Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора
DEVICE FOR ACCIDENT LOCALIZATION IN VACUUM CHAMBER OF THERMONUCLEAR REACTOR

Область техники
Изобретение относится к термоядерной технике, а именно, к конструкции системы локализации аварии (СЛА) в вакуумной камере (ВК), которая предназначена также для локализации аварий в системе нейтральной инжекции (СНИ) термоядерного реактора (ТЯР) или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН). Возможно ее использование в любых установках, где существует возможность образования водорода и гремучей смеси (ГС). В дальнейшем будем говорить об установке ДЕМО-ТИН.
Уровень техники
Рассматриваем аварии только в ВК, т.к. аварии в СНИ развиваются по аналогичным сценариям.
При анализе аварий с разгерметизацией системы водяного охлаждения элементов во внутреннем объеме ВК (далее будем говорить просто в ВК) рассматриваются два основных сценария.
Разгерметизация (разрыв трубопровода) любой из систем водяного охлаждения первой стенки, дивертора, бланкета сопровождается истечением воды в ВК и ее испарением. При этом прекращается термоядерная реакция, ВК заполняется паром. Если разрыв трубопровода односторонний, то происходит истечение воды из него, но не происходит сообщения ВК с помещениями, заполненными воздухом. Подобный сценарий аварии для краткости обозначим "истечение".
Если разрыв трубопровода происходит в двух местах, и один из разрывов находится в ВК, а другой в помещении, заполненном воздухом, то происходит истечение воды из участка трубопровода между разрывами. После истечения воды возможен прорыв воздуха в ВК, если давление парогазовой смеси в ней не превысит атмосферное. Сценарий аварии с прорывом воздуха в ВК обозначим "прорыв".
Сценарии аварий "истечение" и "прорыв" (далее говорим просто авария) в установках токамак (в частности, ИТЭР) неоднократно рассматривались в ходе работ по обеспечению их безопасности и определению максимальной проектной аварии. Опасность подобных аварий в установке ДЕМО-ТИН обусловлена тем, что в существующих проектах, в частности (Азизов Э.А. и др. "Токамак ДЕМО-ТИН: концепция электромагнитной системы и вакуумной камеры". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, 2015, т. 38, вып. 2, с. 5) обращенные к плазме поверхности первой стенки и/или дивертора будут покрыты бериллием или вольфрамом, взаимодействие пара с которыми сопровождается образованием водорода.
Следует отметить, что в случае аварии по сценариям "истечение" и/или "прорыв" в ВК образуется газообразный водород даже без протекания паро-бериллиевой и паро-вольфрамовой реакции. Значительное количество водорода (несколько сот грамм дейтерия и трития) наморожено на поверхностях криогенных насосов и панелей в системе вакуумной откачки и при их отеплении в случае контакта с паром или воздухом поступит в ВК.
При реализации сценария "прорыв" существует опасность образования ГС как в ВК, так и вне ее, в здании токамака.
Еще одним источником образования ГС может служить СНИ, где дейтерий и тритий так же наморожены на поверхностях криогенных насосов и панелей. При их отеплении в случае прорыва воздуха образуется ГС.
Один из возможных сценариев аварии с образованием водорода в ВК ДЕМО-ТИН рассмотрен в (Колбасов Б.Н. "Максимальная проектная авария термоядерного источника нейтронов ДЕМО-ТИН". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, вып. 3, 2014, стр. 31); описана СЛА, принятая за прототип, включающая в себя трубопроводы с предохранительными клапанами и разрывными мембранами. Трубопроводы соединяют ВК со сбросной емкостью (СЕ), предназначенной для приема парогазовой смеси и в которой установлен бассейн-барботер для конденсации пара. Недостатком данного технического решения является то, что в СЛА не предусмотрено устройство для удаления водорода из СЕ. Во всех случаях, когда существует хотя бы незначительное количество газообразного водорода, существует и опасность образования и взрыва ГС.
Из уровня техники известны следующие способы предотвращения накопления водорода в ВК ИТЭР и образования ГС:
1. Установка на трубопроводах системы охлаждения дивертора и первой стенки/бланкета отсечных клапанов, чтобы сократить до минимума количество воды и воздуха, которые могут поступить в ВК при разрыве трубопровода;
2. Инжекция инертного газа в ВК для уменьшения концентрации в ней водорода и кислорода до уровня ниже нижнего концентрационного предела горения;
3. Применение пассивных каталитических устройств для химического связывания водорода, в частности геттеров-газопоглотителей (ГГ);
4. Сжигание водорода с момента начала его образования и недопущение тем самым образования ГС.
5. Объем СЕ в СЛА задается таким образом, чтобы концентрация водорода в ней не достигала нижнего концентрационного предела горения.
Рассмотренные выше способы обладают следующими недостатками:
1. Отсечные клапаны не могут полностью предотвратить образование водорода в ВК, но усложняют конструкцию установки. При этом в ВК сохраняется водород с отеплившихся криогенных насосов и панелей.
2. Инжекция инертного газа в ВК требует специального устройства для этого, что так же осложняет конструкцию установки. Нет гарантии, что не образуется локальная взрывоопасная концентрация.
3. Система для сжигания водорода может не сработать или сработать тогда, когда уже образовалась его взрывоопасная концентрация, т.е. произойдет взрыв, который она должна предотвратить; такую систему сложно установить в ВК.
4. ГГ, применяемые для связывания водорода в электронных приборах, не могут быть установлены в ВК ДЕМО-ТИН. В случае их установки там при работе они будут поглощать топливо-газообразные дейтерий и тритий и исчерпают свою сорбционную емкость. Это сделает ГГ неработоспособным после аварии с истечением воды в ВК.
5. Контейнеры с ГГ, раскрывающиеся после аварии, как это делается под защитной оболочкой ЯР, невозможно установить в ВК из-за недостатка места.
6. Чтобы концентрация водорода в СЕ не достигала нижнего концентрационного предела горения водорода, ее объем должен быть очень большим и ее трудно разместить в установке.
Наилучшим способом предотвращения взрыва ГС, как представляется, будет химическое связывание водорода путем поглощения его ГГ, установленным вне ВК, а именно в СЕ, без возможности накопления водорода в газообразном виде.
В технике для поглощения газов (в частности водорода), поддержания вакуума в приборах или очистки газовых смесей широко используются ГГ различной конструкции (Б.К. Вульф, С.М. Борщевский. "Титан в электронной технике". М., Энергия, 1975).
Известна конструкция ГГ для селективной откачки молекулярного водорода из смеси газов в газоразрядном электронном приборе (патент RU №81488 от 2009 г.) ГГ содержит формообразующее тело (ФТ) из поглощающего водород металла и нанесенную на него каталитическую пленку. ФТ выполнено из связывающего водород пористого титана в виде пластины или цилиндра. Каталитическая пленка выполнена из металлического палладия. Пленка из палладия покрывает поверхность ФТ по всей его поверхности, обеспечивая селективность по откачке водорода. Конструкция позволяет повысить сорбционную емкость и эффективность откачки устройства.
Следует отметить, что в ГГ применяются ФТ двух типов: первого, когда материал ФТ и служит ГГ, и второго, когда материал ФТ служит лишь основой, придающей прочность и жесткость конструкции. В этом случае ГГ крепится к ФТ. В рассматриваемом патенте применено ФТ первого типа.
Известна конструкция ГГ для селективной откачки молекулярного водорода из смеси газов в газоразрядном электронном приборе (патент RU №168280 от 2017 г.). ГГ включает в себя ФТ второго типа в виде пластины или цилиндра из палладия, содержащих металл, связующий водород (титан или титановый сплава), отличающееся тем, что микрочастицы металла, связующего водород, распределены в объеме беспористого ФТ (матрице), выполненной из металлического палладия.
Технический результат заключается в повышении сорбционной емкости, эффективности откачки и повышении прочности устройства.
