CN113488202A - 一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块及冷却靶板结构 - Google Patents

一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块及冷却靶板结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，包括面向等离子体结构、设在面向等离子体结构内的中间层结构、设在中间层结构内的热沉管道以及流经热沉管道内的冷却剂；面向等离子体结构为两层结构，包括钨纤维/钨合金复合材料构成的表层结构，以及，钨纤维/钨合金‑金刚石复合材料构成的内层结构；其中，表层结构设在面向等离子体结构上靠近聚变中心方向的一侧表面。本发明还提供了一种偏滤器冷却靶板结构，由上述水冷钨靶模块组成。本发明可快速移除聚变堆等离子体对偏滤器带来的热载荷，提高偏滤器的换热能力，可有效解决聚变堆偏滤器高热负荷工况下面临的表面温度过高、温度梯度过大带来的高热应力技术问题，延长偏滤器的使用寿命。

Description

一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块及冷却靶板结构
技术领域
本发明涉及磁约束核聚变偏滤器技术领域，尤其涉及一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块及冷却靶板结构。
背景技术
受控核聚变能是人类梦寐以求的理想能源，人们对受控核聚变的研究经历了六十余年的艰难历程，已取得巨大成就。目前，受控核聚变的研究从过去的科学可行性探索阶段转变为针对商用聚变堆的研究和技术发展阶段。偏滤器作为磁约束核聚变装置中的关键部件之一，通过控制等离子体流出的热量和粒子流，将主要的热量引导至偏滤器靶板并导出，可大幅度减少主真空室的热负荷，保证聚变反应的稳定运行。
随着磁约束核聚变技术的不断发展，等离子体放电脉冲不断加长，沉积在偏滤器靶板上的热量越来越大，这使得偏滤器必须具有稳定高效的实时主动冷却系统。目前，采用“穿管型钨铜模块结构”的水冷偏滤器应用最为广泛。但在承受10-20MW/m2热负荷件下，穿管型钨铜模块表面温度超过2000℃，钨靶表面与热沉铜管之间存在约1500℃的温差，并产生较大的热应力，造成偏滤器模块存在开裂的风险。正在工程设计的中国聚变工程实验堆(CFETR)的偏滤器稳态热负荷将更高，可达到40MW/m2，现有的穿管型钨铜模块结构已不能满足未来聚变堆偏滤器的发展需求。因此，发展新型的具有快速移能功能的聚变堆偏滤器水冷钨靶模块结构，是未来聚变堆偏滤器部件及材料研发的重点与趋势之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块及冷却靶板结构，其可快速移除聚变堆等离子体对偏滤器带来的热载荷，提高偏滤器的换热能力，有效解决未来聚变堆偏滤器高热负荷工况下面临的表面温度过高、温度梯度过大带来的高热应力问题，从而延长偏滤器的使用寿命。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，包括面向等离子体结构、设置在所述面向等离子体结构内的中间层结构、设置在所述中间层结构内且与之相连的热沉管道以及流经所述热沉管道内部的冷却剂；所述面向等离子体结构为两层式结构，包括高强韧的钨纤维/钨合金复合材料构成的表层结构，以及，高导热的钨纤维/钨合金-金刚石复合材料构成的内层结构；其中，所述表层结构设置在所述面向等离子体结构上靠近聚变中心方向的一侧表面，所述表层结构以外的面向等离子体结构部分则对应为所述内层结构。
本发明中，表层采用高强韧的钨纤维/钨合金复合材料，可抵挡来自等离子体的溅射和侵蚀；内层采用高导热的钨纤维/钨合金-金刚石复合材料，可快速传递热量至热沉结构，并通过热沉管道内的冷却剂带走聚变反应产生的热量；同时，所述中间层结构可用来减小面向等离子体结构和热沉管道因热膨胀系数差异较大而引起的应力集中问题。
作为本发明的优选方式之一，所述面向等离子体结构具体为长方体结构，所述长方体结构上靠近聚变中心方向的一侧表面设置有所述表层结构，长方体结构的其余部分设置有所述内层结构；同时，所述长方体结构的中部开有一横向延伸设置的通孔，通孔内设置有所述中间层结构。
作为本发明的优选方式之一，所述中间层结构为中空管状结构，所述中空管状结构的外表面与所述面向等离子体结构的内表面相连，中空管状结构的内表面与所述热沉管道的外表面相连。
作为本发明的优选方式之一，所述热沉管道为内壁光滑的圆管结构，所述圆管结构的内部流动有冷却剂，所述冷却剂流经热沉管道，带走偏滤器靶板的热量。
作为本发明的优选方式之一，所述面向等离子体结构的各复合材料中，钨合金由钨基体和掺杂组分组成；并且，所述掺杂组分包括碳化锆和三氧化二钇。
作为本发明的优选方式之一，所述中间层结构为铜铬锆合金，厚度1～3mm。
作为本发明的优选方式之一，所述热沉管道为无氧铜制管道。
作为本发明的优选方式之一，所述冷却剂为水。
作为本发明的优选方式之一，所述面向等离子体结构与中间层结构之间，中间层结构与热沉管道之间，以及，所述面向等离子体结构的两个复合材料结构层之间，均采用热等静压的焊接方式进行连接。
一种偏滤器冷却靶板结构，由上述快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块组成，具体是多个所述水冷钨靶模块沿轴向方向串联在一起成为一个单通道水冷模块，随后，多个所述单通道水冷模块并联在一起，并最终组成能够安装在偏滤器靶板位置处的偏滤器冷却靶板结构整体。该结构应用于聚变堆装置，能够承受等离子体的辐照和热流冲击，将施加在偏滤器上的热量快速移除，保证装置的稳定运行。
本发明相比现有技术的优点在于：
(1)本发明创新性地设计一种高强韧、高导热的钨基复合材料作为面向等离子体钨靶板，其表层为高强韧的钨纤维/钨合金复合材料，在抵挡等离子的溅射和侵蚀的同时而保持基体材料的高强韧性；内层为高导热的钨纤维/钨合金-金刚石复合材料，高的热导率可以快速把热量传递至热沉结构，实现快速移热，降低偏滤器的温度梯度，延长偏滤器的使用寿命；
(2)本发明的面向等离子体结构与中间层结构之间，中间层结构与热沉管道之间，以及，面向等离子体结构的两个复合材料结构层之间，均采用热等静压的方式进行连接，具有生产周期短，性能优异等特点。
附图说明
图1是实施例1中单个水冷钨靶模块的结构图；
图2是实施例1中面向等离子体结构的复合结构示意图；
图3是图2的正视结构示意图；
图4是实施例1中水冷钨靶模块的作用实现原理图；
图5是实施例2中单通道水冷模块的结构图；
图6是实施例2中偏滤器冷却靶板结构的整体图。
图中：100为水冷钨靶模块，1为面向等离子体结构，11为表层结构，12为内层结构，13为长方体结构，14为通孔，2为中间层结构，21为中空管状结构，3为热沉管道，31为圆管结构，4为冷却剂。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1～4所示，本实施例的一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块100，包括面向等离子体结构1、设置在面向等离子体结构1内的中间层结构2、设置在中间层结构2内且与之相连的热沉管道3以及流经热沉管道3内部的冷却剂4。其中，面向等离子体结构1与中间层结构2之间，以及，中间层结构2与热沉管道3之间，采用热等静压的焊接方式进行连接。
具体地，请参阅图2、图3，面向等离子体结构1为两层式结构，包括高强韧的钨纤维/钨合金复合材料构成的表层结构11，以及，高导热的钨纤维/钨合金-金刚石复合材料构成的内层结构12。其中，表层结构11设置在面向等离子体结构1上靠近聚变中心方向的一侧表面，表层结构11以外的面向等离子体结构1部分则对应为内层结构12。同时，表层结构11与内层结构12之间采用热等静压的焊接方式进行连接。
本实施例中，表层结构11采用高强韧的钨纤维/钨合金复合材料，可抵挡来自等离子体的溅射和侵蚀；内层结构12采用高导热的钨纤维/钨合金-金刚石复合材料，可快速传递热量至热沉管道3，并通过热沉管道3内的冷却剂4带走聚变反应产生的热量；同时，中间层结构2可用来减小面向等离子体结构1和热沉管道3因热膨胀系数差异较大而引起的应力集中问题。
进一步地，请参阅图2，在本实施例中，面向等离子体结构1具体为长方体结构13；长方体结构13上靠近聚变中心方向的一侧表面设置有表层结构11，长方体结构13的其余部分设置有内层结构12；同时，长方体结构13的中部开有一横向延伸设置的通孔14，通孔14内设置有中间层结构2。
进一步地，请参阅图2、图3，在本实施例中，中间层结构2为中空管状结构21，采用铜铬锆合金制成，厚度1～3mm；中空管状结构21的外表面与面向等离子体结构1的内表面相连，中空管状结构的21内表面与热沉管道3的外表面相连。
进一步地，请参阅图1，在本实施例中，热沉管道3为内壁光滑的圆管结构31，采用无氧铜制成，贯穿钨靶模块；圆管结构31的内部流动有冷却剂4，具体为水，温度100～150℃，流速6～10m/s；冷却剂4流经热沉管道3，带走偏滤器靶板的热量。
另外，在本实施例中，面向等离子体结构1的各复合材料中，钨合金由钨基体和掺杂组分组成；并且，掺杂组分包括碳化锆和三氧化二钇。
实现原理：参见图4，一定热流密度的载荷作用在钨靶板表面，经过热传导由面向等离子体结构1的表层结构11传至内层结构12，再由内层结构12依次传递至中间层结构2、热沉管道3，最终由冷却剂4-水带走偏滤器表面的热量。
实施例2
如图5～6所示，本实施例的一种偏滤器冷却靶板结构，由上述实施例1中快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块组成，具体是多个水冷钨靶模块100沿轴向方向串联在一起成为一个“单通道水冷模块”(如图5所示)，随后，多个“单通道水冷模块”并联在一起，并最终组成能够安装在偏滤器靶板位置处的偏滤器冷却靶板结构整体(如图6所示)。该结构应用于聚变堆装置，能够承受等离子体的辐照和热流冲击，将施加在偏滤器上的热量快速移除，保证装置的稳定运行。
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 (10)

1.一种快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，包括面向等离子体结构、设置在所述面向等离子体结构内的中间层结构、设置在所述中间层结构内且与之相连的热沉管道以及流经所述热沉管道内部的冷却剂；所述面向等离子体结构为两层式结构，包括钨纤维/钨合金复合材料构成的表层结构，以及，钨纤维/钨合金-金刚石复合材料构成的内层结构；其中，所述表层结构设置在所述面向等离子体结构上靠近聚变中心方向的一侧表面，所述表层结构以外的面向等离子体结构部分则对应为所述内层结构。
2.根据权利要求1所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述面向等离子体结构具体为长方体结构，所述长方体结构上靠近聚变中心方向的一侧表面设置有所述表层结构，长方体结构的其余部分设置有所述内层结构；同时，所述长方体结构的中部开有一横向延伸设置的通孔，通孔内设置有所述中间层结构。
3.根据权利要求1所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述中间层结构为中空管状结构，所述中空管状结构的外表面与所述面向等离子体结构的内表面相连，中空管状结构的内表面与所述热沉管道的外表面相连。
4.根据权利要求1所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述热沉管道为内壁光滑的圆管结构，所述圆管结构的内部流动有冷却剂，所述冷却剂流经热沉管道，带走偏滤器靶板的热量。
5.根据权利要求1～4任一所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述面向等离子体结构的各复合材料中，钨合金由钨基体和掺杂组分组成；并且，所述掺杂组分包括碳化锆和三氧化二钇。
6.根据权利要求1～4任一所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述中间层结构为铜铬锆合金，厚度1～3mm。
7.根据权利要求1～4任一所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述热沉管道为无氧铜制管道。
8.根据权利要求1～4任一所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述冷却剂为水。
9.根据权利要求1～4任一所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块，其特征在于，所述面向等离子体结构与中间层结构之间，中间层结构与热沉管道之间，以及，所述面向等离子体结构的两个复合材料结构层之间，均采用热等静压的方式进行连接。
10.一种偏滤器冷却靶板结构，其特征在于，由权利要求1～9任一所述的快速移能聚变堆偏滤器水冷钨靶模块组成，具体是多个所述水冷钨靶模块沿轴向方向串联在一起成为一个单通道水冷模块，随后，多个所述单通道水冷模块并联在一起，并最终组成能够安装在偏滤器靶板位置处的偏滤器冷却靶板结构整体。
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