ВАКУУМНАЯ КАМЕРА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ОХЛАЖДЕНИЕМ НАРУЖНОЙ ОБОЛОЧКИ

Область техники.
Полезная модель относится к термоядерной технике, а именно к конструкции вакуумной камеры, которая является элементом термоядерного реактора или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН).
Уровень техники.
Вакуумная камера - одна из основных систем термоядерных установок типа токамак, в частности установки ДЕМО-ТИН.
Известна конструкция вакуумной камеры, предложенная в (Э.А. Азизов и др. Токамак ДЕМО-ТИН: концепция электромагнитной системы и вакуумной камеры. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 38, вып. 2, 2015, с. 5).
Вакуумная камера состоит из трех элементов - корпуса; внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и водой; внутреннего объема.
Корпус вакуумной камеры - 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.
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 вакуумную камеру можно считать состоящей из двух частей - центральной, цилиндрической формы, расположенной в области центрального соленоида, и внешней, обращенной к корпусу криостата.
Один из последних вариантов конструкции вакуумной камеры 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 вакуумной камеры, 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 вакуумной камеры 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.
Вакуумная камера 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 вакуумная камера 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 охлаждение как внутренней, так и наружной оболочки производится потоком воды, текущим во внутрикорпусном объеме и, таким образом, каждая оболочка охлаждается только с одной стороны. Вода во внутрикорпусном объеме имеет температуру на входе 70°С, а на выходе 100°С, и температура оболочек будет не меньше. Наружная оболочка внешней поверхностью обращена к криогенной тепловой защите, защищающей сверхпроводниковые катушки тороидального поля от теплового потока с вакуумной камеры.
Криогенная тепловая защита представляет собой охлаждаемую металлоконструкцию с температурой 80-100 К и описана в (А.Ю. Пашков и др. "Конструкция, расчет и оценка надежности тепловой защиты сверхпроводниковых магнитов ДЕМО-ТИН". - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 39, вып. 3, 2016, с. 12).
Раскрытие сущности полезной модели.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является совершенствование конструкции вакуумной камеры и всей установки ДЕМО-ТИН, повышение ее надежности и безопасности.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение температуры наружной оболочки вакуумной камеры и соответствующее уменьшение плотности теплового потока с наружной оболочки на криогенную тепловую защиту.
Для достижения технического результата предложена вакуумная камера термоядерного реактора, состоящая из корпуса, образованного внутренней оболочкой и наружной оболочкой, внутрикорпусного объема с металлоконструкциями, образующими железоводную защиту и прокачиваемым через нее теплоносителем системы охлаждения, при этом система охлаждения содержит 2 контур, образованный установленным на наружную оболочку вакуумной камеры кожухом, так что между ним и наружной оболочкой была возможность циркуляции теплоносителя второй системы охлаждения.
В предпочтительном варианте на наружном кожухе параллельно ему установлена система экранов.
Предлагаемая конструкция вакуумной камеры позволяет снизить температуру наружной оболочки, уменьшить тепловой поток на криогенную тепловую защиту и упростить ее конструкцию, а также повысить надежность всей установки.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения обеспечивает поддержание температуры поверхности наружного кожуха, обращенной к криогенной тепловой защите, на более низком уровне, что обеспечивает снижение плотности теплового потока, падающего на криогенную тепловую защиту с наружного кожуха.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 представлен вертикальный разрез токамака установки ДЕМО-ТИН, где позициями обозначены:
1 - корпус криостата;
2 - криогенная тепловая защита (выделена красным цветом);
3 - вакуумная камера (зеленым цветом выделена центральная цилиндрическая часть, а синим - внешняя);
4 - катушка тороидального поля;
5 - плазма;
На Фиг. 2 представлен вертикальный разрез вакуумной камеры, где позициями обозначены:
2 - криогенная тепловая защита;
5 - плазма;
6 - внутренняя оболочка;
7 - наружная оболочка;
8 - металлоконструкции железоводной защиты;
9 - трубопровод подачи охлаждающей воды первой системы охлаждения;
10 - трубопровод отвода охлаждающей воды первой системы охлаждения;
11 - охлаждающая вода первой системы охлаждения (стрелками показано направление течения);
12 - наружный кожух;
13 - трубопровод подачи охлаждающей воды второй системы охлаждения;
14 - трубопровод отвода охлаждающей воды второй системы охлаждения;
15 - охлаждающая вода второй системы охлаждения (стрелками показано направление течения).
