Interacción de la pared del plasma y la extracción de las partículas y el calor

Interacción de la pared del plasma y la extracción de las partículas y el calor

Una fuerza que se extende a la periferia del plasma, las partículas terminan bien dejando la trampa magnética: lo que sucede cuando se encuentran con la pared? Lo que parece ser el plasma borde de un tokamak?

a) Introducción

A pesar de la trampa magnética de la configuración del tokamak, el confinamiento de las partículas y la energía en el plasma no es perfecta, y el calor y masa transmitido desde el centro de descarga hacia el exterior. Esto da como resultado que conducir grandes cantidades de energía y partículas hasta el borde de la descarga (con un mayor flujo de calor a las que prevalecen en el sol!): Es entonces cuando el plasma frente componentes gestionar de forma simultánea ambos problemas ...

Lo que parece ser la configuración magnética en la zona de borde posterior? La diferencia con el plasma central, donde las líneas de campo están en un circuito cerrado, es que en esta zona de las líneas de campo están abiertas, interrumpido por un obstáculo sólido (el componente frente al plasma). Última llamada superficie metálica cerrada (DSMF) Devuelve el área de la frontera magnética entre las dos zonas. Este DSMF se define por el primer punto de contacto con un objeto sólido, que limita el plasma, de ahí el nombre limitador para los componentes que enfrenta plasma de primera línea.

Las partículas cargadas, ya sea en la zona centro o el borde, siempre siga las líneas del campo y por lo tanto va a colisionar con el sólido: Se llama la interacción de plasma / pared. Durante la colisión, las partículas cargadas son neutralizados (es decir, revertir átomos o moléculas mediante la recopilación de electrones) y por lo tanto se vuelven insensibles a los campos magnéticos, libre de moverse en el capricho de las colisiones con los componentes del plasma se enfrentan o otras partículas, hasta que se ionizan de nuevo por el contacto con el plasma. A continuación, comienzan a seguir las líneas de campo, y, o bien se pueden recargar las partículas de plasma si se ionizan en la zona central de la descarga o hacer de nuevo una colisión con un sólido si se ionizan en la zona del borde . La historia continúa hasta que la partícula se extrae del sistema, ya sea al ser absorbida por la pared, o por el sistema de bombeo externo. Todos estos fenómenos llamados reciclaje.

Así que hay una reunión bastante extraordinaria, donde el cuarto estado de la materia (plasma) se unió a los otros 3 (la pared sólida, el gas resultante de la interacción del plasma con la pared, y el líquido, que fluye a algunos centímetros de la superficie de la pared se enfríen ...). También viajamos una escala de temperatura, a los cientos de millones de grados para el plasma central de 10.000 grados al plasma borde donde se encuentran las moléculas y átomos, y a 1000 grados a la temperatura de la superficie de plasma frente a los componentes.Se distinguen tres zonas de temperatura en una imagen del tokamak Asdex

tomada por una cámara que trabaja en el campo de la luz visible

, en el que vemos el irradie plasma borde fuertemente, mientras que el plasma centro a alta temperatura, emitida en una gama de longitud de onda diferente(ver los rayos X

) y aparece como transparente por la cámara visible.

El plasma ataca la pared sometiéndolo a un intenso flujo de partículas y de calor; la pared se venga sobre el plasma, emitiendo impurezas que contaminan. ¿Cómo encontrar el material que va a reconciliar las dos partes?

b) Los materiales

Con la obtención de plasmas más eficiente nos damos cuenta de la importancia de las interacciones de plasma / pared. En efecto, en los primeros experimentos, la duración de los vertederos fue demasiado corto para observar el calentamiento o daño significativo de los componentes del plasma frente. Con el aumento de la potencia acoplado al plasma que se encontró que la pared, sometido a bombardeo de partículas, expedida impurezas, desgarrado por la erosión, como el agua de un río erosiona lentamente la roca sobre la cual pasa. Estas impurezas estaban contaminando el plasma central y limitan el rendimiento de la energía radiante máquina acoplada al plasma, que luego se perdió en lugar de ser utilizada para calentar la descarga (véase el balance de energía en un tokamak).

