所属技术领域本发明涉及一种适应用于聚变堆固态包层的分区氚吹扫系统，属于核聚变工程领域。
背景技术：
产生聚变装置芯部高温聚变反应所必须的氚，实现氚自持是聚变堆包层的主要功能之一。根据氚增殖剂的物态形式可将聚变堆包层分为固态氚增殖剂包层和液态氚增殖剂包层。其中，固态水冷包层(WCCB)作为中国聚变工程实验堆(CFETR)的一种重要固态增殖剂包层方案，也正在进行相关设计和研发。水冷固态包层采用Li2TiO3/Be12Ti混合球床作为产氚载体。同时，为了提高包层的产氚效率，在其中布置铍球床作为中子倍增剂。与其他固态增殖剂包层一样，固态水冷包层通过氦气携带氢气流经球床颗粒之间的孔隙，利用氢同位素置换的方法提取在增殖区产生的氚，进而输送到包层外部的氚回收系统。因此，必须在包层内部设计专门的氚吹扫系统，以实现包层内部氚的输送和提取。氚吹扫系统设计涉及中子学、材料科学、流体与传热传质等交叉学科，需要兼顾氚提取效率、吹扫气流动阻力、增殖区的冷却性能等因素。一方面，考虑到微球尺寸较小(一般为1～2mm)，吹扫路径较长，吹扫气体流动阻力比较可观。另一方面，因长时间处在中子辐照条件下，固态增殖剂颗粒会发生辐照肿胀。由于辐照肿胀和热膨胀导致的球床颗粒变形、烧结、破裂和结构重组也会影响传热及提氚效果，甚至在局部区域出现流动死区，导致吹扫气体流通性变差，冷却能力不足，氚滞留严重。因此，氚吹扫系统设计是一项非常复杂而艰难的工作。目前，日本对其ITER水冷固态包层实验模块的氚吹扫系统进行了较为详细的设计。其包层结构采用径向分区布置，即增殖区被冷却管(或冷却板)沿径向分隔为若干子区。吹扫气体由包层背板一侧的吹扫气分配母管流入，沿包层底部进入各子区，再经极向吹扫球床，最后通过顶部吹扫气管道收集，从包层背板一侧流出。其不足之处在于：(1)包层径向每个子区均需布置吹扫气管，管道较多，不易固定，且结构较复杂；(2)沿包层极向吹扫球床，流经球床的吹扫路径较长，吹扫气阻力大，进出口压差较高，需较大功率的泵(或风机)推动吹扫气循环；(3)每个子区吹扫气管布置集中，容易形成吹扫死区，很难实现均匀吹扫。
技术实现要素：
为了克服现有固态增殖剂包层氚吹扫系统气体流动阻力大、容易出现流动死区的缺点，本发明提出一种聚变堆水冷包层的横向氚吹扫系统方案，可用于聚变堆固态包层设计中；该方案不仅有效降低了吹扫气体进出口压降，而且吹扫气流均匀，不易出现局部流动死区，同时兼具冷却功能。为克服上述现有固态增殖剂包层氚吹扫系统的缺点，本发明所采用的技术方案是：一种适应用于聚变堆固态包层的分区氚吹扫系统，它由吹扫气体分配联箱、吹扫气体收集联箱、包层侧板以及若干包层加强隔板组成；包层侧板与各加强隔板、各加强隔板之间间隔约为150～250mm，将包层分割为若干子区，各子区被增殖剂球床(Li2TiO3/Be12Ti混合球床)或中子倍增剂球床(铍球床)填充。包层侧板及加强隔板内布置有许多吹扫气体分配腔(或收集腔)，气体分配腔(或收集腔)一端经侧板或加强隔板上均匀分布的气孔与球床相通，另一端与相应的分配联箱(或收集联箱)相连。吹扫气体分配联箱用于向包层侧板及加强隔板分配吹扫气，实现吹扫气初级分配；包层侧板、加强隔板通过其内部的气体分配腔(或收集腔)实现吹扫气次级分配和初级收集；而收集联箱则收集来自包层加强隔板的吹扫气，实现吹扫气次级收集。系统各模块使用低活化钢加工制造。吹扫气体为氦气(含有约0.1％氢气)，气体流速约为0.1m/s～0.3m/s。所述包层氚吹扫系统中的吹扫气体由气体分配联箱进入包层侧板(或加强隔板)中的气体分配腔，流经包层各子区内的填充球床，再经加强隔板中的气体收集腔汇集流入吹扫气体收集联箱，在包层内部完成吹扫循环。该吹扫循环实现吹扫气两级分配和两级收集，而且每个包层子区可分别独立吹扫。所述包层侧板及加强隔板中内布置有冷却流道，与包层冷却系统相连。冷却剂流经上述冷却流道，带走包层侧板及加强隔板乃至球床的热量，实现冷却功能。本发明与现有固态增殖剂包层氚吹扫系统相比，其有益效果是：1.吹扫气体分配腔和收集腔布置于包层侧板及加强隔板内，使包层结构简单、可靠性高、易于加工；2.实现包层各子区分别独立吹扫，吹扫路径较短，吹扫气体进出口压差大大降低，气体流动阻力减小，使吹扫系统更加高效；3.实现吹扫气两级分配和两级收集，连通包层球床和吹扫气体分配腔(或收集腔)的气孔均匀布满包层侧板和加强隔板表面，使吹扫气流均匀，且不易出现流动死区；同时，吹扫气可与球床充分接触，氚提取效率；4.包层侧板及加强隔板中布置有冷却剂流道，同时实现对侧板及加强隔板乃至球床的冷却，冷却结构简单。附图说明图1为本发明的整体轴测视图。图2为本发明的吹扫气体分配腔及收集腔轴测视图。图3为本发明的俯视图。图4为本发明的A-A剖视图(包层加强隔板剖视图)。图5为本发明的B-B剖视图(包层侧板剖视图)。图6为本发明的C-C剖视图(包层吹扫气体分配联箱及收集联箱剖视图)。图7为图6的E部放大图。图8为球床(增殖剂球床或倍增剂球床)吹扫气进出口压差与吹扫路径长度关系图。图中：1.氚吹扫气体分配联箱；2.氚吹扫气体收集联箱；3.分配联箱吹扫气体进口；4.收集联箱吹扫气体出口；5-1.侧板1；5-2.侧板2；6-1.加强隔板一；6-2.加强隔板二；6-3.加强隔板三；7-1.侧板1中的吹扫气分配腔；7-2.侧板2中的吹扫气分配腔；8-1.加强隔板一中的吹扫气收集腔；8-2.加强隔板二中的吹扫气分配腔；8-3.加强隔板三中的吹扫气收集腔；9.冷却剂流道；10.分配联箱外壳；11.收集联箱外壳。图2直线实线箭头为吹扫气进气流向，曲线实线箭头为吹扫气在填充球床中的流向，虚线箭头为吹扫气出气流向。具体实施方式下面结合附图，对本发明具体实施方式作进一步说明：如图1所示，一种适应用于聚变堆固态包层的分区氚吹扫系统，它由吹扫气体分配联箱1、吹扫气体收集联箱2、两块包层侧板5-1和5-2，以及三块加强隔板6-1、6-2和6-3组成。两块侧板均与吹扫气分配联箱相连，构成一个“U”形。三块加强隔板与两块侧板间隔约150～250mm，将包层分为四个子区，每个子区均可填充Li2TiO3/Be12Ti混合球床(或中子增殖剂球床)，加强隔板和侧板沿高度因包层在聚变装置中的位置不同而有所不同，约为1.0m至2.5m。图2显示了两侧板(5-1和5-2)及加强隔板(6-1，6-2和6-3)内部的气体分配腔(7-1，7-2和8-2)和收集腔(8-1和8-3)，吹扫气体分配联箱1成倒立“m”形，分别与两侧板(5-1及5-2)和中间加强隔板(6-2)内部的三组吹扫气体分配腔7-1、7-2以及8-2相通。三组气体分配腔流道截面均为方形，并排排列，每组共有23个分配腔，每个分配腔上均打有一系列气孔，吹扫气体可通过气孔从分配腔流入球床内部。吹扫气体收集箱成“n”形，分别与加强隔板6-1及6-3内部的吹扫气体收集腔相通，收集腔共两组，每组23个，流道截面呈方形，也打有气孔，并与球床相通。流经球床的吹扫气体可通过气孔流入各气体收集腔，最终汇集到吹扫气体收集箱2。本发明吹扫气体的流动方向如图2箭头所示。吹扫气体(通常为99.9％氦气和0.1％氢气混合气)经过两级分配和两级收集实现包层填充球床吹扫。吹扫气体经分配联箱进口3流入分配联箱1，随后进入侧板5-1、5-2及加强隔板6-3中的吹扫气体分配腔(7-1,7-2及8-2)，将分配联箱内部的吹扫气体分配到侧板及加强隔板，此为初级吹扫气分配。吹扫气体经各分配腔均布的气孔可以均匀流入球床，此为次级吹扫气分配。在各子区内的填充球床内，吹扫气体中的氢与氚发生同位素置换。为使同位素充分置换，通常吹扫气体流速很小，仅有约0.1～0.3m/s，甚至更小。置换出的氚随吹扫气体一起，流经各收集腔(8-1和8-3)上的气孔，被收集腔收集(此为初级吹扫气收集)，最后汇集流入吹扫气体收集联箱2(此为次级吹扫气收集)，经出口4流出，在包层内部完成一次氚吹扫循环。通过两级分配和两级收集，一方面，可使吹扫气流在填充球床分布更加均匀，不易出现吹扫死区；另一方面，吹扫气与填充球床充分接触，也可提高氚提取效率。本发明可有效降低吹扫气进出口压差。根据Ergun公式，球床进出口压差为ΔPL=150(1-ϵ)2φ2ϵ3μUDp2+1.75(1-ϵ)ϵ3ρU2φDp2]]>式中，ΔP，L及ε为球床进出口压差，进出口长度和球床孔隙率；μ，ρ，U为气体粘度，密度，流速；φ，Dp分别为球床颗粒球形度和颗粒直径。图8展示了吹扫气进出口压差与吹扫路径长度的关系图。可见，吹扫气体在球床中的进出口压差正比于吹扫路径长度。本发明采用分区吹扫球床的吹扫方式，通过球床的吹扫路径长度仅有约150～250mm，而采用一般非分区吹扫方式，吹扫路径长度可达1000mm～2500mm。因此，本发明将使吹扫气体压差降低到25％以下。这将大大降低吹扫气体循环阻力，对吹扫气体循环泵的要求也随之降低，从而节约装置成本。包层两侧板(5-1、5-2)及三块加强隔板(6-1、6-2及6-3)中还包含有一系列“U”形冷却剂流道9(如图4和图5)，冷却流道与吹扫气体分配腔(或收集腔)间隔分布，以使侧板及加强隔板温度分布均匀。各冷却剂流道两端分别与包层冷却系统进口和出口相连，流入流道内的冷却剂可带走包层侧板、加强隔板乃至填充球床内沉积的中子核热，实现冷却冷却功能；此外，本发明的这种设计方案将吹扫系统与冷却系统部分流道融合设计，使包层结构简单，易于加工。本发明中包层侧板和加强隔板可竖直放置，也可水平放置，均可实现分区吹扫。但水平放置时应考虑侧板及加强隔板承重。如图6、7所示，包层吹扫气体分配联箱及收集联箱剖视图，展示了吹扫气体分配联箱及收集联箱的分配联箱外壳10和收集联箱外壳11。本发明未详细陈述的部分，属于本领域公知技术。尽管以上内容对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求和本发明确定的精神和范围内，这些变化是显而易见的，均在本发明保护之列。