RU2149466C1 - Method and device for removing helium and hydrogen isotopes from vacuum space of fusion power plant - Google Patents
Method and device for removing helium and hydrogen isotopes from vacuum space of fusion power plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2149466C1 RU2149466C1 RU98112820A RU98112820A RU2149466C1 RU 2149466 C1 RU2149466 C1 RU 2149466C1 RU 98112820 A RU98112820 A RU 98112820A RU 98112820 A RU98112820 A RU 98112820A RU 2149466 C1 RU2149466 C1 RU 2149466C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- helium
- vacuum
- isotopes
- pump
- hydrogen
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области управляемого термоядерного синтеза, а именно к способу удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки и устройству для его осуществления. The group of inventions relates to the field of controlled thermonuclear fusion, and in particular to a method for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation and a device for its implementation.
Данная группа изобретений может быть использована в других областях науки и техники, например, в различных детекторах, использующих жидкий гелий, и технологических установках для получения безмасляного вакуума с заданной концентрацией компонентов газа. This group of inventions can be used in other fields of science and technology, for example, in various detectors using liquid helium and technological installations for obtaining oil-free vacuum with a given concentration of gas components.
Одно из перспективных направлений современного развития науки и техники относится к решению проблем управляемого термоядерного синтеза. Уже сегодня термоядерные установки, создаваемые для научных исследований, предъявляют самые жесткие требования к вакууму и они будут еще более ужесточаться при создании промышленных реакторов. Одна из центральных вакуумных проблем - проблема удаления газообразных продуктов реакции (He3, H4) и остатков топлива (Д, Т) из вакуумного объема токомакареактора за счет ввода в вакуумный объем дополнительных откачивающих диафрагм и формирования в магнитном поле токомака экранирующих плазменных шнуров с СВЧ-нагревом, пересекающих откачивающие диафрагмы специальным образом (1).One of the promising directions of the modern development of science and technology relates to solving problems of controlled thermonuclear fusion. Already today fusion facilities created for scientific research present the most stringent requirements for vacuum, and they will be further tightened when creating industrial reactors. One of the central vacuum problems is the problem of removing gaseous reaction products (He 3 , H 4 ) and fuel residues (D, T) from the vacuum volume of the reactor flow tube by introducing additional evacuating diaphragms into the vacuum volume and forming shielding plasma cords with microwave in the magnetic field of the tokomak -heating crossing the pumping diaphragm in a special way (1).
Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют эффективно использовать его для удаления продуктов синтеза из вакуумного объема термоядерной установки. However, this method has a number of significant drawbacks that do not allow it to be effectively used to remove fusion products from the vacuum volume of a thermonuclear installation.
К недостаткам этого способа следует отнести сложность его реализации и большие затраты энергии при эксплуатации установки. К тому же он совершенно неприемлем для термоядерных установок других конструкций, например открытых термоядерных ловушек. The disadvantages of this method include the complexity of its implementation and high energy costs during operation of the installation. In addition, it is completely unacceptable for thermonuclear installations of other designs, such as open thermonuclear traps.
Наиболее близким по совокупности признаком в заявляемому способу в группе изобретений является способ того же назначения, предусматривающий удаление изотопов гелия и водорода из вакуумного объема реактора-токомака, в котором криопанели для откачки располагают вне вакуумного объема в специальном корпусе и разносят по азимуту относительно входного патрубка, при этом в пределах телесного угла, образованного векторами скоростей частиц, истекающих из объема реактора, располагают криопанели для откачки изотопов водорода, а вне пределов указанного телесного угла размещают криопанели для откачки гелия, не защищенные изнутри жалюзийными тепловыми экранами (2). The closest collectively characteristic in the claimed method in the group of inventions is a method of the same purpose, involving the removal of helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of the tokomak reactor, in which cryopanels for pumping are located outside the vacuum volume in a special casing and are carried in azimuth relative to the inlet pipe, in this case, within the solid angle formed by the velocity vectors of the particles flowing out of the reactor volume, cryopanels are located for pumping out hydrogen isotopes, and outside the limits of For the indicated solid angle, cryopanels are placed for pumping out helium, which are not protected from the inside by louvered thermal screens (2).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся его низкая эффективность и ненадежность в работе. Эксперименты по сорбции гелия на сконденсированных слоях инертных газов показали, что на одну молекулу гелия требуется по меньшей мере тридцать молекул аргона или другого инертного газа, при этом сорбция легкого изотопа гелия практически исключена. Другим препятствием для эффективного использования вышеуказанного способа является эффект переконденсации, в результате чего предварительно сконденсированные изотопы водорода будут постоянно переконденсироваться на гелиевые панели из-за наличия градиента температуры и прямого воздействия молекул гелия на криоосадок. Следует также отметить, что исползование в качестве сорбента газа с большой молекулярной массой в термоядерных установках весьма нежелательно вследствие высоких энергетических затрат. The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method adopted for the prototype include its low efficiency and unreliability in operation. Experiments on helium sorption on condensed inert gas layers have shown that at least thirty molecules of argon or another inert gas are required per helium molecule, while sorption of a light helium isotope is practically excluded. Another obstacle to the effective use of the above method is the effect of condensation, as a result of which the pre-condensed hydrogen isotopes will constantly be condensed onto helium panels due to the presence of a temperature gradient and the direct effect of helium molecules on the cryoprecipitate. It should also be noted that the use of a high molecular weight gas as a sorbent in thermonuclear installations is highly undesirable due to high energy costs.