[發明專利]面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統及方法

有效

• 申請號: 201910095175.8
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109903861B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 黃明;左桂忠;胡建生;陳躍;袁嘯林;孫震;孟獻才;徐偉;錢玉忠;李成龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G21B1/05
• 分類號: G21B1/05;G21B1/13
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 宋仔娟

本發明公開了一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統及方法，包括有惰性氣體儲氣瓶、液態鋰壁、等離子體和控制系統。在磁約束聚變實驗中，液態鋰壁遭受等離子體熱流轟擊后溫度迅速上升，當超過其溫度閾值時，利用控制系統發送命令給可編程直流電源，使加熱棒停止加熱；同時遠程開啟供氣閥，通過冷卻管道通入惰性氣體，快速降低液態鋰壁的表面溫度，減少等離子體對其損傷。當低于其溫度閾值時，關閉供氣閥停止通入惰性氣體，調節可編程直流電源的輸出電壓，加熱棒再次加熱，使液態鋰壁升溫并維持在其工作溫度。本發明是一種能夠快速有效降低等離子體熱流對液態鋰壁損傷的方法，為未來聚變堆中液態鋰第一壁的成功應用提供良好的技術基礎。

技術領域

本發明涉及磁約束聚變裝置第一壁材料領域，具體是一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統及方法。

背景技術

磁約束受控核聚變是解決人類能源及環境問題的重要途徑之一。隨著聚變裝置的不斷升級，等離子體與面向等離子體的壁材料(第一壁)的相互作用逐漸變強，由此引起壁材料的損傷及腐蝕加劇，嚴重影響聚變裝置的運行安全。而降低第一壁材料表面的溫度可以減少等離子體對第一壁的損傷。此外，金屬鋰因具有優良的物理和化學性能而受到廣泛關注，被選為面向等離子體第一壁的候選材料。研究表明液態鋰第一壁與等離子體具有良好的兼容性，同時能改善等離子體性能，此外，液態鋰能承受很高的表面熱負荷且不易損壞，能有效保護基底材料。在托卡馬克裝置中，已開展了大量的關于液態鋰第一壁研究工作，取得了豐碩的成果，但是也存在一定的困難性。原因有以下幾點：1.由于實驗過程中在液態鋰壁遭受等離子體熱流轟擊時，鋰的蒸發、濺射等會造成自身消耗損失是無法避免的，如果大量的鋰進入等離子體會導致其熄滅，而降低液態鋰壁過高的溫度是一種減少鋰損耗的有效方法；2.液態鋰壁安裝在聚變裝置內部，沒有辦法開展自然風冷；另一方面，鋰極易與水反應，與熔融的液態鋰會發生爆炸反應，若采用水冷存在重大安全風險；3.托卡馬克裝置在進行聚變等離子體放電實驗時,會產生高能X射線、γ射線以及中子輻射，期間嚴禁任何人員進入實驗大廳進行作業。因此，發明一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制技術顯得極為重要。

發明內容

本發明目的就是為了彌補已有技術的不足，提供一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統及方法，減少等離子體熱流對液態鋰壁的損傷。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統，其特征在于：包括有惰性氣體儲氣瓶、液態鋰壁、等離子體和控制系統，所述惰性氣體儲氣瓶的出氣口安裝有減壓閥，減壓閥出氣口通過氣管與供氣閥入口焊接連接，供氣閥出口與冷卻管道一端相連，冷卻管道的另一端直接暴露于大氣，冷卻管道布置于液態鋰壁的中間位置，液態鋰壁中布置有加熱棒，控制系統與供氣閥、加熱棒控制連接；在液態鋰壁受到等離子體熱流轟擊時通過控制系統實現溫度負反饋控制；具體為：液態鋰壁遭受等離子體熱流轟擊后溫度迅速上升，當超過其溫度閾值時，通過控制系統將直流電源輸出電壓調零，液態鋰壁中的加熱棒停止工作；同時利用控制系統控制開啟供氣閥，再通過冷卻管道通入惰性氣體，快速降低液態鋰壁的溫度；當液態鋰壁的溫度低于其溫度閾值時，關閉供氣閥停止通入惰性氣體，同時調節直流電源輸出電壓，加熱棒再次工作逐漸升溫，使液態鋰壁的溫度維持在工作溫度范圍內。

所述的一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統，其特征在于：所述的液態鋰壁是一塊液態鋰限制器，尺寸為350mm×320mm，基底為Cu熱沉，利用熱等靜壓工藝在其正面焊接0.5mm厚的不銹鋼導流板，所述冷卻管道、加熱棒均布在熱沉背面。

所述的一種面向等離子體的液態鋰壁的溫度負反饋控制系統，其特征在于：所述的惰性氣體儲氣瓶為氬氣瓶，惰性氣體為氬氣。采用氣冷而非水冷，是因為水能與液態鋰迅速反應發生爆炸，如果發生真空泄漏存在安全隱患，而氬氣是一種惰性氣體，不與鋰發生反應。相對于其它惰性氣體，氬氣的價格低廉。