CN105706175B - 用于连续再处理聚变反应堆废气的方法和装置 - Google Patents

用于连续再处理聚变反应堆废气的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用于连续再处理具有燃烧室(2)的聚变反应堆(1)的废气的方法，包括下述方法步骤：通过金属箔泵(3)连续抽取聚变反应堆(1)的废气体积流，在金属箔泵(3)中由废气体积流生成等离子体，其中生成的等离子体在金属箔泵(3)内部分离成气态的氢同位素体和剩余气体。将来自金属箔泵(3)的氢同位素体输送至燃料储存装置(10)，并且将气态的剩余气体输送至氚再处理装置(9)，其中剩余气体的温度通过至少一个阻气件(18)调节并且经过燃料储存装置(10)送回至燃烧室(2)中。

Description

用于连续再处理聚变反应堆废气的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于再处理聚变反应堆废气并且从聚变反应堆的废气中分离氢同位素体(Isotopologe)的方法和装置，其中氢同位素体从废气中分离出来并且输送回燃料回路中。
背景技术
已知聚变反应堆不仅由氢同位素体的聚变生成氦和能量，而且通过等离子体的操作也积聚杂质，这些杂质必须作为废气排出。氢同位素体在本文中是氢(H)的所有可能的同位素以及与氘(D)和氚(T)的结合，例如T2、HT、DT、H2、D2、HD。
在本文中废气是指这样的气体，该气体从聚变反应堆的燃烧室(圆环)中排出。
废气主要由未燃烧的燃料组成，但是也包含作为聚变反应堆反应产物(例如氦)的杂质，在本文中也称为灰烬，以及碳氢化合物、氨气、氢气、氮气。另外废气的组成取决于在圆环的燃烧室壁中所使用的用作屏蔽的材料以及取决于其他的辅助材料。
但是元素铁、镍、铬等的重原子不同于轻的氢，前者通过等离子体粒子从圆环壁脱离出来，而后者即使在高的聚变温度下也没有完全离子化。这些杂质的电荷数越高，就有越多的电子仍结合在原子核上。
即使从等离子体吸取更多的能量并且再次作为紫外或伦琴射束辐射出。以这种方式使等离子体冷却、稀释并且由此减小聚变量。在具有相对低的在所使用的燃料的全部量的1至10％的杂质含量的情况下，出现聚变反应完全停止，相应地也必定会使燃烧室中的所有气体连续地进行处理。
为了避免等离子体受到来自壁上的杂质，特定的磁场将等离子体边缘层转向燃烧室的特殊设置的位置，该燃烧室的特殊设置的位置表示为偏滤器(Divertor)。
在等离子体的中和过程中在偏滤器上产生的中性气体(该气体相对于等离子体主体流具有较高的压力)通过所谓的偏滤器泵(通常形成为低温真空泵以及额外连接在后面的涡轮分子泵)从燃烧室抽吸或抽取。
必须相应地对低温真空系统提供低温冷却装置(低温装置)，从而使得偏滤器泵充足地供应运行介质，例如液态的氦。这种低温真空系统由于作用原理而必须经常再生，因此无法连续运行。
氦冷却装置另外具有需要非常多的能量这一缺陷并且在建造方面需要高成本投入。
随后在氚再处理装置(Tritium-Plant(TP))中净化或者再处理的废气的再循环通过一个或多个燃料(中间)储存系统或者燃料储存装置而进行，其中在此除了中间存放以外还包含有气体混合和喷射系统。该复杂的系统一般纳入燃料储存装置或Fuelling&StorageSystem(FS)的概念。
目前所考虑到的在氚再处理装置(TP)中进行的再处理方法已经公开在文献/1/"Los Alamos 6855-P"，作者J.L.Anderson和R.H.Sherrnan，1977年6月，题目"TritiumSystem Test Assembly"当中。该方法特别复杂并且要求提高包含氚的废气体积流的温度，使得氚扩散到废气引导装置的金属中并且由于渗透性而意外地穿透该金属。
由EP 0 293 730 B1已知一种方法，该方法首先在一个水分吸收阶段中干燥废气并且随后在一个阶段中选择性地吸收硫化合物。最后在沸石基(Zeolitbasis)上对氢的吸收和分离阶段中处理从前述阶段出来的废气。
DE 36 06 317A1提出，含有氚和/或氘的废气通过用于分裂氨气和碳氢化合物的装置而进行处理。在该文献中，随后释放的氢同位素穿过膜并且与剩余气体流分离。剩余已净化的废气排出到周围空气中。
现有技术的共同点在于，废气净化的各种解决方案基本上总是在氚再处理装置(Tritium-Plant(TP))中进行操作，其中使用不连续工作的低温泵作为预真空泵和高真空泵。
替换前述的现有技术，已经在公开文献/2/“Ergebnisse aus Forschung undEntwicklung–Jahresbericht 2012”(KIT,ITEP,2013年3月)和公开文献/4/“The DIRECTINTERNAL RECYCLING concept to simplyfy thefuel cycle of a fusion power plant”(C.Day,T.Giegerich,Fus.Eng.Des.2012,待刊(in press))中首次描述了DIR设计(DIRECTINTERNAL RECYCLING，直接内部循环)。
对此为了分离氢同位素体所需要的金属箔泵以及在公开文献/3/“Developmentof divertor pumping System with super-meable membrane”中公开。在该文献中也公开了氢拓扑结构的原子化，该原子化使用了进行退火的钽棒或钽丝。对此典型的操作温度大约在800℃。
然而，更高的金属箔温度(其中金属箔由铌构成)对金属箔的超级渗透性没有作用。因此，已经公开的金属箔泵的设计方式的操作非常消耗能量。
用于生成低温等离子体的替换方案在公开文献/6/2013年4月2日Merle等的“Hochabscheidung mit einem Mikrowellenplasma”,中描述。在该公开文献中描述的等离子体双线主要由电绝缘的管组成，该电绝缘的管真空密封地引导穿过低压设备。根据应用，可以选择石英、各种玻璃和多种陶瓷作为材料。在管内部在大气压力下通过冷却空气，并且在管周围具有低压气氛。通过一个同轴管线从两侧向管中输入微波。在管内部的大气压力防止了等离子体点火。在低压容器的内部区域中中断同轴管线的外部导体；内部导体继续延伸。由于缺少外部导体而将微波辐射到低压中。在该文献中，像常规的耦合窗口那样形成等离子体，该等离子体在等离子体双线中呈管状并且径向对称地围绕电绝缘的管。在该文献中，等离子体通过其传导性而防止了微波进一步侵入室中并且保持位于管周围。
为了制造高真空，除了已经提到的低温真空泵或者涡轮分子泵，也可以考虑使用液体金属扩散泵(FMDP)和液体金属环泵(FMRP)以及金属箔泵(MFP)的结合。
该结合已经在公开文献/4/“Conceptuation of a continously working vacuumpump train for fusion power plants”(T.Giegerich,C.Day,Fus.Eng.Des.2012,待刊)中公开。然而详细过程操作以及MFP的设计并没有被公开。
发明内容
由此，本发明的目的在于，提供一种特别经济且快速的方法和装置用于聚变反应堆的连续废气净化。
根据本发明，该目的通过根据权利要求1所述的方法以及权利要求7所述的装置实现。优选的实施方式在从属权利要求中描述。
为了实现该目的，本发明提出用于调节从聚变反应堆的废气中分离氢同位素体以及其经过燃料储存装置到聚变反应堆燃烧室的再循环的措施，该分离在技术标准上实现保持相同的进行并且是连续的。因此力求恒定的燃料供应和高的燃料品质。
本发明提出了一种用于保持相同进行地再处理废气的措施(该废气作为氘和氚的气态的和/或原子性的和/或化学结合的混合物以及杂质，其作为聚变反应堆的废气产品存在)：通过连续地从燃烧室抽吸废气体积流并且随后分离氢同位素体和剩余气体来进行再处理，其中氢同位素体以气态的方式通过Fuelling and Storing System回流到燃烧室中并且剩余气体输送到氚再处理装置(Tritium-Plan(TP))。
富集氦和其他杂质的剩余气体部分必须始终在氚再处理装置中进行处理。这些剩余气体份额应当尽可能小，因为由此也使得氚再处理装置所需要的尺寸变得较小。
通过至少一个金属箔泵分离之后的剩余气体份额为总的废气体积流的大约5％至大约50％，然而优选在约10％至约20％，视聚变反应堆的燃料消耗量(Burnup-Fraction)而定。
因此本发明一个方面还在于，避免需要处理在氚再处理装置(TP)中的所有废气流，如果处理所有废气流会导致非常大的氚再处理装置(TP)并且具有相应大的氚投入。另外，需要相应尺寸的低温冷却装置以及因此需要相伴随的(氦)投入。相应地从燃烧室中连续地抽出或者说吸出一部分产生的废气并且与聚变反应堆的运行状态无关。
优选在第一步骤中使用金属箔泵(MFP)。MFP作为合适的泵以及分离模块在废气的流动方向上安装在第一阻气件的前方以及初级泵的前方。
MFP非常接近于偏滤器范围内的燃烧室，优选距离大约0.5至5米，并且从废气中分离包含在废气中的大约5至95％的氢同位素体。
MFP的作用原理基于超级渗透性，即氢同位素体能够穿透金属而扩散，但是为此必须使包含在废气中的氢同位素体先原子化。这例如在现有技术中已经描述地通过引入能量而进行，该能量使得以分子形式存在的氢化合物原子化。已知的是以电气方式加热的结构体，例如棒、网格或丝，该结构体加热废气或者金属箔。
但是这里优选与现有技术不同地，为了废气的离子化和原子化，使用微波等离子体或者微波等离子火炬(Mikrowellen-Plasmafackel)。优选采用具有2.45GHz频率的微波，但是也可以使用高至300GHz的频率。一种设计规定七个或更多个导体在相同的时间耦合多种频率。
微波等离子体的使用提供这样的可能性，即与金属箔泵(MFP)以任意的距离安装磁控管并且通过导电的棒或空心棒、优选通过钨棒(钨导管)将微波导至或导入MFP。相应地额外保护磁控管的敏感的电子元件，因为这些电子元件位于磁场的外部以及燃烧室辐射范围的外部。
为了进一步提高金属箔泵的效率，通过导电的同轴网格或网眼或织物有目的性地影响离子化的氢原子的速度。在网格和壳体之间通过施加优选在25伏特和500伏特之间的电压构建一个额外的电场，该电场通过适当地选择电压而沿金属箔的方向加速离子化的氢原子。
因此在较低的优选100℃至500℃的温度下高能效地生成原子的氢在能量上相应也是更经济有利的。
原子化(离子化)的氢在该状态下能够穿过金属箔扩散，该金属箔优选由第五主族的金属构成，例如钒、铌、钽，且金属箔的厚度为大约0.01至0.1mm。金属箔也可以作为层压物由第五主族的不同金属或合金结合钨或铂而构成。在扩散过程结束之后，氢原子重组成氢同位素体。
由此构建原子部分的压差，即，导致抽吸效应的作用。但是该作用仅对于原子化的氢来说是足够明显的，金属箔泵(MFP)的分离作用主要基于原子化的氢。MFP的运行范围在10-9Pa和100Pa之间、特别优选在10-8Pa和10Pa之间(所有所述的压力都理解或规定为绝对压力)的抽吸压力下。
氢同位素体以气态的方式输送至燃料储存装置(Fuelling and Storing System(FS))，其中燃料储存装置首先借助于阻气件(气体冷却器、挡板、冷凝捕集器)优选设计为多阶并且位于靠近圆环处以及在MFP的后方。在此氢同位素体调节至-200℃至30℃之间的温度。阻气件防止了液体金属蒸汽(水银蒸汽)可能从接下来的初级泵回流至燃烧室(圆环)中。
唯一地使用低温的阻气件(气体冷却器)避免了回流的和凝固的运行介质或液体金属在可预见的运行时间之后进入初级泵。
形成为液体金属扩散泵(FMDP)的初级泵不包括移动的部件并且完全兼容氚以及相对于磁场和灰尘稳定并且实践中无需维护。
初级泵需要耐氚的运行介质。在本发明的范围内使用液体金属作为运行介质，其中液体金属在接下来理解成一种金属或合金或有机化合物或无机化合物，它们在低于200℃的温度下是液态的并且在高于200℃直至500℃的温度下以蒸汽形式存在。例如包括水银。通过在初级泵中心的喷嘴(Duesenstock)喷出汽化的运行介质，从而在壁上再次冷凝并且回流至初级泵的槽(锅炉(Boiler))中。泵的作用基于在喷嘴和泵内部壁之间以超音速的快速气体喷射间的脉冲更替。
初级泵必须经常覆盖非常宽的压力范围。该压力范围在所谓的停歇期(Dwell-Phase)内(即在燃烧室中的两个等离子体脉冲之间的时间段内)为<10-8mbar，而在所谓的燃烧期内(聚变反应堆位于燃烧室中的时间段内)则该压力范围为大约100Pa。
初级泵将氢同位素体压缩到低于1000Pa的压力，其中在初级泵处的抽吸压力在10-8Pa和1000Pa之间波动。
另外，在初级泵中可以在出口处结合有喷射器，该喷射器像气体喷射泵那样通过汽化的运行介质(液体金属)运行，优选水银蒸汽作为推进剂。这种特殊的设计实现了扩散泵的预真空稳定性提到至约100Pa。这对于获得到次级泵的传递压力是必须的。
为了防止运行介质与实际泵吸方向(废气的流动方向)相反地回流至燃烧室之中，必须在液体金属扩散泵的进气道之前或进气道中安装多个阻气件(挡板、气体冷却器)。优选设计成具有结合的阻气件(挡板、气体冷却器)的线形设计。在该设计成线性金属扩散泵(LMDP)的实施方式中将阻气件结合在液体金属扩散泵中，即，相互结合成使得在壳体中实现液体金属扩散泵和阻气件的功能。
液体金属扩散泵作为高真空泵不会相对于大气压力进行压缩并且因此需要预真空泵(这里称为次级泵)，该预真空泵将经压缩的氢同位素体进一步压缩到1000Pa至2*105Pa的压力。在形成为金属液体环泵(MFRP)的次级泵的抽吸压力(p3)在此为小于1000Pa。次级泵将氢同位素体从小于1000Pa压缩到至少2*105Pa。
优选使用两级的金属液体环泵，其在入口处具有喷射泵。
次级泵也需要完全地耐氚(即不使用脂肪或油作为润滑剂)，并且该次级泵必须朝外严密密封，这避免了使用迷宫式密封或聚合物密封。次级泵能够抽吸至少1000m3/h的氢同位素体。次级泵的运行介质同样为耐氚的液体金属，优选水银。
根据本发明通过至少一个多级的阻气件实现穿过次级泵(液体金属环泵)之后废气中的水银离析，该阻气件将来自液体金属环泵的氢同位素体以流动的方式逐级地进行冷却并且由此使水银先冷凝而后冻结。随后必须重新加热气体(废气/氢同位素体)，从而防止泵后面的管道冻结。
氢同位素体重复地借助多级的阻气件(冷凝捕集器)调节至-200℃至30℃之间的温度并且随后以气态的形式输送至燃料储存装置。
剩余气体(剩余的废气)进行与氢同位素体相同的方法步骤，区别在于，氢同位素体输送至燃料储存装置(Fuelling and Storing System(FS))中，而用于进一步处理的剩余气体则输送至氚再处理装置(Tritium-Plant(TP))中。
剩余气体首先借助阻气件(冷却捕集器)调节至-200℃和30℃之间的温度，该阻气件优选以多级的方式实施并且布置在圆环附近。初级泵将剩余气体压缩到低于1000Pa的压力，其中在初级泵(P01)处的抽吸压力(p2)在10-8Pa和1000Pa之间波动。
液体金属扩散泵作为高真空泵不会相对于大气压力进行压缩并且因此需要预真空泵(这里为实施为液体金属环泵(FMRP)的次级泵)，该预真空泵将经压缩的氢同位素体进一步压缩到1000Pa至2*105Pa的压力。在形成为液体金属环泵的次级泵的抽吸压力(p3)在此为小于1000Pa，优选在200和900Pa之间。
剩余气体重复地借助多级的阻气件(冷凝捕集器)调节至-200℃至30℃的温度并且随后以气态的形式输送至氚再处理装置(Tritium-Plan(TP))。
为了防止运行介质与实际的泵吸方向(废气的流动方向)反向地回流至燃烧室，必须在扩散泵的进气道之前或进气道中安装一个或多个阻气件(挡板)。优选具有结合的阻气件(挡板)的线性设计(线性金属扩散泵，LMDP)。
如前所述地，LMPD作为高真空泵不会相对于气氛压力进行压缩并且因此需要预真空泵(次级泵)，该预真空泵将经压缩的氢同位素体进一步压缩到1000Pa至2*105Pa的压力。在形成为液体金属环泵的次级泵的抽吸压力(p3)在此为小于1000Pa。
随后必须重新加热气体，从而防止泵后面的管道和部件冻结。为了运行阻气件(冷却捕集器、气体冷却器)而使用不同温度水平以及冷却水情况下的经压缩的气体，该气体由至少一个泵供应装置(Pump-Supply-Plant(PSP))提供。
附图说明
接下来通过以下附图借助优选的实施方式进一步描述本发明。其中：
图1示出了聚变反应堆的燃料循环以及废气处理的示意图，
图2示出了初级泵的示意图，
图3示出了次级泵的示意图，
图4示出了泵供应装置的示意图，
图5示出了金属箔泵的示意图。
具体实施方式
图1示出了聚变反应堆的燃料循环以及废气处理的示意图，其中在燃烧室(圆环)2中产生的聚变反应堆的废气通过金属箔泵(MFP)3抽除，并且经过金属箔泵3将体积流分离纯的氢同位素体以及剩余气体。然后，这两种体积流分别分开地通过初级泵6抽吸，从而保持金属箔泵3所需要的真空。初级泵6通过预真空管线连接到对应的次级泵8。抽出的气体一方面将相关的氢同位素体直接输送到燃料储存装置(Fuelling and Storage System,FS)10，另一方面将剩余气体通过氚再处理装置(氚设备，TP)9重新输送至燃料储存装置10，剩余气体在氚再处理装置中进行处理。
图2示出了实施为金属扩散泵21的初级泵的示意图，其中经金属扩散泵21抽吸的气体(废气或氢同位素体)首先被引导通过两个连续设置的阻气件18。借助两个以不同方式压缩以及不同方式冷却的气体回路14、15调节气体。在金属扩散泵中在液态金属蒸发器20中的液态金属通过压缩气体16构成的加热回路这样进行调节，即，液态金属发生蒸发并且在金属扩散泵21的内部通过喷嘴组件(未示出)分布以及最后在通过冷却水流17冷却的壁19上冷凝。气体沿预真空管线7的方向离开泵。
图3示出了对于次级泵8及其材料流的示意图，其中气体(剩余气体或氢同位素体)从预真空管线12进入金属液体环泵(MLRP)24，在此气体被压缩。在MLRP24之后，气体到达阻气件18，在此气体通过由不同回路14、15、16的冷却而阶梯式地冷却。因此，所有的液体金属蒸汽都可以冷凝。从液体金属蒸汽释放出来的气流朝氚再处理装置9的方向或者朝燃料储存系统(FS)10的方向离开泵。从次级泵8排出的运行介质22通过借助冷却水15冷却的液态金属冷却器21引回。
图4示出了泵供应装置11(Pump Supply Plant，PSP)的示意图。泵供应装置11仅对金属箔泵(MFP)3以及初级泵6和次级泵8供应运行所需要的加热介质和冷却介质，这里为压缩的气体，例如氮气、氩气或其他惰性气体。对此涉及两个冷却回路14、15和加热回路16，这些回路通过压缩气体传递热量。该气流由共同的循环鼓风机28驱动，该回路鼓风机也补偿了在系统流通过程中出现的压力损耗。
气流的加热和冷却在所谓的热盒30或所谓的冷盒31中进行，该热盒和冷盒是隔热的容器，在该容器中安装有所有必需的热交换器和阀。加热需要的热量通过聚变反应堆的冷却回路28提供。
冷却通过液氮的蒸发或者通过使用低温装置(冷却系统)26来进行。回路鼓风机或者冷却水回路的冷冻器25的排热通过冷却塔24来进行。
图5示出了金属箔泵的示意图。根据本发明的金属箔泵由金属箔58或金属箔叠层构成，其从外部通过箔加热器(加热棒或加热丝)59加热至300至800℃之间、优选400℃的温度。来自燃烧室(圆环)2的废气流过该装置，其中流入的废气通过微波等离子体生成，该微波等离子体位于与金属箔同轴定位的石英管60的范围内。通过同轴的内部管55和外部管53从外部经供应连接管54连接微波。所有的不是通过金属箔58产生的氢同位素体连同剩余气体56在装置的端部排出。氢同位素体以及剩余气体分别分开地离开泵并且输送至初级泵6。在泵内部的细网(网或织物)用于调整撞击在箔上的原子的能量。通过在壳体和细网61之间施加电压能够形成电场并且因此使离子化的氢原子加速或减速。由此能够根据废气组成以及金属箔温度来调节金属箔泵的分离速率或效率。
文献列表
/1/"Tritium System Test Assembly",Los Alamos 6855-P"，J.L.Anderson和R.H.Sherrnan,1977年6月
/2/Development of divertor pumping system with superpermeablemembrane Y Nakamuraa,N Ohyabua,H Suzukia,Y Nakaharaa,A Livshitsb,M Notkinb,VAlimovb,A Busnyukb a National Institute for Fusion Science,322-6Oroshi-cho,Toki 509-5292,Japan b Bonch-Bruyevich University,61Moika,191186St.Petersburg
/3/“Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung–Jahresbericht 2012”(KIT,ITEP,2013年3月)
/4/“The DIRECT INTERNAL RECYCLING concept to simplyfy the fuel cycleof a fusion power plant”(C.Day,T.Giegerich,Fus.Eng.Des.2012,待刊)描述./5/“Conceptuation of a continously working vacuum pump train for fusion powerplants”(T.Giegerich,C.Day,Fus.Eng.Des.2012,待刊)先前发表的./6/Hochrateabscheidung mit einem Mikrowellenplasma(S.Merli,A.Schulz,M.Walker,U.Stroth,T.)；Vol.25,Nr.2,2013年4月,ViP 33,WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,Weinheim
附图标记列表
1 聚变反应堆
2 燃烧室(圆环)
3 金属箔泵,(Metal Foil Pump,MFP)
4 废气流中的氢同位素体
5 废气流中的氢同位素体+杂质
6 初级泵(Primary pump)
7 预真空管线
8 次级泵(Secondary pump)
9 氚再处理装置(Tritium-Plant(TP))
10 燃料储存装置(Fuelling and Storage System(FS))
11 泵供应装置(Pump-Supply-Plant(PSP))
12 流入气体流(Gas flow in)
13 流出气体流(Gas flow out)
14 压缩气流1(Compressed gas circuit 1)
15 压缩气流2(Compressed gas circuit 2)
16 压缩气流3(Compressed gas circuit 3)
17 冷却水回路(Cool water circuit)
18 阻气件(气体冷却器、挡板、冷凝捕集器)
19 壁冷却(Wall cooling)
20 液态金属蒸发器(Liquid metal boiler)
21 液态金属扩散泵(Diffusionspumpe,FMDP)
22 液态金属冷却器(Liquid metal cooler)
23 液态金属流(Liquid metal flow)
24 金属液体环泵(Metall Liquid ring pump,MLRP)
25 冷却塔(Cooling tower)
26 冷冻器(Chiller)
27 液氮储存器(低温装置,冷却装置)
28 循环鼓风机(Blower for pressurized gas)
29 机器的冷却系统(Machine cooling system)
30 热盒
31 冷盒
50 废气体积流的入口
51 氢同位素体
52 密封垫
53 同轴的外部管
54 供应连接管
55 用于微波连接的同轴的内部管
56 剩余气体的出口
57 等离子体
58 金属箔
59 箔加热器
60 石英管
61 细网
62 封闭盖
63 封闭盖

Claims (16)

1.一种用于连续地再处理具有燃烧室(2)的聚变反应堆(1)的废气的方法，包括下述方法步骤：
a)通过至少一个金属箔泵(3)从所述聚变反应堆(1)的燃烧室(2)连续抽取废气体积流，
b)进入所述金属箔泵(3)中之后由所述废气体积流生成等离子体，
c)在所述金属箔泵(3)内部将所述等离子体分离成气态的氢同位素体和剩余气体，
c1)借助至少一个初级泵(6)和至少一个次级泵(8)将气态的所述氢同位素体从所述金属箔泵(3)输送至燃料储存装置(10)，其中所述氢同位素体的温度通过至少一个阻气件(18)调节，
c2)借助所述至少一个初级泵(6)和所述至少一个次级泵(8)将气态的所述剩余气体输送至氚再处理装置(9)中，其中剩余气体的温度通过至少一个阻气件(18)调节，以及
d)经由燃料储存装置(10)将气态的所述氢同位素体再循环至所述燃烧室(2)中，
其中，在所述金属箔泵(3)中通过微波由所述废气体积流生成所述等离子体，其中所述微波在所述金属箔泵(3)的外部通过至少一个导电管耦合至所述金属箔泵(3)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述金属箔泵(3)中分离之后所述剩余气体比例占总的废气体积流的5％至50％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述金属箔泵(3)中分离之后所述剩余气体比例占总的废气体积流的10％至20％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述氢同位素体在离开所述金属箔泵(3)之后以气态的方式通过下述方法步骤输送至燃料储存装置(10)：
a)通过所述至少一个阻气件(18)将所述氢同位素体的温度调节到-200℃和+30℃之间的温度范围，
b)将所述氢同位素体压缩至压力低于1000Pa，其中在所述初级泵(6)处的抽吸压力在10-8Pa和1000Pa之间波动，
c)将所述氢同位素体压缩到1000Pa至2*105Pa，其中在所述次级泵(8)处的抽吸压力为小于1000Pa，以及
d)通过所述至少一个阻气件(18)将经压缩的氢同位素体的温度重新调节至-200℃和+30℃之间的温度范围内。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述剩余气体在离开所述金属箔泵(3)之后通过下述方法步骤输送至所述氚再处理装置(9)：
a)通过所述至少一个阻气件(18)将剩余气体的温度调节到-200℃和+30℃之间的温度范围，
b)将所述剩余气体压缩至压力低于1000Pa，其中在所述初级泵(6)处的抽吸压力在10- 8Pa和1000Pa之间波动，
c)将所述剩余气体压缩到至少1000Pa至2*105Pa，其中在所述次级泵(8)处的抽吸压力为小于1000Pa，以及
d)通过所述至少一个阻气件(18)将经压缩的剩余气体的温度重新调节至-200℃和+30℃之间的温度范围内。
6.一种用于实施根据权利要求1至5中任一项所述方法的装置，所述装置包括聚变反应堆(1)的燃烧室(2)、至少一个金属箔泵(3)、至少四个阻气件(18)、至少两个初级泵(6)和至少两个次级泵(8)，其特征在于，
所述聚变反应堆(1)的所述燃烧室(2)与至少一个金属箔泵(3)以此方式连接，使得能够从所述燃烧室(2)抽吸废气流，
并且
在离开所述金属箔泵(3)之后，为了调节剩余气体的温度以及气态的氢同位素体的温度，分别在所述初级泵(6)的前方设置至少一个阻气件(18)以及在所述次级泵(8)的后面设置至少一个阻气件(18)，
以及
所述金属箔泵包括与金属箔(58)同轴定位的石英管(60)，微波通过同轴的内部管(55)和外部管(53)从外部经供应连接管(54)耦合至所述石英管(60)中。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述阻气件(18)包括至少两个冷却级。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，为所述初级泵(6)和所述次级泵(8)设置液体金属作为运行介质。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，为所述初级泵(6)和所述次级泵(8)设置水银作为运行介质。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，为了运行介质的蒸发，至少一个初级泵(6)和至少一个次级泵(8)加载有压力在1MPa和15MPa之间并且温度在80℃和430℃之间的压缩的惰性气体和/或N2和/或H2和/或这些气体的混合物。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述压力在2MPa和5MPa之间。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述温度在130℃和230℃之间。
13.根据权利要求6至7和9至12中任一项所述的装置，包括下述部件：
内部形成泵室的壳体，其中所述壳体在每端设有封闭盖，其中一个封闭盖具有用于所述废气体积流的入口(50)并且在相对端的另一封闭盖上具有用于剩余气体的出口(56)，其中所述壳体具有至少一个径向开口作为所述氢同位素体的出口，并且在所述壳体中同轴的外部管(53)围绕所述壳体的旋转轴且以此方式可拆卸地连接两个封闭盖，使得所述同轴的外部管(53)将所述泵室划分成两个密封分离的体积，以及为了微波耦合而设置同轴的内部管(55)，其布置在所述壳体中，沿纵向穿过出口侧的封闭盖延伸至入口侧的封闭盖，其中所述同轴的外部管(53)完全包围所述同轴的内部管(55)，并且在所述金属箔(58)和所述同轴的外部管(53)之间的导电网格至少部分包围所述同轴的外部管(53)，
其特征在于，
在所述网格和所述壳体之间施加电压，所述电压在25伏特和500伏特之间。
14.根据权利要求8所述的装置，包括下述部件：
内部形成泵室的壳体，其中所述壳体在每端设有封闭盖，其中一个封闭盖具有用于所述废气体积流的入口(50)并且在相对端的另一封闭盖上具有用于剩余气体的出口(56)，其中所述壳体具有至少一个径向开口作为所述氢同位素体的出口，并且在所述壳体中同轴的外部管(53)围绕所述壳体的旋转轴且以此方式可拆卸地连接两个封闭盖，使得所述同轴的外部管(53)将所述泵室划分成两个密封分离的体积，以及为了微波耦合而设置同轴的内部管(55)，其布置在所述壳体中，沿纵向穿过出口侧的封闭盖延伸至入口侧的封闭盖，其中所述同轴的外部管(53)完全包围所述同轴的内部管(55)，并且在所述金属箔(58)和所述同轴的外部管(53)之间的导电网格至少部分包围所述同轴的外部管(53)，
其特征在于，
在所述网格和所述壳体之间施加电压，所述电压在25伏特和500伏特之间。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，在所述网格和所述壳体之间施加的所述电压在50伏特和250伏特之间。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，在所述网格和所述壳体之间施加的所述电压在50伏特和250伏特之间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107993733B (zh) * 2017-12-07 2020-11-03 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 一种聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法
CN111081388B (zh) * 2018-10-19 2022-11-18 核工业西南物理研究院 一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统
CN112927832B (zh) * 2019-12-05 2024-05-14 中核四0四有限公司 一种避免厂房排风与工艺排气串通的装置及方法
CN112999869A (zh) * 2021-03-04 2021-06-22 中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院 一种从聚变堆液态金属锂铅合金中连续提取氚的装置及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3606317A1 (de) 1986-02-27 1987-09-03 Kernforschungsz Karlsruhe Verfahren und vorrichtung zur dekontamination des abgases des brennstoffkreislaufs eines fusionsreaktors von tritium und/oder deuterium in chemisch gebundener form enthaltenden abgas-bestandteilen
LU86902A1 (fr) 1987-05-27 1988-06-13 Euratom Procede et dispositif de purification d'un gaz contenant des isotopes d'hydrogene
US5154878A (en) * 1990-04-30 1992-10-13 Anthony Busigin Process and apparatus for tritium recovery
JP2856892B2 (ja) * 1990-11-08 1999-02-10 株式会社東芝 核融合炉の真空排気系及びそのクライオポンプ
KR101146056B1 (ko) * 2009-12-24 2012-05-14 한국항공우주연구원 배기가스 포집용 냉각 프루브
KR101135612B1 (ko) * 2010-11-19 2012-04-17 한국기초과학지원연구원 플라즈마 대면장치 밀폐식 질소가스 가열 및 냉각장치

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Early experiments of JAERI fuel cleanup system at the tritium systems test assembly;S.Konishi 等;《Fusion Engineering and Design》;19911201;第33至37页 *
Separation of the D/T Mixture From Helium In Fusion Reactors Using Superpermeable Membranes- Superpermeable membranes resistant to sputtering-Proposal for superpermeable membrane practical application in fusion;Ph.MAGAUD, F.Le VAGUERES;《Fusion Technology--Aunual Report of the Association EURATOM/CEA 2002》;20060220;论文第3栏最后一段、附图3 *
The Direct Internal Recycling concept to simplify the fuel cycle of a fusion power plant;Christian Day，Thomas Giegerich;《Fusion Engineering and Design》;20130614;论文章节2、附图1 *
氚老化对钯钇合金膜氢渗透性能的影响;陆光达 等;《原子能科学技术》;20100920;第44卷;第106至110页 *
钯合金膜分离器级串氢同位素分离;宋江锋 等;《中国工程物理研究院科技年报2005版》;20051201;第268至269页 *

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