Керамический модуль бланкета для термоядерного реактора Российский патент 2024 года по МПК G21B1/13 

Область техники

Область применения заявляемого технического решения - это термоядерная техника. Устройство необходимо для воспроизводства изотопа водорода - трития, который применяется для работы термоядерных исследовательских энергоустановок.

Уровень техники

1. Известно техническое решение [ЛИТИЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ И.Е. Люблинский (ФГУП «Красная Звезда») 2006 г.], сущность которого в следующем:

Для практической реализации возможности использования жидкого лития в качестве материала, контактирующего с плазмой, предложено использовать литиевые капиллярно-пористые структуры - КПС.Подвод жидкого металла к поверхности, контактирующей с плазмой, происходит через каналы, пронизывающие КПС. Ее характеристики (переменная пористость, анизотропия проницаемости, геометрия рабочей поверхности и др.) могут регулироваться в широких пределах путем изменения технологии изготовления. Конструкция КПС может обеспечить достаточное давление рабочего тела в системе подпитки за счет сил капиллярного напора. Такая система является самоудерживающей и саморегулируемой, поскольку распределение давления рабочего тела в КПС остро реагирует на локальные изменения тепловой нагрузки на ее поверхность.

Недостатком данного технического решения является, трудоемкость производства молибден-вольфрамовых проволок диаметром 100 мкм, низкая износостойкость структуры, обязывает к периодической замене выгоревших частей бланкета. Существует риск попадания частей проволочной структуры в область камеры термоядерного реактора, что существенно влияет на удержание плазмы, также как отмечают сами авторы (переменная пористость, анизотропия проницаемости и др.), негативно влияют на эксплуатационные характеристики, представленного технического решения, также в процессе наработки трития, происходит взаимодействие его с литием - гидрид лития.

2. Также известно другое техническое решение [ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТИЙСОДЕРЖАЩИХ КЕРАМИК, ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В БЛАНКЕТАХ РОССИЙСКИХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, И ОЦЕНКА ИХ ВЛИЯНИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕАКТОРОВ В.К. Капышев, 17 апреля 2003], сущность которого в следующем.

Одним из наиболее перспективных вариантов зоны воспроизводство трития (ЗВТ) бланкета является гелий охлаждаемый литий содержащий керамический бридер с использованием бериллия в качестве размножителя нейтронов.

Разработана технология изготовления таблеток из ортосиликата, метасиликата и алюмината лития с воспроизводимыми геометрическими параметрами и физическими свойствами. Реакторное облучение показало более высокую радиационную стойкость алюмината и возможность использования ортосиликата лития в бланкетах реакторов без изменения их служебных свойств ~ 3% по литию.

Недостатком данного технического решения является, трудоемкость производства керамических литий содержащих таблеток, представленная технологическая схема синтеза требует высокой точности изготовления, в процессе эксплуатации необходимо заменять выгоревшую керамику, что усложняет эксплуатацию бланкета.

3. Наиболее близким к заявленному техническому решению является [патент RU2649854, МПК G21B 1/13 от 15.09.2017], сущность которого в следующем:

Изобретение относится к области термоядерной техники, в частности к бланкетам гибридных термоядерных реакторов. Модуль бланкета гибридного термоядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем содержит тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами. Топливо тепловыделяющих элементов изготовлено из оксида минорных актинидов. Тепловыделяющие сборки выполнены прямоугольного сечения. Технический результат - увеличение размножающих свойств ядерной зоны модуля бланкета термоядерного реактора. Вторичные нейтроны из ядерной зоны, попадая в бридерную зону, с керамическим бридером, замедляются и поглощаются ядрами лития, что приводит к наработке трития.

Недостатком данного технического решения является, неравномерность воспроизводства трития, выгорание лития из керамического бридера происходит неравномерно, вызванная анизотропия свойств понижает эксплуатационные характеристики изобретения.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого технического решения является создание тритий-воспроизводящего модуля термоядерного реактора (ТЯР), технологичного в производстве, эксплуатации и обслуживании, применение которого возможно, как отдельно от рабочей камеры, так и совместно, через бланкет.

Технологичность данного метода получения трития, достигается созданием пористой керамики на основе кремнезема. Мелкодисперсные глобулы SiO₂ обладают температурой плавления порядка 1400°C, что способствует долгосрочной работе

Глобулы кремнезема образуют единую изотропную структуру с одинаковыми промежутками, как между наноструктурами, так и между их слоями, что позволяет использовать имеющиеся пространство, для нахождения гидрида лития.

В процессе работы возникла необходимость, провести качественные химические расчеты для определения возможности протекаемых предполагаемых реакций, для этого воспользуемся законами термодинамики

I) Убедимся в возможности протекания реакции взаимодействия паров лития с глобулами кремнезема формула (1).

(1)

где Li - подводимые остаточные пары лития в поры между глобулами

SiO₂ - кремнезем.

Li ₂ O и Si - оксид лития и кремний, предполагаемый продукты.

Для расчетов воспользуемся термодинамическими данными таблицы 1 [Haynes,, W. M. CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th Edition / W. M. Haynes,. - Boca Raton: CRC Press, 2016. - 2643 с.]

Таблица 1

Вещество
(Раздел в книге) ∆ Н⁰₂₉₈ кДж/моль ∆G⁰₂₉₈ кДж/моль S ⁰ ₂₉₈ Дж/моль⋅К C ⁰ _p Дж/моль⋅К H ₂ газ (5-22) 0 0 130,52 28.8 Li жидкость (5-25) 0 0 29.1 24,9 Si твердое (5-35) 0 0 18,72 20 LiH жидкое (5-25) -90,67 -68,7 20,6 27,9 Li ₂ SiO ₃ твердое (5-25) -1648 -1557,2 79,8 99,1 SiO ₂ твердое (5-35) -910,7 -856,3 42,26 44,4

Рассчитаем энергию Гиббса и убедимся в возможности реакции (1)

1) Рассчитаем тепловой эффект

(2)

где - стехиометрические коэффициенты реактивов

(3)

Подставим данные таблицы 1

(3,1)

2) Рассчитаем энтропию

(4)

где - стехиометрические коэффициенты реактивов

(5)

Подставим данные таблицы 1

(5,1)

3) Рассчитаем энергию Гиббса при T=1000 K

(6)

(7)

∆G⁰₂₉₈<0, процесс при T=1000 K протекает в прямом направлении

II) При нейтронном облучении лития в процессе термоядерного синтеза или реакции размножения нейтронов в бридере, образуется изотоп водорода тритий формула (12).

(8)

Тогда согласно формуле (8), образовавшийся водород будет вступать с окружающим его литием формула (9).

(9)

1) Рассчитаем тепловой эффект

(10)

Подставим данные таблицы 1

(10,1)

2) Рассчитаем энтропию

(11)

Подставим данные таблицы 1

(11,1)

3) Рассчитаем энергию Гиббса при T=1000 K согласно методу Темкина-Шварцмана, для более точного результата расчета по сравнению с (10) Обратившись к [Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, испр, и дополи. / Под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономаревой - СПб.: «Иван Федоров», 2003. С.76, ил. ISBN 5-8194-0071-2]

Были взяты следующие коэффициенты для расчета при T=1000 K.

4) Найдем стандартные теплоемкости веществ в виде формулы (13).

Где a, b, c, c^’ - коэффициенты, характерные для данного вещества и рассчитанные по экспериментальным данным для данного вещества. [Жигач, А.Ф. Химия гидридов / А.Ф. Жигач, Д.С.Стасиневич. - Ленинград: Химия, 1969. С.52-53.]

5) Тогда найдем зависимость ∆С_p от температуры согласно формуле (17)

6) Найдем ∆a, ∆b, ∆c, ∆c^’ согласно формулам (18,1)-(18,4)

7) Рассчитаем энергию Гиббса при T=1000 K согласно методу Темкина-Шварцмана, по формуле (20)

Подставим значения из формул (12,0)-(12,3), (10,1), (11,1), (19,1)-(19,4)

∆G⁰₂₉₈<0, процесс при T=1000K протекает в прямом направлении

3) Образовавшийся гидрид лития будет реагировать с кремнеземом нано-оболочки согласно формуле (22).

(22)

1) Рассчитаем тепловой эффект реакции (22)

Подставим данные таблицы 1

(23,1)

2) Рассчитаем энтропию

Подставим данные таблицы 1

(24,1)

3) Рассчитаем энергию Гиббса при T=1000 K

(25)

(26)

∆G⁰₂₉₈<0, процесс при T=1000 K протекает в прямом направлении

Результатом проделанной работы стало изучение свойств тритий-воспроизводящей керамики, состоящей из глобул кремнезема. Рассчитанные энергии Гиббса предполагаемых реакций при T=1000 K. представлены в таблице 2.

Таблица 2 Формула реакции Энергия Гиббса ∆G⁰₂₉₈ кДж/моль -220,36 -14894,544 -1142,06

Представление результаты расчета таблицы 2, показали возможность протекания реакций при T=1000 K. Отметим, что наиболее возможной реакцией является, образование гидрида лития, что значительно усложняет наработку трития, так как полученный тритий при облучении лития нейтронами сразу-же вступает в реакцию с окружающим литием.

Однако отметим, что при сепарировании гидрида лития от лития, вступающий гидрид лития с кремнеземом, высвобождает свободный тритий, который уже можно собрать в чистом виде. Так как в процессе работы технического решения керамика SiO₂ становиться Li₂SiO₃, то облучив ее нейтронами можно получить чистый тритий. Таким образом, керамика SiO₂ используется повторно, что повышает количество, нарабатываемого трития. Для оценки эффективности предлагаемого технического решения обратимся к работе [ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТИЙСОДЕРЖАЩИХ КЕРАМИК, ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В БЛАНКЕТАХ РОССИЙСКИХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, И ОЦЕНКА ИХ ВЛИЯНИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕАКТОРОВ В.К. Капышев, 17 апреля 2003], как видно из исследования керамика на основе Li₄SiO₄ и Li₂SiO₃, обладает высокой производительностью при облучении потоком тепловых нейтронов 5⋅10¹³ нейтрон/см³ в течении 376 суток. Было произведено 2200 см³ и 620 см³ трития соответственно. Данные показатели самые эффективные среди представленных керамик. Однако в процессе работы происходит неизбежное выгорание лития ≈ 70%, поэтому необходимо периодически заменять выгоревшую керамику в процессе наработки.

Осуществление изобретения

Керамический модуль бланкета для термоядерного реактора состоит из первой стенки [1], контактирующей непосредственно с плазмой внутри термоядерного реактора или с потоком нейтронов от реактора-бридера. Стенка должна состоять из тугоплавкого материала, так как имеют места высокие температуры в процессе работы порядка 10³⋅°С

За тугоплавкой пластиной происходит циркуляция лития, который облучается нейтронным поток. Прилегающей к стенке установлена пластина из температуропроводящего материала [2], в данной конфигурации предполагается алюминиевый сплав, данное предложение увеличит теплоотвод от подвергаемой тепловому потоку циркуляции лития и тугоплавких стенок рисунок 1.

Литий из-за ядерной реакции (8), образует тритий, который в процессе химической реакции с окружающим литием (9), образует гидрид. Смесь жидкого лития и гидрида попадет в резервуар накопитель [3], где при температуре 1000К происходит испарение в полость над резервуаром, через сепаратор [4]. В полости гидрид вступает в реакцию с керамикой (22) [5], образуя ортосиликат лития внутри глобулярной структуры и свободный тритий, который впоследствии откачивается в необходимый объем. Керамика кремнезема, в процессе работы становиться ортоселикатом лития, который впоследствии, облучается нейтронами для получения трития рисунок 2.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить количество наработки трития, удешевить процесс эксплуатации с использованием циклического использования лития и двойного использования тритийвоспроизводящей керамики. Для этого не требуется создавать новое уникальное оборудование, можно использовать существующие отработанные технологии.

Изобретение относится к керамическому модулю бланкета термоядерного реактора, используемому для воспроизводства изотопа водорода - трития. Модуль бланкета состоит из первой стенки [1] из тугоплавкого материала, за которой происходит циркуляция лития, облучаемого нейтронным потоком, причём тритий образует гидрид лития, вступая в реакцию с окружающим литием. Терморегуляцию осуществляет пластина из температуропроводящего материала [2]. Смесь лития и гидрида лития, попадая в резервуар-накопитель [3], испаряется в полость над резервуаром-накопителем, через сепаратор [4], где вступает в реакцию с пористой керамикой [5]. Причем керамика состоит из глобулярной структуры, позволяющей использовать имеющееся пространство для нахождения гидрида лития, при этом в процессе реакции образуются тритий и ортосиликат лития, который впоследствии облучается нейтронами для дополнительного получения трития. Техническим результатом является повышение наработки трития, а также возможность циклического использования лития при двойном использовании тритийвоспроизводящей керамики. 2 ил., 2 табл.

Керамический модуль бланкета для термоядерного реактора, состоящий из первой стенки [1] из тугоплавкого материала, за которой происходит циркуляция лития, облучаемого нейтронным потоком, терморегуляцию осуществляет пластина из температуропроводящего материала [2], причём тритий образует гидрид лития, вступая в реакцию с окружающим литием, в свою очередь, смесь лития и гидрида лития, попадая в резервуар-накопитель [3], испаряется в полость над резервуаром-накопителем, через сепаратор [4], где вступает в реакцию с пористой керамикой [5], которая отличается тем, что состоит из глобулярной структуры, при этом в процессе реакции образуются тритий и ортосиликат лития, который отличается тем, что впоследствии облучается нейтронами для дополнительного получения трития.