本发明专利技术公开了一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法。该装置主要用于研究聚变堆固态增殖包层氦气在硅酸锂球床颗粒间的流动特性与硅酸锂粉末的流动特性，主要包括氦气吹扫系统和球床实验段，氦气吹扫系统主要用于提供一定参数范围的氦气与粉末混合吹扫气体，实验段由填满粗细锂基陶瓷颗粒的管体组成，管体上布置有测压设备，用于监测球床内氦气压降；并安装有PIV可视化测量系统，用于实时观测球床内粉末运动过程。该装置通过研究氦气速度、压力变化与粉末在球床内的流态化特性，测量球床内氦气的速度、压力分布与粉末的速度分布，修正球床内氦气压降经验公式，推导球床内氦气流动速度与粉末曳力关系式，验证固态增殖包层数值仿真结果的正确性，为中国固态实验包层模块的研发提供支持。态实验包层模块的研发提供支持。态实验包层模块的研发提供支持。
【技术实现步骤摘要】
一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法
[0001]本专利技术涉及核工程领域，可以对聚变堆球床破碎粉末流态化行为进行实验研究。
技术介绍
[0002]解决等离子体稳态运行和氚自持问题被认为是实现聚变能利用的必然前提。包层是实现氚自持的功能载体，内部氚增殖区采用锂基颗粒产氚并由吹扫气体带出，确保球床内吹扫气体通道的通畅是保证氚提取效率的重要前提。氚增殖球床内颗粒长期处于中子辐照、高热负荷、强磁场的服役环境下，容易产生粉化和破碎现象，产生的颗粒碎片和粉末在吹扫气体裹挟作用下发生迁移和沉积，堆积在气体通道内，减小吹扫气体的有效流通面积，增大流动阻力，恶化吹扫气体的流量分布，进而产生的氚滞留、传热退化等现象，严重危及球床的热力学性能以及氚自持的实现。此外，增殖区盒内冷却流道破口事故会导致高温高压氦气冷却剂直接泄漏喷射至球床，由此产生的颗粒流动、鼓泡和腾涌等行为也会直接威胁反应堆的安全运行。因此，聚变堆氚增殖球床颗粒在球床内的迁移和沉积等动力学行为，成为一个亟待明确的、值得深入探究的科学问题。
[0003]专利技术专利CN 110739086 A已公开了一种用于托卡马克聚变装置冷却发电系统的辅助回路，关于聚变堆增殖包层球床吹氚氦气热工水力特性实验装置也有授权，见公开号CN 104122071 B。但现有的相关实验装置大多仅用于研究球床内氦气的流动特性与热力学特性，而并未考虑硅酸锂粉末的流动与沉积特性，目前关于球床内粉末的迁移行为也缺乏研究，但破碎粉末对包层的工作效率与安全的影响不可忽略。本专利技术即针对这一研究背景，提出一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法。
技术实现思路
[0004]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法，对包层中破碎颗粒的运动与沉积规律进行精确预测，为包层球床的动力学研究提供帮助，同时为包层的结构设计提供重要参考。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:
[0006]一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置，循环回路由氦气瓶1、第一手动阀2、第二手动阀3、第一缓冲罐4、压力表5、第三手动阀6、第四手动阀7、真空管8、第五手动阀9、自密封接口10、真空压缩机11、第六手动阀12、第七手动阀13、第八手动阀14、第二缓冲罐15、压力表16、第九手动阀17、第一质量流量控制器18、第十手动阀19、第十一手动阀20、第二质量流量控制器21、第十二手动阀22、第十三手动阀23、安全阀24、第十四手动阀25、氦气粉末混合箱26、混合物阀门27、透明石英玻璃实验段28、过滤器29、冷却器30组成，其中实验段28包括：气固混合物入口31、硅酸锂颗粒32、第十五手动阀33、旋风分离器34、顶部粉末收集管35、压力表组36、底部粉末收集管37、高精度电子秤38、强光源39、高速相机40、控制和存储设备41等组成。
[0007]所述氦气粉末混合箱是用于混合氦气与硅酸锂粉末的区域。氦气与硅酸锂粉末先
在该区域充分混合，再打开混合物阀门进入实验段。
[0008]所述第一缓冲罐与第二缓冲罐用于缓冲回路内氦气压力。当回路内氦气压力过大，可打开缓冲罐阀门缓解压力，通过缓冲罐上安装的压力表监测压力。待压力降低至较为安全的数值时才可关闭缓冲罐所在支路的阀门。
[0009]所述真空压缩机用于清理回路中的气体杂质。实验开始前开启真空压缩机抽取回路内的空气，并通过真空管监测回路中的真空度。待真空度达到合适的值后，关闭真空压缩机及其所在支路的阀门，准备开始实验。
[0010]所述第一质量流量控制器与第二质量流量控制器用于监测与控制气固混合物的流量。其中第一质量流量控制器的量程小于第二质量流量控制器。当氦气流量较小时，关闭第十一手动阀与第十二手动阀，通过第九手动阀与第十手动阀控制混合物的流量；当氦气流量较大时，关闭第九手动阀与第十手动阀，通过第十一手动阀与第十二手动阀控制混合物流量，达到控制氦气流速的目的。
[0011]所述安全阀的作用是回路内压力过载保护。若回路内某一瞬间压力过大，安全阀可在一定程度上保护回路。
[0012]硅酸锂小球以随机堆积的方式堆放在立方体透明石英玻璃实验段内，其长宽高分别为30mm、6mm、100mm。硅酸锂颗粒的直径为1～5mm，容器上下两端装有金属网，其防止颗粒掉落的同时可保证氦气与硅酸锂粉末可通过。氦气由高压氦气瓶提供。实验开始前先使用真空压缩机将回路抽成真空，之后通过真空管检测回路内的真空度。待回路内无杂质后，通入适量氦气进入回路，并通过控制两个缓冲罐阀门与取样口阀门控制回路内气压。待回路气压稳定后，打开硅酸锂粉末阀门，让适量硅酸锂粉末与氦气在混合箱中混合，待混合均匀后打开混合物阀门，让气固混合物进入实验段。
[0013]在混合物进入实验段前，先通过质量流量控制器控制气体的流速。当气固混合物进入实验段后，通过球床实验段上安装的压力表组监测球床氦气压降。球床附近安装有PIV可视化测量系统，该系统由强光源、高速相机、控制与存储设备组成。利用高速摄像机记录粉末在球床内的运动情况，同时将气体出口处与旋风分离器连接，将通过实验段后的混合物中的气体与粉末分离。最后将沉积的粉末与分离的粉末收集，用高精度电子秤称量。待混合物离开实验段后，通过过滤器过滤杂质，再利用冷却器对氦气进行散热，由此完成一个循环。此后可进行多次循环，获取多组实验数据，得出一般性结论。
[0014]本专利技术提出了一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置，其循环回路的设计可对价格昂贵的氦气进行循环利用，填补了对于聚变堆包层球床内硅酸锂粉末流态化实验研究的空白，具有稳定、安全的技术特点。
附图说明
[0015]图1为聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置循环回路图。
[0016]部件及标号列表：
[0017]氦气瓶1、第一手动阀2、第二手动阀3、第一缓冲罐4、压力表5、第三手动阀6、第四手动阀7、真空管8、第五手动阀9、自密封接口10、真空压缩机11、第六手动阀12、第七手动阀13、第八手动阀14、第二缓冲罐15、压力表16、第九手动阀17、第一质量流量控制器18、第十手动阀19、第十一手动阀20、第二质量流量控制器21、第十二手动阀22、第十三手动阀23、安
全阀24、第十四手动阀25、氦气粉末混合箱26、混合物阀门27、透明石英玻璃实验段28、过滤器29、冷却器30。
[0018]图2为实验段气固分离装置图。
[0019]部件及标号列表：
[0020]气固混合物入口31、硅酸锂颗粒32、第十五手动阀33、旋风分离器34、顶部粉末收集管35、压力表组36、底部粉末收集管37、高精度电子秤38。
[0021]图3为实验段PIV可视化装置图。
[0022]部件及标号列表：
[0023]强光源39、高速相机40、控制和存储设备41。
具体实施方式
[0024]如图1所示为氦气吹扫和粉末本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种聚变堆球床氦气吹扫及粉末流态化实验装置及方法，其特征在于：该装置由氦气瓶(1)、第一手动阀(2)、第二手动阀(3)、第一缓冲罐(4)、压力表(5)、第三手动阀(6)、第四手动阀(7)、真空管(8)、第五手动阀(9)、自密封接口(10)、真空压缩机(11)、第六手动阀(12)、第七手动阀(13)、第八手动阀(14)、第二缓冲罐(15)、压力表(16)、第九手动阀(17)、第一质量流量控制器(18)、第十手动阀(19)、第十一手动阀(20)、第二质量流量控制器(21)、第十二手动阀(22)、第十三手动阀(23)、安全阀(24)、第十四手动阀(25)、氦气粉末混合箱(26)、混合物阀门(27)、透明石英玻璃实验段(28)、过滤器(29)、冷却器(30)组成，其中实验段(28)包括：气固混合物入口(31)、硅酸锂颗粒(32)、第十五手动阀(33)、旋风分离器(34)、顶部粉末收集管(35)、压力表组(36)、底部粉末收集管(37)、高精度电子秤(38)、强光源(39)、高速相机(40)、控制和存储设备(41)等组成。2.根据权利要求1所述的一种聚变堆包层球床氦气吹扫与粉末流态化实验装置及方法，其特征在于：所述氦气粉末混合箱的作用是用于混合氦气与硅酸锂粉末，混合箱内预先盛装有硅酸锂粉末。氦气与硅酸锂粉末先在该区域充分混合，再打开混合物阀门进入实验段。3.根据权利要求1所述的一种聚变堆包层球床氦气吹扫与粉末流态化实验装置及方法，其特征在于：所述第一缓冲罐与第二缓冲罐用于缓冲回路内氦气压力。当回路内氦气压力过大，可打开缓冲罐阀门缓解压力，通过缓冲罐上布置的压力表监测回路压力，当压力达到安全阈值时关闭缓冲罐阀门。4.根据权利要求1所述的一种聚变堆包层球床氦气吹扫与粉末流态化实验装置及方法，其特征在于：所述真空压缩机是用于清理回路中的杂质气体。实验开始前开启真空压缩机抽取回路内的空气，并通过真空管监测回路中的真空度。待回路内接近真空后，关闭真空压缩机及其所在支路的阀门，准备开始实验。5.根据权利要求1所述的一种聚变堆包层球床氦气吹扫与粉末流态化实验装置及方法，其特征在于：所述第一质量流量控制器与第二质量流量控制器用于监测与控制气固混合物的流量。其中第一质量流量控制器的量程小于第二质量流量控制器。当氦气流量较小时，关闭第十一手动阀与第十二手动阀，通过第九手动阀与第十手动阀控制混合物的流量；当氦气流量较大时，关闭第九手动阀与第十手动阀，通过第十一手动阀与第十二手动阀控制混合物流量，达到控制氦气流速的目的。6.根据权利要求1所述的一种聚变堆包层球床氦气吹扫与粉末流态化实验装置及方法，其特征在于：步骤1：实验开始前，先关闭第一手动阀(2)、第十三手动阀(23)，其余阀门全部开启。事先须确认阀门气密性良好，之后启动真空压缩机(11...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪键，刘明宗，雷明准，吴琪刚，徐淑玲，徐坤，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：
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