Способ термостатирования элементов конструкции термоядерного реактора

 

Использование: в технике термоядерного и ядерного синтеза. Сущность изобретения: способ термостатирования элементов конструкции термоядерного реактора заключается в охлаждении элементов во время рабочего импульса и нагрева элементов для их обезгаживания в паузах между импульсами. Охлаждение и прогрев осуществляют путем прокачки теплоносителя под давлением, обеспечивающим компенсацию гидравлических потерь. В качестве теплоносителя используется кремнийорганическая жидкость на основе олигометилфенилоксана типа M₃SiO(M₃ФSiO)_nSiM₃, где М,Ф-метильная и фенильная группы соответственно, n = 2,3. Теплоноситель может дополнительно содержать 5-10 мас.% дифеноксидикрезоксисилана и 3-5 мас.% терфенильной смеси типа 103 К. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технике термоядерного и ядерного синтеза и может быть использовано для поддержания температуры элементов конструкции реактора в пределах от нескольких десятков градусов ниже нуля до плюс 400^oС.

Одна из особенностей разрабатываемых в настоящее время термоядерных реакторов состоит в необходимости периодического прогрева и обезгаживания элементов их конструкций при температуре масштаба 300-350^oС. По этой причине в термоядерном реакторе должна существовать система термостатирования, обеспечивающая поддержание температуры элементов его конструкции на том или ином заданном уровне, определяемом режимом работы.

Известен способ термостатирования реактора путем прокачки водяного теплоносителя. Использование воды как теплоносителя при температуре 300-350^oС требует поддержания в системе весьма высокого давления для подавления парообразования. Кроме того, для устранения закипания в областях с местными перегревами необходим некоторый запас по давлению. Очевидно, что давление, требуемое для этих целей, составляет многие десятки атмосфер и по условиям прочности является чрезвычайно большим для использования в конструкциях с плоскими и сравнительно тонкими стенками, каковыми являются, например, корпус вакуумной камеры или бланкет.

Использование газа в качестве теплоносителя позволяет беспрепятственно повысить температуру прогрева, но из-за низкой по сравнению с водой плотности для поддержания требуемого режима охлаждения или приемлемого темпа нагрева необходимо также повысить массовый расход газа, т.е. как и в предыдущем случае повысить давление. Кроме того, в реакторе вода является не только теплоносителем, но и частью радиационной защиты. Поэтому ее замена газообразным теплоносителем снижает защитные свойства конструкции и приводит к увеличению толщины радиационной защиты и размеров реактора.

Известно использование высокотемпературных теплоносителей (ВТТ) органического типа для прогрева технологического оборудования в химической промышленности, а также в ядерных реакторах и, в частности, в отечественном ядерном реакторе АРБУС [1] В нем теплоносителем первого контура являлся дитолилметан, представляющий собой смесь углеводородных жидкостей дифенильного ряда.

Недостатком органических теплоносителей этого вида является их значительное радиационно-термическое разложение (РТР), сопровождающееся поликонденсацией продуктов разложения и последующим осаждением их на охлаждаемой поверхности. Именно этот недостаток стал основной причиной остановки атомных реакторов вследствие закоксовывания твэльных сборок [1] Известен способ термостатирования элементов конструкции термоядерного реактора, заключающийся в чередовании термостабилизирующего охлаждения этих элементов путем прокачки теплоносителя во время рабочих импульсов с высокотемпературным нагревом их во время паузы, когда одни и те же элементы конструкции реактора поочередно либо охлаждают водой, когда в этих элементах выделяется тепло, либо нагревают с помощью горячего газа, чтобы их обезгазить при высокой температуре (прототип).

Недостаток этого способа состоит в том, что необходимы две различные системы охлаждения, длительная и сложная процедура замены теплоносителя. Кроме того, не устраняются указанные выше недостатки как водяного, так и газового охлаждения в части необходимости поддерживать высокое давление в межстенном пространстве камеры.

Сложностью этой ситуации объясняется, очевидно, тот факт, что до настоящего времени международное сообщество по разработке проекта ITER не нашло приемлемого решения проблемы нагрева и охлаждения камеры, а органические теплоносители не рассматриваются в указанном проекте как реально приемлемые.

Цель изобретения- обеспечить возможность безопасного прогрева конструкций реактора, упростить процесс перехода от одного режима термостатирования к другому, упростить систему термостатирования и повысить эксплуатационную надежность реактора.

Техническим результатом являются значительное снижение рабочего давления теплоносителя, обеспечение однотипности и сокращение длительности процедуры нагрева и охлаждения систем реактора и другие преимущества, перечисленные ниже.

В предлагаемом способе термостатирования элементов конструкции термоядерного реактора, заключающемся в чередовании термостабилизирующего охлаждения этих элементов путем прокачки теплоносителя во время рабочих импульсов с высокотемпературным нагревом их во время паузы, указанный технический результат достигается тем, что охлаждение и нагрев осуществляют однотипно путем прокачки одного и того же теплоносителя под давлением, обеспечивающим компенсацию гидравлических потерь, а в качестве теплоносителя используют кремнийорганическую жидкость на основе олигометилфенилсилоксанов типа M₃SiO(МФSiO)_nSiM₃, где М и Ф означают соответственно метильную и фенильную группы, а n 2-3. Кроме того, для повышения температуры кипения и терморадиационной стабильности теплоносителя в него вводят дополнительно 5-10 мас. дифеноксидикрезоксисилана, а для стабилизации свойств при повышенных температурах ингибирующую добавку в виде 3-5 мас. терфинильной смеси типа 103 К.

Поясняя данное предложение, отметим прежде, что теплоноситель для реактора должен обладать возможно более высокой терморадиационной стойкостью, сравнительно высокой температурой кипения, перекрывающей диапазон эксплуатационных температур, сравнительно низким давлением насыщенных паров и приемлемой вязкостью.

Кремнийорганическая жидкость олигоорганосилоксанового ряда, использованная в основе теплоносителя для предлагаемого способа термостатирования, отличается от указанных в [1] органических теплоносителей с углеродным "скелетом" типа С-С тем, что ее "скелет" составлен из атомов кремния и кислорода, в котором кремний, кроме того, связан еще и с органическими радикалами.

Свойства кремнийорганических жидкостей, как известно, зависят от состава, строения и конфигурации молекул, от типа и строения органических радикалов у кремния, от их количества, степени асимметрии звеньев в составе цепи и могут быть скорректированы в соответствии с требованиями к их техническому использованию.

Обычно слабым местом высокотемпературных носителей является их термическая и радиационная стойкость.

Повышение стойкости кремнийорганической жидкости к РТР достигается компонентами, содержащими в главной цепи ароматические (фенильные) и другие радикалы, например бензольные кольца. Являясь акцепторами электронов, бензольные кольца приводят к смещению электронного облака главной цепи в свою сторону, в связи с чем внешняя энергия, поглощаемая жидкостью, например, при теплосъеме или радиационном воздействии, перераспределяется электронами между структурными компонентами цепи. При этом главная цепь полимерной жидкости разгружается от энергетического воздействия, поскольку часть поглощаемой жидкости энергии переносится в сторону бензольных колец, в результате чего прочность и стойкость жидкости к РТР увеличиваются.

Принимая во внимание перечисленные выше обстоятельства, среди исследованных нами теплоносителей наиболее приемлемыми являются кремнийорганические жидкости, основной компонентой которых является олигометилфенилсилоксан типа M₃SiO(МФSiO)_nSiM₃, содержащий в своей структуре от двух до трех метилфенилсилоксановых групп (n 2-3). Здесь М и Ф означают соответственно метильную и фенильную группы, а содержание фенильных групп составляет примерно 35,5 мас. при n 2 и 40,5% при n 3.

Уменьшение содержания метилфенилсилоксановых групп на одну единицу (при n 1 содержание фенильных групп составиn 25,8 мас.), приводит к повышению текучести теплоносителя, что можно рассматривать как положительное явление, но в то же время заметно снижает температуру кипения и существенно ухудшает термо- и радиационную стойкость. Увеличение содержания названных групп на одну единицу (при n 4 содержание фенильных групп составит 43,6 мас.), заметно увеличивает вязкость теплоносителя. Положительное влияние на повышение температуры кипения и терморадиационной стабильности теплоноситель рассматриваемого типа оказывает введение в его состав дифеноксидикрезоксисилана (ДФДКС) в количестве 5-10 мас. Нижний предел содержания ДФДКС определяется заметным проявлением стабилизирующих свойств, а верхний увеличением вязкости и появлением склонности к полимеризации. Для стабилизации свойств теплоносителя при повышенных температурах в его состав предлагается ввести в качестве ингибирующей добавки 3-5 мас. терфинильной смеси марки 103 К. Нижний предел ее содержания в теплоносителе определяется, как и при введении ДФДКС, началом проявления стабилизирующих свойств, верхний ухудшением текучести теплоносителя.

Названные выше химические структуры и компоненты уже синтезированы, частично исследованы и освоены промышленностью.

Возможность осуществления изобретения рассмотрим на примере разрабатываемого в настоящее время проекта вакуумной камеры термоядерного реактора.

Вакуумная камера реактора представляет собой цельносварную двухстенную тороидальную оболочку. Полость между стенками заполнена дискретными металлическими элементами (шарами, пластинами) и теплоносителем, выполняющими функцию радиационной защиты. Температура вакуумно-технологического прогрева камеры составляет 300-350^oС, в то время как рабочая температура поддерживается на уровне 200^oС. Система термостатирования не только обеспечивает поддержание указанной температуры, но и обеспечивает возможность оперативного перехода от одного режима термостатирования к другому без значительных затрат времени на вспомогательные технологические операции. В качестве основной компоненты теплоносителя использована кремнийорганическая жидкость марки ПФМС-2/5л по ТУ 6-02-777-73, содержащая фенильные группы в количестве 40,5 мас. Температура кипения жидкости составляет 388^oС, температура начала разложения 380^oС, температура самовоспламенения 430^oC, давление насыщенного пара при 20^oС равно 10^-4 Па (9*10^-7 мм рт.ст.) и 265 Па (20 мм рт.ст.) при 300^oC.

Функциональная схема системы прокачки теплоносителя, существенными элементами которой в данном примере являются только теплообменник и циркуляционный насос, является типичной, например, для атомных реакторов с органическим теплоносителем и по этой причине здесь не приводится. Последовательность операций при реализации предлагаемого способа представляется очевидной и состоит в следующем. Для перехода от рабочего режима к режиму с более высокой температурой, то есть к режиму вакуумно-технологического прогрева реактора, теплоноситель нагревают в том же теплообменнике внешней системы реактора и прокачивают через те же каналы и с помощью того же циркуляционного насоса, что и в рабочем режиме, постепенно повышая температуру прогреваемых элементов реактора до требуемого уровня, после чего температуру поддерживают на постоянном уровне обычными методами. Высокая температура кипения теплоносителя, превышающая верхнюю температурную границу его использования и низкое давление насыщенного пара, позволяет однотипно осуществлять обе операции (нагрев и охлаждение) путем прокачки его при соответствующей температуре, но практически при одном и том же давлении, которое определяется в основном гидравлическими потерями.

Преимущества предлагаемого способа термостатирования элементов конструкции термоядерного реактора по сравнению с прототипом состоят в следующем: обеспечивается возможность безопасного прогрева конструкции реактора, поскольку во всем диапазоне температур в системе термостатирования и, следовательно, в межстенном пространстве камеры можно поддерживать сравнительно низкое рабочее давление, обеспечивающее лишь компенсацию гидравлических потерь на прокачку; значительно упрощаются процедура перехода от одного режима термостатирования к другому, система охлаждения реактора, оборудование, эксплуатация и обслуживание, поскольку в системе используется только один теплоноситель как для охлаждения, так и для нагрева, а переход от одного режима термостатирования к другому осуществляется без дополнительных процедур, связанных с заменой теплоносителя; вследствие химической инертности теплоносителя улучшаются его совместимость с компонентами бланкета; уменьшается загрязнение рабочего объема и иных систем при возможных протечках теплоносителя вследствие низкого давления его насыщенных паров; исключается образование экологически опасной тритиевой воды в случае появления протечек теплоносителя в рабочий объем, поскольку у теплоносителя отсутствует сродство к тритию; исключается вскипание теплоносителя при гипотетической аварии с полным сбросом давления, поскольку температура теплоносителя в рабочем режиме может быть ниже температуры его кипения при атмосферном давлении; практически устраняются проблемы с коррозионной стойкостью конструкции реактора; уменьшается наведенная активность внешних систем и повышается безопасность работы обслуживающего персонала вследствие коррозионной пассивности теплоносителя;
снижается активность сбросов в вентиляцию и с технологическими водами при нормальных условиях эксплуатации;
становится возможным использовать распространенные материалы, упрощаются операции по обслуживанию, ремонту и замене оборудования.

Перечисленные преимущества способствуют повышению надежности, работоспособности и безопасности реактора. Кроме того, эти преимущества позволяют уменьшить капиталовложения в сооружение реактора не только вследствие упрощения системы термостатирования, но и вследствие возможности применения низколегированных сталей в основном и вспомогательном оборудовании, позволяет использовать оборудование, работающее при невысоких давлениях, снизить расходы на эксплуатацию в результате упрощения обслуживания и ремонта.

Формула изобретения

1. Способ термостатирования элементов конструкции термоядерного реактора, заключающийся в чередовании термостабилизирующего охлаждения элементов конструкции путем прокачки теплоносителя во время рабочих импульсов и высокотемпературного нагрева элементов конструкции во время паузы, отличающийся тем, что охлаждение и нагрев осуществляют однотипно путем прокачки одного и того же теплоносителя под давлением, обеспечивающим компенсацию гидравлических потерь, причем в качестве теплоносителя используют кремнийорганическую жидкость на основе олигометилфенилсилоксана типа М₃ SiO (МФ SiO)_nSiM₃, где М метильная группа, Ф фенильная группа, n 2, 3.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплоноситель содержит дополнительно от 5 до 10 мас. дифеноксидикрезоксисилана.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплогаситель содержит дополнительно от 3 до 5 мас. терфенильной смеси типа 103К.