本發(fā)明涉及聚變堆高溫環(huán)境的冷卻系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以國際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆托卡馬克的物理診斷軟x射線相機(jī)為例，為保證托卡馬克真空室真空度，在實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)托卡馬克進(jìn)行烘烤處理。在托卡馬克裝置烘烤期間，環(huán)境溫度將高達(dá)250℃，即使在非烘烤期間，軟x射線相機(jī)探測(cè)器所處的環(huán)境溫度也將超過75℃，而探測(cè)器的正常工作溫度一般低于75℃，此外，溫度會(huì)影響探測(cè)器的性能，一般來說，探測(cè)器溫度每升高10℃，其暗電流就會(huì)加倍。所以為了適應(yīng)托卡馬克環(huán)境，冷卻系統(tǒng)不可缺少。如果使用水作為冷卻介質(zhì)，在核聚變堆這樣嚴(yán)重的核環(huán)境下，作為冷卻介質(zhì)的水由于處于堆芯位置，將會(huì)被很嚴(yán)重的活化。同時(shí)氦氣在相同的輻照條件下，其活化遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的活化水平。因此選用氦氣作為一種冷卻介質(zhì)就是一種很好的選擇，可同時(shí)滿足低活化和冷卻的需求。而在遠(yuǎn)離堆芯位置的輻照強(qiáng)度相對(duì)較弱的位置，可以使用水最為冷卻介質(zhì)冷卻氦氣。這種設(shè)計(jì)既可以采用較易獲得的水作為最終的冷源，同時(shí)可以大大降低總體的活化水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，以解決在核聚變堆嚴(yán)苛復(fù)雜的物理核環(huán)境中冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的有限的制冷劑中子活化等問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：包括有隔膜式壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐，隔膜式壓縮機(jī)的進(jìn)氣端與儲(chǔ)氣罐的氣體出口通過管道連接，隔膜式壓縮機(jī)的進(jìn)氣端與儲(chǔ)氣罐之間的管道上設(shè)有隔斷閥、電動(dòng)穩(wěn)壓閥，隔膜式壓縮機(jī)的出氣端與儲(chǔ)氣罐的出口、換熱器一的熱端的一個(gè)端口分別通過管道連接，隔膜式壓縮機(jī)的出氣端與儲(chǔ)氣罐之間的管道上設(shè)有泄壓閥，隔膜式壓縮機(jī)的出氣端與換熱器一之間的管道上設(shè)有排氣閥，換熱器一的冷端的兩個(gè)端口與冷水機(jī)連接，換熱器一的熱端的另一端口與冷卻池的一端通過管道連接，換熱器一與冷卻池之間的管道上設(shè)有流量計(jì)、壓力計(jì)一、溫度計(jì)一，冷卻池中置有待冷卻物體，冷卻池的另一端與換熱器二的熱端的一個(gè)端口通過管道連接，冷卻池與換熱器二之間的管道上設(shè)有壓力計(jì)二、溫度計(jì)二、吸氣閥，吸氣閥所在管道與流量計(jì)所在管道的兩個(gè)管道之間連接有一分支管道，所述分支管道上設(shè)有旁通閥，換熱器二的熱端的另一端口通過管道與隔膜式壓縮機(jī)的進(jìn)氣端連接，所述隔膜式壓縮機(jī)還分別與換熱器一、二的冷端兩端口通過管道連接。

所述的一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：所述儲(chǔ)氣罐的氣體入口還通過管道連接有補(bǔ)氣罐，所述管道上設(shè)有補(bǔ)氣減壓閥。

所述的一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：所述冷卻池中設(shè)有真空計(jì)、熱電偶，冷卻池還與機(jī)械泵、分子泵連接，所述機(jī)械泵和分子泵用于維持待冷卻物體的環(huán)境真空度，真空計(jì)用于檢測(cè)待冷卻物體的環(huán)境真空度，熱電偶用于檢測(cè)待冷卻物體的溫度。

所述的一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：所述儲(chǔ)氣罐、補(bǔ)氣罐中置有制冷劑，制冷劑采用氦氣。

本發(fā)明中的隔膜式壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、電動(dòng)穩(wěn)壓閥、隔斷閥、泄壓閥、熱交換器二、溫度計(jì)二、壓力計(jì)二等，構(gòu)成了初級(jí)氣冷制冷回路，本發(fā)明中的冷水機(jī)、熱交換器一、排氣閥、流量計(jì)、壓力計(jì)一、溫度計(jì)一等，構(gòu)成了次級(jí)水冷制冷回路。初級(jí)氣冷制冷回路中的氣體制冷劑與次級(jí)水冷制冷回路中的液體制冷劑在兩個(gè)熱交換器中進(jìn)行熱交換，初級(jí)制冷回路中的氣體制冷劑可以由電動(dòng)穩(wěn)壓閥控制從儲(chǔ)氣罐中向初級(jí)氣冷回路中進(jìn)行補(bǔ)充或回收，當(dāng)儲(chǔ)氣罐氣體不足時(shí)，可由補(bǔ)氣罐進(jìn)行補(bǔ)充；初級(jí)氣冷制冷回路中的熱電偶、溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)和真空計(jì)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；初級(jí)氣冷制冷回路中的隔膜式壓縮機(jī)提供氣體壓力源；初級(jí)氣冷制冷回路為閉回路，其氦氣可重復(fù)循環(huán)利用；次級(jí)制冷回路中的冷水機(jī)組向熱交換器和隔膜式壓縮機(jī)提供循環(huán)可重復(fù)循環(huán)使用的冷卻水。

