CN110739087A - 一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，所述的偏滤器结构由第一壁结构、盒体、盒体支撑结构、冷却水管组成，其偏滤器第一壁结构利用两定位销进行定位和两连接螺钉进行紧固，约束第一壁结构的六个自由度。多功能机械臂从真空室下窗口进入偏滤器盒体底部的开口切割或焊接连接水管，拆除或安装连接螺栓，从真空室中窗口或上窗口利用吊装机械臂整体移出或移入第一壁结构。本发明实现了偏滤器第一壁结构在遥操作过程中的快速的拆除或安装，提高了偏滤器第一壁结构的安装精度，简化了安装步骤，可单独维护第一壁结构，减少了材料的浪费。此结构的发明具有省钱、省时、高效率、高精度的优点。

Description

一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构

技术领域

本发明涉及核聚变堆的偏滤器设计领域，主要涉及一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构。

背景技术

能源短缺和环境污染是当今人类面临的两大问题。目前，化石燃料是人类生产、生活的主要能源。但随着全球能源使用量的增长和不科学的使用，化石燃料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境产生严重的影响，使环境受到严重的污染，这就迫切要求人们开发氢能、核能、风能、地热能、太阳能和潮汐能等新能源，这些能源的利用与开发，不但可以部分解决化石能源面临耗尽的危机，还可以减少对环境的污染。其中磁约束核聚变能被认为是未来最有可能解决人类能源危机的途径之一，托卡马克核聚变装置是研究磁约束核聚变能最富有成效的手段之一。偏滤器是托卡马克磁约束核聚变装置中核心的部件之一，偏滤器系统位于真空室内部底部位置，沿装置环向分布。偏滤器系统用于移除来自等离子体的辐射热和对流热，控制聚变过程中产生的灰烬并将其从偏滤器真空抽气系统移除，同时为真空室和超导磁体提供核屏蔽。偏滤器靶板内设计有高效冷却结构，一般利用高温高压水将热量带出装置。由于偏滤器模块所处的特殊工作环境：高温、高辐射、高热流，真空室的偏滤器等内部部件等很容易发生损坏。在托卡马克服役工作区间，偏滤器模块出现烧蚀的情形的时候就需要进行维护、更换等操作。由于氘氚聚变的反应产物的中子对材料的活化作用，即使在等离子体停止放电工作时，真空室仍然存在着辐射，因此工作人员必须在真空室外操作机器人对偏滤器模块等内部部件进行维护、更换等操作，即遥操作。所谓遥操作(Remote Handing,RH)，就是指操作人员在远离托卡马克装置的安全区域，通过利用计算机平台，通过工程管理系统和集成技术，操控机器人对真空室内部部件如偏滤器等进行维护、更换的过程。偏滤器遥操作维护系统是专门维护偏滤器及其相关部件的一套系统，该系统可以移除真空室内大型偏滤器部件(重量约10～20t)，然后转移至热室进行维修、更换和废弃处理。偏滤器遥操作维护系统主要包括：转运小车(CASK)，多功能机械臂及其前端执行器用于完成偏滤器模块在真空室内部管路的切割、焊接，螺栓的拆卸，偏滤器的第一壁的清洗和维护，并转运到真空室外部进行相应维护操作，同时也负责将维护后的偏滤器模块沿相同路径运输、集成装配到真空室内部。

对于未来核聚变堆偏滤器的维护，应按照整体遥操作和第一壁单独遥操作安装和拆卸维护来设计，更换维护操作的耗时应能满足：整个偏滤器小于6个月；单个靶板小于1周。世界各种托卡马克偏滤器模块的遥操作是以ITER为典型代表，它是以遥操作工具从真空室外沿着下窗口轨道运动到真空室内，然后对偏滤器模块进行安装、拆卸等操作；JT-60SA偏滤器模块的遥操作过程从遥操作工具沿着中窗口轨道运动到真空室内，然后对偏滤器模块进行安装、拆卸等操作。因此对于目前核聚变堆偏滤器的整体遥操作维护方案，其维护周期很长，但是对于核聚变堆偏滤器部件，其绝大部分损坏事件都发生在第一壁上，且由于偏滤器会被射线活化和被氚污染，对人有危害，这样人就不能直接接触，因此对于其更换下来的功能完好的其他偏滤器部件也无法再利用，且对于退役部件的处理也是一个重大难题，因此采用偏滤器部件的整体遥操作维护方式势必会造成资源上的不必要的浪费。对于未来CFETR(中国聚变工程实验反应堆)的偏滤器遥操作兼容性设计要求偏滤器模块可重复性的安装到位，偏滤器靶板相邻模块间的相对安装误差不能大于±2mm(暂定)，且靶板都应被瓦块全覆盖以保护因安装误差出现的突出边缘。偏滤器应按照整体和第一壁单独遥操作安装和拆卸维护来设计，偏滤器内部部件的模块化、标准化及兼容性必须在偏滤器维护系统的设计过程中加以考虑，因为偏滤器模块最终将会通过偏滤器维护RH从真空室内部移除，而用于维护通道的真空室窗口尺寸有限，因此，偏滤器模块和偏滤器维护系统从设计上需要统筹考虑。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构。通过第一壁螺栓加定位销的简易定位机构和底部开孔的遥操作兼容性设计盒体结构和偏滤器桥式支撑轨道结构设计，完成对偏滤器模块第一壁结构在偏滤器盒体上的定位，方便偏滤器第一壁结构在涉核环境下的高精度的自动快速安装或拆卸，同时保证偏滤器第一壁支撑结构具有足够强的结构强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

所述的偏滤器包括第一壁结构、盒体、盒体支撑结构、冷却水管，所述第一壁结构包括外靶板、外返流板、Dome、内返流板、内靶板和第一壁支撑结构；

偏滤器第一壁结构通过安装在盒体上部支撑块上的两个定位销对其进行定位，同时利用两个连接螺栓与盒体下部支撑块进行紧固连接，二者结合约束了第一壁结构的六个自由度。

偏滤器盒体在连接水管下方设计开口，为多功能机械臂从盒体底部切割或焊接连接水管提供空间，在盒体下部支撑块底面设计有两个沉头螺栓孔，使多功能机械臂从盒体底部拆除或安装连接螺栓，实现第一壁支撑结构的快速拆除或安装。

位于真空室上的偏滤器模块外侧支撑轨道设计为桥式结构，在真空室正对下窗口处预留遥操作空间，为多功能机械臂进入偏滤器模块底部提供通道。

偏滤器模块的第一壁结构具有简单独立的水冷循环回路，其冷却回路为进口-连接水管-盒体-第一壁支撑结构-外靶板-第一壁支撑结构-外返流板-第一壁支撑结构-Dome-第一壁支撑结构-内返流板-第一壁支撑结构-内靶板-第一壁支撑结构-连接水管-盒体-出口，第一壁结构与盒体结构的连接水管设计在偏滤器盒体靠底部位置，有利于多功能机械臂从盒体底部向上切割或焊接冷却水管。

根据本发明的另一方面，提供一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构进行操作的方法，包括：

步骤一，在偏滤器模块的遥操作过程中，首先利用内部部件转运车从真空室下窗口运输多功能机械臂进入偏滤器模块底部；

步骤二，多功能机械臂利用盒体底部的开口切割或焊接第一壁结构和盒体结构的连接水管，拆除或安装第一壁结构的连接螺栓；

步骤三，多功能机械臂沿真空室底部环向轨道进行环向移动，对各个偏滤器模块进行维护操作；

步骤四，从真空室中窗口或上窗口利用运输吊装机械臂进入真空室内部，整体移出或移入第一壁结构。

本发明的有益效果：

1、本发明中的第一壁支撑结构利用两个定位销对其进行定位，利用两个螺栓对第一壁结构进行紧固连接，二者共同作用限制了偏滤器模块的六个自由度，满足六点定位原理。且偏滤器的连接螺栓和定位销设计在第一壁背部，可得到第一壁的有效保护，不会轻易被等离子体破坏。

2、位于真空室上的偏滤器模块支撑轨道在真空室正对下窗口位置处设计为桥式结构，为多功能机械臂进入偏滤器模块底部提供通道，且连接螺栓和连接水管都位于盒体底部，在盒体底部具有足够空间可供遥操作工具对连接螺栓和连接水管进行操作。

3、本发明实现了偏滤器第一壁结构在遥操作过程中的快速的拆除与安装，提高了偏滤器第一壁结构的安装精度，简化了安装步骤，同时可避免以往设计中对整个偏滤器模块进行更换，可单独更换第一壁结构，减少了材料的浪费。此结构的发明具有省钱、省时、高效率、高精度的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的遥操作过程的示意图；

图3为本发明的第一壁支撑结构示意图；

图4为本发明的盒体结构示意图；

图5为本发明的桥式支撑结构示意图。

附图中序号说明：

1内靶板、2内返流板、3Dome板、4外返流板、5外靶板、6总入水口、7总出水口、8外侧盒体支撑结构、9连接水管一、10盒体、11连接水管二、12内侧盒体支撑结构、13第一壁支撑结构、14第一壁结构、15真空室、16多功能机械臂、17底部环向轨道、18桥式支撑轨道结构、19第一壁上部支撑块一、20第一壁下部支撑块一、21第一壁支撑结构本体、22第一壁下部支撑块二、23第一壁上部支撑块二、24定位销一、25盒体上部支撑块一、26盒体下部支撑块一、27盒体下部支撑块二、28盒体上部支撑块二、29定位销二、30盒体本体。

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。

如图1所示，本发明提供的一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，包括第一壁结构14(包括外靶板5、外返流板4、Dome3、内返流板2、内靶板1和第一壁支撑结构13)、盒体10、盒体支撑结构8、12、连接水管9、11(即冷却水管)。

为了解决背景技术中所述的技术问题，本发明提出的技术方案是：

如图2所述，在偏滤器模块的遥操作过程中，首先利用CASK(内部部件转运车)从真空室15下窗口运输多功能机械臂16进入偏滤器模块底部，多功能机械臂利用盒体10底部的开口切割或焊接第一壁结构和盒体结构的连接水管9、11，拆除或安装第一壁结构14的连接螺栓(第一壁结构的连接螺栓见图2箭头所指位置)，且多功能机械臂16可沿真空室底部环向轨道17进行环向移动，对各个偏滤器模块进行维护操作。最后从真空室15中窗口或上窗口利用CASK运输吊装机械臂进入真空室15内部，整体移出或移入第一壁结构14。

如图3和图4所示，偏滤器第一壁结构14通过安装在盒体10上部支撑块25，28上的两个定位销24，29对其进行定位，同时利用两个连接螺栓与盒体下部支撑块26，27进行紧固连接，二者结合约束了第一壁结构14的六个自由度。

图3为第一壁支撑结构，通过图3图4结合，展现第一壁结构14的定位方式。如图4所示，偏滤器盒体10在连接水管9，11下方设计有开口，为多功能机械臂16从盒体10底部切割或焊接连接水管9,11提供空间，在盒体下部支撑块26,27底面设计有两个沉头螺栓孔，使多功能机械臂16从盒体10底部拆除或安装连接螺栓，实现第一壁支撑结构13的快速拆除或安装。

如图5所示，位于真空室15上的偏滤器模块外侧支撑轨道18设计为桥式结构，在真空室15正对下窗口处预留遥操作空间，为多功能机械臂16进入偏滤器模块底部提供通道。

如图1所示，第一壁支撑结构13为中空结构，内部分为多段腔体，每段腔体作用类似于集流盒；偏滤器模块的第一壁结构14具有简单独立的水冷循环回路，其冷却回路为进口6-盒体10-连接水管一9-第一壁支撑结构13-外靶板5-第一壁支撑结构13-外返流板4-第一壁支撑结构13-Dome3-第一壁支撑结构13-内返流板2-第一壁支撑结构13-内靶板1-第一壁支撑结构13-连接水管二11-盒体10-出口7，第一壁结构14与盒体10的连接水管9,11设计在偏滤器盒体10底部位置，有利于多功能机械臂16从盒体10底部切割或焊接连接水管9,11。

以背景技术中CFETR偏滤器为例，CFETR偏滤器采用盒体模块化设计，以便于维护和装配，目前采用72个模块。其第一壁结构14单独维护的概念设计方案中，第一壁结构14的内靶板1和外靶板5采用Monoblock结构，Dome 3、内返流板2和外返流板4采用平板结构，第一壁所选材料应具备耐中子辐照及低粒子滞留率等特点，目前选择钨作为面向等离子体材料，铬锆铜作为热沉材料，低活化钢作为结构材料。参见图3-4，第一壁结构14由盒体10上部支撑块25，28上的两个定位销24，29对其进行定位，同时盒体下部支撑块26，27和第一壁下部支撑块20,22利用螺栓紧固连接，二者结合约束了第一壁结构的六个自由度。在遥操作维护过程中，利用CASK从真空室15下窗口运输多功能机械臂16进入偏滤器模块底部，多功能机械臂16利用盒体10底部的开口切割或焊接第一壁结构14和盒体10的连接水管9,11，拆除或安装盒体下部支撑块26，27和第一壁下部支撑块20,22的连接螺栓；最后从真空室15中窗口或上窗口利用CASK运输吊装机械臂进入真空室15内部，整体移出或移入第一壁结构14。第一壁结构14与盒体10的连接水管9，11设计在偏滤器盒体10内外侧靠底部位置，偏滤器盒体10在连接水管9，11下方设计开孔，为多功能机械臂16从盒体10底部切割或焊接连接水管9，11提供空间，并在盒体下部支撑块26，27底面设计两个沉头螺栓孔23,25，使多功能机械臂16从盒体10底部拆除或安装连接螺栓，实现第一壁结构14的快速拆除或安装。偏滤器模块外侧支撑轨道18设计为桥式结构，在真空室15正对下窗口处预留遥操作空间，为多功能机械臂16进入偏滤器模块底部提供通道，且偏滤器底部距离真空室15内部有1.1米高的空间，可为安装底部环向轨道17和多功能机械臂16进行遥操作提供空间。整个遥操作过程利用下窗口与中(上)窗口结合完成第一壁结构14的单独维护，该设计方案可保证CFETR偏滤器模块靶板相邻模块间的的相对安装误差小于±2mm，靶板都被瓦块全覆盖以保护因安装误差出现的突出边缘，且可重复装配。

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 (7)

1.一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，其特征在于：

所述的偏滤器包括第一壁结构、盒体、盒体支撑结构、冷却水管，所述第一壁结构包括外靶板、外返流板、Dome、内返流板、内靶板和第一壁支撑结构；

偏滤器第一壁结构通过安装在盒体上部支撑块上的两个定位销对其进行定位，同时利用两个连接螺栓与盒体下部支撑块进行紧固连接，二者结合约束了第一壁结构的六个自由度。

2.根据权利要求1所述的一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，其特征在于：

偏滤器盒体在连接水管下方设计开口，为多功能机械臂从盒体底部切割或焊接连接水管提供空间，在盒体下部支撑块底面设计有两个沉头螺栓孔，使多功能机械臂从盒体底部拆除或安装连接螺栓，实现第一壁支撑结构的快速拆除或安装。

3.根据权利要求1所述的一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，其特征在于：

位于真空室上的偏滤器模块外侧支撑轨道设计为桥式结构，在真空室正对下窗口处预留遥操作空间，为多功能机械臂进入偏滤器模块底部提供通道。

4.根据权利要求1所述的一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，其特征在于：

偏滤器模块的第一壁结构具有简单独立的水冷循环回路，其冷却回路为进口-连接水管-盒体-第一壁支撑结构-外靶板-第一壁支撑结构-外返流板-第一壁支撑结构-Dome-第一壁支撑结构-内返流板-第一壁支撑结构-内靶板-第一壁支撑结构-连接水管-盒体-出口。

5.根据权利要求1所述的一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，其特征在于：

第一壁支撑结构为中空结构，内部分为多段腔体。

6.根据权利要求1所述的一种适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构，其特征在于：

第一壁结构与盒体结构的连接水管设计在偏滤器盒体靠底部位置，有利于多功能机械臂从盒体底部向上切割或焊接冷却水管。

7.一种利用权利要求1所述的适用于偏滤器第一壁独立遥操作的盒体开口结构进行操作的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，在偏滤器模块的遥操作过程中，首先利用内部部件转运车从真空室下窗口运输多功能机械臂进入偏滤器模块底部；

步骤二，多功能机械臂利用盒体底部的开口切割或焊接第一壁结构和盒体结构的连接水管，拆除或安装第一壁结构的连接螺栓；

步骤三，多功能机械臂沿真空室底部环向轨道进行环向移动，对各个偏滤器模块进行维护操作；

步骤四，从真空室中窗口或上窗口利用运输吊装机械臂进入真空室内部，整体移出或移入第一壁结构。

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