CN112331366A - 一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用 - Google Patents

一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用，属于核燃料领域，其包括第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元、配比单元、净化单元、氦回收单元、气体分析单元、真空单元；第一供气单元包括第一进气支路、第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐、第一出气支路。本申请的系统能用于聚变堆氘氚燃料内循环过程和/或模拟演示堆运行过程中，大规模氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给以及氢同位素气体的计量。本申请设计科学合理、功能齐全，使用方便，能够用于模拟演示聚变堆氘氚燃料内循环过程中，大规模氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给，以及氢同位素气体的计量，供气速度≥7.2m3/h，漏率低于1.5*10‑9 Pa·m3/s，真空度优于5 Pa。

Description

一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用
技术领域
本发明涉及核燃料领域，具体为一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用。本申请能够应用于核聚变堆反应中，尤其是磁约束核聚变反应堆中，对于维持反应堆的连续、可靠运行，具有重要的进步意义。
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，因而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）发生聚变反应得到（D+T→n(14.06MeV)+4He(3.52MeV)）。由于每次注入反应堆真空室（反应堆真空室为氘氚聚变反应发生的地方）的氘氚燃料，其燃耗不足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，经等离子体排出气循环处理后，再通过燃料加注系统注入回反应堆真空室。可见，大规模、高效的氘氚燃料循环处理工艺是成功利用核聚变能源的重要保障。
磁约束核聚变反应堆在运行过程中，由于氘氚的平均燃耗率较低，因此需及时对等离子体排灰气体中的大量氘氚燃料快速回收、并重新按特定比例配制、快速供给以及对氢同位素气体计量。
因此，需要设计一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用，以解决上述问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用，其能用于聚变堆氘氚燃料内循环过程和/或模拟演示堆运行过程中，大规模（供气速度≥7.2m3/h）氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给以及氢同位素气体的计量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氘氚燃料贮存与供给演示系统，包括第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元、配比单元、净化单元、氦回收单元、气体分析单元、真空单元；
所述第一供气单元包括第一进气支路、第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐、第一出气支路，所述第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐分别为至少一个，所述第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐通过气体管路相互并联并构成第一气源组件，所述第一进气支路与第一气源组件通过气体管路相连且第一进气支路能向第一气源组件内补充第一原料气，所述第一出气支路与第一气源组件通过气体管路相连且第一气源组件能通过第一出气支路供给第一原料气；
所述第二供气单元包括第二进气支路、第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐、第二出气支路，所述第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐分别为至少一个，所述第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐通过气体管路相互并联并构成第二气源组件，所述第二进气支路与第二气源组件通过气体管路相连且第二进气支路能向第二气源组件内补充第二原料气，所述第二出气支路与第二气源组件通过气体管路相连且第二气源组件能通过第二出气支路供给第二原料气；
所述第三供气单元包括第三进气支路、第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐、第三出气支路，所述第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐分别为至少一个，所述第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐通过气体管路相互并联并构成第三气源组件，所述第三进气支路与第三气源组件通过气体管路相连且第三进气支路能向第三气源组件内补充第三原料气，所述第三出气支路与第三气源组件通过气体管路相连且第三气源组件能通过第三出气支路供给第三原料气；
所述配比单元包括第四连接管、第四调节泵、第五连接管、第五调节泵、配比进气管、配比罐、配比出气管，所述第四连接管与第一气源组件相连且第一气源组件能向第四连接管内输送第一原料气，所述第四调节泵设置在第四连接管上且第四调节泵能调节第四连接管的流量，所述第五连接管与第三气源组件相连且第三气源组件能向第五连接管内输送第三原料气，所述第五调节泵设置在第五连接管上且第五调节泵能调节第五连接管的流量；所述第四连接管、第五连接管分别与第二出气支路相连且第四连接管、第五连接管能向第二出气支路内供给设定比例的混合气；所述第四连接管、第五连接管分别与配比进气管相连，所述配比进气管与配比罐相连且第四连接管、第五连接管能向配比罐内供给设定比例的混合气，所述配比罐通过配比出气管与第二出气支路相连且配比罐能向第二出气支路供给设定比例的混合气；
所述净化单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件相连且净化单元能对第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件输送至净化单元的气体进行净化，所述氦回收单元与净化单元相连且净化单元处理得到的He-3能经氦回收单元进行回收；
所述气体分析单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件、配比罐相连；
所述真空单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件、配比罐相连。
所述第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床分别为至少两个；优选地，所述第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床分别为三个。
还包括过压保护容器，所述过压保护容器通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件相连。
所述过压保护容器通过气体管路分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，所述过压保护容器与第一贮存床相连的气体管路上、过压保护容器与第二贮存床相连的气体管路上、过压保护容器与第三贮存床相连的气体管路上分别设置有卸荷阀。
所述第一进气支路、第一出气支路、气体管路、第二进气支路、第二出气支路、第三进气支路、第三出气支路分别采用316L不锈钢或抗氢钢制成，密封处采用氩弧焊接或VCR接口连接，为标准化接口配件。
所述第一进气支路、第一出气支路、气体管路、第二进气支路、第二出气支路、第三进气支路、第三出气支路上分别设置有泵、流量计、阀门。
所述阀门为用于控制气路通断的高流量阀。
还包括控制系统，所述控制系统分别与泵、流量计、阀门、第四调节泵、第五调节泵相连。
所述第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床上分别设置有加热器，所述加热器与控制系统相连。
还包括压力传感器、温度传感器，所述压力传感器分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，所述温度传感器分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，所述控制系统分别与压力传感器、温度传感器相连。
优选地，所述温度传感器为热电偶。所述第一缓冲罐、第二缓冲罐、第三缓冲罐分别为带有盘状端头的圆柱体压力容器。
还包括与控制系统相连的监视器。
所述第四连接管、第五连接管、配比进气管、配比出气管上分别设置有流量计。
所述第一供气单元为D2供气单元，所述第二供气单元为DT供气单元，所述第三供气单元为T2供气单元，所述第一原料气为D2，所述第二原料气为DT混合气，所述第三原料气为T2；
或所述第一供气单元为H2供气单元，所述第二供气单元为HD供气单元，所述第三供气单元为D2供气单元，所述第一原料气为H2，所述第二原料气为HD混合气，所述第三原料气为D2。
前述氘氚燃料贮存与供给演示系统的应用。
所述第一供气单元为D2供气单元，所述第二供气单元为DT供气单元，所述第三供气单元为T2供气单元；将该氘氚燃料贮存与供给演示系统用于聚变堆氘氚燃料内循环过程中。
包括如下步骤：
（1）D2的贮存与供给
通过第一进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或D2气源的D2产品气，第一进气支路接收的D2产品气送入第一气源组件内进行贮存；当D2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一贮存床吸收；
进行D2供给时，若D2位于第一缓冲罐内，则将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现D2供给；若D2位于第一贮存床内，则先对第一贮存床进行加热，使其中的D2释放，再将释放的D2转移至第一缓冲罐内，并将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现D2供给；
（2）DT的贮存与供给
通过第二进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或DT气源的DT产品气，第二进气支路接收的DT产品气送入第二气源组件内进行贮存；当DT的接收量不大或需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二贮存床吸收；
进行DT供给时，若DT位于第二缓冲罐内，则将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现DT供给；若DT位于第二贮存床内，则先对第二贮存床进行加热，使其中的DT释放，再将释放的DT转移至第二缓冲罐内，并将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现DT供给；
（3）T2的贮存与供给
通过第三进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或DT气源的DT产品气，第三进气支路接收的DT产品气送入第三气源组件内进行贮存；当T2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三贮存床吸收；
进行T2供给时，若T2位于第三缓冲罐内，则将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现T2供给；若T2位于第三贮存床内，则先对第三贮存床进行加热，使其中的T2释放，再将释放的T2转移至第三缓冲罐内，并将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现T2供给；
（4）定比例配置与供给
根据所需D、T比例，第一气源组件经第四连接管供给D2，第三气源组件经第五连接管供给T2，第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2在第二出气支路内混合，实现设定比例D、T的配置，并经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2经配比进气管送入配比罐内，在配比罐内实现设定比例D、T的配置，配比罐内配置的混合气体再经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2经配比进气管送入配比罐内，得到相应比例的D、T的配置，并根据所需D、T的配比，及第二供气单元内DT的参数配比，使第二气源组件供给的气体与配比罐供给的气体在第二出气支路内混合，实现设定比例D、T的配置，并经第二出气支路输出；
（5）D2的计量
D2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第一气源组件内D2的量进行计量；采用在线量热氚计量对第一气源组件内T2的量进行计量；
（6）DT的计量
DT的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第二气源组件内DT的量进行计量；采用在线量热氚计量对第二气源组件内T2的量进行计量；
（7）T2的计量
T2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量、在线量热氚计量对第三气源组件内T2的量进行计量。
所述步骤1、2、3中，接收气体速率≥7.2m3/h，供给气体速度≥7.2m3/h；所述步骤4中，供给气体速度≥7.2m3/h。
所述步骤1、2、3中，接收气体速率为7.2m3/h~35.0m3/h，供给气体速率为7.2m3/h~35.0m3/h；所述步骤4中，供给气体速度为7.2m3/h~35.0m3/h。
所述第一供气单元为H2供气单元，所述第二供气单元为HD供气单元，所述第三供气单元为D2供气单元；将该氘氚燃料贮存与供给演示系统用于模拟演示堆运行过程中，以H替代D，模拟同位素氘和氚的贮存和供给。
还包括过压保护、过温保护，所述过压保护的操作如下：
（i）贮存床过压保护
当压力传感器检测到第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床内部压力过高时，控制系统调整对应贮存床的加热器的加热效率，或控制系统停止对应贮存床的加热器工作；
（ii）缓冲罐过压保护
当压力传感器检测到第一缓冲罐、第二缓冲罐或第三缓冲罐内部压力过高时，控制系统降低对应缓冲罐的进气流量或关闭对应缓冲罐的进气支路，或将气体泄压至过压保护容器内；
所述过温保护的操作如下：当第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床的温度高于设定值时，控制系统切断对应贮存床加热器的电源；或当第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床的温度低于设定值时，控制系统启动对应贮存床的加热器进行加热。
所述步骤i中，第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床的出口分别配置有卸荷阀，当第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床的压力过高时，可通过卸荷阀将气体泄压至过压保护容器内。
以H替代T，进行氢同位素供气模拟；包括如下步骤：
（a）H2的贮存与供给
通过第一进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或H2气源的H2产品气，第一进气支路接收的H2产品气送入第一气源组件内进行贮存；当H2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一贮存床吸收；
进行H2供给时，若H2位于第一缓冲罐内，则将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现H2供给；若H2位于第一贮存床内，则先对第一贮存床进行加热，使其中的H2释放，再将释放的H2转移至第一缓冲罐内，并将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现H2供给；
（b）HD的贮存与供给
通过第二进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或HD气源的HD产品气，第二进气支路接收的HD产品气送入第二气源组件内进行贮存；当HD的接收量不大或需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二贮存床吸收；
进行HD供给时，若HD位于第二缓冲罐内，则将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现HD供给；若HD位于第二贮存床内，则先对第二贮存床进行加热，使其中的HD释放，再将释放的HD转移至第二缓冲罐内，并将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现HD供给；
（c）D2的贮存与供给
通过第三进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或D2气源的D2产品气，第三进气支路接收的D2产品气送入第三气源组件内进行贮存；当D2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三贮存床吸收；
进行D2供给时，若D2位于第三缓冲罐内，则将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现D2供给；若D2位于第三贮存床内，则先对第三贮存床进行加热，使其中的D2释放，再将释放的D2转移至第三缓冲罐内，并将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现D2供给；
（d）定比例配置与供给
根据所需H、D比例，第一气源组件经第四连接管供给H2，第三气源组件经第五连接管供给D2，第四连接管供给的H2、第五连接管供给的D2在第二出气支路内混合，实现设定比例H、D的配置，并经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的H2、第五连接管供给的D2经配比进气管送入配比罐内，在配比罐内实现设定比例H、D的配置，配比罐内配置的混合气体再经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的H2、第五连接管供给的D2经配比进气管送入配比罐内，得到相应比例的H、D的配置，并根据所需H、D的配比，及第二供气单元内HD的参数配比，使第二气源组件供给的气体与配比罐供给的气体在第二出气支路内混合，实现设定比例H、D的配置，并经第二出气支路输出；
（e）H2的计量
H2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第一气源组件内H2的量进行计量；
（f）HD的计量
HD的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第二气源组件内HD的量进行计量；
（g）D2的计量
D2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第三气源组件内D2的量进行计量。
针对前述问题，本申请提供一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用。更具体地，本申请涉及一种磁约束聚变堆氘氚燃料贮存与供给演示实验系统及应用，其包括第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元、配比单元、净化单元、氦回收单元、气体分析单元、真空单元。其中，第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元能够实现氢同位素气体的安全贮存、快速供给（尤其是高纯氢气（纯度大于99.995%）的贮存与供给，供给速度不低于7.2m3/h）、定比例配制（通过流量计控制流量的方法，则能实现不同氢同位素的定比例配置），并通过除杂化学床实现氢同位素气体中的氦的净化与回收；其中，氢同位素气体的安全贮存、供给由贮存床实现，气体转移主要由泵实现，气路的通断通过阀门控制，气体的暂存、PVT计量分别通过缓冲罐、计量罐完成，气体流量与气体转移量的控制通过气体质量流量计实现，温度、压力信息分别通过压力传感器、温度传感器采集，净化单元采用除杂化学床，气体分析系统则能对第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元、净化单元进行分析。
本申请设计科学合理、功能齐全，使用方便，能够用于模拟演示聚变堆氘氚燃料内循环过程中，大规模氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给，以及氢同位素气体的计量，供气速度≥7.2m3/h，漏率低于1.5*10-9 Pa·m3/s，真空度优于5 Pa。进一步，本申请能够用于磁约束聚变堆氘氚燃料循环过程中，大规模氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给以及氢同位素气体的计量，并能与氘氚燃料循环系统中的氘氚快速回收、尾气除氚系统和氢同位素分离系统结合，实现磁约束聚变堆等离子排灰气中氘氚的快速回收与再利用。本申请一方面能通过H、D模拟D、T的贮存和供给，并提供相应的运行数据，从而为D、T的稳定运行，提供可靠的数据支撑；另一方面，本申请能用于磁约束核聚变反应堆中D、T的贮存、供给及定比例配置，为反应堆真空室提供可靠的燃料支持，保证聚变反应的顺利进行。本申请对于磁约束核聚变反应堆中，氘氚燃料的循环利用，具有重要的应用价值。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为实施例1的结构示意图。
图中标记：1、净化单元，2、氦回收单元，3、过压保护容器，4、卸荷阀，5、泵，6、流量计，10、第一缓冲罐，11、第一贮存床，12、第一计量罐，20、第二缓冲罐，21、第二贮存床，22、第二计量罐，30、第三缓冲罐，31、第三贮存床，32、第三计量罐，40、第四连接管，41、第四调节泵，42、第五连接管，43、第五调节泵，50、配比进气管，51、配比罐，52、配比出气管。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
如图所示，本实施例的氘氚燃料贮存与供给演示系统，包括第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元、配比单元、净化单元、氦回收单元、气体分析单元、真空单元、过压保护容器、控制系统、压力传感器、温度传感器。其中，第一供气单元为D2供气单元，第二供气单元为DT供气单元，第三供气单元为T2供气单元，净化单元、氦回收单元主要用于He-3的回收、净化及贮存；本实施例的系统主要用于聚变堆氘氚燃料内循环过程中。
第一供气单元包括第一进气支路、第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐、第一出气支路；本实施例中，第一缓冲罐、第一计量罐分别为一个，第一贮存床为三个；第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐通过气体管路相互并联并构成第一气源组件，第一进气支路与第一气源组件通过气体管路相连。其中，第一进气支路用于向第一气源组件内补充第一原料气D2，第一气源组件通过第一出气支路向外供给第一原料气D2。
第二供气单元包括第二进气支路、第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐、第二出气支路；本实施例中，第二缓冲罐、第二计量罐分别为一个，第二贮存床为三个；第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐通过气体管路相互并联并构成第二气源组件，第二进气支路与第二气源组件通过气体管路相连，第二出气支路与第二气源组件通过气体管路相连。其中，第二进气支路用于向第二气源组件内补充第二原料气DT，第二气源组件通过第二出气支路供给第二原料气DT；
第三供气单元包括第三进气支路、第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐、第三出气支路；本实施例中，第三缓冲罐、第三计量罐分别为一个，第三贮存床为三个；第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐通过气体管路相互并联并构成第三气源组件，第三进气支路与第三气源组件通过气体管路相连，第三出气支路与第三气源组件通过气体管路相连。其中，第三进气支路用于向第三气源组件内补充第三原料气T2，第三气源组件通过第三出气支路供给第三原料气T2。
同时，配比单元包括第四连接管、第四调节泵、第五连接管、第五调节泵、配比进气管、配比罐、配比出气管，第四连接管与第一气源组件相连，第四调节泵设置在第四连接管上，第五连接管与第三气源组件相连，第五调节泵设置在第五连接管上，第四连接管、第五连接管、配比进气管、配比出气管上分别设置有流量计。第四连接管、第五连接管分别与第二出气支路相连，第四连接管、第五连接管分别与配比进气管相连，配比进气管与配比罐相连，配比罐通过配比出气管与第二出气支路相连。该结构中，第一气源组件用于向第四连接管内输送第一原料气D2，第三气源组件能向第五连接管内输送第三原料气T2，第四调节泵用于调节第四连接管的流量，第五调节泵用于调节第五连接管的流量。
本实施例中，净化单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件相连，氦回收单元与净化单元相连。本实施例中，净化单元用于对第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件输送至净化单元的气体进行净化，净化单元处理得到的He-3能经氦回收单元进行回收和储存。
本实施例中，第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床上分别设置有加热器，加热器用以对第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床进行加热，以实现氢同位素的快速释放。同时，气体分析单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件、配比罐相连；真空单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件、配比罐相连，过压保护容器通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件相连。采用该结构，通过控制气体管路的阀门，使第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件或配比罐与气体分析单元连通，进而实现相应的气体分析，而真空单元则能对第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件或配比罐进行抽真空处理。进一步，过压保护容器通过气体管路分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，过压保护容器与第一贮存床相连的气体管路上、过压保护容器与第二贮存床相连的气体管路上、过压保护容器与第三贮存床相连的气体管路上分别设置有卸荷阀。本实施例中，第一进气支路、第一出气支路、气体管路、第二进气支路、第二出气支路、第三进气支路、第三出气支路上分别设置有若干个泵、流量计、阀门。优选地，阀门为用于控制气路通断的高流量阀。本实施例中，控制系统分别与泵、气体质量流量计、高流量阀、第四调节泵、第五调节泵、加热器相连。
本实施例中，压力传感器分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，温度传感器分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，控制系统分别与压力传感器、温度传感器相连。优选地，温度传感器为热电偶；第一缓冲罐、第二缓冲罐、第三缓冲罐分别为带有盘状端头的圆柱体压力容器。本实施例中，第一进气支路、第一出气支路、气体管路、第二进气支路、第二出气支路、第三进气支路、第三出气支路分别采用316L不锈钢或抗氢钢制成，密封处采用氩弧焊接或VCR接口连接，为标准化接口配件。
本实施例中，系统进行氘氚燃料贮存与供给的操作如下。
（1）D2的贮存与供给
通过第一进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或D2气源的D2产品气，第一进气支路接收的D2产品气送入第一气源组件内进行贮存。当D2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一贮存床吸收。
进行D2供给时，若D2位于第一缓冲罐内，则将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现D2供给；若D2位于第一贮存床内，则先对第一贮存床进行加热，使其中的D2释放，再将释放的D2转移至第一缓冲罐内，并将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现D2供给。
（2）DT的贮存与供给
通过第二进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或DT气源的DT产品气，第二进气支路接收的DT产品气送入第二气源组件内进行贮存；当DT的接收量不大或需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二贮存床吸收。
进行DT供给时，若DT位于第二缓冲罐内，则将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现DT供给；若DT位于第二贮存床内，则先对第二贮存床进行加热，使其中的DT释放，再将释放的DT转移至第二缓冲罐内，并将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现DT供给。
（3）T2的贮存与供给
通过第三进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或DT气源的DT产品气，第三进气支路接收的DT产品气送入第三气源组件内进行贮存；当T2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三贮存床吸收。
进行T2供给时，若T2位于第三缓冲罐内，则将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现T2供给；若T2位于第三贮存床内，则先对第三贮存床进行加热，使其中的T2释放，再将释放的T2转移至第三缓冲罐内，并将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现T2供给。
（4）定比例配置与供给
根据所需D、T比例，第一气源组件经第四连接管供给D2，第三气源组件经第五连接管供给T2，第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2在第二出气支路内混合，实现设定比例D、T的配置，并经第二出气支路输出；或第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2经配比进气管送入配比罐内，在配比罐内实现设定比例D、T的配置，配比罐内配置的混合气体再经第二出气支路输出；或第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2经配比进气管送入配比罐内，得到相应比例的D、T的配置，并根据所需D、T的配比，及第二供气单元内DT的参数配比，使第二气源组件供给的气体与配比罐供给的气体在第二出气支路内混合，实现设定比例D、T的配置，并经第二出气支路输出。
（5）D2的计量
D2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第一气源组件内D2的量进行计量；采用在线量热氚计量对第一气源组件内T2的量进行计量。
（6）DT的计量
DT的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第二气源组件内DT的量进行计量；采用在线量热氚计量对第二气源组件内T2的量进行计量。
（7）T2的计量
T2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量、在线量热氚计量对第三气源组件内T2的量进行计量。
（8）过压保护
针对贮存床、缓冲罐，相应的保护操作如下：
（i）贮存床过压保护
当压力传感器检测到第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床内部压力过高时，控制系统调整对应贮存床的加热器的加热效率，或控制系统停止对应贮存床的加热器工作；通过降低加热器的功率或使加热器停止工作，从而对贮存床进行高压保护。
进一步，第一贮存床、第二贮存床、第三贮存床的出口分别配置有卸荷阀，当第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床的压力过高时，可通过卸荷阀将气体泄压至过压保护容器（容积为2m3）内。
（ii）缓冲罐过压保护
当压力传感器检测到第一缓冲罐、第二缓冲罐或第三缓冲罐内部压力过高时，控制系统降低对应缓冲罐的进气流量或关闭对应缓冲罐的进气支路，或将气体泄压至过压保护容器内；通过降低对应缓冲罐的进气流量或关闭对应缓冲罐的进气支路，使得缓冲罐的内部压力降低，从而对缓冲罐进行过压保护；作为保险措施，本申请在第一贮存床相连的气体管路上、过压保护容器与第二贮存床相连的气体管路上、过压保护容器与第三贮存床相连的气体管路上分别设置有卸荷阀，当某个缓冲罐的压力过高时，气体管路上的卸荷阀打开，相应的气流自动进入高压保护容器内，从而对缓冲罐进行过压保护。
（9）过温保护
当第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床的温度高于设定值时，控制系统切断对应贮存床加热器的电源；或当第一贮存床、第二贮存床或第三贮存床的温度低于设定值时，控制系统启动对应贮存床的加热器进行加热。
步骤1、2、3中，接收气体速率≥7.2m3/h，供给气体速度≥7.2m3/h；步骤4中，供给气体速度≥7.2m3/h。本实施例的系统用于高纯氢气（纯度大于99.995%）的贮存与供给，供气速度不低于7.2m3/h，漏率低于1.5*10-9 Pa•m3/s，真空度优于5 Pa。
本实施例中，DT的PVT-c计量操作如下：将第二缓冲罐的DT通入第二计量罐内，或对第二贮存床进行加热并使第二贮存床内的DT通入第二计量罐内，通过第DT计量罐的体积、第二计量罐内DT的温度，结合气体状态方程和气体成分分析手段，进而实现氢同位素气体总量及组分含量的计量。DT的流量计法操作如下：将第二缓冲罐的DT通入第二计量罐内，或对第二贮存床进行加热并使第二贮存床内的DT通入第二计量罐内，通过气体质量流量计数值的测定和积分计算氢同位素气体的转移量。DT的量热法操作如下：通过测定贮存床中氚衰变的热功率来计量氚总量。
本申请的系统接受外来氘氚源、同位素分离系统和等离子体排灰气处理系统的产品气体流，向聚变堆真空室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。本实施例的系统能实现大规模（供气速度≥7.2m3/h）氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给以及氢同位素气体的计量过程，为同位素氘（D）和氚（T）发生聚变反应时安全贮存、定比例配制、快速供给以及氢同位素气体的计量提供有力的科学依据，适于在本技术领域大力推广应用。
实施例2
本实施例中，第一供气单元为H2供气单元，第二供气单元为HD供气单元，第三供气单元为D2供气单元，第一原料气为H2，第二原料气为HD混合气，第三原料气为D2；将该氘氚燃料贮存与供给演示系统用于模拟演示堆运行过程中，以H替代D，模拟同位素氘和氚的贮存和供给。本实施例中，以H替代T，进行氢同位素供气模拟，所使用的系统与实施例1相同。
本实施例中，以H替代T，通过模拟同位素氘、氚不同条件下的贮存和供给，确定相应条件下的系统运行状态和可能出现的危险，并针对可能出现的危险，模拟出不同的解决方案，进而得到系统在不同条件下的最优运行方案，并将该运行方案应用于氘氚燃料的贮存与供给汁中。
本申请设计科学合理、功能齐全，使用方便，能够模拟演示聚变堆氘氚燃料内循环过程中，大规模氢同位素气体的安全贮存、定比例配制、快速供给以及氢同位素气体的计量。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种氘氚燃料贮存与供给演示系统，其特征在于，包括第一供气单元、第二供气单元、第三供气单元、配比单元、净化单元、氦回收单元、气体分析单元、真空单元；
所述第一供气单元包括第一进气支路、第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐、第一出气支路，所述第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐分别为至少一个，所述第一缓冲罐、第一贮存床、第一计量罐通过气体管路相互并联并构成第一气源组件，所述第一进气支路与第一气源组件通过气体管路相连且第一进气支路能向第一气源组件内补充第一原料气，所述第一出气支路与第一气源组件通过气体管路相连且第一气源组件能通过第一出气支路供给第一原料气；
所述第二供气单元包括第二进气支路、第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐、第二出气支路，所述第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐分别为至少一个，所述第二缓冲罐、第二贮存床、第二计量罐通过气体管路相互并联并构成第二气源组件，所述第二进气支路与第二气源组件通过气体管路相连且第二进气支路能向第二气源组件内补充第二原料气，所述第二出气支路与第二气源组件通过气体管路相连且第二气源组件能通过第二出气支路供给第二原料气；
所述第三供气单元包括第三进气支路、第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐、第三出气支路，所述第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐分别为至少一个，所述第三缓冲罐、第三贮存床、第三计量罐通过气体管路相互并联并构成第三气源组件，所述第三进气支路与第三气源组件通过气体管路相连且第三进气支路能向第三气源组件内补充第三原料气，所述第三出气支路与第三气源组件通过气体管路相连且第三气源组件能通过第三出气支路供给第三原料气；
所述配比单元包括第四连接管、第四调节泵、第五连接管、第五调节泵、配比进气管、配比罐、配比出气管，所述第四连接管与第一气源组件相连且第一气源组件能向第四连接管内输送第一原料气，所述第四调节泵设置在第四连接管上且第四调节泵能调节第四连接管的流量，所述第五连接管与第三气源组件相连且第三气源组件能向第五连接管内输送第三原料气，所述第五调节泵设置在第五连接管上且第五调节泵能调节第五连接管的流量；所述第四连接管、第五连接管分别与第二出气支路相连且第四连接管、第五连接管能向第二出气支路内供给设定比例的混合气；所述第四连接管、第五连接管分别与配比进气管相连，所述配比进气管与配比罐相连且第四连接管、第五连接管能向配比罐内供给设定比例的混合气，所述配比罐通过配比出气管与第二出气支路相连且配比罐能向第二出气支路供给设定比例的混合气；
所述净化单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件相连且净化单元能对第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件输送至净化单元的气体进行净化，所述氦回收单元与净化单元相连且净化单元处理得到的He-3能经氦回收单元进行回收；
所述气体分析单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件、配比罐相连；
所述真空单元通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件、配比罐相连。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，还包括过压保护容器，所述过压保护容器通过气体管路分别与第一气源组件、第二气源组件、第三气源组件相连。
3.根据权利要求1或2所述系统，其特征在于，所述第一进气支路、第一出气支路、气体管路、第二进气支路、第二出气支路、第三进气支路、第三出气支路上分别设置有泵、流量计、阀门。
4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统分别与泵、流量计、阀门、第四调节泵、第五调节泵相连。
5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，还包括压力传感器、温度传感器，所述压力传感器分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，所述温度传感器分别与第一缓冲罐、第一贮存床、第二缓冲罐、第二贮存床、第三缓冲罐、第三贮存床相连，所述控制系统分别与压力传感器、温度传感器相连。
6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述第四连接管、第五连接管、配比进气管、配比出气管上分别设置有流量计。
7.根据权利要求1~6任一项所述系统，其特征在于，所述第一供气单元为D2供气单元，所述第二供气单元为DT供气单元，所述第三供气单元为T2供气单元，所述第一原料气为D2，所述第二原料气为DT混合气，所述第三原料气为T2；
或所述第一供气单元为H2供气单元，所述第二供气单元为HD供气单元，所述第三供气单元为D2供气单元，所述第一原料气为H2，所述第二原料气为HD混合气，所述第三原料气为D2。
8.前述权利要求1~7任一项所述氘氚燃料贮存与供给演示系统的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述第一供气单元为D2供气单元，所述第二供气单元为DT供气单元，所述第三供气单元为T2供气单元；将该氘氚燃料贮存与供给演示系统用于聚变堆氘氚燃料内循环过程中；
包括如下步骤：
（1）D2的贮存与供给
通过第一进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或D2气源的D2产品气，第一进气支路接收的D2产品气送入第一气源组件内进行贮存；当D2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一贮存床吸收；
进行D2供给时，若D2位于第一缓冲罐内，则将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现D2供给；若D2位于第一贮存床内，则先对第一贮存床进行加热，使其中的D2释放，再将释放的D2转移至第一缓冲罐内，并将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现D2供给；
（2）DT的贮存与供给
通过第二进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或DT气源的DT产品气，第二进气支路接收的DT产品气送入第二气源组件内进行贮存；当DT的接收量不大或需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二贮存床吸收；
进行DT供给时，若DT位于第二缓冲罐内，则将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现DT供给；若DT位于第二贮存床内，则先对第二贮存床进行加热，使其中的DT释放，再将释放的DT转移至第二缓冲罐内，并将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现DT供给；
（3）T2的贮存与供给
通过第三进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或DT气源的DT产品气，第三进气支路接收的DT产品气送入第三气源组件内进行贮存；当T2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三贮存床吸收；
进行T2供给时，若T2位于第三缓冲罐内，则将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现T2供给；若T2位于第三贮存床内，则先对第三贮存床进行加热，使其中的T2释放，再将释放的T2转移至第三缓冲罐内，并将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现T2供给；
（4）定比例配置与供给
根据所需D、T比例，第一气源组件经第四连接管供给D2，第三气源组件经第五连接管供给T2，第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2在第二出气支路内混合，实现设定比例D、T的配置，并经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2经配比进气管送入配比罐内，在配比罐内实现设定比例D、T的配置，配比罐内配置的混合气体再经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的D2、第五连接管供给的T2经配比进气管送入配比罐内，得到相应比例的D、T的配置，并根据所需D、T的配比，及第二供气单元内DT的参数配比，使第二气源组件供给的气体与配比罐供给的气体在第二出气支路内混合，实现设定比例D、T的配置，并经第二出气支路输出；
（5）D2的计量
D2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第一气源组件内D2的量进行计量；采用在线量热氚计量对第一气源组件内T2的量进行计量；
（6）DT的计量
DT的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第二气源组件内DT的量进行计量；采用在线量热氚计量对第二气源组件内T2的量进行计量；
（7）T2的计量
T2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量、在线量热氚计量对第三气源组件内T2的量进行计量。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述第一供气单元为H2供气单元，所述第二供气单元为HD供气单元，所述第三供气单元为D2供气单元；将该氘氚燃料贮存与供给演示系统用于模拟演示堆运行过程中，以H替代D，模拟同位素氘和氚的贮存和供给；
以H替代T，进行氢同位素供气模拟；包括如下步骤：
（a）H2的贮存与供给
通过第一进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或H2气源的H2产品气，第一进气支路接收的H2产品气送入第一气源组件内进行贮存；当H2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第一气源组件内的第一贮存床吸收；
进行H2供给时，若H2位于第一缓冲罐内，则将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现H2供给；若H2位于第一贮存床内，则先对第一贮存床进行加热，使其中的H2释放，再将释放的H2转移至第一缓冲罐内，并将第一缓冲罐与第一出气支路连通，实现H2供给；
（b）HD的贮存与供给
通过第二进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或HD气源的HD产品气，第二进气支路接收的HD产品气送入第二气源组件内进行贮存；当HD的接收量不大或需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第二气源组件内的第二贮存床吸收；
进行HD供给时，若HD位于第二缓冲罐内，则将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现HD供给；若HD位于第二贮存床内，则先对第二贮存床进行加热，使其中的HD释放，再将释放的HD转移至第二缓冲罐内，并将第二缓冲罐与第二出气支路连通，实现HD供给；
（c）D2的贮存与供给
通过第三进气支路接收来自同位素分离系统或等离子体排灰气处理系统或D2气源的D2产品气，第三进气支路接收的D2产品气送入第三气源组件内进行贮存；当D2的接收量不大或需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三缓冲罐进行贮存；当接收量较大或不需要快速贮供时，采用第三气源组件内的第三贮存床吸收；
进行D2供给时，若D2位于第三缓冲罐内，则将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现D2供给；若D2位于第三贮存床内，则先对第三贮存床进行加热，使其中的D2释放，再将释放的D2转移至第三缓冲罐内，并将第三缓冲罐与第三出气支路连通，实现D2供给；
（d）定比例配置与供给
根据所需H、D比例，第一气源组件经第四连接管供给H2，第三气源组件经第五连接管供给D2，第四连接管供给的H2、第五连接管供给的D2在第二出气支路内混合，实现设定比例H、D的配置，并经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的H2、第五连接管供给的D2经配比进气管送入配比罐内，在配比罐内实现设定比例H、D的配置，配比罐内配置的混合气体再经第二出气支路输出；
或第四连接管供给的H2、第五连接管供给的D2经配比进气管送入配比罐内，得到相应比例的H、D的配置，并根据所需H、D的配比，及第二供气单元内HD的参数配比，使第二气源组件供给的气体与配比罐供给的气体在第二出气支路内混合，实现设定比例H、D的配置，并经第二出气支路输出；
（e）H2的计量
H2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第一气源组件内H2的量进行计量；
（f）HD的计量
HD的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第二气源组件内HD的量进行计量；
（g）D2的计量
D2的计量选用PVT-c计量、氢同位素快速计量对第三气源组件内D2的量进行计量。
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