Первая стенка термоядерного реактора

 

Использование: ядерная техника, а более конкретно, конструкция первой стенки термоядерного реактора. Сущность изобретения: в первой стенке термоядерного реактора охлаждающая панель выполнена из двух установленных с зазором параллельных пластин, соединенных герметично по периметру между собой. При этом в пластине охлаждающей панели, непосредственно контактирующей с теплопроводящей прокладкой, выполнены продольные каналы и поперечные отверстия, через которые каналы сообщены с полостью, образованной пластинами и соединяющими их элементами. Обращенная в сторону зазора поверхность этой пластины покрыта металлическим слоем с капиллярной структурой. Каналы соединены с системой циркуляции теплоносителя. Система циркуляции включает в себя контур нагрева, образованный последовательно установленными парогенератором и циркуляционным насосом, и контур охлаждения, состоящий из последовательно расположенных теплообменника, конденсатора и питательного насоса. Каналы на входе соединены с циркуляционным и питательным насосами, а на выходе - с теплообменником, который также сообщен с пространством в верхней части полости через конденсатор. Теплопроводящая прокладка выполнена из легкоплавкого сплава. Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности теплоотвода в режиме длительных переменных тепловых нагрузок, стабилизации температуры конструкции по всему сечению независимо от тепловой нагрузки, что снижает деформационные напряжения во время эксплуатации, снижении давления теплоносителя в контуре охлаждения до 1,5-2 МПа, а также упрощении и удешевлении технологических процессов, сокращении времени монтажно-демонтажных работ по замене экранов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к конструкции первой стенки термоядерного реактора.

Известна конструкция первой стенки термоядерного реактора ИТЕР [1] основными элементами которой являются защитные экраны из графитового композита УУКМ, охлаждающая панель, теплопроводящая прокладка между ними и узлы стыковки охлаждающей панели с магистральными трубопроводами. Охлаждающая панель, изготовленная из бронзы, выполнена с каналами для прохождения теплоносителя. В качестве теплопроводящей прокладки используют сплав меди, предназначенный для обеспечения теплового контакта и крепления защитных экранов к охлаждающей панели.

Недостатки данной конструкции заключаются в следующем: 1) выполнение защитных экранов из графитового материала ведет к неравномерному охлаждению защитных экранов, в результате чего поверхности удаленные от охлаждающей панели перегреваются, что приводит к их повышенному эрозионному наносу; 2) эрозионный нанос защитного экрана во время работы реактора приводит к загрязнению плазменной камеры и срыву плазмы; 3) в связи с необходимостью предотвращать кипение теплоносителя в каналах охлаждающей панели повышают давление в контуре (≈ 10 МРа), что усложняет конструкцию первой стенки; 4) температура конструкции первой стенки различна, за счет разности температур входа и выхода теплоносителя, это приводит к значителным тепловым деформациям и как следствие к появлению дополнительных механических напряжений.

5) пайка графитовых экранов к бронзовой охлаждающей стенке требует сложной подготовки поверхности графита к пайке нанесение промежуточных слоев, что усложняет и удораживает технологию пайки; 6) наличие паяного соединения между графитовым экраном и бронзовой охлаждающей стенкой вызывает тепловые напряжения в графитовом экране, сопутствующие разрушению экранов; 7) повышенные требования к точности изготовления панелей, при сборке панелей с трубопроводами и пайке ведет к увеличению трудозатрат.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предложенному является первая стенка [2] содержащая защитные экраны, охлаждающую панель, теплопроводящую прокладку между ними и систему циркуляции теплоносителя, соединенную с охлаждающей панелью.

Защитные экраны выполнены в виде монолитных пластин из графитового композита УУКМ. В охлаждающей панели, изготовленной из бронзового сплава, имеются каналы охлаждения. Для крепления защитных экранов и как теплопроводящую прокладку используют высокотемпературный припой из сплава меди.

Недостатки прототипа заключаются в следующем: 1) изготовление защитных экранов из графитового композита, испытытвающих воздействие высокой температуры, особенно при защигании и гашении плазмы, когда тепловой поток возрастает в несколько раз (≈ 10) и температура защитного экрана достигает 1000^oС, что вызывает большую эрозию экранов, что ведет к "загрязнению" плазмы, и как следствие уменьшению времени горения плазмы; 2) температура конструкции первой стенки различна, за счет разности температур входа и выхода теплоносителя, это приводит к значительным тепловым деформациям и как следствие к появлению дополнительных механических напряжений; 3) в связи с необходимостью не допускать вскипание теплоносителя и обеспечения интенсивного теплоотвода от первой стенки, используют большие давления (≈ 10 Мра) в контуре охлаждения, что усложняет конструкцию;
4) требуется сложная система регулирования расхода теплоносителя для поддержания постоянной температуры конструкции первой стенки;
5) пайка графитового экрана с подложкой из бронзы приводит к появлению температурных напряжений в графитовом экране за счет разности температурных расширений материалов;
6) пайка графитовых экранов к бронзовой охлаждающей панели требует сложной подготовки поверхности графита к пайке нанесение промежуточных слоев, что усложняет и удорожает технологию;
7) защитные экраны соединены с охлаждающей панелью пайкой твердым припоем, это приводит к появлению дополнительных температурных напряжений между экраном и охлаждающей панелью при нагревании конструкции, что приводит куменьшению долговечности конструкции;
8) сложность монтажно/демонтажных работ по замене графитовых защитных экранов (дистанционная пайка в условиях вакуумного корпуса).

Вышеперечисленные недостатки приводят к снижени надежности и сокращению срока эксплуатации.

Техническим результатом данного изобретения является:
1. Надежный теплоотвод в режиме длительных переменных тепловых нагрузок (до 3-х раз от номинальной тепловой нагрузки).

2. Стабильность температуры конструкции по всему сечению независимо от тепловой нагрузки, что снижает деформационные напряжения во время эксплуатации.

3. Снижение давления теплоносителя в контуре охлаждения до 2-1,5 МПа.

4. Упрощение и удешевление технологических процессов, сокращение времени монтажно-демонтажных работ по замене экранов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в первой стенке термодяерного реактора, содержащем защитные экраны, охладающую панель, теплопрорводящую прокладку между ними и систему циркуляции теплоносителя, соединенную с охлаждающшей панелью, охлаждающая панель представляет собой две параллельные пластины, соединенные герметично по периметру между собой, в пластине охлаждающей панели, непосредственно контактирующей с теплопроводящей прокладкой, выполнены продольные каналы и поперечные отверстия, через которые каналы сообщены с полостью, образованной пластинами и соединяющими их элементами, при этом на поверхности пластины, обращенной в сторону полости, расположен металлический слой с капиллярной структурой, а каналы соединены с системой циркуляции, кроме того, система циркуляции теплоносителя включает в себя контур нагрева, образованный последовательно установленными парогенератором и циркуляционным насосом, и контур охлаждения, состоящий из последовательно расположенных теплообменника, конденсатора и питательного насосоа, при этом каналы на входе соединены с циркуляционным и питательным насосоами, а на выходе с теплообменником, который сообщен с верхней частью полости через конденсатор, кроме того, теплопроводящая прокладка выполнена из легкоплавкого сплава.

Вышеуказанная совокупность известных и отличительных признаков позволяет создать конструкцию первой стенки термоядерного ядерного, обеспечивающую надежный режим работы в условиях длительных циклических нагрузок (увеличение тепловой нагрузки до 3-х раз).

На фиг. 1 изображен участок первой стенки со стороны плазмы; на фиг.2 показано поперечное сечение А-А участка первой стенки фиг.1.

Первая стенка термоядерного реактора содержит защитные экраны 1, выполненные из тугоплавкого металла, например, из бериллия и закрепленные посредством цапф 2 на охлаждающей панели 2. Между защитными экранами 1 и охлаждающей панелью 3 имеется теплопроводящая прокладка 4, изготовленная из легкоплавкого сплава, например, из алюминиевого сплава. Охлаждающая панель 3 представляет собой две параллельные пластины 5 и 6, установленные с зазором, которые герметично по периметру соединены между собой элементами 7, образующими полость 8. Пластина 5, непосредственно контактирующая с теплопроводящей прокладкой 4, выполнена с продольными каналами 9 для прохождения теплоносителя и поперечными отверстиями 10, через которые каналы 9 сообщены с полостью 8. на поверхности ластины 5, обращенной в сторону полости 8, расположен металлический слой скапиллярной структурой, например, в виде металлического фитиля 11. На входе и выходе каналы 9 через коллектора 12 соединены с системой циркуляции теплоносителя, которая включатет в себя контур нагрева, который образован последовательно установленными парогенератором 13 и циркуляционным насосом 14, и контур охлаждения, состоящий из последовательно расположенных теплообменника 15, конденсатора 16 и питательного насоса 17. Полость 8 служит для сбора пара или теплоносителя, проникающего из каналов 9 через отверстия 10, а в пластине 6 имеются отводные патрубки 18, 19 в верхней части для пара, и в нижней для конденсата, которые связаны с системой циркуляции теплоносителя. Каналы 9 на входе через коллектор 12 соединены с циркуляционным 14 и питательным насосом 17, а на выхорде с теплообменником 15, который сообщен с верхней частью полости 8 через конденсатор 18, так как на входе конденсатор 16 соединен с верхней частью полости 8. Нижняя часть полости 8 через патрубок 19 соединена с входом питательного насоса 17. Теплопроводящая прокладка 4, между защитным экраном 1 и охлаждающей панелью 3 служит для компенсации технологических зазоров, обеспечения надежного теплового контакта экранов 1 с охлаждающей пластиной 5 панели 3, для компенсации температурных расширений экрана 1 и, охлаждающей панели 3.

Предложенная конструкция первой стенки термоядерного реактора функционирует следующим образом.

Перед началом работы термоядерного реактора включают контур подогрева первой стенки. От парогенератора 13 циркуляционными насосами 14 пар подаетс яна распределительный коллектор 12, а затем в каналы 9. Пар проходя по каналам 9, нагревают первую стенку до температуры ≈ 350^oС. Из каналов 9 через сборный коллектор 12 охлажденный пар подается на парогенератор 13, где он подогревается до заданной температуры и возвращается в контур. Прогрев осуществляется в течсение 24 часов. При этом производится вакуумирование вакуумного корпуса и дегезации всех поверхностей конструкции реактора. После дегезации контур нагрева отключается. Перед зажиганием плазмы включается контур охлаждения. Теплоноситель под давление м(1,5 2,0 МПа, ≈ 150^oС) подадется в каналы и охлаждает конструкцию первой стенки до ≈ 150^oC.

Затем в вакуумно пространстве термоядерного реактора на поверхности первой стенки зажигается плазма. За счет радиационного тепла светового излучения, оомбардировки поверхности защитных экранов 1 ионизированными частицами и поглощения нейтронов, температура экранов 1 резко возрастает и превышает температуру плавления материала теплопрводящей прокладки 4 в резултьате чего материал теплопроводящей прокладки расплавляется и заполняет технологический зазор между защитным экраном 1 и охлаждающей панелью 3, обеспечивая надежный тепловой контакт. Охлаждение панели 3 осуществляется теплоносителем от циркуляционной системы следующим образом. Охлажденный теплоноситель от теплообменника 15 и от конденсатора 16 питательным насосом 17 подается к коллектору 12, откуда теплоноситель поступает в каналы 9. Проходя по каналам 9 охлаждающей панели 3 теплоноситель нагревается. Теплоноситель циркулирует под давлением, которое не допускает кипения в номинальном режиме. Через отверстия 10 низ каналов 9 организована протечка теплоносителя в полость 8, при этом теплоноситель смачивает металлический фитиль 11. На поверхности фитиля 11 за счет пониженного давления в полости 8 теплоноситель испаряется, происходит дополнительное поглощение тепла и охлаждение пластины 5. Образующийся пар и излишки протечек теплоносителя собираются в полости 8 и удаляются из верхней части через патрубок 18 в конденсатор 16, а протечки теплоносителя через патрулбок 19 подается на вход питательного насоса 17. Нагретый теплоноситель из каналов 9 через сборный коллектор 12 подается в теплообменник 15, охлаждается и возвращается насосом 17 в контур.

