ВАКУУМНАЯ КАМЕРА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

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 внутрикорпусного 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 радиационной защиты. Остальной внутрикорпусной объем между оболочками заполнен циркулирующим теплоносителем (водой). В совокупности внутрикорпусные металлоконструкции и вода образуют железоводную радиационную защиту.
Один из последних вариантов конструкции вакуумной камеры и функции ее элементов описаны 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).
Теплоноситель, циркулирующий между оболочками вакуумной камеры, выполняет две функции: во-первых, отводит тепло, выделяющееся в результате взаимодействия с нейтронами и гамма-квантами как в нем самом, так и в корпусе вакуумной камеры и металлоконструкциях железоводной радиационной защиты; во-вторых, является элементом радиационной защиты.
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 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 данной конструкции является то, что охлаждение внутренней и наружной оболочек производится потоком воды, текущим во внутрикорпусном объеме и, таким образом, каждая оболочка охлаждается только с одной стороны. Внутреннее объемное тепловыделение во внутренней оболочке будет значительно больше, чем в наружной оболочке.
Результаты, полученные 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) показывают, что при принятых условиях (толщина стальной внутренней оболочки, коэфф. теплопроводности стали, плотность внутреннего объемного тепловыделения во внутренней оболочке) разница между температурой ее поверхности, обращенной к плазме, и температурой ее поверхности, омываемой водой, текущей во внутрикорпусном объеме, превышает допустимую.
Расчеты проводились при средней ожидаемой плотности внутреннего объемного тепловыделения в стали. Возможно, в некоторых частях внутренней оболочки плотность внутреннего объемного тепловыделения в стали будет выше средней. Причиной этого могут быть процессы в плазме, влияние делящегося бланкета (если он будет установлен).
В этом случае разница температур поверхностей внутренней оболочки будет еще выше.
Следует отметить, что при расчетах учитывалось только внутреннее объемное тепловыделение в стали внутренней оболочки (без учета возможного теплового воздействия на нее со стороны компонентов обращенных к плазме). С учетом этого теплового воздействия разница температур поверхностей внутренней оболочки может еще возрасти.
В таких условиях возможно так же, что максимальная температура поверхности внутренней оболочки, ближайшей к компонентам, обращенным к плазме, превысит допустимую температуру стали.
В случае потери воды из внутрикорпусного объема вакуумной камеры становится невозможным как охлаждение металлоконструкций самой вакуумной камеры, так и охлаждение компонентов, обращенных к плазме в случае потери их собственного охлаждения.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является совершенствование конструкции вакуумной камеры и всей установки ДЕМО-ТИН, повышение ее надежности и безопасности.
Раскрытие сущности полезной модели.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является поддержание требуемой температуры всех элементов вакуумной камеры термоядерного реактора как в штатном режиме работы, так и в аварийных ситуациях, связанных с отказом системы охлаждения.
Для достижения технического результата предложена вакуумная камера термоядерного реактора, состоящая из корпуса, образованного внутренней и внешней оболочками с находящимися между ними металлоконструкциями, образующими железоводную защиту, при этом внутренняя оболочка выполнена двойной и состоит из внутренней прочной оболочки и внутреннего кожуха, связанных креплениями, причем крепления внутреннего кожуха к внутренней прочной оболочке выполнены таким образом, что позволяют устанавливать компоненты на этих креплениях, а не на внутреннем кожухе.
Особенностью конструкции внутренней двойной оболочки является то, что внутренний кожух не является несущей конструкцией и может быть выполнен сравнительно тонким, что позволит поддерживать его допустимую температуру.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен вертикальный разрез вакуумной камеры термоядерного реактора; на фиг. 2 - горизонтальный разрез цилиндрической части вакуумной камеры, где:
1 - плазма;
2 - модуль бланкета;
3 - внутренняя прочная оболочка;
4 - внутренний кожух;
5 - металлоконструкции железоводной защиты;
6 - трубопровод подачи теплоносителя системы охлаждения СО-1;
7 - трубопровод отвода теплоносителя системы охлаждения СО-1;
8 - теплоноситель системы охлаждения СО-1 (стрелками показано направление течения);
9 - наружная оболочка;
10 - трубопровод подачи теплоносителя системы охлаждения СО-2;
11 - трубопровод отвода теплоносителя системы охлаждения СО-2;
12 - теплоноситель системы охлаждения СО-2 (стрелками показано направление течения);
13 - крепления внутреннего кожуха и компонентов, обращенных к плазме;
14 - место, для которого производилась оценка температуры;
1
R - внутренний радиус внутренней прочной оболочки;
2
R - внешний радиус внутренней прочной оболочки;
3
R - внутренний радиус внутреннего кожуха;
4
R - внешний радиус внутреннего кожуха.
Осуществление полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и 2, где показано взаимное расположение основных элементов вакуумной камеры.
Вакуумная камера состоит из внутренней прочной оболочки 3 и наружной оболочки 9.
Крепления внутреннего кожуха 4 к внутренней оболочке 3 выполнены таким образом, что позволяют установить модуль бланкета 2 на этих креплениях, а не на внутреннем кожухе 4.
Между внутренней прочной оболочкой 3 и наружной оболочкой 9 находится внутрикорпусной объем, где расположены металлоконструкции железоводной защиты 5 и теплоноситель системы охлаждения СО-1 8, который подается во внутрикорпусной объем через трубопровод подачи теплоносителя системы охлаждения СО-1 6 и отводится из него через трубопровод отвода теплоносителя системы охлаждения СО-1 7. Между внутренней прочной оболочкой 3 и внутренним кожухом 4 находится теплоноситель системы охлаждения СО-2 12, который подается по трубопроводу подачи теплоносителя системы охлаждения СО-2 10 и отводится по трубопроводу отвода теплоносителя системы охлаждения СО-2 11.
Пример конкретного выполнения, который не ограничивает варианты его исполнения.
вх
вх
вых
вых
Для упрощения конструкции теплоноситель во всех системах охлаждения имеет невысокие параметры (температура на входе в СО-1 и СО-2 Т~70°С и давление Р~1 МПа, а на выходе Т~100°С). Оценку температуры внутренней прочной оболочки производим в точке 14 на фиг. 1. В этом месте температура теплоносителя близка к максимальной Т, соответственно максимальной будет температура внутренней прочной оболочки 3 и внутреннего кожуха 4.
Оценка температурного режима внутренней прочной оболочки.
Схема охлаждения показана на фиг. 2
Для сравнения температурного режима элементов внутренней оболочки заявляемой полезной модели и внутренней оболочки прототипа (RU 2695632) определим сначала температурный режим последней.
1. Температурный режим внутренней оболочки прототипа (при отсутствии внутреннего кожуха и СО-2).
1
1
2
2
об
2
1
Температуру поверхности цилиндрической внутренней оболочки, обращенной к железоводной защите, внутренним радиусом R=2,09 м обозначим Т, а температуру поверхности внутренней оболочки, ближайшей к компонентам обращенным к плазме, внешним радиусом R=2,13 м, обозначим Т. Толщина внутренней оболочки =R-R=0,04 м.
21
2
1
Разница температур ΔТ=Т-T определится по уравнению для цилиндрической стенки
v ст
3
q - плотность внутреннего объемного тепловыделения в стали, Вт/м;
ст
λ - коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м⋅°С).
v ст
v ст
3
По данным (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) среднее значение q=1,8 МВт/м. В действительности q максимально на поверхности внутренней оболочки, обращенной к ПС и уменьшается по мере удаления от этой поверхности.
v ст
3
Как отмечалось ранее, возможно, что в некоторых частях внутренней оболочки плотность внутреннего объемного тепловыделения в стали будет выше средней. Причиной этого могут быть процессы в плазме, влияние делящегося бланкета (если он будет установлен). Поэтому рассмотрим также варианты, в которых q=2,5 МВт/м.
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 450°С. При ожидаемой температуре внутренней оболочки 200-300°С λ=17-19 Вт/(м⋅°С).
1
вых
Разница температур между Т и температурой омывающей внутреннюю оболочку воды с температурой Т определится по
1
1
2
2
α - коэфф. теплоотдачи от поверхности вакуумной камеры, обращенной к железоводной защите, к омывающей ее воде, Вт/м⋅°С. Выполненные оценки дают значение α=2000-4000 Вт/м⋅°С при скорости течения воды во внутрикорпусном объеме вакуумной камеры ~0,7-1,5 м/с.
2 макс
Максимальная температура поверхности внутренней оболочки, обращенной к ПС, Т определится как
В условиях неопределенности исходных данных для оценки температурного режима внутренней оболочки вакуумной камеры используем сочетания исходных параметров, приведенные в таблице 1.
Результаты расчетов при различных исходных параметрах приведены в табл. 2.
2 макс
21
2 макс
Результаты расчетов показывают, что максимальная температура поверхности внутренней оболочки вакуумной камеры-прототипа, ближайшей к компонентам обращенным к плазме, составляет Т=196-256°С, т.е. не превышает допустимую температуру стали 450°С. Перепад температур в самой внутренней оболочке составляет ΔТ=77-120°С, что представляется неприемлемым из-за возникающих температурных напряжений. Следует отметить, что оценки температуры внутренней оболочки производились без учета возможного теплового воздействия на ВО ПС и бланкета. С учетом этого воздействия температура Т может быть выше, чем указано в табл. 1.
макс
0
1
0
2
ст
2
Расчет температурного режима внутренней прочной оболочки, охлаждаемой с двух сторон, ведется по методике (В.П. Исаченко и др., Теплопередача, М., Энергия, 1975, с. 73). В этом случае максимальная температура металла Т достигается внутри цилиндрической стенки, на поверхности с радиусом R, причем R≤R≤R. Далее рассматриваем только одно значение коэффициента теплопроводности стали λ=Вт/(м⋅°С).
Для оценки температурного режима внутренней прочной оболочки в условиях ее двустороннего охлаждения используем сочетания исходных параметров, приведенные в таблице 3.
Результаты расчетов температурного режима внутренней прочной оболочки при различных исходных параметрах приведены в табл. 4.
Оценки показывают, что максимальная температура металла внутренней прочной оболочки составит 131-146°С, а разница температур ее поверхностей 0-10°С. Эти значения представляются допустимыми для конструкционного материала - стали, близкой по характеристикам к стали марки 316LN-IG.
Таким образом, заявленная полезная модель решает следующие основные проблемы: сохраняя все функции известной конструкции вакуумной камеры-прототипа, получаем температуру элементов внутренней оболочки (внутреннего кожуха и внутренней прочной оболочки) значительно меньше допустимой.
Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами:
1. Обеспечивается допустимая температура металлоконструкциий всех элементов вакуумной камеры.
2. Обеспечивается допустимая разница температур поверхностей элементов вакуумной камеры.
3. Внутренний кожух будет дополнительным барьером безопасности.
4. Если СО-1 и СО-2 будут независимыми, то в случае отказа СО-1 и системы охлаждения компонентов обращенных к плазме возможно аварийное охлаждение вакуумной камеры и этих элементов теплоносителем СО-2.
Заявляемое решение позволит повысить надежность и безопасность ДЕМО-ТИН.