플라즈마 과도 현상 동안 주변 부품의 심각한 손상을 완화하기 위한 전환 재료로서의 액체 리튬

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18782(2022) 이 기사 인용

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ITER, DEMO 등 열핵융합로와 미래 상용플랜트 등의 성공적인 운영은 주로 다양한 구성요소에 대한 최적의 재료 선택에 의해 결정됩니다. 이 작업의 목적은 전체 장치를 3D로 정확하고 포괄적으로 시뮬레이션하여 다양한 재료(예: 텅스텐 및 탄소와 비교하여 액체 리튬)의 장단점을 예측하여 향후 ITER와 유사한 DEMO 전환기 성능을 예측하는 것입니다. 우리는 포괄적인 HEIGHTS 시뮬레이션 패키지를 사용하여 정확한 3D 형상에서 과도 현상이 발생하는 동안 ITER와 유사한 구성 요소 응답을 조사했습니다. SOL을 통해 손실된 고온 코어 플라즈마 입자에서 시작하여 전환기 표면에 증착하고 전환기 재료의 2차 플라즈마 생성을 수행합니다. 우리의 시뮬레이션에서는 전환기 플레이트에 리튬이 사용되는 경우 전환기 근처 및 내부 구성 요소에 대한 열부하 및 손상이 크게 감소할 것으로 예측했습니다. 전환판에 텅스텐이나 탄소를 사용하는 경우 반사경, 돔 및 스테인레스 스틸 튜브에 상당한 용융 영역과 기화 지점이 발생할 수 있으며(탄소의 경우 적음) 높은 방사선으로 인해 첫 번째 벽의 일부도 녹을 수 있습니다. 2차 전환기 플라즈마의 전력. 전환기와 인근 표면으로의 리튬 광자 방사선 침착은 텅스텐에 비해 2배, 탄소에 비해 1배 감소했습니다. 이 분석은 ITER와 유사한 표면과 향후 DEMO에 액체 리튬을 사용하면 부품 수명이 크게 향상될 수 있음을 보여주었습니다.

ITER 또는 차세대 DEMO 장치와 같은 열핵융합로의 성공적인 개발은 주로 다양한 구성 요소 및 시스템에 대한 최적의 재료 선택에 의해 결정됩니다. 재료 선택은 플라즈마 과도 현상 중 높은 열 부하에 대한 내성을 포함하여 구성 요소(특히 전환기)의 긴 수명을 촉진하고, 효율적인 열핵 반응 및 에너지 변환을 제공하고, 구성 요소의 최소 삼중수소 농도를 유지하고, 재료 호환성 문제, 안전 및 기타 요구 사항을 촉진해야 합니다. . 현재 ITER는 미래 에너지 생산을 위한 토카막 개념의 역량을 입증하는 것을 목표로 하는 주요 국제 프로젝트입니다. ITER 장치는 기존 토카막보다 훨씬 크며 플라즈마가 불안정한 동안 전환기 구성 요소에 훨씬 더 높은 열 유속을 갖게 됩니다. 플라즈마 재료 상호작용(PMI) 중에 예상되는 표면 열 부하는 성공적인 핵융합 장치 개발의 주요 제한 사항 중 하나입니다. 플라즈마 직면 구성 요소(PFC)는 비정상적인 작동(예: 중단)뿐만 아니라 정상 작동(예: ELM)1에서도 ITER 장치에서 손상되고 침식됩니다. 현재 ITER 설계에서와 같이 전체 텅스텐 전환기를 사용하면 배플, 반사판, 돔, 심지어 베릴륨 1차 벽을 포함하여 방해 플라즈마에 처음에는 보이지 않는 모든 내부 구성 요소에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다. 이러한 모든 구성 요소를 수리하려면 장기간 원자로 작동에 상당한 가동 중지 시간이 필요합니다. 플라즈마가 불안정한 동안 ITER 전환기의 전체 텅스텐 설계는 다양한 내부 구성 요소에 대해 매우 높은 복사 전력을 갖는 조밀한 고Z 2차 텅스텐 플라즈마를 개발하게 됩니다.

내부 부품의 열 부하를 줄이기 위해 제안된 방법 중 하나는 텅스텐 전환기의 충격점(SP) 주위에 낮은 Z 재료 스트립을 부분적으로 덮거나 삽입하는 것입니다. 예를 들어, SP에 작은 탄소를 삽입하면 2차 플라즈마, 즉 탄소 생성 플라즈마에서 텅스텐 함량을 제거하거나 크게 줄일 수 있어 코어 플라즈마 텅스텐 오염을 줄이고 많은 양으로 인해 표면과 첫 번째 벽 근처의 전환기 손상을 크게 줄일 수 있습니다. 감소된 방사선 power2. 탄소 인서트의 작은 스트립(자체 추가 문제가 있는 전체 탄소 전환 플레이트 설계 옵션의 10% 미만)은 수리하기 매우 어려운 이러한 모든 내부 구성 요소의 손상을 방지하고 심각한 손상 가능성을 방지합니다. 과도 현상 동안 코어 플라즈마에 대한 높은 Z 오염의 양은 전체 중단을 일으키거나 현재 ITER 설계의 성공적인 작동에 영향을 미칠 수 있습니다. 탄소 생성 플라즈마는 high-Z 텅스텐과 비교하여 주로 열 부분으로 에너지를 흡수합니다. 탄소는 텅스텐에 비해 단순한 원자 구조를 가지고 있습니다. 결과적으로 텅스텐 이온은 이온화를 통해 과도 플라즈마 에너지의 대부분을 소비하는 반면, 탄소에서는 이온 속도를 증가시킵니다. 탄소 사용의 장점은 열 냉각 과정이 느리다는 것입니다. 최종 에너지 축적은 시간이 지남에 따라 지연되고 탄소 입자 내에 국한되어 심각한 손상을 일으키지 않는 매우 낮은 강도로 먼 위치로 전달됩니다. 텅스텐의 경우 냉각 과정은 W 이온과 강한 광자 방출의 재결합입니다. 이 프로세스는 훨씬 빠르며 자기장 구조에 관계없이 모든 방향으로 이동하는 재방사된 광자로 인해 최종 에너지 증착이 텅스텐 이온 내에 국한되지 않습니다. 텅스텐 이온은 탄소 이온보다 무겁기 때문에 충돌 및 산란 과정은 텅스텐의 경우 더 "효과적"입니다. 즉, 더 많은 입사 수소 이온과 에너지 변화 방향이 벽과 내부 구성 요소에 반사되어 2차 밀도 플라즈마 구름 깊숙히 침투합니다. 결과적으로 최종 에너지 축적은 내부 구성 요소 표면에 재분배되어 강렬한 국지적 핫스팟을 유발합니다.