalbruser kan bære en ekstremt stor varmebelastning, der overstiger cirka ti gange den værdi, som den seneste ITER -omdirigerer tolererede. Selv med en så høj varmebelastning, vi har lært, at hvis vi bruger en flydende metalstrøm på 4 meter i sekundet, så kan den høje varmebelastning let blokeres. Som vist i figur 3, fordi der er den vigtige egenskab, når plasma rører bruseren én gang, det rammer ikke fartøjet.

I den flydende metalbruser, et stabilt flow over en længde på et par meter er nødvendigt. Strømmen accelereres af tyngdekraften, og når diameteren bliver tynd, bliver overfladen samtidigt ustabil, dryp falder, og der dannes spray. Som en enhed, der modtager varme, dette er ikke ønskeligt. For at undertrykke hastigheden ved tyngdekraften, vi indsatte et objekt, der ville blive modstand mod strømmen inde i væsken. I den interne modstand, vi bruger wire og tape, eller en kæde. Hvilket der er bedst vil variere afhængigt af væskens sort og den ønskede strømningshastighed. Når der er intern modstand, fordi højtemperaturområdet og lavtemperaturområdet let vil blive ophidset, vi forudser også den effekt, der sænker den højeste temperatur og undertrykker fordampningen af ​​det flydende metal.

I denne nye procedure, sammenlignet med hidtil anvendte procedurer, der brugte kulstof og andre faste stoffer, sammen med varmebestandig ydelse, der vokser med mere end 10 gange, det kan forventes, at der også opnås en høj evakueringsydelse. Yderligere, der er ingen begrænsninger for enhedens levetid på grund af slid forårsaget af plasma, og vedligeholdelse af enheden bliver let. Fordi den spiralformede fusionsreaktor har en kompliceret tredimensionel struktur, det menes, at brug af flydende metal i den varmemodtagende enhed vil være problematisk. Men ifølge denne forskning, det er blevet angivet, at dette vil være muligt.

Disse forskningsresultater blev præsenteret på den 26. Internationale Atomenergiorganisations konference, der blev afholdt 17.-22. Oktober i Kyoto, Japan.

Med hensyn til aflederen, der forventes at bære den ekstreme høje varmebelastning i fusionsreaktoren, der havde endnu ikke været et svar. Denne forskning vil give et gennembrud vedrørende dette vanskelige problem, og vil være et vigtigt skridt i retning af at opnå den fremtidige fusionsreaktor.

Med hensyn til denne forskning, Vi har udviklet en teknologi til stabilisering af et flow, der overstiger flere meter. (Patentansøgningen er i øjeblikket under revision.) Væskestrømmen, såsom drikkevand, der strømmer fra vandhaner og brandvognsvand, er et konventionelt fænomen. Men i måderne at bruge væskestrøm er mange muligheder skjult. I særdeleshed, i en stabil og lang strøm af væske, fra landbrug og kemi til markerne baseret på vores liv, såsom luftfugter og indretning, der er en lang række forskellige applikationer. Selv som et emne for akademisk forskning, vand er fængslende. Hvis opmærksomheden henledes på nytten af ​​væskestrøm ved denne forskning, vi kan forvente yderligere aktiviteter inden for beslægtede forskningsområder.