专利名称:利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种托卡马克聚变反应堆真空内部第一壁结构，尤其是利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构。
背景技术：
杂质抑制和粒子再循环的控制是目前托卡马克运行的重要研究方向。目前的托卡马克需要通过等离子体第一壁材料的选择、以及对第一壁有效的处理(如清洗、镀膜等)来减少等离子体中的杂质，改善等离子体的约束，获得高品质的等离子体。通过降低粒子再循环降低粒子的壁滞留，来提高等离子体的密度控制能力，实现连续运行。
目前在托卡马克装置中研究的等离子体第一壁材料主要是石墨、钨和铍材料。石墨具有良好的热性能、低辐射能量损失、很好的焊接技术、广泛的实验基础等优点而被广泛应用。然而，石墨材料的腐蚀及其再沉积导致的氢同位素的滞留将严重影响粒子的再循环， 由于化学溅射会使石墨毎年腐蚀率大于10厘米，使用寿命降低和等离子体芯部的杂质水平升高；中子辐照引起石墨的热物理和力学性能的快速衰变(特別是热导值较大幅度的降低)；燃料再沉积碳层中高氚滞留量所导致的装置的经济性与安全运行问题等，将导致未来聚变反应堆不可能使用石墨材料。钨材料目前也被选择为第一壁的材料，它具有较高的抗溅射能力和高温下低燃料滞留率等优点。但是等离子体对其容忍的含量很低、氧对其化学腐蚀及高活化性可能会影响其广泛应用，使用时必须对第一壁的形状、条件严格控制。铍材料的优点是低的原子序数、热导大、吸氧能力好、很好的焊接技术等。但是由于铍具有较低的熔化温度、潜在的有毒性、相对高的溅射率将限制其应用，一般用于能流密度不高的等离子体第一壁，也不能用于未来聚变堆。
锂是ー种原子序数低、非常活泼的材料金属，可以有效吸收真空室中的02，N2，C0， H2O, CO2等杂质，从而可以大大降低托卡马克装置中杂质含量。但锂也与大量无机试剂和有机试剂发生反应，与水的反应非常剧烈，在空气中易氧化，这些都导致锂第一壁设计和安装困难；如何避免锂被氧化是锂第一壁设计的难点和挑战。
锂对氢气燃料具有非常优异的抽气能力，每个锂原子可以吸附10%的氢原子。在温度不高的情况下锂对分子氢的吸附很低，表现出对分子氢有较低的抽速，氢的滞留量较少。当温度大于200度时，抽速迅速加大在，500°C左右与氢发生反应，并且是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属，不会在等离子体放电中产生很高的粒子再循环。
锂的熔点低，为180. M°C，可以采取直接加热的方式产生液态锂。在液态锂的情况下，锂有较强的对燃料粒子的俘获作用。特别是未来反应堆环境下，边界粒子的通量和能量都很高，粒子可以很容易在液态锂中扩散尔不饱和，能够实现低再循环(再循环系数小于 0. 5 )运行模式，获得高约束等离子体放电。最佳的液态锂温度应该控制在摄氏200-350度。
锂的电离能较低，为5. 39hV，锂一旦进入等离子体将很快被电离。锂在热的等离CN 102543222 A
子体区域会被完全电离，在较冷的等离子体边界区域发生韧致辐射，在等离子体边界产生的辐射将冷却等离子体的边界区域，这样可以减少沿着磁力线流向限制器和偏滤器的对流功率流，并且将其分布在更大的表面上，从而减少局部的热量积累、减轻了溅射效应，尽可能地降低了真空室的杂质含量及第一壁的腐蚀。另外，锂具有较高的比热，耐热冲击比较好。
综上所述，金属锂，特別是液态金属锂，是ー个较为理想的未来磁约束聚变反应堆的第一壁材料。
发明内容
本发明提供了ー种种利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构来改善托卡马克装置反应堆第一壁燃料再循环的方法。
本发明的技术方案
利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，包括反应堆真空室，内有包括上偏滤器区的高热负荷区、低负荷区，其特征在于高热负荷区上部使用固太金属偏滤器结构，下部限制器采用流动液态金属锂的方式，反应堆真空室内高热负荷区下部安装敞ロ槽，内有液态金属锂，并通过液态金属泵使得液态锂在敞ロ槽与锂储罐之间循环流动。
装在敞ロ槽内的金属锂，纯度不小于99.9%、厚度不小于10毫米，整个第一壁结构稳定在摄氏200-350度条件下，使敞ロ槽内锂金属处于液态。
所述的敞ロ槽，其材料是低活化马氏体/铁素体不锈钢，槽底中分布冷却通道，所述的冷却通道中通以热源，以确保金属锂处于液态。
由于未来磁约束反应堆运行条件苛刻，按第一壁所受热负荷分为低负荷(高场和低场区)、高热负荷区(上偏滤器区、下限制器)两个区域，低负荷约为每平方米5MW，高负荷为每平方米20MW。
本发明在所述的高热负荷区，使用上固体偏滤器结构，下流动液态金属锂的方式来综合解決。
本发明的关键就是通过使用下单零偏滤器/近下单零偏滤器等离子体位型(即将高负荷区全部/90%热能集中到下部);或采用非対称上下偏滤器双零结构，使下部承担大部分(大于70%)热负荷。
敞ロ槽中的液态金属锂，将在液态金属泵的作用下，沿环向缓慢流动，并通过从真空室中引出的循环管道进入液态锂循环系统，并在循环系统中再生和恢复处理。这样，在真空室内与等离子体处于强相互作用的液态锂始终处于流动状态，保证其表面始终是处理后的新鮮液态锂，避免了第一壁材料由于长时间的与等离子体相互作用而造成的材料腐蚀和损伤，以及锂第一壁燃料吸附饱和的问题，从而能实现零锂材料腐蚀、零燃料滞留率条件下的稳态运行。
在上偏滤器区，可以使用钨材料作为第一壁材料，通过在上偏滤器区使用强充高辐射惰性气体的方法，将等离子体热能均勻分布在上偏滤器表面，这样就大大降低了对上偏滤器打击点的强轰击エ况，延长上偏滤器的材料寿命20-30年。
对低负荷区，其模块制造的方法可以多种多祥，面对等离子体的第一壁材料采用高纯金属钨板，厚度大于20毫米。后支撑材料为低活化马氏体/铁素体不锈钢，厚度大于 300毫米，后支撑材料中均勻分布直径为15毫米的冷却通道。同样可以采用在边界区使用强充高辐射惰性气体的方法，将等离子体热能均勻分布在第一壁表面，延长上第一壁的材料寿命20-30年。
本发明的优点
本发明公开了ー种利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，它是使用流动液态金属锂限制器来取代常规的高热负荷下偏滤器。流动的金属锂可以承受大于每平方米20MW的热负荷，同吋，由于其不断循环的流动金属，使其第一壁材料不会由于长时间的与等离子体相互作用而造成的材料腐蚀和损伤。整个第一壁结构可以稳定的运行在摄氏200-350度条件下，锂限制器运行在此条件下处于液态，可以有较大的吸附燃料氢和杂质粒子的能力。在此条件下，整个燃料再循环可以保持在零滞留率和小于0. 5 的再循环系数，从而能实现零锂材料腐蚀、零燃料滞留率条件下的稳态运行。减少该装置局部的热量积累、减轻溅射效应。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进ー步详细的说明。
图1为磁约束反应堆结构示意图。 具体实施方式
ー种利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构来改善托卡马克装置反应堆第一壁燃料再循环的结构，包括有一反应堆真空室1，反应堆真空室1内部含有高热负荷区、低负荷区7，高场区5和低负荷区7分别位于真空室1高热负荷区的侧中段，反应堆真空室内高热负荷区上部是上偏滤器4区，反应堆真空室1内高热负荷区下部分安装锂限制器6，所述锂限制器6包括在真空室下部安装的敞ロ槽2，敞ロ槽2内装有金属锂3，敞ロ槽2通过外接循环管道9与外部锂储罐8连接，循环管道9中安装有液态金属泵 10。在真空室第一壁运行条件下，敞ロ槽2内锂3处于液态，并通过液态金属泵10使得液态锂3在敞ロ槽2与锂储罐8之间循环流动。
装在槽内的金属锂，采用纯度不小于99. 9%、厚度不小于10毫米的金属锂，整个第一壁结构稳定在摄氏200-350度条件下，使槽内锂金属处于液态。
所述的敞ロ槽，其材料采用低活化马氏体/铁素体不锈钢，其底部厚度大于50毫米，其间均勻分布直径为15毫米的冷却通道，在冷却通道中通以摄氏200度的高压水，以确保金属锂3处于液态。由于沿整个大环是连续的，等离子体打击点均勻落在液态锂上，高能量和高通量粒子几乎全部被液态锂所俘获，由于液态锂吸附燃料氢和杂质粒子的能力，从而实现低再循环(再循环系数小于0. 5)的高约束等离子体放电。使得安装的锂限制器6实现了减少该装置局部的热量积累、减轻溅射效应，减低托卡马克装置中的杂质含量及第一壁的腐蚀和损伤，可以保持在零滞留率和小于0. 5的再循环系数，从而能实现零锂材料腐蚀、零燃料滞留率条件下的稳态运行。
敞ロ槽中的液态金属锂，将在液态金属泵的作用下，沿环向缓慢流动，并通过从真空室中引出的循环管道进入液态锂循环系统，并在循环系统中再生和恢复处理。这样，在真空室内与等离子体处于强相互作用的液态锂始终处于流动状态，保证其表面始终是处理后的新鮮液态锂，避免了第一壁材料由于长时间的与等离子体相互作用而造成的材料腐蚀和损伤，以及锂第一壁燃料吸附饱和的问题，从而能实现零锂材料腐蚀、零燃料滞留率条件下的稳态运行。
液态金属锂可以有较大的吸附燃料氢和杂质粒子的能力。在此条件下，整个燃料再循环可以保持在零滞留率和小于0. 5的再循环系数，从而能实现零锂材料腐蚀、零燃料滞留率条件下的稳态运行。
权利要求
1.ー种利用液态金属锂用于磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，包括反应堆真空室，内有包括上偏滤器区的高热负荷区、低负荷区，其特征在于高热负荷区上部使用固太金属偏滤器结构，下部限制器采用流动液态金属锂的方式，反应堆真空室内高热负荷区下部安装敞ロ槽，内有液态金属锂，并通过液态金属泵使得液态锂在敞ロ槽与锂储罐之间循环流动。
2.根据权利要求
1所述的利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，其特征在于装在敞ロ槽内的金属锂，纯度不小于99. 9%、厚度不小于10毫米，整个第一壁结构稳定在摄氏200-350度条件下，敞ロ槽内锂金属处于液态。
3.根据权利要求
1所述的利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，其特征在于所述的敞ロ槽，其材料是低活化马氏体/铁素体不锈钢，槽底中分布冷却通道，所述的冷却通道中通以热源，以确保金属锂处于液态。
4.根据权利要求
1所述的利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，其特征在于高热负荷区使用下单零偏滤器/近下单零偏滤器等离子体位型，将高热负荷区全部/90%热能集中到下部。
5.根据权利要求
1所述的利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，其特征在于高热负荷区采用非対称上下偏滤器双零结构，使下部承担大于70% 热负荷。
6.根据权利要求
1所述的利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，其特征在干在上偏滤器区，使用钨材料作为第一壁材料，通过在上偏滤器区使用强充高辐射惰性气体的方法，将等离子体热能均勻分布在上偏滤器表面。
专利摘要
本发明公开了一种利用液态金属锂作为磁约束反应堆真空室第一壁高热负荷区的结构，反应堆真空室内下部高热负荷区安装一锂限制器，锂限制器安装有一个敞口槽，敞口槽内装有锂，敞口槽通过外接循环管道与外部锂储罐连接，循环管道中安装有液态金属泵。锂限制器的敞口槽中的液态金属锂将在液态金属泵的作用下，沿环向缓慢流动，并通过从真空室中引出的循环管道进入液态锂循环系统，并在循环系统中再生和恢复处理。
文档编号G21B1/05GKCN102543222SQ201210069584
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月16日
发明者左桂忠, 李建刚, 胡建生 申请人:中国科学院等离子体物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan