RU2303304C2

RU2303304C2 - Coolant pressurizer

Info

Publication number: RU2303304C2
Application number: RU2005115780/06A
Authority: RU
Inventors: вский Виктор Васильевич Син (RU); Виктор Васильевич Синявский; Владимир Давидович Юдицкий (RU); Владимир Давидович Юдицкий
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2007-07-20
Also published as: RU2005115780A

Abstract

FIELD: nuclear, thermonuclear, and space engineering; liquid-metal cooled nuclear power plants mainly for space engineering.

SUBSTANCE: proposed coolant pressurizer has tight housing with gas space, unit for connection to coolant circuit, and gas-coolant separator capillary device hydraulically communicating with unit for connection to coolant circuit and to gas space. Pressurizer is also provided with gas check valve joined with tube whose open end is disposed in central part of pressurizer gas space. Provision is made for ground tests of pressurizer within coolant circuit under conditions close to space ones.

EFFECT: enhanced operating reliability of pressurizer and entire liquid-metal coolant circuit.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в ядерно-энергетических установках (ЯЭУ) с жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно космического назначения.The invention relates to nuclear, thermonuclear and space technology and can be used in nuclear power plants (NPPs) with a liquid metal coolant, mainly for space purposes.

В космических ЯЭУ, где сброс непреобразованного тепла термодинамического цикла возможен лишь излучением в космическое пространство, используют высокотемпературные системы охлаждения с жидкометаллическими теплоносителями (эвтектическим сплавом NaK, Na или Li). Сплав NaK используют в энергоустановках со сбросом тепла при температурах 500-700°С, а литий - при 700-900°С и выше. Нагрев теплоносителя от комнатной до рабочей температуры может проводиться как на стартовой площадке непосредственно перед запуском ракеты-носителя с ЯЭУ в космос, так и после вывода космической ЯЭУ на рабочую или промежуточную орбиту. При нагреве теплоносителя происходит увеличение его объема, поэтому в жидкометаллических контурах систем охлаждения имеется компенсатор расширения объема теплоносителя, часто называемый также компенсационной емкостью.In space nuclear power plants, where the unreduced heat of the thermodynamic cycle can only be released by radiation into outer space, high-temperature cooling systems with liquid metal coolants (eutectic alloy NaK, Na or Li) are used. NaK alloy is used in power plants with heat discharge at temperatures of 500-700 ° C, and lithium - at 700-900 ° C and above. Heating of the coolant from room temperature to operating temperature can be carried out both on the launch pad immediately before the launch of the launch vehicle from the nuclear power plant into space, and after the launch of the space nuclear power plant into a working or intermediate orbit. When the coolant is heated, its volume increases, therefore, in the liquid metal circuits of the cooling systems there is a compensator for the expansion of the coolant volume, often also called compensation capacity.

Известен компенсатор расширения объема теплоносителя контура прототипа космической ЯЭУ с литиевым теплоносителем [1]. Он выполнен в виде так называемого расширительного бака, т.е. герметичного корпуса, часть которого заполнена нейтральным газом. Расширительный бак устанавливается в самой верхней части контура. При нагреве теплоносителя его объем увеличивается, и дополнительный объем теплоносителя выдавливается в расширительный бак. При этом объем газа уменьшается, а его давление увеличивается. При наличии силы тяжести газ всегда находится в верхней части расширительного бака. Поэтому если газ не растворяется в теплоносителе (и не взаимодействует с ним), то никаких специальных устройств для разграничения жидкого теплоносителя и газа не требуется. Компенсаторы расширения объема в виде расширительного бака хорошо работают в наземных условиях.Known compensator expansion of the volume of the coolant circuit of the prototype of a space nuclear power plant with lithium coolant [1]. It is made in the form of a so-called expansion tank, i.e. sealed enclosure, part of which is filled with neutral gas. An expansion tank is installed at the very top of the circuit. When heating the coolant, its volume increases, and an additional volume of coolant is squeezed out into the expansion tank. In this case, the volume of gas decreases, and its pressure increases. In the presence of gravity, the gas is always in the upper part of the expansion tank. Therefore, if the gas does not dissolve in the coolant (and does not interact with it), then no special devices are required to distinguish between the coolant and the gas. Expansion expansion tank expansion vessels work well in terrestrial environments.

