[发明专利]一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于液态金属与聚变堆包层结构材料腐蚀相容性领域，具体涉及一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法。

背景技术

包层承担产氚、增殖中子、屏蔽高能辐照损伤及排热等功能，是国际热核聚变实验堆(ITER)及未来商用聚变电站中关键部件。液态金属包层由于具有高氚增殖率、高热转换效率、堆外在线实时提氚以及对托卡马克装置的复杂几何形状具有很好的适应性等优点,具有巨大的研究与应用前景,成为近年来国际聚变研究机构主流设计方案之一。尽管液态金属包层优势明显，但从概念设计走向工程应用，还面临一系列问题，如氚渗透、强磁场下的MHD效应、化学活性导致的安全问题等。此外，考虑到包层部件的服役周期长达数年，液态金属很可能对包层结构材料产生腐蚀从而造成设备失效，因此，开展液态金属与包层结构材料及其焊缝的相容性研究，对于提高装置安全裕度具有重要意义。

目前，国际各聚变研究机构主要是通过液态金属实验回路来开展液态金属与结构材料的相容性研究。一个完整的液态金属实验回路，一般包括一个主回路和净化、充铅锂合金、排放铅锂合金、保护气体等辅助回路，实验系统复杂，建造与实验成本高，周期长。欧洲、美国、日本等在上世纪八十年代已建立了多个液态铅锂实验回路，如法国的ALCESTE回路、意大利的LIFUSII回路、日本京都大学的实验回路，国内中科院核安全技术研究所的DRAGON系列回路等，开展了静态、半静态、动态等腐蚀实验，获得了一些液态金属与结构材料相容性的基础数据。然而，无论是开式、闭式、8字型还是双闭式液态金属实验回路，都不可避免地需要考虑驱动、腐蚀、净化、堵塞、热应力等问题。如在回路中让液态金属流动起来，特别是在复杂管路中需要消耗较大的驱动功率；回路运行过程中流动的高温液态金属对结构材料的腐蚀、杂质的控制与净化等无法回避；复杂的管路系统会带来焊接泄漏等安全风险。

为克服以上问题，本发明采用罐状结构，通过磁力耦合器驱动内磁转子，实现静密封结构的非接触力矩传递，根据相对运动原理，带动样品架在液态金属中旋转，开展低活化钢及其焊缝在液态金属中的持续流动腐蚀实验。相对于液态金属实验回路，本发明装置具有以下优点：1、结构紧凑，通过磁力驱动实现内罐体的完全静密封，避免了液态金属回路中存在的结构失效和管道泄漏等安全风险；2、本装置独特设计的圆盘形样品架，可同时容纳数十个样品开展不同流速的腐蚀实验，可同时获取不同工况下的腐蚀规律；3、通过翻转支承架实现液态金属在真空环境下的加料及回收，消除了空气、水分等杂质影响；4、根据相对运动原理，使驱动功率显著降低，在高温控氧工况下可开展长达数千小时的持续稳定腐蚀实验，极大提高了装置使用的可靠性和工作效率。本发明所涉及的实验方法具有操作简单，故障率低的显著优点，通过标准化操作可开展聚变堆材料如RAFM钢、SiC插件及其焊缝等，在不同液态金属中的多工况腐蚀实验，通过观测样品表面形貌并分析腐蚀机理，为液态金属与聚变堆结构材料的相容性研究提供基础数据。

基于以上背景技术，针对国家磁约束核聚变能发展研究专项项目课题(2013GB113004)研究的任务需求，特提出本发明专利。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有液态金属实验回路技术的不足，提供一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法，解决了液态金属对聚变堆结构材料及其焊缝腐蚀实验难以解决的净化、密封、持续等难题，避免了管道回路复杂、液态金属驱动功率高、液态金属对装置本身腐蚀所导致的泄漏隐患等技术缺陷。

本发明采用的技术方案为：一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置，包括可翻转支承架、内罐体、外罐体、罐盖、密封组件、电机、减速器、外磁转子、内磁转子、夹壳联轴器、传动轴、圆盘形样品架、熔炼罐、进出气口、进气口针阀、进料口闸阀、压力表、减压阀、主加热器、备用加热器、保温层、温度传感器、总控制柜；所述的可翻转支承架与外罐体连接，内罐体通过罐盖分别与外磁转子和内磁转子连接，夹壳联轴器设在内磁转子下端，并通过传动轴与圆盘形样品架相连，外磁转子设在减速器下端，并通过传动装置与减速器上端的电机连接；电机通过支承杆与罐盖连接；内罐体底部设置一组主加热器、两组备用加热器和一个温度传感器，温度传感器及电源连接至总控制柜；内罐体侧壁设置一个减压阀；内、外罐体间填充保温层；罐盖上有锥形进料口、熔炼罐、进出气口和压力表，熔炼罐通过进料口闸阀与锥形进料口相连。

其中，所述的内罐体结构材料为钼合金、外罐体和罐盖结构材料为316L钢，保温层为聚氨酯。