CN117423481A - 一种井字型筋板-格架一体式包层盒体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“井”字型筋板‑格架一体式包层盒体结构，包括盒体，所述盒体内设置有若干套管和若干用于固定套管的径向筋板和环向筋板，所述径向筋板和环向筋板呈“井”字分布；所述套管包括套设的内套管和外套管，所述内套管和外套管之间的空隙为冷媒流通通道。在保证前壁的事故工况下的结构完整性的情况下，可以有效降低前壁和盒体内部的结构材料用量，有利于降低聚变中子穿过前壁的损失，降低对中子的吸收，从而提高包层(固态包层或液态包层)的产氚率。此外还大幅简化包层盒体承压结构的复杂性，降低结构加工制造成本，降低结构设计难度。

Description

一种井字型筋板-格架一体式包层盒体结构

技术领域

本发明涉及核能聚变技术领域，具体涉及一种“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构。

背景技术

核聚变能源是未来人类的主要支撑能源。在聚变反应中，通过加热和约束氘氚燃料达到劳逊判据，形成上亿度的高温等离子体。当氘氚核聚变反应时，将释放高达17.4MeV的聚变能量，其中包含14MeV的高能聚变中子。包覆燃烧等离子体的产氚包层，其主要有三个重要功能：(1)提供氘氚燃烧所需的燃料氚；(2)沉积聚变燃烧的能量，将其转为热能并流出对外发电；(3)为包层外侧的真空室、磁体等提供核屏蔽。产氚包层主要有面向等离子体的第一壁、位于第一壁及盒体内部的中子倍增材料、氚增殖材料以及相关冷却通道组成。14MeV高能聚变中子通过第一壁，进入盒体(盒体内部由中子倍增材料、产氚材料及冷却管道组成)，之后与产氚包层内中子倍增剂材料(例如Be)和产氚材料(例如Li)发生核反应，从而实现聚变中子能量沉积和生产燃料氚的目的。但是，产氚包层内部含有大量的冷却流道，当冷却流道破裂或者断裂后，将发生包层盒体内部冷却剂失流事故(In-box LOCA)，从而导致包层盒体破裂，进而影响聚变堆的安全。

为此，增殖包层盒体内部常设计有筋板，以提高增殖包层盒体的承压性能。常见的包层盒体“啤酒箱”式的筋板结构，筋板同时作为冷却板，带走增殖区内的沉积核能，这种第一壁结构至少存在以下缺陷：(1)第一壁厚度较厚，其厚度为25-35mm，降低了聚变中子穿过第一壁后的中子通量；(2)增殖区内结构材料多，结构材料吸收中子同时占用功能材料空间，降低了增殖区产氚性能；(3)筋板同时作为冷却板，虽然可以将承压核冷却两种功能集成在一个部件上，但是含有流道的筋板导致筋板整体力学性能降低，并且局部不连续位置常常出现极高的应力集中，从而导致筋板在局部断裂；(4)筋板需要配合核热的分布，从而导致筋板材料利用率低，部分区域材料安全裕度高，而部分局部区域安全裕度低；(5)筋板设计难度大，难以设计出既满足承压需要，又满足冷却需要的筋板结构。总体而言，现有包层盒体承压方案中，无论是增加第一壁壁厚，还是大量增加第一壁盒体内部筋板，都会对聚变堆包层产氚不利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有增殖包层盒体存在的上述问题，本发明提供一种“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，将冷媒的流通通道设置于套管内，将加强筋设置成板，从而来解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，包括盒体，所述盒体内设置有若干套管和若干用于固定套管的径向筋板和环向筋板，所述径向筋板和环向筋板呈“井”字分布；所述套管包括套设的内套管和外套管，所述内套管和外套管之间的空隙为冷媒流通通道。

采用上述技术方案的情况下，

冷媒流通通道内填充为冷媒，内管道内部为氚增殖材料，外管道外侧为中子倍增材料，正常运行工况下，冷媒在流动的同时将带走氚增殖材料和中子倍增材料内的核热。

所述径向筋板和环向筋板呈“井”字分布，其一方面用于支撑套管，另一方面提高盒体的承压性能。径向筋板和环向筋板均为不含流道的平板，其结构连续，当受到拉伸力时，径向筋板和环向筋板受力均匀，不会出现应力集中。设计过程中，当某一个径向筋板或环向筋板承拉性能不足时，通过增加该筋板的壁厚或者高度，就能够有效达到包层盒体的承压要求。通过这样的设计，盒体内部的筋板用料将大大减少，每个筋板的承压作用和安全裕度基本相同，不会出现安全裕度不一致导致结构的承压能力低和结构材料过多的问题。另外，由于筋板不含大量的流道结构，其加工制造成本低廉，安装难度低。

作为一种可能的设计，所述冷媒流通通道内设置有多块套管筋板，所述内套管和外套管均与所述套管筋板点连接。用于增加套管的承压能力。

作为一种可能的设计，每一个所述套管外壁上均连接有至少两根环向筋板和至少两根径向筋板，环向筋板和径向筋板相互垂直。起到格架的作用，提高套管固定的稳定性。

作为一种可能的设计，所述环向筋板沿所述套管的轴向方向分布且和所述套管的轴向方向垂直，且至少有一根环向筋板和剩余所述环向筋板相对设置。

作为一种可能的设计，所述环向筋板的数量为偶数且被分成若干组，每组两根；若干组环向筋板沿所述套管的轴向方向分布，每组两根所述环向筋板分别设置于所述套管相对的两侧，且两根所述环向筋板在所述套管轴向上的高度相同。更有利于套管的固定稳定性。

作为一种可能的设计，所述径向筋板沿所述套管的轴向方向分布且和所述套管的轴向方向平行，且至少有一根径向筋板和剩余所述径向筋板相对设置。

作为一种可能的设计，所述径向筋板的数量为偶数且被分成若干组，每组两根；若干组径向筋板沿所述套管的轴向方向分布，每组两根所述径向筋板分别设置于所述套管相对的两侧，且两根所述径向筋板在所述套管轴向上的高度相同。更有利于套管的固定稳定性。

作为一种可能的设计，每一个所述套管的轴向方向同一高度处设置有两根径向筋板和两根环向筋板，两根径向筋板和两根环向筋板围合成方形。

作为一种可能的设计，所述环向筋板被分成若干组，每组两根，两根环向筋板设置于所述套管轴向同一高度处且相对设置；所述径向筋板被分成若干组，每组两根，两根径向筋板设置于所述套管轴向同一高度处且相对设置；若干组环向筋板和若干组径向筋板沿所述套管轴向方向交错设置。由于环向筋板和径向筋板之间相互独立，各横向筋板之间也是相互独立的，各径向筋板之间相互独立的，因此各筋板之间受力不会相互影响，便于各筋板之间单独调整(例如厚度和高度的调整)。

作为一种可能的设计，任意相连所述套管筋板之间设置有间隙，所述内套管和外套管均与所述套管筋板之间设置有缝隙。使得冷媒均与内套管和外套管有较大的接触面积，使得热量及时被带走。

本发明的有益效果为：

“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构所使用的结构轻便、材料少，提高了增殖包层的氚增殖性能；事故情况下材料受力基本均匀，无局部应力集中现象(因为冷媒的流通通道未设置于加强筋中)，具有很好的承压力学性能。此外，“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构易于调整。

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为本发明实施例中“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构的示意图；

图2为本发明实施例中“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构的俯视图；

图3为本发明实施例中“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构中前壁拆后的示意图；

图4为本发明实施例中“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构中前壁拆后的另一示意图；

图5为本发明实施例中“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构的主视图；

图6为图5的中A区域的局部放大图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-前壁；2-侧壁；3-后板；4-套管，41-外套管，42-内套管，43-套管筋板；51-径向筋板，52-环向筋板。

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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

核聚变中增殖包层盒体目前常采用“啤酒箱”式的筋板结构，该结构中是将冷媒的流道设置于筋板上，筋板除了作为承压部件，还作为冷却板将增殖区内的沉积核能带走，但是这种结构存在以下问题：1.盒体壁较厚，降低了中子进入盒体内的通量；2.盒体内结构材料多，吸收部分中子且占用了功能材料空间，降低了增殖区产氚性能；3.含有流道的筋板导致筋板整体力学性能降低，并且局部不连续位置常常出现极高的应力集中，从而导致筋板在局部断裂；4.筋板材料利用率低，部分区域材料安全裕度高，而部分局部区域安全裕度低；5.筋板设计难度大，难以设计出既满足承压需要，又满足冷却需要的筋板结构。

针对上述问题，本发明实施例提供一种“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构。如图1-6所示，“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构包括盒体，所述盒体内设置有若干套管4和若干用于固定套管4的径向筋板51和环向筋板52，所述径向筋板51和环向筋板52呈“井”字分布；所述套管4包括套设的内套管42和外套管41，所述内套管42和外套管41之间的空隙为冷媒流通通道。通过将冷媒的流通通道设置于套管4内且将径向筋板51和环向筋板52直接设置成板状，不仅减小了材料的利用，因为径向筋板51和环向筋板52都不设置流道，只需要一层板就行，从而使得参与反应的中子量增加，而且还增加了功能材料的容纳空间以及降低盒体的壁厚，从而提高了氚增殖性能。由于板状的环向筋板52和径向筋板51中不含有流道且结构连续，当受到拉伸力时，环向筋板52和径向筋板51受力均匀，不会出现应力集中，每个筋板的承压作用和安全裕度基本相同。在实际设计过程中，当某一个筋板承拉性能不足时，通过增加单个筋板的壁厚或者高度，就能够有效达到包层盒体的承压要求。

上述“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构在使用过程中，内套管42内部为氚增殖材料且外套管41外部为中子倍增材料，冷媒在冷媒流通通道内流通，正常运行工况下，冷媒流通通道内的冷媒将带走氚增殖材料和中子倍增材料内的核热，使体系温度维持在允许范围内，降低事故的风险。

当套管4发生断裂，氦气大量冲入盒体时，筋板受到拉伸力，由于筋板内无流道，故而筋板受力均匀，不会出现应力集中，因此提高了盒体的耐事故能力。

另外，由于筋板不含大量的流道结构，其加工制造成本低廉，安装难度低。

作为一种可能的实施方式，如图2和5所示，前述冷媒流通通道内设置有多块套管筋板43，所述内套管42和外套管41均与所述套管筋板43点连接。不仅实现内套管42和外套管41之间的连接，增强套管4的稳定性，而且通过设置套管筋板43来进一步提高套管4的耐事故能力。套管筋板43与内套管42和外套管41均采用点连接的方式主要是可以增加冷媒流通通道的面积(即增大冷媒和内套管42和外套管41的接触面积)，使得核热尽快被转移,，避免反应堆热量的堆积。此处的点连接可以为本领域常用的连接方式，例如：点焊等等。

作为一种可能的实施方式，如图2和5所示，在能够满足耐事故能力的前提下，多块套管筋板43之间可以设置一定宽度的缝隙，一方面，进一步增加冷媒和套管4的接触面积，避免核热的堆积，另一方面，有利于冷媒的流通，避免冷媒温度过高影响传热。

作为一种可能的实施方式，如图1所示，每一个所述套管4外壁上均连接有至少两根环向筋板52和至少两根径向筋板51，环向筋板52和径向筋板51相互垂直。通过相互垂直的环向筋板52和径向筋板51实现至少从两个方向来对套管4进行固定和加强，从而进一步增强套管4和盒体结构的耐事故能力。此实施例中，径向筋板51和环向筋板52呈“井”字结构或者空间错位的“井”字结构，其一方面起到格架的作用，用于支撑双层套管4，另一方面提高包层盒体的承压性能。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，所述环向筋板52沿所述套管4的轴向方向分布且和所述套管4的轴向方向垂直，且至少有一根环向筋板52和剩余所述环向筋板52相对设置。此处的相对设置是指两者关于套管4的直径对称设置。通过将环向筋板52分布在不同的位置，实现从两个方向对套管4进行固定，进一步增强套管4的稳定性。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，所述环向筋板52的数量为偶数且被分成若干组，每组两根；若干组环向筋板52沿所述套管4的轴向方向分布，每组两根所述环向筋板52分别设置于所述套管4相对的两侧，且两根所述环向筋板52在所述套管4轴向上的高度相同。此处相对的两侧是指两者关于套管4的直径对称设置。通过每组两根所述环向筋板52在所述套管4轴向上的高度相同，使得套管4受到的支撑力均匀，进一步增强套管4的稳定性。各环向筋板52之间相互独立，因此各环向筋板52之间的受力也是独立的，互不影响，因此在设计时，可以根据实际某个环向筋板52的受力情况，调节该环向筋板52的高度或厚度，从而满足承压要求。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，所述径向筋板51沿所述套管4的轴向方向分布且和所述套管4的轴向方向平行，且至少有一根径向筋板51和剩余所述径向筋板51相对设置。与前述的环向筋板52组合成“井”字型或空间错落的“井”字型，从四个方向对套管4的固定。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，所述径向筋板51的数量为偶数且被分成若干组，每组两根；若干组径向筋板51沿所述套管4的轴向方向分布，每组两根所述径向筋板51分别设置于所述套管4相对的两侧，且两根所述径向筋板51在所述套管4轴向上的高度相同。此处的相对设置是指两者关于套管4的直径对称设置。通过将径向筋板51分布在不同的位置，实现从两个方向对套管4进行固定，进一步增强套管4的稳定性。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，每一个所述套管4的轴向方向同一高度处设置有两根径向筋板51和两根环向筋板52，两根径向筋板51和两根环向筋板52围合成方形，结构为“井”字型，方形上的两根径向筋板51和两根环向筋板52对套管4上的某一位置从四个方向进行固定。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，所述环向筋板52被分成若干组，每组两根，两根环向筋板52设置于所述套管4轴向同一高度处且相对设置；所述径向筋板51被分成若干组，每组两根，两根径向筋板51设置于所述套管4轴向同一高度处且相对设置；若干组环向筋板52和若干组径向筋板51沿所述套管4轴向方向交错设置，结构呈空间错落的“井”字型。环向筋板52和径向筋板51之间相互独立，因此各自受力独立，互不影响。

本发明实施例中，前述盒体可以为本领域常用的结构，也可以如下：盒体包括前壁1和后板3，所述前壁1的两端和所述后板3的两端均通过一侧壁2实现连接。由于前壁1是中子材料需要穿透进入盒体内的必经阻碍物，因此前壁1的厚度直接关系着中子材料的进入盒体内的量。本发明中由于冷媒流通通道设置于套管4内，筋板为板状且不含有冷媒流通通道，并且筋板还呈“井”字型或空间错落的“井”字型，因此可以提高盒体结构的耐事故能力，故而在满足承压要求的情况下，可以减小前壁1的厚度，本发明中，前壁1的厚度一般为15～25mm，其材质一般为低活化铁素体/马氏体不锈钢(RAFM)、ODS钢、泛合金等。

通过本发明，在保证前壁1的事故工况下的结构完整性的情况下，可以有效降低前壁1和盒体内部的结构材料用量，有利于降低聚变中子穿过前壁1的损失，降低对中子的吸收，从而提高包层(固态包层或液态包层)的产氚率。此外还大幅简化包层盒体承压结构的复杂性，降低结构加工制造成本，降低结构设计难度。

以上所述的具体实施方式，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，以上所述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“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，包括盒体，所述盒体内设置有若干套管和若干用于固定套管的径向筋板和环向筋板，所述径向筋板和环向筋板呈“井”字分布；所述套管包括套设的内套管和外套管，所述内套管和外套管之间的空隙为冷媒流通通道。

2.根据权利要求1所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，所述冷媒流通通道内设置有多块套管筋板，所述内套管和外套管均与所述套管筋板点连接。

3.根据权利要求1所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，每一个所述套管外壁上均连接有至少两根环向筋板和至少两根径向筋板，环向筋板和径向筋板相互垂直。

4.根据权利要求3所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，所述环向筋板沿所述套管的轴向方向分布且和所述套管的轴向方向垂直，且至少有一根环向筋板和剩余所述环向筋板相对设置。

5.根据权利要求4所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，所述环向筋板的数量为偶数且被分成若干组，每组两根；若干组环向筋板沿所述套管的轴向方向分布，每组两根所述环向筋板分别设置于所述套管相对的两侧，且两根所述环向筋板在所述套管轴向上的高度相同。

6.根据权利要求3所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，所述径向筋板沿所述套管的轴向方向分布且和所述套管的轴向方向平行，且至少有一根径向筋板和剩余所述径向筋板相对设置。

7.根据权利要求6所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，所述径向筋板的数量为偶数且被分成若干组，每组两根；若干组径向筋板沿所述套管的轴向方向分布，每组两根所述径向筋板分别设置于所述套管相对的两侧，且两根所述径向筋板在所述套管轴向上的高度相同。

8.根据权利要求1所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，每一个所述套管的轴向方向同一高度处设置有两根径向筋板和两根环向筋板，两根径向筋板和两根环向筋板围合成方形。

9.根据权利要求1所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，所述环向筋板被分成若干组，每组两根，两根环向筋板设置于所述套管轴向同一高度处且相对设置；所述径向筋板被分成若干组，每组两根，两根径向筋板设置于所述套管轴向同一高度处且相对设置；若干组环向筋板和若干组径向筋板沿所述套管轴向方向交错设置。

10.根据权利要求2所述的“井”字型筋板-格架一体式包层盒体结构，其特征在于，任意相连所述套管筋板之间设置有间隙，所述内套管和外套管均与所述套管筋板之间设置有缝隙。