способ удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, включающий поддержание вакуума с помощью встроенного криогенного насоса и удаление трудноконденсируемых компонентов с помощью выносного криогенного блока откачки, отличающийся тем, что поток гелия и водорода вводят, используя эффект переконденсации, в криоконденсационный блок откачки, где изотопы водорода конденсируют при более низкой температуре, чем температура криопанели встроенного крионасоса, а изотопы гелия компрегируют, откачивают далее традиционным методом, преимущественно с помощью холодного диффузионного насоса на парах воды, при этом вышеуказанные операции осуществляют путем изменения градиента температуры по ходу движения потока газа, достигаемого за счет понижения давления над жидким гелием и использования энтальпии отходящих паров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после достижения требуемой концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки криоконденсационный блок откачки отсоединяют с помощью вакуумного затвора от термоядерной установки и ступенчато отогревают сначала до температуры сублимации дейтерия, а затем до температуры сублимации трития, при этом процесс сбора изотопов гелия и водорода осуществляют с помощью безмасляных средств откачки, преимущественно с помощью водокольцевого вакуумного насоса.

3. Устройство удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, включающее вакуумный затвор, криоконденсационный блок откачки, холодильную машину и систему сбора газов, отличающееся тем, что криоконденсационный блок откачки собран по меньшей мере из двух криогенных заливных гелиевых насосов, одного холодного диффузионного насоса на парах воды и водокольцевого вакуумного насоса, которые установлены цугом и отделены друг от друга вакуумными затворами, при этом вакуумные объемы заливных гелиевых насосов разделены при помощи мембран на отдельные отсеки, соединенные между собой по газу каналами с малой проводимостью, а их гелиевые ванны гидравлически связаны с компрессором холодильной машины.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что водокольцевой вакуумный насос соединен через вакуумные вентили с каждым гелиевым насосом и реципиентами для сбора изотопов гелия и водорода, при этом криогенные насосы соединены со всасывающей магистралью водокольцевого вакуумного насоса, а реципиенты для сбора удаляемых изотопов гелия и водорода соединены с его выхлопной магистралью.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области управляемого термоядерного синтеза, а именно к способу удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки и устройству для его осуществления.

Данная группа изобретений может быть использована в других областях науки и техники, например, в различных детекторах, использующих жидкий гелий, и технологических установках для получения безмасляного вакуума с заданной концентрацией компонентов газа.

Одно из перспективных направлений современного развития науки и техники относится к решению проблем управляемого термоядерного синтеза. Уже сегодня термоядерные установки, создаваемые для научных исследований, предъявляют самые жесткие требования к вакууму и они будут еще более ужесточаться при создании промышленных реакторов. Одна из центральных вакуумных проблем - проблема удаления газообразных продуктов реакции (He³, H⁴) и остатков топлива (Д, Т) из вакуумного объема токомакареактора за счет ввода в вакуумный объем дополнительных откачивающих диафрагм и формирования в магнитном поле токомака экранирующих плазменных шнуров с СВЧ-нагревом, пересекающих откачивающие диафрагмы специальным образом (1).

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют эффективно использовать его для удаления продуктов синтеза из вакуумного объема термоядерной установки.

К недостаткам этого способа следует отнести сложность его реализации и большие затраты энергии при эксплуатации установки. К тому же он совершенно неприемлем для термоядерных установок других конструкций, например открытых термоядерных ловушек.

Наиболее близким по совокупности признаком в заявляемому способу в группе изобретений является способ того же назначения, предусматривающий удаление изотопов гелия и водорода из вакуумного объема реактора-токомака, в котором криопанели для откачки располагают вне вакуумного объема в специальном корпусе и разносят по азимуту относительно входного патрубка, при этом в пределах телесного угла, образованного векторами скоростей частиц, истекающих из объема реактора, располагают криопанели для откачки изотопов водорода, а вне пределов указанного телесного угла размещают криопанели для откачки гелия, не защищенные изнутри жалюзийными тепловыми экранами (2).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся его низкая эффективность и ненадежность в работе. Эксперименты по сорбции гелия на сконденсированных слоях инертных газов показали, что на одну молекулу гелия требуется по меньшей мере тридцать молекул аргона или другого инертного газа, при этом сорбция легкого изотопа гелия практически исключена. Другим препятствием для эффективного использования вышеуказанного способа является эффект переконденсации, в результате чего предварительно сконденсированные изотопы водорода будут постоянно переконденсироваться на гелиевые панели из-за наличия градиента температуры и прямого воздействия молекул гелия на криоосадок. Следует также отметить, что исползование в качестве сорбента газа с большой молекулярной массой в термоядерных установках весьма нежелательно вследствие высоких энергетических затрат.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретения по совокупности признаков является криогенный конденсационный насос на жидком гелии, в корпусе которого внутри радиационного экрана помещен откачивающий элемент, выполненный в виде сосуда, снабженного трубкой-подвесом и шевронным экраном, при этом в радиационном экране выполнены отверстия, закрытые перфорированным кольцом, а в трубке-подвесе установлен сильфонный вкладыш с экранами и газообразным сорбентом (3).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве нет конструктивных элементов, позволяющих удалять изотопы гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки с большой эффективностью. Так, например, наличие только одного шевронного экрана не позволяет снизить давление в самом насосе при откачке изотопов водорода ниже значения P 110^-5 Па, а переохлаждение жидкого гелия за счет откачки его паров из-за наличия сильфонной трубки с вкладышем практически исключено. Следует также добавить, что компрегирование изотопов гелия в данной конструкции невозможно ввиду наличия отверстий в радиационном экране и отсутствия "холодных" каналов по ходу движения газа.

Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа и устройства для удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключающегося в получении способа эффективного удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки с меньшими энергетическими затратами и улучшенными технико-эксплуатационными параметрами.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретения по объекту-способу достигается известным способом удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, предусматривающим поддержание вакуума с помощью встроенного криогенного насоса и откачку трудноконденсируемых компонентов с помощью выносного криоконденсационного блока. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что поток изотопов гелия и водорода вводят, используя эффект переконденсации, в криоконденсационный блок откачки, где изотопы водорода конденсируют при более низкой температуре, чем температура криопанели встроенного крионасоса, а изотопы гелия компрегируют и откачивают далее традиционным методом, преимущественно, с помощью холодного диффузионного насоса на парах воды, при этом вышеуказанные операции осуществляют путем изменения градиента температуры по ходу движения потока газа, достигаемого за счет понижения давления над жидким гелием и использования энтальпии отходящих паров.

Указанный технический результат достигается также тем, что после достижения требуемой концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки криоконденсационный блок откачки отсоединяют с помощью вакуумного затвора от термоядерной установки и ступенчато отогревают сначала до температуры сублимации дейтерия, а затем до температуры сублимации трития, при этом процесс сбора изотопов гелия и водорода осуществляют с помощью безмасляных средств откачки, преимущественно, с помощью водокольцевого вакуумного насоса.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что известное устройство удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки включает вакуумный затвор, криоконденсационный блок откачки, холодильную машину и систему сбора газов. Особенность заявляемого устройства заключается в том, что криокондесационный блок откачки собран по меньшей мере из двух криогенных заливных гелиевых насосов, одного холодного диффузионного насоса на парах воды и водокольцевого вакуумного насоса, установленных цугом и отделенных друг от друга вакуумными затворами. При этом вакуумные объемы заливных гелиевых насосов разделены мембранами на отдельные отсеки, соединенные между собой по газу каналами с малой проводимостью, а их гелиевые ванны гидравлически связаны с компрессором холодильной машины.

Указанный технический результат достигается также тем, что водокольцевой вакуумный насос параллельно соединен через вакуумные вентили с каждым криогенным заливным гелиевым насосом и реципиентами для сбора изотопов гелия и водорода, при этом вышеназванные криогенные насосы соединены со всасывающей магистралью водокольцевого вакуумного насоса, а реципиенты для сбора изотопов гелия и водорода соединены с его выхлопной магистралью.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки (системы диагностики, контроля параметров и управления агрегатами условно не показаны).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением указанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки предусматривает поддержание вакуума в объеме термоядерной установки с помощью встроенного криогеннного насоса, который охлаждают жидким гелием или специальным рефрижератором. Для удаления трудноконденсируемых продуктов термоядерного синтеза, например изотопов гелия и водорода, в данном способе используют выносной криоконденсационный блок откачки, который подсоединяют через вакуумный затвор к вакуумному объему термоядерной установки и к автономной системе сбора удаляемых изотопов гелия и водорода. При этом поток изотопов гелия и водорода вводят в криоконденсационный блок откачки, используя эффект переконденсации, сущность которого заключается в следующем: в вакуумном объеме создают градиент температуры, в результате чего возникает направленный поток газа, движущийся в направлении понижения температуры, т. е. молекулы газа от более нагретой поверхности движутся к менее нагретой поверхности до тех пор, пока вновь не наступит тепловое равновесие. Для создания градиента температуры в криоконденсационном блоке откачки сначала устанавливают более низкую температуру, чем температура криопанели встроенного криогенного насоса, а затем соединяют последний с вакуумным объемом термоядерной установки. Находящийся в тепловом равновесии газ приходит в движение и вместе с изотопами гелия начинает поступать в криоконденсационный блок откачки. Здесь все десорбированные молекулы, включая изотопы водорода, вновь конденсируются, в то время как изотопы гелия по мере продвижения между криогенными поверхностями криосорбционного блока откачки охлаждаются, а их концентрация возрастает. При попадании изотопов гелия вновь на теплую поверхность скорость их увеличивается, следовательно, возрастает парциальное давление. Таким образом, чередуя процесс охлаждения с процессом отогрева, осуществляют компрегирование изотопов гелия. При этом желательно, чтобы в процессе компрегирования изотопы гелия не встречали на своем пути молекулы с большой молекулярной массой и не сорбировались ими при их конденсации. Удаление скомпрегированных изотопов гелия осуществляют холодным диффузионным насосом на парах воды. Вода не поглощает изотопы гелия и не допускает их сорбцию при повышенной температуре, а ее обратный миграционный поток в вакуумный объем легко сводится к нулю низкой температурой. Градиент температуры по ходу движения газа в данном способе обеспечивают за счет откачки паров гелия из жидкой ванны, используя энтальпию отходящих паров. После понижения концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки до нужного уровня криоконденсационный блок откачки отсоединяют от вакуумного объема термоядерной установки и ступенчато отогревают: сначала до температуры сублимации дейтерия, а затем до температуры сублимации трития. Такой прием отогрева обусловлен наличием четкой корреляции температуры конденсации изотопов водорода с их молекулярной массой. Так, давление паров протия (нормального водорода) при температуре кипения жидкого гелия составляет P10^-5 Па, в то время как давление более тяжелого изотопа - дейтерия при той же температуре составляет уже P10^-8 Па, а для самого тяжелого изотопа - трития эта разница еще больше. При этом авторы данного способа не предусматривают полного разделения изотопов водорода, но не исключают, что смеси, обогащенные тем или другим изотопом, в дальнейшем могут быть использованы с большой эффективностью. По этой причине авторы предлагают раздельную закачку смеси, условно называя эти потоки как поток дейтерия и поток трития. В действительности при сублимации дейтерия в его потоке присутствуют молекулы (НД), а в потоке трития - молекулы (ДТ). Закачку этих смесей в реципиенты осуществляют водокольцевым вакуумным насосом, который по условиям работы хорошо согласуется с холодным диффузионным насосом на парах воды и эффективно работает в режиме нагнетания. Правильно выбранные градиент температуры и временной интервал обеспечивают высокую эффективность удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки заявляемым способом, а простота и надежность в эксплуатации гарантируют ему коммерческую применимость в промышленности.

Для осуществления заявленного способа предлагается устройство для удаления изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки. Данное устройство включает криоконденсационный блок откачки 1, подсоединенный через вакуумный затвор 2 к вакуумному объему термоядерной установки, включающей встроенный криогенный насос 4, холодильную машину 5 и систему сбора газов 6. В состав криоконденсационного блока откачки 1 входят два криогенных заливных гелиевых насоса 7, 8, выполненных по одной схеме, холодный диффузионный насос 9 на парах воды и водокольцевой вакуумный насос 10. Перечисленные насосы 7, 8, 9, 10 установлены цугом (т.е. выхлоп одного соединен по газу со всасывающим патрубком другого и т.д.) и отделены друг от друга с помощью вакуумных затворов 11, 12, 13. Вакуумные объемы заливных гелиевых насосов 7, 8 разделены мембранами 14, 15 на отсеки, соединенные между собой по газу каналами 16 с малой проводимостью. Гелиевые ванны 16, 18 криогенных насосов 7, 8 гидравлически связаны через вакуумные вентили 19, 20 и компрессор 21 с холодильной машиной 5. При этом на всасывающей магистрали водокольцевого вакуумного насоса 10 установлены дополнительные вакуумные вентили 22, 23, через которые он соединен с выхлопными патрубками криогенных насосов 7, 8, а на выхлопной магистрали водокольцевого вакуумного насоса 10 установлены запорные вентили 24, 25, соединяющие его с атмосферой и реципиентами для сбора изотопов гелия 26, дейтерия 27 и трития 28. Система управления и система контроля условно не показаны.

Заявленное устройство работает следующим образом.

В исходном положении все агрегаты обесточены, вакуумные затворы и вентили закрыты, объемы для криогенных жидкостей не заполнены. Перед запуском устройства проводят подготовительный цикл, включающий следующие операции. Открывают вентиль 24 и запускают водокольцевой вакуумный насос 10, затем поочередно открывают вакуумные вентили 22, 23 и вакуумный затвор 13. После достижения требуемого вакуума вентили 22, 23 закрывают, а в холодный диффузионный насос 9 заливают жидкий азот и подают электрическую энергию. Далее запускают холодильную машину 5, а в случае использования вместо нее сжиженного гелия подготавливают сливные магистрали. После выхода холодного диффузионного насоса 9 на рабочий режим открывают вакуумные затворы 11, 12 и производят дальнейшее вакуумирование криогенных насосов 7, 8. Одновременно открывают вакуумные вентили 19 и наполняют гелиевые ванны 17, 18 газообразным гелием. При достижении требуемого давления в вакуумном объеме криогенных насосов в них заливают жидкий азот, а затем открывают вентиль 20 и заполняют жидким гелием криогенные насосы 7, 8. На этом подготовительный цикл заканчивается. В таком режиме устройство находится до тех пор, пока не поступит сигнал о наличии предельной концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки. С получением сигнала включают компрессор 21 и производят предварительное вакуумирование жидких ванн 17, 18 криогенных насосов 7, 8. Причем температуру жидкого гелия в гелиевой ванне 17 поддерживают на более низком уровне, чем температура криопанелей встроенного криогенного насоса 4. Температуру гелиевой ванны 18 поддерживают на 1-2^oC ниже температуры жидкого гелия в ванне 17. Разницу температур обеспечивают за счет изменения скорости откачки паров из гелиевых ванн 17, 18 посредством регулируемых вакуумных вентилей 19, 20 и компрессора 21. При достижении требуемых температур вакуумный затвор 2 открывают и соединяют криоконденсационный блок откачки 1 с вакуумным объемом 3 термоядерной установки, при этом вакуумный вентиль 24 закрывают, открывают вентиль 25 и соединяют водокольцевой вакуумный насос 10 с реципиентом 26 для сбора изотопов гелия. После уменьшения концентрации изотопов гелия в вакуумном объеме термоядерной установки до соответствующего уровня криоконденсационный блок откачки 1 вновь отсоединяют посредством вакуумного затвора 2 и отогревают. При этом сначала отогревают криогенные насосы 7, 8 до температуры сублимации дейтерия, одновременно отсоединяют реципиент 26 для изотопов гелия и подсоединяют реципиент 27 для дейтерия. После удаления дейтерия насосы 7, 8 отогревают до температуры сублимации трития, реципиент 27 для дейтерия перекрывают, а реципиент 28 для трития открывают. После сбора трития все реципиенты перекрывают, а криогенные насосы 7, 8 и холодный диффузионный насос 9 отогревают окончательно. На этом рабочий цикл заканчивают и вновь производят подготовительный цикл, описанный выше.

Это один из вариантов использования данного устройства, однако, его можно использовать и для других целей, например, для регенерации встроенных криогенных насосов или любых других устройств, предназначенных для работы с радиоактивными газами. В любом варианте выброс радиоактивных газов в атмосферу можно свести к нулю с помощью заявляемого устройства, при этом оно работоспособно как в сильном магнитном поле, так и при "горячем" нейтронном потоке.

Для проверки заявляемого способа создан экспериментальный стенд, на котором отработаны основные режимы работы устройства и показана его эффективность. Эффективность работы всех элементов устройства проверена путем напуска в вакуумный объем имитируемой термоядерной установки тяжелых изотопов гелия, легких изотопов водорода (протия) и дейтерия. Одновременно подтверждена эффективность устройства при возникновении внештатных ситуаций, например резком повышении давления (вплоть до уровня атмосферного).

Результаты проведенных экспериментов показывают, что заявляемые способ и устройство просты и надежны в эксплуатации, а экономические затраты на их реализацию несопоставимо низки по сравнению с другими известными решениями.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в области управляемого термоядерного синтеза;

- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Преимущество изобретения состоит в том, что использование эффекта переконденсации и компрегирования с помощью переохлаждения жидкого гелия и использование энтальпии его паров существенно упрощают удаление изотопов гелия и водорода из вакуумного объема термоядерной установки, обеспечивая при этом высокую эффективность и низкие затраты при эксплуатации.

Источники информации:

1. Описание изобретения к авторскому свидетельству N 1354251 , М кл. G 21 B 1/00, 1987 г.

2. Описание изобретения к авторскому свидетельству N 776333 A, М кл. G 21 B 1/00, 1988 г.

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству N 1017817 A, М кл. F 04 B 37/00, 1983 г.