本發(fā)明涉及核聚變氚增殖包層領域，具體是一種套管式核聚變裝置的氚增殖氦冷包層結(jié)構(gòu)。

背景技術：

受控磁約束核聚變是目前自然科學研究中具有重大意義的前沿研究領域，其基本目標是實現(xiàn)氘氚核聚變反應，為人類提供新能源。氚增殖包層是核聚變的關鍵部件，其主要功能是高溫能量提取和維持氚自持的氚增殖能力。因此，包層是實現(xiàn)核聚變發(fā)電的關鍵技術之一。

包層根據(jù)氚增殖劑的形態(tài)主要分為液態(tài)氚增殖劑包層和固態(tài)氚增殖劑包層。液態(tài)氚增殖劑包層一般又分為液態(tài)金屬氚增殖包層和液態(tài)熔鹽氚增殖劑包層。液態(tài)包層雖然具有著良好的幾何適應性,簡化結(jié)構(gòu)設計，但是也同樣會帶來一些問題。如液態(tài)金屬在高溫下對結(jié)構(gòu)材料有較強的腐蝕作用，液態(tài)金屬在聚變堆的強磁場環(huán)境下流動會導致磁流體動力學效應，增加液體流動的壓力降和功率損耗。

固態(tài)氚增殖劑包層由于各個區(qū)域均需要布置冷卻回路，因此結(jié)構(gòu)比液態(tài)氚增殖劑包層復雜。但是它具有冷卻劑對結(jié)構(gòu)材料無腐蝕性、無磁流體動力學效應等優(yōu)點，因此其設計理念被國內(nèi)外聚變裝置廣泛使用。固態(tài)氚增殖劑包層根據(jù)冷卻劑不同主要分為水冷固態(tài)氚增殖劑包層和氦冷固態(tài)氚增殖劑包層兩種。在進行固態(tài)包層設計時，一般采用正硅酸鋰、鈦酸鋰等鋰的化合物作為氚增殖材料。氚增殖率由于受到核聚變反應中子數(shù)量的限制,氚增殖率相對較低。因此在固態(tài)包層結(jié)構(gòu)中一般還需要加入中子倍增材料以提高包層的氚增殖率，中子倍增劑一般采用be或be12ti等材料。由于包層結(jié)構(gòu)在裝置運行時受到中子輻照作用，包層結(jié)構(gòu)材料均采用低活化鋼，避免廢料難以處理。氚提取需要專門的回路，提氚氣體一般為氦氣和氫氣的混合氣體，其原理是通過氫氣與氚的同位素交換方式把氚帶出包層結(jié)構(gòu)。

固態(tài)氚增殖劑包層的氚增殖劑需要較高的溫度來提高氚的釋放率，因此在進行固態(tài)增殖劑包層設計時，氚增殖劑材料和中子倍增劑材料一般采用球床的形式，以便減小熱應力和方便氚的提取等。為了提高包層的氚增殖率，冷卻回路、提氚回路和結(jié)構(gòu)材料所占的空間應越小越好，如何將冷卻回路以及提氚回路集成到有限的空間中但是又不影響兩個回路各自功能的實現(xiàn)，同時還需滿足結(jié)構(gòu)材料的設計許用值，是固態(tài)氚增殖劑包層設計的重要內(nèi)容。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是提供一種用于氦冷固態(tài)氚增殖劑包層結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有技術存在的問題。

本發(fā)明采用的技術方案為：

一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括有由上蓋板、下蓋板、第一壁構(gòu)成的包層結(jié)構(gòu)，包層結(jié)構(gòu)中包括有套管式增殖單元、氦冷卻劑回路和氚提取回路，所述氦冷卻劑回路包括有設置在包層結(jié)構(gòu)上的氦冷回路進氣口、氦冷回路出氣口和設置在包層結(jié)構(gòu)內(nèi)的集流腔體a、集流腔體b、集流腔體c，所述氚提取回路包括有設置在包層結(jié)構(gòu)上的提氚回路進氣口、提氚回路出氣口和設置在包層結(jié)構(gòu)內(nèi)的提氚氣體集流腔體a、提氚氣體集流腔體b；所述氦冷卻劑回路中氦氣由氦冷回路進氣口進入，經(jīng)集液腔體a分流后進入第一壁和上、下蓋板，然后進入集流腔體b，通過集流腔體b進入套管式增殖單元，最后匯集到集流腔體c經(jīng)過氦冷回路出氣口流出包層結(jié)構(gòu)；所述氚提取回路中提氚氣體由提氚回路進氣口進入提氚氣體集流腔體a，經(jīng)過提氚氣體集流腔體a給套管式增殖單元的各個氚增殖套管結(jié)構(gòu)分流，帶走氚增殖區(qū)產(chǎn)生的氚，然后進入提氚氣體集流腔體b，最后通過提氚回路出氣口流出包層結(jié)構(gòu)。

