CN112233874A - 一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁约束核聚变反应堆技术领域，具体涉及一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法。本发明中，在独立的热锚冷却板内部加工若干对深孔流入流道和深孔流出流道，在深孔流入流道和深孔流出流道的一端分别焊接流出汇总管的弯管连接管和流入汇总管的弯管连接管；流出汇总管的弯管连接管、流入汇总管的弯管连接管的另一端分别与流出冷却汇总管、流入冷却汇总管连接，在每对深孔流入流道和深孔流出流道的另一端焊接有冷却通道焊接堵头。本发明具有提高冷却效率，而且能够减少制造、运输、安装和运行的风险等优点。
Description
技术领域
本发明属于磁约束核聚变反应堆技术领域，具体涉及一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法。
背景技术
能源是发展国民经济的动力，是提高人民生活的物质基础。开发核聚变能是未来清洁新能源途径之一，可控核聚变是当今能源领域的一个前沿研究课题，已经取得了一定的进展。受控热核聚变在常规托卡马克实验装置(铜线圈磁体)上已经实现，但磁约束受控热核聚变实验反应堆正处于研发阶段，如目前的国际合作核聚变实验反应堆(ITER)项目，国家重点研发计划资助的中国聚变工程实验堆(CFETR)项目。CFETR研究将进一步加强国内ITER计划相关的聚变能源技术研究和创新。磁约束聚变实验反应堆使用超导磁体提供磁场。超导磁体要在低温下才能运行。反应堆超导磁体系统的支撑部件下端与基础相连，处于室温状态，其上端与超导磁体系统相连，低于处于低温状态。热锚冷却系统的功能是在冷却管通入约80K的冷却介质把从室温输入的热量带走，可以有效降超导磁体系统的漏热量损失，对维持支撑部件上端超导磁体的正常运行发挥作重要作用。因此热锚冷却系统是维持超导磁体处于超导状态的重要保证措施保证之一。随着磁约束聚变研究的不断地向聚变DEMO示范堆以及未来聚变商业堆推进，要求磁体支撑热锚冷却系统的具有制造和检验的容易性、安装的便利性以及热锚更高的可靠性。支撑部件由若干块相互平行且每相邻两板之间保持一定间隙的韧性板组成。现有技术在支撑部件的上下端之间的每块韧性板的适当位置焊接热锚冷却管，属于间接冷却方式。为了制造简单和提高冷却可靠性，本发明采用直接的冷却方式，这样能有效地阻止从室温传入支撑热锚的热量。
发明内容
本发明的目的在于，本发明针对目前受控热核聚变实验反应堆超导磁体支撑热锚的技术方案缺点,本发明针对现有方案不足，提供了一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法，为了解决热锚冷却效率可靠性、热锚制造与检验方便性以及安装的方便性，该方法具有提高冷却效率，而且能够减少制造、运输、安装和运行的风险等优点。
本发明采用的技术方案：
一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，包括流出冷却汇总管、流入冷却汇总管、流出汇总管的弯管连接管、流入汇总管的弯管连接管、热锚冷却板、深孔流入流道、深孔流出流道、冷却通道焊接堵头，在独立的热锚冷却板内部加工若干对深孔流入流道和深孔流出流道，在深孔流入流道和深孔流出流道的一端分别焊接流出汇总管的弯管连接管和流入汇总管的弯管连接管；流出汇总管的弯管连接管、流入汇总管的弯管连接管的另一端分别与流出冷却汇总管、流入冷却汇总管连接，在每对深孔流入流道和深孔流出流道的另一端焊接有冷却通道焊接堵头。
所述流出汇总管的弯管连接管、深孔流入流道、冷却通道焊接堵头、深孔流出流道和流入汇总管的弯管连接管构成一个冷却小回路。
若干组冷却小回路与流出冷却汇总管及流入冷却汇总管组成一套冷却系统。
所述热锚冷却板的下端面与磁体支撑部件相接触，上端面与超导磁体相接触。
所述热锚冷却板采用细长冷却孔作为冷却流通道。
一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统的方法，包括热锚冷却板的冷却回路热冲击循环疲劳测试，具体包括如下步骤：在冷却回路的进/出口以及焊缝处布置热电偶，保证热电偶与测试点的接触；在冷却回路的进口处通入液氮测试；等到焊缝等温度达到77K，且出口有液氮溢出，停止通入液氮，然后让冷却回路自然恢复到室温，计算为一次低温到室温的热冲击循环疲劳测试。
一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统的方法，包括热锚冷却板的冷却回路的真空检漏包括如下步骤：采用真空正压检漏的方法检测并进行漏率测试。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法，克服了现有技术的缺点，独立位于支撑上端和超导磁体之间，使支撑上的韧性板与本发明的冷却系统分离，冷却系统采用独立的可靠的冷却方式；
(2)本发明提供一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法，独立的冷却系统可靠性高，易于制造，且不需要采用大真空室对冷却系统进行真空检漏。该冷却系统的冷却方式为：
(3)本发明提供一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法，制造和检验过程比现有技术简单，易于保证产品质量，缩短了制造、检验、部件装配的时间，工作效率高，成本低，且提高了冷却效果；
(4)本发明提供一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法，在保证安装安全质量的同时，又兼具经济性和缩短周期,包装运输和现场安装安全、质量及进度方面的国际先进水平。解决了未来聚变堆超导磁体支撑高效冷却可靠性问题。
附图说明
图1是现有技术聚变反应堆超导磁体支撑结构冷却系统结构示意图；
图2是图1局部剖切示意图；
图3是本发明提供的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统结构示意图；
图4是图3的冷却流道示意图；
图5是图3安装示意图；
图中：1、支撑下端，2、韧性板，3、支撑上端，4、冷却管，5、热锚冷却汇总管，6、流出冷却汇总管，7、流入冷却汇总管，8、流出汇总管的弯管连接管，9、流入汇总管的弯管连接管，10、热锚冷却板，11、深孔流入流道，12、深孔流出流道，13、冷却通道焊接堵头，14、超导磁体，15、磁体支撑部件。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式作进一步的阐述。下文将结合具体实施例对本发明的方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
如图1和图2所示，现有技术中受控热核聚变实验反应堆超导磁体支撑热锚的立体示意图，冷却系统包括冷却管4和热锚冷却汇总管5，冷却管4焊接在若干块韧性板2平面内。其中冷却管4焊接在每块韧性板2的正反两个平面内，再进行氦检漏和低温至室温之间的冷热循环的热冲击实验，确保每块韧性板2平面内的冷却器管无泄漏。装配支撑时，在相邻的两块韧性板2的支撑下端1和支撑上端3装入相同厚度的隔板以保证每相邻的两块韧性板2相互平行并保留一定的间隙，再用螺栓进行装配。装配完毕后，对支撑部件的支撑上端3和支撑下端1的上下端面进行精加工以保证上下端面的平面度。最后焊接热锚冷却汇总管5，热锚冷却汇总管5与冷却管4的接头焊接达数十个。热锚冷却汇总管5焊接完毕后须对整个冷却系统进行数次氦检漏和低温至室温之间的冷热循环的热冲击实验，确保整个冷却系统无泄漏。之后，将焊接了整个冷却系统的支撑吊入一个大真空室进行真空检漏，冷却系统漏率小于1×10-9Pa·m3/s即为合格产品。在磁体支撑部件运输过程中需要设计保护箱来保护热锚冷却系统以免运输过程损坏冷却系统。在现场安装也需要设计特殊的辅助工装保护热锚冷却系统以避免在安装过程中其它大的零部件碰撞损坏冷却系统。如果安装不牢固，冷却管很容易在磁体支撑受力震动和变形时脱落，从而降低冷却管的传热效率引起超导线圈失超，并最终产生重大的设备事故。由于磁体支撑的特殊结构，在聚变堆装置运行期间不可能对脱落的热锚进行修复工作，因此对热锚安装的低温强度和韧性有很高的要求。这种冷却方式的产品制造和检验成本高，时间长，难度大；产品完成后运输和现场安装成本高，因为需要涉及特殊的保护工装来保护冷却系统；且难以满足高的冷却效果需求。
如图3和图4所示，本发明的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，包括流出冷却汇总管6、流入冷却汇总管7、流出汇总管的弯管连接管8、流入汇总管的弯管连接管9、热锚冷却板10、深孔流入流道11、深孔流出流道12、冷却通道焊接堵头13，在独立的热锚冷却板10内部加工若干对深孔流入流道11和深孔流出流道12，在深孔流入流道11和深孔流出流道12的一端分别焊接流出汇总管的弯管连接管8和流入汇总管的弯管连接管9；流出汇总管的弯管连接管8、流入汇总管的弯管连接管9的另一端分别与流出冷却汇总管6、流入冷却汇总管7连接，在每对深孔流入流道11和深孔流出流道12的另一端焊接有冷却通道焊接堵头13；流出汇总管的弯管连接管8、深孔流入流道11、冷却通道焊接堵头13、深孔流出流道12和流入汇总管的弯管连接管9构成一个冷却小回路。若干组冷却小回路与流出冷却汇总管6及流入冷却汇总管7组成一套冷却系统。
如图5所示，热锚冷却板10的下端面与磁体支撑部件15相接触，上端面与超导磁体14相接触。热锚冷却板10采用细长冷却孔作为冷却流通道。
热锚冷却板10细长冷却通道加工。先在热锚冷却板10上进行深孔流入流道11和深孔流出流道12的细长深孔加工。再在相关的冷却通道的热锚冷却板10侧面铣削加工沉头冷却槽；接着加工冷却通道焊接堵头13、流出冷却汇总管6以及流入冷却汇总管7和冷却流道的进/出口弯管。最后焊接冷却通道焊接13堵头和流出汇总管的弯管连接管8以及流入汇总管的弯管连接管9；形成热锚冷却板的冷却回路。
热冲击循环疲劳实验。对上步所形成的热锚冷却板的冷却回路进行数轮80K—300K低温至室温之间的热冲击循环疲劳实验，检验这些焊缝是否存在因温度差的变化而引起的微小裂纹造成的泄漏。
真空检漏。为避免出现低温冷漏，将完成了热冲击循环疲劳实验的热锚冷却板的冷却回路子部件吊入真空室进行真空检漏。漏率小于1×10-9Pa·m3/s即为合格。
焊接冷却汇总管。将热锚冷却板上所有的冷却进/出口弯管分别进/出口汇总管进行焊接。
对整个热锚冷却系统进行数轮80K—300K低温至室温之间的热冲击循环疲劳实验。
对整个热锚冷却系统进行真空检漏，漏率小于1×10-9Pa·m3/s即为合格。
本发明提供的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性热锚冷却系统及方法，
步骤一：热锚冷却板的冷却回路热冲击循环疲劳测试。
在冷却回路的进/出口以及焊缝处布置热电偶，所有热电偶在完成布局后，覆盖黑色橡塑保温层，并用不锈钢块压住保证热电偶与测试点的接触。在冷却回路的进口处通入液氮测试。等到焊缝等温度达到77K，且出口有液氮溢出，停止通入液氮，然后让冷却回路自然恢复到室温，计算为一次低温到室温的热冲击循环疲劳测试。如此重复数次低温到室温的热冲击循环疲劳测试。
步骤二：热锚冷却板的冷却回路的真空检漏。
1)检漏前需用干净的抹布和工业酒精对工件、载物台、真空室、进行清洁处理。被检工件与检测系统的连接，采用焊接的方式，要求被检部件的冷却管部分至少具有一定长度的余量。
2)将真空室顶盖平稳地放于真空室上，确保真空室门能完全覆盖并贴合真空室上端的密封圈。
3)检漏采用真空正压检漏的方法检测，真空室的真空度要求达到5×10-4Pa以下。氦压在3Mpa保压30min单个部件的总体漏率不得高于1×10-9Pa·m3/s。温度计测量范围-20℃～40℃。压力表用于监控充氦气时工件内部压力，压力表的量程接近于试验压力的2倍，且不得低于试验压力的1.5倍或高于试验压力的3倍。表盘直径不小于100mm，测量精度0.4级以上，标准漏孔的量级10-10Pa·m3/s。检漏仪氦气最小可检漏率(真空法检测)5×10- 13Pa·m3/s。
4)漏率测试。若冷却回路系统的漏率小于1×10-9Pa·m3/s，即为合格。若漏率不小于1×10-9Pa·m3/s需要对冷却回路系统进行喷枪法氦检漏来寻找漏点。将冷却回路系统和仪器连通，在达到要求的真空度后，对冷却回路系统可能存在漏孔的地方(如密封接头,焊缝等)用喷枪喷氦，如果冷却回路系统某处有漏孔，当氦喷到漏孔上时，氦气立即会被吸入到真空系统，从而扩散到质谱室中，氦质谱检漏仪的输出就会立即有响应。使用这种方法应注意：氦气是较轻的惰性气体，在喷出后会自动上升，为了准确地在漏孔位置喷氦，喷氦时应自上而下，由近至远(相对检漏仪位置)；这是因为在喷下方时，氦气有可能被上方漏孔吸入，就很难确定漏孔的位置；再者漏孔离质谱室的距离检漏仪反应时间也不同，所以喷氦应先从靠近检漏仪的一侧开始由近至远来进行。在确定漏点后，对冷却回路进行补焊，再进行冷却回路热冲击循环疲劳实验，在进行漏率测试，漏率小于1×10-9Pa·m3/s，即为合格。
步骤三：冷却汇总管焊接完毕后的整体产品热冲击循环疲劳实验测试。重复步骤一的过程，对整个产品的热锚冷却系统进行真空检漏。
步骤四：冷却汇总管焊接完毕后的整体产品真空检漏测试。步骤二的过程，对整个产品的热锚冷却系统进行真空检漏。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，其特征在于：包括流出冷却汇总管(6)、流入冷却汇总管(7)、流出汇总管的弯管连接管(8)、流入汇总管的弯管连接管(9)、热锚冷却板(10)、深孔流入流道(11)、深孔流出流道(12)、冷却通道焊接堵头(13)，在独立的热锚冷却板(10)内部加工若干对深孔流入流道(11)和深孔流出流道(12)，在深孔流入流道(11)和深孔流出流道(12)的一端分别焊接流出汇总管的弯管连接管(8)和流入汇总管的弯管连接管(9)；流出汇总管的弯管连接管(8)、流入汇总管的弯管连接管(9)的另一端分别与流出冷却汇总管(6)、流入冷却汇总管(7)连接，在每对深孔流入流道(11)和深孔流出流道(12)的另一端焊接有冷却通道焊接堵头(13)。
2.根据权利要求1所述的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，其特征在于：所述流出汇总管的弯管连接管(8)、深孔流入流道(11)、冷却通道焊接堵头(13)、深孔流出流道(12)和流入汇总管的弯管连接管(9)构成一个冷却小回路。
3.根据权利要求2所述的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，其特征在于：若干组冷却小回路与流出冷却汇总管(6)及流入冷却汇总管(7)组成一套冷却系统。
4.根据权利要求3所述的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，其特征在于：所述热锚冷却板(10)的下端面与磁体支撑部件(15)相接触，上端面与超导磁体(14)相接触。
5.根据权利要求4所述的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统，其特征在于：所述热锚冷却板(10)采用细长冷却孔作为冷却流通道。
6.根据权利要求5所述的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统的方法，其特征在于：包括热锚冷却板的冷却回路热冲击循环疲劳测试，具体包括如下步骤：在冷却回路的进/出口以及焊缝处布置热电偶，保证热电偶与测试点的接触；在冷却回路的进口处通入液氮测试；等到焊缝等温度达到77K，且出口有液氮溢出，停止通入液氮，然后让冷却回路自然恢复到室温，计算为一次低温到室温的热冲击循环疲劳测试。
7.根据权利要求5所述的一种提高聚变堆磁体支撑冷却可靠性的热锚冷却系统的方法，其特征在于：包括热锚冷却板的冷却回路的真空检漏包括如下步骤：采用真空正压检漏的方法检测并进行漏率测试。
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