CN115188498A - 一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构 - Google Patents

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卯鑫
彭学兵
陆坤
宋伟
刘鹏
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Abstract

本发明提出一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构，由多个内部流道相同但外形几何尺寸相异的平板结构，通过多个同轴管及数个管道极向排列串联而成。冷却剂通过同轴管的交互作用，流过内部通道将各平板结构冷却。这种限制器布置形式，可有效降低平板之间因装配误差造成的局部热负荷过大效应，减少高能粒子轰击冷却管道的可能性，提高限制器表面承受热负荷能力，具有简单、可靠、稳定等优点。

Description

一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构
技术领域
本发明涉及托卡马克装置限制器技术领域，主要涉及一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构。
背景技术
核聚变能具有资源丰富、无碳排放、安全等优点，是构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要途径。目前，托卡马克被认为是能够率先实现可控核聚变应用的方式之一。在托卡马克中，限制器是深入到真空室内并直接接触高温等离子体的部件，其主要作用是限制等离子体位形、承载等离子体热流及高能粒子、保护真空室及其内部件。限制器主要由面向等离子体部件、支撑固定结构等组成。目前，聚变装置内限制器的面向等离子体部件多为螺栓连接式石墨瓦结构，其最大承受稳态热负荷能力约为2MW/m2。随着物理实验中放电参数的提高，限制器的冷却性能已无法满足实验的要求，在限制器上出现明显的“热斑”，最终导致石墨瓦的烧蚀、破损等问题。随着钨偏滤器技术的发展，国际热核聚变实验堆ITER穿管结构的钨偏滤器具备承受稳态热负荷10MW/m2的能力，逐渐被引入到限制器的设计中。但是，现有穿管结构钨限制器设计中面临的主要问题是：1)工艺复杂、制造周期长、成本高；2)限制器由环向的多个串组装而成，托卡马克中环向上的磁力线与每个串垂直，这使得串与串之间的缝隙和安装精度控制要求高，当相邻两块钨串之间存在径向上的梯度时，凸出来的穿管结构的边缘将承受极高的平行热流，导致局部过热甚至材料熔化，称之为边缘效应。钨熔化直接影响面对等离子体材料与部件使用寿命，并且熔化的钨杂质溅射到等离子体中，会使得等离子体放电破裂比例上升，影响等离子体运行安全。
发明内容
本发明公开的限制器，主要针对上述问题进行改善。在提高热负荷性能方面，以钨作为面向等离子体材料，采用技术成熟的平板结构，在必要的情况下，在流道内增加超汽化翅片结构以提高换热性能。空间布局上，采用串在极向上的布置，使得每个串与托卡马克环向上的磁力线平行，这样可以有效避免串与串之间的安装精度问题而导致的边缘效应。同时，为了简化管道的布局和避免管道受到高温等离子体的作用，采用同轴管将管道布置于串的中间位置并实现各个串之间冷却通道的互联。通过这些设计，可以使得限制器在满足热负荷承受能力，同时有效的降低成本、制造周期及安装难度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
所述平板限制器结构由多个平板结构排布构成；多个所述平板结构的内部流道结构相同但外形几何尺寸相异；其中，单个所述平板结构包括钨片、铜过渡层、CuCrZr层、不锈钢层、同轴管和盖板；所述钨片为面向等离子体表面材料；相对于环向等离子体运行方向，多个所述平板结构极向排列，且多个所述平板结构通过多个所述同轴管及数个连接管道串联连接，所述连接管道设置于相邻平板结构之间，并且其上下两端分别连接相邻平板结构的同轴管。
进一步的，单个所述平板结构中的同轴管包括内管和外管，所述CuCrZr层和不锈钢层中之间形成冷却通道，且该冷却通道分别与所述内管、以及所述外管和内管之间的区域连通。
进一步的，极向排列的多个平板结构的首端为首部平板结构，尾端为尾部平板结构，所述首部平板结构包括输入管道与其同轴管相连，所述尾部平板结构包括输出管道与其同轴管相连；
其中，从所述输入管道流入的冷却剂流经首部平板结构的内管后流入其冷却通道，而后流入其外管和内管之间的区域，然后通过连接管道流入相邻平板结构同轴管的内管，经过多次这样的冷却循环后，冷却剂从尾部平板结构的输出管道流出。
进一步的，所述输入管道设于所述首部平板结构的同轴管的一侧；
所述输出管道设于所述尾部平板结构的同轴管的一侧。
进一步的，所述多个平板结构为26个平板结构。
本发明中，同轴管为不锈钢材质，与盖板、不锈钢层通过氩弧焊固接；CuCrZr层与不锈钢层通过爆炸焊固接；通过铸造将铜过渡层与钨片固接后，又经钎焊将铜过渡层与CuCrZr层固接。相对于可能的环向等离子体运行方向，限制器中多个平板结构极向布置，可有效避免平板之间装配误差造成的局部热负荷过大效应。
本发明具有以下有益效果：
1)构成限制器的多个平板结构呈极向布置，可有效避免平板之间因装配误差造成的局部热负荷过大效应。
2)与将冷却管道布置于限制器背面两侧相比，利用同轴管将进出冷却管道集成于平板结构背面中间，可有效避免高能粒子的轰击。
3)利用平板结构构成的限制器，其内部流道面向等离子体一侧，若采用超汽化翅片结构，可进一步提高限制器面向等离子体表面承受热负荷的能力。
4)该限制器结构具有简单、可靠、稳定等优点。
附图说明
图1为该限制器结构示意图；
图2为图1中I区放大图；
图3为图2的中间截面示意图；
图4为图3中A-A处剖视图；
图5为图3中B-B处剖视图。
附图中序号说明：1-输入管道，2-输出管道，3-钨片，4-铜过渡层，5-CuCrZr层，6-不锈钢层，7-同轴管，7-1-内管，7-2-外管，8-第一连接管道，9-盖板，10-第二连接管道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见附图1和2，一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构，由26个内部流道相同但外形几何尺寸相异的平板结构II，通过26个同轴管7及数个第一连接管道8或第二连接管道10极向排列串联而成。所述极向方向即为图1中的竖直方向，平板结构为横着的结构，26个平板结构极向连续布置而成。
单个平板结构II由钨片3(面向等离子体表面材料)、铜过渡层4、CuCrZr层5、不锈钢层6、输入管道1、同轴管7、第一连接管道8和盖板组成。其中，同轴管7为不锈钢材质，与盖板、不锈钢层6通过氩弧焊固接；CuCrZr层5与不锈钢层6通过爆炸焊固接；通过铸造将铜过渡层4与钨片3固接后，通过钎焊将铜过渡层4与CuCrZr层5固接。其它25个平板结构的材料层次结构组成与平板结构II完全相同，如与平板结构II相邻的平板结构。
托卡马克装置中，等离子体在磁场的作用下呈一定方向运动，如图1-5所示，相对于可能的环向等离子体运行方向，限制器中26个平板结构极向布置，可有效避免平板之间装配误差造成的局部热负荷过大效应。
同轴管7包括内管7-1和外管7-2，对于平板结构II，冷却剂从输入管道1流入后经同轴管7的内管7-1，流入CuCrZr层5和不锈钢层6中的冷却通道，经循环后流入同轴管7的外管7-2和内管7-1之间的区域，最后通过第一连接管道8流入相邻平板结构同轴管7的内管中。经相邻平板结构冷却循环后通过第二连接管道10又流入下一个平板结构，这样，经过多次的冷却循环后，最终，从输出管道2流出。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构，其特征在于：
所述平板限制器结构由多个平板结构排布构成，多个所述平板结构的内部流道结构相同但外形几何尺寸相异，其中，单个所述平板结构包括钨片、铜过渡层、CuCrZr层、不锈钢层、同轴管和盖板，钨片为面向等离子体表面材料；相对于环向等离子体运行方向，多个所述平板结构极向排列，且多个所述平板结构通过多个所述同轴管及数个连接管道串联连接，所述连接管道设置于相邻平板结构之间，并且其上下两端分别连接相邻平板结构的同轴管。
2.根据权利要求1所述的一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构，其特征在于：
单个所述平板结构中的同轴管包括内管和外管，所述CuCrZr层和不锈钢层中之间形成冷却通道，且该冷却通道分别与所述内管、以及所述外管和内管之间的区域连通。
3.根据权利要求2所述的一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构，其特征在于：
极向排列的多个平板结构的首端为首部平板结构，尾端为尾部平板结构，所述首部平板结构包括输入管道与其同轴管相连，所述尾部平板结构包括输出管道与其同轴管相连；
其中，从所述输入管道流入的冷却剂流经首部平板结构的内管后流入其冷却通道，而后流入其外管和内管之间的区域，然后通过连接管道流入相邻平板结构同轴管的内管，经过多次这样的冷却循环后，冷却剂从尾部平板结构的输出管道流出。
4.根据权利要求3所述的一种适用于托卡马克装置的极向布置的平板限制器结构，其特征在于：
所述输入管道设于所述首部平板结构的同轴管的一侧；
所述输出管道设于所述尾部平板结构的同轴管的一侧。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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