CN116635621A - 面向等离子体的部件的冷却 - Google Patents
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Abstract
一种用于等离子体室的面向等离子体的部件包括：面向等离子体的目标表面；入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体；以及多个内部的冷却通道。每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口，并且通过多个回流通道连接到所述出口，所述馈送通道被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域。所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置。每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
Description
技术领域
本发明涉及冷却在诸如托卡马克设备等离子体室之类的等离子体室中所使用的面向等离子体的部件。特别地但非排他地，本发明涉及在等离子体室中使用从等离子体去除废料和热的冷却部件，诸如偏滤器(divertor)和/或限制器。本发明还可以被用在用于从成束的光子和/或带电荷的粒子吸收能量的束流收集器中或被用在火箭发动机中。
背景技术
偏滤器是允许从被约束在等离子体室(诸如，托卡马克设备等离子体室)内的等离子体去除废料和热的装置。在托卡马克设备的情况下，典型地在非常高的温度下使用磁场来约束等离子体。然而，在托卡马克设备的操作期间，粒子缓慢且随机地从等离子体扩散出来，并最终冲击等离子体室的壁，从而将大量的热传递到等离子体室的壁，并导致较重的离子从壁喷射到等离子体中。为了最大限度地减少该问题，可以将否则会逃逸等离子体的粒子有目的地引导到偏滤器的面向等离子体的表面上。发生这种情况时，会向偏滤器施加非常高的热通量。因此，必须有效地冷却该偏滤器。
在图1中图示了穿过示例性托卡马克设备的一侧的极向截面。托卡马克设备100包括环形等离子体室101。极向磁场线圈产生极向磁场以约束等离子体，等离子体围绕托卡马克设备的中心柱循环。如果在等离子体粒子、湍流、波或其他类似现象之间没有碰撞，则等离子体(由带电荷的粒子制成)将被有效地“束缚”到磁场线，在图1中被表示为恒定极向通量线113。在等离子体“核心”内部，据说等离子体被约束到恒定极向通量线上，这是因为该恒定通量线是闭合的，因此被称为“闭合通量表面”。然而，通过碰撞和其他此类过程，等离子体中的粒子会慢慢地扩散出等离子体核心。“最后的闭合通量表面”111在一端(通常是下端)具有零点112，该零点限定受约束的核心的边缘。紧靠等离子体核心外部的通量线114(“刮除层”)与零点112以下的两个表面相交，这两个表面是：外侧(即，径向外侧)偏滤器表面121(在该示例中位于等离子室的下部中的通道的底部处)和内侧(即，径向内侧)偏滤器表面122。废物颗粒和热能沉积到这些表面上，其中，废物颗粒和热能中的大部分落在外侧偏滤器表面上(内侧与外侧之间的精确划分取决于刮除层内的湍流物理)。偏滤器表面由具有相对低原子序数的元素构成(以避免通过溅射和其他此类侵蚀过程的高原子序数的离子污染等离子体)，这些元素是金属。合适的金属包括钨、钼、铍、铅-锂、或锂。托卡马克设备内的最高热负荷发生在偏滤器表面121、122处，并且典型地可以超过每平方米10MW。
在J H You的“A review on two previous divertor target concepts forDEMO：Mutual impact between structural design requirements and materialsperformance(对DEMO的两个以前的偏滤器目标概念的回顾：结构设计要求与材料性能之间的相互影响)”(https：//doi.org/10.1088/0029-5515/55/11/113026)中描述了用于冷却偏滤器的先前的想法。它们包括：使水流动通过由铜、铬和锌合金制成的穿过钨块的冷却管；以及使用氦冷却的“多射流冲击模块化指状件”，其中，加压的氦的射流被引导到嵌入钨砖中的套管结构的内表面。
可以用于从等离子体去除带电荷的粒子的另一个面向等离子体的部件是所谓的限制器，它在等离子体室内部提供面向等离子体的目标表面，限制等离子体沿着特定(例如，径向)方向的范围。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于等离子体室的面向等离子体的部件。所述面向等离子体的部件包括：面向等离子体的目标表面；入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体；以及多个内部的冷却通道。每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口，并且通过多个回流通道连接到所述出口。所述馈送通道各自被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域。所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置，每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
馈送通道的开口和回流通道的开口的布置为冷却剂流体提供流体流动状况，其允许将热沿着冷却通道的长度有效地传递到冷却剂流体。重复单元可以是成对的馈送通道的开口和回流通道的开口，使得这些开口在馈送通道开口和回流通道开口之间依次交替(即，馈送，回流，馈送，回流……等)。沿着每个冷却通道的长度可以设置任意数量的重复单元，例如多于10个单位，或多于50个单位，或多于100个单位。
所述重复单元可以是成对的馈送通道的开口和回流通道的开口。
相继的馈送通道的开口之间沿着所述冷却通道的长度的间距可以从1.0mm至5.0mm，优选地从2.0mm至4.0mm。
相邻的馈送通道的开口与回流通道的开口之间沿着所述冷却通道的长度的间距可以从0.50mm至2.00mm。
所述馈送通道和/或所述回流通道中的每一个可以包括笔直部分，所述笔直部分以直角接合所述冷却通道。
所述冷却剂流体可以从所述冷却通道的与所述区域相对的另一区域被引导到每个冷却通道的所述壁的所述区域上。
所述冷却通道中的每一个的所述壁的所述冷却剂流体被引导到其上的所述区域可以设置在该冷却通道的邻近所述目标表面的一侧上。
每个冷却通道的宽度或直径可以大于对应的所述馈送通道和/或所述回流通道的宽度或直径。
用于所述冷却通道中的每一个的相应的所述馈送通道或相应的所述回流通道可以彼此共面。
每个冷却通道的长度可以平行于所述目标表面延伸。所述冷却通道可以彼此平行。
所述部件可以包括多个堆叠的层，所述冷却通道中的每一个连续地延伸穿过所述层，每个层包括用于所述冷却通道中的每一个的相应的馈送通道和/或相应的回流通道。
所述面向等离子体的目标表面可以由所述堆叠的层的边缘提供。或者，所述面向等离子体的目标表面可以被设置为横跨所述堆叠的层的边缘延伸的层。
每个层的所述馈送通道和/或所述回流通道可以被设置为延伸到该层中的凹槽，并且与所述层相邻的另一层横跨所述凹槽延伸以密封所述凹槽。
每个层的所述馈送通道和/或所述回流通道可以被设置为延伸穿过该层的通孔，并且所述层的任一侧上的相应其他层横跨所述通孔延伸以密封所述通孔。
所述入口和所述出口可以被设置为延伸穿过所述层中的每一层的通道。
每个层的所述冷却通道以及所述馈送通道和所述回流通道以彼此成镜像的两种布置中的一种布置设置。
每个板的厚度可以在从1mm至5mm的范围内，优选地从1mm至2mm。所述冷却通道中的每一个的宽度或直径可以在从0.50mm至3.00mm的范围内，优选地从1.00mm至2.00mm。所述馈送通道和/或所述回流通道中的每一个的宽度或直径在从0.20mm至1.50mm的范围内，优选地从0.60mm至1.40mm。
所述层中的每个层可以是由一种或多种金属或合金制成的板，然而优选地，每个板使用单一金属或单一合金。在一个实施例中，所述板中的每个板由相同的金属或合金制成，诸如钨或钼。所述板的相对的面可以通过直接结合而结合在一起。或者，所述部件可以被设置为由金属或合金制成的一体件。
所述金属或合金、或每种金属或合金的熔点可以高于1850摄氏度，优选地高于2200摄氏度。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造用于等离子体室的部件的方法，所述方法包括：控制增材制造设备，以制造根据第一方面所述的部件。
根据本发明的第三方面，提供了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令当由处理器执行时使所述处理器控制制造设备(例如，增材制造设备)以制造根据第一方面所述的面向等离子体的部件。
根据本发明的第四方面，提供了一种托卡马克设备等离子体室，所述托卡马克设备等离子体室包括根据第一方面所述的面向等离子体的部件。
根据本发明的第五方面，提供了一种在根据第四方面的等离子体室的操作期间去除热和/或废物的方法。所述方法包括：
以磁的方式将等离子体约束在所述托卡马克设备等离子体室内；
将来自所述等离子体的离子引导到所述面向等离子体的部件的所述目标表面上；以及
通过使冷却剂流体在所述入口与所述出口之间流动通过所述面向等离子体的部件，冷却所述部件。
上述方面中的任一方面的面向等离子体的部件例如可以是偏滤器或限制器。例如，限制器可以从等离子体室的壁延伸到该等离子体室中，以限制等离子体沿着特定方向(例如，径向方向)的范围。上述方面中的任一方面的部件也可以是用于覆盖等离子体室的内部表面的面向等离子体的第一壁结构(或“覆盖物”)(或形成它的一部分)。例如，所述部件可以是砖(tile)或面板，其形成面向等离子体的第一壁的一部分(优选地，与多个类似的砖或面板组合以形成面向等离子体的第一壁)。
根据本发明的第六方面，提供了一种束流收集器，所述束流收集器用于从成束的光子(例如，激光束)和/或带电荷的粒子(例如，由带电荷的粒子加速器(例如，LINAC或同步加速器)产生的束)吸收能量。所述束流收集器包括：用于接收所述束的面向束的目标表面；入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体。所述束流收集器还包括多个内部的冷却通道，每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口，并且通过多个回流通道连接到所述出口，所述馈送通道被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域，所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置，每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
根据本发明的第七方面，提供了一种火箭发动机，包括：内部壁，所述壁限定用于燃烧推进剂的燃烧室；以及喷嘴，通过所述喷嘴以从所述燃烧室排出废气。所述火箭发动机还包括：入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体；以及多个内部的冷却通道，所述多个内部的冷却通道用于冷却限定所述燃烧室的所述壁和/或所述喷嘴，每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口并且通过多个回流通道连接到所述出口，所述馈送通道被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域，所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置，每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
第六方面和第七方面可以包括上面针对第一方面提及的可选特征，其中，束流收集器或火箭发动机代替了面向等离子体的部件。例如，束流收集器或火箭发动机可以包括多个堆叠的层，冷却通道中的每一个连续地延伸穿过这些层，每个层包括用于冷却通道中的每一个的相应的馈送通道和/或回流通道。
附图说明
图1是具有单零偏滤器(single-null divertor)的托卡马克设备的示意性极向截面；
图2A是根据本发明的偏滤器的区段的示意性立体图；
图2B是偏滤器的区段的沿着图2A中的线A-A’截取的示意性截面侧视图；以及
图2D和图2E是可以结合在一起以形成图2A和图2B中所示的偏滤器的区段的金属板的示意性透视图。
具体实施方式
当冷却剂流体流经表面时，该冷却剂流体在非常靠近表面的地方的流动速率非常小，使得相对于表面的流体流动典型地被描述为具有“无滑移”边界状况(即，在表面处有效地为零流动速率)。临近表面移动的流体形成缓慢移动的“边界层”。该边界层内的层流降低了被冷却剂流体从表面传导走热的效率。在一些情况下，可以通过“射流冲击”来实现从表面更有效的传热，其中，冷却剂流体的高压力的射流直接引导抵达正在被冷却的表面。本公开内容提供了一种布置，该布置使用射流冲击与沿着冷却通道的流动相组合以冷却偏滤器内的非常大的表面区域或表面面积。特别地，多个“微通道”形成在偏滤器的本体内，并且沿着每个微通道的长度设置成阵列的馈送通道，这些馈送通道通向微通道，并且用于将冷却剂流体的射流引导抵达微通道的内部壁。通过与微通道的(多个)内部壁接触已经被加热的冷却剂流体然后通过成阵列的回流通道从微通道去除。馈送通道和回流通道沿着微通道的长度以交替模式或顺序(例如，由沿着微通道的长度的交替的馈送通道开口和回流通道开口组成的顺序)布置。这种布置允许在每个微通道内形成高密度的射流，这可以提供允许将热有效地传递到冷却剂流体的流体流动状况。该流体流动状况可以包括沿着通道的主体流体流动与由射流冲击所形成的流体流动相组合。在一些情况下，射流冲击可以通过破坏与冷却剂流体沿着微通道流动相关联的边界层，来改善冷却效率。
图2A和图2B示出了由板202、204的叠堆形成的偏滤器200的区段。尽管图中仅示出了板的第一板200和第二板204，但是偏滤器200包括一个接一个地面对面堆叠的多个这样的板，即，第一板200和第二板204一起形成沿着图2A中所指示的Z方向重复的“单元格”。为了清楚起见，在图2D和图2E中单独地示出第一板202和第二板204。
图2A中的偏滤器200的最上表面是目标表面206，该目标表面206接收在当偏滤器200正在被使用时从等离子体逸出的离子和热通量208(沿Y方向)。在目标表面206下方是多个冷却通道210A-H，在这种情况下是八个冷却通道210A-H，这些冷却通道在垂直于目标表面206的方向(即，平行于板202、204被堆叠所沿的方向，在这种情况下沿着Z方向)上延伸穿过偏滤器200。冷却通道210A-H被布置成平行于目标表面206的一条线，并且彼此等距地间隔开，并且每个冷却通道相对于目标表面206处于相同的深度。这种布置允许靠近目标表面206提供高密度的冷却通道210A-H。也可以使用冷却通道210A-H的其他布置，例如冷却通道可以被布置成相对于目标表面210A-H具有不同的深度，例如呈包括多层冷却通道210A-H的紧密堆积或蜂窝配置，以便增加靠近目标表面206设置的冷却通道210A-H的密度。
偏滤器200还包括延伸穿过堆叠的板202、204中的每一个板的入口通道212和出口通道214。在使用中，冷却剂流体(例如，氦气)在压力下被提供给入口通道212，并且然后通过多个馈送通道216A-H被传送到冷却通道210A-H中的每一个，每个馈送通道在第一板202内从入口通道212延伸到多个冷却通道210A-H中的一个冷却通道。入口通道212的尺寸(例如，直径)大于馈送通道216A-H中的每一个的尺寸，使得入口通道212可以同时向较多数量的馈送通道216A-H提供冷却剂流体。馈送通道216A-H围绕入口通道212成角度地间隔开(即，馈送通道216A-H从入口通道212“呈扇形散开”)，以便到达距入口通道212更远的冷却通道210A-H。在这种情况下，馈送通道216A-H通常彼此间隔开以使该馈送通道216A-H之间的壁的厚度最大化。然而，可以根据情况使用其他布置。例如，一个或多个馈送通道216A-H可以从馈送通道216A-H中的另一个馈送通道分叉。在当前情况下，馈送通道216A-H各自具有以直角远离其各自相应的冷却通道210A-H延伸的笔直区段，其中，通道216A-H中的每一个的笔直区段彼此平行对齐。冷却剂气体被引导穿过冷却通道210A-H，并且冲击该冷却通道210A-H的最靠近目标表面206的一侧，因为该侧通常是冷却通道210A-H的最热侧。通常选择被供应到入口通道212的冷却剂流体的压力，使得该冷却剂流体作为射流被引导到冷却通道210A-H中。虽然图2A和图2B示出了每个冷却通道210A-H具有单个馈送通道216A-H和回流通道218A-H，但是应当理解，在实践中可以使用多于两个板202、204，使得每个冷却通道210A-H沿该冷却通道的长度具有多对馈送通道216A-H和回流通道218A-H。
如图2D和图2E所示，第二板204(图2E)是第一板(图2D)在YZ平面中的镜像，这简化了偏滤器200的制造。第二板204包括多个回流通道218，该多个回流通道218被构造成将冷却剂流体从冷却通道210A-H中的每一个回流到出口通道214，该出口通道214处于比入口通道212更低的压力，使得存在从入口通道212通过馈送通道216A-H到冷却通道210A-H以及从冷却通道210A-H通过回流通道218A-H到出口通道214的冷却剂流体的净流。
如可以从图2B最清楚看到的，馈送通道216A-H被设置为第二板204的一面中的开放通道(即，沟槽或凹槽)，并且被第一板202的接触第二板204的该面的一面封闭(即，覆盖)。这种布置允许更容易地制造偏滤器200，这是因为可以通过从板202、204中的每一个板的一个面去除材料(例如，通过蚀刻或铣削)来提供馈送通道216A-H和回流通道218A-H。此外，由于回流通道21gA-H在平行于冷却通道218A-H的方向(在这种情况下，为Z方向)上与馈送通道216A-H仅间隔开少量，因此从馈送通道216A-H进入冷却通道210A-H的冷却剂流体，在可以经由回流通道218A-H从冷却通道210A-H去除之前，仅需要沿着冷却通道210A-H行进一短距离，这确保了冷却通道210A-H中的冷却剂流体在射流冲击之后的快速周转。在本示例中，冷却通道210A-H中的每一个冷却通道中的馈送通道216A-H与回流通道21gA-H之间的间距可以是从0.50mm至2.00mm。
在该示例中，冷却通道210A-H中的每一个冷却通道中的相继的馈送通道216A-H的开口之间的间距可以是从1.0mm至5.0mm，或者更优选地从2.0mm至4.0mm。该间距可以允许沿着冷却通道的长度形成高密度的射流，同时仍为在馈送通道之间设置回流通道提供足够的空间。
如图2D和图2E所示，板202、204可以各自仅包括馈送通道210A-H或回流通道216A-H。然而，在其他实施例中，板202、204中的每一个可以包括一个或多个馈送通道210A-H和一个或多个回流通道216A-H，这可以有助于减小不同板202、204之间的温度差。
在本示例中，冷却通道210A-H具有1mm的直径，而入口通道212和出口通道124具有5mm的直径，但是当然可以根据需要而改变任何通道的尺寸。馈送通道216A-H和回流通道218A-H的直径优选地小于冷却通道210A-H的直径，在这种情况下为0.20mm，这有助于形成冷却剂流体的射流。当冷却剂流体是气体时，气体从馈送通道216A-H到冷却通道210A-H的膨胀可以提供额外的冷却效果。尽管各种不同的通道通常是圆形横截面的，但是它们中的任一个(或所有)可以替代性地具有呈矩形或任何其他形状的横截面。
可以用于形成偏滤器200的第一板202和第二板204的数量基本上仅受每个板的厚度、所要求的目标表面的尺寸以及在入口通道212和出口通道214中在分配期间发生的压力下降的限制。例如，如果每个板202、204的厚度为1.6mm，则长度为大约30cm的偏滤器将需要大约188个板。一般地，板的厚度可以为从1mm至5mm，以确保在每个冷却通道210A-H中形成高密度的射流。
板202、204可以由难熔金属制成，诸如钨、铼、钽、钼、铌和锆(或包含这些金属中的一种或多种的合金)。在这种情况下，板202、204的边缘可以提供面向等离子体的目标表面。替代性的，板202、204可以由导热性更好的材料制成，诸如铜、或包含铜、铬和锆的含铜合金(CuCrZr)。在这种情况下，面向等离子体的目标表面可以被形成为由难熔金属(例如，钨)制成的单独的部分或砖，它在冷却通道210A-H上方结合到板202、204。可选地，包含铜和钨(例如)的中间层可以设置在板202、204与包括目标表面的部分或砖之间，以便横跨不同材料之间的接合部提供膨胀系数的更好匹配。
板202、204中的各种不同的通道可以以多种方式形成，诸如蚀刻或机加工。使用直接结合技术将板结合在一起，诸如扩散结合(diffusion bonding)，例如热等静压(HotIsostatic Pressing)。这里所用的直接结合是指在板之间没有设置中间层(诸如，焊料)将板结合在一起，即板的金属表面彼此直接结合。也可以使用其他技术，诸如钎焊或熔焊(例如，爆炸焊接)。尽管馈送通道216A-H和回流通道218A-H在图2A至图2E中被示出为仅部分地延伸到每个板202、204中(即，作为凹槽)，但是在其他示例中，馈送通道216A-H和回流通道218A-H可以一直延伸穿过(即，作为通孔)板202、204中的一些板或全部板(前提是馈送通道216A-H和回流通道218A-H保持分离)。这可以通过例如将馈送和回流通道216A-H沿Y方向彼此偏移来实现。以这种方式将馈送和回流通道216A-H偏移(无论它们是否是凹槽和/或通孔)，也可以有助于避免回流通道218A-H加热馈送通道216A-H，否则这可能会降低冷却剂流体冷却目标表面206的能力。
偏滤器也可以被制造为由难熔金属或合金制成的一体件，例如使用增材制造技术。例如，可以通过使用高功率激光来选择性地熔化钨粉以逐层地构建所需的几何形状来制造偏滤器。Muller等人于2019年在“Additive manufacturing of pure tungsten bymeans of selective laser beam melting with substrate preheating temperaturesup to 1000℃(纯钨通过基板预热温度至高达1000℃的选择性激光束熔化的增材制造)”(https：//doi.org/10.1016/j.nme.2019.02.034)描述了这种技术。将偏滤器制造为难熔金属(例如钨)的单一件是特别有利的，这是因为它避免在偏滤器的面向等离子体的部分与该偏滤器的其余部分(即，偏滤器的包含各种不同通道的部分)之间形成接合部的需要(并因此减少了与在接合部中引起的应力相关联的问题)。相对较小尺寸的通道还意味着，由偏滤器的内部压力产生的机械应力保持较低，这有助于降低当使用偏滤器时损坏或劣化的可能性，这对于偏滤器的维修或维护可能会导致大量停机时间并且对工人有危险的应用特别重要。将明白的是，除了偏滤器之外的面向等离子体的部件(例如，限制器)也可以以类似的方式被制造为由难熔金属或合金制成的一体件。
偏滤器(或其他的面向等离子体的部件，例如限制器)的结构可以以设计文件的形式以数字方式表达。设计文件或计算机辅助设计(CAD)文件是对产品形状的表面或体积配置中的一个或多个进行编码的配置文件。在这种情况下，设计文件表达偏滤器(或其他的面向等离子体的部件)的几何布置或形状。一旦获得设计文件，该设计文件就可以被转换为一组计算机可执行指令，该计算机可执行指令一旦被处理器执行，就可以使处理器控制制造设备(例如，增材制造设备)以根据该设计文件中所规定的几何布置来生产偏滤器。因此，通过根据计算机可执行指令来控制制造设备，可以命令制造设备“打印出”偏滤器(或其他的面向等离子体的部件)。
再次参考图1，托卡马克设备100可以包括一个或多个以上所描述的偏滤器，例如偏滤器200，其中，目标表面206提供图中所指示的偏滤器表面121、122中的一个或两个。在使用中，冷却剂流体的供应连接到偏滤器200的入口212，并且出口214优选地连接到单独的冷却单元，该单独的冷却单元在冷却剂流体被偏滤器200加热之后冷却该冷却剂流体，并且将冷却后的冷却剂流体返回到入口212，即形成闭环的冷却回路。冷却剂流体可以是液体或气体，优选地是惰性气体，诸如氦。在许多情况下，气体是优选的，以便避免由液体(例如，水)泄漏可能引起的安全问题。在一个示例中，氦以10MPa的压力和从100摄氏度至600摄氏度的温度供应到偏滤器的入口。
尽管本公开内容集中于偏滤器的冷却，但是所描述的冷却方法和部件内的各种不同通道的布置也可以应用于冷却托卡马克设备(或其他类型的等离子体室)内的其他的面向等离子体的部件，诸如限制器或第一壁砖(或面板)。它还可以被应用于不是等离子体室或托卡马克设备的一部分的部件，诸如火箭发动机或束流收集器，例如用于高功率激光器或带电荷粒子束的束流收集器，其中，束流收集器的面向束的表面相当于偏滤器的面向等离子体的表面。因此，如本文所描述的偏滤器也可以被用作加速器束流收集器或激光器束流收集器。
虽然如以上讨论所例示的本公开内容集中于偏滤器在托卡马克设备中的使用，但是它也可以用于其他类型的等离子体室，诸如仿星器(stellarator)。
虽然上面已经描述了本发明的各种不同的实施例，但是应当理解它们是通过示例而不是限制的方式呈现的。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其中的形式和细节进行各种不同的改变。
Claims (27)
1.一种用于等离子体室的面向等离子体的部件，包括：
面向等离子体的目标表面；
入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体；以及
多个内部的冷却通道，每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口并且通过多个回流通道连接到所述出口，所述馈送通道被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域，所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置，每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
2.根据权利要求1所述的面向等离子体的部件，其中，所述重复单元是成对的馈送通道的开口和回流通道的开口。
3.根据权利要求2所述的面向等离子体的部件，其中，相继的馈送通道的开口之间沿着所述冷却通道的长度的间距为从1.0mm至5.0mm，优选地从2.0mm至4.0mm。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，相邻的馈送通道的开口与回流通道的开口之间沿着所述冷却通道的长度的间距为从0.50mm至2.00mm。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，所述馈送通道和/或所述回流通道中的每一个包括笔直部分，所述笔直部分以直角接合所述冷却通道。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，所述冷却剂流体从所述冷却通道的与所述区域相对的另一区域被引导到每个冷却通道的所述壁的所述区域上。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，所述冷却通道中的每一个的所述壁的所述冷却剂流体被引导到其上的所述区域设置在该冷却通道的邻近所述目标表面的一侧上。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，每个冷却通道的宽度或直径大于对应的所述馈送通道和/或所述回流通道的宽度或直径。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，用于所述冷却通道中的每一个的相应的所述馈送通道或相应的所述回流通道彼此共面。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，包括多个堆叠的层，所述冷却通道中的每一个连续地延伸穿过所述层，每个层包括用于所述冷却通道中的每一个的相应的馈送通道和/或相应的回流通道。
11.根据权利要求10所述的面向等离子体的部件，其中，由所述堆叠的层的边缘提供所述面向等离子体的目标表面。
12.根据权利要求10所述的面向等离子体的部件，其中，所述面向等离子体的目标表面被设置为横跨所述堆叠的层的边缘延伸的层。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，每个层的所述馈送通道和/或所述回流通道被设置为延伸到该层中的凹槽，并且与所述层相邻的另一层横跨所述凹槽延伸以密封所述凹槽。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，每个层的所述馈送通道和/或所述回流通道被设置为延伸穿过该层的通孔，并且所述层的任一侧上的相应其他层横跨所述通孔延伸以密封所述通孔。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，所述入口和所述出口被设置为延伸穿过所述层中的每一层的通道。
16.根据权利要求10至15中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，每个层的所述冷却通道以及所述馈送通道和所述回流通道以彼此成镜像的两种布置中的一种布置设置。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，每个层是由一种或多种金属或合金制成的板。
18.根据权利要求17所述的面向等离子体的部件，其中，所述板的相对的面通过直接结合而结合在一起。
19.根据权利要求1至9中的任一项所述的面向等离子体的部件，被设置为由金属或合金制成的一体件。
20.根据权利要求17至19中的任一项所述的面向等离子体的部件，其中，所述金属或合金、或每种金属或合金的熔点高于1850摄氏度，优选地高于2200摄氏度。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的面向等离子体的部件，所述部件是偏滤器、限制器和面向等离子体的第一壁结构中的一种，所述第一壁结构是诸如第一壁砖或面板。
22.一种制造用于等离子体室的面向等离子体的部件的方法，所述方法包括：控制制造设备，以制造根据权利要求1至21中的任一项所述的部件。
23.一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令当由处理器执行时使所述处理器控制制造设备，以制造根据权利要求1至21中的任一项所述的面向等离子体的部件。
24.一种托卡马克设备等离子体室，包括根据权利要求1至21中的任一项所述的面向等离子体的部件。
25.一种在等离子体室的操作期间去除热和/或废物的方法，所述等离子体室是根据权利要求24所述的等离子体室，所述方法包括：
以磁的方式将等离子体约束在所述托卡马克设备等离子体室内；
将来自所述等离子体的离子引导到所述面向等离子体的部件的所述目标表面上；以及
通过使冷却剂流体在所述入口与所述出口之间流动通过所述面向等离子体的部件，冷却所述面向等离子体的部件。
26.一种束流收集器，所述束流收集器用于从成束的光子和/或带电荷的粒子吸收能量，所述束流收集器包括：
用于接收所述束的面向束的目标表面；
入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体；以及
多个内部的冷却通道，每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口并且通过多个回流通道连接到所述出口，所述馈送通道被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域，所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置，每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
27.一种火箭发动机，包括：
内部壁，所述壁限定用于燃烧推进剂的燃烧室；
喷嘴，通过所述喷嘴以从所述燃烧室排出废气；
入口和出口，通过所述入口以接收冷却剂流体，通过所述出口以排出所述冷却剂流体；以及
多个内部的冷却通道，所述多个内部的冷却通道用于冷却限定所述燃烧室的所述壁和/或所述喷嘴，每个冷却通道通过多个馈送通道连接到所述入口并且通过多个回流通道连接到所述出口，所述馈送通道被构造成将冷却剂流体引导抵达所述冷却通道的壁的区域，所述馈送通道和所述回流通道的通向所述冷却通道的相应开口沿着所述冷却通道的长度以非重叠的重复单元布置，每个单元包括至少一个馈送通道的开口和至少一个回流通道的开口。
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