Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора



Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора
Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора
Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора
Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора
Устройство для локализации аварии в вакуумной камере термоядерного реактора
B01D53/00 - Разделение (разделение твердых частиц мокрыми способами B03B,B03D; с помощью пневматических отсадочных машин или концентрационных столов B03B, другими сухими способами B07; магнитное или электростатическое отделение твердых материалов от твердых материалов или от текучей среды, разделение с помощью электрического поля, образованного высоким напряжением B03C; центрифуги, циклоны B04; прессы как таковые для выжимания жидкостей из веществ B30B 9/02; обработка воды C02F, например умягчение ионообменом C02F 1/42; расположение или установка фильтров в устройствах для кондиционирования, увлажнения воздуха, вентиляции F24F 13/28)

Владельцы патента RU 2710183:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)

Изобретение относится к термоядерной технике, а именно к конструкции вакуумной камеры (ВК) и системы локализации аварии (СЛА) в термоядерном реакторе ТЯР или в демонстрационном термоядерном источнике нейтронов (ДЕМО-ТИН). Возможно ее использование в любых установках, где существует возможность образования водорода и гремучей смеси (ГС). Техническим результатом, на который направлено предлагаемое техническое решение, является исключение возможности накопления в ВК и СЛА значительного количества газообразного водорода после аварии с истечением в ВК только воды или воды и прорыва воздуха. Для этого предложено устройство, включающее в себя сбросную емкость, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами с предохранительными клапанами и разрывными мембранами с вакуумной камерой, при этом сбросная емкость разделена по горизонтали жалюзийным конденсатором пара с водяным охлаждением, на верхний и нижний отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара с водяным охлаждением и конденсатосборник, а в верхнем отсеке установлен как минимум один геттер-газопоглотитель, включающий в себя систему водяного охлаждения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к термоядерной технике, а именно, к конструкции системы локализации аварии (СЛА) в вакуумной камере (ВК), которая предназначена также для локализации аварий в системе нейтральной инжекции (СНИ) термоядерного реактора (ТЯР) или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН). Возможно ее использование в любых установках, где существует возможность образования водорода и гремучей смеси (ГС). В дальнейшем будем говорить об установке ДЕМО-ТИН.

Уровень техники

Рассматриваем аварии только в ВК, т.к. аварии в СНИ развиваются по аналогичным сценариям.

При анализе аварий с разгерметизацией системы водяного охлаждения элементов во внутреннем объеме ВК (далее будем говорить просто в ВК) рассматриваются два основных сценария.

Разгерметизация (разрыв трубопровода) любой из систем водяного охлаждения первой стенки, дивертора, бланкета сопровождается истечением воды в ВК и ее испарением. При этом прекращается термоядерная реакция, ВК заполняется паром. Если разрыв трубопровода односторонний, то происходит истечение воды из него, но не происходит сообщения ВК с помещениями, заполненными воздухом. Подобный сценарий аварии для краткости обозначим "истечение".

Если разрыв трубопровода происходит в двух местах, и один из разрывов находится в ВК, а другой в помещении, заполненном воздухом, то происходит истечение воды из участка трубопровода между разрывами. После истечения воды возможен прорыв воздуха в ВК, если давление парогазовой смеси в ней не превысит атмосферное. Сценарий аварии с прорывом воздуха в ВК обозначим "прорыв".

Сценарии аварий "истечение" и "прорыв" (далее говорим просто авария) в установках токамак (в частности, ИТЭР) неоднократно рассматривались в ходе работ по обеспечению их безопасности и определению максимальной проектной аварии. Опасность подобных аварий в установке ДЕМО-ТИН обусловлена тем, что в существующих проектах, в частности (Азизов Э.А. и др. "Токамак ДЕМО-ТИН: концепция электромагнитной системы и вакуумной камеры". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, 2015, т. 38, вып. 2, с. 5) обращенные к плазме поверхности первой стенки и/или дивертора будут покрыты бериллием или вольфрамом, взаимодействие пара с которыми сопровождается образованием водорода.

Следует отметить, что в случае аварии по сценариям "истечение" и/или "прорыв" в ВК образуется газообразный водород даже без протекания паро-бериллиевой и паро-вольфрамовой реакции. Значительное количество водорода (несколько сот грамм дейтерия и трития) наморожено на поверхностях криогенных насосов и панелей в системе вакуумной откачки и при их отеплении в случае контакта с паром или воздухом поступит в ВК.

При реализации сценария "прорыв" существует опасность образования ГС как в ВК, так и вне ее, в здании токамака.

Еще одним источником образования ГС может служить СНИ, где дейтерий и тритий так же наморожены на поверхностях криогенных насосов и панелей. При их отеплении в случае прорыва воздуха образуется ГС.

Один из возможных сценариев аварии с образованием водорода в ВК ДЕМО-ТИН рассмотрен в (Колбасов Б.Н. "Максимальная проектная авария термоядерного источника нейтронов ДЕМО-ТИН". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, вып. 3, 2014, стр. 31); описана СЛА, принятая за прототип, включающая в себя трубопроводы с предохранительными клапанами и разрывными мембранами. Трубопроводы соединяют ВК со сбросной емкостью (СЕ), предназначенной для приема парогазовой смеси и в которой установлен бассейн-барботер для конденсации пара. Недостатком данного технического решения является то, что в СЛА не предусмотрено устройство для удаления водорода из СЕ. Во всех случаях, когда существует хотя бы незначительное количество газообразного водорода, существует и опасность образования и взрыва ГС.

