[發(fā)明專利]一種強(qiáng)磁場(chǎng)下的連續(xù)金屬液膜生成裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410345383.6
• 申請(qǐng)日: 2014-07-18
• 公開（公告）號(hào): CN104078084A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 倪明玖;陽倦成;張杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大學(xué)
• 主分類號(hào): G21B1/05
• 分類號(hào): G21B1/05
• 代理公司: 北京超凡志成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11371
• 代理人: 吳開磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能源領(lǐng)域，具體而言，涉及一種強(qiáng)磁場(chǎng)下的連續(xù)金屬液膜生成裝置及方法。

背景技術(shù)

隨著可開采的煤、石油等自然資源的逐漸耗盡，人類可利用的自然資源越來越少，能源危機(jī)日益嚴(yán)重。世界人口的增長進(jìn)一步加速了這一危機(jī)的爆發(fā)。核能的發(fā)展為能源危機(jī)的解決開辟了一條新的途徑，核能包括核裂變能和核聚變能，其中，核聚變反應(yīng)因具有反應(yīng)原料豐富、反應(yīng)過程相比安全、反應(yīng)后產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染較小、反應(yīng)產(chǎn)生能量密度較大等優(yōu)點(diǎn)而被稱之為下一代新能源的發(fā)展方向。

托卡馬克核聚變裝置是目前廣受關(guān)注的一種磁約束核聚變裝置，該裝置通過使用限制器或偏濾器，將高溫等離子體與真空室隔開并期望實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)傳遞聚變產(chǎn)生的熱量；(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)雜質(zhì)的有效控制；(3)在長脈沖運(yùn)行條件下保持良好的第一壁狀態(tài)，穩(wěn)定控制工作氣體的再循環(huán)，阻止非工作氣體的進(jìn)入；(4)維持良好的邊界等離子體環(huán)境，減少對(duì)第一壁材料的刻蝕。邊界等離子體和第一壁是一個(gè)相互耦合的系統(tǒng)，它們之間的相互作用，如氫滯留和邊界再循環(huán)，在很大程度上影響著等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行，而等離子體對(duì)材料的濺射刻蝕和融化蒸發(fā)則決定了第一壁材料和部件的壽命。此外，等離子體轟擊第一壁產(chǎn)生的雜質(zhì)，一部分再沉積回到壁面并會(huì)引起第一壁材料的性質(zhì)改變，另一部分進(jìn)入芯部，造成等離子體的強(qiáng)烈輻射冷卻，重雜質(zhì)如W、Mo，影響尤甚。因此，第一壁材料的選擇對(duì)整個(gè)聚變裝置而言是至關(guān)重要的。

目前，可選偏濾器根據(jù)其第一壁材料的形態(tài)可分為固態(tài)和液態(tài)兩種形式。固態(tài)偏濾器的第一壁材料主要選用石墨、鎢和鈹材料。但是，石墨的物理濺射率高，其嚴(yán)重的化學(xué)濺射產(chǎn)生的碳?xì)錃怏w組分的遠(yuǎn)程再沉積將迅速導(dǎo)致裝置內(nèi)放射性氚滯留的超標(biāo)，而再沉積層中高的氫滯留導(dǎo)致高的邊界粒子再循環(huán)、將會(huì)嚴(yán)重影響等離子體的穩(wěn)定性；鎢由于其極高的輻射冷卻特點(diǎn)，與等離子體的相容性很差(容忍度<10-4)，同時(shí)也存在熔化蒸發(fā)、起毛起泡等熱和粒子輻照問題；鈹材料的低熔點(diǎn)、潛在的有毒性、相對(duì)高的物理濺射率都限制了其應(yīng)用。近年來，液態(tài)偏濾器概念，特別是流動(dòng)的液態(tài)鋰偏濾器，受到了國際上的廣泛關(guān)注。

已有研究成果表明，鋰是控制粒子再循環(huán)的最有效手段，不僅可以降低來自器壁的雜質(zhì)，還能有效的控制等離子體密度(流動(dòng)鋰的邊界再循環(huán)幾乎為零)，這對(duì)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的核聚變裝置具有重大意義，可以解決大部分未來聚變堆所面臨的難題，包括長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、高能量約束等離子體、粒子控制和高密度放電、低的有效電荷數(shù)等。

然而，根據(jù)磁流體力學(xué)的知識(shí)，對(duì)于磁約束聚變堆，其中的強(qiáng)磁場(chǎng)作用會(huì)在流動(dòng)的液態(tài)金屬中產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力，它作用在流體上會(huì)使液態(tài)金屬自由表面產(chǎn)生磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)不穩(wěn)定性，直觀上表現(xiàn)為流動(dòng)阻力急劇增大。流動(dòng)阻力的增大勢(shì)必會(huì)使得液膜不能連續(xù)高速形成并覆蓋于偏濾器表面，這將嚴(yán)重制約自由鋰壁面所應(yīng)該需要發(fā)揮的功能。

目前，傳統(tǒng)的解決辦法是增加液膜入口流速或減少流動(dòng)距離，其中，增加液膜入口流速需要額外的金屬流體驅(qū)動(dòng)功耗，對(duì)于實(shí)際磁約束核聚變堆中，所用的液態(tài)鋰偏濾器尺寸較大，要保證在整個(gè)液態(tài)鋰偏濾器表面一直具有較大的流速所需要消耗的驅(qū)動(dòng)能耗較大；而流動(dòng)距離是由核聚變堆中的液態(tài)偏濾器尺寸決定的，無法直接減少。因此，這兩種傳統(tǒng)的方法都無法直接應(yīng)用于核聚變堆中的液態(tài)偏濾器來實(shí)現(xiàn)連續(xù)金屬液膜的生成。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)磁場(chǎng)下的連續(xù)金屬液膜生成裝置及方法，以解決上述的問題。

在本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種連續(xù)金屬液膜生成裝置，包括多個(gè)相互疊加的由絕緣材料制成的液膜生成子單元，多個(gè)所述液膜生成子單元的長度不等；

所述液膜生成子單元包括呈矩形的橫板，所述橫板一側(cè)面為液膜流經(jīng)面，另一面的兩端沿所述橫板的長度方向設(shè)有相互平行的支板，所述支板設(shè)于相鄰的所述液膜生成子單元的所述橫板的液膜流經(jīng)面上；

多個(gè)所述液膜生成子單元的一端相互縱向?qū)R，其中，頂層的所述液膜生成子單元的所述橫板的長度為L，第二層的所述橫板的長度為2L，依次第n層的所述橫板的長度為n?L，其中n為1，2，3，…，n。

進(jìn)一步的，所述橫板及所述支板內(nèi)設(shè)有鎧裝層，所述鎧裝層內(nèi)設(shè)有電熱絲。

進(jìn)一步的，所述L的范圍為5-10cm，相鄰的兩塊所述橫板之間的距離范圍為0.01-1cm。

優(yōu)選的，所述液膜生成子單元的材質(zhì)為陶瓷或碳化硅。

一種連續(xù)金屬液膜生成方法，包括以下步驟：