[发明专利]一种高温、强化学活性的液态金属锂润湿性的测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及聚变反应堆领域，具体为一种高温、强化学活性的液态金属锂润湿性的测量系统。

背景技术

随着聚变装置不断升级，面对等离子体第一壁（PFC）高热负载不断增加，等离子体与第一壁的相互作用越来越强，由此引起的第一壁的损伤及腐蚀也会加剧。为了承受高温等离子体的轰击，降低第一壁表面的辐射损伤，延长第一壁的使用寿命，降低杂质辐射及提高等离子体性能等，有必要研究一种新型的具有很强的热负荷输出能力，且能够自我修复的第一壁。

与其它材料的第一壁材料比较，锂元素具有更大的优势，那就是它具有低的辐射功率（低Z）、强的氢滞留率（低再循环）及强的杂质吸附（低的杂质水平）能力。锂，作为第一壁，可以有效减少杂质，抑制再循环，有利于降低边界电子热输运，有利于减少等离子体不稳定性（MHD）行为，有利于等离子体约束性能的改善，有利于提高等离子体内能，有利于降低高约束模的能量阈值，有利于高参数长脉冲等离子体的实现，有利于抑制边界局域模的产生，提高等离子体运行效率。而且流动的液态锂第一壁还可以满足等离子体轰击下高热负荷的输运能力，同时解决了固态第一壁的腐蚀损伤问题，延长了第一壁的使用寿命。目前流动的液态锂第一壁的研究正受到越来越多的重视。

虽然流动的液态锂可以降低由于表面腐蚀引起的PFC寿命减少，但是通过前期的台面实验及HT-7托卡马克液态锂限制器实验发现，液态锂很难在不锈钢表面均匀铺展开及液态锂很难完全进入预设的不锈钢沟槽内，说明液态锂对不锈钢的表面润湿性有待改善，极大地限制了液态锂、尤其是流动的液态锂在未来聚变装置内的应用。故需要开展一系列的实验研究改善液态锂润湿性的方法。

润湿性是液相与固相接触时液相沿着固相表面铺展的现象。润湿有三种类型，即沾湿、浸湿与铺展。接触角是材料表面润湿性能的重要参数之一。通过接触角的测量可以获得材料表面相互作用的许多信息。在液、固、气三相的交界处作液体表面的切线与固体表面的切线，两切线通过液体内部所成的夹角θ即称为接触角。当θ为锐角时，液体在固体表面上扩展，即液体润湿固体；θ=0时，叫做完全润湿；θ为钝角时，液体表面收缩而不扩展,液体不润湿固体，简称不润湿；当θ=π时，称为完全不润湿。对于接触角的测量，总结起来有如下四种方法：（1）影像分析法；（2）插板法；（3）力测量法；（4）透过测量法（主要是粉体接触角），其中应用最广泛又最简单方便的方法为影像分析法。通过影像分析技术，测量或计算出液体与固体表面的接触角值的简易方法。

对于液态金属锂的润湿性测量，用市场上通用的测量仪器存在一定的困难性。原因有以下几点：1.锂是化学活性很强的碱金属，在空气中测量很容易与空气中的氮、氧及二氧化碳等气体反应，生成表面坚硬的化合物，这样将阻止液态锂随着温度的升高时在基底表面的铺展。2.液态锂具有腐蚀性，与玻璃、陶瓷及塑料非金属不同兼容，与铜、金及含杂质较高的不锈钢反应，这对测量仪器本身使用的材料具有严格的要求，尤其是对锂的注入系统。目前市场上通用的自动控制注射泵（类似医用注射器）等，其材料大都不能与液态锂兼容。3.目前市场上通用的接触角测量仪器其测量温度范围大都在几十到一百度左右，而锂的熔点在181摄氏度，显然市场上通用的接触角测量仪器很难满足这一要求。所以需要研制一套能够测量液态锂润湿性的实验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温、强化学活性的液态金属锂润湿性的测量系统，以解决现有技术高温、强化学活性的液态金属锂润湿性测试的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高温、强化学活性的液态金属锂润湿性的测量系统，其特征在于：包括有真空室、真空抽气与测量系统、带加热和温度测量装置的样品台、样品盘的驱动系统、液态锂滴入系统、光源、相机、图像处理系统，通过液态锂滴入系统向真空室内的样品台滴入液态锂，并通过液态锂滴入系统控制液态锂的滴入，利用真空室内高真空环境阻止液态锂表面的氧化变性，利用样品台的加热和温度测量装置，实现将液态锂升温至高温状态并实现润湿性测量，通过光源照亮真空室内，并利用相机采集液态锂滴入的样品台图像，最后在图像处理系统中采用影像分析法及编制的Matlab批处理程序测量液态锂在样品台上的接触角。