專利名稱:利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊的技術領域：
，具體是一種利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊。
背景技術：
聚變堆包層是實現高環(huán)境適應性和低發(fā)電成本的聚變能源應用的關鍵能量轉換部件。在聚變裝置中，其主要功能包括包容高溫聚變等離子體、增殖氚、能量轉換和輻射屏蔽。包層相關技術是聚變能走向商業(yè)應用所必須解決的核心技術。目前，從所采用的氚增殖劑的物質形態(tài)上可將聚變堆包層劃分為兩類固態(tài)氚增殖劑包層和液態(tài)氚增殖劑包層。液態(tài)氚增殖劑包層由于具有很好的幾何適應性、氚增殖能力、導熱和載熱能力，可在線提取氚，可在線補充消耗掉的鋰等優(yōu)點而具有非常大的吸引力，得到了聚變堆包層領域的普遍關注和深入研究。
聚變堆包層的設計須要考慮包層的更換。聚變堆包層是通過包層背部的機械連接裝置固定在真空室內壁上的，包層管道的連接也位于包層的背部，若想在真空室內對包層進行更換，需要斷開或連接包層背部的機械連接裝置和管道。由于真空室內發(fā)生氘-氚聚變反應，具有很強的中子輻照，人不能直接進入真空室，所以對真空室內部部件的更換只能靠遠程操作系統(tǒng)完成，但是為了滿足屏蔽要求，真空室內壁由真空室內部部件(如包層、偏濾器等)完全覆蓋，導致遠程操作工具無法直接接近機械連接裝置和管道接口，包層的更換成為聚變堆包層研發(fā)的一項關鍵技術。
目前，對于聚變堆包層的更換主要是通過調節(jié)真空室窗口的位置、數量和大小，同時取出一列包層模塊到熱室進行更換，然后再將裝配好的一列包層模塊送進真空室安裝，例如，在聚變堆裝置周圍的多個扇形區(qū)內開大的水平窗口或豎直上窗口，同時拆卸或安裝一個扇形區(qū)的真空室及其內部部件；或者同時開較小的上窗口和較大的中窗口，包層模塊從上窗口和中窗口進出；或者僅開較大的中窗口，包層模塊從中窗口進出。其缺點是(I)真空室外空間有限，開足夠大的豎直上窗口的可行性很??；(2)水平窗口太大，中子泄露問題嚴重，很難滿足屏蔽要求；(3) —次操作一列包層模塊，體積大，質量重，對外部操作和空間要求高；(4)若只需對于個別包層模塊進行更換，按以上方案，耗時太長，而且會影響其他部件的使用壽命。顯然，尋求和發(fā)展能在真空室內完成單個包層模塊的更換的技術對聚變能研究與應用具有重大意義。
為了能在真空室內完成單個包層模塊的更換，在2005年，有人基于管道內遠程切割與焊接這一較為成熟的技術基礎，提出了采用遠程操作工具從同心中空管的內管進入雙冷液態(tài)鋰鉛包層模塊內部以實現包層模塊更換的方法，其不足之處是(1)同心中空管內部結構復雜，加工難度大，可靠性差；(2)同心中空管直接穿透第一壁和氚增殖區(qū)內部組件，導致包層模塊的裝配非常困難，可行性低；(3)被穿透的第一壁和包層內部組件結構內的氦氣流道的布置難度大，而且容易導致局部溫度過高，影響包層模塊的安全可靠性。
發(fā)明內容
本發(fā)明克服了現有技術中的不足，提供了一種安全可靠、結構簡單、易加工制造的可利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊。
本發(fā)明的技術方案是
一種利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊，它包括第一壁，第一壁內布滿平行的第一壁氦氣流道，第一壁氦氣流道出口與第二級氦氣聯箱連通，第一壁的正面設有預留孔，單層導向管穿過無隔板阻擋的“U”形氚增殖區(qū)垂直于第一壁的正面安裝在預留孔上，單層導向管的一端端面與第一壁氦氣流道的后壁平齊，單層導向管的另一端固定在內部背板上，單層導向管遠離預留孔的一端管口設有密封板，單層導向管包括帶支管的單層導向管和帶通氣孔的單層導向管，支管和通氣孔與第二級氦氣聯箱連通。
所述的預留孔穿透第一壁，預留孔與第一壁氦氣流道連通，預留孔的靠第一壁外側設有密封板。
所述的“U”形氚增殖區(qū)的凹面是由三塊徑向隔板隔成，徑向隔板的內部設有氦氣流道，“U”形氚增殖區(qū)的外圍形狀與包層模塊的外形一致，液態(tài)氚增殖劑在“U”形氚增殖區(qū)內的流動路徑呈“U”形。
本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是
1.采用帶支管和帶通氣孔兩種單層導向管，結構簡單、可靠性好、易加工制造；
2.單層導向管的氦氣冷卻方案更合理，直接從第一壁氦氣流道內分流一部分氦氣進入單層導向管，流進第二級氦氣聯箱，這樣不影響第一壁氦氣流道平行、均勻的分布在第一壁內，既提高了第一壁的安全可靠性，又大大降低了第一壁的加工制造難度；
3.利用多塊內部設有氦氣流道的徑向隔板隔出一個“U”形氚增殖區(qū)，單層導向管直接穿過無隔板阻擋的“U”形氚增殖區(qū)，既避免了單層導向管穿透氚增殖區(qū)內部組件，又克服了包層模塊不規(guī)則外形的缺點，簡化了包層模塊結構，大大降低了包層模塊的加工制造難度，同時也提高了包層模塊的安全可靠性；
4.單層導向管為單層結構，直徑較小，有利于保持第一壁的結構完整性和提高包層模塊的氚增殖量；
5.本發(fā)明在聚變堆和聚變-裂變混合堆的液態(tài)氚增殖劑包層設計領域具有普適性，同時，本發(fā)明中的單層導向管可以用于聚變堆固態(tài)氚增殖劑包層。


圖1為本發(fā)明的右視圖；
圖2為本發(fā)明的主視圖；
圖3為圖1的A—A首I]視圖；
圖4為圖2的B— B剖視圖；
圖5為圖2的C一C剖視圖。
圖中1.第一壁；2.上蓋板；3.下蓋板；4.背板；5.液態(tài)氚增殖劑分配箱；6.液態(tài)氚增殖劑匯集箱；7.液態(tài)氚增殖劑進口母管；8.液態(tài)氚增殖劑進口總管道；9.液態(tài)氚增殖劑出口總管道；10.液態(tài)氚增殖劑出口母管；11.氦氣進口管道；12.氦氣出口管道；13.氦氣進口母管；14.氦氣出口母管；15.螺栓；16.矩形鍵；17.環(huán)徑隔板；18.徑極隔板；19. “U”形氚增殖區(qū)；20.立方形氚增殖區(qū)；21.單層導向管；22.環(huán)極隔板；23.支管；24.通氣孔；25.第一壁氦氣流道；26.預留孔；27.內部背板；28.密封板；29.第一壁氦氣流道出口 ；30.第二級氦氣聯箱。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明
如圖1和圖2所示，第一壁1、上蓋板2、下蓋板3和背板4構成盒狀結構，背板4的上部設有液態(tài)氚增殖劑分配箱5和液態(tài)氚增殖劑匯集箱6，液態(tài)氚增殖劑從液態(tài)氚增殖劑進口母管7流進液態(tài)氚增殖劑進口總管道8，進入液態(tài)氚增殖劑分配箱5后分為多個支路進入氚增殖區(qū)，然后匯集到液態(tài)氚增殖劑匯集箱6，通過液態(tài)氚增殖劑出口總管道9流進液態(tài)氚增殖劑出口母管10，其中氚增殖區(qū)的形狀如圖3和圖4所示。背板4的下部設有氦氣進口管道11和氦氣出口管道12，分別與氦氣進口母管13和氦氣出口母管14連接。背板4上設有四個螺栓15和四個矩形鍵16，用于包層模塊的連接與固定。在真空室內對包層模塊進行遠程更換須要斷開或連接背板4上的螺栓15和管道8、9、11、12。包層模塊的結構材料為低活化鋼，液態(tài)氣增殖劑為液態(tài)鉛鋰合金或液態(tài)鋰。
如圖3所示，一塊環(huán)徑隔板17和三塊徑極隔板18互相垂直焊接，將包層模塊的內部空間分隔成一個“U”形氚增殖區(qū)19和兩個立方形氚增殖區(qū)20。環(huán)徑隔板17和徑極隔板18的結構內部設有氦氣流道。單層導向管21穿過無隔板阻擋的“U”形氚增殖區(qū)19，遠程操作工具通過單層導向管21進入包層模塊內部斷開或連接螺栓15和管道8、9、11、12?！癠”形氚增殖區(qū)19的凹面由三塊徑向隔板組成，隔板內有氦氣流道，“U”形氚增殖區(qū)19的外圍形狀與包層模塊的外形一致?！癠”形氚增殖區(qū)19的設計，既克服了包層模塊不規(guī)則外形的缺點，簡化包層模塊的結構，又避免了單層導向管21穿透氚增殖區(qū)內部組件，大大降低了包層模塊的加工制造難度，同時也提高了包層模塊的安全可靠性。液態(tài)氚增殖劑在“U”形氚增殖區(qū)19內從左邊流進，右邊流出，流動路徑呈“U”形，這樣延長了液態(tài)氚增殖劑在氚增殖區(qū)內的流動路徑，有利于氚增殖和能量提取，同時，液態(tài)氚增殖劑從包層模塊的同一側進出，有利于節(jié)省包層模塊的背部空間。
如圖4所示，每個立方形氚增殖區(qū)20被兩塊環(huán)極隔板22分隔成三個小氚增殖區(qū)，每個小增殖區(qū)都有一個進口或一個出口，液態(tài)氚增殖劑從最上端的管口流進，至環(huán)徑隔板17后拐彎分為兩條支路向上流動，這種“一進二出”的流動路徑，也延長了液態(tài)氚增殖劑的流動路徑，有利于氚增殖和能量提取。
如圖5所示，用于斷開或連接液態(tài)氚增殖劑進口總管道8和螺栓15的操作通道分別為帶支管23的單層導向管21和帶通氣孔24的單層導向管21，帶支管23的單層導向管21與待斷開或連接的液態(tài)氚增殖劑進口總管道8相對，帶通氣孔24的單層導向管21與待斷開或連接的螺栓15相對。單層導向管21垂直于第一壁正面，一端固定在預留孔26上，端面與第一壁氦氣流道25的后壁平齊，另一端固定在包層模塊的內部背板27上，其中帶支管23的單層導向管21靠支管23固定。預留孔26穿透第一壁I的正面，第一壁I內均勻布滿平行的第一壁氦氣流道25，預留孔26與第一壁氦氣流道25連通，預留孔26的靠第一壁I外側設有密封板28，密封板28的背面與第一壁氦氣流道25的前壁平齊，密封板28的正面與第一壁I正面的前壁平齊。單層導向管21遠離預留孔26的一端管口上設有密封板28，帶支管23的單層導向管21上的密封板28的位置不超過待斷開或連接的管道接口的位置，帶通氣孔24的單層導向管21上的密封板28不與螺栓15接觸。單層導向管21的支管23管口、通氣孔24和第一壁氦氣流道出口 29與第二級氦氣聯箱30連通。第一壁氦氣流道25內的一部分氦氣通過預留孔26進入單層導向管21，流進第二級氦氣聯箱30，這樣既不影響第一壁氦氣流道25的布置，降低了第一壁氦氣流道25的布置難度和第一壁的加工制造難度，又可以達到冷卻單層導向管21和“U”形氚增殖區(qū)19的目的。
液態(tài)氚增殖劑出口總管道9、氦氣進口管道11和氦氣出口管道12對應的單層導向管21的安裝與液態(tài)氚增殖劑進口總管道8對應的單層導向管21的安裝類似，每個導向管21對應一個預留孔26。
單層導向管21的材料為低活化鋼，壁厚為3 10mm。預留孔26的孔徑為3(T80mm。為了使帶支管23的單層導向管21的固定具有足夠的強度，每個帶支管23的單層導向管21設有的支管23的數量為f 4根，支管23的外徑為l(T50mm。通氣孔24均勻分布在位于第二級氦氣聯箱30的管道上，通氣孔24的孔徑為5 30mm，兩孔之間的間隔為2飛倍孔徑。相比于雙層結構的同心中空管，單層導向管21是單層結構，外徑較小，所需預留孔26的孔徑也較小，有利于保持第一壁I的結構完整性，同時單層單層導向管21所占空間較小，有利于氚增殖。
在聚變堆真空室內對液態(tài)氚增殖劑包層模塊進行遠程拆卸和安裝的操作步驟主要包括a、停止真空室內等離子體燃燒；b、遠程操作系統(tǒng)進入真空室；c、排空包層模塊內的液態(tài)氚增殖劑；d、停止氦氣供應；e、切開預留孔26上的密封板28 ;f、遠程操作工具進入單層導向管21，切開單層導向管21內的密封板28，斷開管道8、9、11、12和螺栓15 ;g、將包層模塊取出；h、送入待安裝的包層模塊；1、遠程操作工具進入包層模塊單層導向管21，連接螺栓15和管道8、9、11、12，將包層模塊固定在真空室內壁上；j、遠程操作工具退出單層導向管21，焊接預留孔26的密封板28 ;k、將遠程操作系統(tǒng)移出真空室；1、密封真空室，聚變堆裝置準備開始正常工作。
本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。
盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域：
的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求
限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
權利要求
1.利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊，其特征在于:它包括第一壁(1)，第一壁(I)內布滿平行的第一壁氦氣流道(25)，第一壁氦氣流道出口(29)與第二級氦氣聯箱(30)連通，第一壁(I)的正面設有預留孔(26)，單層導向管(21)穿過無隔板阻擋的“U”形氚增殖區(qū)(19)垂直于第一壁(I)的正面安裝在預留孔(26)上，單層導向管(21)的一端端面與第一壁氦氣流道(25)的后壁平齊，單層導向管(21)的另一端固定在內部背板(27)上，單層導向管(21)遠離預留孔(26)的一端管口設有密封板(28)，單層導向管(21)包括帶支管(23)的單層導向管(21)和帶通氣孔(24)的單層導向管(21)，支管(23)和通氣孔(24)與第二級氦氣聯箱(30)連通。
2.根據權利要求
1所述的利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊，其特征在于:所述的預留孔(26)穿透第一壁(1)，預留孔(26)與第一壁氦氣流道(25)連通，預留孔(26 )的靠第一壁外側設有密封板(28 )。
3.根據權利要求
1所述的利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊，其特征在于:所述的“U”形氚增殖區(qū)(19)的凹面是由三塊徑向隔板隔成，徑向隔板的內部設有氦氣流道，“U”形氚增殖區(qū)(19)的外圍形狀與包層模塊的外形一致，液態(tài)氚增殖劑在“U”形氚增殖區(qū)(19)內的流動路徑呈“U”形。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種利用單層導向管實現遠程更換的聚變堆液態(tài)氚增殖劑包層模塊，它包括第一壁，第一壁內布滿平行的第一壁氦氣流道，第一壁氦氣流道出口與第二級氦氣聯箱連通，第一壁的正面設有預留孔，單層導向管穿過無隔板阻擋的“U”形氚增殖區(qū)垂直于第一壁的正面安裝在預留孔上，單層導向管的一端端面與第一壁氦氣流道的后壁平齊，單層導向管的另一端固定在內部背板上，單層導向管遠離預留孔的一端管口設有密封板，單層導向管包括帶支管的單層導向管和帶通氣孔的單層導向管，支管和通氣孔與第二級氦氣聯箱連通。本發(fā)明具有安全可靠、結構簡單、易加工制造等優(yōu)點，可用于核聚變裝置中。
文檔編號G21B1/13GKCN103077750SQ201210593353
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月31日
發(fā)明者李敏, 倪木一, 廉超, 蔣潔瓊, 吳宜燦 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan