旋转喷嘴鼓泡法提取液态锂铅合金中的氢

模拟了锂铅合金中氚提取技术,在采用流体力学建立代数模型的基础上,开展了旋转喷嘴鼓泡法提取锂铅合金中氢的研究。研究结果表明:锂铅熔融温度越高,氢提取累计效率越高;鼓泡床气含率受叶轮孔径影响不大,只是在较高的氦气流速下,采用小孔径时的气含率略高于大孔径,但孔径越小,气泡比表面积越大;随着氦气流速的增加,液态锂铅流循环强度明显增加,氢提取速率加快;喷头转速对氢提取影响有限。

液态锂铅合金中316L不锈钢的静态腐蚀行为

采用挂片法、失重法和金相分析,开展了结构材料316L不锈钢在液态锂铅(LiPb)合金中静态腐蚀行为的研究。研究结果表明:316L不锈钢中的组分元素,在液态LiPb合金中发生了溶解和质量迁移,这是导致材料腐蚀的主要原因,而温度和合金中的氧含量是影响静态腐蚀行为最重要的参数。

液态锂铅合金残渣中微量氚的回收

氚提取的系统设计中,如何严格限制氚损失和减小其辐射风险是非常重要的问题。利用同位素交换法对模拟液态锂铅合金残渣中的微量氚进行回收。研究结果表明,同位素交换法对液态锂铅合金残渣中的氚回收是有效的;交换载带气的最佳组成为He+0.1%D2。载带气相同时,交换温度和交换次数对渣中氚的回收率有显著影响。温度越高、交换次数越多,氚回收率越高;823K时,经过6次交换后的氚回收率接近80%。此外,依据气体与液态金属接触的动力学数学模型,推导出了锂铅合金滞留氚量释放的数学近似表达式。

锂铅合金中氚扩散行为的理论研究

锂铅合金是非常有前途的聚变堆、聚变-裂变混合堆包层产氚材料,研究氚在其中的扩散行为是很有意义的工作.从氢在金属中扩散的宏观规律出发,依据平板模型初步建立了氚-锂铅体系的扩散模型,利用相关文献数据,探讨了不同研究方式、氚浓度、温度对扩散行为的影响,分析了这种扩散的微观机制.计算结果表明:造成研究结论之间巨大差异的原因在于锂铅表面物理和化学状态的不同考虑;在一定温度范围内,氚浓度的升高引起扩散系数的下降,温度的升高引起扩散系数的增加.

液态金属回路DRAGON-Ⅱ锂铅合金流动与传热三维数值模拟

高温热对流实验回路DARGON-Ⅱ实验时液态金属锂铅流动的详细流场难以精确测量,利用CFD软件FLUENT对锂铅流动与传热特性进行三维数值模拟,给出了实验工况时实验样品区的详细流场包括温度分布、速度分布与压力分布等,验证了理论分析和实验测量结果,为不同流速、温度时液态锂铅流动对聚变堆候选结构材料低活化钢的腐蚀特性、相容性实验参数的确定提供理论依据和数据参考。

气-液接触法提取液态锂铅合金中的氢

在自行设计与建造的液态锂铅合金鼓泡器实验系统上,开展了气-液接触法提取液态锂铅合金中的氢。实验结果表明,氦气比氩气更适合作填料塔的载带气;塔温越高,塔出口端氢含量越大;载气流速对出口端氢含量的影响呈锯齿状,无明显规律。实验结果虽然与文献数据有差别,但可以认为采用气-液接触法提取液态锂铅中的氢同位素是可行的,提取效率是随液态锂铅在填料塔中滞留的时间增长而增大的。

液态锂铅合金中测氢传感器的探头材料

氢同位素在液态锂铅合金中的溶解行为是聚变堆液态包层提氚系统设计的重要参考指标。为了解决液态锂铅合金中氢含量测定的技术难题,研发测氢传感器,开展了以Al2O3、SiC、SiO2-Cr2O3、TiC为候选的传感器探头材料的选型研究。研究结果表明:在仅考虑测量平衡时间、合金熔融温度和热冲击的前提条件下,SiC探头材料是最合适的选择,具有测量直观准确、高热稳定性、抗化学腐蚀性能和耐热冲击性能良好的特点;而Al2O3和SiO2-Cr2O3在高温锂铅环境中易腐蚀;TiC高温下易氧化,但在873K以下时的测量值比SiC更接近理论饱和值。

DFLL-TBM液态锂铅合金鼓泡器实验系统的设计

液态锂铅合金鼓泡器是中国双功能液态锂铅测试包层氚处理单元的重要组成部分。为了完成鼓泡器实验系统的建造与运行,在多年开展氢同位素与锂铅合金相互作用的理论计算和旋转喷嘴鼓泡法提取液态锂铅中微量氢实验的基础上,提出了实验系统的总体设计、主回路设计和辅助系统设计。这个设计以气液交换填料塔为核心,实现了液态锂铅中氢同位素的测量与提取。

锂铅合金离线产氚实验的设计

从液态金属与氢的相互作用理论出发,进行了氚在液态Pb-17Li中的解吸动力学方面的理论推导。结果表明,氚的释放行为是熔融合金表面反应、扩散与对流综合影响的结果。在此基础上,提出了Pb-17Li辐照离线产氚系统的设计,包括流程设计与描述、实验条件和参数设计,同时还提出了Pb-17Li离线产氚实验的目标及应解决的问题。

304L不锈钢在液态锂铅合金中的表面腐蚀研究

采用挂片法、失重法和扫描电镜分析,开展了结构材料304L不锈钢在液态锂铅合金中表面腐蚀行为的研究。研究结果表明:304L不锈钢中的组分元素,在液态锂铅合金中发生了溶解和质量迁移,这是导致材料腐蚀的主要原因,温度与合金中的氧含量是影响表面腐蚀行为最重要的参数。

液态锂铅合金鼓泡器中液相行为的数值模拟

为了完成聚变堆氚增殖包层模块（Tritium Breeding Module，TBM）液态锂铅合金鼓泡器（Liquid Lithium Lead Bubbler，LLLB）的设计与建造，采用流体力学方法建立了描述表观气速、气泡尺寸和平均气含率等流变学指标对液相通量径向分布影响的代数模型。数值模拟结果表明：随着表现气速和平均气含率的增加，气泡尺寸的减小，液体循环流动强度增加，径向通量呈抛物线分布，在流态特性指数一定的情况下，中心区上流与边壁区回流的分界点只受表观气速的影响。

液态锂铅合金中氢溶解行为的初步研究

对氢在液态锂铅合金中的浓度进行了初步测量与分析。结果表明:氢在液态锂铅合金中的溶解存在过饱和现象,氢浓度测量曲线出现非线性的特点;采用气-液载带方式提取液态锂铅合金中的氢同位素是可行的;氢在液态锂铅合金中的溶解度受氢分压的影响远大于受锂铅合金熔融温度的影响。

锂铅合金样品的初步活化理论分析

为了对锂铅合金离线产氚实验方案及人员安全操作规程的制定提供基础数据,保证辐照实验与释氚实验的绝对安全,对锂铅合金样品的活化水平及其杂质的控制要求从辐照剂量率的角度进行了计算和初步分析。结果表明:锂铅合金样品在1013N/(cm2.s)的中子注量率下辐照15 h,经过约10个月的冷却与搁置,剂量率降低到放化实验室操作的剂量率水平要求,且杂质的控制要求较低;但搁置100个月后,仍无法满足普通化学实验室的操作要求。

液态锂铅合金中氢同位素测量研究进展

液态锂铅合金可兼作中子倍增剂、氚增殖剂以及冷却剂,因此液态锂铅合金包层被认为是一种在示范堆(DEMO)或聚变电站中颇有应用前景的增殖包层设计。为了连续监测锂铅增殖包层模块中氚的输运情况,准确、快速测量液态增殖剂的产氚率,需要实时在线测量流动液态增殖剂中氢同位素的浓度。现有传感器都是通过一定手段测定液态金属中的氢分压,然后代入Sieverts定律计算氢同位素浓度,其中氢同位素溶解度系数与同位素浓度的准确测量息息相关。目前氢溶解度系数测量方法主要分为定容法和渗透法,各团队对锂铅合金中氢同位素溶解度系数的测定数值差异较大。一方面由于氢同位素在液态锂铅合金中的溶解度极低,实验误差的影响不可忽视;另一方面杂质效应也会导致溶解度系数的差异,来自空气、水、CO中的氧会引入到锂铅中形成Li_(2)O,而与氧的反应会消耗液态锂铅合金中的Li,使Li活性降低,进而降低氢同位素的溶解度,因此氧含量以及其他杂质的控制对于锂铅合金的实际应用至关重要。近几年已开发的液态锂铅中氢同位素在线测量传感器主要包括金属渗透窗传感器和固体电解质传感器。金属渗透窗传感器结构简单,可靠性高,研究者们主要从材料选择和器件结构优化等方面不断尝试,并取得了丰硕的成果。目前的研究证实了动态测量模式在液态锂铅中氢同位素浓度快速在线测量方面的可行性,需解决的问题是如何避免金属探头材料的氧化,保证长期工作的稳定性。固体电解质测氢传感技术相对成熟,但陶瓷材料韧性较差,测试时需要通入参考气体,并且在器件结构设计和材料选择方面要求更高。还有一些液态金属在线测氢技术,探头采用多孔陶瓷来收集气体,主要用于铝液中氢浓度的测量。对于液态锂铅合金测氢,仍需探索材料的发气性与锂铅材料的相容性,以及对锂铅中极低氢同位素浓度测量的可行性。本文首先论述了影响氢同位素在液态锂铅合金中溶解度的因素,然后综述了液态锂铅合金中氢同位素溶解度系数的研究进展,包括其原理和研究方法,讨论了不同方法测量数值的差异。此外,本文对在线测量液态锂铅合金中氢同位素浓度传感器的研究进行了概述。最后,对在线测量液态锂铅合金中氢同位素浓度传感器的器件优化和未来发展方向作出了评价。

锂铅合金释氚实验研究

由于锂铅合金因具有高增殖比、低活泼性和可能作为冷却剂的特点,被认为是最有潜力的能源堆包层氚增殖材料。在理论模型描述熔融锂铅合金氚释放行为的基础上,开展了中子辐照后Li17Pb83合金的离线氚释放实验。结果表明:释放氚的化学形式99%以上为难溶于水的成分(HT或T2);氚滞留时间随载气中氢分压的增加而减小,氢分压达到1000 Pa后变为常数,且与实体积无关;氚释放速率对温度的依赖性符合Arrhenius定律。以此为基础得到的氚在熔融锂铅中的动力学参数结果,虽与文献值有差异,但同样证明了在633—973 K的范围内,氚从液态锂铅到气相的整个释放过程中起决定作用的是氚在合金内的扩散和气-液界面的多相反应重组。

液态锂铅合金中微量氚的回收

解决全球能源问题的聚变反应堆一直备受关注,其中由欧盟、俄罗斯、中、韩、印、日等多方合作的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)计划便是一个代表性的进展标志.ITER实验包层工作组将液态锂铅实验包层模块列为重点开发对象,中国提出的双功能锂铅实验包层模块DFLL-TBM(Dual FunctionLithium Lead-Test Blanket Module)是主要研究方案之一,液态锂铅集氚增殖剂、冷却剂和中子倍增剂于一身,可采用鼓泡器方式实现氚的提取.有关含氚固体废物的回收早有报道,但主要集中于贮氢材料中氚的同位素交换和氘氚化锂残渣中的氚回收,而高温液态合金中氚的回收还未见报道.如果要将液相锂铅中的氚滞留量降低到包层设计的要求,则必须使其上方的氚分压不超过107Pa,采用单纯的氦吹洗或真空脱气难以满足要求,102Pa是它们所能达到的最低极限压力,这是因为在低氚浓度下,由液相转入气相的氚速率是受氚在液相、气相及气-液界面的扩散过程所限制.为了提高从锂铅合金中回收氚的效率,减小氚在液相和气相的分子扩散阻力及气体在液相的滞留时间,本文采用氦吹洗气以及其与氢、氘的混合气作为交换载带气,利用同位素效应(isotopic effect),对液态锂铅合金中的微量氚开展实验回收的预先研究,期望对今后包层氚提取系统(TES)的工程化设计与建造提供技术支持.研究结果显示:随着交换温度的升高,氚的回收率明显增加,并且温度越高,第一次解吸的氚量越大.623K时,同位素交换效果较差,氚回收率较低;723K时经过6次交换后氚的回收率为78.2%;823K时交换一次氚的回收率就可达到66.3%.在相同温度下,氚回收率随交换次数的增加而增加,但经过6次交换后,曲线趋于平坦,氚回收率似乎在接近80%左右形成最大值.此外,单独使用氦吹洗气,氚回收率不到30%;添加0.1%的氘比氢的回收率要略高一些,这是因为充氚结束后的锂铅合金处于平衡状态,并非饱和状态,要交换出合金内的氚,必须预先吸附一定量的载带气,使其达到交换温度下的气体平衡离解压力,方可将合金中的氚交换出来.在较高的交换温度下,氚比氘、氘比氢更容易从锂铅中解析出来,这与气相色谱法分离氢同位素的原理是一致的.但过度增加载带气中氘的比例,反而降低了氚回收率,这是因为随着氘分压的增大,吸附质之间的同位素效应将减弱.总之,采用氦与0.1%氘组成的混合吹洗气,利用同位素交换效应对锂铅合金中的微量氚进行回收是有效的,氚回收效率接近80%;交换温度和交换次数对氚回收率的影响显著,在载带气相同的情况下,温度越高,交换次数越多,氚回收率越高.