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретения по совокупности признаков является криогенный конденсационный насос на жидком гелии, в корпусе которого внутри радиационного экрана помещен откачивающий элемент, выполненный в виде сосуда, снабженного трубкой-подвесом и шевронным экраном, при этом в радиационном экране выполнены отверстия, закрытые перфорированным кольцом, а в трубке-подвесе установлен сильфонный вкладыш с экранами и газообразным сорбентом (3). The closest device of the same purpose to the claimed device in the group of inventions according to the totality of signs is a cryogenic condensation pump on liquid helium, in the casing of which inside the radiation screen there is a pumping element made in the form of a vessel equipped with a suspension tube and a chevron screen, while in the radiation openings are made on the screen, closed by a perforated ring, and a bellows insert with screens and a gaseous sorbent (3) is installed in the suspension tube.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве нет конструктивных элементов, позволяющих удалять изотопы гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки с большой эффективностью. Так, например, наличие только одного шевронного экрана не позволяет снизить давление в самом насосе при откачке изотопов водорода ниже значения P 1•10-5 Па, а переохлаждение жидкого гелия за счет откачки его паров из-за наличия сильфонной трубки с вкладышем практически исключено. Следует также добавить, что компрегирование изотопов гелия в данной конструкции невозможно ввиду наличия отверстий в радиационном экране и отсутствия "холодных" каналов по ходу движения газа.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device adopted for the prototype include the fact that the known device does not have structural elements that can remove helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation with high efficiency. For example, the presence of only one chevron screen does not allow reducing the pressure in the pump itself when pumping out hydrogen isotopes below P 1 • 10 -5 Pa, and supercooling of liquid helium due to pumping out its vapor due to the presence of a bellows tube with a liner is practically excluded. It should also be added that the aggregation of helium isotopes in this design is impossible due to the presence of holes in the radiation screen and the absence of "cold" channels along the gas.
Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа и устройства для удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки. The objective of the claimed group of inventions is to eliminate the above disadvantages by implementing a new method and device for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключающегося в получении способа эффективного удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки с меньшими энергетическими затратами и улучшенными технико-эксплуатационными параметрами. This problem is solved by achieving a technical result in the implementation of the claimed group of inventions, which consists in obtaining a method for the effective removal of helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation with lower energy costs and improved technical and operational parameters.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретения по объекту-способу достигается известным способом удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, предусматривающим поддержание вакуума с помощью встроенного криогенного насоса и откачку трудноконденсируемых компонентов с помощью выносного криоконденсационного блока. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что поток изотопов гелия и водорода вводят, используя эффект переконденсации, в криоконденсационный блок откачки, где изотопы водорода конденсируют при более низкой температуре, чем температура криопанели встроенного крионасоса, а изотопы гелия компрегируют и откачивают далее традиционным методом, преимущественно, с помощью холодного диффузионного насоса на парах воды, при этом вышеуказанные операции осуществляют путем изменения градиента температуры по ходу движения потока газа, достигаемого за счет понижения давления над жидким гелием и использования энтальпии отходящих паров. The specified technical result in the implementation of the group of inventions by the object method is achieved by a known method for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation, which provides for maintaining a vacuum using an integrated cryogenic pump and pumping out hardly condensable components using an external cryocondensation unit. A feature of the proposed method is that the flow of helium and hydrogen isotopes is introduced, using the condensation effect, into the cryocondensation pumping unit, where the hydrogen isotopes are condensed at a lower temperature than the temperature of the cryopanel of the built-in cryopump, and the helium isotopes are then combined and pumped out using the traditional method, mainly using a cold diffusion pump on water vapor, while the above operations are carried out by changing the temperature gradient in the direction of gas flow, achieved by lowering the pressure over liquid helium and using the enthalpy of the exhaust vapor.
Указанный технический результат достигается также тем, что после достижения требуемой концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки криоконденсационный блок откачки отсоединяют с помощью вакуумного затвора от термоядерной установки и ступенчато отогревают сначала до температуры сублимации дейтерия, а затем до температуры сублимации трития, при этом процесс сбора изотопов гелия и водорода осуществляют с помощью безмасляных средств откачки, преимущественно, с помощью водокольцевого вакуумного насоса. The specified technical result is also achieved by the fact that after reaching the required concentration of helium isotopes in the vacuum volume of the thermonuclear installation, the cryocondensation pumping unit is disconnected by means of a vacuum shutter from the thermonuclear installation and stepwise heated first to the sublimation temperature of deuterium, and then to the sublimation temperature of tritium, while the collection process helium and hydrogen isotopes are carried out using oil-free pumping means, mainly using a liquid ring vacuum pump.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что известное устройство удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки включает вакуумный затвор, криоконденсационный блок откачки, холодильную машину и систему сбора газов. Особенность заявляемого устройства заключается в том, что криокондесационный блок откачки собран по меньшей мере из двух криогенных заливных гелиевых насосов, одного холодного диффузионного насоса на парах воды и водокольцевого вакуумного насоса, установленных цугом и отделенных друг от друга вакуумными затворами. При этом вакуумные объемы заливных гелиевых насосов разделены мембранами на отдельные отсеки, соединенные между собой по газу каналами с малой проводимостью, а их гелиевые ванны гидравлически связаны с компрессором холодильной машины. The specified single technical result in the implementation of the group of inventions for the object device is achieved by the fact that the known device for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation includes a vacuum shutter, a cryocondensation pumping unit, a refrigerating machine, and a gas collection system. A feature of the claimed device lies in the fact that the cryocondensation pumping unit is assembled from at least two cryogenic priming helium pumps, one cold diffusion pump with water vapor and a liquid ring vacuum pump installed by the train and separated by vacuum gates. In this case, the vacuum volumes of the in-fill helium pumps are divided by membranes into separate compartments, interconnected by gas with channels with low conductivity, and their helium baths are hydraulically connected to the compressor of the refrigeration machine.
Указанный технический результат достигается также тем, что водокольцевой вакуумный насос параллельно соединен через вакуумные вентили с каждым криогенным заливным гелиевым насосом и реципиентами для сбора изотопов гелия и водорода, при этом вышеназванные криогенные насосы соединены со всасывающей магистралью водокольцевого вакуумного насоса, а реципиенты для сбора изотопов гелия и водорода соединены с его выхлопной магистралью. The indicated technical result is also achieved by the fact that the liquid ring vacuum pump is connected in parallel through vacuum valves with each cryogenic priming helium pump and recipients for collecting helium and hydrogen isotopes, while the above cryogenic pumps are connected to the suction line of the liquid ring vacuum pump, and the recipients for collecting helium isotopes and hydrogen are connected to its exhaust line.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки (системы диагностики, контроля параметров и управления агрегатами условно не показаны). In FIG. 1 shows a general view of a device for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation (diagnostic, parameter monitoring, and unit control systems are not conventionally shown).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением указанного технического результата, состоят в следующем. Information confirming the possibility of implementing each object of the claimed group of inventions with the receipt of the specified technical result is as follows.
