CN109448868A - 一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，包括真空室扇区本体，真空室扇区本体的材料为316L不锈钢，所述真空室扇区本体的下端一侧设有下窗口，下窗口具有朝向真空室扇区本体延伸的下窗口延伸段，下窗口延伸段的材料为304不锈钢；所述真空室扇区本体与下窗口延伸段之间焊接设有下窗口过渡领圈，所述下窗口过渡领圈为双层结构，材料为316L不锈钢。本发明不仅可使热膨胀系数不同的两种材料间的焊缝远离几何形状不规则区，而且满足了真空室的真空允许漏率，下窗口过渡领圈的双层结构设计既可以减轻窗口重量，节约材料，又可以吸收热应力引起的材料膨胀。

Description

一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区

技术领域

本发明涉及核聚变堆真空室技术领域，具体涉及一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区。

背景技术

托卡马克（Tokamak）一词最早由前苏联科学家阿齐莫维齐等人在２０世纪５０年代提出。该装置为环形磁约束核聚变装置，中央为一个Ｄ型环状真空室，为等离子体燃烧的场所，外部缠绕线圈用以提供磁场，托卡马克的磁场由环向磁场和远小于环向场的极向磁场构成，形成螺旋状磁场，带电粒子在洛伦兹力的作用下将沿磁力线运动，等离子体被螺旋状磁场约束在托卡马克内部。通过感应、中性束、离子回旋共振、电子回旋共振、低杂波等加热手段使等离子体达到上亿度高温以实现聚变。托克马克的主机部分由真空室、超导磁体系统、内部部件（包层，偏滤器）、内外冷屏和外真空杜瓦等五大部件组成。

真空室是超导托卡马克核聚变堆装置中一个十分重要的核心部件，真空室位于磁体和冷屏内侧，包围着内部部件并为其提供可靠的支撑，是一个环绕着等离子体的双层结构。它最主要的功能是为等离子体提供高质量的真空运行环境，提供产生和维护高质量真空的坚固的边界，同时需要支撑真空室内部部件和其引起的机械负荷。真空室的高度达到15m以上，大半径在20m左右，对这么大的双层曲面真空容器，现有工业工艺水平中，没法一次加工成型，只能分为多个部件然后焊接装配而成。首先沿着环向向分为多个真空室扇区，一般每10度到30度之间为一个扇区，具体度数根据磁体数量决定，CFETR中国聚变工程实验堆真空室就是11.25度为一个扇区，每两个11.25扇区镜像装配组成22.5度的1/16真空室扇区（即本申请题目所述的真空室扇区）。每1/16真空室扇区上布置有上中下三个窗口，各个扇区焊接装配成整体。

上述上中下三个窗口，用来安装内部部件、馈线、抽真空和充当维护通道。上窗口是梯形横截面、斜向上的结构，被用于诊断、等离子稳定和冷却水管出入口。中窗口是矩形横截面、水平放置的结构，用于对RF等离子体加热和电流驱动，等离子体诊断，为等离子体中性束加热和电流驱动、诊断提供入口等。下窗口是梯形横截面、斜向下的结构，用于偏滤器的维修和诊断，真空泵、气体的注入和管路系统的安装。下窗口的窗口延伸段底部安装有双铰接支撑系统，用来支撑真空室。

由于真空室受到核热和水冷，温度梯度产生热应力，特别当等离子体破裂或发生垂直位移事件时，真空室将受到电磁载荷冲击。垂直位移事件将产生最严重的电磁力载荷，其产生的垂直力大于真空室重力，这些力都非常大，因此，真空室支撑系统需要承受巨大的载荷，对真空室支撑系统和与之连接的下窗口的结构设计和材料选择要求十分高。另外，由于真空的允许漏率需要达到1×10-8Pa∙m3∙s-1，参与中子防护，为氚和活化灰尘提供第一个约束壁垒，因此对于材料选择也是十分慎重的，316L（ITER级）不锈钢被选为真空室的主要材料，从其他奥氏体钢中选择这种材料的主要原因是它有很高的许用抗拉强度（且有很高的的韧性）和很高的许用拉伸应力，316L（ITER级）不锈钢钢耐间隙腐蚀的能力比其他材料要强。由于304不锈钢较容易获得、造价相对较低和很高的许用抗拉强度（同时也有好的韧性），被用作无冷却窗口组件的主要结构材料。且由于真空室窗口尺寸很大，常规的可拆卸连接并不适用，因此焊接连接是非常有必要的，TIG焊接方法应用于真空室的焊接，且经过检验是可行的，但是其他更高效、优越的焊接方法也在研究。而且对于窗口领圈和窗口延伸段直接对焊，有可能对焊不上或者焊出来的真空室轮廓度误差比较大。

综上所述，针对设计要求最高的核聚变堆的下窗口，需要满足以下几点要求：

1、真空允许漏率达到1×10-8Pa∙m3∙s-1 ；

2、需要承受由重力和地震所引发的加速度载荷和等离子体运行期间由于温度梯度导致的热应力载荷；

3、真空室的应力分析需要满足RCC-MR 2007的设计标准，真空室及其窗口作为第二类箱型结构组件，其结构强度需要满足设计要求；

4、真空室窗口接口区域的几何形状不规则，因此对于真空室和窗口的焊接结构设计需要满足RCC-MR 2007中的关于压力容器的焊接设计要求（RC3833.2规定的应可能地使焊缝远离主要的几何形状不规则区，特别是当焊接所连接的两种材料具有不同的热膨胀系数时更应如此）。

5、制造装配需要满足真空室表面轮廓度公差（±3mm）要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够解决上述技术问题，满足上述各项要求的具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区。

一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，包括真空室扇区本体，真空室扇区本体的材料为316L不锈钢，真空室扇区本体包括扇区外壳及扇区内壳，所述真空室扇区本体的下端一侧设有下窗口，下窗口具有朝向真空室扇区本体延伸的下窗口延伸段，下窗口延伸段的材料为304不锈钢；所述真空室扇区本体与下窗口延伸段之间焊接设有下窗口过渡领圈，所述下窗口过渡领圈包括与扇区外壳相对焊接的领圈外壳，以及与扇区内壳相对焊接的领圈内壳，所述下窗口过渡领圈的材料为316L不锈钢。

优选地，所述下窗口延伸段包括延伸段外壳及延伸段内壳，均采用304不锈钢制成，对应焊接于下窗口过渡领圈的领圈外壳与领圈内壳。

优选地，所述下窗口延伸段及下窗口过渡领圈的内外壳体之间均设有加强筋。

优选地，所述下窗口延伸段的延伸段外壳与下窗口过渡领圈的领圈外壳之间设有外层接缝区，下窗口延伸段的延伸段内壳与下窗口过渡领圈的领圈内壳之间设有内层接缝区。

本发明在真空室扇区和下窗口的延伸段之间设计一个采用316L不锈钢制成的下窗口过渡领圈，不仅可使热膨胀系数不同的两种材料间（制造真空室扇区的316L不锈钢、用于制造下窗口延伸段的304不锈钢）的焊缝远离几何形状不规则区（下窗口接口区），而且满足了真空室的真空允许漏率，下窗口过渡领圈的双层结构设计既可以减轻窗口重量，节约材料，又可以吸收热应力引起的材料膨胀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中下窗口过渡领圈的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参见图1，本发明提供的一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，包括真空室扇区本体1，真空室扇区本体1的材料为316L不锈钢，真空室扇区本体1呈双层结构，包括扇区外壳11及扇区内壳12，所述真空室扇区本体1的下端一侧设有下窗口2，下窗口2具有朝向真空室扇区本体1延伸的下窗口延伸段3，下窗口延伸段3的材料为304不锈钢，为了解决背景技术中所述的技术问题，本发明的技术方案是，真空室扇区本体1与下窗口延伸段3之间焊接设有如图2所示的下窗口过渡领圈4，所述下窗口过渡领圈4包括与扇区外壳11相对焊接的领圈外壳41，以及与扇区内壳12相对焊接的领圈内壳42，所述下窗口过渡领圈4的材料为316L不锈钢。

以背景技术中CFETR中国聚变工程实验堆真空室为例，真空室沿着环向进行分割，以11.25度为一个扇区，扇区为双层薄壁D型截面结构，包括扇区外壳11及扇区内壳12，每两个11.25扇区镜像装配组成22.5度的1/16真空室扇区（即真空室扇区本体1），1/16真空室扇区的材料为316L不锈钢，每1/16扇区上布置有上窗口5、中窗口6及下窗口2，用来安装内部部件、馈线、抽真空和充当维护通道，其中下窗口2具有朝向真空室扇区本体1延伸的下窗口延伸段3，下窗口延伸段3的材料为304不锈钢，真空室扇区本体1与下窗口延伸段3之间焊接设有下窗口过渡领圈4，下窗口过渡领圈4包括与扇区外壳11相对焊接的领圈外壳41，以及与扇区内壳12相对焊接的领圈内壳42，所述下窗口过渡领圈4的材料为316L不锈钢。采用下窗口过渡领圈4的设计可使用于制造真空室扇区本体1的316L不锈钢、用于制造下窗口延伸段3的304不锈钢，这两种热膨胀系数不同的两种材料间的焊缝远离几何形状不规则区（下窗口接口区），满足真空室的真空允许漏率，下窗口过渡领圈4的双层结构设计既可以减轻窗口重量，节约材料，又可以吸收热应力引起的材料膨胀。

本实施例中，下窗口延伸段3包括延伸段外壳及延伸段内壳，均采用304不锈钢制成，对应焊接于下窗口过渡领圈4的领圈外壳41与领圈内壳42。目的在于，能够进一步的满足上述条件要求，也具备焊接装配方便的优势。

本实施例中，下窗口延伸段3及下窗口过渡领圈4的内外壳体之间均设有加强筋7。目的在于，增强了对应部位的结构强度。

本实施例中，下窗口延伸段3的延伸段外壳与下窗口过渡领圈4的领圈外壳41之间设有外层接缝区8，下窗口延伸段3的延伸段内壳与下窗口过渡领圈4的领圈内壳42之间设有内层接缝区9。目的在于，可弥补下窗口过渡领圈4和下窗口延伸段3间内外壳体的加工误差。

以背景技术中CFETR中国聚变工程实验堆真空室为例，下窗口过渡领圈4由厚度为50mm的316L（ITER级）不锈钢的内外壳体拼焊组成，下窗口延伸段3由厚度为50mm的304不锈钢的内外壳体组成,加强筋板均采用厚度为40mm的316L（ITER级）不锈钢制造而成，用来减轻窗口的重量，同时增强了真空室的结构强度。下窗口过渡领圈4与下窗口延伸段3的双层壳体间分别设计宽度为200mm的内外两层的接缝区，用来弥补窗下窗口过渡领圈4和下窗口延伸段3的加工误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，包括真空室扇区本体，真空室扇区本体的材料为316L不锈钢，真空室扇区本体包括扇区外壳及扇区内壳，所述真空室扇区本体的下端一侧设有下窗口，下窗口具有朝向真空室扇区本体延伸的下窗口延伸段，下窗口延伸段的材料为304不锈钢，其特征在于：所述真空室扇区本体与下窗口延伸段之间焊接设有下窗口过渡领圈，所述下窗口过渡领圈包括与扇区外壳相对焊接的领圈外壳，以及与扇区内壳相对焊接的领圈内壳，所述下窗口过渡领圈的材料为316L不锈钢。

2.根据权利要求1所述的一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，其特征在于：所述下窗口延伸段包括延伸段外壳及延伸段内壳，均采用304不锈钢制成，对应焊接于下窗口过渡领圈的领圈外壳与领圈内壳。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，其特征在于：所述下窗口延伸段及下窗口过渡领圈的内外壳体之间均设有加强筋。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有下窗口领圈焊接结构的真空室扇区，其特征在于：所述下窗口延伸段的延伸段外壳与下窗口过渡领圈的领圈外壳之间设有外层接缝区，下窗口延伸段的延伸段内壳与下窗口过渡领圈的领圈内壳之间设有内层接缝区。