用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱的製作方法
2023-05-23 08:28:06 1
用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱，其特徵是：兩端設置有法蘭接口的不導磁不鏽鋼盒體通過其法蘭接口串接在高溫液態金屬冷卻劑的流通迴路中，在不導磁不鏽鋼盒體的一側或對稱的兩側，設置有鐵磁柱體，鐵磁柱體的軸線與不導磁不鏽鋼盒體的側板垂直，使其與不導磁不鏽鋼盒體內的高溫液態金屬冷卻劑的流動方向垂直；在鐵磁柱體的外側設置有磁場場源系統，由磁場場源系統通過鐵磁柱體在不導磁不鏽鋼盒體中形成具有設定磁場強度和磁場梯度的磁性雜質分選空間。本發明用於實現對液態金屬冷卻劑中鐵基雜質的在線連續捕獲，能夠有效地對高溫液態金屬冷卻劑進行純化。
【專利說明】用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱裝置。
【背景技術】
[0002]高溫液態金屬，如液態鉛鉍合金，是加速器驅動次臨界堆(ADS)中非常具有潛力的冷卻劑，這種冷卻劑具有優良的熱物理化學性能。但是在反應堆運行過程中，由於高溫液態金屬對不鏽鋼管道的腐蝕作用，以及高溫液態金屬與氧氣的反應，導致這種冷卻劑中不斷產生Fe、Ni及其相關氧化物雜質。雜質的產生不僅會降低高溫液態金屬冷卻劑的導熱性能，更為嚴重的是在溫度較低的運行段，這些雜質可能會沉澱堆積起來，從而可能導致反應堆堆芯冷卻循環管道阻塞，造成嚴重後果。
[0003]目前，理論及實驗中用於去除高溫液態金屬冷卻劑中雜質使之純化的方法分為兩類。第一類是利用氧控技術將部分氧化物雜質還原成對應金屬使之進入冷卻劑；第二類則是基於過濾原理，直接過濾、冷阱和磁阱均屬於這種方法。對於磁阱，是基於鐵基氧化物具有磁性，磁性粒子在非均勻磁場中受非平衡力而提出了一種純化高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的純化模型。這種磁阱模型的工作原理與工業選礦中常用的磁選機基本相同，但將其應用於核反應堆中高溫液態金屬的純化卻處於初始探索階段。
[0004]中國專利CN102614982A提出了一種高溫液態金屬純化用磁阱裝置，該磁阱裝置的工作原理是高梯度磁場過濾，即在分選空間中設置由導磁不鏽鋼毛和不導磁不鏽鋼絲相互垂直組成的金屬絲網，其中平行排布的導磁不鏽鋼毛與磁場方向及高溫液態金屬流動方向均垂直，利用導磁不鏽鋼毛在磁場中產生的高梯度磁場將高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質捕獲在金屬絲網上，金屬絲網本身也可對大顆粒的雜質起到過濾作用。但這種將分選空間中設置金屬絲網來提高磁場梯度的方法應用於高溫液態金屬冷卻劑純化時會產生兩個主要問題:一是高溫液態金屬冷卻劑在流過金屬絲網時，會對金屬絲網產生強烈的衝刷腐蝕作用，從而在冷卻劑中引入額外雜質，甚至整個金屬絲網可能被全部腐蝕掉；二是高溫液態金屬冷卻劑的密度高，在低溫運行段粘度大流動性相對較差，當金屬絲網過濾到雜質而使得絲網孔眼被部分或全部堵塞時，可能會導致高溫液態金屬冷卻劑無法流過分選空間，因而增加了更換磁阱分選空間的頻率。
[0005]迄今為止，尚未有能更為有效地對高溫液態金屬冷卻劑進行純化的裝置的公開報導。
【發明內容】
[0006]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱，用於實現對液態金屬冷卻劑中鐵基雜質的在線連續捕獲，更為有效地對高溫液態金屬冷卻劑進行純化。
[0007]本發明為解決技術問題採用如下技術方案:
[0008]本發明用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱的結構特點是:兩端設置有法蘭接口的不導磁不鏽鋼盒體通過其法蘭接口串接在高溫液態金屬冷卻劑的流通迴路中，在所述不導磁不鏽鋼盒體的一側或對稱的兩側，設置有鐵磁柱體，所述鐵磁柱體的軸線與不導磁不鏽鋼盒體的側板垂直，使其與不導磁不鏽鋼盒體內的高溫液態金屬冷卻劑的流動方向垂直；在所述鐵磁柱體的外側設置有磁場場源系統，由所述磁場場源系統通過鐵磁柱體在所述不導磁不鏽鋼盒體中形成具有設定磁場強度和磁場梯度的磁性雜質分選空間。
[0009]本發明用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱的結構特點也在於:
[0010]所述磁場場源系統為永磁材料或載流線圈；
[0011]所述鐵磁柱體的材料是電磁純鐵，或坡莫合金；
[0012]所述不導磁不鏽鋼盒體材料是非磁性不鏽鋼316L。
[0013]與已有技術相比，本發明有益效果體現在:
[0014]1、本發明在不導磁不鏽鋼盒體兩側垂直放置的鐵磁柱體可改變不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場分布，改變分選空間內的磁場強度和磁場梯度。另外，在保持磁場場源不變的情況下，通過調整鐵磁柱體的尺寸、數量和分布，可設定不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度和磁場梯度，使得流過分選空間的高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質受到最大的磁場力作用，從而在儘可能節能的情況下提高本發明磁阱裝置捕獲磁性雜質的效率。磁場場源強度越高，則分選空間中磁場強度越高，但所需激勵電流強度也越大，即能耗越聞。
[0015]2、本發明磁場場源可為永磁體材料，如釤鈷(SmCo)，也可以是載流線圈。通過調整本發明磁場場源的磁場強度和鐵磁柱體尺寸、數量和分布，可以設定不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度和磁場梯度，從而使流過分選空間的高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質所受的磁場力最大，提聞純化效率。
[0016]3、本發明將產生高梯度磁場的鐵磁柱體設置在不鏽鋼盒體一側或兩側，既可在不鏽鋼盒體內分選空間中產生高梯度磁場，同時避免了傳統高梯度磁選裝置中液體流過分選空間時對設置在分選空間中的鐵磁介質的衝刷腐蝕。
[0017]4、本發明中不鏽鋼盒體為非磁性不鏽鋼316L，對磁場系統的磁路無影響，這使得鐵磁柱體處的分選空間附近的磁場梯度和磁場強度最高，磁性雜質所受磁場力最大，因此磁性雜質被捕獲於鐵磁柱體所在位置處，不會明顯影響高溫液態金屬冷卻劑在分選空間中的流動性。
[0018]5、本發明裝置節能環保，當不鏽鋼盒體內分選空間中捕獲到一定量的磁性雜質後，將不鏽鋼盒體抽出更換即可。另外，不鏽鋼盒體從磁場中抽出之後，磁性雜質因不再受到磁場力作用，易於清除和取樣分析，不鏽鋼盒體可反覆循環使用。
[0019]6、本發明通過接口法蘭直接將磁阱裝置接入高溫液態金屬冷卻劑流動迴路，或主迴路的支路，這樣可連續在線捕獲高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質，提高冷卻迴路的工作效率。
[0020]7、本發明裝置結構簡單、布局合理，易於製造和安裝且後續處理簡易，是一種有效的核反應堆中高溫液態金屬冷卻劑純化裝置，實現對液態金屬冷卻劑中鐵基雜質的在線連續捕獲。【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明磁阱結構示意圖；
[0022]圖2、圖3和圖4為不同實施例中不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度與磁場梯度模擬圖；
[0023]圖中標號:1磁場場源系統；2鐵磁柱體；3接口法蘭；4不導磁不鏽鋼盒體。【具體實施方式】
[0024]參見圖1，本實施例中用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱的結構形式是:兩端設置有法蘭接口 3的不導磁不鏽鋼盒體4通過其法蘭接口 3串接在高溫液態金屬冷卻劑的流通迴路中，在不導磁不鏽鋼盒體4的一側或對稱的兩側，設置有鐵磁柱體2，鐵磁柱體2的軸線與不導磁不鏽鋼盒體4的側板垂直，使其與不導磁不鏽鋼盒體4內的高溫液態金屬冷卻劑的流動方向垂直；在鐵磁柱體2的外側設置有磁場場源系統I,由磁場場源系統I通過鐵磁柱體2在不導磁不鏽鋼盒體4中形成具有設定磁場強度和磁場梯度的磁性雜質分選空間。
[0025]本實施例中:
[0026]磁場場源系統I為永磁材料或載流線圈；鐵磁柱體2材料是電磁純鐵，其按重量百分比的鐵含量大於99.8%,相對磁導率不低於9000,也可以是其它高相對磁導率鐵磁材料，如坡莫合金，其相對磁導率不低於30000 ;不導磁不鏽鋼盒體4的材料是非磁性不鏽鋼316L，其相對磁導率為I。
[0027]具體實施中，鐵磁柱體的尺寸、數量和分布情況可以根據要求進行調整；
[0028]圖2所示的不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度與磁場梯度計算模擬圖是針對鐵磁柱體設置為雙側、每側均布有五根鐵磁柱體，鐵磁柱體的材料為電磁純鐵。
[0029]圖3所示的不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度與磁場梯度計算模擬圖是針對鐵磁柱體設置為雙側、每側均布有五根鐵磁柱體，鐵磁柱體的材料為電磁純鐵，鐵磁柱體的直徑為圖2所示結構中鐵磁柱體直徑的兩倍，磁場場源與圖2所示結構保持為相同。
[0030]圖4所示的不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度與磁場梯度計算模擬圖是針對鐵磁柱體設置為雙側、每側均布有九根鐵磁柱體，鐵磁柱體的材料為電磁純鐵，鐵磁柱體的直徑與圖2中鐵磁柱體直徑相同，磁場場源與圖2所示結構保持為相同。
[0031]如圖2、圖3和圖4所示，不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中為非均勻磁場，且越靠近鐵磁柱體磁場強度和磁場梯度越大。對比圖2和圖3可見，當鐵磁柱體的數量和分布不變但直徑增加一倍時，不導磁不鏽鋼盒體4內分選空間中鐵磁柱體周圍的磁場強度和磁場梯度均增加了，但距離鐵磁柱體較遠處的磁場強度和磁場梯度均有所減小，這意味著流過鐵磁柱體周圍的高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質將受到更大的磁場力而增加被捕捉聚集到不導磁不鏽鋼盒體側壁處的機率，但距離鐵磁柱體較遠處的磁性雜質所受磁場力將減弱；對比圖2和圖4可見，當鐵磁柱體直徑不變但數量從5根增加到9根且分布發生變化時，整個分選空間中的磁場強度均增加了，約90%以上分選空間中的磁場梯度增加了，鐵磁柱體周圍磁場梯度增加的尤為明顯，這意味著隨高溫液態金屬冷卻劑流過分選空間的磁性雜質所受磁場力將增加而提高被捕捉聚集到不導磁不鏽鋼盒體側壁處的機率。從計算模擬圖看出，本發明中可以根據不同高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質顆粒的磁性不同，通過鐵磁柱體尺寸、數量和分布的改變來定量設定不導磁不鏽鋼盒體內分選空間中的磁場強度和磁場梯度，從而在儘可能節能的情況下提高本發明磁阱裝置捕獲磁性雜質的效率。磁場場源強度越高，則分選空間中磁場強度越高，但所需激勵電流強度也越大，耗能越大。[0032]當高溫液態金屬冷卻劑流過不導磁不鏽鋼盒體4內的分選空間時，高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質將受到分選空間中非均勻磁場的磁場力作用，通過調整磁場場源I的磁場強度參數和鐵磁柱體2的尺寸、數量和分布，對不導磁不鏽鋼盒體4內分選空間中的磁場強度和磁場梯度進行定量設定，從而儘可能增大流過分選空間的高溫液態金屬冷卻劑中的磁性雜質所受的磁場力，提高純化效率。
[0033]當不導磁不鏽鋼盒體4內分選空間中側壁部位處的磁性雜質聚集達到一定量時，直接拆卸不導磁不鏽鋼盒體4，並對不導磁不鏽鋼盒體4中的磁性雜質進行清除，再與其它部件共同重新投入使用。
【權利要求】
1.一種用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱，其特徵是:兩端設置有法蘭接口(3)的不導磁不鏽鋼盒體(4)通過其法蘭接口(3)串接在高溫液態金屬冷卻劑的流通迴路中，在所述不導磁不鏽鋼盒體(4)的一側或對稱的兩側，設置有鐵磁柱體(2)，所述鐵磁柱體(2)的軸線與不導磁不鏽鋼盒體(4)的側板垂直，使其與不導磁不鏽鋼盒體(4)內的高溫液態金屬冷卻劑的流動方向垂直；在所述鐵磁柱體(2)的外側設置有磁場場源系統(I)，由所述磁場場源系統(I)通過鐵磁柱體(2)在所述不導磁不鏽鋼盒體(4)中形成具有設定磁場強度和磁場梯度的磁性雜質分選空間。
2.根據權利要求1所述的用於捕獲高溫液態金屬冷卻劑中磁性雜質的磁阱，其特徵是: 所述磁場場源系統(I)為永磁材料或載流線圈； 所述鐵磁柱體(2)的材料是電磁純鐵，或坡莫合金； 所述不導磁不鏽鋼盒體(4)材料是非磁性不鏽鋼316L。
【文檔編號】B03C1/025GK103586126SQ201310542237
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】李強, 呂科鋒, 王豔青, 劉少軍, 黃群英 申請人:合肥工業大學