CN106935277B - 一种主动水冷离子吞噬器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁约束聚变装置高功率中性束注入(NBI)加热系统核心部件—高热负荷离子吞噬器的流体热交换结构和水路连接技术领域，具体涉及一种主动水冷离子吞噬器结构。由于偏转离子束流最高功率密度超过金属材料的极限功率负荷(2kW/cm2)，需要采用变化角度的V字形主动水冷板，增加束流吸收面积，并减小粒子动量对吞噬靶板的轰击。V字形结构离子吞噬器采用5块多孔水冷无氧铜板。芯部侧板的夹角为2×α，外部侧板的夹角为2×β。同一侧板与板之间采用串联水路，两侧板之间采用并联水路，套与套之间采用并联水路，吞噬器通过专用支架悬挂在注入器真空室前壁上。水路连接中既保证了高水压密封，还满足真空中水管接头的真空性能。

Description

一种主动水冷离子吞噬器结构
技术领域
本发明属于磁约束聚变装置高功率中性束注入(NBI)加热系统核心部件—高热负荷离子吞噬器的流体热交换结构和水路连接技术领域，具体涉及一种主动水冷离子吞噬器结构。
背景技术
中性束注入(NBI)用以加热磁约束等离子体，是提高离子温度或者电子温度的最有效方法之一，同时NBI也用来驱动等离子体电流并且控制等离子体性能。包括离子源在内的中性束注入器是中性束加热系统的核心系统，主要包括：离子源，注入器真空室，置于真空室内部的中性化室，离子吞噬器，偏转磁体，束边缘刮削器，量热靶，高抽速真空泵等。主要完成等离子体产生，离子束引出和加速，离子束中性化，残留离子束偏转，中性束几何汇聚，中性束注入等物理过程。同时注入器还将具有束性能诊断，束功率测量，部件安全监测，高抽速真空运行等功能。离子吞噬器是中性束注入器不可缺少的核心部件之一，其功能是吞噬未中性化的离子束流。离子束经过与中性化气靶发生作用后，仍然有40％左右的离子，离子成分有全能氘(氢)离子，半能氘(氢)离子，1/3能量氘(氢)离子，全能分子离子等，这些离子必须通过偏转磁体进入离子吞噬器。
受HL-2M装置的NBI加热窗口尺寸限制，只有在每一条NBI加热束线将装备4套离子源条件下，束线的注入中性束功率能够达到5兆瓦，为满足未中性化离子束(也称残留离子束)的吞噬，需要对应注入器的总体结构布置4套离子吞噬器。按照整个注入器的整体空间规划和物理结构设计，采用偏转磁体将残留离子束偏转180°。因此，有必要研制一种采用变化夹角的V字形主动水冷无氧铜板结构，增加束流轰击面积来满足超高热负荷要求，来满足准稳态NBI运行需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种主动水冷离子吞噬器结构，从而为HL-2M托卡马克装置的5MW-NBI加热束线研制安装在注入器真空方箱内的主离子吞噬器。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种主动水冷离子吞噬器结构，应用于HL-2M托卡马克装置第1条5MW-NBI加热束线的主离子吞噬器，通过该主动水冷离子吞噬器结构吞噬由偏转磁体偏转的全能H1 +或者D1 +离子束；
根据HL-2M装置NBI加热束线的布局，主动水冷离子吞噬器结构包括4套离子吞噬器，4套离子吞噬器分为上下两层，每层分为左右两套；
每套离子吞噬器采用5块主动水冷板组成V字形吞噬结构，包括4块V字形侧板和1块底板；
底板的尺寸为30mm×268mm×455mm，通过专用支架悬挂设置在对应NBI加热束传输方向的真空室内壁上，并与真空室内壁所在平面相互垂直，用于吞噬偏转角小于180°的NBI加热束；
4块V字形侧板组成的V形结构的V形截面与底板所在平面相互平行，V字形吞噬结构的开口位置对应离子源发射的偏转离子束的位置；V字形侧板和底板在V字形吞噬结构的开口位置处的面为轰击表面；
上层两套离子吞噬器中，4块V字形侧板的上端与底板固定连接；下层两套离子吞噬器中，4块V字形侧板的下端与底板固定连接；
4块V字形侧板包括两个芯部主动水冷板、两个外侧主动水冷板；两个芯部主动水冷板之间的夹角为α＝2×10°，每块芯部主动水冷板的尺寸为30mm×220mm×580mm；两个外侧主动水冷板之间的夹角为β＝2×15°，每块外侧主动水冷板的尺寸为30mm×220mm×580mm；
每块芯部主动水冷板内沿长度为220mm的边长方向布置10根通径为6mm的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；10根并联冷却水道并接到芯部主动水冷板中通径为20mm的总水道上；
每块外侧主动水冷板内沿长度为220mm的边长方向布置11根通径为6毫米的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；11根并联冷却水道并接到外侧主动水冷板中通径为20mm的总水道上；
4块V字形侧板中处于同侧的一个芯部主动水冷板和一个外侧主动水冷板的总水道之间采用串接方式，串接水管的直径为25mm，设置在远离底板的一侧；串接后处于同侧的一个芯部主动水冷板和一个外侧主动水冷板分别在靠近底板的一侧通过直径为25mm的连接管与通径为50mm的支路连接；通径为50mm的支路与通径为80mm的主进水管和通径为80mm的主出水管连接；
每块底板内沿长度为268mm的边长方向布置11根通径为6毫米的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；11根并联冷却水道并接到底板内通径为25mm的总水道；底板中的总水道与通径为50mm的支路连接；通径为50mm的支路与通径为80mm的主进水管和通径为80mm的主出水管连接。
进一步的，如上所述的一种主动水冷离子吞噬器结构，离子吞噬器采用的主动水冷板是多孔水冷无氧铜板。
进一步的，如上所述的一种主动水冷离子吞噬器结构，主进水管和主出水管的管路中采用高水压波纹软管，最大承受水压30kg。
本发明技术方案的有益效果在于：
1)离子吞噬器作为磁约束聚变实验装置以及未来聚变工程推NBI加热系统注入器内部必不可少的部件，用于吞噬未中性化的离子束。
2)该离子吞噬器已经安装就位于HL-2M装置的第1条5MW-NBI加热束线的注入器真空室内，经过了真空检漏和30kg水压测试，测试结果满足设计要求。
3)HL-2M装置将发展3条5MW-NBI加热束线，该离子吞噬可以直接用于后面的两条NBI加热束线，为HL-2M装置开展高β聚变等离子体物理实验提供了必须的硬件系统。
附图说明
图1为5MW-NB注入器离子吞噬器结构总图；
图2为V字形吞噬器主动水冷板；
图3为离子吞噬器V字形夹角结构；
图4为离子吞噬器进出水路结构。
图中：1—1#离子束吞噬器，2—2#离子束吞噬器，3—3#离子束吞噬器，4—4#离子束吞噬器，5—主进水管，6—主出水管，7—高水压波纹软管，8—专用支架，9—对应3#离子吞噬器的V字形左外侧主动水冷板，10—对应3#离子吞噬器的V字形左芯部主动水冷板，11—对应3#离子吞噬器的V字形右芯部主动水冷板，12—对应3#离子吞噬器的V字形右外侧主动水冷板，13—对应3#离子吞噬器底板，14—总水道，15—并联冷却水道，16—支路，17—连接管，18—串接水管。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本发明一种主动水冷离子吞噬器结构，应用于HL-2M托卡马克装置第1条5MW-NBI加热束线的主离子吞噬器，通过该主动水冷离子吞噬器结构吞噬由偏转磁体偏转的全能H1 +或者D1 +离子束；
根据HL-2M装置NBI加热束线的布局，主动水冷离子吞噬器结构包括4套离子吞噬器，4套离子吞噬器分为上下两层，每层分为左右两套；
每套离子吞噬器采用5块主动水冷板组成V字形吞噬结构，包括4块V字形侧板和1块底板；在本实施例中，离子吞噬器采用的主动水冷板是多孔水冷无氧铜板。
底板的尺寸为30mm×268mm×455mm，通过专用支架悬挂设置在对应NBI加热束传输方向的真空室内壁上，并与真空室内壁所在平面相互垂直，用于吞噬偏转角小于180°的NBI加热束；总体结构见图1所示。
4块V字形侧板组成的V形结构的V形截面与底板所在平面相互平行，V字形吞噬结构的开口位置对应离子源发射的偏转离子束的位置；V字形侧板和底板在V字形吞噬结构的开口位置处的面为轰击表面；
上层两套离子吞噬器中，4块V字形侧板的上端与底板固定连接；下层两套离子吞噬器中，4块V字形侧板的下端与底板固定连接；
离子吞噬器的的工程设计受两个重要的条件约束，一是芯部束功率密度高于8kW/cm2的准高斯束吞噬器热负荷，需要及时主动水冷，二是狭小的真空室内空间限制条件。为此我们设计一种具有及时主动水冷的离子吞噬器。为满足注入器真空室中安装空间条件，采用变角度的V字形结构，具体为：
4块V字形侧板包括两个芯部主动水冷板、两个外侧主动水冷板；两个芯部主动水冷板之间的夹角为α＝2×10°，每块芯部主动水冷板的尺寸为30mm×220mm×580mm；两个外侧主动水冷板之间的夹角为β＝2×15°，每块外侧主动水冷板的尺寸为30mm×220mm×580mm；通过这样的设计使得芯部离子轰击面积相对于束纵向截面增加了约5.76倍，外侧板离子轰击面积相当于束纵向截面增加了3.86倍，从而保证了吞噬板表面上的束功率密度小于无氧铜铜板的极限热负荷功率密度。
如图2所示，每块芯部主动水冷板内沿长度为220mm的边长方向布置10根通径为6mm的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm，以保证及时水冷需要的水流量和快速的水冷热交换；10根并联冷却水道并接到芯部主动水冷板中通径为20mm的总水道上；
每块外侧主动水冷板内沿长度为220mm的边长方向布置11根通径为6毫米的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；11根并联冷却水道并接到外侧主动水冷板中通径为20mm的总水道上；
如图3所示，4块V字形侧板中处于同侧的一个芯部主动水冷板和一个外侧主动水冷板的总水道之间采用串接方式，串接水管的直径为25mm，设置在远离底板的一侧；串接后处于同侧的一个芯部主动水冷板和一个外侧主动水冷板分别在靠近底板的一侧通过直径为25mm的连接管与通径为50mm的支路连接；通径为50mm的支路与通径为80mm的主进水管和通径为80mm的主出水管连接；
每块底板内沿长度为268mm的边长方向布置11根通径为6毫米的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；11根并联冷却水道并接到底板内通径为25mm的总水道；底板中的总水道与通径为50mm的支路连接；通径为50mm的支路与通径为80mm的主进水管和通径为80mm的主出水管连接。
如图4所示，上层两套离子吞噬器共用一路通径50mm的支路水管，下层两套离子吞噬器共用一路通径50mm的支路水管，最后上下离子吞噬器汇入通径80mm的主水路中；单套离子吞噬器水流量约25立方/小时。
主进水管和主出水管的管路中采用高水压波纹软管，最大承受水压30kg，可以兼顾水路连接和真空连接，消除水冷板，支撑架，主水管之间管路件的加工和安装误差。

Claims (3)

1.一种主动水冷离子吞噬器结构，应用于HL-2M托卡马克装置第1条5MW-NBI加热束线的主离子吞噬器，通过该主动水冷离子吞噬器结构吞噬由偏转磁体偏转的全能H1 +或者D1 +离子束；其特征在于：
根据HL-2M装置NBI加热束线的布局，主动水冷离子吞噬器结构包括4套离子吞噬器，4套离子吞噬器分为上下两层，每层分为左右两套；
每套离子吞噬器采用5块主动水冷板组成V字形吞噬结构，包括4块V字形侧板和1块底板；
底板的尺寸为30mm×268mm×455mm，通过专用支架悬挂设置在对应NBI加热束传输方向的真空室内壁上，并与真空室内壁所在平面相互垂直，用于吞噬偏转角小于180°的NBI加热束；
4块V字形侧板组成的V形结构的V形截面与底板所在平面相互平行，V字形吞噬结构的开口位置对应离子源发射的偏转离子束的位置；V字形侧板和底板在V字形吞噬结构的开口位置处的面为轰击表面；
上层两套离子吞噬器中，4块V字形侧板的上端与底板固定连接；下层两套离子吞噬器中，4块V字形侧板的下端与底板固定连接；
4块V字形侧板包括两个芯部主动水冷板、两个外侧主动水冷板；两个芯部主动水冷板之间的夹角为α＝2×10°，每块芯部主动水冷板的尺寸为30mm×220mm×580mm；两个外侧主动水冷板之间的夹角为β＝2×15°，每块外侧主动水冷板的尺寸为30mm×220mm×580mm；
每块芯部主动水冷板内沿长度为220mm的边长方向布置10根通径为6mm的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；10根并联冷却水道并接到芯部主动水冷板中通径为20mm的总水道上；
每块外侧主动水冷板内沿长度为220mm的边长方向布置11根通径为6毫米的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；11根并联冷却水道并接到外侧主动水冷板中通径为20mm的总水道上；
4块V字形侧板中处于同侧的一个芯部主动水冷板和一个外侧主动水冷板的总水道之间采用串接方式，串接水管的直径为25mm，设置在远离底板的一侧；串接后处于同侧的一个芯部主动水冷板和一个外侧主动水冷板分别在靠近底板的一侧通过直径为25mm的连接管与通径为50mm的支路连接；通径为50mm的支路与通径为80mm的主进水管和通径为80mm的主出水管连接；
每块底板内沿长度为268mm的边长方向布置11根通径为6毫米的并联冷却水道，相邻的两根并联冷却水道之间的距离为15mm，并联冷却水道与轰击表面的距离为5mm；11根并联冷却水道并接到底板内通径为25mm的总水道；底板中的总水道与通径为50mm的支路连接；通径为50mm的支路与通径为80mm的主进水管和通径为80mm的主出水管连接。
2.如权利要求1所述的一种主动水冷离子吞噬器结构，其特征在于：离子吞噬器采用的主动水冷板是多孔水冷无氧铜板。
3.如权利要求1所述的一种主动水冷离子吞噬器结构，其特征在于：主进水管和主出水管的管路中采用高水压波纹软管，最大承受水压30kg。
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