CN104457854A - 液态金属介质强迫对流实验回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属介质强迫对流实验回路，包括热区、冷区及支持系统，其中热区和冷区的管路组成一“8”字形，热区与冷区交汇于回流换热器；热区根据需要设置各种实验段，包括高温动态腐蚀实验段、应力腐蚀实验段、MHD实验段、模拟实验包层实验段；冷区设置有液态金属介质净化系统、动力泵、膨胀箱及贮存罐；支持系统包括对实验回路抽真空和充氩气的气体系统，以及对管路进行加热与温度监控的温控系统。该实验回路能够根据实验目的在堆外营造聚变堆工况的实验环境，开展包层关键技术问题的实验研究。

Description

液态金属介质强迫对流实验回路

技术领域

本发明涉及一种核工业应用与科研领域中的实验回路设计方案，具体涉及一种强迫驱动液态金属介质对流运动的实验回路。

背景技术

包层是聚变能走向应用的核心技术载体。包层(含第一壁)是把含锂的材料装在其模块中，中子和锂反应生成氚，氚分离后再反馈到等离子体中。同时中子的能量通过冷却剂引出后用以驱动发电机发电。因此，包层的主要作用是将聚变粒子能量转换为可利用能量同时增殖氚以维持聚变反应，它同时也是在聚变实验装置中进行高能中子辐照等多种物理场作用下的聚变材料综合实验的必要场所。显然，包层技术是决定聚变堆工程成败的核心技术之一，随着聚变能技术研究与发展从物理可行性到工程可行性的跨越，包层技术的研究与发展正在变得越来越重要。世界上各核大国投入大量的人力和物力进行研究，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》也将“包层技术”列为要重点研究的前沿技术。

在聚变堆包层研究中，液态金属介质包层设计由于其诸多优点而成为最主要设计方案，是国际上目前包层领域重要的研究方向。然而，聚变堆包层运行环境苛刻(如强磁场、高温、强腐蚀、辐照和应力等)，液态金属介质在包层中和堆外辅助系统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；液态金属介质穿越磁场时引起的磁流体动力学(MHD)效应；液态金属介质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以及多种物理场(辐射场、温度场、电磁场和应力等)协同作用下材料学等问题；等等，这些液态金属介质在传输过程中会引起一系列问题，如介质流动对传输管道的冲蚀、介质温度变化引起传输管道热应力作用下的腐蚀问题、不同介质在管道中的流动特性影响长距离传输效率、介质流动所处的各种工况环境因素影响流动效率等。

因此，为了详细开展上述关键技术问题研究，急需营造上述实验环境，并设计一套能够单独或者同时开展这些实验环境下关键技术问题研究的实验装置。本发明正是基于上述需求设计了一种强迫对流液态金属介质实验回路，为核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。

发明内容

本发明的目的是提供一种强迫对流液态金属介质实验回路，能够根据实验目的在堆外营造聚变堆工况的实验环境，开展包层关键技术问题的实验研究。

本发明的技术方案如下：

一种液态金属介质强迫对流实验回路，该实验回路包括热区、冷区及支持系统，其中热区和冷区的管路组成一“8”字形，热区与冷区交汇于回流换热器；热区是实验区，其根据需要设置各种实验段，包括高温动态腐蚀实验段、应力腐蚀实验段、MHD实验段(包括电磁铁)、模拟实验包层实验段等；冷区设置有液态金属介质净化系统、动力泵、膨胀箱及液态金属介质贮存罐等；支持系统主要包括对实验回路抽真空和充氩气的气体系统，以及对管路进行加热与温度监控的温控系统等。

上述回流换热器设置在热区与冷区的管路交汇处，可采用同心管结构换热器，并用逆流流动方式，冷的液态金属介质从同心管的内管流入，而高温液态金属介质则从包围在内管外的环状外管流出，实现回路高温液态金属介质和低温液态金属介质的回流换热。回流换热器降低了回路结构材料在高温液态金属介质环境中的使用要求，并省去了冷却器部件，降低了能源消耗。

设置在热区的各实验段中，所述的MHD实验段由磁体系统和液态金属介质流动的试验管道组成，而磁体系统主要由两极电磁铁、励磁电源和水冷系统构成，产生磁感应强度B＝2T的磁场；液态金属介质流动的试验管道(置于磁场中)一端串接一阀门和一流量计，另一端串接一阀门，然后两端分别与回流换热器的内管与外管连通。

聚变堆包层是聚变能走向应用的核心技术载体，实验包层模块是聚变堆包层相关技术预演载体，为了在堆外模拟演示ITER实验包层模块相关技术，为实验包层模块在ITER或EAST中进行实验而作前期探索，将模拟实验包层小模块作为强迫对流液态金属介质实验回路的一个实验段，称为模拟实验包层实验段，拟进行用液态金属介质充填模拟实验包层小模块，进行包层小模块的热工水力等特性模拟实验以及包层整体性能模拟实验。模拟包层小模块的一端串接流量计、阀门，与回流换热器的内管相接，模拟包层小模块的另一端串接阀门，与回流换热器的外管相连，形成回路。

所述的高温动态腐蚀实验段是一竖直放置的圆柱形管道，管道内可安放样品架；圆柱形管道顶端连接手套箱，二者之间有冷却过渡段；圆柱形管道下端连接有一阀门和一流量计，再连接回流换热器内管，液态金属介质由此流入管道，从圆柱形管道上端侧面引出管流出管道，进入回流换热器外管。

所述的应力腐蚀实验段也是一竖直放置的圆柱形管道，管道顶端接有外加应力装置，管道内可安放应力样品架；圆柱形管道上端侧面引出管与回流换热器的内管连接，液态金属介质由从该引出管流入；圆柱形管道下端连接有一阀门，再连接回流换热器外管。

在不影响主体回路中液态介质流动的情况下，所述液态金属介质强迫对流实验回路的冷区主回路中并联一套净化系统以分流主回路中的介质流量，实现各个实验段共用净化系统并连续运行的目的。该部分流量的液态介质流经净化系统后，利用各种金属杂质浓度随温度的变化而逐渐析出的原理进行杂质处理，以开展介质中杂质元素在线检测与纯化技术研究。

本发明的液态金属介质强迫对流实验回路设置有膨胀箱与冷区管路连接，为提供整个回路系统温度上升期间的液态介质自由膨胀空间而设计。

冷区中还包括一个用于贮存液态金属介质的贮存罐，其通过一个带有阀门的管道连通冷区主回路。一般情况下，贮存罐的出口管道经过阀门后接入动力泵的进液端。进一步的，所述实验回路布置对应于水平面具有倾斜角，角度通常≥5°，贮存罐处于最低点，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存罐中。

实验开始前，要对整个实验回路进行预加热、抽真空；实验开始时，打开将该贮存罐与冷区主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主回路中，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存罐中。

本发明利用动力泵作为回路内液态金层介质流动的动力源，流量计实时测量介质的流量大小，阀门控制回路中介质的流动走向与流量。

为了实现回路中液态介质的流动，优选在冷区主回路管道上并列安置两台电磁泵，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。

本发明实验回路的支持系统包括：对整个实验回路的管道进行抽真空、充氩气的气体系统，以及对实验回路管道进行加热与温度控制的温控系统等。

其中，所述气体系统通常由氩气瓶、除水罐、缓冲罐、净化罐以及机械真空泵构成。气体系统的氩气瓶与除水罐、缓冲罐、净化罐依次连接并各自用阀门相隔，通过机械真空泵和阀门与膨胀箱、手套箱等连接。在回路实验运行前，氩气被用来冲洗回路；实验运行时，氩气被用来覆盖回路中液态介质的液面从而保护液态介质。

所述温控系统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。

本发明的实验回路可以实现多种实验研究，对各个实验段进行并联或串联设计，并通过调节回路阀门，实现各个实验段并行或串联实验或者各自独立实验。

本发明的液态金属介质强迫对流实验回路具有如下特点：

1、可以结合回路中的若干支路与实验段接点，根据具体实验需要扩展所需实验段，在液态金属介质回路中营造相应的实验环境(如温度场、应力场、磁场、流场等)，开展工业应用与科研项目领域中有关液态金属介质关键技术问题研究，包括结构材料动态腐蚀、应力腐蚀实验，MHD实验，堆外包层实验，以及杂质在线监测与净化等实验。

2、为了实现回路中液态金属介质的流动，在主回路管道上安置两台电磁泵，一台正常工作，另一台备用，它们是整个回路中驱动液态金属介质流动的动力源。备用泵的主要目的是保证液态金属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。通过阀门控制装置中液态金属介质的流动走向与通断；利用流量计实时测量回路内介质的流量大小。

3、整个实验回路中贮存罐处于最低点，在平面布局上回路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，整个回路中的液态金层介质依靠自身重力作用迅速回流到贮藏罐中，以减小因意外突发事故可能造成的潜在危害。

4、整个回路系统采用管道外壁加热和分段加热方式对管道内的液态金层介质进行加热，与此同时，实验管道同一截面上设计多组多个热电偶进行测温，准确获取回路各部分的温度分布情况。

附图说明

图1为本发明的液态金属介质强迫对流实验回路工作原理图。

图中符号所示：

流量计：M1、M2、M3、M4

阀门：V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12、V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20、V21、V22

动力泵：电磁泵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，液态金属介质强迫对流实验回路，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电磁泵P1、P2，对杂质进行在线监测与净化的净化系统，回流换热器，高温动态腐蚀实验段，应力腐蚀实验段，MHD实验段(包括电磁铁)、模拟实验包层实验段，以及相关的阀门V1～V21，流量计M1、M2、M3、M4，气体系统，加热与温度控制装置等。

该实验回路可以同时实现多种实验研究，通过调节阀门，实现各自独立实验。

整个回路的工作流程如下：

以高温动态腐蚀实验段为例，整个回路的工作流程如下：

(1)根据实验要求，依次打开阀门V2、V3、V4、V5、V15、V14、V12、V10、V6、V8、V7；

(2)关闭阀门V1、V13、V11、V9、V16、V18、V20；

(3)经手套箱向高温动态腐蚀实验段的管道内样品架上安放材料腐蚀试验样品；

(4)对整个回路系统进行预加热、抽真空(包括对手套箱进行抽真空)、并用高纯氩气(99.999％)冲洗管内壁；

(5)打开阀门V1，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V1；

(6)启动动力泵P1，驱动液态金属介质在回路中循环流动(图1中的箭头表示液体金属介质流动的方向)；

(7)对高温动态腐蚀实验段液态金属介质进行再加热，利用热电偶实时测量液态介质温度，使得高温动态腐蚀实验段中液态金属介质被加热至实验温度，进行材料高温动态腐蚀实验；

(8)调节阀门V8和V7的开度，实现分流主回路中液态金属介质小部分流量，在净化支路中进行杂质在线监测与净化；

(9)可在回路运行的情况下，从手套箱向高温动态腐蚀实验段管道内样品架上取出或安放材料腐蚀试验样品，继续材料腐蚀试验；

(10)当实验结束后，打开阀门V1，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介质自身的重力作用，所有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。

其它实验段开展相应实验的过程与此类似。

Claims (10)

1.一种液态金属介质强迫对流实验回路，该实验回路包括热区、冷区及支持系统，其中热区和冷区的管路组成一“8”字形，热区与冷区交汇于回流换热器；热区根据需要设置各种实验段，包括高温动态腐蚀实验段、应力腐蚀实验段、MHD实验段、模拟实验包层实验段；冷区设置有液态金属介质净化系统、动力泵、膨胀箱及贮存罐；支持系统包括对实验回路抽真空和充氩气的气体系统，以及对管路进行加热与温度监控的温控系统。

2.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述回流换热器采用同心管结构，并采用逆流流动方式，低温液态金属介质从同心管的内管流入，而高温液态金属介质则从包围在内管外的环状外管流出。

3.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述MHD实验段由磁体系统和液态金属介质流动的试验管道组成，而磁体系统主要由两极电磁铁、励磁电源和水冷系统构成，液态金属介质流动的试验管道置于磁场中，试验管道的一端串接一阀门和一流量计，另一端串接一阀门，分别与回流换热器的内管与外管连通。

4.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述模拟实验包层实验段是在模拟实验包层小模块的一端串接流量计、阀门，与回流换热器的内管相接，另一端串接阀门，与回流换热器的外管相连。

5.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述高温动态腐蚀实验段是一竖直放置的圆柱形管道，管道内可安放样品架；管道顶端通过一冷却过渡段连接手套箱；管道下端连接有一阀门和一流量计，再连接回流换热器内管，液态金属介质由此流入管道，从圆柱形管道上端侧面引出管流出管道，进入回流换热器外管。

6.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述应力腐蚀实验段是一竖直放置的圆柱形管道，管道顶端接有外加应力装置，管道内可安放应力样品架；该圆柱形管道上端侧面引出管与回流换热器的内管连接，液态金属介质由从该引出管流入；该圆柱形管道下端连接有一阀门，再连接回流换热器外管。

7.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述液态金属介质净化系统设置在与冷区主回路并联的支路中。

8.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述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冷区主回路；实验回路的管路布置对应于水平面具有≥5°的倾斜角，贮存罐处于最低点。

9.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述动力泵包括在冷区主回路管道上并列安置的两台电磁泵，其中一个为工作泵，另一个为备用泵。

10.如权利要求1所述的液态金属介质强迫对流实验回路，其特征在于，所述气体系统与膨胀箱、手套箱连接；所述温控系统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设计多组多个热电偶进行测温。