Результат интеллектуальной деятельности: Охлаждаемая стенка токамака

Изобретение относится к области металлургии, и в частности к системам отвода тепла в термоядерных реакторах типа токамак.

Известна термосиловая охлаждаемая конструкция стенки высокотемпературного воздушно-газового тракта (патент РФ №2403491, публ. 10.11.2010, МПК F16L 59/07), содержащая каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт со стенкой камеры сгорания.

Недостатком настоящего технического решения является ограниченный отвод энергии от горячей стенки, связанный с недопустимостью закипания охлаждающей жидкости в каналах и образованием эффекта «запаривания».

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является охлаждаемая стенка токамака (патент РФ №2641651, опуб. 19.01.2018, МПК G21C 15/00, F16L 59/07, F23M 5/00), содержащая поверхность приема теплового потока и прилегаемую к ней теплопроводящую зону, внутри которой расположена группа форсунок. Каждая форсунка содержит камеру с осевым отверстием, соединенную с каналом подвода охлаждающей жидкости. В каждой форсунке выполнено сопло, расположенное соосно осевому отверстию. Со стороны сопел установлен кожух для сбора пара. Нагрев и испарение жидкости происходит на поверхности контакта.

Недостатком настоящего технического решения является низкая степень охлаждения при высокой интенсивности теплового потока, обусловленная небольшой площадью контакта охлаждающей жидкости и нагретой внутренней поверхностью сопел.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности парообразования и съема тепла с нагреваемой стенки.

Технический результат заключается в развитии поверхности испарения охлаждающей жидкости, что ведет к повышению эффективности парообразования и, как следствие, эффективности охлаждения стенок токамаков с высокой интенсивностью излучаемого теплового пока.

Это достигается тем, что в известную охлаждаемую стенку токамака, содержащую поверхность приема теплового потока и прилегающую к ней теплопроводящую зону, совместно с кожухом образующую полость сбора пара, введены игольчатые теплопроводящие элементы, расположенные перпендикулярно теплопроводящей зоне и имеющие с ней тепловой контакт. Игольчатые теплопроводящие элементы образуют ряды. Все четные элемент в четном ряду выполнены полыми и в нижней части имеют струйные распрыскиватели, обеспечивающие круговой выброс воды на окружающие игольчатые теплопроводящие элементы, а в верхней части полые элементы соединены индивидуальными трубопроводами с групповым трубопроводом подачи воды.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена охлаждаемая стенка токамака, на фиг. 2 показан игольчатый теплопроводящий элемент, на фиг. 3 полый теплопроводящий элемент, а на фиг. 4 - размещение игольчатых теплопроводящих элементов на поверхности теплопроводящей зоны.

Охлаждаемая стенка токамака содержит поверхность приема теплового потока 1 и прилегающую к ней теплопроводящую зону 2, совместно с кожухом 3 образующую полость сбора пара, игольчатые теплопроводящие элементы 4, расположенные перпендикулярно теплопроводящей зоне 2 и имеющие с ней тепловой контакт. Игольчатые теплопроводящие элементы 4 образуют ряды. Все четные элемент в четном ряду выполнены полыми 5 и в нижней части имеют струйные распрыскиватели 6, а в верхней части полые элементы 5 соединены индивидуальными трубопроводами 7 с групповым трубопроводом 8 подачи воды.

Охлаждаемая стенка токамака работает следующим образом.

Тепловой поток, излучаемый высокотемпературной плазмой, воспринимается поверхностью приема теплового потока 1 и за счет теплопроводности материала теплопроводящей зону 2 нагревает игольчатые теплопроводящие элементы 4 в кожухе 3, в том числе и полые элементы 5, к которым через индивидуальные трубопроводы 7 из группового трубопровода 8 подается вода. Перпендикулярное расположение игольчатых тепловыделяющих 4 и полых элементов 5 повышает эффективность отвода тепла от поверхности приема теплового потока 1. При этом максимальную температуру имеют поверхность приема теплового потока 1 и теплопроводяшая зона 2. Поверхность приема теплового потока 1 выполняется из тугоплавких материалов, например, вольфрама, молибдена и т.п. При подаче воды в полые элементы 5 и ее выбросе через струйные распрыскиватели 6 на теплопроводящую зону 2, являющейся основанием игольчатых теплопроводящих элементов 4, происходит закипание воды в тонком слое контакта с горячей поверхностью приема теплового потока 1. Процесс носит взрывной характер, при котором часть микрокапли отбрасывается от горячей поверхности приема теплового потока 1. Подхваченная потоком образовавшегося пара часть микрокапли попадает на другой игольчатый теплопроводящий элемент 4, где процессы повторяются. В результате образуется смесь фрагментов перегретого пара и микрокапель воды, которая за счет давления образовавшегося пара перемещаемая к выходу. Контактируя с вершиной игольчатых теплопроводящих элементов 4, перегретый пар отдает часть тепла и остывает, а микрокапли испаряются. Движение пара обеспечивает быстрый отвод тепла от поверхности приема теплового потока 1. Каждый полый игольчатый элемент 5, осуществляющий выброс воды на горячее основание и окружающих его игольчатых теплопроводящих элементов 4, что обеспечивает развитую поверхность испарения. Все четные элемент в четном ряду выполнены полыми и в нижней части имеющими струйные распрыскиватели 6, обеспечивается круговой выброс воды на окружающие игольчатые теплопроводящие элементы 4.

Таким образом, обеспечивается развитие поверхности испарения охлаждающей жидкости, что приводит к повышению эффективности парообразования и съема тепла с нагреваемой стенки.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность парообразования и, как следствие, эффективность охлаждения стенок токамаков с высокой интенсивностью излучаемого теплового потока.