一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法，包括聚变堆液态金属锂铅包层、液态金属锂铅回路、载带气体储气罐、第一气体控制阀、质量流量控制器、第一数字压力计、第二气体控制阀、气相色谱分析仪、真空泵、第一电磁流量计、k型铠装热电偶、回路控制阀、多孔不锈钢膜、液态金属锂铅缓存罐、第二数字压力计、第二电磁流量计、高温电磁泵、数据采集卡、计算机、全密不锈钢管、感应式液位计、载带气体入口管道与载带气体出口管道。本发明专利技术能够实现氚的高质量流率连续提取，解决现有技术中结构复杂，成本高，氚提取效率较低的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法
本专利技术属于先进核反应堆核燃料领域，具体涉及一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法。
技术介绍
氚是氢的同位素，是聚变反应的重要燃料。由于氚在自然条件下容易产生β衰变，因此在自然界中含量极少(丰度仅为1×10-16，全球共计约2kg)。要实现聚变反应的持续进行，必须保证氚在聚变过程中能够自给自足，这一过程主要由氚在聚变堆包层中的增殖过程完成。根据氚增殖剂形态的不同可以把包层分为固态包层和液态包层。液态包层主要以含锂的液态金属合金作为氚增殖材料，其中液态金属锂铅由于具有导热性高、氚溶解度低以及与氧气和水的反应活性低的优点，在现有液态金属包层中得到了广泛应用。目前从液态金属锂铅合金中连续提取氚的方法主要有：金属膜(Nb，Zr)渗透法(FusionEngineeringandDesign，1991,18:61)，该方法是将Nb或者Nb/Zr构成的真空渗透窗设置在锂铅冷却管的旁路位置，通过氚浓度在金属膜两侧的分压不同提取氚；中间热介质通路附设冷阱法(FusionEngineeringandDesign，1991,17:31-36)，该方法将NaK或Na用作中间热介质，通过中间热交换器或双层壁热交换器，使氚穿透中间热介质，用网孔填充冷阱设置在NaK或Na回路的旁路位置，实现氚的连续回收；气液逆流萃取填充塔法(FusionEngineeringandDesign，2012,87:1014-1018；中国专利技术专利，CN109541674A；中国专利技术专利，CN106353789B)，该方法也称为喷雾法，是使来自填充塔上部的液态金属锂铅和下部的气体氦进行逆流接触，或者使锂铅呈液滴分散状态落下，通过真空排气的方法萃取氚；鼓泡器法(核聚变与等离子体物理，2013,33:83-87)，该方法将液态金属锂铅通过填料塔分流并形成液膜，惰性气体以设计的流量和压力从填料塔底部引入，在逆向流动的锂铅合金中鼓泡，形成大比表面积的小气泡，通过气液界面上产生的同位素交换迁移提取氚。在以上提取氚的方法中，金属膜渗透法存在锂铅泄漏进真空的风险，并且由于结构材料具有很高的氢溶解度，可能产生氢脆，耐久性较低。中间热介质通路附设冷阱法采用NaK或Na作为中间热介质，氚渗透入中间热介质时的浓度较高，存在发生环境泄漏的危险性。气液逆流萃取填充塔法由于氚在真空腔室中的停留时间较短，严重影响了氚的提取效率。鼓泡器法是目前广泛应用的氚提取方法，但该方法需要建设包括填充床和鼓泡器在内的大型实验装置，系统复杂，成本高，回收效率较低(FusionEngineeringandDesign，2018,135:74-80)。在聚变堆技术发展中，研发能够高效连续提取氚的装置与技术对聚变堆包层的设计非常关键。综上，现有技术中存在结构复杂，成本高，氚提取效率较低的缺点。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于聚变堆液态金属锂铅合金连续提取氚的多孔不锈钢膜装置及方法，实现氚的高质量流率连续提取，解决现有技术中结构复杂，成本高，氚提取效率较低的缺点。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：本专利技术的一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置，包括聚变堆液态金属锂铅包层、液态金属锂铅回路、载带气体储气罐、第一气体控制阀、质量流量控制器、第一数字压力计、第二气体控制阀、气相色谱分析仪、真空泵、第一电磁流量计、k型铠装热电偶、回路控制阀、多孔不锈钢膜、液态金属锂铅缓存罐、第二数字压力计、第二电磁流量计、高温电磁泵、数据采集卡、计算机、全密不锈钢管、感应式液位计、载带气体入口管道与载带气体出口管道；聚变堆液态金属锂铅包层的母管与液态金属锂铅回路的入口段连接，液态金属锂铅缓存罐安装于液态金属锂铅回路出口段中部，k型铠装热电偶均匀安装在缓存罐底部液态金属锂铅中，多孔不锈钢膜焊接到全密不锈钢管上，全密不锈钢管焊接于液态金属锂铅缓存罐的顶部，多孔不锈钢膜完全浸入液态金属锂铅缓存罐的液态金属锂铅中，感应式液位计位于缓存罐中液态金属锂铅液面上，载带气体储气罐出口处连接第一气体控制阀，经过质量流量控制器后进入载带气体入口管道，第一数字压力计安装于载带气体入口管道上部，载带气体入口管道焊接于全密不锈钢管上部，全密不锈钢管右侧开口连接载带气体出口管道，其后依次连接第二气体控制阀、气相色谱分析仪、真空泵及载带气体氚分离系统，第一电磁流量计与回路控制阀相连，回路控制阀连接到液态金属锂铅缓存罐的入口处，第二数字压力计安装于液态金属锂铅缓存罐的上部，液态金属锂铅缓存罐的出口连接第二电磁流量计，其后连接高温电磁泵，高温电磁泵的出口端与聚变堆液态金属锂铅包层的母管入口相连接，数据采集卡的输入端分别连接质量流量控制器、第一数字压力计、气相色谱分析仪、真空泵、第一电磁流量计、k型铠装热电偶、第二数字压力计、第二电磁流量计、高温电磁泵与感应式液位计，数据采集卡的输出端与计算机相连接。所述多孔不锈钢膜的孔径大小通过Washburn方程的计算决定，该孔径条件下液态金属锂铅在不锈钢表面表现为不浸润液体，此时所述液态金属锂铅在多孔不锈钢膜的孔隙处形成气液界面，氚可以通过气液界面的扩散由液态金属锂铅传输至多孔不锈钢膜内部，与现有技术中相比，氚通过气液界面的扩散显著减小了氚传输过程中的传质阻力。所述载带气体氚分离系统包括纯化系统、氢氦分离系统和氢同位素分离系统。载带气体在真空泵的作用下进入纯化系统，纯化系统的出口与氢氦分离系统相连接，氢氦分离系统的出口与氢同位素分离系统相连接。本专利技术还提供了一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的方法，利用上述多孔不锈钢膜，通过载带气体吹扫的方式将氚从液态金属锂铅中提取出来，具体实现步骤如下：步骤S1：聚变反应过程中，聚变堆液态金属锂铅包层内的载氚高温液态金属锂铅从包层母管注入液态金属锂铅回路入口段，由第一电磁流量计测量管道中液态金属锂铅回路的质量流率，回路控制阀可以连续调节液态金属锂铅流入液态金属锂铅缓存罐的质量流率；步骤S2：液态金属锂铅在高温电磁泵的驱动力作用下，注入液态金属金属锂铅缓存罐，缓存罐底部的3个k型铠装热电偶实时测量液态金属锂铅温度，缓存罐顶部的感应式液位计测量液态金属锂铅的高度，第二数字压力计测量缓存罐中液态金属锂铅的压力，第二电磁流量计测量液态金属锂铅缓存罐出口的质量流率；步骤S3：数据采集卡实时采集第一数字压力计、气相色谱分析仪、真空泵、第一电磁流量计、k型铠装热电偶、第二数字压力计、第二电磁流量计、高温电磁泵、感应式液位计的数字信号，并通过总线传送至计算机进行存储、显示与处理，为计算机实时控制液态金属锂铅的流速与多孔不锈钢膜内部的载带气体质量流率提供输入参数；步骤S4：在多孔膜不锈钢膜开始工作之前，首先用载带气体吹扫全密不锈钢管与多孔不锈钢膜内部，以排除全密不锈钢管与多孔不锈钢膜中的杂质气体；然后将多孔不锈钢膜加热后浸入液态金属锂铅中，由于氚在液态金属锂铅与多孔不锈钢膜内部的浓度不同，氚将通过多孔不锈钢膜上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置，其特征在于：包括聚变堆液态金属锂铅包层(1)、液态金属锂铅回路(2)、载带气体储气罐(3)、第一气体控制阀(4)、质量流量控制器(5)、第一数字压力计(6)、第二气体控制阀(7)、气相色谱分析仪(8)、真空泵(9)、第一电磁流量计(10)、k型铠装热电偶(11)、回路控制阀(12)、多孔不锈钢膜(13)、液态金属锂铅缓存罐(14)、第二数字压力计(15)、第二电磁流量计(16)、高温电磁泵(17)、数据采集卡(18)、计算机(19)、全密不锈钢管(20)、感应式液位计(21)、载带气体入口管道(22)和载带气体出口管道(23)；/n聚变堆液态金属锂铅包层(1)的一端依次连接液态金属锂铅回路(2)、第一电磁流量计(10)、回路控制阀(12)和液态金属锂铅缓存罐(14)的入口，液态金属锂铅缓存罐(14)外部的顶端焊接全密不锈钢管(20)，多孔不锈钢膜(13)连接全密不锈钢管(20)的下端，工作时将多孔不锈钢膜浸入液态金属锂铅缓存罐(14)内；第二数字压力计(15)位于液态金属锂铅缓存罐(14)的外部上端，k型铠装热电偶(11)位于液态金属锂铅缓存罐(14)内部的底端，感应式液位计(21)位于液态金属锂铅缓存罐(14)内部的上端，全密不锈钢管(20)一侧开口依次连接载带气体出口管道(23)、第二气体控制阀(7)、气相色谱分析仪(8)、真空泵(9)，真空泵(9)出口连接至载带气体氚分离系统，载带气体储气罐(3)依次连接第一气体控制阀(4)、质量流量控制器(5)、气体入口管道(22)与全密不锈钢管(20)，第一数字压力计(6)位于气体管道入口管道(22)上端，液态金属锂铅缓存罐(14)的出口依次连接第二电磁流量计(16)、高温电磁泵(17)和聚变堆液态金属锂铅包层(1)的入口，数据采集卡(18)的输入端分别连接质量流量控制器(5)、第一数字压力计(6)、气相色谱分析仪(8)、真空泵(9)、第一电磁流量计(10)、k型铠装热电偶(11)、第二数字压力计(15)、第二电磁流量计(16)、高温电磁泵(17)与感应式液位计(21)，数据采集卡(18)的输出端与计算机(19)相连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置，其特征在于：包括聚变堆液态金属锂铅包层(1)、液态金属锂铅回路(2)、载带气体储气罐(3)、第一气体控制阀(4)、质量流量控制器(5)、第一数字压力计(6)、第二气体控制阀(7)、气相色谱分析仪(8)、真空泵(9)、第一电磁流量计(10)、k型铠装热电偶(11)、回路控制阀(12)、多孔不锈钢膜(13)、液态金属锂铅缓存罐(14)、第二数字压力计(15)、第二电磁流量计(16)、高温电磁泵(17)、数据采集卡(18)、计算机(19)、全密不锈钢管(20)、感应式液位计(21)、载带气体入口管道(22)和载带气体出口管道(23)；
聚变堆液态金属锂铅包层(1)的一端依次连接液态金属锂铅回路(2)、第一电磁流量计(10)、回路控制阀(12)和液态金属锂铅缓存罐(14)的入口，液态金属锂铅缓存罐(14)外部的顶端焊接全密不锈钢管(20)，多孔不锈钢膜(13)连接全密不锈钢管(20)的下端，工作时将多孔不锈钢膜浸入液态金属锂铅缓存罐(14)内；第二数字压力计(15)位于液态金属锂铅缓存罐(14)的外部上端，k型铠装热电偶(11)位于液态金属锂铅缓存罐(14)内部的底端，感应式液位计(21)位于液态金属锂铅缓存罐(14)内部的上端，全密不锈钢管(20)一侧开口依次连接载带气体出口管道(23)、第二气体控制阀(7)、气相色谱分析仪(8)、真空泵(9)，真空泵(9)出口连接至载带气体氚分离系统，载带气体储气罐(3)依次连接第一气体控制阀(4)、质量流量控制器(5)、气体入口管道(22)与全密不锈钢管(20)，第一数字压力计(6)位于气体管道入口管道(22)上端，液态金属锂铅缓存罐(14)的出口依次连接第二电磁流量计(16)、高温电磁泵(17)和聚变堆液态金属锂铅包层(1)的入口，数据采集卡(18)的输入端分别连接质量流量控制器(5)、第一数字压力计(6)、气相色谱分析仪(8)、真空泵(9)、第一电磁流量计(10)、k型铠装热电偶(11)、第二数字压力计(15)、第二电磁流量计(16)、高温电磁泵(17)与感应式液位计(21)，数据采集卡(18)的输出端与计算机(19)相连接。


2.根据权利要求1所述的从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置，其特征在于：所述载带气体氚分离系统包括纯化系统，氢氦分离系统和氢同位素分离系统；载带气体在真空泵的作用下进入纯化系统，纯化系统的出口与氢氦分离系统入口相连接，氢氦分离系统的出口与氢同位素分离系统相连接。其中纯化系统采用低温冷冻技术分离出载带气体中的氚水，氢氦分离模块采用低温吸附方式从载带气体中吸附氢同位素气体，吸附得到的氢同位素气体在氢同位素分离模块中采用色谱分离方法将氚提取出来。


3.根据权利要求1所述的从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置，其特征在于：所述载带气体为氦气。


4.根据权利要求1所述的从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置，其特征在于：所述多孔不锈钢膜为空心圆柱结构，构造材料为S31603不锈钢，在圆柱不锈钢侧面上均匀分布着大小相同的孔隙，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩佳佳，汪卫华，张辉，史博，浦文婧，程德胜，单会会，温佳起，郑进江，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34