Lítio líquido como material desviador para mitigar danos graves de componentes próximos durante transientes de plasma

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18782 (2022) Citar este artigo

948 Acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

A operação bem-sucedida de reatores de fusão termonuclear como ITER, DEMO e futuras plantas comerciais é determinada principalmente pela escolha ideal de materiais para vários componentes. O objetivo deste trabalho é simular com precisão e abrangência todo o dispositivo em 3D para prever prós e contras de vários materiais, por exemplo, lítio líquido em comparação com tungstênio e carbono para prever futuros desempenhos de divertores semelhantes a ITER e DEMO. Usamos nosso abrangente pacote de simulação HEIGHTS para investigar a resposta de componentes do tipo ITER durante eventos transitórios em geometria 3D exata. A partir das partículas de plasma do núcleo quente perdidas através do SOL, deposição na superfície do desviador e geração de plasma secundário de materiais do desviador. Nossas simulações previram uma redução significativa na carga de calor e danos ao desviador próximo e aos componentes internos no caso de lítio ser usado nas placas do desviador. Enquanto, se tungstênio ou carbono forem usados ​​na placa desviadora, áreas significativas de fusão e pontos de vaporização podem ocorrer (menos para carbono) no refletor, cúpula e tubos de aço inoxidável, e até mesmo partes das primeiras paredes podem derreter devido à alta radiação potência do plasma do desviador secundário. A deposição de radiação de fótons de lítio no desviador e nas superfícies próximas foi diminuída em duas ordens de magnitude em comparação com o tungstênio e em uma ordem de magnitude em comparação com o carbono. Esta análise mostrou que o uso de lítio líquido para superfícies do tipo ITER e futura DEMO pode levar a uma melhoria significativa na vida útil dos componentes.

O desenvolvimento bem-sucedido de reatores de fusão termonuclear, como o ITER ou os dispositivos DEMO da próxima geração, é determinado principalmente pela escolha ideal de materiais para os vários componentes e sistemas. As seleções de materiais devem promover longa vida útil dos componentes (especialmente desviador), incluindo tolerância a altas cargas de calor durante eventos transitórios de plasma, fornecer reação termonuclear eficiente e transformação de energia, reter concentração mínima de trítio em componentes, promover problemas de compatibilidade de material, segurança e outros requisitos . Atualmente, o ITER é o principal projeto internacional com o objetivo de demonstrar a capacidade do conceito tokamak para a produção futura de energia. O dispositivo ITER é muito maior do que qualquer tokamak atual existente e terá fluxos de calor muito maiores para os componentes do desviador durante as instabilidades do plasma. As cargas de calor de superfície esperadas durante a interação de material de plasma (PMI) são uma das principais limitações no desenvolvimento de dispositivos de fusão bem-sucedidos. Os componentes voltados para o plasma (PFCs) serão danificados e corroídos no dispositivo ITER não apenas durante a operação anormal (por exemplo, interrupção), mas também na operação normal, ou seja, modos localizados na borda (ELMs)1. O uso do desviador de tungstênio completo como no projeto atual do ITER pode causar danos significativos a todos os componentes internos não inicialmente visíveis ao plasma de interrupção, incluindo defletores, placas refletoras, cúpula e até mesmo a primeira parede de berílio. Reparar todos esses componentes exigirá um tempo de inatividade significativo na operação do reator por períodos prolongados. O design completo de tungstênio do desviador ITER durante instabilidades de plasma resultará no desenvolvimento de plasma de tungstênio secundário denso de alto Z com poder de radiação muito alto para vários componentes internos.

Uma maneira proposta de diminuir a carga de calor dos componentes internos é cobrir parcialmente ou inserir tiras de materiais de baixo Z ao redor dos pontos de ataque (SP) do desviador de tungstênio. Pequenas inserções de carbono no SP, por exemplo, podem eliminar ou reduzir significativamente o conteúdo de tungstênio no plasma secundário, ou seja, plasma gerado por carbono, reduzindo a contaminação de tungstênio do plasma central e diminuindo muito o dano das superfícies próximas do desviador e primeiras paredes devido ao muito potência de radiação reduzida2. Uma pequena tira de inserto de carbono (apenas menos de 10% da opção de design de placa desviadora totalmente em carbono, que tem seus próprios problemas adicionais) evitará danos a todos esses componentes internos que são muito difíceis de reparar e evitará o potencial de danos significativos quantidade de contaminação de alto Z para o plasma do núcleo durante eventos transitórios que podem causar interrupção total ou afetar a operação bem-sucedida no projeto ITER atual. O plasma gerado por carbono absorve energia principalmente na parte térmica em comparação com o tungstênio de alto Z. O carbono tem uma estrutura atômica simples em comparação com o tungstênio. Como resultado, os íons de tungstênio consomem grande parte da energia transitória do plasma por meio da ionização, enquanto no carbono é aumentando a velocidade de seus íons. A vantagem de usar carbono é que o resfriamento térmico é um processo lento. A deposição de energia final será retardada no tempo e localizada dentro das partículas de carbono que são transferidas para locais distantes com intensidade muito baixa que não causam danos significativos. No caso do tungstênio, o processo de resfriamento é a recombinação de íons W e emissão de fótons fortes. Este processo é muito mais rápido e a deposição de energia final não está localizada dentro dos íons de tungstênio devido aos fótons irradiados se moverem em todas as direções, independentemente da estrutura do campo magnético. Como os íons de tungstênio são mais pesados ​​que os íons de carbono, os processos de colisão e espalhamento são mais "eficazes" no caso do tungstênio, ou seja, mais íons de hidrogênio incidentes e sua energia mudam de direção e são refletidos para paredes e componentes internos e não penetrar profundamente na nuvem de plasma densa secundária. Como resultado, a deposição de energia final é redistribuída para as superfícies internas dos componentes, causando intensos pontos quentes locais.