CN117457240B - 一种磁约束聚变反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁约束聚变能设备技术领域，公开了一种磁约束聚变反应堆，包括设于主机大厅的杜瓦系统、冷屏系统、超导磁体系统、真空室系统、偏滤器系统、包层系统、遥操作系统和维护系统，以形成聚变堆主机。本发明的有益效果为：通过多绕组串联设计提高线圈的安匝数，缩短线圈的冷却回路，提高聚变堆磁体系统的安全性，稳定性和性价比；馈线之间互不干涉，可独立完成加工装配，降低了装配难度，节省了装置内部的连接空间，可依据建筑物布局分布在建筑物的不同层次，有利于实施日常维护，真空室系统抗辐照、长寿命、高真空、多动载，能实现高效自动排热和真空烘烤，其中子屏蔽块能最大程度减少高能聚变中子对超导磁体的损伤，降低环向场波纹度。

Description

一种磁约束聚变反应堆
技术领域
本发明涉及磁约束聚变能设备技术领域，特别是涉及一种磁约束聚变反应堆。
背景技术
自工业革命开始以来，对能源的需求逐年急剧增加，仍以化石能源为主来来满足能源需求，然而化石能源是不可再生资源，终有耗尽的一天，且在使用化石能源的过程中会造成对环境污染。虽然水电、太阳能和风能等可再生能源被证实是能够作为清洁能源来替代化石燃料的，但他们距离满足现在人类的需求还有很长的路要走。而可控聚变能是一种有无限潜力的能源，且具有安全、清洁、燃料丰富等优点，是解决人类未来能源问题的主要选择之一。在磁约束核聚变装置中，聚变反应需要严苛的聚变反应条件（如超高温和高压），换言之，如果反应条件不满足，则聚变反应停止，因此，磁约束核聚变装置不甚可能会引发核反应堆熔毁，从而导致放射性物质外泄的事故，有效地降低了装置对周边环境安全的影响。
虽然聚变能的优越性已得到世界的认可，但目前国际上的磁约束核聚变装置系统仍均面临着占建造成本、维护成本高、稳态运行时间短的问题。这些问题限制了磁约束核聚变装置的发展。目前聚变强国均瞄准发展紧凑型磁约束聚变装置技术，从而降低建造、维护费用，提升稳态运行时间。因此，发展长时间稳态运行的紧凑型聚变装置是发展磁约束聚变能的必要途径。
申请号CN99113505.9公开了一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备。它的特殊球形磁场具有强磁场约束、强绝热压缩加热、能量反射集中的优点,单靠欧姆加热即可实现氘-氚聚变反应;增强磁场强度和辅助加热后，可实现氘-氚聚变反应。它还具有造价低、运行可靠、维修方便的优点，是一种实用的、能投入商业运营的受控核聚变装置,用于发电、供热和提供动力。
申请号CN200780007065.7公开了一种用于产生X射线和/或离子束和用于实现聚变能量生成和将能量转换为电能的设备和方法,包括同轴地且至少部分地在反应室内定位的阳极和阴极,通过具有螺旋形扭曲的阴极、以及围绕阴极的螺旋形线圈或其组合向等离子体团施加角动量阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径，其施加了高磁场。反应室包含了气体和与阳极和阴极电连通的电子放电源。作为电子放电的结果,形成了围绕阳极的密集的磁限制的等离子体团且发射了一个或多个粒子。
申请号CN201580030642.9公开了一种用作中子源或能量源的高效紧凑型核聚变反应堆。该反应堆具有环形等离子体室和等离子体约束系统，此等离子体约束系统被布置成产生用于约束等离子体室中的等离子体的磁场。等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更小。环形磁场运行于5T或更小,以及等离子体电流是5MA或更小。此外,所生成的a粒子约束在等离子体中。
申请号CN201610083015.8公开了一种热核聚变发生方法及系统。其中,方法包括:预先设置内层含有热核材料的腔体,并且所述腔体上开有至少一个激光注入孔;激光通过所述激光注入孔向所述腔体注入并烧蚀所述腔体的内层热核材料,产生向所述腔体中心膨胀的冕区等离子体;所述冕区等离子体在所述腔体中心汇聚，并将等离子体动能转化为等离子体的离子内能，形成高温高密的汇聚等离子体:所述汇聚等离子体发生核聚变反应,释放能量。本发明实施例中提供的技术方案能够提高点火热斑的温度,实现稳定的高的聚变产出。
申请号CN202010292584.X公开一种保持高性能等离子体的装置和方法，该装置包括：中心柱；真空容器，其环绕中心柱设置，真空容器用于容纳形成的等离子体；等离子体磁约束系统，其通过磁场限制、成形和控制真空容器内的等离子体，以使等离体子形成具有多个流体的位形；其中，多个流体由内至外形成多层，位于外层的流体包围位于内层的流体，相邻流体之间至少部分重叠。本申请通过形成具有多个流体的位形，高能电子流体包围热电子流体与热离子流体，高能电子流体的维持使得环向电流在最外封闭磁面的外部也有很大的环向电流，从而有效避免等离子体湍流及能量扩散，降低粒子在最外封闭磁面的再循环现象，有效提升封闭磁面内热离子与热电子的能量约束能力与稳定性。
上述公开技术主要有以下不足之处：没有超导磁体技术；没有对人员、环境的辐射保护；对主机的磁场强度、等离子体参数、运行时间有待提高等，因此，亟需一种新型的磁约束聚变反应堆，以解决上述问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种磁约束聚变反应堆，以提升目前磁约束聚变装置的磁场强度、等离子体参数、运行时间。
本申请的目的是通过如下技术方案实现的：
一种磁约束聚变反应堆，包括：设于主机大厅的聚变堆主机，所述聚变堆主机包括杜瓦系统、冷屏系统、超导磁体系统、真空室系统、偏滤器系统、包层系统、遥操作系统和维护系统，所述超导磁体系统中设有中心螺线管磁体、极向场磁体和环向场磁体，所述中心螺线管磁体通过电流变化用于提供产生、建立和维持等离子体电流所需的伏秒数，所述极向场磁体产生的极向磁场用于控制等离子体截面形状和位置平衡，所述环向场磁体产生的环向磁场用于保证等离子体的宏观整体稳定性，环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场用于约束等离子体；所述杜瓦系统和所述冷屏系统用于为所述超导磁体系统提供真空和低温环境；所述真空室系统用于为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，并降低聚变产生的中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染；所述偏滤器系统和所述包层系统均设于所述真空室内，所述偏滤器系统用于屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰；聚变中子携带的能量在所述包层系统沉积，由冷却剂带到反应堆外，并通过中子与氚增殖剂的核反应产生氚以补给聚变燃料。
本申请的一些实施例中，所述杜瓦系统包括顶盖组件、环体组件、底座组件、波纹管组件、支撑组件和泄放系统组件，所述顶盖组件与所述环体组件采用真空密封结构形式连接固定，所述环体组件和所述底座组件焊接固定，所述波纹管组件与所述环体组件焊接固定，所述底座组件安装于所述支撑组件上，所述底座组件的外边缘与外侧建筑连接固定。
本申请的一些实施例中，所述顶盖组件采用椭圆形封头组件，其内侧布置有第一环向加强筋和第一径向加强筋，并且其顶部开设有若干安装通道和维护通道。
本申请的一些实施例中，所述环体组件采用圆柱形直筒结构，其外侧布置有第二环向加强筋和第二径向加强筋，所述环体组件沿着高度和环向开设有若干第一连接通道。
本申请的一些实施例中，所述底座组件采用圆柱形直筒带有裙边结构，裙边内侧沿着环向设计有与所述超导磁体系统和所述真空室系统支撑连接结构，圆柱形直筒上沿着高度和环向开设有若干第二连接通道。
本申请的一些实施例中，所述泄放系统组件包括泄放阀和爆破组件及泄放管路，用于在所述杜瓦系统发生氦泄露事故工况下实现压力快速泄放。
本申请的一些实施例中，所述冷屏系统在环向上分为若干个冷屏扇区，相邻的所述冷屏扇区之间采用绝缘垫片连接。
本申请的一些实施例中，所述冷屏扇区包括若干冷却面板，相邻的所述冷却面板之间采用绝缘垫片连接。
本申请的一些实施例中，所述冷却面板上焊接有蛇形的冷却管道。
本申请的一些实施例中，所述冷屏系统的表面采用抛光和镀银处理。
本申请的一些实施例中，所述环向场磁体包括超导线圈、环向场线圈盒、环向场终端盒、环向场环向支撑和环向场重力支撑，所述环向场磁体由16个扇形的相似的超导磁体组成，用于提供磁场，以约束等离子体。
本申请的一些实施例中，所述超导线圈由若干D形子绕组套装组合而成，所述D型子绕组采用低场绕组和高场绕组，所述低场绕组采用Nb3Sn导体绕制两个六饼子绕组，所述高场绕组采用Nb3Sn导体绕制一个十二饼子绕组，并通过超导第一接头串联起来。
本申请的一些实施例中，所述环向场线圈盒呈D字型，包括内侧U型盒组件、内侧密封盖板、外侧U型盒组件和外侧密封盖板，其中所述内侧U型盒组件与所述内侧密封盖板中的直线段部分采用N50不锈钢，所述内侧U型盒组件、所述内侧密封盖板和所述外侧U型盒组件、所述外侧密封盖板中的圆弧段采用316LN不锈钢设计。
本申请的一些实施例中，所述环向场线圈盒内布置有冷却管。
本申请的一些实施例中，所述环向场终端盒包括支撑框架、超导第一接头和液氦进出管路，所述液氦进出管路包括与低温系统连接的低温管路及环线线圈内部各绕组之间连接的氦支路管，所述液氦进出管路均设有绝缘子。
本申请的一些实施例中，所述环向场环向支撑包括剪切支撑板、抗剪切方键、螺栓、中间上翼翅组件和下翼翅组件，用于在环形方向上将16个扇形的相似的超导磁体连接起来，并限制TF磁体之间的滑移扰动。
本申请的一些实施例中，所述环向场重力支撑设置于环向磁体底部，用于承载磁体重力，包括环向场磁体支撑腿、绝缘垫板、热截止组件和柔性支撑，其中所述热截止组件内部布置有若干冷却管，所述柔性支撑由若干柔性支撑板组合而成。
本申请的一些实施例中，所述中心螺线管磁体由多个螺管线圈堆叠形成，用于为聚变堆等离子体提供击穿所需的磁通量，并且所述中心螺线管磁体与所述极向场磁体共同作用，用于加热和成型等离子体。
本申请的一些实施例中，所述中心螺线管磁体为全部由CICC导体绕制而成的环形超导线圈，所述中心螺线管磁体一部分由高温超导体构成，另一部分由Nb3Sn超导体构成。
本申请的一些实施例中，所述的中心螺线管磁体包括第一线圈绕组、第一接头、冷却结构和预紧系统，所述第一线圈绕组包括多个高温超导模块和多个Nb3Sn超导模块，每个模块均采用无张力绕制方法。
本申请的一些实施例中，导体与导体之间设计有过渡绝缘，饼与饼之间设计有饼间绝缘，外部设计有对地绝缘。
本申请的一些实施例中，每个所述高温超导模块的端子从内侧引出，每个所述Nb3Sn超导模块的端子从外侧引出，并在整个中心螺线管磁体的上下端分别与馈线系统连接。
本申请的一些实施例中，所述第一线圈绕组的第一接头包括与馈线连接的盒式第一接头以及绕组内部的同轴第一接头，液氦通过所述第一线圈绕组的冷却结构对中心螺线管磁体进行冷却。
本申请的一些实施例中，预紧系统包括轴向预紧机构、上部对中机构、下部重力支撑机构、冷却管系，所述轴向预紧机构用于确保模块之间挤紧，所述上部对中机构用于保证所述中心螺线管磁体居中，所述下部重力支撑机构用于支撑所述中心螺线管磁体，所述冷却管系用于冷却所述预紧系统。
本申请的一些实施例中，所述极向场磁体包括多个围绕在所述环向场磁体周边的环形线圈，用于为聚变堆等离子体提供极向磁场，以实现对等离子体的位型控制，并且所述中心螺线管磁体与所述极向场磁体共同作用，用于加热和成型等离子体。
本申请的一些实施例中，所述极向场磁体为全部由CICC导体绕制而成的环形超导线圈，所述极向场磁体一部分由NbTi超导体构成，另一部分由Nb3Sn超导体构成。
本申请的一些实施例中，所述极向场磁体包括第二线圈绕组、氦管、第二接头、tail结构和极向场终端盒，所述第二线圈绕组由若干个双饼线圈或四饼线圈或六饼线圈通过所述第二接头串联而成，每个绕组单元由单根导线均采用无张力绕制方法绕制而成。
本申请的一些实施例中，导体与导体之间设计有过渡绝缘，饼与饼之间设计有饼间绝缘，外部设计有对地绝缘。
本申请的一些实施例中，饼间过渡位置设置所述氦管，用于将液氦引入导体中以冷却超导线。
本申请的一些实施例中，所述第二线圈绕组的两个出线头处设置所述tail结构，用与增大出线头处的强度以抵制所述第二线圈绕组的环向应力。
本申请的一些实施例中，所述第二线圈绕组的出线头以及液氦的进出总管和相应的测量线最终汇聚到所述极向场终端盒内，再通过与馈线的连接，引出到装置外部。
本申请的一些实施例中，还包括传输馈线系统，所述传输馈线系统针对反应堆中每一个或每一组超导磁体，分别设置一个独立的具有供电回路，并包含必要信号的采集通道，所述传输馈线系统从反应堆的外围引入，最终与所述超导磁体系统相连。
本申请的一些实施例中，所述传输馈线系统包括磁体馈线终端盒、高温超导电流引线、压力泄放阀架、过渡馈线和内馈线。
本申请的一些实施例中，所述磁体馈线终端盒包括终端盒外杜瓦、终端盒冷屏、高温超导电流引线、终端盒超导接头、终端盒超导电缆、低温传输管路和低温阀门组件。
本申请的一些实施例中，所述压力泄放阀架包括冷热交换器、控制阀和安全阀组件、流量计、压差计和压力计组件和第一阀架。
本申请的一些实施例中，所述的过渡馈线包括第一外筒体、第一冷屏、第一超导接头、第一超导电缆、真空隔断、第一支撑和地震波纹管。
本申请的一些实施例中，所述内馈线包括第二超导电缆、第二超导接头和第二支撑。
本申请的一些实施例中，所述终端盒外杜瓦为不锈钢材质的圆筒壳体，分为两段式结构，壳体内部安装有终端盒冷屏，冷屏上配有冷却导管及多层绝热，壳体设置有传感器航插接口，用于连接馈线内部压力、温度、电压和真空等传感器，壳体上法兰孔安装竖直放置的电流引线，并通过电流引线接头盒与带有被预制成S型或U型的所述终端盒超导电缆上所述终端盒超导接头连接，壳体上法兰安装有低温阀门组件可控制冷屏的80K冷质回路、电流引线的50K冷制输入及300K冷制输出、终端盒超导电缆及电流引线的4.5K冷质输出。
本申请的一些实施例中，所述高温超导电流引线包括室温段、换热器段、高温超导段与低温超导段；室温段包含水冷母排和绝缘法兰，分别用于连接供电系统和磁体终端盒；换热器段采用无氧铜材翅片式结构；高温超导段工作温度5K-65K，通过传导冷却；低温超导段中低温超导电缆一端与高温超导段焊接，另一端接入接头盒中。
本申请的一些实施例中，所述冷热交换器用于使电流引线300K出口冷质气体温度达到常温状态，以保护阀门；所述控制阀和安全阀组件用于泄放事故状态下过大的管路压力，保证整个馈线系统的安全运行；所述流量计用于采集并计算出实时流量；所述压差计和压力计组件用于检测管路系统的运行情况；所述第一阀架为框架结构用于承载上述原器件。
本申请的一些实施例中，所述过渡馈线设置有S弯结构低温超导电缆，用于吸收磁体线圈冷却和运行时对超导电缆带来的机械应力。
本申请的一些实施例中，所述真空室系统包括真空室主体、上窗口、中窗口、下窗口、真空室重力支撑和中子屏蔽块。
本申请的一些实施例中，所述真空室系统位于所述超导磁体系统内部，用于为内部部件和窗口插件提供支撑，所述真空室系统为真空腔体结构，用于为等离子体运行提供真空环境，同时为氚和活化灰尘提供第一层约束壁垒。
本申请的一些实施例中，所述真空室主体为D形截面的双层壳结构，双层壳体之间充满具有屏蔽功能的硼化水和所述中子屏蔽块。
本申请的一些实施例中，所述上窗口、所述中窗口和所述下窗口用于为诊断、加热、抽气、内部部件管林等提供接近等离子体的通道。
本申请的一些实施例中，所述真空室重力支撑采用柔性板式结构，用于吸收真空室本体的热胀冷缩位移量。
本申请的一些实施例中，所述偏滤器系统位于所述真空室系统内部，所述偏滤器系统包括若干偏滤器模块和偏滤器管林。
本申请的一些实施例中，单个所述偏滤器模块包括盒体、外靶板、穹顶和内靶板，所述盒体作为主要承载部件，将所述内靶板、所述穹顶和所述外靶板集成为一个整体；所述外靶板由第一面向等离子体单元和第一过渡支撑组成；所述穹顶由第二面向等离子体单元和第二过渡支撑组成；所述内靶板由第三面向等离子体单元和第三过渡支撑组成。
本申请的一些实施例中，所述第一面向等离子体单元、所述第二面向等离子体单元和所述第三面向等离子体单元均采用平板结构，同时在所述第三面向等离子体单元和所述第一面向等离子体单元高热负荷区内部流道采用带有纵横向凹槽的超汽化结构，其它区域采用光管结构，所述第二面向等离子体单元内部流道采用光管结构。
本申请的一些实施例中，单个所述偏滤器模块采用内、中、外三个支撑，中间采用过渡块连接，所述过渡块上下面可修配，用于补偿所述偏滤器模块的装配误差，内、中、外三个支撑下部结构与所述真空室系统固接。
本申请的一些实施例中，所述偏滤器管林由数个所述偏滤器模块的进出冷却管道及其管夹构成。
本申请的一些实施例中，所述包层系统位于所述真空室系统内部，所述包层系统用于直接面对高热等离子体。
本申请的一些实施例中，所述包层系统包括顶部包层、高场侧包层、底场侧包层、包层管林，单个包层由第一壁及屏蔽块组成。
本申请的一些实施例中，所述遥操作系统包括内部部件操作系统、窗口插件操作系统和转运车系统。
本申请的一些实施例中，所述内部部件操作系统包括操作臂转运CASK、操作臂主体、输运臂转运CASK、输运臂主体和工具部署箱，所述操作臂主体与所述输运臂主体相隔90°部署在真空室中窗口，所述操作臂主体通过快速接头与所述工具部署箱内的执行器对接，并通过对应执行器夹持并操作所述工具部署箱内的工具，或对真空室内部部件进行搬运，所述输运臂转运CASK能够提供所述操作臂主体进行真空室内部部件维护所需的执行器、工具与内部部件的存放空间。