На Фиг. 3 представлена схема взаимного расположения вакуумной камеры, криогенной тепловой защиты и катушки тороидального поля в цилиндрической части вакуумной камеры без системы экранов, где позициями обозначены:
2 - криогенная тепловая защита (выделена красным цветом);
4 - катушка тороидального поля;
5 - плазма;
6 - внутренняя оболочка;
7 - наружная оболочка;
8 - металлоконструкции железоводной защиты;
11 - охлаждающая вода первой системы охлаждения (стрелками показано направление течения);
12 - наружный кожух;
15 - охлаждающая вода второй системы охлаждения (стрелками показано направление течения).
На Фиг. 4 представлена схема установки экранов между наружным кожухом и криогенной тепловой защитой, где:
2 - криогенная тепловая защита;
4 - катушка тороидального поля;
7 - наружная оболочка;
12 - наружный кожух;
15 - охлаждающая вода второй системы охлаждения (стрелками показано направление течения);
16 - первый экран;
17 - второй экран;
18 - третий экран;
19 - четвертый экран;
20 - крепления экранов.
Осуществление полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1-4, где показано взаимное расположение основных элементов токамака и вакуумной камеры.
Вакуумная камера 3, расположенная внутри корпуса криостата 1, состоит из внутренней оболочки 6 и наружной оболочки 7, между которыми находится внутрикорпусной объем, где расположены металлоконструкции железоводной защиты 8 и теплоноситель первой системы охлаждения 11, который подается во внутрикорпусной объем через трубопровод подачи теплоносителя первой системы охлаждения 9 и отводится из него через трубопровод отвода теплоносителя первой системы охлаждения 10. Внутренняя оболочка 6 ограничивает внутренний объем, где находится плазма 5. Криогенная тепловая защита 2 представляет собой оболочку, коаксиальную с наружной оболочкой 7 и наружным кожухом 12, она находится между наружным кожухом 12 и катушкой тороидального поля 4. Между наружной оболочкой 7 и наружным кожухом 12 находится теплоноситель второй системы охлаждения 15, который подается трубопроводом подачи теплоносителя второй системы охлаждения 13 и отводится трубопроводом отвода теплоносителя второй системы охлаждения 14. Теплозащитные экраны 16, 17, 18, 19 с помощью креплений 20 жестко установлены на наружном кожухе 12 параллельно ему. На поверхности наружного кожуха, обращенной к криогенной тепловой защите сверхпроводниковых катушек тороидального поля, установлена на креплениях система экранов, снижающая плотность теплового потока с наружного кожуха на криогенную тепловую защиту сверхпроводниковых катушек тороидального поля.
Температура теплоносителя второго контура охлаждения меньше, чем первого контура, что обеспечивает более низкую температуру наружного кожуха и уменьшает плотность теплового потока с него на криогенную тепловую защиту.
Пример конкретного выполнения, который не ограничивает варианты его исполнения.
вх1
вх1
вых1
вх2
вх2
Для упрощения конструкции теплоноситель (вода) в первой системе охлаждения имеет невысокие параметры (температура на входе Т ~ 70°С и давление Р ~3 МПа, а на выходе Т ~ 100°С). Во второй системе охлаждения температура воды на входе Т ~ 20°С и давление на входе Р менее 1 МПа. Далее рассматриваем центральную часть вакуумной камеры, имеющую простую цилиндрическую форму. Вода второй системы охлаждения течет в пространстве между двумя цилиндрами - наружной оболочкой и наружным кожухом в канале, имеющем кольцевое поперечное сечение (кольцевом канале).
Оценка температурного режима кольцевого канала.
Исходные данные для оценок брались 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).
Схема охлаждения кольцевого канала представлена на Фиг. 3.
вx1
вх2
При незначительной плотности тепловыделения в материалах рассматриваемой части вакуумной камеры можно принять, что температура воды, омывающей поверхности, равна температуре этих поверхностей. Считаем, что температура воды первой системы охлаждения, омывающей внутреннюю оболочку со стороны железоводной защиты, равна T ~ 70°С (конструкция вакуумной камеры позволяет обеспечить это). Температура воды второй системы охлаждения, омывающей внутреннюю оболочку со стороны кольцевого канала, близка к Т ~ 20°С.
В качестве материала вакуумной камеры предполагается использовать сталь, близкую по характеристикам к стали марки 316LN-IG, использованной в проекте ИТЭР. Максимально допустимая температура стали не более
ст
450°С; а коэфф. теплопроводности λ ~ 15 Вт/(м⋅°С) в интервале температур 20-100°С.
Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.
Рассмотрение процессов теплообмена производилось по методике (В.П. Исаченко и др. Теплопередача. М., Энергия, 1975).
2
2
2.
α - коэфф. теплоотдачи от наружной оболочки к воде второй системы охлаждения в кольцевом канале; при средней скорости воды в нем w=0,5 м/с получаем значение α~ 1400 Вт/м°С.
1
2
1
2
1
2
1
2
α - коэфф. теплоотдачи от воды первой системы охлаждения во внутрикорпусном объеме к наружной оболочке принимаем близким к α. С целью определения влияния значений α и α на теплопередачу от воды первой системы охлаждения к воде второй системы охлаждения через цилиндрическую стенку - наружную оболочку - далее рассматриваем различные значения α и α. Т.к. отношение наружного R и внутреннего R радиусов наружной оболочки близко к 1, то можно использовать уравнение теплопередачи через плоскую стенку.
Коэфф. теплопередачи в этом случае
Тепловая мощность, передаваемая через наружную оболочку
Полная тепловая мощность кольцевого канала
Подогрев воды второй системы охлаждения в кольцевом канале
в
С - теплоемкость воды, Дж/кг⋅°С.
Температура воды второй системы охлаждения на выходе из кольцевого канала и равная ей температура наружного кожуха
В Таблице 2 представлена оценка температурного режима кольцевого канала.
1
2
HO
из
из
из
Выполненные оценки показывают, что при всех допустимых сочетаниях α и α тепловая мощность, передаваемая через цилиндрическую стенку наружной оболочки такова, что подогрев воды в кольцевом канале не превышает 2°С. Соответственно, температура воды во второй системе охлаждения на выходе из кольцевого канала и равная ей температура наружного кожуха по (5) будет не более 22°С. Определяющим для полной тепловой мощности кольцевого канала является мощность, передаваемая через наружную оболочку. Мощность тепловыделения в материалах кольцевого канала играет незначительную роль. Для снижения Q можно увеличить ее термическое сопротивление. Для этого на поверхности наружной оболочки (любой из двух) устанавливается слой теплоизоляции. Далее рассматриваем вариант, когда его толщина Δ=0,005 м, а коэфф. теплопроводности λ ~ 0,2 Вт/(м⋅°С). Подобное значение λ имеет котельная накипь, богатая силикатом.
из
из
В формулу (1) вставляется слагаемое Δ/λ.
1
2
Установка изоляции в кольцевом канале приведет с сужению его проходного сечения и росту скорости воды в нем, поэтому рассматриваем более высокие значения α и α.
Результаты расчетов при различных исходных параметрах приведены в табл. 3. (Оценка температурного режима кольцевого канала при установке теплоизоляции)
1
2
Выполненные оценки показывают, что при всех допустимых сочетаниях α и α тепловая мощность, передаваемая через цилиндрическую стенку наружной оболочки со слоем теплоизоляции, такова, что подогрев воды в кольцевом канале не превышает 0,3°С. Соответственно, температура воды второй системы охлаждения на выходе из кольцевого канала по (5) будет не более 20,3°С.
