ЛИТИЕВЫЙ КОНТУР СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2000 года по МПК H01J45/00 B01D19/00 

Изобретение относится к системам преобразования тепловой энергии в электрическую, ядерной энергетике и может быть использовано в высокотемпературных ядерно-энергетических установках (ЯЭУ) космического назначения, в том числе с термоэмиссионным и термоэлектрическим преобразованием тепловой энергии в электрическую.

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 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 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 SP-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 космической ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) на быстрых нейтронах [2]. Основная часть контура содержит систему трубопроводов с электромагнитным насосом (ЭМН), устройство сброса тепла излучением в космос (холодильник-излучатель) в виде секции тепловых труб, а также необходимую датчиковую и измерительную аппаратуру. На байпасной относительно ЭМН части контура установлен сепаратор гелия с устройством забора теплоносителя из основной части контура на напорном трубопроводе (после насоса по ходу литиевого теплоносителя) и устройством ввода очищенного от газа лития в контур на всасывающем трубопроводе основной части контура (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 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 контуре наинизшее давление реализуется на входе в насос основного контура, за пределами контура сепаратора, что является недостатком описанной схемы контура.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является разделение уровней давления в пространстве сепаратора гелия и в основной части циркуляционного контура теплоносителя и, как следствие, полная локализация выделения гелия только в пространстве сепаратора, и, тем самым, повышение качества очистки литиевого теплоносителя от радиационного гелия.

Указанный технический результат достигается в литиевом контуре системы охлаждения космического ядерного реактора, содержащем систему трубопроводов с насосом, устройство сброса тепла излучением в космос, причем на байпасной относительно насоса части контура установлен сепаратор гелия с узлом забора теплоносителя из основной части контура на напорном трубопроводе и узлом ввода очищенного от газа лития в основную часть контура на всасывающем трубопроводе, в котором между сепаратором и узлом ввода очищенного от газа лития в основную часть контура установлен дополнительный насос, который может быть выполнен электромагнитным. Между узлом забора лития из основной части контура и сепаратором может быть установлено гидравлическое сопротивление, выполненное, например, в виде дроссельного устройства или капиллярного разделителя.

На чертеже приведена схема контура. Контур содержит основную часть 1 и байпасную часть 2. Основная часть 1 контура содержит насос 3, устройство для сброса тепла в космос 4, всасывающий 5 и напорный 6 трубопроводы и различного рода датчики 7 (расхода, давления, температуры). Байпасная часть 2 контура содержит сепаратор 8, узел 9 забора лития из основной части 1 контура, узел 10 ввода очищенного от газа лития в основную часть контура. Между узлом 10 ввода теплоносителя и сепаратором 8 установлен дополнительный насос 11, который может быть электромагнитным. На байпасной части контура могут быть установлены также датчики, например, давления и расхода (на чертеже не показаны). Между узлом 9 забора лития и сепаратором 8 может быть установлено специальное устройство в виде гидравлического сопротивления, выполненное, например, в виде дросселя или капиллярного разделителя (на чертеже не показано).

Контур работает следующим образом.

В исходном состоянии литий контура системы охлаждения не содержит растворенного гелия. В процессе выхода ядерного реактора 12 на мощность и работы реактора на номинальном или промежуточных уровнях мощности циркулирующий литий контура системы охлаждения, находящийся в активной зоне реактора 12, облучается нейтронами и в нем образуется радиогенный гелий. Литий с растворенным гелием циркулирует в основной части 1 контура. Часть лития с растворенным в нем гелием через узел 9 забора лития из основной части контура попадает в сепаратор 8, где происходят выделение гелия из лития, а также сбор и хранение выделенного гелия. После сепаратора 8 литий, содержащий гелий в концентрации, значительно меньшей, чем насыщенная концентрация при давлении в основной части контура, попадает в дополнительный насос 11. Насос 11 создает в байпасной части контура дополнительный перепад давления, в результате чего на его всасывающем участке 13, а следовательно, и в сепараторе 8, устанавливается давление теплоносителя меньшее, чем на всасывающем трубопроводе 5 насоса 3 основной части 1 контура.

Так как степень очистки лития от гелия тем выше, чем меньше давление в литии, то созданное с помощью дополнительного насоса 11 разрежение в сепараторе 8 увеличит степень очистки лития в сепараторе относительно случая без дополнительного насоса. Давление лития в сепараторе 8 может быть еще дополнительно понижено, если участок между узлом 9 и сепаратором выполнить с повышенным гидравлическим сопротивлением, например, установив на нем специальное гидравлическое сопротивление типа дросселя. Тогда основная часть перепада давления, создаваемого дополнительным насосом 11, будет израсходована на этом гидравлическом сопротивлении, а в сепараторе 8 давление теплоносителя будет близко к давлению на всасывающем участке 13, т.е. будет близко к минимально возможному в контуре.

Очищенный от гелия литий попадает в поток циркулирующего в контуре системы охлаждения лития. Выделившийся гелий накапливается в сепараторе 8.

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

Пример исполнения.

Был изготовлен и испытан на литиевом контуре экспериментальный сепаратор по предложенной схеме контура. Сепаратор был выполнен в виде трубы диаметром 48х1 мм длиной 2000 мм и установлен на байпасной относительно насоса (ЭМН) линии. Узел забора лития и узел ввода лития были выполнены в виде трубки диаметром 12х1 мм. Экспериментальный сепаратор был врезан в циркуляционный литиевый контур, куда также был введен сатуратор для приготовления пересыщенного раствора гелия в литии. Прокачка лития по байпасной линии осуществлялась также электромагнитным насосом той же, что и основной конструкции. Контур работал при температуре 700-800^oС, причем нагрев лития осуществлялся в специальном электронагревательном устройстве (теплотехническом пакете), моделирующем часть активной зоны термоэмиссионного реактора-преобразователя на быстрых нейтронах. Измерялось количество введенного в сатуратор гелия и количество гелия, выделившегося в сепараторе. Эксперимент продемонстрировал высокую эффективность очистки лития от гелия в предложенной схеме контура.

Литература
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 высокотемпературных ядерно-энергетических установках (ЯЭУ) с литиевым теплоносителем преимущественно космического назначения. Сущность изобретения: литиевый контур системы охлаждения космического ядерного реактора содержит систему трубопроводов с насосом, устройство сброса тепла излучением в космос, причем на байпасной относительно насоса части контура установлен сепаратор гелия с узлом забора лития из основной части контура на напорном трубопроводе насоса и узлом ввода очищенного от газа лития в контур на всасывающем трубопроводе насоса. Между узлом ввода очищенного от газа лития и сепаратором байпасной части контура установлен дополнительный насос, который может быть выполнен электромагнитным. Техническим результатом является повышение качества очистки литиевого теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Литиевый контур системы охлаждения космического ядерного реактора, содержащий систему трубопроводов с насосом, устройство сброса тепла излучением в космос, причем на байпасной относительно насоса части контура установлен сепаратор гелия с узлом забора лития из основной части контура на напорном трубопроводе насоса и узлом ввода очищенного от газа лития в основную часть контура на всасывающем трубопроводе насоса, отличающийся тем, что между узлом ввода очищенного от газа лития и сепаратором байпасной части контура установлен дополнительный насос. 2. Литиевый контур системы охлаждения космического ядерного реактора по п.1, отличающийся тем, что дополнительный насос выполнен электромагнитным.