CN113963816B - 一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，包括标准水冷模块、进水模块、出水模块和联接模块。标准水冷模块包括若干标准水冷件；标准水冷件包括水冷热沉、无氧铜层一与碳基层一。水冷热沉为铜合金一体成型，水冷热沉上开设有圆柱形的直冷却流道一。进水模块和出水模块均包括进出水热沉、无氧铜层二与碳基层二；进出水热沉为铜合金一体成型，进出水热沉上开设有圆柱形的直冷却流道二。联接模块包括联接热沉、无氧铜层三与碳基层三。本发明不仅具有优秀的排热能力，内部流道连续、流畅，流阻较少；还采用模块化设计，可由若干水冷模块组成不同尺寸、规格的高场侧第一壁，满足不同设计需求，同时便于维修及快速更换损坏部件。
Description
技术领域
本发明涉及磁约束核聚变装置技术领域，具体涉及一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构。
背景技术
第一壁是托卡马克装置真空室的最内层结构，直接面对等离子体，用于保护真空室壁以及诊断设备。高场侧位于托卡马克装置真空室中心柱内壁上，是直接面对等离子体部件中面积最大的部件。高场侧第一壁在托卡马克装置运行时要承受来自电子及等离子体的热负荷。而且部分高场第一壁还受到来自中性束注入加热系统的热负荷，该处区域的热负荷更高，更易发生烧蚀以及破损。因此，高场第一壁需要有足够的排热能力，将来自等离子体及中性束的热负荷及时传递至真空室外；同时还需要有足够的强度，承受装置运行时的电磁力及热应力。此外，由于高场侧第一壁，特别是中性束穿透区域的第一壁承受的热负荷较大，需经常维修及更换。
现有的真空室高场侧第一壁热沉采用石墨瓦作为面向等离子体的材料，石墨瓦通过螺钉紧固在热沉之上。由于石墨瓦和热沉之间为机械联接，接触热阻较大，导致沉积在石墨表面的热量无法及时排出，限制了其在高热负荷条件下的应用。此外，现有的托卡马克装置的其他第一壁部件(如限制器、偏滤器等)采用不锈钢/铜合金复合板作为热沉，该复合板存在工艺难度大、联接缝较长、易出现缺陷及冷却液泄漏的风险、联接界面易疲劳破坏等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，该结构能够解决现有技术中的不足，不仅具有优秀的排热能力，内部流道连续、流畅，流阻较少；还采用模块化设计，可由若干水冷模块组成不同尺寸、规格的高场侧第一壁，满足不同设计需求，同时便于维修及快速更换损坏部件，且该组合式第一壁结构的热沉、无氧铜层及碳基层之间通过焊接或铸造联接成一体，接触热阻小；各热沉均为铜合金一体成型，焊缝长度短，无异种材料的联接工艺难题，可靠性高、寿命长。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，包括标准水冷模块和分别设置在标准水冷模块左右两侧的进水模块与出水模块；所述标准水冷模块的上下两侧分别设有一联接模块；所述标准水冷模块、进水模块、出水模块和联接模块连接成矩形板状的高场第一壁单元，高场第一壁单元的正面及背面的形状与高场侧真空壁的形状相适应。
所述标准水冷模块包括若干依次设置的标准水冷件；所述标准水冷件包括由外向内依次设置的水冷热沉、无氧铜层一与碳基层一；所述水冷热沉为铜合金一体成型，其上开设有直冷却流道一。
所述进水模块和出水模块的结构相同，均包括由外向内依次设置的进出水热沉、无氧铜层二与碳基层二；所述进出水热沉为铜合金一体成型，其上开设有直冷却流道二。
所述联接模块包括若干个用于联接相邻的标准水冷件的联接件一、用于联接进水模块与最左侧的标准水冷件的联接件二和用于联接最右侧的标准水冷件与出水模块的联接件三；所述联接件一、联接件二和联接件三的结构相同，均包括由外向内依次设置的联接热沉、无氧铜层三与碳基层三；所述联接热沉上开设有U形冷却流道；所述U形冷却流道包括横向水道和分别位于横向水道两侧的两条进出水水道；所述进出水水道通过圆弧形水道与横向水道相连通；所述联接热沉包括联接热沉主体和位于联接主体上端的盖板，联接热沉主体和盖板的材料均为铜合金，联接热沉主体和盖板通过钎焊或电子束形成密封联接；所述U形冷却流道的上半部分位于盖板中，下半部分位于联接热沉主体中。
进一步的，所述直冷却流道一、直冷却流道二、U形冷却流道的高热负荷区均安装有螺旋式扰流片；所述螺旋式扰流片采用铜基条带扭弯成型，该螺旋式扰流片包括螺旋部和位于螺旋部两端的两个直线部。
进一步的，所述标准水冷模块与进水模块、出水模块并排平行安装，相邻标准水冷件安装时存在一个夹角，使高场第一壁单元为多面体结构，与圆柱形的高场侧真空室壁匹配。
进一步的，该第一壁结构还包括支撑模块；所述支撑模块包括加强板和分别位于加强板左右两侧的两个支撑块；所述加强板为板状结构，其上开设有若干沉头螺钉孔，加强板通过螺钉安装在高场第一壁单元的背面；所述支撑块为L型，包括通过螺纹紧固件与进水模块或出水模块相连的支撑部一和与支撑部一垂直相连的支撑部二；所述支撑部二通过螺纹紧固件与托卡马克装置内的经环或纬环紧固在一起。
进一步的，所述水冷热沉及进出水热沉均通过联接块与联接热沉相连，所述水冷热沉、进出水热沉和联接热沉上均开设有用于放置联接块的凹槽；所述联接块通过螺钉及垫圈安装在凹槽中。
进一步的，所述进水模块及出水模块的长度比标准水冷模块的长度与联接模块的长度之和长0.5～2mm。
进一步的，所述无氧铜层一通过钎焊、电子束焊或热等静压与水冷热沉相连，无氧铜层一与碳基层一通过钎焊、铸造或电子束焊相连，无氧铜层一由若干块无氧铜片一组成，碳基层一由若干块碳基片一组成，每一片碳基片一的下方均设有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片一；所述无氧铜层二通过钎焊、电子束焊或热等静压与进出水热沉相连，无氧铜层二与碳基层二通过钎焊、铸造或电子束焊相连，无氧铜层二由若干块无氧铜片二组成，碳基层二由若干块碳基片二组成，每一片碳基片二的下方均设有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片二；所述无氧铜层三通过钎焊、电子束焊或热等静压与联接热沉相连，无氧铜层三与碳基层三通过钎焊、铸造或电子束焊相连，无氧铜层三由若干块无氧铜片三组成，碳基层三由若干块碳基片三组成，每片碳基片三的下方均设有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片三。
进一步的，相邻标准水冷件、进出水模块和联接模块之间设有0.5～2mm的用于容纳热变形的间隙。
进一步的，所述标准水冷件、进水模块和出水模块上均设有联接管，联接管插入到联接热沉的进出水水道中，且与联接热沉通过电子束焊或钎焊形成密封联接；所述直水冷通道一的两端分别设有一联接沉孔；所述直水冷通道二的一端设有联接沉孔，另一端设有总进出水口；所述联接管的一端设有凸缘，联接管的凸缘安装在联接沉孔中且与联接沉孔通过电子束焊或钎焊连接在一起。
进一步的，所述无氧铜层一、无氧铜层二和无氧铜层三的厚度均为1～3mm，相邻的无氧铜片之间留有间隙，间隙宽度范围为0.1～0.7mm；所述碳基层一、碳基层二和碳基层三均为片状碳基层，片状碳基层采石墨或碳/碳复合材料，若为碳/碳复合材料，则碳纤维方向沿片状碳基层的厚度方向。
进一步的，水冷热沉为铜合金一体成型，水冷热沉上开设有圆柱形的直冷却流道一，在直冷却流道一的高热负荷区内可安装螺旋形的扰流片，增加局部排热能力。进水模块和出水模块均包括进出水热沉、无氧铜层二与碳基层二；进出水热沉为铜合金一体成型，进出水热沉上开设有圆柱形的直冷却流道二，在直冷却流道二的高热负荷区内可安装螺旋形的扰流片，增加局部排热能力。联接模块包括联接热沉、无氧铜层三与碳基层三，联接热沉的材料为铜合金，联接热沉上开设有U形冷却流道，U形冷却流道用于联接相邻的直冷却流道一或直冷却流道二，在U形冷却流道的高热负荷区内可安装螺旋形的扰流片，增加局部排热能力。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明所述的第一壁结构安装在托卡马克装置的真空室高场侧壁上，该第一璧结构包括标准水冷模块、进水模块、出水模块、联接模块四种水冷模块，通过螺钉及垫圈、联结管、联结块联接成矩形板状的高场侧第一壁单元，通过对上述水冷模块的数量及种类进行组合、装配，可获得不同规格、尺寸的高场侧第一壁单元，灵活满足托卡马克装置的需求，便于对损坏水冷模块进行更换，从而缩短维护周期，减少维护成本。此外，每个标准水冷模块、进水模块、出水模块及联接模块的尺寸较小，降低了焊接无氧铜层及碳基层的难度，提高了成品率。
(2)本发明所述的第一壁结构内部设置有冷却流道，实现了主动水冷结构，可承受更高的热负荷，更快地将热负荷传递至真空室外。本发明所述的第一璧结构通过支撑结构安装于托卡马克装置高场侧的真空室壁上，标准水冷模块、进(出)水模块内设计有直冷却流道，联接模块内部设计有U形冷却流道，联接模块的U形冷却流道将相邻标准水冷模块内的直冷却流道、进(出)水模块内的直冷却流道联接在一起，冷却流道的截面及流向无突变，从而在高场第一璧单元内形成连续、流畅的冷却流道，大大降低了冷却流道的流阻。
(3)本发明中标准水冷模块、进(出)水模块、联接模块的热沉为铜合金一体成型，焊缝及异种材料的联接缝较短，可靠性较高，由焊缝或异种材料联接缝的热疲劳或电化学腐蚀引起泄漏的风险较低，同不锈钢/铜合金复合板热沉相比，可靠性及寿命较高。
(4)热沉面向等离子体的一面设计有碳基片作为面向等离子体的材料，碳基片与热沉之间设计有无氧铜层作为应力缓冲层；碳基片、无氧铜层及热沉之间通过焊接联接在一起，减少了热阻，增加了导热能力，可更快地将第一壁表面的热量传递至热沉。
(5)由于碳基片与铜之间通过焊接、铸造等工艺方式进行联接的难度较大，碳基片的强度远低于铜，且两者之间的热膨胀系数差别较大，易在焊接过程中出现碳基片或焊接界面开裂的状况，从而导致碳基片脱落，碳基片的脱落会使整个模块报废。此外，高场第一壁单元的轮廓应与真空室壁和等离子兼容，一般为曲面，进一步增大了热沉、碳基片及无氧铜片之间的焊接难度，因此完成整块高场第一壁单元上的碳基片、无氧铜片的焊接操作难度较大。为了解决上述技术难题，本发明采用模块化结构，每个面积较大、形状复杂的高场第一壁单元均由若干面积较小、形状简单的水冷模块组成，降低了水冷热沉、无氧铜片及碳基片的焊接难度，减少了碳基层在焊接时出现裂缝的概率，提高了焊接成功率。此外采用模块化设计，可实现对损坏模块的及时更换，并可降低维修成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸结构示意图一；
图3为本发明的爆炸结构示意图二；
图4为本发明的俯视图；
图5标准水冷模块的爆炸结构示意图；
图6为进水模块和出水模块的爆炸结构示意图；
图7为联结模块的爆炸结构示意图；
图8为联结模块的剖面图；
图9为本发明的内部冷却流道示意图；
图10为螺旋式扰流板的结构示意图。
其中：
100、标准水冷模块；101、水冷热沉，102、无氧铜层一，103、碳基层一，104、凹槽，105、直冷却流道一，200、进水模块，201、进出水热沉，202、无氧铜层二，203、碳基层三，204、联接沉孔，205、直冷却流道二，300、出水模块，400、联接模块，401、热沉，402、无氧铜层三，403、碳基层三，404、盖板，405、横向水道，406、进出水水道，407、圆弧形水道，408、联接件一，409、联接件二，410、联接件三，411、U形冷却流道，500、支撑模块，501、加强板，502、支撑块，600、联接管，700、联接块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图4所示的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，包括标准水冷模块100和分别设置在标准水冷模块100左右两侧的进水模块200与出水模块300。所述标准水冷模块100的上下两侧分别设有一联接模块400。所述标准水冷模块100、进水模块200、出水模块300和联接模块400连接成矩形板状的高场第一壁单元，高场第一壁单元的正面及背面的形状与高场侧真空壁的形状相适应。优选的，高场第一壁单元面向真空室一侧的壁面轮廓为多边形，与托卡马克装置的高场侧的圆柱形真空室壁兼容；高场第一壁单元面向等离子体一侧的壁面轮廓为多边形，与等离子体的轮廓兼容。高场第一壁单元面向等离子一侧的壁面材料为碳基层。高场第一壁单元的背面设有支撑模块500。所述标准水冷模块100与进水模块200、出水模块300并排平行安装。在本实施例中，标准水冷件的数量为3个，联接件一的数量为2个，联接件二的数量为1个，联接件三的数量为1个，进水模块1个，出水模块1个。3个标准水冷件和进水模块、出水模块并排平行安装，进水模块和出水模块分别位于标准水冷模块100的两侧。该高场第一壁单元的上部有1个联接件一和1个联接件二，联接件二用于联接进水模块和左侧的标准水冷件，联接件一用于联接左侧的标准水冷件和中间的标准水冷件；该高场第一壁单元的下部有1个联接件一和1个联接件三，联接件一用于联接中间的标准水冷件和右侧的标准水冷件，联接件三用于联接右侧的标准水冷件和出水模块。
如图1-图4所示，所述标准水冷模块100包括若干依次设置的标准水冷件。如图5所示，所述标准水冷件包括由外向内依次设置的水冷热沉101、无氧铜层一102与碳基层一103；所述水冷热沉101为铜合金一体成型，其上贯穿开设有直冷却流道一105。相邻标准水冷件安装时存在一个夹角，使高场第一壁单元为多面体结构，与圆柱形的高场侧真空室壁匹配。水冷热沉101的尺寸与无氧铜层一102的尺寸相同。直冷却流道一105沿水冷热沉的长度方向开设。无氧铜层一102设置在水冷热沉101面向等离子体的一面上(设为正面)。
如图5所示，无氧铜层一102由若干小片的无氧铜片一组成，碳基层一103由若干小片的碳基片一组成，每片碳基片一的下方均有一片长度和宽度相同的无氧铜片作为应力缓冲层。
如图6所示，所述进水模块200和出水模块300的结构相同，均包括由外向内依次设置的进出水热沉201、无氧铜层二202与碳基层二203；所述进出水热沉201为铜合金一体成型，其上贯穿开设有直冷却流道二205。无氧铜层二202的尺寸与进出水热沉201的尺寸相同。无氧铜层二202由若干小片的无氧铜片二组成，碳基层二203由若干小片的碳基片二组成，每片碳基片二的下方均有一片长度和宽度相同的无氧铜片二作为应力缓冲层。
如图1-图4所示，所述联接模块400包括若干个用于联接相邻的标准水冷件的联接件一408、用于联接进水模块与最左侧的标准水冷件的联接件二409和用于联接最右侧的标准水冷件与出水模块的联接件三410。如图7和图8所示，所述联接件一408、联接件二409和联接件三410的结构相同，均包括由外向内依次设置的联接热沉401、无氧铜层三402与碳基层三403。无氧铜层三402的尺寸和联接热沉401的尺寸相同。无氧铜层三402由若干小片的无氧铜片三组成，碳基层三403由若干小片的碳基片三组成，每片碳基片三的下方均有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片三作为应力缓冲层。所述联接热沉401上开设有U形冷却流道411。所述U形冷却流道411包括横向水道405和分别位于横向水道405两侧的两条进出水水道406；所述进出水水道406通过圆弧形水道407与横向水道405相连通。U形圆弧形水道407，用于作为平滑的过渡，将横向水道和两条进出水水道连接在一起。设置盖板404，是为了便于加工出U形水冷流道。所述联接热沉401包括联接热沉主体和位于联接主体上端的盖板404，上述联接热沉主体和盖板404的材料均为铜合金。所述盖板404通过电子束焊或钎焊安装在联接热沉主体上，形成密封焊缝。所述U形冷却流道411的上半部分位于盖板404中，下半部分位于联接热沉主体中。盖板中的水道和联接热沉主体中的水道合在一起，形成完整、连续、流畅的U形冷却流道。U形冷却流道的两个水口位于联接模块的同一端面。本发明中的各个热沉采用铜合金一体成型，焊缝长度较短，由焊缝失效引起的冷却液泄漏风险小，可靠性高；所有热沉的材料均为铜合金，在热沉上不存在异种材料的联接及由此引起的热应力及电化学腐蚀，工艺难度及风险小，可靠性高。热沉、碳基层与无氧铜层为焊接或铸造联接，接触热阻小，可满足高场热沉的排热需求。
所述直冷却流道一105、直冷却流道二205、U形冷却流道411的高热负荷区域内可设有螺旋式扰流板，如图10所示，所述螺旋式扰流板采用铜基条带扭弯成型，包括中间的螺旋部和两段的直线部。
如图2和图3所示，所述支撑模块500包括加强板501和分别位于加强板501左右两侧的两个支撑块502；所述加强板501为板状结构，其上开设有若干沉头螺钉孔，加强板501通过螺钉安装在高场第一壁单元的背面；所述支撑块502为L型，包括通过螺纹紧固件与进水模块200或出水模块300相连的支撑部一和与支撑部一垂直相连的支撑部二；所述支撑部二通过螺纹紧固件与托卡马克装置内的经环或纬环紧固在一起。加强板501为板状结构，并开有沉头螺钉孔，通过螺钉及垫圈安装在高场第一壁单元的背面(即面向高场侧真空室壁的面)，用于加强高场第一壁单元各模块之间的连接强度和结构刚度。
进一步的，所述水冷热沉101及进出水热沉201均通过联接块700与联接热沉401相连，所述水冷热沉101、进出水热沉201和联接热沉401上均开设有用于放置联接块的凹槽104；所述联接块700通过螺钉及垫圈安装在凹槽104中。联接块700的形状及尺寸与凹槽的形状及尺寸匹配。
进一步的，所述进水模块200及出水模块300的长度比标准水冷模块100的长度与联接模块400的长度之和大1mm，从而使高场第一壁单元的总体外形为矩形板状。
进一步的，所述无氧铜层一102通过钎焊、热等静压或电子束焊与水冷热沉101相连，无氧铜层一102与碳基层一103通过钎焊、铸造或电子束相连；所述无氧铜层二202通过钎焊、热等静压或电子束焊与进出水热沉201相连，无氧铜层二202与碳基层二203通过钎焊、铸造或电子束焊相连；所述无氧铜层三202通过钎焊、热等静压或电子束与联接热沉401相连，无氧铜层三402与碳基层三403通过钎焊、电子束焊或铸造相连。无氧铜层一、无氧铜层二和无氧铜层三均作为热应力缓冲层使用。
进一步的，相邻标准水冷件、联接模块、进水模块及出水模块之间均设有1mm的间隙，用于容纳热变形。
进一步的，所述标准水冷件、进水模块200和出水模块300上均焊接有联接管600，联接管600插入到联接模块的进出水水道406中，且与联接热沉401通过电子束焊连接，形成密封焊缝。联接管600，用于将相邻的标准水冷件、最左侧的标准水冷件与进水模块、最右侧的标准水冷件与出水模块中的流道连通，进而在整个高场第一壁单元内形成连续、流畅的流道。所述直水冷通道一105的两端分别设有一联接沉孔；所述直水冷通道二205的一端设有联接沉孔204，另一端设有总进出水口，总进出水口与真空室内的冷却水管相连，用于向高场第一壁单元提供冷却水。所述联接管600的一端设有凸缘，用于定位联接管600，并为焊接作业提供操作空间。联接管600的凸缘安装在联接沉孔中且与联接沉孔通过电子束焊连接在一起。所述联接管600为一端带有法兰的水管，其采用强度、导热性能及热稳定性优异的铜合金材料。
进一步的，所述无氧铜层一102、无氧铜层二202和无氧铜层三402设置在各个热沉面向等离子体的面上。所述水冷热沉101、进出水热沉201和联接热沉401均采用强度、导热性能及热稳定性优异的铜合金材料，优选为铬锆铜、铬青铜或弥散铜。所述无氧铜层一102、无氧铜层二202和无氧铜层三402的厚度均为1～3mm，相邻的无氧铜层之间留有间隙，间隙宽度范围为0.1～0.7mm；所述碳基层一103、碳基层二203和碳基层三403均为片状碳基层，片状碳基层采用石墨或碳/碳复合材料，若为碳/碳复合材料，则碳纤维方向沿片状碳基层的厚度方向。相邻标准水冷件的片状碳基层的表面高度相同。
如图9所示，进水模块200的总进出水口与真空室内的冷却水管相连，进水模块200的直冷却流道一通过联接管600与联接件二中的U形冷却流道的一个进出水水道相连通，U形冷却流道的另一个进出水水道通过联接管600与紧挨进水模块的标准水冷件的直冷却流道一的一端相连，该直冷却流道一的另一端通过一联接管600与一个联接件一的U形冷却流道的一端相连，该U形冷却流道的另一端通过联接管600与相邻的标准水冷件的直冷却流道一相连通。以此类推，各个标准水冷件的直冷却流道一通过多个联接件一连通起来。最右侧的标准水冷件的直冷却流道一通过联接件三与出水模块300中的直冷却流道二相连通。
第一壁表面分布有不均匀的热负荷，根据热负荷的大小把面向等离子体区域划分为高热负荷区域和低热负荷区域，为了进一步加强高热负荷区域的散热能力，本实施例在直冷却流道一内增加如图10所示的螺旋扰流板。螺旋式扰流板由铜基条带扭弯成型，分为两端的直线段和中间的螺旋段。直线流道被螺旋式扰流板分割为螺旋式流道，螺旋式流道的换热面为热沉流道表面和铜基条带的外表面，换热面积更大，换热能力更强。
本发明的创新点为：
(1)本发明通过采用热导率、强度性能优秀的铜合金作为热沉材料并一体成型，焊缝及异种材料联接缝较短，可靠性及寿命较高且能更快地将热量传递至真空室内且有足够承受电磁载荷；通过采用无氧铜作为应力缓冲层设置在热沉和碳基层之间，能够有效缓解碳基层所受的热应力，减少碳基层开裂的概率；通过采用焊接或铸造将无氧铜层和碳基层之间联接在一起，能够使热沉、无氧铜层及碳基层三者界面之间的热阻大大减少，有效提高排热能力。
(2)本发明所述的第一壁结构采用模块化设计，每个面积较大、形状复杂的高场第一壁单元均由若干面积较小、形状简单的水冷模块组成，降低了水冷热沉、无氧铜片及碳基片的焊接难度，减少了碳基层在焊接时出现裂缝的概率，提高了焊接成功率。此外采用模块化设计，可实现对损坏模块的及时更换，并可降低维修成本。可根据高场第一壁内部具体结构和托卡马克装置内冷却水管的布置，选择不同数量的标准水冷件、联接模块，从而快速获得所需的高场第一壁单元。
(3)本发明所述的第一壁结构的各个热沉内均设计有水冷流道，水冷流道均匀地分布在高场第一壁单元内，使高场第一壁内的冷却更均匀；而且内部冷却流道流畅、连续，流道的截面无突变，联接模块内的U形冷却流道使整个冷却流道的流向平滑过渡，减少了流阻。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：包括标准水冷模块和分别设置在标准水冷模块左右两侧的进水模块与出水模块；所述标准水冷模块的上下两侧分别设有一联接模块；所述标准水冷模块、进水模块、出水模块和联接模块连接成矩形板状的高场第一壁单元，高场第一壁单元的正面及背面的形状与高场侧真空壁的形状相适应；
所述标准水冷模块包括若干依次设置的标准水冷件；所述标准水冷件包括由外向内依次设置的水冷热沉、无氧铜层一与碳基层一；所述水冷热沉为铜合金一体成型，其上开设有直冷却流道一；
所述进水模块和出水模块的结构相同，均包括由外向内依次设置的进出水热沉、无氧铜层二与碳基层二；所述进出水热沉为铜合金一体成型，其上开设有直冷却流道二；
所述联接模块包括若干个用于联接相邻的标准水冷件的联接件一、用于联接进水模块与最左侧的标准水冷件的联接件二和用于联接最右侧的标准水冷件与出水模块的联接件三；所述联接件一、联接件二和联接件三的结构相同，均包括由外向内依次设置的联接热沉、无氧铜层三与碳基层三；所述联接热沉上开设有U形冷却流道；所述U形冷却流道包括横向水道和分别位于横向水道两侧的两条进出水水道；所述进出水水道通过圆弧形水道与横向水道相连通；所述联接热沉包括联接热沉主体和位于联接主体上端的盖板；所述U形冷却流道的上半部分位于盖板中，下半部分位于联接热沉主体中。
2.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：所述直冷却流道一、直冷却流道二、U形冷却流道的高热负荷区均安装有螺旋式扰流片；所述螺旋式扰流片采用铜基条带扭弯成型，该螺旋式扰流片包括螺旋部和位于螺旋部两端的两个直线部。
3.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：所述标准水冷模块与进水模块、出水模块并排平行安装，相邻标准水冷件安装时存在一个夹角，使高场第一壁单元为多面体结构，与圆柱形的高场侧真空室壁匹配。
4.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：该第一壁结构还包括支撑模块；所述支撑模块包括加强板和分别位于加强板左右两侧的两个支撑块；所述加强板为板状结构，其上开设有若干沉头螺钉孔，加强板通过螺钉安装在高场第一壁单元的背面；所述支撑块为L型，包括通过螺纹紧固件与进水模块或出水模块相连的支撑部一和与支撑部一垂直相连的支撑部二；所述支撑部二通过螺纹紧固件与托卡马克装置内的经环或纬环紧固在一起。
5.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：所述水冷热沉及进出水热沉均通过联接块与联接热沉相连，所述水冷热沉、进出水热沉和联接热沉上均开设有用于放置联接块的凹槽；所述联接块通过螺钉及垫圈安装在凹槽中。
6.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：所述进水模块及出水模块的长度比标准水冷模块的长度与联接模块的长度之和长0.5～2mm。
7.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：所述无氧铜层一由若干块无氧铜片一组成，碳基层一由若干块碳基片一组成，每一片碳基片一的下方均设有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片一；所述无氧铜层二由若干块无氧铜片二组成，碳基层二由若干块碳基片二组成，每一片碳基片二的下方均设有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片二；所述无氧铜层三由若干块无氧铜片三组成，碳基层三由若干块碳基片三组成，每片碳基片三的下方均设有一片与其长度和宽度相同的无氧铜片三。
8.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：相邻标准水冷件、进出水模块和联接模块之间设有0.5~2mm的用于容纳热变形的间隙。
9.根据权利要求2所述的一种适用于托卡马克装置高场侧的组合式第一壁结构，其特征在于：所述标准水冷件、进水模块和出水模块上均设有联接管，联接管插入到联接热沉的进出水水道中，且与联接热沉密封联接；所述直水冷通道一的两端分别设有一联接沉孔；所述直水冷通道二的一端设有联接沉孔，另一端设有总进出水口；所述联接管的一端设有凸缘，联接管的凸缘安装在联接沉孔中且与联接沉孔密封联接。
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