Термоядерный реактор

 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в термоядерных реакторах. Термоядерный реактор содержит вакуумный корпус с горизонтальными и вертикальными портами, в котором размещены сегменты внутреннего и внешнего бланкетов со средствами крепления и опорной конструкцией. Между корпусом и опорной конструкцией под горизонтальными портами установлены шарнирные опоры, при этом опорная конструкция выполнена в виде ложементов для внутреннего и внешнего бланкетов, а шарнирные опоры выполнены в виде стоек с шаровыми опорами на концах, причем шаровые опоры противоположных концов стоек закреплены соответственно на корпусе и ложементах. Каждая шарнирная пара содержит пару стоек, при этом точки крепления шаровых опор к ложементам и корпусу расположены по углам равнобедренной трапеции, а высота стойки шарнирной опоры ложемента внутреннего бланкета составляет 0,35 высоты стойки шарнирной опоры ложемента внешнего бланкета. Средства крепления сегментов выполнены в виде патрубков для подвода и отвода коммуникаций, нижние концы которых жестко соединены с задними стенками сегментов, а верхние - с платформами, которые установлены в вертикальных портах с возможностью радиального и вертикального перемещения. Технический результат заключается в снижении степени воздействия нагрузок на вакуумный корпус за счет смещения центра приложения весовой нагрузки от бланкета к основанию вакуумного корпуса. 6 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в термоядерных реакторах.

Известен термоядерный реактор ("JTER Containment Strainers" JTER Documentation Series, 28, 16.11.90, Fig Yl. 2.4-1, Fig Y1.2.5/-1, p. 53-54), содержащий вакуумный корпус, сегменты бланкета со средствами крепления. Сегменты бланкета закреплены с помощью торцевого крюка, который опирается на выступ вакуумного корпуса, при этом торцевой крюк сегмента снабжен электронагревателем, а в выступе вакуумного корпуса выполнена полость, заполненная легкоплавким металлом. Между собой сегменты бланкета соединены при помощи конусной втулки и стяжных шпилек, размещенных в сквозных отверстиях сегментов.

Недостатком известного термоядерного реактора является снижение прочности вакуумного корпуса в процессе эксплуатации, поскольку его стенки подвержены силовым воздействиям от сегментов бланкета из-за их жесткого крепления непосредственно на корпусе, а также из-за усилий, возникающих при срыве плазмы. Помимо этого, снижена прочность сегментов бланкета из-за сквозных отверстий, выполненных в них. Эти недостатки затрудняют выполнение вакуумным корпусом его основной функции - обеспечение вакуума в термоядерном реакторе, а следовательно, снижают его надежность.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является термоядерный реактор (патент РФ 2086008, МКИ G21B 1/00, от 19.06.95), содержащий вакуумный корпус с горизонтальными и вертикальными портами, в котором размещены сегменты внутреннего и внешнего бланкетов со средствами креплений и опорной конструкцией. Опорная конструкция установлена с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно вакуумного корпуса и закреплена на нем с помощью гибкой подвески, состоящей из пакета тонких стальных пластин. Под опорной конструкцией в вакуумном корпусе установлен кольцевой диск, на котором по окружности имеются направляющие штыри. Опорная конструкция снабжена продольными ребрами, образующими ячейки, которые со стороны кольцевого диска перекрыты полками, а в них выполнены прорези в радиальном направлении, при этом направляющие штыри кольцевого диска входят в прорезь полок. Кроме того, в продольных ребрах опорной конструкции на всю их ширину проделаны пазы для фиксации выступов, которыми снабжены боковые стенки сегментов, и которые служат средствами крепления сегментов. В опорной конструкции по длине ребер проделаны сквозные щели под задвижки, расположенные в боковых стенках сегментов с возможностью вращения, а от торца до щели в ребре выполнено резьбовое отверстие, и задвижка установлена на валу, снабженном корончатой гайкой с наружной резьбой, которая расположена в резьбовом отверстии. Поворотная задвижка закреплена на валу посредством шпонки с возможностью отклонения от оси поворотной задвижки относительно оси вала. Со стороны вакуумного корпуса в стенке щели выполнена горизонтальная выемка, длина которой равна ширине ребра, а ширина соответствует ширине задвижки.

Недостатком известного термоядерного реактора является снижение прочности вакуумного корпуса, на который по всей его высоте воздействует весовая нагрузка от бланкета (~ 110 т), расположенного в подвесной опорной конструкции, что может привести к повреждению корпуса и, следовательно, к разгерметизации вакуумного пространства термоядерного реактора.

Гибкая подвеска, состоящая из пакета металлических пластин, обладает низкими критическими усилиями сжатия, поэтому для обеспечения ее высоких упругих свойств необходимо соблюдать высокое соотношение длин пластин к их толщине (10 и более), что приводит к снижению устойчивости пластин. При сокращении же длины пластин с сохранением их толщины, подвеска не будет обладать гибкостью, достаточной для обеспечения необходимости перемещения опорной конструкции в радиальном направлении, что снижает надежность реактора. Разность термических расширений по внутреннему и внешнему радиусам реактора приводит к смещению геометрического профиля горения плазмы и неравномерному распределению тепловой и нейтронной нагрузки на бланкет, что также снижает надежность реактора. Кроме этого, в условиях глубокого вакуума от воздействия высоких температур и электромагнитных нагрузок происходят перемещения направляющих штырей опорной конструкции в радиальных прорезях кольцевого диска, что может привести к возникновению пар трения, а это, в свою очередь, приводит к задирам, схватыванию, и может привести к разрушению направляющих штырей, что крайне нежелательно, так как может привести к загрязнению вакуумного пространства.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание термоядерного реактора, который обладает повышенной надежностью за счет сохранения прочности и герметичности вакуумного корпуса.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, заключается в снижении степени воздействия силовых нагрузок на вакуумный корпус за счет смещения центра приложения нагрузки от бланкета к основанию вакуумного корпуса, кроме этого, техническим результатом является сохранение геометрического профиля пространства горения плазмы за счет компенсации разности термических расширений по внутреннему и внешнему радиусам реактора.

Кроме этого, техническим результатом является исключение возможности попадания в вакуумное пространство материалов, являющихся продуктом взаимодействия механических узлов, за счет герметизации пар трения в конструкции реактора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном термоядерном реакторе, содержащем вакуумный корпус с горизонтальными и вертикальными портами, в котором размещены сегменты внутреннего и внешнего бланкетов со средствами креплений и опорной конструкцией, между корпусом и опорной конструкцией под горизонтальными портами установлены шарнирные опоры, при этом опорная конструкция выполнена в виде ложементов для внутреннего и внешнего бланкетов, а шарнирные опоры выполнены в виде стоек с шаровыми опорами на концах, причем шаровые опоры противоположных концов стоек закреплены соответственно на корпусе и ложементах.

Кроме этого, каждая шарнирная опора содержит пару стоек, при этом точки крепления шаровых опор к ложементам и корпусу расположены по углам равнобедренной трапеции.

Кроме этого, высота стойки шарнирной опоры ложемента внутреннего бланкета составляет 0,35 высоты стойки шарнирной опоры ложемента внешнего бланкета.

Кроме этого, в вертикальных портах установлены с возможностью радиального и вертикального перемещений платформы, снабженные сильфонами, при этом верхняя часть сильфона закреплена на торцевой поверхности платформы, а нижняя - на внутренних стенках вертикального порта.

Кроме этого, на стенках вертикального порта, перпендикулярных радиальному направлению от оси реактора, выполнены пазы, а на торцевой поверхности платформы имеются соответственно горизонтальные выступы, при этом глубина паза выбрана величиной более суммы величин толщины выступа и возможных термических расширений сегментов бланкета.

Кроме этого, средства креплений сегментов внутреннего и внешнего бланкетов выполнены в виде патрубков для отвода и подвода коммуникаций, при этом входные и выходные концы патрубков жестко соединены соответственно с задними стенками сегментов и с платформами, а контактирующие между собой стенки патрубков соседних сегментов жестко соединены между собой.

Кроме этого, узел крепления шаровых опор к корпусу и ложементам выполнен в виде коаксиально установленных стакана и сильфона, при этом в стакане размещены подпятник, сферический разрезной вкладыш и резьбовая втулка, а шаровая опора установлена в стакане с возможностью взаимодействия с подпятником и с вкладышем, поджатым втулкой.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено продольное сечение термоядерного реактора; на фиг. 2 представлен вид сверху; на фиг. 3 показан фрагмент поперечного сечения реактора (сечение А-А, фиг. 1); на фиг. 4 показан фрагмент ложемента; на фиг. 5 представлена кинематическая схема шарнирной опоры; на фиг. 6 изображено продольное сечение шарнирной опоры; на фиг. 7 представлен вид сегмента бланкета; на фиг. 8 представлен продольный вид вертикального порта (сечение Б-Б, фиг. 2); на фиг. 9 представлена схема нагружения секции бланкета и реакции в местах ее крепления, где: M_g ⁱⁿ - сила тяжести секции внутреннего бланкета; M_g ^out - сила тяжести секции внешнего бланкета; R_1y - вертикальная реакция в шаровой опоре секции внутреннего бланкета; R_1x - горизонтальная реакция в шаровой опоре секции внутреннего бланкета; R_2x - горизонтальная реакция в шаровой опоре секции внешнего бланкета; R_2y - вертикальная реакция в шаровой опоре секции внешнего бланкета; M_z ^out - суммарный изгибающий момент вокруг оси Z, действующий на секцию внешнего бланкета; M_z ⁱⁿ - суммарный изгибающий момент вокруг оси Z, действующий на секцию внутреннего бланкета; P_y ⁱⁿ - суммарная вертикальная сила, действующая на секцию внутреннего бланкета; P_y ^out - суммарная вертикальная сила, действующая на секцию внешнего бланкета; P_x ⁱⁿ - суммарная радиальная сила, действующая на секцию внутреннего бланкета; P_x ^out - суммарная радиальная сила, действующая на секцию внешнего бланкета; на фиг. 10 представлена схема реакций в стержнях шарнирных опор, где: P_z ⁱⁿ - суммарная тороидальная сила, действующая на секцию внутреннего бланкета; P_z ^out - суммарная тороидальная сила, действующая на секцию внешнего бланкета; R_z ⁱⁿ - тороидальная составляющая реакции ложемента внутреннего бланкета; R_z ^out - тороидальная составляющая реакции ложемента внешнего бланкета; R_1y - вертикальная составляющая реакции ложемента внутреннего бланкета; R_2y - вертикальная составляющая реакции ложемента внешнего бланкета; R_z ^c - суммарная реакция в парах выступ платформы - паз вертикального порта.

Термоядерный реактор содержит вакуумный корпус 1 с горизонтальными портами 2 и вертикальными портами 3, равномерно расположенными по окружности. В вакуумном корпусе 1 размещены сегменты внутреннего бланкета 4, сегменты внешнего бланкета 5, снабженные средствами крепления, и опорная конструкция, выполненная в виде ложементов 6 и 7, на которые опираются соответственно сегменты внутреннего 4 и внешнего 5 бланкетов. Конструкция ложементов 6 и 7 имеет замкнутую поверхность, охватывающую заднюю стенку внутреннего 4 и внешнего бланкета 5 и повторяющую геометрическую форму той части поверхности бланкета, которой он опирается на ложементы. Между вакуумным корпусом 1 и опорной конструкцией 6 и 7 под горизонтальными портами 2 установлены шарнирные опоры 8. На внутренней 9 и внешней 10 стенках вакуумного корпуса 1 выполнены посадочные места 11, на которых закреплены нижние концы шарнирных опор 8, а на поверхности ложементов 6 и 7 равномерно по азимуту, на одном уровне по высоте реактора имеются посадочные площадки 12 для закрепления в них верхних концов шарнирных опор 8. Над каждой посадочной площадкой 12 в ложементах 6 и 7 выполнены сквозные окна 13 для осуществления монтажных работ с шарнирными опорами 8, а в посадочных площадках 12 имеются сквозные отверстия под шпильки 14 для шарнирных опор 8. Шарнирная опора 8 состоит из пары стоек 15 с шаровыми опорами 16 на концах, при этом шаровые опоры 16 противоположных концов стоек 15 закреплены соответственно на корпусе 1 и ложементах 6 и 7. Узел крепления шаровых опор 16 включает в себя стакан 17, в котором шаровая опора 16 с одной стороны взаимодействует с подпятником 18, ас другой - со сферическим разрезным вкладышем 19, который поджат резьбовой втулкой 20. Основание стакана 17 снабжено цилиндрическим крепежным фланцем 21, в котором имеются отверстия под шпильки 14, а стойка 15 снабжена двумя фланцами 22, разнесенными к нижнему и верхнему стаканам 17 с шаровыми опорами 16. Стакан 17 снабжен сильфоном 23, установленным коаксиально с возможностью герметизации стакана 17 с шаровой опорой 16 от вакуумной среды в реакторе. Сильфон 23 соединен с фланцем 21 и фланцем 22 на стойке 15. Шарнирная опора 8 установлена следующим образом: верхние шаровые опоры 16 обеих стоек 15 закреплены на посадочных площадках 12 ложемента 6 или 7, а нижние шаровые опоры 16 закреплены в стенке вакуумного корпуса 1 на посадочном месте 11, расположенном симметрично посадочной площадке 12 на ложементе. Расстояние по горизонтали между нижними шаровым опорами 16 и верхними шаровыми опорами 16 не равны между собой. В результате, точки крепления шаровых опор 16 к ложементам 6, 7 и корпусу 1 расположены по углам равнобедренной трапеции, боковыми сторонами которой являются стойки 15, и следовательно, имеют одинаковый угол наклона к оси симметрии трапеции, образованной точками крепления шарнирной опоры 8. При этом высота стоек шарнирной опоры 8 ложемента 6 для внутреннего бланкета 4 составляет 0,35 высоты стоек шарнирных опор 8 для ложемента 7 внешнего бланкета 5, так как величина термических расширений массива бланкета и вакуумного корпуса 1 по радиусу внешней стенки 10 значительно превышает этот показатель для внутренней стенки 9 вакуумного реактора 1. Крепление ложементов 6 и 7 с помощью таких шарнирных опор 8 обеспечивает возможность радиального и вертикального перемещения при сохранении неподвижности в тороидальном направлении. Основными конструктивными элементами сегмента являются модуль первой стенки с размещенной внутри бридинговой зоной (на чертежах не показан) и задняя стенка 24 с размещенными внутри трубопроводами подвода и отвода теплоносителя, а также патрубок 25, соединенный с задней стенкой 24, например, сваркой, и через который проходят коммуникационные трубы. Задняя стенка 24 является силовым корпусом сегмента, который обеспечивает необходимые прочность и жесткость конструкции сегмента. Средства крепления сегментов внутреннего 4 и внешнего 5 бланкетов выполнены в виде патрубков 25 для отвода и подвода коммуникаций. Каждый патрубок 25 является базовым элементом при выполнении операции монтажа/демонтажа (толщина стенки ~ 30мм). Входные концы патрубков 25 жестко соединены с задней стенкой 24 сегментов. Патрубки 25 проходят через вертикальный порт 3, а в нем контактирующие между собой стенки патрубков 25 двух сегментов внутреннего бланкета 4 и трех сегментов внешнего бланкета 7 жестко соединены друг с другом, например, с помощью болтов (на чертежах не показаны), образуя тем самым секцию бланкета. Сверху в горловине вертикального порта 3 с возможностью радиального и вертикального перемещения помещена платформа 26 с вертикальными отверстиями 27 для отвода и подвода коммуникаций сегментов бланкетов 4, 5. Снизу к платформе 26 подведены выходные концы патрубков 25 и жестко закреплены на ней, например, с помощью шпилечных или болтовых соединений (на чертежах не показаны). Платформы 26 снабжены сильфонами 28, при этом верхний фланец которого закреплен на торцевой поверхности платформы 26. В месте крепления нижнего фланца сильфона 28 на стенках вертикального порта 3 выполнены две ступеньки 29. Нижний фланец сильфона 28 прикреплен к подступенку второй ступени 29 внутренней стенки вертикального порта 3. Суммарная ширина двух ступеней 29 выбрана больше разности внешнего и внутреннего радиуса сильфона 28 по гофрам, при этом патрубки 25 проходят в сильфоне 28, не касаясь его внутренних гофр, а внешние гофры сильфона 28 не касаются стенок вертикального порта 3. На стенках вертикального порта 3, которые расположены перпендикулярно радиальному направлению от оси реактора, от торца выполнены прямоугольные пазы 30. На платформе 26 со стороны торца имеются горизонтальные прямоугольные выступы 31, расположение и ширина которых соответствуют положению и ширине пазов 30 на стенках вертикального порта 3. Величина глубины паза 30 выбрана больше, чем толщина выступа 31 на платформе 26 и величина возможных термических расширений вместе взятые.

Термоядерный реактор функционирует следующим образом.

В термоядерном реакторе зажигают плазму. Под действием теплового и нейтронного излучения плазмы бланкеты 4, 5, ложементы 6 и 7, вакуумный корпус 1 разогреваются. Возникающие тепловые расширения приводят к увеличению массивов внутреннего 4 и внешнего бланкета 5, что вызывает смещение ложементов 6 и 7 относительно вакуумного корпуса 1 в вертикальном и радиальном направлениях одновременно, в результате чего и происходит компенсация термических напряжений. Кроме того, увеличение объема сегментов бланкетов 4, 5 в горизонтальном направлении компенсируется за счет заполнения технологических зазоров, существующих между сегментами, а вертикальном направлении за счет свободного расширения сегментов вверх и вниз. Этот процесс сопровождается смещением платформы 26 в вертикальном порту 3, что позволяет сохранить герметичность вакуумного корпуса 1.

При этом центр приложения нагрузки от массива бланкета смещен к основанию вакуумного корпуса 1, что улучшает его эксплуатацию в условиях воздействия значительных тепловых, электромагнитных и нейтронных нагрузок.

Таким образом, вакуумный корпус 1 также подвергается тепловому воздействию, причем величина термических расширений внутренней 9 и внешней 10 стенок вакуумного корпуса 1 имеет различные величины, воздействие которых компенсируется за счет того, что в предлагаемом реакторе используют шарнирные опоры 8 с высотой стоек 15 для ложемента 6 внутреннего бланкета 4 меньше, чем для ложемента 7 внешнего бланкета 5, что позволяет сохранить геометрический профиль пространства горения плазмы, это обеспечивает равномерное распределение тепловой и нейтронной нагрузки на металлоконструкцию бланкета. При срыве плазмы, образуется мощный электромагнитный импульс, который воздействует на сегменты бланкетов 4, 5, и они оказываются под действием нагрузок различного направления. Изгибающие моменты М_x и M_y, действующие на сегменты, передаются на ложементы 6, 7, при этом суммарные изгибающие моменты вокруг осей Х и Y, действующие на ложементы 6, 7, будут равны нулю, так как каждому сегменту бланкета в тороидальной геометрии соответствует противолежащий сегмент с противоположно направленными изгибающими моментами вокруг указанных осей. Таким образом, шарнирные опоры не подвергаются воздействию изгибающих моментов М_х и M_y, что обеспечивает надежность работы реактора.

Воздействие на шарнирные опоры 8 изгибающих моментов M_z, а также сил по всем трем осям координат компенсируется возникновением реакций в шарнирных опорах 8 и поступательных парах выступ 31-паз 30 на платформе 26 и стенках вертикального порта 3 соответственно. Расположение точек закрепления шарнирной опоры 8 по углам равнобедренной трапеции, а также реакции в парах выступ 31-паз 30 обеспечивают неподвижность массива бланкетов 4, 5 в тороидальном направлении, что позволяет шарнирным опорам 8 компенсировать указанные выше нагрузки, что также повышает надежность работы реактора.

Таким образом, термоядерный реактор снижает степень воздействия весовых нагрузок на вакуумный корпус, что улучшает условия эксплуатации реактора, увеличивает ресурс работы, обеспечивает сохранение геометрического профиля пространства горения плазмы за счет компенсации разности термических расширений по внутреннему и внешнему радиусам реактора, при этом предлагаемый реактор позволяет компенсировать тепловые расширения бланкета, вакуумного корпуса, опорной конструкции за счет обеспечения перемещений опорной конструкции вместе с бланкетом в радиальном и вертикальном направлениях, не допуская при этом перемещений в тороидальном направлении.

Кроме того, новая конструкция позволяет улучшить условия обеспечения вакуумного режима работы реактора за счет исключения возможности попадания в вакуум материалов, являющихся продуктом взаимодействия механических узлов.

Формула изобретения

1. Термоядерный реактор, содержащий вакуумный корпус с горизонтальными и вертикальными портами, в котором размещены сегменты внутреннего и внешнего бланкетов со средствами креплений и опорной конструкцией, отличающийся тем, что между корпусом и опорной конструкцией под горизонтальными портами установлены шарнирные опоры, при этом опорная конструкция выполнена в виде ложементов для внутреннего и внешнего бланкетов, а шарнирные опоры выполнены в виде стоек с шаровыми опорами на концах, причем шаровые опоры противоположных концов стоек закреплены соответственно на корпусе и ложементах.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что каждая шарнирная опора содержит пару стоек, при этом точки креплений шаровых опор к ложементам и корпусу расположены по углам равнобедренной трапеции.

3. Реактор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что высота стойки шарнирной опоры ложемента внутреннего бланкета составляет 0,35 высоты стойки шарнирной опоры ложемента внешнего бланкета.

4. Реактор по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в вертикальных портах установлены с возможностью радиального и вертикального перемещений платформы, снабженные сильфонами, при этом верхняя часть сильфона закреплена на торцевой поверхности платформы, а нижняя - на внутренних стенках вертикального порта.

5. Реактор по п. 4, отличающийся тем, что на стенках вертикального порта, перпендикулярных радиальному направлению от оси реактора, выполнены пазы, а на торцевой поверхности платформы имеются горизонтальные выступы, при этом глубина паза выбрана величиной более суммы величин толщины выступа платформы и возможных термических расширений сегмента бланкета.

6. Реактор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что средства креплений сегментов внутреннего и внешнего бланкетов выполнены в виде патрубков для отвода и подвода коммуникаций, при этом входные и выходные концы патрубков жестко соединены соответственно с задними стенками сегментов и с платформами, а контактирующие между собой стенки патрубков соседних сегментов жестко соединены между собой.

7. Реактор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что узел крепления шаровых опор к корпусу и ложементам выполнен в виде коаксиально установленных стакана и сильфона, при этом в стакане размещены подпятник, сферический разрезной вкладыш и резьбовая втулка, а шаровая опора установлена в стакане с возможностью взаимодействия с подпятником и с вкладышем, поджатым втулкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10