СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2020 года по МПК G21C15/00 

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования в теплотехническом оборудовании энергетических установок, в частности, для отвода тепла в термоядерных реакторах типа токамак.

Известна охлаждаемая стенка ядерного реактора (патент РФ №2267174, МПК G21B 1/00 публ. 27.12.2005), содержащая каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт с поверхностью, воспринимающей тепловой поток от плазмы.

Недостатком данного технического решения является ограниченный отвод энергии от горячей стенки.

Известен порт-лимитер термоядерного реактора, содержащий охлаждаемую стенку (Патент РФ №2267174, МПК G21B 1/00, публ. 27.12.2005), каналы для прохождения охлаждающей жидкости, имеющие тепловой контакт с поверхностью, воспринимающей тепловой поток от плазмы. Нагрев и испарение жидкости происходит на поверхности контакта.

Недостатком настоящего технического решения является низкая степень охлаждения при высокой интенсивности теплового потока, обусловленная небольшой площадью контакта охлаждающей жидкости и нагретой внутренней поверхностью сопел.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является система, описанная в патенте РФ №2467416, МПК G21C 15/18, публ. 20.11.2012, в котором описана система охлаждения стенки ядерного реактора, содержащая поверхность приема теплового потока и прилагаемую к ней теплопроводящую зону, группу форсунок, каналы подвода охлаждающей жидкости. На поверхности приема теплового потока расположены несколько слоев металлических шариков, при этом вода, попавшая на их поверхность, испаряется и по каналам между шариками вырывается наружу, образуя паровую подушку, препятствующую попаданию распыляемой из форсунок воды на охлаждаемую поверхность. До внешнего слоя сферических элементов, на который попадает большая часть охлаждающей волы, тепло доходит через небольшие точечные контакты, поэтому поверхность и внутренние слои сферических элементов остаются горячими и тепло от них отводится недостаточно.

Недостатком указанного технического решения является недостаточная площадь теплопроводящей поверхности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является развитие поверхности испарения охлаждающей жидкости и выравнивание температуры этой поверхности.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности парообразования и, как следствие, эффективности охлаждения стенок токамаков с высокой интенсивностью излучаемого теплового пока.

Это достигается тем, что известная система охлаждения стенки ядерного реактора содержащая поверхность приема теплового потока, примыкающие к ней не менее двух слоев сферических элементов, группу форсунок соединенную каналами подачи воды с общим коллектором, снабжена кожухом, подключенным к общему коллектору и имеющим выходной патрубок, при этом каналы подачи воды проходящие через четные из слоев сферических элементов считая от теплопроводящей поверхности, оканчивающиеся форсунками на выходе из сферических элементов второго из слоев, а поверхность приема теплового потока, совместно с кожухом образует полость сбора пара, соединенную с выходным патрубком.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен разрез системы охлаждения стенки ядерного реактора.

Система охлаждения стенки ядерного реактора, содержит поверхность 1 приема теплового потока и примыкающие к ней не менее двух слоев 2 сферических элементов 3, каналы охлаждающей воды 4, берущие начало от общего коллектора 5 и проходящие через сферические элементы 3 четных из слоев 2, считая от поверхности приема тепла 1, и оканчивающиеся форсунками 6 на выходе из сферического элемента 3 второго из слоев, поверхность 1 приема теплового потока, совместно с кожухом 7 образует полость 8 сбора пара, а также выходным патрубком отвода пара 9.

Система охлаждаемая стенки ядерного реактора работает следующим образом.

Тепловой поток, излучаемый высокотемпературной плазмой, воспринимается поверхностью 1 приема теплового потока и за счет теплопроводности нагревает сферические элементы 3 первого из слоев 2. При этом максимальную температуру имеют поверхность 1 приема теплового потока и сферические элементы 3 первого из слоев 2. Поверхность 1 приема теплового потока выполняется из тугоплавких материалов: вольфрама, молибдена и т.п. Тепловой поток распределяется по сферическим элементам за счет механизма теплопроводности, однако в предлагаемой конструкции существует и параллельный путь теплообмена. При подаче воды по каналам охлаждающей воды 4 происходит мгновенное вскипание воды в тонком слое контакта с горячей поверхностью. Процесс носит взрывной характер, при котором часть микрокапель отбрасывается от горячей поверхности и подхваченная потоком образовавшегося пара, а часть микрокапель попадает на другой сферический элемент 3, где процессы повторяются. В результате образуется смесь фрагментов перегретого пара и микрокапель воды, которая за счет давления образовавшегося пара перемещаемая к выходному патрубку 9. Контактируя с сферическими элементами 3, перегретый пар отдает часть тепла и остывает, а микрокапли испаряются, выравнивая параметры пара. Движение пара как теплоносителя обеспечивает быстрый отвод тепла от поверхности приема теплового потока.

В плотно уложенных слоях 2 сферических элементов 3 траектория движение пара к выходу имеют извилистый характер, при этом происходит сепарация составляющих смеси. Более тяжелые составляющие при криволинейном движении отбрасываются на периферию траектории, т.е. на поверхность сферического элемента следующего слоя, где происходит нагрев и испарение микрокапель.

Использование изобретения обеспечивает развитие поверхности испарения охлаждающей жидкости, образующейся как суммарная поверхность всех сферических элементов. За счет того, что перенос тепла от поверхности приема теплового потока к сферическим элементам всех слоев происходит при кинетическом движении нагретого пара, обеспечивая выравнивание температуры элементов парообразования.

Изобретение относится к средству отвода тепла в термоядерных реакторах типа токамак. Система содержит поверхность 1 приема теплового потока и примыкающие к ней не менее двух слоев 2 сферических элементов 3, каналы охлаждающей воды 4, берущие начало от общего коллектора 5 и проходящие через сферические элементы 3 четных из слоев 2, считая от поверхности приема тепла 1, и оканчивающиеся форсунками 6 на выходе из сферического элемента 3 второго из слоев, поверхность 1 приема теплового потока совместно с кожухом 7 образует полость 8 сбора пара, соединенную с выходным патрубком отвода пара 9. Тепловой поток, излучаемый высокотемпературной плазмой, воспринимается поверхностью 1 и за счет теплопроводности нагревает сферические элементы 3 первого из слоев 2. Причем максимальную температуру имеют поверхность 1 приема теплового потока и сферические элементы 3 первого из слоев 2. Тепловой поток распределяется по сферическим элементам 3 за счет механизма теплопроводности по параллельному пути теплообмена. При подаче воды по каналам 4 происходит мгновенное вскипание воды в тонком слое контакта с горячей поверхностью. Процесс носит взрывной характер, при котором часть микрокапель отбрасывается от горячей поверхности и подхватывается потоком образовавшегося пара, часть микрокапель попадает на другой сферический элемент 3, где процессы повторяются. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения стенок токамака. 1 ил.

Система охлаждения стенки ядерного реактора содержит поверхность приема теплового потока, примыкающие к ней не менее двух слоев сферических элементов, группу форсунок, соединенную каналами подачи воды с общим коллектором, отличающаяся тем, что снабжена кожухом, подключенным к общему коллектору и имеющим выходной патрубок, при этом каналы подачи воды, проходящие через четные из слоев сферических элементов, считая от теплопроводящей поверхности, оканчиваются форсунками на выходе из сферических элементов второго из слоев, а поверхность приема теплового потока совместно с кожухом образует полость сбора пара, соединенную с выходным патрубком.