一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构

摘要

本发明公开了一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构，包括有收集盒，收集盒底端安装有双内置式电磁泵，收集盒的上方设有限制器基底，限制器基底背部布置有加热丝及热电偶，限制器基底内侧外表面卡装有两连接液态锂的供给管道，双内置式电磁泵中的两电极中间焊接有泵沟，泵沟与其上方的供给管道连通，限制器基底的顶部安装有分配盒，分配盒为一体成型且具有分配孔均匀分布的结构。本发明利用装置环向场及外加直流电流驱动的双内置式电磁泵结构能够更好地实现液态锂的供给，通过一体成型的分配盒结构能够实现液态锂均匀地分配，利用贴合良好的限制器基底及表面垂直于微毛细结构可有效地改善液态锂铺展的均匀性。

说明书

技术领域：

本发明涉及聚变反应堆领域，主要涉及一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构。

背景技术：

磁约束受控核聚变是解决人类能源及环境问题的重要途径之一。随着聚变装置的不断升级，等离子体与面对等离子体的壁材料(第一壁)的相互作用逐渐变强，由此引起壁材料的损伤及腐蚀加剧，严重影响聚变装置的运行安全，第一壁材料是制约受控聚变发展的“瓶颈”之一。

一方面，钨作为未来ITER装置高热负荷区的第一壁材料，能承受5-10MW/m²的稳态热流，但是钨在未来聚变堆装置中，长时间高热负荷轰击下腐蚀严重，难以承受如FNSF高达40-60MW/m²的热负荷，也难以满足未来聚变示范堆DEMO的长时间稳定运行的需求。同时，钨作为高Z金属，产生的重杂质易在等离子体芯部聚集，不仅会导致能量的损失，还会引起等离子体不稳定，甚至破裂。而锂作为一种具有强化学活性的低Z第一壁材料，与等离子体具有较好的兼容性，可以有效地控制杂质粒子，降低粒子再循环，提高等离子体约束性能。具有自我更新能力的流动的液态锂第一壁还具有高热负荷的输运能力，以及抗中子辐照损伤等优点。通过应用液态锂的循环再利用技术，不仅可以解决第一壁寿命问题，还可以解决氚的循环利用问题。所以，流动液态锂可为磁约束聚变发展提供新的科学手段，非常具有应用前景，越来越被聚变界重视。

鉴于流动液态锂良好的应用前景，已经在EAST托卡马克装置上开展了一轮流动液态锂实验，取得了丰硕的实验成果。但是，实验也发现了液态锂在限制器表面的铺展均匀度只有大约30%，说明液态锂的浸润铺展性需要改善。

在托卡马克装置中，对于液态锂对金属基底表面的铺展均匀性的研究，已开展了大量的工作，取得了丰硕的成果，但是也存在一定的困难性。原因有以下几点：1.液态锂对不锈钢316L基底材料具有较好浸润铺展性的温度条件为500℃，加热丝的能力的限制，实验温度难以达到。2.一套内置式电磁泵难以满足300mm长度分配盒均匀供锂的需求。3.分配盒结构的限制器，普通工艺加工的分配盒在实验前的开裂，导致分配失效。4.面积320×300mm²的限制器表面的不锈钢基底与热沉铜材料之间的焊接较难，难以实现好的贴合度，这也导致不锈钢表面局部气泡，不够平整，不仅影响液态锂的铺展，而且容易被等离子轰击而腐蚀。所以需要研制一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构，以解决现有技术聚变装置中流动的液态锂第一壁的应用问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构，其特征在于：包括有收集盒、双内置式电磁泵、供给管道、限制器基底及顶部的分配盒，所述收集盒底端安装有双内置式电磁泵，所述收集盒的上方设有限制器基底，所述限制器基底背部布置有用于限制器加热及温度测量的加热丝及热电偶，所述限制器基底内侧外表面卡装有两连接液态锂的供给管道，所述双内置式电磁泵中的两电极中间焊接有泵沟，所述泵沟与其上方的供给管道连通，所述限制器基底的顶部安装有分配盒，所述分配盒为一体成型且具有分配孔均匀分布的结构。

所述的双内置式电磁泵的两个电磁泵对称地布置于限制器收集盒的底部，两个电磁泵采用并联的方式外接低压高电流的直流电源，每个电磁泵分别由上下两个电极组成，所述电极中间焊接有泵沟，液态锂在重力的作用下从收集盒流入并灌满泵沟。

所述的电极分别使用螺栓固定在收集盒底部，所述螺栓与收集盒底壁面中间采用陶瓷垫片与陶瓷柱绝缘。

所述泵沟为不锈钢管道。

所述的限制器基底表面材料为不锈钢，热层为铬锆铜材料，其通过热等静压工艺将不锈钢薄层紧密地贴合到铜热沉上，所述不锈钢层表面镜面处理后通过打磨获得垂直于液态锂流动方向的微毛细结构，其热层的内侧外表面卡装有两对称的供给管道。

所述的分配盒由两套独立的分配盒焊接而成，两套长度相同，分别独立地采用一套内置式电磁泵供应液态锂，所述分配盒的加工采用电火花及线切割工艺完成，最后通过焊料填充焊接，将端头密封，形成L形的一体式结构，所述的分配孔为方形孔，其每个分配孔尺寸和相邻的分配孔间隙均相同。

上述结构在等离子体放电中，将液态锂限制器从中平面水平地推入到距离等离子体最外闭合磁面1cm以内；在装置环向磁场B_t（2-2.5T）及外加直流电流的作用下，液态锂将被驱动，从限制器的底部流入顶部的分配盒，然后从分配盒均匀分配后，在限制器表面均匀流动，通过液态锂的均匀流动有效地移除等离子体轰击产生的粒子及热流，实现等离子体低再循环、低杂质污染运行，改善等离子体的品质。

本发明的优点是：

本发明利用装置环向场及外加直流电流驱动的双内置式电磁泵结构能够更好地实现液态锂的供给，通过一体成型的具有分配孔均匀分布的分配盒结构能够实现液态锂均匀地分配，利用贴合良好的限制器基底及限制器表面垂直于微毛细结构可以有效地改善液态锂铺展均匀性。

本发明提供了一种简单、经济、有效地解决聚变装置内液态金属锂第一壁均匀自循环流动的问题的方法，通过流动液态锂第一壁均匀流动的实现，为未来聚变堆中液态锂第一壁的可能应用提供良好的实验及数据积累。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明的正视图。

图3为双内置式电磁泵的结构示意图。

图4为图3的主视图。

图5为图3的侧视图。

图6是一体成型的具有分配孔均匀分布的分配盒工艺示意图。

图7是带分配孔结构示意图。

图8是流动液态锂自循环流动原理图。

具体实施方式：

参见附图。

一种用于聚变装置内的新型均匀流动液态锂限制器结构，包括有收集盒1、双内置式电磁泵2、供给管道3、限制器基底4及顶部的分配盒5，所述收集盒1底端安装有双内置式电磁泵2，所述收集盒5的上方设有限制器基底4，所述限制器基4底背部布置有用于限制器加热及温度测量的加热丝及热电偶，所述限制器基底4内侧外表面卡装有两连接液态锂的供给管道3，所述双内置式电磁泵2中的两电极6中间焊接有泵沟7，所述泵沟7与其上方的供给管道3连通，所述限制器基底4的顶部安装有分配盒5，所述分配盒5为一体成型且具有分配孔均匀分布的结构。

作为关键部件的双内置式电磁泵1，对称地布置于限制器收集盒的底部，采用2个电极连接件11实现两个电磁泵并联连接；每个电磁泵由上下两个电极6组成，电极6中间焊接泵沟7（壁厚0.5mm，直径10mm的不锈钢管道），泵沟7连接液态锂的供给管道3。每个电极6使用螺栓8固定在收集盒1底部，螺栓8与收集盒1底壁面中间采用陶瓷垫片9与陶瓷柱10绝缘。两个电磁泵采用并联的方式外接低压高电流的直流电源，工作的磁场使用托卡马克装置的环向场。液态锂在重力的作用下从收集盒流入并灌满泵沟，在电磁力的作用驱动液态锂流动。

作为关键部件的一体成型的具有分配孔均匀分布的分配盒5结构，布置于限制的顶部，起到液态锂分配的作用，图7展示了带分配孔结构示意图。分配盒由两套独立的分配盒焊接而成，每套160mm长，分别独立的采用内置式电磁泵供应液态锂，每个分配孔尺寸为0.8×0.8mm，分配孔间隙为0.8mm。具体的加工工艺如图6所示，首先加工分配盒原件，经过打磨抛光处理后，使用电火花工艺开出两排垂直相交的圆孔，然后采用线切割工艺，将圆孔切割成0.8mm边长的方孔，最后通过焊料填充焊接，将端头密封，实现L形的一体式分配盒的加工。

作为关键部件的贴合更好的限制器基底4，采用热等静压工艺将320×300mm尺寸，0.5mm厚的316L不锈钢薄层更好地贴合到铜热沉上，避免了采用普通的焊接工艺引起的表面不平整甚至气泡的行为；表面的不锈钢层在表面镜面处理后，通过打磨获得垂直于液态锂流动方向的微毛细结构，表面粗糙度增大2倍，根据wenzel模型，在液态锂浸润的条件下（浸润角<90°）,增大的表面粗糙度有利于改善表面浸润行为，有利于提高液态锂在限制器表面的铺展均匀度；同时采用垂直于液态锂流动方向的毛细结构，有利于在液态锂在毛细力的作用实现水平方向的均匀铺展。

流动液态锂限制器具体的工作流程如图8。首先在氩气保护下完成收集盒内锂的注入。然后将限制器推进托卡马克真空室内距离最外闭合磁面1cm以内，环向磁场（B_t）励磁到2-2.5T。通过背部的加热丝及热电偶反馈，将收集盒及限制器热沉板加热到大约350℃。液态锂在大于180℃的熔化温度后将在重力的作用下流入到双内置式电磁泵的泵沟，并灌满泵沟。接通电磁泵电极的外接直流电，此时电流将从电磁泵的阳极流向阴极，在电磁泵泵沟内产生直流电流（100A>J>20A）,在托卡马克装置环向磁场的作用下，在电磁泵泵沟内产生电磁驱动力（J×B_t），将液态锂从限制器底部通过限制器基底背部的双供给管道驱动到限制器顶部的分配盒内。在分配盒内通过0.8mm的方形小孔的重新分配，液态锂将均匀地流动到限制器表面的不锈钢层上，在表面微毛细结构的作用，实现液态锂均匀地铺展。最终在重力的作用，液态锂将重新流回底部的收集盒，然后开始下一次循环流动，如此实现周而复始的自循环均匀流动。通过液态锂的均匀流动有效地移除等离子体轰击产生的粒子及热流，实现等离子体低再循环、低杂质污染运行，改善等离子体的品质。