專利名稱:聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路及實驗方法
聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路及實驗方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種在液態(tài)金屬環(huán)境下聚變堆候選材料相容性實驗研究的裝置， 具體是液態(tài)金屬熱對流實驗回路及方法。
背景技術(shù)：
核能可分為核裂變能和聚變能兩種，目前工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的是裂變核能以 獲得巨大能量。聚變能是"安全、清潔、永久性"能源，是最終解決人類能源危 機的最有效途徑之一，世界上投入大量的人力和物力進行研究。包層技術(shù)是決定 聚變能成敗的關(guān)鍵技術(shù)，液態(tài)金屬包層設(shè)計由于其諸多優(yōu)點而成為最主要設(shè)計方 案，是國際上目前包層發(fā)展的主流。我國的"國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱 要(2006-2020年)"已把"包層技術(shù)"列為重點研究的前沿技術(shù)。液態(tài)金屬在聚變堆中流動將帶來很多具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)與技術(shù)問題，主要包 括液態(tài)金屬的流動特性和傳熱特性、液態(tài)金屬穿越磁場時引起的磁流體動力學(xué) (MHD)效應(yīng)、液態(tài)金屬與聚變堆材料(包括結(jié)構(gòu)材料和功能材料等)的相容 性、液態(tài)金屬中雜質(zhì)在線純化、以及多物理場(輻射場、溫度場、電磁場和應(yīng)力 等)協(xié)同作用下的材料學(xué)問題等。液態(tài)金屬實驗回路是研究上述關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問 題所必需的實驗研究平臺，是聚變堆中液態(tài)金屬關(guān)鍵技術(shù)研究的必備裝置。同時，液態(tài)金屬回路相關(guān)技術(shù)在其它研究領(lǐng)域中的研究也十分重要。例如 鋼鐵熔煉和鋼水輸送等涉及到液態(tài)金屬和裝置結(jié)構(gòu)材料相容性研究問題；民用工 業(yè)中，如表面安裝技術(shù)(SMT)中印刷板的雙波峰焊接及表面元件(SMC)電 路板的單波峰焊接工藝中，均需要應(yīng)用液態(tài)金屬釬料和液態(tài)金屬電磁泵等輸送器 件。液態(tài)金屬實驗回路也是研究上述等液態(tài)金屬研究領(lǐng)域所涉及到的科學(xué)技術(shù)問 題的實驗平臺。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路及實驗方法，能夠 營造高溫液態(tài)金屬流動環(huán)境，可以進行聚變堆候選材料(如奧氏體不銹鋼、低活 化鋼、難熔金屬、SiC復(fù)合材料等)在流動液態(tài)金屬中的相容性實驗研究，綜合評估它們在液態(tài)金屬中的服役性能。本發(fā)明的技術(shù)方案如下聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，其特征在于包括液態(tài)金屬儲藏罐和位于 其上方的膨脹箱，液態(tài)金屬儲藏罐和膨脹箱之間連接有冷段通路，冷段通路的側(cè) 面連接有熱段回路；冷段通路下端和液態(tài)金屬儲藏罐側(cè)壁之間聯(lián)通有回流旁路； 冷段通路下端和回流旁路中分別安裝有液態(tài)金屬閥門；所述的液態(tài)金屬儲藏罐和 膨脹箱上方均分別與真空泵、惰性氣體貯罐聯(lián)通;液態(tài)金屬儲藏罐中有液態(tài)金屬； 液態(tài)金屬儲藏罐、膨脹箱、冷段通路、熱段回路豎直段的外壁上均安裝特有加熱 裝置和熱電偶，且冷段通路和熱段回路分別采用分段加熱方式。在冷段通路和熱段回路的豎直段中分別放置材料實驗樣品?；蛘咴诶涠瓮泛蜔岫位芈返呢Q直段中分別放置聚變堆候選材料實驗樣品。所述的液態(tài)金屬是液態(tài)金屬鋰鉛。所述熱段回路水平段的外壁有空氣冷卻夾套。