Однако в космических условиях при отсутствии силы тяжести газ из компенсатора объема может попасть в теплоноситель, так как в условиях невесомости нет силы, удерживающей газ в определенной части объема расширительного бака. Такой компенсатор может работать в космосе при условии создания в системе искусственного силового поля, в котором бы происходило разделение жидкой и газовой фаз.However, in space conditions, in the absence of gravity, the gas from the volume compensator can enter the coolant, since under zero gravity there is no force that holds the gas in a certain part of the volume of the expansion tank. Such a compensator can work in space provided that an artificial force field is created in the system in which the separation of the liquid and gas phases takes place.

Известен компенсатор расширения объема теплоносителя [2], содержащий герметичный корпус с газовым объемом и узлом подсоединения к контуру теплоносителя. Такой компенсатор расширения объема может быть установлен в любой части контура. При нагреве теплоносителя контура его объем увеличивается и дополнительный объем через узел подсоединения выдавливается в компенсатор, при этом объем газа в компенсаторе уменьшается, а его давление несколько увеличивается. Такие компенсаторы могут работать в наземных условиях при наличии силы тяжести, при условии, что газ не реагирует с теплоносителем и не растворяется в нем. В этом случае за счет силы тяжести будет четкое разделение газа и жидкого теплоносителя с образованием границы газ - жидкий теплоноситель.Known expansion joint expansion of the coolant [2], containing a sealed enclosure with a gas volume and a node connecting to the coolant circuit. Such a volume expansion compensator can be installed in any part of the circuit. When the coolant of the circuit is heated, its volume increases and the additional volume is squeezed out through the connection unit into the compensator, while the gas volume in the compensator decreases, and its pressure slightly increases. Such compensators can work in terrestrial conditions in the presence of gravity, provided that the gas does not react with the coolant and does not dissolve in it. In this case, due to the force of gravity, there will be a clear separation of gas and liquid coolant with the formation of a gas-liquid coolant boundary.

Однако в космических условиях отсутствует сила тяжести, в результате чего газ и жидкий теплоноситель могут перемешиваться, образуя газожидкостную смесь. Такая смесь при термоциклировании может попасть из компенсатора в контур теплоносителя, который может перенести пузырек газа к насосу, что в свою очередь может привести к отказу насоса и соответственно всей ЯЭУ.However, in space conditions there is no gravity, as a result of which the gas and the liquid coolant can mix, forming a gas-liquid mixture. Such a mixture during thermal cycling can get from the compensator into the coolant circuit, which can transfer the gas bubble to the pump, which in turn can lead to pump failure and, accordingly, the entire nuclear power plant.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является компенсатор расширения объема теплоносителя [3], содержащий герметичный корпус с газовым объемом при определенном давлении газа и узлом подсоединения к контуру теплоносителя и устройство разделения газ - теплоноситель, выполненное в виде капиллярной структуры, гидравлически соединенной с узлом подсоединения к контуру теплоносителя и к газовому объему. Между капиллярной структурой и узлом подсоединения к теплоносителю может быть установлен газовый фильтр. Капиллярная структура может быть выполнена в виде рулонов крупноячеистой сетки или фольги с отверстиями или в виде трубок, снабженных отверстиями. Такой компенсатор расширения объема теплоносителя повышает надежность работы контура и всей энергетической установки. Вследствие использования капиллярных сил для создания и поддержания границы газ - теплоноситель, а следовательно, практической нечувствительности к силам гравитации, он также обеспечивает возможность проведения наземных испытаний компенсатора в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.Closest to the invention in technical essence is a compensator for expanding the volume of the coolant [3], comprising a sealed housing with a gas volume at a certain gas pressure and a connection unit to the coolant circuit and a gas-coolant separation device made in the form of a capillary structure hydraulically connected to the connection unit to the coolant circuit and to the gas volume. A gas filter can be installed between the capillary structure and the connection unit to the coolant. The capillary structure can be made in the form of coils of coarse mesh or foil with holes or in the form of tubes equipped with holes. Such a compensator for expanding the volume of the coolant increases the reliability of the circuit and the entire power plant. Due to the use of capillary forces to create and maintain the gas-coolant boundary, and, consequently, practical insensitivity to gravitational forces, it also provides the possibility of conducting ground-based tests of the compensator under conditions close to operating conditions in space.

