CN108257681B - 一种固态产氚包层模块屏蔽块 - Google Patents
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Abstract
本发明属于中子屏蔽技术领域，具体公开了一种固态产氚包层模块屏蔽块，包括位于前端的屏蔽块法兰、位于后端的后板，以及设于屏蔽块法兰和后板之间的各个管道和隔板，还包括外框架，外框架为整体矩形体结构，其前后端分别开口，开口处分别与屏蔽块法兰和后板进行固定安装，外框架内壁上加工槽道，用于跟对应位置的隔板进行焊接安装。采用框架式结构，外部通过法兰、后板、外框架形成密封腔室，内部采用隔板进行隔断，横穿的管道在法兰、后板处进行密封。由于ITER真空手册对真空边界提出了很严格的质量控制要求，减少了真空边界的焊缝数量及长度，增加结构的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于中子屏蔽技术领域，具体涉及一种固态产氚包层模块屏蔽块结构。
背景技术
国际热核聚变实验反应堆(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装置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。由于产氚包层实验模块直接面向等离子体，采用的结构材料是铁磁性材料，会对等离子体产生磁扰动，因此ITER组织要求结构材料的重量限制在1.3吨以下。为了降低高能中子对真空室外侧线圈等关键部件的辐照影响，需要在产氚包层后侧添加额外的屏蔽块。
中国固态产氚包层模块屏蔽块的结构经过多次优化改进，最新的设计方案由法兰、隔板、外部框架、后板以及横穿的7根管道等构成。由于产氚包层模块中高温冷却氦气(300～500℃)、提氚气体(300～500℃)的导入和导出都是通过屏蔽块来完成的，而屏蔽块内部的冷却剂为ITER提供的低温冷却水(～70℃)，为了减少低温冷却水的影响，必须要将两者隔开；考虑到中子屏蔽效果，所有管道必须要弯曲，以避免中子的直穿，根据ITER提供的管道设计标准，管道的弯曲半径至少为72.5mm，而屏蔽块的环向距离仅为526mm，需要通过合理的横向布置使管道相互错开。这些需要满足的功能决定了固态产氚包层模块屏蔽块具有一定的结构复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固态产氚包层模块屏蔽块，其结构相对简单又能够实现有效中子屏蔽以及管道的合理排布。
本发明的技术方案如下：
一种固态产氚包层模块屏蔽块，包括位于前端的屏蔽块法兰、位于后端的后板，以及设于屏蔽块法兰和后板之间的各个管道和隔板，还包括外框架，所述的外框架为一个整体的矩形体结构，其前后端分别开口，开口处分别与屏蔽块法兰和后板进行固定安装，所述的外框架内壁上加工槽道，用于跟对应位置的隔板进行焊接安装。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的屏蔽块法兰上加工有安装孔，屏蔽块法兰后表面加工有槽道。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的后板上加工有安装孔，后板的前表面加工有槽道。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的后板的后面设有螺栓孔、防剪切键和电连接键。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的隔板的上下端分别设有凸块，凸块与外框架的内壁的槽道配合。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的各个管道包括冷却氦气入口管道、提氚气体入口管道、提氚气体出口管道、冷却氦气旁路管道和冷却氦气入口管道一。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的各个管道还包括冷却水管道、信号诊断管道。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的提氚气体出口管道和冷却氦气旁路管道为向上弯曲的“几”字型，所述的提氚气体入口管道和冷却氦气入口管道一为向下弯曲的“几”字型。
在上述的一种固态产氚包层模块屏蔽块中：所述的冷却氦气入口管道为阶梯状弯折管道。
本发明的显著效果在于：
采用框架式结构，外部通过法兰、后板、外框架形成密封腔室，内部采用隔板进行隔断，横穿的管道在法兰、后板处进行密封。由于ITER真空手册对真空边界提出了很严格的质量控制要求，为了减少真空边界的焊缝数量及长度，增加结构的稳定性和可靠性，将外框架作为单独的一个部件进行设计，整体锻造方式加工成方筒；
隔板与外框架的焊接位置由真空边界移至外框架内部，由于现阶段角焊缝难以进行无损检测，隔板上端留有一定高度的凸台，以便与外框架进行对接焊，通过控制凸台的长度和距离，可以有效地控制整体焊接变形；
冷却氦气管道以及提氚气体管道在环向位置错开，通过合理地管道布局，使用隔板数量很少，隔板厚度为115mm，根据初步热应力分析结果，横穿屏蔽块的冷却氦气旁路管道、冷却氦气出口管道以及提氚气体出口管道由于温度较高，需要折弯4次才能缓解弯管处的热应力，其它管道只需折弯2次，由于产氚包层模块采用1X4结构，上述的管道结构设计有效的实现分流。
冷却氦气管道以及提氚气体管道均采用双层管结构，内外管之间直接与真空室内部相连，在屏蔽块法兰处进行密封，所有管道与隔板的安装孔的安装间隙为5mm，不但便于管道与隔板的装配，避免管道的横向移动，同时避免低温冷却水对管道的影响；
由于中子在结构材料上的核热沉积沿径向呈指数递减，靠近产氚包层模块的后板上功率密度较高，而法兰上功率密度相对较低，因此后板需要更好地冷却，然而冷却水的入口和出口均位于法兰一侧，故设计中通过额外的管道将冷却水由法兰引至后板，再逆向流回法兰，从而实现冷却水在整个箱体内的合理分配。
附图说明
图1为去掉外框架的固态产氚包层模块屏蔽块内部结构示意图；
图2为外框架示意图；
图3a为屏蔽块法兰前视图；
图3b为屏蔽块法兰后视图；
图4a为后板前视图；
图4b为后板后视图；
图5为隔板示意图；
图6为内部各个管道与隔板连接示意图；
图中：1.外框架；2.屏蔽块法兰；3.隔板；4.后板；5.冷却氦气入口管道；6.提氚气体入口管道；7.提氚气体出口管道；8.冷却氦气旁路管道；9.冷却氦气入口管道一；10.螺栓孔；11.防剪切键；12.冷却水管道；13.信号诊断管道；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，在外框架去掉后，可以看到前端是竖直放置的屏蔽块法兰2，后端是竖直放置的后板4，屏蔽块法兰2和后板4之间安装若干个竖直放置的隔板3，各个管道位于屏蔽块法兰2和后板4之间，并穿过各个隔板3。
如图2所示，外框架1为一个整体的矩形体结构，前后端开口，开口处分别与屏蔽块法兰2和后板4进行焊接安装。在内壁上加工槽道，用于跟对应位置的隔板3进行焊接安装。
如图3所示，屏蔽块法兰2上加工有相应的安装孔，用于各个管道前端的安装，屏蔽块法兰2后表面(内侧)加工有槽道，用于跟外框架1前端开口进行焊接安装。
如图4所示，后板4上加工有相应的安装孔，用于各个管道后端的安装，后板的前表面(内侧)加工有槽道，用于跟外框架1的后端开口进行焊接装配。
后板4的后面安装有螺栓孔10、防剪切键11和电连接键，用于将固态产氚包层模块通过柔性支撑固定在屏蔽块上，防止等离子体破裂情况下强电磁力/力矩造成固态产氚包层模块的扭曲，以及将固态产氚包层模块上可能产生的强电流导出，确保结构的安全性、可靠性和稳定性。
如图5所示，隔板3的上下端分别加工有凸块，凸块安装在外框架1的内壁的槽道配合，进行安装。隔板3上在相应的位置加工安装孔，用于各个管道的穿通。隔板3的安装孔的位置随着管道穿过的位置进行变化加工。
如图6所示，各个管道包括冷却氦气入口管道5、提氚气体入口管道6、提氚气体出口管道7、冷却氦气旁路管道8和冷却氦气入口管道一9，以及图6中示出的冷却水管道12、信号诊断管道13(已在图1中示出)；各个管道穿过各个隔板3对应的安装孔。其中，提氚气体出口管道7和冷却氦气旁路管道8为向上弯曲的“几”字型，提氚气体入口管道6和冷却氦气入口管道一9为向下弯曲的“几”字型，冷却氦气入口管道5为阶梯状弯折管道。
装配顺序如下：
通过整体锻造和局部机械加工方式完成外框架1、后板4、屏蔽块法兰2以及隔板3等的加工，通过弯管成型工艺完成所有管道的加工；
各个管道装配在内部的隔板3上，整体沿径向插入外框架内部，分别在两侧实现内部的隔板3与外框架的焊接；
将提氚气体入口管道6以及两端的隔板3沿径向插入外框架1内，分别在两侧实现两端的隔板3与外框架1的焊接；
将各个管道以及隔板3沿径向插入外框架1内，在侧面实现隔板3与外框架的焊接；
后板4分别与外框架1、各个管道进行焊接；
屏蔽块法兰2分别与外框架1、各个管道进行焊接。
正常工作状态下，冷却水从屏蔽块法兰2进入相应管道，对后板4进行冷却，然后逆向从屏蔽块法兰2流出；冷却氦气和提氚气体可直接通过屏蔽块。
Claims (9)
1.一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：包括位于前端的屏蔽块法兰(2)、位于后端的后板(4)，以及设于屏蔽块法兰(2)和后板(4)之间的各个管道和隔板(3)，还包括外框架(1)，所述的外框架(1)为一个整体的矩形体结构，其前后端分别开口，开口处分别与屏蔽块法兰(2)和后板(4)进行固定安装，所述的外框架(1)内壁上加工槽道，用于跟对应位置的隔板(3)进行焊接安装。
2.如权利要求1所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的屏蔽块法兰(2)上加工有安装孔，屏蔽块法兰(2)后表面加工有槽道。
3.如权利要求1所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的后板(4)上加工有安装孔，后板的前表面加工有槽道。
4.如权利要求1所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的后板(4)的后面设有螺栓孔(10)、防剪切键(11)和电连接键。
5.如权利要求1所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的隔板(3)的上下端分别设有凸块，凸块与外框架(1)的内壁的槽道配合。
6.如权利要求1所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的各个管道包括冷却氦气入口管道(5)、提氚气体入口管道(6)、提氚气体出口管道(7)、冷却氦气旁路管道(8)和冷却氦气入口管道一(9)。
7.如权利要求6所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的各个管道还包括冷却水管道(12)、信号诊断管道(13)。
8.如权利要求6所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的提氚气体出口管道(7)和冷却氦气旁路管道(8)为向上弯曲的“几”字型，所述的提氚气体入口管道(6)和冷却氦气入口管道一(9)为向下弯曲的“几”字型。
9.如权利要求6所述的一种固态产氚包层模块屏蔽块，其特征在于：所述的冷却氦气入口管道(5)为阶梯状弯折管道。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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