本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)可以將待冷卻物體環(huán)境真空控制在10^-2pa，可以將物體或者環(huán)境溫度從250℃降低到50℃；可以利用溫度自動(dòng)反饋，從而調(diào)節(jié)旁通閥開度控制初級(jí)氣體回路流量，使得溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)利用初級(jí)氣冷制冷回路的氣體置換出核聚變堆中物體的熱量，然后在次級(jí)水冷制冷回路中用冷卻水置換氣體的熱量，有效地避免了核聚變堆中子輻照導(dǎo)致冷卻水被活化的問題。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)為：

1、本發(fā)明使用了多種傳感器監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；

2、本發(fā)明使用了氣冷水冷混合制冷方式，避免了核聚變堆中子輻照導(dǎo)致冷卻水被活化的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，包括有隔膜式壓縮機(jī)14、儲(chǔ)氣罐15，隔膜式壓縮機(jī)14的進(jìn)氣端與儲(chǔ)氣罐15的氣體出口通過管道連接，隔膜式壓縮機(jī)14的進(jìn)氣端與儲(chǔ)氣罐15之間的管道上設(shè)有隔斷閥12、電動(dòng)穩(wěn)壓閥13，隔膜式壓縮機(jī)14的出氣端與儲(chǔ)氣罐15的出口、換熱器20的熱端的一個(gè)端口分別通過管道連接，隔膜式壓縮機(jī)14的出氣端與儲(chǔ)氣罐15之間的管道上設(shè)有泄壓閥16，隔膜式壓縮機(jī)14的出氣端與換熱器20之間的管道上設(shè)有排氣閥19，換熱器20的冷端的兩個(gè)端口與冷水機(jī)21連接，換熱器20的熱端的另一端口與冷卻池3的一端通過管道連接，換熱器20與冷卻池3之間的管道上設(shè)有流量計(jì)6、壓力計(jì)7、溫度計(jì)8，冷卻池3中置有待冷卻物體，冷卻池3的另一端與換熱器11的熱端的一個(gè)端口通過管道連接，冷卻池3與換熱器11之間的管道上設(shè)有壓力計(jì)2、溫度計(jì)1、吸氣閥10，吸氣閥10所在管道與流量計(jì)6所在管道的兩個(gè)管道之間連接有一分支管道，分支管道上設(shè)有旁通閥9，換熱器11的熱端的另一端口通過管道與隔膜式壓縮機(jī)14的進(jìn)氣端連接，隔膜式壓縮機(jī)11還分別與換熱器20、11的冷端兩端口通過管道連接。

儲(chǔ)氣罐15的氣體入口還通過管道連接有補(bǔ)氣罐18，管道上設(shè)有補(bǔ)氣減壓閥17。

冷卻池3中設(shè)有真空計(jì)7、、熱電偶8，冷卻池3還與機(jī)械泵22、分子泵23連接，。機(jī)械泵22和分子泵23用于維持待冷卻物體3的環(huán)境真空度，真空計(jì)7用于檢測(cè)待冷卻物體3的環(huán)境真空度，熱電偶8用于檢測(cè)待冷卻物體3的溫度。

儲(chǔ)氣罐15、補(bǔ)氣罐18中置有制冷劑，制冷劑采用氦氣。

本發(fā)明的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)采用一臺(tái)隔膜式壓縮機(jī)14作為壓力源，壓縮后的氣體進(jìn)入一個(gè)換熱器20供冷卻系統(tǒng)使用，使用后的氣體再次經(jīng)過另一個(gè)換熱器11降溫，一臺(tái)冷水機(jī)21組為冷卻系統(tǒng)提供冷源，降溫后的氣體在閉環(huán)初級(jí)回路中循環(huán)利用。一個(gè)儲(chǔ)氣罐15供由電動(dòng)穩(wěn)壓閥13控制，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行需要充氣或者是封閉環(huán)路中氣體壓力不足時(shí)，對(duì)閉環(huán)初級(jí)回路內(nèi)進(jìn)行氣體補(bǔ)充。當(dāng)任務(wù)結(jié)束，需要回收氣體時(shí)，同樣也由電動(dòng)穩(wěn)壓閥13控制將氣體回收至儲(chǔ)氣罐15。在系統(tǒng)進(jìn)行過程當(dāng)中時(shí)，為了控制初級(jí)回路氣體流量，采用了一個(gè)旁通閥9用于調(diào)節(jié)分流。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，利用初級(jí)氣冷制冷回路的氣體置換出核聚變堆中物體的熱量，然后在次級(jí)水冷制冷回路中用冷卻水置換氣體的熱量，有效地避免了核聚變堆中子輻照導(dǎo)致冷卻水被活化的問題，可以將待冷卻物體環(huán)境真空控制在10?2Pa，能夠長(zhǎng)期地提供連續(xù)冷卻氣體和冷卻水，并快速冷卻具有較高溫度或環(huán)境溫度的物體。

技術(shù)研發(fā)人員：陳曄斌;胡立群;張勝;張斌;詹俊程;俞紅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.09
技術(shù)公布日：2017.09.29