УСТРОЙСТВО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ВО ВНУТРИКОРПУСНОМ ОБЪЕМЕ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Область техники.
Полезная модель относится к конструкции вакуумной камеры (ВК), которая является элементом термоядерного реактора или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН), а именно к устройствам распределения потока теплоносителя, расположенных на корпусах патрубков вакуумной камеры (вертикального, экваториального порта, нейтральной инжекции).
Уровень техники.
Вакуумная камера - одна из основных систем термоядерных установок типа токамак, в частности установки ДЕМО-ТИН.
Известна конструкция ВК, предложенная в (ЭЛ. Азизов и др. Токамак ДЕМО-ТИН: концепция электромагнитной системы и вакуумной камеры. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 38, вып. 2, 2015, с. 5).
ВК состоит из трех элементов - корпуса; внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и водой; внутреннего объема.
Корпус ВК - стальная тороидальная конструкция с патрубками D-образного вертикального сечения из двух коаксиальных оболочек - внутренней, одной поверхностью обращенной к плазме, а другой - к металлоконструкциям внутреннего объема; и наружной, граничащей с вакуумным объемом криостата. Корпус состоит из шести секторов, а каждый сектор из трех секций.
Оболочки связаны между собой системой тороидальных и полоидальных ребер жесткости. Свободный внутрикорпусной объем между ребрами и оболочками частично заполнен металлическими пластинами. Остальной внутрикорпусной объем между оболочками заполнен циркулирующим теплоносителем (водой). В совокупности внутрикорпусные металлоконструкции и вода образуют железоводную радиационную защиту.
Условно ВК можно считать состоящей из двух частей - центральной, цилиндрической формы, расположенной в области центрального соленоида, и внешней, обращенной к корпусу криостата, в которой установлены патрубки, проходящие через внутрикорпусной объем.
Один из последних вариантов конструкции ВК и функции ее элементов описаны в (А.Ю. Пашков и др. "Оценка тепло-гидравлических параметров системы охлаждения вакуумной камеры установки ДЕМО-ТИН". - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 42, вып. 3, 2019, с. 25). Там же рассмотрены несколько возможных способов охлаждения внутрикорпусного объема.
Вода, циркулирующая между оболочками ВК, выполняет две функции: во-первых, служит теплоносителем - отводит тепло, выделяющееся в результате взаимодействия с нейтронами и гамма-квантами как в ней самой, так и в корпусе ВК и металлоконструкциях железоводной защиты; во-вторых, является элементом радиационной защиты. Вода повышенной температуры в корпусе ВК используется также для его прогрева при определенных режимах работы.
ВК выполняет следующие основные функции:
- служит основой для крепления компонентов, обращенных к плазме, диагностических и обеспечивающих систем;
- обеспечивает поддержание вакуума в разрядной камере токамака;
- создает барьер безопасности при аварийных ситуациях;
- снижает потоки нейтронов и гамма-квантов на сверхпроводниковые магнитные катушки и обеспечивает радиационные санитарные нормы в здании токамака.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является ВК термоядерного реактора (патент на изобретение RU 2695632), состоящая из корпуса, образованного внутренней и внешней оболочками, внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и циркулирующим теплоносителем, системы циркуляции, состоящей из трубопроводов подвода и отвода теплоносителя, теплообменника и насоса, при этом в качестве теплоносителя используют раствор литийсодержащего материала, или раствор минорных актинидов, или раствор сырьевого материала, система циркуляции содержит отвод с патрубками байпасного отбора части раствора и подачи раствора в систему циркуляции, установленный перед теплообменником на трубопроводе отвода раствора.
Недостатком конструкции является то, что во внутрикорпусном объеме из-за наличия патрубков, установленных во внешней части ВК (экваториальных, системы нейтральной инжекции, вертикальных), и имеющих собственные корпуса, при обтекании их водой возможно образование участков с отсутствием течения воды (застойных участков), что может привести к перегреву металлоконструкций и кипению воды. Подобное нарушение режима эксплуатации ВК может привести к ее отказу и к отказу всей установки.
Предлагаемая конструкция корпуса патрубков позволяет избежать образования застойных участков при течении воды и обеспечивает улучшенное охлаждение всех металлоконструкций в ее внутрикорпусном объеме, и тем самым повышает надежность эксплуатации ВК и всей установки.
Раскрытие сущности полезной модели.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности и безопасности конструкции ВК и всей установки в целом.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является гарантированное охлаждение всех металлоконструкций ВК в ее внутрикорпусном объеме и повышение надежности эксплуатации ВК и всей установки за счет использования раздаточных кожухов на корпусах патрубков.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что предложено устройство распределения потока теплоносителя во внутрикорпусном объеме вакуумной камеры термоядерного реактора, характеризующееся установленным по всей длине корпуса патрубка между внутренней и наружной оболочками раздаточным кожухом, состоящим из боковых пластин, расположенных вдоль направления потока теплоносителя и соединяющей их верхней крышки с отверстиями, расположенной поперек потока, при этом вдоль потока на верхней крышке в центральной части патрубка, соединяя его и верхнюю крышку, установлен отбойник, а в нижней центральной части патрубка вдоль потока установлен рассекатель.
В предпочтительном варианте боковые пластины раздаточного кожуха и рассекатель выступают вниз за плоскость нижней стороны экваториального патрубка, по меньшей мере, на 20% высоты патрубка.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что обеспечивается течение теплоносителя через внутрикорпусной объем ВК без образования застойных участков, что гарантирует охлаждение всех металлоконструкций в ее внутрикорпусном объеме.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен общий вид сектора вакуумной камеры установки ДЕМО-ТИН, где позициями обозначены:
1 - корпус патрубка экваториального порта;
2 - корпус патрубка системы нейтральной инжекции;
3 - корпус вертикального патрубка;
4 - внутренняя оболочка вакуумной камеры;
5 - железоводная защита;
6 - наружная оболочка вакуумной камеры.
На Фиг. 2 представлена схема течения воды во внутрикорпусном объеме секции вакуумной камеры проектной конструкции, где позициями обозначены:
1 - корпус патрубка экваториального порта;
7 - теплоноситель системы охлаждения (стрелками показано направление течения);
8 - месторасположение участков с отсутствием течения воды.
На Фиг. 3 представлен разрез секции вакуумной камеры в экваториальной плоскости, где позициями обозначены:
1 - корпус патрубка экваториального порта;
4 - внутренняя оболочка вакуумной камеры;
6 - наружная оболочка вакуумной камеры;
9 - металлические пластины железоводной защиты;
10 - каналы с теплоносителем;
11 - боковые стенки раздаточного кожуха.
На Фиг. 4 показана схема установки раздаточного кожуха на корпус патрубка экваториального порта, где позициями обозначены:
1 - корпус патрубка экваториального порта;
7 - теплоноситель системы охлаждения (стрелками показано направление течения);
11 - боковые стенки раздаточного кожуха;
12 - "центральный" поток теплоносителя, попадающий под раздаточный кожух;
13 - рассекатель;
14 - верхняя крышка раздаточного кожуха;
15 - отбойник;
16 - отверстия для течения теплоносителя.
Осуществление полезной модели.
На фигурах Фиг. 1-4, показано взаимное расположение основных элементов ВК и приведена схема течения воды через секцию с экваториальным портом.
Секция ВК состоит из внутренней оболочки 4 и наружной оболочки 6, между которыми находится внутрикорпусной объем, где расположены металлоконструкции железоводной защиты 5, состоящей из пластин 9 и теплоносителя (воды) системы охлаждения 7, текущей в каналах 10. Сквозь внутрикорпусной объем ВК проходят корпуса экваториальных патрубков 1, корпуса патрубков системы нейтральной инжекции 2 и корпуса вертикальных патрубков 3.
Заявляемое техническое решение заключается в установке по всей длине корпуса экваториального патрубка 1 между внутренней 4 и наружной 6 оболочками ВК раздаточного кожуха фиг. 4, состоящего из боковых стенок (стальных листов толщиной несколько мм) 11 и верхней крышки из такого же листа 14 с отверстиями для течения воды 16.
Поток теплоносителя, обтекающий снизу корпус экваториального патрубка 1, условно делится на две части: "центральный" поток 12, попадающий под раздаточный кожух, и "боковые" потоки 7, текущие справа и слева от корпуса экваториального патрубка 1.
"Центральный" поток 12 при своем течении обтекает рассекатель предпочтительно клиновидной формы 13, установленный снизу параллельно потоку теплоносителя на корпус экваториального патрубка 1. Подобная конструкция позволяет избежать образования застойного участка ниже корпуса экваториального патрубка 1. Далее "центральный" поток 12 делится на две части и каждая попадает в пространство между боковой стенкой корпуса экваториального патрубка 1 и боковой стенкой раздаточного кожуха 11. Здесь поток теплоносителя ускоряется и попадает в пространство между верхней стенкой экваториального патрубка 1 и верхней крышкой раздаточного кожуха 14 и далее выходит через расположенные рядами отверстия 16 в верхней крышке 14. Ряды отверстий 16 совмещены с каналами теплоносителя 10 между металлическими пластинами железоводной защиты 9, установленными над корпусом экваториального патрубка 1. "Центральный" поток теплоносителя 12 охлаждает эти металлические пластины без образования застойных участков.
Отбойник 15 (металлическая перегородка) делит пространство между верхней стенкой экваториального патрубка 1 и верхней крышкой раздаточного кожуха 14, а также количество отверстий 16 на две равные (левую и правую) части. Это способствует тому, что в пространстве между верхней стенкой экваториального патрубка 1 и верхней крышкой раздаточного кожуха 14 не образуются завихрения потока, а расход теплоносителя через левую и правую части отверстий 16 будет равным.
Раздаточный кожух может крепиться как к корпусу экваториального патрубка 1, так и к металлическим пластинам 9 железоводной защиты, которые находятся справа, слева выше корпуса экваториального патрубка 1.
Кожух лучше крепить к корпусу экваториального патрубка с помощью нескольких стальных стержней, один конец каждого приварен к корпусу экваториального патрубка, а другой к боковой стенке кожуха.
Боковые стороны кожуха, а также рассекатель 13 выступают вниз за плоскость нижней стороны экваториального патрубка на 20-25% высоты патрубка. Подобная конструкция позволяет разделить "центральный" поток 12 на две равные части и избежать перетекания теплоносителя из "центрального" потока 12 в "боковые" потоки 7.
Однако при принятой схеме движения потоков гидравлические потери при течении "центрального" потока теплоносителя 12 будут значительно выше (из-за ускорения потока и появления дополнительных гидравлических сопротивлений), чем при течении "боковых" потоков 7. Это приведет к тому, что часть теплоносителя "центрального" потока 12 будет перетекать в "боковые" потоки 7, что ухудшит охлаждение участка над корпусом экваториального порта 1.
Для пропорционального распределения расходов теплоносителя между "центральным" 12 и "боковыми" потоками 7 необходимо установить в "боковых" потоках дополнительные гидравлические сопротивления (например, сужения проходов между металлическими пластинами железоводной защиты).
Пример конкретного выполнения, который не ограничивает варианты его исполнения.
вх
вх
вых
воды
v
6
3
Теплоноситель (вода) в системе охлаждения имеет невысокие параметры (температура на входе Т~70°С и давление Р~1 МПа, а на выходе Т~80°С). Сравнительно малый подогрев воды выбран, чтобы обеспечить ее более значительный расход и соответственно скорость w~0,1 м/с, дающую турбулентное, а не ламинарное течение. Толщина металлических пластин железоводной защиты (поз. 9 на Фиг. 3) 2∂=0,03 м, а расстояние между пластинами (ширина канала с водой - поз. 10) равна 0,014 м. Максимальная плотность тепловыделения в металле пластин q=1,8 10 Вт/м.
ст
В качестве материала корпуса и пластин вакуумной камеры предполагается использовать сталь, близкую по характеристикам к стали марки 316LN-IG, использованной в проекте ИТЭР. Максимально допустимая температура этой стали - не более 450°С, коэфф. теплопроводности λ=17 Вт/(м °С).
2
Выполненные в (А.Ю. Пашков и др. "Оценка теплогидравлических параметров системы охлаждения вакуумной камеры установки ДЕМО-ТИН". - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 42, вып. 3, 2019, с. 25) оценки дают значение коэфф. теплоотдачи от пластин железоводной защиты α~700 Вт/(м°С).
При дальнейших оценках считаем металлические пластины железоводной пластины плоскими, т.к. отношение их наружного и внутреннего радиусов близко к 1.
Максимальную температуру поверхности металлической пластины железоводной защиты можно оценить по формуле
пов
вых
v
Т=Т+q⋅∂/α, °С.
Максимальную температуру в центральной плоскости металлической пластины железоводной защиты можно оценить по формуле
цен
пов
v
ст
2
Т=Т+q⋅∂/(2⋅λ), °С.
Далее рассматриваем три варианта течения теплоносителя во внутрикорпусном объеме ВК.
2
1-й вариант. Установленный раздаточный кожух обеспечивает обтекание металлических пластин железоводной защиты без образования застойных участков. Коэфф. теплоотдачи от пластин железоводной защиты к теплоносителю α~700 Вт/(м °С).
2
2-й вариант. Без установки раздаточного кожуха при обтекании металлических пластин железоводной защиты образуются застойные участки. Коэфф. теплоотдачи от пластин железоводной защиты к теплоносителю снижается до α~200 Вт/(м °С).
2
3-й вариант. Без установки раздаточного кожуха при обтекании металлических пластин железоводной защиты образуются застойные участки. Коэфф. теплоотдачи от пластин железоводной защиты к теплоносителю снижается до α~75 Вт/(м °С).
v
Значения температур поверхности и центральной плоскости металлической пластины железоводной защиты для различных вариантов в области с максимальным значением q приведены в таблице.
2
Таким образом, при отсутствии раздаточного кожуха и снижении коэфф. теплоотдачи α (варианты 2 и 3) температура металлических пластин внутрикорпусного объема ВК повышается. Возможно кипение недогретой жидкости на поверхности этих пластин и парообразование, что ухудшит условия циркуляции теплоносителя в контуре охлаждения ВК. При значениях α=75 Вт/(м °С) и менее температура металлоконструкций может превысить допустимую температуру металла.
Установка раздаточного кожуха (вариант 1) обеспечивает поддержание температуры металлических пластин внутрикорпусного объема ВК на приемлемом уровне.
Оценка скорости течения воды под раздаточным кожухом.
Обозначения на Фиг. 3:
1
R - наружный радиус ВК - 4,9 м;
2
R - внутренний радиус ВК - 4,3 м;
об
Δ - толщина внутренней и внешней оболочек ВК - 0,04 м.
Для обеспечения допустимой скорости течения воды под кожухом принимаем
кож
Δ - расстояние между стенками корпуса экваториального патрубка и боковыми стенками раздаточного кожуха 0,02-0,03 м;
Н - ширина корпуса экваториального патрубка - 0,5 м;
n - число секций в токамаке - 18.
При заданных размерах полная площадь сечения железоводной защиты секции ВК в экваториальной плоскости составит
ceкц
1
об
2
об
2
2
2
S=л((R-Δ)-(R+Δ))/n=0,83 м.
Площадь сечения, занятая раздаточным кожухом
цен
1
2
ο6
кож
2
S=(R-R-2Δ)⋅(Н+2Δ)=0,28-0,29 м
Площадь проходного сечения между стенками корпуса экваториального патрубка и боковыми стенками раздаточного кожуха
кож
1
2
об
кож
2
S=2(R-R-2Δ)Δ=0,021-0,031 м.
макс
воды
цен
кож
Скорость воды в этом сечении w=w S/S 0,94-1,33 м/с.
Подобные значения скорости являются допустимыми.
Таким образом, заявленная полезная модель решает следующую основную проблему: сохраняя все функции известной конструкции ВК, она обеспечивает поддержание температуры металлических пластин внутрикорпусного объема ВК на приемлемом уровне.