СОСУД ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА Российский патент 1999 года по МПК G21F9/02 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к энергетическим установкам высокого давления и может быть использовано, например, при конструировании термоядерных мишеней ядерного синтеза.

Известна конструкция высокотемпературного геттерного сосуда (см. патент Японии N 5065037, МКИ G 21 F 9/02, опубликованный в журнале "Изобретения стран мира", N 3, 1996 г.), который имеет камеру, содержащую окклюдирующий изотопы водорода металл; каналы подвода изотопов водорода в камеру и каналы отвода изотопов водорода из камеры; нагреватель, опоясывающий камеру; наружный корпус, внутри которого находится нагреватель; охлаждающую рубашку на наружном корпусе, а также кольцевой канал незамкнутого контура, расположенный между камерой и нагревателем. Гелий или иной газ, циркулирующий по кольцевому каналу, обеспечивает отвод тепла, выделяемого при окклюдировании изотопов водорода металлом, и удаление изотопов водорода, продиффундировавших через стенку камеры.

Недостатком известной конструкции высокотемпературного сосуда является недостаточная прочность однослойной камеры с окклюдирующим металлом, которая и не позволяет при последующем принудительном разогреве газосодержащего металла получить в отводящих каналах газовую смесь изотопов водорода большой плотности при повышенных температурах.

Отсутствие специальных мер защиты наружной поверхности камеры, являющейся внутренней поверхностью кольцевого канала незамкнутого контура, увеличивает количество атомов трития, продиффундировавших через стенку камеры, что увеличивает абсолютное количество утилизируемого трития, проникающего в кольцевой канал и уносимого потоком гелия, а значит и уменьшает радиационную безопасность устройства в целом.

Известна конструкция одно- или многослойной стены (см. патент Японии N 5-19678, опубликованный 17.03.93 г., МКИ G 21 F 3/00), которая отделяет облучаемый высокоэнергетическими частицами газовый объем с тритием от объема, свободного от трития.

Внутри стены со стороны объема, свободного от трития, проходят расположенные с определенными промежутками каналы для прокачки охлаждающего агента. Между охлаждающими каналами и облучаемой высокоэнергетическими частицами поверхностью в стене расположены с определенными промежутками каналы незамкнутого контура, к которым подсоединена система, удаляющая проникающий в эти каналы газообразный тритий.

Недостатком известной конструкции стены является ее громоздкость и невозможность ее эксплуатации при повышенных температурах и большой плотности газовой смеси изотопов водорода, так как предназначена она, в основном, для бетонных стенок активных зон атомных реакторов.

Известна конструкция сосуда для радиационно безопасного удержания изотопов водорода (см. заявку Великобритании N 2117169, опубликованную 10.05.83 г., МКИ G 21 F 9/02), выполненная из двух коаксиальных цилиндрических оболочек, на обеих поверхностях, сопрягаемых с расчетным зазором, расположены слои водородонепроницаемой окисной пленки. В зоне сопряжения оболочек выполнены осевые каналы незамкнутого контура для сбора трития и продувки инертным газом с целью предотвращения диффузии трития через наружную цилиндрическую оболочку. Каналы незамкнутого контура образованы выступами, выполненными на одной из сопрягаемых поверхностей.

Недостатком известной конструкции сосуда является невысокое эксплуатационное давление газовой смеси изотопов водорода, ограниченное прочностью внутренней оболочки. Принципиально возможна ее деформация при повышенных температурах до момента беззазорного контакта с наружной оболочкой, что приводит к деформации и разрушению защитного покрытия и, как следствие, к увеличению количества утилизируемого трития, а значит и к уменьшению радиационной безопасности устройства в целом при сравнительно низких эксплуатационных давлениях рабочей среды.

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности сосуда при более высоких эксплуатационных давлениях газовой смеси изотопов водорода и повышенных температурах с сохранением радиационной безопасности устройства в целом.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения:
- давление газовой смеси изотопов водорода более 100 МПа;
- рабочая температура более 550^oC,
- компактность устройства;
- радиационная безопасность.

Указанный выше технический результат достигается тем, что в известном сосуде для хранения изотопов водорода, выполненном из двух коаксиальных цилиндрических оболочек, на сопрягаемых поверхностях расположены слои водородонепроницаемого покрытия, а в зоне сопряжения оболочек образована полость, разделенная на каналы незамкнутого контура выступами, выполненными на внутренней оболочке, согласно изобретению вершины выступов сопряжены с наружной оболочкой беззазорно, а на боковых поверхностях выступов расположены слои водородопроницаемого покрытия, при этом внутренняя оболочка сосуда выполнена из водородоустойчивого жаропрочного материала, относящегося к эндотермическим абсорбентам. Площадь поверхности канала, ограниченная внешней сопрягаемой оболочкой, превышает площадь поверхности канала, ограниченную внутренней цилиндрической оболочкой. При этом сами каналы могут быть выполнены в виде одно- или многозаходной винтовой линии, а выступы могут быть образованы одно- или многослойной проволочной винтовой обмоткой.

Установка двух сопрягаемых коаксиальных цилиндрических оболочек беззазорно приводит к естественному техническому результату, а именно - оболочки при их нагружении внутренним давлением начинают работать совместно как однослойный сосуд с большей толщиной стенки, способной выдержать большие эксплуатационные нагрузки без пластических деформаций внутренней оболочки.

Расположение на боковых поверхностях выступов слоя водородопроницаемого покрытия обеспечивает облегчение рекомбинации атомов трития в молекулы и их выход в объем канала незамкнутого контура, что приводит к исключению процесса накопления продиффундировавших атомов трития в объеме выступов, а значит и к установлению постоянства концентрационного распределения водорода по толщине стенки внутренней цилиндрической оболочки сосуда в процессе эксплуатации. Предельная допустимая концентрация водорода определяется расчетно-экспериментальным образом для каждой конкретной марки конструкционного материала и, что очевидно, существенным образом зависит от уровня требуемого эксплуатационного давления и температуры рабочего тела.

Выбор водородоустойчивого жаропрочного материала внутренней оболочки сосуда из группы конструкционных металлов, относящихся к эндотермическим абсорбентам, обеспечивает такой первичный технический эффект как структурную стабильность матрицы металла, а значит и его прочность в широком диапазоне эксплуатационных температур и давлений водорода.

Конструктивное выполнение формы канала незамкнутого контура таким образом, что площадь его поверхности, ограниченная внешней сопрягаемой оболочкой, превышает площадь его поверхности, ограниченную внутренней цилиндрической оболочкой, обеспечивает такой первичный технический эффект, как минимизацию площади контакта сопрягаемых беззазорно двух коаксиальных цилиндрических оболочек, что, в свою очередь, сводит к минимуму прямую диффузию трития в объем материала наружной цилиндрической оболочки, а значит и увеличивает радиационную безопасность сосуда в целом.

Конструктивное выполнение каналов незамкнутого контура по одно- или многозаходной винтовой линии обеспечивает такой первичный технический эффект, как увеличение несущей способности сосуда в целом, а значит и увеличение эксплуатационных давлений рабочей среды в сравнении с цилиндрической оболочкой с бандажным усилением реберных выступов, параллельных центральной оси сосуда.

Обеспечение беззазорного сопряжения поверхностей цилиндрических оболочек в виде одно- или многослойной цилиндрической проволочной винтовой обмотки на внутренней оболочке сосуда фактически реализует трехслойную стенку сосуда, тонкостенная внутренняя цилиндрическая оболочка которого не является силовой, а расчетное число слоев навитой на нее обмотки в совокупности с наружной силовой оболочкой (беззазорно одетой на обмотку) обеспечивает требуемый уровень повышенного эксплутационного давления изотопов водорода.

Таким образом, приведенный сопоставительный анализ сосуда для хранения изотопов водорода с прототипом показывает, что заявляемый объект соответствует критерию изобретения "новизна".

Заявленный сосуд для хранения изотопов водорода соответствует и критерию "изобретательский уровень", так как не выявлено источников известности, где был бы описан технический результат, достигаемый настоящим изобретением. Предлагаемая беззазорная установка двух коаксиальных сопрягаемых цилиндрических оболочек, например, путем принудительного силового натяга (автофритирование оболочек) позволяет повысить уровень эксплуатационных давлений рабочей среды в сосуде. Одновременно обеспечивается достаточно сложное перераспределение характера изменения эквивалентных напряжений внутренней оболочки сосуда в зоне беззазорного ее контакта с наружной оболочкой, что и приводит к сверхсуммарному техническому результату - облегченное перемещение и последующая рекомбинация атомов трития в поле действующих напряжений в области водородопроницаемого покрытия выступов, что, в свою очередь, ограничивает поток диффундирующего трития через тело выступа в сторону наружной оболочки и тем самым повышает общий уровень радиационной безопасности сосуда.

Выполнение площади поверхности канала незамкнутого контура, ограниченной внешней сопрягаемой оболочкой, больше площади его поверхности, ограниченной внутренней цилиндрической оболочкой, кроме первичного технического эффекта - минимизация площади контакта беззазорно сопрягаемых двух коаксиальных цилиндрических оболочек - совместно и неразрывно с признаком беззазорности контактирующих цилиндрических поверхностей как раз и обеспечивает вышеописанный сверхсуммарный технический результат.

Изобретение поясняется чартежами 1, 2, 3, на которых представлены конкретные выполнения сосуда для хранения изотопов водорода. При этом:
- на фиг. 1 представлено поперечное сечение сосуда с каналами незамкнутого контура, параллельными его продольной оси;
- на фиг. 2 представлено продольное сечение сосуда с винтовыми каналами незамкнутого контура;
- на фиг. 3 представлено продольное сечение сосуда с двухслойной винтовой обмоткой, где на фиг. 1, 2, 3:
1 - наружная цилиндрическая оболочка;
2 - внутренняя цилиндрическая оболочка;
3 - слои водородонепроницаемого покрытия;
4 - выступы;
5 - каналы незамкнутого контура;
6 - слои водородопроницаемого покрытия (активированная водородопроницаемая боковая поверхность каналов незамкнутого контура, получаемая путем специальной обработки или нанесением специального покрытия);
7 - многозаходная винтовая двухслойная беззазорная в радиальном направлении проволочная обмотка.

Сосуд для хранения изотопов водорода выполнен из двух коаксиальных цилиндрических оболочек 1 и 2, на обеих сопрягаемых поверхностях которых расположены слои водородонепроницаемого покрытия 3. В зоне сопряжения оболочек 1 и 2 образована полость, разделенная выступами 4 на каналы незамкнутого контура 5. Вершины выступов 4 внутренней оболочки 2 сопряжены с наружной оболочкой 1 беззазорно, а на боковых поверхностях выступов 4 расположены слои водородопроницаемого покрытия 6. Площадь поверхности канала 5, ограниченная внешней сопрягаемой оболочкой 1, больше площади его поверхности, ограниченной внутренней цилиндрической оболочкой 2. Это достигается специальной формой выполнения выступа 4.

Помимо выполнения каналов 5 параллельно центральной продольной оси сосуда (см. фиг. 1) возможно, например, их выполнение по одно- или многозаходной винтовой линии (см. фиг. 2), при этом возможно выполнение выступа 4 внутренней цилиндрической оболочки 2 (беззазорно контактирующего с наружной цилиндрической оболочкой 1) в виде одно- или многослойной проволочной винтовой обмотки, изображенной на фиг. 3. Боковая поверхность винтовой обмотки 7 активирована специальной обработкой или нанесением специального водородопроницаемого покрытия 6.

Исходя из конкретных условий применения сосуда (ресурс, уровень повышенных рабочих температур и давлений тритий-дейтериевой газовой смеси) возможно беззазорное сопряжение цилиндрических оболочек 1 и 2 как с предварительным расчетным натягом, так и без него, при этом максимально возможные рабочие давления достигаются (согласно проделанным расчетам) на конструкции стенки сосуда, изображенной на фиг. 3.

Сосуд для хранения изотопов водорода работает следующим образом. Внутри оболочки 2 находятся изотопы водорода под давлением более 100 МПа. Беззазорный контакт двух коаксиальных оболочек 1 и 2 обеспечивает их работу на прочность как единого целого.

