Устройство для откачки изотопов водорода из вакуумного объема термоядерной установки Российский патент 2017 года по МПК C01B4/00 C01B3/00 G21B1/00 B01D53/22 B01D63/00 

Изобретение относится к области физической химии, вакуумной технике, управляемого термоядерного синтеза и предназначено для поддержания требуемого вакуума в вакуумном объеме термоядерных установок и удаления из них остатков топлива: изотопов водорода дейтерия и трития, а также для откачки вакуумных систем, в которых изотопы водорода служат рабочим газом.

Большинство наиболее распространенных в настоящее время устройств для откачки изотопов водорода используют методы и системы на основе криогенной откачки.

Известно техническое решение (см. [1] патент РФ №2149466. Способ удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки и устройство для его осуществления. М.кл. G21B 1/00, F04B 37/08, опубл. 20.05.2000 г.), в котором запатентованы способ и устройство удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, осуществляемые с помощью встроенного криогенного насоса и удаления трудноконденсируемых компонентов с помощью выносного криогенного блока откачки, причем поток гелия и водорода вводят, используя эффект переконденсации в криоконденсационный блок откачки, где изотопы водорода конденсируют при более низкой температуре, чем температура криопанели встроенного крионасоса, а изотопы гелия компремируют и откачивают далее традиционным методом, преимущественно с помощью холодного диффузионного насоса на парах воды, при этом вышеуказанные операции осуществляют путем изменения градиента температуры по ходу движения потока газа, достигаемого за счет понижения давления над жидким гелием и использования энтальпии отходящих паров, а устройство удаления изотопов гелия и водорода включает вакуумный затвор, криоконденсационный блок откачки, холодильную машину и систему сбора газов. При этом криоконденсационный блок откачки собран по меньшей мере из двух криогенных заливных гелиевых насосов, одного холодного диффузионного насоса на парах воды и водокольцевого вакуумного насоса, которые установлены цугом и отделены друг от друга вакуумными затворами, при этом вакуумные объемы заливных гелиевых насосов разделены при помощи мембран на отдельные отсеки, соединенные между собой по газу каналами с малой проводимостью, а их гелиевые ванны гидравлически связаны с компрессором холодильной машины.

Принципиальная схема системы откачки в этом случае представлена на Фиг. 1. Откачиваемая отработанная топливная смесь газов из вакуумной системы термоядерного реактора поступает по откачному тракту в систему криогенной откачки.

Несмотря на высокую степень проработки и совершенство известного технического решения, оно представляется достаточно сложным и энерго- и финансовозатратным, что связано с использованием криогенной откачки и последующим фракционным разделением откачиваемых газов вакуумной системы реактора. Кроме того, в таком устройстве значительное количество трития будет аккумулироваться на криопанелях, что, во-первых, существенно увеличивает общее количество радиоактивного топлива, требуемого для работы реактора, во-вторых, может привести к радиоактивному заражению в случае несанкционированного размораживания криопанелей.

Известно техническое решение, позволяющее усовершенствовать задачу откачки и разделения фракций топливного цикла вакуумной системы термоядерного реактора (см. [2] A.I. Livshits, М.Е. Notkin, А.А. Samartsev, А.О. Busnyuk, A.Yu Doroshin, V.I. Pistunovich "Superpermeability to fast and thermal hydrogen particles: applications to the pumping and recycling of hydrogen isotopes", Journal of Nuclear Materials 196-198 (1992) 159-163). В известном техническом решении откачка дейтерий-тритиевой смеси производится с помощью сверхводородопроницаемых композитных мембран 1 (Фиг. 2) на базе металлов 5-й группы Периодической системы элементов Менделеева (ниобий, ванадий, тантал), расположенных вдоль стенок откачного тракта 2 (Фиг. 2). Мембраны 1 селективно выделяют дейтерий-тритиевую смесь из откачиваемой из реактора газовой смеси. При этом не термализованные частицы дейтерий-тритиевой смеси (атомы, ионы), попадающие на мембрану 1 из плазмы реактора (область 3 на Фиг. 2), непосредственно откачиваются мембраной, а термализованные частицы (молекулы D₂, T₂) диссоциируют на атомы на специальной установленной в тракте откачки в области 4 накаленной поверхности (атомизаторе 5 на Фиг. 2) и так же откачиваются мембраной-1. Откачанные мембраной D/T частицы выделяются в специальном объеме 6, в котором они накапливаются, компримируются и из которого подаются в специальные устройства пеллет-инжекции для повторного использования.

Недостатком известного технического решения является сложность его реализации. Это связано с тем, что для откачки большей части топливной смеси необходимая площадь поверхности мембраны оказывается сравнимой с площадью поверхности стенок откачного тракта, которые имеют сложную геометрическую конфигурацию, радикально затрудняющую размещение вдоль них откачивающих мембран.

За прототип выбрано техническое решение, описанное в [2].

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение габаритов системы откачки.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в устройстве для откачки изотопов водорода из вакуумного объема термоядерной установки с помощью композитной мембраны на основе металлов 5-й группы Периодической системы элементов - ниобия, ванадия, тантала или их сплавов друг с другом, и атомизатора молекул изотопов водорода, установленных внутри откачного тракта термоядерной установки, отличающемся тем, что вдоль откачного тракта термоядерной установки расположены одинаковые параллельные друг другу модули, при этом каждый из упомянутых модулей включает заключенные в корпус композитную мембрану, атомизатор, систему охлаждения и выходной объем, причем системы охлаждения модулей соединены друг с другом, выходные объемы модулей объединены в единый выходной объем, а откачной тракт термоядерной установки в зазорах, образованных между наружными стенками как самих модулей, так и стенками модулей и стенкой тракта, перекрыт диафрагмой для предотвращения прохождения откачиваемой смеси газов, минуя модули.

Достижение указанного технического результата за счет приведенных выше отличий состоит в следующем.

Композитные мембраны, установленные вдоль стенок откачного тракта термоядерной установки [2], должны обеспечить откачку/выделение подавляющей части (более 95%), проходящей по откачному тракту дейтерий-тритиевой смеси, и ее возврат в систему накопления (6) на Фиг. 2 для повторного использования рабочего топлива. Чем большая часть дейтерий-тритиевой смеси будет откачиваться мембраной и не будет поступать на вход криогенной системы откачки, тем меньше будет нагрузка на криогенные насосы, тем меньшее количество радиоактивной дейтерий-тритиевой смеси будет накапливаться на панелях криогенных насосов и тем более эффективной будет система откачки реактора в целом.

Требование обеспечения откачки подавляющей части проходящей по откачному тракту дейтерий-тритиевой смеси выполняется при условии

где Q_m - скорость откачки дейтерий-тритиевой смеси мембраной,

Q_t - скорость откачки дейтерий-тритиевой смеси откачным трактом.

Скорость откачки откачным трактом задана его конструктивными размерами и в их рамках не может быть каким-либо образом изменена.

Скорость откачки мембраной определяется площадью ее поверхности и в случае ее установки вдоль стенок откачного тракта ограничена площадью поверхности тракта. При планируемых в настоящее время в реакторе потоках откачиваемой дейтерий-тритиевой смеси для обеспечения условия (1) требуемая скорость откачки композитной мембраны (ее суммарная поверхность) такова, что требуется установка мембраны практически вдоль всей поверхности стенки откачного тракта. Следует также принять во внимание сложную конфигурацию конструкции откачного тракта, не позволяющую полностью использовать его поверхность для установки откачивающих композитных мембран. Таким образом, практическая реализация обеспечения откачки большей части отработанной дейтерий-тритиевой смеси в известном техническом решении [2] представляется труднореализуемой, если вообще возможной.

Для решения поставленной задачи и радикального увеличения скорости откачки дейтерий-тритиевой смеси композитной мембраной в предлагаемом изобретении для ее откачки используют не только поверхность откачного тракта, но и его объем. Для этого внутри откачного тракта устанавливают одинаковые расположенные вдоль откачного тракта параллельно друг другу откачные модули. При этом каждый из таких модулей включает заключенные в его корпус композитную мембрану, атомизатор, систему охлаждения и выходной объем.

На Фиг. 3 представлен отрезок откачного тракта 2 (в данном случае цилиндрической формы) и расположенные внутри него откачные модули 7.

На Фиг. 3:

1 - композитная мембрана,

2 - откачной тракт,

5 - атомизатор молекулярной дейтерий-тритиевой смеси,

7 - откачные модули,

8 - выходной объем модуля,

9 - объединенный выходной объем всей мембранной системы,

10 - система охлаждения откачного модуля,

11 - выходной коллектор системы охлаждения,

12 - диафрагма.

Площадь поверхности композитной мембраны S, установленной вдоль стенок откачного тракта, равна

где R - радиус откачного тракта,

L - длина композитной мембраны (длина отрезка откачного тракта, занятого мембраной).

Площадь поверхности мембранной системы, образованной мембранными модулями S_m, равна:

где r - радиус модуля,

l - длина модуля,

n - число модулей.

Из сравнения уравнений (2) и (3) следует, что при одной и той же скорости откачки дейтерий-тритиевой смеси в случае установки композитной мембраны вдоль стенок откачного тракта [2] и в случае модульной конструкции предлагаемого технического решения, то есть при одной и той же площади композитных мембран в обоих случаях, длина откачного модуля будет составлять:

Например, в случае цилиндрической конфигурации откачного тракта одним из оптимальных вариантов размещения мембранных модулей, который обеспечивает возможность максимально плотной их установки внутри откачного тракта, является размещение семи модулей, имеющих радиус r=R/3 - см.

На Фиг. 4 схематически представлено поперечное сечение откачного тракта в месте установки мембранных откачных модулей.

Здесь:

2 - откачной тракт,

12 - диафрагма,

13 - места установки откачных мембранных модулей.

В этом случае длина мембранного модуля оказывается существенно меньше, чем в случае известного технического решения [2]. Действительно, l=RL/nr=L/2.3.

Работа устройства для откачки изотопов водорода из вакуумного объема термоядерной установки осуществляется следующим образом - см. фиг. 1-4.

Откачиваемая из термоядерного реактора отработанная топливная смесь, содержащая, главным образом, дейтерий-тритиевую смесь и гелий, поступает в откачной тракт (фиг. 1, 2), в котором в области 3 установлено устройство для откачки изотопов водорода, представляющее собой (фиг. 3) набор модулей 7, расположенных вдоль откачного тракта параллельно друг другу. Изотопы водорода, сохранившие высокую энергию (атомы и ионы), непосредственно абсорбируются сверхводородопроницаемой композитной мембраной 1, диффундируют сквозь нее и десорбируются в выходном объеме 8, где накапливаются и компримируются для повторного использования.

Термализованные частицы изотопов водорода, потерявшие свою высокую энергию в результате столкновений со стенками откачного тракта и образовавшие вследствие этого процесса молекулярный газ, диссоциируют на атомы на накаленных поверхностях атомизаторов 5, которые установлены в каждом откачном модуле. Атомы изотопов водорода так же, как и нетермализованные водородные частицы, проникают сквозь мембрану 1 и накапливаются в выходном объеме 8 каждого откачного модуля. Выходные объемы модулей соединены в общий выходной (коллектор) 6.

Поддержание требуемого температурного режима устройства откачки изотопов водорода осуществляется с помощью систем охлаждения 10, установленных в каждом откачном модуле. Все системы охлаждения соединены в общий коллектор 11.

Для предотвращения прямого прохождения откачиваемой смеси газов в систему криогенной откачки, минуя модули, откачной тракт термоядерной установки в зазорах, образованных между наружными стенками как самих модулей, так и стенками модулей и стенкой тракта, перекрыт диафрагмой 12 (Фиг. 3) и заштрихованную область (Фиг. 4).

Таким образом, в случае использования предлагаемого технического решения осуществляется радикальное снижение габаритов мембранной системы, что обеспечивает ее сводное размещение в откачном тракте, при сохранении высокой скорости откачки изотопов водорода и, соответственно, эффективное отделение дейтерий-тритиевой части топлива от гелия и его накопление для повторного использования.

Изобретение относится к области физической химии, вакуумной технике, управляемого термоядерного синтеза и предназначено для поддержания требуемого вакуума в вакуумном объеме термоядерных установок и удаления из них остатков топлива: изотопов водорода дейтерия и трития, а также для откачки вакуумных систем, в которых изотопы водорода служат рабочим газом. Устройство для откачки изотопов водорода из вакуумного объема термоядерной установки содержит одинаковые расположенные параллельно друг другу модули, установленные вдоль откачного тракта термоядерной установки, при этом каждый из модулей включает заключенные в корпус композитную мембрану на основе металлов 5-й группы Периодической системы элементов - ниобия, ванадия, тантала или их сплавов друг с другом, атомизатор, систему охлаждения и выходной объем, причем системы охлаждения модулей соединены друг с другом, выходные объемы модулей объединены в единый выходной объем, а откачной тракт термоядерной установки в местах отсутствия модулей перекрыт диафрагмой для предотвращения прохождения откачиваемой смеси газов, минуя модули. Изобретение обеспечивает эффективную откачку изотопов водорода из вакуумного объема термоядерных установок, снижение габаритов установки для откачки и свободное размещение установки в откачном тракте. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для откачки изотопов водорода из вакуумного объема термоядерной установки с помощью композитной мембраны на основе металлов 5-й группы Периодической системы элементов - ниобия, ванадия, тантала или их сплавов друг с другом, и атомизатора молекул изотопов водорода, установленных внутри откачного тракта термоядерной установки, отличающееся тем, что содержит одинаковые расположенные параллельно друг другу модули, установленные вдоль откачного тракта термоядерной установки, при этом каждый из упомянутых модулей включает заключенные в корпус композитную мембрану, атомизатор, систему охлаждения и выходной объем, причем системы охлаждения модулей соединены друг с другом, выходные объемы модулей объединены в единый выходной объем, а откачной тракт термоядерной установки в местах отсутствия модулей перекрыт диафрагмой для предотвращения прохождения откачиваемой смеси газов, минуя модули.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что откачной тракт имеет цилиндрическую форму, в которую установлено семь упомянутых модулей.