CN107841714B - 一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，包括有蒸发器、挡板及控制系统以及波纹管传送系统，挡板及控制系统包括有可旋转的挡板，挡板设置在蒸发器的蒸发出口，挡板的旋转轴穿过蒸发器延伸至外端部，且旋转轴的另一端安装有直线导入器，直线导入器的下端通过管道连接至氮气瓶，波纹管传送系统包括有支撑管，支撑管套装于蒸发器后端的旋转轴上，支撑管的前端与蒸发器连通，支撑管的后端部外套装有波纹管，波纹管前端的支撑管上安装有插板阀、装锂室。本发明通过对等离子体放电中第一壁表面实时锂涂覆，可以快速、经济、有效的实现对等离子体性能的改善，有助于磁约束聚变装置长脉冲、高功率等离子体放电的顺利开展。

Description

一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统

技术领域：

本发明涉及磁约束聚变装置真空室内部第一壁材料改性领域，主要涉及一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，在等离子体放电中实时地进行锂化镀膜壁处理，对壁材料表面实时改性，进而改善等离子体品质。。

背景技术：

未来反应堆装置主要面临长脉冲稳态运行、热负载处理、高能量约束、粒子控制和高密度放电、低的有效电荷数等问题。锂是目前发现控制粒子再循环的最有效手段，不仅能有效的控制等离子体密度，还可以降低来自器壁的杂质，这对于任何进行稳态运行的核聚变装置都具有重大意义，可以解决大部分未来聚变堆所面临的难题。

锂材料具有非常优异的核性能，是一种非常重要的聚变材料。锂材料捕捉低速中子能力很强，可以用来控制铀反应堆中核反应发生的速度，同时还可以在防辐射和延长核导弹的使用寿命方面及将来在核动力飞机和宇宙飞船中得到应用。锂材料在原子核反应堆中用中子照射后可以得到氚，而氚可用来实现热核反应。锂在核聚变装置中还可用作冷却剂。同时，锂的低原子序数、高比热、对杂质和粒子再循环的强抑制能力、使其成为一个重要的、潜在的面对等离子体材料。锂非常活泼，易与氧、氮、碳、氧化物及硅酸盐等物质结合的能力，故可以有效吸收真空室中的O₂、N₂、CO、H₂O和CO₂等杂质，可以大大降低托卡马克装置中杂质含量。锂对H、D、T具有非常优异的抽气能力，每个锂原子可以吸附10％的H、D、T原子。在500℃左右与氢发生反应，并且是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属，不会在等离子体放电中产生很高的粒子再循环。锂的熔点低，为180.54℃，可以采取直接加热的方式产生液态锂。锂的电离能较低，为5.392eV，锂一旦进入等离子体将很快被电离，在较冷的等离子体边界区域发生韧致辐射，在等离子体边界产生的辐射将冷却等离子体的边界区域，这样可以减少沿着磁力线流向限制器和偏滤器的对流功率流，并且将其分布在更大的表面上，从而减少局部的热量积累、减轻了溅射效应，尽可能地降低了真空室的杂质含量及第一壁的腐蚀(锂的辐射屏蔽效应)。

鉴于锂良好的聚变应用前景，目前很多装置采用锂化壁处理改善等离子体行为。锂化壁处理就是在装置的第一壁上通过一系列的方式涂覆一层金属锂膜，以实现对第一壁材料的改性，从而可以有效的吸附真空室内的杂质气体及捕获来自等离子体轰击的粒子，而且还能够阻止来自器壁材料中粒子的释放，满足聚变等离子体对第一壁低杂质污染、低再循环的苛刻要求，改善等离子体品质。但是，多数实验表明锂化壁处理后高性能的等离子体放电维持时间较短。在EAST托卡马克聚变装置中，通过10g左右放电前的锂化镀膜，具有较好密度控制的等离子体放电约30炮，放电时长约300s左右。再次重复一次锂化壁处理需要退磁、ICRF放电辅助等费时费力。对未来百秒量级、加热功率大约10MW的等离子体放电，显然放电前锂化壁处理不能满足实验的需求，需要研制一套能够在放电中实时锂化壁处理的系统。同时由于锂化镀膜涂覆到诊断光学元件诊断设备上将导致诊断设备失效，需要在新的设计中考虑减少锂化镀膜对聚变装置内其他诊断设备的涂覆(诊断设备大多分布在低场侧)。另外，市场上常用的带挡板的实时蒸发器不能满足聚变装置实验的需要，因为蒸发器要被送入到真空室内大约2m长，意味着波纹管的传送系统要3-4m(大约50％压缩率)，市场上常规的挡板及控制器有效运行长度远低于实验的需求。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，以解决现有技术聚变装置中长脉冲、高功率等离子体放电中杂质污染及高再循环的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：包括有蒸发器、挡板及控制系统以及波纹管传送系统，所述挡板及控制系统包括有可旋转的挡板，所述挡板设置在蒸发器的蒸发出口，所述挡板的旋转轴穿过蒸发器延伸至外端部，且旋转轴的另一端安装有直线导入器，所述直线导入器的下端通过管道连接至氮气瓶，且管道中设有电磁阀，所述波纹管传送系统包括有支撑管，所述支撑管套装于蒸发器后端的旋转轴上，所述支撑管的前端与蒸发器连通，所述支撑管的后端部外套装有波纹管，所述波纹管前端的支撑管上安装有插板阀、装锂室。

所述的蒸发器为锂的储存、加热及蒸发的器具，具体包括有316L不锈钢腔体、加热丝及热电偶，所述腔体为圆桶形结构，所述蒸发出口为一偏离圆桶中心的圆孔，开口朝向等离子体方向；所述腔体的圆周位置和端面位置分布有加热丝及热电偶用于蒸发器加热及温度控制。

所述的加热丝采用2kW、220V的铠装加热丝，所述的热电偶为K型热电偶。

所述的挡板焊接到实心的旋转轴上，可绕旋转轴旋转，所述支撑管内分布有用于支撑旋转轴的限位块，所述直线导入器采用气缸驱动结构，与电磁阀及氮气瓶相连，通过电磁阀控制气体的开关，带动直线导入器的旋转，进而控制旋转轴及前端的挡板。

所述的旋转轴布置于传送系统的支撑管内，每隔一米布置一个限位块，所述限位块采用铜材料加工，孔内径略大于旋转轴外径2mm。

所述的波纹管传送系统通过插板阀与聚变装置相连，通过波纹管实现拉伸与压缩，所述波纹管的两端分别通过法兰与支撑管安装连接；所述装锂室布置于插板阀的外侧，用于锂锭的装载；且传送系统尾端安装有真空馈线器，所述真空馈线器满足蒸发器的加热丝、热电偶引入及真空密封的需要。

所述的装锂室为一个不锈钢桶，其侧壁布置有快卸口和抽气口。

其处理方法为实时的等离子体辅助的气象沉积镀膜壁处理，其中等离子体为高温D-D聚变反应等离子体，在等离子体辅助下，从蒸发器蒸发的锂蒸汽将在真空室内第一壁表面均匀涂覆，以实现对壁材料(钨、钼及石墨)表面的实时改性。

本发明的优点是：

本发明在聚变装置内，将蒸发器送入到等离子体的刮削层中，通过灵活控制的挡板及控制系统，在等离子体放电过程中实时蒸发金属锂，通过高温聚变等离子体辅助的气象沉积，在真空室内第一壁表面涂覆一层锂涂层，以实现对壁材料表面的实时改性。可以快速、经济、有效的实现对第一壁材料的改性，进而满足长脉冲、高功率聚变等离子体放电对第一壁低杂质污染、低再循环的苛刻要求，实现对等离子体性能的改善。

附图说明：

图1为实时锂化壁处理系统示意图。

图2为挡板关闭状态蒸发器的主视图。

图3为挡板关闭状态蒸发器的剖面图。

图4为挡板开启状态蒸发器的主视图。

图5为挡板开启状态蒸发器的剖面图。

具体实施方式：

参见附图。

一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，包括有蒸发器1、挡板及控制系统以及波纹管传送系统，所述挡板及控制系统包括有可旋转的挡板2，所述挡板2设置在蒸发器的蒸发出口3，所述挡板2的旋转轴穿过蒸发器1延伸至外端部，且旋转轴4的另一端安装有直线导入器5，所述直线导入器5的下端通过管道连接至氮气瓶6，且管道中设有电磁阀7，所述波纹管传送系统包括有支撑管8，所述支撑管8套装于蒸发器后端的旋转轴4上，所述支撑管8的前端与蒸发器1连通，所述支撑管8的后端部外套装有波纹管9，所述波纹管9前端的支撑管上安装有插板阀10、装锂室11。

利用蒸发器1进行锂的储存、加热及实时的蒸发，通过挡板及控制系统旋转挡板2实现等离子体放电中锂蒸发镀膜的开启与关闭，通过波纹管传送系统进行蒸发器的传送及位置的精确控制。在聚变装置内，将蒸发器送入到等离子体的刮削层中，在等离子体放电过程实时蒸发金属锂，通过等离子体辅助的气象沉积作用，在真空室内第一壁表面涂覆一层锂涂层，以实现对壁材料表面的实时改性。

作为关键部件的蒸发器1为锂的储存、加热及蒸发的器具，具体构成包括316L不锈钢腔体、加热丝及热电偶。其中腔体为圆桶形结构，外径为60mm，内径为48mm，蒸发口为一偏离圆桶中心的圆孔，直径为28mm，孔开口朝向等离子体方向，如图1所示，锂的主要运动方向将朝向等离子体，进而避免了锂镀膜对低场侧诊断的镀膜损伤；如图1-3所示，蒸发口在蒸发器的上半空间，液态锂的高度低于蒸发口下边缘的高度，避免锂液化后流出蒸发器；加热丝采用2kW，220V的铠装加热丝，紧密地缠绕于蒸发器两层不锈钢板的中间；热电偶为K型热电偶，加热丝及热电偶通过传送系统尾部的真空馈线器连接到外部的直流电源及热电偶采集仪。

作为关键部件的挡板及控制系统，具体包括挡板2，旋转轴4、限位块12、直线导入器5、电磁阀7及氮气钢瓶6等。挡板2为不锈钢316L结构，厚度为3mm，能够完全覆盖蒸发口；挡板焊接到直径为10mm的实心旋转轴上，旋转轴长4m，与尾部的直线导入器相连；旋转轴布置于传送系统的支撑管内，每隔一米布置一个限位块，其中限位块采用铜材料加工，孔内径略大于旋转轴外径2mm，保证旋转轴的线性度；旋转轴尾端连接到直线导入器上，直线导入器采用气缸驱动结构，与电磁阀及氮气瓶相连，通过电磁阀控制气体的开关(压力～0.5MPa)，带动直线导入器的旋转，进而带动挡板旋转，旋转角度30度。

作为关键部件的波纹管传送系统，具体包括支撑管、插板阀、装锂室、波纹管、真空馈线器。支撑管采用28mm，厚2mm的304不锈钢管道，以保证长距离深入真空室内后管道的刚性及水平度，降低蒸发器的倾斜角度；插板阀为CF100的标准插板阀；装锂室为内径100的不锈钢桶，侧壁布置50mm直径的快卸口及KF40的抽气口，在氩气的保护下能够快速地装载蒸发器中的锂锭；波纹管为焊接压缩波纹管，两端采用标准的CF35的法兰连接；尾端的真空馈线器满足蒸发器加热丝及热电偶布置的需要。整套系统严格按照真空设计的要求，保证整个系统的真空密封性，漏率小于10^-9Pa/m³s。

作为关键部件的壁处理方法为实时的等离子体辅助的气象沉积锂镀膜壁处理。将锂蒸发器送入到等离子体的刮削层中，其中蒸发器开口距离等离子体最外闭合磁面1cm以内。在等离子体放电中，将蒸发器加热到600℃以上，通过灵活控制的挡板及控制系统，实现锂蒸汽的流出与关闭，通过高温聚变D-D等离子体辅助的气象沉积作用，在真空室内第一壁表面涂覆一层锂涂层，以实现对壁材料表面的实时改性，满足聚变装置长脉冲、高功率放电对高等离子体品质的需求。

具体工作流程如下，实验前将整个系统安装在聚变装置的水平窗口，CF100的插板阀处于关闭状态。完成抽气检漏工作，在真空度达到10^-5Pa、漏率小于10^-9Pa/m³s时，向传送系统内充氩气到略大于一个大气压，通过装锂室进行锂的装载。在重新完成抽气、检漏后，将蒸发器通过传送系统推入到聚变装置真空室内，通过精确的位置计算，将蒸发器开口控制在距离等离子体最外闭合磁面1cm的位置，同时蒸发口处于挡板关闭状态，如图2所示。准备完毕后，通过蒸发器的加热丝及热电偶加热并控制蒸发器的温度维持在650℃。根据放电需要，使用尾端的直线导入器及控制系统旋转挡板，打开蒸发器的蒸发口，如图3所示，锂蒸汽将从蒸发口流出，进入到等离子体边界，在聚变D-D等离子体辅助下，蒸发的锂蒸汽将均匀地沉积在真空室内第一壁表面，以实现对壁材料表面的实时改性，满足聚变装置长脉冲、高功率放电对高等离子体品质的需求。

Claims (7)

1.一种用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：包括有蒸发器、挡板及控制系统以及波纹管传送系统，所述挡板及控制系统包括有可旋转的挡板，所述挡板设置在蒸发器的蒸发出口，所述挡板的旋转轴穿过蒸发器延伸至外端部，且旋转轴的另一端安装有直线导入器，所述直线导入器的下端通过管道连接至氮气瓶，且管道中设有电磁阀，所述波纹管传送系统包括有支撑管，所述支撑管套装于蒸发器后端的旋转轴上，所述支撑管的前端与蒸发器连通，所述支撑管的后端部外套装有波纹管，所述波纹管前端的支撑管上安装有插板阀、装锂室；在聚变装置内，将蒸发器送入到等离子体的刮削层中，在等离子体放电过程实时蒸发金属锂，通过等离子体辅助的气相 沉积作用，在真空室内第一壁表面涂覆一层锂涂层，以实现对壁材料表面的实时改性。

2.根据权利要求1所述的用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：所述的蒸发器为锂的储存、加热及蒸发的器具，具体包括有316L不锈钢腔体、加热丝及热电偶，所述腔体为圆桶形结构，所述蒸发出口为一偏离圆桶中心的圆孔，开口朝向等离子体方向；所述腔体的圆周位置和端面位置分布有加热丝及热电偶用于蒸发器加热及温度控制。

3.根据权利要求2所述的用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：所述的加热丝采用2kW、220V的铠装加热丝，所述的热电偶为K型热电偶。

4.根据权利要求1所述的用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：所述的挡板焊接到实心的旋转轴上，可绕旋转轴旋转，所述支撑管内分布有用于支撑旋转轴的限位块，所述直线导入器采用气缸驱动结构，与电磁阀及氮气瓶相连，通过电磁阀控制气体的开关，带动直线导入器的旋转，进而控制旋转轴及前端的挡板。

5.根据权利要求4所述的用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：所述的旋转轴布置于传送系统的支撑管内，每隔一米布置一个限位块，所述限位块采用铜材料加工，孔内径略大于旋转轴外径2mm。

6.根据权利要求1所述的用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：所述的波纹管传送系统通过插板阀与聚变装置相连，通过波纹管实现拉伸与压缩，所述波纹管的两端分别通过法兰与支撑管安装连接；所述装锂室布置于插板阀的外侧，用于锂锭的装载；且传送系统尾端安装有真空馈线器，所述真空馈线器满足蒸发器的加热丝、热电偶引入及真空密封的需要。

7.根据权利要求6所述的用于改善等离子体壁条件的实时锂化壁处理系统，其特征在于：所述的装锂室为一个不锈钢桶，其侧壁布置有快卸口和抽气口。