Из уровня техники известны следующие способы предотвращения накопления водорода в ВК ИТЭР и образования ГС:

1. Установка на трубопроводах системы охлаждения дивертора и первой стенки/бланкета отсечных клапанов, чтобы сократить до минимума количество воды и воздуха, которые могут поступить в ВК при разрыве трубопровода;

2. Инжекция инертного газа в ВК для уменьшения концентрации в ней водорода и кислорода до уровня ниже нижнего концентрационного предела горения;

3. Применение пассивных каталитических устройств для химического связывания водорода, в частности геттеров-газопоглотителей (ГГ);

4. Сжигание водорода с момента начала его образования и недопущение тем самым образования ГС.

5. Объем СЕ в СЛА задается таким образом, чтобы концентрация водорода в ней не достигала нижнего концентрационного предела горения.

Рассмотренные выше способы обладают следующими недостатками:

1. Отсечные клапаны не могут полностью предотвратить образование водорода в ВК, но усложняют конструкцию установки. При этом в ВК сохраняется водород с отеплившихся криогенных насосов и панелей.

2. Инжекция инертного газа в ВК требует специального устройства для этого, что так же осложняет конструкцию установки. Нет гарантии, что не образуется локальная взрывоопасная концентрация.

3. Система для сжигания водорода может не сработать или сработать тогда, когда уже образовалась его взрывоопасная концентрация, т.е. произойдет взрыв, который она должна предотвратить; такую систему сложно установить в ВК.

4. ГГ, применяемые для связывания водорода в электронных приборах, не могут быть установлены в ВК ДЕМО-ТИН. В случае их установки там при работе они будут поглощать топливо-газообразные дейтерий и тритий и исчерпают свою сорбционную емкость. Это сделает ГГ неработоспособным после аварии с истечением воды в ВК.

5. Контейнеры с ГГ, раскрывающиеся после аварии, как это делается под защитной оболочкой ЯР, невозможно установить в ВК из-за недостатка места.

6. Чтобы концентрация водорода в СЕ не достигала нижнего концентрационного предела горения водорода, ее объем должен быть очень большим и ее трудно разместить в установке.

Наилучшим способом предотвращения взрыва ГС, как представляется, будет химическое связывание водорода путем поглощения его ГГ, установленным вне ВК, а именно в СЕ, без возможности накопления водорода в газообразном виде.

В технике для поглощения газов (в частности водорода), поддержания вакуума в приборах или очистки газовых смесей широко используются ГГ различной конструкции (Б.К. Вульф, С.М. Борщевский. "Титан в электронной технике". М., Энергия, 1975).

Известна конструкция ГГ для селективной откачки молекулярного водорода из смеси газов в газоразрядном электронном приборе (патент RU №81488 от 2009 г.) ГГ содержит формообразующее тело (ФТ) из поглощающего водород металла и нанесенную на него каталитическую пленку. ФТ выполнено из связывающего водород пористого титана в виде пластины или цилиндра. Каталитическая пленка выполнена из металлического палладия. Пленка из палладия покрывает поверхность ФТ по всей его поверхности, обеспечивая селективность по откачке водорода. Конструкция позволяет повысить сорбционную емкость и эффективность откачки устройства.

Следует отметить, что в ГГ применяются ФТ двух типов: первого, когда материал ФТ и служит ГГ, и второго, когда материал ФТ служит лишь основой, придающей прочность и жесткость конструкции. В этом случае ГГ крепится к ФТ. В рассматриваемом патенте применено ФТ первого типа.

Известна конструкция ГГ для селективной откачки молекулярного водорода из смеси газов в газоразрядном электронном приборе (патент RU №168280 от 2017 г.). ГГ включает в себя ФТ второго типа в виде пластины или цилиндра из палладия, содержащих металл, связующий водород (титан или титановый сплава), отличающееся тем, что микрочастицы металла, связующего водород, распределены в объеме беспористого ФТ (матрице), выполненной из металлического палладия.

Технический результат заключается в повышении сорбционной емкости, эффективности откачки и повышении прочности устройства.

Известно устройство для удаления водорода из газовой смеси, содержащей водород и кислород, в особенности при авариях ЯР (патент RU №2012392 от 1994 г.), состоящее из одного или нескольких герметичных контейнеров в форме ящика, установленных в защитной оболочке ЯР. В контейнере находятся пластины ГГ. В одном из вариантов они соединены в сборку при помощи гибких опор, преимущественно металлических цепей, прикрепленных к крышке контейнера. Размещенные в контейнере направляющие обеспечивают при открытии днища контейнера контрольное выпадение из него сборки пластин ГГ.

Днище контейнера открывается преимущественно в зависимости от температуры. В защитной оболочке ЯР наблюдается в случае аварии повышение температуры, которое может служить решающим моментом при открытии контейнера. Различные виды температурных сенсоров, включая биметаллы, подходят в качестве реле для открытия днища контейнера.

В другом варианте конструкция сборки пластин ГГ подобна лопастному колесу с центральной осью, на которой расположены отдельные пластины ГГ, способные вращаться о мере надобности с помощью втулок.

Возможно расположение пластин ГГ в объеме контейнера в сложенном состоянии, и при открытии контейнера они раскрываются в виде веера.

