一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法

技术领域

本发明涉及核工程领域，可以对聚变堆球床破碎粉末流态化行为进行实验研究。

背景技术

解决等离子体稳态运行和氚自持问题被认为是实现聚变能利用的必然前提。包层是实现氚自持的功能载体，内部氚增殖区采用锂基颗粒产氚并由吹扫气体带出，确保球床内吹扫气体通道的通畅是保证氚提取效率的重要前提。氚增殖球床内颗粒长期处于中子辐照、高热负荷、强磁场的服役环境下，容易产生粉化和破碎现象，产生的颗粒碎片和粉末在吹扫气体裹挟作用下发生迁移和沉积，堆积在气体通道内，减小吹扫气体的有效流通面积，增大流动阻力，恶化吹扫气体的流量分布，进而产生的氚滞留、传热退化等现象，严重危及球床的热力学性能以及氚自持的实现。此外，增殖区盒内冷却流道破口事故会导致高温高压氦气冷却剂直接泄漏喷射至球床，由此产生的颗粒流动、鼓泡和腾涌等行为也会直接威胁反应堆的安全运行。因此，聚变堆氚增殖球床颗粒在球床内的迁移和沉积等动力学行为，成为一个亟待明确的、值得深入探究的科学问题。

发明专利CN 110739086 A已公开了一种用于托卡马克聚变装置冷却发电系统的辅助回路，关于聚变堆增殖包层球床吹氚氦气热工水力特性实验装置也有授权，见公开号CN 104122071 B。但现有的相关实验装置大多仅用于研究球床内氦气的流动特性与热力学特性，而并未考虑硅酸锂粉末的流动与沉积特性，目前关于球床内粉末的迁移行为也缺乏研究，但破碎粉末对包层的工作效率与安全的影响不可忽略。本发明即针对这一研究背景，提出一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置与方法，对包层中破碎颗粒的运动与沉积规律进行精确预测，为包层球床的动力学研究提供帮助，同时为包层的结构设计提供重要参考。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置，循环回路由氦气瓶1、第一手动阀2、第二手动阀3、第一缓冲罐4、压力表5、第三手动阀6、第四手动阀7、真空管8、第五手动阀9、自密封接口10、真空压缩机11、第六手动阀12、第七手动阀13、第八手动阀14、第二缓冲罐15、压力表16、第九手动阀17、第一质量流量控制器18、第十手动阀19、第十一手动阀20、第二质量流量控制器21、第十二手动阀22、第十三手动阀23、安全阀24、第十四手动阀25、氦气粉末混合箱26、混合物阀门27、透明石英玻璃实验段28、过滤器29、冷却器30组成，其中实验段28包括：气固混合物入口31、硅酸锂颗粒32、第十五手动阀33、旋风分离器34、顶部粉末收集管35、压力表组36、底部粉末收集管37、高精度电子秤38、强光源39、高速相机40、控制和存储设备41等组成。

所述氦气粉末混合箱是用于混合氦气与硅酸锂粉末的区域。氦气与硅酸锂粉末先在该区域充分混合，再打开混合物阀门进入实验段。

所述第一缓冲罐与第二缓冲罐用于缓冲回路内氦气压力。当回路内氦气压力过大，可打开缓冲罐阀门缓解压力，通过缓冲罐上安装的压力表监测压力。待压力降低至较为安全的数值时才可关闭缓冲罐所在支路的阀门。

所述真空压缩机用于清理回路中的气体杂质。实验开始前开启真空压缩机抽取回路内的空气，并通过真空管监测回路中的真空度。待真空度达到合适的值后，关闭真空压缩机及其所在支路的阀门，准备开始实验。

所述第一质量流量控制器与第二质量流量控制器用于监测与控制气固混合物的流量。其中第一质量流量控制器的量程小于第二质量流量控制器。当氦气流量较小时，关闭第十一手动阀与第十二手动阀，通过第九手动阀与第十手动阀控制混合物的流量；当氦气流量较大时，关闭第九手动阀与第十手动阀，通过第十一手动阀与第十二手动阀控制混合物流量，达到控制氦气流速的目的。

所述安全阀的作用是回路内压力过载保护。若回路内某一瞬间压力过大，安全阀可在一定程度上保护回路。

硅酸锂小球以随机堆积的方式堆放在立方体透明石英玻璃实验段内，其长宽高分别为30mm、6mm、100mm。硅酸锂颗粒的直径为1～5mm，容器上下两端装有金属网，其防止颗粒掉落的同时可保证氦气与硅酸锂粉末可通过。氦气由高压氦气瓶提供。实验开始前先使用真空压缩机将回路抽成真空，之后通过真空管检测回路内的真空度。待回路内无杂质后，通入适量氦气进入回路，并通过控制两个缓冲罐阀门与取样口阀门控制回路内气压。待回路气压稳定后，打开硅酸锂粉末阀门，让适量硅酸锂粉末与氦气在混合箱中混合，待混合均匀后打开混合物阀门，让气固混合物进入实验段。

在混合物进入实验段前，先通过质量流量控制器控制气体的流速。当气固混合物进入实验段后，通过球床实验段上安装的压力表组监测球床氦气压降。球床附近安装有PIV可视化测量系统，该系统由强光源、高速相机、控制与存储设备组成。利用高速摄像机记录粉末在球床内的运动情况，同时将气体出口处与旋风分离器连接，将通过实验段后的混合物中的气体与粉末分离。最后将沉积的粉末与分离的粉末收集，用高精度电子秤称量。待混合物离开实验段后，通过过滤器过滤杂质，再利用冷却器对氦气进行散热，由此完成一个循环。此后可进行多次循环，获取多组实验数据，得出一般性结论。

本发明提出了一种聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置，其循环回路的设计可对价格昂贵的氦气进行循环利用，填补了对于聚变堆包层球床内硅酸锂粉末流态化实验研究的空白，具有稳定、安全的技术特点。

附图说明

图1为聚变堆包层球床氦气吹扫和粉末流态化实验装置循环回路图。

部件及标号列表：

氦气瓶1、第一手动阀2、第二手动阀3、第一缓冲罐4、压力表5、第三手动阀6、第四手动阀7、真空管8、第五手动阀9、自密封接口10、真空压缩机11、第六手动阀12、第七手动阀13、第八手动阀14、第二缓冲罐15、压力表16、第九手动阀17、第一质量流量控制器18、第十手动阀19、第十一手动阀20、第二质量流量控制器21、第十二手动阀22、第十三手动阀23、安全阀24、第十四手动阀25、氦气粉末混合箱26、混合物阀门27、透明石英玻璃实验段28、过滤器29、冷却器30。

图2为实验段气固分离装置图。

部件及标号列表：

气固混合物入口31、硅酸锂颗粒32、第十五手动阀33、旋风分离器34、顶部粉末收集管35、压力表组36、底部粉末收集管37、高精度电子秤38。

图3为实验段PIV可视化装置图。

部件及标号列表：

强光源39、高速相机40、控制和存储设备41。

具体实施方式

如图1所示为氦气吹扫和粉末流态化实验装置回路原理图，具体实现步骤如下。

步骤1：实验开始前，先关闭第1手动阀2、第十三手动阀23，其余阀门全部开启。确认阀门气密性良好后，启动真空压缩机11，抽走回路内杂质气体。待通过真空管8观测到回路内真空度达到目标值时，关闭第七手动阀13、第三手动阀6、第四手动阀7、第六手动阀12、第二手动阀3、第八手动阀14、混合物阀门27。

步骤2：将回路内抽至真空后，连接氦气瓶1，先打开第一手动阀2，向回路中通入氦气。之后打开第十三手动阀23，从中收集部分回路内气体样品，检验氦气纯度，若氦气纯度合格则关闭第十三手动阀23，继续向回路内通入氦气，直到球床实验段入口处氦气压强达到0.1MPa后关闭第一手动阀2。之后读取两个质量流量控制器18与21的读数，选择量程合适的质量流量控制器的所在支路作为气体回路的一部分，关闭另一条支路的两个阀门。

步骤3：此后开启第一手动阀2，由于其余阀门均已关闭，氦气将流至第五手动阀9所在的支路与事先选择的质量流量控制器所在的支路。当氦气流经质量流量控制器后，可通过18或21控制氦气的流速。

步骤4：当氦气进入混合箱26并与硅酸锂粉末充分混合后，打开混合物阀门27让气固混合物进入实验段28。之后启动PIV可视化测量系统。打开高速摄像机40记录强光源39照射下粉末在球床内的运动情况，并将结果存储在控制与存储设备41中。气固混合物将从球床下部进料口进入，未穿透球床的粉末将会沉积在底部粉末收集管37中。气固混合物穿透球床的过程中，通过球床上安装的压力表组36监测球床氦气压力降。出料口处与旋风分离器34连接，旋风分离器可将通过实验段后的混合物中的气体与粉末分离，气体将通过第十五手动阀33进入回路内回收，粉末则会沉积在球床顶部粉末收集管35处。最后将沉积的粉末与分离的粉末收集，用高精度电子秤38称量粉末质量。待混合物离开实验段后，通过过滤器29过滤可能剩余的硅酸锂粉末杂质，再利用冷却器30带走氦气在球床内因摩擦而产生的热量。如此结束一个循环，获得一组实验数据。

若在实验过程中因操作不当导致回路内氦气压力过高，可打开第二手动阀3与第八手动阀14，通过第一缓冲罐4与第二缓冲罐15缓解压力。当压力表5与压力表16显示压力已达到合适数值时，可关闭第二手动阀3与第八手动阀14。安全阀24可起到过载保护的作用，保证当氦气压力过高时，短时间内回路不会出现危险。

所述步骤3中，质量流量控制器应将氦气流速控制在0.2m/s～2m/s之间。在控制氦气流速后，应保持球床实验段进口压强为0.1MPa左右。