CN101145407A - 聚变堆液态金属热对流实验回路及实验方法 - Google Patents

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章毛连
黄群英
朱志强
高胜
宋勇
吴宜灿
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Abstract

本发明公开了一种聚变堆液态金属热对流实验回路及实验方法，在液态金属储藏罐和膨胀箱之间连接有冷段通路，冷段通路的侧面连接有热段回路；液态金属储藏罐中有液态金属；加热冷段通路和热段回路，使得液态金属升温，实现热段回路和冷段通路中液态金属预定的温度差，导致液态金属密度不同，并在重力作用下形成一个压力差，引起液态金属在冷段通路和热段回路中的热对流运动，实现对材料实验样品在同一装置中不同温度下的动态相容性实验研究。本发明可以进行聚变堆候选材料(如奥氏体不锈钢、低活化钢、难熔金属、SiC复合材料等)在流动液态金属中的相容性实验研究，综合评估它们在液态金属中的服役性能。

Description

聚变堆液态金属热对流实验回路及实验方法
技术领域
本发明属于一种在液态金属环境下聚变堆候选材料相容性实验研究的装置，具体是液态金属热对流实验回路及方法。
背景技术
核能可分为核裂变能和聚变能两种，目前工业上大规模应用的是裂变核能以获得巨大能量。聚变能是“安全、清洁、永久性”能源，是最终解决人类能源危机的最有效途径之一，世界上投入大量的人力和物力进行研究。包层技术是决定聚变能成败的关键技术，液态金属包层设计由于其诸多优点而成为最主要设计方案，是国际上目前包层发展的主流。我国的“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)”已把“包层技术”列为重点研究的前沿技术。
液态金属在聚变堆中流动将带来很多具有挑战性的科学与技术问题，主要包括：液态金属的流动特性和传热特性、液态金属穿越磁场时引起的磁流体动力学(MHD)效应、液态金属与聚变堆材料(包括结构材料和功能材料等)的相容性、液态金属中杂质在线纯化、以及多物理场(辐射场、温度场、电磁场和应力等)协同作用下的材料学问题等。液态金属实验回路是研究上述关键科学技术问题所必需的实验研究平台，是聚变堆中液态金属关键技术研究的必备装置。
同时，液态金属回路相关技术在其它研究领域中的研究也十分重要。例如：钢铁熔炼和钢水输送等涉及到液态金属和装置结构材料相容性研究问题；民用工业中，如表面安装技术(SMT)中印刷板的双波峰焊接及表面元件(SMC)电路板的单波峰焊接工艺中，均需要应用液态金属钎料和液态金属电磁泵等输送器件。液态金属实验回路也是研究上述等液态金属研究领域所涉及到的科学技术问题的实验平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚变堆液态金属热对流实验回路及实验方法，能够营造高温液态金属流动环境，可以进行聚变堆候选材料(如奥氏体不锈钢、低活化钢、难熔金属、SiC复合材料等)在流动液态金属中的相容性实验研究，综合评估它们在液态金属中的服役性能。
本发明的技术方案如下：
聚变堆液态金属热对流实验回路，其特征在于：包括液态金属储藏罐和位于其上方的膨胀箱，液态金属储藏罐和膨胀箱之间连接有冷段通路，冷段通路的侧面连接有热段回路；冷段通路下端和液态金属储藏罐侧壁之间联通有回流旁路；冷段通路下端和回流旁路中分别安装有液态金属阀门；所述的液态金属储藏罐和膨胀箱上方均分别与真空泵、惰性气体贮罐联通；液态金属储藏罐中有液态金属；液态金属储藏罐、膨胀箱、冷段通路、热段回路竖直段的外壁上均安装特有加热装置和热电偶，且冷段通路和热段回路分别采用分段加热方式。
在冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置材料实验样品。
或者在冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置聚变堆候选材料实验样品。
所述的液态金属是液态金属锂铅。
所述热段回路水平段的外壁有空气冷却夹套。
液态金属热对流实验方法，其特征在于：在液态金属储藏罐和位于其上方的膨胀箱之间通过冷段通路联通，在冷段通路的侧面连接热段回路，液态金属储藏罐中有液态金属，冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置有材料实验样品；冷段通路下端安装有液态金属锂铅阀门；所述的液态金属储藏罐、膨胀箱上方均分别与真空泵、惰性气体贮罐联通；先向液态金属储藏罐输送惰性气体，将液态金属压入并充满到冷段通路和热段回路中，然后关闭冷段通路下端的液态金属阀门；再加热冷段通路和热段回路等，使得液态金属升温，实现热段回路和冷段通路中液态金属预定的温度差，引起液态金属密度的不同，并在重力作用下形成一个压力差，从而使得液态金属在冷段通路和热段回路中热对流运动，实现在同一装置中对材料实验样品不同温度下的动态相容性实验研究。
加热冷段通路、热段回路是采用分段加热方式，以准确控制冷段通路、热段回路中不同位置的温度。
冷段通路中液态金属温度控制在400-550℃范围内，热段回路中液态金属温度控制在550-700℃范围内。
所述的材料实验样品为聚变堆候选结构和功能材料，所述的液态金属是液态金属锂铅。
冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置有材料样品。先由惰性气体贮罐向液态金属储藏罐输送惰性气体，将液态金属压入并充满到冷段通路和热段回路中(回流旁路中阀门关闭)，然后关闭冷段通路下端的液态金属阀门，均匀稳定加热冷段通路和热段回路等，以实现热段回路和冷段通路中液态金属预定的温度差，导致液态金属密度不同，并在重力作用下形成一个压力差，引起液态金属在冷段通路和热段回路中热对流运动。
本发明实验装置的主要性能参数为：
(1)回路运行温度为400-700℃，其中冷段通路中液态金属温度可控制在400-550℃范围内，热段回路中液态金属温度可控制在550-700℃范围内；
(2)采用分段并联加热方式及多排同截面多个热电偶测温方法，回路温度控制及测温精度可达±1℃。
本发明可以进行聚变堆候选材料(如奥氏体不锈钢、低活化钢、难熔金属、SiC复合材料等)在流动液态金属中的相容性实验研究，综合评估它们在液态金属中的服役性能。
附图说明
附图为本发明实验装置结构图。
具体实施方式
聚变堆液态金属热对流实验回路，包括液态金属储藏罐1和位于其上方的膨胀箱2，液态金属储藏罐1和膨胀箱2之间连接有冷段通路3，冷段通路3的侧面连接有热段回路4，液态金属储藏罐1、膨胀箱2、冷段通路3、热段回路4竖直段的外壁上均安装有电加热装置5，液态金属储藏罐1中有液态金属；冷段通路3下端和液态金属储藏罐侧壁之间联通有回流旁路6，冷段通路3下端和回流旁路中分别安装有液态金属阀门7；所述的液态金属储藏罐1、膨胀箱2上方分别与真空泵8、惰性气体贮罐9联通。冷段通路3和热段回路4竖直段中间分别放置有聚变堆候选材料(如奥氏体不锈钢、低活化钢、难熔金属、SiC复合材料等)，通过悬挂固定等方法放置，不阻塞液态金属流动。
工作时，先由惰性气体贮罐通过向液态金属储藏罐输送惰性气体，将液态金属压入并充满到冷段通路和热段回路中(回流旁路中阀门关闭)，然后关闭冷段通路下端的液态金属阀门，再加热冷段通路和热段回路，使得液态金属升温，实现热段回路和冷段通路中液态金属预定的温度差，导致液态金属密度不同，并在重力作用下形成一个压力差，引起液态金属在冷段通路和热段回路中热对流运动。

Claims (9)

1.聚变堆液态金属热对流实验回路，其特征在于：包括液态金属储藏罐和位于其上方的膨胀箱，液态金属储藏罐和膨胀箱之间连接有冷段通路，冷段通路的侧面连接有热段回路；冷段通路下端和液态金属储藏罐侧壁之间联通有回流旁路；冷段通路下端和回流旁路中分别安装有液态金属阀门；所述的液态金属储藏罐和膨胀箱上方均分别与真空泵、惰性气体贮罐联通；液态金属储藏罐中有液态金属；液态金属储藏罐、膨胀箱、冷段通路、热段回路竖直段的外壁上均安装特有加热装置和热电偶，且冷段通路和热段回路分别采用分段加热方式。
2.液态金属热对流实验方法，其特征在于：在液态金属储藏罐和位于其上方的膨胀箱之间通过冷段通路联通，在冷段通路的侧面连接热段回路，液态金属储藏罐中有液态金属，冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置有材料实验样品；冷段通路下端安装有液态金属锂铅阀门；所述的液态金属储藏罐、膨胀箱上方均分别与真空泵、惰性气体贮罐联通；先向液态金属储藏罐输送惰性气体，将液态金属压入并充满到冷段通路和热段回路中，然后关闭冷段通路下端的液态金属阀门；再加热冷段通路和热段回路等，使得液态金属升温，实现热段回路和冷段通路中液态金属预定的温度差，引起液态金属密度的不同，并在重力作用下形成一个压力差，从而使得液态金属在冷段通路和热段回路中热对流运动，实现在同一装置中对材料实验样品不同温度下的动态相容性实验研究。
3.根据权利要求1所述的聚变堆液态金属热对流实验回路，其特征在于：在冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置材料实验样品。
4.根据权利要求1所述的聚变堆液态金属热对流实验回路，其特征在于：在冷段通路和热段回路的竖直段中分别放置聚变堆候选材料实验样品。
5.根据权利要求1所述的聚变堆液态金属热对流实验回路，其特征在于：所述的液态金属是液态金属锂铅。
6.根据权利要求1所述的聚变堆液态金属热对流实验回路，其特征在于：所述热段回路水平段的外壁有空气冷却夹套。
7.根据权利要求2所述的液态金属热对流实验方法，其特征在于：加热冷段通路、热段回路是采用分段加热方式，以准确控制冷段通路、热段回路中不同位置的温度。
8.根据权利要求2所述的液态金属热对流实验方法，其特征在于：冷段通路中液态金属温度控制在400-550℃范围内，热段回路中液态金属温度控制在550-700℃范围内。
9.根据权利要求2所述的液态金属热对流实验方法，其特征在于：所述的材料实验样品为聚变堆候选结构和功能材料，所述的液态金属是液态金属锂铅。
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