CN209641357U - 一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，包括第一壁部件支撑结构，所述第一壁部件支撑结构在面向等离子体辐射的一面涂设有耐高温腐蚀涂层，所述第一壁部件支撑结构内布设有导热构件，所述导热构件由碳纳米管组成。本实用新型采用由碳纳米管构成的导热构件，由于其具有较高的热导率，传热性能优于目前的气态或液态等冷却剂；同时由于其具有较好的力学特性且不需要冷却剂，可避免传统气态或液态冷却剂丧失所造成的应力超压事故，增强了第一壁安全性,可应用于氘氚聚变反应堆面向等离子体部件，具有重要的工程应用价值。

Description

一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件

技术领域

本实用新型属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件。

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。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。

由于第一壁须要承受来自堆芯等离子体的高密度热流及自身结构内产生的大量核热，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，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。但是氦气或水等液态冷却剂是对流换热，需要连接有一个冷却剂流量分配联箱，通过联箱分配冷却剂的流速与流量，实现第一壁的冷却，对氦气或水的冷却能力要求较高，目前的第一壁设计氦气冷却剂压力为8Mpa，水的冷却剂压力为15Mpa，若发生冷却剂流量丧失，会造成第一壁的超压事故，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。

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可避免传统气态或液态冷却剂丧失造成的应力超压事故，具有安全性高，热传导效率高，且力学安全性能好的基于碳纳米管导热的无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：

一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，包括第一壁部件支撑结构，所述第一壁部件支撑结构在面向等离子体辐射的一面涂设有耐高温腐蚀涂层，所述第一壁部件支撑结构内布设有用于导走第一壁部件内沉积核热与等离子体辐射热的的导热构件，所述导热构件由碳纳米管组成。

进一步地，所述第一壁部件支撑结构包括支撑结构前壁，支撑结构后壁、支撑结构上盖板和支撑结构下盖板，所述支撑结构前壁、支撑结构后壁在面向等离子体辐射方向前后平行设置，间距为1-1.5cm，所述支撑结构上盖板和支撑结构下盖板分别盖在前后平行设置的所述支撑结构前壁和支撑结构后壁形成的两个平行壁面的上端和下端，所述支撑结构前壁、支撑结构后壁、支撑结构上盖板和支撑结构下盖板形成平行间距为1-1.5cm宽的用于容纳导热构件的空腔，所述支撑结构前壁为面向等离子体辐射的壁面，其面向等离子体辐射的表面涂有耐高温腐蚀涂层。

进一步地，所述导热构件由若干根碳纳米管平行紧密排列而成，其排列后的尺寸与空腔尺寸相适应。

进一步地，所述容纳导热构件的空腔内为真空环境，布设由碳纳米管紧密排列形成的导热构件。

进一步地，每根所述碳纳米管的两个自由端与热电转换装置或换热器相连接。

进一步地，所述耐高温腐蚀涂层为钨涂层。

进一步地，所述支撑结构前壁、支撑结构后壁、支撑结构上盖板和支撑结构下盖板为U型结构板，所述耐高温腐蚀涂层涂在支撑结构前壁的U型结构板底部面向等离子体辐射的一面，所述支撑结构上盖板和支撑结构下盖板分别盖在前后平行设置的所述支撑结构前壁与支撑结构后壁形成的两个壁面的上端和下端，所述支撑结构前壁31、支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34形成的容纳导热构件的空腔为U型。

进一步地，所述导热构件2沿U型空腔布置，导热构件2中的每根碳纳米管沿第一壁部件支撑结构3的U型结构环向布置，每根碳纳米管的自由端在U型第一壁部件支撑结构3的两个侧壁末端与热电转换装置或换热器相连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，采用由碳纳米管构成的导热构件，碳纳米管由于具有较高的热导率，在常温常压下，导热系数最高可达6000W/mK，传热性能优于目前的气态或液态等冷却剂；

2、由于碳纳米管具有较好的力学特性，其强度是钢的100倍，抗拉强度可达到200GPa，可避免传统气态或液态冷却剂丧失所造成的应力超压事故，增强了第一壁的热-机械安全性；

3、由于碳纳米管作为碳基材料，对聚变中子吸收较小，单根碳纳米管直径只有2～20nm，若干根碳纳米管紧密布置在第一壁支撑结构中，可代替传统氦气或水等冷却剂流道，同时由于其良好的力学特性，减少了第一壁结构中的钢使用量，减少了聚变中子的吸收，增加了聚变中子利用经济性；

4、使用碳纳米管冷却代替传统气态或液态冷却剂，可减少传统冷却剂流量分配联箱的设置，为实现聚变堆能量利用的包层部件争取了更多空间，利于包层相关部件的设计以及聚变能的利用。

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是本实用新型的第一壁部件三维立体图。

图3为本实用新型导热构件结构图。

图4是本实用新型的单根碳纳米管结构图。

图5是本实用新型第一壁部件与其它部件安装图。

具体实施方式

图1至图5示出了本实用新型一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件的一种具体实施例，该第一壁部件包括第一壁部件支撑结构3，所述第一壁部件支撑结构3在面向等离子体辐射的一面涂设有耐高温腐蚀涂层1，所述第一壁部件支撑结构3内布设有用于导走第一壁部件内沉积核热与等离子体辐射热的导热构件2，所述导热构件2由碳纳米管组成。由于碳纳米管的超强导热作用，在常温常压下，导热系数最高可达6000W/mK，可代替传统气态或液态冷却剂，且可避免传统气态或液态冷却剂丧失所造成的应力超压事故，增强了第一壁的热-机械安全性。此外由于碳纳米管力学性能较好，其强度是钢的100倍，抗拉强度可达到200GPa，且单根碳纳米管的直径只有2～20nm,若干根碳纳米管布置在第一壁部件支撑结构3中，代替传统氦气或水等冷却剂流道，减少第一壁中结构钢含量，从而减少聚变中子的吸收，增加了聚变中子利用经济性。同时使用碳纳米管冷却代替传统气态或液态冷却剂，可减少传统冷却剂流量分配联箱的设置，为实现聚变堆能量利用的包层部件争取了更多空间，利于包层相关部件的设计以及聚变能的利用。碳纳米管材料可看作是石墨烯片层卷曲而成，作为一维纳米材料，具有良好的力学、电学和化学性能，热传导率高，可作为聚变堆内的一种新型热传导材料，本专利所提出的一种碳纳米管导热的无冷却剂对流传热的聚变堆第一壁未见文献报道。

本实施例中，所述第一壁部件支撑结构3包括支撑结构前壁31，支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34，所述支撑结构前壁31、支撑结构后壁32在面向等离子体辐射方向前后平行设置，间距为1-1.5cm，所述支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34分别盖在前后平行设置的所述支撑结构前壁31与支撑结构后壁32形成的两个平行壁面的上端和下端，所述支撑结构前壁31、支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34形成平行间距为1-1.5cm宽的用于容纳导热构件2的空腔，所述支撑结构前壁31为面向等离子体辐射的壁面，其面向等离子体辐射的表面涂有耐高温腐蚀涂层1。支撑结构前壁31，支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34的厚度约为5mm左右，支撑结构前壁31和支撑结构后壁32前后平行放置，中间放置导热构件2后，然后在支撑结构前壁31和支撑结构后壁32的上下两端盖上支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34，用于封闭导热构件2。

本实施例中，所述导热构件2由若干根碳纳米管平行紧密排列而成，其排列后的尺寸与空腔尺寸相适应。由于碳纳米管可看作是由石墨烯片层卷曲而成的一维柱形纳米材料，单根碳纳米管的直径只有2～20nm,导热构件2由大量碳纳米管平行紧密排列而成，其宽度为1-1.5cm，形状与支撑结构3内的空腔结构相匹配，导热构件2布设在第一壁部件支撑结构3内的空腔内，由于第一壁部件直接面向等离子体，承受热负载最大，在耐高温腐蚀涂层1后的第一壁支撑结构3内布置的若干根碳纳米管，使得单位面积上的制冷效果达到最大，冷却效果更好。由于支撑结构3内的导热构件2，相比使用传统冷却剂的冷却流道来说，减少了第一壁部件中钢的使用量，减少了聚变中子的吸收，增加了聚变中子利用经济性。

本实施例中，在第一壁部件支撑结构3内的容纳导热构件2的空腔内为真空环境，布设由碳纳米管排列形成的导热构件2，真空环境可以有效防止高温碳原子氧化。

本实施例中，每根碳纳米管的两个自由端与热电转换装置或换热器相连接，实现聚变能量的转换与利用。由于碳纳米管的热传导率高，将吸收的热量传给热电转换装置或换热器后，迅速降低第一壁上沉积的核热与等离子体辐射热。

本实施例中，所述支撑结构前壁31、支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34为U型结构板，所述耐高温腐蚀涂层涂在支撑结构前壁31的U型结构板底部面向等离子体辐射的一面，所述支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34分别盖在前后平行设置的所述支撑结构前壁31与支撑结构后壁32的上端和下端，所述支撑结构前壁31、支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34形成容纳导热构件2的空腔为U型。所述耐高温腐蚀涂层1为钨涂层，涂在U型结构的底部直接面向等离子体段的一面。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。

本实施例中，所述支撑结构前壁31、支撑结构后壁32、支撑结构上盖板33和支撑结构下盖板34形成的容纳导热构件的空腔为U型，U型空腔结构利于导热构件2与换热器连接，也有利于与包层部件相结合，导热构件2沿U型空腔布置，导热构件2中的每根碳纳米管的自由端在U型结构的两个侧壁末端与热电转换装置或换热器相连接。所述导热构件中每根碳纳米管沿支撑结构3的U型结构环向布置，每根碳纳米管的两个自由端与热电转换装置或换热器相连接。

本实施例中，第一壁支撑结构3的材料为低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢材料。

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)

1.一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：包括第一壁部件支撑结构(3)，所述第一壁部件支撑结构(3)在面向等离子体辐射的一面涂设有耐高温腐蚀涂层(1)，所述第一壁部件支撑结构(3)内布设有用于导走第一壁部件内沉积核热与等离子体辐射热的导热构件(2)，所述导热构件(2)由碳纳米管组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述第一壁部件支撑结构(3)包括支撑结构前壁(31)，支撑结构后壁(32)、支撑结构上盖板(33)和支撑结构下盖板(34)，所述支撑结构前壁(31)、支撑结构后壁(32)在面向等离子体辐射方向前后平行设置，间距为1-1.5cm，所述支撑结构上盖板(33)和支撑结构下盖板(34)分别盖在前后平行设置的所述支撑结构前壁(31)与支撑结构后壁(32)形成的两个平行壁面的上端和下端，所述支撑结构前壁(31)、支撑结构后壁(32)、支撑结构上盖板(33)和支撑结构下盖板(34)形成平行间距为1-1.5cm宽的用于容纳导热构件(2)的空腔，所述支撑结构前壁(31)为面向等离子体辐射的壁面，其面向等离子体辐射的表面涂有耐高温腐蚀涂层(1)。

3.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述导热构件(2)由若干根碳纳米管平行紧密排列而成，其排列后的尺寸与空腔尺寸相适应。

4.根据权利要求3所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述容纳导热构件(2)的空腔内为真空环境。

5.根据权利要求3所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：每根所述碳纳米管的两个自由端与热电转换装置或换热器相连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述耐高温腐蚀涂层(1)为钨涂层。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述支撑结构前壁(31)、支撑结构后壁(32)、支撑结构上盖板(33)和支撑结构下盖板(34)为U型结构板，所述耐高温腐蚀涂层(1)涂在支撑结构前壁(31)的U型结构板底部面向等离子体辐射的一面，所述支撑结构上盖板(33)和支撑结构下盖板(34)分别盖在前后平行设置的所述支撑结构前壁(31)与支撑结构后壁(32)的上端和下端，所述支撑结构前壁(31)、支撑结构后壁(32)、支撑结构上盖板(33)和支撑结构下盖板(34)形成容纳导热构件(2)的空腔为U型。

8.根据权利要求7所述的一种基于碳纳米管导热的无冷却剂聚变堆第一壁部件，其特征在于：所述导热构件(2)沿U型空腔布置，导热构件(2)中的每根碳纳米管沿第一壁部件支撑结构(3)的U型结构环向布置，每根碳纳米管的自由端在U型第一壁部件支撑结构(3)的两个侧壁末端与热电转换装置或换热器相连接。