[发明专利]一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及能源领域，具体而言，涉及一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法。

背景技术

随着可开采的煤、石油等自然资源的逐渐耗尽，人类可利用的自然资源越来越少，能源危机日益严重。世界人口的增长进一步加速了这一危机的爆发。核能的发展为能源危机的解决开辟了一条新的途径，核能包括核裂变能和核聚变能，其中，核聚变反应因具有反应原料丰富、反应过程相比安全、反应后产物对环境污染较小、反应产生能量密度较大等优点而被称之为下一代新能源的发展方向。

托卡马克核聚变装置是目前广受关注的一种磁约束核聚变装置，该装置通过使用限制器或偏滤器，将高温等离子体与真空室隔开并期望实现如下功能：(1)传递聚变产生的热量；(2)实现对杂质的有效控制；(3)在长脉冲运行条件下保持良好的第一壁状态，稳定控制工作气体的再循环，阻止非工作气体的进入；(4)维持良好的边界等离子体环境，减少对第一壁材料的刻蚀。边界等离子体和第一壁是一个相互耦合的系统，它们之间的相互作用，如氢滞留和边界再循环，在很大程度上影响着等离子体的稳定运行，而等离子体对材料的溅射刻蚀和融化蒸发则决定了第一壁材料和部件的寿命。此外，等离子体轰击第一壁产生的杂质，一部分再沉积回到壁面并会引起第一壁材料的性质改变，另一部分进入芯部，造成等离子体的强烈辐射冷却，重杂质如W、Mo，影响尤甚。因此，第一壁材料的选择对整个聚变装置而言是至关重要的。

目前，可选偏滤器根据其第一壁材料的形态可分为固态和液态两种形式。固态偏滤器的第一壁材料主要选用石墨、钨和铍材料。但是，石墨的物理溅射率高，其严重的化学溅射产生的碳氢气体组分的远程再沉积将迅速导致装置内放射性氚滞留的超标，而再沉积层中高的氢滞留导致高的边界粒子再循环、将会严重影响等离子体的稳定性；钨由于其极高的辐射冷却特点，与等离子体的相容性很差(容忍度<10-4)，同时也存在熔化蒸发、起毛起泡等热和粒子辐照问题；铍材料的低熔点、潜在的有毒性、相对高的物理溅射率都限制了其应用。近年来，液态偏滤器概念，特别是流动的液态锂偏滤器，受到了国际上的广泛关注。

已有研究成果表明，锂是控制粒子再循环的最有效手段，不仅可以降低来自器壁的杂质，还能有效的控制等离子体密度(流动锂的边界再循环几乎为零)，这对于稳态运行的核聚变装置具有重大意义，可以解决大部分未来聚变堆所面临的难题，包括长脉冲稳态运行、高能量约束等离子体、粒子控制和高密度放电、低的有效电荷数等。

然而，根据磁流体力学的知识，对于磁约束聚变堆，其中的强磁场作用会在流动的液态金属中产生很强的电磁力，它作用在流体上会使液态金属自由表面产生磁流体动力学(MHD)不稳定性，直观上表现为流动阻力急剧增大。流动阻力的增大势必会使得液膜不能连续高速形成并覆盖于偏滤器表面，这将严重制约自由锂壁面所应该需要发挥的功能。

目前，传统的解决办法是增加液膜入口流速或减少流动距离，其中，增加液膜入口流速需要额外的金属流体驱动功耗，对于实际磁约束核聚变堆中，所用的液态锂偏滤器尺寸较大，要保证在整个液态锂偏滤器表面一直具有较大的流速所需要消耗的驱动能耗较大；而流动距离是由核聚变堆中的液态偏滤器尺寸决定的，无法直接减少。因此，这两种传统的方法都无法直接应用于核聚变堆中的液态偏滤器来实现连续金属液膜的生成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种连续金属液膜生成装置，包括多个相互叠加的由绝缘材料制成的液膜生成子单元，多个所述液膜生成子单元的长度不等；

所述液膜生成子单元包括呈矩形的横板，所述横板一侧面为液膜流经面，另一面的两端沿所述横板的长度方向设有相互平行的支板，所述支板设于相邻的所述液膜生成子单元的所述横板的液膜流经面上；

多个所述液膜生成子单元的一端相互纵向对齐，其中，顶层的所述液膜生成子单元的所述横板的长度为L，第二层的所述横板的长度为2L，依次第n层的所述横板的长度为n L，其中n为1，2，3，…，n。

进一步的，所述横板及所述支板内设有铠装层，所述铠装层内设有电热丝。

进一步的，所述L的范围为5-10cm，相邻的两块所述横板之间的距离范围为0.01-1cm。

优选的，所述液膜生成子单元的材质为陶瓷或碳化硅。

一种连续金属液膜生成方法，包括以下步骤：