本申请的一些实施例中，所述窗口插件操作系统包括多自由度机械臂、执行器工具、窗口插件转运机构。
本申请的一些实施例中，所述转运车系统包括转运车主体、对接机构和运输系统，所述转运车主体内部设计有双层移动平台，下层移动平台运送上层移动平台通过密封通道与真空室轨道对接，上层移动平台可以集成窗口插件遥操作系统沿轨道进入真空室窗口处，移除真空室密封机构，更换窗口插件维护执行器拆除窗口插件，并沿轨道拖拉插件至所述转运车主体内部，所述转运车主体中的双密封门关闭，所述转运车主体脱离所述对接机构，所述运输系统将所述转运车主体运送到热室对接区域。
本申请的一些实施例中，还包括主机总装系统，所述主机总装系统包括总装策略、预装特殊工器具、装配特殊工器具、总装基准网及准直测量、焊接及无损检测、真空检漏、绝缘和高低压测试。
本申请的一些实施例中，所述总装策略用于定义磁约束聚变堆主机部件的装配顺序、装配实施方案。
本申请的一些实施例中，所述预装特殊工器具用于磁约束聚变堆主机部件在预装大厅内开展组装、拼接和测试，为满足和实现聚变部件的预装活动，所需的特殊工装、平台、夹具和仪器设备包括：1/8真空室组装平台、中心螺线管磁体组装平台、杜瓦底座拼装焊接平台、部件检测临时支撑及工器具、环向场磁体翻转工装、真空室翻转工装。
本申请的一些实施例中，所述装配特殊工器具用于磁约束聚变堆主机部件在主机大厅内开展吊装、定位、焊接和测试，为满足和实现聚变部件的总装活动，所需的特殊工装、平台、夹具和仪器设备包括：杜瓦底座吊具极向场磁体、极向场磁体吊具、下部磁体临时支撑及举升平台、真空室吊具及临时支撑、环向场磁体套装旋转工装、包层转运及举升工装、1/8扇段吊装及定位工装、上中下窗口临时支撑。
本申请的一些实施例中，所述总装基准网及准直测量系统用于为磁约束聚变堆主机部件的总装定位提供装配基准和准直测量。
本申请的一些实施例中，所述焊接及无损检测系统用于为磁约束聚变堆主机部件的总装焊缝提供焊接和缺陷检测。
本申请的一些实施例中，所述真空检漏系统用于为磁约束聚变堆主机主要部件的总装真空腔体提供真空检漏。
本申请的一些实施例中，所述绝缘和高低压测试系统用于为磁约束聚变堆主机磁体和馈线部件提供总装绝缘和高电压测试。
本申请的一些实施例中，所述主机大厅分为五个楼层，分别是L1层、L2层、L3层、B1层、B2层，所述聚变堆主机上下贯穿五个楼层，并采用厚度两米的混凝土生物屏蔽层进行防护。
本申请的磁约束聚变反应堆，提供了一种基于CICC的聚变堆极向场磁体系统设计方法，通过多绕组串联设计，提高线圈的安匝数，同时可缩短线圈的冷却回路，有效提高聚变堆磁体系统的安全性，稳定性和性价比。本发明提供的馈线之间互不干涉，可独立完成加工装配，其安装位置可布置在最适合与对应磁体连接的位置，降低了装配难度，节省了装置内部的连接空间，同时可依据建筑物布局分布在建筑物的不同层次，有利于实施日常维护。本发明中的真空室系统是一种抗辐照、长寿命、高真空、多动载的大型复杂轮廓双层核压力容器，内部采用的小角度极向双层冷却通道设计，能实现高效自动排热和真空烘烤，其中子屏蔽块能最大程度减少高能聚变中子对超导磁体的损伤，降低环向场波纹度。
附图说明
图1是聚变发应堆/反应装置主机在主机大厅布局示意图；
图2是聚变发应堆/反应装置主机结构放大示意图；
图3是杜瓦结构示意图；
图4是冷屏结构示意图；
图5是磁体系统结构示意图；
图6是TF磁体结构示意图；
图7是CS磁体结构示意图；
图8是PF磁体结构示意图；
图9是磁体馈线结构示意图；
图10是真空室系统结构示意图；
图11是偏滤器结构示意图；
图12是包层结构示意图；
图13是遥操作结构示意图；
图中，1、聚变堆主机；2、主机大厅；2-1、L1层；2-2、L2层；2-3、L3层；2-4、B1层；2-5、B2层；11、杜瓦系统；12、冷屏系统；13、超导磁体系统；14、传输馈线系统；15、真空室系统；16、偏滤器系统；17、包层系统；18、遥操作系统；111、杜瓦顶盖；1111、顶盖维护窗口；1112、顶盖本体；112、杜瓦环体；1121、上环体；1122、下环体；113、杜瓦底座；1131、支撑组件；1132、底座本体；1211、上杜瓦冷屏；12111、上杜瓦冷屏支撑；12112、上杜瓦冷屏面板；12113、上杜瓦冷屏迷宫；1212、中杜瓦冷屏；1213、下杜瓦冷屏；12131、下杜瓦冷屏迷宫；12132、下杜瓦冷屏面板；12133、下杜瓦冷屏斜拉杆；12134、下杜瓦冷屏支撑；1214、真空室冷屏；12141、真空室冷屏“C”型面板；12142、真空室冷屏“I”型面板；1215、窗口冷屏；12151、上窗口冷屏；12152、中窗口冷屏；12153、下窗口冷屏；131、TF磁体；132、PF磁体；133、CS磁体；1311、超导线圈；13111、低场绕组；13112、高场绕组；1312、TF线圈盒；13121、内侧U型盒组件；13122、内侧密封盖板；13123、外侧U型盒组件；13124、外侧密封盖板；1313、TF终端盒；13131、支撑框架；13132、超导接头；13133、液氦进出管路；1314、TF环向支撑；13141、上翼翅组件；13142、下翼翅组件；13143、底部环向支撑；1315、TF重力支撑；13151、TF磁体支撑腿；13152、热截止组件；13153、柔性支撑；1321、PF1磁体；1322、PF2磁体；1323、PF3磁体；1324、PF4磁体；1325、PF5磁体；1326、PF6磁体；1327、PF7磁体；141、磁体馈线终端盒；1411、馈线终端盒外杜瓦；1412、馈线终端盒冷屏；142、高温超导电流引线；1421、电流引线室温端；1424、低温超导段；143、压力泄放阀架；1431、冷热交换器；1432、控制阀和安全阀组件；1433、流量计；1434、压力计组件；1435、阀架；144、过度馈线；1441、外过渡馈线筒体；1442、过渡馈线冷屏；1443、过度馈线超导接头；1444、过度馈线超导电缆；1445、真空隔断；1446、超导电缆支撑；1447、地震波纹管；145、内馈线；1451、低温超导缆；1452、内馈线超导接头；1453、内馈线支撑；151、真空室主体；152、上窗口；153、中窗口；154、下窗口；155、重力支撑；156、中子屏蔽块；161、偏滤器盒体；162、外靶板；1621、外靶板面向等离子体单元；1622、外靶板过渡支撑；163、穹顶；1631、穹顶面向等离子体单元；1632穹顶过渡支撑；164、内靶板；1641、内靶板面向等离子体单元；1642、内靶板过渡支撑；1711、高场侧；1712、顶部包层；1713、底场侧；1811、操作臂安装底盘；1812、操作臂；1813、输运臂安装底盘；1814、输运臂；1815、工具部署箱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本申请的描述中，应当理解的是，本申请中采用的术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。
一种磁约束聚变反应堆，包括聚变堆主机1及主机大厅2。其中聚变堆主机1包括：杜瓦系统11、冷屏系统12、超导磁体系统13、传输馈线系统14、真空室系统15、偏滤器系统16、包层系统17以及遥操作系统18组成。聚变堆主机1是本发明的核心部分，用于产生并维持核聚变反应，聚变堆主机1安装于主机大厅2内，主机大厅2为聚变堆主机1提供结构支撑并作为核辐射、核泄漏的屏蔽包容结构，保障主机大厅2以外环境及人员的安全。其中，主机大厅2分为五个楼层，分别是2-1 L1层、2-2 L2层、2-3 L3层、2-4 B1层、2-5 B2层，所述聚变堆主机1上下贯穿五个楼层，并采用厚度两米的混凝土生物屏蔽层进行防护。
具体的，在图1中，聚变堆主机1安装于主机大厅2内，主机大厅2包括若干层，每层对应聚变堆主机1不同高度位置，为聚变堆主机1以及安装于聚变堆主机1上的各个辅助系统提供重力支撑，同时为遥操作系统18提供维护运行通道。
如图3所示，杜瓦系统11首先沿着环向在建筑支撑面上连接固定一定数量的支撑组件1131，同时在支撑组件1131相同的径向位置，在生物屏蔽墙上沿着环向固定一定数量的抑制结构，完后把杜瓦底座113落位在支撑组件1131上并通过螺栓固定连接，同时杜瓦底座113裙边最外侧与生物屏蔽墙上抑制结构通过螺栓固定连接。接着把杜瓦环体112落位到杜瓦底座113上，并与杜瓦底座113裙边外边缘通过焊接连接固定，并对焊缝进行真空检漏，漏率满足设计要求后，把唇形密封圈下半部分焊接到环体上平面上，把唇形密封圈上半部分焊接顶盖下平面上，并在环体上上平面沿着环向放置一定数量的限位支撑。接着把顶盖落位，使唇形密封圈外侧上、下对应贴合，满足焊接要求开始施焊，焊接采用自融焊和对称焊接，避免焊接大变形。在施焊过程中，一边施焊，一边通过螺栓固定，直到焊接和螺栓固定完成。最后开始对杜瓦环体112上、中、下开孔位置先对内侧波纹管1121组件与真空室劲管进行逐个焊接，直到内侧所有通道波纹管焊接完成后，对每条焊缝检漏完成并满足设计要求后，开始对杜瓦环体112外侧上、中、下开孔位置焊接波纹管组件，所有外侧波纹管组件焊接结束，并对每条焊缝进行检漏，直到满足真空漏率要求。最后把泄放系统组件与杜瓦环体112连接固定，完成所有组件集成装配。
本发明所提供的一种磁约束聚变反应堆/反应装置冷屏，将冷屏系统12在环向上分为了16个冷屏扇区1-16，一共三种：扇区1、3、5、9、11、13为第一种；扇区2、4、6、8、10、12、14、16为第二种；扇区7、15为第三种；对扇区进行了进一步的分解，确定了8个独立的冷却面板17-24；对8个独立的冷却面板的冷却管回路进行设计，首先是确定冷却管回路相邻两个冷却管之间的间距，这个直接决定了冷却管之间区域的温度分布，同时根据总的冷却回路压降计算公式，对冷却回路进行评估，通过多轮的迭代设计，直至8个独立冷却面板的冷却回路设计满足温度和压降的要求；将独立的冷却面板17、18、19、20、21、22、23、24经过组合，构成以上的三种冷屏扇区：将独立的冷却面板17与冷却面板17，冷却面板18与冷却面板18，冷却面板19与冷却面板19，冷却面板21与冷却面板21，冷却面板23与冷却面板23，冷却面板24与冷却面板24，两两通过G10绝缘垫片连接构成面板25-30，再将面板25-30通过G10绝缘垫片连接组成了第一种冷屏扇区；将独立的冷却面板17与冷却面板17，冷却面板18与冷却面板18，冷却面板20与冷却面板20，冷却面板21与冷却面板21，冷却面板23与冷却面板23，冷却面板24与冷却面板24，两两通过G10绝缘垫片连接构成面板25、26、31、28、29和30，再将面板25、26、31、28、29和30通过G10绝缘垫片连接组成了第二种冷屏扇区；将独立的冷却面板17与冷却面板17，冷却面板18与冷却面板18，冷却面板20与冷却面板20，冷却面板22与冷却面板22，冷却面板23与冷却面板23，冷却面板24与冷却面板24，两两通过G10绝缘垫片连接构成面板25、26、31、32、29和30，再将面板25、26、31、32、29和30通过G10绝缘垫片连接组成了第三种冷屏扇区。最后，将三种扇区按照特定的数量和位置，通过G10绝缘垫片连接完成聚变装置冷屏的最终装配。冷屏扇区1-16由冷屏的整体结构均匀划分而成，每一冷屏扇区各占22.5°。如图4所示为一个冷屏扇区的结构示意图，该冷屏扇区包括上杜瓦冷屏1211、中杜瓦冷屏1212、下杜瓦冷屏1213、真空室冷屏1214和窗口冷屏1215，上杜瓦冷屏1211包括上杜瓦冷屏支撑12111、上杜瓦冷屏面板12112和上杜瓦冷屏迷宫12113，下杜瓦冷屏1213包括下杜瓦冷屏迷宫12131、下杜瓦冷屏面板12132、下杜瓦冷屏斜拉杆12133和下杜瓦冷屏支撑12134，真空室冷屏1214包括真空室冷屏“C”型面板12141和真空室冷屏“I”型面板12142，窗口冷屏1215包括上窗口冷屏12151、中窗口冷屏12152和下窗口冷屏12153。聚变装置冷屏的表面采用抛光和镀银进行处理。
如图6所述的TF磁体131系统需要提供较高的磁场，来实现对等离子体的有效约束，其中TF磁体131即为环向场磁体。为了实现这个目标，本发明主要阐述TF磁体131的实施过程。TF磁体131由超导线圈1311、 TF线圈盒1312、TF终端箱1313、TF环向支撑1314和TF重力支撑1315组成。
所述超导线圈1311为了最大发挥各种超导材料的载流能力，从而降低线圈的制造成本。拟采用两种规格导体进行线圈绕制。根据导体最大承载磁场，分为高场绕组13112和低场绕组13111。所述低场绕组13111采用ITER级Nb3Sn导体绕制2个六饼子绕组，所述高场绕组13112采用高性能Nb3Sn导体绕制1个十二饼子绕组，并通过超导接头串联起来。然后通过真空浸渍，使用环氧树脂将线圈固化在一起。超导接头采用双盒搭接的形式。单个接头盒由接头盒主体、接头盒盖板和连接加强块三部分组成。接头盒体由316L不锈钢和含Bi基的铜合金进行爆炸焊后弯曲后进行加工制造，盒盖采用316L不锈钢进行加工，焊接过程中要保证超导缆表面温度不超过200度。接头搭接处的超导缆准备步骤如下：首先去除导体最外层的铠甲，其次将花包层去除，再者将超导缆表面的Ni或Cr层去除。超导缆准备完成后，将其放置于结合的接头盒内进行封焊。为了实现所述TF线圈冷却，需要通过氦进出管将液氦引入，
为了实现所述的TF绕组的冷却，需要通过绕组的氦管接头和液氦进出管将液氦引入导体。氦管接头布置在绕组最内层和最外层的爬匝区域导体铠甲上加工氦孔，然后去除导体花包层，以减小液氦流动阻力。再将氦管焊接在氦孔位置。为防止焊接时温度过高对导体内部超导缆造成损伤或烧坏，需对焊接过程中温度进行控制，超导缆表面温度不得超过200度。
所述TF线圈盒1312在超导线圈1311外部，主要是保护和固定超导线圈，同时起到支撑与固定托卡马克装置中的其他部件，如极向场PF线圈。所述TF线圈盒1312呈现D字型，其结构包括内侧直线段和外侧圆弧段。主要由内侧U型盒组件13121、内侧密封盖板13122、外侧U型盒组件13123和外侧密封盖板13124组成。内侧U型盒组件13121与内侧盖板13122中的直线段部分采用N50不锈钢，内侧U型盒组件13121、内侧密封盖板13122和外侧U型盒组件13123、外侧密封盖板13124中的圆弧段采用316LN不锈钢设计。内侧U型盒组件13121与外侧U型盒组件13123在超导线圈1311完成入盒套装后，沿着接口焊接。然后分别将内侧密封盖板13122和外侧密封盖板13124装入，再沿着接口焊接。为了降低超导线圈1311漏热和冷却TF线圈盒1312，TF线圈盒1312内布置无缝不锈钢冷却管。沿着冷却管通入液氦，用来冷却TF线圈盒1312。
所述TF终端盒1313包括支撑框架13131，超导接头13132和液氦进出管路13133等部件。所述支撑框架13131拟采用10mm厚不锈钢板拼焊后加工接触面。然后使用螺栓固定框架。所述超导接头13132拟在接头盒中间设置安装座，接头上的安装座与以支撑板连接，支撑板通过支撑与TF线圈盒1312固定，所述液氦进出管路13133根据超导线圈1311冷却的需求，采用两进两出的方式进行，液氦进出管通过氦管支撑固定支撑框架上。液氦进出管路13133主要包括与低温系统连接的低温管路及环线线圈内部各绕组之间连接的氦支路管。进出管均设计有绝缘子，用以实现低温系统与环向场TF超导磁体的电隔离，确保低温系统的运行安全。所述超导接头13133为超导线圈1311的接头，全部放置在TF终端盒1313内，超导接头13133采用双盒搭接的形式。单个接头盒由接头盒主体、接头盒盖板和连接加强块三部分组成，其中包括与馈线电源系统连接的接头以及绕组自身连接的接头。
所述TF环向支撑1314系统由上翼翅组件13141，下翼翅组件13142和底部环向支撑13143组成。所述环向支撑组件由剪切支撑板，抗剪切方键和定制的固定螺栓。所述上翼翅组件13141和下翼翅组件13142由翼翅压板、中心销柱和中心螺栓组成。它们共同的作用是将16个TF磁体131在环形方向上连接起来，并限制TF磁体131之间的滑移扰动。
所述TF重力支撑1315在TF磁体131底部，用以承载磁体重力的同时和TF磁体131的连接。包括环向TF磁体支撑腿13151，热截止组件13152和柔性支撑13153。所述环向线圈支撑腿13151与外侧圆弧段U型盒13123焊接在一起，用以实现柔性支撑13153与TF线圈盒1312的连接。所述热截止组件13152由冷却板、堵头、冷却管接头和冷却管组成，用以实现环向场TF磁体131和底部其他部件的热隔离；所述柔性支撑13153由若干柔性支撑板，锁紧块、螺杆和放松螺母组成，通过锁紧块、螺杆和防松螺母将柔性支撑板紧固成一个整体，用以吸收降温过程中的磁体热应变；
如图7所述的CS磁体133可提供较大的磁通量供等离子体运行，其中，CS磁体133即为中心螺线管磁体。为了实现这个目标，本发明采用高温超导磁体和Nb3Sn超导磁体的堆叠嵌套方式，即内侧CS模块由高温超导磁体堆叠而成，外侧模块由Nb3Sn超导磁体堆叠而成，每个模块独立供电。CICC导体是通过将电缆穿入不锈钢管铠甲，然后进行挤压成型实现的。液氦可以在电缆之间以及电缆与不锈钢铠甲之间的缝隙流动，从而将电缆中的超导体冷却至液氦温度。现有的CICC导体制造工艺可实现的单根导体长度通常不超过1千米，而聚变堆超导磁体的长度通常达到数千米，因此需要多根导体进行绕制。为了节省空间，可采用内部同轴接头进行连接。
