CN113315338A - 一种液态金属电磁泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态金属电磁泵，包括中心管、内环管、外环管、铁芯模块和励磁模块。本发明提供的液态金属电磁泵，实现了液态金属给电磁泵降温；通过励磁保护壳及法兰密封结构，有效隔离了液态金属，避免导线绝缘层受到腐蚀破坏；环形铁芯的结构有良好的磁屏蔽的作用，降低了电磁泵磁场对质子束流的影响；取消主动散热部件，更加安全可靠，可以用于加速器驱动次临界系统的散裂靶中，也可在其他高温和狭小空间的环境中使用，解决了现有电磁泵难以满足在加速器驱动次临界系统中的狭小高温空间中长期稳定运行的问题。

Description

一种液态金属电磁泵

技术领域

本发明涉及电磁泵技术领域，具体涉及一种液态金属电磁泵。

背景技术

核电站产生的辐照核燃料(尤其是长寿命高放废料)的安全处理是影响核电可持续发展的关键。

加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System简称ADS)利用加速器提供的高能强流质子束轰击重金属散裂靶产生的高通量广谱散裂中子驱动次临界反应堆运行，将长寿命高放射性核素嬗变成为短寿命放射性核素或者稳定核素。加速器驱动次临界系统通过调节加速器产生的高能质子束的功率调控次临界反应堆中可裂变/可嬗变核素的嬗变速率，实现良好的中子经济性和嬗变支持比。同时，加速器驱动次临界系统采用了深度次临界的堆芯，杜绝了发生临界安全事故的可能性，具有固有安全性，能够提高公众对核能的接受程度。因此，加速器驱动次临界系统成为国际公认的核废料嬗变技术途径的最佳选择。

在加速器驱动次临界系统中，圆柱形的散裂靶固定在次临界反应堆顶部预留的狭小圆柱形孔洞中，散裂靶下部的束靶反应区位于次临界反应堆的中心附近。质子束流从散裂靶的顶部注入，轰击在散裂靶下部的束靶反应区，在比较小的体积内产生高的中子通量。被高能强流质子轰击的重金属靶材料中会产生大量沉积热，高功率散裂靶采用液态铅铋合金作为靶材料，可以有效解决高功率热移除问题。

散裂靶有两个环形液态金属流道和一个质子束流通道，三者为同轴心。内环流道为上升流道，外环流道为下降流道，内环流道和外环流道在靶体顶部和底部相连通，可以实现液态金属的连续流动。最中心的圆柱形空间为质子束流通道。束靶反应区附近的液态金属载着质子束流的沉积热在内环流道中向上流动，至散裂靶顶部折返方向，进入外环流道向下流动，液态金属经外环流道中的换热器降温后流至散裂靶底部，折返方向后重新进入内环流道，循环流动。在散裂靶中，液态金属电磁泵是液态金属循环流动的动力源。

电磁泵工作时，其电磁感应线圈产生大量焦耳热，通常采用风冷方式给电磁感应线圈降温。因为次临界反应堆对散裂靶的体积、安全性和可靠性有很高的要求。普通水冷电磁泵无法用于高功率散裂靶，原因是冷却水有泄露隐患，安全性达不到要求。普通风冷电磁泵无法用于高功率散裂靶，原因有，一、风冷式电磁泵只能安装在散裂靶外层，驱动外环流道中的液态金属。而散裂靶的安装空间有限，无法满足安装风冷设备所需的空间；二、风冷式电磁泵冷却方式是主动冷却，主动冷却部件带来了额外的安全风险，当风冷部件发生故障时，失去冷却能力的电磁泵不能长期稳定工作。

因此若要实现电磁泵在加速器驱动次临界系统中的应用，就需要开发一款安装在散裂靶内部，驱动内环流道中的液态金属向上流动，使用外环流道中的液态金属给电磁泵降温，可以在高温环境下长期稳定工作的电磁泵。

发明内容

本发明提供了一种液态金属电磁泵，用于解决加速器驱动次临界系统中的电磁泵在狭小高温空间下的长期稳定运行的问题。

本发明提供一种液态金属电磁泵，包括中心管、内环管、外环管、铁芯模块和励磁模块，所述中心管穿设于内环管的内部，且所述中心管的底端密封；所述外环管悬设在所述内环管的外侧，且所述内环管底部设置有与所述外环管底端连通的回流通道，所述内环管顶端低于外环管顶端形成环流口；所述铁芯模块设置于所述中心管外壁与所述内环管内壁形成的环形空间内，所述励磁模块设置于所述内环管外壁和所述外环管内壁形成的环形空间内，且所述铁芯模块处于所述励磁模块的内侧包围的环形空间内。

优选地，所述铁芯模块包括铁芯安装管、铁芯装置、铁芯保护壳和两个铁芯整流罩，所述铁芯安装管为中空管，紧密套设在中心管的外壁上；所述铁芯装置包括若干矩形硅钢叠片，每个矩形硅钢叠片由多个矩形硅钢片叠压而成，若干矩形硅钢叠片环向排布在铁芯安装管外壁上形成环形；所述铁芯保护壳为圆筒形结构，包围在所述铁芯装置的外侧，铁芯保护壳两端固定在铁芯装置两端；所述铁芯整流罩为圆台结构，两个铁芯整流罩分别设置于铁芯保护壳两端与铁芯安装管的连接处，铁芯整流罩的两个底面分别焊接在铁芯保护壳的端部和铁芯安装管的外壁，以封闭铁芯装置；所述铁芯保护壳和所述铁芯整流罩外壁与所述内环管内壁形成的环形空间构成液态金属的流通通道。

优选地，所述励磁模块包括一根励磁安装管道、若干E形铁轭、若干电磁感应线圈、一个励磁保护壳、一个励磁整流罩和法兰盘，所述励磁安装管道为中空管，励磁安装管道悬设在铁芯模块的外侧；所述E形铁轭由E型硅钢片叠压而成并形成E形槽，若干E形铁轭设置在励磁安装管道外壁呈规则排布；若干电磁感应线圈分别镶嵌于若干所述E形铁轭的E形槽内；励磁保护壳主体为圆筒形，励磁保护壳顶端与E形铁轭通过法兰结构密封，励磁保护壳底端焊接有法兰盘上，励磁保护壳设置在E形铁轭和电磁感应线圈的外侧且与法兰盘一同完全包围E形铁轭和电磁感应线圈；励磁整流罩为圆台结构，设置于所述励磁保护壳顶端与励磁安装管道的连接处，励磁整流罩两端分别焊接在励磁保护壳顶端和励磁安装管道的外壁上。

优选地，所述法兰盘上开设有供电线引出孔。

优选地，所述铁芯安装管与所述励磁安装管道为同心结构。

优选地，所述铁芯模块和所述励磁模块之间通过支架连接。

优选地，所述励磁保护壳内部空间填充有导热材料层。

优选地，所述励磁安装管道和E形铁轭之间填充有隔热材料层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了一种液态金属电磁泵，通过励磁保护壳有效隔离了励磁模块和液态金属，避免液态金属对电磁感应线圈绝缘层的腐蚀破坏，励磁模块保护壳内填充导热材料，可以将电磁感应线圈产生的热量快速传递到励磁模块保护壳，由励磁模块保护壳外部的外环管中的液态金属将热量带走，实现了液态金属给电磁泵降温；使用耐高温导线制作电磁感应线圈，可以使电磁泵在高温下长期稳定运行。铁芯装置的环形结构有良好的导磁效率，对从电磁泵中心圆柱形空间穿过的质子束流有良好的磁屏蔽作用，降低了电磁泵磁场对质子束流运动轨迹的影响；本发明公开的液态金属电磁泵，可以有效控制散裂靶的径向尺寸，使散裂靶可以用于加速器驱动次临界系统中。本发明公开的液态金属电磁泵，除应用在加速器驱动次临界系统外，也可在其他狭小空间和高温环境中使用。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的液态金属电磁泵的工作原理图；

图2为本发明实施例1提供的液态金属电磁泵的纵切面结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的液态金属电磁泵的横切面结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的液态金属电磁泵的内部结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的液态金属电磁泵的外部结构示意图。

具体实施方式

实施例1

实施例1提供一种液态金属电磁泵，下面对其结构进行详细说明。

参考图1，该液态金属电磁泵包括中心管1、内环管2、外环管3、铁芯模块4、励磁模块5，图中，中间粗大箭头代表质子束流，细尖箭头代表热流体，两边粗大箭头代表冷流体。

中心管1穿设于内环管2的内部，且中心管1的底端密封作为束流窗口，束流穿过窗口进入束靶反应区；

外环管3悬设在内环管2的外侧，且内环管2底部设置有与外环管3底端连通的回流通道6，内环管2顶端低于外环管3顶端形成环流口7，

质子束流从中心管1注入后，轰击中心管1底端的束靶反应区发生核反应，并释放出大量热量至液态金属中，高温液态金属沿着内环管2的内壁向上流动，从环流口7流入至外环管3顶端，并沿着内环管2外壁和外环管3内壁形成的环形空间从外环管3顶端流入至外环管3底端，最后从回流通道6流入至内环管2的内部，由此形成一个液态金属的循环流动。

其中，铁芯模块4设置在中心管1外壁与内环管2内壁形成的环形空间内，励磁模块5设置在内环管2外壁和外环管3内壁形成的环形空间内，且铁芯模块4处于励磁模块5的内侧包围的环形空间内。

参考图2至图5，铁芯模块4包括铁芯安装管41、铁芯装置42、铁芯保护壳43和两个铁芯整流罩44，

其中，铁芯安装管41为中空管，紧密套设在中心管1的外壁上；

铁芯装置42包括若干矩形硅钢叠片，每个矩形硅钢叠片由多个矩形硅钢片叠压而成，若干矩形硅钢叠片环向排布在铁芯安装管41外壁上形成环形；

铁芯保护壳43为圆筒形结构，包围在铁芯装置42的外侧，铁芯保护壳43两端焊接在铁芯装置42两端，能防止液态金属腐蚀铁芯装置42；

铁芯整流罩44为圆台结构，两个铁芯整流罩44分别设置于铁芯保护壳43两端与铁芯安装管41的连接处，铁芯整流罩44的两个底面分别焊接在铁芯保护壳43的端部和铁芯安装管41的外壁，以封闭铁芯装置42；

铁芯保护壳43和铁芯整流罩44外壁与内环管2内壁形成的环形空间构成液态金属的流通通道。

其中，铁芯整流罩44的圆台结构有利于减少液态金属流经铁芯模块4处的流动阻力。

当粒子束流从中心管1穿过时，铁芯装置42屏蔽一部分电磁泵的磁场，减小电磁泵磁场对粒子束流运动轨迹的干扰；根据计算优化铁芯装置42厚度值，将磁场对粒子束流运动轨迹的干扰控制在设计范围内。

继续参考图2至图5，励磁模块5包括一根励磁安装管道51、若干E形铁轭52、若干电磁感应线圈53、一个励磁保护壳54、一个励磁整流罩55和法兰盘56。

其中，励磁安装管道51为中空管，励磁安装管道51悬设在铁芯模块4的外侧；以留设励磁保护壳54和励磁整流罩55的外壁和外环管3内壁之间的环形空间作为液态金属回流的通道；

E形铁轭52，又叫E型轭铁，为现有技术，每个E形铁轭52均由E型硅钢片叠压而成并形成E形槽，若干E形铁轭52设置在励磁安装管道51外壁呈规则排布；

优选地，励磁安装管道51和E形铁轭52之间填充隔热材料层。电磁感应线圈53由玻璃纤维绝缘的铜铬铌合金线绕制而成，增加了电磁感应线圈53在高温下的机械强度，若干电磁感应线圈53分别镶嵌于若干E形铁轭52的E形槽内；

励磁保护壳54主体为圆筒形，励磁保护壳54顶端与E形铁轭52通过法兰结构密封，励磁保护壳54底端焊接有法兰盘56，励磁保护壳54设置在E形铁轭52和电磁感应线圈53的外侧且与法兰盘56一同完全包围E形铁轭52和电磁感应线圈53，以完全隔离电磁感应线圈53和励磁保护壳54外部的液态金属，保护电磁感应线圈53的绝缘层不被液态金属腐蚀损坏；

优选地，励磁保护壳54内部填充有导热材料层，该导热材料层为有机硅酸盐复合材料，以增加电磁感应线圈53的散热速度，能够将电磁感应线圈53的焦耳热快速通过励磁保护壳传递至液态金属中，实现使用液态金属冷却电磁感应线圈53，降低了电磁感应线圈53绝缘层的老化速度，有效提高了电磁泵的可靠性和使用寿命。

励磁整流罩55为圆台结构，设置于励磁保护壳54顶端与励磁安装管道51的连接处，励磁整流罩55两端分别焊接在励磁保护壳54顶端和励磁安装管道51的外壁上。其中，励磁整流罩55采用圆台结构有利于减少液态金属在励磁模块5处的流动阻力。

法兰盘56上开设有供电线引出孔560，供电线一端连接电磁感应线圈53，另一端穿过供电线引出孔560后，经散裂靶上特殊设计的法兰引出至液态金属外部。

优选地，铁芯安装管41、励磁安装管道51与用于传输质子束流的中心管1为同心结构。

铁芯模块4和励磁模块5之间通过支架100连接。具体地，励磁安装管道51的内壁与铁芯保护壳43的外壁之间通过支架100撑开形成同心结构。

材质的选择上，铁芯整流罩44、励磁整流罩55、铁芯保护壳43、励磁保护壳54、铁芯安装管41、励磁安装管道51和法兰盘56的材料均为无磁奥氏体不锈钢。

本发明根据电动力学理论，通过电磁感应线圈53中电流的交变变化产生行波磁场，使内环管2中的液态金属产生环形感应电流。电磁泵产生的行波磁场与感应电流相互作用在液态金属中产生推力，推动内环管2中的液态金属向上流动，电磁感应线圈53将产生的热量快速传递至励磁保护壳54，换热器设置在外环管3中，且位于电磁泵的上方，经换热器降温后的液态金属向下流动，流经励磁模块5时，液态金属与励磁保护壳54进行热交换，为励磁模块降温。当电磁泵工作时，流动的液态金属就会给电磁泵降温，这种被动冷却方式不需要其他冷却设备，更加安全可靠。本发明公开的液态金属电磁泵，特别涉及用于无法安装主动风冷设备的狭小高温空间，且有粒子束流从电磁泵中心轴线穿过的液态金属电磁泵。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种液态金属电磁泵，其特征在于，包括中心管(1)、内环管(2)、外环管(3)、铁芯模块(4)和励磁模块(5)，

所述中心管(1)穿设于内环管(2)的内部，且所述中心管(1)的底端密封；

所述外环管(3)悬设在所述内环管(2)的外侧，且所述内环管(2)底部设置有与所述外环管(3)底端连通的回流通道(6)，所述内环管(2)顶端低于外环管(3)顶端形成环流口(7)；

所述铁芯模块(4)设置于所述中心管(1)外壁与所述内环管(2)内壁形成的环形空间内，所述励磁模块(5)设置于所述内环管(2)外壁和所述外环管(3)内壁形成的环形空间内，且所述铁芯模块(4)处于所述励磁模块(5)的内侧包围的环形空间内。

2.如权利要求1所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述铁芯模块(4)包括铁芯安装管(41)、铁芯装置(42)、铁芯保护壳(43)和两个铁芯整流罩(44)，

所述铁芯安装管(41)为中空管，紧密套设在中心管(1)的外壁上；

所述铁芯装置(42)包括若干矩形硅钢叠片，每个矩形硅钢叠片由多个矩形硅钢片叠压而成，若干矩形硅钢叠片环向排布在铁芯安装管(41)外壁上形成环形；

所述铁芯保护壳(43)为圆筒形结构，包围在所述铁芯装置(42)的外侧，铁芯保护壳(43)两端固定在铁芯装置(42)两端；

所述铁芯整流罩(44)为圆台结构，两个铁芯整流罩(44)分别设置于铁芯保护壳(43)两端与铁芯安装管(41)的连接处，铁芯整流罩(44)的两个底面分别焊接在铁芯保护壳(43)的端部和铁芯安装管(41)的外壁，以封闭铁芯装置(42)；

所述铁芯保护壳(43)和所述铁芯整流罩(44)外壁与所述内环管(2)内壁形成的环形空间构成液态金属的流通通道。

3.如权利要求1所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述励磁模块(5)包括一根励磁安装管道(51)、若干E形铁轭(52)、若干电磁感应线圈(53)、一个励磁保护壳(54)、一个励磁整流罩(55)和法兰盘(56)，

所述励磁安装管道(51)为中空管，励磁安装管道(51)悬设在铁芯模块(4)的外侧；

所述E形铁轭(52)由E型硅钢片叠压而成并形成E形槽，若干E形铁轭(52)设置在励磁安装管道(51)外壁呈规则排布；

若干电磁感应线圈(53)分别镶嵌于若干所述E形铁轭(52)的E形槽内；

励磁保护壳(54)主体为圆筒形，励磁保护壳(54)顶端与E形铁轭(52)通过法兰结构密封，励磁保护壳(54)底端焊接有法兰盘(56)，励磁保护壳(54)设置在E形铁轭(52)和电磁感应线圈(53)的外侧且与法兰盘(56)一同完全包围E形铁轭(52)和电磁感应线圈(53)；

励磁整流罩(55)为圆台结构，设置于所述励磁保护壳(54)顶端与励磁安装管道(51)的连接处，励磁整流罩(55)两端分别焊接在励磁保护壳(54)顶端和励磁安装管道(51)的外壁上。

4.如权利要求3所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述法兰盘(56)上开设有供电线引出孔(560)。

5.如权利要求3所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述铁芯安装管(41)与所述励磁安装管道(51)为同心结构。

6.如权利要求3所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述铁芯模块(4)和所述励磁模块(5)之间通过支架(100)连接。

7.如权利要求3所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述励磁保护壳(54)内部空间填充有导热材料层。

8.如权利要求3所述的液态金属电磁泵，其特征在于，

所述励磁安装管道(51)和E形铁轭(52)之间填充有隔热材料层。

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