RU2695632C1 - Вакуумная камера термоядерного реактора - Google Patents
Вакуумная камера термоядерного реактора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695632C1 RU2695632C1 RU2018143468A RU2018143468A RU2695632C1 RU 2695632 C1 RU2695632 C1 RU 2695632C1 RU 2018143468 A RU2018143468 A RU 2018143468A RU 2018143468 A RU2018143468 A RU 2018143468A RU 2695632 C1 RU2695632 C1 RU 2695632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solution
- vacuum chamber
- blanket
- wkb
- circulation system
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 53
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N Heavy water Chemical compound [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 7
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 28
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 117
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 23
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 23
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000009377 nuclear transmutation Methods 0.000 description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 4
- 101100511868 Caenorhabditis elegans lsm-4 gene Proteins 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910013553 LiNO Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910010093 LiAlO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052781 Neptunium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 150000004673 fluoride salts Chemical class 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- LFNLGNPSGWYGGD-UHFFFAOYSA-N neptunium atom Chemical compound [Np] LFNLGNPSGWYGGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21B—FUSION REACTORS
- G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
-
- 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
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к конструкции вакуумной камеры (ВК) и бланкета, которые являются элементами термоядерного реактора (ТЯР) или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН). Вакуумная камера термоядерного реактора состоит из корпуса, образованного внутренней и внешней оболочками, внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и циркулирующим теплоносителем, системы циркуляции состоящей из трубопроводов подвода и отвода теплоносителя, теплообменника и насоса. В качестве теплоносителя используют раствор литийсодержащего материала, или раствор минорных актинидов, или раствор сырьевого материала, система циркуляции содержит отвод с патрубками байпаснога отбора части раствора и подачи раствора в систему циркуляции, установленный перед теплообменником на трубопроводе отвода раствора. Техническим результатом является упрощение конструкции бланкета и всей установки ДЕМО-ТИН и уменьшение потерь нейтронов из плазмы. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к термоядерной технике, а именно, к конструкциям вакуумной камеры (ВК) и бланкета, которые являются элементами термоядерного реактора (ТЯР) или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН). Возможно его использование в любых установках, где существует необходимость трансмутации элементов под действием нейтронного потока.
В дальнейшем будем говорить об установке ДЕМО-ТИН.
Уровень техники
Вакуумная камера (ВК) - одна из основных систем термоядерных установок типа токамак, в частности установки ДЕМО-ТИН.
Известна конструкция ВК, предложенная в (Э.А. Азизов и др. Токамак ДЕМО-ТИН: концепция электромагнитной системы и вакуумной камеры. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 38, вып.2, 2015, с. 5).
ВК состоит из трех элементов - корпуса; внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и водой; внутреннего объема.
1. Корпус ВК - стальная тороидальная конструкция с патрубками D-образного вертикального сечения из двух коаксиальных оболочек - внутренней, обращенной к плазме, и наружной, обращенной к криостату.
2. Оболочки связаны между собой системой тороидальных и полоидальных ребер жесткости. Свободное пространство между ребрами и оболочками частично заполнено металлическими пластинами радиационной защиты. Остальной внутрикорпусной объем между. оболочками заполнен циркулирующей водой. В совокупности внутрикорпусные металлоконструкции и вода образуют железоводную радиационную защиту.
3. Внутренняя оболочка корпуса ограничивает внутренний объем ВК, в котором находятся первая стенка (ПС), дивертор, бланкет и разрядная камера, в которой протекает термоядерная реакция.
Эта конструкция является наиболее близкой к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков и принимается за прототип.
Подробно конструкция ВК и функции ее элементов описаны в (А. Ю. Пашков и др. Переходные процессы в вакуумной камере установки ДЕМО-ТИН при авариях в системе ее охлаждения, и в системах охлаждения компонентов, обращенных к плазме. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, т. 40, вып. 3, 2017, с. 78).
Вода, циркулирующая между оболочками ВК, выполняет две функции: во-первых, служит теплоносителем - отводит тепло, выделяющееся в результате взаимодействия с нейтронами и гамма-квантами как в ней самой, так и в корпусе ВК и внутрикорпусных металлоконструкциях радиационной защиты; во-вторых - является радиационной защитой. Вода повышенной температуры, в корпусе ВК используется так же для его прогрева при определенных режимах работы.
Система охлаждения и прогрева корпуса ВК состоит из нескольких контуров. Внутренний контур (охлаждающий непосредственно корпус) состоит из независимых первого и второго внутренних контуров. Терло от внутренних контуров через промежуточные теплообменники передается во внешний контур, который сбрасывает тепло в окружающую среду. Внутренние контура оборудованы сбросными клапанами, срабатывающими при повышении давления в контурах.
ВК выполняет следующие основные функции:
- служит основой для крепления компонентов, обращенных к плазме (в том числе бланкета), диагностических и обеспечивающих систем;
- обеспечивает поддержание вакуума в разрядной камере токамака;
- создает барьер безопасности при аварийных ситуациях;
- снижает потоки нейтронов и гамма-квантов на магнитные катушки и обеспечивает радиационные санитарные нормы в здании токамака.
Бланкет - одна из основных систем установок типа токамак, где происходит утилизация основной части энергии нейтронов из плазмы. Как правило, бланкет состоит из отдельных модулей и предназначен для трансмутации изотопов. Обычно рассматриваются три вида трансмутации.
1. Для воспроизводства выгорающего в термоядерной реакции трития используются модули, в конструкцию которых входят литийсодержащие материалы (ЛСМ).
Известны конструкции бланкета, в котором ЛСМ находятся в твердом состоянии. (В.В. Кевролев. Бланкет термоядерного реактора на основе окиси лития. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, вып. 1, 1986, с. 37). В качестве ЛСМ предлагается использовать металлический литий, эвтектики лития и свинца, смесь фтористых солей - флайб, керамики Li4SiO4, Li2SiO3, LiAlO2, LiO2.
Известны конструкции бланкета, в которой модули содержат водные растворы литийсодежащих солей (например, LiOH, LiNO3) - ITER Concept definition, Vol. 2, p. 314, International Atomic Energy Agency, Vienna, 1989.
2. Для наработки делящегося топлива используются модули, в конструкцию которых входят сырьевые материалы Th232, U238. (Е.П. Велихов и др. Ядерная энергетическая система с реакторами деления и синтеза - стратегический ориентир развития отрасли - ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, т. 40, вып. 4, 2017, с. 5).
3. Для трансмутации минорных актинидов (МА) - трансурановых элементов - и превращения их в короткоживущие продукты деления используются модули, содержащие MA. (А.А. Борисов. Возможности керамического бланкета термоядерного реактора ДЕМО-С для трансмутации нептуния в нитридном топливе. ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, вып. 4, 2004, с. 3).
Конструкция бланкета, состоящего из отдельных модулей, расположенных во внутренней полости ВК, обладает определенными недостатками:
1. Использование отдельных модулей требует устройств для перегрузки каждого из них.
2. Наличие множества модулей увеличивает долю конструкционных материалов (металла) в бланкете, а металл является паразитным поглотителем нейтронов.
3. Модули бланкета по конструктивным причинам не покрывают всю внутреннюю поверхности ВК (например, отсутствуют в районе центрального соленоида, дивертора).
4. Отбор наработаного трития т.е. извлечение его из бланкета ТЯР или ТИН, производится обычно следующими способами:
1) Для выделения трития из модуля производится удаление модуля из установки и замена его на другой, что требует длительного простоя всей установки.
2) Для выделения трития из модуля производится прокачка через модуль газа-носителя трития. При этом остановка ТЯР или ТИН не требуется, но усложняется конструкция бланкета, кроме того, бланкет должен быть высокотемпературным. Так же требуются периодические остановки для замены ЛСМ.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции бланкета и всей установки ДЕМО-ТИН и уменьшение потерь нейтронов из плазмы.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что наработка трития или делящихся изотопов или трансмутация МА производится внутри корпуса вакуумной камеры-бланкета (ВКБ), заполненного раствором или растворами.
