[发明专利]一种适应用于聚变堆固态包层的分区氚吹扫系统

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种适应用于聚变堆固态包层的分区氚吹扫系统，属于核聚变工程领域。

背景技术

产生聚变装置芯部高温聚变反应所必须的氚，实现氚自持是聚变堆包层的主要功能之一。根据氚增殖剂的物态形式可将聚变堆包层分为固态氚增殖剂包层和液态氚增殖剂包层。其中，固态水冷包层(WCCB)作为中国聚变工程实验堆(CFETR)的一种重要固态增殖剂包层方案，也正在进行相关设计和研发。水冷固态包层采用Li₂TiO₃/Be₁₂Ti混合球床作为产氚载体。同时，为了提高包层的产氚效率，在其中布置铍球床作为中子倍增剂。与其他固态增殖剂包层一样，固态水冷包层通过氦气携带氢气流经球床颗粒之间的孔隙，利用氢同位素置换的方法提取在增殖区产生的氚，进而输送到包层外部的氚回收系统。因此，必须在包层内部设计专门的氚吹扫系统，以实现包层内部氚的输送和提取。

氚吹扫系统设计涉及中子学、材料科学、流体与传热传质等交叉学科，需要兼顾氚提取效率、吹扫气流动阻力、增殖区的冷却性能等因素。一方面，考虑到微球尺寸较小(一般为1～2mm)，吹扫路径较长，吹扫气体流动阻力比较可观。另一方面，因长时间处在中子辐照条件下，固态增殖剂颗粒会发生辐照肿胀。由于辐照肿胀和热膨胀导致的球床颗粒变形、烧结、破裂和结构重组也会影响传热及提氚效果，甚至在局部区域出现流动死区，导致吹扫气体流通性变差，冷却能力不足，氚滞留严重。因此，氚吹扫系统设计是一项非常复杂而艰难的工作。

目前，日本对其ITER水冷固态包层实验模块的氚吹扫系统进行了较为详细的设计。其包层结构采用径向分区布置，即增殖区被冷却管(或冷却板)沿径向分隔为若干子区。吹扫气体由包层背板一侧的吹扫气分配母管流入，沿包层底部进入各子区，再经极向吹扫球床，最后通过顶部吹扫气管道收集，从包层背板一侧流出。其不足之处在于：(1)包层径向每个子区均需布置吹扫气管，管道较多，不易固定，且结构较复杂；(2)沿包层极向吹扫球床，流经球床的吹扫路径较长，吹扫气阻力大，进出口压差较高，需较大功率的泵(或风机)推动吹扫气循环；(3)每个子区吹扫气管布置集中，容易形成吹扫死区，很难实现均匀吹扫。

发明内容

为了克服现有固态增殖剂包层氚吹扫系统气体流动阻力大、容易出现流动死区的缺点，本发明提出一种聚变堆水冷包层的横向氚吹扫系统方案，可用于聚变堆固态包层设计中；该方案不仅有效降低了吹扫气体进出口压降，而且吹扫气流均匀，不易出现局部流动死区，同时兼具冷却功能。

为克服上述现有固态增殖剂包层氚吹扫系统的缺点，本发明所采用的技术方案是：

一种适应用于聚变堆固态包层的分区氚吹扫系统，它由吹扫气体分配联箱、吹扫气体收集联箱、包层侧板以及若干包层加强隔板组成；包层侧板与各加强隔板、各加强隔板之间间隔约为150～250mm，将包层分割为若干子区，各子区被增殖剂球床(Li₂TiO₃/Be₁₂Ti混合球床)或中子倍增剂球床(铍球床)填充。包层侧板及加强隔板内布置有许多吹扫气体分配腔(或收集腔)，气体分配腔(或收集腔)一端经侧板或加强隔板上均匀分布的气孔与球床相通，另一端与相应的分配联箱(或收集联箱)相连。吹扫气体分配联箱用于向包层侧板及加强隔板分配吹扫气，实现吹扫气初级分配；包层侧板、加强隔板通过其内部的气体分配腔(或收集腔)实现吹扫气次级分配和初级收集；而收集联箱则收集来自包层加强隔板的吹扫气，实现吹扫气次级收集。系统各模块使用低活化钢加工制造。吹扫气体为氦气(含有约0.1％氢气)，气体流速约为0.1m/s～0.3m/s。

所述包层氚吹扫系统中的吹扫气体由气体分配联箱进入包层侧板(或加强隔板)中的气体分配腔，流经包层各子区内的填充球床，再经加强隔板中的气体收集腔汇集流入吹扫气体收集联箱，在包层内部完成吹扫循环。该吹扫循环实现吹扫气两级分配和两级收集，而且每个包层子区可分别独立吹扫。

所述包层侧板及加强隔板中内布置有冷却流道，与包层冷却系统相连。冷却剂流经上述冷却流道，带走包层侧板及加强隔板乃至球床的热量，实现冷却功能。

本发明与现有固态增殖剂包层氚吹扫系统相比，其有益效果是：

1.吹扫气体分配腔和收集腔布置于包层侧板及加强隔板内，使包层结构简单、可靠性高、易于加工；

2.实现包层各子区分别独立吹扫，吹扫路径较短，吹扫气体进出口压差大大降低，气体流动阻力减小，使吹扫系统更加高效；