用于连续再处理聚变反应堆废气的方法和装置制造方法及图纸

用于连续再处理具有燃烧室(2)的聚变反应堆(1)的废气的方法，包括下述方法步骤：通过金属箔泵(3)连续抽取聚变反应堆(1)的废气体积流，在金属箔泵(3)中由废气体积流生成等离子体，其中生成的等离子体在金属箔泵(3)内部分离成气态的氢同位素体和剩余气体。将来自金属箔泵(3)的氢同位素体输送至燃料储存装置(10)，并且将气态的剩余气体输送至氚再处理装置(9)，其中剩余气体的温度通过至少一个阻气件(18)调节并且经过燃料储存装置(10)送回至燃烧室(2)中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于再处理聚变反应堆废气并且从聚变反应堆的废气中分离氢同位素体(Isotopologe)的方法和装置，其中氢同位素体从废气中分离出来并且输送回燃料回路中。
技术介绍
已知聚变反应堆不仅由氢同位素体的聚变生成氦和能量，而且通过等离子体的操作也积聚杂质，这些杂质必须作为废气排出。氢同位素体在本文中是氢(H)的所有可能的同位素以及与氘(D)和氚(T)的结合，例如T2、HT、DT、H2、D2、HD。在本文中废气是指这样的气体，该气体从聚变反应堆的燃烧室(圆环)中排出。废气主要由未燃烧的燃料组成，但是也包含作为聚变反应堆反应产物(例如氦)的杂质，在本文中也称为灰烬，以及碳氢化合物、氨气、氢气、氮气。另外废气的组成取决于在圆环的燃烧室壁中所使用的用作屏蔽的材料以及取决于其他的辅助材料。但是元素铁、镍、铬等的重原子不同于轻的氢，前者通过等离子体粒子从圆环壁脱离出来，而后者即使在高的聚变温度下也没有完全离子化。这些杂质的电荷数越高，就有越多的电子仍结合在原子核上。即使从等离子体吸取更多的能量并且再次作为紫外或伦琴射束辐射出。以这种方式使等离子体冷却、稀释并且由此减小聚变量。在具有相对低的在所使用的燃料的全部量的1至10％的杂质含量的情况下，出现聚变反应完全停止，相应地也必定会使燃烧室中的所有气体连续地进行处理。为了避免等离子体受到来自壁上的杂质，特定的磁场将等离子体边缘层转向燃烧室的特殊设置的位置，该燃烧室的特殊设置的位置表示为偏滤器(Divertor)。在等离子体的中和过程中在偏滤器上产生的中性气体(该气体相对于等离子体主体流具有较高的压力)通过所谓的偏滤器泵(通常形成为低温真空泵以及额外连接在后面的涡轮分子泵)从燃烧室抽吸或抽取。必须相应地对低温真空系统提供低温冷却装置(低温装置)，从而使得偏滤器泵充足地供应运行介质，例如液态的氦。这种低温真空系统由于作用原理而必须经常再生，因此无法连续运行。氦冷却装置另外具有需要非常多的能量这一缺陷并且在建造方面需要高成本投入。随后在氚再处理装置(Tritium-Plant(TP))中净化或者再处理的废气的再循环通过一个或多个燃料(中间)储存系统或者燃料储存装置而进行，其中在此除了中间存放以外还包含有气体混合和喷射系统。该复杂的系统一般纳入燃料储存装置或Fuelling&StorageSystem(FS)的概念。目前所考虑到的在氚再处理装置(TP)中进行的再处理方法已经公开在文献/1/\LosAlamos6855-P\，作者J.L.Anderson和R.H.Sherrnan，1977年6月，题目\TritiumSystemTestAssembly\当中。该方法特别复杂并且要求提高包含氚的废气体积流的温度，使得氚扩散到废气引导装置的金属中并且由于渗透性而意外地穿透该金属。由EP0293730B1已知一种方法，该方法首先在一个水分吸收阶段中干燥废气并且随后在一个阶段中选择性地吸收硫化合物。最后在沸石基(Zeolitbasis)上对氢的吸收和分离阶段中处理从前述阶段出来的废气。DE3606317A1提出，含有氚和/或氘的废气通过用于分裂氨气和碳氢化合物的装置而进行处理。在该文献中，随后释放的氢同位素穿过膜并且与剩余气体流分离。剩余已净化的废气排出到周围空气中。现有技术的共同点在于，废气净化的各种解决方案基本上总是在氚再处理装置(Tritium-Plant(TP))中进行操作，其中使用不连续工作的低温泵作为预真空泵和高真空泵。替换前述的现有技术，已经在公开文献/2/“ErgebnisseausForschungundEntwicklung–Jahresbericht2012”(KIT,ITEP,2013年3月)和公开文献/4/“TheDIRECTINTERNALRECYCLINGconcepttosimplyfythefuelcycleofafusionpowerplant”(C.Day,T.Giegerich,Fus.Eng.Des.2012,待刊(inpress))中首次描述了DIR设计(DIRECTINTERNALRECYCLING，直接内部循环)。对此为了分离氢同位素体所需要的金属箔泵以及在公开文献/3/“DevelopmentofdivertorpumpingSystemwithsuper-meablemembrane”中公开。在该文献中也公开了氢拓扑结构的原子化，该原子化使用了进行退火的钽棒或钽丝。对此典型的操作温度大约在800℃。然而，更高的金属箔温度(其中金属箔由铌构成)对金属箔的超级渗透性没有作用。因此，已经公开的金属箔泵的设计方式的操作非常消耗能量。用于生成低温等离子体的替换方案在公开文献/6/2013年4月2日Merle等的“HochabscheidungmiteinemMikrowellenplasma”,中描述。在该公开文献中描述的等离子体双线主要由电绝缘的管组成，该电绝缘的管真空密封地引导穿过低压设备。根据应用，可以选择石英、各种玻璃和多种陶瓷作为材料。在管内部在大气压力下通过冷却空气，并且在管周围具有低压气氛。通过一个同轴管线从两侧向管中输入微波。在管内部的大气压力防止了等离子体点火。在低压容器的内部区域中中断同轴管线的外部导体；内部导体继续延伸。由于缺少外部导体而将微波辐射到低压中。在该文献中，像常规的耦合窗口那样形成等离子体，该等离子体在等离子体双线中呈管状并且径向对称地围绕电绝缘的管。在该文献中，等离子体通过其传导性而防止了微波进一步侵入室中并且保持位于管周围。为了制造高真空，除了已经提到的低温真空泵或者涡轮分子泵，也可以考虑使用液体金属扩散泵(FMDP)和液体金属环泵(FMRP)以及金属箔泵(MFP)的结合。该结合已经在公开文献/4/“Conceptuationofacontinouslyworkingvacuumpumptrainforfusionpowerplants”(T.Giegerich,C.Day,Fus.Eng.Des.2012,待刊)中公开。然而详细过程操作以及MFP的设计并没有被公开。
技术实现思路
由此，本专利技术的目的在于，提供一种特别经济且快速的方法和装置用于聚变反应堆的连续废气净化。根据本专利技术，该目的通过根据权利要求1所述的方法以及权利要求7所述的装置实现。优选的实施方式在从属权利要求中描述。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于连续地再处理具有燃烧室(2)的聚变反应堆(1)的废气的方法，包括下述方法步骤：a)通过至少一个金属箔泵(3)从所述聚变反应堆(1)的燃烧室(2)连续抽取废气体积流，b)进入所述金属箔泵(3)中之后由所述废气体积流生成等离子体，c)在所述金属箔泵(3)内部将所述等离子体分离成气态的氢同位素体和剩余气体，c1)借助至少一个初级泵(6)和至少一个次级泵(8)将气态的所述氢同位素体从所述金属箔泵(3)输送至燃料储存装置(10)，其中所述氢同位素体的温度通过至少一个阻气件(18)调节，c2)借助所述至少一个初级泵(6)和所述至少一个次级泵(8)将气态的所述剩余气体输送至氚再处理装置(9)中，其中剩余气体的温度通过至少一个阻气件(18)调节，以及d)经由燃料储存装置(10)将气态的所述氢同位素体再循环至所述燃烧室(2)中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.06 DE 102013109778.21.一种用于连续地再处理具有燃烧室(2)的聚变反应堆(1)的废气的
方法，包括下述方法步骤：
a)通过至少一个金属箔泵(3)从所述聚变反应堆(1)的燃烧室(2)
连续抽取废气体积流，
b)进入所述金属箔泵(3)中之后由所述废气体积流生成等离子体，
c)在所述金属箔泵(3)内部将所述等离子体分离成气态的氢同位素体
和剩余气体，
c1)借助至少一个初级泵(6)和至少一个次级泵(8)将气态的所述氢
同位素体从所述金属箔泵(3)输送至燃料储存装置(10)，其中所述氢同位
素体的温度通过至少一个阻气件(18)调节，
c2)借助所述至少一个初级泵(6)和所述至少一个次级泵(8)将气态
的所述剩余气体输送至氚再处理装置(9)中，其中剩余气体的温度通过至少
一个阻气件(18)调节，以及
d)经由燃料储存装置(10)将气态的所述氢同位素体再循环至所述燃烧
室(2)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述金属箔泵(3)中
通过微波由所述废气体积流生成所述等离子体，其中所述微波在所述金属箔
泵(3)的外部通过至少一个导电管耦合至所述金属箔泵(3)中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述金属箔泵(3)
中分离之后所述剩余气体比例占总的废气体积流的5％至50％，优选为10％
至20％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述氢同位
素体在离开所述金属箔泵(3)之后以气态的方式通过下述方法步骤输送至燃
料储存装置(10)：
a)通过所述至少一个阻气件(18)将所述氢同位素体的温度调节到-200℃
和+30℃之间的温度范围，
b)将所述氢同位素体压缩至压力低于1000Pa，其中在所述初级泵(6)
处的抽吸压力在10-8Pa和1000Pa之间波动，
c)将所述氢同位素体压缩到1000Pa至2*105Pa，其中在所述次级泵(8)

\t处的抽吸压力为小于1000Pa，以及
d)通过所述至少一个阻气件(18)将经压缩的氢同位素体的温度重新调
节至-200℃和+30℃之间的温度范围内。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述剩余气
体在离开所述金属箔泵(3)之后通过下述方法步骤输送至所述氚再处理装置
(9)：
a)通过所述至少一个阻气件(18)将剩余气体的温度调节到-200℃和+30℃
之间的温度范围，
b)将所述剩余气体压缩至压力低于1000Pa，其中在所述初级泵(6)处
的抽吸压力在10-8Pa和1000Pa...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·德，T·格歌瑞西，
申请(专利权)人：卡尔斯鲁厄理工学院，
类型：发明
国别省市：德国;DE