CN104078084B - 一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源领域，具体而言，涉及一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法，包括多个相互叠加的由绝缘材料制成的液膜生成子单元，多个液膜生成子单元的长度不等。顶层至底层方向，输送的金属流体逐渐增加，相邻的两个液膜生成子单元，下层的液膜生成子单元的输出通道的末端输送出的金属流体与上层液膜流经面输送出的金属流体相结合，形成连续金属液膜。本发明实施例提供的一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法，各层的金属流体通过输出通道后，与上一层的金属流体向汇合，其中金属流体流动的液膜流经面的长度较短，从而形成一个整体的、稳定的、连续的金属液膜，以便实现其在实际磁约束核聚变堆装置中的带走热量以及杂质等功能。

Description

一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法

技术领域

本发明涉及能源领域，具体而言，涉及一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法。

背景技术

随着可开采的煤、石油等自然资源的逐渐耗尽，人类可利用的自然资源越来越少，能源危机日益严重。世界人口的增长进一步加速了这一危机的爆发。核能的发展为能源危机的解决开辟了一条新的途径，核能包括核裂变能和核聚变能，其中，核聚变反应因具有反应原料丰富、反应过程相比安全、反应后产物对环境污染较小、反应产生能量密度较大等优点而被称之为下一代新能源的发展方向。

托卡马克核聚变装置是目前广受关注的一种磁约束核聚变装置，该装置通过使用限制器或偏滤器，将高温等离子体与真空室隔开并期望实现如下功能：(1)传递聚变产生的热量；(2)实现对杂质的有效控制；(3)在长脉冲运行条件下保持良好的第一壁状态，稳定控制工作气体的再循环，阻止非工作气体的进入；(4)维持良好的边界等离子体环境，减少对第一壁材料的刻蚀。边界等离子体和第一壁是一个相互耦合的系统，它们之间的相互作用，如氢滞留和边界再循环，在很大程度上影响着等离子体的稳定运行，而等离子体对材料的溅射刻蚀和融化蒸发则决定了第一壁材料和部件的寿命。此外，等离子体轰击第一壁产生的杂质，一部分再沉积回到壁 面并会引起第一壁材料的性质改变，另一部分进入芯部，造成等离子体的强烈辐射冷却，重杂质如W、Mo，影响尤甚。因此，第一壁材料的选择对整个聚变装置而言是至关重要的。

目前，可选偏滤器根据其第一壁材料的形态可分为固态和液态两种形式。固态偏滤器的第一壁材料主要选用石墨、钨和铍材料。但是，石墨的物理溅射率高，其严重的化学溅射产生的碳氢气体组分的远程再沉积将迅速导致装置内放射性氚滞留的超标，而再沉积层中高的氢滞留导致高的边界粒子再循环、将会严重影响等离子体的稳定性；钨由于其极高的辐射冷却特点，与等离子体的相容性很差(容忍度<10-4)，同时也存在熔化蒸发、起毛起泡等热和粒子辐照问题；铍材料的低熔点、潜在的有毒性、相对高的物理溅射率都限制了其应用。近年来，液态偏滤器概念，特别是流动的液态锂偏滤器，受到了国际上的广泛关注。

已有研究成果表明，锂是控制粒子再循环的最有效手段，不仅可以降低来自器壁的杂质，还能有效的控制等离子体密度(流动锂的边界再循环几乎为零)，这对于稳态运行的核聚变装置具有重大意义，可以解决大部分未来聚变堆所面临的难题，包括长脉冲稳态运行、高能量约束等离子体、粒子控制和高密度放电、低的有效电荷数等。

然而，根据磁流体力学的知识，对于磁约束聚变堆，其中的强磁场作用会在流动的液态金属中产生很强的电磁力，它作用在流体上会使液态金属自由表面产生磁流体动力学(MHD)不稳定性，直观上表现为流动阻力急剧增大。流动阻力的增大势必会使得液膜不能连续高速形成并覆盖于偏滤器表面，这将严重制约自由锂壁面所应该需要发挥的功能。

目前，传统的解决办法是增加液膜入口流速或减少流动距离，其中，增加液膜入口流速需要额外的金属流体驱动功耗，对于实际磁约束核聚变堆中，所用的液态锂偏滤器尺寸较大，要保证在整个液态锂偏滤器表面一直具有较大的流速所需要消耗的驱动能耗较大；而流动距离是由核聚变堆中的液态偏滤器尺寸决定的，无法直接减少。因此，这两种传统的方法都无法直接应用于核聚变堆中的液态偏滤器来实现连续金属液膜的生成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种连续金属液膜生成装置，包括多个相互叠加的由绝缘材料制成的液膜生成子单元，多个所述液膜生成子单元的长度不等；

所述液膜生成子单元包括呈矩形的横板，所述横板一侧面为液膜流经面，另一面的两端沿所述横板的长度方向设有相互平行的支板，所述支板设于相邻的所述液膜生成子单元的所述横板的液膜流经面上；

多个所述液膜生成子单元的一端相互纵向对齐，其中，顶层的所述液膜生成子单元的所述横板的长度为L，第二层的所述横板的长度为2L，依次第n层的所述横板的长度为n L，其中n为1，2，3，…，n。

进一步的，所述横板及所述支板内设有铠装层，所述铠装层内设有电热丝。

进一步的，所述L的范围为5-10cm，相邻的两块所述横板之间的距离范围为0.01-1cm。

优选的，所述液膜生成子单元的材质为陶瓷或碳化硅。

一种连续金属液膜生成方法，包括以下步骤：

确定液膜生成子单元的个数，将多个所述液膜生成子单元一端纵向对齐，并相互叠加，顶层至底层方向，所述液膜生成子单元的长度逐渐增大，其中，底层的支板下方设置倾斜垫块，使所述液膜生成子单元的对齐的一端较高；

相邻的所述液膜生成子单元的所述横板之间形成输出通道，由所述液膜生成子单元纵向对齐的一端向输出通道内输送金属流体，其中，顶层的所述液膜生成子单元直接向其液膜流经面输送金属流体即可；

顶层至底层方向，输送的金属流体逐渐增加，相邻的两个所述液膜生成子单元，下层的所述液膜生成子单元的输出通道的末端输送出的金属流体与上层液膜流经面输送出的金属流体相结合，形成连续金属液膜。

进一步的，所述金属流体向所述输出通道内的输送的流速的范围为0.01-20m/s。

本发明实施例提供的一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法，液膜生成子单元采用绝缘材料制成，能够减少强磁场对金属流体产生的电磁阻力；同时，将液态偏滤器中较长的金属液膜流动面分割成多个液膜生成单元，将多个液膜生成单元进行上下叠加组合成一个满足液膜流动长度尺寸的实际液态偏滤器。其中，相邻的两个液膜生成子单元形成输出通道，输出通道内的电磁阻力较小，金属流体经过时速度的损失较小。各层的金属流体通过输出通道后，与上一层的金属流体向汇合，其中金属流体流动的液膜流经面的长度较短，从而形成一个整 体的、稳定的、连续的金属液膜，以便实现其在实际磁约束核聚变堆装置中的带走热量以及杂质等功能。

附图说明

图1示出了本发明实施例所述的一种连续金属液膜生成装置的液膜生成子单元的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所述的一种连续金属液膜生成装置的液膜生成子单元叠成液态偏滤器的结构示意图；

图3示出了本发明实施例所述的一种连续金属液膜生成装置的使用状态图。

图中：

1、液膜生成子单元；2、横板；3、液膜流经面；4、支板；5、输出通道；6、液态偏滤器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1-3所示，一种连续金属液膜生成装置，包括多个相互叠加的由绝缘材料制成的液膜生成子单元1，多个液膜生成子单元1的长度不等；

液膜生成子单元1包括呈矩形的横板2，横板2一侧面为液膜流经面3，另一面的两端沿横板2的长度方向设有相互平行的支板4，支板4设于相邻的液膜生成子单元1的横板2的液膜流经面3上；

多个液膜生成子单元1的一端相互纵向对齐，其中，顶层的液膜生成子单元1的横板2的长度为L，第二层的横板2的长度为2L，依次第n层的横板2的长度为n L，其中n为1，2，3，…，n。

横板2及支板4内设有铠装层，铠装层内设有电热丝。电热丝用来保证金属形成连续液膜时所需的高温环境。

优选的，L的范围为5-10cm，相邻的两块横板2之间的距离范围为0.01-1cm。液膜生成子单元1的材质为陶瓷或碳化硅。

一种连续金属液膜生成方法，包括以下步骤：

确定液膜生成子单元1的个数，将多个液膜生成子单元1一端纵向对齐，并相互叠加，顶层至底层方向，液膜生成子单元1的长度逐渐增大，其中，底层的支板4下方设置倾斜垫块，使液膜生成子单元1的对齐的一端较高；

相邻的液膜生成子单元1的横板2之间形成输出通道5，由液膜生成子单元1纵向对齐的一端向输出通道5内输送金属流体，其中，顶层的液膜生成子单元1直接向其液膜流经面3输送金属流体即可；

顶层至底层方向，输送的金属流体逐渐增加，相邻的两个液膜生成子单元1，下层的液膜生成子单元1的输出通道5的末端输送出的金属流体与上层液膜流经面3输送出的金属流体相结合，形成连续金属液膜。

优选的，金属流体向输出通道5内的输送的流速的范围为0.01-20m/s。

实施例

本实施例中，国际热核聚变实验堆装置(ITER)为磁约束托卡马克装置的一种，其主要参数见表1，采用本发明可以实现液态锂壁。

表1ITER装置基本参数

本实施例中，磁约束核聚变装置为正在建设的一个典型的核聚变实验堆。通过叠加多个液膜生成子单元1形成其所需的液态偏滤器，根据表1中的几何参数确定连续液膜生成的小单元使用个数为10个，从最上层到最下层液膜生成小单元的长度依次为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm和50cm。每层中输出通道5的长度不等，但与等离子接触的自由液态金属液膜的长度均为5cm。金属流体在每层的电绝缘封闭通道内流动所受到的电磁阻力较小，每层的自由金属液膜的长度较短且为定值，这两种效果的结合便能在较小的流动驱动力下保证整个液态偏滤器的自由液膜一直连续，且具有较大的流速。连续、高速稳定的金属液膜流动是实现液态偏滤器高效传热以及杂质排出的重要因素。

上述实施例提供的一种连续金属液膜生成装置及方法，液膜生成子单元1采用绝缘材料制成，能够减少强磁场对金属流体产生的电磁阻力；同时，将液态偏滤器中较长的金属液膜流动面分割成多个液膜生成单元，将多个液膜生成单元进行上下叠加组合成一个满足液膜流动长度尺寸的实际液态偏滤器。其中，相邻的两个液膜生成子单元1形成输出通道5，输出通道5内的电磁阻力较小，金属流体经过时速度的损失较小，各层的金属流体通过输出通道5后，与上一层的金属流体向汇合，其中金属流体流动的液膜流经面3的 长度较短，从而形成一个整体的、稳定的、连续的金属液膜，以便实现其在实际磁约束核聚变堆装置中的带走热量以及杂质等功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连续金属液膜生成装置，其特征在于，包括多个相互叠加的由绝缘材料制成的液膜生成子单元，多个所述液膜生成子单元的长度不等；

所述液膜生成子单元包括呈矩形的横板，所述横板一侧面为液膜流经面，另一面的两端沿所述横板的长度方向设有相互平行的支板，所述支板设于相邻的所述液膜生成子单元的所述横板的液膜流经面上；

多个所述液膜生成子单元的一端相互纵向对齐，其中，顶层的所述液膜生成子单元的所述横板的长度为L，第二层的所述横板的长度为2L，依次第n层的所述横板的长度为n L，其中n为1，2，3，…，n。

2.根据权利要求1所述的连续金属液膜生成装置，其特征在于，所述横板及所述支板内设有铠装层，所述铠装层内设有电热丝。

3.根据权利要求1所述的连续金属液膜生成装置，其特征在于，所述L的范围为5-10cm，相邻的两块所述横板之间的距离范围为0.01-1cm。

4.根据权利要求1所述的连续金属液膜生成装置，其特征在于，所述液膜生成子单元的材质为陶瓷或碳化硅。

5.一种连续金属液膜生成方法，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的连续金属液膜生成装置，还包括以下步骤：

确定液膜生成子单元的个数，将多个所述液膜生成子单元一端纵向对齐，并相互叠加，顶层至底层方向，所述液膜生成子单元的长度逐渐增大，其中，底层的支板下方设置倾斜垫块，使所述液膜生成子单元的对齐的一端较高；

相邻的所述液膜生成子单元的横板之间形成输出通道，由所述液膜生成子单元纵向对齐的一端向输出通道内输送金属流体，其中，顶层的所述液膜生成子单元直接向其液膜流经面输送金属流体即可；

顶层至底层方向，输送的金属流体逐渐增加，相邻的两个所述液膜生成子单元，下层的所述液膜生成子单元的输出通道的末端输送出的金属流体与上层液膜流经面输送出的金属流体相结合，形成连续金属液膜。

6.根据权利要求5所述的连续金属液膜生成方法，其特征在于，所述金属流体向所述输出通道内的输送的流速的范围为0.01-20m/s。