CN107705823B - 一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构 - Google Patents

一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，包括有对合固定为一体的热沉板，对合的热沉板中形成有冷却流道，冷却流道内分布有若干扰流板；对合的热沉板侧壁上设有与冷却流道连通的进水口和出水口。通过预先在热沉板的表面加工冷却槽，冷却槽的形状可以加工成复杂的任意形状，冷却通道内加工多个扰流板，有利于增加换热效率，大大提高冷却能力。通过预先在热沉板的表面加工冷却通道，不需要通过在需要冷却的部件上单独焊接管道形成冷却通道，可以减少冷却结构的总厚度。本发明所述的冷却结构加工方法简单，可以提高产品加工效率。

Description

一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构
技术领域：
本发明属于一种磁约束核聚变装置中的冷却结构，主要适用于核聚变装置中第一壁的高热负荷区域的冷却结构，例如偏滤器、限制器等内部部件的冷却结构。
背景技术：
磁约束核聚变装置如EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)托卡马克装置、中国环流器二号HL-2A等在运行期间，面对高能粒子的第一壁如偏滤器、限制器等部件的表面将承受很高的热流负荷作用，局部热流密度将达到兆瓦每平方米量级。如此大的热流负荷如果没有冷却结构，各部件的温度将很快上升到材料无法承受的高度，因此，需要主动冷却系统进行冷却。目前国内现有的磁约束核聚变装置的第一壁部件，如EAST的上、下偏滤器和限制器均采用了主动水冷方法进行冷却。EAST的上偏滤器是目前国内最先进的全钨偏滤器，其高能粒子打击点采用Monoblock结构。这种结构就像糖葫芦串，圆形铜铬锆管道将很多个钨块串起来，两者之间通过Hip(Hot Isostatic Pressing)焊接方法进行连接，在圆形管道内通冷却水来达到冷却目的。但这种结构的换热面积较小，且圆形冷却管道形状不是最佳的冷却结构形状。Monoblock结构能够承受的最大稳态热流负荷是10MW/m2左右，然而随着EAST放电功率的提高，这种冷却结构的冷却能力将无法满足未来EAST长脉冲高功率等离子体运行；此外，对于正在研发的CFETR(China FusionEngineering Testing Reactor)装置，其聚变功率将达到50～200MW左右，第一壁的最高热负荷将达到20MW/m2以上，第一壁部件的结构设计将面临巨大的挑战。因此现有的水冷结构和方法将无法满足未来核聚变实验的要求。
发明内容：
为了克服现有冷却结构的冷却能力低导致不能满足磁约束核聚变装置第一壁热负荷要求的不足，本发明提供一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，该冷却结构采用预先留有符合要求的冷却通道且在通道内配有多个扰流板的两块热沉板，并通过技术手段将两块热沉连接成一个整体。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明采用的技术方案是：
一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：包括有对合固定为一体的热沉板，对合的热沉板中形成有冷却流道，冷却流道内分布有若干扰流板；对合的热沉板侧壁上设有与冷却流道连通的进水口和出水口。
一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：所述热沉板包括有上、下热沉板。
一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：上热沉板的对合面上设有若干间隔分布的上纵向冷却槽以及位于上热沉板两侧并且与上纵向冷却槽连通的上横向冷却槽，每个上纵向冷却槽中间隔分布有若干扰流板。
下热沉板的对合面上设有与上热沉板的上纵向冷却槽和上横向冷却槽位置对应的下纵向冷却槽和下横向冷却槽，上、下热沉板对合后上、下纵向冷却槽以及上、下横向冷却槽形成冷却流道。
所述的一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：下热沉板的对合面为平面，将上、下热沉板对合，上热沉板的上纵向冷却槽以及上横向冷却槽与下热沉板的对合面之间形成冷却流道。
一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：所述上、下热沉板之间通过爆炸焊接对合固定为一体。
一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：所述进水口和出水口分别位于上热沉板两端。
在上热沉板的表面上加工深度不超过板厚度的符合要求的上纵向冷却槽和上横向冷却槽，并在上纵向冷却通道内配有多个有一定间距的扰流板。在下热沉板的表面上加工深度大于或等于零的但不超过板厚度的下纵向冷却槽和下横向冷却槽，下纵向冷却槽和下横向冷却槽的位置与上纵向冷却槽和上横向冷却槽的位置相对应，下纵向冷却槽的深度与上纵向冷却槽的深度之和大于扰流板的高度。
将加工好上冷却槽的上热沉板的一面与加工好下冷却通道的下热沉板的一面(如果下冷却槽的深度为零则选择任意一面)贴合，使两块热沉板上的冷却通道相对应，然后采用物理或化学方法将两块热沉板连接成一个牢固的整体。
本发明的有效益果是：
1、通过预先在热沉板的表面加工冷却槽，冷却槽的形状可以加工成复杂的任意形状，冷却通道内加工多个扰流板，有利于增加换热效率，大大提高冷却能力。
2、通过预先在热沉板的表面加工冷却通道，冷却通道的总路径长度不受限制。
3、通过预先在热沉板的表面加工冷却通道，不需要通过在需要冷却的部件上单独焊接管道形成冷却通道，可以减少冷却结构的总厚度。
4、本发明所述的冷却结构制作方法涉及到两块热沉板的加工，这两块热沉板的材料可以相同也可以不同，可以根据不同聚变装置的情况灵活选择，例如EAST偏滤器热沉采用本发明所述的冷却结构，距离等离子体近的板的材料可以选择热传导系数高的铜合金，另一块板的材料可以选择强度高的、软化温度高的、容易焊接的不锈钢材料。
5、本发明所述的冷却结构加工方法简单，可以提高产品加工效率。
附图说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为下热沉板贴合表面开槽时本发明的分离式结构示意图。
图3为下热沉板贴合表面不开槽时本发明的分离式结构示意图。
图4为上热沉板对合面的结构示意图。
图5为下热沉板贴合表面开槽时本发明的横向截面结构示意图。
图6为下热沉板贴合表面不开槽时本发明的横向截面结构示意图。
图7为下热沉板贴合表面开槽时本发明的纵向截面结构示意图。
图8为下热沉板贴合表面不开槽时本发明的纵向截面结构示意图。
图中：1.热沉板；2.热沉板；3.热沉板；4.扰流板；5.纵向冷却通道；6.两端凹槽
具体实施方式：
参见附图。
下面结合实施例及附图对本发明的实施方式作进一步详细的描述，本发明的实施方式不限于此。
实施方式1：
首先在一块热沉板1的一面上加工五条(数量不限于此)纵向冷却通道5，并在热沉板1的同一面的两端加工两端凹槽6与纵向冷却通道5形成一个连通的冷却通道，每个纵向冷却通道5内分布多个有一定间距的扰流板4。然后在另外一块热沉板2的一面上加工与热沉板1想对应的冷却通道。最后将加工好的热沉板1与热沉板2通过爆炸焊接的方法(不限于此方法)连接成一个整体结构(见图1)。
实施方式2：
首先在一块热沉板1的一面上加工五条(数量不限于此)纵向冷却通道5，并在热沉板1的同一面的两端加工两端凹槽6与纵向冷却通道5形成一个连通的冷却通道，每个纵向冷却通道5内分布多个有一定间距的扰流板4。然后与另外一块未加工冷却通道的热沉板3通过爆炸焊接的方法(不限于此方法)连接成一个整体结构。

Claims (3)

1.一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：包括有对合固定为一体的热沉板，对合的热沉板中形成有冷却流道，冷却流道内分布有若干扰流板，扰流板的高度小于冷却流道的深度；对合的热沉板侧壁上设有与冷却流道连通的进水口和出水口；
所述热沉板包括有上、下热沉板；
上热沉板的对合面上设有若干间隔分布的上纵向冷却槽以及位于上热沉板两侧并且与上纵向冷却槽连通的上横向冷却槽，每个上纵向冷却槽中间隔分布有若干扰流板；
所述上、下热沉板之间通过爆炸焊接对合固定为一体；
下热沉板的对合面上设有与上热沉板的上纵向冷却槽和上横向冷却槽位置对应的下纵向冷却槽和下横向冷却槽，上、下热沉板对合后上、下纵向冷却槽以及上、下横向冷却槽形成冷却流道。
2.根据权利要求1所述的一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：下热沉板的对合面为平面，将上、下热沉板对合，上热沉板的上纵向冷却槽以及上横向冷却槽与下热沉板的对合面之间形成冷却流道。
3.根据权利要求1所述的一种适用于磁约束核聚变装置第一壁的冷却结构，其特征在于：所述进水口和出水口分别位于下热沉板两端。
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