本發(fā)明涉及磁約束聚變反應(yīng)堆包層，具體涉及一種利用液態(tài)金屬實現(xiàn)氚增值、能量增值、屏蔽防護的液態(tài)第一壁包層。

背景技術(shù)：
作為一種經(jīng)濟、安全、可靠、清潔的新能源，核聚變能對于從根本上解決能源緊張和減輕環(huán)境污染具有十分重要的意義，同時在軍事上也有非常好的應(yīng)用前景。聚變反應(yīng)堆是獲得和使用核聚變能的核心部件。因此，聚變反應(yīng)堆技術(shù)引起全世界各國的高度重視。包層是聚變反應(yīng)堆的重要堆內(nèi)部件。其主要功能是：維持聚變堆芯聚變反應(yīng)所需的氚，實現(xiàn)氚自持；將聚變粒子能量轉(zhuǎn)換為可利用能量(如熱和電等)，實現(xiàn)能量增值；減少放射性物質(zhì)的擴散，包容放射性物質(zhì)，實現(xiàn)輻射屏蔽。包層在聚變反應(yīng)堆堆芯內(nèi)服役條件復雜，必須承受高的表面熱負載和高粒子通量輻照。和傳統(tǒng)的固體材料相比較，在第一壁中采用液態(tài)金屬自由表面有顯著優(yōu)點。其能承受更高的表面熱負荷和中子通量，并且顯著的延長結(jié)構(gòu)材料的使用壽命。現(xiàn)有液態(tài)壁設(shè)計也存在一些關(guān)鍵問題：(1)等離子體與液態(tài)金屬、熔鹽產(chǎn)生相互影響，高能粒子對液態(tài)金屬、熔鹽自由表面轟擊引起飛濺，液態(tài)金屬蒸發(fā)影響等離子體質(zhì)量；(2)液態(tài)金屬、熔鹽自由表面?zhèn)鳠崤c溫度控制問題，由于聚變反應(yīng)堆高表面熱流密度，可能造成自由表面溫度過高引起液態(tài)金屬、熔鹽大量蒸發(fā)；(3)薄化效應(yīng)，在重力作用和赤道面附近背壁面積增加的情況下，赤道面附近液態(tài)壁厚度減??；(4)液態(tài)壁流動控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種新型聚變反應(yīng)堆液態(tài)第一壁包層，以解決現(xiàn)有液態(tài)第一壁設(shè)計方案中面臨的關(guān)鍵問題，用于熱量傳遞、氚提取、再循環(huán)，可有效減小MHD效應(yīng)、薄化效應(yīng)問題。為了達到上述目標，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種應(yīng)用于磁約束聚變反應(yīng)堆的雙層流液態(tài)第一壁包層，包括：反應(yīng)堆真空室，內(nèi)有包括反應(yīng)堆內(nèi)包層、反應(yīng)堆外包層，其特征在于：在真空室頂部沿真空室環(huán)向設(shè)置內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管與外包層液態(tài)金屬噴入管，內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管噴射方向豎直向下，外包層液態(tài)金屬噴入管噴射方向沿真空室環(huán)向，外包層背壁帶有螺旋絕緣流道結(jié)構(gòu)，內(nèi)包層背壁無流道布置，真空室底部設(shè)置液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)；工作時，高溫液態(tài)金屬高速從內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管噴射到內(nèi)包層背壁上，從外包層液態(tài)金屬噴入管沿真空室環(huán)向噴入外包層背壁設(shè)置的絕緣流道中，液態(tài)金屬最終通過液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)排出反應(yīng)堆。所述的螺旋向下型絕緣流道，其采用材料為耐高溫、耐腐蝕材料；流道高度5cm-30cm；其螺旋方向與真空室內(nèi)磁場方向一致。所述的內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管，液態(tài)金屬噴射速度為5-15m/s，噴射方向豎直向下，噴入管的管徑為40cm。液態(tài)金屬在重力作用下沿內(nèi)包層背壁向下流動。所述的外包層液態(tài)金屬噴入管，液態(tài)金屬噴射速度為8-20m/s，噴射方向沿真空室環(huán)向，管徑40-60cm。噴入管噴射出的液態(tài)金屬在外包層背壁上形成至少40cm厚的液態(tài)金屬壁面，外包層背壁上設(shè)置的螺旋絕緣流道高度為20cm-30cm，高速噴入的液態(tài)金屬厚度大于絕緣流道高度，從而淹沒絕緣流道形成兩層流動，即低于流道高度的液態(tài)金屬流動與高于流道高度的液態(tài)金屬流動。低于流道高度的液態(tài)金屬在流道內(nèi)沿流道螺旋向下流動；高于流道高度的液態(tài)金屬具有同樣的環(huán)向初始速度，由于沒有流道的支撐，在重力作用下形成向下的自由流動。流道外側(cè)的自由流動在重力作用下可以快速的流入液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)排出堆芯進行換熱，從而避免液態(tài)金屬表面溫度過高引起大量蒸發(fā)，破壞等離子體穩(wěn)定性。所述的液態(tài)金屬有三種可以選擇分別是：Li、SnLi、PbLi。整個液態(tài)第一壁結(jié)構(gòu)溫度控制金屬或熔鹽熔點以上。與現(xiàn)有設(shè)計相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明減小MHD效應(yīng)引起的流動不穩(wěn)定性和產(chǎn)生的壓降：在外包層背壁上設(shè)置螺旋向下的絕緣流道，流道的方向與磁場方向相同，這使在流道中流動的液態(tài)金屬沿磁力線流動避免了切割磁感線產(chǎn)生的電動勢，從而減少了MHD效應(yīng)。(2)本發(fā)明提高了液態(tài)金屬形成的液態(tài)壁出口平均溫度，減小了液態(tài)壁自由表面與液態(tài)金屬主流的溫度差：外包層背壁上設(shè)置的螺旋絕緣流道高度為20cm-30cm，高速噴入的液態(tài)金屬厚度大于絕緣流道高度，從而淹沒絕緣流道形成兩層流動，即低于流道高度的液態(tài)金屬流動與高于流道高度的液態(tài)金屬流動。低于流道高度的液態(tài)金屬在流道內(nèi)沿流道向下流動；高于流道高度的液態(tài)金屬具有同樣的環(huán)向初始速度，由于沒有流道的支撐，在重力作用下向下的自由流動。流道外側(cè)的自由流動在重力作用下可以快速的流入液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)排出堆芯進行換熱，從而避免液態(tài)金屬表面溫度過高引起大量蒸發(fā)，破壞等離子體穩(wěn)定性。流道內(nèi)流動的液態(tài)金屬由于沿螺旋向下的流道流動，流動的距離更長在真空室內(nèi)受熱的時間更久，溫度更高，從而在避免外側(cè)自由表面溫度過高的情況下提高了液態(tài)金屬出口平均溫度。(3)減小重力加速度引起的薄化效應(yīng)：薄化效應(yīng)的產(chǎn)生主要由于重力加速度作用使液態(tài)金屬速度增增大所引起的液態(tài)壁厚度變薄，而在加入絕緣流道后流道的支撐與流動所產(chǎn)生的阻力，使得絕緣流道內(nèi)的液態(tài)金屬速度變化很小，從而克服了重力加速度所引起的薄化效應(yīng)。附圖說明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主示意圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖。具體實施方式如圖1、2所示，本發(fā)明一應(yīng)用于磁約束聚變反應(yīng)堆的雙層流液態(tài)第一壁包層，包括：反應(yīng)堆真空室，內(nèi)有包括反應(yīng)堆內(nèi)包層、反應(yīng)堆外包層；在真空室頂部沿真空室環(huán)向設(shè)置內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管1與外包層液態(tài)金屬噴入管2，內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管1噴射方向豎直向下，外包層液態(tài)金屬噴入管2噴射方向沿真空室環(huán)向，外包層背壁3帶有螺旋絕緣流道結(jié)構(gòu)，內(nèi)包層背壁6無流道布置，真空室底部設(shè)置液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)5；工作時，高溫液態(tài)金屬高速從內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管1噴射到內(nèi)包層背壁6上，從外包層液態(tài)金屬噴入管2沿真空室環(huán)向噴入外包層背壁設(shè)置的絕緣流道4中，液態(tài)金屬最終通過液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)5排出反應(yīng)堆。絕緣流道4結(jié)構(gòu)采用材料為耐600℃以上的長期高溫、耐液態(tài)金屬腐蝕材料；流道高度5cm-30cm；其螺旋方向與真空室內(nèi)磁場方向一致。內(nèi)包層液態(tài)金屬噴入管1中，液態(tài)金屬噴射速度為5-15m/s，噴射方向豎直向下，入口噴管的管徑40cm。液態(tài)金屬在重力作用下沿內(nèi)包層背壁6向下流動。外包層液態(tài)金屬噴入管2，液態(tài)金屬噴射速度為8-20m/s，噴射方向沿真空室環(huán)向，管徑40-60cm。噴入管噴射出的液態(tài)金屬在外包層背壁3上形成至少40cm厚的液態(tài)金屬壁面，外包層背壁3上設(shè)置的螺旋絕緣流道高度為20cm-30cm，高速噴入的液態(tài)金屬厚度大于絕緣流道4高度，從而淹沒絕緣流道4形成兩層流動，即低于流道高度的液態(tài)金屬流動與高于流道高度的液態(tài)金屬流動。低于流道高度的液態(tài)金屬在流道內(nèi)沿流道向下流動；高于絕緣流道4高度的液態(tài)金屬具有同樣的環(huán)向初始速度，由于沒有絕緣流道4的支撐，在重力作用下向下的自由流動。流道外側(cè)的自由流動在重力作用下可以快速的流入液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)5排出堆芯進行換熱。在外包層背壁上設(shè)置螺旋向下的絕緣流道4，流道4的方向與磁場方向相同，這使在流道4中流動的液態(tài)金屬沿磁力線流動避免了切割磁感線產(chǎn)生的電動勢，從而減少了MHD效應(yīng)。外包層背壁上3設(shè)置的螺旋絕緣流道高度4為20cm-30cm，高速噴入的液態(tài)金屬厚度大于絕緣流道高度，從而淹沒絕緣流道4形成兩層流動，既低于流道4高度的液態(tài)金屬流動與高于流道4高度的液態(tài)金屬流動。低于流道4高度的液態(tài)金屬在流道4內(nèi)沿流道向下流動；高于流道4高度的液態(tài)金屬具有同樣的環(huán)向初始速度，由于沒有流道的支撐，在重力作用下，形成向下的自由流動。流道4外側(cè)的自由流動在重力作用下可以快速的流入液態(tài)金屬排出結(jié)構(gòu)5排出堆芯進行換熱，從而避免液態(tài)金屬表面溫度過高引起大量蒸發(fā)，破壞等離子體穩(wěn)定性。流道4內(nèi)流動的液態(tài)金屬由于沿螺旋向下的流道流動，流動的距離更長在真空室內(nèi)受熱的時間更久，溫度更高，從而在避免外側(cè)自由表面溫度過高的情況下提高了液態(tài)金屬出口平均溫度。薄化效應(yīng)的產(chǎn)生主要由于重力加速度作用使液態(tài)金屬速度增增大所引起的液態(tài)壁厚度變薄，而在加入絕緣流道后流道4的支撐與流動所產(chǎn)生的阻力，使得絕緣流道4內(nèi)的液態(tài)金屬速度變化很小，從而克服了重力加速度所引起的薄化效應(yīng)。所述的液態(tài)金屬有三種可以選擇分別是：Li、SnLi、PbLi。整個液態(tài)第一壁結(jié)構(gòu)溫度控制在金屬或熔鹽熔點以上。