Litio liquido come materiale divertore per mitigare i gravi danni ai componenti vicini durante i transitori del plasma

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18782 (2022) Citare questo articolo

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Il successo del funzionamento dei reattori a fusione termonucleare come ITER, DEMO e dei futuri impianti commerciali è determinato principalmente dalla scelta ottimale dei materiali per i vari componenti. L'obiettivo di questo lavoro è simulare in modo accurato e completo l'intero dispositivo in 3D per prevedere i pro e i contro di vari materiali, ad esempio il litio liquido rispetto al tungsteno e al carbonio, per prevedere le future prestazioni dei divertori simili a ITER e DEMO. Abbiamo utilizzato il nostro pacchetto completo di simulazione HEIGHTS per studiare la risposta dei componenti simili a ITER durante eventi transitori nell'esatta geometria 3D. A partire dalle particelle di plasma del nucleo caldo perse attraverso SOL, deposizione sulla superficie del divertore e generazione di plasma secondario di materiali del divertore. Le nostre simulazioni hanno previsto una riduzione significativa del carico termico e dei danni al divertore nelle vicinanze e ai componenti interni nel caso in cui venga utilizzato il litio sulle piastre del divertore. Se invece si utilizza tungsteno o carbone sulla piastra del divertore, possono formarsi notevoli aree di fusione e macchie di vaporizzazione (meno per il carbonio) sul riflettore, sulla cupola e sui tubi di acciaio inossidabile, e anche parti delle prime pareti possono fondersi a causa dell'elevata radiazione potenza del plasma divertore secondario. La deposizione di radiazioni di fotoni di litio nel divertore e nelle superfici vicine è stata ridotta di due ordini di grandezza rispetto al tungsteno e di un ordine di grandezza rispetto al carbonio. Questa analisi ha dimostrato che l'utilizzo del litio liquido per superfici simili a ITER e la futura DEMO può portare a un miglioramento significativo della durata dei componenti.

Il successo dello sviluppo di reattori a fusione termonucleare come ITER o dispositivi DEMO di prossima generazione è determinato principalmente dalla scelta ottimale dei materiali per i vari componenti e sistemi. La selezione dei materiali dovrebbe promuovere una lunga durata dei componenti (in particolare il divertore), inclusa la tolleranza agli elevati carichi termici durante gli eventi transitori del plasma, fornire un'efficiente reazione termonucleare e trasformazione dell'energia, mantenere una concentrazione minima di trizio nei componenti, promuovere problemi di compatibilità dei materiali, sicurezza e altri requisiti . Attualmente, ITER è il principale progetto internazionale che mira a dimostrare la capacità del concetto tokamak per la futura produzione di energia. Il dispositivo ITER è molto più grande di qualsiasi tokamak attuale e avrà flussi di calore molto più elevati verso i componenti del divertore durante le instabilità del plasma. I carichi termici superficiali previsti durante l'interazione del materiale plasmatico (PMI) rappresentano uno dei principali limiti nello sviluppo di dispositivi di fusione di successo. I componenti rivolti verso il plasma (PFC) verranno danneggiati ed erosi nel dispositivo ITER non solo durante il funzionamento anomalo (ad esempio, interruzione) ma anche durante il funzionamento normale, ovvero nelle modalità edge localizzate (ELM)1. L'utilizzo di un divertore completamente in tungsteno come nell'attuale progetto ITER potrebbe causare danni significativi a tutti i componenti interni non inizialmente visibili al plasma disgregatore, inclusi i deflettori, le piastre riflettenti, la cupola e persino la prima parete di berillio. Per riparare tutti questi componenti saranno necessari tempi di inattività significativi nel funzionamento del reattore per periodi prolungati. La progettazione interamente in tungsteno del divertore ITER durante le instabilità del plasma comporterà lo sviluppo di un denso plasma di tungsteno secondario ad alto Z con una potenza di radiazione molto elevata verso vari componenti interni.

Un modo proposto per ridurre il carico termico dei componenti interni è quello di coprire parzialmente o inserire una striscia di materiali a Z basso attorno ai punti di battuta (SP) del divertore di tungsteno. Piccoli inserti di carbonio sull'SP, ad esempio, possono eliminare o ridurre significativamente il contenuto di tungsteno nel plasma secondario, cioè il plasma generato dal carbonio, riducendo la contaminazione da tungsteno del plasma centrale e diminuendo notevolmente il danno del divertore vicino alle superfici e alle prime pareti a causa del gran numero di potenza di radiazione ridotta2. Una piccola striscia di inserto in carbonio (solo meno del 10% dell'opzione di progettazione della piastra del divertore interamente in carbonio, che presenta ulteriori problemi) impedirà il danno di tutti questi componenti interni che sono molto difficili da riparare e impedirà il rischio di danni significativi. quantità di contaminazione ad alto Z nel plasma del nucleo durante eventi transitori che può quindi causare un'interruzione completa o influenzare il corretto funzionamento dell'attuale progetto ITER. Il plasma generato dal carbonio assorbe energia principalmente nella parte termica rispetto al tungsteno ad alto Z. Il carbonio ha una struttura atomica semplice rispetto al tungsteno. Di conseguenza, gli ioni di tungsteno consumano gran parte dell'energia transitoria del plasma attraverso la ionizzazione, mentre nel carbonio avviene aumentando la velocità dei loro ioni. Il vantaggio dell'utilizzo del carbonio è che il raffreddamento termico è un processo lento. La deposizione finale di energia sarà ritardata nel tempo e localizzata all'interno di particelle di carbonio che verranno trasferite in luoghi lontani con intensità molto bassa che non causano danni significativi. Nel caso del tungsteno, il processo di raffreddamento è la ricombinazione di ioni W e una forte emissione di fotoni. Questo processo è molto più veloce e la deposizione finale di energia non è localizzata all'interno degli ioni di tungsteno a causa dei fotoni reirradiati che si muovono in tutte le direzioni indipendentemente dalla struttura del campo magnetico. Poiché gli ioni di tungsteno sono più pesanti degli ioni di carbonio, i processi di collisione e di diffusione sono più "efficaci" nel caso del tungsteno, cioè una parte maggiore degli ioni idrogeno incidenti e della loro energia cambiano direzione e si riflettono sulle pareti e sui componenti interni e non penetrare profondamente nella densa nube di plasma secondaria. Di conseguenza, la deposizione finale di energia viene ridistribuita alle superfici interne dei componenti provocando intensi punti caldi locali.