液態(tài)金屬熱對流實驗方法，其特征在于在液態(tài)金屬儲藏罐和位于其上方的 膨脹箱之間通過冷段通路聯(lián)通，在冷段通路的側(cè)面連接熱段回路，液態(tài)金屬儲藏 罐中有液態(tài)金屬，冷段通路和熱段回路的豎直段中分別放置有材料實驗樣品；冷 段通路下端安裝有液態(tài)金屬鋰鉛閥門；所述的液態(tài)金屬儲藏罐、膨脹箱上方均分 別與真空泵、惰性氣體貯罐聯(lián)通；先向液態(tài)金屬儲藏罐輸送惰性氣體，將液態(tài)金 屬壓入并充滿到冷段通路和熱段回路中，然后關(guān)閉冷段通路下端的液態(tài)金屬閥 門；再加熱冷段通路和熱段回路等，使得液態(tài)金屬升溫，實現(xiàn)熱段回路和冷段通 路中液態(tài)金屬預(yù)定的溫度差，引起液態(tài)金屬密度的不同，并在重力作用下形成一 個壓力差，從而使得液態(tài)金屬在冷段通路和熱段回路中熱對流運動，實現(xiàn)在同一 裝置中對材料實驗樣品不同溫度下的動態(tài)相容性實驗研究。加熱冷段通路、熱段回路是采用分段加熱方式，以準確控制冷段通路、熱段 回路中不同位置的溫度。冷段通路中液態(tài)金屬溫度控制在400-550。C范圍內(nèi)，熱段回路中液態(tài)金屬溫
度控制在550-70(TC范圍內(nèi)。所述的材料實驗樣品為聚變堆候選結(jié)構(gòu)和功能材料，所述的液態(tài)金屬是液態(tài) 金屬鋰鉛。冷段通路和熱段回路的豎直段中分別放置有材料樣品。先由惰性氣體貯罐向 液態(tài)金屬儲藏罐輸送惰性氣體，將液態(tài)金屬壓入并充滿到冷段通路和熱段回路中 (回流旁路中閥門關(guān)閉)，然后關(guān)閉冷段通路下端的液態(tài)金屬閥門，均勻穩(wěn)定加 熱冷段通路和熱段回路等，以實現(xiàn)熱段回路和冷段通路中液態(tài)金屬預(yù)定的溫度 差，導(dǎo)致液態(tài)金屬密度不同，并在重力作用下形成一個壓力差，引起液態(tài)金屬在 冷段通路和熱段回路中熱對流運動。 本發(fā)明實驗裝置的主要性能參數(shù)為(1) 回路運行溫度為400-700°C，其中冷段通路中液態(tài)金屬溫度可控制在 400-55(TC范圍內(nèi)，熱段回路中液態(tài)金屬溫度可控制在550-70(TC范圍內(nèi)；(2) 采用分段并聯(lián)加熱方式及多排同截面多個熱電偶測溫方法，回路溫度控制及測溫精度可達irc。本發(fā)明可以進行聚變堆候選材料(如奧氏體不銹鋼、低活化鋼、難熔金屬、 SiC復(fù)合材料等)在流動液態(tài)金屬中的相容性實驗研究，綜合評估它們在液態(tài)金 屬中的服役性能。


附圖為本發(fā)明實驗裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，包括液態(tài)金屬儲藏罐1和位于其上方的膨 脹箱2，液態(tài)金屬儲藏罐1和膨脹箱2之間連接有冷段通路3，冷段通路3的側(cè) 面連接有熱段回路4，液態(tài)金屬儲藏罐1、膨脹箱2、冷段通路3、熱段回路4 豎直段的外壁上均安裝有電加熱裝置5，液態(tài)金屬儲藏罐l中有液態(tài)金屬；冷段 通路3下端和液態(tài)金屬儲藏罐側(cè)壁之間聯(lián)通有回流旁路6，冷段通路3下端和回 流旁路中分別安裝有液態(tài)金屬閥門7;所述的液態(tài)金屬儲藏罐l、膨脹箱2上方 分別與真空泵8、惰性氣體貯罐9聯(lián)通。冷段通路3和熱段回路4豎直段中間分
別放置有聚變堆候選材料(如奧氏體不銹鋼、低活化鋼、難熔金屬、SiC復(fù)合材 料等)，通過懸掛固定等方法放置，不阻塞液態(tài)金屬流動。工作時，先由惰性氣體貯罐通過向液態(tài)金屬儲藏罐輸送惰性氣體，將液態(tài)金 屬壓入并充滿到冷段通路和熱段回路中(回流旁路中閥門關(guān)閉)，然后關(guān)閉冷段 通路下端的液態(tài)金屬閥門，再加熱冷段通路和熱段回路，使得液態(tài)金屬升溫，實 現(xiàn)熱段回路和冷段通路中液態(tài)金屬預(yù)定的溫度差，導(dǎo)致液態(tài)金屬密度不同，并在 重力作用下形成一個壓力差，引起液態(tài)金屬在冷段通路和熱段回路中熱對流運 動。
權(quán)利要求
1. 聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，其特征在于包括液態(tài)金屬儲藏罐和位于 其上方的膨脹箱，液態(tài)金屬儲藏罐和膨脹箱之間連接有冷段通路，冷段通路 的側(cè)面連接有熱段回路；冷段通路下端和液態(tài)金屬儲藏罐側(cè)壁之間聯(lián)通有回 流旁路；冷段通路下端和回流旁路中分別安裝有液態(tài)金屬閥門；所述的液態(tài) 金屬儲藏罐和膨脹箱上方均分別與真空泵、惰性氣體貯罐聯(lián)通；液態(tài)金屬儲 藏罐中有液態(tài)金屬；液態(tài)金屬儲藏罐、膨脹箱、冷段通路、熱段回路豎直段 的外壁上均安裝特有加熱裝置和熱電偶，且冷段通路和熱段回路分別采用分 段加熱方式。
2. 液態(tài)金屬熱對流實驗方法，其特征在于在液態(tài)金屬儲藏罐和位于其上方的 膨脹箱之間通過冷段通路聯(lián)通，在冷段通路的側(cè)面連接熱段回路，液態(tài)金屬 儲藏罐中有液態(tài)金屬，冷段通路和熱段回路的豎直段中分別放置有材料實驗 樣品；冷段通路下端安裝有液態(tài)金屬鋰鉛閥門；所述的液態(tài)金屬儲藏罐、膨 脹箱上方均分別與真空泵、惰性氣體貯罐聯(lián)通；先向液態(tài)金屬儲藏罐輸送惰 性氣體，將液態(tài)金屬壓入并充滿到冷段通路和熱段回路中，然后關(guān)閉冷段通 路下端的液態(tài)金屬闊門；再加熱冷段通路和熱段回路等，使得液態(tài)金屬升溫， 實現(xiàn)熱段回路和冷段通路中液態(tài)金屬預(yù)定的溫度差，引起液態(tài)金屬密度的不 同，并在重力作用下形成一個壓力差，從而使得液態(tài)金屬在冷段通路和熱段 回路中熱對流運動，實現(xiàn)在同一裝置中對材料實驗樣品不同溫度下的動態(tài)相 容性實驗研究。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，其特征在于在冷 段通路和熱段回路的豎直段中分別放置材料實驗樣品。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，其特征在于在冷 段通路和熱段回路的豎直段中分別放置聚變堆候選材料實驗樣品。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，其特征在于所述 的液態(tài)金屬是液態(tài)金屬鋰鉛。
6. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路，其特征在于所述 熱段回路水平段的外壁有空氣冷卻夾套。
7. 根據(jù)權(quán)利要求
2所述的液態(tài)金屬熱對流實驗方法，其特征在于加熱冷段通路、熱段回路是采用分段加熱方式，以準確控制冷段通路、熱段回路中不同 位置的溫度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求
2所述的液態(tài)金屬熱對流實驗方法，其特征在于冷段通路中液態(tài)金屬溫度控制在400-55(TC范圍內(nèi)，熱段回路中液態(tài)金屬溫度控制在 550-700。C范圍內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求
2所述的液態(tài)金屬熱對流實驗方法，其特征在于所述的材料 實驗樣品為聚變堆候選結(jié)構(gòu)和功能材料，所述的液態(tài)金屬是液態(tài)金屬鋰鉛。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種聚變堆液態(tài)金屬熱對流實驗回路及實驗方法，在液態(tài)金屬儲藏罐和膨脹箱之間連接有冷段通路，冷段通路的側(cè)面連接有熱段回路；液態(tài)金屬儲藏罐中有液態(tài)金屬；加熱冷段通路和熱段回路，使得液態(tài)金屬升溫，實現(xiàn)熱段回路和冷段通路中液態(tài)金屬預(yù)定的溫度差，導(dǎo)致液態(tài)金屬密度不同，并在重力作用下形成一個壓力差，引起液態(tài)金屬在冷段通路和熱段回路中的熱對流運動，實現(xiàn)對材料實驗樣品在同一裝置中不同溫度下的動態(tài)相容性實驗研究。本發(fā)明可以進行聚變堆候選材料(如奧氏體不銹鋼、低活化鋼、難熔金屬、SiC復(fù)合材料等)在流動液態(tài)金屬中的相容性實驗研究，綜合評估它們在液態(tài)金屬中的服役性能。
文檔編號G21B1/11GKCN101145407SQ200710133791
公開日2008年3月19日 申請日期2007年9月30日
發(fā)明者吳宜燦, 勇 宋, 朱志強, 章毛連, 勝 高, 黃群英 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan