一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法与流程

本发明属于先进核反应堆燃料研究领域，具体涉及一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法。

背景技术：

核聚变能作为一种“清洁”能源，是未来最有发展前景的能源之一。聚变堆包层是聚变核反应堆的核心部件，是使聚变堆应用得以实现的重要功能载体。对于液态包层而言，无论是从经济考虑(氚是一种极其昂贵的资源)还是安全与环境因素考虑(氚是一种具有放射性的核素，排放到环境会对环境造成放射性污染)，从液态包层中高效的提取氚具有重要意义。目前从液态铅锂合金中在线连续的提取氚的方法主要以下四种：(1)膜渗透法(fusiontechnology,1996:1229-1232)；(2)中间热介质通路附设冷阱法(fusiontechnology,1992,21:872-877)；(3)气泡接触器法(又称鼓泡器法)(核科学与工程，2006,26：271-288)；(4)液滴喷雾法(又称真空筛选法)(fusionengineeringanddesign,2012,87:1014-1018)。其中第一种方法满足要求的高性能渗透膜在现实中很难获取，第二种方法的工艺流程相对复杂，第三种方法是目前最具应用前景的一种在线提氚方法，该方法是指利用利用一定压力的载带气(一般为he气或是he/h2混合气体)在鼓泡器内形成气泡流动与自上而下的含氚铅锂进行气液交换，将氚从液态铅锂中提取出来。由于载带气的存在，后期需要进行气体分离，增加了系统的复杂性以及氚提取成本。第四种方法是利用氚在液态铅锂中的溶解度低，在真空环境下，氚自发从液态铅锂中扩散至真空腔室，以达到氚提取的目的。由于没有载带气的存在，此方法避免氦氚分离操作。然而由于压力作用，液态铅锂进入真空腔室具有较高初速度，其在真空腔室中的停留时间短，严重影响了氚提取效率。为提高液态铅锂合金中氚在线提取效率，满足聚变堆氚燃料自持的需求，研发高效的氚在线提取技术及系统显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：针对提高液态铅锂合金中氚在线提取效率，提供一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法，通过多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。本发明装置的氚提取效率可达50％以上。由于不需要载带气鼓泡进行同位素交换，避免氦氚分离工序，因此本发明的装置具有机构简单、成本低、氚提取效率高等优点，可有效解决液态铅锂回路氚在线高效提取的问题。

本发明采用的技术方案为：含氚液态铅锂合金流入多级真空筛选装置，经第一测氢传感器在线测量含氚液态铅锂合金的氚含量后流入多级真空筛选腔室，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过第一级液滴喷嘴阵列形成液滴下落至下一级液滴喷嘴阵列，再在重力作用下通过下一级液滴喷嘴阵列形成液滴直至下落至多级真空筛选腔室底部，每一级液滴喷嘴阵列的存在均使液滴速度降为0，从而增加液滴在真空腔室中的停留时间；被提取的氚气经过真空冷屏流至气体暂存罐以待提纯。

本发明的真空筛选装置，包括液态金属流量计(1)、第一测氢传感器(21)、第二测氢传感器(22)、第一液态金属阀门(31)、第二液态金属阀门(32)、多级真空筛选腔室(4)、液滴喷嘴阵列(5)、真空冷屏(6)、真空泵组(7)、气体暂存罐(8)、气体流量计(9)和液态金属缓存罐(10)；多级真空筛选腔室位于装置中部，多级真空筛选腔室内设置2～5级液滴喷嘴阵列，增加液滴在真空腔室中的停留时间；每级液滴喷嘴阵列相隔不小于100mm，确保足够的液态金属液滴在真空腔室内的下落时间和气-液界面；喷嘴的直径为0.1～1.2mm，以形成足够小的液滴，尤其是当喷嘴直径在0.1～0.3mm时，提取效率可达90％以上；喷嘴高度1～2mm、喷嘴之间相距8～30mm，避免液态金属从液滴喷嘴阵列喷出时交联在一起形成大液滴甚至是液柱，提高提氚效率；喷嘴内壁粗糙度ra<0.8μm，减小喷嘴内壁与液态金属之间的摩擦力，避免液态金属在液滴喷嘴阵列处累积。多级真空筛选腔室上端沿液态铅锂流向分别布置液态金属流量计(1)、第一测氢传感器(21)和第一液态金属阀门(31)，多级真空筛选腔室(4)下端按液态铅锂流向分别布置液态金属缓存罐(10)、第二测氢传感器(22)和第二液态金属阀门(32)，多级真空筛选腔室内每一级液滴喷嘴阵列(5)下端连接真空冷屏(6)、真空泵组(7)，真空泵组抽出的含氚气体至气体暂存罐(8)暂存，再通过气体流量计(9)引出做进一步处理。连接多级真空筛选腔室(4)和真空冷屏(6)的管道位于每级液滴喷嘴阵列下方10mm以外，避免过多的液态金属进入真空冷屏(6)。

本发明提供的一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选方法，具体步骤如下：

a.高温含氚液态铅锂流入至多级真空筛选装置，经过液态金属流量计(1)实时监测含氚液态铅锂合金流量，通过第一液态金属阀门(31)控制液态铅锂的流量。

b.高温含氚液态铅锂合金流经第一测氢传感器(21)，通过第一测氢传感器在线测量含氚液态铅锂合金的氚含量ε1。

c.高温含氚液态铅锂合金经第一液态金属阀门(31)流入多级真空筛选腔室(4)，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过液滴喷嘴阵列(5)形成液滴下落至第二级液滴喷嘴阵列上方，由于第二级液滴喷嘴阵列的阻挡作用，液态铅锂的下落速度降为0；随后，液态铅锂再在重力作用下通过第二级液滴喷嘴阵列形成液滴直至下落至第三级液滴喷嘴阵列，以此类推，直至液态铅锂合金下落至多级真空筛选腔室底部；由于这种多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。

d.提氚后的液态铅锂合金落入金属缓存罐(10)，经第二测氢传感器(22)测量提氚后的液态铅锂合金中的氚含量ε2，则多级真空筛选法的提氚效率可由下式表达：

利用测氢传感器测量液态铅锂合金中的氚含量可直接有效的测量多级真空筛选装置的提氚效率，相比于目前间接的测量方法，具有更高的准确性。

e.提氚后的液态铅锂合金经第二液态金属阀门(32)回收进行下一次循环。

f.被提取的氚气在真空泵组(7)的驱动下，经过真空冷屏(6)流至气体暂存罐(8)，再通过气体流量计(9)引出进行下一步提纯。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)多级化设计有效提高了提氚效率。本发明的真空筛选腔室内的液滴喷嘴阵列采用多级化设计，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过第一级液滴喷嘴阵列形成液滴下落至第二级液滴喷嘴阵列上方，由于第二级液滴喷嘴阵列的阻挡作用，液态铅锂的下落速度降为0；随后，液态铅锂再在重力作用下通过第二级液滴喷嘴阵列形成液滴直至下落至第三级液滴喷嘴阵列，以此类推，直至液态铅锂合金下落至多级真空筛选腔室底部；由于这种多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。

(2)实时监测提氚前后液态铅锂中的氚含量、更直接获得装置的提氚效率，使获得实时的氚提取效率成为可能。本发明的多级真空筛选装置在液态铅锂流入端与流出端分别设置测氢传感器，分别用于测量液态铅锂提氚前后的含氚量；根据液态铅锂提氚前后的含氚量直接获得装置的氚提取效率。此方法相对于目前通过间接计算获得氚提取效率更加的准确可靠，并且通过此方法可以实时检测多级真空筛选装置的氚提取效率。

(3)设备简单、成本低。本发明的多级真空筛选装置由于不需要载带气鼓泡进行同位素交换，避免氦氚分离工序，因此本发明的设备简单、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案或实施例，下面将对技术方案或实施例中所需的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置的示意图。

其中：

1-液态金属流量计；21-第一测氢传感器；22-第二测氢传感器；31-第一液态金属阀门；32-第二液态金属阀门；4-真空筛选腔室；5-液滴喷嘴阵列；6-真空冷屏；7-真空泵组；8-气体暂存罐；9-气体流量计；10-液态金属缓存罐。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的研究人员或者技术人员来说，在不脱离本发明构想的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

多级真空筛选腔室(4)内设置3级液滴喷嘴阵列(5)，每级液滴喷嘴阵列相隔200mm，喷嘴高度1mm、直径0.5mm、喷嘴之间相距15mm、喷嘴内壁粗糙度ra为0.5μm。多级真空筛选腔室上端按液态铅锂流向分别是液态金属流量计1、第一测氢传感器(21)和第一液态金属阀门(31)，多级真空筛选腔室下端按液态铅锂流向分别是液态金属缓存罐(10)、第二测氢传感器(22)和第二液态金属阀门(32)，多级真空筛选腔室内每一级液滴喷嘴阵列下端连接真空冷屏(6)、真空泵组(7)，真空泵组抽出的含氚气体至气体暂存罐(8)暂存，再通过气体流量计(9)引出进行下一步提纯。连接多级真空筛选腔室和真空冷屏的管道位于每级液滴喷嘴阵列下方10mm。

本发明提供一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选法，具体步骤如下：

a.高温含氚液态铅锂合金流入至多级真空筛选装置，经过液态金属流量计(1)实时监测含氚液态铅锂合金流量，并通过第一液态金属阀门(31)控制液态铅锂合金流量为0.01kg/s。

b.高温含氚液态铅锂合金流经第一测氢传感器(21)，通过测氢传感器在线测量含氚液态铅锂合金的氚含量0.05％。

c.高温含氚液态铅锂合金流入多级真空筛选腔室(4)，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过第一级液滴喷嘴阵列(5)形成液滴下落至第二级液滴喷嘴阵列上方，由于第二级液滴喷嘴阵列的阻挡作用，液态铅锂的下落速度降为0；随后，液态铅锂再在重力作用下通过第二级液滴喷嘴阵列形成液滴直至下落至第三级液滴喷嘴阵列，以此类推，直至液态铅锂合金下落至多级真空筛选腔室底部；由于这种多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。

d.提氚后的液态铅锂合金落入液态金属缓存罐(10)，经第二测氢传感器(22)测量提氚后的液态铅锂合金中的氚含量0.01％，则多级真空筛选法的提氚效率可达80％，计算公式如下：

e.提氚后的液态铅锂合金经第二液态金属阀门(32)回收进行下一次循环。

f.被提取的氚气在真空泵组(7)的驱动下，经过真空冷屏(6)流至气体暂存罐(8)，再通过气体流量计(9)引出进行下一步提纯。

实施例2

多级真空筛选腔室(4)内设置3级液滴喷嘴阵列(5)，每级液滴喷嘴阵列相隔200mm，喷嘴高度1mm、直径0.3mm、喷嘴之间相距15mm、喷嘴内壁粗糙度ra为0.21μm。多级真空筛选腔室上端按液态铅锂流向分别是液态金属流量计(1)、第一测氢传感器(21)和第一液态金属阀门(31)，多级真空筛选腔室下端按液态铅锂流向分别是液态金属缓存罐(10)、第二测氢传感器(22)和第二液态金属阀门(32)，多级真空筛选腔室内每一级液滴喷嘴阵列下端连接真空冷屏(6)、真空泵组(7)，真空泵组抽出的含氚气体至气体暂存罐暂存(8)，再通过气体流量计(9)引出进行下一步提纯。连接多级真空筛选腔室和真空冷屏的管道位于每级液滴喷嘴阵列下方10mm。

本发明提供一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选法，具体步骤如下：

a.高温含氚液态铅锂合金流入至多级真空筛选装置，经过液态金属流量计(1)实时监测含氚液态铅锂合金流量，并通过第一液态金属阀门(31)控制液态铅锂合金流量为0.001kg/s。

b.高温含氚液态铅锂合金流经第一测氢传感器(21)，通过测氢传感器在线测量含氚液态铅锂合金的氚含量0.08％。

c.高温含氚液态铅锂合金流入多级真空筛选腔室(4)，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过第一级液滴喷嘴阵列形成液滴下落至第二级液滴喷嘴阵列上方，由于下一级液滴喷嘴阵列的阻挡作用，液态铅锂的下落速度降为0；随后，液态铅锂再在重力作用下通过第二级液滴喷嘴形成液滴直至下落至第三级液滴喷嘴阵列，以此类推，直至液态铅锂合金下落至多级真空筛选腔室底部；由于这种多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。

d.提氚后的液态铅锂合金落入液态金属缓存罐(10)，经第二测氢传感器(22)测量提氚后的液态铅锂合金中的氚含量0.005％，则多级真空筛选法的提氚效率可达94％，计算公式如下：：

e.提氚后的液态铅锂合金经第二液态金属阀门(32)回收进行下一次循环。

f.被提取的氚气在真空泵组(7)的驱动下，经过真空冷屏(6)流至气体暂存罐(8)，再通过气体流量计(9)引出进行下一步。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。