小规模锂液滴与冷却剂相互作用的实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种核工业领域的技术，具体是一种可以研宄聚变装置中小规模锂液滴与冷却剂相互作用的实验装置。
【背景技术】
[0002]受控核聚变提供了一种潜在的、取之不尽的清洁能源，是解决人类未来能源问题的主要选择。在磁约束托卡马克装置中，其第一壁部件尤为关键。近年来，世界各国都开展了液态锂作为第一壁材料的相关实验，在托卡马克装置TFTR、T-11M、NSTX、CDX-U、FTU、T-10上的实验研宄表明，液态锂能承受很高的中子通量和表面热负荷，能有效降低粒子再循环、减少杂质，并具有自我修复能力等特点，可显著改善等离子体性能、提高核聚变装置运行的稳定性，将为磁约束聚变发展提供新的科学手段，是未来聚变堆面对等离子体第一壁发展的可能重要途径。相对于固体高热负荷材料，流动液态锂自由表面具有无中子辐照损伤、无寿命限制的问题、易于循环更新等优点，是一个非常具有应用前景的选择。
[0003]但是，在托卡马克装置中应用液态锂也存在一定的安全风险。在生产、运输、储存和操作过程中，化学性质活泼的液态锂都有可能与空气、水和其他物质接触，发生剧烈的物理化学作用。从反应堆物理和热工水力的角度考虑，水作为高热流密度组件的冷却剂，具有优良的性能；同时，冷却剂方案的选择，也影响着整个聚变工程相关的工业体系，涉及到聚变核电站的建造、维修，运行技术的提高，装置的退役，安全法规的修订等多方面的问题。因此，目前成熟的水冷技术是聚变堆包层冷却方案的重要选择之一。在高热流密度的作用下，根据托卡马克装置上液态锂限制器的实验研宄，液态锂的表面温度会上升到600°C，当冷却剂管道发生破裂时或是锂和水都泄漏到真空室中，二者就会剧烈的相互作用，放出大量的热，并产生具有爆炸风险的氢气，引起装置内的温度、压力急剧变化，对装置的安全具有重要影响。
[0004]小规模锂液滴与冷却剂的相互作用，直接释放出的能量使装置的温度和压力急剧升高，破坏装置的完整性，并可能导致放射性物质的泄漏。从安全的角度来分析锂液滴与冷却剂的相互作用，最关心的是作用在周围环境构件上的冲击波峰值。但目前关于小规模液态锂与冷却剂相互作用的研宄较少，且大多集中在反应现象上，实验中观测的温度、压力变化和氢气产量，具有一定的局限性，不能很好的适用于液态锂的风险评估。当高温的金属熔融液滴与水相互作用时，通常会发生剧烈的爆炸反应，能量的释放有两个来源，一方面是熔融物向水的快速传热，导致水急剧蒸发引发蒸汽爆炸，这是短时间内的快速过程；另一方面，是由于金属与水的化学作用快速释放热量、产生氢气，进而导致的化学爆炸。因此，该爆炸过程是混合了氢气和蒸汽的爆炸。
[0005]虽然已有的研宄对小规模液态锂与冷却剂相互作用的过程进行了阐述，但是，热量传递和蒸汽产生的确切机制尚不明确，并缺少对结构件壁面冲击波峰值的研宄。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种小规模锂液滴与冷却剂相互作用的实验装置，能够对小规模锂液滴与冷却剂的相互作用机理进行详细的实验研宄，为大型安全评估和计算分析程序提供机理性模型，这对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计、包层冷却方案的选择具有重要意义。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0001]本发明包括:带有释放杆的加热炉、设置于加热炉下方的带有传感机构的可视化反应箱以及与传感机构相连的数据采集系统，其中:活动设置于加热炉内的释放杆在金属锂加热至初始反应温度后将其释放至盛有冷却剂的可视化反应箱内实现锂液滴与冷却剂的相互作用，以实现相互作用。
[0008]所述的加热炉包括:坩祸以及设置于坩祸外部的保温材料、电器控制系统和发热元件。
技术效果
[0009]与现有技术相比，本发明通过坩祸加热和释放杆调节，实现了小规模锂液滴与冷却剂相互作用的实验。释放杆的设计能够保证金属锂在惰性环境中加热至高温600°C不被氧化，同时也能控制液态锂的释放，每次实验可以完成多个温度工况，节约了实验时间，避免了金属锂的浪费；通过可视化窗口和高速摄像系统对作用区域进行实时观测，有利于更好的理解和研宄锂液滴与冷却剂相互作用过程，观测气泡产生机制和作用强度，为锂液滴与冷却剂相互作用模型的开发奠定基础。
【附图说明】
[0010]图1为本发明结构示意图；
[0011 ] 图2为坩祸及释放杆示意图；
[0012]图3为释放杆示意图；
[0013]图中:加热炉1、释放杆2、可视化反应箱3、进气口4、手套箱5、数据采集系统6、高速摄像系统7、保温材料8、电器控制系统9、发热元件10、坩祸11、真空泵12、电加热管13、压力传感器14、温度传感器15、有机玻璃16、进排水口 17、释放端18、液滴形成锥19。
【具体实施方式】
[0002]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0003]如图1所示，本实施例包括:带有释放杆2的加热炉1、设置于加热炉I下方的带有传感机构的可视化反应箱以及与传感机构相连的数据采集系统6。当金属锂加热至初始反应温度后，通过调节释放杆2，实现锂液滴与冷却剂的相互作用。高速摄像系统7对锂液滴与冷却剂相互作用过程进行观测，温度传感器15和压力传感器14记录锂液滴与冷却剂相互作用过程中的温度变化和压力变化。
[0014]所述的加热炉I上设有用于处理金属锂的真空手套箱5，该真空手套箱5的底部与坩祸11连通。
[0004]为了防止金属锂在处理过程中被氧化，对金属锂的处理和分装需要在惰性环境下操作，同时，每次拆封后未使用完的金属锂也要求保存在惰性环境下，所以手套箱5采用304不锈钢加工制成，长300mm，宽200mm，高200mm，手套口内径为100mm，手套为丁基合成橡胶手套，下料通道内径20mm，直接与坩祸11连通。
[0005]所述的加热炉I包括甘祸11以及设置于坩祸11外部的保温材料8、电器控制系统9和发热元件10，其中:加热炉I的外层为SPCC钢板，厚度为2_，外表面防锈处理及粉体烤漆处理，在炉壳上装有控制偶；加热炉I的内层为3mm厚度SPCC钢板，并设有均温区测量口(图中未示出)。
[0006]如图2所示，所述的坩祸11为不锈钢材质的双层炉壳结构，其中:炉胆是反射隔热组件，为1430型氧化铝多晶体纤维材料，减小了热膨胀。
[0007]所述的发热元件1