КОНТУР С ЛИТИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК G21D1/04 H01J45/00 

Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в высокотемпературных ядерно - энергетических установках (ЯЭУ) с литиевым теплоносителем, преимущественно космического назначения.

В космических ЯЭУ, где сброс непреобразованного тепла термодинамического цикла возможен лишь излучением в космическое пространство, используют высокотемпературные системы охлаждения с жидкометаллическими теплоносителями, преимущественно NaK, Na и Li. Литий используют в ЯЭУ со сбросом тепла при температурах 700. ..900^oC и выше. При прохождении лития через активную зону ядерного реактора (ЯР) за счет облучения нейтронами в нем в результате ядерных реакций образуется так называемый радиогненный 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 перекачивающих устройств, в качестве которых обычно используют электромагнитные насосы (ЭМН). Поэтому при эксплуатации космических ЯЭУ с литиевым теплоносителем необходимо удаление гелия из контура системы охлаждения, что в условиях невесомости требует создания в системе искусственного силового поля, в котором бы происходило разделение фаз (жидкого лития и газа - радиогенного гелия).

Известен литиевый контур системы охлаждения ядерного реактора космической ЯЭУ S-100 с размещенными вне активной зоны ЯР термоэлектрическими генераторами электроэнергии [1] . Контур содержит систему трубопроводов с включенными последовательно электромагнитным насосом, сепаратором гелия в виде емкости, частично заполненной газом, а также необходимую датчиковую и измерительную аппаратуру. В таком контуре происходит непрерывная очистка литиевого теплоносителя от радиогенного гелия в сепараторе, где пузырьки газа под действием градиента давления, создаваемого за счет вихревого движения жидкости в сепараторе выходят на поверхность жидкого теплоносителя и переходят в газовый объем сепаратора.

Однако в таком контуре с последовательным размещением насосов и сепаратора необходимо пропускать через сепаратор полный расход теплоносителя, что ведет к усложнению системы расплавления лития при запуске, увеличивает гидравлические потери. Испытания такого контура на земле в условиях, иммитирующих космические, трудно осуществимы. Время пребывания теплоносителя в сепараторе мало и не обеспечивается диффузионное выделение растворенного гелия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является литиевый контур системы охлаждения ядерного реактора космической ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) на быстрых нейтронах большой мощности [2] . Контур содержит основную часть с системой трубопроводов, электромагнитным насосам (ЭМН), устройство сброса тепла излучением в космос (холодильник-излучатель) в виде секции тепловых труб, а также необходимую датчиковую и измерительную аппаратуру. Контур содержит также байпасную (относительно ЭМН основной части контура) часть с сепаратором гелия и с трубопроводом забора теплоносителя из основной части контура на напорной линии насоса (после насоса по ходу литиевого теплоносителя) и трубопроводом ввода очищенного от газа лития в основную часть контура на всасывающей линии насоса (до насоса по ходу теплоносителя). В таком контуре часть расхода теплоносителя после ЭМН ответвляется на байпасную линию, поступает в сепаратор, где происходит очистка литиевого теплоносителя от газа (гелия). Очищенная часть расхода теплоносителя (лития) поступает в контур до ЭМН, в результате чего на вход ЭМН поступает литий с уменьшенной концентрацией гелия.

Однако степень очистки литиевого теплоносителя от гелия зависит от давления теплоносителя в сепараторе, причем чем оно ниже, тем при прочих равных условиях степень очистки выше. Наиболее существенно, что остаточная концентрация гелия в литии зависит от давления в сепараторе, которое, для гарантированного предотвращения выделения гелия где-либо в контуре, кроме сепаратора, должно быть наинизшим. В рассматриваемом наинизшее давление реализуется на входе в насос основного контура, за пределами контура сепаратора, что является недостатком схемы контура.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение качества очистки литиевого теплоносителя от радиогенного гелия с одновременным обеспечением возможности создания в контуре повышенного давления лития без увеличения перепада давления в нем и тем самым увеличения разницы равновесных концентраций гелия в контуре и сепараторе гелия.

Указанный технический результат достигается в контуре с литиевым теплоносителем системы охлаждения ядерного реактора, содержащем основную часть контура с системой трубопроводов, насосом с напорной и всасывающей линиями, устройством сброса тепла излучением в космос, а также необходимой датчиковой и измерительной аппаратурой, и байпасную относительно насоса часть контура с сепаратором газа и трубопроводом забора литиевого теплоносителя из основной части контура на напорной линии насоса и трубопроводом ввода очищенного от газа лития в основной контур на всасывающей линии насоса, в котором в байпасной части контура на трубопроводе забора литиевого теплоносителя и трубопроводе ввода очищенного от газа литиевого теплоносителя установлено по крайней мере по одному дополнительному насосу, включенных навстречу друг другу, причем их напорная часть обращена в основной контур. Дополнительные насосы могут быть выполнены электромагнитным и одинаковыми или дополнительный насос на трубопроводе ввода очищенного от газа лития выполнен с увеличенным напором по отношению к дополнительному насосу на трубопроводе забора литиевого теплоносителя.

На чертеже приведена схема контура. Контур содержит основную часть 1 и байпасную часть 2. Основная часть 1 контура содержит насос 3 с напорной 4 и всасывающей 5 линиями, устройство для сброса тепла в космос 6, датчики давления 7 и расхода 8. Байпасная часть 2 контура содержит сепаратор 9, трубопровод 10 забора литиевого теплоносителя из напорной линии 4 и трубопровод 11 ввода очищенного от газа лития во всасывающую линию 5 основной части контура 1. На трубопроводах 10 и 11 установлены дополнительные насосы 12 и 13, которые желательно выполнить электромагнитными. Насосы включены навстречу друг другу, причем они оба создают разрежение в сепараторе и напор (повышение давления) в основной части контура. Направление создания напора насосами показано стрелками. На трубопроводах 10 и 11 могут быть установлены также датчики, например, давления и расхода (на чертеже не показаны).

Контур работает следующим образом.

В исходном состоянии литиевый теплоноситель контура системы охлаждения не содержит растворенного гелия. В процессе выхода ядерного реактора 14 на мощность и работы реактора на номинальном или промежуточных уровнях мощности циркулирующий литий контура системы охлаждения, находящийся в активной зоне реактора 14, облучается нейтронами и в нем образуется радиогенный гелий. Литий с растворенным гелием циркулирует в основной части 1 контура. Так как дополнительные насоса 12 и 13 установлены навстречу друг другу и создают одинаковый напор (перепад давления), то часть лития с растворенным в нем гелием через трубопровод 10 и насос 12 попадает в сепаратор 9. Так как степень очистки лития от гелия тем выше, чем меньше давление в теплоносителе, то созданное с помощью дополнительных насосов 12 и 13 разрежение в сепараторе 9 увеличит очистки лития в сепараторе относительно случая без дополнительных насосов. Так как абсолютное давление лития в сепараторе 9 существенно ниже, чем в основной части 1 контура (за счет перепада давления, создаваемого включенными навстречу друг другу дополнительными насосами 12 и 13), то соответственно и равновесная концентрация гелия в литии в сепараторе будет существенно ниже, чем в основной части контура. В результате этого в сепараторе 9 происходит выделение гелия из лития, а также сбор и хранение выделенного гелия. После сепаратора 9 очищенный (до равновесной концентрации гелия при самом низком давлении лития в контуре) в сепараторе литий попадает на всасывающую линию 5 через дополнительный насос 13 и трубопровод 11. Насосы 12 и 13 создают в байпасной части 2 контура дополнительный относительно основной части контура перепад давления, в результате чего в основной части контура, в том числе на всасывающей линии 5 насоса 3 устанавливается повышенное относительно сепаратора 9 давление лития, а следовательно, и повышенная (относительно сепаратора) равновесная концентрация гелия в литии. В то же время поступающий во всасывающую линию литий содержит гелий при равновесной концентрации, соответствующей давлению в сепараторе, т.е. существенно ниже равновесной концентрации на всасывающем трубопроводе 5 насоса. Поэтому выделение гелия на всасывающей линии 5 не будет и, следовательно, не возникнет кавитация в насосе 3. Тем самым будет обеспечена надежная работа контура. Дополнительные насосы 12 и 13 могут быть спроектированы на требуемый перепад давления (или установлены последовательно несколько насосов в каждом из трубопроводов 10 и 11), тем самым может быть обеспечена "развязка" двух противоречивых требований, а именно:
1) иметь самое низкое давление в контуре в сепараторе для того, чтобы повысить степень очистки лития от радиогенного гелия;
2) иметь относительно высокое давление в основной части контура для обеспечения концентрации гелия в литии существенно ниже равновесного значения и тем самым предохранить насоса контура от опасных кавитационных явлений;
3) иметь возможность при проектировании контура независимо устанавливать низкое значение давления в сепараторе и высокое значение давления в основной части контура.

Рассмотренная схема контура позволяет надежно осуществить в сепараторе разделение жидкого лития и газовой фазы, как в условиях невесомости, так и при наземных испытаниях.

Источники информации
1. Винсент С. Трусцелло. Энергетическая установка SP-100 (Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института) Ядерная энергетика в космосе. Отраслевая юбилейная конференция. Тезисы докладов. Часть 2. Доклады иностранных специалистов. Обнинск, 1991, с. 108-139.

2. Быстров П. И. и др. Разработка, изготовление и испытания полномасштабного имитатора электрогенерирующего пакета модульной космической ЯЭУ с литий-ниобиевой системой охлаждения. Ракетно-космическая техника. Труды. РКК "Энергия" им. С.П. Королева. Сер. 12, вып. 2-3. 1996, с.67, рис. 2.

Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в установках с литиевым теплоносителем преимущественно космического назначения. Контур содержит основную часть с системой трубопроводов, насосом с напорной и всасывающей линиями, устройством сброса тепла излучением в космос, а также байпасную относительно насоса часть с сепаратором газа и трубопроводом забора лития из основной части контура на напорной линии насоса и трубопроводом ввода очищенного от газа лития в основной контур на всасывающей линии насоса. В байпасной части контура на трубопроводе забора литиевого теплоносителя и трубопроводе ввода очищенного от газа литиевого теплоносителя установлено по крайней мере по одному дополнительному насосу, включенных навстречу друг другу, причем их напорная часть обращена в основной контур. В результате повышается степень очистки за счет снижения давления лития в сепараторе при одновременном увеличении давления лития в основном контуре. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Контур с литиевым теплоносителем системы охлаждения ядерного реактора, содержащий основную часть контура с системой трубопроводов, наносом с напорной и всасывающей линиями, устройством сброса тепла излучением в космос, а также необходимой датчиковой и измерительной аппаратурой, и байпасную относительно насоса часть контура с сепаратором газа и трубопроводом забора литиевого теплоносителя из основной части контура на напорной линии насоса и трубопроводом ввода очищенного от газа лития в основной контур на всасывающей линии насоса, отличающийся тем, что в байпасной части контура на трубопроводе забора литиевого теплоносителя и трубопроводе ввода очищенного от газа литиевого теплоносителя установлено по крайней мере по одному дополнительному насосу, включенных навстречу друг другу, причем их опорная часть обращена в основной контур. 2. Контур по п.1, отличающийся тем, что дополнительные насосы выполнены электромагнитными. 3. Контур по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительные насосы выполнены с одинаковыми напорными характеристиками.