CS磁体133的绕组由外侧Nb3Sn绕组和内侧高温超导绕组构成。外侧Nb3Sn绕组由外向内绕制，绕制过程中需要从外匝过渡到内匝，过渡区域采用补圆块进行填补。绕至最内侧即将结束时，导体需要在垂直方向抬升，即完成饼间过渡。过渡区也需要采用补圆块进行填补。过渡完成后，即开始由内向外进行绕制，其过程与由外向内绕制相似。内侧高温超导绕组则从内向外绕制，绕制过程与Nb3Sn绕组相似。
为了实现所述的CS磁体133的冷却，需要通过冷却结构将液氦引入导体。冷却结构包括进出冷却集流管、氦进出管和绝缘子。冷却集流管分别位于CS磁体的上下两端。氦管的设置首先需要在导体铠甲上加工氦孔，然后去除导体花包层，以减小液氦流动阻力。再将氦管焊接在氦孔位置。为防止焊接时温度过高对导体内部超导缆造成损伤或烧坏，需对焊接过程中温度进行控制，超导缆表面温度不得超过200度。
CS磁体133的接头可分为外部接头和内部接头。外部接头采用盒式接头形式，用于和馈线系统连接。单个接头盒由接头盒主题、接头盒盖和连接加强块三部分组成。内部接头为同轴接头结构，用于增加导体长度。内部接头采用子缆互补拼接结构。
各模块堆叠嵌套完成后，需要进行组装。组装主要通过预紧机构完成。预紧机构主要由轴向预紧机构、上部对中机构、下部重力支撑机构、冷却管系构成。预紧机构确保模块之间挤紧，对中机构保证CS磁体133居中，支撑机构用于支撑CS磁体133，冷却管系则用于冷却预紧系统。
如图8所述的PF磁体132需要提供较大的安匝数来实现对等离子体位型的有效控制，其中，PF磁体即为极向场磁体。为了实现这个目标，本发明采用多绕组串联方式，即利用单根CICC导体绕制成双饼或四饼或六饼结构，各绕组通过接头串联起来。CICC导体是通过将电缆穿入不锈钢管铠甲，然后进行挤压成型实现的。液氦可以在电缆之间以及电缆与不锈钢铠甲之间的缝隙流动，从而将电缆中的超导体冷却至液氦温度。现有的CICC导体制造工艺可实现的单根导体长度通常不超过1千米，而聚变堆超导磁体的长度通常达到数千米，因此需要多根导体进行绕制。每根导体绕制成一个绕组单元，然后通过接头连接起来进行供电。图8中，PF磁体132包括从上之下依次设置的PF1磁体1321、PF2磁体1322、PF3磁体1323、PF4磁体1324、PF5磁体1325、PF6磁体1326和PF7磁体1327。
单个绕组由外向内绕制，绕制过程中需要从外匝过渡到内匝，过渡区域采用补圆块进行填补。绕至最内侧即将结束时，导体需要在垂直方向抬升，即完成饼间过渡。过渡区也需要采用补圆块进行填补。过渡完成后，即开始由内向外进行绕制，其过程与由外向内绕制相似。
为了实现所述的PF磁体132的冷却，在绕制过程中需要设置氦进出管，通过氦进出管将液氦引入导体。氦管的设置首先需要在导体铠甲上加工氦孔，然后去除导体花包层，以减小液氦流动阻力。再将氦管焊接在氦孔位置。为防止焊接时温度过高对导体内部超导缆造成损伤或烧坏，需对焊接过程中温度进行控制，超导缆表面温度不得超过200度。
多个绕组单元绕制完成后可通过接头进行连接。接头采用双盒搭接的形式。单个接头盒由接头盒主题、接头盒盖和连接加强块三部分组成。接头盒体由316L不锈钢和含Bi基的铜合金进行爆炸焊后弯曲后进行加工制造，盒盖采用316L不锈钢进行加工，焊接过程中要保证超导缆表面温度不超过200度。接头搭接处的超导缆准备步骤如下：首先去除导体最外层的铠甲，其次将花包层去除，再者将超导缆表面的Ni或Cr层去除。超导缆准备完成后，将其放置于结合的接头盒内进行封焊。
绕组组装完成后即形成完整的线圈。线圈的出线头在最上和最小两匝。每个出线头需进行环向、径向和轴向固定，Tail即为导体的环向固定部件。Tail位于邻近绕组导体终端和接头位置，其作用是将线圈最外匝导体出线头和次外匝导体进行机械连接，将最外匝导体尾部的载荷传递至相邻匝，降低导体尾部的应力，并将二者进行电绝缘隔离，进而保证线圈导体出线头位于相对固定的位置，提高导体结构稳定性。
线圈的出线头和冷却管路及相关的诊断信号线将汇聚在终端箱内，通过与馈线系统的连接引出装置。终端箱主要结构包括框架组件、内部支撑组件、进/出氦管及信号线等。框架组件主要承受馈线系统内馈线部件重力及电磁力的影响，同时起到对内部管道保护的作用；
框架组件主要承受馈线系统内馈线部件重力及电磁力的影响，同时起到对内部管道和接头保护的作用；内部支撑组件通过工装夹具固定在绕组外壳体下侧，底部连接G11板，为主氦管、超导接头盒及信号线等内部组件提供固定支撑。
如图9所述所述的电流传输馈线系统14可以针对磁约束聚变反应堆/反应装置中每一个或每一组超导磁体，分别设置一个独立的具有供电回路，并包含必要的信号采集通道；独立的馈线可以根据超导磁体的数量与位置，并依照承载磁约束聚变反应堆/反应装置的建筑具体布局，分布在装置周围任何适当的空间位置。电流传输馈线系统14包含高温超导电流引线142、磁体馈线终端盒141、压力泄放阀架143、过度馈线144和内馈线145组成。所述的高温超导电流引线142穿过大气和真空界面与磁体馈线终端盒141集成，电流引线室温端1421与电源系统连接，低温超导段1424与低温超导缆连接。所述的磁体馈线终端盒141包含馈线终端盒外杜瓦1411和馈线终端盒冷屏1412，馈线终端盒外杜瓦1411上设置有电流引线接口、低温阀门接口、真空接口、传感器接口、低温真空隔断接口、过渡馈线接口和压力泄放阀架接口与个界面系统连接。所述的压力泄放阀架143包含冷热交换器1431、控制阀和安全阀组件1432、流量计1433、压差计和压力计组件1434及阀架1435，压力泄放系统主要作用检测冷却管路流量，压力等运行情况，泄放事故状态下过大的管路压力，保证整个馈线系统的安全运行。所述的过度馈线包含外过渡馈线筒体1441、过渡馈线冷屏1442、过度馈线超导接头1443、过度馈线超导电缆1444、真空隔断1445、超导电缆支撑1446、地震波纹管1447；用于连接磁体馈线终端盒1-901与内馈线1-905，S弯低温超导电缆有效吸收磁体线圈冷却和运行时对超导电缆带来的机械应力。所述的内馈线145包括与超导磁体连接的低温超导缆1451、内馈线超导接头1452和内馈线支撑1453，内馈线一端与过度馈线连接，另一端的低温超导缆根据磁约束聚变反应堆/反应装置中每一个或每一组超导磁体的不同位置进行分布，并与超导磁体连接。
如图10所述所述的真空室系统15包括真空室主体151、上窗口152、中窗口153、下窗口154、重力支撑155和中子屏蔽块156。真空室主体151为D形截面的双层壳结构，双层壳体之间充满具有屏蔽功能的硼化水和中子屏蔽块，双层壳体之间设计有用于加强结构强度的极向和环向筋板，通过在环向筋板开数量和尺寸不同的孔，控制真空室的流量分布，形成真空室系统独有的小角度极向双层冷却系统，实现高效自动排热和真空烘烤。真空室上设计有上窗口152、中窗口153、下窗口154三类窗口，通过窗口为诊断系统、加热系统、抽气、内部部件管林、遥操作系统等提供接近等离子体的通道。真空室下窗口154上设计有支撑墩，与真空室支撑155通过螺栓连接，重力支撑采用柔性板式结构，柔性支撑板可以产生弹性变形来吸收真空室本体的热胀冷缩位移。同时在真空室主体151的双层壳体间填充由高硼钢板和铁磁性材料组成的中子屏蔽块156，中子屏蔽块156固定在真空室极向筋板上，为超导磁体提供辐射防护，同时降低环向场波纹度。
如图11所示，单个偏滤器模块由盒体161、外靶板162、穹顶163和内靶板164组成，盒体161作为主要承载部件，将内靶板164、穹顶163和外靶板162集成为一个整体，外靶板162、穹顶163和内靶板164统称为面向等离子部件。外靶板162由外靶板面向等离子体单元1621和外靶板过渡支撑1622组成；穹顶163由穹顶面向等离子体单元1631和穹顶过渡支撑1632组成；内靶板164由内靶板面向等离子体单元1641和内靶板过渡支撑1642组成。外靶板面向等离子体单元1621和外靶板过渡支撑1622之间通过销钉固接，外靶板过渡支撑1622和盒体161之间通过螺栓连接；穹顶面向等离子体单元1631和穹顶过渡支撑1632之间通过销钉固接，穹顶过渡支撑1632和盒体161之间通过螺栓连接；内靶板面向等离子体单元1641和内靶板过渡支撑1642通过销钉固接，内靶板过渡支撑1642和盒体161之间通过螺栓连接。内靶板过渡支撑1642和穹顶过渡支撑1632采用集成设计即内靶板164和穹顶163共用一个过渡支撑，以减少遥操作时切管和拆螺栓的次数；内靶板面向等离子体单元1641、穹顶面向等离子体单元1631和外靶板面向等离子体单元1621均采用平板结构，同时在内靶板面向等离子体单元1641和外靶板面向等离子体单元1621高热负荷区内部流道采用带有纵横向凹槽的超汽化结构，其它区域采用光管结构，穹顶面向等离子体单元1631内部流道采用光管结构；单个偏滤器模块采用“串并串”冷却方式，即利用一进一出的冷却管，冷却剂经盒体161流经外靶板162后，分别流过内靶板164和穹顶163，最后经盒体流出；单个偏滤器模块采用内、中、外三个支撑图中从左向右且布置于盒体161下面，中间采用过渡块连接，过渡块上下面可修配，以补偿偏滤器模块的装配误差，内、中、外三个支撑下部结构与真空室固接。
如图12所述的包层系统17在环向分为16个扇段，每个扇段22.5°，其中包括由大模块组成的12个扇段和小模块组成的4个扇段。大模块扇段在极向分为三段，分别为高场侧模块、顶部模块以及低场侧模块，其中低场侧模块在环向分为两个小型扇段，每段11.25°。小模块扇段在极向分为三个扇段，其中高场侧由4个小模块组成，顶部扇段分为3个小模块，低场侧扇段分为3个小模块，每个模块在环向分为两个小型模块，每段11.25°。
所述的包层系统17主要由安装在真空室内壁上的屏蔽包层模块组成，屏蔽包层通过背面的螺栓和键连接到真空室内壁上，并通过遥操作系统18对包层系统进行吊运，安装，拆卸等维护。
所述的高场侧1711、底场侧1713及顶部包层1712与包层管林相连接，其中高场侧、底场侧管林从真空室下窗口引出，顶部包层管林从真空室上斜窗口引出，包层管林通过管林支撑固定在真空室窗口内壁上，管林支撑设计有一定的位移补偿能力，能吸收管林运行时的热变形。保障包层管林的稳定运行。包层管林在真空室窗口接口处设计有真空封板，保证真空室内部部件的高真空运行环境。包层管林在接口处预留有一定的焊接维护空间，便于遥操作系统18进行维护。
所述的包层系统17是面对等离子体的主要部件，承受表面高热负载和核热。为控制包层结构材料温度在允许的范围之内，包层模块内部布置有冷却流道，通过流道内的冷却水冷却包层模块，并与包层管林相连接，通过冷却水的循环带走内部产生的热量，保证包层的稳定运行。
如图13所述真空室内部部件遥操作维护系统可实现对真空室内部部件的维护，包括偏滤器第一壁与包层钼瓦。所述操作臂1812沿操作臂安装底盘1811上的轨道移动进出真空室。所述输运臂1814沿输运臂安装底盘1813上的轨道移动进出真空室。操作臂与输运臂相隔90°部署在真空室中窗口。操作臂安装底盘1811进入中窗口颈管并通过锁扣机构与颈管锁定，为操作臂1812提供稳固支撑。输运臂安装底盘1813进入中窗口颈管并通过锁扣机构与颈管锁定，为输运臂1814提供稳固支撑。所述工具部署箱1815安装在输运臂1814末端。输运臂1814携带工具部署箱1815沿着输运臂底盘进入真空室并调节末端到所需位姿。操作臂1812靠近工具部署箱1815，完成执行器的对接，进而夹取末端工具或搬运真空室内部部件。工具部署箱1815根据任务需求调整携带的执行器、工具或部件。
所述的窗口插件遥操作系统包含：多自由度机械臂、执行器工具和窗口插件转运机构；所述多自由度机械臂负责运输执行工具进行作业和转运真空室密封机构至转运车主体内部；所述的插件转运机构安装在上层移动平台移动机构上，前端设计有对接锁紧机构，可以与窗口插件对接，并拖拽窗口插件至转运车主体内部。
所述的转运车系统可以通过远程控制的方式，对受辐射污染的部件、遥操作维护设备进行密封包容并转移。所述的转运车主体包括：主体密封车体、双密封门结构、双层移动平台和服务管线系统；所述主体密封车体为长方形壳体结构，为维护提供真空密封环境；所述双密封门结构安装在主体密封车体前端，可以与对接机构密封门对接，打开并移动至主体密封门车体上部，使得转运车主体、对接机构和真空室窗口形成密封门空间；所述的双层移动平台安装在主体密封车体下部，下层移动平台由电机、齿轮、齿条驱动，运输上层移动平台与真空室窗口对接，上层移动平台上安装有对接轨道和移动机构，移动机构可以沿着对接轨道移动至真空室窗口；所述的服务管线系统布置在主体密封车体内部两侧和顶部，为转运车主体提供水电气控制等输入。所述的对接机构由密封对接通道和对接导向机构组成；所述的密封对接通道一端为法兰面通过氟橡胶密封圈与真空室窗口法兰连接，一端为密封门结构可与转运车主体密封门对接，两端之间通过柔性波纹管连接；所述的对接导向机构安装在真空室窗口和生物屏蔽层通道内，由两段轨道组成；所述的运输系统包含全自由度转向功能，通过远程无线控制运输转运车主体在反应堆建筑内部运输作业。
综上，本申请的磁约束聚变反应堆，提供了一种基于CICC的聚变堆极向场磁体系统设计方法，通过多绕组串联设计，提高线圈的安匝数，同时可缩短线圈的冷却回路，有效提高聚变堆磁体系统的安全性，稳定性和性价比。本发明提供的馈线之间互不干涉，可独立完成加工装配，其安装位置可布置在最适合与对应磁体连接的位置，降低了装配难度，节省了装置内部的连接空间，同时可依据建筑物布局分布在建筑物的不同层次，有利于实施日常维护。本发明中的真空室系统是一种抗辐照、长寿命、高真空、多动载的大型复杂轮廓双层核压力容器，内部采用的小角度极向双层冷却通道设计，能实现高效自动排热和真空烘烤，其中子屏蔽块能最大程度减少高能聚变中子对超导磁体的损伤，降低环向场波纹度。
以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (63)

1.一种磁约束聚变反应堆，其特征在于，包括：设于主机大厅的杜瓦系统、冷屏系统、超导磁体系统、真空室系统、偏滤器系统、包层系统、遥操作系统和维护系统，以形成聚变堆主机，所述超导磁体系统中设有中心螺线管磁体、极向场磁体和环向场磁体，所述中心螺线管磁体通过电流变化用于提供产生、建立和维持等离子体电流所需的伏秒数，所述极向场磁体产生的极向磁场用于控制等离子体截面形状和位置平衡，所述环向场磁体产生的环向磁场用于保证等离子体的宏观整体稳定性，环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场用于约束等离子体；所述杜瓦系统和所述冷屏系统用于为所述超导磁体系统提供真空和低温环境；所述真空室系统用于为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，并降低聚变产生的中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染；所述偏滤器系统和所述包层系统均设于所述真空室内，所述偏滤器系统用于屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰；聚变中子携带的能量在所述包层系统沉积，由冷却剂带到反应堆外，并通过中子与氚增殖剂的核反应产生氚以补给聚变燃料；
所述环向场磁体包括超导线圈、环向场线圈盒、环向场终端盒、环向场环向支撑和环向场重力支撑，所述环向场磁体由16个扇形的相似的超导磁体组成，用于提供磁场，以约束等离子体；
所述超导线圈由若干D型子绕组套装组合而成，所述D型子绕组采用低场绕组和高场绕组，所述低场绕组采用Nb3Sn导体绕制两个六饼子绕组，所述高场绕组采用Nb3Sn导体绕制一个十二饼子绕组，并通过超导第一接头串联起来；
所述环向场线圈盒呈D字型，包括内侧U型盒组件、内侧密封盖板、外侧U型盒组件和外侧密封盖板，其中所述内侧U型盒组件与所述内侧密封盖板中的直线段部分采用N50不锈钢，所述内侧U型盒组件、所述内侧密封盖板和所述外侧U型盒组件、所述外侧密封盖板中的圆弧段采用316LN不锈钢设计。
2.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述杜瓦系统包括顶盖组件、环体组件、底座组件、波纹管组件、支撑组件和泄放系统组件，所述顶盖组件与所述环体组件采用真空密封结构形式连接固定，所述环体组件和所述底座组件焊接固定，所述波纹管组件与所述环体组件焊接固定，所述底座组件安装于所述支撑组件上，所述底座组件的外边缘与外侧建筑连接固定。
3.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述顶盖组件采用椭圆形封头组件，其内侧布置有第一环向加强筋和第一径向加强筋，并且其顶部开设有若干安装通道和维护通道。
4.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环体组件采用圆柱形直筒结构，其外侧布置有第二环向加强筋和第二径向加强筋，所述环体组件沿着高度和环向开设有若干第一连接通道。
5.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述底座组件采用圆柱形直筒带有裙边结构，裙边内侧沿着环向设计有与所述超导磁体系统和所述真空室系统支撑连接结构，圆柱形直筒上沿着高度和环向开设有若干第二连接通道。
6.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述泄放系统组件包括泄放阀和爆破组件及泄放管路，用于在所述杜瓦系统发生氦泄漏事故工况下实现压力快速泄放。
7.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏系统在环向上分为若干个冷屏扇区，相邻的所述冷屏扇区之间采用绝缘垫片连接。
8.根据权利要求7所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏扇区包括若干冷却面板，相邻的所述冷却面板之间采用绝缘垫片连接。
9.根据权利要求8所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷却面板上焊接有蛇形的冷却管道。
10.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏系统的表面采用抛光和镀银处理。
11.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场线圈盒内布置有冷却管。
12.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场终端盒包括支撑框架、超导第一接头和液氦进出管路，所述液氦进出管路包括与低温系统连接的低温管路及环线线圈内部各绕组之间连接的氦支路管，所述液氦进出管路均设有绝缘子。
13.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场环向支撑包括剪切支撑板、抗剪切方键、螺栓、中间上翼翅组件和下翼翅组件，用于在环形方向上将16个扇形的相似的超导磁体连接起来，并限制所述环向场磁体之间的滑移扰动。
14.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场重力支撑设置于环向磁体底部，用于承载磁体重力，包括环向场磁体支撑腿、绝缘垫板、热截止组件和柔性支撑，其中所述热截止组件内部布置有若干冷却管，所述柔性支撑由若干柔性支撑板组合而成。
15.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述中心螺线管磁体由多个螺管线圈堆叠形成，用于为聚变堆等离子体提供击穿所需的磁通量，并且所述中心螺线管磁体与所述极向场磁体共同作用，用于加热和成型等离子体。
16.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述中心螺线管磁体为全部由CICC导体绕制而成的环形超导线圈，所述中心螺线管磁体一部分由高温超导体构成，另一部分由Nb3Sn超导体构成。
17.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述的中心螺线管磁体包括第一线圈绕组、第一接头、冷却结构和预紧系统，所述第一线圈绕组包括多个高温超导模块和多个Nb3Sn超导模块，每个模块均采用无张力绕制方法。
18.根据权利要求17所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，导体与导体之间设计有过渡绝缘，饼与饼之间设计有饼间绝缘，外部设计有对地绝缘。
19.根据权利要求17所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，每个所述高温超导模块的端子从内侧引出，每个所述Nb3Sn超导模块的端子从外侧引出，并在整个中心螺线管磁体的上下端分别与馈线系统连接。
20.根据权利要求17所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第一线圈绕组的第一接头包括与馈线连接的盒式第一接头以及绕组内部的同轴第一接头，液氦通过所述第一线圈绕组的冷却结构对中心螺线管磁体进行冷却。
21.根据权利要求17所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，预紧系统包括轴向预紧机构、上部对中机构、下部重力支撑机构、冷却管系，所述轴向预紧机构用于确保模块之间挤紧，所述上部对中机构用于保证所述中心螺线管磁体居中，所述下部重力支撑机构用于支撑所述中心螺线管磁体，所述冷却管系用于冷却所述预紧系统。
22.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述极向场磁体包括多个围绕在所述环向场磁体周边的环形线圈，用于为聚变堆等离子体提供极向磁场，以实现对等离子体的位型控制，并且所述中心螺线管磁体与所述极向场磁体共同作用，用于加热和成型等离子体。
23.根据权利要求22所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述极向场磁体为全部由CICC导体绕制而成的环形超导线圈，所述极向场磁体一部分由NbTi超导体构成，另一部分由Nb3Sn超导体构成。
24.根据权利要求22所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述极向场磁体包括第二线圈绕组、氦管、第二接头、tail结构和极向场终端盒，所述第二线圈绕组由若干个双饼线圈或四饼线圈或六饼线圈通过所述第二接头串联而成，每个绕组单元由单根导线均采用无张力绕制方法绕制而成。
25.根据权利要求24所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，导体与导体之间设计有过渡绝缘，饼与饼之间设计有饼间绝缘，外部设计有对地绝缘。
26.根据权利要求24所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，饼间过渡位置设置所述氦管，用于将液氦引入导体中以冷却超导线。
27.根据权利要求24所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第二线圈绕组的两个出线头处设置所述tail结构，用与增大出线头处的强度以抵制所述第二线圈绕组的环向应力。
28.根据权利要求24所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第二线圈绕组的出线头以及液氦的进出总管和相应的测量线最终汇聚到所述极向场终端盒内，再通过与馈线的连接，引出到装置外部。
29.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，还包括传输馈线系统，所述传输馈线系统针对反应堆中每一个或每一组超导磁体，分别设置一个独立的具有供电回路，并包含必要信号的采集通道，所述传输馈线系统从反应堆的外围引入，最终与所述超导磁体系统相连。
30.根据权利要求29所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述传输馈线系统包括磁体馈线终端盒、高温超导电流引线、压力泄放阀架、过渡馈线和内馈线。
31.根据权利要求30所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述磁体馈线终端盒包括终端盒外杜瓦、终端盒冷屏、高温超导电流引线、终端盒超导接头、终端盒超导电缆、低温传输管路和低温阀门组件。
32.根据权利要求30所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述压力泄放阀架包括冷热交换器、控制阀和安全阀组件、流量计、压差计和压力计组件和第一阀架。
33.根据权利要求30所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述的过渡馈线包括第一外筒体、第一冷屏、第一超导接头、第一超导电缆、真空隔断、第一支撑和地震波纹管。
34.根据权利要求30所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述内馈线包括第二超导电缆、第二超导接头和第二支撑。
35.根据权利要求31所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述终端盒外杜瓦为不锈钢材质的圆筒壳体，分为两段式结构，壳体内部安装有终端盒冷屏，冷屏上配有冷却导管及多层绝热，壳体设置有传感器航插接口，用于连接馈线内部压力、温度、电压和真空传感器，壳体上法兰孔安装竖直放置的电流引线，并通过电流引线接头盒与带有被预制成S型或U型的所述终端盒超导电缆上所述终端盒超导接头连接，壳体上法兰安装有低温阀门组件可控制冷屏的80K冷质回路、电流引线的50K冷制输入及300K冷制输出、终端盒超导电缆及电流引线的4.5K冷质输出。
36.根据权利要求31所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述高温超导电流引线包括室温段、换热器段、高温超导段与低温超导段；室温段包含水冷母排和绝缘法兰，分别用于连接供电系统和磁体终端盒；换热器段采用无氧铜材翅片式结构；高温超导段工作温度5K-65K，通过传导冷却；低温超导段中低温超导电缆一端与高温超导段焊接，另一端接入接头盒中。
37.根据权利要求32所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷热交换器用于使电流引线300K出口冷质气体温度达到常温状态，以保护阀门；所述控制阀和安全阀组件用于泄放事故状态下过大的管路压力，保证整个馈线系统的安全运行；所述流量计用于采集并计算出实时流量；所述压差计和压力计组件用于检测管路系统的运行情况；所述第一阀架为框架结构用于承载上述原器件。
38.根据权利要求33所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述过渡馈线设置有S弯结构低温超导电缆，用于吸收磁体线圈冷却和运行时对超导电缆带来的机械应力。
39.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述真空室系统包括真空室主体、上窗口、中窗口、下窗口、真空室重力支撑和中子屏蔽块。
40.根据权利要求39所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述真空室系统位于所述超导磁体系统内部，用于为内部部件和窗口插件提供支撑，所述真空室系统为真空腔体结构，用于为等离子体运行提供真空环境，同时为氚和活化灰尘提供第一层约束壁垒。
41.根据权利要求39所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述真空室主体为D形截面的双层壳结构，双层壳体之间充满具有屏蔽功能的硼化水和所述中子屏蔽块。
42.根据权利要求39所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述上窗口、所述中窗口和所述下窗口用于为诊断、加热、抽气、内部部件管林提供接近等离子体的通道。
43.根据权利要求39所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述真空室重力支撑采用柔性板式结构，用于吸收真空室本体的热胀冷缩位移量。
44.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述偏滤器系统位于所述真空室系统内部，所述偏滤器系统包括若干偏滤器模块和偏滤器管林。
45.根据权利要求44所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，单个所述偏滤器模块包括盒体、外靶板、穹顶和内靶板，所述盒体作为主要承载部件，将所述内靶板、所述穹顶和所述外靶板集成为一个整体；所述外靶板由第一面向等离子体单元和第一过渡支撑组成；所述穹顶由第二面向等离子体单元和第二过渡支撑组成；所述内靶板由第三面向等离子体单元和第三过渡支撑组成。
46.根据权利要求45所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第一面向等离子体单元、所述第二面向等离子体单元和所述第三面向等离子体单元均采用平板结构，同时在所述第三面向等离子体单元和所述第一面向等离子体单元高热负荷区内部流道采用带有纵横向凹槽的超汽化结构，其它区域采用光管结构，所述第二面向等离子体单元内部流道采用光管结构。
47.根据权利要求44所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，单个所述偏滤器模块采用内、中、外三个支撑，中间采用过渡块连接，所述过渡块上下面可修配，用于补偿所述偏滤器模块的装配误差，内、中、外三个支撑下部结构与所述真空室系统固接。
48.根据权利要求44所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述偏滤器管林由数个所述偏滤器模块的进出冷却管道及其管夹构成。
49.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述包层系统位于所述真空室系统内部，所述包层系统用于直接面对高热等离子体。
50.根据权利要求49所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述包层系统包括顶部包层、高场侧包层、底场侧包层、包层管林，单个包层由第一壁及屏蔽块组成。
51.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述遥操作系统包括内部部件操作系统、窗口插件操作系统和转运车系统。
52.根据权利要求51所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述内部部件操作系统包括操作臂转运CASK、操作臂主体、输运臂转运CASK、输运臂主体和工具部署箱，所述操作臂主体与所述输运臂主体相隔90°部署在真空室中窗口，所述操作臂主体通过快速接头与所述工具部署箱内的执行器对接，并通过对应执行器夹持并操作所述工具部署箱内的工具，或对真空室内部部件进行搬运，所述输运臂转运CASK能够提供所述操作臂主体进行真空室内部部件维护所需的执行器、工具与内部部件的存放空间。
53.根据权利要求51所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述窗口插件操作系统包括多自由度机械臂、执行器工具、窗口插件转运机构。
54.根据权利要求51所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述转运车系统包括转运车主体、对接机构和运输系统，所述转运车主体内部设计有双层移动平台，下层移动平台运送上层移动平台通过密封通道与真空室轨道对接，上层移动平台可以集成窗口插件遥操作系统沿轨道进入真空室窗口处，移除真空室密封机构，更换窗口插件维护执行器拆除窗口插件，并沿轨道拖拉插件至所述转运车主体内部，所述转运车主体中的双密封门关闭，所述转运车主体脱离所述对接机构，所述运输系统将所述转运车主体运送到热室对接区域。
55.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，还包括主机总装系统，所述主机总装系统包括总装策略、预装特殊工器具、装配特殊工器具、总装基准网及准直测量、焊接及无损检测、真空检漏、绝缘和高低压测试。
56.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述总装策略用于定义磁约束聚变堆主机部件的装配顺序、装配实施方案。
57.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述预装特殊工器具用于磁约束聚变堆主机部件在预装大厅内开展组装、拼接和测试，为满足和实现聚变部件的预装活动，所需的特殊工装、平台、夹具和仪器设备包括：1/8真空室组装平台、中心螺线管磁体组装平台、杜瓦底座拼装焊接平台、部件检测临时支撑及工器具、环向场磁体翻转工装、真空室翻转工装。
58.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述装配特殊工器具用于磁约束聚变堆主机部件在主机大厅内开展吊装、定位、焊接和测试，为满足和实现聚变部件的总装活动，所需的特殊工装、平台、夹具和仪器设备包括：杜瓦底座吊具极向场磁体、极向场磁体吊具、下部磁体临时支撑及举升平台、真空室吊具及临时支撑、环向场磁体套装旋转工装、包层转运及举升工装、1/8扇段吊装及定位工装、上中下窗口临时支撑。
59.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述总装基准网及准直测量系统用于为磁约束聚变堆主机部件的总装定位提供装配基准和准直测量。
60.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述焊接及无损检测系统用于为磁约束聚变堆主机部件的总装焊缝提供焊接和缺陷检测。
61.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述真空检漏系统用于为磁约束聚变堆主机主要部件的总装真空腔体提供真空检漏。
62.根据权利要求55所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述绝缘和高低压测试系统用于为磁约束聚变堆主机磁体和馈线部件提供总装绝缘和高电压测试。
63.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述主机大厅分为五个楼层，分别是L1层、L2层、L3层、B1层、B2层，所述聚变堆主机上下贯穿五个楼层，并采用厚度两米的混凝土生物屏蔽层进行防护。
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