CN108615563A - 聚变装置偏滤器水冷模块及其应用的偏滤器冷却靶板结构 - Google Patents

Abstract

一种用于冷却磁约束核聚变装置中偏滤器靶板结构的水冷模块结构设计，该聚变装置偏滤器水冷模块结构由面向等离子体结构、焊接在面向等离子体结构内的应力缓冲层结构，焊接在缓冲层结构内的热沉管道结构组成。在该冷却结构中，冷却剂流经热沉结构带走聚变反应带给偏滤器部分的高能量。面向等离子体结构为单面朝聚变中心方向凸起且在中央位置穿插热沉管道以及应力缓冲层结构的六面体结构，凸起面结构直接承受来自聚变中心的热流，该凸起的圆弧面与环状的应力缓冲层结构和热沉结构同轴。本发明从结构设计方面直接提高偏滤器的换热能力，该设计能够更加有效分散来自等离子体能流的同时改进冷却剂管道与面向等离子体表面结构的相容性从而提高换热能力。

Description

聚变装置偏滤器水冷模块及其应用的偏滤器冷却靶板结构

技术领域

本发明属于磁约束核聚变偏滤器冷却技术领域，具体涉及一种聚变装置偏滤器水冷模块及其应用的偏滤器冷却靶板结构。

背景技术

聚变技术是能够解决人类能源问题的终极途径之一，该项技术在国际上广泛被研究。偏滤器是磁约束核聚变中最为关键的设备之一，在磁约束托卡马克装置中起到排出氦灰、排出来自高温等离子体的热流杂质粒子流、防止二次杂质再次进入等离子体中等作用。其偏滤器靶板上面向等离子体壁面处需要承受来自装置中心等离子体的10-20 MW/m²的热流密度，这给面向等离子体部件的材料选择及冷却性能提出了较高的要求。在托卡马克装置中，直接面对等离子体的部件称为面向等离子体部件，需要承受较高的粒子通量、热负荷、中子负荷等，一般主要由面向等离子体材料及热沉材料两部分组成。

国内外研究

现有技术中用于偏滤器冷却结构的设计按照冷却剂类型主要分为三种类型：水冷型、氦冷型与液态金属冷却型。通过对不同类型的偏滤器结构相关资料进行调研，发现已有偏滤器设计的面向等离子体部件的面向等离子体表面均为平面结构，平面结构不仅方便制造，还能够保证一定角度的磁力线情况下，均匀分散来自磁力线的热流从而有效防止热流量在面向等离子体表面某处的热量集中现象，同时该设计能够有效防止表面裂纹的生长，抑制材料的残余应力生长。目前最成熟的偏滤器设计方案是穿管式钨铜偏滤器如图2所示，该方案已经被应用在国内外几个大型托卡马克装置中，如ITER、EAST、CFETR 等，该设计也是目前用于聚变装置的首选方案，具有结构简单，冷却技术成熟等优点。

通过调研已有的关于穿管式钨铜偏滤器冷却模块热工水力研究成果，发现在现有设计中面向等离子体表面为平板结构设计下，面向等离子体部件的整体热量分布是非均匀的，接受热流密度的一面温度较高。在面向等离子体表面上，与冷却剂管道最靠近处温度明显低与远离冷却剂管道处的温度。直接面向等离子体壁面由于与冷却剂接触距离不均匀，而导致面向等离子体部件的棱角处出现结构材料温度极大值点。

面向等离子体部件需要采用能够与等离子体相容性好的结构材料，即原子序数较小的材料，国内外偏滤器面向等离子体表面材料的选择历经了碳、铍、碳合金、铍合金、钨，结构材料的变更同时也是聚变装置功率的逐步提升的需要。面向等离子体表面表面的温度极大值点大大限制了面向等离子体结构材料的性能，容易造成材料融化进而引起一系列后续严重问题。目前国内外各类型偏滤器设计普遍采用熔点最高的钨材料作为面向等离子体材料，该材料同时满足耐高温、溅射率低、氚滞留比低、高热导率等特点。但随着未来聚变功率的再次提高，面向等离子体材料承受的热载荷也越高，结构材料容易在高温下失效进而影响聚变反应的持续运行，同时也带来较大的经济损失。

目前主要通过两种途径解决这个问题，其一是通过磁约束聚变等离子体理论优化约束磁场位形，尽可能设计优化的偏滤器位形，尽量获得最大的磁力线展宽，从源头减小等离子体向面向等离子体部件带来的热负荷；其二即是通过优化冷却系统结构或开发更高导热性能的结构材料和冷却剂，提升偏滤器的排热性能，更高效率导出靶板上来自等离子体的能量。

近年来，在偏滤器的热工水力研究方面，国内外学者针对不同冷却类型的偏滤器均进行了系统研究，开发设计使用了性能更优越的功能性结构材料、冷却剂管道内增加了各类强化换热部件、采用两相过冷沸腾提高冷却剂换热性能、相同设计下采用不同的冷却剂材料等措施来提高偏滤器的整体导热性能。但已有技术并没有涉及到通过改变面向等离子体结构的表面积来同时减缓热流密度且提高换热能力方面的研究。

通过对相关资料的查阅与整理，目前的研究致力于在与等离子体位形设计以及偏滤器冷却结构的强化换热方面。主要通过研究面向等离子体部件的尺寸、形状，在不同程度上优化了穿管式钨铜偏滤器结构，或者将该设计中替换原有的冷却剂类型，从而获得较高的换热能力等等。但目前在水冷偏滤器模块化结构优化方面，未涉及到改变面向等离子体部件中面向等离子体表面形状的方案，本发明主要弥补这方面的缺陷。

发明内容

为了克服已有穿管式钨铜偏滤器的面向等离子体表面冷却不充分的缺陷，本发明的目的在于提供一种聚变装置偏滤器水冷模块及其应用的偏滤器冷却靶板结构，本发明从结构设计方面直接提高偏滤器的换热能力，该设计能够更加有效分散来自等离子体能流的同时改进冷却剂管道与面向等离子体表面结构的相容性从而提高换热能力；本发明尤其适用于磁约束核聚变托卡马克装置偏滤器靶板面向等离子体结构，能提高靶板处冷却结构的换热性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚变装置偏滤器水冷模块，包括面向等离子体结构1，焊接在面向等离子体结构1内的缓冲层结构2，焊接在缓冲层结构2内的热沉结构3，冷却剂4流过热沉结构3内以带走聚变引起的能量；所述面向等离子体结构1为其中一个面朝聚变中心方向凸起的六面体结构，面向等离子体结构1凸起的圆弧面的中心与缓冲层结构2和热沉结构3的中心同轴，所述缓冲层结构2是用来减小面向等离子体结构1与热沉结构2之间由于热膨胀系数和弹性模量差异而导致的较大界面热应力的薄层结构。

所述焊接采用热等静压焊接方法。

所述热沉结构3为内壁面光滑的圆管结构，管道内通有冷却剂，冷却剂流速为8-10m/s，压力在4-6MPa，冷却剂温度100-200℃，能够有效带走偏滤器靶板上来自聚变等离子体的10-20MW/m²的稳态或瞬态热流。

所述缓冲层结构2的厚度为1-2mm。

所述冷却剂4为水。

所述面向等离子体结构1的材料为钨，缓冲层结构2的材料为锆铬铜合金CuCrZr，热沉结构3的材料为高温无氧铜OFHC。

一种偏滤器冷却靶板结构，由所述的聚变装置偏滤器水冷模块组成，具体是多个聚变装置偏滤器水冷模块沿轴向方向串联在一起成为一个单通道冷却模块，随后多个单通道冷却模块并联在一起，最终组成能够安装在偏滤器靶板位置处的偏滤器冷却靶板结构整体。

本发明提出新型偏滤器结构设计突破现有技术中使用的平板型面向等离子体表面的设计，采用圆弧型代替其，增大了面向等离子体结构的承受热流总面积，能够使来自等离子体的热流量分布更加均匀化，有效降低面向等离子体表面的平均热流量，面向等离子体表面圆弧型结构与管状热沉结构结合能更均匀有效导出来自等离子体能量，同时能够消除面向等离子体表面温度最高点处带来的热应力集中现象。

和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明通过将面向等离子体结构其中一个朝聚变中心方向的面设计为凸起的面，增加面向等离子体结构的面向等离子体的表面积，能够使来自聚变中心的等离子体热流至偏滤器面向等离子体表面的热流密度更均匀，减小热流表面处的热流，降低了由热量分布不均匀引起的热应力集中现象，提高了结构的可靠性；

2、消除规则六面体冷却模块设计结构中，由于热沉结构的管道与面向等离子体结构表面之间的距离不均匀现象，使面向等离子体表面均匀贴合热沉结构的管道，使冷却剂更充分移除来自聚变中心的能量，能够消除规则六面体上面向等离子表面棱角处温度最高点；

3、面向等离子体表面结构设计与冷却剂通道同轴，为标准圆弧形状，方便加工制造。

附图说明

图1为本发明聚变装置偏滤器水冷模块立体示意图。

图2为已有钨铜偏滤器单个结构截面示意图。

图3为本发明偏滤器面向等离子体部件截面示意图。

图4为本发明偏滤器面向等离子体部件在面向等离子体表面处的热流分配示意图。

图5为偏滤器冷却靶板结构示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明进行进一步详细描述：

如图1所示，本发明一种聚变装置偏滤器水冷模块，包括面向等离子体结构1、缓冲层结构2、热沉结构3和冷却剂4。面向等离子体结构1、缓冲层结构2和热沉结构3之间的连接方式为热等静压焊接方式，该结构最终按照冷却剂轴向方向先串联再并联成一个整体安装在偏滤器靶板位置处。

其中面向等离子体结构1是由钨材料制成的其中一面朝聚变中心方向凸起为圆弧形状的六面体结构；热沉结构3是承载冷却剂工质并穿插于面向等离子体结构1中的部件，具体是由具有高热导率的 CuCrZr合金制成的热沉冷却剂管道构成；缓冲层结构2是位于面向等离子体结构1与热沉结构3之间的一薄层结构，用于缓解二者之间由于热膨胀系数和弹性模量差异而导致的较大界面热应力。热沉结构 3为光滑圆管结构，管道内通有冷却剂4，流速8-10m/s，设计压力在4-6MPa，冷却剂温度100-200℃，能够有效带走来自聚变等离子体的10-20MW/m²的稳态及瞬态热流密度。

为了突出本发明的特点，如图3所示，给出聚变装置偏滤器水冷模块的横截面图，其中各部分结构标识与图1中相同。一定热流密度作用在偏滤器表面，分别经过三种结构材料的导热过程，将来自靶板处的能量最后经由管道中的冷却剂带走。

如图2所示，为现有的典型钨铜偏滤器结构设计的截面示意图，其中各部分结构标识与图1中相同。该结构与本发明最大的区别在于面向等离子体形状为平面，面向等离子体表面均匀地接受来自堆芯的热流，从结构中看出该设计中冷却管道与直接接受热流密度的平面之间的最小距离分布不均匀，面向等离子体表面与冷却剂管道距离存在最大和最小值点，由于不同方位的热量传递到冷却剂不均匀，就相应的产生了温度的最高及最低点。在远离冷却剂管道中心的地方出现的温度极值点最先突破材料温度限值，降低结构材料的导热性能，另一方面由于材料温度梯度较大，还会引起较大的热应力。针对现有技术的缺陷，本发明提出的新型偏滤器冷却结构能够在一定程度上缓解上述问题。

如图4所示，来自聚变堆中心的热流在圆弧型靶板上总量为H，由于圆弧结构特殊性，将总的热流垂直于靶板面以及平行靶板面分别分解为H_n、H_v。经过分解到达靶板处的能量降低将更多能量约束在聚变装置中。

如图5所示，为本发明聚变装置偏滤器水冷模块集成示意图，最终本发明提出的新型偏滤器模块集成在偏滤器靶板上，经过一定数量的并联冷却剂通道结合在一起构成完整的偏滤器冷却靶板结构。该结构能够应用于聚变装置高热流及高热辐射环境中，能够提供等离子边界以及将聚变等离子体带给偏滤器部分的多余能量安全有效导出聚变装置，保证聚变反应能够持续稳态运行。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种聚变装置偏滤器水冷模块，其特征在于：包括面向等离子体结构(1)，焊接在面向等离子体结构(1)内的缓冲层结构(2)，焊接在缓冲层结构(2)内的热沉结构(3)，冷却剂(4)流过热沉结构(3)内以带走聚变引起的能量；所述面向等离子体结构(1)为其中一个面朝聚变中心方向凸起的六面体结构，面向等离子体结构(1)凸起的圆弧面的中心与缓冲层结构(2)和热沉结构(3)的中心同轴，所述缓冲层结构(2)是用来减小面向等离子体结构(1)与热沉结构(2)之间由于热膨胀系数和弹性模量差异而导致的较大界面热应力的薄层结构。

2.根据权利要求1所述的一种聚变装置偏滤器水冷模块，其特征在于：所述各结构之间的焊接采用热等静压焊接方法。

3.根据权利要求1所述的一种聚变装置偏滤器水冷模块，其特征在于：所述热沉结构(3)为内壁面光滑的圆管结构，管道内通有冷却剂，冷却剂流速为8-10m/s，压力在4-6MPa，冷却剂温度100-200℃，能够有效带走偏滤器靶板上来自聚变等离子体的10-20MW/m²的稳态或瞬态热流。

4.根据权利要求1所述的一种聚变装置偏滤器水冷模块，其特征在于：所述缓冲层结构(2)的厚度为1-2mm。

5.根据权利要求1所述的一种聚变装置偏滤器水冷模块，其特征在于：所述冷却剂(4)为水。

6.根据权利要求1所述的一种聚变装置偏滤器水冷模块，其特征在于：所述面向等离子体结构(1)的材料为钨，缓冲层结构(2)的材料为锆铬铜合金CuCrZr，热沉结构(3)的材料为高温无氧铜OFHC。

7.一种偏滤器冷却靶板结构，其特征在于：由权利要求1至6任一项所述的聚变装置偏滤器水冷模块组成，具体是多个聚变装置偏滤器水冷模块沿轴向方向串联在一起成为一个单通道冷却模块，随后多个单通道冷却模块并联在一起，最终组成能够安装在偏滤器靶板位置处的偏滤器冷却靶板结构整体。