[发明专利]一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的方法

摘要

本发明公开了一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置及方法，聚变堆包层内载氚高温液态金属铅锂从母管注入真空罐上部，通过调节真空罐筛板内滴嘴阵列中滴嘴的数量和孔径来调整液态铅锂的质量流率。液态铅锂液滴在重力和压力作用下，通过滴嘴形成液滴下落至真空罐下部，载氚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流入换热器，与二回路换热再进入液态包层，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、氚渗透率低和氚提取效率高等显著优点，可有效解决聚变堆液态金属包层氚高效在线提取的难题。

主权项

1.一种用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的方法，利用用于聚变堆液态金属包层氚在线提取的真空筛板装置，真空筛板装置包括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)、筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(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)；聚变堆液态金属铅锂包层(1)的母管与液态铅锂回路(2)出口段联接至真空罐(4)上部，回路控制阀(3)、第一数字电磁流量计(10)和第一压力变送器(12)安装于液态铅锂回路出口段，第一组k型铠装热电偶(13)的3个k型铠装热电偶按周向均匀布置于筛板装置(5)上端液态金属铅锂中；筛板装置(5)位于真空罐(4)内4/5高度处，筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)设置于筛板装置(5)中，滴嘴出口位于筛板底部端面，筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置联接；真空泵(7)和真空计(14)设置于真空罐(4)中部，液位计(11)位于真空罐(4)下部液态铅锂液面上，第二组k型铠装热电偶(13’)的3个k型铠装热电偶按周向均匀布设于真空罐(4)下部内侧；真空罐(4)底部液态铅锂出口与第一高温电磁泵(9)相连接，第一高温电磁泵(9)的出口端与热交换器(8)入口端相连接，热交换器(8)的出口端与第二高温电磁泵(9’)的入口端相连接，第二高温电磁泵(9’)的出口端与聚变堆液态金属铅锂包层(1)的母管入口相连接，第二数字电磁流量计(10’)、第二压力变送器(12’)和第三组k型铠装电偶(13”)安装于聚变堆液态金属铅锂包层(1)的母管入口段；数据采集卡(15)的输入端分别联接至第一组k型铠装热电偶(13)、第二组k型铠装热电偶(13’)和第三组k型铠装热电偶(13”)、第一压力变送器(12)和第二压力变送器(12’)、液位计(11)、真空计(14)以及第一数字电磁流量计(10)和第二数字电磁流量计(10’)，数据采集卡(15)输出端连接至计算机(16)，其特征在于实现如下步骤：步骤S1：聚变堆液态金属铅锂包层(1)内的载氚高温液态金属铅锂从母管出口通过液态铅锂回路(2)出口段注入真空罐(4)上部，由回路控制阀(3)调节液态铅锂质量流率，第一数字电磁流量计(10)显示液态铅锂质量流率，第一压力变送器(12)测量液态铅锂压力；步骤S2：由第一组k型铠装热电偶(13)的3个k型铠装热电偶测量筛板装置(5)上部液态铅锂温度，通过筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)调节筛板装置(5)中滴嘴的数量和孔径来调整液态铅锂的质量流率和液滴的大小，液态铅锂在重力和压力作用下，通过滴嘴形成液滴下落至真空罐(4)下部，载氚铅锂液滴在下落过程中氚以分子形态传输至表面并进入真空，由真空泵(7)抽出至氚处理与循环系统，由液位计(11)显示真空罐(4)下部液态铅锂液位，第二组k型铠装热电偶(13’)的3个k型铠装热电偶测量真空罐(4)下部液态铅锂温度；步骤S3：提氚后落入真空罐(4)下部的液态铅锂由第一高温电磁泵(9)驱动流入热交换器(8)，与二回路换热后再由第二高温电磁泵(9’)驱动进入聚变堆液态金属铅锂包层(1)母管，形成下一次循环，由第二数字电磁流量计(10’)显示流入包层母管液态铅锂质量流率，第二压力变送器(12’)测量流入包层母管液态铅锂的压力，第三组k型铠装热电偶(13”)测量流入包层母管液态铅锂的温度；步骤S4：数据采集卡(15)实时采集第一组k型铠装热电偶(13)、第二组k型铠装热电偶(13’)和第三组k型铠装热电偶(13”)，第一压力变送器(12)和第二压力变送器(12’)，第一数字电磁流量计(10)和第二数字电磁流量计(10’)，液位计(11)和真空计(14)的数字信号，经变换后送至计算机(16)进行处理、显示与存储，用于显示液态铅锂的温度、压力和质量流率参数，为计算机自动控制筛板孔及滴嘴控制阀阵列的通断和滴嘴的大小提供输入参数；所述步骤S2中筛板装置(5)内筛板孔及滴嘴控制阀阵列与控制装置(6)的功能之一是满足聚变堆包层液态锂铅规定的质量流率，利用聚变堆双冷包层氦气冷却结构、液态铅锂自冷增殖区，即通过液态铅锂循环流动冷却高能中子核反应所产生的高功率密度核热，流入热交换器与二回路工质换热用于发电，聚变功率为2.3GW的反应堆采用双冷铅锂包层时，筛板装置(5)内筛板孔及滴嘴控制阀阵列设置设计参数为：真空罐(4)的内径16.7m，高度为10m，筛板孔及滴嘴控制阀阵列的排列方式为同心圆设置，相邻圆周之间距离为1cm，沿圆周均匀布置，圆心为第一个滴嘴，第1个圆周为6个滴嘴，圆周每增加一次，滴嘴增加6个，筛板共设计164个圆周，滴嘴总数可达2.3×10⁶，单个滴嘴质量流率v_n为液滴的流速，A为滴嘴截面积，ρ为液态铅锂密度，液态铅锂的总质量流率为所有在线工作单个滴嘴质量流率之和，单个滴嘴实验表明，当滴嘴直径为1mm，液态铅锂温度为450℃，液滴流速为3m/s时，其质量流率可达20～23g/s，通过筛板孔及滴嘴控制阀调整液态铅锂的质量流率，最高可达4.6×10⁴kg/s，可实现对液态铅锂包层实时冷却的要求。