Una primera idea era cambiar el material de la pared, y no ha habido un componentes de metal en bruto en máquinas llamadas materiales ligeros, como el carbono o berilio. De hecho, además de sus buenas propiedades térmicas, estos materiales tienen la ventaja de que irradia menos fuertemente que los metales cuando se pulveriza en el plasma. Por lo tanto, Tore Supra está equipado mayoría de los componentes de carbono, también se utiliza para el material escudos térmicos en la industria espacial. tecnologías de enlace entre originales de cobre (material de refrigeración) y carbono (plasma de revestimiento) también se han desarrollado para las necesidades específicas de Tore Supra tokamak única operación de pulso largo en el que las fuerzas, como en el futuro reactor, utilizar componentes enfriados (es decir, impulsado por los sistemas de agua a presión). Estas tecnologías se han aplicado al proyecto SKY, diseñado para mejorar la capacidad de eliminación de calor de Tore Supra.

NB: el carbono tiene también otras propiedades físico-químicas, en términos de retención de hidrógeno y la erosión, en particular, que tienen un fuerte impacto en las interacciones de plasma / pared. Los problemas asociados con la retención de tritio radiactivo en un tipo de reactor de máquina hacen que sea continúa analizando materiales alternativos, tales como de tungsteno.

Aquí vemos, en la cámara de vacío de Tore Supra, un soldador en el trabajo en la primera pared interna, compuesta por cientos de briquetas de carbón. También podemos ver la estructura de panal de la vasija interior, que ha permanecido metal, el plasma no se descansar directamente encima.

El tokamak JET

posee, por su parte, además de los elementos con alto flujo de carbono, una pared cubierta con berilio. El uso de un traje para el trabajo dentro de la habitación es necesario debido al polvo nocivo generado por berilio.

Cómo prevenir debilitarse pared y plasma mutuamente? Los físicos han desarrollado varias configuraciones para mantener el plasma central en vez de la interacción de plasma / pared.

c) Las diferentes configuraciones del borde de plasma

desviador de revolución

Después de la optimización de materiales, una segunda idea era eliminar el área donde la interacción adecuada de plasma / de la pared del plasma central, para evitar impurezas emitidos en esta área no llega al corazón de la descarga : la configuración de simetría axial desviador, donde DSMF ya no se define por el punto de contacto con un sólido como en el caso de la configuración del limitador, sino por una frontera "magnético" creado por la adición de una bobina alrededor del tokamak.

Somos conscientes de la ventaja del sistema en el siguiente diagrama. El flujo de partículas que emergen del plasma por difusión radial está representado por la flecha grande blanca bordeada de rojo. En la primera configuración, izquierda, las partículas siguen las líneas de campo y se reunirá con el limitador (flecha roja 1). A continuación, se neutralizan y pueden romper durante el impacto de las impurezas, como también neutros a la pared. Estas partículas neutras no están obligados a seguir las líneas de campo (flecha verde 2) y moverse libremente hasta que los vuelva ionizados por el plasma. Dada la proximidad de la plasma central, que tienen una alta probabilidad de ionización de nuevo en el corazón del relleno (flecha roja 3). Por contra, en la configuración del desviador, a la derecha, el flujo de salida de plasma se dirige a lo largo de las líneas de campo hacia las placas de neutralización situados fuera del plasma central. Las impurezas son entonces más probable que sea réionisées en la zona fronteriza, donde siguen las líneas del campo a ser interceptados de nuevo por medio de placas de neutralización. A continuación, se mantienen en un circuito cerrado sin interrumpir el núcleo de la descarga: esto se llama detección de impurezas. Se está probando esta nueva configuración que el modo de contención mejorada dicho modo de H fue descubierto en la ASDEX máquina alemana en los años 80, lo que sin duda asegurado el éxito de este sistema. Las máquinas actuales más grandes, como JET

et JT60-U, están equipadas con este tipo de dispositivo.

Divertor ergodique

Module de divertor ergodique dans la chambre à vide de Tore Supra

Sobre Tore Supra, hemos probado una variante de esta configuración, el desviador ergódico, cuya idea básica es la misma - mantener la interacción / pared de plasma área del centro de plasma - sino que se utiliza para esta perturbación magnética "ergodise" las líneas de campo en el borde de la máquina, es decir, en lugar de la bien ordenada en la estructura anidada toro, que reciben el borde de una mezcla caótica de líneas de campo. Las interacciones entre la pared de plasma son más lejana "geográficamente", pero "magnéticamente" de la zona central. Aquí nos encontramos con el concepto de caos, el área de investigación fundamental en expansión, actualmente en boga en la física, sino también en el tiempo o la economía.

Lo que parece ser la misteriosa bestia? A 6 módulos colocados de manera uniforme alrededor de la habitación, en la cual se hace circular una corriente para crear perturbaciones.

La corriente utilizada para crear perturbaciones (idiv) fluye en las bobinas que se muestran en negro por debajo de los contras. Las superficies magnéticas reaccionan mediante la deformación cerca del módulo de desvío ergódico, y el plasma entra en contacto con el desviador en el neutralizadores.

Vemos abajo contra una representación esquemática de las diferentes líneas de campo (tubos de color) en la zona de borde en la configuración del desviador ergódico, los módulos se muestran en rojo. Las líneas de campo se mezclan y reanudar el patrón de circulación de partículas se describe para otras configuraciones, se encuentra que las partículas neutras tienen una alta probabilidad de ser réionisées en una línea de campo que devuelve a uno de los módulos, y por tanto, quedar atrapado en la zona del borde donde se ejerce la perturbación

Cómo manejar un mayor flujo de calor a las existentes en la superficie del Sol? El uso de tecnologías avanzadas para los componentes de la pared, y que actúa sobre el plasma para reducir la carga de calor.

d) La extracción de los escenarios de radiación de calor

Le plasma de bord fait mal ...

Cuando las partículas de plasma siguen las líneas del campo y la intersección de las paredes en la zona fronteriza, depositan su energía, que, aunque es mucho menos de lo que encontramos en el corazón del plasma, sigue siendo formidable para sólidos (1 eV, lo que corresponde a la magnitud de las energías de enlace entre los átomos). En Tore Supra, uno puede lograr flujos de calor de varias decenas de MW / m2 a lo largo de las líneas del campo, del mismo orden de magnitud que las que existen en la superficie del Sol (alrededor de 70 MW / m2). Para dar un orden de magnitud, de 10 MW / m2 que cae sobre el plomo no refrigerado tipo simple de grafito de carbono a un aumento de la temperatura de 1000 ° C en 1 segundo: para que nada a largo soportar estas condiciones!

Aquí vemos una imagen infrarroja del tokamak JET superpuesta a la imagen de la máquina, que se observa claramente el flujo de calor concentrado en las placas del desviador (Azules parte inferior).

Del mismo modo, la imagen de la derecha muestra el flujo de calor en la pared interior de Tore Supra registrada por una cámara de infrarrojos.

La película muestra la carga térmica del toroidal bombea limitador Tore Supra

Voir le film "charge thermique du limiteur de Tore Supra"

(mpg, 1904 ko)

Una idea para reducir la carga de calor es optimizar la geometría de los componentes que se enfrenta el plasma con el fin de interceptar las líneas de campo de manera oblicua y difundir el flujo incidente en el área más amplia posible. Por ejemplo, la interceptación de una línea de campo con un ángulo de 10 ° en lugar de 90 ° (incidencia normal, la mayoría situación de forzamiento) atenúa la carga de calor en un factor de 6.

El caso de Tore Supra

En Tore Supra, máquina para trabajar largas descargas, especial cuidado se ha tenido en el diseño de componentes de contacto con el plasma, que son enfriados por circulación de agua a presión para soportar intensas cargas térmicas en el tiempo de largo. ¿Cómo se cambia el tamaño de estos componentes? Varios criterios entran en juego primer lugar, el material de revestimiento del plasma. Debe ser resistente al choque térmico, se elimina el calor, en el mejor, que no contamina el plasma demasiado si se erosiona. Carbon, sino también el tungsteno o berilio, son buenos candidatos. A continuación, el material estructural, en la que el material de revestimiento de plasma se monta y que proporciona un enfriamiento: no es la extracción de calor que se prefiere, y por lo general se elige leyes de cobre en la que se mecanizan canales con circulación de agua a presión de refrigeración. Restos de optimizar el espesor de la plasma material de revestimiento. Si queremos minimizar el aumento de temperatura de los componentes, se debe elegir el más delgado posible para que el calor se difunde rápidamente como sea posible en el material estructural. Por otra parte, usted todavía tiene que garantizar una cierta fuerza, y toda una vida suficiente a la erosión por el plasma. En la práctica, se llega a un acuerdo sobre un espesor de 1 cm. Los avances en los materiales (tipo compuesto de fibra de carbono o CFCs, también se utiliza en el campo de la industria espacial) y en sistemas de refrigeración técnicas han hecho posible el desarrollo de componentes capaces de soportar continua 10 MW / m2. Tore Supra es un banco de pruebas ideal para las tecnologías y los materiales desarrollados para la próxima generación de la máquina (potencia inyectada en el plasma es menor, pero se concentró en un área más pequeña ya que la máquina es menor: los flujos de calor involucrado son comparables).

Una idea radiante ...

Una vez que la geometría del plasma frente a componentes optimizados, una segunda idea es la de actuar en el plasma para reducir la carga térmica: esta es la investigación con la radiación de vuelta escenarios, en los que intentar mitigar el flujo de calor concentrado en la primera componente encontrada por el plasma, creando una capa periférica que irradia energía uniformemente alrededor de la máquina, lo que permite distribuir mejor la carga en todos los componentes.

Por ejemplo, aquí se ve en el caso de una carga de calor limitador de configuración se concentró en el primer componente hacia el plasma reunido por las líneas de campo en el caso de un escenario sin radiación (izquierda), mientras que en el caso un escenario radiante (derecho), la potencia se distribuye en todas las paredes de la máquina, lo que conduce a un flujo menos térmico.

Por una vez, así que deliberadamente busca disipar la radiación de energía, pero tan bien controlada. Esto se logra mediante el uso de la radiación de la descarga de combustible, el deuterio, en la cantidad de altas densidades, o mediante la inyección de pequeñas cantidades de impurezas de una bien seleccionada por sus propiedades. La dificultad es entonces para controlar adecuadamente la capa de radiación, tanto en intensidad (no perturbar el equilibrio de energía) que la ubicación (la capa radiante debe permanecer en el borde del plasma sin degradar el rendimiento del centro): debe ser elegir la impureza! Se han realizado estudios sobre Tore Supra y otras máquinas, con inyecciones de argón, neón o nitrógeno.

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Pequeña aplicación digital de ...

Por ejemplo, considere el tamaño de las órdenes del ITER máquinas de última generación. 300 MW desde el corazón de la descarga se descarga (potencia producida por las reacciones de fusión y llevado por las partículas alfa añadido a la potencia exterior acoplado al plasma). De estos 300 MW, 100 son radiadas en el centro de la evacuación por diferentes procesos (bremsstrahlung y la radiación sincrotrón). Eso deja a 200 que alcanzan el borde del vertedero, y se concentra en las placas del desviador, que representan alrededor de 10 m2 de superficie: sin radiación, que daría a los 20 MW / m2. Con base en estudios en las máquinas existentes, los escenarios de radiación aplicadas, para que el ITER irradian alrededor de 150 MW, dejando a 50 MW para el desviador (o 5 MW / m2, aceptable desde el punto de vista tecnológico) y llevado a fluir en el orden de 0,5 MW / m2 sobre toda la pared de la máquina.

¿Cómo evitar las partículas de helio, las cenizas de la reacción de fusión, que se acumula en el vertedero y terminan ahogando el plasma? Como Shadoks, tiene que bombear ...

e) Inyección y Extracción de materia

Las reacciones de fusión D-T producen "cenizas", las partículas de helio. Estas partículas, creado en el centro de la descarga, la transferencia de parte de su energía al plasma a través de colisiones y por lo tanto sirven para mantener el plasma, antes de la radiodifusión con otras partículas al borde del vertedero. Para evitar que se acumule y llegar asfixiante defensa, los dispositivos especiales se proporcionan en el plasma frente a los componentes de extraer. Son para recoger el flujo de iones en la neutralización de las ranuras diseñadas para dirigir el flujo de neutral creado e insensible a los efectos del campo magnético de un sistema de bombeo situado lejos de la máquina.

Aquí vemos dos métodos de bombeo probados en Tore Supra limitadores. El primer método es recoger directamente el flujo de iones en ranuras y dirigirla a un sistema de bombeo. La ventaja: una gran eficiencia de bombeo, el lado negativo: un alto flujo de calor en el borde, situado junto a la garganta. Un segundo método es permitir que el incidente flujo de iones para neutralizar la superficie del limitador, y se basan en procesos de física atómica para traer algunos neutral así creada a las ranuras, lo que lleva al sistema de bombeo. La ventaja sobre el borde de ataque al problema, el lado negativo: menos eficiencia de bombeo.

Se muestra aquí son una sección a través de la parte inferior de la tokamak JET, donde el sistema extrae las partículas se muestra: el flujo de plasma alcanza la región de borde, donde se neutraliza las placas del desviador. El flujo de neutro se recoge a través de las vigas y dirigida a una bomba.

La mayoría de las máquinas actuales operan en deuterio puro (JET es la única máquina en funcionamiento de las instalaciones necesarias para operar con tritio en la actualidad) y extrapolar los resultados obtenidos en D-D de fusión D-T. bombear el helio se estudió por medio de inyecciones de helio en la descarga desde el exterior y la observación de cómo se comporta el sistema de bombeo. logros de rendimiento son compatibles con los requisitos de funcionamiento de un futuro (concentración de helio en el centro de plasma de menos de 10%) del reactor.

Por desgracia, es difícil de eliminar preferencialmente el helio en el borde del plasma: así extraer todo lo que sucede en el vertedero, una mezcla de combustible (deuterio y tritio), fresno (helio) y la baja proporción de impurezas emitidas por las paredes de la máquina. a continuación, ordenadas según esta mezcla de helio y elimina las impurezas, y se reinyecta en continuo de combustible para compensar lo que fue extraído de la descarga. El sistema de bombeo está diseñado no sólo para eliminar la ceniza en un reactor de futuro, sino también para controlar la densidad del plasma de combustible en las máquinas actuales, jugando en la cantidad extraída y reinyectado.

Sin embargo, la mayoría de estos sistemas de bombeo llamados "activos", hay un dicho bombeo de retorno "pasiva" ejercida por la pared. De hecho, el carbono, el material a menudo elegido para el plasma frente a los componentes debido a su buena resistencia al choque térmico y de bajo número atómico que limita los problemas de radiación, tiene una característica muy específica: se trata de véritableéponge hidrógeno, capaz de absorber una gran parte del flujo de las partículas que inciden, hasta que se satura el material. A continuación, puede hacer que se escupió partículas que absorben, sobre todo si se sobrecalienta. Hay que tener en cuenta la pared cuando se trata de controlar la densidad de descarga.

lado de la oferta plasma, hay tres medios de inyección de combustible de nuevo en el vertedero:

la inyección de gas a través de una tubería de llegar a la cámara de vacío. Fácil de implementar, este método es bastante eficaz, pero muy comúnmente utilizado en tokamaks (típicamente 20% de las partículas inyectadas penetrar la descarga en Tore Supra ...)

inyección neutral, que también sirve como medio de calentamiento. La eficiencia se ha mejorado, pero las cantidades inyectadas son bastante bajos y no siempre son suficientes para descarga de energía.

inyección de hielo, que consiste en la inyección de pequeñas perlas de deuterio o tritio en forma de hielo. Utiliza sistemas que se parecen a las pistolas de aire, capaces de inyectar el deuterio hielo de varios kilómetros por segundo. El dispositivo es complejo, pero conduce a un llenado eficiencias mucho mejor que la inyección de gas de plasma (hasta 80% en Tore Supra). Desarrollos están en marcha para adaptar los sistemas de impulsos de corriente de funcionamiento continuo.

La imagen está en contra de la inyección de un cubo de hielo en Tore Supra vista, como detecta una cámara sensible a la radiación de deuterio neutro. El halo corresponde a la densa nube de partículas neutras que rodean el carámbano que "fondo", como y la medición de su carrera en el plasma, la difusión de su contenido, el cual se ioniza (y se vuelve invisible a la cámara) en las superficies magnéticas que atraviesa.

Lo que sucede cuando se trata de interactuar con plasma de la pared? Repasemos la escena, esta vez desde el punto de vista de la pared.

f) ¿Y la pared en todo eso?

¿Qué pasará cuando el plasma está interactuando con una pared sólida? Consideremos el caso donde la pared está hecho de carbono, un material muy común en tokamaks debido a su resistencia al choque térmico, y la partícula incidente deuterio D + ion. Muchos fenómenos pueden ocurrir ...

Reflexión

En primer lugar, la partícula incidente cargada simplemente se puede reflejar en forma de partícula neutra (átomo o molécula D D2 en el caso de la recombinación) y volviendo al plasma, donde de nuevo se ioniza. Este es el reciclaje.

Absorción, rétención

Entonces, la partícula puede ser absorbida por la pared, porque el carbono es un hidrógeno esponja. Esto ocurre hasta que todo los átomos de hidrógeno, como la esponja sólo pueden absorber una cierta cantidad de agua. Bajo ciertas condiciones (por ejemplo, sobrecalentamiento), la pared también puede liberar las partículas atrapadas que, mientras presionan la esponja. Las partículas incidentes también pueden afectar a sus partículas de liberación atrapado (desorción). Esto complica el control de la densidad del plasma, que puede estar fuertemente influenciada por el estado de saturación de la pared, enorme reserva de partículas de tiempo de llenado muy largo. Esto se ve claramente en Tore Supra, especialmente en el programa de largo las descargas, donde la densidad de plasma tiende a subir en el extremo de descarga, probablemente debido a la desgasificación de la pared distante, que no se busca en los choques más cortas pero se calienta a través del tiempo. La solución: un enfriamiento todos los componentes de la pared, incluso los ubicados lejos del plasma. Esto es lo que se ha hecho sobre Tore Supra en el proyecto CIEL.

acondicionamiento en los tokamaks

Además, se desarrolla técnicas de envasado devuelven la cámara de vacío, con el fin de controlar mejor el estado de la pared. Un primer procedimiento consiste en cubrir las paredes con una fina película protectora con propiedades interesantes. En Tore Supra, y se lleva a cabo periódicamente (aproximadamente 1 vez por mes) un boronizing (boro película de carburo), que tiene la ventaja adicional de un eliminador de oxígeno, lo que mejora la pureza del plasma. Entre boronisations, también se puede saturar la pared con descargas luminiscentes (es decir, hemos hecho un muy pequeño y potente del plasma de helio sin confinar el campo magnético, simplemente lavar las paredes y fuera de la deuterio atrapado por las partículas de helio impacto en la pared) hizo durante la noche para preparar el programa experimental del día siguiente. Por último, durante el día experimental, hemos desarrollado la limpieza de vertidos de recuperar algunas de las partículas atrapadas y operar con una pared más o menos desaturado, incluso después de muchos golpes o interrupción.

Además de controlar la densidad del plasma, otra pregunta es la retención de hidrógeno en la pared, que se vuelve problemático cuando la siguiente etapa, el tritio radiactivo se puede utilizar como combustible. De los resultados de tokamaksJET

y TFTR, sólo las máquinas que se utilizarán tritio en la actualidad, desarrollamos escenarios para reducir al mínimo las técnicas de la pared de retención y acondicionamiento para recuperar el tritio atrapado.

Erosion

Por último, las partículas entrantes se pueden extraer átomos de carbono a la pared: se llama erosión. Algunos de estos átomos de impurezas puede entonces por una cascada de fenómenos físicos atómicos llegar al centro del relleno y venir degradar el rendimiento de la central de plasma mediante la radiación de una parte de la potencia acoplada al plasma. Después de los fenómenos de transporte complejos, el carbono se erosiona con el tiempo vuelve a depositar en las paredes de la máquina, algún tiempo lejos del lugar donde se rasgó. Pero esta re-deposición no es suficiente para evitar una lenta erosión de los componentes del plasma frente, especialmente en lugares donde el flujo de partículas incidentes concentrada: esto es una preocupación importante para la próxima generación de máquinas, donde uno debe asegurarse de que los componentes de toda una vida suficiente para no verse obligados a cambiar con demasiada frecuencia. se llevan a cabo muchos estudios, tanto desde la perspectiva de la pared (materiales de dopado para soportar mejor la erosión, el uso de tungsteno o berilio en lugar de carbono) de plasma (atenuación de flujo radiante incidente en los escenarios) .