Температура кипения теплоносителя на поверхности фитиля 11 зависит от давления в полости 8, поэтому кипение теплоносителя происходит по всей поверхности фитиля 11 при одинаковой температуре. Температура фитиля 11 со стороны зазора одинакова, это позволяет выравнить температуру куонструкции первой стенки, снизить температурные напряжения и деформации. Дополнительное испарение теплоносителя позволяет снять избытки тепла без регулировки расхода теплоносителя, что особенно важно при переменной тепловой нагрузке. Первая стенка и лимитер работают в режиме переменных значений тепловой нагрузки. Циклический режим отрицательно влияет на работоспособность конструкции, для этого необходимо поддеривать стабильную температуру первой стенки. В предлагаемой конструкции возможно отклонение тепловой нагрузки от номинальной до 3-х раз, при этом расход теплоносителя и рабочее давление в системе циркуляции остается постоянным, за счет увеличения испарения теплоносителя с поверхости фитиля 11.

Изготовление защитного экрана из бериллия повышает механическую прочность и эрозионную стойкость защитных экранов улучшает режим горения плазмы. Хорошая теплопроводность защитного экрана 1 способствует тому, что температура экрана 1 в рабочем режиме не превышает 500^oС, так как предлагаемая конструкция обеспечивает процесс поглощения тепла не только за счет циркуляции теплоносителя, а также за счет его испарения, то это позволяет отводить тепловые потоки сбольшей плотностью (120 Вт/см²), работать первой стенке с малыми давлениями (1,5-2,0 МПа), что повышает ее надежность и срок эксплуатации.

По окончании срока ресурса защитных экранов 1 (или по иным причинам), они могут быть легко заменены. ДЖля этого узлы крепления 2 отгибают, освобождая их от зацепления с охлаждающей панелью 3. Затем производят нагрев экранов 1 (≈ 270^oС) и после расплавления теплопроводящей прокладки 4 отсоединяют экраны 1 от охлаждающей панели 3. Механическое крепление защитных экранов позволило применить в качестве теплопроводящей прокладки низкотемпературный припой, что позволяет избежать тепловых напряжений, так как в данном случае теплопроводящая прокладка во время эксплуатации находится в жидком состоянии. Кроме того, такое крепление исключает необходимость использовать дорогостоящее дистанционно-управляемое оборудование для высокотемпературной пайки.

Предлагаемая конструкция первой стенки позволяет значительно упростить технологию монтажно-демонтажных работ по ремонту и замене защитных экранов, что очень важно при эксплуатации термоядерного реактора.

Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает эффективный теплоотвод и защиту сегмента бланкета от воздействия плазмы в режиме переменных значений тепловой нагрузки. Эксплуатация первой стенки осуществляется с малым давлением теплоносителя, что также повышает ее надежность и увеличивает срок работы.

Формула изобретения

1. Первая стенка термоядерного реактора, содержащая защитные экраны, охлаждающую панель, теплопроводящую прокладку между ними и систему циркуляции теплоносителя, соединенную с охлаждающей панелью, отличающаяся тем, что охлаждающая панель выполнена из двух установленных с зазором параллельных пластин, соединенных герметично по периметру между собой, при этом в пластине охлаждающей панели, непосредственно контактирующей с теплопроводящей прокладкой, выполнены продольные каналы и поперечные отверстия, через которые каналы сообщены с полостью, образованной пластинами и соединяющими их элементами, причем на поверхности пластины, обращенной в сторону полости, расположен металлический слой с капиллярной структурой, а каналы соединены с системой циркуляции теплоносителя.

2. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что система циркуляции включает в себя контур нагрева, образованный последовательно установленными парогенератором и циркуляционным насосом, и контур охлаждения, состоящий из последовательно расположенных теплообменника, конденсатора и питательного насоса, причем каналы на входе соединены с циркуляционным и питательным насосами, а на выходе с теплообменником, который сообщен с верхней частью полости через конденсатор.

3. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что теплопроводящая прокладка выполнена из легкоплавкого сплава.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2