[发明专利]利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种托卡马克聚变反应堆真空内部第一壁结构，尤其是利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构。

背景技术

杂质抑制和粒子再循环的控制是目前托卡马克运行的重要研究方向。目前的托卡马克需要通过等离子体第一壁材料的选择、以及对第一壁有效的处理（如清洗、镀膜等）来减少等离子体中的杂质，改善等离子体的约束，获得高品质的等离子体。通过降低粒子再循环降低粒子的壁滞留，来提高等离子体的密度控制能力，实现连续运行。

目前在托卡马克装置中研究的等离子体第一壁材料主要是石墨、钨和铍材料。石墨具有良好的热性能、低辐射能量损失、很好的焊接技术、广泛的实验基础等优点而被广泛应用。然而，石墨材料的腐蚀及其再沉积导致的氢同位素的滞留将严重影响粒子的再循环，由于化学溅射会使石墨每年腐蚀率大于10厘米，使用寿命降低和等离子体芯部的杂质水平升高；中子辐照引起石墨的热物理和力学性能的快速衰变（特别是热导值较大幅度的降低）；燃料再沉积碳层中高氚滞留量所导致的装置的经济性与安全运行问题等，将导致未来聚变反应堆不可能使用石墨材料。钨材料目前也被选择为第一壁的材料，它具有较高的抗溅射能力和高温下低燃料滞留率等优点。但是等离子体对其容忍的含量很低、氧对其化学腐蚀及高活化性可能会影响其广泛应用，使用时必须对第一壁的形状、条件严格控制。铍材料的优点是低的原子序数、热导大、吸氧能力好、很好的焊接技术等。但是由于铍具有较低的熔化温度、潜在的有毒性、相对高的溅射率将限制其应用，一般用于能流密度不高的等离子体第一壁，也不能用于未来聚变堆。

锂是一种原子序数低、非常活泼的材料金属，可以有效吸收真空室中的O₂,N2,CO, H₂O,CO₂等杂质，从而可以大大降低托卡马克装置中杂质含量。但锂也与大量无机试剂和有机试剂发生反应，与水的反应非常剧烈，在空气中易氧化，这些都导致锂第一壁设计和安装困难；如何避免锂被氧化是锂第一壁设计的难点和挑战。

锂对氢气燃料具有非常优异的抽气能力，每个锂原子可以吸附10%的氢原子。在温度不高的情况下锂对分子氢的吸附很低，表现出对分子氢有较低的抽速,氢的滞留量较少。当温度大于200度时，抽速迅速加大在，500℃左右与氢发生反应，并且是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属，不会在等离子体放电中产生很高的粒子再循环。

锂的熔点低，为180.54℃，可以采取直接加热的方式产生液态锂。在液态锂的情况下，锂有较强的对燃料粒子的俘获作用。特别是未来反应堆环境下，边界粒子的通量和能量都很高，粒子可以很容易在液态锂中扩散尔不饱和，能够实现低再循环（再循环系数小于0.5）运行模式，获得高约束等离子体放电。最佳的液态锂温度应该控制在摄氏200-350度。

锂的电离能较低，为5.392eV，锂一旦进入等离子体将很快被电离。锂在热的等离子体区域会被完全电离，在较冷的等离子体边界区域发生韧致辐射，在等离子体边界产生的辐射将冷却等离子体的边界区域，这样可以减少沿着磁力线流向限制器和偏滤器的对流功率流，并且将其分布在更大的表面上，从而减少局部的热量积累、减轻了溅射效应，尽可能地降低了真空室的杂质含量及第一壁的腐蚀。另外，锂具有较高的比热，耐热冲击比较好。

综上所述，金属锂，特别是液态金属锂，是一个较为理想的未来磁约束聚变反应堆的第一壁材料。

发明内容

本发明提供了一种种利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构来改善托卡马克装置反应堆第一壁燃料再循环的方法。

本发明的技术方案：

利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，包括反应堆真空室，内有包括上偏滤器区的高热负荷区、低负荷区，其特征在于：高热负荷区上部使用固太金属偏滤器结构，下部限制器采用流动液态金属锂的方式,反应堆真空室内高热负荷区下部安装敞口槽，内有液态金属锂，并通过液态金属泵使得液态锂在敞口槽与锂储罐之间循环流动。

装在敞口槽内的金属锂，纯度不小于99.9%、厚度不小于10毫米，整个第一壁结构稳定在摄氏200-350度条件下，使敞口槽内锂金属处于液态。

所述的敞口槽，其材料是低活化马氏体/铁素体不锈钢，槽底中分布冷却通道，所述的冷却通道中通以热源，以确保金属锂处于液态。