阅读说明：本技术 一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层 (Supercritical carbon dioxide liquid lithium-lead double-cooling cladding ) 是由 陈磊 刘松林 马学斌 蒋科成 余毅 倪明玖 陈龙 张年梅 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层,采用扇段式包层方案,每个包层扇段包含多个增殖单元,由低活化铁素体钢加工的附钨U型第一壁、超临界二氧化碳进出口联箱焊接形成增殖单元,内部由加强板和冷却板分割成极向贯通的子腔室,形成锂铅流道。液态锂铅从包层底部分流进入子腔室并从顶部汇集流出,带走增殖区核热。U型第一壁内的并联流道与超临界二氧化碳进出口联箱相通,通有超临界二氧化碳冷却剂,排出U型第一壁热量,同时增强第一壁载热能力。锂铅流道内布置有电、热绝缘的碳化硅流道插件,在降低MHD效应和腐蚀问题的同时,提高包层出口温度,为聚变堆实现高效发电提供先进包层候选方案。(The invention discloses a supercritical carbon dioxide liquid lithium-lead double-cooling cladding, which adopts a sector cladding scheme, wherein each cladding sector comprises a plurality of proliferation units, a tungsten-attached U-shaped first wall processed by low-activation ferrite steel and a supercritical carbon dioxide inlet-outlet header are welded to form the proliferation units, and the proliferation units are internally divided into sub-chambers which are communicated in a polar direction by reinforcing plates and cooling plates to form a lithium-lead flow channel. Liquid lithium lead flows into the sub-chamber from the bottom of the cladding and is collected and discharged from the top, and nuclear heat in a proliferation area is taken away. The parallel flow channel in the U-shaped first wall is communicated with the supercritical carbon dioxide inlet and outlet header, and is communicated with a supercritical carbon dioxide coolant to discharge heat of the U-shaped first wall and enhance the heat carrying capacity of the first wall. An electrically and thermally insulated silicon carbide runner plug-in is arranged in the lithium lead runner, so that the MHD effect and the corrosion problem are reduced, the outlet temperature of the cladding is increased, and an advanced cladding candidate scheme is provided for realizing efficient power generation of the fusion reactor.)

一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层

技术领域

本发明属于聚变堆工程技术领域，主要涉及一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层。

背景技术

氚增殖包层是聚变堆实现氚自持、能量转换和辐射屏蔽的核心部件。其中液态包层多以液态锂铅作为氚增殖剂和中子倍增剂，具有结构形式简单，可实现在线提氚，容易向高温拓展，通常被认为是聚变堆未来先进包层方案。

目前，国内外主要有三种液态锂铅包层设计方案。自冷液态锂铅包层方案首先被提出，它使用液态锂铅作为氚增殖剂、中子倍增剂和冷却剂，同时使用低活化钢作为结构材料，但液态锂铅流速较大，强磁场环境中锂铅与导电钢壁的磁流体力学(MHD)效应很强，造成锂铅流动阻力很大。后来的改进方案采用电绝缘的碳化硅作为包层结构材料，可有效降低MHD效应，但碳化硅陶瓷作为结构材料需要在强中子辐照环境中承受较大结构应力，目前技术尚不成熟。而后，为了解决MHD问题，另一种新的独立冷却的液态锂铅方案也被提出。以欧盟为例，氦冷锂铅包层和水冷锂铅包层均被作为未来聚变堆候选液态包层，液态锂铅并不作为冷却剂，只需在包层内缓慢流动以实现氚提取，这种方案能有效降低包层增殖区的MHD效应，但在包层集管内锂铅流速仍然很大，MHD效应并不能有效缓解，此外，较低的氦/水冷却剂出口温度不高，限制了系统热效率。为提高出口温度和发电效率，欧洲，美国和中国分别提出了双冷锂铅包层概念。在这种概念中，锂铅在增殖区以中等流速流动，实现自身冷却；同时，高压氦气冷却第一壁及冷却板等包层结构。在增殖区加装电、热绝缘的碳化硅插件的情况下，一方面降低MHD效应，另一方面锂铅出口温度可达700℃以上，极大地提高了热效率。但未来聚变DEMO堆中第一壁热负荷可达MW/m²量级，氦气由于载热量较低很难充分冷却第一壁。

总结上述国内外研究中涉及的几种液态锂铅包层设计方案的不足之处，主要有以下几点：(1)现有液态锂铅包层设计由于存在多因素制约，难以兼备低MHD效应、低结构材料腐蚀和高热效率等优点。(2)现有冷却剂方案很难兼顾强载热能力、高出口温度的要求。水冷方案对第一壁载热能力强，但出口温度不高，限制了热效率；氦冷方案虽然可以获得较高出口温度，但对第一壁冷却能力有限。此外，由于包层核热沿径向呈指数衰减分布，包层前区容易因冷却不足而超温，且前后区钢结构温差大，应力大，设计十分困难。

发明内容

为了克服现有液态锂铅包层难以兼顾高温高效、强载热能力和钢结构热应力较大的问题，本发明设计一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层，在不同锂铅流道内布置热导率不同的耐高温、腐蚀、电/热绝缘性良好的碳化硅流道插件，同时采用超临界二氧化碳冷却包层第一壁及结构，在降低MHD效应、结构材料腐蚀和热应力的同时，提高液态锂铅出口温度和第一壁载热能力，为聚变堆包层技术发展提供候选方案。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种超临界二氧化碳液态锂铅双冷包层，采用扇段式包层方案，分为外包层扇段和内包层扇段，每个扇段包含多个增殖单元，其中增殖单元由U型第一壁、冷却板、加强板、锂铅流道插件和超临界二氧化碳进/出口联箱构成，其中U型第一壁、冷却板、加强板和超临界二氧化碳出口联箱焊接，将包层分割成极向贯通的子腔室，形成锂铅流道；所述的锂铅流道插件布置于锂铅流道内。所述的U型第一壁、冷却板、加强板、超临界二氧化碳进/出口联箱采用低活化铁素体钢加工而成。U型第一壁外表面附有钨铠甲。

进一步地，在包层扇段顶部和底部分别焊接盖板，并且在底部连接外/内包层扇段锂铅进口管，在顶部连接外/内包层扇段锂铅出口管，液态锂铅从底部外/内包层扇段锂铅进口管分流进入并联的锂铅流道，最后汇集从外/内包层扇段锂铅出口管流出，带走包层增殖区的核热。

进一步地，U型第一壁、冷却板、加强板内部均布置有多个并联的冷却剂流道，与超临界二氧化碳进/出口联箱相通，超临界二氧化碳冷却剂从进口联箱分流进入U型第一壁、冷却板、加强板内部的冷却剂流道，再流回出口联箱，排出热量；加强板内的冷却流道沿极向分区分组布置，每个极向分区分别由一组冷却流道冷却。

进一步地，每个增殖单元具有彼此相同或不同的几何结构，和彼此相同或不同的尺寸。

进一步地，所述的锂铅流道插件采用电、热绝缘的碳化硅复合材料加工。

进一步地，U型第一壁、冷却板、加强板内冷却流道截面、间距和排布方案根据包层热工水力学要求优化确定。

本发明的优点是：

(1)本发明中的超临界二氧化碳冷却剂相比高压氦气密度提高10倍以上，单位体积载热能力提高约150％，有效弥补了第一壁冷却能力不足的缺点，有利于提高聚变堆包层安全性。

(2)本发明的碳化硅流道插件耐高温、耐腐蚀、电/热绝缘性良好，既可有效减弱包层内的MHD效应，又可避免锂铅对流道的腐蚀问题，同时锂铅出口温度不受腐蚀温度限制，可达700℃以上，有利于提高聚变堆热电转换效率。在包层不同径向位置选择使用不同热导率的锂铅流道插件，靠近U型第一壁侧锂铅流道插件的热导率更低，有利于降低包层前区钢结构温度使之不超温，从而减小包层前后区钢结构温差，降低钢结构热应力。

(3)加强板(11)内的冷却流道沿极向分区分组布置，每组冷却流道仅冷却一个极向分区，不仅可以降低所需的冷却剂流量，还能缩短流道长度，有利于减小流通阻力。

附图说明

图1为本发明内外包层扇段和典型增殖单元的三维示意图；

图2为本发明典型增殖单元结构组成示意图；

图3为本发明典型增殖单元横截面图及U型第一壁内超临界二氧化碳流动方案示意图；

图4为本发明冷却板及加强板内超临界二氧化碳流动方案示意图；

图5为超临界二氧化碳与高压氦气载热能力比较图。

图中：1.外包层扇段；2.内包层扇段；3.盖板；4-1.外包层扇段锂铅进口管；4-2.内包层扇段锂铅进口管；5-1.外包层扇段锂铅出口管；5-2.内包层扇段锂铅出口管；6.增殖单元；7.U型第一壁；8.钨铠甲；9-1.超临界二氧化碳进口联箱；9-2.超临界二氧化碳出口联箱；10.冷却板；11.加强板；12.锂铅流道插件；13.锂铅流道。

图3和图4中虚线箭头表示超临界二氧化碳流动方向。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，聚变堆包含十六个外包层扇段1和十六个内包层扇段2。每个扇段均采用扇段式包层方案设计，沿极向分割成若干增殖单元分别加工，进而焊接形成扇段。如图3所示，每个增殖单元彼此独立地由U型第一壁7、冷却板10、加强板11、锂铅流道插件12和超临界二氧化碳进/出口联箱9-1/9-2构成。每个增殖单元6具有彼此相同或不同的几何结构，和彼此相同或不同的尺寸。例如，如图2所示，以典型的赤道面外包层增殖单元6为例，它由U型第一壁7、冷却板10、加强板11、锂铅流道插件12和超临界二氧化碳进/出口联箱9-1/9-2构成。

图3展示了实施例的径向-环向横截面图，即图1典型增殖单元6的A-A截面图。从横截面看，两组冷却板10、三组加强板11分别与U型第一壁7、超临界二氧化碳出口联箱9-2壁焊接，将包层锂铅增殖区分割成十二宫格，每个宫格形成一个锂铅流道13。每个包层扇段的顶部和底部分别焊接盖板3，并且在底部连接外/内包层扇段锂铅进口管4-1/4-2，在顶部连接外/内包层扇段锂铅出口管5-1/5-2，液态锂铅从底部锂铅进口管4-1/4-2分流进入并联的锂铅流道13，最后汇集从锂铅出口管5-1/5-2流出，从而带走包层增殖区的核热，用于发电。

所述的U型第一壁7、冷却板10、加强板11和超临界二氧化碳进/出口联箱9-1/9-2采用低活化铁素体钢加工而成，以便降低聚变堆包层放射性物质活化水平，缩短放射性废物处理周期。U型第一壁7外表面附有耐高温的钨铠甲8，用以抵抗等离子体溅射和高热负荷，保护U型第一壁7。锂铅流道插件12采用电、热绝缘的碳化硅复合材料加工，如图3所示，它悬浮布置于锂铅流道13内，并与包层冷却板10、加强板11钢结构形成一定液态锂铅间隙。锂铅流道插件12一方面隔绝流道核心区域快速流动的锂铅和包层钢结构，降低MHD效应，减缓锂铅对包层钢结构的腐蚀；另一方面，热绝缘的碳化硅还起隔热作用，在包层钢结构不超过许用温度(550℃至650℃)的情况下，可提高锂铅出口温度至700℃，聚变堆毛热电转换效率可提高至45％以上。

图3的虚线箭头展示了U型第一壁7内超临界二氧化碳冷却方案。在U型第一壁7内部布置有多个并联的冷却剂流道，流道两端分别与超临界二氧化碳进/出口联箱9-1/9-2相通，超临界二氧化碳冷却剂从进口联箱9-1分流进入U型第一壁7，再流回出口联箱9-2，排出U型第一壁7的热量。图4的虚线箭头展示了冷却板10和加强板11的冷却方案，来自超临界二氧化碳进口联箱9-1的冷却剂沿并联的流道分流进入两组冷却板10和三组加强板11，再沿极向分布流动，最后汇集进入超临界二氧化碳出口联箱9-1，以实现冷却板10和加强板11的冷却。冷却板10和加强板11内的流道截面、间距和长度可根据冷却需求和流动阻力进行优化设计，以达到最佳的冷却方案设计。此外，如图4所示，加强板11内的冷却流道沿极向分区分组布置，每组冷却流道仅冷却一个极向分区，一方面降低了所需的冷却剂流量，另一方面缩短了流道长度，有利于减小流通阻力。

图5展示了不同压力和温度条件下，超临界二氧化碳与高压氦气载热能力的曲线图。由图可知，在典型冷却剂温度(400℃)和压力(8MPa)条件下，1m³氦气在温升为1℃时可带走29.3kJ热量，而超临界二氧化碳可带走73.2kJ热量，载热量是氦气的2.5倍。当温度在300-500℃、压力在8-12MPa变化时，两者的载热量均随之变化，但超临界二氧化碳载热量基本是氦气的2.5倍。这表明超临界二氧化碳包层相比传统氦冷包层，具有更好的载热能力，有利于提高包层第一壁抵抗高热负荷的能力和安全裕度。

本发明未详细陈述的部分，属于本领域的公知技术。

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。