[发明专利]一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层

说明书

本发明公开了一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层，采用扇段式包层方案，每个包层扇段包含多个增殖单元，由低活化铁素体钢加工的附钨U型第一壁、超临界二氧化碳进出口联箱焊接形成增殖单元，内部由加强板和冷却板分割成极向贯通的子腔室，形成锂铅流道。液态锂铅从包层底部分流进入子腔室并从顶部汇集流出，带走增殖区核热。U型第一壁内的并联流道与超临界二氧化碳进出口联箱相通，通有超临界二氧化碳冷却剂，排出U型第一壁热量，同时增强第一壁载热能力。锂铅流道内布置有电、热绝缘的碳化硅流道插件，在降低MHD效应和腐蚀问题的同时，提高包层出口温度，为聚变堆实现高效发电提供先进包层候选方案。

技术领域

本发明属于聚变堆工程技术领域，主要涉及一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层。

背景技术

氚增殖包层是聚变堆实现氚自持、能量转换和辐射屏蔽的核心部件。其中液态包层多以液态锂铅作为氚增殖剂和中子倍增剂，具有结构形式简单，可实现在线提氚，容易向高温拓展，通常被认为是聚变堆未来先进包层方案。

目前，国内外主要有三种液态锂铅包层设计方案。自冷液态锂铅包层方案首先被提出，它使用液态锂铅作为氚增殖剂、中子倍增剂和冷却剂，同时使用低活化钢作为结构材料，但液态锂铅流速较大，强磁场环境中锂铅与导电钢壁的磁流体力学(MHD)效应很强，造成锂铅流动阻力很大。后来的改进方案采用电绝缘的碳化硅作为包层结构材料，可有效降低MHD效应，但碳化硅陶瓷作为结构材料需要在强中子辐照环境中承受较大结构应力，目前技术尚不成熟。而后，为了解决MHD问题，另一种新的独立冷却的液态锂铅方案也被提出。以欧盟为例，氦冷锂铅包层和水冷锂铅包层均被作为未来聚变堆候选液态包层，液态锂铅并不作为冷却剂，只需在包层内缓慢流动以实现氚提取，这种方案能有效降低包层增殖区的MHD效应，但在包层集管内锂铅流速仍然很大，MHD效应并不能有效缓解，此外，较低的氦/水冷却剂出口温度不高，限制了系统热效率。为提高出口温度和发电效率，欧洲，美国和中国分别提出了双冷锂铅包层概念。在这种概念中，锂铅在增殖区以中等流速流动，实现自身冷却；同时，高压氦气冷却第一壁及冷却板等包层结构。在增殖区加装电、热绝缘的碳化硅插件的情况下，一方面降低MHD效应，另一方面锂铅出口温度可达700℃以上，极大地提高了热效率。但未来聚变DEMO堆中第一壁热负荷可达MW/m²量级，氦气由于载热量较低很难充分冷却第一壁。

总结上述国内外研究中涉及的几种液态锂铅包层设计方案的不足之处，主要有以下几点：(1)现有液态锂铅包层设计由于存在多因素制约，难以兼备低MHD效应、低结构材料腐蚀和高热效率等优点。(2)现有冷却剂方案很难兼顾强载热能力、高出口温度的要求。水冷方案对第一壁载热能力强，但出口温度不高，限制了热效率；氦冷方案虽然可以获得较高出口温度，但对第一壁冷却能力有限。此外，由于包层核热沿径向呈指数衰减分布，包层前区容易因冷却不足而超温，且前后区钢结构温差大，应力大，设计十分困难。

发明内容

为了克服现有液态锂铅包层难以兼顾高温高效、强载热能力和钢结构热应力较大的问题，本发明设计一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层，在不同锂铅流道内布置热导率不同的耐高温、腐蚀、电/热绝缘性良好的碳化硅流道插件，同时采用超临界二氧化碳冷却包层第一壁及结构，在降低MHD效应、结构材料腐蚀和热应力的同时，提高液态锂铅出口温度和第一壁载热能力，为聚变堆包层技术发展提供候选方案。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层，采用扇段式包层方案，分为外包层扇段和内包层扇段，每个扇段包含多个增殖单元，其中增殖单元由U型第一壁、冷却板、加强板、锂铅流道插件和超临界二氧化碳进/出口联箱构成，其中U型第一壁、冷却板、加强板和超临界二氧化碳出口联箱焊接，将包层分割成极向贯通的子腔室，形成锂铅流道；所述的锂铅流道插件布置于锂铅流道内。所述的U型第一壁、冷却板、加强板、超临界二氧化碳进/出口联箱采用低活化铁素体钢加工而成。U型第一壁外表面附有钨铠甲。