Заявленный способ удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки предусматривает поддержание вакуума в объеме термоядерной установки с помощью встроенного криогеннного насоса, который охлаждают жидким гелием или специальным рефрижератором. Для удаления трудноконденсируемых продуктов термоядерного синтеза, например изотопов гелия и водорода, в данном способе используют выносной криоконденсационный блок откачки, который подсоединяют через вакуумный затвор к вакуумному объему термоядерной установки и к автономной системе сбора удаляемых изотопов гелия и водорода. При этом поток изотопов гелия и водорода вводят в криоконденсационный блок откачки, используя эффект переконденсации, сущность которого заключается в следующем: в вакуумном объеме создают градиент температуры, в результате чего возникает направленный поток газа, движущийся в направлении понижения температуры, т. е. молекулы газа от более нагретой поверхности движутся к менее нагретой поверхности до тех пор, пока вновь не наступит тепловое равновесие. Для создания градиента температуры в криоконденсационном блоке откачки сначала устанавливают более низкую температуру, чем температура криопанели встроенного криогенного насоса, а затем соединяют последний с вакуумным объемом термоядерной установки. Находящийся в тепловом равновесии газ приходит в движение и вместе с изотопами гелия начинает поступать в криоконденсационный блок откачки. Здесь все десорбированные молекулы, включая изотопы водорода, вновь конденсируются, в то время как изотопы гелия по мере продвижения между криогенными поверхностями криосорбционного блока откачки охлаждаются, а их концентрация возрастает. При попадании изотопов гелия вновь на теплую поверхность скорость их увеличивается, следовательно, возрастает парциальное давление. Таким образом, чередуя процесс охлаждения с процессом отогрева, осуществляют компрегирование изотопов гелия. При этом желательно, чтобы в процессе компрегирования изотопы гелия не встречали на своем пути молекулы с большой молекулярной массой и не сорбировались ими при их конденсации. Удаление скомпрегированных изотопов гелия осуществляют холодным диффузионным насосом на парах воды. Вода не поглощает изотопы гелия и не допускает их сорбцию при повышенной температуре, а ее обратный миграционный поток в вакуумный объем легко сводится к нулю низкой температурой. Градиент температуры по ходу движения газа в данном способе обеспечивают за счет откачки паров гелия из жидкой ванны, используя энтальпию отходящих паров. После понижения концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки до нужного уровня криоконденсационный блок откачки отсоединяют от вакуумного объема термоядерной установки и ступенчато отогревают: сначала до температуры сублимации дейтерия, а затем до температуры сублимации трития. Такой прием отогрева обусловлен наличием четкой корреляции температуры конденсации изотопов водорода с их молекулярной массой. Так, давление паров протия (нормального водорода) при температуре кипения жидкого гелия составляет P≈10-5 Па, в то время как давление более тяжелого изотопа - дейтерия при той же температуре составляет уже P≈10-8 Па, а для самого тяжелого изотопа - трития эта разница еще больше. При этом авторы данного способа не предусматривают полного разделения изотопов водорода, но не исключают, что смеси, обогащенные тем или другим изотопом, в дальнейшем могут быть использованы с большой эффективностью. По этой причине авторы предлагают раздельную закачку смеси, условно называя эти потоки как поток дейтерия и поток трития. В действительности при сублимации дейтерия в его потоке присутствуют молекулы (НД), а в потоке трития - молекулы (ДТ). Закачку этих смесей в реципиенты осуществляют водокольцевым вакуумным насосом, который по условиям работы хорошо согласуется с холодным диффузионным насосом на парах воды и эффективно работает в режиме нагнетания. Правильно выбранные градиент температуры и временной интервал обеспечивают высокую эффективность удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки заявляемым способом, а простота и надежность в эксплуатации гарантируют ему коммерческую применимость в промышленности.The claimed method for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation involves maintaining a vacuum in the volume of a thermonuclear installation using an integrated cryogenic pump, which is cooled with liquid helium or a special refrigerator. To remove hardly condensable fusion products, for example, helium and hydrogen isotopes, this method uses an external cryocondensation pumping unit, which is connected through a vacuum shutter to the vacuum volume of the thermonuclear installation and to an autonomous collection system for the removed helium and hydrogen isotopes. In this case, the flow of helium and hydrogen isotopes is introduced into the cryocondensation pumping unit using the condensation effect, the essence of which is as follows: a temperature gradient is created in the vacuum volume, as a result of which there is a directed gas flow moving in the direction of lowering the temperature, i.e., gas molecules from a warmer surface they move to a less heated surface until thermal equilibrium sets in again. To create a temperature gradient in the cryocondensation pumping unit, a lower temperature is first set than the temperature of the cryopanel of the integrated cryogenic pump, and then the latter is connected to the vacuum volume of the thermonuclear installation. The gas in thermal equilibrium sets in motion and, together with helium isotopes, begins to flow into the cryocondensation pumping unit. Here, all desorbed molecules, including hydrogen isotopes, condense again, while helium isotopes as they move between the cryogenic surfaces of the cryosorption pumping unit are cooled, and their concentration increases. When helium isotopes hit the warm surface again, their speed increases, therefore, the partial pressure increases. Thus, alternating the cooling process with the heating process, the helium isotopes are combined. At the same time, it is desirable that, during the process of aggregation, helium isotopes do not encounter molecules with a high molecular weight on their way and are not sorbed by them during their condensation. The removal of helium isotopes is carried out by a cold diffusion pump using water vapor. Water does not absorb helium isotopes and does not allow their sorption at elevated temperatures, and its reverse migration flow into the vacuum volume is easily reduced to zero by low temperature. The temperature gradient along the gas in this method is provided by pumping helium vapor from the liquid bath using the enthalpy of the exhaust vapor. After reducing the concentration of helium isotopes in the vacuum volume of the thermonuclear installation to the desired level, the cryocondensation pumping unit is disconnected from the vacuum volume of the thermonuclear installation and gradually heated: first, to the sublimation temperature of deuterium, and then to the sublimation temperature of tritium. This method of warming is due to the presence of a clear correlation between the condensation temperature of hydrogen isotopes and their molecular weight. So, the vapor pressure of protium (normal hydrogen) at the boiling point of liquid helium is P≈10 -5 Pa, while the pressure of the heavier isotope - deuterium at the same temperature is already P≈10 -8 Pa, and for the heaviest isotope - tritium, this difference is even greater. Moreover, the authors of this method do not provide for the complete separation of hydrogen isotopes, but do not exclude that mixtures enriched in one or another isotope can be used with great efficiency in the future. For this reason, the authors propose a separate injection of the mixture, conditionally calling these flows as a deuterium stream and a tritium stream. In fact, during sublimation of deuterium, molecules (ND) are present in its stream, and molecules (DT) are present in the tritium stream. These mixtures are pumped into recipients by a liquid ring vacuum pump, which, according to operating conditions, is in good agreement with a cold diffusion pump using water vapor and works effectively in the discharge mode. Properly selected temperature gradient and time interval provide high efficiency for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation by the claimed method, and its simplicity and reliability in operation guarantee its commercial applicability in industry.
Для осуществления заявленного способа предлагается устройство для удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки. Данное устройство включает криоконденсационный блок откачки 1, подсоединенный через вакуумный затвор 2 к вакуумному объему термоядерной установки, включающей встроенный криогенный насос 4, холодильную машину 5 и систему сбора газов 6. В состав криоконденсационного блока откачки 1 входят два криогенных заливных гелиевых насоса 7, 8, выполненных по одной схеме, холодный диффузионный насос 9 на парах воды и водокольцевой вакуумный насос 10. Перечисленные насосы 7, 8, 9, 10 установлены цугом (т.е. выхлоп одного соединен по газу со всасывающим патрубком другого и т.д.) и отделены друг от друга с помощью вакуумных затворов 11, 12, 13. Вакуумные объемы заливных гелиевых насосов 7, 8 разделены мембранами 14, 15 на отсеки, соединенные между собой по газу каналами 16 с малой проводимостью. Гелиевые ванны 16, 18 криогенных насосов 7, 8 гидравлически связаны через вакуумные вентили 19, 20 и компрессор 21 с холодильной машиной 5. При этом на всасывающей магистрали водокольцевого вакуумного насоса 10 установлены дополнительные вакуумные вентили 22, 23, через которые он соединен с выхлопными патрубками криогенных насосов 7, 8, а на выхлопной магистрали водокольцевого вакуумного насоса 10 установлены запорные вентили 24, 25, соединяющие его с атмосферой и реципиентами для сбора изотопов гелия 26, дейтерия 27 и трития 28. Система управления и система контроля условно не показаны. To implement the claimed method, a device is proposed for removing helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation. This device includes a cryocondensation pumping unit 1, connected through a vacuum shutter 2 to the vacuum volume of a thermonuclear installation, including an integrated cryogenic pump 4, a refrigeration machine 5, and a gas collection system 6. The cryocondensation pumping unit 1 includes two cryogenic priming helium pumps 7, 8, made according to one scheme, a cold diffusion pump 9 for water vapor and a liquid ring vacuum pump 10. The listed pumps 7, 8, 9, 10 are installed by a train (i.e., the exhaust of one is connected via gas to the suction pipe m of another, etc.) and are separated from each other by means of vacuum shutters 11, 12, 13. The vacuum volumes of the helium priming pumps 7, 8 are separated by membranes 14, 15 into compartments connected by gas channels 16 with low conductivity. The helium baths 16, 18 of the cryogenic pumps 7, 8 are hydraulically connected through the vacuum valves 19, 20 and the compressor 21 to the refrigeration machine 5. At the same time, additional vacuum valves 22, 23 are installed on the suction line of the water ring vacuum pump 10 through which it is connected to the exhaust pipes cryogenic pumps 7, 8, and shut-off valves 24, 25 connected to the atmosphere and recipients for collecting helium 26, deuterium 27, and tritium 28 isotopes are installed on the exhaust line of the liquid ring vacuum pump 10. Control system and system and controls are not shown.
Заявленное устройство работает следующим образом. The claimed device operates as follows.
В исходном положении все агрегаты обесточены, вакуумные затворы и вентили закрыты, объемы для криогенных жидкостей не заполнены. Перед запуском устройства проводят подготовительный цикл, включающий следующие операции. Открывают вентиль 24 и запускают водокольцевой вакуумный насос 10, затем поочередно открывают вакуумные вентили 22, 23 и вакуумный затвор 13. После достижения требуемого вакуума вентили 22, 23 закрывают, а в холодный диффузионный насос 9 заливают жидкий азот и подают электрическую энергию. Далее запускают холодильную машину 5, а в случае использования вместо нее сжиженного гелия подготавливают сливные магистрали. После выхода холодного диффузионного насоса 9 на рабочий режим открывают вакуумные затворы 11, 12 и производят дальнейшее вакуумирование криогенных насосов 7, 8. Одновременно открывают вакуумные вентили 19 и наполняют гелиевые ванны 17, 18 газообразным гелием. При достижении требуемого давления в вакуумном объеме криогенных насосов в них заливают жидкий азот, а затем открывают вентиль 20 и заполняют жидким гелием криогенные насосы 7, 8. На этом подготовительный цикл заканчивается. В таком режиме устройство находится до тех пор, пока не поступит сигнал о наличии предельной концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки. С получением сигнала включают компрессор 21 и производят предварительное вакуумирование жидких ванн 17, 18 криогенных насосов 7, 8. Причем температуру жидкого гелия в гелиевой ванне 17 поддерживают на более низком уровне, чем температура криопанелей встроенного криогенного насоса 4. Температуру гелиевой ванны 18 поддерживают на 1-2oC ниже температуры жидкого гелия в ванне 17. Разницу температур обеспечивают за счет изменения скорости откачки паров из гелиевых ванн 17, 18 посредством регулируемых вакуумных вентилей 19, 20 и компрессора 21. При достижении требуемых температур вакуумный затвор 2 открывают и соединяют криоконденсационный блок откачки 1 с вакуумным объемом 3 термоядерной установки, при этом вакуумный вентиль 24 закрывают, открывают вентиль 25 и соединяют водокольцевой вакуумный насос 10 с реципиентом 26 для сбора изотопов гелия. После уменьшения концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки до соответствующего уровня криоконденсационный блок откачки 1 вновь отсоединяют посредством вакуумного затвора 2 и отогревают. При этом сначала отогревают криогенные насосы 7, 8 до температуры сублимации дейтерия, одновременно отсоединяют реципиент 26 для изотопов гелия и подсоединяют реципиент 27 для дейтерия. После удаления дейтерия насосы 7, 8 отогревают до температуры сублимации трития, реципиент 27 для дейтерия перекрывают, а реципиент 28 для трития открывают. После сбора трития все реципиенты перекрывают, а криогенные насосы 7, 8 и холодный диффузионный насос 9 отогревают окончательно. На этом рабочий цикл заканчивают и вновь производят подготовительный цикл, описанный выше.In the initial position, all units are de-energized, vacuum gates and valves are closed, the volumes for cryogenic liquids are not filled. Before starting the device, a preparatory cycle is carried out, including the following operations. Open the valve 24 and start the water ring vacuum pump 10, then alternately open the vacuum valves 22, 23 and the vacuum shutter 13. After reaching the required vacuum, the valves 22, 23 are closed, and liquid nitrogen is poured into the cold diffusion pump 9 and electric energy is supplied. Next, start the refrigeration machine 5, and in the case of using liquefied helium, drain lines are prepared. After the cold diffusion pump 9 enters the operating mode, the vacuum shutters 11, 12 are opened and the cryogenic pumps 7, 8 are further evacuated. At the same time, the vacuum valves 19 are opened and the helium baths 17, 18 are filled with gaseous helium. Upon reaching the required pressure in the vacuum volume of cryogenic pumps, liquid nitrogen is poured into them, and then valve 20 is opened and cryogenic pumps 7, 8 are filled with liquid helium. This completes the preparatory cycle. In this mode, the device is located until there is a signal about the presence of a limiting concentration of helium isotopes in the vacuum volume of the thermonuclear installation. With the receipt of the signal, turn on the compressor 21 and pre-vacuum the liquid baths 17, 18 of the cryogenic pumps 7, 8. Moreover, the temperature of the liquid helium in the helium bath 17 is kept lower than the temperature of the cryopanels of the built-in cryogenic pump 4. The temperature of the helium bath 18 is maintained at 1 -2 o C below the temperature of liquid helium bath 17. The difference in temperature is ensured by changing the pumping speed of the helium vapor tubs 17, 18 by means of controlled vacuum valves 19, 20 and the compressor 21. When achievements uu required temperatures gate valve 2 is opened and connects kriokondensatsionny pumping unit 1 to a vacuum of 3 thermonuclear plant, wherein the vacuum valve 24 is closed, valve 25 is opened and connected to a water ring vacuum pump 10 with the recipient 26 for collecting helium isotopes. After reducing the concentration of helium isotopes in the vacuum volume of the thermonuclear installation to an appropriate level, the cryocondensation pumping unit 1 is again disconnected by means of a vacuum shutter 2 and heated. In this case, the cryogenic pumps 7, 8 are first heated to the sublimation temperature of deuterium, at the same time, the recipient 26 for helium isotopes is disconnected and the recipient 27 for deuterium is connected. After deuterium is removed, the pumps 7, 8 are heated to the sublimation temperature of tritium, the recipient 27 for deuterium is closed, and the recipient 28 for tritium is opened. After the collection of tritium, all recipients are closed, and the cryogenic pumps 7, 8 and the cold diffusion pump 9 are finally heated. This completes the work cycle and again produces the preparatory cycle described above.
Это один из вариантов использования данного устройства, однако, его можно использовать и для других целей, например, для регенерации встроенных криогенных насосов или любых других устройств, предназначенных для работы с радиоактивными газами. В любом варианте выброс радиоактивных газов в атмосферу можно свести к нулю с помощью заявляемого устройства, при этом оно работоспособно как в сильном магнитном поле, так и при "горячем" нейтронном потоке. This is one of the options for using this device, however, it can be used for other purposes, for example, for the regeneration of built-in cryogenic pumps or any other devices designed to work with radioactive gases. In any case, the release of radioactive gases into the atmosphere can be reduced to zero using the inventive device, while it is operable both in a strong magnetic field and in a "hot" neutron flux.
Для проверки заявляемого способа создан экспериментальный стенд, на котором отработаны основные режимы работы устройства и показана его эффективность. Эффективность работы всех элементов устройства проверена путем напуска в вакуумный объем имитируемой термоядерной установки тяжелых изотопов гелия, легких изотопов водорода (протия) и дейтерия. Одновременно подтверждена эффективность устройства при возникновении внештатных ситуаций, например резком повышении давления (вплоть до уровня атмосферного). To test the proposed method, an experimental stand was created on which the basic operating modes of the device were worked out and its effectiveness was shown. The efficiency of all elements of the device was checked by letting in a vacuum volume of a simulated thermonuclear installation of heavy isotopes of helium, light isotopes of hydrogen (protium) and deuterium. At the same time, the device’s effectiveness was confirmed in case of emergency situations, for example, a sharp increase in pressure (up to atmospheric level).
Результаты проведенных экспериментов показывают, что заявляемые способ и устройство просты и надежны в эксплуатации, а экономические затраты на их реализацию несопоставимо низки по сравнению с другими известными решениями. The results of the experiments show that the claimed method and device are simple and reliable in operation, and the economic costs of their implementation are incomparably low compared to other known solutions.
Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:
- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в области управляемого термоядерного синтеза;
- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Преимущество изобретения состоит в том, что использование эффекта переконденсации и компрегирования с помощью переохлаждения жидкого гелия и использование энтальпии его паров существенно упрощают удаление изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, обеспечивая при этом высокую эффективность и низкие затраты при эксплуатации.Thus, the above information shows that when using the claimed group of inventions, the following set of conditions is fulfilled:
- funds that embody the claimed group of inventions in their implementation, are intended for use in industry, namely in the field of controlled thermonuclear fusion;
- for the claimed group of inventions in the form described in the independent claims of the claims, the possibility of their implementation using the means and methods described above or known prior to the priority date is confirmed;
- funds that embody the claimed group of inventions in their implementation, can ensure the achievement of the perceived by the applicant technical result. An advantage of the invention is that the use of the effect of condensation and aggregation by supercooling liquid helium and the use of enthalpy of its vapor greatly simplify the removal of helium and hydrogen isotopes from the vacuum volume of a thermonuclear installation, while ensuring high efficiency and low operating costs.
Источники информации:
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству N 1354251 , М кл. G 21 B 1/00, 1987 г.Sources of information:
1. Description of the invention to the copyright certificate N 1354251, M class. G 21 B 1/00, 1987
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству N 776333 A, М кл. G 21 B 1/00, 1988 г. 2. Description of the invention to the copyright certificate N 776333 A, M class. G 21 B 1/00, 1988
3. Описание изобретения к авторскому свидетельству N 1017817 A, М кл. F 04 B 37/00, 1983 г. 3. Description of the invention to the copyright certificate N 1017817 A, M cl. F 04 B 37/00, 1983
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98112820A RU2149466C1 (en) | 1998-07-06 | 1998-07-06 | Method and device for removing helium and hydrogen isotopes from vacuum space of fusion power plant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98112820A RU2149466C1 (en) | 1998-07-06 | 1998-07-06 | Method and device for removing helium and hydrogen isotopes from vacuum space of fusion power plant |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98112820A RU98112820A (en) | 2000-05-10 |
| RU2149466C1 true RU2149466C1 (en) | 2000-05-20 |
Family
ID=20208034
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98112820A RU2149466C1 (en) | 1998-07-06 | 1998-07-06 | Method and device for removing helium and hydrogen isotopes from vacuum space of fusion power plant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2149466C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113939146A (en) * | 2021-08-27 | 2022-01-14 | 中南大学 | 5G base station AAU heat dissipation system, radiation refrigeration coating, coating and coating preparation method |
-
1998
- 1998-07-06 RU RU98112820A patent/RU2149466C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Физика и техника высокого вакуума". Вып.1(4), Харьков, 1975, с.15. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113939146A (en) * | 2021-08-27 | 2022-01-14 | 中南大学 | 5G base station AAU heat dissipation system, radiation refrigeration coating, coating and coating preparation method |
| CN113939146B (en) * | 2021-08-27 | 2022-08-12 | 中南大学 | 5G base station AAU active antenna unit cooling system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4724677A (en) | Continuous cryopump with a device for regenerating the cryosurface | |
| US3364654A (en) | Ultrahigh vacuum pumping process and apparatus | |
| RU2149466C1 (en) | Method and device for removing helium and hydrogen isotopes from vacuum space of fusion power plant | |
| US5426949A (en) | Vacuum vessel having a cooled member | |
| GB2127493A (en) | An arrangement and a method for the rapid regeneration of self-contained cryopumps | |
| EP0699277B1 (en) | Modified cryogenic diffusion pump | |
| EP0394452A4 (en) | Cryogenic adsorption pump | |
| JP5313348B2 (en) | Freezer and how to produce very low temperature cold | |
| Gupta et al. | Design and Analysis of liquid nitrogen cooled sorption cryopump for SST-1 Tokamak | |
| KR101436483B1 (en) | Heating system of cryo pannel | |
| Karpov et al. | Vacuum Pumping System of TRT | |
| Baechler | Cryopumps for research and industry | |
| RU2624312C2 (en) | Device for pumping isotopes of hydrogen from vacuum volume of thermonuclear installation | |
| Gupta et al. | Thermo-structural analysis of SST-1 cryopump | |
| Mack et al. | Conceptual study of the cryocascade for pumping, separation and recycling of ITER torus exhaust | |
| Day et al. | R&D progress for the ITER vacuum pumping system | |
| Mukherjee et al. | Design and development of LN2 cooled cryopump for application in high heat flux test facility | |
| WO2024041868A1 (en) | Improvements in and relating to fusion reactor fuel recovery | |
| Hemmerich | Primary vacuum pumps for the fusion reactor fuel cycle | |
| Anderson et al. | Vacuum applications for the tritium systems test assembly | |
| JP3743777B2 (en) | Vacuum pumping system for nuclear fusion equipment | |
| Day et al. | Tritium inventories in the high vacuum pumps of ITER | |
| SU776333A1 (en) | Apparatus for pumping out tokamak reactor | |
| CN115385302B (en) | Tritium recovery and purification system and method for waste neutron target | |
| RU98112820A (en) | METHOD FOR REMOVING HELIUM AND HYDROGEN ISOTOPES FROM VACUUM VOLUME OF THERMONUCLEAR INSTALLATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |