Дивертор

Дивертор служит для извлечения из плазмы «золы» термоядерной реакции — гелия. Форма поверхности дивертора такова, что его центральная мишень (куполообразной формы) находится в тех местах плазменного шнура, где скапливаются ядра гелия. Гелий рекомбинирует, охлаждается и больше не участвует в процессах обмена энергией между частицами плазмы. Кроме того, дивертор служит для осаждения и удержания пыли, образующейся при испарении горячей стенки бланкета. Поэтому его на сайте ITER ещё шутливо называют «ashtray» (пепельницей). Если не удалять пыль из зоны горения, она попадёт в плазменный шнур, разогреется, и начнёт интенсивно излучать. Тем самым плазменный шнур охлаждается, а горячая стенка перегревается. Перегрев бланкета, в свою очередь, вызовет повышенный износ (испарение) горячей стенки и образование новых порций пыли.

Дивертор служит не для удаления термоядерной «золы» — гелия. 3.5 МэВ-ные альфа-частицы — продукты D-T реакции синтеза — «золой» не являются, реально они как раз-таки и «греют» термоядерную плазму. Задача дивертора другая: снизить потоки заряженных частиц, попадающих из плазмы на первую стенку (в дальнейшем — ПС) термоядерного реактора. Это необходимо по двум причинам: 1. Снижается т.наз. радиационное распыление ПС. В принципе по сравнению с эффектами объемного радиационного повреждения (радиационное распухание, высокотемпературное радиационное охрупчивание и т. д.) уменьшение толщины ПС за счет распыления не является критичным для ПС, НО: 2. Распыление ПС приводит к попаданию в термоядерную плазму ионов металлов, что существенно увеличивает эффективный заряд плазмы и приводит к увеличению радиационных потерь (эти потери пропорциональны второй степени эффективного заряда плазмы), что существенно понижает температуру плазмы. Именно вторая причина является основной для применения дивертора. В предыдущем абзаце упоминается «испарение горячей стенки бланкета». Под бланкетом (от англ. blanket — одеяло) подразумевается область между ПС и тороидальными обмотками, в которой находится ряд важнейших систем ТЯР — система теплообмена, зона размножения трития и т. д. Непосредственно с плазмой системы бланкета не соприкасаются, это «прерогатива» ПС.

Дивертор выполнен из 54 кассет^[264], общим весом 700 тонн. Размер каждой кассеты 3,4 м х 2,3 м х 0,6 м. Корпус кассеты — высокопрочная нержавеющая сталь. По мере износа кассеты будут демонтироваться, и на их место устанавливаться другие. Каждая кассета имеет три мишени с щелями между ними. Металлическая пыль скатывается с пологих поверхностей мишеней и попадает в щели. Оттуда ей очень трудно вновь попасть в плазменный шнур. Мишени преобразуют кинетическую энергию продуктов реакции в тепло, поэтому нагреваются до 3000 °С и требуют интенсивного охлаждения водой.

Мало какой материал способен длительно (срок службы токамака 20 лет) выдерживать такой нагрев. На начальных стадиях проектирования токамака планировалось выполнить мишени из углеродного композита, армированного углеродным волокном (carbon fibre-reinforced carbon composite — CFC), однако теперь рассматривается вопрос изготовления этих деталей из вольфрама.

Система охлаждения дивертора будет работать в околокипящем режиме. Суть этого режима такова: теплоноситель (дистиллированная вода) начинает закипать, но ещё не кипит. Микроскопические пузырьки пара способствуют интенсивной конвекции, поэтому этот режим позволяет отводить от нагретых деталей наибольшее количество тепла. Однако есть и опасность — если теплоноситель всё-таки закипит, пузырьки пара увеличатся в размерах, резко снизив теплоотвод. Для контроля за состоянием теплоносителя на ITER установлены акустические датчики. По шуму, который создают пузырьки в трубопроводах, будет оцениваться режим, в котором находится теплоноситель. Теплоноситель, охлаждающий дивертор, будет находиться под давлением 4 МПа и иметь температуру на входе 70°, а на выходе 120°^[265].