CN110797127B - 一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统 - Google Patents

一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，包括用于配制特定比例含杂氢同位素混合气的配气系统，与所述配气系统通过管道连接以在D/T等离子体运行期间及时回收等离子体排灰气中的氘氚气体的离子体排灰气处理系统TEP，与所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道连接的同位素分离系统ISS，与所述同位素分离系统ISS通过管道连接用于提供氘氚比满足D/T聚变反应要求的D‑T气体的贮存与供给系统SDS，与所述贮存与供给系统SDS通过管道连接的燃料气罐，以及通过管道与所述燃料气罐连接的尾气罐。主要用于模拟演示聚变堆运行过程中，氘氚燃料从聚变反应真空室中进行回收、净化、分离以及配制特定比例氘氚气等处理后，再次供给至真空室的循环过程。

Description

一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统
技术领域
本发明涉及一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统。
背景技术
聚变能由于燃料来源广泛、释放能力巨大、放射性远低于核裂变，因此被认为是未来人类最重要的能源方式。聚变能的产生主要依靠氢的同位素氘(D)和氚(T)发生聚变(D+T→n(14.06MeV)+4He(3.52MeV))。由于每次注入反应堆真空室(氘氚聚变反应的发生地方)的氘氚燃料，燃耗不足5％，需回收循环利用。同时，由于D、T逐渐消耗，4He和H2等杂质会逐渐增多，导致等离子体逐渐降温。为了维持反应堆的运行，须不断从真空室取出“燃烧”过的气体，或称为排灰，经过等离子体排出气循环处理后，再通过燃料加注系统注入回真空室。
因此，需要设计一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，主要用于模拟演示聚变堆运行过程中，氘氚燃料从聚变反应真空室中进行回收、净化、分离以及配制特定比例氘氚气等处理后，再次供给至真空室的循环过程。进而通过模拟实验考核，掌握相关工程技术，获得氚处理速率、回收效率实验数据以及工程可行性、可靠性与合理性实验证据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，主要用于模拟演示聚变堆运行过程中，氘氚燃料从聚变反应真空室中进行回收、净化、分离以及配制特定比例氘氚气等处理后，再次供给至真空室的循环过程。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，包括用于配制出与反应堆真空室内气体组分相一致的氢同位素混合气的配气系统，与所述配气系统通过管道连接以在D/T等离子体运行期间及时回收等离子体排灰气中的氘氚气体的离子体排灰气处理系统TEP，与所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道连接的同位素分离系统ISS，与所述同位素分离系统ISS通过管道连接用于提供氘氚比满足D/T聚变反应要求的D-T气体的贮存与供给系统SDS，与所述贮存与供给系统SDS通过管道连接的燃料气罐，以及通过管道与所述燃料气罐连接的尾气罐。
进一步地，所述离子体排灰气处理系统TEP与所述同位素分离系统ISS相连接的管道上顺着气流方向上顺序设有缓存罐V105和循环泵C103。
进一步地，所述配气系统通过管道连接有第二原料气罐，所述第二原料气罐通过管道分别与所述缓存罐V105和所述贮存与供给系统SDS相连接，所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道与所述贮存与供给系统SDS相连接。
进一步地，所述离子体排灰气处理系统TEP包括顺序管道连接通过Pd/Ag合金渗透膜将氢同位素气体与其他杂质气体分离的前端处理器FEP、通过对含氚杂质的催化裂解-氢渗透处理以对含氚杂质中氢同位素回收的杂质处理器IPS、以及通过对含氚杂质的催化交换-渗透处理以对含氚杂质中氢同位素回收的末端清洁器FC，所述缓存罐V105通过管道分别与所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS和所述末端清洁器FC连接，所述前端处理器FEP通过管道与所述配气系统连接，所述贮存与供给系统SDS通过管道分别与所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS和所述末端清洁器FC连接，所述末端清洁器FC通过管道连接有尾气除氚系统VDS。
进一步地，所述同位素分离系统ISS包括顺序管道连接的氢气纯化器、用于对氢同位素混合气中重组分D2进行富集的第一精馏柱、以及用于除去氢同位素混合气中轻组分H2的第二精馏柱，所述氢气纯化器通过管道与所述循环泵C103连接，所述第一精馏柱的顶部和底部、以及所述第二精馏柱的顶部和底部通过管道分别与所述贮存与供给系统SDS连接。
进一步地，所述贮存与供给系统SDS包括顺着气流方向管道连接的储气罐和贮氚床，所述贮氚床与所述燃料气罐管道连接，所述储气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、所述第二精馏柱的顶部和底部、所述缓存罐V105、所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS、所述末端清洁器FC、以及所述燃料气罐相连接。
进一步地，所述储气罐包括H2储气罐、D2储气罐、以及H2/D2储气罐，所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/D2储气罐分别至少连接有一个贮氚床，所述H2储气罐及与其连接的贮氚床、所述D2储气罐及与其连接的贮氚床、所述H2/D2储气罐及与其连接的贮氚床管道并联分布，三条支路上的贮氚床分别通过管道与所述燃料气罐连接，所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/D2储气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、所述第二精馏柱的顶部和底部、所述缓存罐V105、所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS、所述末端清洁器FC、以及所述燃料气罐相连接。
进一步地，所述燃料气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、以及所述第二精馏柱的顶部和底部连接。
进一步地，所述配气系统和所述前端处理器FEP连接的管道上设有循环泵C101、以及用于缓存所述配气系统所配制的氢同位素混合气的第一原料气罐，所述第一原料气罐和所述循环泵C101顺着气流方向分布，所述尾气罐通过管道分别与所述第一原料气罐和所述第二原料气罐连接，所述尾气罐与所述所述第一原料气罐和所述第二原料气罐连接的管道上设有循环泵C106。
进一步地，还包括泄压罐，所述泄压罐通过管道分别与所述缓存罐V105、所述第一精馏柱的顶部、所述第二精馏柱的顶部、所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/D2储气罐连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，其主要用于模拟演示聚变堆运行过程中，氘氚燃料从聚变反应真空室中进行回收、净化、分离以及配制特定比例氘氚气等处理后，再次供给至真空室的循环过程，处理规模可以达到每小时数立方米氘氚气，漏率低于10-8Pa·m3/s，真空度优于5Pa。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，包括用于配制出与反应堆真空室内气体组分相一致的氢同位素混合气的配气系统，与所述配气系统通过管道连接以在D/T等离子体运行期间及时回收等离子体排灰气中的氘氚气体的离子体排灰气处理系统TEP，与所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道连接的同位素分离系统ISS，与所述同位素分离系统ISS通过管道连接用于提供氘氚比满足D/T聚变反应要求的D-T气体的贮存与供给系统SDS，与所述贮存与供给系统SDS通过管道连接的燃料气罐，通过管道与所述燃料气罐连接的尾气罐，以及泄压罐；所述离子体排灰气处理系统TEP与所述同位素分离系统ISS相连接的管道上顺着气流方向上顺序设有缓存罐V105和循环泵C103。所述配气系统通过管道连接有第二原料气罐，所述第二原料气罐通过管道分别与所述缓存罐V105和所述贮存与供给系统SDS相连接，所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道与所述贮存与供给系统SDS相连接，所述配气系统和所述前端处理器FEP连接的管道上设有循环泵C101、以及用于缓存所述配气系统所配制的氢同位素混合气的第一原料气罐，所述第一原料气罐和所述循环泵C101顺着气流方向分布，所述尾气罐通过管道分别与所述第一原料气罐和所述第二原料气罐连接，所述尾气罐与所述所述第一原料气罐和所述第二原料气罐连接的管道上设有循环泵C106。
本发明所述离子体排灰气处理系统TEP包括顺序管道连接通过Pd/Ag合金渗透膜将氢同位素气体与其他杂质气体分离的前端处理器FEP、通过对含氚杂质的催化裂解-氢渗透处理以对含氚杂质中氢同位素回收的杂质处理器IPS、以及通过对含氚杂质的催化交换-渗透处理以对含氚杂质中氢同位素回收的末端清洁器FC，所述缓存罐V105通过管道分别与所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS和所述末端清洁器FC连接，所述前端处理器FEP通过管道与所述配气系统连接，所述贮存与供给系统SDS通过管道分别与所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS和所述末端清洁器FC连接，所述末端清洁器FC通过管道连接有尾气除氚系统VDS。
本发明所述同位素分离系统ISS包括顺序管道连接的氢气纯化器、用于对氢同位素混合气中重组分D2进行富集的第一精馏柱、以及用于除去氢同位素混合气中轻组分H2的第二精馏柱，所述氢气纯化器通过管道与所述循环泵C103连接，所述第一精馏柱的顶部和底部、以及所述第二精馏柱的顶部和底部通过管道分别与所述贮存与供给系统SDS连接。
本发明所述贮存与供给系统SDS包括顺着气流方向管道连接的储气罐和贮氚床，所述贮氚床与所述燃料气罐管道连接，所述储气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、所述第二精馏柱的顶部和底部、所述缓存罐V105、所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS、所述末端清洁器FC、以及所述燃料气罐相连接。所述储气罐包括H2储气罐、D2储气罐、以及H2/D2储气罐，所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/D2储气罐分别至少连接有一个贮氚床，所述H2储气罐及与其连接的贮氚床、所述D2储气罐及与其连接的贮氚床、所述H2/D2储气罐及与其连接的贮氚床管道并联分布，三条支路上的贮氚床分别通过管道与所述燃料气罐连接，所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/D2储气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、所述第二精馏柱的顶部和底部、所述缓存罐V105、所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS、所述末端清洁器FC、以及所述燃料气罐相连接。
本发明所述燃料气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、以及所述第二精馏柱的顶部和底部连接。所述泄压罐通过管道分别与所述缓存罐V105、所述第一精馏柱的顶部、所述第二精馏柱的顶部、所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/D2储气罐连接。
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，其主要用于模拟演示聚变堆运行过程中，氘氚燃料从聚变反应真空室中进行回收、净化、分离以及配制特定比例氘氚气等处理后，再次供给至真空室的循环过程，处理规模可以达到每小时数立方米氘氚气，漏率低于10-8Pa·m3/s，真空度优于5Pa。
本发明磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统主要由等离子体排灰气处理系统(TEP)、同位素分离系统(ISS)、以及贮存与供给系统(SDS)等构成。
其中，离子体排灰气处理系统TEP：在D/T等离子体运行期间及时回收等离子体排灰气中的氘氚气体，主要通过净化去除氘氚燃料气中的杂质。主要针对含有～5％的He、N2、CO等杂质的氘氚燃料气，经过净化处理，除去杂质，回收氘氚气体。回收速度达到≥2m3/h，氘氚的回收效率＞99％，尾气中除氚因子达到108。等离子体排灰气处理系统TEP主要由前端处理器(FEP)、杂质处理器(IPS)、末端清洁器(FC)组成。前端处理器FEP，通过Pd/Ag合金渗透膜将氢同位素气体与其他杂质气体分离，从而实现大部分氢同位素的回收。杂质处理器IPS，通过对含氚杂质的催化裂解-氢渗透，实现含氚杂质中氢同位素的回收。末端清洁器FC，通过对含氚杂质的催化交换-渗透处理，进一步回收氢同位素气体。
其中，同位素分离系统ISS：将进入ISS的氢同位素原气，经过分离和除氕后，获得满足成分比例的氘氚产品气。氢同位素分离速度≥5m3/h，除氕率≥80％，氘氚回收效率≥95％。主要通过低温精馏的方法，利用氢同位素组分(H2，HD，D2，HT，DT，T2)的沸点差异，实现不同氢同位素的分离。同位素分离系统ISS主要由氢气供给纯化回收系统和精馏柱系统组成。氢气供给纯化回收系统，为精馏柱系统供给纯净的氢气，实现氢同位素气体的柱间转移与平衡转化，以及完成精馏产品气的回收，主要部件为氢气纯化器。精馏柱系统是氢同位素低温精馏实验系统中进行氢同位素富集与分离的主要场所，主要由两根级联的精馏柱组成，第一精馏柱主要用于实现重组分D2的富集，而第二精馏柱则主要用于除去轻组分H2。
其中，贮存与供给系统SDS：接受外来氘氚源、TEP和ISS的产品气体流，向聚变堆真空室(本磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统由尾气罐代替)提供氘氚比满足要求的D-T气体，并实现运行过程中氘氚的安全贮存。贮存与供给系统SDS主要由贮氚床、储气罐、泵等组件构成。氢同位素气体的供给速度≥5m3/h，氢同位素气体的总贮存量达20m3。氘氚燃料的贮存与供给主要由贮氚床实现，贮氚床带有量热功能。
本发明磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统还增设有氚分析系统(ANS)，氚分析系统ANS对各子系统关键工艺环节、关键部件中的氢同位素分布进行检测与分析，以验证子系统部件的功能及运行效率。监控各子系统中关键设备的运行状况，将采集数据贮存、上传至中央控制系统。图1中标出了演示系统需要由氚分析系统ANS进行气体组分及含量分析与检测的分析点位。
本发明中2个泄压罐主要用于当ISS和SDS中的氢同位素气体超压时的安全泄压、以及暂存超压的氢同位素气体。
本发明磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统的工艺流程为：由配气系统配制出含有～5％的He、N2、CO等杂质的氢同位素混合气(H2+D2)，该氢同位素混合气(H2+D2)与反应堆真空室内气体组分相一致，然后将气体输送到第一原料气罐V101、V102，即原料气。第一原料气罐V101、V102中的原料气由循环泵C101以2m3/h的流速泵输到离子体排灰气处理系统TEP，原料气先由前端处理器FEP进行初步除杂，得到的氢同位素产品气从上部流走，下部的尾气由于含有大量的杂质与少量的氢同位素，再流入杂质处理器IPS进行二级处理。在杂质处理器IPS中，将含有氢同位素的杂质气体进行裂解和钯膜渗透，回收出的氢同位素气体由上部流出，下部的尾气由于还有少量的氢同位素再流入末端清洁器FC进行三级处理。在末端清洁器FC中，经过催化交换和膜渗透的方法，回收得到的氢同位素气体由上部流出，下部流出含有非常少氢同位素的气体流往尾气除氚系统VDS进行处理。由离子体排灰气处理系统TEP(前端处理器FEP、杂质处理器IPS和末端清洁器FC)上部流出的氢同位素气体(H2+D2+HD)都流入缓冲罐V105，流速为2m3/h。与此同时，第二原料气罐V103、V104通过循环泵C102以3m3/h的流速为V105输送H2+D2。缓冲罐V105中的氢同位素混合气体由循环泵C103以5m3/h的流速泵输至同位素分离系统ISS。氢同位素混合气在进入同位素分离系统ISS的精馏柱前，先由氢纯化器除去其中的杂质。同位素分离系统ISS的氢同位素分离通过两级精馏柱实现，精馏柱底端流出重组分D2，精馏柱的顶端流出氢组分H2。精馏柱顶端的H2主要流入贮存与供给系统SDS的H2或H2+D2暂存罐中，精馏柱底端的D2经循环泵C104主要转移至贮存与供给系统SDS的D2暂存罐中。贮存与供给系统SDS的H2、H2+D2、D2暂存罐中相应的H2、H2+D2、D2气体分别由相应支路的贮氢床贮存，当需要供给时贮氢床通过加热将氢同位素气体释放出来，并通过流量计控制流量的方法，配制出H:D比满足要求的H-D混合气暂存在燃料气罐中，再经过循环泵C105以5m3/h的流速泵输至尾气罐V107、V108、V109、V110中，尾气罐充当聚变堆真空室。当需要循环流动气体时，尾气罐V107、V108、V109、V110中的H-D混合气经过循环泵C106转移至原料气罐V101、V102、V103、V104中，再按上述过程进行下一次循环处理。
上述即为TEP-ISS-SDS的全工艺流程，有时候根据工艺运行需要，也可只使用TEP-ISS或TEP-SDS的工艺过程，具体参照图示。
本发明主要用于模拟演示聚变堆运行过程中，氘氚燃料从聚变反应真空室中进行回收、净化、分离以及配制特定比例氘氚气等处理后，再次供给至真空室的循环过程，为同位素氘(D)和氚(T)发生聚变反应时氘氚气回收、净化、分离、以及配制提供有力的科学依据，适于在本技术领域大力推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，包括用于配制出与反应堆真空室内气体组分相一致的氢同位素混合气的配气系统，与所述配气系统通过管道连接以在D/T等离子体运行期间及时回收等离子体排灰气中的氘氚气体的离子体排灰气处理系统TEP，与所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道连接的同位素分离系统ISS，与所述同位素分离系统ISS通过管道连接用于提供氘氚比满足D/T聚变反应要求的D-T气体的贮存与供给系统SDS，与所述贮存与供给系统SDS通过管道连接的燃料气罐，以及通过管道与所述燃料气罐连接的尾气罐；
所述离子体排灰气处理系统TEP与所述同位素分离系统ISS相连接的管道上顺着气流方向上顺序设有缓存罐V105和循环泵C103；
所述配气系统通过管道连接有第二原料气罐，所述第二原料气罐通过管道分别与所述缓存罐V105和所述贮存与供给系统SDS相连接，所述离子体排灰气处理系统TEP通过管道与所述贮存与供给系统SDS相连接；
所述配气系统和所述离子体排灰气处理系统TEP连接的管道上设有循环泵C101、以及用于缓存所述配气系统所配制的含杂氢同位素混合气的第一原料气罐，所述第一原料气罐和所述循环泵C101顺着气流方向分布，所述尾气罐通过管道分别与所述第一原料气罐和所述第二原料气罐连接，所述尾气罐与所述第一原料气罐和所述第二原料气罐连接的管道上设有循环泵C106。
2.根据权利要求1所述的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，所述离子体排灰气处理系统TEP包括顺序管道连接通过Pd/Ag合金渗透膜将氢同位素气体与其他杂质气体分离的前端处理器FEP、通过对含氚杂质的催化裂解-氢渗透处理以对含氚杂质中氢同位素回收的杂质处理器IPS、以及通过对含氚杂质的催化交换-渗透处理以对含氚杂质中氢同位素回收的末端清洁器FC，所述缓存罐V105通过管道分别与所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS和所述末端清洁器FC连接，所述前端处理器FEP通过管道与所述配气系统连接，所述贮存与供给系统SDS通过管道分别与所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS和所述末端清洁器FC连接，所述末端清洁器FC通过管道连接有尾气除氚系统VDS。
3.根据权利要求2所述的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，所述同位素分离系统ISS包括顺序管道连接的氢气纯化器、用于对氢同位素混合气中重组分D2进行富集的第一精馏柱、以及用于除去氢同位素混合气中轻组分H2的第二精馏柱，所述氢气纯化器通过管道与所述循环泵C103连接，所述第一精馏柱的顶部和底部、以及所述第二精馏柱的顶部和底部通过管道分别与所述贮存与供给系统SDS连接。
4.根据权利要求3所述的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，所述贮存与供给系统SDS包括顺着气流方向管道连接的储气罐和贮氚床，所述贮氚床与所述燃料气罐管道连接，所述储气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、所述第二精馏柱的顶部和底部、所述缓存罐V105、所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS、所述末端清洁器FC、以及所述燃料气罐相连接。
5.根据权利要求4所述的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，所述储气罐包括H2储气罐、D2储气罐、以及H2/ D2储气罐，所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/ D2储气罐分别至少连接有一个贮氚床，所述H2储气罐及与其连接的贮氚床、所述D2储气罐及与其连接的贮氚床、所述H2/ D2储气罐及与其连接的贮氚床管道并联分布，三条支路上的贮氚床分别通过管道与所述燃料气罐连接，所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/ D2储气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、所述第二精馏柱的顶部和底部、所述缓存罐V105、所述前端处理器FEP、所述杂质处理器IPS、所述末端清洁器FC、以及所述燃料气罐相连接。
6.根据权利要求5所述的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，所述燃料气罐通过管道分别与所述第一精馏柱的顶部和底部、以及所述第二精馏柱的顶部和底部连接。
7.根据权利要求6所述的一种磁约束聚变堆氘氚内燃料循环演示实验系统，其特征在于，还包括泄压罐，所述泄压罐通过管道分别与所述缓存罐V105、所述第一精馏柱的顶部、所述第二精馏柱的顶部、所述H2储气罐、所述D2储气罐、以及所述H2/ D2储气罐连接。
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