CN115762815A - 一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，第一壁结构用于弱场侧区域，包括第一壁模块主体和过渡支撑；第一壁模块主体包括固定在一起的可拆卸的石墨层、石墨箔、背板，石墨箔固定于石墨层与背板之间；背板固定连接过渡支撑，过渡支撑安装在真空室内壁上，真空室内的内部件安装在过渡支撑与真空室内壁之间的空间中。本发明将石墨模块化设计与背板作为整体安装在过渡支撑上，不需要在狭小的真空室空间内安装，降低了安装难度，也降低了降低石墨的安装定位难度。方便了第一壁模块主体的安装、拆卸以及后续的维护。其他内部件不是安装石墨内，降低了制作成本，内部件的可调节性较强，能满足许多内部诊断系统的灵活调节需求。

Description

一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变装置真空室保护技术领域，具体涉及一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构。

背景技术

真空室作为托卡马克装置的三大主机部件之一，其承担着为超高温等离子体提供稳定的反应空间的重任。真空室内壁布置有大量内部件以保证装置正确运行，在装置运行时芯部将会有大量高温粒子向外围扩散，若不对这些内部件及真空室进行保护或保护效果不好，高温粒子将会对内部件及真空室造成损坏。故而，需要在内部件与高温等离子体之间设置一层效果良好的第一壁，第一壁将直面高温等离子体，吸收来自装置芯部的高热流负载，对真空室内壁及其它内部部件进行保护。

托卡马克装置第一壁的冷却方式主要有主动冷却和被动冷却，对于大多数托卡马克实验装置而言，大多数第一壁区域，特别是弱场侧窗口附近等区域，由于其热流负载较低(＜0.35MW/m²)，空间较狭窄，不适合采用结构工艺难度大、流体管道布局复杂、安装和维护困难的主动冷却方式。当前，托卡马克装置的碳基第一壁在较低热流密度区域采用的设计一般为：将石墨与直接焊接在真空室内壁上的螺柱相连从而固定于真空室内壁，而将真空室其它内部件隐藏在内部凿空的石墨块中。石墨块的这种安装方式在其它内部件进行更换、升级、维护时，需要先拆卸石墨，这就增加了第一壁损坏的可能性，增加维护周期。而将真空室内的其它内部件隐藏在内部凿空的石墨块中，一方面，由于其它内部件被石墨覆盖，不具有灵活调节性或可调节性较弱，不能满足许多内部诊断系统的灵活调节需求；另一方面，石墨需要充足的厚度余量以保证能充分覆盖其它内部件，且内部凿空的浪费量大，不同位置的石墨块加工方式及形式不同，石墨加工难度较大；同时，石墨块的安装是在真空室狭小的空间内完成的，基于不同位置的石墨块的形式不同，就大大增加了石墨块的安装难度，装在石墨块中的其他内部件的安装以及后期维护难度也较大。

故而，针对低热流负载第一壁区域，设计一种易于安装及维护，同时满足其它内部件能够方便安装和维护的第一壁结构是非常有必要的。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，将石墨模块化设计与背板作为整体安装在过渡支撑上，不需要在狭小的真空室空间内安装，降低了安装难度，也降低了石墨的安装定位难度，方便第一壁模块主体的安装、拆卸以及后续的维护。其他内部件不是安装于石墨内，降低了制作成本，内部件的可调节性较强，能满足许多内部诊断系统灵活调节的需求。

本发明的目的在于提供一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，所述第一壁结构用于弱场侧区域，包括第一壁模块主体和过渡支撑；

所述第一壁模块主体包括固定在一起的可拆卸的石墨层、石墨箔、背板，所述石墨箔固定于所述石墨层与所述背板之间；

所述背板固定连接所述过渡支撑，所述过渡支撑安装在真空室内壁上，真空室内的内部件安装在所述过渡支撑与真空室内壁之间的空间中。

在一可选的实施例中，所述石墨层由多个石墨瓦排列形成，各个石墨瓦上开设有贯穿的环向通孔以及垂直于石墨瓦表面的螺钉通孔；

所述石墨层、石墨箔、背板之间通过压棒连接组件连接在一起；

所述压棒连接组件包括压棒、压棒螺钉、压棒螺纹孔，所述压棒螺纹孔开设在所述压棒上，所述压棒可插入所述环向通孔以连接并列布置的至少两个石墨瓦，所述压棒螺钉依次穿过背板、石墨箔、螺钉通孔与所述压棒螺纹孔连接。

在一可选的实施例中，所述石墨层位于两端的石墨瓦上开设有固定螺钉穿过孔，所述过渡支撑上设有固定孔，固定螺钉依次穿过所述固定螺钉穿过孔、背板与所述固定孔连接。

在一可选的实施例中，所述过渡支撑包括桥面、支脚、侧板，各所述侧板的两端分别对应设置一个支脚，两个侧板位于桥面的两侧，所述固定孔设置在所述桥面上，所述桥面的环向宽度小于所述背板的环向宽度且大于背板环向宽度的一半，所述支脚上设有安装孔以与真空室内壁或真空室法兰固定连接。

在一可选的实施例中，所述侧板朝所述桥面与背板固定的一面倾斜形成90°～180°的夹角。

在一可选的实施例中，所述侧板朝所述桥面与背板固定的一面倾斜形成120°～155°的夹角。

在一可选的实施例中，所述桥面上设有多个方孔，所述多个方孔的总面积大于所述过渡支撑总面积的60％、小于过渡支撑总面积的95％。

在一可选的实施例中，位于石墨层极向两端的石墨瓦(1)与对应相邻的石墨瓦(1)之间具有小于180°的夹角以形成折角，所述背板(2)的极向两端向内弯折形成与所述折角的角度相同的夹角，所述过渡支撑(3)与所述背板(2)的结构相适应以使所述背板(2)与过渡支撑(3)的桥面(34)相贴合。在一可选的实施例中，所述侧板两端部的板宽大于中部的板宽，所述支脚与所述真空室法兰之间设有调节垫块，所述调节垫块采用绝缘材料或无氧铜材料。

在一可选的实施例中，所述第一壁结构的安装方法为：

在真空室法兰或真空室内壁上安装焊接螺柱，将过渡支撑安装于焊接螺柱上；

组装第一壁模块主体；

将第一壁模块主体安装于过渡支撑上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例提供的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，将石墨模块化设计与背板作为整体安装在过渡支撑上，再将过渡支撑安装在真空室内壁，可以在真空室外组装石墨，不需要在狭小的真空室空间内安装，大大降低了安装难度。

而由于过渡支撑预先安装在真空室内，且石墨也是预先精确定位在背板上，就不需要在真空室内依次对各个安装的石墨进行精确定位，降低石墨的安装定位难度。

石墨层、石墨箔、背板的可拆卸固定连接，方便了第一壁模块主体的安装、拆卸以及后续的维护；采用石墨箔改善石墨与背板的接触，提高被动传热效果，使得第一壁具有良好的排热能力，结构简单、易于安装和维护。

真空室内的其他内部件安装在过渡支撑与真空室内壁之间的空间中，不需要对石墨进行凿空，也不需要设计不同形式的石墨块来安装内部件，降低了制作成本，也降低了内部件的安装和维护难度，内部件也不会被石墨块完全覆盖，具有灵活调节性，可调节性较强，能满足许多内部诊断系统灵活调节的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构的示意图；

图2为本发明的第一壁结构安装在真空室内时的结构示意图；

图3为本发明的过渡支撑的结构示意图；

图4为本发明压棒连接组件以及石墨层和背板相配合的结构示意图；

图中的各部件及对应的标记为：

1.石墨瓦；2.背板；3.过渡支撑；4.真空室；5.内部件；6.石墨箔，11.螺钉通孔，12.环向通孔；13.固定螺钉穿过孔；14.压棒；15.压棒螺钉；16.倒角；17.压棒螺纹孔；31.支脚；32.安装孔；33.加强肋；34.桥面；35.方孔；36.固定孔；41.法兰；42.焊接螺柱；43.调节垫块。

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。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

实施例1：

如图1～4所示，一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，包括第一壁模块主体、过渡支撑3。

第一壁模块主体由石墨层、石墨箔6、背板2组成，石墨箔6设置于所述石墨层与所述背板2之间作为过渡层，石墨箔6形状轮廓与石墨瓦1背向等离子体面相似。石墨层、石墨箔6以及背板2可拆卸固定连接在一起；背板2固定连接所述过渡支撑3，所述过渡支撑3固定安装在真空室4内壁或法兰41上，真空室4内的其它内部件5安装在所述过渡支撑3与真空室4内壁之间的空间中。

本发明实施例中，可以先将过渡支撑3安装在真空室4内壁，然后将第一壁模块主体设计为采用可拆卸固定连接的方式预先组装为一种整体再安装在过渡支撑3上，这样就可以在真空室4外组装石墨，不需要在狭小的真空室4空间内安装，大大降低了安装难度。

过渡支撑3预先安装在真空室4内，可以预先进行精确定位安装，然后只需要将已经精确安装有石墨的第一壁模块主体安装在预先定位好的过渡支撑3上，不需要在真空室4内依次对各个安装的石墨进行精确定位，降低石墨的安装定位，也降低了第一壁模块主体整体的精确定位安装难度。

石墨层、石墨箔6、背板2的可拆卸固定连接，从而石墨层、石墨箔6以及背板2作为整体的模块化设计，方便了第一壁模块主体的安装、拆卸以及后续的维护；采用石墨箔6改善石墨与背板2的接触，提高被动传热效果，使得第一壁具有良好的排热能力，结构简单、易于安装和维护。

真空室4内的其他内部件5安装在过渡支撑3与真空室4内壁之间的空间中，不需要对石墨进行凿空，也不需要设计不同形式的石墨块来安装内部件5，降低了制作成本，也降低了内部件5的安装和维护难度，内部件5也不会被石墨块覆盖，具有灵活调节性，可调节性较强，能满足许多内部诊断系统的灵活调节需求。

进一步地，所述石墨层面向等离子体面的整体轮廓在极向上应与装置的等离子体运行位形相匹配，环向上尽量处于同一平面，石墨层由多个大小尺寸不同、厚度一致的高纯石墨瓦1，按一定规则排列组成，如图1、4所示，可以沿环向排列成为两列，石墨瓦1的外形可参照具体位置的空间情况灵活选择。石墨瓦1的灰分＜50ppm，两个相邻石墨瓦1间具有安装间隙，可为1～2mm之间。

各个石墨瓦1上均有相同直径的环向通孔12，还具有2个垂直其表面的螺钉通孔11，螺钉通孔11的轴线与环向通孔12的轴线相交，且螺钉通孔11的直径应小于环向通孔12的半径。

石墨层、石墨箔6、背板2之间通过压棒连接组件连接在一起；

所述压棒连接组件包括压棒14、压棒螺钉15、压棒螺纹孔17，压棒14为半圆柱型，所述压棒螺纹孔17开设在所述压棒14上，压棒螺纹孔17沿压棒14的半径方向开设，压棒螺纹孔17的位置及直径分别与石墨瓦1上的2个螺钉通孔11匹配，螺钉通孔11的直径小于环向通孔12的半径，压棒14环向置入所述石墨瓦1的环向通孔12中，以连接并列放置的两个石墨瓦1。压棒螺钉15可依次穿过背板2、石墨箔6、螺钉通孔11与压棒14上的压棒螺纹孔17连接，从而可以将背板2、石墨箔6、石墨层组装连接在一起。而在石墨层位于两端的石墨瓦1上设有固定螺钉穿过孔13，在过渡支撑3上设有固定孔36，固定螺钉依次穿过所述固定螺钉穿过孔13、石墨箔6、背板2与所述固定孔36连接，以此将第一壁模块主体固定在过渡支撑3上。其中压棒螺钉15采用双层防松垫片进行防松。

本发明实施例中采用全螺钉的连接方式，将第一壁的安装分为3个独立阶段，使得第一壁模块主体可在真空室4外完成安装和拆卸，全部采用正面固定的形式。

进一步地，过渡支撑3整体呈“立交桥”形状，包括桥面34、支脚31、侧板，具有四个支脚31，4个支脚31呈对称分布，其连线呈矩形，所述支脚31上具有安装孔32，用来与焊接螺柱42相配合，安装孔32可以为腰形通孔。而焊接螺柱42是通过螺柱焊方式焊接到真空室4法兰41边沿，也可将所述焊接螺柱42直接焊接到真空室4内壁，从而过渡支撑通过螺母和焊接螺柱42固定于真空室4内壁或法兰41的边沿。焊接螺柱42的焊接位置优选为法兰41的四个平滑倒角16处(在位于石墨层环向两侧的石墨瓦1的棱斜切形成45°倒边，所述倒边的尺寸应大于2mm，小于石墨瓦1厚度的1/2，所述倒边可以由倒角16代替)，安装孔32的直径较焊接螺柱42的直径大。各所述侧板的两端分别对应设置一个支脚31，各支脚31与侧板可以一体成型，两个侧板位于桥面34的两侧，固定孔36设置在所述桥面34上，固定孔36的直径及位置与背板2上的通孔的直径及位置相匹配。桥面34的环向宽度小于所述背板2的环向宽度且大于背板2环向宽度的一半，以安装背板2，优选地为3/4第一壁模块主体的环向宽度。

侧板朝所述桥面34与背板2固定的一面倾斜形成90°～180°的侧面折叠角度，优选地为120°～155°的夹角，更优选地为155°的夹角，设置侧面的折叠角度为了满足内部件及诊断系统在安装过程中的观察需要，提高安装精度以及便易性。侧板两端部的板宽大于中部的板宽，形成类似于挖空的结构，不但可以减轻整体的重量，还为内部件及诊断系统在安装过程中的观察提供了方便。

在桥面34上还设有多个方孔35，各方孔35位于桥面34的中部，方孔35可以为不同尺寸，如图3中所示，方孔35在结构强度满足的情况下可以尽量加大尺寸，这样可以提高背板2通过热辐射传热到真空室4内壁的效率，同时也可以降低整体的重量，优选地，方孔35的面积大于所述过渡支撑3总面积的60％、小于过渡支撑3总面积的95％。

位于石墨层极向两端的石墨瓦1与对应相邻的石墨瓦1形成折角，折角小于180°，背板2整体形状与所述石墨层一致，可按具体设计需要对背板2的极向延伸进行折弯，从而背板2的极向两端向内倾斜形成与石墨层的折角角度相同的夹角，背板2极向上的折弯可直接分割成两块乃至多块。而所述过渡支撑3的桥面34在环向上应与背板2保持角度一致，极向上应在同一平面，使过渡支撑3与背板2的结构相适应以使所述背板2与过渡支撑3的桥面34相贴合。从而过渡支撑3整体形成“立交桥”式结构，这种结构可以在本就狭窄的第一壁及真空室4内壁之间，大幅度节约出可利用的“桥下”空间，为其它真空室内部件5如电磁测量线圈、辉光电极、工程测量等，提供了更充足的布局、安装、诊断、维护等操作所需的空间资源。

第一壁结构还包括调节垫块43，所述调节垫块43位于所述支脚31及真空室4法兰41之间。调节垫块43可通过其他内部件安装的实际情况灵活选择轮廓和厚度，通过调节垫块43的尺寸和厚度保证过渡支撑3的安装精度。调节垫块43根据诊断、测量等需求可采用绝缘材料或无氧铜材料。

另外，在桥面34与所述支脚31之间具有加强肋33，其厚度与桥面34厚度一致，加强肋33可根据过渡支撑3的强度需求增加或删除。

本发明实施例的第一壁结构的安装顺序为：

第一步，将焊接螺柱42焊接于法兰41边沿或真空室4内壁，并将过渡支撑33安装于焊接螺柱42上；

第二步，组装第一壁模块主体；

第三步，将第一壁模块主体安装于过渡支撑33上。

其中，第一步和第二步顺序可交换。

在托卡马克装置运行时，本发明实施例的第一壁石墨将不断受到芯部高热负荷的打击，石墨将热量传递给石墨箔6和背板2，再由背板2通过调节垫块43传递给真空室4内壁或直接通过热辐射传递给真空室4内壁，再由真空室4内壁中的冷却剂带走热量，达到第一壁排热的目的，同时，第一壁将限制等离子体进一步外扩，对真空室4低于石墨层的其它内部件和真空室4进行保护。

本发明实施例的第一壁在材料可承受工作温度范围内，能冷却0.35MW/m²以上的热流。

本发明中所述的“极向”是指总模块的长度方向，“环向”是指总模块的宽度方向。

本发明实施例提供的第一壁结构不限制其零部件及整体结构形状，可根据其在真空室4内应用地点的空间环境和诊断需求，灵活的设计“立交桥”的形状及石墨瓦1的大小和外形轮廓。

本发明采用全螺钉连接方式，将第一壁安装分为3个独立阶段，使得第一壁模块主体可在真空室4外完成安装和拆卸，全部采用正面固定的形式。采用石墨箔6改善石墨与背板2的接触，提高被动传热效果，使得第一壁具有不错的排热能力，结构简单、易于安装和维护。

利用“立交桥式”设计，在本就狭窄的第一壁及真空室4内壁之间，大幅度节约出可利用的“桥下”空间，为其它真空室4内部件如电磁测量线圈、辉光电极、工程测量等，提供了更充足的布局、安装、诊断、维护等操作所需的空间资源。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述第一壁结构用于弱场侧区域，包括第一壁模块主体和过渡支撑(3)；

所述第一壁模块主体包括固定在一起的可拆卸的石墨层、石墨箔(6)、背板(2)，所述石墨箔(6)固定于所述石墨层与所述背板(2)之间；

所述背板(2)固定连接所述过渡支撑(3)，所述过渡支撑(3)安装在真空室(4)内壁上，真空室(4)内的内部件(5)安装在所述过渡支撑(3)与真空室(4)内壁之间的空间中。

2.根据权利要求1所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述石墨层由多个石墨瓦(1)排列形成，各个石墨瓦(1)上开设有贯穿的环向通孔(12)以及垂直于石墨瓦(1)表面的螺钉通孔(11)；

所述石墨层、石墨箔(6)、背板(2)之间通过压棒连接组件连接在一起；

所述压棒连接组件包括压棒(14)、压棒螺钉(15)、压棒螺纹孔(17)，所述压棒螺纹孔(17)开设在所述压棒(14)上，所述压棒(14)可插入所述环向通孔(12)以连接并列布置的至少两个石墨瓦(1)，所述压棒螺钉(15)依次穿过背板(2)、石墨箔(6)、螺钉通孔(11)与所述压棒螺纹孔(17)连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述石墨层位于两端的石墨瓦(1)上开设有固定螺钉穿过孔(13)，所述过渡支撑(3)上设有固定孔(36)，固定螺钉依次穿过所述固定螺钉穿过孔(13)、背板(2)与所述固定孔(36)连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述过渡支撑(3)包括桥面(34)、支脚(31)、侧板，各所述侧板的两端分别对应设置一个支脚(31)，两个侧板位于桥面(34)的两侧，所述固定孔(36)设置在所述桥面(34)上，所述桥面(34)的环向宽度小于所述背板(2)的环向宽度且大于背板(2)环向宽度的一半，所述支脚(31)上设有安装孔(32)以与真空室(4)内壁或真空室(4)法兰(41)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述侧板朝所述桥面(34)与背板(2)固定的一面倾斜形成90°～180°的夹角。

6.根据权利要求4所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述侧板朝所述桥面(34)与背板(2)固定的一面倾斜形成120°～155°的夹角。

7.根据权利要求4所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述桥面(34)上设有多个方孔(35)，所述多个方孔(35)的总面积大于所述过渡支撑(3)总面积的60％、小于过渡支撑(3)总面积的95％。

8.根据权利要求4所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于位于石墨层极向两端的石墨瓦(1)与对应相邻的石墨瓦(1)之间具有小于180°的夹角以形成折角，所述背板(2)的极向两端向内弯折形成与所述折角的角度相同的夹角，所述过渡支撑(3)与所述背板(2)的结构相适应以使所述背板(2)与过渡支撑(3)的桥面(34)相贴合。

9.根据权利要求8所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述侧板两端部的板宽大于中部的板宽，所述支脚(31)与所述真空室(4)法兰(41)之间设有调节垫块(43)，所述调节垫块(43)采用绝缘材料或无氧铜材料。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种用于托卡马克真空室内的第一壁结构，其特征在于，所述第一壁结构的安装方法为：

在真空室(4)法兰(41)或真空室(4)内壁上安装焊接螺柱(42)，将过渡支撑(3)安装于焊接螺柱(42)上；

组装第一壁模块主体；

将第一壁模块主体安装于过渡支撑(3)上。

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