[發(fā)明專利]一種適應(yīng)用于聚變堆固態(tài)包層的分區(qū)氚吹掃系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610108339.2
• 申請(qǐng)日: 2016-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN105976874B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬學(xué)斌;陳磊;祝慶軍;劉松林;陳友華;蔣科成;成曉曼;黃凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所
• 主分類號(hào): G21B1/11
• 分類號(hào): G21B1/11
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種適應(yīng)用于聚變堆固態(tài)包層的分區(qū)氚吹掃系統(tǒng)，屬于核聚變工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)

產(chǎn)生聚變裝置芯部高溫聚變反應(yīng)所必須的氚，實(shí)現(xiàn)氚自持是聚變堆包層的主要功能之一。根據(jù)氚增殖劑的物態(tài)形式可將聚變堆包層分為固態(tài)氚增殖劑包層和液態(tài)氚增殖劑包層。其中，固態(tài)水冷包層(WCCB)作為中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)的一種重要固態(tài)增殖劑包層方案，也正在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和研發(fā)。水冷固態(tài)包層采用Li₂TiO₃/Be₁₂Ti混合球床作為產(chǎn)氚載體。同時(shí)，為了提高包層的產(chǎn)氚效率，在其中布置鈹球床作為中子倍增劑。與其他固態(tài)增殖劑包層一樣，固態(tài)水冷包層通過(guò)氦氣攜帶氫氣流經(jīng)球床顆粒之間的孔隙，利用氫同位素置換的方法提取在增殖區(qū)產(chǎn)生的氚，進(jìn)而輸送到包層外部的氚回收系統(tǒng)。因此，必須在包層內(nèi)部設(shè)計(jì)專門的氚吹掃系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)包層內(nèi)部氚的輸送和提取。

氚吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及中子學(xué)、材料科學(xué)、流體與傳熱傳質(zhì)等交叉學(xué)科，需要兼顧氚提取效率、吹掃氣流動(dòng)阻力、增殖區(qū)的冷卻性能等因素。一方面，考慮到微球尺寸較小(一般為1～2mm)，吹掃路徑較長(zhǎng)，吹掃氣體流動(dòng)阻力比較可觀。另一方面，因長(zhǎng)時(shí)間處在中子輻照條件下，固態(tài)增殖劑顆粒會(huì)發(fā)生輻照腫脹。由于輻照腫脹和熱膨脹導(dǎo)致的球床顆粒變形、燒結(jié)、破裂和結(jié)構(gòu)重組也會(huì)影響傳熱及提氚效果，甚至在局部區(qū)域出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，導(dǎo)致吹掃氣體流通性變差，冷卻能力不足，氚滯留嚴(yán)重。因此，氚吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜而艱難的工作。

目前，日本對(duì)其ITER水冷固態(tài)包層實(shí)驗(yàn)?zāi)K的氚吹掃系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)。其包層結(jié)構(gòu)采用徑向分區(qū)布置，即增殖區(qū)被冷卻管(或冷卻板)沿徑向分隔為若干子區(qū)。吹掃氣體由包層背板一側(cè)的吹掃氣分配母管流入，沿包層底部進(jìn)入各子區(qū)，再經(jīng)極向吹掃球床，最后通過(guò)頂部吹掃氣管道收集，從包層背板一側(cè)流出。其不足之處在于：(1)包層徑向每個(gè)子區(qū)均需布置吹掃氣管，管道較多，不易固定，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；(2)沿包層極向吹掃球床，流經(jīng)球床的吹掃路徑較長(zhǎng)，吹掃氣阻力大，進(jìn)出口壓差較高，需較大功率的泵(或風(fēng)機(jī))推動(dòng)吹掃氣循環(huán)；(3)每個(gè)子區(qū)吹掃氣管布置集中，容易形成吹掃死區(qū)，很難實(shí)現(xiàn)均勻吹掃。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有固態(tài)增殖劑包層氚吹掃系統(tǒng)氣體流動(dòng)阻力大、容易出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種聚變堆水冷包層的橫向氚吹掃系統(tǒng)方案，可用于聚變堆固態(tài)包層設(shè)計(jì)中；該方案不僅有效降低了吹掃氣體進(jìn)出口壓降，而且吹掃氣流均勻，不易出現(xiàn)局部流動(dòng)死區(qū)，同時(shí)兼具冷卻功能。

為克服上述現(xiàn)有固態(tài)增殖劑包層氚吹掃系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種適應(yīng)用于聚變堆固態(tài)包層的分區(qū)氚吹掃系統(tǒng)，它由吹掃氣體分配聯(lián)箱、吹掃氣體收集聯(lián)箱、包層側(cè)板以及若干包層加強(qiáng)隔板組成；包層側(cè)板與各加強(qiáng)隔板、各加強(qiáng)隔板之間間隔約為150～250mm，將包層分割為若干子區(qū)，各子區(qū)被增殖劑球床(Li₂TiO₃/Be₁₂Ti混合球床)或中子倍增劑球床(鈹球床)填充。包層側(cè)板及加強(qiáng)隔板內(nèi)布置有許多吹掃氣體分配腔(或收集腔)，氣體分配腔(或收集腔)一端經(jīng)側(cè)板或加強(qiáng)隔板上均勻分布的氣孔與球床相通，另一端與相應(yīng)的分配聯(lián)箱(或收集聯(lián)箱)相連。吹掃氣體分配聯(lián)箱用于向包層側(cè)板及加強(qiáng)隔板分配吹掃氣，實(shí)現(xiàn)吹掃氣初級(jí)分配；包層側(cè)板、加強(qiáng)隔板通過(guò)其內(nèi)部的氣體分配腔(或收集腔)實(shí)現(xiàn)吹掃氣次級(jí)分配和初級(jí)收集；而收集聯(lián)箱則收集來(lái)自包層加強(qiáng)隔板的吹掃氣，實(shí)現(xiàn)吹掃氣次級(jí)收集。系統(tǒng)各模塊使用低活化鋼加工制造。吹掃氣體為氦氣(含有約0.1％氫氣)，氣體流速約為0.1m/s～0.3m/s。

所述包層氚吹掃系統(tǒng)中的吹掃氣體由氣體分配聯(lián)箱進(jìn)入包層側(cè)板(或加強(qiáng)隔板)中的氣體分配腔，流經(jīng)包層各子區(qū)內(nèi)的填充球床，再經(jīng)加強(qiáng)隔板中的氣體收集腔匯集流入吹掃氣體收集聯(lián)箱，在包層內(nèi)部完成吹掃循環(huán)。該吹掃循環(huán)實(shí)現(xiàn)吹掃氣兩級(jí)分配和兩級(jí)收集，而且每個(gè)包層子區(qū)可分別獨(dú)立吹掃。

所述包層側(cè)板及加強(qiáng)隔板中內(nèi)布置有冷卻流道，與包層冷卻系統(tǒng)相連。冷卻劑流經(jīng)上述冷卻流道，帶走包層側(cè)板及加強(qiáng)隔板乃至球床的熱量，實(shí)現(xiàn)冷卻功能。

本發(fā)明與現(xiàn)有固態(tài)增殖劑包層氚吹掃系統(tǒng)相比，其有益效果是：

1.吹掃氣體分配腔和收集腔布置于包層側(cè)板及加強(qiáng)隔板內(nèi)，使包層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易于加工；

2.實(shí)現(xiàn)包層各子區(qū)分別獨(dú)立吹掃，吹掃路徑較短，吹掃氣體進(jìn)出口壓差大大降低，氣體流動(dòng)阻力減小，使吹掃系統(tǒng)更加高效；