RU2710183C2

RU2710183C2 - Device for accident localization in vacuum chamber of thermonuclear reactor

Info

Publication number: RU2710183C2
Application number: RU2018110026A
Authority: RU
Inventors: Борис Васильевич Кутеев; Александр Юрьевич Пашков; Юрий Сергеевич Шпанский
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-12-24
Also published as: RU2018110026A3; RU2018110026A

Abstract

FIELD: nuclear physics.SUBSTANCE: invention relates to thermonuclear engineering, namely, to design of vacuum chamber (VC) and accident localization system (ALS) in thermonuclear reactor of thermo-nuclear reactor or in demonstration thermonuclear source of neutrons (DEMO-TSN). It is possible to use it in any installations where it is possible to form hydrogen and explosive mixture (EM). For this purpose, device is proposed, which includes discharge tank, in which low pressure is maintained, connected by pipelines with safety valves and bursting discs with vacuum chamber, wherein discharge tank is divided horizontally by louvre steam condenser with water cooling, on upper and lower compartments, in lower compartment of discharge capacity there is tubular condenser of steam with water cooling and condensate collector, and in upper compartment is installed at least one getter gas absorber, which includes water cooling system.EFFECT: technical result, on which the proposed technical solution is directed, is to exclude the possibility of accumulating considerable amount of gaseous hydrogen in the VC and ALS after an accident with only water or water flowing into the VC and air breakthrough.1 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к термоядерной технике, а именно, к конструкции системы локализации аварии (СЛА) в вакуумной камере (ВК), которая предназначена также для локализации аварий в системе нейтральной инжекции (СНИ) термоядерного реактора (ТЯР) или демонстрационного термоядерного источника нейтронов (ДЕМО-ТИН). Возможно ее использование в любых установках, где существует возможность образования водорода и гремучей смеси (ГС). В дальнейшем будем говорить об установке ДЕМО-ТИН.The invention relates to thermonuclear technology, namely, to the design of an accident localization system (ALS) in a vacuum chamber (VC), which is also intended to localize accidents in a neutral injection system (SNI) of a thermonuclear reactor (TNR) or a demonstration thermonuclear neutron source (DEMO TIN). It can be used in any installations where there is the possibility of the formation of hydrogen and an explosive mixture (HS). In the future, we will talk about installing DEMO-TIN.

Уровень техникиState of the art

Рассматриваем аварии только в ВК, т.к. аварии в СНИ развиваются по аналогичным сценариям.We consider accidents only in VK, because accidents in SNI develop according to similar scenarios.

При анализе аварий с разгерметизацией системы водяного охлаждения элементов во внутреннем объеме ВК (далее будем говорить просто в ВК) рассматриваются два основных сценария.When analyzing accidents with depressurization of a water cooling system of elements in the internal volume of a VK (hereinafter we will simply say in VK) two main scenarios are considered.

Разгерметизация (разрыв трубопровода) любой из систем водяного охлаждения первой стенки, дивертора, бланкета сопровождается истечением воды в ВК и ее испарением. При этом прекращается термоядерная реакция, ВК заполняется паром. Если разрыв трубопровода односторонний, то происходит истечение воды из него, но не происходит сообщения ВК с помещениями, заполненными воздухом. Подобный сценарий аварии для краткости обозначим "истечение".Depressurization (rupture of the pipeline) of any of the water cooling systems of the first wall, divertor, blanket is accompanied by the outflow of water in the VK and its evaporation. In this case, the thermonuclear reaction stops, the VC is filled with steam. If the pipeline rupture is one-sided, water flows out of it, but VK does not communicate with rooms filled with air. For brevity, a similar accident scenario is denoted by “expiration”.

Если разрыв трубопровода происходит в двух местах, и один из разрывов находится в ВК, а другой в помещении, заполненном воздухом, то происходит истечение воды из участка трубопровода между разрывами. После истечения воды возможен прорыв воздуха в ВК, если давление парогазовой смеси в ней не превысит атмосферное. Сценарий аварии с прорывом воздуха в ВК обозначим "прорыв".If the rupture of the pipeline occurs in two places, and one of the ruptures is in the VC, and the other in a room filled with air, then water flows from the section of the pipeline between the ruptures. After water expiration, air may break through into the VC if the pressure of the gas-vapor mixture in it does not exceed atmospheric pressure. The scenario of an accident with a breakthrough of air in the VC is designated as a “breakthrough”.

Сценарии аварий "истечение" и "прорыв" (далее говорим просто авария) в установках токамак (в частности, ИТЭР) неоднократно рассматривались в ходе работ по обеспечению их безопасности и определению максимальной проектной аварии. Опасность подобных аварий в установке ДЕМО-ТИН обусловлена тем, что в существующих проектах, в частности (Азизов Э.А. и др. "Токамак ДЕМО-ТИН: концепция электромагнитной системы и вакуумной камеры". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, 2015, т. 38, вып. 2, с. 5) обращенные к плазме поверхности первой стенки и/или дивертора будут покрыты бериллием или вольфрамом, взаимодействие пара с которыми сопровождается образованием водорода.The “expiration” and “breakthrough” accident scenarios (hereinafter referred to simply as an accident) in tokamak installations (in particular, ITER) were repeatedly considered during the work to ensure their safety and determine the maximum design basis accident. The danger of such accidents in the DEMO-TIN installation is due to the fact that in existing projects, in particular (E. Azizov and others. "Tokamak DEMO-TIN: the concept of an electromagnetic system and a vacuum chamber." Issues of Atomic Science and Technology, Thermonuclear Fusion Series 2015, v. 38, issue 2, p. 5) the surfaces of the first wall and / or divertor facing the plasma will be coated with beryllium or tungsten, the interaction of steam with which is accompanied by the formation of hydrogen.

Следует отметить, что в случае аварии по сценариям "истечение" и/или "прорыв" в ВК образуется газообразный водород даже без протекания паро-бериллиевой и паро-вольфрамовой реакции. Значительное количество водорода (несколько сот грамм дейтерия и трития) наморожено на поверхностях криогенных насосов и панелей в системе вакуумной откачки и при их отеплении в случае контакта с паром или воздухом поступит в ВК.It should be noted that in the event of an accident according to the “outflow” and / or “breakthrough” scenarios, hydrogen gas is formed in the VC even without the steam-beryllium and steam-tungsten reactions. A significant amount of hydrogen (several hundred grams of deuterium and tritium) is frozen on the surfaces of cryogenic pumps and panels in the vacuum pumping system and, when they are heated, will come into the VC if it comes in contact with steam or air.

При реализации сценария "прорыв" существует опасность образования ГС как в ВК, так и вне ее, в здании токамака.In the implementation of the “breakthrough” scenario, there is a danger of the formation of HS both in the VK and outside it, in the tokamak building.

Еще одним источником образования ГС может служить СНИ, где дейтерий и тритий так же наморожены на поверхностях криогенных насосов и панелей. При их отеплении в случае прорыва воздуха образуется ГС.Another source of HS formation can be SNI, where deuterium and tritium are also frozen on the surfaces of cryogenic pumps and panels. When they are heated, in the event of an air breakthrough, a HS is formed.

Один из возможных сценариев аварии с образованием водорода в ВК ДЕМО-ТИН рассмотрен в (Колбасов Б.Н. "Максимальная проектная авария термоядерного источника нейтронов ДЕМО-ТИН". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, вып. 3, 2014, стр. 31); описана СЛА, принятая за прототип, включающая в себя трубопроводы с предохранительными клапанами и разрывными мембранами. Трубопроводы соединяют ВК со сбросной емкостью (СЕ), предназначенной для приема парогазовой смеси и в которой установлен бассейн-барботер для конденсации пара. Недостатком данного технического решения является то, что в СЛА не предусмотрено устройство для удаления водорода из СЕ. Во всех случаях, когда существует хотя бы незначительное количество газообразного водорода, существует и опасность образования и взрыва ГС.One of the possible scenarios of an accident with the formation of hydrogen in VC DEMO-TIN is considered in (Kolbasov B.N. “Maximum design accident of a thermonuclear neutron source DEMO-TIN.” Issues of Atomic Science and Technology, Thermonuclear Fusion Series, issue 3, 2014, p. . 31); described SLA, adopted for the prototype, which includes pipelines with safety valves and bursting discs. Pipelines connect the VK with a waste tank (CE), designed to receive a vapor-gas mixture and in which a bubbler pool for condensation of steam is installed. The disadvantage of this technical solution is that the ALS does not provide a device for removing hydrogen from CE. In all cases, when there is at least a small amount of gaseous hydrogen, there is also the danger of the formation and explosion of HS.

Из уровня техники известны следующие способы предотвращения накопления водорода в ВК ИТЭР и образования ГС:The following methods are known from the prior art for preventing the accumulation of hydrogen in the ITER VK and the formation of HS:

1. Установка на трубопроводах системы охлаждения дивертора и первой стенки/бланкета отсечных клапанов, чтобы сократить до минимума количество воды и воздуха, которые могут поступить в ВК при разрыве трубопровода;1. Installing on the pipelines the cooling system of the divertor and the first wall / blank of shut-off valves to minimize the amount of water and air that can enter the VC when the pipeline ruptures;

2. Инжекция инертного газа в ВК для уменьшения концентрации в ней водорода и кислорода до уровня ниже нижнего концентрационного предела горения;2. Inert gas injection in the VC to reduce the concentration of hydrogen and oxygen in it to a level below the lower concentration limit of combustion;

3. Применение пассивных каталитических устройств для химического связывания водорода, в частности геттеров-газопоглотителей (ГГ);3. The use of passive catalytic devices for the chemical bonding of hydrogen, in particular getter getters (GH);

4. Сжигание водорода с момента начала его образования и недопущение тем самым образования ГС.4. Burning of hydrogen from the moment of its formation and thereby preventing the formation of HS.

5. Объем СЕ в СЛА задается таким образом, чтобы концентрация водорода в ней не достигала нижнего концентрационного предела горения.5. The CE volume in the ALS is set so that the hydrogen concentration in it does not reach the lower concentration limit of combustion.

Рассмотренные выше способы обладают следующими недостатками:The above methods have the following disadvantages:

1. Отсечные клапаны не могут полностью предотвратить образование водорода в ВК, но усложняют конструкцию установки. При этом в ВК сохраняется водород с отеплившихся криогенных насосов и панелей.1. Shut-off valves cannot completely prevent the formation of hydrogen in the VC, but complicate the design of the installation. At the same time, hydrogen is stored in the VC from the heated cryogenic pumps and panels.

2. Инжекция инертного газа в ВК требует специального устройства для этого, что так же осложняет конструкцию установки. Нет гарантии, что не образуется локальная взрывоопасная концентрация.2. Inert gas injection in the VC requires a special device for this, which also complicates the design of the installation. There is no guarantee that a local explosive concentration will not form.

3. Система для сжигания водорода может не сработать или сработать тогда, когда уже образовалась его взрывоопасная концентрация, т.е. произойдет взрыв, который она должна предотвратить; такую систему сложно установить в ВК.3. The system for burning hydrogen may not work or work when its explosive concentration has already formed, i.e. an explosion will occur, which she must prevent; such a system is difficult to install in VK.

4. ГГ, применяемые для связывания водорода в электронных приборах, не могут быть установлены в ВК ДЕМО-ТИН. В случае их установки там при работе они будут поглощать топливо-газообразные дейтерий и тритий и исчерпают свою сорбционную емкость. Это сделает ГГ неработоспособным после аварии с истечением воды в ВК.4. GH used to bind hydrogen in electronic devices cannot be installed in VK DEMO-TIN. If installed there during operation, they will absorb fuel-gaseous deuterium and tritium and will exhaust their sorption capacity. This will make the GG inoperative after an accident with the outflow of water in the VC.

5. Контейнеры с ГГ, раскрывающиеся после аварии, как это делается под защитной оболочкой ЯР, невозможно установить в ВК из-за недостатка места.5. GG containers that open after an accident, as is done under the protective shell of nuclear weapons, cannot be installed in the VC due to lack of space.

6. Чтобы концентрация водорода в СЕ не достигала нижнего концентрационного предела горения водорода, ее объем должен быть очень большим и ее трудно разместить в установке.6. So that the concentration of hydrogen in CE does not reach the lower concentration limit of hydrogen combustion, its volume must be very large and difficult to place in the installation.

Наилучшим способом предотвращения взрыва ГС, как представляется, будет химическое связывание водорода путем поглощения его ГГ, установленным вне ВК, а именно в СЕ, без возможности накопления водорода в газообразном виде.The best way to prevent a GS explosion, it seems, is to chemically bind hydrogen by absorbing its GH, installed outside the VC, namely in CE, without the possibility of hydrogen accumulation in gaseous form.

В технике для поглощения газов (в частности водорода), поддержания вакуума в приборах или очистки газовых смесей широко используются ГГ различной конструкции (Б.К. Вульф, С.М. Борщевский. "Титан в электронной технике". М., Энергия, 1975).In technology for the absorption of gases (in particular hydrogen), the maintenance of vacuum in devices or the purification of gas mixtures, GGs of various designs are widely used (B.K. Wulf, S.M. Borschevsky. "Titanium in electronic technology". M., Energy, 1975 )

Известна конструкция ГГ для селективной откачки молекулярного водорода из смеси газов в газоразрядном электронном приборе (патент RU №81488 от 2009 г.) ГГ содержит формообразующее тело (ФТ) из поглощающего водород металла и нанесенную на него каталитическую пленку. ФТ выполнено из связывающего водород пористого титана в виде пластины или цилиндра. Каталитическая пленка выполнена из металлического палладия. Пленка из палладия покрывает поверхность ФТ по всей его поверхности, обеспечивая селективность по откачке водорода. Конструкция позволяет повысить сорбционную емкость и эффективность откачки устройства.The known design of the GG for the selective pumping of molecular hydrogen from a mixture of gases in a gas-discharge electronic device (patent RU No. 81488 from 2009) GG contains a shaping body (FT) from a hydrogen absorbing metal and a catalytic film deposited on it. FT is made of hydrogen bonding porous titanium in the form of a plate or cylinder. The catalytic film is made of palladium metal. A palladium film covers the FT surface over its entire surface, providing selectivity for hydrogen pumping. The design allows to increase the sorption capacity and pumping efficiency of the device.

Следует отметить, что в ГГ применяются ФТ двух типов: первого, когда материал ФТ и служит ГГ, и второго, когда материал ФТ служит лишь основой, придающей прочность и жесткость конструкции. В этом случае ГГ крепится к ФТ. В рассматриваемом патенте применено ФТ первого типа.It should be noted that two types of FT are used in GGs: the first, when the FT material serves as the GG, and the second, when the FT material serves only as the basis that gives the strength and rigidity of the structure. In this case, the GG is attached to the FT. In the patent in question, FT of the first type is applied.

Известна конструкция ГГ для селективной откачки молекулярного водорода из смеси газов в газоразрядном электронном приборе (патент RU №168280 от 2017 г.). ГГ включает в себя ФТ второго типа в виде пластины или цилиндра из палладия, содержащих металл, связующий водород (титан или титановый сплава), отличающееся тем, что микрочастицы металла, связующего водород, распределены в объеме беспористого ФТ (матрице), выполненной из металлического палладия.A known GG design for the selective pumping of molecular hydrogen from a mixture of gases in a gas-discharge electronic device (patent RU No. 168280 from 2017). GG includes a FT of the second type in the form of a plate or cylinder made of palladium containing a metal, a hydrogen binder (titanium or titanium alloy), characterized in that the microparticles of the metal, a hydrogen binder, are distributed in the volume of non-porous FT (matrix) made of palladium metal .

Технический результат заключается в повышении сорбционной емкости, эффективности откачки и повышении прочности устройства.The technical result consists in increasing the sorption capacity, pumping efficiency and increasing the strength of the device.

Известно устройство для удаления водорода из газовой смеси, содержащей водород и кислород, в особенности при авариях ЯР (патент RU №2012392 от 1994 г.), состоящее из одного или нескольких герметичных контейнеров в форме ящика, установленных в защитной оболочке ЯР. В контейнере находятся пластины ГГ. В одном из вариантов они соединены в сборку при помощи гибких опор, преимущественно металлических цепей, прикрепленных к крышке контейнера. Размещенные в контейнере направляющие обеспечивают при открытии днища контейнера контрольное выпадение из него сборки пластин ГГ.A device is known for removing hydrogen from a gas mixture containing hydrogen and oxygen, especially during nuclear accidents (patent RU No. 20132392 of 1994), consisting of one or more sealed containers in the form of a box installed in the protective shell of the nuclear reactor. In the container are plates GG. In one embodiment, they are connected to the assembly using flexible supports, mainly metal chains, attached to the lid of the container. The guides placed in the container provide, upon opening the bottom of the container, a control loss of the assembly of GG plates from it.

Днище контейнера открывается преимущественно в зависимости от температуры. В защитной оболочке ЯР наблюдается в случае аварии повышение температуры, которое может служить решающим моментом при открытии контейнера. Различные виды температурных сенсоров, включая биметаллы, подходят в качестве реле для открытия днища контейнера.The bottom of the container opens mainly depending on the temperature. In case of an accident, an increase in temperature is observed in the protective shell of nuclear weapons, which can serve as a decisive moment when opening the container. Various types of temperature sensors, including bimetals, are suitable as relays for opening the bottom of the container.

В другом варианте конструкция сборки пластин ГГ подобна лопастному колесу с центральной осью, на которой расположены отдельные пластины ГГ, способные вращаться о мере надобности с помощью втулок.In another embodiment, the assembly design of the GG plates is similar to a vane wheel with a central axis on which there are individual GG plates that can rotate as needed with bushings.

Возможно расположение пластин ГГ в объеме контейнера в сложенном состоянии, и при открытии контейнера они раскрываются в виде веера.The location of the GG plates in the container volume is possible when folded, and when the container is opened, they open in the form of a fan.

Пластины ГГ выполнены из металла с высокой поглощающей способностью относительно водорода даже при его незначительном парциальном давлении в газовой смеси. Для предотвращения окисления поглощающий металл покрывают защитным слоем, проницаемым для водорода. При этом в качестве защитного слоя можно использовать материал, который действует как катализатор при окислении водорода кислородом с образованием воды. Металл, поглощающий водород, может быть основой конструкции пластин ГГ (ФТ первого типа), а может быть его составной частью (ФТ второго типа).GG plates are made of metal with a high absorption capacity with respect to hydrogen even with its insignificant partial pressure in the gas mixture. To prevent oxidation, the absorbing metal is coated with a protective layer permeable to hydrogen. In this case, as a protective layer, you can use a material that acts as a catalyst in the oxidation of hydrogen by oxygen with the formation of water. Hydrogen-absorbing metal can be the basis for the design of GG plates (FT of the first type), and can be its component (FT of the second type).

К недостатком указанных конструкций ГГ можно отнести то, что пластины ГГ выполнены неохлаждаемыми, хотя известно, что процесс хемосорбции титана является экзотермическим и тепло реакции может разогреть пластины ГГ до такой температуры (более 500°С), при которой начнется выделение водорода из них.A drawback of these GH designs is that the GG plates are made uncooled, although it is known that the titanium chemisorption process is exothermic and the heat of reaction can warm the GG plates to such a temperature (more than 500 ° С) at which hydrogen evolution from them begins.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности и увеличение ресурса установки ДЕМО-ТИН.The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase safety and increase the life of the DEMO-TIN installation.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что исключается возможность накопления в ВК и СЛА газообразного водорода после аварии по сценариям "истечение" и "прорыв" и предотвращается образование и взрыв ГС.The technical result of the claimed invention is that it excludes the possibility of accumulation of hydrogen gas in the VC and ALS after the accident according to the "expiration" and "breakthrough" scenarios and the formation and explosion of the horizontal well is prevented.

Технический результат достигается тем, что предложено устройство, включающее в себя сбросную емкость, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами с предохранительными клапанами и разрывными мембранами с вакуумной камерой, при этом сбросная емкость разделена по горизонтали жалюзийным конденсатором пара с водяным охлаждением, на верхний и нижний отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара с водяным охлаждением и конденсатосборник, а в верхнем отсеке, установлен как минимум один геттер-газопоглотитель, включающий в себя систему водяного охлаждения. В предпочтительном варианте:The technical result is achieved by the fact that a device is proposed that includes a discharge tank in which low pressure is maintained, connected by pipelines with safety valves and bursting membranes to a vacuum chamber, while the discharge tank is horizontally divided by a water-cooled steam louver condenser into an upper and lower compartments, a water-cooled tubular steam condenser and a condensate collector are installed in the lower compartment of the discharge tank, and at least one getter getter including a water cooling system. In a preferred embodiment:

- жалюзийный конденсатор пара с водяным охлаждением, расположен в проеме горизонтальной перегородки.- louvered condenser of steam with water cooling, located in the opening of the horizontal partition.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:The combination of the above essential features leads to the fact that:

исключается возможность накопления в ВК и СЛА газообразного водорода - весь образующийся водород оказывается связанным в ГГ.the possibility of accumulation of gaseous hydrogen in the VC and ALS is excluded - all the generated hydrogen is bound in the GG.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения поясняется фигурами.The invention is illustrated by figures.

На Фиг. 1 приведена схема конструкция СЛА и оборудования, необходимого для реализации предложенного устройства. Цифрами обозначены:In FIG. 1 shows a diagram of the design of the ALS and equipment necessary for the implementation of the proposed device. The numbers indicate:

1 - металлический корпус ВК,1 - metal housing VK,

2 - первая стенка,2 - the first wall,

3 - дивертор,3 - divertor,

4 - сбросные трубопроводы;4 - waste pipelines;

5 - сбросная емкость;5 - discharge capacity;

6 - предохранительный клапан;6 - safety valve;

7 - разрывная мембрана;7 - bursting disc;

8 - трубчатый конденсатор пара;8 - tubular steam condenser;

9 - геттер-газопоглотитель;9 - getter getter;

10 - перегородка;10 - a partition;

11 - жалюзийный конденсатор пара.11 - louvered condenser of steam.

На Фиг. 2 приведена схема конструкции СЕ и находящегося в ней оборудования. Цифрами обозначены:In FIG. Figure 2 shows the design of CE and the equipment located in it. The numbers indicate:

5 - сбросная емкость;5 - discharge capacity;

9 - геттер-газопоглотитель;9 - getter getter;

10 - перегородка;10 - a partition;

11 - жалюзийный конденсатор пара;11 - louvered condenser of steam;

12 - крепления ГГ;12 - GG mounts;

18 - нижний отсек сбросной емкости;18 - lower compartment of the discharge tank;

19 - верхний отсек сбросной емкости;19 - the upper compartment of the discharge tank;

20 - конденсатосборник;20 - condensate collector;

21 - подвод охлаждающей воды в трубчатый конденсатор;21 - supply of cooling water to the tubular condenser;

22 - подвод охлаждающей воды в жалюзийный конденсатор;22 - supply of cooling water to the louvre condenser;

23 - подвод охлаждающей воды в геттер-газопоглотитель.23 - supply of cooling water to the getter getter.

На Фиг. 3 приведена схема одного из вариантов конструкции ГГ, где:In FIG. 3 shows a diagram of one of the design options GG, where:

12 - крепления ГГ;12 - GG mounts;

13 - верхняя пластина-поглотитель (ПП), к которой крепятся остальные ПП;13 - the upper plate-absorber (PP), to which the remaining PP are attached;

14 - пластины-поглотители (ПП)14 - plate-absorbers (PP)

На Фиг. 4 приведен другой вариант конструкции ГГ, где:In FIG. 4 shows another design option GG, where:

12 - крепления ГГ;12 - GG mounts;

14 - пластины-поглотители (ПП);14 - plate-absorbers (PP);

15 - дистанционирующие втулки15 - spacers

На Фиг. 5 приведена схема жалюзийного конденсатора, где:In FIG. 5 shows a diagram of a louver capacitor, where:

16 - изогнутые металлические пластины;16 - curved metal plates;

17 - трубки с охлаждающей водой;17 - tubes with cooling water;

22 - подвод охлаждающей воды в жалюзийный конденсатор.22 - supply of cooling water to the louvre condenser.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполненияThe following is an example of a specific implementation of the device, which does not limit the options for its execution

Заявленное устройство для удаления водорода из газовой смеси, образующейся при авариях типа "истечение" или "прорыв", устанавливается в СЛА ДЕМО-ТИН.The claimed device for removing hydrogen from the gas mixture generated during accidents of the type "expiration" or "breakthrough" is installed in the SLA DEMO-TIN.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых схематически представлена СЛА в ВК и устройство для удаления водорода из газовой смеси.The invention is illustrated in FIG. 1 and 2, which schematically shows the ALS in VK and a device for removing hydrogen from a gas mixture.

СЛА содержит фиг 1 сбросные трубопроводы 4 с предохранительными клапанами 6 и разрывными мембранами 7, которые соединяют ВК 1 со сбросной емкостью (СЕ) 5, в которой поддерживается низкое давление, СЕ 5 включает в себя фиг. 2 перегородку 10 с встроенным жалюзийным конденсатором пара 11 (или жалюзийный конденсатор размещен на всю площадь выполняя роль и конденсатора и перегородки), горизонтально разделяющую емкость на два отсека - нижний 18 и верхний 19. В нижнем отсеке СЕ 5 установлен трубчатый конденсатор пара 8, а в верхнем как минимум один геттер-газопоглотитель 9. Трубчатый конденсатор 8 охлаждается прокачкой воды 21 через его трубки, как это осуществляется в конденсаторах паровых турбин. Жалюзийный конденсатор пара 11 охлаждается прокачкой воды 22 через трубки, к которым приварены металлические пластины. Конденсат пара стекает в конденсатосборник 20, который расположен внизу нижнего отсека СЕ и имеет конструкцию как в паровых турбинах, а затем удаляется. Система водяного охлаждения выбрана как наиболее эффективная и распространенная в технике, но возможно использование другого теплоносителя.The SLA contains FIG. 1 discharge pipes 4 with safety valves 6 and bursting discs 7, which connect the VK 1 to the discharge tank (CE) 5, in which low pressure is maintained, CE 5 includes FIG. 2 a partition 10 with a built-in louvered condenser of steam 11 (or a louvred condenser is placed over the entire area playing the role of a condenser and a partition), horizontally dividing the container into two compartments - the lower 18 and the upper 19. A tubular steam condenser 8 is installed in the lower compartment CE 5, and in the upper one there is at least one getter getter 9. The tubular condenser 8 is cooled by pumping water 21 through its tubes, as is done in condensers of steam turbines. The louvre condenser of steam 11 is cooled by pumping water 22 through tubes to which metal plates are welded. The steam condensate flows into the condensate collector 20, which is located at the bottom of the lower compartment CE and has the design as in steam turbines, and then is removed. The water cooling system was selected as the most efficient and common in technology, but it is possible to use another coolant.

Следует отметить, что в СЕ установлен трубчатый конденсатор пара, а не бассейн-барботер, как это сделано в прототипе. В СЕ необходимо поддерживать низкое давление, чтобы обеспечить разницу давлений в ВК после аварии и в СЕ. Эта разница давлений обеспечивает течение парогазовой смеси из ВК в СЕ.It should be noted that a tubular steam condenser is installed in CE, and not a bubbler pool, as was done in the prototype. In CE, it is necessary to maintain low pressure in order to ensure the pressure difference in VK after an accident and in CE. This pressure difference provides the vapor-gas mixture flow from VK to CE.

Кроме того, низкое давление в СЕ необходимо для обеспечения конденсации пара в ней. Например, при температуре охлаждающей воды в трубчатом конденсаторе t_воды=20-25°С парциальное давление конденсирующегося в нем пара должно быть меньше давления насыщения пара при этом диапазоне температур, т.е.In addition, a low pressure in CE is necessary to ensure vapor condensation in it. For example, at a temperature of cooling water in a tubular condenser t of _water = 20-25 ° C, the partial pressure of the vapor condensing in it should be less than the vapor saturation pressure in this temperature range, i.e.

p_пара≤p_s=6-7 кПа.p _steam ≤p _s = 6-7 kPa.

Использование бассейна-барботера с открытой поверхностью в СЕ для конденсации пара в его воде нежелательно - при сбросе пара возможно кипение воды.The use of a bubbler pool with an open surface in CE for condensation of steam in its water is undesirable - when the steam is released, boiling water is possible.

При аварии с истечением воды в ВК 1 вода будет интенсивно испаряться и начнется взаимодействие пара с бериллиевой и/или вольфрамовой пылью, которая будет находиться на первой стенке 2 или в области дивертора 3.In the event of an accident with the outflow of water in VK 1, the water will intensively evaporate and steam will begin to interact with beryllium and / or tungsten dust, which will be on the first wall 2 or in the area of the divertor 3.

Экзотермическая паро-бериллиевая реакцияExothermic steam-beryllium reaction

сопровождается образованием водорода.accompanied by the formation of hydrogen.

Реакция вольфрама с паром так же сопровождается образованием водородаThe reaction of tungsten with steam is also accompanied by the formation of hydrogen

Увеличение количества пара и водорода вызовет рост давления в ВК 1, которая соединена двумя сбросными трубопроводами 4 с проходным сечением ~ 0,1 м² со СЕ (5) объемом ~ 1200 м³, в которой поддерживается вакуум. СЕ 5 представляет собой металлический бак, конструкция которого должна обеспечивать прием всего количества паро-водородной смеси, которая может образоваться в ВК 1, полную конденсацию пара и недопущение образования и взрыва ГС в ней.An increase in the amount of steam and hydrogen will cause an increase in pressure in VK 1, which is connected by two waste pipelines 4 with a through section of ~ 0.1 m ² with CE (5) with a volume of ~ 1200 m ³ , in which vacuum is maintained. CE 5 is a metal tank, the design of which should ensure the reception of the entire amount of the steam-hydrogen mixture that can form in VK 1, complete condensation of the vapor and the prevention of the formation and explosion of HS in it.

В проеме перегородки 10, разделяющей верхний 19 и нижний 18 отсеки СЕ 5, установлен жалюзийный конденсатор пара 11. Возможна конструкция, когда перегородка 10 отсутствует, и СЕ 5 разделяется на отсеки только жалюзийным конденсатором 11.In the opening of the partition 10 dividing the upper 19 and lower 18 compartments CE 5, a louvered steam condenser 11 is installed. A design is possible when the partition 10 is absent and CE 5 is divided into compartments only by a louvered capacitor 11.

На сбросных трубопроводах 4 установлены предохранительные клапаны 6. При повышении давления в ВК до ~ 94 кПа (абс.) предохранительные клапаны 6 открываются и пароводородная смесь поступает в нижний отсек 18 СЕ 5, где происходит конденсация пара в трубчатом конденсаторе 8, а затем конденсат поступает в конденсатосборник 20.Safety valves 6 are installed on the discharge pipelines 4. When the pressure in the VK increases to ~ 94 kPa (abs.), The safety valves 6 open and the steam-hydrogen mixture enters the lower compartment 18 CE 5, where the condensation of the vapor occurs in the tubular condenser 8, and then the condensate flows to the condensate collector 20.

ВК 1 оборудована также двумя разрывными мембранами 7 площадью около 1 м² каждая. Если предохранительные клапаны 6 не срабатывают и рост давления паро-водородной смеси продолжается, то при достижении в ВК давления ~ 150 кПа (абс.) разрываются мембраны 7 и паро-водородная смесь поступает в нижний отсек 18 СЕ 5, где происходит конденсация пара в трубчатом конденсаторе 8, а затем конденсат поступает в конденсатосборник 20.VK 1 is also equipped with two bursting membranes 7 with an area of about 1 m ² each. If the safety valves 6 do not work and the pressure of the steam-hydrogen mixture continues to increase, then when the pressure in the VC reaches ~ 150 kPa (abs.), The membranes 7 break and the steam-hydrogen mixture enters the lower compartment 18 CE 5, where the vapor is condensed in the tubular condenser 8, and then the condensate enters the condensate collector 20.

Конструктивное решение ГГ может быть различным:The constructive solution of the GG can be different:

- в СЕ устанавливается сборка из пластин ГГ с большой площадью поверхности;- in CE, an assembly of GG plates with a large surface area is installed;

- в СЕ устанавливаются несколько емкостей, заполненных таблетками из пористого титана (промышленные титановые геттеры выпускаются в виде таблеток);- several containers filled with porous titanium tablets are installed in CE (industrial titanium getters are produced in the form of tablets);

- внутренняя поверхность СЕ и/или сбросных трубопроводов облицована пластинами ГГ;- the inner surface of the CE and / or waste pipelines is lined with GG plates;

- в СЕ устанавливается комбинация из вышеперечисленных устройств.- A combination of the above devices is installed in CE.

Главное в конструкции ГГ - обеспечить возможность поглощения максимального количества водорода из поступающей в СЕ парогазовой смеси. Следовательно, площадь контакта ГГ с парогазовой смесью должна быть максимальной.The main thing in the design of the GG is to provide the ability to absorb the maximum amount of hydrogen from the vapor-gas mixture entering the CE. Therefore, the contact area of the GG with the gas-vapor mixture should be maximum.

В дальнейшем, в качестве примера, будем рассматривать ГГ из пластин, покрытых пористым титаном. На поверхность титана нанесена палладиевая пленка.In the future, as an example, we will consider the GG from plates coated with porous titanium. A palladium film is deposited on the surface of titanium.

В конструкции ГГ желательно использовать ФТ второго типа для придания прочности и жесткости конструкции, т.к. она будет подвергаться механическим нагрузкам при аварии в ВК.In the GG design, it is desirable to use FT of the second type to give strength and rigidity to the structure, because it will be subjected to mechanical stress during an accident in VK.

Возможные варианты установки ГГ.Possible installation options GG.

С помощью креплений - металлических труб - 12 ГГ, представленный на фиг. 3, устанавливается в верхнем отсеке 19 СЕ. Через металлические трубы крепления могут быть пропущены трубопроводы с водой 23 для охлаждения ПП. ПП 14 крепятся к верхней ПП 13 сваркой или болтовыми соединениями. ПП включает в себя ФТ второго типа, обеспечивающее прочность и жесткость всей конструкции. ФТ состоит из двух скрепленных между собой параллельных металлических панелей, расстояние между которыми 10-20 мм. Между этими панелями, соприкасаясь с ними, находятся трубопроводы с охлаждающей водой (на схеме не показаны). На наружной поверхности панелей закреплены пластины из губчатого титана. Аналогично выполнена верхняя ПП 13. Охлаждение ПП необходимо, т.к. процесс сорбции водорода титаном является экзотермическим, и ПП может разогреться до температуры, делающей невозможной сорбцию водорода и снижающей прочность конструкции.Using fasteners - metal pipes - 12 GG, shown in FIG. 3, is installed in the upper compartment 19 CE. Pipes with water 23 can be passed through metal fastening pipes to cool the PP. PP 14 are attached to the upper PP 13 by welding or bolted connections. PP includes FT of the second type, providing strength and rigidity of the entire structure. FT consists of two parallel metal panels bonded to each other, the distance between which is 10-20 mm. Between these panels, in contact with them, there are pipelines with cooling water (not shown in the diagram). Titanium sponge plates are fixed to the outer surface of the panels. Similarly, the upper PP 13 is made. Cooling of the PP is necessary, because the process of hydrogen sorption by titanium is exothermic, and the PP can be heated to a temperature that makes hydrogen sorption impossible and reduces the structural strength.

ГГ, представленный на фиг. 4, так же помощью креплений - металлических труб 12 - устанавливается в верхнем отсеке СЕ 5. При необходимости в СЕ может быть установлено несколько ГГ. Через металлические трубы крепления 12 пропущены трубопроводы 23 с охлаждающей водой. Конструкция ПП аналогична той, что представлена на фиг. 3, но в ПП просверлены отверстия с диаметром, превышающим диаметр труб крепления. ПП 14 устанавливаются на крепления так, что трубы крепления проходят через отверстия. Дистанционирующие втулки 15 удерживают ПП от соприкосновения между собой, что обеспечивает большую площадь поверхности конструкции. ПП включает в себя ФТ второго типа, обеспечивающее прочность и жесткость всей конструкции. ФТ состоит из двух скрепленных между собой параллельных панелей, между которыми находятся трубопроводы с охлаждающей водой (на схеме не показаны). На наружной части панелей закреплены пластины из губчатого титана. ГГ состоит из отдельных пластин-поглотителей (ПП), собранных в компактную конструкцию. Возможны различные варианты размещения ПП относительно друг друга, два из них представлены на фиг. 3 и 4.The GG shown in FIG. 4, also using fasteners - metal pipes 12 - is installed in the upper compartment of CE 5. If necessary, several GGs can be installed in CE. Through the metal pipes of the fastening 12, pipelines 23 with cooling water are passed. PP design is similar to that shown in FIG. 3, but holes with a diameter exceeding the diameter of the fastening pipes were drilled in the PP. PP 14 are mounted on the mounts so that the mount pipes pass through the holes. The spacer sleeves 15 keep the PP from contacting each other, which provides a large surface area of the structure. PP includes FT of the second type, providing strength and rigidity of the entire structure. FT consists of two parallel panels fastened together, between which there are pipelines with cooling water (not shown in the diagram). Titanium sponge plates are fixed to the outside of the panels. GG consists of separate absorbent plates (PP), assembled in a compact design. Various options for the placement of PP relative to each other are possible, two of which are shown in FIG. 3 and 4.

Геттер может быть выполнен в виде охлаждаемого контейнера, заполненного таблетками из губчатого титана, а поверхность титана покрыта слоем палладия, может быть выполнен в виде пластин из губчатого титана, покрывающих охлаждаемую внутреннюю поверхность верхнего отсека сбросной емкости, причем поверхность титана покрыта слоем палладия.The getter can be made in the form of a cooled container filled with sponge titanium tablets, and the titanium surface is covered with a palladium layer, can be made in the form of sponge titanium plates covering the cooled inner surface of the upper compartment of the waste tank, and the titanium surface is covered with a palladium layer.

Жалюзийный конденсатор 11, представленный на Фиг. 5, устанавливается в проеме перегородки 10, разделяющей верхний 19 и нижний 18 отсеки СЕ 5.The louvre capacitor 11 shown in FIG. 5, is installed in the opening of the partition 10 separating the upper 19 and lower 18 compartments CE 5.

Металлические плоскости жалюзийного конденсатора 16 приварены к трубкам 17, через которые прокачивается охлаждающая вода 22.The metal planes of the louvre condenser 16 are welded to the tubes 17 through which cooling water 22 is pumped.

Остаточный пар, который не сконденсировался в трубчатом конденсаторе 8, конденсируется на охлаждаемых металлических плоскостях 16, жалюзийного конденсатора 11, а вода стекает вниз, в конденсатосборник 20. Тем самым исключается поступление пара в ГГ 9, что снизило бы его сорбционную емкость.The residual steam, which has not condensed in the tubular condenser 8, condenses on the cooled metal planes 16, the louvre condenser 11, and the water flows down into the condensate collector 20. This prevents the entry of steam into the GG 9, which would reduce its sorption capacity.

Подобная конструкция жалюзийного конденсатора выбрана для того, чтобы добиться полной конденсации пара в нем. При течении паро-водородной смеси между плоскостями 16, изогнутыми под углом, поток смеси будет непрерывно соприкасаться с охлаждаемыми плоскостями, что будет способствовать его полной конденсации, а водород через проходы между металлическими плоскостями 16 беспрепятственно поступает в верхний отсек 19 СЕ 5 и связывается в ГГ 9.A similar design of the louvred condenser was chosen in order to achieve complete condensation of the vapor in it. During the flow of the steam-hydrogen mixture between the planes 16, bent at an angle, the mixture flow will continuously come into contact with the cooled planes, which will contribute to its complete condensation, and hydrogen through the passages between the metal planes 16 freely enters the upper compartment 19 CE 5 and binds to the GG 9.

ГГ характеризуется двумя величинами:GG is characterized by two values:

S_гет - полная площадь поверхности, поглощающей водород, м².S _get - the total surface area absorbing hydrogen, m ² .

М_гет - полная масса вещества (в нашем случае губчатого титана), поглощающего водород, кг.M _get - the total mass of the substance (in our case, sponge titanium), absorbing hydrogen, kg

Составные части предлагаемого устройства с ГГ просты и не вызывают сложностей при установке их в СЕ, а затраты при установке минимальны. В дальнейшем будем рассматривать вариант ГГ, представленный на фиг. 3.The components of the proposed device with GG are simple and do not cause difficulties when installing them in CE, and the installation costs are minimal. In what follows, we will consider the GG variant shown in FIG. 3.

ГГ всегда находится в рабочем состоянии и не нуждается в каких-либо дополнительных приспособлениях для его активации. Размещение ГГ в СЕ приводит к тому, что при отсутствии аварий он не оказывает никакого влияния на работу установки ДЕМО-ТИН.GG is always in working condition and does not need any additional devices for its activation. The placement of the GG in CE leads to the fact that in the absence of accidents it does not have any effect on the operation of the DEMO-TIN installation.

Принципиальная возможность создания и эффективность устройства подобной конструкции подтверждается расчетом.The fundamental possibility of creating and the effectiveness of a device of a similar design is confirmed by calculation.

Физические основы работы ГГ.Physical basis of the work of the GG.

Предварительно прокаленный в вакууме титан (такой металл обладает максимальной поглощающей способностью) активно взаимодействует с водородом уже при комнатной температуре (В.К. Вульф и др. "Титан в электронной технике". М., Энергия, 1975). Процесс поглощения газа или пара твердым телом независимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газа на поверхности твердого тела - адсорбцией. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Энергия взаимодействия молекул газа с поверхностью при физической адсорбции значительно меньше, чем при хемосорбции.Titanium preliminarily calcined in vacuum (such a metal has the maximum absorption capacity) actively interacts with hydrogen even at room temperature (V.K. Wulf et al. "Titanium in electronic technology". M., Energia, 1975). The process of absorption of a gas or vapor by a solid, regardless of whether it occurs on the surface or in the volume of a solid, is called sorption, and the process of absorption of gas on a surface of a solid is called adsorption. Distinguish between physical adsorption and chemisorption. The interaction energy of gas molecules with the surface during physical adsorption is much less than during chemisorption.

С ростом температуры скорость поглощения водорода титаном возрастает, но увеличивается и скорость выделения водорода из титана. При температуре около 500°С за несколько секунд возникает равновесие между количеством поглощенного и выделяющегося в титане водорода. Экспериментально установлено, что в диапазоне температур 20-500°С 1 г титана способен поглотить ~ 400 см³ водорода, находящегося при температуре 0°С и давлении 10⁵ Па. Удельная масса поглощенного водорода при таких условиях составляет c_m ~ 3,6⋅10^-2 г/г титана.With increasing temperature, the rate of hydrogen absorption by titanium increases, but the rate of hydrogen evolution from titanium also increases. At a temperature of about 500 ° C in a few seconds there is an equilibrium between the amount of hydrogen absorbed and released in titanium. It was experimentally established that in the temperature range of 20-500 ° C, 1 g of titanium is able to absorb ~ 400 cm ^{3 of} hydrogen at a temperature of 0 ° C and a pressure of 10 ⁵ Pa. The specific mass of absorbed hydrogen under such conditions is c _m ~ 3.6 · 10 ^-2 g / g of titanium.

Титан образует с водородом гидриды (TiH и TiH₂), которые при нагревании разлагаются с выделением водорода. Необходимо обеспечить, чтобы температура ГГ в СЕ ни при каких условиях не достигала значений, при которых начинается интенсивное разложение гидридов титана, и тогда водород в ГГ будет надежно связан.Titanium forms hydrides with hydrogen (TiH and TiH ₂ ), which decompose upon heating to produce hydrogen. It is necessary to ensure that the temperature of the GH in CE does not, under any conditions, reach the values at which intensive decomposition of titanium hydrides begins, and then the hydrogen in the GG will be reliably bound.

Способность ГГ поглощать водород характеризуется следующими величинами (внесистемные единицы, используемые в литературе, при расчетах будут переведены в единицы СИ):The ability of a GH to absorb hydrogen is characterized by the following quantities (the off-system units used in the literature will be converted to SI units during calculations):

u_s или u_m - удельная скорость сорбции на единицу поверхности см³/(с⋅см²) или на единицу массы - см³/(с⋅мг).u _s or u _m is the specific sorption rate per surface unit cm ³ / (s⋅cm ² ) or per unit mass - cm ³ / (s⋅mg).

U_s=u_s⋅S_гет - полная скорость сорбции ГГ, отнесенная к его поверхности, см³/с.U _s = u _s ⋅ _S _get - the total rate of GH sorption, referred to its surface, cm ³ / s.

U_m=u_m⋅M_гет - полная скорость сорбции ГГ, отнесенная к его весу, см³/с.U _m = u _m ⋅ M _get - the total rate of sorption of GH, referred to its weight, cm ³ / s.

c_s=W/S_гет - удельная сорбционная емкость на единицу поверхности ГГ, (м³⋅Па)/см².c _s = W / S _get - specific sorption capacity per unit surface of GG, (m ³ ⋅Pa) / cm ² .

W - приведенный объем водорода, поглощенный ГГ, (м³⋅Па). (м³⋅Па) - внесистемная условная единица - количество газа, заключенное в объеме 1 м³ при давлении 1 Па и температуре 273 К (Л.Н. Розанов "Вакуумная техника", М., Высшая школа, 1990). Пересчитать количество поглощенного водорода из (м³⋅Па) в кг можно по соотношениюW is the reduced volume of hydrogen absorbed by the GG (m ³ ⋅ Pa). (m ³ ⋅Pa) - a non-systematic conventional unit - the amount of gas enclosed in a volume of 1 m ³ at a pressure of 1 Pa and a temperature of 273 K (L.N. Rozanov "Vacuum technology", M., Higher school, 1990). You can recalculate the amount of absorbed hydrogen from (m ³ ⋅Pa) in kg by the ratio

М_возд - молекулярный вес воздуха - 29 кг/кмоль;M _air - molecular weight of air - 29 kg / kmol;

М_вод - молекулярный вес водорода. Считаем М_вод=2 кг/кмоль, т.к. по оценкам количество водорода (протия), полученного по реакциям (1) и (2) будет значительно больше, чем количество дейтерия и трития из отеплившихся криогенных насосов и панелей. По (3) 1 м³⋅Па=9⋅10^-7 кг водорода.M _water is the molecular weight of hydrogen. We consider M _water = 2 kg / kmol, because according to estimates, the amount of hydrogen (protium) obtained by reactions (1) and (2) will be significantly larger than the amount of deuterium and tritium from the heated cryogenic pumps and panels. According to (3) 1 m ³ ⋅Pa = 9⋅10 ^-7 kg of hydrogen.

c_m=W/M_гет - удельная сорбционная емкость (удельная масса поглощенного водорода) на единицу массы ГГ, (м³⋅Па)/г или г/г.c _m = W / M _get - specific sorption capacity (specific mass of absorbed hydrogen) per unit mass of GH, (m ³ ⋅ Pa) / g or g / g.

В стационарных условиях работы ГГIn stationary conditions of the GG

Р_вод=Ф/U, гдеP _water = F / U, where

Р_вод - парциальное давление водорода в ГГ, Па;P _water - the partial pressure of hydrogen in GG, Pa;

Ф - скорость поступления водорода в ГГ, (м³⋅Па)/с.Ф is the rate of hydrogen intake in GG, (m ³ ⋅Pa) / s.

U - полная скорость сорбции ГГ, м³/с.U is the total sorption rate of GG, m ³ / s.

Помимо скорости сорбции свойства ГГ характеризуются его сорбционной емкостью, т.е. способностью прочно связывать определенное количество газа.In addition to the sorption rate, the properties of GH are characterized by its sorption capacity, i.e. ability to firmly bind a certain amount of gas.

По мере насыщения ГГ сорбированным газом полная скорость сорбции уменьшается. Считается, что газопоглощение прекращается, когда полная скорость сорбции снижается до 10% от первоначальной.As GH is saturated with sorbed gas, the total sorption rate decreases. It is believed that gas absorption ceases when the total sorption rate decreases to 10% of the original.

Значение W (м³⋅Па) или в кг в этот момент количественно определяет сорбционную емкость ГГ.The value of W (m ³ ⋅Pa) or in kg at this moment quantitatively determines the sorption capacity of GG.

При взаимодействии титана с паро-водородной смесью на поверхности титана происходит его взаимодействие с паром, причем пар разлагается на водород и кислород. Кислород образует на поверхности титана пленку из двуокиси титана TiO₂, а водород распределяется согласно условиям равновесия между его твердым раствором и газовой фазой. Растворение водорода вызывает увеличение объема титана, что приводит к непрерывному разрушению пленки из TiO₂. Защитные свойства образовавшейся на поверхности титана пленки из TiO₂ незначительны, и она не препятствует поглощению водорода из паро-водородной смеси.In the interaction of titanium with a steam-hydrogen mixture on the surface of titanium, it interacts with steam, and the steam decomposes into hydrogen and oxygen. Oxygen forms a film of titanium dioxide TiO ₂ on the surface of titanium, and hydrogen is distributed according to the equilibrium conditions between its solid solution and the gas phase. The dissolution of hydrogen causes an increase in the volume of titanium, which leads to the continuous destruction of the film of TiO ₂ . The protective properties of the TiO ₂ film formed on the titanium surface are insignificant, and it does not interfere with the absorption of hydrogen from the vapor – hydrogen mixture.

Пористый титан, полученный прессованием титанового порошка, имеет более развитую поверхность по сравнению с компактным титаном и лучше поглощает газы (и водород в частности). Скорость сорбции и сорбционная емкость при сравнительно низких температурах 20-200°С больше у пористого титана, чем у компактного титана.Porous titanium obtained by pressing titanium powder has a more developed surface than compact titanium and better absorbs gases (and hydrogen in particular). Sorption rate and sorption capacity at relatively low temperatures of 20-200 ° C are greater for porous titanium than for compact titanium.

Сорбция - процесс экзотермический. При поглощении молекул газа выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физическую и химическую природу (Л.Н. Розанов "Вакуумная техника", М., Высшая школа, 1990). Т.к. процесс взаимодействия водорода с титаном сопровождается химическими превращениями, то имеет место процесс хемосорбции. Удельная энергия взаимодействия при хемосорбции для водорода составляет Е_х _уд=400⋅10⁶ Дж/кмоль = 2⋅10⁸ Дж/кг.Sorption is an exothermic process. When gas molecules are absorbed, the energy of sorption interaction is released, which has a physical and chemical nature (LN Rozanov "Vacuum Technology", M., Higher School, 1990). Because the process of interaction of hydrogen with titanium is accompanied by chemical transformations, then the process of chemisorption takes place. The specific interaction energy during chemisorption for hydrogen is E _x _beats = 400⋅10 ⁶ J / kmol = 2⋅10 ⁸ J / kg.

Пример расчета.Calculation example.

Исходные данные.Initial data.

Длина ГГ (Фиг. 2) L=3 м, ширина d=2 м, высота ПП h=0,5 м. При шаге между ПП Δ=0,1 м их число в ГГ N=L/Δ+1=31. Для одного ГГ общая площадь поверхности, поглощающей водород (включая верхнюю ПП) S_гет1=2⋅d⋅L+2⋅d⋅h⋅N=70 м². При толщине слоя губчатого титана на ПК d_тит=0,01 м объем губчатого титана в ГГ составит V_гет1=S_гет1⋅d_тит=0,7 м³. При его плотности r_тит=3000 кг/м³ масса губчатого титана составит M_гет1=V_гет1⋅r_тит=2100 кг. В CE установлено 4 ГГ.GG length (Fig. 2) L = 3 m, d = 2 m width, PP height h = 0.5 m. At a step between PP Δ = 0.1 m, their number in the GG is N = L / Δ + 1 = 31 . For one GG, the total surface area absorbing hydrogen (including the upper PP) S _get1 = 2⋅d⋅L + 2⋅d⋅h⋅N = 70 m ² . When the thickness of the sponge titanium layer on the PC is d _tit = 0.01 m, the volume of sponge titanium in the GG will be V _get1 = S _get1 ⋅d _tit = 0.7 m ³ . With its density r _tit = 3000 kg / m ^{3, the} mass of sponge titanium will be M _get1 = V _get1 ⋅r _tit = 2100 kg. 4 GG is installed in CE.

Часть внутренней поверхности верхней части СЕ облицована губчатым титаном, ее площадь S_пов=200 м². Масса титана в облицовке составит М_пов=S_пов⋅d_тит⋅r_тит=6000 кг.Part of the inner surface of the upper part of the CE is lined with sponge titanium, its area S _p = 200 m ² . The mass of titanium in the lining will be M _pov = S _pov ⋅d _tit ⋅r _tit = 6000 kg.

Полная площадь поверхности, поглощающей водородTotal hydrogen absorbing surface

S_гет=4S_гет1+S_пов=480 м².S _get = 4S _get1 + S _pov = 480 m ² .

Полная масса губчатого титана в ГГThe total mass of titanium sponge in GG

М_гет=4M_гет1+М_пов=14400 кг.M _get = 4M _get1 + M _pov = 14400 kg.

Количество водорода, которое может образоваться в ВК по реакциям (1) и (2), зависит от множества факторов - массы металлической пыли, массы пара в ВК, размера частиц пыли, температуры реакции и др. Если рассматривать только реакцию (1), то для образования 1 кг водорода с паром должно прореагировать 4,5 кг бериллиевой пыли. Считаем, что ее масса в ВК не превышает 90 кг, тогда максимальное количество водорода в ВК составит М_макс=20 кг.The amount of hydrogen that can be formed in VC by reactions (1) and (2) depends on many factors - the mass of metal dust, the mass of steam in the VC, the particle size of the dust, the reaction temperature, etc. If we consider only reaction (1), then to produce 1 kg of hydrogen with steam, 4.5 kg of beryllium dust should react. We believe that its mass in the VK does not exceed 90 kg, then the maximum amount of hydrogen in the VK is M _max = 20 kg.

Скорость образования водорода так же зависит от множества факторов. Экспериментально установлено (Сорокин С.И., Давыдов Д.А. "Исследование константы скорости реакции при окислении водяным паром компактного и пористого бериллия и бериллиевого порошка". Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, вып. 3-4, 2002, с. 102), что скорость реакции (1) максимальна в начальный период реакции и со временем уменьшается. Для того чтобы вся бериллиевая пыль прореагировала с паром, необходим длительный промежуток времени (до нескольких часов). Средняя скорость образования водорода V_вод при условиях, характерных для ВК, не превышает 50 г/с.The rate of hydrogen production also depends on many factors. It was experimentally established (Sorokin S.I., Davydov D.A. "Study of the reaction rate constant during steam oxidation of compact and porous beryllium and beryllium powder." Issues of Atomic Science and Technology, Thermonuclear Fusion Series, issue 3-4, 2002, p. 102) that the reaction rate (1) is maximum in the initial period of the reaction and decreases with time. In order for all beryllium dust to react with steam, a long period of time (up to several hours) is required. The average rate of hydrogen formation V _water under conditions characteristic of VK does not exceed 50 g / s.

Экспериментально показано, что удельная скорость сорбции u_m и удельная сорбционная емкость с_m так же зависят от множества факторов. В расчетах используем их минимальные значения из известных по литературным данным.It has been experimentally shown that the specific sorption rate u _m and the specific sorption capacity with _m also depend on many factors. In the calculations, we use their minimum values from those known from the literature.

с_m=(7,1±0,2) м³⋅Па/г=6,3 10^-3 г/г.with _m = (7.1 ± 0.2) m ³ ⋅Pa / g = 6.3 10 ^-3 g / g.

u_s - на единицу поверхности - 70 см³/(с⋅см²)=0,7 м³/(с⋅м²)=63 г/(с⋅м²).u _s - per surface unit - 70 cm ³ / (s⋅cm ² ) = 0.7 m ³ / (s⋅m ² ) = 63 g / (s⋅m ² ).

Расчет характеристик ГГ.Calculation of the characteristics of the GG.

При принятых исходных данных W - приведенный объем водорода, который может быть поглощен ГГ, выраженный в кгGiven the initial data, W is the reduced volume of hydrogen that can be absorbed by the GG, expressed in kg

W=с_m М_гет=91 кг.W = s _m M _get = 91 kg.

Полная скорость сорбции ГГ, выраженная в г/сThe total rate of sorption of GG, expressed in g / s

U_s=u_s⋅S_гет=30240 г/с.U _s = u _s ⋅ _S _get = 30 240 g / s.

Таким образом, W значительно превышает максимальную массу водорода, который может образоваться при аварии М_макс=20 кг. Полная скорость сорбции U_s так же значительно превышает возможную скорость образования водорода при аварии V_вод=50 г/с.Thus, W significantly exceeds the maximum mass of hydrogen that can be formed in an accident M _max = 20 kg. The total sorption rate U _s also significantly exceeds the possible rate of hydrogen formation in the accident V _water = 50 g / s.

Следует отметить, что указанные значения с_m и u_s относятся к плотному (компактному) титану, а для пористого титана они будут больше.It should be noted that the indicated values with _m and u _s refer to dense (compact) titanium, and for porous titanium they will be larger.

Это позволяет сделать вывод, что весь образующийся при аварии водород будет связан в ГГ, газообразный водород будет отсутствовать в ВК и СЛА, и образование ГС невозможно.This allows us to conclude that all the hydrogen generated during the accident will be bound in the GG, hydrogen gas will be absent in the VC and ALS, and the formation of the GW is impossible.

Полная энергия хемосорбции для ГГ составитThe total chemisorption energy for GG will be

Е_х=Е_{х уд}⋅М_макс=4⋅10⁹ Дж.E _x = E _{x beats} ⋅M _max = 4⋅10 ⁹ J.

Полная теплоемкость губчатого титана (теплоемкость ФТ не учитываем, что пойдет в запас расчета) в ГГ при его удельной теплоемкостиThe total heat capacity of sponge titanium (the heat capacity of FT does not take into account what will go into the calculation margin) in GG with its specific heat

с_тит=550 Дж/кг⋅°С составитwith _tit = 550 J / kg⋅ ° C will be

С_гет=с_тит⋅М_гет=7,92⋅10⁶ Дж/°С.С _get = s _tit ⋅М _get = 7.92⋅10 ⁶ J / ° С.

При отсутствии охлаждения ПП энергия хемосорбции нагреет ГГ на ΔТ=Е_х/С_гет=505°С, и при исходной температуре 20°С температура ПП может достичь 525°С. При такой температуре начинается выделение водорода из ГГ, что делает необходимым его охлаждение.In the absence of cooling of the PP, the chemisorption energy will heat the GG by ΔТ = Е _х / С _get = 505 ° С, and at the initial temperature of 20 ° С the temperature of the PP can reach 525 ° С. At this temperature, hydrogen evolution from the GH begins, which makes it necessary to cool it.

Claims

1. Устройство для локализации аварий в вакуумной камере термоядерного реактора, включающее в себя сбросную емкость 5, в которой поддерживается низкое давление, соединенную трубопроводами 4 с предохранительными клапанами 6 и разрывными мембранами 7 с вакуумной камерой 1, отличающееся тем, что сбросная емкость разделена жалюзийным конденсатором пара 11 с водяным охлаждением, на верхний 19 и нижний 18 отсеки, в нижнем отсеке сбросной емкости установлен трубчатый конденсатор пара 8 с водяным охлаждением и конденсатосборник 20, а в верхнем отсеке установлен как минимум один геттер-газопоглотитель 9, включающий в себя систему водяного охлаждения.1. Device for localizing accidents in a vacuum chamber of a thermonuclear reactor, including a discharge tank 5, in which a low pressure is maintained, connected by pipelines 4 to safety valves 6 and bursting membranes 7 with a vacuum chamber 1, characterized in that the discharge tank is separated by a louvre condenser water-cooled steam 11, on the upper 19 and lower 18 compartments, in the lower compartment of the discharge tank there is a tubular condenser of steam 8 with water cooling and a condensate collector 20, and in the upper compartment At least one getter getter 9 has been installed, including a water cooling system.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что жалюзийный конденсатор пара 11 с водяным охлаждением расположен в проеме горизонтальной перегородки 10.2. The device according to claim 1, characterized in that the louvered condenser of steam 11 with water cooling is located in the opening of the horizontal partition 10.