СЕПАРАТОР РАДИОГЕННОГО ГЕЛИЯ Российский патент 1998 года по МПК B01D59/00 B01D59/20 

Изобретение относится к космической ядерной энергетике и может быть использовано в высокотемпературных ядерно-энергетических установках (ЯЭУ) космического назначения.

В космических ЯЭУ, где сброс непреобразовавшегося тепла термодинамического цикла возможен лишь излучением в космическое пространство, используют высокотемпературные системы охлаждения с жидкометаллическими теплоносителями, преимущественно NaK, Na и Li. Литий используют в энергоустановках со сбросом тепла при температурах 700 - 900^oC и выше. При прохождении лития через активную зону ядерного реактора за счет облучения нейтронами в нем образуется так называемый радиогенный гелий. Наличие газа (гелия) в жидком литии может привести к образованию компактной газовой фазы в контуре теплоносителя, в результате чего возможно нарушение работы теплообменных устройств и электромагнитных насосов. Поэтому при эксплуатации космических ЯЭУ с литиевым теплоносителем необходимо удаление гелия из циркулирующего лития, что в условиях невесомости требует создания в системе искусственного силового поля, в котором бы происходило разделение фаз.

Известен сепаратор, предназначенный для отделения газов от жидкостей (деаэратор), например, типа ДСА-1, прошедший промышленные испытания и рекомендованный к производству [1]. Он представляет собой цилиндрический сосуд с верхним и нижним эллиптическими днищами. Жидкость, подлежащая сепарации, подается к патрубку в распределительный перфорированный коллектор, откуда стекает на дырчатую тарелку, секционированную с таким расчетом, что при малых нагрузках жидкость пропускается только через часть отверстий, а при увеличении нагрузки в работу включаются все отверстия. С тарелки жидкость струями стекает на лоток. В струях происходит основной подогрев жидкости и частичная дегазация.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сепаратор гелия космической ЯЭУ SP-100 с литиевым теплоносителем [2].

Сепаратор выполнен в виде цилиндрического корпуса, снабженного узлами входа и выхода теплоносителя. Внутри корпуса с зазором относительно стенки корпуса размещен газовый фильтр. Поток поступающего лития закручивается с помощью специальных спиральных устройств, размещенных в узле входа и в собственно сепараторе. За счет центробежных сил пузырьки гелия выделяются из жидкого лития и накапливаются в центральной газовой полости сепаратора. Очищенный от газа литий поступает через узел выхода в контур. Сетка газового фильтра служит для удержания пузырьков малого диаметра, которые могут увлекаться потоком лития.

Однако в таком сепараторе за счет центробежных сил происходит выделение лишь относительно крупных пузырьков газа. Растворенный газ в значительной степени остается в теплоносителе вследствие малости отношения поверхности раздела к объему жидкости в сепараторе.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение качества очистки литиевого теплоносителя от радиогенного гелия и обеспечение возможности проведения наземных испытаний сепаратора.

Указанный технический результат достигается в сепараторе радиогенного гелия, содержащем корпус с узлами входа и выхода литиевого теплоносителя и газовый фильтр, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса размещается пористая капиллярная структура, в которой при работе сепаратора локализуется жидкая фаза, ограничивающая внутреннюю газовую полость, и в котором у узла входа размещен капиллярный затвор, а газовый фильтр размещен у узла выхода.

Корпус сепаратора может быть выполнен в виде трубы диаметром не более 100 мм. Капиллярная структура, размещенная на внутренней поверхности корпуса, может быть выполнена в виде рулона из не менее чем одного слоя перфорированной ленты, а перфорация - в виде отверстий с диаметром 0,05-0,5 мм, размещенных с шагом 0,15 -10 мм.

Капиллярный затвор может быть выполнен в виде рулона перфорированной ленты толщиной 0,15-0,2 мм, которая свернута с шагом витка 0,25-0,3 мм. Перфорация ленты может быть выполнена в виде отверстий 0,15-0,5 мм с шагом 0,4-10 мм. Рулон размещен относительно стенки корпуса с зазором не более размера щели между витками ленты. Газовый фильтр у узла выхода может быть выполнен в виде металловойлочного диска с диаметром отверстий 0,02-0,05 мм.

На чертеже приведена конструкционная схема сепаратора.

Сепаратор содержит корпус 1 и узлы входа 2 и выхода 3 лития. На внутренней поверхности корпуса 1 размещается капиллярная структура 4. У узла входа 2 размещен капиллярный затвор 5, а у узла выхода 3 - газовый фильтр 6.

Сепаратор радиогенного гелия работает следующим образом.

В исходном состоянии литий не содержит растворенного гелия. В процессе выхода реактора на мощность и работы реактора на номинальном уровне мощности циркулирующий литий системы охлаждения, находящийся в активной зоне реактора, облучается нейтронами и в нем образуется радиогенный гелий. Литий с растворенным гелием попадает в узел входа 2 и проходит через капиллярный затвор 5, в котором начинается образование и рост пузырьков гелия. Капиллярный затвор 5 не пропускает газ из газовой полости 7 и направляет литий с газовыми пузырьками по капиллярной структуре 4, где в процессе движения продолжается образование и рост пузырьков, их выделение в газовую полость 7. У узла выхода 3 газовый фильтр 6 не пропускает газ из газовой полости 7 в циркуляционный контур системы охлаждения ЯЭУ.

Принцип действия сепаратора основан на использовании капиллярных структур, которые обеспечивают разделение газа и жидкости и характерные размеры которых определяют малую длину диффузии атомов радиогенного гелия в литии и соответственно достаточно малую постоянную времени выхода гелия из раствора. Перфорация ленты капиллярного затвора 5 и капиллярной структуры 4, изготовленная в виде отверстий с диаметром не более 0,5 мм, выполненных с шагом до 10 мм, обеспечивает требуемые условия, в результате чего время выделения гелия из пересыщенного раствора составляет примерно 0,3 с. Длина сепаратора гелия выбрана достаточной для того, чтобы протекающий литий находился в капиллярной структуре больше этого времени. Далее литий, в значительной степени очищенный от гелия, попадает на газовый фильтр 6, выполненный в виде диска из металловойлока с очень мелкой капиллярной структурой (0,02-0,05 мм), которая обеспечивает удержание мелких пузырьков гелия в сепараторе. Окончательно очищенный литий через узел выхода 3 попадает в поток циркулирующего в системе охлаждения лития. Выделившийся гелий накапливается в газовой полости 7. Если планируется длительная работа с достаточно большим количеством гелия, то он периодически (или постоянно) с помощью газоотводной трубки отводится в специальную газовакуумную систему, которая может обеспечить также подачу в газовую полость 7 нейтрального газа, например аргона, и обеспечить требуемое давление газа в сепараторе.

Приведенные выше характерные размеры корпуса и капиллярной структуры, затвора и фильтра получены из следующих соображений. Диаметр корпуса не более 100 мм в сочетании с капиллярной структурой 4 в виде рулона из не менее чем одного слоя перфорированной ленты с перфорацией в виде отверстий диаметром 0,05-0,5 мм, размещенных с шагом 0,15-10 мм позволяет надежно, осуществить в сепараторе разделение жидкой и газовой фаз (жидкая фаза - в капиллярной структуре) как в условиях невесомости, так и при наземных испытаниях.

Капиллярный затвор, выполненный в виде рулона перфорированной ленты толщиной 0,15-0,2 мм, которая свернута с шагом витка 0,25- 0,3 мм с перфорацией ленты в виде отверстий 0,15-0,5 мм с шагом 0,4-10 мм обеспечивает надежную локализацию содержимого сепаратора при отключении циркуляции. Газовый фильтр у узла выхода в виде металловойлока с диаметром отверстий 0,02-0,05 мм предотвращает проникновение в циркуляционный контур газовых пузырьков, диаметр которых превышает указанный размер. Газовые пузырьки меньше указанного размера находятся в контуре под избыточным лапласовым давлением, обеспечивающим их перерастворение.

Пример исполнения. Был изготовлен и испытан на литиевом контуре экспериментальный сепаратор в соответствии с конструкционной схемой, приведенной на чертеже. Сепаратор был выполнен в виде корпуса 1, изготовленного из трубы диаметром 48х1 мм длиной 2000 мм. Капиллярная структура 4 была изготовлена из двух слоев перфорированной ленты с отверстиями диаметром 0,15 мм и шагом 0,5 мм. Узлы входа 2 и выхода 3 оканчивались трубками диаметром 12х1 мм. Капиллярный затвор был выполнен из рулона перфорированной ленты с отверстиями диаметром 0,15 мм и шагом 0,5 мм, длина затвора 200 мм. Капиллярная структура газового фильтра 6 была изготовлена в виде диска из металловойлока с диаметром отверстий 0,03 мм.

Экспериментальный сепаратор был врезан в циркуляционный литиевый контур, куда также был введен сатуратор для приготовления пересыщенного раствора гелия в литии. Прокачка лития осуществлялась электромагнитным насосом. Контур работал при температуре 700-800^oC. Измерялось количество введенного в сатуратор гелия и количество гелия, выделившегося в сепараторе. Эксперимент продемонстрировал высокую эффективность очистки лития от гелия.

Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в высокотемпературных ядерно-энергетических устройствах с литиевым теплоносителем преимущественно космического назначения. Сущность: литий с растворенным радиогенным гелием пропускается по капиллярной структуре, характерные размеры которой определяют малую длину диффузии атомов радиогенного гелия в литии и соответственно достаточно малую постоянную времени выделения гелия из лития. На входе в сепаратор установлен капиллярный затвор, а на выходе - фильтр из металловойлока. 8 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Сепаратор радиогенного гелия, содержащий корпус с узлами входами и выхода литиевого теплоносителя и газовый фильтр, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса размещена пористая капиллярная структура, у узла входа размещен капиллярный затвор, а газовый фильтр размещен у узла выхода. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что капиллярная структура на цилиндрической поверхности внутренней стенки корпуса выполнена в виде не менее чем одного слоя перфорированной ленты, а фильтр - в виде металловойлочного диска. 3. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что перфорация ленты выполнена в виде отверстий диаметром 0,05 - 0,5 мм с шагом 0,15 - 10,0 мм. 4. Сепаратор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что капиллярный затвор выполнен в виде рулона перфорированной ленты. 5. Сепаратор по п.4, отличающийся тем, что толщина перфорированной ленты капиллярного затвора составляет 0,15 - 0,2 мм и свернута в рулон с шагом витка 0,25 - 0,30 мм. 6. Сепаратор по пп.4 и 5, отличающийся тем, что перфорация ленты капиллярного затвора выполнена в виде отверстий диаметром 0,15 - 0,5 мм с шагом 0,4 - 10,0 мм. 7. Сепаратор по пп. 4 - 6, отличающийся тем, что рулон капиллярного затвора размещен относительно стенки корпуса с зазором не более размера щели между витками ленты. 8. Сепаратор по пп.1 - 7, отличающийся тем, что газовый фильтр у узла выхода лития выполнен в виде диска из металловойлока. 9. Сепаратор по п.8, отличающийся тем, что диаметр отверстий металловойлока газового фильтра составляет 0,02 - 0,05 мм.