用于連續(xù)再處理聚變反應(yīng)堆廢氣的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于再處理聚變反應(yīng)堆廢氣并且從聚變反應(yīng)堆的廢氣中分離氫同位素體(Isotopologe)的方法和裝置，其中氫同位素體從廢氣中分離出來(lái)并且輸送回燃料回路中。
【背景技術(shù)】
[0002]已知聚變反應(yīng)堆不僅由氫同位素體的聚變生成氦和能量，而且通過(guò)等離子體的操作也積聚雜質(zhì)，這些雜質(zhì)必須作為廢氣排出。氫同位素體在本文中是氫(H)的所有可能的同位素以及與氘(D)和氚(T)的結(jié)合，例如T2、HT、DT、H2、D2、HD。
[0003]在本文中廢氣是指這樣的氣體，該氣體從聚變反應(yīng)堆的燃燒室(圓環(huán))中排出。
[0004]廢氣主要由未燃燒的燃料組成，但是也包含作為聚變反應(yīng)堆反應(yīng)產(chǎn)物(例如氦)的雜質(zhì)，在本文中也稱為灰燼，以及碳?xì)浠衔?、氨氣、氫氣、氮?dú)?。另外廢氣的組成取決于在圓環(huán)的燃燒室壁中所使用的用作屏蔽的材料以及取決于其他的輔助材料。
[0005]但是元素鐵、鎳、鉻等的重原子不同于輕的氫，前者通過(guò)等離子體粒子從圓環(huán)壁脫離出來(lái)，而后者即使在高的聚變溫度下也沒(méi)有完全離子化。這些雜質(zhì)的電荷數(shù)越高，就有越多的電子仍結(jié)合在原子核上。
[0006]即使從等離子體吸取更多的能量并且再次作為紫外或倫琴射束輻射出。以這種方式使等離子體冷卻、稀釋并且由此減小聚變量。在具有相對(duì)低的在所使用的燃料的全部量的I至10 %的雜質(zhì)含量的情況下，出現(xiàn)聚變反應(yīng)完全停止，相應(yīng)地也必定會(huì)使燃燒室中的所有氣體連續(xù)地進(jìn)行處理。
[0007]為了避免等離子體受到來(lái)自壁上的雜質(zhì)，特定的磁場(chǎng)將等離子體邊緣層轉(zhuǎn)向燃燒室的特殊設(shè)置的位置，該燃燒室的特殊設(shè)置的位置表示為偏濾器(Divertor)。
[0008]在等離子體的中和過(guò)程中在偏濾器上產(chǎn)生的中性氣體(該氣體相對(duì)于等離子體主體流具有較高的壓力)通過(guò)所謂的偏濾器栗(通常形成為低溫真空栗以及額外連接在后面的渦輪分子栗)從燃燒室抽吸或抽取。
[0009]必須相應(yīng)地對(duì)低溫真空系統(tǒng)提供低溫冷卻裝置(低溫裝置)，從而使得偏濾器栗充足地供應(yīng)運(yùn)行介質(zhì)，例如液態(tài)的氦。這種低溫真空系統(tǒng)由于作用原理而必須經(jīng)常再生，因此無(wú)法連續(xù)運(yùn)行。
[0010]氦冷卻裝置另外具有需要非常多的能量這一缺陷并且在建造方面需要高成本投入。
[0011]隨后在氚再處理裝置(Tritium-Plant(TP))中凈化或者再處理的廢氣的再循環(huán)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)燃料(中間)儲(chǔ)存系統(tǒng)或者燃料儲(chǔ)存裝置而進(jìn)行，其中在此除了中間存放以外還包含有氣體混合和噴射系統(tǒng)。該復(fù)雜的系統(tǒng)一般納入燃料儲(chǔ)存裝置或Fuelling&StorageSystem(FS)的概念。
[0012]目前所考慮到的在氚再處理裝置(TP)中進(jìn)行的再處理方法已經(jīng)公開在文獻(xiàn)/1/〃Los Alamos 6855-?〃，作者】丄.八]1(1618011和1?.!1.Sherrnan，1977年 6 月，題目〃 TritiumSystem Test Assembly〃當(dāng)中。該方法特別復(fù)雜并且要求提高包含氣的廢氣體積流的溫度，使得氚擴(kuò)散到廢氣引導(dǎo)裝置的金屬中并且由于滲透性而意外地穿透該金屬。
[0013]由EPO 293 730 BI已知一種方法，該方法首先在一個(gè)水分吸收階段中干燥廢氣并且隨后在一個(gè)階段中選擇性地吸收硫化合物。最后在沸石基(Zeolitbasis)上對(duì)氫的吸收和分離階段中處理從前述階段出來(lái)的廢氣。
[0014]DE 36 06 317 Al提出，含有氚和/或氘的廢氣通過(guò)用于分裂氨氣和碳?xì)浠衔锏难b置而進(jìn)行處理。在該文獻(xiàn)中，隨后釋放的氫同位素穿過(guò)膜并且與剩余氣體流分離。剩余已凈化的廢氣排出到周圍空氣中。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)的共同點(diǎn)在于，廢氣凈化的各種解決方案基本上總是在氚再處理裝置(Tritium-Plant(TP))中進(jìn)行操作，其中使用不連續(xù)工作的低溫栗作為預(yù)真空栗和高真空栗O
[0016]替換前述的現(xiàn)有技術(shù)，已經(jīng)在公開文獻(xiàn)/2/“Ergebnisse aus Forschung undEntwicklung-Jahresbericht 2012”(KIT，ITEP，2013年3月)和公開文獻(xiàn)/4/“The DIRECTINTERNAL RECYCLING concept to simplyfy thefuel cycle of a fus1n power plant”(C.Day，T.Giegerich,Fus.Eng.Des.2012，待刊(in press))中首次描述了DIR設(shè)計(jì)(DIRECTINTERNAL RECYCLING，直接內(nèi)部循環(huán))。
[0017]對(duì)此為了分離氫同位素體所需要的金屬箔栗以及在公開文獻(xiàn)“/“Developmentof divertor pumping System with super—meable membrane” 中公開。在該文南犬中也公開了氫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原子化，該原子化使用了進(jìn)行退火的鉭棒或鉭絲。對(duì)此典型的操作溫度大約在800°C。
[0018]然而，更高的金屬箔溫度(其中金屬箔由鈮構(gòu)成)對(duì)金屬箔的超級(jí)滲透性沒(méi)有作用。因此，已經(jīng)公開的金屬箔栗的設(shè)計(jì)方式的操作非常消耗能量。
[0019]用于生成低溫等離子體的替換方案在公開文獻(xiàn)/6/2013年4月2日Merle等的aHochabscheidung mit einem Mikrowellenplasma”，中描述。在該公開文獻(xiàn)中描述的等離子體雙線主要由電絕緣的管組成，該電絕緣的管真空密封地引導(dǎo)穿過(guò)低壓設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用，可以選擇石英、各種玻璃和多種陶瓷作為材料。在管內(nèi)部在大氣壓力下通過(guò)冷卻空氣，并且在管周圍具有低壓氣氛。通過(guò)一個(gè)同軸管線從兩側(cè)向管中輸入微波。在管內(nèi)部的大氣壓力防止了等離子體點(diǎn)火。在低壓容器的內(nèi)部區(qū)域中中斷同軸管線的外部導(dǎo)體；內(nèi)部導(dǎo)體繼續(xù)延伸。由于缺少外部導(dǎo)體而將微波輻射到低壓中。在該文獻(xiàn)中，像常規(guī)的耦合窗口那樣形成等離子體，該等離子體在等離子體雙線中呈管狀并且徑向?qū)ΨQ地圍繞電絕緣的管。在該文獻(xiàn)中，等離子體通過(guò)其傳導(dǎo)性而防止了微波進(jìn)一步侵入室中并且保持位于管周圍。
[0020]為了制造高真空，除了已經(jīng)提到的低溫真空栗或者渦輪分子栗，也可以考慮使用液體金屬擴(kuò)散栗(FMDP)和液體金屬環(huán)栗(FMRP)以及金屬箔栗(MFP)的結(jié)合。
[0021 ]該結(jié)合已經(jīng)在公開文獻(xiàn)/4/“Conceptuat1n of a continously working vacuumpump train for fus1n power plants”(T.Giegerich,C.Day,Fus.Eng.Des.2012，待干丨J)中公開。然而詳細(xì)過(guò)程操作以及MFP的設(shè)計(jì)并沒(méi)有被公開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]由此，本發(fā)明的目的在于，提供一種特別經(jīng)濟(jì)且快速的方法和裝置用于聚變反應(yīng)堆的連續(xù)廢氣凈化。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法以及權(quán)利要求7所述的裝置實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中描述。
[0024]為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提出用于調(diào)節(jié)從聚變反應(yīng)堆的廢氣中分離氫同位素體以及其經(jīng)過(guò)燃料儲(chǔ)存裝置到聚變反應(yīng)堆燃燒室的再循環(huán)的措施，該分離在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)保持相同的進(jìn)行并且是連續(xù)的。因此力求恒定的燃料供應(yīng)和高的燃料品質(zhì)。
[0025]本發(fā)明提出了一種用于保持相同進(jìn)行地再處理廢氣的措施(該廢氣作為氘和氚的氣態(tài)的和/或原子性的和/或化學(xué)結(jié)合的混合物以及雜質(zhì)，其作為聚變反應(yīng)堆的廢氣產(chǎn)品存在):通過(guò)連續(xù)地從燃燒室抽吸廢氣體積流并且隨后分離氫同位素體和剩余氣體來(lái)進(jìn)行再處理，其中氫同位素體以氣態(tài)的方式通過(guò)Fuelling and Storing System回流到燃燒室中并且剩余氣體輸送到氣再處理裝置(Tritium-Plan(TP))。
[0026]富集氦和其他雜質(zhì)的剩余氣體部分必須始終在氚再處理裝置中進(jìn)行處理。這些剩余氣體份額應(yīng)當(dāng)盡可能小，因?yàn)橛纱艘彩沟秒霸偬幚硌b置所需要的尺寸變得較小。
[0027]通過(guò)至少一個(gè)金屬箔栗分離