Установка оболочек 1 и 2 с расчетным натягом делает конструкцию компактной и увеличивает уровень возможных эксплуатационных давлений и температур при соответствующем подборе марок материалов оболочек.

Выбор водородоустойчивого жаропрочного материала внутренней оболочки 2 сосуда из группы конструкционных металлов, относящихся к эндотермическим абсорбентам, например, сплав ЭИ787-ВД (ХН35МВТЮ) обеспечивает структурную стабильность матрицы металла, а значит и его прочность в широком диапазоне эксплуатационных температур и давлений водорода.

Тритий, диффундирующий через тело внутренней цилиндрической оболочки 2 в зоне каналов незамкнутого контура 5 за счет специальной формы выступа 4 и водородопроницаемого покрытия 6 на его боковой поверхности получает возможность облегченной рекомбинации атомов в молекулы и инертным газом, прокачиваемым по каналам 5, уносится на систему утилизации, что обеспечивает защиту от водородной коррозии материала наружной силовой цилиндрической оболочки 1 и радиационную безопасность сосуда в целом.

Сопряжение коаксиальных цилиндрических оболочек беззазорно с выполнением канала незамкнутого контура в зоне сопряжения существенно повышает допустимый уровень рабочих давлений и эксплуатационных температур сосуда при одновременном сохранении его радиационной безопасности. Это стало возможным за счет облегченной рекомбинации атомов трития в молекулы на боковых поверхностях выступов с водородопроницаемым покрытием, что позволяет использовать в качестве конструкционного материала наружной оболочки не водородоустойчивые сплавы вплоть до жаропрочных высокопрочных, титановых сплавов, относящихся к экзотермическим абсорбентам, или мартенситно стареющие сплавы. Это, в свою очередь, приводит к увеличению нейтронной прозрачности сосуда в целом, что является технически важным эффектом для отдельных видов нейтронных источников.

Сосуд выполнен из двух коаксиальных цилиндрических оболочек, на обеих сопрягаемых поверхностях которых расположены сдои водородонепроницаемого покрытия. В зоне сопряжения оболочек образована полость, вентилируемая прокачиваемым инертным газом и разделенная выступами на каналы незамкнутого контура. Вершины выступов внутренней оболочки сопряжены с наружной оболочкой беззазорно, а на боковых поверхностях выступов расположены сдои водородопроницаемого покрытия. Площадь поверхности канала, ограниченная внешней сопрягаемой оболочкой, больше площади его поверхности, ограниченной внутренней цилиндрической оболочкой. Возможно выполнение каналов по одно- или многозаходной винтовой линии, при этом возможно "эквивалентное" выполнение выступа в виде одно- или многослойной проволочной винтовой обмотки. Технический результат данного изобретения выражается в обеспечении работоспособности сосуда при более высоких эксплуатационных давлениях газовой смеси изотопов водорода и повышенных температурах с сохранением радиационной безопасности устройства в целом. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Сосуд для хранения изотопов водорода, выполненный из двух коаксиальных цилиндрических оболочек, на обеих сопрягаемых поверхностях которых расположены слои водородонепроницаемого покрытия, при этом в зоне сопряжения оболочек образована полость, разделенная на каналы незамкнутого контура выступами, выполненными на внутренней оболочке, отличающийся тем, что вершины выступов сопряжены с наружной оболочкой беззазорно, а на боковых поверхностях выступов расположены слои водородопроницаемого покрытия, при этом внутренняя оболочка сосуда выполнена из водородоустойчивого жаропрочного материала, относящегося к эндотермическим абсорбентам. 2. Сосуд для хранения изотопов водорода по п.1, отличающийся тем, что площадь поверхности канала, ограниченная внешней сопрягаемой оболочкой, превышает площадь поверхности канала, ограниченную внутренней цилиндрической оболочкой. 3. Сосуд для хранения изотопов водорода по пп.1 и 2, отличающийся тем, что канал незамкнутого контура выполнен по одно- или многозаходной винтовой линии. 4. Сосуд для хранения изотопов водорода по пп.1 - 3, отличающийся тем, что выступы образованы одно- или многослойной проволочной винтовой обмоткой.