CN104569028A - 大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种核工业领域的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，包括：带有真空泵组的锂加热罐和与之相连的带有阀门组件的承压容器，承压容器上设有传感机构且传感机构和阀门组件分别与数据采集***相连，其中：承压容器内设有加热到初始反应温度的冷却剂，当金属锂加热至初始反应温度后，数据采集***远程控制打开阀门组件中的电动阀门，实现大规模液态锂与冷却剂的相互作用和数据采集。本发明能够对大规模液态锂与冷却剂的相互作用机理进行详细的实验研究与理论分析，确定内能‐机械能转化比，为大型安全评估和计算分析程序提供机理性模型，这对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计、包层冷却方案的选择具有重要意义。

Description

大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种核工业领域的技术，具体是一种可以研究聚变装置中大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置。

背景技术

受控核聚变提供了一种潜在的、取之不尽的清洁能源，是解决人类未来能源问题的主要选择。在磁约束托卡马克装置中，其第一壁部件尤为关键。近年来，世界各国都开展了液态锂作为第一壁材料的相关实验，在托卡马克装置TFTR、T‐11M、NSTX、CDX‐U、FTU、T‐10上的实验研究表明，液态锂能承受很高的中子通量和表面热负荷，能有效降低粒子再循环、减少杂质，并具有自我修复能力等特点，可显著改善等离子体性能、提高核聚变装置运行的稳定性，将为磁约束聚变发展提供新的科学手段，是未来聚变堆面对等离子体第一壁发展的可能重要途径。相对于固体高热负荷材料，流动液态锂自由表面具有无中子辐照损伤、无寿命限制的问题、易于循环更新等优点，是一个非常具有应用前景的选择。

然而，在托卡马克装置中大规模应用液态锂也存在一定的安全风险。在高热流密度的作用下，根据托卡马克装置上液态锂限制器的实验研究，液态锂的表面温度会上升到600℃，当冷却剂管道发生破裂时或是锂和水都泄漏到真空室中，化学性质活泼的液态锂都有可能与水接触，发生剧烈的物理化学作用，放出大量的热，并产生具有***风险的氢气，引起装置内的温度、压力急剧变化，对装置的安全具有重要影响。特别是在采用了大量管道的包层中，破口事故的发生概率增加，冷却剂或是液态锂泄漏的可能性更大，液态锂的应用存在着更大的风险。

大规模液态锂与冷却剂的相互作用，主要是两方面的潜在危险：一是相互作用直接释放出的能量使装置的温度和压力急剧升高，破坏装置的完整性，并可能导致放射性物质的泄漏；二是是化学反应产物，如氢气，造成的进一步燃烧或***。从安全的角度来分析大规模液态锂与冷却剂的相互作用，最关心的是有多少内能转化为破坏性机械能而作用在周围环境构件上，有多少氢气产生及其相关的***风险，即能量转化比和氢气产生速率是关心的焦点。但目前关于大规模液态锂与冷却剂相互作用的研究较少，且大多集中在反应现象上，实验中观测的温度、压力变化和氢气产量，具有一定的局限性，不能很好的适用于液态锂的风险评估。当高温的金属熔融物与水相互作用时，通常会发生剧烈的***反应，能量的释放有两个来源，一方面是熔融物向水的快速传热，导致水急剧蒸发引发蒸汽***，这是短时间内的快速过程；另一方面，是由于金属与水的化学作用释放热量、产生氢气，进而导致的化学***，这个过程持续的时间更长。因此，该***过程是混合了氢气和蒸汽的***。

虽然已有的研究对液态锂与冷却剂相互作用的过程进行了阐述，但是，热量传递和蒸汽产生的确切机制尚不明确，也不能确定氢气***和蒸汽***在***过程中所占的比例，并缺少对能量转化比的研究；虽然有学者开发了熔融金属与冷却剂作用的能量转化比模型，但目前的研究结果针对的是裂变反应堆中高温熔融物与冷却剂作用造成的蒸汽***，而大规模液态锂与冷却剂的相互作用是包含了蒸汽***和化学***的复杂过程，现有的数学物理模型并不适用。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103807493A公开(公告)日2014.05.21，公开了一种新型温控阀结构，包括内、外换热板，注锂管道，两块内换热板夹装着注锂管道对合在一起，在两块内换热板对合面的背面分别对合两块外换热板，组成圆柱状部件，所述的内外换热板上开设有U型换热介质进、出通道及流通通道，在圆柱状部件外表面缠绕并固定一层加热丝，在加热丝外侧依次包覆隔热筒和中筒，在注锂管附近的换热板上、下表面上的孔中***固定测温线，在内、外换热板上、下两端分别包覆一层压板和隔热盖板，使用紧固螺栓对中筒、压板、隔热盖板进行固定得到完整的新型温控阀；但该技术的阀门的温度和承压难以满足核工业需要：阀门的温度变化范围有限，无法实现高温液态锂的保温和控制；该阀门不具备承压能力，无法承受较大的冲击波或压力峰值，存在较大安全隐患。因此，现有技术制约了大规模液态锂与冷却剂相互作用实验的开展和研究。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，能够对大规模液态锂与冷却剂的相互作用机理进行详细的实验研究与理论分析，确定内能‐机械能转化比，为大型安全评估和计算分析程序提供机理性模型，这对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计、包层冷却方案的选择具有重要意义。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：带有真空泵组的锂加热罐和与之相连的带有阀门组件的承压容器，承压容器上设有传感机构且传感机构和阀门组件分别与数据采集***相连，其中：承压容器内设有加热到初始反应温度的冷却剂，当金属锂加热至初始反应温度后，数据采集***远程控制打开阀门组件中的电动阀门，实现大规模液态锂与冷却剂的相互作用和数据采集。

所述的阀门组件包括：电动阀门、导流管、铠装加热丝和阀门变径，其中：导流管和阀门变径焊接在与数据采集***相连的电动阀门的两端，导流管的顶部与锂加热罐相连，阀门变径的底部与承压容器相连，铠装加热丝缠绕设置于导流管、电动阀门和阀门变径周围。

所述的导流管和阀门变径的设计压力均为8MPa，最高温度可到400℃。

所述的铠装加热丝使温度维持在实验设定的初始温度，能够保证液态锂在流动过程中不发生凝固，完全释放到承压容器中。

所述的电动阀门不仅能够维持锂加热罐中的真空度，保证液态锂加热过程中不会被氧化，还能承受来自下部承压容器中产生的压力峰值，同时，远程控制打开电动阀也增加了实验的安全系数。

所述的传感机构包括：压力传感器和热电偶，通过压力传感器、热电偶的实时测量，能够对大规模液态锂与冷却剂相互作用的过程进行定量的记录，为能量转换与氢气产生规律研究提供实验数据。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过建立锂加热罐、阀门组件和承压容器，形成一套密闭的实验装置，既能够保证金属锂在10^‐4Pa的高真空度下加热熔化，又能够承受作用过程产生的高温高压。通过阀门组件的保温和远程开启，保证了液态锂的正常流动和释放，提高了实验的安全性。承压容器中的温度传感器和压热电偶能够实时测量实验过程中的压力、温度变化，为大规模液态锂与冷却剂相互作用的能量转换与氢气产生规律研究提供实验数据。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：锂加热罐1、真空泵组2、电动阀门3、承压容器4、数据采集***5、进气口6、进气阀7、抽气阀8、加料口9、铠装加热丝10、导流管11、出气口12、阀门变径13、***片14、压力传感器15、热电偶16、复合真空计17、真空泵18、进排水口19、阀门组件20。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：带有真空泵组2的锂加热罐1和与之相连的带有阀门组件20的承压容器4，其中：承压容器4上设有与数据采集***5相连的传感机构。

所述的锂加热罐1要求既能满足真空度指标，又能承受大规模液态锂与冷却剂相互作用产生的压力峰值，其内径100mm，高400mm，由316不锈钢制成。锂加热罐1最高真空度达到2×10^‐4Pa，设计压力8MPa。

所述的锂加热罐1的法兰密封采用刀口法兰，加料口9内径30mm，采用快接法兰，刀口形式密封，漏率不大于1×10^‐9Pa·m³/s。

所述的真空泵组2包括：与锂加热罐1依次连接的复合真空计17和真空泵18以及设置于锂加热罐1上的抽气阀8，其中：复合真空计17由电阻规和电离规组成，用于测量锂加热罐1中的真空度。

所述的进气阀7的内径6mm，由316不锈钢制成，与氩气瓶减压阀相连。工作温度下的真空漏率小于1×10^‐8Pa·m³/s，设计压力10MPa。通过焊接方式连接在锂加热罐1上，可手动开启。

所述的抽气阀8内径40mm，由316不锈钢制成。

工作温度下的真空漏率小于1×10^‐8Pa·m³/s，设计压力10MPa。通过焊接方式连接在锂加热罐1上，可手动开启。

所述的真空泵组2通过机械泵和复合分子泵抽真空，锂加热罐1真空度在分子泵正常后60分钟后，达到2×10^‐4Pa。真空泵组2抽气速率300L/s，极限压力大于3×10^‐7Pa，前级泵为抽速2L/s的机械泵。复合真空计包括电阻规、电离规，用于测量锂加热罐1中的真空度。

所述的阀门组件20包括：电动阀门3、铠装加热丝10、导流管11和阀门变径13，其中：电动阀门3的上部与导流管11焊死，下部与阀门变径13焊接，然后通过法兰与承压容器4连接，可远程电动开启，释放液态锂进行实验。

所述的锂加热罐1、导流管11及电动阀门3外部均采用铠装加热丝10缠绕，保证温度范围是200℃至400℃，使大量金属锂维持液态状态。

所述的导流管11内径32mm，壁厚8mm，外径48mm，长度200mm，设计压力8MPa。

所述的阀门变径13为316不锈钢，由DN32变为DN100，便于阀门与下部承压容器4的连接。

所述的电动阀门3的内径32mm，由316不锈钢制成，与导流管11、承压容器4相连。工作温度下的真空漏率小于1×10^‐8Pa·m³/s，设计压力10MPa，设计温度450℃。

所述的承压容器4的容积350L，筒体内径600mm，设计压力8MPa，由304不锈钢制成。进气口内径10mm，外径15mm，抽气口外径30mm。

该承压容器4的筒体侧面焊接吊耳，吊耳与支撑架连接，用于支撑固定反应装置，装置可以升降，升降高度200～300mm。底部进、排水口共用，配耐压通水管路及阀门，内径20mm；承压容器4壁面开有压力传感器15、热电偶16测孔，上部配备***片14，用于保证装置安全，防止承压容器4超压失效。

所述的传感机构包括：与数据采集***5相连且设置于承压容器4上的压力传感器15和热电偶16，其中：压力传感器15选用量程0～8MPa，频率200kHz的动态高频压力传感器15，材质为304不锈钢，精度为0.1％FS，固定螺纹M10*1安装，输出0～5V的电压信号；由于锂液滴初始温度范围是200℃～400℃，冷却剂初始温度范围是20℃～90℃，因此选用WRNK‐234S铠装热电偶16，温度测量范围0～1000℃，固定螺纹M10*1安装，输出电压信号。

所述的数据采集***5为美国国家仪器有限公司的设备。采用NI cDAQ‐9178底槽，共8个槽位，其中：热电偶采集卡型号为NI 9213，16个通道，压力采集卡型号为NI 9223，4通道，采样率1MS/s。

本装置通过以下方式实现实验：当金属锂加热至初始反应温度后，通过远程控制调节电动阀门3，实现大规模液态锂与冷却剂的相互作用。承压容器4壁面的热电偶16和压力传感器15能够实时记录作用过程中的温度变化和压力变化。

本装置能够对大规模液态锂与冷却剂相互作用的过程进行定量的记录，为能量转换与氢气产生规律研究提供实验数据，对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计提供技术支持。

Claims (8)

1.一种大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征在于，包括：带有真空泵组的锂加热罐和与之相连的带有阀门组件的承压容器，承压容器上设有传感机构且传感机构和阀门组件分别与数据采集***相连，其中：承压容器内设有加热到初始反应温度的冷却剂，当金属锂加热至初始反应温度后，数据采集***远程控制打开阀门组件中的电动阀门，实现大规模液态锂与冷却剂的相互作用和数据采集。

2.根据权利要求1所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的阀门组件包括：电动阀门、导流管、铠装加热丝和阀门变径，其中：导流管和阀门变径焊接在与数据采集***相连的电动阀门的两端，导流管的顶部与锂加热罐相连，阀门变径的底部与承压容器相连，铠装加热丝缠绕设置于导流管、电动阀门和阀门变径周围。

3.根据权利要求1所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的真空泵组包括：与锂加热罐依次连接的复合真空计和真空泵以及设置于锂加热罐上的抽气阀。

4.根据权利要求1所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的传感机构包括：压力传感器和热电偶。

5.根据权利要求2所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的导流管和阀门变径的设计压力均为8MPa，最高温度可到400℃；

所述的导流管内径32mm，壁厚8mm，外径48mm，长度200mm；

所述的阀门变径为316不锈钢，由DN32变为DN100，便于阀门与下部承压容器的连接；

所述的电动阀门的内径32mm，由316不锈钢制成，工作温度下的真空漏率小于1×10^‐8Pa·m³/s，设计压力10MPa，设计温度450℃。

6.根据权利要求1所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的锂加热罐内径100mm，高400mm，由316不锈钢制成，最高真空度达到2×10^‐4Pa，设计压力8MPa。

7.根据权利要求1所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的承压容器的容积350L，筒体内径600mm，设计压力8MPa，由304不锈钢制成，进气口内径10mm，外径15mm，抽气口外径30mm。

8.根据权利要求1所述的大规模液态锂与冷却剂相互作用的实验装置，其特征是，所述的承压容器的筒体侧面焊接吊耳，吊耳与支撑架连接以支撑固定反应装置，承压容器的底部设有进、排水口；承压容器的壁面设有用于安装传感机构的测孔；承压容器的上部配备***片。