CN105206313A - 一种冷聚变反应试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核能技术领域，尤其涉及一种冷聚变反应试验装置，包括反应容器、电加热器、测温装置和保温壳体，反应容器为环状壳体，反应容器的壳体内部设有反应物和催化剂，电加热器位于反应容器的环内侧，反应容器的环外侧设有计量控制装置，计量控制装置包括计量换热器，计量换热器为环状壳体，计量换热器的壳体内部设有导热液，测温装置设置于电加热器外部，反应容器、电加热器和计量换热器均位于保温壳体内部。将电加热器设置于反应容器内部，使冷聚变反应试验的启动状态和反应发生状态的热流量方向相同，便于测温装置温度及热量测量，增设了计量控制装置，能够直接对反应器放出的热量进行计量，提高了试验结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及核能技术领域，尤其涉及一种冷聚变反应试验装置。
背景技术
目前可控的使用核能技术是核裂变技术，使用放射性材料如铀235等，其反应速度可人为控制，可以安全使用核能，但原材料和生成物均是放射性物质，有放射性污染，且原料在地球中含量低，开采提炼成本很大。
人类利用核聚变目前为止在军事领域内以氢弹为代表用于武器，可控的热核聚变因为需要一亿度的高温，现有科学技术很难解决，正在试验中。冷聚变则不需要太高的温度，在300-1200摄氏度左右触发，通过催化剂，使氢原子和催化剂产生聚变，释放中子产生热量，因为氢的聚变原料及生成物均不是放射性物质，且在地球含量丰富，反应触发温度低，所以冷聚变装置易于制造。
自1989年冷聚变公布后，各国的机构对冷聚变反应进行了不懈的探索，意大利博洛尼亚大学科学家SergioFocardi教授和弗朗切斯科Piantelli教授开始冷聚变镍氢反应器的研究，获得了阶段性的成功，意大利科学家开发的镍氢反应系统，因其使用廉价的金属镍而比钯氢系统更具有发展潜力。
中国核能研究院对外公布了一篇他们对镍氢冷聚变试验进行重复的实验报告，报告显示试验产生了多余的热量，成功的产生了冷聚变核反应。如图1和图2所示，中科院核能研究所的反应试验设备由反应容器1、测温装置、电加热器2和保温壳体3组成，反应容器1由不锈钢圆筒和陶瓷圆筒12组成，不锈钢圆筒内部设有反应室11，连接真空泵14、压力表及压力传感器13和气瓶15，气瓶15内可为氢气或氦气，反应室11内装有反应物和催化剂10，反应物为镍粉，不锈钢圆筒外围设置陶瓷圆筒12，电加热器2为陶瓷圆筒12外表面包覆的加热丝，加热丝连接稳定的直流电源20为反应容器1提供反应发生所需的热量，加热丝外部设有氧化镁隔热材料的保温壳体3，同时测温装置包括反应室内设置热电偶T3，反应室外不锈钢圆筒内设置热电偶T2，不锈钢圆筒与陶瓷圆筒之间设置热电偶T1，保温壳体外表面设置热电偶T4。冷聚变反应试验开始前先向反应室11内通入氢气或氩气，再将其抽真空，试验开始时，加热丝通电产生的热量由外向内传入不锈钢铁筒的反应室11内，陶瓷圆筒12起保温作用防止热量散失，反应室11内温度达到一定高度，镍粉发生反应，反应产生的热量由内向外传播，所有热电偶T1、T2、T3和T4均与数据采集装置6连接，将在反应试验设备各处采集到的热量或温度数据传入计算机内进行实时控制显示。
由于电加热器2在反应容器1外部，试验启动状态下热量由电加热器2向反应容器1传播，热流量由外向内，试验发生状态下热量由反应容器1向电加热器2扩散，热流量由内向外，两种状态下热流量方向相反，使设置在反应容器1内与电加热器2处的热电偶在测定热量时受到负面影响，测得的热量值受到加热丝产生的热量和反应本身产生的热量两方面相互影响，导致处理后所得的结果产生偏差，不准确，对于燃料本身反应产生的热量只能通过测得的数值估算而不能直接计量，而且在现有冷聚变反应试验装置中没有设置停堆装置，当反应剧烈，发生熔堆现象时，没有停堆装置导致试验的安全性不足。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决由于现有冷聚变反应试验装置的加热装置为外热式，在试验启动状态和反应发生状态两种情况下热流量相反，导致试验侧热量受到影响，不准确的问题，且在现有技术中对于反应容器中反应放出的热量只能通过多处所测热量数值进行估算，而无法直接计量的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种冷聚变反应试验装置，包括反应容器、电加热器、测温装置和保温壳体，所述反应容器为环状壳体，所述反应容器的壳体内部设有反应物和催化剂，所述电加热器位于所述反应容器的环内侧，所述反应容器的环外侧设有计量控制装置，所述计量控制装置包括计量换热器，所述计量换热器为环状壳体，所述计量换热器的壳体内部设有导热液，所述测温装置设置于所述电加热器外部，所述反应容器、所述电加热器和所述计量换热器均位于所述保温壳体内部。
其中，所述计量控制装置还包括热量计和恒温液槽，所述计量换热器的进液端和出液端均与所述热量计连接，所述恒温液槽一端通过导热液管道与所述计量换热器的进液端连接，另一端与所述热量计连接，且所述导热液管道上设有循环泵。
其中，所述恒温液槽内设有温控装置。
其中，所述计量换热器与所述反应容器之间还设有停堆冷却器，所述停堆冷却器为环状壳体，所述停堆冷却器的一端连有停堆液导入管道，以向所述停堆冷却器的壳体内部通入停堆液，所述停堆液导入管道上设有控制阀。
其中，所述停堆冷却器的壳体外部包覆有绝热材。
其中，所述停堆冷却器上设有穿过所述保温壳体的排空管道。
其中，所述反应容器通过管道与外部真空泵和气瓶连接，所述管道上设有压力传感器和控制阀。
其中，所述测温装置包括设于所述反应容器的壳体内侧的热电偶、设于所述反应容器的壳体外侧的热电偶、设于所述计量换热器的壳体内侧的热电偶、设于所述计量换热器的壳体外侧的热电偶和设于所述保温壳体外侧的热电偶。
其中，所述热电偶、所述热量计和所述压力传感器均与数据采集装置连接，所述数据采集装置与计算机连接，以测定反应时温度、热量及压力变化，对反应进行控制。
其中，所述电加热器与外部的功率控制器和功率计量装置连接。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：将电加热器设置于反应容器内部，以内热式为反应容器提供触发反应所需的热量，使冷聚变反应试验的启动状态和反应发生状态的热流量方向相同，便于测温装置温度及热量测量，同时增设了计量控制装置，能够直接对反应器放出的热量进行计量，减少了现有技术中只能通过测温装置测得的数值进行估算而出现的偏差，提高了试验结果的准确性，将反应容器与计量换热器设计为环状壳体一方面有利于热量的扩散和传导，另一方面便于装置制造。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是现有技术中冷聚变反应实验设备的结构示意图；
图2是现有技术中冷聚变反应实验设备的测温装置与计算机连接控制示意图；
图3是本发明实施例冷聚变反应实验装置的结构示意图；
图4是本发明实施例冷聚变反应实验装置与计算机连接控制示意图。
图中：1：反应容器；2：电加热器；3：保温壳体；4：测温装置；5：计量控制装置；6：数据采集装置；7：计算机；8：停堆冷却器；9：控制阀；10：反应物和催化剂；11：反应室；12：陶瓷圆筒；13：压力传感器；14：真空泵；15：气瓶；20：直流电源；21：功率控制器和功率计量装置；50：循环泵；51：计量换热器；52：恒温液槽；53：热量计；80：排空管；81：停堆液导入管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
如图3所示，本发明实施例提供的冷聚变反应试验装置，包括反应容器1、电加热器2、测温装置4和保温壳体3，反应容器1为环状壳体，反应容器1的壳体内部设有反应物和催化剂，电加热器2位于反应容器1的环内侧，反应容器1的环外侧设有计量控制装置5，计量控制装置5包括计量换热器51，计量换热器51为环状壳体，计量换热器51的壳体内部设有导热液，测温装置4设置于电加热器2外部，反应容器1、电加热器2和计量换热器51均位于保温壳体3内部。
将电加热器设置于反应容器内部，以内热式为反应容器提供触发反应所需的热量，使冷聚变反应试验的启动状态和反应发生状态的热流量方向相同，便于测温装置温度及热量测量，同时增设了计量控制装置，能够直接对反应器放出的热量进行计量，减少了现有技术中只能通过测温装置测得的数值进行估算而出现的偏差，提高了试验结果的准确性，将反应容器与计量换热器设置为环状壳体一方面有利于热量的扩散和传导，另一方面便于装置制造。
其中，计量控制装置5还包括热量计53和恒温液槽52，计量换热器51的进液端和出液端均与热量计53连接，恒温液槽52一端通过导热液管道与计量换热器51的进液端连接，另一端与热量计53连接，且导热液管道上设有循环泵50。循环泵将恒温液槽内的导热液不断导入计量换热器内，计量换热器内的导热液也不断导出至恒温液槽，热量计通过连接计量换热器的进、出液端，测算导热液的热量，从而对反应容器传导至计量换热器的热量进行直接计量。
其中，恒温液槽52内设有温控装置。温控装置能够保持恒温液槽内的导热液处于稳定的所需温度状态，既保证了热量计的计量效果，又保证了不会因导热液温度变化导致的计量换热器温度变化而对反应容器内的反应造成不良影响，使计量换热器起到了计量热量同时保温的作用。
进一步的，计量换热器51与反应容器1之间还设有停堆冷却器8，停堆冷却器8为环状壳体，停堆冷却器8的一端连有停堆液导入管道81，以向停堆冷却器8的壳体内部通入停堆液，停堆液导入管道81上设有控制阀9。在计量换热器与反应容器之间增设停堆冷却器，当反应容器内反应失控或反应温度过高时，能够及时启动停堆冷却器，将温度降到激发温度之下，使反应及时停止，提高了试验装置的安全性和可控性，避免造成不必要的器材及资源浪费和安全事故的发生，此处控制阀可人工手动控制也可自动控制。
其中，停堆冷却器8的壳体外部包覆有绝热材。在试验正常时，停堆冷却器的壳体内部无停堆液，停堆冷却器的壳体外部包覆的绝热材一方面可以起到保温作用，使反应容器的温度不至于降到激发温度之下，保持正常的反应状态，另一方面可以及时将反应容器产生的热量导出至计量换热器，不妨碍计量换热器的热量计量。
其中，停堆冷却器8上设有穿过保温壳体3的排空管道80。本发明的试验装置启动前，停堆冷却器通过排空管道将其壳体内部排空，一旦发生反应容器内反应失控或反应温度过高的情况，开启停堆液导入管道上的控制阀通入停堆液，将反应容器的温度降到激发温度之下，使反应及时停止，停堆冷却器内部的停堆液因高温气化，产生的气体再通过排空管道排出。
进一步的，反应容器通过管道与外部真空泵14和气瓶15连接，管道上设有压力传感器13以及控制阀9。反应容器的壳体内部放置反应物与催化剂，试验开始前先通过气瓶通入氢气或氦气，再通过外部真空泵将反应容器的壳体内部抽成真空，设置压力传感器及控制阀，以便对反应容器内的压力进行实时检测控制。
另外，测温装置4包括设于反应容器1的壳体内侧的热电偶T1、设于反应容器1的壳体外侧的热电偶T2、设于计量换热器51的壳体内侧的热电偶T3、设于计量换热器51的壳体外侧的热电偶T4和设于保温壳体3外侧的热电偶T5。在本发明的试验装置中多处设置热电偶作为测温装置，提高了对试验装置内外及反应容器发生反应时的温度检测的及时性和准确性。
其中，如图4所示，热电偶T1、T2、T3、T4、T5、热量计53和压力传感器13均与数据采集装置6连接，数据采集装置6与计算机7连接，以测定反应时温度、热量及压力变化，对反应进行控制。
其中，电加热器2与外部的功率控制器和功率计量装置21连接。对电加热器进行功率控制，以控制试验的激发温度。
综上所述，本发明的冷聚变反应试验装置将电加热器设置于反应容器内部，以内热式为反应容器提供触发反应所需的热量，使冷聚变反应试验的启动状态和反应发生状态的热流量方向相同，便于测温装置温度及热量测量，同时增设了计量控制装置，能够直接对反应器放出的热量进行计量，减少了现有技术中只能通过测温装置测得的数值进行估算而出现的偏差，提高了试验结果的准确性，将反应容器与计量换热器设置为环状壳体一方面有利于热量的扩散和传导，另一方面便于装置制造。利用本装置可验证冷聚变的可行性，可研究和测量冷聚变的反应物和催化剂配方、探索冷聚变反应的启动状态和维持条件，为实用型冷聚变反应堆设计提供依据。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种冷聚变反应试验装置，包括反应容器、电加热器、测温装置和保温壳体，其特征在于：所述反应容器为环状壳体，所述反应容器的壳体内部设有反应物和催化剂，所述电加热器位于所述反应容器的环内侧，所述反应容器的环外侧设有计量控制装置，所述计量控制装置包括计量换热器，所述计量换热器为环状壳体，所述计量换热器的壳体内部设有导热液，所述测温装置设置于所述电加热器外部，所述反应容器、所述电加热器和所述计量换热器均位于所述保温壳体内部。
2.根据权利要求1所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述计量控制装置还包括热量计和恒温液槽，所述计量换热器的进液端和出液端均与所述热量计连接，所述恒温液槽一端通过导热液管道与所述计量换热器的进液端连接，另一端与所述热量计连接，且所述导热液管道上设有循环泵。
3.根据权利要求2所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述恒温液槽内设有温控装置。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述计量换热器与所述反应容器之间还设有停堆冷却器，所述停堆冷却器为环状壳体，所述停堆冷却器的一端连有停堆液导入管道，以向所述停堆冷却器的壳体内部通入停堆液，所述停堆液导入管道上设有控制阀。
5.根据权利要求4所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述停堆冷却器的壳体外部包覆有绝热材。
6.根据权利要求5所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述停堆冷却器上设有穿过所述保温壳体的排空管道。
7.根据权利要求6所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述反应容器通过管道与外部真空泵和气瓶连接，所述管道上设有压力传感器和控制阀。
8.根据权利要求7所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述测温装置包括设于所述反应容器的壳体内侧的热电偶、设于所述反应容器的壳体外侧的热电偶、设于所述计量换热器的壳体内侧的热电偶、设于所述计量换热器的壳体外侧的热电偶和设于所述保温壳体外侧的热电偶。
9.根据权利要求8所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述热电偶、所述热量计和所述压力传感器均与数据采集装置连接，所述数据采集装置与计算机连接，以测定反应时温度、热量及压力变化，对反应进行控制。
10.根据权利要求9所述的冷聚变反应试验装置，其特征在于：所述电加热器与外部的功率控制器和功率计量装置连接。
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