CN112259261B - 一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，通过合理布置挡流板和连通孔道，能够满足产氚包层模块中冷却水和液态锂铅复杂的流量分配与回收功能，并充分利用了分流腔室所占空间，以有效屏蔽中子，减少对后侧真空室、线圈的影响；双层冷却管仅与一层分流隔板相连，实施焊接简单，焊缝质量可控；第一壁、上盖板、下盖板的冷却水直接通过分流腔室进行分流，避免了大量的管板焊接；整体结构较为简单，主体结构能够直接通过传统的线切割、打孔等机加方式进行制造。

Description

一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统
技术领域
本发明涉及聚变堆中产氚包层技术领域，具体涉及一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统。
背景技术
产氚包层是聚变堆的关键部件之一，承担着氚增殖、能量提取等重要功能，直接决定聚变堆能否自持运行。目前，产氚包层包括氦冷固态产氚包层、水冷固态产氚包层和水冷液态锂铅产氚包层。其中，水冷液态锂铅产氚包层是由欧盟提出的先进产氚包层概念之一，具体为采用15.5MPa水作为冷却剂、液态金属锂铅作为氚增殖剂和中子倍增剂、低活化钢作为结构材料。
目前最新水冷液态锂铅产氚包层设计中，每个包层模块包括第一壁、盖板、加强筋板、分流隔板和冷却管，其中，分流隔板形成腔室实现液态金属锂铅向增殖区的分流；加强筋板与第一壁、盖板形成十字结构架，避免产氚包层内部管道发生破裂时，盒体结构内部压力会迅速上升造成结构破坏；冷却管采用双层结构，夹层材料为铜，避免液态金属锂铅会与水接触，发生化学反应释氢；分流系统由多层结构构成，包括2层液态金属锂铅分流腔室，2个冷却水分流腔室以及2根冷却水集管，结构相对比较简单，但冷却水分流腔室和冷却水集管外部区域为真空，不利于中子屏蔽；双层冷却管需要穿过2层分流隔板和多层加强筋板结构，实施焊接较为困难；冷却水集管需要与第一壁、上/下盖板的各个流道焊接在一起，大大增加了结构失效风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前水冷液态锂铅产氚包层设计中，冷却水分流腔室和冷却水集管外部区域为真空，不利于中子屏蔽；双层冷却管需要穿过2层分流隔板和多层加强筋板结构，实施焊接较为困难；冷却水集管需要与第一壁、上/下盖板的各个流道焊接在一起，大大增加了结构失效风险，因此，提供一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，以充分利用分流腔室所占空间，有效屏蔽中子，并将双层冷却管仅与一层分流隔板相连，实施焊接简单，焊缝质量可控，最后将第一壁、上/下盖板的冷却水直接通过分流腔室进行分流，避免了大量的管板焊接，保证结构稳定性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，包括钨瓦、第一壁、上盖板、集流板、水平隔板、垂直隔板、分流隔板、双层冷却管和下盖板；
所述钨瓦覆盖在所述第一壁的前表面，所述第一壁的内部设置有U型流道，所述U型流道上设置有冷却水入口和冷却水出口；
所述上盖板和所述下盖板内各设置有S型流道，所述S型流道上设置有冷却水入口和冷却水出口；
所述水平隔板和所述垂直隔板相连形成十字隔架，并与所述第一壁、上盖板、下盖板和分流隔板相连形成相互独立的增殖单元；
所述分流隔板与所述第一壁、所述上盖板、所述下盖板和所述集流板相连形成多个分流腔室；
每一增殖单元中放置对应的所述双层冷却管，每一所述双层冷却管与对应的分流隔板和对应的分流腔室连接；
所述集流板中设置有多个集流管道，所述集流管道分别与所述分流腔室连接。
进一步地，所述第一壁内部设置155组U型流道。
进一步地，所述上盖板和所述下盖板各设置3组S型流道。
进一步地，所述U型流道和所述S型流道均为方孔流道。
进一步地，所述水平隔板和所述垂直隔板相连形成十字隔架，并与所述第一壁、上盖板、下盖板和分流隔板相连形成相互独立的64个增殖单元。
进一步地，所述分流隔板分为三层，第一层分别与所述第一壁，所述上盖板，所述下盖板和所述集流板连接，第二层分别与所述第一层和所述增殖单元对应的腔室连接；第三层分别与所述第一层和所述增殖单元对应的腔室连接。
进一步地，所述双层冷却管包括外管、夹层和内管，所述外管、所述夹层和所述内管为同轴设置。
进一步地，所述集流板上设置有集流板液态锂铅入口通道、集流板液态锂铅出口通道、第一集流板冷却水入口通道、第二集流板冷却水入口通道、第一集流板冷却水出口通道和第二集流板冷却水出口通道。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1)通过合理布置挡流板和连通孔道，能够满足产氚包层模块中冷却水和液态锂铅复杂的流量分配与回收功能；
2)充分利用了分流腔室所占空间，能够有效屏蔽中子，减少对后侧真空室、线圈的影响；
3)双层冷却管仅与一层分流隔板相连，实施焊接简单，焊缝质量可控；
4)第一壁、上盖板、下盖板的冷却水直接通过分流腔室进行分流，避免了大量的管板焊接；
5)整体结构较为简单，主体结构能够直接通过传统的线切割、打孔等机加方式进行制造。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统的整体结构示意图。
图2为本发明一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统的内部结构示意图。
图3为第一壁的一具体结构示意图。
图4为第一壁结构的内部流道示意图。
图5为上盖板的一具体结构示意图。
图6为上盖板的内部流道示意图。
图7为下盖板的一具体结构示意图。
图8为下盖板的内部流道示意图。
图9为分流隔板的一具体结构示意图。
图10为分流隔板的内部腔室结构示意图。
图11为集流板的一具体结钩示意图。
图12为集流板的内部流道示意图。
图13为双层冷却管的一整体结构示意图。
图14为双层冷却管的一具体结构示意图。
图15为增殖区的一整体结构示意图。
图16为增殖区的一具体示意图。
图17为模块径向截面的一结构示意图。
图18为模块环向截面的一结构示意图。
图19为分流腔室极向截面的一结构示意图。
图20为分流腔室环向截面的一结构示意图。
附图说明
1-钨瓦、2-第一壁、3-上盖板、4-集流板、5-水平隔板、6-垂直隔板、7-分流隔板、8-双层冷却管、9-第一壁前表面、10-第一壁冷却水入口通道、11-第一壁冷却水出口通道、12-上盖板冷却水入口通道、13-上盖板冷却水出口通道、14-下盖板冷却水入口通道，15-下盖板冷却水出口通道、16a-第一冷却水入口腔室，16b-第二冷却水入口腔室，16c-液态锂铅入口腔室，16d-液态锂铅出口腔室，16e-第二冷却水出口腔室，16f-第一冷却水出口腔室、17a-液态锂铅入口分流腔室、17b-液态锂铅出口分流腔室，18a-冷却水入口分流腔室、18b-冷却水出口分流腔室、19a-第一集流板冷却水入口通道、19b-第二集流板冷却水入口通道、19c-集流板液态锂铅入口通道、19d-集流板液态锂铅出口通道、19e-第二集流板冷却水出口通道、19f-第一集流板冷却水出口通道、20a-第一模块冷却水入口通道、20b-第二模块冷却水入口通道、20c-模块液态锂铅入口通道、20d-模块液态锂铅出口通道、20e-第二模块冷却水出口通道、20f-第一模块冷却水出口通道、21-双层冷却管外管、22-双层冷却管夹层、23-双层冷却管内管、24-增殖单元极向通道、25-第一分流腔室液态锂铅通道、26-第二分流腔室液态锂铅通道、27-第一分流腔室冷却水通道、28-第二分流腔室冷却水通道、29-第三分流腔室液态锂铅通道、30-第四分流腔室液态锂铅通道、31-第三分流腔室冷却水通道、32-第四分流腔室冷却水通道。需要说明的是，上述模块指水冷液态锂铅产氚包层模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本发明提供一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，包括钨瓦1、第一壁2、上盖板3、集流板4、水平隔板5、垂直隔板6、分流隔板7、双层冷却管8和下盖板；
所述钨瓦1覆盖在所述第一壁2的前表面，所述第一壁2的内部设置有U型流道，所述U型流道上设置有冷却水入口和冷却水出口；
所述上盖板3和所述下盖板内各设置有S型流道，所述S型流道上设置有冷却水入口和冷却水出口；
所述水平隔板5和所述垂直隔板6相连形成十字隔架，并与所述第一壁2、上盖板3、下盖板和分流隔板7相连形成相互独立的增殖单元；
所述分流隔板7与所述第一壁2、所述上盖板3、所述下盖板和所述集流板4相连形成多个分流腔室；
每一增殖单元中放置对应的所述双层冷却管8，每一所述双层冷却管8与对应的分流隔板7和对应的分流腔室连接；
所述集流板4中设置有多个集流管道，所述集流管道分别与所述分流腔室连接。
进一步地，所述第一壁2内部设置155组U型流道。
进一步地，所述上盖板3和所述下盖板各设置3组S型流道。
进一步地，所述U型流道和所述S型流道均为方孔流道。
进一步地，所述水平隔板5和所述垂直隔板6相连形成十字隔架，并与所述第一壁2、上盖板3、下盖板和分流隔板7相连形成相互独立的64个增殖单元
进一步地，分流隔板7分为三层，第一层分别与第一壁2、上盖板3、下盖板和集流板4连接；第二层分别与第一层和增殖单元对应的腔室连接；第三层分别与第一层和增殖单元对应的腔室连接。
进一步地，所述双层冷却管8包括外管21、夹层22和内管23，所述外管21、所述夹层22和所述内管23为同轴设置。
进一步地，所述集流板4上设置集流板液态锂铅入口通道19c、集流板液态锂铅出口通道19d、第一集流板冷却水入口通道19a、第二集流板冷却水入口通道19b、第一集流板冷却水出口通道19f和第二集流板冷却水出口通道19e。
水冷液态锂铅产氚包层模块中两种流体介质在分流系统中的流动分配特性如下：
1)水冷液态锂铅产氚包层模块中的第一种流体介质为冷却水：
一部分冷却水进入第一集流板冷却水入口通道19a后，通过第一模块冷却水入口通道20a进入第一冷却水入口腔室16a，然后通过第一壁冷却水入口通道10进入第一壁2内部设置的155组U型流道，上盖板冷却水入口通道12进入上盖板3上设置的3组流道，下盖板冷却水入口通道14进入下盖板上设置的3组流道，再由第一壁冷却水出口通道11、上盖板冷却水出口通道13和下盖板冷却水出口通道15流出，进入第一冷却水出口腔室16f，最后由第一模块冷却水出口通道20f进入第一集流板冷却水出口通道19f；
另一部分冷却水进入第二集流板冷却水入口通道19b后，通过第二模块冷却水入口通道20b进入第二冷却水入口腔室16b，接着通过第一分流腔室冷却水通道27(含64个孔道)进入冷却水入口分流腔室18a，然后通过第三分流腔室冷却水通道31(含128个孔道)进入双层冷却管8，由第四分流腔室冷却水通道32流出，进入冷却水出口分流腔室18b，接着通过第二分流腔室冷却水通道28进入第二冷却水出口腔室16e，最后由第二模块冷却水出口通道20e进入第二集流板冷却水出口通道19e。
2)水冷液态锂铅产氚包层模块中的第二种流体介质为液态锂铅：
液态锂铅进入集流板液态锂铅入口通道19c后，通过模块液态锂铅入口通道20c进入液态锂铅入口腔室16c，接着通过第一分流腔室液态锂铅通道25(含8个孔道)进入液态锂铅入口分流腔室17a，然后通过第三分流腔室液态锂铅通道29进入64个增殖单元中，经由增殖单元极向通道24、第四分流腔室液态锂铅通道30流出，进入液态锂铅出口分流腔室17b，接着通过第二分流腔室液态锂铅通道26进入液态锂铅出口腔室16d，最后由模块液态锂铅出口通道20d进入集流板液态锂铅出口通道19d。
本发明提供的一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，通过合理布置挡流板和连通孔道，能够满足产氚包层模块中冷却水和液态锂铅复杂的流量分配与回收功能；充分利用了分流腔室所占空间，能够有效屏蔽中子，减少对后侧真空室、线圈的影响；双层冷却管仅与一层分流隔板相连，实施焊接简单，焊缝质量可控；第一壁、上盖板、下盖板的冷却水直接通过分流腔室进行分流，避免了大量的管板焊接；整体结构较为简单，主体结构能够直接通过传统的线切割、打孔等机加方式进行制造。
上述分流腔室结构设计同样可适用于其他具有多腔室和双介质的复杂结构。
具体地，以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，其特征在于，包括
钨瓦（1）、第一壁（2）、上盖板（3）、集流板（4）、水平隔板（5）、垂直隔板（6）、分流隔板（7）、双层冷却管（8）和下盖板；
所述钨瓦（1）覆盖在所述第一壁（2）的前表面，所述第一壁（2）的内部设置有U型流道，所述U型流道上设置有冷却水入口和冷却水出口；
所述上盖板（3）和所述下盖板内各设置有S型流道，所述S型流道上设置有冷却水入口和冷却水出口；
所述水平隔板（5）和所述垂直隔板（6）相连形成十字隔架，并与所述第一壁（2）、上盖板（3）、下盖板和分流隔板（7）相连形成相互独立的增殖单元；
所述分流隔板（7）与所述第一壁（2）、所述上盖板（3）、所述下盖板和所述集流板（4）相连形成多个分流腔室；
每一增殖单元中放置对应的所述双层冷却管（8），选用一层分流隔板（7）与所述双层冷却管（8）连接，并将所述双层冷却管（8）与对应的分流腔室连接；
所述集流板（4）中设置有多个集流管道，所述集流管道分别与所述分流腔室连接；
所述分流隔板（7）分为三层，第一层分别与所述第一壁（2）、所述上盖板（3）、所述下盖板和所述集流板（4）连接；第二层分别与所述第一层和所述增殖单元对应的腔室连接；第三层分别与所述第一层和所述增殖单元对应的腔室连接；
所述集流板（4）上设置有集流板液态锂铅入口通道（19c）、集流板液态锂铅出口通道（19d）、第一集流板冷却水入口通道（19a）、第二集流板冷却水入口通道（19b）、第一集流板冷却水出口通道（19f）和第二集流板冷却水出口通道（19e）。
2.根据权利要求1所述的一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，其特征在于，所述第一壁（2）内部设置155组U型流道。
3.根据权利要求1所述的一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，其特征在于，所述上盖板（3）和所述下盖板各设置3组S型流道。
4.根据权利要求2或3所述的一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，其特征在于，所述U型流道和所述S型流道均为方孔流道。
5.根据权利要求1所述的一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，其特征在于，所述水平隔板（5）和所述垂直隔板（6）相连形成十字隔架，并与所述第一壁（2）、上盖板（3）、下盖板和分流隔板（7）相连形成相互独立的64个增殖单元。
6.根据权利要求1所述的一种聚变堆水冷液态锂铅产氚包层模块分流系统，其特征在于，所述双层冷却管（8）包括外管（21）、夹层（22）和内管（23），所述外管（21）、所述夹层（22）和所述内管（23）为同轴设置。
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