CN109887617B - 一种手指型氦冷偏滤器模块及其制造方法 - Google Patents

一种手指型氦冷偏滤器模块及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手指型氦冷偏滤器模块及其制造方法，属于核聚变装置领域。该模块的套管包括位于上端的球形头部和连接于球形头部下端的圆形出气管道，球形头部嵌入钨瓦下表面，圆形出气管道延伸至钨瓦外部，圆形出气管道的直径小于球形头部的直径，且圆形出气管道的轴线经过球形头部的球心；喷管包括位于上端的球形喷头和连接于球形喷头下端的圆形进气管道，圆形进气管道的直径小于球形喷头的直径，且圆形进气管道的轴线经过球形喷头的球心；球形喷头与球形头部同心布置，圆形进气管道与圆形出气管道同轴布置；球形喷头上分散布置多个喷嘴。本发明能够扩大散热面积，提升偏滤器热量移除能力以及抗高热负荷能力。

Description

一种手指型氦冷偏滤器模块及其制造方法
技术领域
本发明属于核聚变装置领域，涉及用于核聚变装置中的第一壁材料及结构，具体地，是一种手指型氦冷偏滤器模块及其制造方法，更具体地，涉及一种新型的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块以及采用多材料一体化3D打印技术实现其整体成形的制造方法。
背景技术
核聚变反应产生的聚变能是解决人类能源问题的重要潜在途经，目前主流的可控核聚变方案包括两种：一种是激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变(托卡马克)。其中，利用强磁场约束高温等离子体的托卡马克(Tokamak)是最有希望实现可控热核聚变反应的装置，当前世界上许多著名的核聚变工程，包括国际热核聚变实验反应堆(ITER)和先进超导托卡马克实验装置(EAST)都采用的是磁约束核聚变的方式。
作为磁约束核聚变托卡马克装置的核心部件之一，偏滤器要及时排出核聚变反应产生的杂质，而持续承受高达10MW/m2的热负荷以及各种高能粒子辐射。欧洲未来聚变堆方案研究(EUPPCS)中提及五种偏滤器设计方案，其中有三种采用了氦冷技术。氦冷偏滤器相对于传统的水冷偏滤器，具有更高的化学及中子惰性，能够在更低的压力条件下工作。常见的氦冷偏滤器结构包括平板结构、T型结构和手指型结构。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)提出的多喷嘴氦冷偏滤器(HEMJ)属于手指型结构的一种，该种结构基于射流换热的方法使用氦气对偏滤器模块进行强化冷却，相对于传统的平板结构氦冷偏滤器和T型结构偏滤器，不仅具有更高的冷却效率，可以实现高达30KW/(m2·K)传热能力，而且能够降低连续平板结构中的热应力，延长偏滤器使用寿命。
然而随着核聚变技术的发展，为了进一步提高聚变堆的稳态运行能力并最终实现聚变堆的商用化，当前的偏滤器热量移除能力以及抗高热负荷能力需要进一步提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型手指型氦冷偏滤器模块，其目的在于，通过对偏滤器模块的套管及喷管结构进行改进，扩大散热面积，由此进一步提升偏滤器热量移除能力以及抗高热负荷能力。此外，针对偏滤器特殊构造，设计了3D打印的具体方法进行生产制造，使得复杂构造的制造得以实现，同时简化其制备工艺，节约制造时间及成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种手指型氦冷偏滤器模块，用于聚变等离子的排杂，包括钨瓦、套管和喷管，钨瓦上表面面向聚变等离子；套管上端嵌入并紧贴钨瓦下表面，用于传导钨瓦所承受的热量；喷管嵌套于套管内部，以在喷管与套管之间形成高温氦气输出流道，喷管上端的头部设有喷嘴；工作时，低温氦气从喷管内部经喷嘴喷向套管下表面，对套管进行喷流冷却，同时吸热变成高温氦气，从高温氦气输出流道流出；
套管包括位于上端的球形头部和连接于球形头部下端的圆形出气管道，球形头部嵌入钨瓦下表面，圆形出气管道延伸至钨瓦外部，圆形出气管道的直径小于球形头部的直径，且圆形出气管道的轴线经过球形头部的球心；
喷管包括位于上端的球形喷头和连接于球形喷头下端的圆形进气管道，圆形进气管道的直径小于球形喷头的直径，且圆形进气管道的轴线经过球形喷头的球心；球形喷头与球形头部同心布置，圆形进气管道与圆形出气管道同轴布置；球形喷头上分散布置多个喷嘴。
进一步地，钨瓦横截面为正四边形或正六边形。
进一步地，钨瓦的上表面是正六边形，其外接圆半径为15～50mm，优选为20mm；钨瓦的厚度为8～20mm，优选为12mm；钨瓦的材料为钨、铍或钼，优选为钨。
进一步地，套管的厚度为0.5～2mm，优选为1mm；套管的材料为钨、铜、铝及其合金中的任意一种，优选为钨镧合金。
进一步地，圆形进气管道直径为5～15mm；球形喷头直径为6～18mm，优选为12mm；球形喷头和圆形进气管道的材料为氧化物弥散强化钢或低活性马氏体钢。
为了实现上述目的，本发明还提供了上述手指型氦冷偏滤器模块的制造方法，包括如下步骤：
(1)建立如权利要求1～5任意一项所述的手指型氦冷偏滤器模块的原始三维模型；
(2)基于步骤(1)的原始三维模型，对其氦冷换热过程进行模拟仿真，获得具有最佳换热效率的手指型氦冷偏滤器模块的结构尺寸、喷嘴大小及分布，从而得到用于生产制造的设计三维模型；
(3)对步骤(2)的设计三维模型进行切片处理，然后将切片文件导入到多材料SLM装备中，准备进行SLM成形；该多材料SLM设备，具有多材料微细管吸送粉装置，能够进行多种材料的复合3D打印；
(4)将钨瓦材料装入该多材料SLM装备的送粉缸中，将套管和喷管的材料分别装入多材料微细管吸送粉装置中的不同送粉管中；
(5)当切片对应的成形层只有钨瓦材料时，只有送粉缸工作，直接将粉末送到成形腔进行铺粉；当切片对应的成形层还包括套管材料，或还包括套管和喷管材料时，需要先铺一层钨粉，然后通过多材料微细管吸送粉装置中的吸粉嘴将套管或者喷管切片区域的钨粉吸走，再通过装有相应材料的送粉嘴将对应的套管和/或喷管材料的粉末输送到成型层中套管切片或喷管切片对应的区域；
(6)将所述SLM设备的成形基板下降一个铺粉层高度，重复步骤(4)和(5)直至完成整个手指型氦冷偏滤器模块的制造。
进一步地，所述步骤(6)中，SLM工艺所采用的激光器为光纤激光器，最大功率为400W，铺粉层厚不小于20um，光斑直径70um～150um，所使用的保护气为Ar气或He气等惰性气体。
进一步地，该方法还包括如下步骤：
(7)将成形后的偏滤器模块从成形基板上取下，清除表面附着的粉末，即可得到相应的手指型氦冷偏滤器模块；其中，所述将成形的偏滤器模块从成形基板取下的方法为线切割、激光切割、等离子切割中的一种，优选为线切割；清洗零件表面粉末的方法优选为使用无水乙醇超声波振荡清洗。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明设计的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块相对于传统的多喷头氦冷偏滤器模块，其有效喷流冷却面积提高超过100％，能大幅提升氦冷偏滤器模块热量传导能力，进而提高氦冷偏滤器结构抗高热负荷能力。
(2)本发明通过多材料SLM一体化成形技术制造该手指型氦冷偏滤器模块，不仅可以实现具有复杂内部结构的多材料氦冷偏滤器模块一体化成形，而且相比传统制造工艺大大简化了制造流程，节约了制造时间和成本。
(3)本发明提出一种新型的手指型氦冷偏滤器模块及其制造方法，其具有快速移除热量的能力，可以在20MW/m2高热负荷下稳定运行，比较适合未来聚变示范堆或者商用堆的偏滤器区域。
附图说明
图1是本发明优选实施例的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块结构示意图；
图2是本发明优选实施例的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块的球形喷头三维结构示意图；
图3是本发明优选实施例的球形喷头的主视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3视角的剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-钨瓦，2-套管，21-球形头部，22-圆形出气管道，3-喷管，31-球形喷头，32-圆形进气管道，33-喷嘴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～5所示，本发明优选实施例的一种适用于聚变堆的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块，包括钨瓦1，套管2和喷管3三部分组成，其中，所述钨瓦1作为面向等离子第一壁的材料；所述套管2，作为热沉材料，其紧贴在钨瓦1下表面，用来传导钨瓦1所承受的热量；所述喷管3，作为结构材料，具有内部圆形管道系统和球形喷头系统两部分组成，用来输送低温氦气并对对套管下表面进行喷流冷却；所述套管和喷管中间形成高温氦气输出流道。
具体地，套管2包括位于上端的球形头部21和连接于球形头部21下端的圆形出气管道22，球形头部21嵌入钨瓦1下表面，圆形出气管道22延伸至钨瓦1外部，圆形出气管道22的直径小于球形头部21的直径，且圆形出气管道22的轴线经过球形头部21的球心；喷管3包括位于上端的球形喷头31和连接于球形喷头31下端的圆形进气管道32，圆形进气管道32的直径小于球形喷头31的直径，且圆形进气管道32的轴线经过球形喷头31的球心；球形喷头31与球形头部21同心布置，圆形进气管道32与圆形出气管道22同轴布置；球形喷头31上分散布置多个喷嘴33。
作为本发明的进一步优选，钨瓦1的结构是方便进行多模块组装的正四边形，或正六边形结构等，优选为正六边形结构；钨瓦1的宽度为15～50mm，厚度为8～20mm，分别优选为20mm和12mm；所选用的材料为各种适应于面向等离子体的第一壁材料，包括但不仅限于钨、铍、钼等，优选为钨。套管2结构厚度为0.5～2mm，优选为1mm；所选材料包括各种具有高热导率的热沉材料，包括但不限于钨、铜、铝及其合金等，考虑到其与钨瓦的界面结合性，优选为钨镧合金(WL10)。喷管3的圆型进气管道31直径5mm～15mm，优选为10mm；球形喷头32直径为6mm～18mm，优选为12mm；所选材料包括各种结构材料，包括但不仅限于氧化物弥散强化钢(ODS钢)、低活性马氏体钢(CLAM钢)等，优选为ODS钢。
上述结构的主要制造方法如下
(1)使用三维设计软件，设计出如前所述的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块的原始三维模型。本步骤中，三维设计软件可以是常见三维设计软件UG、SolidWorks、CATIA中的一种，本发明优选为UG。
(2)基于ANASYS/CFD模块，对该氦冷偏滤器模块的氦冷换热过程进行模拟仿真，研究偏滤器模块的单元结构，包括结构尺寸，喷嘴大小及分布等，对氦冷偏滤器的冷却效率的影响，选择出具有最佳换热效率的氦冷偏滤器模块设计方案。具体地，模拟仿真优选为ANASYS软件，采用有限元(Finite Element Method,FEM)与计算流体力学(Finite VolumeMethod,FVM)耦合建模的方法，构建偏滤器-氦冷介质的热-力流固耦合模型。其中，模拟过程边界条件包括，热负荷、材料热物性参数、氦气压力、氦气温度等，可调的工艺参数包括氦气流速、送气功率，需要优化的工艺参数包括喷孔直径和分布，最终优化目标是通过最小的压力损失来获取最高的热传输效率。
(3)对优选设计出的氦冷偏滤器模块的三维模型进行切片处理，然后将切片文件导入到多材料激光选区熔化(SLM)成形装备中，准备进行SLM成形。
(4)该多材料SLM设备，相对于传统的单材料SLM设备具有多材料微细管吸送粉装置。将钨瓦材料装入该多材料SLM装备的送粉缸中，将套管和喷管材料装入多材料微细管吸送粉装置中的送粉管中。所述的多材料微细管吸送粉装置可以采用现有装置，具有一个吸粉嘴和五个送粉嘴，最多可以实现一种送粉缸铺粉的主要材料和五种通过微细管精准送粉的辅助材料共六种材料的一体化成形，本实施例中，所述的钨瓦材料作为主要材料，所述的套管材料和喷管材料作为辅助材料。
(5)当成形层只有钨瓦材料时，只有送粉缸工作，直接将粉末送到成形腔进行铺粉。当成形层还包括套管和喷管材料时，需要先铺一层粉末，然后通过多材料微细管精准吸送粉装置中的吸粉嘴将套管或者喷管区域的钨瓦粉末吸走，然后通过相应的送粉嘴将对应的粉末精确输送到套管或喷管区域。
根据已优化的各种单材料SLM工艺参数，成形过程中，多材料SLM装备自动匹配工艺数据库，选取对应材料的成形工艺参数成形不同的材料和区域。SLM工艺所采用的激光器为光纤激光器，最大功率为400W，铺粉层厚不小于20um，光斑直径70um～150um,所使用的保护气为Ar气或He气等惰性气体。各种材料的成形工艺参数选用已优化最佳工艺参数。
(6)将所述SLM设备的成形基板下降一个铺粉层高度，重复步骤(6)和(7)直至完成整个手指型氦冷偏滤器模块的制造。
(7)将成形后的偏滤器模块从成形基板上取下，清除表面附着的粉末，即可得到相应的手指型氦冷偏滤器模块。所述将成形的偏滤器模块从成形基板取下的方法为线切割、激光切割、等离子切割中的一种，优选为线切割。清洗零件表面粉末的方法优选为使用无水乙醇超声波振荡清洗。
下面结合图1～5，以一个实际案例对本发明的结构及制造方法进行进一步说明：
如图1所示的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块，其由钨瓦，套管和喷管三部分组成，其中，钨瓦选用纯钨材料，套管选用钨镧合金WL10，喷管选用ODS钢。钨瓦上表面采用正六边形设计，其中正六边形对应平行边长度为20.6mm，钨瓦整体高度为12mm。喷管如图2～图5所示，管厚1mm，内径10mm，球形喷头内直径11mm，球形喷头上开孔间距为30°，共有51个直径为0.8mm的通孔。套管镶嵌在钨瓦和喷管之间，其厚度为1mm，套管和喷管之间时冷却氦气的流出通道，其宽度为1mm。
下面对其制造方法进行说明：
(1)使用UG画出如球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块的三维模型，并基于经验值，给其结构尺寸、喷嘴大小及分布赋予初始值。
(2)基于ANASYS/CFD模块，对该氦冷偏滤器模块的氦冷换热过程进行模拟仿真，研究偏滤器模块的单元结构(包括结构尺寸、喷嘴大小及分布等)对氦冷偏滤器的冷却效率的影响，如果模拟结果表明当前设计方案无法满足使用要求，则重复步骤(1)、(2)，对偏滤器模块结构尺寸进行重新设计。得到满足使用要求的设计方案后，转入步骤(3)。
(3)将经过模拟仿真优选的氦冷偏滤器模块的三维模型导入到Magics软件中进行切片处理，切片厚度为0.03mm，然后将切片文件导入到多材料激光选区熔化(SLM)成形装备中，准备进行SLM成形。
(4)选用球形纯钨粉末、WL合金粉末和ODS钢粉末用于SLM成形，将纯钨粉末装入送粉缸中，再分别将WL合金粉末和ODS钢粉末装入如图多材料微细管吸送粉装置中的不同送粉管中，准备进行成形。
(5)当成形层只有钨瓦材料时，只有送粉缸工作，直接将粉末送到成形腔进行铺粉。当成形层还包括套管和喷管材料时，需要先铺一层粉末，然后通过多材料微细管精准吸送粉装置中的吸粉嘴将套管或者喷管区域的钨瓦粉末吸走，然后通过相应的送粉嘴将对应的粉末精确输送到套管或喷管区域。
根据已优化的各种单材料SLM工艺参数，成形过程中，多材料SLM装备自动匹配工艺数据库，选取对应材料的成形工艺参数成形不同的材料和区域。其中，SLM设备的激光器光斑直径为0.07mm，成形纯W的工艺参数为：激光功率200W、扫描速度200mm/s、铺粉层厚0.03mm、扫描间距0.1mm；成形WL合金的工艺参数为：激光功率200W、扫描速度300mm/s、扫描间距0.1mm；成形ODS钢的工艺参数为：激光功率250W、扫描速度800mm/s、扫描间距0.1mm。
(6)将所述SLM设备的成形基板下降一个0.03mm(即与切片厚度相等)，重复步骤(5)直至完成整个手指型氦冷偏滤器模块的制造。
(7)将成形后的偏滤器模块从成形基板上取下，清除表面附着的粉末，即可得到相应的手指型氦冷偏滤器模块。
总体而言，本发明提出一种新型的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块，该模块相对于传统的多喷嘴氦冷偏滤器模块，其冷却喷嘴数量更多，冷却区域面积更大，对于偏滤器的钨瓦部分冷却更加均匀，因此可以显著提升偏滤器模块的冷却效率，进而提高偏滤器整体结构的抗热负荷能力。此外，本发明提供的面向手指型氦冷偏滤器的一体化制造方法，该方法可以实现不仅可以克服传统工艺无法加工复杂内部冷流道的难题，从而实现本发明专利所提出的具有复杂内部结构的球形全方位喷流冷却氦冷偏滤器模块的一体化成形，而且该方法还可以大大简化手指型氦冷偏滤器模块的制造和装配流程，进而降低制造成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种手指型氦冷偏滤器模块，用于聚变等离子的排杂，包括钨瓦(1)、套管(2)和喷管(3)，钨瓦(1)上表面面向聚变等离子；套管(2)上端嵌入并紧贴钨瓦(1)下表面，用于传导钨瓦(1)所承受的热量；喷管(3)嵌套于套管(2)内部，以在喷管(3)与套管(2)之间形成高温氦气输出流道，喷管(3)上端的头部设有喷嘴(33)；工作时，低温氦气从喷管(3)内部经喷嘴(33)喷向套管(2)下表面，对套管(2)进行喷流冷却，同时吸热变成高温氦气，从高温氦气输出流道流出；其特征在于，
套管(2)包括位于上端的球形头部(21)和连接于球形头部(21)下端的圆形出气管道(22)，球形头部(21)嵌入钨瓦(1)下表面，圆形出气管道(22)延伸至钨瓦(1)外部，圆形出气管道(22)的直径小于球形头部(21)的直径，且圆形出气管道(22)的轴线经过球形头部(21)的球心；
喷管(3)包括位于上端的球形喷头(31)和连接于球形喷头(31)下端的圆形进气管道(32)，圆形进气管道(32)的直径小于球形喷头(31)的直径，且圆形进气管道(32)的轴线经过球形喷头(31)的球心；球形喷头(31)与球形头部(21)同心布置，圆形进气管道(32)与圆形出气管道(22)同轴布置；球形喷头(31)上分散布置多个喷嘴(33)。
2.如权利要求1所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，钨瓦(1)横截面为正四边形或正六边形。
3.如权利要求1或2所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，钨瓦(1)的上表面是正六边形，其外接圆半径为15～50mm；钨瓦(1)的厚度为8～20mm；钨瓦(1)的材料为钨、铍或钼。
4.如权利要求3所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，钨瓦(1)的外接圆半径为20mm；钨瓦(1)的厚度为12mm；钨瓦(1)的材料为钨。
5.如权利要求1或2所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，套管(2)的厚度为0.5～2mm；套管(2)的材料为钨、铜、铝及其合金中的任意一种。
6.如权利要求5所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，套管(2)的厚度为1mm；套管(2)的材料为钨镧合金。
7.如权利要求1或2所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，球形喷头(31)直径为6～18mm；圆形进气管道(32)直径为5～15mm；球形喷头(31)和圆形进气管道(32)的材料为氧化物弥散强化钢或低活性马氏体钢。
8.如权利要求7所述的一种手指型氦冷偏滤器模块，其特征在于，球形喷头(31)直径为12mm。
9.如权利要求1～8任意一项所述的一种手指型氦冷偏滤器模块的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立如权利要求1～5任意一项所述的手指型氦冷偏滤器模块的原始三维模型；
(2)基于步骤(1)的原始三维模型，对其氦冷换热过程进行模拟仿真，获得具有最佳换热效率的手指型氦冷偏滤器模块的结构尺寸、喷嘴大小及分布，从而得到用于生产制造的设计三维模型；
(3)对步骤(2)的设计三维模型进行切片处理，然后将切片文件导入到多材料SLM装备中，准备进行SLM成形；该多材料SLM设备，具有多材料微细管吸送粉装置，能够进行多种材料的复合3D打印；
(4)将钨瓦材料装入该多材料SLM装备的送粉缸中，将套管和喷管的材料分别装入多材料微细管吸送粉装置中的不同送粉管中；
(5)当切片对应的成形层只有钨瓦材料时，只有送粉缸工作，直接将粉末送到成形腔进行铺粉；当切片对应的成形层还包括套管材料，或还包括套管和喷管材料时，需要先铺一层钨粉，然后通过多材料微细管吸送粉装置中的吸粉嘴将套管或者喷管切片区域的钨粉吸走，再通过装有相应材料的送粉嘴将对应的套管和/或喷管材料的粉末输送到成型层中套管切片或喷管切片对应的区域；
(6)将所述SLM设备的成形基板下降一个铺粉层高度，重复步骤(4)和(5)直至完成整个手指型氦冷偏滤器模块的制造。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)中，SLM工艺所采用的激光器为光纤激光器，最大功率为400W，铺粉层厚不小于20um，光斑直径70um～150um，所使用的保护气为Ar气或He气。
11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(7)将成形后的偏滤器模块从成形基板上取下，清除表面附着的粉末，即可得到相应的手指型氦冷偏滤器模块；其中，所述将成形的偏滤器模块从成形基板取下的方法为线切割、激光切割、等离子切割中的一种；清洗零件表面粉末的方法为使用无水乙醇超声波振荡清洗。
12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述将成形的偏滤器模块从成形基板取下的方法为线切割。
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