一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层

摘要

本发明的公开了一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层，它能够解决锂基增殖剂兼冷却剂对绝缘涂层的腐蚀问题。它包括液态锂基增殖剂，液态锂基增殖剂的外部设有液态中间层，液态中间层外部包覆有液态包层管壁。所述的液态中间层的中间设置有流道插件。所述的流道插件采用3D打印制造层。所述的液态中间层选择液态金属/合金/熔融盐作为中间层材料。本发明的有益效果在于：本发明利用基于仿生学的聚变堆液态包层设计，通过添加液态中间层，可以阻止液态锂基增殖剂、冷却剂对绝缘涂层的腐蚀。

说明书

技术领域

本发明属于一种聚变堆中液态包层技术领域，具体涉及一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层。在锂基氚增殖剂兼冷却剂与包层结构材料之间增加了流态的中间层，可以防止锂对绝缘涂层的腐蚀。

背景技术

可控核聚变是能源问题的终极解决方案。磁约束核聚变是最有可能在工程上实现的聚变方式，目前其采用的反应为氚氘聚变。其中氘由海水中提取，初始的氚由裂变堆提供，运行过程中聚变堆必须实现氚的自给自足。另外，聚变堆中生成的能量也需要传输出去才能转化成电能。这些功能都需要包层来承担。包层有两种基本的设计思路，一是使用固态的含锂小球作为增殖剂，再单独构建气体或液体的回路进行换热，即固态包层，这种方法换料复杂，热效率也不高；二是使用液态的锂/锂基合金作为增殖剂，兼有换热的作用，即液态金属包层，具有良好的几何适应性、高氚增殖比、在线取氚换料、高热效率等优点。但是，液态金属包层也有两个明显的缺点，一是磁流体动力学(MHD)效应，影响增殖剂的流动；二是锂基增殖剂会对包层的结构材料造成严重腐蚀。这两个问题制约了液态金属包层在聚变堆上的工程应用。现有的解决方案是在结构材料上沉积薄膜状的绝缘涂层，如氧化铝、氧化钇、氧化铒，这种方法可以大幅降低MHD效应，但涂层也会受到腐蚀，使用寿命有严重限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层，它能够解决锂基增殖剂兼冷却剂对绝缘涂层的腐蚀问题。

本发明的技术方案如下：一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层，它包括液态锂基增殖剂，液态锂基增殖剂的外部设有液态中间层，液态中间层外部包覆有液态包层管壁。

所述的液态中间层的中间设置有流道插件。

所述的液态中间层采用双层套管结构。

所述的液态中间层外层为液态包层管壁，内层为流道插件。

所述的流道插件是带有液态中间层材料注入孔的筛状管道。

所述的流道插件采用3D打印制造层。

所述的液态中间层选择液态金属/合金/熔融盐作为中间层材料。

本发明的有益效果在于：本发明利用基于仿生学的聚变堆液态包层设计，通过添加液态中间层，可以阻止液态锂基增殖剂、冷却剂对绝缘涂层的腐蚀。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层的截面示意图。

图中，1液态锂基增殖剂，2液态中间层，3液态包层管壁，4流道插件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层的仿生模型如下：动物胃部在胃粘膜表面生成粘液-碳酸氢盐屏障，可以阻止胃酸对胃壁的腐蚀。基于这样的仿生学原理，在包层结构材料与液态锂基增殖剂、冷却剂之间，形成液态中间层，模拟粘液-碳酸氢盐屏障的作用，阻止液态锂基增殖剂、冷却剂对绝缘涂层的腐蚀。

如图1所示，一种基于仿生设计的聚变堆液态金属包层，它包括液态锂基增殖剂1，液态锂基增殖剂1的外部设置有液态中间层2，液态中间层2外部包覆有液态包层管壁3，液态中间层2的中间设置有流道插件4。流道插件4具有筛孔结构。

液态中间层2采用双层套管结构，外层为液态包层管壁3，内层为流道插件4。流道插件4是带有液态中间层材料注入孔的筛状管道。筛孔结构的设计要求为：孔径及孔的密度与液态中间层注入量相匹配，能够使液态中间层材料注入量足以完全覆盖流道插件内表面。流道插件4采用3D打印制造，并在表面利用CVD/PVD(化学气相沉积/物理气相沉积)涂覆绝缘涂层。

其中，液态中间层2为一种高温稳定液态材料，液态中间层2能够隔离氚增殖剂与包层的绝缘涂层，从而达到保护绝缘涂层、降低MHD效应的目的。

液态中间层2选择液态金属/合金/熔融盐作为中间层材料，其具有以下特质：低熔点，高沸点，低中子活性，低毒性，不腐蚀绝缘涂层，与氚增殖剂不互溶或难互溶。

实施示例：液态锂包层实验

将液态锂作为氚增殖剂/冷却剂，注入到插件内部；再将中间层材料从插件与包层内壁之间注入，使其将液态锂包裹起来，与插件内管壁隔离开。使用后的液态锂与液态中间层材料在流出包层后，对其进行净化处理，继续循环或回收。

本发明的预期效果为：液态中间层材料在双层套管间隙中流动，如同“分泌”一般，经插件筛孔注入插件内部，完全覆盖流道插件内表面，液态锂基增殖剂、冷却剂被液态中间层包围，形成隔离屏障，使得液态锂基增殖剂、冷却剂不与绝缘涂层接触。在此过程中，双层套管间隙中的液态中间层流体一直对插件内的中间层进行补充，以保证锂基增殖剂、冷却剂与绝缘涂层在整个流程中的完全隔离。

流道采用双层套管设计，外层为液态包层管壁，内层为流道插件。流道插件是带有液态中间层材料注入孔的筛状管道。筛孔结构的设计要求为：孔径及孔的密度与液态中间层注入量相匹配，能够使液态中间层材料注入量足以完全覆盖流道插件内表面。流道插件采用3D打印制造，并在表面利用CVD/PVD(化学气相沉积/物理气相沉积)涂覆绝缘涂层。

使用后的液体从包层中流出后，在冷却罐中冷却，冷却温度位于锂基增殖剂和中间层材料的熔点之间，回收凝固的中间层材料；液态的锂基增殖剂则继续经由冷阱法(低温冷凝浓缩法)和热阱法(高温冷凝浓缩法)去除杂质；对净化后的锂基增殖剂进行回收，或将其再次投入包层中进行新一轮循环。