СЕПАРАТОР РАДИОГЕННОГО ГЕЛИЯ Российский патент 2000 года по МПК B01D59/12 

Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в высокотемпературных ядерноэнергетических установках (ЯЭУ) с литиевым теплоносителем преимущественно 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 эвтектическим сплавом 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 радиогенного гелия космической ЯЭУ SP-100 с литиевым теплоносителем [1]. 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.

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. Габариты такого сепаратора достаточно велики, что затрудняет компоновку агрегатов в тени радиационной защиты ЯЭУ. Достаточно сложно осуществить наземную отработку такого сепаратора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сепаратор радиогенного гелия, предложенный в [2] применительно к космической ЯЭУ с литиевым теплоносителем. Сепаратор содержит корпус с внутренней газовой полостью, образованной размещенными на внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, капиллярным затвором у узла входа литиевого теплоносителя и газовым фильтром у узла выхода литиевого теплоносителя. Пористая капиллярная структура, в которой при работе сепаратора локализуется жидкая фаза, ограничивает внутреннюю газовую полость. 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. Капиллярный затвор обеспечивает надежную локализацию содержимого сепаратора при отключении циркуляции. Газовый фильтр у узла выхода в виде металловойлока 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. В результате обеспечивается высокая степень очистки лития.

Однако такой сепаратор имеет достаточно большую длину (в изготовленном по рекомендациям [2] длина сепаратора составила 2 м), что с учетом других агрегатов литиевого контура, в частности расширительной (компенсационной) емкости литиевого теплоносителя, затрудняет компоновку агрегатов в тени радиационной защиты ЯЭУ, увеличивает габариты агрегатного отсека, затрудняет наземную отработку литиевого контура. Кроме того, наличие газовой полости внутри сепаратора, ограниченной капиллярной структурой, может нарушать работу компенсационной емкости литиевого контура.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение качества компоновки агрегатов системы охлаждения при сохранении высокой степени очистки литиевого теплоносителя от радиогенного гелия за счет совмещения нескольких агрегатов в одном конструкционном устройстве и обеспечение возможности проведения наземных испытаний сепаратора и компенсационной емкости в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.

Указанный технический результат достигается в сепараторе радиогенного гелия, содержащего корпус с внутренней газовой полостью, ограниченной размещенными на внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, капиллярным затвором у узла входа литиевого теплоносителя и газовым фильтром у узла выхода литиевого теплоносителя, в газовой полости размещен компенсатор расширения объема литиевого теплоносителя, гидравлически соединенный, по крайней мере, с капиллярной структурой или капиллярным затвором. Компенсатор расширения объема может быть выполнен в виде крупноячеистой пористой структуры, причем размеры структуры могут быть выбраны из условия удержания литиевого теплоносителя в поле силы тяжести на высоте, не меньшей диаметра или другого максимального вертикального размера сепаратора (для обеспечения испытаний в наземных условиях).

На чертеже приведена конструкционная схема сепаратора.

Сепаратор содержит корпус 1 и узлы входа 2 и выхода 3 литиевого теплоносителя. На внутренней поверхности корпуса 1 размещается капиллярная структура 4. У узла входа 2 может быть размещен капиллярный затвор 5, а у узла выхода 3 - газовый фильтр 6. Внутри газовой полости 7 размещен компенсатор расширения объема литиевого теплоносителя, который конструкционно может быть выполнен по-разному. На чертеже показан вариант компенсатора, выполненной на основе нескольких трубок 8, оси которых параллельны оси сепаратора. Все трубки 8 гидравлически сообщаются друг с другом посредством отверстий 9, тем самым образуя крупноячеистую пористую структуру компенсатора. Посредством тех же отверстий 9 трубки 8 компенсатора гидравлически соединены с капиллярной структурой 4 сепаратора. Компенсатор гидравлически соединен также с капиллярным затвором 5, так как трубки 8 открытыми торцами установлены вплотную к нему. Возможен вариант, когда капиллярный затвор 5 отсутствует, тогда трубки 8 гидравлически соединены непосредственно с узлом входа 2 теплоносителя. Возможно также размещение компенсатора, например, в виде трубок 8 и у газового фильтра 6. Размеры крупноячеистой пористой структуры должны быть выбраны из условия удержания литиевого теплоносителя в поле силы тяжести на высоте, не меньшей чем диаметр или другой максимальный размер сепаратора, располагаемый по направлению вектора силы тяжести при наземных испытаниях. Это условие будет выполнено, если внутренний диаметр трубок выбран из условия
D < 4σ/ρgh, (1)
где D - внутренний диаметр трубки, м; σ - поверхностное натяжение лития, H/м; ρ - плотность лития, кг/м³, g - ускорение силы тяжести, м/с²; h - максимальный размер сепаратора, располагаемый по направлению вектора силы тяжести при наземных испытаниях, м.

Сепаратор работает следующим образом.

В исходном состоянии литиевый теплоноситель является твердым и находится в капиллярной структуре 4, капиллярном затворе 5, в газовом фильтре 6 и занимает часть 10 объема трубок 8 компенсатора. В свободной части газовой полости 7 и в незаполненной литием части 11 трубок 8 находится газ, обычно нейтральный (гелий, аргон). Газ находится под давлением, обеспечивающим нормальную работу насоса без кавитации, обычно для лития это от 0,1 до 1-2 атм.

При запуске ЯЭУ проводится расплавление литиевого теплоносителя во всем контуре, включая сепаратор, с помощью специальной пусковой системы (на чертеже не показанной). После расплавления литиевого теплоносителя в капиллярной структуре 4, капиллярном затворе 5, в газовом фильтре 6 и части 10 объема трубок 8 компенсатора находится жидкий литий. Далее проводится подъем тепловой мощности реактора ЯЭУ, что приводит к росту температуры литиевого теплоносителя во всем контуре. Это в свою очередь вызывает увеличение объема жидкого лития в контуре. Увеличение объема лития в контуре компенсируется увеличением объема лития в компенсаторе. Поступление лития в компенсатор осуществляется через капиллярный затвор 5 или газовый фильтр 6. Возможно также поступление лития и из капиллярной структуры 4 через отверстия 9 в трубках 8 компенсатора. В результате граница раздела 12 жидкий литий - газ передвигается с увеличением объема 10 трубок, заполненных литием. При этом давление газа в полости 7 несколько увеличивается. Так продолжается до достижения номинальной тепловой мощности реактора ЯЭУ и соответственно рабочей температуры литиевого теплоносителя (обычно от 600-700 до 800-1000^oC).

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 во входное устройство 2. Капиллярный затвор 5 не пропускает литий в газовую полость 7, а направляет его по капиллярной структуре 4. Принцип действия сепаратора основан на использовании капиллярных структур, обеспечивающих 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. Так, перфорация капиллярной структуры в виде отверстий не более 0,5 мм, выполненных с шагом до 10 мм, обеспечивает эти требуемые условия. В результате время выделения гелия из пересыщенного раствора гелия в литии составляет примерно 0,3 с. Длина сепаратора выбрана достаточной (до 2 метров) для того, чтобы протекающий литий находился в капиллярной структуре больше этого времени. Крупноячеистая пористая структура компенсатора, например, в виде трубок 8 осуществляет сбор лития в компенсаторе, тем самым обеспечивая "очистку" капиллярной структуры 4 у корпуса 1 сепаратора и, следовательно, оптимальные условия для массообмена гелия между жидкой фазой (в литии) и газовым объемом. При наземных испытаниях это условие выполняется, если диаметр трубок выбран из выражения (1), что позволяет отрабатывать сепаратор в условиях, приближенных к космическим.

Далее литий до уровня давления насыщения, равного давлению в сепараторе, попадает на фильтр 6, выполненный, например, из металловойлока с очень мелкой капиллярной структурой (0,03 - 0,05 мм), которая обеспечивает удержание в сепараторе компактной газовой фазы с размерами, превышающими диаметр капилляра. Более мелкие частицы газа, проникая в контур на напорную линию насоса, перерастворяются за счет избыточного давления, являющегося суммой гидравлического и капиллярного давлений. Очищенный от гелия литий через узел выхода 3 попадает в поток циркулирующего в системе охлаждения лития. Выделившийся гелий смешивается с исходным газом и накапливается в газовой полости 7. При этом давление газовой смеси постепенно повышается.

Характерные размеры корпуса и капиллярной структуры, затвора и фильтра получены из тех же соображений, что и в [2]. Диаметр корпуса не более 100 мм в сочетании с капиллярной структурой в виде рулона перфорированной ленты с суммарной толщиной 3 - 5 мм, а перфорация - в виде отверстий 0,05 - 0,2 мм, размещенных с шагом 0,15 - 0,5 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 - 0,3 мм с шагом 0,4 - 1,0 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, совмещенный с расширительной емкостью (компенсатором объема). Он был выполнен в виде трубы диаметром 48х1 мм длиной 2000 мм. Капиллярная структура газового фильтра была изготовлена из двух слоев перфорированной ленты с отверстием 1 мм и шагом 5 мм. Узлы входа и выхода лития были выполнены в виде трубки диаметром 12х1 мм. Капиллярный затвор был выполнен из рулона перфорированной ленты с отверстиями 0,5 мм, длина затвора 200 мм. Компенсатор расширения объема лития был выполнен в виде трубок диаметром 12х1 мм с отверстиями диаметром 0,15 мм. Экспериментальный сепаратор был оснащен трубкой для подачи (или удаления) газа. В исходном состоянии газовая полость была заполнена аргоном при давлении примерно 0,5 атм. 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 возможность совмещения сепаратора с расширительной емкостью, надежную работу такого агрегата во всех режимах, высокую эффективность очистки лития от гелия, возможность наземных испытаний агрегата в условиях, в достаточной степени моделирующих условия работы в космосе.

Источники информации
1. В.С.Трусцелло. Энергетическая установка SP-100. Ядерная энергетика в космосе. Отраслевая юбилейная конференция. Тезисы докладов. Часть 2. Доклады иностранных специалистов. Обнинск: 1991, с. 108 - 139.

2. Патент RU 2109554 C1, МКИ6 В 01 D 59/00, 59/20. Сепаратор радиогенного гелия. Опубл. 27.04.98. Бюл. N 12.

Сепаратор радиогенного гелия относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использован в высокотемпературных ЯЭУ с литиевым теплоносителем преимущественно космического назначения. Сепаратор содержит корпус с внутренней газовой полостью, образованной размещенными на внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, капиллярным затвором у узла входа литиевого теплоносителя и газовым фильтром у узла выхода литиевого теплоносителя. В газовой полости размещен компенсатор расширения объема литиевого теплоносителя, гидравлически соединенный, по крайней мере, с капиллярной структурой или с капиллярным затвором. Компенсатор может быть выполнен в виде крупноячеистой пористой структуры, причем размеры структуры выбраны из условия удержания литиевого теплоносителя в поле силы тяжести на высоте, не меньшей диаметра или другого максимального вертикального размера сепаратора. Крупноячеистая пористая структура может быть выполнена в виде набора трубок с отверстиями на боковых поверхностях. Данное конструктивное выполнение сепаратора позволяет уменьшить компоновку агрегатов системы охлаждения при сохранении высокой степени очистки литиевого теплоносителя от радиогенного гелия. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Сепаратор радиогенного гелия, содержащий корпус с внутренней газовой полостью, ограниченной размещенными на внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, капиллярным затвором у узла входа литиевого теплоносителя и газовым фильтром у узла выхода литиевого теплоносителя, отличающийся тем, что в газовой полости размещен компенсатор расширения объема литиевого теплоносителя, гидравлически соединенный по крайней мере с капиллярной структурой или с капиллярным затвором. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что компенсатор расширения объема выполнен в виде крупноячеистой пористой структуры. 3. Сепаратор по п. 2, отличающийся тем, что крупноячеистая пористая структура выполнена в виде набора трубок с отверстиями на боковых поверхностях. 4. Сепаратор по п.3, отличающийся тем, что внутренний диаметр трубок выбран из условия
D < 4σ/ρgh,
где D - внутренний диаметр трубки, м;
σ - поверхностное натяжение лития, Н/м;
ρ - плотность лития, кг/м³;
g - ускорение силы тяжести, м/с²;
h - максимальный размер сепаратора, располагаемый по направлению вектора силы тяжести при наземных испытаниях, м.