Технический результат достигается тем, что предложена вакуумная камера термоядерного реактора, состоящая из корпуса, образованного внутренней и внешней оболочками, внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и циркулирующим теплоносителем, системы циркуляции состоящей из трубопроводов подвода и отвода теплоносителя, теплообменника и насоса при этом в качестве теплоносителя используют раствор литийсодержащего материала, или раствор минорных актинидов, или раствор сырьевого материала, система циркуляции содержит отвод с патрубками байпасного отбора части раствора и подачи раствора в систему циркуляции, установленный перед теплообменником 1 на трубопроводе отвода раствора.
В предпочтительном варианте:
- на внутреннюю оболочку корпуса, со стороны, обращенной к раствору, нанесен слой материала, размножающего нейтроны;
- во внутреннем объеме корпуса установлен как минимум один модуль внутреннего бланкета с твердыми минорными актинидами;
- между внутренней и внешней оболочками корпуса расположена металлическая перегородка, делящая внутрикорпусной объем на две независимые камеры, каждая со своим раствором и своей системой циркуляции;
- раствор выполнен на основе тяжелой воды.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения обеспечивает упрощение конструкции токамака и ускорение и упрощение процесса загрузки/перегрузки бланкета.
Далее рассматриваются два возможных варианта конструкции ВКБ - однокамерная (с использованием только одного вида раствора) и двухкамерная (с использованием двух видов растворов).
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид однокамерной ВКБ установки ДЕМО-ТИН, использующей только один вид раствора. Возможно использование раствора ЛСМ, сырьевых материалов или МА. Цифрами обозначены:
1 - плазма;
2 - внутренняя металлическая оболочка ВКБ;
3 - внешняя металлическая оболочка ВКБ;
4 - раствор;
5 - трубопровод подачи раствора в ВКБ;
6 - трубопровод отвода раствора из ВКБ;
7 - байпасный отбор части раствора для извлечения наработанных изотопов или продуктов деления;
8 - слой материала - размножителя нейтронов;
9 - модуль внутреннего бланкета, содержащий МА;
10 - циркуляционный насос раствора;
11 - промежуточный теплообменник раствора.
На Фиг. 2 представлен общий вид двухкамерной ВКБ установки ДЕМО-ТИН, использующей комбинацию растворов ЛСМ, сырьевых материалов и МА. Цифрами обозначены:
1 - плазма;
2 - внутренняя металлическая оболочка ВКБ;
3 - внешняя металлическая оболочка ВКБ;
4 - первый раствор;
5 - трубопровод подачи (подвода) первого раствора в первую камеру ВКБ;
6 - трубопровод отвода первого раствора из первой камеры ВКБ;
7 - байпасный отбор части первого раствора для извлечения продуктов деления;
8 - слой материала - размножителя нейтронов;
10 - циркуляционный насос первого раствора;
11 - промежуточный теплообменник первого раствора;
12 - второй раствор;
13 - трубопровод подачи второго раствора во вторую камеру ВКБ;
14 - трубопровод отвода второго раствора из второй камеры ВКБ;
15 - байпасный отбор части второго раствора для извлечения наработанных изотопов;
16 - циркуляционный насос второго раствора;
17 - промежуточный теплообменник второго раствора;
18 - промежуточная металлическая перегородка, разделяющая первый и второй раствор.
На Фиг. 3 представлен вид однокамерной ВКБ (вертикальный разрез). Цифрами обозначены:
2 - внутренняя металлическая оболочка ВКБ;
3 - внешняя металлическая оболочка ВКБ;
4 - раствор;
8 - слой материала - размножителя нейтронов;
12 - металлические пластины.
На Фиг. 4 представлен вид однокамерной ВКБ (горизонтальный разрез). Цифрами обозначены:
2 - внутренняя металлическая оболочка ВКБ;
3 - внешняя металлическая оболочка ВКБ;
4 - раствор;
8 - слой материала - размножителя нейтронов;
12 - металлические пластины.
19 - изолирующие металлические перегородки между отсеками.
Осуществление изобретения
ВКБ конструктивно состоит из нескольких элементов - корпуса, внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и раствором (или двумя растворами), а также внутреннего объема с компонентами, обращенными к плазме.
Суть заявляемого изобретения состоит в том, что внутрикорпусной объем ВКБ, не занятый металлическими пластинами, заполняется или раствором ЛСМ, или раствором сырьевых изотопов или раствором МА, либо комбинацией этих растворов). Растворы выполняют так же функцию теплоносителя и радиационной защиты. Перегрузка бланкета осуществляется путем байпасного отбора части раствора для выделения из него трития, делящихся изотопов или продуктов деления.
Корпус ВКБ - металлическая тороидальная конструкция D-образного вертикального сечения из двух коаксиальных оболочек - внутренней, обращенной к плазме, и наружной, обращенной «криостату. В качестве материала корпуса можно использовать сталь (как в прототипе), циркониевые или ванадиевые сплавы, уменьшающие паразитное поглощение нейтронов.
Оболочки связаны между собой системой тороидальных и полоидальных ребер жесткости. Свободное пространство между оболочками заполнено раствором (или двумя растворами) и металлическими пластинами, которые образуют радиационную защиту. Часть пластин может быть выполнена из материала - размножителя нейтронов (например, свинца). Т.к. ВКБ окружает плазму со всех сторон, то практически все нейтроны, рожденные в плазме, будут попадать в раствор (или растворы) и использоваться для трансмутации изотопов. Возможна лишь незначительная утечка нейтронов через патрубки ВКБ, предназначенные для подачи топлива, диагностики, нагрева плазмы или ремонтных работ.
Корпус разделен на отдельные отсеки, отделенные друг от друга изолирующими металлическими перегородками поз. 19 на Фиг. 4. Число изолирующих перегородок равно числу секций ВКБ. Это необходимо для предотвращения большой течи раствора. В случае течи из одного отсека раствор сохраняется в остальных.
Система охлаждения ВКБ (Фиг. 1 и 2) представляет собой контур циркуляции, как в прототипе, но так же включает в себя байпасную систему отбора трития 7 и/или 15, расположенную на трубопроводе отвода раствора 6 и/или 14 перед теплообменником 11 и/или 17 и подачи раствора обратно в систему циркуляции.
ВКБ состоит из внутренней 2 и внешней 3 металлических оболочек, связанных между собой системой тороидальных и полоидальных ребер жесткости для придания прочности конструкции. Свободное пространство между оболочками заполнено раствором 4 ЛСМ и металлическими пластинами 12 фиг. 3,4. Под действием потока нейтронов из плазмы 1 в растворе ЛСМ 4 происходит реакция
Li+n=Т+Не
Насос первого или единственного контура циркуляции 10 подает раствор через трубопровод 5 во внутрикорпусной объем ВКБ, где он нагревается тепловой энергией, выделяющейся под действием нейтронов в самом растворе 4, оболочках 2 и 3 и металлических пластинах 12 фиг. 3, 4. Затем раствор через трубопровод 6 отводится в. промежуточный теплообменник 11, где он отдает тепло воде второго контура охлаждения.
От раствора в трубопроводе 6, отводимого в теплообменник, производится байпасный отбор его части через трубопровод 7 в систему извлечения трития, а затем раствор возвращается в первый контур циркуляции.
Возможно использование в ВКБ внутренней оболочки, покрытой материалом - размножителем нейтронов. Этот слой размножителя нейтронов охлаждается циркулирующим раствором. Эта конструкция увеличит количество нейтронов, попадающих в раствор.
Возможна установка во внутреннем объеме ВКБ модулей бланкета, содержащих делящиеся материалы, в частности минорные актиниды (МА) в твердом агрегатном состоянии. Деление МА нейтронами из плазмы создает дополнительное количество нейтронов, попадающих в раствор.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2 и 3, на которых представлены несколько вариантов конструкции ВКБ.
1 Простейший однокамерный вариант. Фиг. 1 и 3 ВКБ содержит внутреннюю оболочку 2, внешнюю оболочку 3, раствор ЛСМ 4 для воспроизводства трития между ними и металлические пластины 12.
2. Однокамерный вариант с размножителем нейтронов (Фиг. 1 и 3). ВКБ содержит внутреннюю оболочку 2, внешнюю оболочку 3, раствор 4 между ними и металлические пластины 12, а также слой размножителя 8 на внутренней оболочке 2. Охлаждение размножителя производится раствором 4.
3. Однокамерный вариант с внутренним бланкетом, содержащим МА. (Фиг. 1 и 3). ВКБ содержит внутреннюю оболочку 2, внешнюю оболочку 3, раствор 4 между ними и металлические пластины 12, а также модули внутреннего бланкета с МА 9, находящиеся во внутреннем объеме ВКБ и выполняющие функцию дополнительного источника нейтронов.
4. Однокамерный вариант с размножителем нейтронов и внутренним бланкетом, содержащим МА (Фиг. 1 и 3). ВКБ содержит внутреннюю оболочку 2, внешнюю оболочку 3 и раствор 4 между ними, слой размножителя 8 на внутренней оболочке 2 и модули внутреннего бланкета с МА 9, находящиеся во внутреннем объеме ВКБ и выполняющие функцию дополнительного источника нейтронов. В рассматриваемой конструкции все нейтроны из внутреннего бланкета попадают в раствор.
5. Простейший двухкамерный вариант (Фиг. 2). ВКБ состоит из двух камер, заполненных разными растворами. Первая камера ограничена с одной стороны внутренней металлической оболочкой ВКБ 2, а с другой промежуточной металлической перегородкой 18. Объем между этими перегородками заполнен первым раствором 4. Вторая камера ограничена с одной стороны промежуточной металлической перегородкой 18, а с другой внешней металлической оболочкой ВКБ 3. Объем между этими перегородками заполнен вторым раствором 12. Возможно следующее сочетание растворов:
1) Первый раствор МА, второй ЛСМ.
2) Первый раствор МА, второй сырьевых изотопов.
Использование двухкамерной конструкции дает следующие преимущества:
- Деление МА в первой камере под действием нейтронов из плазмы служит дополнительным источником нейтронов для второй камеры, в которой нарабатывается тритий или делящиеся изотопы.
- Двухкамерная конструкция позволяет одновременно трансмутировать МА и нарабатывать тритий или делящиеся изотопы.
6. Двухкамерный вариант с размножителем нейтронов. (Фиг. 2 и 3). ВКБ состоит из первой камеры, ограниченной внутренней металлической оболочкой 2 и промежуточной металлической перегородкой 18. Объем между этими перегородками заполнен первым раствором 4. Вторая камера ограничена с одной стороны промежуточной металлической перегородкой 18, а с другой внешней металлической оболочкой ВКБ 3. Объем между этими перегородками заполнен вторым раствором 12. На стороне внутренней металлической оболочки 2, обращенной к первому раствору, находится слой размножителя 8. Охлаждение размножителя производится первым раствором 4. Возможно размещение размножителя на промежуточной металлической перегородке 18. Если он находится в первой камере, то охлаждение производится первым раствором, а если во второй камере, то вторым раствором. Возможно размещение размножителя на промежуточной металлической перегородке 18 как в первой камере, так и во второй. Возможно размещение размножителя как на внутренней металлической оболочке 2, так и на промежуточной металлической перегородке 18. Размещение слоя размножителя на внешней металлической оболочке 3 представляется нерациональным.
Нейтроны из размножителя (размножителей) служат дополнительным источником нейтронов для растворов первой и второй камеры.
Использование внутреннего бланкета, содержащего твердые МА, в двухкамерной конструкции (Фиг. 2, поз. 9) представляется нерациональным и приводит к усложнению конструкции.
7. Вариант с раствором ЛСМ в тяжелой воде. Возможны варианты 1-6, в которых ЛСМ, МА и делящиеся изотопы растворены тяжелой воде, практически не поглощающей нейтроны. Подобный вариант дает максимальный коэффициент воспроизводства трития или наработки делящихся изотопов.
Ниже приведен пример конкретного выполнений устройства, который не ограничивает варианты его исполнения
Дальнейшее рассмотрение ведем для однокамерной ВКБ с раствором ЛСМ, предназначенной для наработки трития. Возможны так же варианты использования в качестве теплоносителя раствора МА для трансмутации их в короткоживущие продукты деления, или раствора сырьевого материала для наработки делящихся изотопов.
ВКБ состоит (фиг. 1 и 3) из внутренней 2 и внешней 3 металлических оболочек, связанных между собой системой тороидальных и полоидальных ребер жесткости для придания прочности конструкции.
Свободное пространство между оболочками заполнено раствором 4 ЛСМ (например, водным раствором LiOH или LiNO3) и металлическими пластинами 12. Под действием потока нейтронов из плазмы 1 в растворе ЛСМ 4 происходит реакция
Li+n=Т+Не
Насос первого контура циркуляции 10 подает раствор через трубопровод 5 во внутрикорпусной объем ВКБ, где он нагревается тепловой энергией, выделяющейся под действием нейтронов в самом растворе 4, оболочках 2 и 3 и металлических пластинах 12. Затем раствор через трубопровод 6 отводится в промежуточный теплообменник 11, где он отдает тепло воде второго контура охлаждения. Для предотвращения попадания трития в окружающую среду систему охлаждения ВКБ желательно сделать трехконтурной, причем давление воды во втором контуре больше давления раствора в первом. Для упрощения конструкции раствор имеет невысокие параметры (температура ~100°С и давление ~1 МПа).
Внутрикорпусной объем ВКБ разделен изолирующими металлическими перегородками (Фиг. 4, поз. 19) на отдельные секции. При течи раствора из одной секции это позволит избежать истечения раствора из всего внутрикорпусного объема ВКБ.
От раствора в трубопроводе 6, отводимого в теплообменник, производится байпасный отбор его части через трубопровод 7 в систему извлечения трития, а затем раствор возвращается в первый контур циркуляции (на чертежах не показано). Слой размножителя 8 на поверхности внутренней оболочки ВКБ 2, обращенной ж раствору 4, увеличивает общее число нейтронов, попадающих в раствор 4.
Принципиально возможными представляются два способа перегрузки камеры бланкета:
- Раствор при достижении в нем определенной концентрации наработанных изотопов (трития, продуктов деления МА или делящихся изотопов) сливается через патрубок отбора раствора и направляется на переработку. В бланкет заливается, через патрубок ввода раствора, новый раствор (ЛСМ, МА, сырьевых изотопов) с исходной концентрацией изотопов, подлежащих трансмутации;
- Перегрузка бланкета осуществляется путем байпасного отбора части раствора из контура циркуляции для выделения из него трития, продуктов деления МА или делящихся изотопов, затем в раствор добавляются изотопы, подлежащие трансмутации, и раствор возвращается в контур циркуляции. Остановка ТИН при этом не требуется.
При установке внутреннего бланкета с МА в его модуле 9, происходит деление МА нейтронами из плазмы образованием короткоживущих продуктов деления. Этот процесс так же является дополнительным источником нейтронов, попадающий в раствор 4. Дополнительные нейтроны способствуют увеличению коэффициента воспроизводства трития в ВКБ.
Металлические пластины 12 и раствор 4 выполняют так же функцию радиационной защиты, ослабляющей поток нейтронов из плазмы за пределы ВКБ.
Таким образом, заявленное изобретение решает следующие основные проблемы, сохраняя все функции известной конструкции ВК, появляется возможность использовать ее и для трансмутации изотопов, т.е. придать ее функцию бланкета. Для этого вода, заполняющая ВК, заменяется на раствор ЛСМ, или сырьевых материалов или МА
Подобная конструкция, обладает следующими преимуществами.
- Нет необходимости устанавливать во внутреннем объеме ВК модули бланкета со своей системой охлаждения, креплениями и т.п. Конструкция бланкета упрощается;
- Упрощается система перегрузки бланкета. Отбор части раствора для выделения из него трития, делящихся изотопов или продуктов деления, как и подпитку бланкета свежим растворов можно производить непрерывно;
- Слой раствора покрывает практически всю поверхность ВКБ (за исключением технологических портов), т.е. практически все нейтроны из плазмы попадают в раствор;
- Отсутствие бланкета, находящегося во внутреннем объеме ВК, позволяет увеличить расстояние между внутренней и внешней оболочками ВКБ (увеличить толщину слоя раствора без увеличения размеров внешней оболочки ВКБ и тем самым увеличить защитные свойства ВКБ и снизить радиационную нагрузку на сверхпроводниковые катушки). При использовании раствора ЛСМ наличие трития в растворе не создаст дополнительной радиационной нагрузки на сверхпроводниковые катушки, т.к. тритий, при распаде дает мягкое бета-излучение.
Заявляемое решение, позволит упростить конструкцию токамака, увеличить количество нарабатываемого трития или делящихся изотопов или количество трансмутируемых МА и не скажется отрицательно на безопасности ДЕМО-ТИН.
Claims (5)
1. Вакуумная камера термоядерного реактора, состоящая из корпуса, образованного внутренней 2 и внешней 3 оболочками, внутрикорпусного объема с металлоконструкциями и циркулирующим теплоносителем, системы циркуляции, состоящей из трубопроводов подвода 5 и отвода 6 теплоносителя, теплообменника 11 и насоса 10, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя используют раствор литийсодержащего материала, или раствор минорных актинидов, или раствор сырьевого материала, система циркуляции содержит отвод с патрубками байпасного отбора 7 части раствора и подачи раствора в систему циркуляции, установленный перед теплообменником 11 на трубопроводе отвода раствора 6.
2. Вакуумная камера термоядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что на внутреннюю оболочку 2 корпуса, со стороны, обращенной к раствору 4, нанесен слой 8 материала, размножающего нейтроны.
3. Вакуумная камера термоядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что во внутреннем объеме корпуса установлен как минимум один модуль внутреннего бланкета 9 с твердыми минорными актинидами.
5. Вакуумная камера термоядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что между внутренней 2 и внешней 3 оболочками корпуса расположена металлическая перегородка 18, делящая внутрикорпусной объем на две независимые камеры, каждая со своим раствором и своей системой циркуляции.
6. Вакуумная камера термоядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что раствор выполнен на основе тяжелой воды.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018143468A RU2695632C1 (ru) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Вакуумная камера термоядерного реактора |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018143468A RU2695632C1 (ru) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Вакуумная камера термоядерного реактора |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2695632C1 true RU2695632C1 (ru) | 2019-07-25 |
Family
ID=67512382
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018143468A RU2695632C1 (ru) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Вакуумная камера термоядерного реактора |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2695632C1 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726940C1 (ru) * | 2020-01-31 | 2020-07-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Вакуумная камера термоядерного реактора |
| RU201966U1 (ru) * | 2020-09-30 | 2021-01-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Вакуумная камера термоядерного реактора с охлаждением наружной оболочки |
| RU203943U1 (ru) * | 2020-11-20 | 2021-04-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Устройство распределения потока теплоносителя во внутрикорпусном объеме вакуумной камеры термоядерного реактора |
| RU205721U1 (ru) * | 2020-07-09 | 2021-07-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Вакуумная камера термоядерного реактора |
| RU207110U1 (ru) * | 2021-04-15 | 2021-10-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Бланкет для трансмутации изотопов |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0277892A1 (fr) * | 1987-01-23 | 1988-08-10 | Novatome | Dispositif de refroidissement d'un réacteur à fusion thermonucléaire et bloc modulaire de garnissage pour la réalisation d'une paroi d'un tel dispositif |
| RU2210819C1 (ru) * | 2002-06-17 | 2003-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А.Доллежаля" | Тритийвоспроизводящий модуль бланкета термоядерного реактора |
| RU2633373C1 (ru) * | 2016-07-21 | 2017-10-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Бланкет термоядерного реактора |
| RU2649854C1 (ru) * | 2017-09-15 | 2018-04-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Модуль бланкета гибридного термоядерного реактора |
-
2018
- 2018-12-07 RU RU2018143468A patent/RU2695632C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0277892A1 (fr) * | 1987-01-23 | 1988-08-10 | Novatome | Dispositif de refroidissement d'un réacteur à fusion thermonucléaire et bloc modulaire de garnissage pour la réalisation d'une paroi d'un tel dispositif |
| RU2210819C1 (ru) * | 2002-06-17 | 2003-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А.Доллежаля" | Тритийвоспроизводящий модуль бланкета термоядерного реактора |
| RU2633373C1 (ru) * | 2016-07-21 | 2017-10-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Бланкет термоядерного реактора |
| RU2649854C1 (ru) * | 2017-09-15 | 2018-04-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Модуль бланкета гибридного термоядерного реактора |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726940C1 (ru) * | 2020-01-31 | 2020-07-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Вакуумная камера термоядерного реактора |
| RU205721U1 (ru) * | 2020-07-09 | 2021-07-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Вакуумная камера термоядерного реактора |
| RU201966U1 (ru) * | 2020-09-30 | 2021-01-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Вакуумная камера термоядерного реактора с охлаждением наружной оболочки |
| RU203943U1 (ru) * | 2020-11-20 | 2021-04-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Устройство распределения потока теплоносителя во внутрикорпусном объеме вакуумной камеры термоядерного реактора |
| RU207110U1 (ru) * | 2021-04-15 | 2021-10-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Бланкет для трансмутации изотопов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2695632C1 (ru) | Вакуумная камера термоядерного реактора | |
| US10304572B2 (en) | Nuclear fission igniter | |
| US8594268B2 (en) | Two-fluid molten-salt reactor | |
| US20090080587A1 (en) | Nuclear fission igniter | |
| US20090080588A1 (en) | Nuclear fission igniter | |
| RU2649854C1 (ru) | Модуль бланкета гибридного термоядерного реактора | |
| US3197376A (en) | Epithermal thorium power-breeder nuclear reactor | |
| Kessler et al. | The risks of nuclear energy technology | |
| US11869677B2 (en) | Breeder blanket for nuclear fusion reactor | |
| Baxter et al. | The application of gas-cooled reactor technologies to the transmutation of nuclear waste | |
| Gluekler | US advanced liquid metal reactor (ALMR) | |
| US4382907A (en) | Liquid metal cooled nuclear reactor | |
| RU2726940C1 (ru) | Вакуумная камера термоядерного реактора | |
| Baranov | An anthology of the distinguished achievements in science and technique. Part 44: Traditional power engineering. Nuclear power stations: retrospective view, state and prospects of their development | |
| Guidez et al. | Proposal of new safety measures for European Sodium Fast Reactor to be evaluated in framework of Horizon-2020 ESFR-SMART project | |
| Petrochenko et al. | SVBR-100 nuclear technology as a possible option for developing countries | |
| RU163388U1 (ru) | Водо-водяной ядерный реактор бассейнового типа для производства изотопов | |
| Zhao et al. | Conceptual Design of a Novel Megawatt Molten Salt Reactor Cooled by He‐Xe Gas | |
| Jin et al. | Preliminary accident analysis of the loss of vacuum in vacuum vessel for the European DEMO HCPB blanket concept | |
| RU2687054C1 (ru) | Ядерный реактор | |
| Kotov et al. | Basic Concepts of a Modular Fast Sodium Reactor with Metallic Fuel | |
| Troyanov et al. | Lead-bismuth cooled reactors: history and the potential of development. Part 2. Prospects for development | |
| Petrochenko et al. | Safety of Future NPPs Must Not Be in Conflict with Economics | |
| TOSHINSKY et al. | REALIZATION OF INHERENT SELF-PROTECTION PRINCIPLES IN THE DESIGN OF SMALL POWER MODULAR REACTOR SVBR-100 | |
| Saez et al. | Passive Complementary Safety Devices for ASTRID severe accident prevention |