Однако в процессе работы в теплоносителе могут образовываться газы, которые будут выделяться в газовый объем компенсатора. Поэтому рассматриваемый компенсатор одновременно обеспечивает возможность удаления газовых примесей из теплоносителя. При этом давление газа в газовом объеме компенсатора будет постепенно повышаться, а следовательно, будет повышаться и давление теплоносителя. Это потребует увеличения толщины стенок трубопроводов и других узлов энергоустановки, что нежелательно, так как приведет к ее утяжелению и другим нежелательным последствиям.However, during operation, gases may be generated in the coolant that will be released into the gas volume of the compensator. Therefore, the compensator in question simultaneously provides the ability to remove gas impurities from the coolant. In this case, the gas pressure in the gas volume of the compensator will gradually increase, and consequently, the coolant pressure will also increase. This will require an increase in the wall thickness of pipelines and other components of the power plant, which is undesirable, as it will lead to its weighting and other undesirable consequences.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности работы компенсатора и всего контура жидкометаллической системы охлаждения при сохранении возможности проведения наземных испытаний компенсатора в составе контура в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.The technical result achieved by using the invention is to increase the reliability of the compensator and the entire circuit of the liquid metal cooling system while maintaining the ability to conduct ground tests of the compensator as part of the circuit under conditions close to operating conditions in space.

Указанный технический результат достигается в компенсаторе расширения объема теплоносителя, содержащем герметичный корпус с газовым объемом, узлом подсоединения к контуру теплоносителя и капиллярным устройством разделения газ - теплоноситель, гидравлически соединенным с узлом подсоединения к контуру теплоносителя и к газовому объему, компенсатор снабжен размещенным вне корпуса обратным газовым клапаном, соединенным с трубкой, открытый конец которой расположен в центральной части газового объема компенсатора.The specified technical result is achieved in a compensator for expansion of the coolant volume, containing a sealed housing with a gas volume, a node for connecting to a coolant circuit and a capillary gas-coolant separation device, hydraulically connected with a node for connecting to a coolant circuit and to a gas volume, the compensator is equipped with a reverse gas a valve connected to the tube, the open end of which is located in the Central part of the gas volume of the compensator.

На чертеже приведена конструкционная схема компенсатора расширения объема теплоносителя.The drawing shows a structural diagram of a compensator for expansion of the volume of coolant.

Компенсатор содержит корпус 1 и узел 2 подсоединения к контуру теплоносителя. Часть 3 внутреннего объема корпуса является свободной и заполнена газом, например нейтральным (аргоном, гелием и др.), т.е. является газовым объемом компенсатора. Внутри корпуса 1 размещается капиллярная структура, в части 4 которой находится газ (тот же, что и в газовом объеме 3), а в части 5 - теплоноситель. Части 4 и 5 капиллярной структуры условно разделены образующейся в результате действия капиллярных сил границей 6 раздела газ - жидкость (газ - теплоноситель). Капиллярная структура в части 4 гидравлически соединена с газовым объемом 3, а в части 5 - с узлом 2 подсоединения к контуру теплоносителя. У узла 2 может быть размещен газовый фильтр 7, который выполнен, например, в виде мелкоячеистого капиллярного разделителя (капиллярного затвора). Капиллярная структура может быть выполнена в виде рулонов сетки (крупноячеистой) или фольги с отверстиями, а также на основе нескольких открытых с двух сторон трубок, оси которых, например, параллельны оси компенсатора, причем все трубки гидравлически сообщаются друг с другом посредством отверстий, тем самым образуя крупноячеистую пористую капиллярную структуру компенсатора. Капиллярная структура зафиксирована относительно корпуса. В газовом объеме 3, предпочтительно в центральной части, размещена часть трубки 8 с открытым концом 9. Другой конец 10 трубки соединен с обратным газовым клапаном 11, размещенным вне корпуса 1.The compensator includes a housing 1 and a node 2 connecting to the coolant circuit. Part 3 of the internal volume of the housing is free and filled with gas, for example neutral (argon, helium, etc.), i.e. is the gas volume of the compensator. A capillary structure is placed inside the housing 1, in part 4 of which there is a gas (the same as in the gas volume 3), and in part 5 - the coolant. Parts 4 and 5 of the capillary structure are conditionally separated by the gas-liquid boundary 6 formed as a result of the action of capillary forces. The capillary structure in part 4 is hydraulically connected to the gas volume 3, and in part 5 to the node 2 connecting to the coolant circuit. At the node 2 can be placed a gas filter 7, which is made, for example, in the form of a fine-mesh capillary separator (capillary closure). The capillary structure can be made in the form of rolls of mesh (coarse-mesh) or foil with holes, and also on the basis of several tubes open from two sides, the axes of which, for example, are parallel to the axis of the compensator, and all tubes are hydraulically connected to each other through holes, thereby forming a coarse porous capillary structure of the compensator. The capillary structure is fixed relative to the housing. In the gas volume 3, preferably in the central part, a portion of the tube 8 with an open end 9 is placed. The other end 10 of the tube is connected to a gas check valve 11 located outside the housing 1.

Компенсатор расширения объема работает следующим образом. В исходном состоянии теплоноситель в жидкой (или твердой) фазе находится в узле 2 подсоединения к контуру теплоносителя, в газовом фильтре 7 (при его наличии) и занимает часть 5 пористой капиллярной структуры. В газовом объеме 3 и в незаполненной теплоносителем части 4 капиллярной структуры находится газ, обычно нейтральный, например, аргон, гелий или их смесь. Газ находится под давлением, обеспечивающим нормальную работу насоса контура теплоносителя без кавитации, обычно до нескольких атмосфер, например, для лития это от 0,1 до 1 атмосферы. При запуске энергетической установки в космосе проводится расплавление теплоносителя (если он был в твердом состоянии) во всем контуре, включая компенсатор, с помощью специальной пусковой системы (не показана). После расплавления теплоносителя в узле 2, газовом фильтре 7 и в части 5 капиллярной структуры компенсатора находится жидкий теплоноситель. Далее проводится подъем тепловой мощности энергетической установки, например реактора ЯЭУ, что приводит к росту температуры теплоносителя во всем контуре. Это в свою очередь вызывает увеличение объема жидкого теплоносителя в контуре. Увеличение объема в контуре компенсируется выдавливанием жидкого теплоносителя через узел 2, газовый фильтр 7 в часть 5 капиллярной структуры. В результате граница раздела 6 газ - теплоноситель передвигается с увеличением объема части 5 капиллярной структуры, заполненной жидким теплоносителем. При этом давление газа в газовом объеме 3 несколько увеличивается. Так продолжается до достижения номинальной тепловой мощности энергетической установки и соответственно рабочей температуры теплоносителя (обычно от 500-600 до 800-1000°С). За счет капиллярных сил жидкий теплоноситель удерживается в части 5 капиллярной структуры и не происходит смешивания теплоносителя с газом, заполняющим часть 4 капиллярной структуры и свободный объем 3. При уменьшении тепловой мощности происходит уменьшение температуры теплоносителя контура с соответствующим уменьшением его объема, в результате часть теплоносителя из объема части 5 капиллярной структуры поступает через узел 2 в контур, компенсируя уменьшение объема теплоносителя в контуре. Газовый фильтр 7 предохраняет от нерасчетных и аварийных ситуаций, например, при стендовых испытаниях или предстартовых проверках с разгерметизацией контура, когда по каким-либо причинам произойдет такое уменьшение объема теплоносителя, что он уйдет из части 5 капиллярной структуры. Газовый фильтр 7 не позволит в этом случае попасть газу в узел 2 и, соответственно, в контур теплоносителя энергетической установки.Compensator volume expansion works as follows. In the initial state, the coolant in the liquid (or solid) phase is in the node 2 connecting to the coolant circuit, in the gas filter 7 (if any) and occupies part 5 of the porous capillary structure. In the gas volume 3 and in the part 4 of the capillary structure which is not filled with coolant, there is a gas, usually neutral, for example, argon, helium, or a mixture thereof. The gas is under pressure, ensuring the normal operation of the pump coolant circuit without cavitation, usually up to several atmospheres, for example, for lithium it is from 0.1 to 1 atmosphere. When starting a power plant in space, the coolant is melted (if it was in a solid state) in the entire circuit, including the compensator, using a special starting system (not shown). After melting the coolant in the node 2, the gas filter 7 and in part 5 of the capillary structure of the compensator is a liquid coolant. Next, the thermal capacity of a power plant, for example, a nuclear power reactor, is raised, which leads to an increase in the temperature of the coolant in the entire circuit. This in turn causes an increase in the volume of liquid coolant in the circuit. The increase in volume in the circuit is compensated by squeezing the liquid coolant through the node 2, the gas filter 7 into part 5 of the capillary structure. As a result, the gas – coolant interface 6 moves with an increase in the volume of part 5 of the capillary structure filled with the liquid coolant. In this case, the gas pressure in the gas volume 3 increases slightly. This continues until the rated thermal power of the power plant is reached and, accordingly, the operating temperature of the coolant (usually from 500-600 to 800-1000 ° C). Due to capillary forces, the liquid coolant is retained in part 5 of the capillary structure and there is no mixing of the coolant with gas filling part 4 of the capillary structure and free volume 3. When the heat power decreases, the temperature of the coolant of the circuit decreases with a corresponding decrease in its volume, as a result, part of the coolant from the volume of part 5 of the capillary structure enters through the node 2 into the circuit, compensating for the decrease in the volume of coolant in the circuit. The gas filter 7 protects against off-design and emergency situations, for example, during bench tests or pre-launch checks with depressurization of the circuit, when for some reason such a decrease in the volume of coolant occurs that it leaves part 5 of the capillary structure. In this case, the gas filter 7 will not allow gas to enter the unit 2 and, accordingly, into the coolant circuit of the power plant.

Кроме выполнения основной функции - компенсации температурного изменения объема теплоносителя при нагреве или охлаждении - рассматриваемый компенсатор с негерметичным разделением границы газ - теплоноситель позволяет удалять газ из теплоносителя в процессе эксплуатации энергетической установки. Так, например, в случае литиевого теплоносителя при облучении в ядерном реакторе в нем образуется газообразный радиогенный гелий, который растворяется в литии и затем может нарушить работу насоса контура из-за явлений кавитации на всасывающей линии. В ЯЭУ с реакторами на тепловых и промежуточных нейтронах с гидрид-циркониевым замедлителем (например, термоэмиссионных реакторах-преобразователях типа "Топаз") в процессе эксплуатации гидрид разлагается и водород проникает и накапливается в натрий-калиевом теплоносителе. Рассматриваемый компенсатор позволяет хотя бы часть газа выделить из теплоносителя в газовый объем. Однако при выделении газа из теплоносителя в газовый объем 3 давление в нем будет повышаться, а следовательно, повысится и давление теплоносителя в контуре. Это может повлиять на работоспособность установки и, по крайней мере, потребует при проектировании принятия мер, компенсирующих повышение давления в контуре относительно оптимального, например, соответствующего увеличения толщины трубопроводов и других узлов установки. Наличие трубки 8, один открытый конец 9 которой размещен внутри корпуса 1 в центральной части газового объема 3, а второй конец 10 подсоединен к размещенному вне корпуса обратному газовому клапану 11, устраняет этот недостаток. При повышении давления газа в газовом объеме 3 выше допустимого часть газа будет удалена через трубку 8 и обратный газовый клапан 11, например, в космос или специальный ресивер (не показан). В результате при любом дополнительном количестве газа давление в контуре будет оптимальным.In addition to performing the main function - compensating for the temperature change in the volume of the coolant during heating or cooling - the compensator in question with leaky separation of the gas-coolant boundary allows the gas to be removed from the coolant during operation of the power plant. So, for example, in the case of a lithium coolant, when irradiated in a nuclear reactor, gaseous radiogenic helium is formed in it, which dissolves in lithium and then can interrupt the operation of the circuit pump due to cavitation phenomena on the suction line. In a nuclear power plant with thermal and intermediate neutron reactors with a zirconium hydride moderator (for example, Topaz thermionic converter reactors), hydride decomposes during operation and hydrogen penetrates and accumulates in the sodium-potassium coolant. The compensator under consideration allows at least part of the gas to be separated from the coolant into the gas volume. However, when gas is released from the coolant into the gas volume 3, the pressure in it will increase, and therefore, the pressure of the coolant in the circuit will also increase. This can affect the operability of the installation and, at least, when designing it will require measures to compensate for the increase in pressure in the circuit relative to the optimal, for example, a corresponding increase in the thickness of pipelines and other components of the installation. The presence of a tube 8, one open end 9 of which is located inside the housing 1 in the central part of the gas volume 3, and the second end 10 is connected to a non-return gas valve 11 located outside the housing, eliminates this disadvantage. If the gas pressure in the gas volume 3 is increased above the allowable part of the gas will be removed through the tube 8 and the gas check valve 11, for example, into space or a special receiver (not shown). As a result, with any additional amount of gas, the pressure in the circuit will be optimal.

Таким образом, предлагаемый компенсатор расширения объема теплоносителя повышает надежность работы контура и всей энергетической установки, так как одновременно обеспечивает удаление газовых примесей из теплоносителя без повышения его давления. Вследствие использования капиллярных сил для создания и поддержания границы газ - теплоноситель и, следовательно, практической нечувствительности к силам гравитации он также обеспечивает возможность проведения наземных испытаний компенсатора в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.Thus, the proposed compensator for expanding the volume of the coolant increases the reliability of the circuit and the entire power plant, as it simultaneously removes gas impurities from the coolant without increasing its pressure. Due to the use of capillary forces to create and maintain the gas-coolant boundary and, therefore, practical insensitivity to gravitational forces, it also provides the possibility of conducting ground-based tests of the compensator under conditions close to operating conditions in space.

Источники информацииInformation sources

1. Ефимов В.П., Левин М.Н. Методы градуировки и поверки высокотемпературных измерителей расхода и давления теплоносителя систем охлаждения ЯЭУ. Научн.-техн. сборник "Ракетно-космическая техника." Труды РКК "Энергия" им. С.П.Королева. Серия 12: Изд. РКК "Энергия, г.Королев Моск. обл., 1996, вып.2-3: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности, ч. 2., с.226.1. Efimov V.P., Levin M.N. Methods for calibration and verification of high-temperature flow meters and pressure of the coolant nuclear cooling systems. Scientific and technical collection "Rocket and Space Technology." Proceedings of RSC Energia named after S.P. Koroleva. Series 12: Ed. RSC Energia, Korolev, Moscow Region, 1996, issue 2-3: Space Thermionic Emission Nuclear Power Plants and Large-Power Electric Propulsion Systems, Part 2., p.226.

2. Доллежаль Н.Н. Ядерные энергетические установки. М., Энергоатомиздат, 1983, с.388-389.2. Dollezhal NN Nuclear power plants. M., Energoatomizdat, 1983, p. 388-389.

3. Патент РФ №2176828.3. RF patent No. 2176828.

Claims

A compensator for expanding a coolant volume, comprising a sealed housing with a gas volume, a node for connecting to a coolant circuit and a capillary gas-coolant separation device hydraulically connected to a node for connecting to a coolant circuit and a gas volume, characterized in that the compensator is equipped with a gas check valve located outside the case connected to the tube, the open end of which is located in the Central part of the gas volume of the compensator.