[发明专利]一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法，聚变堆包层内载氚高温液态金属铅锂从母管经回路注入真空罐上部，通过调节筛板装置内真空雾化螺旋喷嘴的数量和孔径来调整液态铅锂的质量流率。液态铅锂在重力、离心力和表面张力作用下，通过螺旋喷嘴雾化成小液滴下落至真空罐下部，铅锂小液滴在下落过程中以分子形态传输至表面并进入真空，由真空泵抽出至氚处理与循环系统。提氚后落入真空罐下部的高温液态铅锂与二回路换热后再进入液态包层，形成下一次循环。本发明具有结构简单、成本低、质量流率可调、氚渗透率低和提氚效率高等显著优点，可有效解决聚变堆液态金属包层高效在线提氚的难题。

技术领域

本发明涉及聚变堆液态金属铅锂包层氚燃料的高效在线提取方法及其实验系统，属于先进核反应堆核燃料研究领域。

背景技术

聚变能是人类永久解决能源问题的潜在有效途径之一，国际热核聚变反应实验堆(ITER)的建造与运行，为将来建设聚变发电示范反应堆奠定了基础。聚变堆高温等离子体氘氚热核聚变所产生的高能中子(14.1Mev)，进入堆内面向等离子体部件液态金属增殖包层，在包层内与氚增殖材料铅锂发生核反应释放出巨大能量，同时增殖聚变堆自身所需要的燃料氚。目前，欧盟、中国、印度和美国等均在设计和研发基于液态铅锂包层的先进聚变堆，针对其在线高效提取氚燃料技术正处于发展之中，预期将在ITER的运行后期开展液态铅锂包层模块(TBM)在线提氚相关技术演示验证实验。主要采用鼓泡提氚方法和筛板孔液滴渗透方法，鼓泡提氚方法采用低压氦气(3～5个大气压，氦/氢比为1000:1)作为吹扫气在鼓泡器内形成气泡流动与载氚液态铅锂进行同位素交换，载氚吹扫气体通过冷阱冷却至173K，其中HTO和H₂O被分离收集，再经回流换热进一步冷却至103K送到低温分子筛床，氢同位素(氚)、氮、氧和残留的水被吸附，分离后的吹扫气升温，经净化后进入下一次循环。为了提高吸附效率，需要设置两套低温分子筛床交替工作，当在线的分子筛床饱和后，由另一套接替工作。饱和的分子筛床经加热解吸后获得恢复，解吸气体经热金属床(镁)、钯/银扩散膜，将氢同位素(氚)分离出来。计算结果表明，采用鼓泡器交换和分子筛床分离方法，提氚效率可达到90％以上，但该方法系统复杂、成本高，需要采用吹扫气鼓泡进行同位素交换，液态铅锂质量流率难以在线控制。筛板孔液滴渗透方法是通过筛板孔形成铅锂液滴在真空中下落，载氚铅锂液滴在下落过程中以分子形态传输至表面并进入真空，由真空泵抽出至氚处理与循环系统，提氚效率也可达到90％以上，但该方法形成的铅锂液滴体积大，液滴中的氚传输至表面进入真空时间长，需要相对高的下落高度，造成真空罐体积过大，且提氚效率难以进一步提高。为了满足液态铅锂包层聚变堆的氚燃料自持，包层内高功率密度核热的及时排出，研发大质量流率可调的在线高效提氚技术及其实验系统对聚变能的研发极其关键。基于以上背景技术，针对国家自然科学基金项目(51576208)和国家磁约束核聚变能发展研究专项项目(2013GB113004)研究的任务需求，特提出本发明。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对聚变堆液态铅锂包层高效在线提氚技术，提供一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置及方法，实现高质量流率和高效在线提氚，有效地提高了氚循环效率。

本发明采用的技术方案为：一种用于聚变堆液态金属包层在线提氚的真空雾化螺旋喷嘴装置，由聚变堆液态金属铅锂包层1、液态铅锂回路2、回路控制阀3、真空罐4、筛板装置5、螺旋喷嘴与控制阀阵列6、真空泵7、热交换器8、第一高温电磁泵9、第二高温电磁泵9’、第一数字电磁流量计10、第二数字电磁流量计10’、液位计11、第一压力变送器12、第二压力变送器12’、第一组k型铠装热电偶13、第二组k型铠装热电偶13’、第三组k型铠装热电偶13”、真空计14、数据采集卡15和计算机16等组成。