[发明专利]一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法

说明书

本发明涉及一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法，包括聚变堆液态金属锂铅包层、液态金属锂铅回路、载带气体储气罐、第一气体控制阀、质量流量控制器、第一数字压力计、第二气体控制阀、气相色谱分析仪、真空泵、第一电磁流量计、k型铠装热电偶、回路控制阀、多孔不锈钢膜、液态金属锂铅缓存罐、第二数字压力计、第二电磁流量计、高温电磁泵、数据采集卡、计算机、全密不锈钢管、感应式液位计、载带气体入口管道与载带气体出口管道。本发明能够实现氚的高质量流率连续提取，解决现有技术中结构复杂，成本高，氚提取效率较低的缺点。

技术领域

本发明属于先进核反应堆核燃料领域，具体涉及一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法。

背景技术

氚是氢的同位素，是聚变反应的重要燃料。由于氚在自然条件下容易产生β衰变，因此在自然界中含量极少(丰度仅为1×10^-16，全球共计约2kg)。要实现聚变反应的持续进行，必须保证氚在聚变过程中能够自给自足，这一过程主要由氚在聚变堆包层中的增殖过程完成。根据氚增殖剂形态的不同可以把包层分为固态包层和液态包层。液态包层主要以含锂的液态金属合金作为氚增殖材料，其中液态金属锂铅由于具有导热性高、氚溶解度低以及与氧气和水的反应活性低的优点，在现有液态金属包层中得到了广泛应用。

目前从液态金属锂铅合金中连续提取氚的方法主要有：金属膜(Nb，Zr)渗透法(Fusion Engineering and Design，1991,18:61)，该方法是将Nb或者Nb/Zr构成的真空渗透窗设置在锂铅冷却管的旁路位置，通过氚浓度在金属膜两侧的分压不同提取氚；中间热介质通路附设冷阱法(Fusion Engineering and Design，1991,17:31-36)，该方法将NaK或Na用作中间热介质，通过中间热交换器或双层壁热交换器，使氚穿透中间热介质，用网孔填充冷阱设置在NaK或Na回路的旁路位置，实现氚的连续回收；气液逆流萃取填充塔法(Fusion Engineering and Design，2012,87:1014-1018；中国发明专利，CN109541674A；中国发明专利，CN106353789B)，该方法也称为喷雾法，是使来自填充塔上部的液态金属锂铅和下部的气体氦进行逆流接触，或者使锂铅呈液滴分散状态落下，通过真空排气的方法萃取氚；鼓泡器法(核聚变与等离子体物理，2013,33:83-87)，该方法将液态金属锂铅通过填料塔分流并形成液膜，惰性气体以设计的流量和压力从填料塔底部引入，在逆向流动的锂铅合金中鼓泡，形成大比表面积的小气泡，通过气液界面上产生的同位素交换迁移提取氚。

在以上提取氚的方法中，金属膜渗透法存在锂铅泄漏进真空的风险，并且由于结构材料具有很高的氢溶解度，可能产生氢脆，耐久性较低。中间热介质通路附设冷阱法采用NaK或Na作为中间热介质，氚渗透入中间热介质时的浓度较高，存在发生环境泄漏的危险性。气液逆流萃取填充塔法由于氚在真空腔室中的停留时间较短，严重影响了氚的提取效率。鼓泡器法是目前广泛应用的氚提取方法，但该方法需要建设包括填充床和鼓泡器在内的大型实验装置，系统复杂，成本高，回收效率较低(Fusion Engineering and Design，2018,135:74-80)。在聚变堆技术发展中，研发能够高效连续提取氚的装置与技术对聚变堆包层的设计非常关键。

综上，现有技术中存在结构复杂，成本高，氚提取效率较低的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于聚变堆液态金属锂铅合金连续提取氚的多孔不锈钢膜装置及方法，实现氚的高质量流率连续提取，解决现有技术中结构复杂，成本高，氚提取效率较低的缺点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：