CN104374592A - 液态金属介质包层模块综合实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属介质包层模块综合实验系统，包括串联在液态金属介质包层模块的进液管道接口与回流管道接口之间的氚监测与提取单元、杂质监测和净化单元、热监测与提取单元、Li监测与补充单元、驱动液态金属介质流动的泵单元，以及多个阀门和流量计，构成液态金属介质流动回路体系。该实验系统可在线实验研究液态金属介质包层模块在实验堆的行为和性能，通过调节系统管路中与各实验仪器与设备单元相串联和/或相并联的阀门，实现各个单元并行实验或者各自独立实验。

Description

液态金属介质包层模块综合实验系统

技术领域

本发明涉及聚变堆液态氚增殖剂包层模块技术研究领域，具体涉及液态金属介质包层模块综合试验系统，属于聚变堆包层工程技术领域。

背景技术

聚变堆包层是实现高环境适应性和低发电成本的聚变能源应用的关键能量转换部件。在聚变装置中，其主要功能包括包容高温聚变等离子体、增殖氚、能量转换和辐射屏蔽。包层相关技术是聚变能走向商业应用所必须解决的核心技术。目前，从所采用的氚增殖剂的物质形态上可将聚变堆包层划分为两类：固态氚增殖剂包层和液态氚增殖剂包层。液态氚增殖剂包层由于具有很好的几何适应性、氚增殖能力、导热和载热能力，可在线提取氚，可在线补充消耗掉的锂等优点而具有非常大的吸引力，得到了聚变堆包层领域的普遍关注和深入研究。

包层是聚变能走向应用的核心技术载体。聚变堆包层运行环境苛刻(如强磁场、高温、强腐蚀、强辐照和高应力等)，液态金属介质在包层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：液态金属介质在包层中流动时的流动特性和传热问题：液态金属与聚变堆候选结构和功能材料的相容性，系统中液态金属杂质在线纯化等问题；增殖材料与氚工艺；氢的同位素在液态金属中的输运特性；等等。

在国际热核实验堆ITER内进行液态金属介质包层相关技术研究是包层技术研究的最高阶段，而液态金属介质包层模块综合实验系统与实验堆、实验包层模块是完成这样研究的关键设备。

为了进一步在实验堆内进行液态金属介质包层相关技术研究，以实现包层技术研究最高阶段，液态金属介质实验包层模块安装在堆内，堆外必有一与液态金属介质实验包层模块相连的综合实验系统，为实验包层模块的液态金属介质循环流动提供运行回路，液态金属介质流动，就能把实验包层模块中产生的氚和热带出来，在堆外进行提氚、换热，还能在不停堆的情况下对增殖材料锂进行实时在线补充、在线监测液态金属介质中的杂质和及时去除液态金属介质中的杂质。

发明内容

本发明针对上述关键技术问题，分析液态金属介质实验包层模块的功能和特点，提供一种液态金属介质包层模块综合实验系统，把液态金属介质包层模块安放在热核聚变实验堆内，与堆外的各种实验仪器与设备构成试验回路系统，根据实验目的，开展液态金属介质包层关键技术问题的实验研究。

本发明的技术方案如下：

一种液态金属介质包层模块综合实验系统，包括串联在液态金属介质包层模块的进液管道接口与回流管道接口之间的氚监测与提取单元、杂质监测和净化单元、热监测与提取单元、Li监测与补充单元、驱动液态金属介质流动的泵单元，以及多个阀门和流量计，构成液态金属介质流动回路体系。

上述液态金属介质包层模块综合实验系统构成的液态金属介质流动回路体系中，泵单元中的泵作为驱动液态介质流动的动力源；阀门控制装置中介质的流动走向与通断；流量计实时测量装置内液态介质的流量大小；氚监测与提取单元可进行氚的在线监测与提取；热监测与提取单元对热量进行在线监测与提取；杂质监测和净化单元对液态增殖剂中的杂质进行在线监测与净化；Li监测与补充单元对Li含量进行在线监测与补充等实验，是包层关键技术试验的最高阶段！

进一步的，上述液态金属介质包层模块综合实验系统还包括一个贮存罐，用于贮存液态金属介质，其通过一个带有阀门的管道连通液态金属介质流动回路。一般情况下，贮存罐的出口管道经过阀门后接入到泵单元的进液端。实验开始前，要对整个实验系统进行预加热、抽真空；实验开始时，打开将该贮存罐与液态金属介质流动回路连通的管道上的阀门，把贮存罐中的液态金属介质压入回路中，使得回路管道中充满液态金属介质，然后关闭该阀门进行相关实验；实验结束后，打开该阀门，依靠管道倾斜角和液态介质自身的重力作用，将所有介质全部收集到贮藏罐中。

进一步的，所述的氚监测与提取单元一端与流量计、阀门串接，另一端串联一阀门；再并联有一个旁路支路，所述的旁路支路中串联有阀门。

所述的热监测与提取单元两端串联有阀门，再并联有一个旁路支路，所述的旁路支路中串联有阀门。

所述的杂质监测和净化单元一端与流量计、阀门串接，另一端串联一阀门；再并联有一个旁路支路，所述的旁路支路中串联有阀门。

所述的Li线监测与补充单元两端串联有阀门，再并联有一个旁路支路，所述的旁路支路中串联有阀门。

为了实现回路中液态介质的流动，所述的泵单元包括在主回路管道上并列安置的两台动力泵，一台正常工作，另一台备用，它们是整个回路中驱动介质流动的动力源。备用泵的主要目的是保证液态介质回路在工作泵出现故障情况下可以启动备用泵实现回路连续不间断运行。

在整个实验系统中，利用流量计实时测量回路内介质的流量大小，并借助旁路支路中的阀门和动力泵联合控制介质的流量大小。通过调节系统管路中与各单元相串联和/或相并联的阀门，实现各单元的实验仪器与设备并行实验或者各自独立实验。为便于调试和运行，可将各个单元的参数测量与控制方式全部集成于一个测控系统进行操作。

进一步的，所述的实验系统管路布置对应于水平面具有倾斜角，角度通常≥5°，而贮存罐处于整个实验系统的最低点，便于实验结束或者事故状态下液态介质依靠自身重力作用迅速回流收集到贮藏罐中。

所述液态金属介质包层模块综合实验系统还包括：对整个实验系统的管道进行抽真空的气体系统，以及对实验系统的管道进行加热与温度控制的温控装置等。其中，温控装置采用管道外壁加热和分段加热方式对管道内的液态金属介质进行加热，与此同时，实验管道同一截面上上设计多组多个热电偶进行测温，准确获取系统管路各部分的温度分布情况。

本发明的液态金属介质包层模块综合实验系统具有如下特点：

1)本发明利用动力泵作为装置内液态金属介质流动的动力源，流量计实时测量介质的流量大小，阀门控制系统管路中介质的流动走向与流量，并借助系统管路上的旁路阀门准确调节控制各实验仪器与设备单元中液态介质流量大小。

2)由于该实验系统可以同时实现多种实验研究，对各个实验仪器与设备单元进行串联设计，并通过调节系统管路中与各实验仪器与设备单元相串联和/或相并联的阀门，实现各个实验仪器与设备单元并行实验或者各自独立实验。

3)整个实验系统各种参数测量与控制方式全部集成于一个测控系统，便于调试与运行。

4)整个实验系统中贮存罐处于最低点，在平面布局上实验系统中所有管道相对于地平面倾斜一定的角度(≥5°)，便于实验结束和事故发生时，整个回路中的液态介质依靠自身重力作用迅速回流到贮存罐中，以减小因意外突发事故可能造成的潜在危害。

5)整个系统管路采用管道外壁加热和分段加热方式对管道内的液态介质进行加热，与此同时，实验管道同一截面上上设计多组多个热电偶进行测温，准确获取系统管路各部分的温度分布情况。

本发明提出的实验包层模块液态金属介质实验系统新概念，可在线实验研究单冷液态金属介质包层、双冷液态金属介质包层和自冷液态金属介质包层在实验堆的行为和性能，同时也考验和在线演示自己各项行为与功能，与实验包层模块一起共同展现液态金属介质包层的优势，为DEMO堆/发电堆的液态金属介质包层模块液态金属介质实验系统的设计打下基础，为工业应用研究和科研部门提供一种多用途的实验研究平台。

附图说明

图1为本发明的液态金属介质包层模块综合实验系统工作原理图。

图中符号所示：

流量计：M1、M2、M3

阀门：V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12、V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20

动力泵：P1、P2

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

参见图1，液态金属介质包层模块综合实验系统，其组成主要包括贮存液态金属介质的贮存罐、驱动液态金属介质流动的泵单元(包括动力泵P1、P2)、氚监测与提取单元、热监测与提取单元、杂质在线监测与净化单元、Li监测与补充单元，以及相关的阀门V1～V20、流量计M1、M2、M3，气体系统、加热与温度控制装置等。

整个回路的工作流程如下：

(1)根据实验要求，依次打开阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12、V13、V16、V17、V18、V19：

(2)对整个系统进行预加热、抽真空；

(3)关闭阀门V2、V4、V5、V7、V8、V10、V11、V13、V17、V19；

(4)打开阀门V15，把贮存罐中的液态金属介质压入回路中，使得回路管道中充满液态金属介质，再关闭阀门V15；

(5)启动动力泵P1，驱动液态金属介质在回路中循环流动；

(6)打开阀门V2、V4，调节阀门V2、V3和V4的开度，实现分流主回路中液态金属介质部分流量，在氚监测与提取单元进行在线监测与提取氚技术研究；

(7)打开阀门V5、V7，调节阀门V5、V7和V6的开度，实现分流主回路中液态金属介质部分流量，在热监测与提取单元进行在线监测与提取热技术研究；

(8)打开阀门V8、V10，调节阀门V8、V10和V9的开度，实现分流主回路中液态金属介质部分流量，在杂质监测与纯化单元进行杂质在线监测与纯化技术研究；

(9)打开阀门V11、V13，调节阀门V11、V13和V12的开度，实现分流主回路中液态金属介质部分流量，在Li监测与补充单元进行Li含量在线监测与补充技术研究；

(10)当实验结束后，打开阀门V15，各管道布置对应于水平面具有倾斜角，则依靠管道倾斜角和液态金属介质自身的重力作用，所有液态金属介质全部收集到贮存罐中；

(11)关闭所有阀门，停止加热，结束实验过程。

Claims (10)

1.一种液态金属介质包层模块综合实验系统，包括串联在液态金属介质包层模块的进液管道接口与回流管道接口之间的氚监测与提取单元、杂质监测和净化单元、热监测与提取单元、Li监测与补充单元、驱动液态金属介质流动的泵单元，以及多个阀门和流量计，构成液态金属介质流动回路体系。

2.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述液态金属介质包层模块综合实验系统还包括一个用于贮存液态金属介质的贮存罐，该贮存罐通过一个带有阀门的管道连通液态金属介质流动回路。

3.如权利要求2所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，该实验系统的管路布置对应于水平面具有倾斜角，角度≥5°，而贮存罐处于整个实验系统的最低点。

4.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述氚监测与提取单元一端与流量计、阀门串接，另一端串联一阀门；再并联有一个旁路支路，该旁路支路中串联有阀门。

5.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述热监测与提取单元两端串联有阀门，再并联有一个旁路支路，该旁路支路中串联有阀门。

6.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述杂质监测和净化单元一端与流量计、阀门串接，另一端串联一阀门；再并联有一个旁路支路，该旁路支路中串联有阀门。

7.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述Li线监测与补充单元两端串联有阀门，再并联有一个旁路支路，该旁路支路中串联有阀门。

8.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述的泵单元包括在主回路管道上并列安置的两台动力泵，其中一个动力泵为工作泵，另一个为备用泵。

9.如权利要求1所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述液态金属介质包层模块综合实验系统还包括一气体系统和一温控装置，所述气体系统对实验系统的管道进行抽真空处理，所述温控装置对实验系统的管道进行加热与温度控制。

10.如权利要求9所述的液态金属介质包层模块综合实验系统，其特征在于，所述温控装置采用管道外壁加热和分段加热方式对管道内的液态金属介质进行加热，同时，在实验管道同一截面上上设置多组多个热电偶进行测温，准确获取系统管路各部分的温度分布情况。