一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置及方法，聚变堆包层内载氚高温液态金属铅锂从母管注入真空罐上部，通过调节真空罐筛板内滴嘴阵列中滴嘴的数量和孔径来调整液态铅锂的质量流率。液态铅锂液滴在重力和压力作用下，通过滴嘴形成液滴下落至真空罐下部，载氚液滴在下落过程中以分子形态传输至表面并进入真空，由真空泵抽出至氚处理与循环系统。提氚后落入真空罐下部的高温液态铅锂流入换热器，与二回路换热再进入液态包层，形成下一次循环。本发明专利技术具有结构简单、成本低、质量流率可调、氚渗透率低和氚提取效率高等显著优点，可有效解决聚变堆液态金属包层氚高效在线提取的难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进核反应堆核燃料研究领域，具体涉及一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置及方法。
技术介绍
聚变能是人类永久解决能源问题的潜在有效途径之一，国际热核聚变反应实验堆(ITER)的建造与运行，为将来建设聚变发电示范反应堆奠定了基础。聚变堆高温等离子体氘氚热核聚变所产生的高能中子(14.1Mev)，进入堆内面向等离子体部件液态金属增殖包层，在包层内与氚增殖材料铅锂发生核反应释放出巨大能量，同时增殖聚变堆自身所需要的燃料氚。目前，欧盟、中国、印度和美国等均在设计和研发基于液态铅锂包层的先进聚变堆，针对其在线高效提取氚燃料技术正处于发展之中，预期将在ITER的运行后期开展液态铅锂包层模块(TBM)在线提氚相关技术演示验证实验。主要采用鼓泡提氚方法，即低压氦气(3～5个大气压，氦/氢比为1000:1)作为吹扫气在鼓泡器内形成气泡流动与载氚液态铅锂进行同位素交换，载氚吹扫气体通过冷阱冷却至173K，其中HTO和H2O被分离收集，再经回流换热进一步冷却至103K送到低温分子筛床，氢同位素(氚)、氮、氧和残留的水被吸附，分离后的吹扫气升温，经净化后进入下一次循环。为了提高吸附效率，需要设置两套低温分子筛床交替工作，当在线的分子筛床饱和后，由另一套接替工作。饱和的分子筛床经加热解吸后获得恢复，解吸气体经热金属床(镁)、钯/银扩散膜，将氢同位素(氚)分离出来。计算结果表明，采用鼓泡器交换和分子筛床分离方法，提氚效率可达到90％以上，但该方法系统复杂、成本高，需要采用吹扫气鼓泡进行同位素交换，液态铅锂质量流率难以在线控制。为了满足液态铅锂包层聚变堆的氚燃料自持，包层内高功率密度核热的及时排出，研发大质量流率可调的在线高效提氚技术及其实验系统对聚变能的研发极其关键。基于以上
技术介绍
，针对国家磁约束核聚变能发展研究专项项目课题(2013GB113004)研究的任务需求，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对聚变堆液态铅锂包层高效在线提氚技术，提出采用真空筛板装置、筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置及其实验系统，实现高质量流率和高效在线提氚。本专利技术由于不需要采用吹扫气鼓泡进行同位素交换，且提氚后的高温度液态铅锂与二回路工质换热，因此具有结构简单、成本低、质量流率可调、氚渗透率低和在线氚提取效率高等显著优点，可有效解决聚变堆液态金属包层氚高效提取的难题。本专利技术采用的技术方案为：一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，包括聚变堆液态金属铅锂包层、液态铅锂回路、回路控制阀、真空罐、筛板装置、筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置、真空泵、热交换器、第一高温电磁泵、第二高温电磁泵、第一数字电磁流量计、第二数字电磁流量计、液位计、第一压力变送器、第二压力变送器、第一组k型铠装热电偶、第二组k型铠装热电偶、第三组k型铠装热电偶、真空计、数据采集卡和计算机；聚变堆液态金属铅锂包层的母管与液态铅锂回路出口段联接至真空罐上部，回路控制阀、第一数字电磁流量计和第一压力变送器安装于液态铅锂回路出口段，第一组k型铠装热电偶的3个k型铠装热电偶按周向均匀布置于筛板装置上端液态金属铅锂中；筛板装置位于真空罐内4/5高度处，筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置设置于筛板装置中，滴嘴出口位于筛板底部端面，筛板孔及滴嘴控制阀与控制装置联接；真空泵和真空计设置于真空罐中部，液位计位于真空罐下部液态铅锂液面上，第二组k型铠装热电偶的3个k型铠装热电偶按周向均匀布设于真空罐下部内侧；真空罐底部液态铅锂出口与高温电磁泵相连接，第一高温电磁泵的出口端与热交换器入口端相连接，热交换器的出口端与第二高温电磁泵的入口端相连接，第二高温电磁泵的出口端与聚变堆液态铅锂包层的母管入口相连接，第二数字电磁流量计、第二压力变送器和第三组k型铠装电偶安装于聚变堆液态铅锂包层的母管入口段；数据采集卡的输入端分别联接至第一组k型铠装热电偶、第二组k型铠装热电偶和第三组k型铠装热电偶、第一压力变送器和第二压力变送器、液位计、真空计以及第一数字电磁流量计和第二数字电磁流量计，数据采集卡输出端连接至计算机。更进一步的，所述筛板装置位于真空罐高度的4/5处，其直径为真空罐的内径，厚度为28cm，其下端面和真空罐底部液态铅锂液面之间的真空高度hv为液滴下落的距离。更进一步的，筛板装置内设置筛板孔及滴嘴阵列，用于形成液态铅锂液滴，筛板孔及滴嘴阵列的排列方式为沿圆周均匀排列，为避免相邻液滴之间碰撞合并与氚再吸收，相邻滴嘴之间距离不小于1cm，相邻圆周之间距离为1cm，筛板孔高度为26mm，直径为4.6mm，其中部设置滴嘴控制阀，筛板孔下端的滴嘴出口端位于筛板底部端面，滴嘴高度为2mm，直径在0.4～1mm之间，可通过筛板孔及滴嘴控制阀阵列及控制装置调节，筛板孔及滴嘴内壁壁面粗糙度均为1～2μm。更进一步的，根据真空罐底部液态铅锂液面位置、液态铅锂的质量流率和预设的提氚效率，通过筛板孔及滴嘴控制阀阵列及控制装置可分别控制每一个筛板孔的通断，滴嘴直径的大小，适应聚变堆液态金属包层的铅锂质量流率可调和高效提氚的目标。本专利技术还提供一种用于聚变堆液态金属包层氚提取的方法，利用上述的用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，实现步骤如下：步骤S1：聚变堆液态金属铅锂包层内的载氚高温液态金属铅锂从母管出口通过铅锂回路出口段注入真空罐上部，由回路控制阀调节液态铅锂质量流率，第一数字电磁流量计显示液态铅锂质量流率，第一压力变送器测量液态铅锂压力；步骤S2：由第一组k型铠装热电偶的3个k型铠装热电偶测量筛板装置上部液态铅锂温度，通过筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置调节筛板装置中滴嘴的数量和孔径来调整液态铅锂的质量流率和液滴的大小，液态铅锂在重力和压力作用下，通过滴嘴形成液滴下落至真空罐下部，载氚铅锂液滴在下落过程中氚以分子形态传输至表面并进入真空，由真空泵抽出至氚处理与循环系统，由液位计显示真空罐下部液态铅锂液位，第二组k型铠装热电偶的3个k型铠装热电偶测量真空罐下部液态铅锂温度；步骤S3：提氚后落入真空罐下部的液态铅锂由高温电磁泵驱动流入换热器，与二回路换热后再由第二高温电磁泵驱动进入液态包层母管，形成下一次循环，由第二数字电磁流量计显示流入包层母管液态铅锂质量流率，第二压力变送器测量流入包层母管液态铅锂的压力，第三组k型铠装热电偶测量流入包层母管液态铅锂的温度；步骤S4：数据采集卡实时采集第一组k型铠装热电偶、第二组k型铠装热电偶和第三组k型铠装热电偶，第一压力变送器和第二压力变送器，第一数字电磁流量计和第二数字电磁流量计，液位计和真空计的数字信号，经变换后送至计算机进行处理、显示与存储，用于显示液态铅锂的温度、压力和质量流率参数，为计算机自动控制筛板孔及滴嘴控制阀阵列的通断和滴嘴的大小提供输入参数。更进一步的，所述步骤S2中筛板装置内筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置的功能之一是满足聚变堆包层液态锂铅规定的质量流率，利用聚变堆双冷包层时氦气冷却结构，液态铅锂自冷增殖区，即通过液态铅锂循环流动冷却高能中子核反应所产生的高功率密度核热，流入换热器与二回路工质换热用于发电，聚变功率为2.3GW的反应堆双冷铅锂包层时筛板装置内筛板孔及滴嘴控制阀阵列设置设计参数为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，其特征在于：包括聚变堆液态金属铅锂包层(1)、液态铅锂回路(2)、回路控制阀(3)、真空罐(4)、筛板装置(5)、筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)、真空泵(7)、热交换器(8)、第一高温电磁泵(9)、第二高温电磁泵(9’)、第一数字电磁流量计(10)、第二数字电磁流量计(10’)、液位计(11)、第一压力变送器(12)、第二压力变送器(12’)、第一组k型铠装热电偶(13)、第二组k型铠装热电偶(13’)、第三组k型铠装热电偶(13”)、真空计(14)、数据采集卡(15)和计算机(16)；聚变堆液态金属铅锂包层(1)的母管与液态铅锂回路(2)出口段联接至真空罐(4)上部，回路控制阀(3)、第一数字电磁流量计(10)和第一压力变送器(12)安装于液态铅锂回路出口段，第一组k型铠装热电偶(13)的3个k型铠装热电偶按周向均匀布置于筛板装置(5)上端液态金属铅锂中；筛板装置(5)位于真空罐(4)内4/5高度处，筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)设置于筛板装置(5)中，滴嘴出口位于筛板底部端面，筛板孔及滴嘴控制阀与控制装置联接；真空泵(7)和真空计(14)设置于真空罐(4)中部，液位计(11)位于真空罐(4)下部液态铅锂液面上，第二组k型铠装热电偶(13’)的3个k型铠装热电偶按周向均匀布设于真空罐(4)下部内侧；真空罐(4)底部液态铅锂出口与高温电磁泵(9)相连接，第一高温电磁泵(9)的出口端与热交换器(8)入口端相连接，热交换器(8)的出口端与第二高温电磁泵(9’)的入口端相连接，第二高温电磁泵(9’)的出口端与聚变堆液态铅锂包层(1)的母管入口相连接，第二数字电磁流量计(10’)、第二压力变送器(12’)和第三组K型铠装电偶(13”)安装于聚变堆液态铅锂包层(1)的母管入口段；数据采集卡(15)的输入端分别联接至第一组k型铠装热电偶(13)、第二组k型铠装热电偶(13’)和第三组k型铠装热电偶(13”)、第一压力变送器(12)和第二压力变送器(12’)、液位计(11)、真空计(14)以及第一数字电磁流量计(10)和第二数字电磁流量计(10’)，数据采集卡(15)输出端连接至计算机(16)。...

【技术特征摘要】
1.一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，其特征在于：包括聚变堆液态金属铅锂包层(1)、液态铅锂回路(2)、回路控制阀(3)、真空罐(4)、筛板装置(5)、筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)、真空泵(7)、热交换器(8)、第一高温电磁泵(9)、第二高温电磁泵(9’)、第一数字电磁流量计(10)、第二数字电磁流量计(10’)、液位计(11)、第一压力变送器(12)、第二压力变送器(12’)、第一组k型铠装热电偶(13)、第二组k型铠装热电偶(13’)、第三组k型铠装热电偶(13”)、真空计(14)、数据采集卡(15)和计算机(16)；聚变堆液态金属铅锂包层(1)的母管与液态铅锂回路(2)出口段联接至真空罐(4)上部，回路控制阀(3)、第一数字电磁流量计(10)和第一压力变送器(12)安装于液态铅锂回路出口段，第一组k型铠装热电偶(13)的3个k型铠装热电偶按周向均匀布置于筛板装置(5)上端液态金属铅锂中；筛板装置(5)位于真空罐(4)内4/5高度处，筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)设置于筛板装置(5)中，滴嘴出口位于筛板底部端面，筛板孔及滴嘴控制阀与控制装置联接；真空泵(7)和真空计(14)设置于真空罐(4)中部，液位计(11)位于真空罐(4)下部液态铅锂液面上，第二组k型铠装热电偶(13’)的3个k型铠装热电偶按周向均匀布设于真空罐(4)下部内侧；真空罐(4)底部液态铅锂出口与高温电磁泵(9)相连接，第一高温电磁泵(9)的出口端与热交换器(8)入口端相连接，热交换器(8)的出口端与第二高温电磁泵(9’)的入口端相连接，第二高温电磁泵(9’)的出口端与聚变堆液态铅锂包层(1)的母管入口相连接，第二数字电磁流量计(10’)、第二压力变送器(12’)和第三组K型铠装电偶(13”)安装于聚变堆液态铅锂包层(1)的母管入口段；数据采集卡(15)的输入端分别联接至第一组k型铠装热电偶(13)、第二组k型铠装热电偶(13’)和第三组k型铠装热电偶(13”)、第一压力变送器(12)和第二压力变送器(12’)、液位计(11)、真空计(14)以及第一数字电磁流量计(10)和第二数字电磁流量计(10’)，数据采集卡(15)输出端连接至计算机(16)。2.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，其特征在于：所述筛板装置(5)位于真空罐(4)高度的4/5处，其直径为真空罐(4)的内径，厚度为28cm，其下端面和真空罐(4)底部液态铅锂液面之间的真空高度hv为液滴下落的距离。3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，其特征在于：筛板装置(5)内设置筛板孔及滴嘴阵列，用于形成液态铅锂液滴，筛板孔及滴嘴阵列的排列方式为沿圆周均匀排列，为避免相邻液滴之间碰撞合并与氚再吸收，相邻滴嘴之间距离不小于1cm，相邻圆周之间距离为1cm，筛板孔高度为26mm，直径为4.6mm，其中部设置滴嘴控制阀，筛板孔下端的滴嘴出口端位于筛板(5)底部端面，滴嘴高度为2mm，直径在0.4～1mm之间，可通过筛板孔及滴嘴控制阀阵列及控制装置(6)调节，筛板孔及滴嘴内壁壁面粗糙度均为1～2μm。4.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，其特征在于：根据真空罐(4)底部液态铅锂液面位置、液态铅锂的质量流率和预设的提氚效率，通过筛板孔及滴嘴控制阀阵列及控制装置(6)可分别控制每一个筛板孔的通断，滴嘴直径的大小，适应聚变堆液态金属包层(1)的铅锂质量流率可调和高效提氚的目标。5.一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的方法，利用权利要求1所述的用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，其特征在于实现步骤如下：步骤S1：聚变堆液态金属铅锂包层(1)内的载氚高温液态金属铅锂从母管出口通过铅锂回路(...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪卫华，江海燕，左从菊，韩佳佳，邓海飞，程德胜，杨锦宏，储德林，祁俊力，芦伟，史博，蒲文婧，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军官学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34