Пластины ГГ выполнены из металла с высокой поглощающей способностью относительно водорода даже при его незначительном парциальном давлении в газовой смеси. Для предотвращения окисления поглощающий металл покрывают защитным слоем, проницаемым для водорода. При этом в качестве защитного слоя можно использовать материал, который действует как катализатор при окислении водорода кислородом с образованием воды. Металл, поглощающий водород, может быть основой конструкции пластин ГГ (ФТ первого типа), а может быть его составной частью (ФТ второго типа).

К недостатком указанных конструкций ГГ можно отнести то, что пластины ГГ выполнены неохлаждаемыми, хотя известно, что процесс хемосорбции титана является экзотермическим и тепло реакции может разогреть пластины ГГ до такой температуры (более 500°С), при которой начнется выделение водорода из них.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности и увеличение ресурса установки ДЕМО-ТИН.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что исключается возможность накопления в ВК и СЛА газообразного водорода после аварии по сценариям "истечение" и "прорыв" и предотвращается образование и взрыв ГС.

Технический результат достигается тем, что предложено устройство, включающее в себя сбросную емкость, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами с предохранительными клапанами и разрывными мембранами с вакуумной камерой, при этом сбросная емкость разделена по горизонтали жалюзийным конденсатором пара с водяным охлаждением, на верхний и нижний отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара с водяным охлаждением и конденсатосборник, а в верхнем отсеке, установлен как минимум один геттер-газопоглотитель, включающий в себя систему водяного охлаждения. В предпочтительном варианте:

- жалюзийный конденсатор пара с водяным охлаждением, расположен в проеме горизонтальной перегородки.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

исключается возможность накопления в ВК и СЛА газообразного водорода - весь образующийся водород оказывается связанным в ГГ.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фигурами.

На Фиг. 1 приведена схема конструкция СЛА и оборудования, необходимого для реализации предложенного устройства. Цифрами обозначены:

1 - металлический корпус ВК,

2 - первая стенка,

3 - дивертор,

4 - сбросные трубопроводы;

5 - сбросная емкость;

6 - предохранительный клапан;

7 - разрывная мембрана;

8 - трубчатый конденсатор пара;

9 - геттер-газопоглотитель;

10 - перегородка;

11 - жалюзийный конденсатор пара.

На Фиг. 2 приведена схема конструкции СЕ и находящегося в ней оборудования. Цифрами обозначены:

5 - сбросная емкость;

8 - трубчатый конденсатор пара;

9 - геттер-газопоглотитель;

10 - перегородка;

11 - жалюзийный конденсатор пара;

12 - крепления ГГ;

18 - нижний отсек сбросной емкости;

19 - верхний отсек сбросной емкости;

20 - конденсатосборник;

21 - подвод охлаждающей воды в трубчатый конденсатор;

22 - подвод охлаждающей воды в жалюзийный конденсатор;

23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.

На Фиг. 3 приведена схема одного из вариантов конструкции ГГ, где:

12 - крепления ГГ;

13 - верхняя пластина-поглотитель (ПП), к которой крепятся остальные ПП;

14 - пластины-поглотители (ПП)

23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.

На Фиг. 4 приведен другой вариант конструкции ГГ, где:

12 - крепления ГГ;

14 - пластины-поглотители (ПП);

15 - дистанционирующие втулки

23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.

На Фиг. 5 приведена схема жалюзийного конденсатора, где:

16 - изогнутые металлические пластины;

17 - трубки с охлаждающей водой;

22 - подвод охлаждающей воды в жалюзийный конденсатор.

Осуществление изобретения

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения

Заявленное устройство для удаления водорода из газовой смеси, образующейся при авариях типа "истечение" или "прорыв", устанавливается в СЛА ДЕМО-ТИН.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых схематически представлена СЛА в ВК и устройство для удаления водорода из газовой смеси.

СЛА содержит фиг 1 сбросные трубопроводы 4 с предохранительными клапанами 6 и разрывными мембранами 7, которые соединяют ВК 1 со сбросной емкостью (СЕ) 5, в которой поддерживается низкое давление, СЕ 5 включает в себя фиг. 2 перегородку 10 с встроенным жалюзийным конденсатором пара 11 (или жалюзийный конденсатор размещен на всю площадь выполняя роль и конденсатора и перегородки), горизонтально разделяющую емкость на два отсека - нижний 18 и верхний 19. В нижнем отсеке СЕ 5 установлен трубчатый конденсатор пара 8, а в верхнем как минимум один геттер-газопоглотитель 9. Трубчатый конденсатор 8 охлаждается прокачкой воды 21 через его трубки, как это осуществляется в конденсаторах паровых турбин. Жалюзийный конденсатор пара 11 охлаждается прокачкой воды 22 через трубки, к которым приварены металлические пластины. Конденсат пара стекает в конденсатосборник 20, который расположен внизу нижнего отсека СЕ и имеет конструкцию как в паровых турбинах, а затем удаляется. Система водяного охлаждения выбрана как наиболее эффективная и распространенная в технике, но возможно использование другого теплоносителя.

Следует отметить, что в СЕ установлен трубчатый конденсатор пара, а не бассейн-барботер, как это сделано в прототипе. В СЕ необходимо поддерживать низкое давление, чтобы обеспечить разницу давлений в ВК после аварии и в СЕ. Эта разница давлений обеспечивает течение парогазовой смеси из ВК в СЕ.

Кроме того, низкое давление в СЕ необходимо для обеспечения конденсации пара в ней. Например, при температуре охлаждающей воды в трубчатом конденсаторе tводы=20-25°С парциальное давление конденсирующегося в нем пара должно быть меньше давления насыщения пара при этом диапазоне температур, т.е.

pпара≤ps=6-7 кПа.

Использование бассейна-барботера с открытой поверхностью в СЕ для конденсации пара в его воде нежелательно - при сбросе пара возможно кипение воды.

При аварии с истечением воды в ВК 1 вода будет интенсивно испаряться и начнется взаимодействие пара с бериллиевой и/или вольфрамовой пылью, которая будет находиться на первой стенке 2 или в области дивертора 3.

Экзотермическая паро-бериллиевая реакция

сопровождается образованием водорода.

Реакция вольфрама с паром так же сопровождается образованием водорода

Увеличение количества пара и водорода вызовет рост давления в ВК 1, которая соединена двумя сбросными трубопроводами 4 с проходным сечением ~ 0,1 м2 со СЕ (5) объемом ~ 1200 м3, в которой поддерживается вакуум. СЕ 5 представляет собой металлический бак, конструкция которого должна обеспечивать прием всего количества паро-водородной смеси, которая может образоваться в ВК 1, полную конденсацию пара и недопущение образования и взрыва ГС в ней.

В проеме перегородки 10, разделяющей верхний 19 и нижний 18 отсеки СЕ 5, установлен жалюзийный конденсатор пара 11. Возможна конструкция, когда перегородка 10 отсутствует, и СЕ 5 разделяется на отсеки только жалюзийным конденсатором 11.

На сбросных трубопроводах 4 установлены предохранительные клапаны 6. При повышении давления в ВК до ~ 94 кПа (абс.) предохранительные клапаны 6 открываются и пароводородная смесь поступает в нижний отсек 18 СЕ 5, где происходит конденсация пара в трубчатом конденсаторе 8, а затем конденсат поступает в конденсатосборник 20.

ВК 1 оборудована также двумя разрывными мембранами 7 площадью около 1 м2 каждая. Если предохранительные клапаны 6 не срабатывают и рост давления паро-водородной смеси продолжается, то при достижении в ВК давления ~ 150 кПа (абс.) разрываются мембраны 7 и паро-водородная смесь поступает в нижний отсек 18 СЕ 5, где происходит конденсация пара в трубчатом конденсаторе 8, а затем конденсат поступает в конденсатосборник 20.

Конструктивное решение ГГ может быть различным:

- в СЕ устанавливается сборка из пластин ГГ с большой площадью поверхности;

- в СЕ устанавливаются несколько емкостей, заполненных таблетками из пористого титана (промышленные титановые геттеры выпускаются в виде таблеток);

- внутренняя поверхность СЕ и/или сбросных трубопроводов облицована пластинами ГГ;

- в СЕ устанавливается комбинация из вышеперечисленных устройств.

Главное в конструкции ГГ - обеспечить возможность поглощения максимального количества водорода из поступающей в СЕ парогазовой смеси. Следовательно, площадь контакта ГГ с парогазовой смесью должна быть максимальной.

В дальнейшем, в качестве примера, будем рассматривать ГГ из пластин, покрытых пористым титаном. На поверхность титана нанесена палладиевая пленка.

В конструкции ГГ желательно использовать ФТ второго типа для придания прочности и жесткости конструкции, т.к. она будет подвергаться механическим нагрузкам при аварии в ВК.

Возможные варианты установки ГГ.

С помощью креплений - металлических труб - 12 ГГ, представленный на фиг. 3, устанавливается в верхнем отсеке 19 СЕ. Через металлические трубы крепления могут быть пропущены трубопроводы с водой 23 для охлаждения ПП. ПП 14 крепятся к верхней ПП 13 сваркой или болтовыми соединениями. ПП включает в себя ФТ второго типа, обеспечивающее прочность и жесткость всей конструкции. ФТ состоит из двух скрепленных между собой параллельных металлических панелей, расстояние между которыми 10-20 мм. Между этими панелями, соприкасаясь с ними, находятся трубопроводы с охлаждающей водой (на схеме не показаны). На наружной поверхности панелей закреплены пластины из губчатого титана. Аналогично выполнена верхняя ПП 13. Охлаждение ПП необходимо, т.к. процесс сорбции водорода титаном является экзотермическим, и ПП может разогреться до температуры, делающей невозможной сорбцию водорода и снижающей прочность конструкции.

ГГ, представленный на фиг. 4, так же помощью креплений - металлических труб 12 - устанавливается в верхнем отсеке СЕ 5. При необходимости в СЕ может быть установлено несколько ГГ. Через металлические трубы крепления 12 пропущены трубопроводы 23 с охлаждающей водой. Конструкция ПП аналогична той, что представлена на фиг. 3, но в ПП просверлены отверстия с диаметром, превышающим диаметр труб крепления. ПП 14 устанавливаются на крепления так, что трубы крепления проходят через отверстия. Дистанционирующие втулки 15 удерживают ПП от соприкосновения между собой, что обеспечивает большую площадь поверхности конструкции. ПП включает в себя ФТ второго типа, обеспечивающее прочность и жесткость всей конструкции. ФТ состоит из двух скрепленных между собой параллельных панелей, между которыми находятся трубопроводы с охлаждающей водой (на схеме не показаны). На наружной части панелей закреплены пластины из губчатого титана. ГГ состоит из отдельных пластин-поглотителей (ПП), собранных в компактную конструкцию. Возможны различные варианты размещения ПП относительно друг друга, два из них представлены на фиг. 3 и 4.

Геттер может быть выполнен в виде охлаждаемого контейнера, заполненного таблетками из губчатого титана, а поверхность титана покрыта слоем палладия, может быть выполнен в виде пластин из губчатого титана, покрывающих охлаждаемую внутреннюю поверхность верхнего отсека сбросной емкости, причем поверхность титана покрыта слоем палладия.

Жалюзийный конденсатор 11, представленный на Фиг. 5, устанавливается в проеме перегородки 10, разделяющей верхний 19 и нижний 18 отсеки СЕ 5.

Металлические плоскости жалюзийного конденсатора 16 приварены к трубкам 17, через которые прокачивается охлаждающая вода 22.

Остаточный пар, который не сконденсировался в трубчатом конденсаторе 8, конденсируется на охлаждаемых металлических плоскостях 16, жалюзийного конденсатора 11, а вода стекает вниз, в конденсатосборник 20. Тем самым исключается поступление пара в ГГ 9, что снизило бы его сорбционную емкость.

Подобная конструкция жалюзийного конденсатора выбрана для того, чтобы добиться полной конденсации пара в нем. При течении паро-водородной смеси между плоскостями 16, изогнутыми под углом, поток смеси будет непрерывно соприкасаться с охлаждаемыми плоскостями, что будет способствовать его полной конденсации, а водород через проходы между металлическими плоскостями 16 беспрепятственно поступает в верхний отсек 19 СЕ 5 и связывается в ГГ 9.

ГГ характеризуется двумя величинами:

Sгет - полная площадь поверхности, поглощающей водород, м2.

Мгет - полная масса вещества (в нашем случае губчатого титана), поглощающего водород, кг.

Составные части предлагаемого устройства с ГГ просты и не вызывают сложностей при установке их в СЕ, а затраты при установке минимальны. В дальнейшем будем рассматривать вариант ГГ, представленный на фиг. 3.

ГГ всегда находится в рабочем состоянии и не нуждается в каких-либо дополнительных приспособлениях для его активации. Размещение ГГ в СЕ приводит к тому, что при отсутствии аварий он не оказывает никакого влияния на работу установки ДЕМО-ТИН.

Принципиальная возможность создания и эффективность устройства подобной конструкции подтверждается расчетом.

Физические основы работы ГГ.

Предварительно прокаленный в вакууме титан (такой металл обладает максимальной поглощающей способностью) активно взаимодействует с водородом уже при комнатной температуре (В.К. Вульф и др. "Титан в электронной технике". М., Энергия, 1975). Процесс поглощения газа или пара твердым телом независимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газа на поверхности твердого тела - адсорбцией. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Энергия взаимодействия молекул газа с поверхностью при физической адсорбции значительно меньше, чем при хемосорбции.

С ростом температуры скорость поглощения водорода титаном возрастает, но увеличивается и скорость выделения водорода из титана. При температуре около 500°С за несколько секунд возникает равновесие между количеством поглощенного и выделяющегося в титане водорода. Экспериментально установлено, что в диапазоне температур 20-500°С 1 г титана способен поглотить ~ 400 см3 водорода, находящегося при температуре 0°С и давлении 105 Па. Удельная масса поглощенного водорода при таких условиях составляет cm ~ 3,6⋅10-2 г/г титана.

Титан образует с водородом гидриды (TiH и TiH2), которые при нагревании разлагаются с выделением водорода. Необходимо обеспечить, чтобы температура ГГ в СЕ ни при каких условиях не достигала значений, при которых начинается интенсивное разложение гидридов титана, и тогда водород в ГГ будет надежно связан.

Способность ГГ поглощать водород характеризуется следующими величинами (внесистемные единицы, используемые в литературе, при расчетах будут переведены в единицы СИ):

us или um - удельная скорость сорбции на единицу поверхности см3/(с⋅см2) или на единицу массы - см3/(с⋅мг).

Us=us⋅Sгет - полная скорость сорбции ГГ, отнесенная к его поверхности, см3/с.

Um=um⋅Mгет - полная скорость сорбции ГГ, отнесенная к его весу, см3/с.

cs=W/Sгет - удельная сорбционная емкость на единицу поверхности ГГ, (м3⋅Па)/см2.

W - приведенный объем водорода, поглощенный ГГ, (м3⋅Па). (м3⋅Па) - внесистемная условная единица - количество газа, заключенное в объеме 1 м3 при давлении 1 Па и температуре 273 К (Л.Н. Розанов "Вакуумная техника", М., Высшая школа, 1990). Пересчитать количество поглощенного водорода из (м3⋅Па) в кг можно по соотношению

Мвозд - молекулярный вес воздуха - 29 кг/кмоль;

Мвод - молекулярный вес водорода. Считаем Мвод=2 кг/кмоль, т.к. по оценкам количество водорода (протия), полученного по реакциям (1) и (2) будет значительно больше, чем количество дейтерия и трития из отеплившихся криогенных насосов и панелей. По (3) 1 м3⋅Па=9⋅10-7 кг водорода.

cm=W/Mгет - удельная сорбционная емкость (удельная масса поглощенного водорода) на единицу массы ГГ, (м3⋅Па)/г или г/г.

В стационарных условиях работы ГГ

Рвод=Ф/U, где

Рвод - парциальное давление водорода в ГГ, Па;

Ф - скорость поступления водорода в ГГ, (м3⋅Па)/с.

U - полная скорость сорбции ГГ, м3/с.

Помимо скорости сорбции свойства ГГ характеризуются его сорбционной емкостью, т.е. способностью прочно связывать определенное количество газа.

По мере насыщения ГГ сорбированным газом полная скорость сорбции уменьшается. Считается, что газопоглощение прекращается, когда полная скорость сорбции снижается до 10% от первоначальной.

Значение W (м3⋅Па) или в кг в этот момент количественно определяет сорбционную емкость ГГ.

При взаимодействии титана с паро-водородной смесью на поверхности титана происходит его взаимодействие с паром, причем пар разлагается на водород и кислород. Кислород образует на поверхности титана пленку из двуокиси титана TiO2, а водород распределяется согласно условиям равновесия между его твердым раствором и газовой фазой. Растворение водорода вызывает увеличение объема титана, что приводит к непрерывному разрушению пленки из TiO2. Защитные свойства образовавшейся на поверхности титана пленки из TiO2 незначительны, и она не препятствует поглощению водорода из паро-водородной смеси.

Пористый титан, полученный прессованием титанового порошка, имеет более развитую поверхность по сравнению с компактным титаном и лучше поглощает газы (и водород в частности). Скорость сорбции и сорбционная емкость при сравнительно низких температурах 20-200°С больше у пористого титана, чем у компактного титана.

Сорбция - процесс экзотермический. При поглощении молекул газа выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физическую и химическую природу (Л.Н. Розанов "Вакуумная техника", М., Высшая школа, 1990). Т.к. процесс взаимодействия водорода с титаном сопровождается химическими превращениями, то имеет место процесс хемосорбции. Удельная энергия взаимодействия при хемосорбции для водорода составляет Ех уд=400⋅106 Дж/кмоль = 2⋅108 Дж/кг.

Пример расчета.

Исходные данные.

Длина ГГ (Фиг. 2) L=3 м, ширина d=2 м, высота ПП h=0,5 м. При шаге между ПП Δ=0,1 м их число в ГГ N=L/Δ+1=31. Для одного ГГ общая площадь поверхности, поглощающей водород (включая верхнюю ПП) Sгет1=2⋅d⋅L+2⋅d⋅h⋅N=70 м2. При толщине слоя губчатого титана на ПК dтит=0,01 м объем губчатого титана в ГГ составит Vгет1=Sгет1⋅dтит=0,7 м3. При его плотности rтит=3000 кг/м3 масса губчатого титана составит Mгет1=Vгет1⋅rтит=2100 кг. В CE установлено 4 ГГ.

Часть внутренней поверхности верхней части СЕ облицована губчатым титаном, ее площадь Sпов=200 м2. Масса титана в облицовке составит Мпов=Sпов⋅dтит⋅rтит=6000 кг.

Полная площадь поверхности, поглощающей водород

Sгет=4Sгет1+Sпов=480 м2.

Полная масса губчатого титана в ГГ

Мгет=4Mгет1пов=14400 кг.

Количество водорода, которое может образоваться в ВК по реакциям (1) и (2), зависит от множества факторов - массы металлической пыли, массы пара в ВК, размера частиц пыли, температуры реакции и др. Если рассматривать только реакцию (1), то для образования 1 кг водорода с паром должно прореагировать 4,5 кг бериллиевой пыли. Считаем, что ее масса в ВК не превышает 90 кг, тогда максимальное количество водорода в ВК составит Ммакс=20 кг.

Скорость образования водорода так же зависит от множества факторов. Экспериментально установлено (Сорокин С.И., Давыдов Д.А. "Исследование константы скорости реакции при окислении водяным паром компактного и пористого бериллия и бериллиевого порошка". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, вып. 3-4, 2002, с. 102), что скорость реакции (1) максимальна в начальный период реакции и со временем уменьшается. Для того чтобы вся бериллиевая пыль прореагировала с паром, необходим длительный промежуток времени (до нескольких часов). Средняя скорость образования водорода Vвод при условиях, характерных для ВК, не превышает 50 г/с.

Экспериментально показано, что удельная скорость сорбции um и удельная сорбционная емкость сm так же зависят от множества факторов. В расчетах используем их минимальные значения из известных по литературным данным.

сm=(7,1±0,2) м3⋅Па/г=6,3 10-3 г/г.

us - на единицу поверхности - 70 см3/(с⋅см2)=0,7 м3/(с⋅м2)=63 г/(с⋅м2).

Расчет характеристик ГГ.

При принятых исходных данных W - приведенный объем водорода, который может быть поглощен ГГ, выраженный в кг

W=сm Мгет=91 кг.

Полная скорость сорбции ГГ, выраженная в г/с

Us=us⋅Sгет=30240 г/с.

Таким образом, W значительно превышает максимальную массу водорода, который может образоваться при аварии Ммакс=20 кг. Полная скорость сорбции Us так же значительно превышает возможную скорость образования водорода при аварии Vвод=50 г/с.

Следует отметить, что указанные значения сm и us относятся к плотному (компактному) титану, а для пористого титана они будут больше.

Это позволяет сделать вывод, что весь образующийся при аварии водород будет связан в ГГ, газообразный водород будет отсутствовать в ВК и СЛА, и образование ГС невозможно.

Полная энергия хемосорбции для ГГ составит

Ехх уд⋅Ммакс=4⋅109 Дж.

Полная теплоемкость губчатого титана (теплоемкость ФТ не учитываем, что пойдет в запас расчета) в ГГ при его удельной теплоемкости

стит=550 Дж/кг⋅°С составит

Сгеттит⋅Мгет=7,92⋅106 Дж/°С.

При отсутствии охлаждения ПП энергия хемосорбции нагреет ГГ на ΔТ=Ехгет=505°С, и при исходной температуре 20°С температура ПП может достичь 525°С. При такой температуре начинается выделение водорода из ГГ, что делает необходимым его охлаждение.

1. Устройство для локализации аварий в вакуумной камере термоядерного реактора, включающее в себя сбросную емкость 5, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами 4 с предохранительными клапанами 6 и разрывными мембранами 7 с вакуумной камерой 1, отличающееся тем, что сбросная емкость разделена жалюзийным конденсатором пара 11 с водяным охлаждением, на верхний 19 и нижний 18 отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара 8 с водяным охлаждением и конденсатосборник 20, а в верхнем отсеке установлен как минимум один геттер-газопоглотитель 9, включающий в себя систему водяного охлаждения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что жалюзийный конденсатор пара 11 с водяным охлаждением расположен в проеме горизонтальной перегородки 10.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области обеспечения безопасной эксплуатации атомных электростанций (АЭС) в различных режимах, включая аварийные, и направлено на обеспечение контроля воздушных потоков в контайнменте АЭС.

Изобретение относится к ядерным установкам, содержащим защитную оболочку и трубопровод сброса давления. Перед трубопроводом (10) сброса давления на стороне входа находится внутри защитной оболочки (4) устройство (24) обработки газового потока в виде каминообразного проточного канала (26) с нижним входным отверстием (30) и верхним входным и выходным отверстием (32).

Изобретение относится к подводным АЭС модульного исполнения. Модуль содержит удлиненный цилиндрический кессон (12), в который интегрирован электрический энергоблок в виде кипящего ядерного реактора (30), связанного со средством (37) производства электрической энергии, соединенным электрическими кабелями (6) с внешним пунктом (7) распределения электрической энергии.

Изобретение относится к подводным модулям для производства электрической энергии. Модуль содержит удлиненный цилиндрический кессон (12), в который интегрирован электрический энергоблок, содержащий кипящий ядерный реактор (30), связанный со средством (37) производства электрической энергии, соединенный при помощи электрических кабелей (6) с внешним пунктом (7) распределения электрической энергии.

Изобретение относится к АЭС подводного базирования. Модуль для производства электрической энергии содержит удлиненный цилиндрический контейнер (12), в который встроены блок производства электрической энергии, содержащий кипящий ядерный реактор (30), связанный со средствами (37) производства электрической энергии, посредством электрических кабелей (6).

Изобретение относится к системам вентиляции первичной защитной оболочки атомного реактора. Мокрый фильтр использует наклонный коллектор, имеющий множество выходов, которые сообщаются через первый комплект фильтров с металлическими волокнами, погруженных в бассейн воды, находящейся внутри корпуса под давлением.

Изобретение касается атомной электростанции (1). АЭС включает защитную оболочку (2), содержащую корпус (3) реактора под давлением, ступень (6, 6′) аэрозольной фильтрации, линию (8) сброса давления, посредством которой отфильтрованный в ступени (6, 6′) аэрозольной фильтрации объемный поток газа через проход в защитной оболочке (2) может выводиться в окружающую среду.

Изобретение относится к способу и устройству для сброса давления атомной электростанции (2), содержащей защитную оболочку (4) для вмещения носителей радиоактивности и выпуск (10, 10') для сбросного потока.

Изобретение может быть использовано при получении трехмаршрутных катализаторов для очистки выхлопных газов. Способ получения композиций на основе оксидов циркония и церия, применяемых в составе трехмаршрутных катализаторов, включает приготовление раствора, содержащего нитраты циркония, церия, лантана и другого редкоземельного элемента, выбранного из иттрия и неодима.

Изобретение относится к способу обеспечения жидкого остатка для потока процесса аммоксидирования. Способ содержит приведение в контакт выходящего потока реактора, содержащего непрореагировавший аммиак из реактора процесса аммоксидирования, с серной кислотой и водой в закалочной колонне; подачу технологического потока, который содержит воду и тяжелые органические примеси, из дистилляционной колонны в испарительную установку, содержащую одну или более ступеней испарения; разделение воды и тяжелых органических примесей в испарительной установке для получения водного конденсата и жидкого остатка и приведение в контакт жидкого остатка с выходящим потоком реактора в закалочной колонне для получения кубового потока закалочной колонны, содержащего сульфат аммония и полимер.

Данное изобретение относится к основе, которая является зонированной. Каталитическое изделие имеет проточную основу, зону селективного каталитического восстановления, зону окисления, включающую зону катализатора окисления дизельного топлива и зону катализатора, предотвращающего проскок аммиака.

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к установкам для очистки газов от серосодержащих соединений, и может быть использовано при подготовке попутного нефтяного газа (далее ПНГ) и природного газа к потреблению.

Изобретение относится к абсорбционно-десорбционной технике сепарации многокомпонентных газовых смесей, а именно, к устройствам сепарации гелия из природного газа.

Изобретение может быть использовано в нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах. Сернисто-щелочные стоки (СЩС) подают в отпарную колонну 3, работающую в режиме ректификации, для испарения аммиака, части сероводорода и воды, которые отводят последовательно в холодильник 7 и сепаратор 8.

Изобретение может быть использовано в нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах. Сернисто-щелочные стоки (СЩС) подают в среднюю часть отпарной колонны 3, в которой происходит испарение аммиака, части сероводорода, а также воды, которые отводят с верхней части отпарной колонны 3 последовательно в холодильник 7 и сепаратор 8.

Настоящее изобретение относится к производству и обработке воздушного потока, пропускаемого через объем жидкости. Устройство для производства и обработки газового потока содержит сосуд, нижняя часть которого погружена в средство подачи жидкости и включающий в себя, с одной стороны, впускное отверстие для жидкости, обеспечивающее сообщение нижней части сосуда со средством подачи жидкости таким образом, что нижняя погружная часть сосуда содержит объем указанной жидкости, а с другой стороны, включающий в себя выпускное отверстие для газового потока, расположенное выше поверхности содержащегося в сосуде объема жидкости; кроме того, устройство содержит средство производства и инжектирования газового потока, включающее в себя инжекционный трубопровод, нижняя часть которого погружена в содержащийся в нижней погружной части сосуда объем жидкости и переходит в верхнюю часть внутри сосуда за пределами указанного объема жидкости; при этом в своей нижней погружной части указанный инжекционный трубопровод содержит выпускное отверстие, расположенное ниже поверхности указанного объема жидкости; причем указанное средство производства и инжектирования газового потока включает в себя компрессор, соединенный с непогружной частью инжекционного трубопровода или с выпускным отверстием сосуда, и позволяет в ходе работы создавать и вводить поступающий снаружи сосуда входящий газовый поток в непогружную часть инжекционного трубопровода таким образом, что обеспечено прохождение указанного входящего газового потока через выпускное отверстие в нижней погружной части инжекционного трубопровода и его введение в указанный содержащийся в нижней погружной части сосуда объем жидкости ниже поверхности указанного объема жидкости с обеспечением подъема обработанного в результате прямого контакта с указанным объемом жидкости выходящего газового потока внутрь сосуда за пределами инжекционного трубопровода и его выпуска за пределы указанного сосуда с прохождением через выпускное отверстие сосуда.

Изобретение относится к биотехнологии. Способ получения ботулотоксина, включает: (а) обработку культуры продуцирующего ботулотоксин штамма кислотой с образованием осадка, содержащего ботулотоксин с последующей нейтрализацией рН осадка, (b) получение раствора для анионообменной хроматографии, содержащего буфер с использованием методов мембранной фильтрации и мембранной хроматографии и (c) очистку ботулотоксина с помощью анионообменной хроматографии, при этом ДНКазу и РНКазу не используют в указанном способе.

Изобретение относится к устройствам для обработки выхлопных газов. Предложен катализированный сажевый фильтр, содержащий пористую подложку с проточными стенками, катализатор для селективного каталитического восстановления (SCR), компонент палладия и компонент платины.

Газоперерабатывающий и газохимический комплекс относится к области переработки природных углеводородных газов с повышенным содержанием азота и может быть использован в газовой промышленности в условиях ее интенсивного развития. На газоперерабатывающий завод подают природный углеводородный газ, последовательно подвергающийся очистке от нежелательных примесей, осушке и низкотемпературному фракционированию с получением метана, этана и широкой фракции легких углеводородов, при этом метан после компримирования направляют в виде товарного топливного газа потребителям, на собственные нужды и/или на завод по сжижению природного газа, этан используют в качестве сырья установки пиролиза газохимического завода с получением этилена, направляемого на выработку товарной продукции газохимического завода, включая получение полиэтилена, и/или другим потребителям, и метан-водородной фракции, разделяемой на метан и водород: метан направляют в виде товарного топливного газа потребителям и/или на собственные нужды, часть водорода направляют на установку синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений, а другую часть – после предварительной подготовки на выработку товарной продукции газохимического завода, в частности на установку подготовки сырья полимеризации, при этом в состав газоперерабатывающего завода дополнительно включают блок выделения азота и блок получения гелия, при этом выделяемый азот направляют в качестве сырья на установку синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений. Технический результат - получение широкого ассортимента товарных продуктов при одновременном снижении загрязнения окружающей среды путем сокращения сбросов газов в атмосферу. 16 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

Изобретение относится к термоядерной технике, а именно к конструкции вакуумной камеры и системы локализации аварии в термоядерном реакторе ТЯР или в демонстрационном термоядерном источнике нейтронов. Возможно ее использование в любых установках, где существует возможность образования водорода и гремучей смеси. Техническим результатом, на который направлено предлагаемое техническое решение, является исключение возможности накопления в ВК и СЛА значительного количества газообразного водорода после аварии с истечением в ВК только воды или воды и прорыва воздуха. Для этого предложено устройство, включающее в себя сбросную емкость, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами с предохранительными клапанами и разрывными мембранами с вакуумной камерой, при этом сбросная емкость разделена по горизонтали жалюзийным конденсатором пара с водяным охлаждением, на верхний и нижний отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара с водяным охлаждением и конденсатосборник, а в верхнем отсеке установлен как минимум один геттер-газопоглотитель, включающий в себя систему водяного охлаждения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх