CN109489718A - 一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台 - Google Patents

一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，包括有真空室、冷却回路系统、聚变堆内部部件驱动机构、真空抽气系统、高功率电子枪、部件实验监测系统。真空室由真空腔和前后可移动端盖组成，前后端盖可以沿轨道运动，真空腔腔壁布置冷却夹层，通过冷却回路系统对运行时产生的热量进行冷却，聚变堆内部部件驱动机构驱动内部平台上的聚变堆内部部件直线运动和周向旋转。本发明能够提供高真空环境和高功率电子束，简化了聚变堆内部部件的直线运动和周向旋转，能够确保实验数据的完整采集。

Description

一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台
技术领域
本发明涉及聚变堆部件测试装置领域，具体是一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台。
背景技术
研究磁约束托卡马克核聚变堆终极目标是利用聚变发电，解决人类日益凸显的能源危机问题。包层和偏滤器作为托卡马克装置（如ITER装置等）中直接面对等离子体的内部部件，其性能的优劣是整个聚变装置运行成败的关键。结合聚变堆内部高温、高辐射热、高能中子辐照及电磁等复杂的运行环境，其内部部件应具备的性能如下：a）承受来自中心等离子体的热流，第一壁表面热流密度达几兆瓦每平方米局部可达几十兆瓦每平方米，从而导致包层及偏滤器第一壁表面的温度分别可达到几百甚至上千摄氏度，在如此高的温度下，一般材料都无法承受，因此，内部部件需具备承受高温自冷却性能；b）承受来自中心等离子体的粒子流，高能粒子越过刮削层与第一壁表面材料相互作用引起物理溅射，减少了第一壁使用寿命，增加了维护次数等，因此，内部部件第一壁表面材料需具备低溅射性能；c）聚变堆运行时，在非正常情况下，可能发生等离子体破裂（主破裂-MD、垂直位移事件-VDE）事件，由于等离子体具有较大内能，破裂时这些能量将消耗在堆内部件上，致使第一壁表面会产生极大的瞬间电磁力载荷，对结构造成冲击，因此，内部部件需具有能承受巨大电磁力的能力。
目前，聚变堆内部部件有多种不同的形式，如：水冷包层和水冷偏滤器，氦冷包层和氦冷偏滤器等，而这么多的形式，到底哪一种在能满足上述性能要求的前提下结构冷却效果最优、使用寿命最长、结构能承受的电磁力最大等，国内还没有一个装置或平台可以验证聚变堆内部部件性能的优劣。
因此，本发明致力于弥补国内的空白，设计了一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台。该平台主要以聚变堆内部部件包层和偏滤器为着眼点，研究包层和偏滤器的基本性能，重点验证第一壁热工性能与高温高压冷却剂（水冷和氦冷）的关系以及原型部件在高热负荷下（热负荷可达稳态10MW/m2，瞬态20MW/m2）的制造工艺等。本平台具有集成功能强、提供热负荷高、操作简单方便等优点。
发明内容 本发明的目的是提供一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，以实现验证面对等离子单元承受高热负荷能力与高温高压冷却剂的关系以及聚变堆内部部件的制造工艺的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：包括真空腔，真空腔轴向两端腔口分别可拆卸密封盖合连接有端盖，真空腔外对应每个端盖分别设有平行于真空腔轴向的轨道，每个端盖分别滑动装配于对应的轨道上，真空腔内沿轴向设有滑道，滑道一端连接于对应方向的端盖，滑道上滑动装配有用于承载待测聚变堆内部部件的内部平台，真空腔还配备有聚变堆内部部件驱动机构，由聚变堆内部部件驱动机构驱动内部平台在滑道上直线运动及在圆周方向转动，真空腔顶部设有电子枪入口、监测口，真空腔上方设有电子枪和部件实验监测系统，其中电子枪的枪口通过真空腔顶部的电子枪入口通入真空腔内，部件实验监测系统的监测部通过真空腔顶部的监测口通入真空腔内，还包括抽真空系统，抽真空系统与真空腔内部连通，由抽真空系统对真空腔内部抽真空。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述真空腔轴向两端腔口分别通过密封法兰与对应的端盖可拆卸密封盖合连接。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：每个端盖分别连接有滑座，滑座滑动安装在端盖对应的轨道上。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：还包括人员操作平台，人员操作平台架设于真空腔上方，人员操作平台上对应于真空腔顶部电子枪入口的位置挖空，挖空处两对称侧分别设有电子枪支撑平台，电子枪固定于电子枪支撑平台上，且电子枪的枪口穿过挖空处后，通过真空腔顶部的电子枪入口通入真空腔内，人员操作平台上还设有电子枪控制系统，电子枪控制系统与电子枪控制连接。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：每个电子枪与竖直面的夹角均小于或等于18度。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述真空腔顶部设有向上凸起且封闭的颈口，该颈口伸入人员操作平台的挖空处，电子枪入口、监测口分别设于颈口顶部。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述部件实验监测系统包括红外热像仪、双比色测温、高清CCD相机、X射线功率沉积分布监测系统、热偶测温系统、电阻应变测量系统、光纤光栅测量系统，其中红外热像仪的探测头、双比色测温的测量头、高清CCD相机的镜头、X射线功率沉积分布监测系统的探测头、热偶测温系统的测量部、电阻应变测量系统的测量部、光纤光栅测量系统的测量部共同作为部件实验监测系统的监测部。
所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述真空腔的腔壁中有冷却夹层，其中一个端盖上设有冷却回路系统，由冷却回路系统连接冷却夹层和外部冷源。
与现有技术相比，本发明的优点为：
本发明所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，能够提供高真空环境和高功率电子束，可沿轨道移动的端盖与内部平台连接，方便了聚变堆内部部件的装配和维修工作，真空驱动机构简化了聚变堆内部部件的直线运动和周向旋转，完备的部件实验监测系统能够确保实验数据的完整采集。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的真空室内部结构示意图。
图3为本发明的真空室端盖打开状态示意图。
图4为本发明的聚变堆内部部件驱动机构及滑架部分连接示意图。
图5为本发明的人员操作平台及电子枪支撑平台结构示意图。
图6为本发明聚变堆内部部件驱动机构整体结构示意图。
图7是本发明聚变堆内部部件驱动机构中下平台结构示意图。
图8是本发明聚变堆内部部件驱动机构中上平台及载物平台结构示意图。
图9是本发明聚变堆内部部件驱动机构中上平台驱动机构动作原理示意图。
图10是本发明聚变堆内部部件驱动机构中下平台驱动机构动作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图10所示，一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，包括真空腔1，真空腔1轴向两端腔口分别可拆卸密封盖合连接有端盖2、3，真空腔1外对应每个端盖分别设有平行于真空腔1轴向的轨道13，每个端盖分别滑动装配于对应的轨道13上，真空腔1内沿轴向设有滑道14，滑道14一端连接于对应方向的端盖2，滑道14上滑动装配有用于承载待测聚变堆内部部件的内部平台15，真空腔1还配备有聚变堆内部部件驱动机构5，由聚变堆内部部件驱动机构5驱动内部平台15在滑道14上直线运动及在圆周方向转动，真空腔1顶部设有电子枪入口、监测口，真空腔1上方设有高功率电子枪6和部件实验监测系统8，其中电子枪6的枪口通过真空腔1顶部的电子枪入口通入真空腔1内，部件实验监测系统8的监测部通过真空腔1顶部的监测口通入真空腔1内，还包括抽真空系统11，抽真空系统11与真空腔1内部连通，由抽真空系统11对真空腔1内部抽真空。
真空腔1轴向两端腔口分别通过密封法兰与对应的端盖2、3可拆卸密封盖合连接。
每个端盖分别连接有滑座15，滑座15滑动安装在端盖对应的轨道13上。
还包括人员操作平台10，人员操作平台10架设于真空腔1上方，人员操作平台10上对应于真空腔1顶部电子枪入口的位置挖空，挖空处两对称侧分别设有电子枪支撑平台7，电子枪6固定于电子枪支撑平台7上，且电子枪6的枪口穿过挖孔处后，通过真空腔1顶部的电子枪入口通入真空腔1内，人员操作平台10上还设有电子枪控制系统9，电子枪控制系统9与电子枪6控制连接。
每个电子枪6与竖直面的夹角均小于或等于18度。
真空腔1顶部设有向上凸起且封闭的颈口，该颈口伸入人员操作平台10的挖空处，电子枪入口、监测口分别设于颈口顶部。
部件实验监测系统8包括红外热像仪、双比色测温、高清CCD相机、X射线功率沉积分布监测系统、热偶测温系统、电阻应变测量系统、光纤光栅测量系统，其中红外热像仪的探测头、双比色测温的测量头、高清CCD相机的镜头、X射线功率沉积分布监测系统的探测头、热偶测温系统的测量部、电阻应变测量系统的测量部、光纤光栅测量系统的测量部共同作为部件实验监测系统8的监测部。
真空腔1的腔壁中有冷却夹层12，其中一个端盖2上设有冷却回路系统4，由冷却回路系统4连接冷却夹层12和外部冷源。
如图6-图10所示，本发明中，聚变堆内部部件驱动机构5包括直线驱动机构5.1、载物平台、上平台5.3、下平台5.4，其中直线驱动机构5.1包括电动推杆5.5，电动推杆5.5固定安装在真空腔1的端盖2的外侧面下部，电动推杆5.5中推杆的运动方向平行于真空腔1的轴向，电动推杆5.5的推杆从真空腔1的端盖2穿入真空腔1内。
电动推杆5.5的杆端穿入真空腔1内后，再通过真空波纹管5.6连接齿条5.7，齿条5.7和电动推杆的推杆处于同一直线上，由电动推杆5.5通过真空波纹管5.5推动齿条5.7作直线运动。
载物平台、上平台5.3、下平台5.4分别位于真空腔1内部，由载物平台5作为内部平台15，其中：
上平台5.3包括位于直线驱动机构5.1中齿条5.7前段上方的焊接框架5.29，上方的焊接框架5.29左、右侧分别转动安装有滚轮，滚轮用于安装在真空腔1中端盖2连接的滑道14上，使上平台5.3整体可沿滑道14运动。上方的焊接框架5.29顶部设有立架，立架中转动安装有水平垂直于直线驱动机构5.1中齿条5.7运动方向的轴5.2，载物平台固定连接于立架中的轴5.2并随轴5.2转动，立架中的轴5.2上还同轴固定安装有链轮5.27，上方的焊接框架5.29底部转动安装有两个同轴的轴5.18、5.24，两个轴5.18、5.24分别水平垂直于直线驱动机构5.1中齿条5.7运动方向，上方的焊接框架5.29底部连接有拨叉5.21，拨叉5.21的转轴位于上方的焊接框架5.29底部两个轴5.18、5.24之间，且拨叉5.21中转轴两端分别与上方的焊接框架5.29底部两个轴5.18、5.24对应端同轴连接，上方的焊接框架5.29底部其中一个轴5.18上同轴固定安装有驱动齿轮5.19、另一个轴5.24上同轴固定安装有链轮5.25，直线驱动机构5.1中齿条5.7有部分齿面与驱动齿轮5.19传动啮合，立架中的轴5.2上的链轮5.27与上方的焊接框架5.29底部轴5.24上的链轮5.25之间通过链条5.28传动连接，上方的焊接框架5.29底部还固定有齿条5.26，该齿条5.26与直线驱动机构5.1中齿条5.7的运动方向平行；
下平台5.4包括位于直线驱动机构5.1中齿条5.7前段下方的焊接框架5.17，下方的焊接框架5.17顶部转动安装有两个同轴的轴5.9、5.12，两个轴5.9、5.12分别水平垂直于直线驱动机构5.1中齿条5.7运动方向，下方的焊接框架5.17顶部连接有拨叉5.15，拨叉5.15的转轴位于下方的焊接框架5.17顶部两个轴5.9、5.12之间，且拨叉5.15中转轴两端分别与下方的焊接框架5.17顶部两个轴5.9、5.12对应端同轴连接，下方的焊接框架5.17顶部两个轴5.9、5.12上分别同轴固定安装有齿轮5.8、5.11，下方的焊接框架5.17顶部还设有蜗轮蜗杆自锁机构5.13，蜗轮蜗杆自锁机构5.13中蜗轮转动安装于下方的焊接框架5.17顶部，且蜗轮的轴向水平垂直于下方的焊接框架5.17顶部两个轴5.9、5.12的轴向，蜗轮蜗杆自锁机构5.17中的蜗杆与下方的焊接框架5.17顶部其中一个轴5.12同轴固定连接并随轴转动，下方的焊接框架5.17顶部与蜗杆连接的轴5.12上的齿轮5.11与上方的焊接框架5.29底部的齿条5.26传动啮合，直线驱动机构5.1中齿条5.7有部分齿面与下方的焊接框架5.17顶部未与蜗杆连接的轴5.9上的齿轮5.8传动啮合。
上平台5.3中，上方的焊接框架5.29底部的两个轴5.18、5.24分别各自通过联轴器5.20、5.23与拨叉5.21中转轴对应端连接。
下平台5.4中，下方的焊接框架5.17顶部的两个轴5.9、5.12分别各自通过联轴器5.14、5.16与拨叉5.15中转轴对应端连接。
圆周运动动作步骤为：直线驱动机构5.1的电动推杆5.5沿直线运动，齿条5.7与驱动齿轮5.19配合，驱动齿轮5.19和轴5.18转动，轴5.18通过联轴器5.20，轴5.22，联轴器5.23，轴5.24，带动链轮5.25转动，链轮5.25通过链条5.28驱动链轮5.27和轴5.2，安装在轴5.2上的载物平台随轴5.2一起转动，从而实现聚变堆内部部件在圆周方向上的转动。此时，上平台5.3的拨叉5.21不动作，保持联轴器与轴的连接，下平台的拨叉5.15动作，断开轴5.9到轴5.12的连接，齿轮5.8此时空转。
直线运动动作步骤为：直线驱动机构5.1的电动推杆5.5沿直线运动，齿条5.7与齿轮5.8配合，驱动齿轮5.8和轴5.9转动，轴5.9通过联轴器5.14，轴5.10，联轴器5.16与轴5.12，带动齿轮5.11转动，齿轮5.11通过与上平台5.3的齿条5.26配合，将圆周运动转换成齿条5.26的直线运动，推动上平台5.3沿滑道14运动，从而实现聚变堆内部部件的直线运动。
本发明包括有真空腔1，前端盖2，后端盖3，冷却回路系统4 ，聚变堆内部部件驱动机构5，电子枪支撑平台7，高功率电子枪6，部件实验监测系统8，电子枪控制系统9，人员操作平台10,真空抽气系统11。
真空室由真空腔1，前端盖2和后端盖3组成，真空腔1与前端盖2和后端盖3用高真空密封法兰密封，前端盖2，后端盖3可以沿地面轨道运动（如图3所示），前端盖2，后端盖3的最大运动范围为2m，真空腔1外壁布置冷却夹层12（如图2所示），通过水冷通道对运行时内表面的热量进行冷却。
冷却回路系统4，通过水冷系统对实验中的聚变堆内部部件进行冷却。
聚变堆内部部件驱动机构5通过直线驱动机构，驱动聚变堆内部部件在真空室内的直线运动和周向旋转。
电子枪支撑平台7用于支撑电子枪6，实现电子枪6与竖直面呈15°的夹角，并提供操作平台供电子枪6安装维护和放置电子枪控制系统9，有人员操作平台10供操作人员上下。
高功率电子枪6由两台800KW电子枪6组成，电子枪的扫描角度为±15°，扫描区域为1m×1m。
部件实验监测系统8，由红外热像仪，双比色测温，高清CCD相机，X射线功率沉积分布监测系统，热偶测温系统，电阻应变测量系统，光纤光栅测量系统组成，实现对聚变堆内部部件实验中的全程监测。
真空抽气系统11，由两套抽气泵组成，每套抽气泵包括一台涡轮分子泵和一台罗茨泵，可抽真空到1×10-4Pa，维持工作真空到1×10-3Pa。
本发明一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台运行过程为：打开前端盖2，装载聚变堆内部部件到聚变堆内部部件驱动机构5上，连接冷却回路系统4，关闭前端盖2，真空抽气系统11抽真空到1×10-3Pa,开启电子枪6，对聚变堆内部部件进行辐照，聚变堆内部部件驱动机构5可以对聚变堆内部部件进行直线方向和圆周方向姿态的改变，部件实验检测系统对实验进行相关监测，运行时真空腔内表面的热量由冷却夹层12进行冷却。实验结束后，前端盖3沿地面轨道打开，聚变堆内部部件随之被拉出真空腔1，可以对其进行维修或更换。
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 (8)

1.一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：包括真空腔，真空腔轴向两端腔口分别可拆卸密封盖合连接有端盖，真空腔外对应每个端盖分别设有平行于真空腔轴向的轨道，每个端盖分别滑动装配于对应的轨道上，真空腔内沿轴向设有滑道，滑道一端连接于对应方向的端盖，滑道上滑动装配有用于承载待测聚变堆内部部件的内部平台，真空腔还配备有聚变堆内部部件驱动机构，由聚变堆内部部件驱动机构驱动内部平台在滑道上直线运动及在圆周方向转动，真空腔顶部设有电子枪入口、监测口，真空腔上方设有电子枪和部件实验监测系统，其中电子枪的枪口通过真空腔顶部的电子枪入口通入真空腔内，部件实验监测系统的监测部通过真空腔顶部的监测口通入真空腔内，还包括抽真空系统，抽真空系统与真空腔内部连通，由抽真空系统对真空腔内部抽真空。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述真空腔轴向两端腔口分别通过密封法兰与对应的端盖可拆卸密封盖合连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：每个端盖分别连接有滑座，滑座滑动安装在端盖对应的轨道上。
4.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：还包括人员操作平台，人员操作平台架设于真空腔上方，人员操作平台上对应于真空腔顶部电子枪入口的位置挖空，挖空处两对称侧分别设有电子枪支撑平台，电子枪固定于电子枪支撑平台上，且电子枪的枪口穿过挖空处后，通过真空腔顶部的电子枪入口通入真空腔内，人员操作平台上还设有电子枪控制系统，电子枪控制系统与电子枪控制连接。
5.根据权利要求1或6所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：每个电子枪与竖直面的夹角均小于或等于18度。
6.根据权利要求6所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述真空腔顶部设有向上凸起且封闭的颈口，该颈口伸入人员操作平台的挖空处，电子枪入口、监测口分别设于颈口顶部。
7.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述部件实验监测系统包括红外热像仪、双比色测温、高清CCD相机、X射线功率沉积分布监测系统、热偶测温系统、电阻应变测量系统、光纤光栅测量系统，其中红外热像仪的探测头、双比色测温的测量头、高清CCD相机的镜头、X射线功率沉积分布监测系统的探测头、热偶测温系统的测量部、电阻应变测量系统的测量部、光纤光栅测量系统的测量部共同作为部件实验监测系统的监测部。
8.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆内部部件测试的综合平台，其特征在于：所述真空腔的腔壁中有冷却夹层，其中一个端盖上设有冷却回路系统，由冷却回路系统连接冷却夹层和外部冷源。
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