CN209591539U - 基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件 - Google Patents

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吕中良
陈忠
赵子甲
马燕云
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Abstract

本实用新型基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，包括用于形成第一壁部件结构的支撑体，所述支撑体形状为U型槽状结构，在U型槽状结构的底部面向等离子体的一面涂有耐高温腐蚀的涂层，在所述U型槽状结构的支撑体内开设有冷却流道，所述冷却流道为双重冷却流道。本实用新型通过冷却流道的双重冷却，快速带走第一壁上的热量，增强了第一壁的传热，进一步加固了第一壁结构的热‑机械安全性能。同时由于其高效的热传导效率、较好的中子学经济性与力学安全性能等优势，可应用于未来氘氚聚变能源示范堆面向等离子体部件，具有重要的工程实用价值。

Description

基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件
技术领域
本实用新型属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件。
背景技术
对于解决未来的能源，以燃料取之不尽，生产高效和洁净为特点的受控核聚变是人们寄予希望最大的一个研究领域。自20世纪五十年代以来，世界发达国家和少数发展中国家都投入了大量人力和物力，先后建造了大小规模不等的200多个托卡马克装置以及一些仿星器、激光点火装置等。我国于2017年12月5日在安徽合肥正式启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)项目的工程设计，并计划于本世纪中叶实现聚变发电示范堆的建造，目前相关单位正在开展中国聚变工程实验堆的相关工程设计。对于托卡马克型核聚变装置来说，面向等离子体一侧通常布置有第一壁，其作用是承受来自堆芯等离子体辐射的热流并保护聚变堆包层以及真空室内部其它部件免受高强度热负荷冲击及高能中子辐照。第一壁通常由第一壁涂层(Armor)及第一壁支撑结构两部分构成，作为第一壁材料，要求耐等离子体腐蚀、高机械强度、抗热冲击、放气率低、吸附杂质少密度均匀等特点。
早期的面向等离子体涂层(Armor)材料有石墨、Be等材料，钨由于具有高熔点、在等离子体里有低的腐蚀率等特点因而被认为是最优希望的未来聚变堆第一壁涂层的重要候选材料，目前第一壁涂层主要围绕钨涂层设计。但是由于钨的原子序数较高，会存在辐射损耗，芯部等离子体中所容许的含量大大低于Be和石墨；同时钨也是一种较强的中子吸收体，造成包层氚增殖能力的降低，必须限制第一壁中钨材料的含量，在高热负荷下也会发生再结晶脆化甚至发生熔化。第一壁是包层模块中直接面向等离子体的重要部件，须要承受来自等离子体的高密度热流及自身结构内产生的大量核热，目前所设计的第一壁主要在钨涂层后方的结构内布置了沿面对等离子体极向均匀排列的U型氦气或水等冷却流道，用于冷却并带走第一壁上发生的过高能量沉积。
由于第一壁是聚变堆的关键承力部件，为了减小第一壁热应力，第一壁的结构温度应尽可能低，但第一壁直接面向等离子体，承受热负载最大，对氦气或水的冷却能力要求最高，承受工况最为严重，其中子学与热-机械等性能的安全直接影响了第一壁后面聚变堆部件的安全以及聚变能的应用，成为了聚变堆设计重点研究并首先冷却的对象。
石墨烯是目前世界上最薄最坚硬的纳米材料，具有高熔点、高硬度、高的导热性能等优点，强度是钢的200倍，热导率高达5000W/(m·K)，是未来的一种革命性的材料，目前核聚变反应堆装置的设计还未见有其在相关部件上的设计。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供了一种热传导效率高，且力学安全性能好的基于石墨烯导热的双重冷却剂聚变堆第一壁部件。
为解决该问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种基于石墨烯导热的双重冷却剂聚变堆第一壁部件，包括用于形成第一壁部件结构的支撑体，所述支撑体形状为U型槽状结构，在U型槽状结构的底部面向等离子体的一面涂有耐高温腐蚀的涂层，在所述U型槽状结构的支撑体内开设有冷却流道，所述冷却流道为双重冷却流道。
进一步地，所述双重冷却流道是指在冷却流道的内壁面上镀有石墨烯涂层，冷却流道中有冷却剂。
进一步地，在所述耐高温腐蚀涂层直接面向等离子体表面镀有石墨烯层。
进一步地，在所述U型槽状结构底部的支撑体表面与耐高温腐蚀的涂层之间涂有导热层。
进一步地，所述导热层为石墨烯导热层。
进一步地，所述耐高温腐蚀的涂层为钨涂层。
进一步地，所述冷却剂为氦气。
进一步地，所述冷却流道为若干组并行均匀开设在支撑体内的U形流道，每组U形流道的两端在U形槽状结构的两个侧壁末端与冷却剂分配联箱相连。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1.本实用新型通过冷却流道的双重冷却，快速带走第一壁上的热量，增强了第一壁的传热，进一步加固了第一壁结构的热-机械安全性能。通过石墨烯具有高热传导率的特性，在冷却流道壁面上镀有石墨烯涂层，同时在冷却流道中设有冷却剂，通过冷却剂的流动形成对流传热，由于石墨烯的高效导热以及冷却剂的对流传热两种换热方式，实现加载到聚变堆第一壁上等离子体热流与结构材料内核热的双重冷却，增强了第一壁的传热，进一步加固了第一壁结构的热-机械安全性能；
2.本实用新型基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，在耐高温腐蚀涂层的表面镀有石墨烯层，石墨烯熔点高、硬度强，镀在耐高温腐蚀涂层的表面，用于保护耐高温腐蚀涂层及第一壁，防止其在高热负荷下发生的再结晶脆化或熔化，增强其力学安全性能；
3.石墨烯作为碳基材料，可慢化中子，增加聚变堆内中子学利用经济性。
附图说明
图1是本实用新型的第一壁部件剖面结构图。
图2是本实用新型的三维立体图。
图3是冷却流道三维立体图。
图4是冷却流道剖面结构图。
图5是第一壁与其它部件安装图。
具体实施方式
图1至图5示出了本实用新型基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，包括用于形成第一壁部件结构的支撑体5，所述支撑体5形状为U型槽状结构，在U型槽状结构的底部面向等离子体的一面涂有耐高温腐蚀的涂层2，在所述U型槽状结构的支撑体5内开设有冷却流道4，所述冷却流道4为双重冷却流道。本实用新型通过冷却流道的双重冷却，快速带走第一壁上的热量，增强了第一壁的传热，进一步加固了第一壁结构的热-机械安全性能。本实施例中，双重冷却流道是指在冷却流道4的内壁面上镀有石墨烯涂层，冷却流道4中有冷却剂。通过石墨烯具有高热传导率的特性，在冷却流道壁面上镀有石墨烯涂层，同时在冷却流道中设有冷却剂，通过冷却剂的流动形成对流传热，由于石墨烯的高效导热以及冷却剂的对流传热两种换热方式，实现加载到聚变堆第一壁上等离子体热流与结构材料内核热的双重冷却，增强了第一壁的传热，进一步加固了第一壁结构的热-机械安全性能；本实施例中，冷却剂为氦气，双重冷却流道为石墨烯-氦气双重冷却流道。
本实施例中，在耐高温腐蚀涂层2直接面向等离子体表面镀有石墨烯层1。石墨烯熔点高、硬度强，在耐高温腐蚀涂层2的表面镀有石墨烯层1，用于保护耐高温腐蚀涂层及第一壁，防止其在高热负荷下发生的再结晶脆化或熔化，并增强其力学安全性能。本实施例中，耐高温腐蚀涂层2为钨涂层。钨由于具有高熔点、在等离子体里有低的腐蚀率等特点因而被认为是最有希望的未来聚变堆第一壁涂层的重要候选材料，石墨烯涂层1为径向厚度0.335nm单层石墨烯，镀在耐高温腐蚀涂层2即钨涂层的表面。
本实施例中，在所述U型槽状结构底部的支撑体5表面与耐腐蚀涂层2之间涂有导热层3。用于增强第一壁的传热，并进一步加固钨涂层的热-机械安全性能，本实施例中，导热层为石墨烯导热层3：为径向厚度0.335nm单层石墨烯，镀在钨涂层2径向后方，其面向等离子体段的环向长度与垂直方向极向高度保持与钨涂层相同，利用石墨烯的高热导率特点增强第一壁的传热，利用石墨烯的高硬度特点进一步加固钨涂层的热-机械安全性能，同时利用石墨烯作为碳基材料，慢化中子，增加聚变堆内的中子学利用经济性。
本实施例中，冷却流道4为若干组并行均匀开设在支撑体内的U形流道，每组U形流道的两端在U形槽状结构的两个侧壁末端与冷却剂分配联箱6相连。冷却流道4的U形流道与U形槽状的环向一致，通过冷却剂分配联箱6，可实现冷却流道4内的冷却剂氦气流量与流速的调节；石墨烯-氦气双重冷却流道壁面石墨烯热传导过来的热量以及流道内氦气冷却剂对流传热过来的热量，通过冷却剂分配联箱6内布置的换热器实现聚变堆能量的转换与利用。
本实施例中，开设在支撑体5内的冷却流道4其靠近等离子体一侧的支撑体壁面较薄，有利于冷却剂带走壁面热量使壁面快速冷却。
本实施例中，第一壁部件结构的支撑体部分使用低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢材料制成，在U型槽状结构后方非面对等离子体的一侧一般与实现聚变堆能量利用的包层部件7相连。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：包括用于形成第一壁部件结构的支撑体，所述支撑体形状为U型槽状结构，在U型槽状结构的底部面向等离子体的一面涂有耐高温腐蚀的涂层，在所述U型槽状结构的支撑体内开设有冷却流道，所述冷却流道为双重冷却流道。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述双重冷却流道是指在冷却流道的内壁面上镀有石墨烯涂层，冷却流道中有冷却剂。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：在所述耐高温腐蚀涂层直接面向等离子体表面镀有石墨烯层。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：在所述U型槽状结构底部的支撑体表面与耐高温腐蚀的涂层之间涂有导热层。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述导热层为石墨烯导热层。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述耐高温腐蚀的涂层为钨涂层。
7.根据权利要求2所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述冷却剂为氦气。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述冷却流道为若干组并行均匀开设在支撑体内的U形流道，每组U形流道的两端在U形槽状结构的两个侧壁末端与冷却剂分配联箱相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109637678A (zh) * 2019-02-18 2019-04-16 中国人民解放军国防科技大学 基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件
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