所述的一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述套管式增殖單元的氚增殖套管結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外兩層冷卻劑流動的結(jié)構(gòu)；氚提取回路結(jié)構(gòu)為管道內(nèi)部用薄板隔離，提氚氣體進入管道的半邊區(qū)域然后流經(jīng)另外半邊區(qū)域，使提氚回路進氣口與提氚回路出氣口處于管路同一端。

所述的一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述氦冷卻劑回路和氚提取回路在第一壁和上、下蓋板均采用內(nèi)部開槽結(jié)構(gòu)，其余區(qū)域采用板與管、管與管或板與板焊接方式組成回路。

所述的一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述氦冷卻劑回路和氚提取回路的所有結(jié)構(gòu)均采用低活化鋼制造。

所述的一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的氦冷卻劑回路的管道的尺寸、冷卻劑流量以及集流腔體的尺寸根據(jù)管道所在的空間以及所需移除的熱負荷確定；氚提取回路的管道尺寸及提氚氣體的流量根據(jù)套管式增殖單元的具體設計來確定。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明套管式增殖單元結(jié)構(gòu)，不僅能夠同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)冷卻、增殖材料冷卻和氚提取的要求，同時又將冷卻回路和提氚回路的出入口設計在同一端，簡化了冷卻結(jié)構(gòu)并節(jié)省了空間，但又不影響其各自的功能。

附圖說明

圖1為套管式聚變堆氦冷包層的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為套管式聚變堆氦冷包層的整體結(jié)構(gòu)爆炸圖。

圖3為冷卻回路及提氚回路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4為冷確回路及提氚回路局部放大視圖。

具體實施方式

如圖1、2、3、4，一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，包括有氦冷卻劑回路及氚提取回路，氦冷卻劑回路中氦氣由氦冷回路進氣口1進入集流腔體a2，經(jīng)過集流腔體a2分流后再進入第一壁3、上蓋板4和下蓋板5，完成冷卻后一起匯集到集流腔體b6，然后進入套管式增殖單元的所有套管式結(jié)構(gòu)的外管7，由外管7流入套管式增殖單元的所有套管式結(jié)構(gòu)的內(nèi)管8匯集到集流腔體c9，最后由集流腔體c9進過氦冷回路出氣口10流出包層結(jié)構(gòu)。

氚提取回路中提氚氣體由提氚回路進氣口11進入提氚氣體集液腔體a12，經(jīng)過其分流后進入套管式增殖單元的增殖球床其中一半?yún)^(qū)域13，然后進入套管式增殖單元的增殖球床另一半?yún)^(qū)域14，最后匯集到提氚氣體集液腔體b15經(jīng)過提氚回路出氣口16流出。

氦冷卻劑回路在第一壁3、上蓋板4和下蓋板5均采用內(nèi)部開槽結(jié)構(gòu)，其余位置的腔體或管道采用板與管、管與管或板與板焊接方式組成回路。冷卻劑采用氦氣，流量大小根據(jù)聚變堆運行時包層的實際熱載荷和冷卻要求確定。

進出氣口1、10、11、16、第一壁3、上蓋板4、下蓋板5等結(jié)構(gòu)均由低活化鋼制造，滿足結(jié)構(gòu)的機械強度以及導熱要求。

氦冷卻劑回路的冷卻管道的尺寸以及集流腔體的尺寸根據(jù)管道所在的空間以及所需轉(zhuǎn)移的熱載荷確定；氚提取回路的提氚管路尺寸及提氚氣體的流量根據(jù)管路所在的空間以及所產(chǎn)生的氚的量來確定。

技術特征：

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種套管式的聚變堆氦冷包層結(jié)構(gòu)，包括有由上蓋板、下蓋板、第一壁構(gòu)成的包層結(jié)構(gòu)，包層結(jié)構(gòu)中包括有套管式增殖單元、氦冷卻劑回路和氚提取回路，所述氦冷卻劑回路包括有設置在包層結(jié)構(gòu)上的氦冷回路進氣口、氦冷回路出氣口和設置在包層結(jié)構(gòu)內(nèi)的集流腔體A、集流腔體B、集流腔體C，所述氚提取回路包括有設置在包層結(jié)構(gòu)上的提氚回路進氣口、提氚回路出氣口和設置在包層結(jié)構(gòu)內(nèi)的提氚氣體集流腔體A、提氚氣體集流腔體B。本發(fā)明采用套管式結(jié)構(gòu)不僅滿足了氚增殖單元冷卻和提氚的要求，而且在滿足結(jié)構(gòu)材料溫度許用值的基礎上提高了氚增殖材料的溫度，有效提高了氚的提取效率。

技術研發(fā)人員：雷明準;宋云濤;劉素梅;陸坤;裴坤;郭超;劉松林;徐淑玲;葉民友
受保護的技術使用者：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院
技術研發(fā)日：2017.03.22
技術公布日：2017.08.25