Способ исследования конвективных труб высокотемпературного реактора и конвективная труба

Патент 1398671

Авторы

Классы МПК

G21C17/02 - устройства или приспособления для контроля замедлителей и теплоносителей

Реферат

Изобретение относится к ядерной технике, конкретно к конвективным трубам высокотемпературного расплавно-солевого реактора и методам их исследований. Конвективные трубы работают по принципу естественной конвекции теплоносителя и предназначены для передачи тепла из зоны тепловыделения (активная зона, дренажные баки) в зону энергосъема (теплообменник). Способ исследований конвективных труб может быть использован при испытаниях конвективных труб для определения энергетических и материаловедческих характеристик расплавно-солевых реакторов и при изучении и выборе рабочих режимов и режимов запуска конвективных труб в обоснование концепции высокотемпературных расплавно-солевых реакторов. Целью изобретения является расширение экспериментальных возможностей при проведении исследований, повышение безопасности, уменьшение энергозатрат и времени проведения эксперимента. На фиг.1 изображена принципиальная схема блока технологической подготовки конвективных труб; на фиг.2 - принципиальная схема блока теплофизических исследований конвективных труб; на фиг.3 - конструктивная схема блока теплофизических исследований конвективных труб; на фиг.4 - сечение А-А на фиг. 3; на фиг.5 - конструктивная схема конвективной трубы высокотемпературного расплавно-солевого реактора. Блок технологической подготовки конвективных труб предназначен для проведения следующих технологических операций с конвективными трубами: обезгаживание незаполненных труб; заполнение труб расплавно-солевым теплоносителем до заданного уровня; обезгаживание труб, заполненных теплоносителем, и обезвоживание расплава методом вакуумной сушки; геpметизацию труб в атмосфере инертного газа. Технологический блок представляет собой обогреваемый до 850^оС канал 1, выполненный в виде цилиндрической оболочки 2, снабженной нагревателем 3 и окруженной теплоизоляцией 4. Верхняя часть канала 1 герметично соединена с барокамерой 5, имеющей вакуумно-герметичный люк 6 для загрузки сосуда 7 с расплавно-солевым теплоносителем 7, снабженного нагревателем 8 и теплоизоляцией 9, и технологического оборудования, а также смотровые окна 10. В технологическом блоке предусмотрены манипулятор 11, дающий возможность работать как в вакууме, так и в атмосфере инертного газа, поворотное устройство 12, дренажный сосуд 13 и контейнер 14 конвективной трубы 15. Все устройство установлено на опорной раме 16. В состав блока теплофизических испытаний конвективных труб (см.фиг.2) входят конвективная труба 15, рабочая камера 17, вакуумная система 18, газовая система 19, система охлаждения 20, система электропитания 21 и система контроля и измерений 22. Рабочая камера 17 (см. фиг.3 и 4) предназначена для размещения в ней конвективной трубы 15 и состоит из цокольной 23, средней 24 и верхней 25 частей. Цокольная часть 23 снабжена водяной рубашкой 26, охлаждаемыми токовводами 27, гермовводом 28 для ввода термопар, а также патрубком 29 для присоединения объема рабочей камеры 17 к вакуумной 18 и газовой 19 системам. На водоохлаждаемых токовводах 27, размещенных в цокольной части, установлен графитовый нагреватель 30, представляющий собой разрезной цилиндр, снабженный токосъемными пластинами. С целью уменьшения теплопередачи от нагревателя 30 к стенке средней части камеры 24 вокруг нагревателя установлены экраны 31. Средняя 24 и верхняя 25 части камеры снабжены водяными рубашками 32 и 33 с независимым регулированием подачи воды. В верхней части камеры 25 расположен дополнительный нагреватель 34, смонтированный на верхней крышке камеры 35, экраны 36 переменной лучистой проницаемости, механизм 37 перемещения экранов, а также окна 38 для проведения пирометрирования. Дополнительный нагреватель 34 выполнен в виде "беличьего колеса" с последовательно-параллельным соединением проводников. Конвективная труба высокотемпературного расплавно-солевого реактора (см.фиг.5) представляет собой герметичную цилиндрическую оболочку 39 с профилированным днищем 40 и крышкой 41, в которой выполнен канал 42, соединяющий внутренний объем трубы с окружающей средой посредством герметичного штуцерного соединения 43. Внутри конвективной трубы размещена коаксиальная труба 44, которая подвешена посредством ребер 45 на крышке 41 и центрируется на теплоприемном участке центрирующими ребрами 46. Длина коаксиальной трубы 44 и ее размещение относительно днища 40 и крышки 41 для различных расплавно-солевых теплоносителей выполняются таким образом, чтобы внутренний объем 47 конвективной трубы между нижней кромкой 48 перелива коаксиальной трубы и нижней отметкой 49 днища был меньше внутреннего объема 50 конвективной трубы между верхней отметкой 51 крышки и верхней отметкой 52 уровня теплоносителя при температуре плавления. Причем количество расплавно-солевого теплоносителя взято таким, что верхняя отметка 52 уровня жидкого теплоносителя при температуре плавления расположена не ниже верхней кромки 53 перелива коаксиальной трубы, а внутренний объем 50 конвективной трубы не меньше объема, соответствующего тепловому расширению теплоносителя от температуры плавления до максимально допустимой его температуры (температурные ограничения по конструкционному материалу, температура кипения теплоносителя и т.д.). Для удобства операций заправки и герметизации в днище 40 могут быть выполнены каналы 54 и штуцерное соединение-уплотнение 55. Оболочкой 39 и коаксиальной трубой 44 образованы кольцевой 56 и центральный 57 каналы. Исследования конвективных труб проводят следующим образом. В блоке технологической подготовки конвективных труб (см.фиг.1) устанавливают конвективную трубу 15 в горячей камере 2 вертикально теплоотдающим участком вниз и осуществляют обезгаживание конструкции конвективной трубы. Если в качестве конструкционного материала конвективной трубы выбран графит, то конвективную трубу укладывают в контейнер 14, а затем устанавливают в камеру 2. Заполняют трубу жидким расплавно-солевым теплоносителем, заранее подготовленным в расплавном сосуде 7, до заданного уровня в среде инертного газа и при равномерно разогретой конвективной трубе выше температуры плавления расплава. Если заправка трубы осуществляется при снятом днище 40 (см.фиг.5), то операцию герметизации трубы выполняют после ее охлаждения. Герметизацию конвективных труб в атмосфере инертного газа (аргон, гелий) осуществляют как при атмосферном, так и при повышенном давлении таким образом, чтобы свободный от жидкого теплоносителя объем теплоприемного участка трубы над теплоносителем был заполнен инертным газом. Затем конвективную трубу извлекают из технологического блока и устанавливают вертикально теплоприемным участком вниз в блок теплофизических исследований (см. фиг. 2-4) и осуществляют вакуумирование рабочей камеры 17 посредством вакуумной системы 13. После чего приступают к операции разогрева и расплавления теплоносителя при закрытых экранах 34. Если канал 42, соединяющий внутренний объем трубы с окружающей средой, выполнен, как показано на фиг.5, по центру крышки 41, то разогрев оболочки трубы 39 осуществляют сначала на теплоприемном участке до температуры плавления расплавно-солевого теплоносителя основным нагревателем 30. Одновременно осуществляется контроль по выходу газа из конвективной трубы системой контроля и измерений 22. Если в рабочей камере не обнаружено присутствие инертного газа, то приступают к плавлению теплоносителя на теплоприемном участке. Расплавление теплоносителя осуществляется следующим образом. Основным нагревателем 30 нагревается оболочка трубы 39, от которой в свою очередь нагревается и плавится расплав соли в кольцевом канале 56, так же нагревается инертный газ, расположенный в объеме 47, нижних частях кольцевого 56 и центрального 57 каналов под солевой композицией, которая за счет конвекции внутри указанного способа обеспечивает не только ускорение плавления теплоносителя в кольцевом канале, но и обеспечивает одновременное плавление теплоносителя в центральном канале. Расплавленный теплоноситель стекает в нижнюю часть объема 47 и по мере расплавления теплоносителя снизу вверх и от периферии к центру теплоприемного участка конвективной трубы его уровень в объеме 47 повышается и поднимается выше нижней кромки 48 перелива коаксиальной трубы. Таким образом образуются два независимых объема конвекции газа внутри конвективной трубы - в кольцевом и центральном каналах, причем подвод тепла к газу в центральном канале осуществляется за счет нагрева коаксиальной трубы 44 (лучеиспусканием с оболочки трубы 39 и теплоотдачей от жидкого теплоносителя) и за счет конвекции жидкого расплава в нижней части теплоприемного участка. Как и при разогреве, во время расплавления осуществляется контроль по выходу газа из конвективной трубы. После расплавления теплоносителя на теплоприемном участке осуществляют его расплавление на теплоотдающем участке путем включения дополнительного нагревателя 34, причем температура теплоносителя на теплоприемном участке поддерживается выше температуры плавления расплава соли, что обеспечивает незамерзание расплава соли на теплоприемном участке и ускоряет процесс плавления теплоносителя за счет конвекции газа на теплоотдающем участке. Окончание операции плавления теплоносителя фиксируется по выходу газа из внутреннего объема конвективной трубы, после чего как будет расплавлен теплоноситель в верхней части центрального канала 57 и над ним, в канале 42 и штуцерном соединении 43, в котором перед операцией вакуумирования рабочей камеры 17 металлическое уплотнение удаляется, а выходное отверстие закрывается вакуумным компаундом, который при плавлении теплоносителя срывается избыточным давлением газа, чем и обеспечивается его беспрепятственный выход в объем рабочей камеры 17. Определяя количество газа в объеме отвакуумированной рабочей камеры, окончательно убеждаются в полном расплавлении теплоносителя в конвективной трубе. В случае расположения канала 42 не по центру крышки трубы 41, а над кольцевым каналом 56, улучшаются условия его разогрева (и штуцерного соединения 43), а также появляется возможность сократить время расплавления теплоносителя на теплоотдающем участке. Это обеспечивается тем, что выход газа по каналу 42 сигнализирует о возможности включения дополнительного нагревателя 34 на полную мощность. После операции контроля за расплавлением теплоносителя осуществляется повторное вакуумирование рабочей камеры 17 и обеспечивается создание градиента температур и конвективный перенос мощности между теплоприемным и теплоотдающим участками конвективной трубы. Это достигается изменением мощности дополнительного нагревателя 34 и степенью раскрытия экранов 36, что позволяет регулировать конвективно переносимую теплоносителем мощность на заданном уровне температуры теплоотдающего участка трубы. В качестве примера конкретного выполнения конвективной трубы приведем ее основные параметры: длина конвективной и коаксиальной труб 1650 мм и 1416 мм соответственно; наружный и внутренний диаметры оболочки трубы 98 мм и 86 мм соответственно; наружный и внутренний диаметры коаксиальный трубы 65 мм и 53 мм соответственно; расстояние от нижней кромки перелива коаксиальной трубы до нижней отметки профилированного днища 27 мм; расстояние от верхней кромки перелива коаксиальной трубы до крышки 154 мм. В качестве теплоносителя выбрана расплавно-солевая композиция (флинак) следующего состава, мол.%: LiF 46,5; NaF 11,5; KF 42,0. Температура плавления теплоносителя 454^оС; количество теплоносителя в трубе 15055 г. Предлагаемый способ исследований конвективных труб высокотемпературного реактора и конструкция конвективной трубы позволяют уменьшить энергозатраты, например, при равномерно разогретой трубе при 600-700^оС в 4-5 раз и время проведения эксперимента на известной экспериментальной установке без изменения ее конструкции. Это объясняется тем, что в этой установке тепловые потери через экраны переменной проницаемости при работе дополнительного нагревателя в зоне теплоотдающего участка во время расплавления расплава соли и выхода на рабочий режим превышают тепловые потери основного нагревателя в зоне теплоприемного участка, так как основным назначением зоны теплоотдающего участка является интенсивный лучистый теплообмен между конвективной трубой и рубашкой охлаждения рабочей камеры. Кроме того, на темп расплавления расплавно-солевой композиции предложенным способом существенно влияет наличие под уровнем расплава соли инертного газа, конвекция которого внутри объема конвективной трубы обеспечивает не только ускорение плавления теплоносителя в кольцевом канале, но и обеспечивает одновременное плавление теплоносителя в центральном канале. Повышается безопасность проведения исследований за счет эффективного, постоянного контроля герметичности конвективной трубы и процесса разогрева и расплавления теплоносителя по выходу газа в рабочую камеру. Это объясняется тем, что именно в процессе разогрева и расплавления существует максимальная вероятность разгерметизации трубы из-за нарушений режима разогрева и расплавления, конструктивных просчетов и дефектов изготовления трубы. Кроме того, по выходу газа из внутреннего объема конвективной трубы можно фиксировать окончание операции плавления теплоносителя и затем скачком осуществить поднятие температуры теплоносителя до заданного уровня, менять величину и темп нагрева на участках при расплавлении теплоносителя. После установки трубы в вакуумную камеру можно сначала отработать режимы разогрева и расплавления расплавно-солевой композиции предлагаемым способом, а при захолаживании теплоносителя (например, после отключения установки на выходные дни) отрабатывать режимы разогрева и расплавления теплоносителя известным способом, что позволяет осуществлять изучение различных операций разогрева и расплавления теплоносителя конвективных труб на одной и той же трубе, установленной в камере, и таким образом расширить экспериментальные возможности.

Формула изобретения

1. Способ исследования конвективных труб высокотемпературного реактора, включающий операции заправки трубы высокотемпературным теплоносителем в нейтральной среде, герметизации трубы, разогрева и расплавления теплоносителя и создания градиента температур между теплоприемным и теплоотдающим участками трубы, отличающийся тем, что, с целью расширения экспериментальных возможностей при проведении исследований, повышения безопасности, уменьшения энергозатрат и времени проведения эксперимента, устанавливают конвективную трубу вертикально теплоотдающим участком вниз, после операции заправки свободный от жидкого теплоносителя объем теплоприемного участка трубы над теплоносителем заполняют инертным газом, а перед операцией разогрева и расплавления устанавливают конвективную трубу вертикально теплоприемным участком вниз, после чего плавят теплоноситель на теплоприемном участке, а затем на теплоотдающем участке при поддержании температуры теплоносителя на теплоприемном участке выше температуры плавления, причем операцию разогрева и плавления контролируют по выходу газа из конвективной трубы. 2. Конвективная труба, содержащая герметичную цилиндрическую оболочку с днищем и крышкой, в которой выполнен канал, соединяющий внутренний объем трубы с окружающей средой, коаксиальную трубу и высокотемпературный теплоноситель, отличающаяся тем, что, с целью расширения экспериментальных возможностей при проведении исследований, повышения безопасности, уменьшения энергозатрат и времени проведения эксперимента, коаксиальная труба закреплена относительно оболочки конвективной трубы так, что внутренний объем конвективной трубы между нижней кромкой перелива коаксиальной трубы и нижней отметкой днища меньше внутреннего объема конвективной трубы, соответствующего тепловому расширению теплоносителя от температуры плавления до максимально допустимой его температуры, между верхней отметкой крышки и верхней отметкой уровня жидкого теплоносителя при температуре плавления, которая расположена не ниже верхней кромки перелива коаксиальной трубы, причем внутренний объем конвективной трубы полностью заполнен теплоносителем и инертным газом, размещенным между нижней отметкой уровня теплоносителя и нижней отметкой днища.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000