專利名稱:利用液態金屬鋰用于磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種托卡馬克聚變反應堆真空內部第一壁結構，尤其是利用液態金屬鋰用于磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構。
背景技術：
雜質抑制和粒子再循環的控制是目前托卡馬克運行的重要研究方向。目前的托卡馬克需要通過等離子體第一壁材料的選擇、以及對第一壁有效的處理(如清洗、鍍膜等)來減少等離子體中的雜質，改善等離子體的約束，獲得高品質的等離子體。通過降低粒子再循環降低粒子的壁滯留，來提高等離子體的密度控制能力，實現連續運行。
目前在托卡馬克裝置中研究的等離子體第一壁材料主要是石墨、鎢和鈹材料。石墨具有良好的熱性能、低輻射能量損失、很好的焊接技術、廣泛的實驗基礎等優點而被廣泛應用。然而，石墨材料的腐蝕及其再沉積導致的氫同位素的滯留將嚴重影響粒子的再循環， 由于化學濺射會使石墨毎年腐蝕率大于10厘米，使用壽命降低和等離子體芯部的雜質水平升高；中子輻照引起石墨的熱物理和力學性能的快速衰變(特別是熱導值較大幅度的降低)；燃料再沉積碳層中高氚滯留量所導致的裝置的經濟性與安全運行問題等，將導致未來聚變反應堆不可能使用石墨材料。鎢材料目前也被選擇為第一壁的材料，它具有較高的抗濺射能力和高溫下低燃料滯留率等優點。但是等離子體對其容忍的含量很低、氧對其化學腐蝕及高活化性可能會影響其廣泛應用，使用時必須對第一壁的形狀、條件嚴格控制。鈹材料的優點是低的原子序數、熱導大、吸氧能力好、很好的焊接技術等。但是由于鈹具有較低的熔化溫度、潛在的有毒性、相對高的濺射率將限制其應用，一般用于能流密度不高的等離子體第一壁，也不能用于未來聚變堆。
鋰是ー種原子序數低、非常活潑的材料金屬，可以有效吸收真空室中的02，N2，C0， H2O, CO2等雜質，從而可以大大降低托卡馬克裝置中雜質含量。但鋰也與大量無機試劑和有機試劑發生反應，與水的反應非常劇烈，在空氣中易氧化，這些都導致鋰第一壁設計和安裝困難；如何避免鋰被氧化是鋰第一壁設計的難點和挑戰。
鋰對氫氣燃料具有非常優異的抽氣能力，每個鋰原子可以吸附10%的氫原子。在溫度不高的情況下鋰對分子氫的吸附很低，表現出對分子氫有較低的抽速，氫的滯留量較少。當溫度大于200度時，抽速迅速加大在，500°C左右與氫發生反應，并且是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氫化物的堿金屬，不會在等離子體放電中產生很高的粒子再循環。
鋰的熔點低，為180. M°C，可以采取直接加熱的方式產生液態鋰。在液態鋰的情況下，鋰有較強的對燃料粒子的俘獲作用。特別是未來反應堆環境下，邊界粒子的通量和能量都很高，粒子可以很容易在液態鋰中擴散爾不飽和，能夠實現低再循環(再循環系數小于 0. 5 )運行模式，獲得高約束等離子體放電。最佳的液態鋰溫度應該控制在攝氏200-350度。
鋰的電離能較低，為5. 39hV，鋰一旦進入等離子體將很快被電離。鋰在熱的等離CN 102543222 A
子體區域會被完全電離，在較冷的等離子體邊界區域發生韌致輻射，在等離子體邊界產生的輻射將冷卻等離子體的邊界區域，這樣可以減少沿著磁力線流向限制器和偏濾器的對流功率流，并且將其分布在更大的表面上，從而減少局部的熱量積累、減輕了濺射效應，盡可能地降低了真空室的雜質含量及第一壁的腐蝕。另外，鋰具有較高的比熱，耐熱沖擊比較好。
綜上所述，金屬鋰，特別是液態金屬鋰，是ー個較為理想的未來磁約束聚變反應堆的第一壁材料。
發明內容
本發明提供了ー種種利用液態金屬鋰用于磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構來改善托卡馬克裝置反應堆第一壁燃料再循環的方法。
本發明的技術方案
利用液態金屬鋰用于磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，包括反應堆真空室，內有包括上偏濾器區的高熱負荷區、低負荷區，其特征在于高熱負荷區上部使用固太金屬偏濾器結構，下部限制器采用流動液態金屬鋰的方式，反應堆真空室內高熱負荷區下部安裝敞ロ槽，內有液態金屬鋰，并通過液態金屬泵使得液態鋰在敞ロ槽與鋰儲罐之間循環流動。
裝在敞ロ槽內的金屬鋰，純度不小于99.9%、厚度不小于10毫米，整個第一壁結構穩定在攝氏200-350度條件下，使敞ロ槽內鋰金屬處于液態。
所述的敞ロ槽，其材料是低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，槽底中分布冷卻通道，所述的冷卻通道中通以熱源，以確保金屬鋰處于液態。
由于未來磁約束反應堆運行條件苛刻，按第一壁所受熱負荷分為低負荷(高場和低場區)、高熱負荷區(上偏濾器區、下限制器)兩個區域，低負荷約為每平方米5MW，高負荷為每平方米20MW。
本發明在所述的高熱負荷區，使用上固體偏濾器結構，下流動液態金屬鋰的方式來綜合解決。
本發明的關鍵就是通過使用下單零偏濾器/近下單零偏濾器等離子體位型(即將高負荷區全部/90%熱能集中到下部);或采用非対稱上下偏濾器雙零結構，使下部承擔大部分(大于70%)熱負荷。
敞ロ槽中的液態金屬鋰，將在液態金屬泵的作用下，沿環向緩慢流動，并通過從真空室中引出的循環管道進入液態鋰循環系統，并在循環系統中再生和恢復處理。這樣，在真空室內與等離子體處于強相互作用的液態鋰始終處于流動狀態，保證其表面始終是處理后的新鮮液態鋰，避免了第一壁材料由于長時間的與等離子體相互作用而造成的材料腐蝕和損傷，以及鋰第一壁燃料吸附飽和的問題，從而能實現零鋰材料腐蝕、零燃料滯留率條件下的穩態運行。
在上偏濾器區，可以使用鎢材料作為第一壁材料，通過在上偏濾器區使用強充高輻射惰性氣體的方法，將等離子體熱能均勻分布在上偏濾器表面，這樣就大大降低了對上偏濾器打擊點的強轟擊エ況，延長上偏濾器的材料壽命20-30年。
對低負荷區，其模塊制造的方法可以多種多祥，面對等離子體的第一壁材料采用高純金屬鎢板，厚度大于20毫米。后支撐材料為低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，厚度大于 300毫米，后支撐材料中均勻分布直徑為15毫米的冷卻通道。同樣可以采用在邊界區使用強充高輻射惰性氣體的方法，將等離子體熱能均勻分布在第一壁表面，延長上第一壁的材料壽命20-30年。
本發明的優點
本發明公開了ー種利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，它是使用流動液態金屬鋰限制器來取代常規的高熱負荷下偏濾器。流動的金屬鋰可以承受大于每平方米20MW的熱負荷，同吋，由于其不斷循環的流動金屬，使其第一壁材料不會由于長時間的與等離子體相互作用而造成的材料腐蝕和損傷。整個第一壁結構可以穩定的運行在攝氏200-350度條件下，鋰限制器運行在此條件下處于液態，可以有較大的吸附燃料氫和雜質粒子的能力。在此條件下，整個燃料再循環可以保持在零滯留率和小于0. 5 的再循環系數，從而能實現零鋰材料腐蝕、零燃料滯留率條件下的穩態運行。減少該裝置局部的熱量積累、減輕濺射效應。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進ー步詳細的說明。
圖1為磁約束反應堆結構示意圖。 具體實施方式
ー種利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構來改善托卡馬克裝置反應堆第一壁燃料再循環的結構，包括有一反應堆真空室1，反應堆真空室1內部含有高熱負荷區、低負荷區7，高場區5和低負荷區7分別位于真空室1高熱負荷區的側中段，反應堆真空室內高熱負荷區上部是上偏濾器4區，反應堆真空室1內高熱負荷區下部分安裝鋰限制器6，所述鋰限制器6包括在真空室下部安裝的敞ロ槽2，敞ロ槽2內裝有金屬鋰3，敞ロ槽2通過外接循環管道9與外部鋰儲罐8連接，循環管道9中安裝有液態金屬泵 10。在真空室第一壁運行條件下，敞ロ槽2內鋰3處于液態，并通過液態金屬泵10使得液態鋰3在敞ロ槽2與鋰儲罐8之間循環流動。
裝在槽內的金屬鋰，采用純度不小于99. 9%、厚度不小于10毫米的金屬鋰，整個第一壁結構穩定在攝氏200-350度條件下，使槽內鋰金屬處于液態。
所述的敞ロ槽，其材料采用低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，其底部厚度大于50毫米，其間均勻分布直徑為15毫米的冷卻通道，在冷卻通道中通以攝氏200度的高壓水，以確保金屬鋰3處于液態。由于沿整個大環是連續的，等離子體打擊點均勻落在液態鋰上，高能量和高通量粒子幾乎全部被液態鋰所俘獲，由于液態鋰吸附燃料氫和雜質粒子的能力，從而實現低再循環(再循環系數小于0. 5)的高約束等離子體放電。使得安裝的鋰限制器6實現了減少該裝置局部的熱量積累、減輕濺射效應，減低托卡馬克裝置中的雜質含量及第一壁的腐蝕和損傷，可以保持在零滯留率和小于0. 5的再循環系數，從而能實現零鋰材料腐蝕、零燃料滯留率條件下的穩態運行。
敞ロ槽中的液態金屬鋰，將在液態金屬泵的作用下，沿環向緩慢流動，并通過從真空室中引出的循環管道進入液態鋰循環系統，并在循環系統中再生和恢復處理。這樣，在真空室內與等離子體處于強相互作用的液態鋰始終處于流動狀態，保證其表面始終是處理后的新鮮液態鋰，避免了第一壁材料由于長時間的與等離子體相互作用而造成的材料腐蝕和損傷，以及鋰第一壁燃料吸附飽和的問題，從而能實現零鋰材料腐蝕、零燃料滯留率條件下的穩態運行。
液態金屬鋰可以有較大的吸附燃料氫和雜質粒子的能力。在此條件下，整個燃料再循環可以保持在零滯留率和小于0. 5的再循環系數，從而能實現零鋰材料腐蝕、零燃料滯留率條件下的穩態運行。
權利要求
1.ー種利用液態金屬鋰用于磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，包括反應堆真空室，內有包括上偏濾器區的高熱負荷區、低負荷區，其特征在于高熱負荷區上部使用固太金屬偏濾器結構，下部限制器采用流動液態金屬鋰的方式，反應堆真空室內高熱負荷區下部安裝敞ロ槽，內有液態金屬鋰，并通過液態金屬泵使得液態鋰在敞ロ槽與鋰儲罐之間循環流動。
2.根據權利要求
1所述的利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，其特征在于裝在敞ロ槽內的金屬鋰，純度不小于99. 9%、厚度不小于10毫米，整個第一壁結構穩定在攝氏200-350度條件下，敞ロ槽內鋰金屬處于液態。
3.根據權利要求
1所述的利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，其特征在于所述的敞ロ槽，其材料是低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，槽底中分布冷卻通道，所述的冷卻通道中通以熱源，以確保金屬鋰處于液態。
4.根據權利要求
1所述的利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，其特征在于高熱負荷區使用下單零偏濾器/近下單零偏濾器等離子體位型，將高熱負荷區全部/90%熱能集中到下部。
5.根據權利要求
1所述的利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，其特征在于高熱負荷區采用非対稱上下偏濾器雙零結構，使下部承擔大于70% 熱負荷。
6.根據權利要求
1所述的利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，其特征在干在上偏濾器區，使用鎢材料作為第一壁材料，通過在上偏濾器區使用強充高輻射惰性氣體的方法，將等離子體熱能均勻分布在上偏濾器表面。
專利摘要
本發明公開了一種利用液態金屬鋰作為磁約束反應堆真空室第一壁高熱負荷區的結構，反應堆真空室內下部高熱負荷區安裝一鋰限制器，鋰限制器安裝有一個敞口槽，敞口槽內裝有鋰，敞口槽通過外接循環管道與外部鋰儲罐連接，循環管道中安裝有液態金屬泵。鋰限制器的敞口槽中的液態金屬鋰將在液態金屬泵的作用下，沿環向緩慢流動，并通過從真空室中引出的循環管道進入液態鋰循環系統，并在循環系統中再生和恢復處理。
文檔編號G21B1/05GKCN102543222SQ201210069584
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月16日
發明者左桂忠, 李建剛, 胡建生 申請人:中國科學院等離子體物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan