УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКАЧКИ ГЕЛИЯ ИЗ ВАКУУМНОГО ОБЪЕМА ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2025 года по МПК G21B1/00 F04B37/08 

Изобретение относится к области вакуумной техники и управляемого термоядерного синтеза, и предназначено для откачки из вакуумной камеры термоядерного реактора (ТЯР) гелия, являющегося продуктом ядерной реакции между изотопами водорода D и Т.

Известны различные технические решения в рассматриваемой области.

Так известно техническое решение (см. патент РФ №2149466 «Способ удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки и устройство для его осуществления», опублик. 20.05.2000), 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. Недостатком известного способа откачки является большое накопление трития на криопанелях, приводящее к проблемам безопасности, и нерациональное использование (тритий чрезвычайно дорог).

Известно техническое решение, позволяющее решать задачи откачки и разделения фракций выхлопной газовой смеси ТЯР, состоящей из продукта ядерной реакции, т.е. гелия, и остатков непрореагировавшего топлива, т.е. дейтерия и трития (см. 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). С. 159-163). Известное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков, соответственно, принято за прототип. В известном устройстве разделение D/T и Не происходит с помощью сверхпроницаемой мембраны (СПМ), пропускающей изотопы водорода и непроницаемой ни для каких других газов, включая Не. СПМ разделяет два вакуумных объёма: входной объём, в который подаётся поток смеси D/T и Не, в который обращена входная сторона СПМ, и выходной объём, в который обращена выходная сторона СПМ, в который СПМ откачивает изотопы водорода, автоматически сжимая проникающий сквозь неё газ на несколько порядков величины. Остаток D/T смеси и Не удаляются системой откачки, расположенной дальше по откачному тракту, и направляются для переработки на удалённый тритиевый завод.

Недостатком известного технического решения является то, что, хотя СПМ разделяет потоки D/T и Не, она не способствует откачке Не, в результате, требуемая скорость откачки Не остаётся очень высокой и, как следствие, требуемая скорость откачки D/T СПМ-насосом тоже является очень высокой.

Допустимое парциальное давление Не в топливной смеси ТЯР жёстко ограничено, а именно, не должно превосходить 5% от полного давления. Как следствие, поток Не (который непрерывно образуется в процессе ядерной реакции) приходится откачивать при относительно низком давлении, что и приводит к необходимости высокой объёмной скорости откачки гелия.

В отличие от СПМ-насоса, который откачивает только D/T, насос, откачивающий Не, не является селективным и, соответственно, откачивает не только Не, но и D/T. Соответственно, откачиваемый поток D/T распределяется между СПМ-насосом и насосом общего назначения. Поэтому, для того, чтобы откачать из выхлопной смеси ТЯР существенно большую часть D/T с помощью СПМ-насоса, его скорость откачки должна быть много выше, чем скорость откачки насоса общего назначения, предназначенного для откачки Не (например, если с помощью СПМ-насоса требуется откачать 90% D/T, то его скорость откачки должна быть в 9 раз выше, чем скорость откачки насоса общего назначения). Соответственно, в известном техническом решении - чем выше требуемая скорость откачки Не, тем выше и требуемая скорость откачки D/T с помощью СПМ насоса.

Таким образом, техническая проблема в рассматриваемой сфере заключается в том, что с помощью известных технических решений для откачки гелия из ТЯР требуется очень высокая скорость откачки Не (с помощью насоса общего назначения) и, как следствие, очень высокой должна быть скорость откачки D/T (с помощью СПМ насоса). Осуществление откачки с высокой скоростью требует применения крупногабаритных мощных насосов (как общего назначения, так и СПМ). Такие насосы, особенно с учётом того, что они должны откачивать тритий, - как правило, уникальные дорогостоящие устройства, которые делаются специально для конкретных установок. Столь крупные и мощные насосы - весьма энергозатратны. Серьёзной проблемой является также их размещение в около-реакторном пространстве с чрезвычайно плотной упаковкой оборудования, осуществляющего инженерное обеспечение работы ТЯР.

Техническим результатом заявляемого изобретения является существенное снижение требуемой скорости откачки гелия и, соответственно, D/T-смеси, что ведет к снижению габаритов, мощности требуемых насосов, а также устраняются проблемы их размещения в около-реакторном пространстве.

Достигается технический результат тем, что в устройстве для откачки гелия из вакуумного объема термоядерной установки, содержащем насос общего назначения, откачивающий все газы, поступающие на выхлоп термоядерной установки, включая изотопы водорода и гелий, и селективный насос, откачивающий только изотопы водорода, состоящий из сверхпроницаемой мембраны и генератора энергетических водородных частиц, согласно изобретению, на входе устройства установлен патрубок, обеспечивающий направленный поток выхлопной смеси, имеющий длину, достаточную для блокирования обратного потока выхлопной смеси из области расположения селективного насоса и насоса общего назначения в вакуумный объём термоядерной установки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическим материалом, представленным на фиг., на которой изображена концептуальная схема откачки ТЯР с помощью предлагаемого устройства, где: 1 - СПМ-насос, селективно откачивающий D/T, 2 - насос общего назначения, откачивающий Не и D/T, 3 - откачной патрубок системы откачки, обеспечивающий направленный поток выхлопной смеси, 4 - откачной (выхлопной) патрубок ТЯР, 5 - вакуумный объём ТЯР. Далее на фиг.: и - парциальные давления Не в исходной газовой смеси и в зоне откачки, расположенной ниже зоны направленного потока, соответственно, ε - доля Не в исходной газовой смеси, S_СПМ и Sun - объёмные скорости откачки СПМ-насоса и насоса общего назначения, соответственно, N - фактор, показывающий во сколько раз скорость откачки СПМ-насоса больше, чем скорость откачки насоса общего назначения (например, N=9, если СПМ-насос отделяет от Не и откачивает 90 % D/T-смеси).

Рассмотрим двухкомпонентную смесь, состоящую из дейтерия и гелия. Будем для определённости считать, что в потоке газа J_Σ выходящем из ТЯР (выхлопном потоке), доли D2 и Не составляют 95 % и 5 %, соответственно. Для начала, рассмотрим случай, когда откачка осуществляется только насосом общего назначения, обеспечивающим в ТЯР требуемое давление P_Σ. Поскольку насос общего назначения откачивает D2 и Не с одинаковой объёмной скоростью, откачка не влияет на состав газовой смеси в реакторе (а также, и где бы то ни было в тракте откачки). Таким образом, на выходе из ТЯР (в придинверторной области) стационарно поддерживается требуемое полное давление P_Σ и парциальные давления D2 и Не: 0.95 P_Σ и 0.05P_Σ, соответственно.

Далее рассмотрим случай, когда наряду с насосом общего назначения поток выхлопной смеси откачивается также и селективным СПМ -насосом, откачивающим только D2. Цель СПМ-насоса - отделить от Не и откачать большую долю D/T. Примем для определённости, что эта доля составляет 90%. Поскольку насос общего назначения также откачивает D/T, скорость откачки СПМ-насоса должна быть в 9 раз выше, чем у насоса общего назначения. Этого можно добиться двумя способами: либо оставить скорость откачки насоса общего назначения без изменения, а скорость откачки СПМ-насоса сделать в 9 раз выше, чем скорость откачки насоса общего назначения, либо наоборот, уменьшить скорость откачки насоса общего назначения в 10 раз, а скорость откачки СПМ-насоса взять равной 0.9 от исходной скорости откачки насоса общего назначения. Во втором случае требуемые скорости откачки обоих насосов будут радикально (в данном примере на порядок) ниже, чем в первом, и он кажется предпочтительным. Однако, из-за того, что скорость откачки Не снижается в 10 раз, парциальное давление Не в выхлопной смеси (включая придиверторную область и горячую зону ТЯР) радикально (в 10 раз) возрастёт, что недопустимо.

Проблема решается путём создания области направленного течения газовой смеси, блокирующей обратный поток газовой смеси из области системы откачки в область ТЯР, как это представлено на фиг. В этом случае, состав смеси в области системы откачки будет существенно отличаться от состава исходной смеси: давление гелия там станет радикально выше (т.е. будет P_He >> 0.05P_Σ). Однако, благодаря блокирующему действию области направленного потока, состав газа выше по течению не изменится и, соответственно, не изменится на выходе ТЯР (в придиверторной области) и в горячей зоне ТЯР. Таким образом, парциальное давление гелия на выходе ТЯР (в придиверторной области) окажется существенно ниже, чем в области системы откачки. Соответственно, гелий будет течь из области более низкого давления в область более высокого, т.е. будет откачиваться и сжиматься.

Таким образом, область направленного течения в комбинации с последующей за ней селективной откачкой D2 (с помощью СПМ) будет играть роль первой ступени откачки Не, а откачка гелия насосом общего назначения - соответственно, роль второй ступени. Это и есть причина того, почему для откачки того же потока Не из ТЯР можно использовать насос с существенно меньшей скоростью откачки. Отметим, что самопроизвольное течение Не из области более низкого давления в область более высокого не противоречит законам газодинамики, поскольку полное давление смеси по ходу её течения и, в том числе, в области направленного течения, падает (на величину ΔP_Σ << P_Σ).

Технически организация области направленного течения газовой смеси, блокирующей обратный поток, достигается установкой на входе в откачную систему патрубка, имеющего длину L, определяемую в случае D2 и He (у них один и тот же атомный вес) соотношением [1]

где d - диаметр патрубка, выражаемый в см, а J_Σ - полный поток частиц (D2 м He), выражаемый в частицах в сек.

Сделаем оценку для конкретной системы. Например, для проектируемого в настоящее время «Токомака с реакторными технологиями» (ТРТ), для каждого из 4-х трактов его откачки поток составляет J_Σ = 1.9⋅10²¹ с^-1 [2]. Соответственно, соотношение (1) выполняется при

Если, например, взять d = 40 см, длина патрубка L должна быть существенно больше, чем 37 см (например, масштаба 100 см).

Таким образом, преимуществом заявляемого изобретения является существенное снижение требуемой скорости откачки гелия и D/T-смеси. В результате, снижаются габариты, мощности требуемых насосов, а также устраняются проблемы их размещения в около-реакторном пространстве.

Изобретение относится к области вакуумной техники и управляемого термоядерного синтез и предназначено для откачки из вакуумной камеры термоядерного реактора (ТЯР) гелия, являющегося продуктом ядерной реакции между изотопами водорода D и Т. Техническим результатом является снижение габаритов, мощности требуемых насосов, а также устранение проблем их размещения в околореакторном пространстве за счет снижения требуемой скорости откачки гелия и D/T-смеси путем блокирования обратного потока выхлопной смеси из области расположения селективного насоса и насоса общего назначения в вакуумный объём термоядерной установки. Технический результат достигается посредством того, что на входе устройства для откачки гелия из вакуумного объема термоядерной установки, содержащего насос общего назначения, откачивающий все газы, поступающие на выхлоп термоядерной установки, включая изотопы водорода и гелий, и селективный насос, откачивающий только изотопы водорода, состоящий из сверхпроницаемой мембраны и генератора энергетических водородных частиц, установлен патрубок, имеющий длину, достаточную для блокирования обратного потока выхлопной смеси из области расположения селективного насоса и насоса общего назначения в вакуумный объём термоядерной установки, которая выбрана из соотношения , где d - диаметр патрубка, выражаемый в см, а J_Σ - полный поток частиц (D2 и He), выражаемый в частицах в сек. 1 ил.

Устройство для откачки гелия из вакуумного объема термоядерной установки, содержащее насос общего назначения, откачивающий все газы, поступающие на выхлоп термоядерной установки, включая изотопы водорода и гелий, и селективный насос, откачивающий только изотопы водорода, состоящий из сверхпроницаемой мембраны и генератора энергетических водородных частиц, отличающееся тем, что на входе устройства установлен обеспечивающий направленный поток выхлопной смеси патрубок, имеющий длину, достаточную для блокирования обратного потока выхлопной смеси из области расположения селективного насоса и насоса общего назначения в вакуумный объём термоядерной установки, которая выбрана из соотношения , где d - диаметр патрубка, выражаемый в см, а - полный поток частиц (D₂ и He), выражаемый в частицах в сек.