CN107507651B - 一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，包括有盒体支撑，盒体支撑的内侧通过过渡支撑依次架装有与其内侧轮廓配合分别为穿管结构的内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板，所述过渡支撑中分别设有与其对应连通的集流腔，盒体支撑中设有四个冷却管，分别为两个进水管和两个出水管，其双冷回路由内、外打击板的并联回路和内、外挡板及拱板区的并联回路组成。本发明实现了偏滤器结构的快速冷却，提高了冷却效率，降低了冷却剂流动过程中的沿程压降，延长了偏滤器第一壁的使用寿命，减少了偏滤器的维护次数，具有省时、省钱、稳定、安全、高效、可靠等优点。

Description

一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构
技术领域
本发明涉及托卡马克聚变堆的偏滤器技术领域，主要涉及一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构。
背景技术
磁约束核聚变能被认为是未来最有可能解决人类能源危机的途径。托卡马克核聚变装置是研究磁约束核聚变能最富有成效的手段之一。偏滤器作为托卡马克核聚变装置的核心部件，其首要功能是及时排出来自中心等离子体的热能及粒子流。目前，组成偏滤器第一壁的面对等离子单元最为成熟的结构是国际热核聚变实验堆ITER钨/铜穿管结构，它是由钨块（面对等离子体材料）、铜管（中间过渡层）和铬锆铜（冷却管结构材料）经热等静压等工艺制成，经验证，这三种材料组成的第一壁结构具备承受高热负荷的能力即能承受稳态10MW/m2，瞬态20MW/m2持续时间10s。然而在聚变反应中会产生大量的中子，在中子辐照的环境下，铜元素会呈现很高的活性，铜及铜合金的热、力学性能会严重退化。在聚变堆持续稳态运行的情况下，铬锆铜冷却管很可能会被最先破坏，致使装置停机维护。为解决强中子辐照环境下聚变堆内部部件的选材问题，低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）引起了世界各国的关注与研究，如日本的F82H，欧洲的EUROFER97和中国的CLAM等，RAFM钢由于其在强辐照下具有固有的几何稳定性、较低的辐照肿胀和热膨胀系数、高热导率等优良的热物理特性，因此被认为是未来聚变堆的首选结构材料。
本发明公开的偏滤器结构中强中子辐照区的内外挡板、拱板区第一壁采用RAFM钢作为结构材料即采用钨/钢穿管结构，而由于内外靶板上存在很高的热负荷（≥10MW/m2）且内外靶板区域中子辐射剂量很小，因此内外靶板仍采用钨/铜穿管结构，又由于钨/铜和钨/钢第一壁中冷却剂的运行工作温度不同，在考虑了串并联管路的压降问题情况下，本发明采用双冷却回路并联来冷却偏滤器各个模块，与串联冷却回路偏滤器结构（如ITER偏滤器）相比，提高了冷却效率，降低了冷却剂流动过程中的沿程压降，延长了偏滤器第一壁的使用时间，减少了偏滤器的维护次数，具有省时、省钱、稳定、安全、高效、可靠等优点。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，采用双冷却回路并联来冷却偏滤器各个模块。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，包括有盒体支撑，其特征在于：所述盒体支撑的内侧通过过渡支撑依次架装有与其内侧轮廓配合的内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板，所述内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板分别由穿管结构组成，其对应的过渡支撑分别为过渡支撑七、过渡支撑六、过渡支撑五、过渡支撑四、过渡支撑三、过渡支撑二、过渡支撑一，所述过渡支撑中分别设有与其对应的内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板分别连通的集流腔，所述盒体支撑中设有与四个冷却管，分别为两个进水管和两个出水管，其双冷回路由内、外打击板的并联回路和内、外挡板及拱板区的并联回路组成。
所述的内打击板和外打击板分别是由钨块、铜管和铬锆铜管经热等静压工艺制成穿管结构竖向并列而成；其铜管是非连续的，且每个钨块都对应着一个铜管，所述的内挡板、外挡板、内返流板、拱顶板和外返流板分别是由钨块、铜管和低活化铁素体/马氏体钢管经热等静压工艺制成的穿管结构后竖向或横向并列而成；其铜管是也是非连续的，且每个钨块都对应着一个铜管。
所述的内挡板的马氏体钢管固定在过渡支撑七上且马氏体钢管与过渡支撑七中的集流腔相通；所述的内打击板的铬锆铜管固定在过渡支撑六上且铬锆铜管与过渡支撑六中的集流腔相通；所述的内返流板的马氏体钢管固定在过渡支撑五上且马氏体钢管与过渡支撑五中的集流腔相通；所述的拱顶板的马氏体钢管固定在过渡支撑四上且马氏体钢管与过渡支撑四中的集流腔相通；所述外返流板的马氏体钢管固定在过渡支撑三上且马氏体钢管与过渡支撑三中的集流腔相通；所述外打击板的铬锆铜管固定在过渡支撑二上且铬锆铜管与过渡支撑二中的集流腔相通；所述外挡板的马氏体钢管固定在过渡支撑一上且马氏体钢管与过渡支撑一中的集流腔相通。
所述的过渡支撑与其对应的盒体支撑内侧面之间分别通过固定板和连接板以及连接件销固定安装。
所述的过渡支撑一下部的进水管和出水管分别与过渡支撑一中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑二右侧的进水管和出水管分别与过渡支撑二中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑五下部的进水管和出水管分别与过渡支撑五中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑六左侧的进水管和出水管分别与过渡支撑六中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑七左侧的进水管和出水管分别与过渡支撑七中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通。
所述的拱板区是由内返流板、过渡支撑五、拱顶板、过渡支撑四、外返流板、过渡支撑三和中间支撑等组成。
所述的内打击板和外打击板的并联回路包括内打击板回路和外打击板回路，两回路有共同的进水管和出水管，冷却剂从外部进入冷却管中的进水管，进而进入盒体支撑中冷却管，然后分成两路：一路经过渡支撑二、外打击板、过渡支撑二流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；另一路经过渡支撑六、内打击板、过渡支撑六流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出，其冷却水流入进水管时的工作温度约为150～220 ℃，水压约为3～7 MPa，流速约为8～15 m/s。
所述的内挡板、外挡板和拱板区的并联回路包括内挡板回路、外挡板回路和拱板区回路，三个回路有共同的进水管和出水管，冷却剂从外部进入冷却管中的进水管，进而进入盒体支撑中冷却管，然后分成三路：第一路经过渡支撑一、外挡板、过渡支撑一流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；第二路经过渡支撑五、内返流板、中间支撑、过渡支撑四、拱顶板、过渡支撑四、中间支撑、过渡支撑三、外返流板、过渡支撑、中间支撑、过渡支撑五流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；第三路经过渡支撑七、内挡板、过渡支撑七流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；其冷却水流入进水管时的工作温度约为280～325 ℃，水压约为6～15 MPa，流速约为8～20 m/s。
本发明的优点是：
本发明实现了偏滤器结构的快速冷却，提高了冷却效率，降低了冷却剂流动过程中的沿程压降，延长了偏滤器第一壁的使用寿命，减少了偏滤器的维护次数，具有省时、省钱、稳定、安全、高效、可靠等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的局部放大示意图
图3为穿管结构的结构示意图。
图4为图3的局部剖面放大示意图。
图5为该发明的双冷却回路示意图。
附图中序号说明：1内挡板 2内打击板 3内返流板 4拱顶板 5外返流板 6外打击板 7外挡板 8过渡支撑一 9冷却管 10出水管 11进水管 12盒体支撑 13抽气通道 14过渡支撑二 15过渡支撑三 16中间支撑 17过渡支撑四 18过渡支撑五 19过渡支撑六 20连接板 21过渡支撑七 22固定板 23铬锆铜管或低活化铁素体/马氏体钢管 24铜管 25钨块
具体实施方式
参见附图。
一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的偏滤器结构由内挡板1、内打击板2、内返流板3、拱顶板4、外返流板5、外打击板6、外挡板7、过渡支撑一8、过渡支撑二14、过渡支撑三15、过渡支撑四17、过渡支撑五18、过渡支撑六19、过渡支撑七21、盒体支撑12、冷却管9及相关固定板22、连接板21和连接件销等组成；所述的拱板区是由内返流板、过渡支撑五、拱顶板、过渡支撑四、外返流板、过渡支撑三和中间支撑等组成。
所述的内打击板2和外打击板6是由钨块25、铜管24和铬锆铜管23经热等静压工艺制成穿管结构后竖向并列而成，所述的内打击板2和外打击板3上的铜管24是非连续的即每个钨块25都对应着一个铜管24；所述的内挡板1、外挡板7、内返流板3、拱顶板4和外返流板5是由钨块25、铜管24和低活化铁素体/马氏体钢23经热等静压工艺制成穿管结构后竖向或横向并列而成，所述的内挡板1、外挡板7、内返流板3、拱顶板4和外返流板5上的铜管24是也是非连续的。
所述的内挡板1通过RAFM钢管固定在过渡支撑七21上，所述的内挡板1中RAFM钢管与过渡支撑七21中的集流腔相通；所述的内打击板2通过铬锆铜管固定在过渡支撑六19上，所述的内打击版2中铜管与过渡支撑六19中的集流腔相通；所述的内返流板3通过RAFM钢管固定在过渡支撑五18上，所述的内返流板3中RAFM钢管与过渡支撑五18中的集流腔相通；所述的拱顶板4通过RAFM钢管固定在过渡支撑四17上，所述的拱顶板4中RAFM钢管与过渡支撑四17中的集流腔相通；所述的外返流板5通过RAFM钢管固定在过渡支撑三15上，所述的外返流板5中RAFM钢管与过渡支撑三15中的集流腔相通；所述的外打击板6通过铬锆铜管固定在过渡支撑二14上，所述的外打击版6中铜管与过渡支撑二14中的集流腔相通；所述的外挡板7通过RAFM钢管固定在过渡支撑一8上，所述的外挡板7中RAFM钢管与过渡支撑一8中的集流腔相通。
所述的过渡支撑七21和过渡支撑六19通过热等静压工艺固接，所述的过渡支撑一8和过渡支撑二14通过热等静压工艺固接；所述的中间支撑16与过渡支撑三15、过渡支撑四17、过渡支撑五18固接；所述的过渡支撑一8和过渡支撑二14通过连接件销与盒体支撑12固接，所述的过渡支撑三15和过渡支撑五18通过连接件销与盒体支撑12固接，所述的过渡支撑七21和过渡支撑六19通过连接件销与盒体支撑12固接。
所述的过渡支撑一8下部的进水管和出水管分别与过渡支撑一8中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通，所述的过渡支撑二14右侧的进水管和出水管分别与过渡支撑二14中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通，所述的过渡支撑五18下部的进水管和出水管分别与过渡支撑五18中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通，所述的过渡支撑六19左侧的进水管和出水管分别与过渡支撑六19中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通，所述的过渡支撑七21左侧的进水管和出水管分别与过渡支撑七21中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的冷却管9包括两个进水管和两个出水管且四个冷却管路绝大部分包含在盒体支撑12中。
如图3所示，其双冷回路由内、外打击板的并联回路和内、外挡板及拱板区的并联回路组成，包括内打击板和外打击板的并联回路以及内挡板、外挡板和拱板区的并联回路。
所述的内打击板2和外打击板6的并联回路包括内打击板2回路和外打击板6回路，两回路有共同的进水管和出水管，冷却剂从外部进入冷却管9中的进水管，进而进入盒体支撑12中冷却管，然后分成两路：一路经过渡支撑二14、外打击板6、过渡支撑二14流入盒体支撑12中的出水管，进而经冷却管9流出；另一路经过渡支撑六19、内打击板2、过渡支撑六19流入盒体支撑12中的出水管，进而经冷却管9流出；所述的内打击板和外打击板的并联回路包括内打击板回路和外打击板回路，两回路有共同的进水管和出水管，冷却水流入进水管时的工作温度约为150～220 ℃，水压约为3～7 MPa，流速约为8～15 m/s。
所述的内挡板1、外挡板7和拱板区的并联回路包括内挡板1回路、外挡板7回路和拱板区回路，三个回路有共同的进水管和出水管，冷却剂从外部进入冷却管9中的进水管，进而进入盒体支撑12中冷却管，然后分成三路：第一路经过渡支撑一8、外挡板7、过渡支撑一8流入盒体支撑12中的出水管，进而经冷却管9流出；第二路经过渡支撑五18、内返流板3、中间支撑16、过渡支撑四17、拱顶板4、过渡支撑四17、中间支撑16、过渡支撑三15、外返流板5、过渡支撑15、中间支撑16、过渡支撑五18流入盒体支撑12中的出水管，进而经冷却管9流出；第三路经过渡支撑七21、内挡板1、过渡支撑七21流入盒体支撑12中的出水管，进而经冷却管9流出；所述的内外挡板和拱板区的并联回路包括内挡板回路、外挡板回路和拱板区回路，三个回路有共同的进水管和出水管，冷却水流入进水管时的工作温度约为280～325℃，水压约为6～15 MPa，流速约为8～20 m/s。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，包括有盒体支撑，所述盒体支撑的内侧通过过渡支撑依次架装有与其内侧轮廓配合的内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板，其特征在于：所述内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板分别由穿管结构组成，其对应的过渡支撑分别为过渡支撑七、过渡支撑六、过渡支撑五、过渡支撑四、过渡支撑三、过渡支撑二、过渡支撑一，所述过渡支撑中分别设有与其对应的内挡板、内打击板、内返流板、拱顶板、外返流板、外打击板、外挡板分别连通的集流腔，所述盒体支撑中设有四个冷却管，分别为两个进水管和两个出水管，其双冷回路由内、外打击板的并联回路和内、外挡板及拱板区的并联回路组成；
所述的拱板区是由内返流板、过渡支撑五、拱顶板、过渡支撑四、外返流板、过渡支撑三和中间支撑组成。
2.根据权利要求1所述的适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的内打击板和外打击板分别是由钨块、铜管和铬锆铜管经热等静压工艺制成穿管结构竖向并列而成；其铜管是非连续的，且每个钨块都对应着一个铜管，所述的内挡板、外挡板、内返流板、拱顶板和外返流板分别是由钨块、铜管和低活化铁素体/马氏体钢管经热等静压工艺制成的穿管结构后竖向或横向并列而成；其铜管是也是非连续的，且每个钨块都对应着一个铜管。
3.根据权利要求2所述的适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的内挡板的马氏体钢管固定在过渡支撑七上且马氏体钢管与过渡支撑七中的集流腔相通；所述的内打击板的铬锆铜管固定在过渡支撑六上且铬锆铜管与过渡支撑六中的集流腔相通；所述的内返流板的马氏体钢管固定在过渡支撑五上且马氏体钢管与过渡支撑五中的集流腔相通；所述的拱顶板的马氏体钢管固定在过渡支撑四上且马氏体钢管与过渡支撑四中的集流腔相通；所述外返流板的马氏体钢管固定在过渡支撑三上且马氏体钢管与过渡支撑三中的集流腔相通；所述外打击板的铬锆铜管固定在过渡支撑二上且铬锆铜管与过渡支撑二中的集流腔相通；所述外挡板的马氏体钢管固定在过渡支撑一上且马氏体钢管与过渡支撑一中的集流腔相通。
4.根据权利要求1所述的适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的过渡支撑与其对应的盒体支撑内侧面之间分别通过固定板和连接板以及连接件销固定安装。
5.根据权利要求1所述的适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的过渡支撑一下部的进水管和出水管分别与过渡支撑一中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑二右侧的进水管和出水管分别与过渡支撑二中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑五下部的进水管和出水管分别与过渡支撑五中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑六左侧的进水管和出水管分别与过渡支撑六中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通；所述的过渡支撑七左侧的进水管和出水管分别与过渡支撑七中集流腔和盒体支撑中冷却管路相通。
6.根据权利要求1所述的适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的内打击板和外打击板的并联回路包括内打击板回路和外打击板回路，两回路有共同的进水管和出水管，冷却剂从外部进入冷却管中的进水管，进而进入盒体支撑中冷却管，然后分成两路：一路经过渡支撑二、外打击板、过渡支撑二流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；另一路经过渡支撑六、内打击板、过渡支撑六流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出，其冷却水流入进水管时的工作温度为150～220 ℃，水压为3～7 MPa，流速为8～15 m/s。
7.根据权利要求1所述的适用于托卡马克聚变堆的双冷回路偏滤器结构，其特征在于：所述的内挡板、外挡板和拱板区的并联回路包括内挡板回路、外挡板回路和拱板区回路，三个回路有共同的进水管和出水管，冷却剂从外部进入冷却管中的进水管，进而进入盒体支撑中冷却管，然后分成三路：第一路经过渡支撑一、外挡板、过渡支撑一流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；第二路经过渡支撑五、内返流板、中间支撑、过渡支撑四、拱顶板、过渡支撑四、中间支撑、过渡支撑三、外返流板、过渡支撑、中间支撑、过渡支撑五流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；第三路经过渡支撑七、内挡板、过渡支撑七流入盒体支撑中的出水管，进而经冷却管流出；其冷却水流入进水管时的工作温度为280～325℃，水压为6～15 MPa，流速为8～20 m/s。
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