CN105761763A - 一种固态产氚包层实验模块后板系统结构 - Google Patents

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赵周
冯开明
胡刚
王琦杰
曹启祥
王晓宇
张国书
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Abstract

本发明属于一种氚增殖和能量提取装置，具体涉及一种固态产氚包层实验模块后板系统结构。一种固态产氚包层实验模块后板系统，它包括4个子模块和1个大后板，每个子模块均与大后板连接。本发明的优点是，该后板系统结构在满足1×4固态产氚包层实验模块冷却剂和载氚气体非常复杂的分配以及回收功能的基础上，同时在整体结构上又保持了相对简单的特点。

Description

一种固态产氚包层实验模块后板系统结构
技术领域
本发明属于一种氚增殖和能量提取装置，具体涉及一种固态产氚包层实验模块后板系统结构。
背景技术
国际热核实验反应堆(ITER)是用来验证聚变能源科学技术可行性的一个国际合作研究计划项目。ITER的一个重要功能就是测试产氚包层实验模块，其主要目标就是为了实验验证和获取氚增殖的相关技术，这对将来发展聚变试验示范堆非常重要。国际上包括欧盟、日本、韩国以及印度在内的各个国家都在积极发展各自的ITER产氚包层实验模块。而我国经过科学的技术筛选后决定发展中国固态产氚包层实验模块作为ITER项目的一个测试模块。
中国固态产氚包层实验模块结构经过多次的优化改进，最新的结构方案为1×4。1×4实验模块沿高度方向共有4个结构完全相同的子模块，子模块之间留有一定的变形间隙，4个子模块通过与1个大后板连接形成一个完整的实验模块。子模块是实验模块的核心部件，其主要功能是通过核聚变反应倍增中子继而达到增殖氚的目的。子模块主要由面向等离子体的U形第一壁、上/下盖板、中间筋板、4个增殖区U形冷却板(其中一大一小2个U形冷却板内外嵌套形成1个U形环，同时以竖直筋板为中心左右各对称分布1个U形环)、冷却剂和载氚气体各腔体结构(与大后板共同形成模块后板系统)以及内置在这些结构体之间的氚增殖剂Li4SiO4球床和中子倍增剂Be球床共同组成，其中2个氚增殖剂区夹在双层U形冷却板之间，呈左右对称分布，双层U形冷却板周围则包裹有中子倍增剂，氚增殖剂和中子倍增剂在高度方向上/下接触面由U形冷却板之间的结构隔板隔开。
其中子模块第一壁、上/下盖板、竖直筋板和4个U形冷却板等结构体部件的的氦气冷却剂都由模块后板系统进行分配回收，此外后板系统还需向子模块氚增殖剂区和中子倍增剂区分配回收载氚气体，这些需要满足的功能决定了实验模块后板系统将具有一定的结构复杂性。
发明内容
本发明的目的是提供一种固态产氚包层实验模块后板系统结构，它的结构相对简单又能够实现氦气冷却剂以及氦气载氚气体的分配与回收。
本发明是这样实现的，一种固态产氚包层实验模块后板系统，它包括4个子模块和1个大后板，每个子模块均与大后板连接。
所述的子模块包括所述的子模块包括依次设置的第一冷却剂腔体、第二冷却剂腔体、第三冷却剂腔体、第四冷却剂腔体和第五冷却剂腔体，第五冷却剂腔体的上部为载氚气体汇集腔和载氚气体分配腔，载氚气体分配腔上部设置有Be球床区，Be球床区内设置有Li4SiO4球床区、U形冷却板，第一壁包围中Be球床区外部。
所述的大后板上设置有两个载氚气体入口管和冷却剂入口管，还设有冷却剂出口管，载氚气体出口管，冷却剂旁路出口管。
本发明的优点是，该后板系统结构在满足1×4固态产氚包层实验模块冷却剂和载氚气体非常复杂的分配以及回收功能的基础上，同时在整体结构上又保持了相对简单的特点。
附图说明
图1为本发明所提供的一种固态产氚包层实验模块后板系统结构示意图；
图2为子模块横向截面图；
图3是大后板三维结构图；
图4是大后板冷却剂入口“1分2”结构截面图；
图5是冷却剂腔体1和腔体2的截面图；
图6是第三冷却剂腔体的截面图；
图7是第四冷却剂腔体的截面图；
图8是冷却剂腔体5的截面图。
图中：1子模块，2大后板，3载氚气体分配腔，4载氚气体汇集腔，5第一冷却剂腔体，6第二冷却剂腔体，7第三冷却剂腔体，8第四冷却剂腔体，9第五冷却剂腔体，10Li4SiO4球床区，11U形冷却板，12第一壁，13Be球床区，14载氚气体入口管，15冷却剂入口管，16冷却剂出口管，17载氚气体出口管，18冷却剂旁路出口管，19第一冷却剂腔体入口，20第一壁冷却单元冷却剂入口，21第三冷却剂腔体入口，22第一壁冷却单元冷却剂出口，23第五冷却剂腔体出口，24载氚气体分配腔入口，25载氚气体汇集腔出口，26上盖板冷却剂入口，27中间筋板冷却剂入口，28下盖板冷却剂入口，29中间筋板冷却剂出口，30隔腔，31下盖板冷却剂出口，32U形冷却板冷却剂入口，33上盖板冷却剂出口，34U形冷却板冷却剂出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：
如图1所示的一种固态产氚包层实验模块后板系统它包括1×4固态产氚包层实验模块，由4个子模块1和1个大后板2组成。
如图2所示，子模块1包括依次设置的第一冷却剂腔体5、第二冷却剂腔体6、第三冷却剂腔体7、第四冷却剂腔体8和第五冷却剂腔体9，第五冷却剂腔体9的上部为载氚气体汇集腔4和载氚气体分配腔3，载氚气体分配腔3上部设置有Be球床区13，Be球床区13内设置有Li4SiO4球床区10、U形冷却板11，第一壁12包围中Be球床区13外部。
如图3所示的大后板上设置有两个载氚气体入口管14和冷却剂入口管15，还设有冷却剂出口管16，载氚气体出口管17，冷却剂旁路出口管18。
对于1×4固态产氚包层实验模块后板系统，氦气冷却剂经过图3所示的2根入口管分别进入大后板，每个入口再通过大后板内部的“1分2”矩形槽结构(如图4所示)分别实现对2个子模块的流量平均分配。分配给每个子模块的冷却剂进入图5左边区域的冷却剂腔体1，在流经子模块8个U形第一壁冷却单元后汇集到图5右边区域的第二个冷却剂腔体，汇集后的第二个冷却剂腔体作用后，一部分冷却剂直接流入大后板内部旁路汇集槽后经图3所示的冷却剂旁路出口管进入氦冷系统中；第二个冷却剂腔体其余的冷却剂将通过一个圆形入口进入图6所示的第三个冷却剂腔体，然后分配给子模块上下盖板以及中间筋板的各个冷却剂支管。从上下盖板和中间筋板冷却支管出来的冷却剂则汇集到图7所示的第四个冷却剂腔体，这些冷却剂经由许多隔腔进入到子模块增殖区4个U形冷却板的各个矩形冷剂支管，由于盖板和筋板的冷却剂是分别进入第四个冷却剂腔体的，因此第四个冷却剂腔体实际是3个独立区域，其中左右2个区域互为中心对称分别为100根支管提供冷却剂，中间区域本身是一个中心对称体为20根支管提供冷却剂。U形冷却板的冷却剂在带走子模块增殖区的中子核热沉积后分别汇集到图8所示的第五个冷却剂腔体，再通过出口管道一块汇入大后板冷却剂出口汇集槽后经图3所示的冷却剂出口管进入氦冷系统中。
载氚气体通过图3所示的2根入口管进入内部同样是“1分2”矩形槽结构实现对4个子模块的载氚气体流量的平均分配。进入到每个子模块的载氚气体则通过入口管进入到子模块载氚气体分配腔，载氚气体先是进入分配腔的区域1，随后绝大部分载氚气体将通过上下槽缝分别流入区域2，然后通过进气孔分别进入到左右两侧的Li4SiO4球床区内，提取氚之后再通过上下出口气孔进入区域4，同时进入到分配腔区域1中的其余极少量的载氚气体会通过腔体下方1个微小气孔进入Be球床区，在整个Be区内形成循环后再分别通过1个对应出气孔进入到分配腔区域3和区域5，然后经过左右两侧的上下窄气缝分别进入到分配腔区域4，此后与从Li4SiO4球床区出来的大量载氚气体一并通过位于分配腔区域4的2个出口分别进入到子模块载氚气体汇集腔，然后通过出口管道整体流入大后板载氚气体出口汇集槽，再经附图3所示的载氚气体出口管进入氚系统中。
本发明专利的具体技术方案如下：1×4固态产氚包层实验模块后板系统的大后板设计有2根8MPa氦气冷却剂的入口连接管道，进入每个入口的冷却剂(质量流量为0.52kg/s，温度为300℃)在大后板内部通过“1分2”这种简单的矩形槽结构分别实现对2个子模块的流量平均分配。分配给每个子模块的冷却剂(质量流量为0.26kg/s)进入内部设计有特定分流结构的腔体1之后分别流入子模块8个U形第一壁冷却单元，带走核热后经冷却单元的出口汇集到一个特殊结构的冷却剂功能腔腔体2；汇集后的冷却剂经腔体2分流作用后，约0.11kg/s的冷却剂通过连接管流入大后板内部的旁路矩形汇集槽(旁路的主要作用是调节控制子模块增殖区冷却剂的出口温度在500℃左右)，其余每个子模块有同样多的冷却剂流入旁路汇集槽，此后再通过大后板冷却剂旁路出口管直接进入包层实验模块的氦冷系统中。腔体2其余约0.15kg/s的冷却剂将通过另一侧连接孔进入腔体3，然后通过腔体3分配给子模块上下盖板以及中间筋板的各个冷却剂支管(6+8个支管，盖板6个筋板8个)，腔体3具有中心对称的结构形式(上下盖板内部冷却剂的流动方向采用上下互逆的方式)，从而整体上利于盖板冷却剂的分配；其中大部分冷却剂会流入分布在左右两侧的上下盖板冷却剂支管，其余极少量的冷却剂会在腔体中间侧的上下部位进入筋板的冷却剂支管。从上下盖板和中间筋板冷却支管出来的冷却剂则汇集到腔体4，然后通过腔体4要给子模块增殖区4个U形冷却板总共多达220根矩形支管分配冷却剂，所以腔体4的设计难度非常大；在尝试了多种设计方案后，冷却剂腔体4考虑采用“隔腔”的设计概念，即多根支管组成一个独立的小隔腔，在保证隔腔中各个支管流量分配相对均匀的前提下，分流的目标重点将由支管转向隔腔，从而可以大大简化冷却剂分流设计难度，同时考虑到盖板和筋板支管出口冷却剂分别进入腔体4的独立性，因此在设计上还将腔体4分为独立的3个区域，这样以来可以进一步简化腔体4的设计难度。分配给4个U形冷却板支管的冷却剂在带走子模块增殖区的核热后分别汇集到腔体5，再通过腔体出口管道整体汇入大后板内部的冷却剂出口矩形汇集槽(其余3个子模块U形冷却板的冷却剂同样通过各自的腔体5进入到大后板出口汇集槽)，最后经由大后板冷却剂出口管进入包层实验模块的氦冷系统中。
与复杂的冷却剂流动循环结构相比，包层实验模块后板系统载氚气体流动结构则相对简单，先是载氚气体(温度约为400℃)通过大后板2根载氚气体连接入口管分别进入同样在大后板内部设计的“1分2”矩形槽结构之后实现对4个子模块的载氚气体流量的平均分配。进入到每个子模块的载氚气体(质量流量约为0.15g/s)则是通过入口管道直接进入到子模块的载氚气体分配腔进行Li4SiO4球床和Be球床的多区域分配，其中载氚气体分配腔不同的腔体区域通过挡板对应着不同的球床区域，在设计上主要保证对两个U形Li4SiO4球床区的吹扫提氚(Be区的产氚量与Li4SiO4区相比非常小)；吹扫球床各区域的载氚气体通过2个出口分别进入到子模块载氚气体汇集腔，进入到汇集腔的载氚气体再通过出口管整体汇入到大后板内部的载氚气体出口矩形汇集槽(其余3个子模块的载氚气体同样通过各自的汇集腔进入到大后板出口汇集槽)，最后经由大后板载氚气体出口管进入包层实验模块的氚系统中。
上述后板系统冷却剂和载氚气体腔体的流体性能及结构特征已经过初步的流体力学计算和结构分析验证。

Claims (3)

1.一种固态产氚包层实验模块后板系统结构，其特征在于：它包括4个子模块(1)和1个大后板(2)，每个子模块(1)均与大后板连接。
2.如权利要求1所述的一种固态产氚包层实验模块后板系统结构，其特征在于：所述的子模块(1)包括所述的子模块(1)包括依次设置的第一冷却剂腔体(5)、第二冷却剂腔体(6)、第三冷却剂腔体(7)、第四冷却剂腔体(8)和第五冷却剂腔体(9)，第五冷却剂腔体(9)的上部为载氚气体汇集腔(4)和载氚气体分配腔(3)，载氚气体分配腔(3)上部设置有Be球床区(13)，Be球床区(13)内设置有Li4SiO4球床区(10)、U形冷却板(11)，第一壁(12)包围中Be球床区(13)外部。
3.如权利要求1所述的一种固态产氚包层实验模块后板系统结构，其特征在于：所述的大后板上设置有两个载氚气体入口管(14)和冷却剂入口管(15)，还设有冷却剂出口管(16)，载氚气体出口管(17)，冷却剂旁路出口管(18)。
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