Оценка теплового режима криогенной тепловой защиты при теплообмене излучением с наружным кожухом.
Система экранов отсутствует.
Теплообмен излучением между вакуумной камерой и криогенной тепловой защитой происходит в вакууме, который будет поддерживаться в корпусе криостата. При отсутствии экранов плотность теплового потока, падающего на криогенную тепловую защиту от вакуумной камеры (ее наружного кожуха), определяется по формуле:
0
2
4
с - коэффициент излучения абсолютно черного тела 5,67 Вт/(м⋅К);
КТЗ
T - температура поверхности криогенной тепловой защиты, на которую падает излучение, К;
еf0
ε - приведенная степень черноты при излучении с наружного кожуха на криогенную тепловую защиту, которая определяется по
НК
ε - степень черноты излучающей поверхности наружного кожуха;
КТЗ
ε - степень черноты поверхности криогенной тепловой защиты, на которую падает излучение.
НК
КТЗ
НК
КТЗ
ef0
Далее считаем, что ε=ε. Рассмотрим три возможных значения ε=ε - 0,05; 0,1 и 0,2. Этим значениям соответствуют три значения ε - 0,0256, 0,0526 и 0,111.
Рассмотрим два варианта теплообмена между поверхностью вакуумной камеры и криогенной тепловой зашиты.
НО
вх1
НК
КТЗ
КТЗ
еf0
Вариант 1. Вакуумная камера не имеет наружного кожуха, температура ее наружной оболочки Т=Т=70°С=343 К. Это значение подставляется в (6) вместо Т. Температура криогенной тепловой защиты Т=80 К. Значения q при различных значениях ε приведены в табл. 4.
НК
вых2
КТЗ
еf0
Вариант 2. Вакуумная камера имеет наружный кожух, его температура Т=Т ~ 21°С=294 К. Значения q при различных значениях ε приведены в табл. 4.
(Оценка плотности теплового потока на криогенную тепловую защиту без системы экранов).
КТП
КТЗ
КТП
еf0
Плотность теплового потока с криогенной тепловой защиты на катушку тороидального поля q рассчитывается так же по (6). Предполагаем, что Т находится в диапазоне 80-100 К, а приведенная степень черноты системы криогенная тепловая защита и катушка тороидального поля такая же, как и в табл. 4. Значения q при различных значениях ε приведены в табл. 5 (Оценка плотности теплового потока на катушку тороидального поля с криогенной тепловой защиты).
Система экранов установлена.
КТЗ
1
2
3
4
Плотность теплового потока q можно существенно снизить, используя систему экранов. Далее рассматриваем систему из четырех экранов, еще больше снижающая плотность теплового потока на криогенную тепловую защиту. Они устанавливаются перпендикулярно к направлению потока излучения на креплениях в пространстве между наружным кожухом и криогенной тепловой защитой и имеют форму вложенных цилиндров. Крепления установлены на наружном кожухе и имеют низкую теплопроводность. В качестве материала экранов обычно используются тонкие листы материала с высокой теплопроводностью (в нашем случае алюминия толщиной Δ ~ 0,001 м). Температуры экранов обозначим: первого (ближайшего к наружному кожуху) - Т, второго - Т, третьего - Т и четвертого - Т.
1
Запишем уравнения теплового баланса для каждого экрана. На каждом экране рассматриваем участок площадью S. Для первого экрана с температурой Т мощность падающего на него с наружного кожуха теплового потока
ef01
ε - приведенная степень черноты при излучении с наружного кожуха на первый экран.
Мощность внутреннего тепловыделения в первом экране
эк
ст
Далее принимаем для каждого экрана q=q=q.
Мощность, передаваемая на первый экран с наружного кожуха через крепления, пропорциональна мощности падающего на него с наружного кожуха теплового потока
r - коэфф. пропорциональности.
креп1
пад1
Подобное соотношение Q и Q соответствует опытным данным, полученным при эксплуатации экранно-вакуумной изоляции, при этом
r~0,1-0,3.
2
Для второго экрана с температурой Т, на который падает тепловой поток с первого экрана,
еf12
ε - приведенная степень черноты при излучении с первого экрана на второй.
Мощность, передаваемая на второй экран с первого через крепления
Из закона сохранения энергии получаем для первого экрана
(8)+(9)+(10)-(11)+(12)
0
еf01
НК
1
4
4
Получаем (1+r)Sсε((T100)-(T/100))+qSΔ,=
Введем обозначения
НК
1
2
3
4
4
4
4
4
4
К=(Т/100); х=(Т/100); у=(Т/100); z=(Т/100); u=(Т/100);
КТЗ
4
m=(Т/100).
еf01
еf12
ef23
ef34
ef45
ef
ef45
При условии ε=ε=ε=ε=ε=ε (ε - приведенная степень черноты при излучении с четвертого экрана на криогенную тепловую защиту; между четвертым экраном и криогенной тепловой защитой нет креплений, теплообмен производится только путем излучения) система уравнений, описывающая теплообмен в системе с четырьмя экранами, запишется в виде:
0
ef
0
ef
сε(1+f)(z-u)+qΔ=cε(u-m)
0
При заданных величинах K, с, ε, r, q, Δ и m получаем систему из 4-х уравнений с 4-мя неизвестными. Аналитическое решение дает
Результаты расчетов температуры экранов при различных исходных параметрах представлены в таблице 6 (Оценка температуры экранов).
ef
ef
4
ef
4
4
4
Оценки показывают, что изменение параметра r незначительно влияет на температуру экранов. Более существенное влияние на нее оказывает приведенная степень черноты ε. При ε=0,111 и r=0,1 температура четвертого экрана Т=206 К. Дальнейшее увеличение ε приводит к незначительному уменьшению Т. Увеличение параметров Δ и q приводит к росту Т. Дальнейшего снижения Т можно добиться увеличением числа экранов, но вопрос о возможном количестве экранов можно будет решить после уточнения характеристик установки ДЕМО-ТИН, в частности необходимо определить допустимое расстояние между наружным кожухом и криогенной тепловой защитой.
4
Предполагая, что Т=206-220 К, сделаем оценку плотности теплового потока на криогенную тепловую защиту при установке четырех экранов.
В Таблице 7 представлена оценка плотности теплового потока на криогенную тепловую защиту при установке системы из четырех экранов.
HO
КТЗ
НК
КТЗ
Таким образом, установка системы из четырех экранов позволяет значительно снизить плотность теплового потока на криогенную тепловую защиту. По сравнению с вакуумной камерой, в которой нет наружного кожуха и температура ее наружной оболочки составляет Т=70°С=343 К q снижается ~ в 6-7 раз, а по сравнению с вакуумной камерой с наружным кожухом с температурой Т=21°С=294 К q снижается ~ в 3,5-4 раза.
Таким образом, заявленная полезная модель решает следующую основную проблему: сохраняя все функции известной конструкции вакуумной камеры, получаем плотность теплового потока на криогенную тепловую защиту значительно меньше.
Предлагаемая конструкция вакуумной камеры обладает следующими преимуществами:
КТЗ
1. Установка только наружного кожуха вместе со второй системой охлаждения позволяет вдвое снизить плотность теплового потока на криогенную тепловую защиту - q.
КТЗ
2. Установка наружного кожуха вместе с системой из четырех экранов позволяет снизить q в 6-7 раз.
КТЗ
доп
2
3. В случае, если параметры установки позволят установить более четырех экранов, возможно довести q до значения q=1 Вт/м, что позволит отказаться от криогенной тепловой защиты и упростить конструкцию ДЕМО-ТИН.
4. Наружный кожух будет дополнительным барьером безопасности.