液态锂铅合金鼓泡器的气泡行为数值模拟

液态金属包层的氚燃料循环是实现聚变堆、聚变-裂变混合堆正常运行的核心技术之一。氚燃料循环系统由氚净化、氚提取、氚储存、氚测量、氦/水冷却、氚回收等子系统构成,而液态金属鼓泡器位于包层主回路与氚提取系统之间,具有氚在线监测与氚去除的重要功能,是不可缺少的关键部件。由于氢同位素在液态锂铅中的极低溶解度和液态合金的高温、活泼、物理等特性,鼓泡器的研制十分困难。为完成液态锂铅合金鼓泡器(LLLB)的设计与建造,采用流体力学方法建立了描述气泡直径与粒度分布、气含率特征等动力学行为的代数模型。数值模拟结果表明,床层气含率和稳定气泡粒度分布均不受喷嘴孔径的影响;低气速下气泡破碎远快于气泡的聚并,绝大部分初始气泡直径大于最大稳定直径,其破碎后的直径取决于最大稳定气泡直径的大小;气泡比表面积和传质表面积增大的主要因素是气泡直径分布的变化。

渗透-质谱法测量液态锂铅合金中氢同位素

在聚变反应堆中,液态锂铅合金作为一种较理想的氚增殖剂和中子倍增剂一直被广泛应用。其中氢同位素的测量对反应堆安全、 氚提取和产氚率至关重要。我们采用质谱测量分析氢氘混合气在液态锂铅合金中渗透气体成分,从而探究氢同位素在锂铅合 金中的同位素效应。结果表明渗透气体含有 47.02% HD,33.39 % H2, ~19.54% D2,且测量的可重复性较好。

聚变-裂变混合堆液态锂铅包层中氚提取系统设计

液态锂铅合金是很有前途的聚变-裂变混合堆(FFHR)产氚包层增殖材料。作为聚变-裂变混合堆中最重要的辅助单元,液态锂铅包层氚提取系统(LLLB-TES)通过含0.1%H2的低压氦吹洗气流,将产氚包层中产生的氚交换和载带出来,进入同位素分离系统中连续进行氚的提取,实现混合堆氘氚核燃料的循环。为了完成这一挑战性工程的前期概念设计,本文给出了该系统总体参数、工艺流程、辅助设施等方面的描述,将TES划分为锂铅鼓泡、吹洗气配制、氢同位素色谱分离和氚贮存4个回路,凸现工程化的应用前景。

基于Mixture模型的液态锂铅鼓泡塔气液两相流模拟

实现从液态铅锂合金(PbLi)中高效率提取氚是液态PbLi氚增殖包层设计方案可行性的保障。鼓泡塔已被开发用于提取液态PbLi合金中的氚,其中塔内的气液两相流体动力学特性对鼓泡塔性能起着非常重要的作用。为了研究鼓泡塔内气液两相流动特性,本文采用采用Mixture多相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIMPLE算法,应用计算流体力学软件Fluent对鼓泡塔内气液两相流动进行了数值模拟。仿真结果表明,鼓泡塔内部气液两相混合速度沿径向分布不均匀,两侧速度大中间速度小。随着增锂铅入口流速的增大,鼓泡塔内的气含率下降。