CN114864113B - 一种托卡马克第一壁结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种托卡马克第一壁结构，包括模块化设计的第一壁结构件和支撑结构部件。通过多组强、弱场侧纬环结构首尾相接形成两套封闭的圆环形结构，与焊接支撑墩和真空室共同作用具有良好的力学支撑性能。同时环向均匀集成排列的第一壁结构件模块和极向均匀排列的热屏蔽件充分考虑了当前以及未来托卡马克装置实验需求及诊断等系统界面需求，第一壁结构件模块与支撑结构部件共同作用，可有效保护第一壁部件与真空室之间的线圈、诊断和测量器件、加热和测量器件、线缆等零部件，保证等离子体高品质和较高参数下运行。

Description

一种托卡马克第一壁结构

技术领域

本发明涉及托卡马克装置工程领域，具体涉及一种托卡马克第一壁结构。

背景技术

第一壁部件是聚变装置特别是托卡马克装置核心部件之一，通常由热屏蔽件和传热部件构成。第一壁直接面对燃烧的等离子体，受到高热负荷、高能粒子流的冲击和较高的中子辐照作用，因此热屏蔽件材料需要具有高抗热冲击性能、高熔点/升华点、较高的导热性与合适的力学性能、耐物理化学溅射并有较低的杂质产生率、抗中子活化等性质。一般来说，石墨、铍、钼、钨等材料均可作为第一壁热屏蔽材料使用，综合考虑经济性和生物毒性，高纯石墨材料是热屏蔽件较好的选择。

为保护第一壁部件与真空室之间的线圈、诊断和测量器件、加热和加料器件、线缆等零部件，考虑各系统的空间需求和等离子体运行要求，充分考虑第一壁所受热流负载和电磁负载作用，基于高纯石墨为热屏蔽件材料，在托卡马克装置真空室内部，需要发明设计集成一种新型第一壁结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有第一壁结构无法满足当前以及未来托卡马克装置实验需求及诊断等系统界面需求，目的在于提供一种托卡马克第一壁结构，以解决以上问题。

本发明所设计的一种托卡马克第一壁结构，包括第一壁结构件和支撑结构部件；

所述第一壁结构件包括：第一壁热沉板、热屏蔽件、连接压棒、连接石墨箔、热屏蔽件连接紧固件和模块连接紧固件；

所述支撑结构部件包括强场侧支撑组件和弱场侧支撑组件。强场侧支撑组件包括强场侧焊接支撑墩、强场侧纬环、强场侧绝缘连接板、强场侧纬环调整垫板和支撑紧固件；弱场侧支撑组件包括弱场侧焊接支撑墩、弱场侧纬环调整垫板、弱场侧纬环、弱场侧绝缘连接板、过度支撑座和支撑紧固件。

所述第一壁热沉板由不锈钢材料成形机加而成，制造过程要求严格控制相对磁导率不得高于1.04。第一壁热沉板厚度15mm，考虑冷却能力提升可在热沉板螺纹孔错开位置通过埋管钎焊或深孔钻管接头的方式加设冷却管，该冷却管允许采用与热沉板相同的材料或铜及铜合金材料，优选的在冷却管连接至真空室内流体输配管网段处的材料应为不锈钢，使用管焊机将冷却管与真空室内流体输配管网预留接头进行焊接。本设计所描述的第一壁结构件由分析结果满足热辐射能力需求，固当前设计取消冷却管结构；

所述热屏蔽件由高纯石墨材料构成，热屏蔽件厚度25mm，并在中间位置开设有15mm通孔作为连接安装孔使用。热屏蔽件的集成设计考虑等离子体刮离层轮廓并进行了工程拟合，并且所述热屏蔽件与强场侧第一壁和弱场侧第一壁均匀过度。所述第一壁结构件模块内的相邻热屏蔽件具有均匀间隙，用于吸收相邻热屏蔽件的热膨胀变形，进一步的该均匀间隙a应满足1mm<a<2mm；所述第一壁结构件相邻模块内的相邻热屏蔽件应同样具有均匀间隙，进一步的该均匀间隙b应满足2mm<b<4mm；

所述热屏蔽件采用半圆柱形的连接压棒和连接紧固件集成安装至第一壁热沉板表面，连接压棒和连接紧固件优选材料应与第一壁热沉板材料保持一致，或应与第一壁热沉板材料的热膨胀系数尽量一致。所述热屏蔽件与第一壁热沉板之间设计有柔性的连接石墨箔，进一步的该该石墨箔优先厚度h应满足0.35mm<h<1mm；连接紧固件在高温载荷条件下应设有足够的预紧力，为此紧固件垫圈结构采用了碟形弹簧，以保证在高温载荷下热屏蔽件与第一壁热沉板之间仍保持良好的接触传热能力；

所述的第一壁结构件采用模块化设计环向均匀设计80件，本设计所述的新型第一壁结构件模块数量应与强场侧第一壁和弱场侧第一壁模块数量保持统一或倍数增加，考虑诊断测量、辅助加热、加料与抽气、等离子体位形等空间需求，在第一壁结构件特别是热屏蔽件与第一壁热沉板结构需对应开设适应性孔槽。同时为保证第一壁结构件的结构安全性，在第一壁结构件上还设计有兼容热电偶和Halo电流测量需求的特殊第一壁结构件模块，可以实时检测第一壁结构件模块载荷情况；

所述的强场侧焊接支撑墩和弱场侧焊接支撑墩采用高温合金材料，优选的焊接支撑墩材料在保证强度需求的情况下应与真空室材料保持一致，焊接支撑墩使用氩弧焊方式环向均匀焊接至真空室顶部区域。强场侧纬环与弱场侧纬环环向均匀设计10件并交错分布，强、弱场侧支撑纬环与焊接支撑墩之间轴向与径向设计有5mm厚调整垫板，保证强、弱场侧纬环位置精度可以调节。与此同时强场侧纬环与弱场侧纬环兼容原始焊接螺柱设计有安装孔，因此纬环长度不宜过长，原始焊接螺柱可同时对强场侧纬环与弱场侧纬环进行粗定位。强场侧纬环与第一壁结构件模块之间同样设计有5mm调整垫板，可对第一壁结构件模块的安装位置进行精调；弱场侧纬环通过过度支撑座与第一壁结构件模块进行连接，进一步的过度支撑座同样可对第一壁结构件模块的位置进行精调，以保证相邻模块间热屏蔽件的间隙均匀，热屏蔽件整体轮廓度保证在2mm以内。优选的强、弱场侧纬环连接位置设计有绝缘垫板，以增大第一壁部件整体环向电阻。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明设计了一种托卡马克第一壁结构，通过多组强、弱场侧纬环结构首尾相接形成两套封闭的圆环形结构，与焊接支撑墩和真空室共同作用具有良好的力学支撑性能。同时环向均匀集成排列的第一壁结构件模块和极向均匀排列的热屏蔽件充分考虑了当前以及未来托卡马克装置实验需求及诊断等系统界面需求，第一壁结构件模块与支撑结构部件共同作用，可有效保护第一壁部件与真空室之间的线圈、诊断和测量器件、加热和测量器件、线缆等零部件，保证等离子体高品质和较高参数下运行。

同时本发明所设计的第一壁结构件和支撑结构部件均采用模块化设计思路，可有效降低第一壁结构安装和维护拆卸的难度。此外在后续装置能力升级以及诊断等系统需求变化的过程中，该模块化设计结构可有效降低第一壁更换和维护的复杂性。

附图说明

图1为本发明实施例所设计的一种托卡马克第一壁结构整体展示图；

图2为本发明实施例所设计的第一壁结构件和支撑结构部件装配后的结构示意图；

图3为所发明实施例所设计的第一壁结构件模块结构示意图；

图4为图3中第一壁结构件模块部分结构I处的局部放大图；

图5为图3中第一壁结构件模块部分结构II处的局部放大图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-弱场侧焊接支撑墩，2-弱场侧纬环调整垫板，3-弱场侧纬环，4-过度支撑座，5-弱场侧绝缘连接板，6-第一壁结构件模块，7-强场侧焊接支撑墩，8-强场侧纬环调整垫板，9-强场侧绝缘连接板，10-支撑紧固件，11-强场侧纬环，12-热屏蔽件，13-连接压棒，14-连接石墨箔，15-第一壁热沉板，16-热屏蔽件连接紧固件，17-模块连接紧固件。

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1：

本发明设计了一种托卡马克第一壁结构，如图1～5所示。主要包括第一壁结构件和支撑结构部件。

第一壁结构件环向由80组存在结构差异的第一壁结构件模块6构成，第一壁结构件模块6包括：第一壁热沉板15、热屏蔽件12、连接压棒13、连接石墨箔14、热屏蔽件连接紧固件16、模块连接紧固件17。

支撑结构部件包括强场侧支撑组件和弱场侧支撑组件。强场侧支撑组件包括：强场侧焊接支撑墩7、强场侧纬环调整垫板8、强场侧纬环11、强场侧绝缘连接板9和支撑紧固件10；弱场侧支撑组件包括：弱场侧焊接支撑墩1、弱场侧纬环调整垫板2、弱场侧纬环3、弱场侧绝缘连接板5、过度支撑座6和支撑紧固件10。

具体的，所述的第一壁结构件采用模块化设计环向均匀设计80件，本设计所述的新型第一壁结构件模块6数量应与强场侧第一壁和弱场侧第一壁模块数量保持统一或倍数增加，考虑诊断测量、辅助加热、加料与抽气、等离子体位形等空间需求，在第一壁结构件特别是热屏蔽件12与第一壁热沉板15需对应开设适应性孔槽。同时为保证第一壁结构件的结构安全性，在第一壁结构件上还设计有兼容热电偶和Halo电流测量需求的特殊第一壁结构件模块6，可以实时检测第一壁结构件模块载荷情况。为实现以上设计需求，顶部第一壁模块6共设计了44组标准模块和36组特殊模块。

支撑结构部件分别通过10组强场侧纬环11和弱场侧纬环3首尾相接形成两套封闭的圆环形结构，与20件强场侧焊接支撑墩7、20件弱场侧焊接支撑墩1和真空室共同作用具有良好的力学支撑性能。第一壁结构件模块6通过模块连接紧固件17与强场侧纬环11相连，通过模块连接紧固件17、过度支撑座6和支撑紧固件10与弱场侧纬环3相连。此时第一壁结构件与支撑结构部件共同作用，可有效保护第一壁部件与真空室之间的线圈、诊断和测量器件、加热和测量器件、线缆等零部件，保证等离子体高品质和较高参数下运行。

实施例2：

在实施例1基础上，如图3、4、5所示。第一壁结构件模块6包括：第一壁热沉板15、极向多个热屏蔽件12、极向多个连接压棒13、连接石墨箔14、热屏蔽件连接紧固件16、模块连接紧固件17。

所述第一壁热沉板15由S31603不锈钢材料成形机加而成，制造过程要求严格控制相对磁导率不得高于1.04。第一壁热沉板15需综合考虑冷却能力提升需求，第一壁热沉板15厚度设计为15mm，同时第一壁热沉板15上热屏蔽件12安装孔考虑了冷却管位置。预留冷却管允许采用与热沉板相同的材料或铜及铜合金材料，优选的在冷却管连接至真空室内流体输配管网段处的材料应为不锈钢，使用管焊机将冷却管与真空室内流体输配管网预留接头进行焊接。

所述热屏蔽件12由高纯石墨材料构成，热屏蔽件12厚度25mm，并在中间位置开设有15mm通孔作为连接压棒13安装孔使用。所述第一壁结构件模块内的相邻热屏蔽件具有均匀间隙，用于吸收相邻热屏蔽件的热膨胀变形，进一步的该均匀间隙a应满足1mm<a<2mm；所述第一壁结构件相邻模块内的相邻热屏蔽件应同样具有均匀间隙，进一步的该均匀间隙b应满足2mm<b<4mm；

所述热屏蔽件12采用半圆柱形的连接压棒13和热屏蔽件连接紧固件16集成安装至第一壁热沉板15表面，连接压棒13和热屏蔽件连接紧固件16优选材料应与第一壁热沉板15材料保持一致，或应与第一壁热沉板15材料的热膨胀系数尽量一致。

所述热屏蔽件12与第一壁热沉板15之间设计有柔性的连接石墨箔14，进一步的该连接石墨箔14优先厚度h应满足0.35mm<h<1mm；热屏蔽件连接紧固件16在高温载荷条件下应设有足够的预紧力，为此热屏蔽件连接紧固件16中的垫圈结构采用了碟形弹簧，以保证在高温载荷下热屏蔽件与第一壁热沉板之间仍保持良好的接触传热能力。

实施例3：

在实施例2的基础上，如图2所示。所述的强场侧焊接支撑墩7和弱场侧焊接支撑墩1采用高温合金材料，优选的焊接支撑墩材料在保证强度需求的情况下应与真空室材料保持一致。强场侧焊接支撑墩7和弱场侧焊接支撑墩1分别设计有20件，使用氩弧焊方式环向均匀焊接至真空室顶部区域，进一步的焊缝强度不应小于焊接支撑墩结构的强度。

强场侧纬环11与弱场侧纬环3环向均匀设计10件并交错分布，强场侧纬环11与强场侧焊接支撑墩7之间轴向与径向设计有5mm厚强场侧纬环调整垫板8，弱场侧纬环3与强场侧焊接支撑墩1之间轴向与径向设计有5mm厚弱场侧纬环调整垫板2，通过调整垫板作用保证强、弱场侧纬环位置精度可以调节。与此同时强场侧纬环11与弱场侧纬环3兼容原始焊接螺柱设计有安装孔，因此纬环长度不宜过长，原始焊接螺柱可同时对强场侧纬环11与弱场侧纬环3进行粗定位。

强场侧纬环11与第一壁结构件模块6之间设计有5mm调整垫板，可对第一壁结构件模块6的安装位置进行精调；弱场侧纬环3通过过度支撑座4与第一壁结构件模块6进行连接，进一步的过度支撑座4同样可对第一壁结构件模块的位置进行精调，以保证相邻模块间第一壁热屏蔽件12的间隙均匀，第一壁热屏蔽件12整体轮廓度保证在2mm以内。

优选的相邻强场侧纬环11之间设计有强场侧绝缘连接板9，相邻弱场侧纬环3之间设计有弱场侧绝缘连接板5，绝缘连接板采用聚酰亚胺材质，通过环向设计绝缘连接板可以增大第一壁部件整体环向电阻。

本发明实施例提供的一种托卡马克第一壁结构，在装配时，可以按照以下步骤进行：

1.首先需要完成第一壁结构件模块6的装配，第一壁结构件模块6装配需要在特定装配平台场地进行，参考图3～图5进行描述。第一壁热沉板15结构上设计有热屏蔽件12安装连接孔，热屏蔽件12内穿入连接压棒13，热屏蔽件12与第一壁热沉板15之间预装0.38mm连接石墨箔14，使用热屏蔽件连接紧固件16将一组热屏蔽件12与第一壁热沉板15进行连接并预紧。按照以上装配关系依次沿极向完成热13件屏蔽件12的装配，同时保证相邻热屏蔽件12之间的间隙均匀，其中极向第1件与第11件在第一壁结构件模块6装配完成后进行拆卸，准备开展第一壁结构件模块6整体安装。

2.第一壁结构件模块6整体安装之前需要对支撑结构部件进行定位和安装，支撑结构部件的焊接和安装参考图1和图2进行描述。支撑结构部件在强场侧和弱场侧环向均匀分布10组并交错排列，首先将强场侧焊接支撑墩7和弱场侧焊接支撑墩1定位焊接至真空室内壁，强场侧纬环11与弱场侧支撑纬环3环向均匀设计10件并交错分布，使用支撑紧固件10将强场侧纬环11、强场侧纬环调整垫板8与强场侧焊接支撑墩7进行连接，使用支撑紧固件10将弱场侧纬环3、弱场侧纬环调整垫板2与弱场侧焊接支撑墩1进行连接，安装完成后根据10组强场侧纬环11和弱场侧纬环3之间的间隙配装强场侧绝缘连接板9和弱场侧绝缘连接板5，最后使用支撑紧固件10分别连接固定10组强场侧纬环11和10组弱场侧纬环3。在强场侧纬环11和弱场侧纬环3安装精度满足设计要求后安装80件过度支撑座4，以上使用的支撑紧固件10使用的垫圈均为防松垫圈，以防止第一壁支撑结构部件在高热负荷条件下支撑紧固件10松脱造成较大安全隐患。

3.在完成支撑结构部件进行定位安装和80件第一壁结构件模块6的装配后，进行80件第一壁结构件模块6的安装，参考图1～图5进行描述。第一壁结构件模块6的安装期间，第一壁结构件模块6上的极向第1件和第11件热屏蔽件12已进行预安装并拆卸，使用吊装工装将第一壁结构件模块6缓慢安装就位后，使用模块连接紧固件17将第一壁结构件模块6与强场侧纬环11和过度支撑座4进行连接。强场侧纬环11与第一壁结构件模块6之间安装有5mm调整垫板，可对第一壁结构件模块6的安装位置进行精调；弱场侧纬环3通过过度支撑座4与第一壁结构件模块6进行连接，过度支撑座4同样可对第一壁结构件模块6的位置进行精调，以保证相邻模块间热屏蔽件的间隙均匀，热屏蔽件整体轮廓度保证在2mm以内。在完成第一壁结构件模块6的安装后对剩余拆卸位置的热屏蔽件12进行安装。至此本发明所设计的一种托卡马克第一壁结构全部安装完成。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和优化，这些改进和优化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种托卡马克第一壁结构，其特征在于：

所述的托卡马克第一壁结构包括第一壁结构件和支撑结构部件；

所述的第一壁结构件环向由80组存在结构差异的第一壁结构件模块构成，第一壁结构件模块包括：第一壁热沉板、热屏蔽件、连接压棒、连接石墨箔；

所述的支撑结构部件包括：强场侧焊接支撑墩、强场侧纬环调整垫板、强场侧纬环、强场侧绝缘连接板；弱场侧焊接支撑墩、弱场侧纬环调整垫板、弱场侧纬环、弱场侧绝缘连接板、过度支撑座；

所述的第一壁结构件采用模块化设计，通过焊接支撑墩将模块化的强、弱场侧支撑组件集成安装至真空室顶部区域，第一壁结构件通过支撑结构部件连接集成后形成托卡马克第一壁结构，通过对第一壁结构件模块适应性开孔或更换以满足未来诊断、加热、物理、工程功能要求；

强场侧纬环与弱场侧纬环环向均匀设计10件并交错分布，强场侧纬环与强场侧焊接支撑墩之间轴向与径向设计有强场侧纬环调整垫板，弱场侧纬环与弱场侧焊接支撑墩之间轴向与径向设计有弱场侧纬环调整垫板，弱场侧纬环通过过度支撑座与第一壁结构件模块进行连接，强场侧纬环与第一壁结构件模块之间设计有强场侧纬环调整垫板，相邻强场侧纬环之间设计有强场侧绝缘连接板，相邻弱场侧纬环之间设计有弱场侧绝缘连接板，第一壁热沉板结构上设计有热屏蔽件安装连接孔，热屏蔽件内穿入连接压棒，热屏蔽件与第一壁热沉板之间预装连接石墨箔，使用热屏蔽件连接紧固件将一组热屏蔽件与第一壁热沉板进行连接并预紧。

2.如权利要求1所述的一种托卡马克第一壁结构，其特征在于所述第一壁热沉板由不锈钢材料成形机加而成，第一壁热沉板厚度15mm，第一壁热沉板结构预留有冷却管或冷却通路空间，以实现未来托卡马克第一壁结构的冷却能力提升。

3.如权利要求1所述的一种托卡马克第一壁结构，其特征在于所述热屏蔽件由高纯石墨材料构成，热屏蔽件厚度25mm，并在中间位置开设有15mm通孔；所述第一壁结构件模块内的相邻热屏蔽件具有均匀间隙，进一步的该均匀间隙a满足1mm<a<2mm；所述第一壁结构件相邻模块内的相邻热屏蔽件应同样具有均匀间隙，进一步的该均匀间隙b满足2mm<b<4mm；以满足高热负荷冲击要求并不会轻易被等离子体破坏。

4.如权利要求1所述的一种托卡马克第一壁结构，其特征在于所述热屏蔽件采用半圆柱形的连接压棒和连接紧固件集成安装至第一壁热沉板表面；所述热屏蔽件与第一壁热沉板之间设计有柔性的连接石墨箔，该连接石墨箔厚度h满足0.35mm<h<1mm；连接紧固件与第一壁热沉板之间采用碟形弹簧，以满足超高真空条件下传热要求，提升托卡马克第一壁结构的传热能力。

5.如权利要求1所述的一种托卡马克第一壁结构，其特征在于所述的支撑结构部件同样采用模块化设计；

强场侧焊接支撑墩和弱场侧焊接支撑墩采用高温合金材料，强场侧焊接支撑墩和弱场侧焊接支撑墩使用氩弧焊方式环向均匀焊接至真空室顶部区域；强场侧纬环与弱场侧纬环环向均匀排列并交错分布，强场侧纬环与强场侧焊剂支撑墩之间环向与径向设计有强场侧纬环调整垫板，弱场侧纬环与弱场侧焊接支撑墩之间环向与径向设计有弱场侧纬环调整垫板；强场侧纬环与第一壁结构件模块之间同样设计有强场侧纬环调整垫板，弱场侧纬环通过过度支撑座与第一壁结构件模块进行连接，以保证相邻模块间热屏蔽件的间隙均匀，热屏蔽件整体轮廓度保证在2mm以内，以满足第一壁与等离子体相互作用所产生的杂质控制要求。

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