蒸腾式第一壁冷却

技术领域

本发明涉及等离子体腔室。特别地，本发明涉及用于等离子体腔室的第一壁结构。

背景技术

图1是示例性托卡马克(tokamak)等离子体腔室的横截面。托卡马克的主要部件是环向场磁体(toroidal field magnet，TF)41和角向场(poloidal field，PF)线圈43，其磁性地约束、成形和控制在环形(toroidal)真空容器44内部的等离子体，以及中心柱42(其包括TF磁体的内部部分，加上冷却和结构支撑)。托卡马克还包括屏蔽(shielding)45、46。等离子体被包含在真空容器44内，所述真空容器44的内部表面被称为“第一壁”。真空容器可以具有端口47、48，以用于将传感器或其他部件插入容器中，或者用于诸如中性束注入(neutral beam injection)的技术。

术语“第一壁”还可以用于等离子体腔室的任何直接面向等离子体的部件，例如在内部偏滤器(divertor)、挡板、限制器或线圈上方的盖。

托卡马克是一种磁约束等离子体腔室--其他的磁约束等离子体腔室包括星状器(stellerator)或球马克(spheromak)。每种磁约束腔室将具有类似的广泛原理--即真空腔室和一个或多个磁体，其中磁体产生磁场，所述磁场将等离子体保持在真空腔室内并最小化与壁的相互作用。

在磁约束等离子体腔室中所产生的等离子体易于发生不稳定事件。这些中的一些使等离子体直接与等离子体腔室的壁接触，从而产生高度局部化的加热区域。这些事件的持续时间非常短-延续达数百毫秒-但是被沉积的能量密度的量足以熔化甚至高度坚固的耐熔金属，诸如钨。除了明显的结构问题之外，这在许多应用中是一个问题，因为沉重的钨(或其他耐熔金属)原子可能“污染”腔室中的等离子体，导致其冷却。

污染影响可以经由锂化或硼化被减轻-用锂或硼的薄层涂覆等离子体腔室壁的内部(“第一壁”)，使得其将在钨之前蒸发。然而，在不稳定事件期间，热量将仍然对钨引起结构损坏，并且锂层或硼层最终将会磨损。

因此，需要保持第一壁的耐熔金属是凉的--低于其熔点--以防止在不稳定事件期间的任何结构损坏，并且在这种事件期间减少沉重的原子到等离子体中的蒸发。

发明内容

根据第一方面，提供一种用于等离子体腔室的第一壁结构。第一壁结构包括内壁和固体沉积物。内壁由耐熔金属或其合金或其复合物形成并具有多个细孔(pore)。固体沉积物与内壁处于热学接触中(in thermal contact)，从而所述多个细孔提供从第一壁结构的外部到沉积物的通道。沉积物由具有的沸点低于耐熔金属的熔点的材料组成。第一壁结构被配置为使得在第一壁结构的常规操作温度下，沉积物是固体。

根据第二方面，提供了一种磁约束等离子体腔室，包括根据第一方面的第一壁结构，其中，第一壁结构的内壁是等离子体腔室的内壁。

附图说明

图1是托卡马克等离子体腔室的横截面，

图2是示例性第一壁部分的横截面，

图3示出了在不稳定事件期间图2的第一壁部分，

图4是另一个示例性第一壁部分的横截面。

具体实施例

下面进一步描述的概念是第一壁结构，其使用利用锂(或锡，或带有适合的熔点和沸点的另一材料，如稍后所讨论的)的蒸腾冷却(transpirational cooling)。

第一壁结构在图2中被图示。图2仅示出了第一壁的小部分，其以横截面被示出，并且为了清楚，被示出为平坦的和被竖直定向的。类似的结构可以被用于弯曲的第一壁，或者处于任何所期望的定向。图的左手侧是等离子体腔室的内部200。第一壁结构包括内壁201，所述内壁201由钨、钼或另一耐熔金属(例如铌、钽、钛、钒、铬、锆、铪和/或铼，或含有耐熔金属的合金或复合物)制成，并且具有穿过它的多个细孔。细孔提供通向沉积物202的通道，所述沉积物202在第一壁的常规操作温度下是固体。结构还包括背部支撑203，其提供结构支撑并防止沉积物泄漏到等离子体腔室外侧。

沉积物由这样的材料组成，所述材料的沸点小于被用于内壁的耐熔金属的沸点并且熔点大于第一壁在常规操作期间的温度，即，在等离子体腔室的一般使用期间所述材料将是固体，但如果第一壁部分被加热则所述材料将在内壁金属熔化之前沸腾。锂由于其低原子序数而是有希望的候选，并且将被用于下面的示例，但是具有正确的熔点和沸点的任何材料(包括化合物)可以被使用。特别地，相关的熔点和沸点是在真空中的熔点和沸点-尽管在实践中这些一般接近在大气压下的熔点和沸点。

图3示出了不稳定事件在第一壁的部分上的影响。在不稳定事件期间，在壁与等离子体腔室的内部200的等离子体之间的接触部300处引起大量的加热。该热量通过内壁201被传导到锂沉积物202，所述锂沉积物202熔化，形成液态锂的区域304。该液体锂被迫使离开在内壁201中的细孔，以在内壁的表面上形成覆盖部305。然后，该覆盖部可以由于热量而蒸发或沸腾306。

锂的熔化和蒸发的潜在热量将在耐熔金属熔化之前良好地吸收来自不稳定事件的热量(锂的沸点为1603K，所有耐熔金属的熔点超过2000K)。此外，锂(轻元素)的使用减少了任何蒸发的材料对等离子体的影响。这对于聚变应用是特别有用的，因为锂将在由中子的轰击下形成氚和氦。

在图2中所示的结构在效果方面将被限制地使用--一旦在壁的部分中的锂沉积物已经熔化并且在腔室内被蒸发掉，则该部分将不会再填充。然而，这仍然适合于短期到中期的等离子体腔室的使用，其中偶尔进行修复以再填充锂沉积物。

对于长期应用，再填充系统可以被添加，如图4所示。除了内壁201和锂沉积物202之外，图4的结构还包括加热器405，所述加热器405与锂沉积物热学接触并且被配置为熔化锂，使得锂流动，并且附加的液体锂可以从外部源406(示意性地被示出)被添加到沉积物中。液体锂可以被允许在重力下流动(其中附加的锂从沉积物的顶部被添加)，或者它可以被泵送到沉积物中。

锂的添加可以被周期性地进行，或者可以响应于不稳定事件的检测而被进行。检测可以通过等离子体腔室中的等离子体监测装置进行，通过对第一壁的温度监测(例如，通过内置于锂沉积物中的热传感器，或通过对第一壁的红外成像)，或通过对锂沉积物的直接监测(例如，监测电阻，因为当由于锂熔化并离开沉积物形成空隙时电阻将增加)。

加热器可以是电阻加热器、热气体的流或任何其他适合的加热设备。使用热气体的流可能简化设计，因为任何电气部件都可以位于第一壁结构的外侧，并从而减少了考虑将由第一壁经历的高磁通量的需要。热气体流动通过与锂沉积物处于热学接触中的管道。为了进一步简化构造，气体供应可以被配置为使得流动气体通常向第一壁提供冷却，并且使得当沉积物的熔化被需要时，热气体反而流动通过第一壁冷却通路，以熔化沉积物。

在再填充过程期间，一些液体锂可能从内壁中的细孔泄漏出来。可以在再填充过程期间进行液体锂的压力控制，以减少锂的泄漏，或者过量的锂可以被允许流入反应器中并被收集用于再处理(例如，经由在等离子体容器的底部处的出口)。

以上所描述的第一壁结构可以被提供为用于等离子体腔室的单个单元，或者可以被提供为被组装到等离子体腔室的第一壁中的瓦片(tiles)。在等离子体腔室和瓦片之间的中间解决方案将是大的固体覆盖结构(solid blanket structures)，所述固体覆盖结构包括第一壁、屏蔽(shielding)和可选的增殖(breeding)功能，所述固体覆盖结构被组装在腔室内部。类似构造的第一壁部分可以被用作在托卡马克内的限制器、偏滤器或挡板的部分，或者被用作等离子体腔室内的部件(诸如场线圈)的部分盖(partial cover)或完全盖(full cover)。