旋转喷头式液态锂锡合金反应器

摘要

本发明公开了一种旋转喷头式液态锂锡合金反应器，属于聚变反应堆液态包层技术领域。所述的锂锡合金反应器含有反应床系统、管道系统和手套箱三个部分。所述锂锡合金反应器中的旋转升降电机的底部穿过箱体与所述喷头连杆的顶部通过动态密封固定连接，喷头连杆的中部与不锈钢容器相连接，喷头连杆的底部置于不锈钢容器内，在喷头连杆上设置有喷头。本发明的有益效果是，液态锂锡合金中氢的提取效果明显，测量结果准确，喷头连杆与喷头能够连续工作，反应床系统与管道系统密封良好。

说明书

技术领域

本发明属于聚变反应堆液态包层技术领域，具体涉及一种旋转喷头式液态锂锡合金反应器。

背景技术

聚变堆发电将是人类获得取之不尽清洁能源的重要途径。在聚变堆的概念设计中，包层是实现低发电成本和高环境适应性的聚变能源应用的关键能量转换部件，其主要功能包括氚增殖、辐射屏蔽和能量转换等。包层按氚增殖剂分为液态增殖剂包层和固态增殖剂包层。液态包层氚增殖材料有液态锂，液态锂铅合金、液态锂锡合金，熔盐FLiBe、FLiNaBe等。目前技术相对成熟、备受推崇的是锂铅合金，其特点是化学活性和电导性较低，磁流体动力效应较弱，在包层中既充当氚增殖剂，又可作为冷却剂将热量载带出来，并且Pb还具有中子倍增的功能，成为国际热核试验堆（ITER）液态包层首选增殖剂材料。与锂铅合金相比，锂锡合金具有更低的密度、蒸汽压、表面张力和黏度，并且氚在锂锡合金中的Sievert’s常数是锂铅合金的5倍以上，更利于氚的在线快速提取，是未来很有发展前景的增殖剂材料。

由于锂锡合金是新型的氚增殖剂材料，国外的研究也是刚刚起步，目前从液态锂锡中提取氢同位素的研究还处于理论模拟阶段，还在解决锂锡合金的制备、性能测试等材料来源问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转喷头式液态锂锡合金反应器，能够模拟液态锂锡合金中微量氢的提取过程。

本发明的旋转喷头式液态锂锡合金反应器，其特点是，所述的反应器含有反应床系统、管道系统和手套箱三个部分。反应床系统包括设置在手套箱的箱体外部的旋转升降电机、真空仪，以及设置在箱体内的喷头连杆、载气增压筒、不锈钢容器。管道系统包括传感器管道、保护气接口管道、测温管道、真空接口管道。所述旋转升降电机的底部穿过箱体与所述喷头连杆的顶部通过动态密封固定连接，喷头连杆的中部与不锈钢容器相连接，喷头连杆的底部置于不锈钢容器内，在喷头连杆底部设置有喷头。载气增压筒的一端与喷头连杆通过O型垫圈密封连接，载气增压筒的另一端穿出箱体，外接载气配置单元。不锈钢容器的外围分别设置有加热器、保温层。传感器管道的一端通过法兰与不锈钢容器上部固定连接，另一端穿出箱体，外接氢同位素传感器。测温管道的一端通过法兰与不锈钢容器上部固定连接，另一端穿出箱体，外接温度传感器。真空仪设置于旋转升降电机的一侧。所述的箱体底部设置有支座。所述的保护气接口管道设置于箱体底部，外接保护气钢瓶。真空接口管道设置于箱体一侧，外接真空机组。所述的喷头设置的数目为4-6个。

本发明的原理是，在金属流体中，有三种产生小气泡的方法：多孔板、旋转喷头和浸没式高速喷嘴。第一种是气体被迫通过相互连接的网状通道，从板表面上的小孔挣脱出来产生气泡，虽然初期形成小气泡，当气流速度增加时，它们凝聚成团，难以获得较高的气泡密度；第二种的特点是，在气体以低速从旋转喷头周边上的孔喷射的过程中，被旋转喷头和液态金属间产生的剪切力打碎成细小气泡，同时旋转喷头搅动液态金属，使气泡与液态金属充分混合，气泡大小取决于旋转喷头孔的大小、气体通过孔的速度和旋转喷头的周边速度；第三种是依靠浸没的喷嘴高速喷射气体来产生非常小的气泡，结构紧凑，喷嘴孔的雷诺数主要取决于气体的出口速度。考虑到锂锡合金的物化特征，本发明的反应器设置为旋转喷头方式，使足量的惰性气体以小气泡形态进入金属熔体内部，尽可能快速高效地提取熔体中的氢。

本发明中的旋转升降电机位于手套箱上端，其底部与喷头连杆顶端相连接，其功能是为喷头连杆提供旋转的动力，实现喷头连杆的上下移动。真空仪位于手套箱顶部，其功能是测量反应床系统的真空度。喷头连杆和喷头是核心构件，其功能是保证获得满足实验需要的喷射流。不锈钢容器的功能是盛装锂锡合金。加热器的作用是控制实验反应温度，熔化锂锡合金。载气增压筒的作用是提供高压的载带气。传感器管道的作用是安置氢同位素传感器。保护气接口管道的作用是提供氩气的进气通道。测温管道的作用是安置温度传感器。真空接口管道作用便于反应床系统和手套箱内的抽真空。手套箱的功能是为反应床系统提供封闭的工作环境，防止空气、水与液态锂锡合金发生接触。

本发明的有益效果是，液态锂锡合金中氢的提取效果明显，测量结果准确，喷头连杆与喷头能够连续工作，反应床系统与管道系统密封良好。

附图说明    

图1是本发明旋转喷头式液态锂锡合金反应器的结构示意图。

图中，1.旋转升降电机   2.真空仪   3.喷头连杆   4.载气增压筒   5.传感器管道   6.不锈钢容器   7.加热器   8.保护气接口管道    9.测温管道    10.真空接口管道    11.箱体   12.支座  13.保温层  14.喷头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细的说明。

图1是本发明旋转喷头式液态锂锡合金反应器的结构示意图。图1中，本发明的旋转喷头式液态锂锡合金反应器，含有反应床系统、管道系统和手套箱三个部分；反应床系统包括设置在手套箱的箱体11外部的旋转升降电机1、真空仪2，以及设置在箱体11内的喷头连杆3、载气增压筒4、不锈钢容器6；管道系统包括传感器管道5、保护气接口管道8、测温管道9、真空接口管道10；所述旋转升降电机1的底部穿过箱体11与所述喷头连杆3的顶部通过动态密封固定连接，喷头连杆3的中部与不锈钢容器6相连接，喷头连杆3的底部置于不锈钢容器6内，在喷头连杆3上设置有喷头14；载气增压筒4的一端与喷头连杆3通过O型垫圈密封连接，载气增压筒4的另一端穿出箱体11，外接载气配置单元；不锈钢容器6的外围分别设置有加热器7、保温层13；传感器管道5一端通过法兰与不锈钢容器6上部固定连接，另一端穿出箱体11，外接氢同位素传感器；测温管道9一端通过法兰与不锈钢容器6上部固定连接，另一端穿出箱体11，外接温度传感器；真空仪2设置于旋转升降电机1的一侧；所述的箱体11底部设置有支座12；所述的保护气接口管道8设置于箱体11底部，外接保护气钢瓶。真空接口管道10设置于箱体11一侧，外接真空机组。本实施方式中所述的喷头设置的数目为4个，喷头14是其中一个。

本发明的具体工作流程是：依靠与真空接口管道10连接的真空机组，将箱体11内以及裹有保温层13的不锈钢容器6抽真空，观察真空仪2抽至实验所需的真空度，同时开启加热器7，熔化锂锡合金。通过载气增压筒4先对液态锂锡合金进行充氢，依靠传感器管道5内的氢同位素传感器监测氢在锂锡合金中含量的变化。由旋转升降电机1控制的喷头连杆3携带载气增压筒4提供的载带气，旋转浸入液态锂锡进行反应，氢通过扩散进入气泡并随气泡离开熔体表面，监测锂锡中氢含量的变化，计算单次以及累计的载带效率指标，改变锂锡合金熔融温度、载气成分及流量、旋转升降电机转速等参数开展实验工作。喷头连杆3、裹有保温层13的不锈钢容器6、加热器7、载气增压筒4、传感器管道5、测温管道9布置在手套箱的箱体11内。手套箱内选用比重大、热传导率小、价格低廉的氩气覆盖，氩气从保护气接口管道8进入。