CN103586126A - 用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱 - Google Patents

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李强
吕科锋
王艳青
刘少军
黄群英
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Abstract

本发明公开了一种用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱，其特征是：两端设置有法兰接口的不导磁不锈钢盒体通过其法兰接口串接在高温液态金属冷却剂的流通回路中，在不导磁不锈钢盒体的一侧或对称的两侧，设置有铁磁柱体，铁磁柱体的轴线与不导磁不锈钢盒体的侧板垂直，使其与不导磁不锈钢盒体内的高温液态金属冷却剂的流动方向垂直；在铁磁柱体的外侧设置有磁场场源系统，由磁场场源系统通过铁磁柱体在不导磁不锈钢盒体中形成具有设定磁场强度和磁场梯度的磁性杂质分选空间。本发明用于实现对液态金属冷却剂中铁基杂质的在线连续捕获，能够有效地对高温液态金属冷却剂进行纯化。

Description

用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱
技术领域
本发明涉及一种用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱装置。
背景技术
高温液态金属，如液态铅铋合金，是加速器驱动次临界堆（ADS）中非常具有潜力的冷却剂，这种冷却剂具有优良的热物理化学性能。但是在反应堆运行过程中，由于高温液态金属对不锈钢管道的腐蚀作用，以及高温液态金属与氧气的反应，导致这种冷却剂中不断产生Fe、Ni及其相关氧化物杂质。杂质的产生不仅会降低高温液态金属冷却剂的导热性能，更为严重的是在温度较低的运行段，这些杂质可能会沉淀堆积起来，从而可能导致反应堆堆芯冷却循环管道阻塞，造成严重后果。
目前，理论及实验中用于去除高温液态金属冷却剂中杂质使之纯化的方法分为两类。第一类是利用氧控技术将部分氧化物杂质还原成对应金属使之进入冷却剂；第二类则是基于过滤原理，直接过滤、冷阱和磁阱均属于这种方法。对于磁阱，是基于铁基氧化物具有磁性，磁性粒子在非均匀磁场中受非平衡力而提出了一种纯化高温液态金属冷却剂中磁性杂质的纯化模型。这种磁阱模型的工作原理与工业选矿中常用的磁选机基本相同，但将其应用于核反应堆中高温液态金属的纯化却处于初始探索阶段。
中国专利CN102614982A提出了一种高温液态金属纯化用磁阱装置，该磁阱装置的工作原理是高梯度磁场过滤，即在分选空间中设置由导磁不锈钢毛和不导磁不锈钢丝相互垂直组成的金属丝网，其中平行排布的导磁不锈钢毛与磁场方向及高温液态金属流动方向均垂直，利用导磁不锈钢毛在磁场中产生的高梯度磁场将高温液态金属冷却剂中的磁性杂质捕获在金属丝网上，金属丝网本身也可对大颗粒的杂质起到过滤作用。但这种将分选空间中设置金属丝网来提高磁场梯度的方法应用于高温液态金属冷却剂纯化时会产生两个主要问题：一是高温液态金属冷却剂在流过金属丝网时，会对金属丝网产生强烈的冲刷腐蚀作用，从而在冷却剂中引入额外杂质，甚至整个金属丝网可能被全部腐蚀掉；二是高温液态金属冷却剂的密度高，在低温运行段粘度大流动性相对较差，当金属丝网过滤到杂质而使得丝网孔眼被部分或全部堵塞时，可能会导致高温液态金属冷却剂无法流过分选空间，因而增加了更换磁阱分选空间的频率。
迄今为止，尚未有能更为有效地对高温液态金属冷却剂进行纯化的装置的公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱，用于实现对液态金属冷却剂中铁基杂质的在线连续捕获，更为有效地对高温液态金属冷却剂进行纯化。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱的结构特点是：两端设置有法兰接口的不导磁不锈钢盒体通过其法兰接口串接在高温液态金属冷却剂的流通回路中，在所述不导磁不锈钢盒体的一侧或对称的两侧，设置有铁磁柱体，所述铁磁柱体的轴线与不导磁不锈钢盒体的侧板垂直，使其与不导磁不锈钢盒体内的高温液态金属冷却剂的流动方向垂直；在所述铁磁柱体的外侧设置有磁场场源系统，由所述磁场场源系统通过铁磁柱体在所述不导磁不锈钢盒体中形成具有设定磁场强度和磁场梯度的磁性杂质分选空间。
本发明用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱的结构特点也在于：
所述磁场场源系统为永磁材料或载流线圈；
所述铁磁柱体的材料是电磁纯铁，或坡莫合金；
所述不导磁不锈钢盒体材料是非磁性不锈钢316L。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明在不导磁不锈钢盒体两侧垂直放置的铁磁柱体可改变不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场分布，改变分选空间内的磁场强度和磁场梯度。另外，在保持磁场场源不变的情况下，通过调整铁磁柱体的尺寸、数量和分布，可设定不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度和磁场梯度，使得流过分选空间的高温液态金属冷却剂中的磁性杂质受到最大的磁场力作用，从而在尽可能节能的情况下提高本发明磁阱装置捕获磁性杂质的效率。磁场场源强度越高，则分选空间中磁场强度越高，但所需激励电流强度也越大，即能耗越高。
2、本发明磁场场源可为永磁体材料，如钐钴（SmCo），也可以是载流线圈。通过调整本发明磁场场源的磁场强度和铁磁柱体尺寸、数量和分布，可以设定不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度和磁场梯度，从而使流过分选空间的高温液态金属冷却剂中的磁性杂质所受的磁场力最大，提高纯化效率。
3、本发明将产生高梯度磁场的铁磁柱体设置在不锈钢盒体一侧或两侧，既可在不锈钢盒体内分选空间中产生高梯度磁场，同时避免了传统高梯度磁选装置中液体流过分选空间时对设置在分选空间中的铁磁介质的冲刷腐蚀。
4、本发明中不锈钢盒体为非磁性不锈钢316L，对磁场系统的磁路无影响，这使得铁磁柱体处的分选空间附近的磁场梯度和磁场强度最高，磁性杂质所受磁场力最大，因此磁性杂质被捕获于铁磁柱体所在位置处，不会明显影响高温液态金属冷却剂在分选空间中的流动性。
5、本发明装置节能环保，当不锈钢盒体内分选空间中捕获到一定量的磁性杂质后，将不锈钢盒体抽出更换即可。另外，不锈钢盒体从磁场中抽出之后，磁性杂质因不再受到磁场力作用，易于清除和取样分析，不锈钢盒体可反复循环使用。
6、本发明通过接口法兰直接将磁阱装置接入高温液态金属冷却剂流动回路，或主回路的支路，这样可连续在线捕获高温液态金属冷却剂中的磁性杂质，提高冷却回路的工作效率。
7、本发明装置结构简单、布局合理，易于制造和安装且后续处理简易，是一种有效的核反应堆中高温液态金属冷却剂纯化装置，实现对液态金属冷却剂中铁基杂质的在线连续捕获。附图说明
图1为本发明磁阱结构示意图；
图2、图3和图4为不同实施例中不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度与磁场梯度模拟图；
图中标号：1磁场场源系统；2铁磁柱体；3接口法兰；4不导磁不锈钢盒体。
具体实施方式
参见图1，本实施例中用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱的结构形式是：两端设置有法兰接口3的不导磁不锈钢盒体4通过其法兰接口3串接在高温液态金属冷却剂的流通回路中，在不导磁不锈钢盒体4的一侧或对称的两侧，设置有铁磁柱体2，铁磁柱体2的轴线与不导磁不锈钢盒体4的侧板垂直，使其与不导磁不锈钢盒体4内的高温液态金属冷却剂的流动方向垂直；在铁磁柱体2的外侧设置有磁场场源系统1，由磁场场源系统1通过铁磁柱体2在不导磁不锈钢盒体4中形成具有设定磁场强度和磁场梯度的磁性杂质分选空间。
本实施例中：
磁场场源系统1为永磁材料或载流线圈；铁磁柱体2材料是电磁纯铁，其按重量百分比的铁含量大于99.8%，相对磁导率不低于9000，也可以是其它高相对磁导率铁磁材料，如坡莫合金，其相对磁导率不低于30000；不导磁不锈钢盒体4的材料是非磁性不锈钢316L，其相对磁导率为1。
具体实施中，铁磁柱体的尺寸、数量和分布情况可以根据要求进行调整；
图2所示的不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度与磁场梯度计算模拟图是针对铁磁柱体设置为双侧、每侧均布有五根铁磁柱体，铁磁柱体的材料为电磁纯铁。
图3所示的不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度与磁场梯度计算模拟图是针对铁磁柱体设置为双侧、每侧均布有五根铁磁柱体，铁磁柱体的材料为电磁纯铁，铁磁柱体的直径为图2所示结构中铁磁柱体直径的两倍，磁场场源与图2所示结构保持为相同。
图4所示的不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度与磁场梯度计算模拟图是针对铁磁柱体设置为双侧、每侧均布有九根铁磁柱体，铁磁柱体的材料为电磁纯铁，铁磁柱体的直径与图2中铁磁柱体直径相同，磁场场源与图2所示结构保持为相同。
如图2、图3和图4所示，不导磁不锈钢盒体内分选空间中为非均匀磁场，且越靠近铁磁柱体磁场强度和磁场梯度越大。对比图2和图3可见，当铁磁柱体的数量和分布不变但直径增加一倍时，不导磁不锈钢盒体4内分选空间中铁磁柱体周围的磁场强度和磁场梯度均增加了，但距离铁磁柱体较远处的磁场强度和磁场梯度均有所减小，这意味着流过铁磁柱体周围的高温液态金属冷却剂中的磁性杂质将受到更大的磁场力而增加被捕捉聚集到不导磁不锈钢盒体侧壁处的几率，但距离铁磁柱体较远处的磁性杂质所受磁场力将减弱；对比图2和图4可见，当铁磁柱体直径不变但数量从5根增加到9根且分布发生变化时，整个分选空间中的磁场强度均增加了，约90%以上分选空间中的磁场梯度增加了，铁磁柱体周围磁场梯度增加的尤为明显，这意味着随高温液态金属冷却剂流过分选空间的磁性杂质所受磁场力将增加而提高被捕捉聚集到不导磁不锈钢盒体侧壁处的几率。从计算模拟图看出，本发明中可以根据不同高温液态金属冷却剂中磁性杂质颗粒的磁性不同，通过铁磁柱体尺寸、数量和分布的改变来定量设定不导磁不锈钢盒体内分选空间中的磁场强度和磁场梯度，从而在尽可能节能的情况下提高本发明磁阱装置捕获磁性杂质的效率。磁场场源强度越高，则分选空间中磁场强度越高，但所需激励电流强度也越大，耗能越大。
当高温液态金属冷却剂流过不导磁不锈钢盒体4内的分选空间时，高温液态金属冷却剂中的磁性杂质将受到分选空间中非均匀磁场的磁场力作用，通过调整磁场场源1的磁场强度参数和铁磁柱体2的尺寸、数量和分布，对不导磁不锈钢盒体4内分选空间中的磁场强度和磁场梯度进行定量设定，从而尽可能增大流过分选空间的高温液态金属冷却剂中的磁性杂质所受的磁场力，提高纯化效率。
当不导磁不锈钢盒体4内分选空间中侧壁部位处的磁性杂质聚集达到一定量时，直接拆卸不导磁不锈钢盒体4，并对不导磁不锈钢盒体4中的磁性杂质进行清除，再与其它部件共同重新投入使用。

Claims (2)

1.一种用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱，其特征是：两端设置有法兰接口(3)的不导磁不锈钢盒体(4)通过其法兰接口(3)串接在高温液态金属冷却剂的流通回路中，在所述不导磁不锈钢盒体(4)的一侧或对称的两侧，设置有铁磁柱体(2)，所述铁磁柱体(2)的轴线与不导磁不锈钢盒体(4)的侧板垂直，使其与不导磁不锈钢盒体（4）内的高温液态金属冷却剂的流动方向垂直；在所述铁磁柱体(2)的外侧设置有磁场场源系统(1)，由所述磁场场源系统(1)通过铁磁柱体(2)在所述不导磁不锈钢盒体(4)中形成具有设定磁场强度和磁场梯度的磁性杂质分选空间。
2.根据权利要求1所述的用于捕获高温液态金属冷却剂中磁性杂质的磁阱，其特征是：
所述磁场场源系统(1)为永磁材料或载流线圈；
所述铁磁柱体(2)的材料是电磁纯铁，或坡莫合金；
所述不导磁不锈钢盒体(4)材料是非磁性不锈钢316L。
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