Известно устройство для удаления водорода из газовой смеси, содержащей водород и кислород, в особенности при авариях ЯР (патент RU №2012392 от 1994 г.), состоящее из одного или нескольких герметичных контейнеров в форме ящика, установленных в защитной оболочке ЯР. В контейнере находятся пластины ГГ. В одном из вариантов они соединены в сборку при помощи гибких опор, преимущественно металлических цепей, прикрепленных к крышке контейнера. Размещенные в контейнере направляющие обеспечивают при открытии днища контейнера контрольное выпадение из него сборки пластин ГГ.
Днище контейнера открывается преимущественно в зависимости от температуры. В защитной оболочке ЯР наблюдается в случае аварии повышение температуры, которое может служить решающим моментом при открытии контейнера. Различные виды температурных сенсоров, включая биметаллы, подходят в качестве реле для открытия днища контейнера.
В другом варианте конструкция сборки пластин ГГ подобна лопастному колесу с центральной осью, на которой расположены отдельные пластины ГГ, способные вращаться о мере надобности с помощью втулок.
Возможно расположение пластин ГГ в объеме контейнера в сложенном состоянии, и при открытии контейнера они раскрываются в виде веера.
Пластины ГГ выполнены из металла с высокой поглощающей способностью относительно водорода даже при его незначительном парциальном давлении в газовой смеси. Для предотвращения окисления поглощающий металл покрывают защитным слоем, проницаемым для водорода. При этом в качестве защитного слоя можно использовать материал, который действует как катализатор при окислении водорода кислородом с образованием воды. Металл, поглощающий водород, может быть основой конструкции пластин ГГ (ФТ первого типа), а может быть его составной частью (ФТ второго типа).
К недостатком указанных конструкций ГГ можно отнести то, что пластины ГГ выполнены неохлаждаемыми, хотя известно, что процесс хемосорбции титана является экзотермическим и тепло реакции может разогреть пластины ГГ до такой температуры (более 500°С), при которой начнется выделение водорода из них.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности и увеличение ресурса установки ДЕМО-ТИН.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что исключается возможность накопления в ВК и СЛА газообразного водорода после аварии по сценариям "истечение" и "прорыв" и предотвращается образование и взрыв ГС.
Технический результат достигается тем, что предложено устройство, включающее в себя сбросную емкость, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами с предохранительными клапанами и разрывными мембранами с вакуумной камерой, при этом сбросная емкость разделена по горизонтали жалюзийным конденсатором пара с водяным охлаждением, на верхний и нижний отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара с водяным охлаждением и конденсатосборник, а в верхнем отсеке, установлен как минимум один геттер-газопоглотитель, включающий в себя систему водяного охлаждения. В предпочтительном варианте:
- жалюзийный конденсатор пара с водяным охлаждением, расположен в проеме горизонтальной перегородки.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
исключается возможность накопления в ВК и СЛА газообразного водорода - весь образующийся водород оказывается связанным в ГГ.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фигурами.
На Фиг. 1 приведена схема конструкция СЛА и оборудования, необходимого для реализации предложенного устройства. Цифрами обозначены:
1 - металлический корпус ВК,
2 - первая стенка,
3 - дивертор,
4 - сбросные трубопроводы;
5 - сбросная емкость;
6 - предохранительный клапан;
7 - разрывная мембрана;
8 - трубчатый конденсатор пара;
9 - геттер-газопоглотитель;
10 - перегородка;
11 - жалюзийный конденсатор пара.
На Фиг. 2 приведена схема конструкции СЕ и находящегося в ней оборудования. Цифрами обозначены:
5 - сбросная емкость;
8 - трубчатый конденсатор пара;
9 - геттер-газопоглотитель;
10 - перегородка;
11 - жалюзийный конденсатор пара;
12 - крепления ГГ;
18 - нижний отсек сбросной емкости;
19 - верхний отсек сбросной емкости;
20 - конденсатосборник;
21 - подвод охлаждающей воды в трубчатый конденсатор;
22 - подвод охлаждающей воды в жалюзийный конденсатор;
23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.
На Фиг. 3 приведена схема одного из вариантов конструкции ГГ, где:
12 - крепления ГГ;
13 - верхняя пластина-поглотитель (ПП), к которой крепятся остальные ПП;
14 - пластины-поглотители (ПП)
23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.
На Фиг. 4 приведен другой вариант конструкции ГГ, где:
12 - крепления ГГ;
14 - пластины-поглотители (ПП);
15 - дистанционирующие втулки
23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.
На Фиг. 5 приведена схема жалюзийного конденсатора, где:
16 - изогнутые металлические пластины;
17 - трубки с охлаждающей водой;
22 - подвод охлаждающей воды в жалюзийный конденсатор.
Осуществление изобретения
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения
Заявленное устройство для удаления водорода из газовой смеси, образующейся при авариях типа "истечение" или "прорыв", устанавливается в СЛА ДЕМО-ТИН.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых схематически представлена СЛА в ВК и устройство для удаления водорода из газовой смеси.
СЛА содержит фиг 1 сбросные трубопроводы 4 с предохранительными клапанами 6 и разрывными мембранами 7, которые соединяют ВК 1 со сбросной емкостью (СЕ) 5, в которой поддерживается низкое давление, СЕ 5 включает в себя фиг. 2 перегородку 10 с встроенным жалюзийным конденсатором пара 11 (или жалюзийный конденсатор размещен на всю площадь выполняя роль и конденсатора и перегородки), горизонтально разделяющую емкость на два отсека - нижний 18 и верхний 19. В нижнем отсеке СЕ 5 установлен трубчатый конденсатор пара 8, а в верхнем как минимум один геттер-газопоглотитель 9. Трубчатый конденсатор 8 охлаждается прокачкой воды 21 через его трубки, как это осуществляется в конденсаторах паровых турбин. Жалюзийный конденсатор пара 11 охлаждается прокачкой воды 22 через трубки, к которым приварены металлические пластины. Конденсат пара стекает в конденсатосборник 20, который расположен внизу нижнего отсека СЕ и имеет конструкцию как в паровых турбинах, а затем удаляется. Система водяного охлаждения выбрана как наиболее эффективная и распространенная в технике, но возможно использование другого теплоносителя.
Следует отметить, что в СЕ установлен трубчатый конденсатор пара, а не бассейн-барботер, как это сделано в прототипе. В СЕ необходимо поддерживать низкое давление, чтобы обеспечить разницу давлений в ВК после аварии и в СЕ. Эта разница давлений обеспечивает течение парогазовой смеси из ВК в СЕ.
воды
Кроме того, низкое давление в СЕ необходимо для обеспечения конденсации пара в ней. Например, при температуре охлаждающей воды в трубчатом конденсаторе t=20-25°С парциальное давление конденсирующегося в нем пара должно быть меньше давления насыщения пара при этом диапазоне температур, т.е.
пара
s
p≤p=6-7 кПа.
Использование бассейна-барботера с открытой поверхностью в СЕ для конденсации пара в его воде нежелательно - при сбросе пара возможно кипение воды.
При аварии с истечением воды в ВК 1 вода будет интенсивно испаряться и начнется взаимодействие пара с бериллиевой и/или вольфрамовой пылью, которая будет находиться на первой стенке 2 или в области дивертора 3.
Экзотермическая паро-бериллиевая реакция
сопровождается образованием водорода.
Реакция вольфрама с паром так же сопровождается образованием водорода
2
3
Увеличение количества пара и водорода вызовет рост давления в ВК 1, которая соединена двумя сбросными трубопроводами 4 с проходным сечением ~ 0,1 м со СЕ (5) объемом ~ 1200 м, в которой поддерживается вакуум. СЕ 5 представляет собой металлический бак, конструкция которого должна обеспечивать прием всего количества паро-водородной смеси, которая может образоваться в ВК 1, полную конденсацию пара и недопущение образования и взрыва ГС в ней.
В проеме перегородки 10, разделяющей верхний 19 и нижний 18 отсеки СЕ 5, установлен жалюзийный конденсатор пара 11. Возможна конструкция, когда перегородка 10 отсутствует, и СЕ 5 разделяется на отсеки только жалюзийным конденсатором 11.
На сбросных трубопроводах 4 установлены предохранительные клапаны 6. При повышении давления в ВК до ~ 94 кПа (абс.) предохранительные клапаны 6 открываются и пароводородная смесь поступает в нижний отсек 18 СЕ 5, где происходит конденсация пара в трубчатом конденсаторе 8, а затем конденсат поступает в конденсатосборник 20.
2
ВК 1 оборудована также двумя разрывными мембранами 7 площадью около 1 м каждая. Если предохранительные клапаны 6 не срабатывают и рост давления паро-водородной смеси продолжается, то при достижении в ВК давления ~ 150 кПа (абс.) разрываются мембраны 7 и паро-водородная смесь поступает в нижний отсек 18 СЕ 5, где происходит конденсация пара в трубчатом конденсаторе 8, а затем конденсат поступает в конденсатосборник 20.
Конструктивное решение ГГ может быть различным:
- в СЕ устанавливается сборка из пластин ГГ с большой площадью поверхности;
- в СЕ устанавливаются несколько емкостей, заполненных таблетками из пористого титана (промышленные титановые геттеры выпускаются в виде таблеток);
- внутренняя поверхность СЕ и/или сбросных трубопроводов облицована пластинами ГГ;
- в СЕ устанавливается комбинация из вышеперечисленных устройств.
Главное в конструкции ГГ - обеспечить возможность поглощения максимального количества водорода из поступающей в СЕ парогазовой смеси. Следовательно, площадь контакта ГГ с парогазовой смесью должна быть максимальной.
В дальнейшем, в качестве примера, будем рассматривать ГГ из пластин, покрытых пористым титаном. На поверхность титана нанесена палладиевая пленка.
В конструкции ГГ желательно использовать ФТ второго типа для придания прочности и жесткости конструкции, т.к. она будет подвергаться механическим нагрузкам при аварии в ВК.
Возможные варианты установки ГГ.
С помощью креплений - металлических труб - 12 ГГ, представленный на фиг. 3, устанавливается в верхнем отсеке 19 СЕ. Через металлические трубы крепления могут быть пропущены трубопроводы с водой 23 для охлаждения ПП. ПП 14 крепятся к верхней ПП 13 сваркой или болтовыми соединениями. ПП включает в себя ФТ второго типа, обеспечивающее прочность и жесткость всей конструкции. ФТ состоит из двух скрепленных между собой параллельных металлических панелей, расстояние между которыми 10-20 мм. Между этими панелями, соприкасаясь с ними, находятся трубопроводы с охлаждающей водой (на схеме не показаны). На наружной поверхности панелей закреплены пластины из губчатого титана. Аналогично выполнена верхняя ПП 13. Охлаждение ПП необходимо, т.к. процесс сорбции водорода титаном является экзотермическим, и ПП может разогреться до температуры, делающей невозможной сорбцию водорода и снижающей прочность конструкции.
ГГ, представленный на фиг. 4, так же помощью креплений - металлических труб 12 - устанавливается в верхнем отсеке СЕ 5. При необходимости в СЕ может быть установлено несколько ГГ. Через металлические трубы крепления 12 пропущены трубопроводы 23 с охлаждающей водой. Конструкция ПП аналогична той, что представлена на фиг. 3, но в ПП просверлены отверстия с диаметром, превышающим диаметр труб крепления. ПП 14 устанавливаются на крепления так, что трубы крепления проходят через отверстия. Дистанционирующие втулки 15 удерживают ПП от соприкосновения между собой, что обеспечивает большую площадь поверхности конструкции. ПП включает в себя ФТ второго типа, обеспечивающее прочность и жесткость всей конструкции. ФТ состоит из двух скрепленных между собой параллельных панелей, между которыми находятся трубопроводы с охлаждающей водой (на схеме не показаны). На наружной части панелей закреплены пластины из губчатого титана. ГГ состоит из отдельных пластин-поглотителей (ПП), собранных в компактную конструкцию. Возможны различные варианты размещения ПП относительно друг друга, два из них представлены на фиг. 3 и 4.
Геттер может быть выполнен в виде охлаждаемого контейнера, заполненного таблетками из губчатого титана, а поверхность титана покрыта слоем палладия, может быть выполнен в виде пластин из губчатого титана, покрывающих охлаждаемую внутреннюю поверхность верхнего отсека сбросной емкости, причем поверхность титана покрыта слоем палладия.
Жалюзийный конденсатор 11, представленный на Фиг. 5, устанавливается в проеме перегородки 10, разделяющей верхний 19 и нижний 18 отсеки СЕ 5.
Металлические плоскости жалюзийного конденсатора 16 приварены к трубкам 17, через которые прокачивается охлаждающая вода 22.
Остаточный пар, который не сконденсировался в трубчатом конденсаторе 8, конденсируется на охлаждаемых металлических плоскостях 16, жалюзийного конденсатора 11, а вода стекает вниз, в конденсатосборник 20. Тем самым исключается поступление пара в ГГ 9, что снизило бы его сорбционную емкость.
Подобная конструкция жалюзийного конденсатора выбрана для того, чтобы добиться полной конденсации пара в нем. При течении паро-водородной смеси между плоскостями 16, изогнутыми под углом, поток смеси будет непрерывно соприкасаться с охлаждаемыми плоскостями, что будет способствовать его полной конденсации, а водород через проходы между металлическими плоскостями 16 беспрепятственно поступает в верхний отсек 19 СЕ 5 и связывается в ГГ 9.
ГГ характеризуется двумя величинами:
гет
2
S - полная площадь поверхности, поглощающей водород, м.
гет
М - полная масса вещества (в нашем случае губчатого титана), поглощающего водород, кг.
Составные части предлагаемого устройства с ГГ просты и не вызывают сложностей при установке их в СЕ, а затраты при установке минимальны. В дальнейшем будем рассматривать вариант ГГ, представленный на фиг. 3.
ГГ всегда находится в рабочем состоянии и не нуждается в каких-либо дополнительных приспособлениях для его активации. Размещение ГГ в СЕ приводит к тому, что при отсутствии аварий он не оказывает никакого влияния на работу установки ДЕМО-ТИН.
Принципиальная возможность создания и эффективность устройства подобной конструкции подтверждается расчетом.
Физические основы работы ГГ.
Предварительно прокаленный в вакууме титан (такой металл обладает максимальной поглощающей способностью) активно взаимодействует с водородом уже при комнатной температуре (В.К. Вульф и др. "Титан в электронной технике". М., Энергия, 1975). Процесс поглощения газа или пара твердым телом независимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газа на поверхности твердого тела - адсорбцией. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Энергия взаимодействия молекул газа с поверхностью при физической адсорбции значительно меньше, чем при хемосорбции.
3
5
-2
m
С ростом температуры скорость поглощения водорода титаном возрастает, но увеличивается и скорость выделения водорода из титана. При температуре около 500°С за несколько секунд возникает равновесие между количеством поглощенного и выделяющегося в титане водорода. Экспериментально установлено, что в диапазоне температур 20-500°С 1 г титана способен поглотить ~ 400 см водорода, находящегося при температуре 0°С и давлении 10 Па. Удельная масса поглощенного водорода при таких условиях составляет c ~ 3,6⋅10 г/г титана.
2
Титан образует с водородом гидриды (TiH и TiH), которые при нагревании разлагаются с выделением водорода. Необходимо обеспечить, чтобы температура ГГ в СЕ ни при каких условиях не достигала значений, при которых начинается интенсивное разложение гидридов титана, и тогда водород в ГГ будет надежно связан.
Способность ГГ поглощать водород характеризуется следующими величинами (внесистемные единицы, используемые в литературе, при расчетах будут переведены в единицы СИ):
s
m
3
2
3
u или u - удельная скорость сорбции на единицу поверхности см/(с⋅см) или на единицу массы - см/(с⋅мг).
s
s
гет
3
U=u⋅S - полная скорость сорбции ГГ, отнесенная к его поверхности, см/с.
m
m
гет
3
U=u⋅M - полная скорость сорбции ГГ, отнесенная к его весу, см/с.
s
гет
3
2
c=W/S - удельная сорбционная емкость на единицу поверхности ГГ, (м⋅Па)/см.
3
3
3
3
W - приведенный объем водорода, поглощенный ГГ, (м⋅Па). (м⋅Па) - внесистемная условная единица - количество газа, заключенное в объеме 1 м при давлении 1 Па и температуре 273 К (Л.Н. Розанов "Вакуумная техника", М., Высшая школа, 1990). Пересчитать количество поглощенного водорода из (м⋅Па) в кг можно по соотношению
возд
М - молекулярный вес воздуха - 29 кг/кмоль;
вод
вод
3
-7
М - молекулярный вес водорода. Считаем М=2 кг/кмоль, т.к. по оценкам количество водорода (протия), полученного по реакциям (1) и (2) будет значительно больше, чем количество дейтерия и трития из отеплившихся криогенных насосов и панелей. По (3) 1 м⋅Па=9⋅10 кг водорода.
m
гет
3
c=W/M - удельная сорбционная емкость (удельная масса поглощенного водорода) на единицу массы ГГ, (м⋅Па)/г или г/г.
В стационарных условиях работы ГГ
вод
Р=Ф/U, где
вод
Р - парциальное давление водорода в ГГ, Па;
3
Ф - скорость поступления водорода в ГГ, (м⋅Па)/с.
3
U - полная скорость сорбции ГГ, м/с.
Помимо скорости сорбции свойства ГГ характеризуются его сорбционной емкостью, т.е. способностью прочно связывать определенное количество газа.
По мере насыщения ГГ сорбированным газом полная скорость сорбции уменьшается. Считается, что газопоглощение прекращается, когда полная скорость сорбции снижается до 10% от первоначальной.
3
Значение W (м⋅Па) или в кг в этот момент количественно определяет сорбционную емкость ГГ.
2
2
2
При взаимодействии титана с паро-водородной смесью на поверхности титана происходит его взаимодействие с паром, причем пар разлагается на водород и кислород. Кислород образует на поверхности титана пленку из двуокиси титана TiO, а водород распределяется согласно условиям равновесия между его твердым раствором и газовой фазой. Растворение водорода вызывает увеличение объема титана, что приводит к непрерывному разрушению пленки из TiO. Защитные свойства образовавшейся на поверхности титана пленки из TiO незначительны, и она не препятствует поглощению водорода из паро-водородной смеси.
Пористый титан, полученный прессованием титанового порошка, имеет более развитую поверхность по сравнению с компактным титаном и лучше поглощает газы (и водород в частности). Скорость сорбции и сорбционная емкость при сравнительно низких температурах 20-200°С больше у пористого титана, чем у компактного титана.
х
уд
6
8
Сорбция - процесс экзотермический. При поглощении молекул газа выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физическую и химическую природу (Л.Н. Розанов "Вакуумная техника", М., Высшая школа, 1990). Т.к. процесс взаимодействия водорода с титаном сопровождается химическими превращениями, то имеет место процесс хемосорбции. Удельная энергия взаимодействия при хемосорбции для водорода составляет Е=400⋅10 Дж/кмоль = 2⋅10 Дж/кг.
Пример расчета.
Исходные данные.
гет1
тит
гет1
гет1
тит
тит
гет1
гет1
тит
2
3
3
Длина ГГ (Фиг. 2) L=3 м, ширина d=2 м, высота ПП h=0,5 м. При шаге между ПП Δ=0,1 м их число в ГГ N=L/Δ+1=31. Для одного ГГ общая площадь поверхности, поглощающей водород (включая верхнюю ПП) S=2⋅d⋅L+2⋅d⋅h⋅N=70 м. При толщине слоя губчатого титана на ПК d=0,01 м объем губчатого титана в ГГ составит V=S⋅d=0,7 м. При его плотности r=3000 кг/м масса губчатого титана составит M=V⋅r=2100 кг. В CE установлено 4 ГГ.
пов
пов
пов
тит
тит
2
Часть внутренней поверхности верхней части СЕ облицована губчатым титаном, ее площадь S=200 м. Масса титана в облицовке составит М=S⋅d⋅r=6000 кг.
Полная площадь поверхности, поглощающей водород
гет
гет1
пов
2
S=4S+S=480 м.
Полная масса губчатого титана в ГГ
гет
гет1
пов
М=4M+М=14400 кг.
макс
Количество водорода, которое может образоваться в ВК по реакциям (1) и (2), зависит от множества факторов - массы металлической пыли, массы пара в ВК, размера частиц пыли, температуры реакции и др. Если рассматривать только реакцию (1), то для образования 1 кг водорода с паром должно прореагировать 4,5 кг бериллиевой пыли. Считаем, что ее масса в ВК не превышает 90 кг, тогда максимальное количество водорода в ВК составит М=20 кг.
вод
Скорость образования водорода так же зависит от множества факторов. Экспериментально установлено (Сорокин С.И., Давыдов Д.А. "Исследование константы скорости реакции при окислении водяным паром компактного и пористого бериллия и бериллиевого порошка". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, вып. 3-4, 2002, с. 102), что скорость реакции (1) максимальна в начальный период реакции и со временем уменьшается. Для того чтобы вся бериллиевая пыль прореагировала с паром, необходим длительный промежуток времени (до нескольких часов). Средняя скорость образования водорода V при условиях, характерных для ВК, не превышает 50 г/с.
m
m
Экспериментально показано, что удельная скорость сорбции u и удельная сорбционная емкость с так же зависят от множества факторов. В расчетах используем их минимальные значения из известных по литературным данным.
m
3
-3
с=(7,1±0,2) м⋅Па/г=6,3 10 г/г.
s
3
2
3
2
2
u - на единицу поверхности - 70 см/(с⋅см)=0,7 м/(с⋅м)=63 г/(с⋅м).
Расчет характеристик ГГ.
При принятых исходных данных W - приведенный объем водорода, который может быть поглощен ГГ, выраженный в кг
m
гет
W=с М=91 кг.
Полная скорость сорбции ГГ, выраженная в г/с
s
s
гет
U=u⋅S=30240 г/с.
макс
s
вод
Таким образом, W значительно превышает максимальную массу водорода, который может образоваться при аварии М=20 кг. Полная скорость сорбции U так же значительно превышает возможную скорость образования водорода при аварии V=50 г/с.
m
s
Следует отметить, что указанные значения с и u относятся к плотному (компактному) титану, а для пористого титана они будут больше.
Это позволяет сделать вывод, что весь образующийся при аварии водород будет связан в ГГ, газообразный водород будет отсутствовать в ВК и СЛА, и образование ГС невозможно.
Полная энергия хемосорбции для ГГ составит
х
х уд
макс
9
Е=Е⋅М=4⋅10 Дж.
Полная теплоемкость губчатого титана (теплоемкость ФТ не учитываем, что пойдет в запас расчета) в ГГ при его удельной теплоемкости
тит
с=550 Дж/кг⋅°С составит
гет
тит
гет
6
С=с⋅М=7,92⋅10 Дж/°С.
х
гет
При отсутствии охлаждения ПП энергия хемосорбции нагреет ГГ на ΔТ=Е/С=505°С, и при исходной температуре 20°С температура ПП может достичь 525°С. При такой температуре начинается выделение водорода из ГГ, что делает необходимым его охлаждение.