[发明专利]聚变装置偏滤器水冷模块及其应用的偏滤器冷却靶板结构

说明书

一种用于冷却磁约束核聚变装置中偏滤器靶板结构的水冷模块结构设计，该聚变装置偏滤器水冷模块结构由面向等离子体结构、焊接在面向等离子体结构内的应力缓冲层结构，焊接在缓冲层结构内的热沉管道结构组成。在该冷却结构中，冷却剂流经热沉结构带走聚变反应带给偏滤器部分的高能量。面向等离子体结构为单面朝聚变中心方向凸起且在中央位置穿插热沉管道以及应力缓冲层结构的六面体结构，凸起面结构直接承受来自聚变中心的热流，该凸起的圆弧面与环状的应力缓冲层结构和热沉结构同轴。本发明从结构设计方面直接提高偏滤器的换热能力，该设计能够更加有效分散来自等离子体能流的同时改进冷却剂管道与面向等离子体表面结构的相容性从而提高换热能力。

技术领域

本发明属于磁约束核聚变偏滤器冷却技术领域，具体涉及一种聚变装置偏滤器水冷模块及其应用的偏滤器冷却靶板结构。

背景技术

聚变技术是能够解决人类能源问题的终极途径之一，该项技术在国际上广泛被研究。偏滤器是磁约束核聚变中最为关键的设备之一，在磁约束托卡马克装置中起到排出氦灰、排出来自高温等离子体的热流杂质粒子流、防止二次杂质再次进入等离子体中等作用。其偏滤器靶板上面向等离子体壁面处需要承受来自装置中心等离子体的10-20 MW/m²的热流密度，这给面向等离子体部件的材料选择及冷却性能提出了较高的要求。在托卡马克装置中，直接面对等离子体的部件称为面向等离子体部件，需要承受较高的粒子通量、热负荷、中子负荷等，一般主要由面向等离子体材料及热沉材料两部分组成。

国内外研究

现有技术中用于偏滤器冷却结构的设计按照冷却剂类型主要分为三种类型：水冷型、氦冷型与液态金属冷却型。通过对不同类型的偏滤器结构相关资料进行调研，发现已有偏滤器设计的面向等离子体部件的面向等离子体表面均为平面结构，平面结构不仅方便制造，还能够保证一定角度的磁力线情况下，均匀分散来自磁力线的热流从而有效防止热流量在面向等离子体表面某处的热量集中现象，同时该设计能够有效防止表面裂纹的生长，抑制材料的残余应力生长。目前最成熟的偏滤器设计方案是穿管式钨铜偏滤器如图2所示，该方案已经被应用在国内外几个大型托卡马克装置中，如ITER、EAST、CFETR 等，该设计也是目前用于聚变装置的首选方案，具有结构简单，冷却技术成熟等优点。

通过调研已有的关于穿管式钨铜偏滤器冷却模块热工水力研究成果，发现在现有设计中面向等离子体表面为平板结构设计下，面向等离子体部件的整体热量分布是非均匀的，接受热流密度的一面温度较高。在面向等离子体表面上，与冷却剂管道最靠近处温度明显低与远离冷却剂管道处的温度。直接面向等离子体壁面由于与冷却剂接触距离不均匀，而导致面向等离子体部件的棱角处出现结构材料温度极大值点。

面向等离子体部件需要采用能够与等离子体相容性好的结构材料，即原子序数较小的材料，国内外偏滤器面向等离子体表面材料的选择历经了碳、铍、碳合金、铍合金、钨，结构材料的变更同时也是聚变装置功率的逐步提升的需要。面向等离子体表面表面的温度极大值点大大限制了面向等离子体结构材料的性能，容易造成材料融化进而引起一系列后续严重问题。目前国内外各类型偏滤器设计普遍采用熔点最高的钨材料作为面向等离子体材料，该材料同时满足耐高温、溅射率低、氚滞留比低、高热导率等特点。但随着未来聚变功率的再次提高，面向等离子体材料承受的热载荷也越高，结构材料容易在高温下失效进而影响聚变反应的持续运行，同时也带来较大的经济损失。

目前主要通过两种途径解决这个问题，其一是通过磁约束聚变等离子体理论优化约束磁场位形，尽可能设计优化的偏滤器位形，尽量获得最大的磁力线展宽，从源头减小等离子体向面向等离子体部件带来的热负荷；其二即是通过优化冷却系统结构或开发更高导热性能的结构材料和冷却剂，提升偏滤器的排热性能，更高效率导出靶板上来自等离子体的能量。