一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法，聚变堆包层内载氚高温液态金属铅锂从母管经回路注入真空罐上部，通过调节筛板装置内真空雾化螺旋喷嘴的数量和孔径来调整液态铅锂的质量流率。液态铅锂在重力、离心力和表面张力作用下，通过螺旋喷嘴雾化成小液滴下落至真空罐下部，铅锂小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与二回路换热后再进入液态包层，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、氚渗透率低和提氚效率高等显著优点，可有效解决聚变堆液态金属包层高效在线提氚的难题。

A vacuum atomization screw nozzle device and method for on-line tritium extraction from liquid metal cladding of fusion reactor

The invention discloses a vacuum atomizing screw nozzle device and method for on-line tritium extraction from liquid metal cladding of fusion reactor. The high temperature liquid metal lead lithium loaded in the cladding of fusion reactor is injected into the upper part of vacuum tank through a loop from the main pipe, and the liquid lead lithium is adjusted by adjusting the number and aperture of the vacuum atomizing screw nozzles in the sieve plate device. Mass flow rate. Under the action of gravity, centrifugal force and surface tension, liquid lead-lithium droplets fall to the lower part of the vacuum tank through a spiral nozzle. During the dropping process, small droplets of lead-lithium are transferred to the surface in molecular form and enter the vacuum, which is pumped out by a vacuum pump to the tritium treatment and circulation system. After tritium extraction, the high temperature liquid lead and lithium falling into the lower part of the vacuum tank exchanges heat with the secondary circuit and then enters the liquid cladding to form the next cycle. The present invention has the advantages of simple structure, low cost, adjustable mass flow rate, low tritium permeability and high tritium efficiency, and can effectively solve the problem of efficient on-line tritium extraction from liquid metal cladding of fusion reactor.

【技术实现步骤摘要】
一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法
本专利技术涉及聚变堆液态金属铅锂包层氚燃料的高效在线提取方法及其实验系统，属于先进核反应堆核燃料研究领域。
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和筛板孔液滴渗透方法，鼓泡提氚方法采用低压氦气(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。筛板孔液滴渗透方法是通过筛板孔形成铅锂液滴在真空中下落，载氚铅锂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，提氚效率也可达到90％以上，但该方法形成的铅锂液滴体积大，液滴中的氚传输至表面进入真空时间长，需要相对高的下落高度，造成真空罐体积过大，且提氚效率难以进一步提高。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
，针对国家自然科学基金项目(51576208)和国家磁约束核聚变能发展研究专项项目(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，提供一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法，实现高质量流率和高效在线提氚，有效地提高了氚循环效率。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在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置，由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、螺旋喷嘴与控制阀阵列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等组成。聚变堆液态金属铅锂包层1的母管与液态铅锂回路2联接，液态铅锂回路2的出口端联接至真空罐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，3个k型铠装热电偶13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，螺旋喷嘴与控制阀阵列6设置在筛板装置5中的筛板孔内，其中，螺旋喷嘴出口位于筛板装置5下部端面；真空泵7和真空计14连接至真空罐4，液位计11位于真空罐4下部液态铅锂液面上，3个k型铠装热电偶13’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第一高温电磁泵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’和第一组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螺旋喷嘴与控制阀阵列6、3组k型铠装热电偶13、13’和13”、第一组压力变送器12和第二压力变送器12’、液位计11、真空计14和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。具体实现步骤如下：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液态铅锂回路2出口段注入真空罐4上部，由回路控制阀3调节液态铅锂质量流率，第一数字电磁流量计10显示液态铅锂质量流率，第一压力变送器12测量液态铅锂压力；S2：由3个k型铠装热电偶13、13’和13”测量筛板装置5上部液态铅锂温度，通过螺旋喷嘴与控制阀阵列6调节筛板装置5的筛板孔中螺旋喷嘴的通断数量和孔径大小来调整液态铅锂的质量流率，液态铅锂在螺旋喷嘴内产生旋转流动，由于离心力和表面张力的作用使得液态铅锂在出口处向外扩展形成薄的钟罩形液膜带，液膜带的外侧水平速度大于内侧水平速度形成速度变化从而产生快速增长的不稳定波，经过1个周期1/ωb后，充分增长的液膜带转变成液膜丝，液膜丝在表面张力的不稳定作用下雾化成铅锂小液滴(其平均直径在0.1～0.01mm)。在重力和压力作用下铅锂小液滴下落至真空罐4下部，铅锂小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7抽出至氚处理与循环系统，由液位计11显示真空罐4下部液态铅锂液位，第二组k型铠装热电偶13’测量真空罐4下部液态铅锂温度；S3：提氚后落入真空罐4下部的液态铅锂由第一高温电磁泵9驱动流入换热器8，与二回路换热后再由第二高温电磁泵9’驱动进入液态包层1的母管，形成下一次循环，由第二数字电磁流量计10’显示流入包层母管液态铅锂的质量流率，第二压力变送器12’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13”测量流入包层母管液态铅锂的温度。S4：数据采集卡15实时采集螺旋喷嘴与控制阀阵列6、3组k型铠装热电偶13、13’和13”，第一压力变送器12和第二压力变送器12’，第一数字电磁流量计10和第二数字电磁流量计10’，真空计14和液位计11的数字信号，经变换后送至计算机16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，为计算机自动控制螺旋喷嘴与控制阀阵列6的通断和螺旋喷嘴孔径的大小提供输入参数。所述步骤S2中筛板装置5的筛板孔内螺旋喷嘴与控制阀阵列6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，流入热交换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5的筛板孔内螺旋喷嘴控制阀阵列6的设计参数为：真空罐4的内径16.7m，高度为2m，筛板装置5的筛板孔内螺旋喷嘴阵列的排列方式为同心圆设置，相邻圆周之间距离大于1cm，沿圆周均匀布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置，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)、螺旋喷嘴与控制阀阵列(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)入口联接，液态铅锂回路(2)出口联接至真空罐(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)上端由液态铅锂回路(2)流入的液态金属铅锂中；筛板装置(5)位于真空罐(4)内，螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)安装于筛板装置(5)内的各个筛板孔中，螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)的螺旋喷嘴出口位于筛板装置(5)底部端面；真空泵(7)和真空计(14)连接至真空罐(4)，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)下部液态铅锂出口与第一高温电磁泵(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螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)、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在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置，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)、螺旋喷嘴与控制阀阵列(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)入口联接，液态铅锂回路(2)出口联接至真空罐(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)上端由液态铅锂回路(2)流入的液态金属铅锂中；筛板装置(5)位于真空罐(4)内，螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)安装于筛板装置(5)内的各个筛板孔中，螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)的螺旋喷嘴出口位于筛板装置(5)底部端面；真空泵(7)和真空计(14)连接至真空罐(4)，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)下部液态铅锂出口与第一高温电磁泵(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螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)、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在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置，其特征在于：所述筛板装置(5)为圆形，位于真空罐(4)高度的4/5处，筛板装置(5)直径为真空罐(4)的内径，厚度为28cm，其下端面和真空罐(4)下部液态铅锂液面之间的真空高度hv为铅锂小液滴下落的距离。3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置，其特征在于：筛板装置(5)的筛板孔内安装螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)用于雾化液态铅锂小液滴，所述的螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)中的螺旋喷嘴与控制阀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，相邻螺旋喷嘴之间距离不小于1cm，相邻圆周之间距离大于1cm；筛板装置(5)内的筛板孔高度为28cm，入口孔径为4.6mm，距筛板装置(5)顶部2cm安装螺旋喷嘴与控制阀阵列(6)的控制阀，控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪卫华，杨锦宏，储德林，程德胜，芦伟，张顺，石润华，江海燕，左从菊，韩佳佳，邓海飞，祁俊力，史博，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34