CN109961856A - 一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁 - Google Patents

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郑鑫
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Abstract

本发明公开了一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，属于核聚变装置技术领域。该聚变第一壁的外壁表面覆盖一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层；材料层的外表面在直面等离子体的壁面上还设有一层均匀的保护层。本发明通过在核聚变第一壁的外壁和保护层之间覆盖一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层，可以实现第一壁直面等离子体壁面热量转移到侧面，使得第一壁的壁体温度分布均匀，进而防止第一壁因局部温度过高而熔穿，同时可减小第一壁的结构热应力。本发明的核聚变第一壁适用于核聚变反应装置。

Description

一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁
技术领域
本发明涉及一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，属于核聚变装置技术领域。
背景技术
核聚变反应堆包层结构中的第一壁是直接面向等离子体的关键部件，需承受来自堆芯等离子体的辐射热流和聚变中子在结构材料上产生的核热负载，此外还将受到等离子体破裂产生的巨大机械应力和电磁载荷等的作用，所处环境极其严酷，因此是包层中最为关键的安全部件。为了适应包层模块的结构形状，包层第一壁均采用U型结构设计，包括直面等离子体壁面和侧壁两部分(如图1所示)，其中直面等离子体壁面作为直接面向高温等离子体的部分，是包层中最高温度出现的位置。为了保护结构材料，减少引入等离子体的杂质，包层第一壁在面向等离子体壁面部分的表面设计涂有一层均匀的保护层，目前最典型的保护层材料为碳、钨和铍。
核聚变反应堆内第一壁直面等离子体部分的表面热负荷高达0.43MW/m2，这将导致第一壁直面等离子体部分温度过高，当温度超过第一壁结构材料的温度极限要求时将造成第一壁的熔毁。同时，第一壁的侧壁由于未直面等离子体，因而其温度相对低得多，这将在直面等离子体部分和侧壁之间形成较大的温度梯度，进而造成较大的结构热应力。
发明内容
为解决现有核聚变第一壁直面等离子体部分因热流密度过大而造成温度过高的问题，本发明提供了一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，采用的技术方案是：
一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，所述核聚变第一壁1的外壁表面覆盖一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层2；所述材料层2的外表面在直面等离子体的壁面上还设有一层均匀的保护层3。
进一步地，所述材料层2的材料为合成石墨片。
进一步地，所述材料层2的厚度为0.017mm～0.050mm。
更进一步地，所述材料层2的厚度为0.017mm。
进一步地，所述保护层3的材料为碳、钨或铍。
如图1所示,本发明中“展向”是指材料层2展开成一个水平面，沿该平面(材料层2的表面)方向的导热系数即为展向导热系数,“沿厚度方向”是指从材料层2的外壁到内壁的方向或从内壁到外壁的方向。
本发明主要利用展向导热系数比法向(沿材料层厚度方向)导热系数高的材料薄层布置在核聚变反应堆第一壁外围与保护层之间，以实现直面等离子体壁面热量的转移及其结构热应力的降低。
本发明有益效果：
本发明提供了一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，本发明通过在核聚变第一壁的外壁和保护层之间设置一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层，可以实现第一壁直面等离子体壁面热量转移到侧面，使得第一壁的壁体温度分布均匀，进而防止第一壁因局部温度过高而熔穿，同时可减小第一壁的结构热应力。
附图说明
图1本发明的一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁的结构示意图；(1，核聚变第一壁；2，材料层；3，保护层)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施方式一
结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，该聚变第一壁1的外壁表面覆盖一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层2；所述材料层2的外表面在直面等离子体的壁面上还设有一层均匀的保护层3。
如图1所示,本发明中“展向”是指材料层2展开成一个水平面，沿该平面(材料层2的表面)方向的导热系数即为展向导热系数,“沿厚度方向”是指从材料层2的外壁到内壁的方向或从内壁到外壁的方向。
如图1所示，在核聚变反应堆运行时，第一壁直面等离子体部分因热流密度过大从而引起局部高温，本实施方式的核聚变第一壁为了防止直面等离子体部分温度过高而导致第一壁熔穿，在核聚变第一壁1外壁和保护层3之间布置一层展向导热系数比沿厚度方向导热系数高的材料层2将核聚变第一壁1的外壁包裹，从而使得热量快速往第一壁侧壁部分的材料层2转移，实现热量在整个第一壁上的均匀分布及其结构热应力的减小。
本实施方式中材料层2厚度均匀，且将第一壁的外壁完全包裹。
如图1所示，本实施方式通过在核聚变第一壁的外壁和保护层之间设置一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层，可以实现第一壁直面等离子体壁面热量转移到侧面，使得第一壁的壁体温度分布均匀，进而防止第一壁因局部温度过高而熔穿，同时可减小第一壁的结构热应力。
实施方式二
本实施方式是对实施方式一中的材料层2进一步限定，本实施方式中材料层2的材料为合成石墨片。
本实施方式中材料层2采用合成石墨片，合成石墨片为现有产品，采用合成石墨片可以获得展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的效果。
实施方式三
本实施方式是对实施方式一或二中的材料层2进一步限定，本实施方式中材料层2的厚度为0.017mm～0.050mm。
本实施方式中材料层2的厚度可以在0.017mm～0.050mm任意取值，该范围内的厚度可以获得更高的展向导热系数。
实施方式四
本实施方式是对实施方式三中的材料层2进一步限定，本实施方式中材料层2的厚度为0.017mm。
本实施方式中材料层2的厚度为0.017mm，可以获得最高的展向导热系数，以及展向导热系数与沿厚度方向导热系数之间的最大差距。
实施方式五
本实施方式是对实施方式一至四中任意一个实施方式中的保护层3进一步限定，本实施方式的保护层3的材料为碳、钨或铍。
本实施方式中保护层3能够保护结构材料，保护层3的材料为碳、钨或铍，可以获得减少引入等离子体的杂质的效果。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，其特征在于，所述核聚变第一壁(1)的外壁表面覆盖一层展向导热系数高于沿厚度方向导热系数的材料层(2)；所述材料层(2)外表面在直面等离子体的壁面上还设有一层均匀的保护层(3)。
2.根据权利要求1所述的一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，其特征在于，所述材料层(2)的材料为合成石墨片。
3.根据权利要求1所述的一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，其特征在于，所述材料层(2)的厚度为0.017mm～0.050mm。
4.根据权利要求3所述的一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，其特征在于，所述材料层(2)的厚度为0.017mm。
5.根据权利要求1所述的一种防止直面等离子体部分温度过高的核聚变第一壁，其特征在于，所述保护层(3)的材料为碳、钨或铍。
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