CN113851231A - 一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置。所述方法包括获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入;确定偏滤器基本结构模型;所述偏滤器基本结构在部件满足结构强度的前提下,弱化偏滤器中子屏蔽的能力,确定靶板部件结构模型;确定混合偏滤器包层最终结构模型,包括取消安装在偏滤器和真空室之间的屏蔽块;确定氚增值率提升数量。所述装置,包括:底部包层、外靶板部件、Dome部件和内靶板部件;所述外靶板部件、Dome部件、内靶板部件直接与底部包层连接。本发明包层产氚区域扩大,经过数值模拟评估,预计能提升至少0.04的氚增值率,这可以弥补加热和诊断系统对包层开孔带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变领域,具体涉及一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置。
背景技术
氚自持是未来聚变堆商用运行的必备条件之一。CFETR(中国聚变工程实验堆)通过研究和发展氚增殖技术,使得聚变堆满足氚自持条件,即氚增值率大于1。聚变堆通过包层产氚。对于CFETR包层,由于氚提取过程中的损耗,包层部件应满足氚增值率大于1.1。CFETR包层在设计上存在氦冷和水冷两种方案。现阶段工程设计方案评估结果:1)氦冷包层基准包层氚增值率约为1.177;2)水冷包层基准包层氚增值率约为1.165,在考虑加热和诊断等系统开孔后,氚增值率约为1.115。
发明人发现,现有CFETR设计方案中至少存在下述问题:包层氚增值率仅略高于部件自身要求,但依靠现有包层结构改变来提升氚增值率已非常困难;偏滤器下部的空间一般需要安装屏蔽块,以弥补偏滤器自身屏蔽中子能力不足,底部宝贵空间没有有效利用。CFETR偏滤器设计同样存在氦冷和水冷两种方案。偏滤器采用模块化设计,单个模块主要由靶板部件和支撑盒体组成,其中靶板部件又分为内靶板部件、Dome(穹顶靶板)部件和外靶板部件。大家以往没有考虑在偏滤器底部安装包层来提升氚增值率的方法,主要原因是偏滤器区域中子壁负载相对较低,偏滤器设计其中功能之一就是用来屏蔽中子,即中子经过偏滤器屏蔽后,偏滤器后部的磁体等部件满足核热指标低于一定限值,因此现有设计方案利用偏滤器底部包层增殖的效果就会很有限。
发明内容
本发明改变现有偏滤器其中用来屏蔽中子的功能,反其道而行之,在偏滤器满足结构强度的前提下,弱化自身屏蔽中子的能力,提供一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置。
本发明实施例提供一种提升聚变堆氚增值率的方法,包括以下步骤:
获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入;
根据所述聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入和增加氚增值率的要求,确定偏滤器基本结构模型;
所述偏滤器基本结构模型无支撑盒体,靶板部件采取正面遥操作安装和拆卸方案;
所述偏滤器基本结构在部件满足结构强度的前提下,弱化偏滤器中子屏蔽的能力,确定靶板部件结构模型;
根据所述靶板部件结构模型,确定混合偏滤器包层最终结构模型,包括取消安装在偏滤器和真空室之间的屏蔽块;
所述屏蔽块区域由包层取代,包层扩大到与靶板部件相接,确定靶板部件与包层两者之间水管和支撑接口;
根据所述混合偏滤器包层最终结构模型,确定氚增值率提升数量。
在一个实施方式中,根据以下原则弱化偏滤器中子屏蔽的能力:
根据内靶板部件、Dome部件、外靶板部件屏蔽中子能力的差别,重点优化Dome部件;
根据所述靶板部件,所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成,其中钨合金平板厚度2-6mm,无氧铜过渡层厚度1-1.5mm,铜合金平板厚度8-25mm,低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸,例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少。
根据所述靶板部件,将承载部件优化成一长窄条形状单元,内部具有冷却通道,对Dome承载部件开抽气通道;
根据所述靶板部件,改变Dome承载部件结构钢水比例,钢的体积比例80%-85%,初始厚度20-30mm,中间设置冷却剂通道,通道直径8-12mm。
本申请实施例还提供一种提升聚变堆氚增值率的装置,包括:底部包层10、外靶板部件11、Dome部件12、内靶板部件13。所述外靶板部件11、Dome部件12、内靶板部件13直接与底部包层10连接。所述外靶板部件11与底部包层10支撑在极向上采用四点支撑,内靶板部件13与底部包层10支撑在极向上采用三点支撑,Dome部件12和底部包层10支撑在极向上采用两点支撑,三者和底部包层水管接口采用都采用一进一出设置。
进一步地,所述外靶板部件11、Dome部件12和内靶板部件13在满足结构强度的前提下,弱化自身中子屏蔽的能力,包括:
根据所述靶板部件,所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成,其中钨合金平板厚度2-6mm,无氧铜过渡层厚度1-1.5mm,铜合金平板厚度8-25mm,低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸,例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少。
根据所述靶板部件,将承载部件优化成一长窄条形状单元,内部具有冷却通道,对Dome承载部件适当开抽气通道;
根据所述Dome靶板部件,改变Dome承载部件结构钢水比例,钢的体积比例80%-85%,初始厚度20-30mm,中间设置冷却剂通道,通道直径8-12mm。
进一步地,所述外靶板部件11、Dome部件12和内靶板部件13实现正面(等离子体测)遥操作安装和拆卸。
与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:提供一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置,采用该方法及装置后,包层产氚区域扩大,经过数值模拟评估,预计能提升至少0.04的氚增值率,这可以弥补加热和诊断系统对包层开孔带来的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用来解释发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为一种提升聚变堆氚增值率的方法的流程示意图;
图2为CFETR真空室内部部件截面图;
图3为CFETR方案Dome部件示意图;
图4为一种提升聚变堆氚增值率的装置;
图5为混合偏滤器包层方案Dome部件示意图。
附图标记:1、真空室;2、上部包层;3、支撑盒体;4、CFETR方案外靶板部件;5、CFETR方案Dome部件、6、CFETR方案内靶板部件;7、屏蔽块;8、CFETR方案Dome承载部件;9、CFETR方案Dome靶板;10、底部包层;11、混合偏滤器包层方案外靶板部件;12、混合偏滤器包层方案Dome部件;13、混合偏滤器包层方案内靶板部件;14、混合偏滤器包层方案Dome承载部件。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明实施方式作进一步详细的描述,本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例提供一种提升聚变堆氚增值率的方法,如图1所示,包括以下步骤:
S101:获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入。
如图2所示,以CFETR设计方案为例,其中偏滤器几何位形指CFETR方案外靶板部件4、CFETR方案Dome部件5和CFETR方案内靶板部件6面向等离子的第一壁表面几何边界,真空室界面指真空室1内壁面几何边界,包层界面指上部包层2的最下端几何边界。
偏滤器遥操作维护策略指偏滤器遥操作安装和拆除的策略,分为模块整体维护和靶板部件单独维护两种策略,这其中后者与前者相比有如下优点:1)可直接对易损的靶板部件正面维护,不会影响到模块内部正常部件和周围偏滤器模块,能极大缩短偏滤器维护时间,预计从2个月缩短到2周左右;2)减少备件数量,特别是支撑盒体;3)减轻遥操作维护工具负载或简化维护方案。
偏滤器材料路线图指适合聚变堆使用的偏滤器材料的发展规划,工程阶段需要采用市场上成熟的材料,总体上第一壁材料将采用ZrC弥散钨、钾钨等钨合金,热沉材料将采用ODS铜为主的铜合金,结构材料采用ODS低活化钢等。
偏滤器载荷输入包括偏滤器电磁载荷、热流载荷、核热载荷、地震载荷、冷却参数、粒子排除抽速要求等。
S102:根据所述聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入和增加氚增值率的要求,确定偏滤器基本结构模型;
如图2所示,CFETR设计方案采用整体模块式设计,单个模块主要由靶板部件和支撑盒体3组成,各靶板部件安装在支撑盒体3上,维护方案采用通过对支撑盒体3进行遥操作方案,兼顾各靶板部件单独遥操作方案。由于偏滤器自身屏蔽中子能力不足,在支撑盒体3和真空室1之间安装了屏蔽块7。偏滤器靶板部件由靶板和承载部件组成,以Dome部件为例,如图3所示,Dome靶板部件由CFETR方案Dome承载部件8和CFETR方案Dome靶板9组成。
由于支撑盒体3对于中子屏蔽能力很强,如图4所示,在所述偏滤器基本结构模型无支撑盒体3,靶板部件只能采取正面(等离子体测)遥操作安装和拆卸方案。
S103:根据所述偏滤器基本结构,在部件满足结构强度的前提下,弱化偏滤器中子屏蔽的能力,确定靶板部件详细结构模型。
S104:根据所述靶板部件详细结构模型,确定混合偏滤器包层最终结构模型,包括取消安装在偏滤器和真空室1之间的屏蔽块7。所述屏蔽块7区域由包层取代,并扩大到与靶板部件相接,确定靶板部件与包层两者之间水管和支撑接口。
如图3所示,混合偏滤器包层最终结构模型由底部包层10、混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12和混合偏滤器包层方案内靶板部件13组成。根据部件重量和受电磁力情况,混合偏滤器包层方案外靶板部件11与底部包层10支撑在极向上采用四点支撑,混合偏滤器包层方案内靶板部件13与底部包层10支撑在极向上采用三点支撑,混合偏滤器包层方案Dome部件12和底部包层10支撑在极向上采用两点支撑,三者和底部包层10水管接口都采用一进一出设置。
S105:根据所述混合偏滤器包层最终模型,确定氚增值率提升数量。
在一个实施方式中,根据以下原则弱化偏滤器中子屏蔽的能力:
根据内靶板部件、Dome部件、外靶板部件屏蔽中子能力的差别,重点优化Dome部件;
根据所述靶板部件,所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成,其中钨合金平板厚度2-6mm,无氧铜过渡层厚度1-1.5mm,铜合金平板厚度8-25mm,低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸,例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少。
根据所述靶板部件,如图4所示,将承载部件优化成一长窄条形状单元,内部具有冷却通道,对Dome承载部件适当开通道,通道截面最大400mmx300mm,方便抽气和中子通过,优化后的混合偏滤器包层方案Dome承载部件14如图5所示;
根据所述Dome靶板部件,改变Dome承载部件结构钢水比例,钢的体积比例80%-85%,初始厚度20-30mm,中间设置冷却剂通道,直径8-12mm。
在一个实施方式中,采用二维模型初步分析评估后,氚增值率提升的范围为4.197%-8.194%;采用简化三维模型初步分析评估后,氚增值率提升约6.58%。因此,如果能将偏滤器下部利用,安装底部包层10,预计能提升至少0.04的氚增值率,这可以弥补加热和诊断系统对包层开孔带来的影响。
本申请实施例还提供一种提升聚变堆氚增值率的装置,包括:底部包层10、混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12、混合偏滤器包层方案内靶板部件13。所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12、混合偏滤器包层方案内靶板部件13直接与底部包层10连接。所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11与底部包层10支撑在极向上采用四点支撑,所述混合偏滤器包层方案内靶板部件13与底部包层10支撑在极向上采用三点支撑,所述混合偏滤器包层方案Dome部件12和底部包层10支撑在极向上采用两点支撑,三者和底部包层水管接口都采用一进一出设置。
进一步地,所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12和混合偏滤器包层方案内靶板部件13在满足结构强度的前提下,弱化自身中子屏蔽的能力,包括:
根据所述靶板部件,所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成,其中钨合金平板厚度2-6mm,无氧铜过渡层厚度1-1.5mm,铜合金平板厚度8-25mm,低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸,例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少;
根据所述靶板部件,将承载部件优化成一长窄条形状单元,内部具有冷却通道,对Dome承载部件适当开通道,通道截面最大400mmx300mm;
根据所述Dome靶板部件,改变Dome承载部件结构钢水比例,钢的体积比例80%-85%,初始厚度20-30mm,中间设置冷却剂通道,直径8-12mm。
进一步地,所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12和混合偏滤器包层方案内靶板部件13实现正面(等离子体测)遥操作安装和拆卸。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制发明,对于本领域的技术人员来说,本发明实施例可以有各种更改和变化,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种提升聚变堆氚增值率的方法,其特征在于,包括:
获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入;
根据所述聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入和增加氚增值率的要求,确定偏滤器基本结构模型;
所述偏滤器基本结构模型无支撑盒体,靶板部件采取正面遥操作安装和拆卸方案;
所述偏滤器基本结构在部件满足结构强度的前提下,弱化偏滤器中子屏蔽的能力,确定靶板部件结构模型;
根据所述靶板部件结构模型,确定混合偏滤器包层最终结构模型,包括取消安装在偏滤器和真空室之间的屏蔽块;
所述屏蔽块区域由包层取代,包层扩大到与靶板部件相接,确定靶板部件与包层两者之间水管和支撑接口;
根据所述混合偏滤器包层最终结构模型,确定氚增值率提升数量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据以下原则弱化偏滤器中子屏蔽的能力:
根据内靶板部件、Dome部件、外靶板部件屏蔽中子能力的差别,重点优化Dome部件;
根据所述靶板部件,所述靶板部件由靶板和承载部件组成;其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成,其中钨合金平板厚度2-6mm,无氧铜过渡层厚度1-1.5mm,铜合金平板厚度8-25mm,低活化钢平板厚度10-20mm;
根据所述靶板部件,将承载部件优化成一长窄条形状单元,内部具有冷却通道,对Dome承载部件开抽气通道;
根据所述靶板部件,改变Dome承载部件结构钢水比例,钢的体积比例80%-85%,初始厚度20-30mm,中间设置冷却剂通道,通道直径8-12mm。
3.一种提升聚变堆氚增值率的装置,其特征在于,包括:底部包层、外靶板部件、Dome部件和内靶板部件;所述外靶板部件、Dome部件、内靶板部件直接与底部包层连接;所述外靶板部件与底部包层支撑在极向上采用四点支撑,内靶板部件与底部包层支撑在极向上采用三点支撑,Dome部件和底部包层支撑在极向上采用两点支撑,三者和底部包层水管接口都采用一进一出设置。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述外靶板部件、Dome部件和内靶板部件在满足结构强度的前提下,弱化自身中子屏蔽的能力,包括:
根据所述靶板部件,所述靶板部件由靶板和承载部件组成;其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成,其中钨合金平板厚度2-6mm,无氧铜过渡层厚度1-1.5mm,铜合金平板厚度8-25mm,低活化钢平板厚度10-20mm;
根据所述靶板部件,将承载部件优化成一长窄条形状单元,内部具有冷却通道,对Dome承载部件开抽气通道;
根据所述Dome靶板部件,改变Dome承载部件结构钢水比例,钢的体积比例80%-85%,初始厚度20-30mm,中间设置冷却剂通道,通道直径8-12mm。
5.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述外靶板部件、Dome部件和内靶板部件实现正面遥操作安装和拆卸。
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