CN104409108B - 一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层 - Google Patents

一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，其结构包括真空室，真空室顶部液态金属喷入管，带有螺旋绝缘流道结构的外包层背壁，内包层背壁，底部液态金属排出结构。本发明针对液态第一壁在聚变堆中应用所面临的MHD效应、薄化效应等问题，采用特殊的结构设计：对于内包层，入口喷管从真空室顶部沿内包层背壁向下喷入液态金属。对于外包层，将液态金属沿真空室环向喷入，液态金属依靠自身惯性产生的离心力紧贴外包层背壁向下流动，并淹没设置在外包层背壁上的绝缘螺旋流道，从而形成绝缘流道内的环向流动与流道外部的自由表面流。液态金属最终流入底部液态金属排出结构，用于热量传递、氚提取、再循环，可有效减小MHD效应、薄化效应问题。

Description

一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层
技术领域
本发明涉及磁约束聚变反应堆包层，具体涉及一种利用液态金属实现氚增值、能量增值、屏蔽防护的液态第一壁包层。
背景技术
作为一种经济、安全、可靠、清洁的新能源，核聚变能对于从根本上解决能源紧张和减轻环境污染具有十分重要的意义，同时在军事上也有非常好的应用前景。聚变反应堆是获得和使用核聚变能的核心部件。因此，聚变反应堆技术引起全世界各国的高度重视。
包层是聚变反应堆的重要堆内部件。其主要功能是：维持聚变堆芯聚变反应所需的氚，实现氚自持；将聚变粒子能量转换为可利用能量(如热和电等)，实现能量增值；减少放射性物质的扩散，包容放射性物质，实现辐射屏蔽。包层在聚变反应堆堆芯内服役条件复杂，必须承受高的表面热负载和高粒子通量辐照。和传统的固体材料相比较，在第一壁中采用液态金属自由表面有显著优点。其能承受更高的表面热负荷和中子通量，并且显著的延长结构材料的使用寿命。
现有液态壁设计也存在一些关键问题：(1)等离子体与液态金属、熔盐产生相互影响，高能粒子对液态金属、熔盐自由表面轰击引起飞溅，液态金属蒸发影响等离子体质量；(2)液态金属、熔盐自由表面传热与温度控制问题，由于聚变反应堆高表面热流密度，可能造成自由表面温度过高引起液态金属、熔盐大量蒸发；(3)薄化效应，在重力作用和赤道面附近背壁面积增加的情况下，赤道面附近液态壁厚度减小；(4)液态壁流动控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型聚变反应堆液态第一壁包层，以解决现有液态第一壁设计方案中面临的关键问题，用于热量传递、氚提取、再循环，可有效减小MHD效应、薄化效应问题。
为了达到上述目标，本发明所采用的技术方案为：一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，包括：反应堆真空室，内有包括反应堆内包层、反应堆外包层，其特征在于：在真空室顶部沿真空室环向设置内包层液态金属喷入管与外包层液态金属喷入管，内包层液态金属喷入管喷射方向竖直向下，外包层液态金属喷入管喷射方向沿真空室环向，外包层背壁带有螺旋绝缘流道结构，内包层背壁无流道布置，真空室底部设置液态金属排出结构；工作时，高温液态金属高速从内包层液态金属喷入管喷射到内包层背壁上，从外包层液态金属喷入管沿真空室环向喷入外包层背壁设置的绝缘流道中，液态金属最终通过液态金属排出结构排出反应堆。
所述的螺旋向下型绝缘流道，其采用材料为耐高温、耐腐蚀材料；流道高度5cm-30cm；其螺旋方向与真空室内磁场方向一致。
所述的内包层液态金属喷入管，液态金属喷射速度为5-15m/s，喷射方向竖直向下，喷入管的管径为40cm。液态金属在重力作用下沿内包层背壁向下流动。
所述的外包层液态金属喷入管，液态金属喷射速度为8-20m/s，喷射方向沿真空室环向，管径40-60cm。喷入管喷射出的液态金属在外包层背壁上形成至少40cm厚的液态金属壁面，外包层背壁上设置的螺旋绝缘流道高度为20cm-30cm，高速喷入的液态金属厚度大于绝缘流道高度，从而淹没绝缘流道形成两层流动，即低于流道高度的液态金属流动与高于流道高度的液态金属流动。低于流道高度的液态金属在流道内沿流道螺旋向下流动；高于流道高度的液态金属具有同样的环向初始速度，由于没有流道的支撑，在重力作用下形成向下的自由流动。流道外侧的自由流动在重力作用下可以快速的流入液态金属排出结构排出堆芯进行换热，从而避免液态金属表面温度过高引起大量蒸发，破坏等离子体稳定性。
所述的液态金属有三种可以选择分别是：Li、SnLi、PbLi。整个液态第一壁结构温度控制金属或熔盐熔点以上。
与现有设计相比，本发明的优点在于：
(1)本发明减小MHD效应引起的流动不稳定性和产生的压降：在外包层背壁上设置螺旋向下的绝缘流道，流道的方向与磁场方向相同，这使在流道中流动的液态金属沿磁力线流动避免了切割磁感线产生的电动势，从而减少了MHD效应。
(2)本发明提高了液态金属形成的液态壁出口平均温度，减小了液态壁自由表面与液态金属主流的温度差：外包层背壁上设置的螺旋绝缘流道高度为20cm-30cm，高速喷入的液态金属厚度大于绝缘流道高度，从而淹没绝缘流道形成两层流动，即低于流道高度的液态金属流动与高于流道高度的液态金属流动。低于流道高度的液态金属在流道内沿流道向下流动；高于流道高度的液态金属具有同样的环向初始速度，由于没有流道的支撑，在重力作用下向下的自由流动。流道外侧的自由流动在重力作用下可以快速的流入液态金属排出结构排出堆芯进行换热，从而避免液态金属表面温度过高引起大量蒸发，破坏等离子体稳定性。流道内流动的液态金属由于沿螺旋向下的流道流动，流动的距离更长在真空室内受热的时间更久，温度更高，从而在避免外侧自由表面温度过高的情况下提高了液态金属出口平均温度。
(3)减小重力加速度引起的薄化效应：薄化效应的产生主要由于重力加速度作用使液态金属速度增增大所引起的液态壁厚度变薄，而在加入绝缘流道后流道的支撑与流动所产生的阻力，使得绝缘流道内的液态金属速度变化很小，从而克服了重力加速度所引起的薄化效应。
附图说明
图1为本发明的结构主示意图；
图2为本发明的结构剖面图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明一应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，包括：反应堆真空室，内有包括反应堆内包层、反应堆外包层；在真空室顶部沿真空室环向设置内包层液态金属喷入管1与外包层液态金属喷入管2，内包层液态金属喷入管1喷射方向竖直向下，外包层液态金属喷入管2喷射方向沿真空室环向，外包层背壁3带有螺旋绝缘流道结构，内包层背壁6无流道布置，真空室底部设置液态金属排出结构5；工作时，高温液态金属高速从内包层液态金属喷入管1喷射到内包层背壁6上，从外包层液态金属喷入管2沿真空室环向喷入外包层背壁设置的绝缘流道4中，液态金属最终通过液态金属排出结构5排出反应堆。
绝缘流道4结构采用材料为耐600℃以上的长期高温、耐液态金属腐蚀材料；流道高度5cm-30cm；其螺旋方向与真空室内磁场方向一致。
内包层液态金属喷入管1中，液态金属喷射速度为5-15m/s，喷射方向竖直向下，入口喷管的管径40cm。液态金属在重力作用下沿内包层背壁6向下流动。
外包层液态金属喷入管2，液态金属喷射速度为8-20m/s，喷射方向沿真空室环向，管径40-60cm。喷入管喷射出的液态金属在外包层背壁3上形成至少40cm厚的液态金属壁面，外包层背壁3上设置的螺旋绝缘流道高度为20cm-30cm，高速喷入的液态金属厚度大于绝缘流道4高度，从而淹没绝缘流道4形成两层流动，即低于流道高度的液态金属流动与高于流道高度的液态金属流动。低于流道高度的液态金属在流道内沿流道向下流动；高于绝缘流道4高度的液态金属具有同样的环向初始速度，由于没有绝缘流道4的支撑，在重力作用下向下的自由流动。流道外侧的自由流动在重力作用下可以快速的流入液态金属排出结构5排出堆芯进行换热。
在外包层背壁上设置螺旋向下的绝缘流道4，流道4的方向与磁场方向相同，这使在流道4中流动的液态金属沿磁力线流动避免了切割磁感线产生的电动势，从而减少了MHD效应。
外包层背壁上3设置的螺旋绝缘流道高度4为20cm-30cm，高速喷入的液态金属厚度大于绝缘流道高度，从而淹没绝缘流道4形成两层流动，既低于流道4高度的液态金属流动与高于流道4高度的液态金属流动。低于流道4高度的液态金属在流道4内沿流道向下流动；高于流道4高度的液态金属具有同样的环向初始速度，由于没有流道的支撑，在重力作用下，形成向下的自由流动。流道4外侧的自由流动在重力作用下可以快速的流入液态金属排出结构5排出堆芯进行换热，从而避免液态金属表面温度过高引起大量蒸发，破坏等离子体稳定性。流道4内流动的液态金属由于沿螺旋向下的流道流动，流动的距离更长在真空室内受热的时间更久，温度更高，从而在避免外侧自由表面温度过高的情况下提高了液态金属出口平均温度。
薄化效应的产生主要由于重力加速度作用使液态金属速度增增大所引起的液态壁厚度变薄，而在加入绝缘流道后流道4的支撑与流动所产生的阻力，使得绝缘流道4内的液态金属速度变化很小，从而克服了重力加速度所引起的薄化效应。
所述的液态金属有三种可以选择分别是：Li、SnLi、PbLi。整个液态第一壁结构温度控制在金属或熔盐熔点以上。

Claims (4)

1.一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，包括：反应堆中的真空室，真空室内包括反应堆内包层、反应堆外包层，其特征在于：在所述真空室顶部沿真空室环向设置内包层液态金属喷入管与外包层液态金属喷入管，内包层液态金属喷入管喷射方向竖直向下，外包层液态金属喷入管喷射方向沿真空室环向，外包层背壁带有螺旋绝缘流道结构，内包层背壁无流道布置，真空室底部设置液态金属排出结构；工作时，高温液态金属高速从内包层液态金属喷入管喷射到内包层背壁上，同时从外包层液态金属喷入管沿真空室环向喷入外包层背壁上设置的绝缘流道中，液态金属最终通过液态金属排出结构排出反应堆。
2.如权利要求1所述的应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，其特征在于：所述的内包层液态金属喷入管的液态金属喷射速度为5-15m/s，外包层液态金属喷入管的液态金属喷射速度为8-20m/s。
3.如权利要求1所述的应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，其特征在于：所述螺旋绝缘流道结构采用材料为耐高温耐腐蚀材料，其螺旋方向与真空室内磁场方向一致。
4.如权利要求1所述的应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层，其特征在于：所述的液态金属有三种可以选择分别是：Li、SnLi或PbLi。
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