一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板制造技术

本发明专利技术属于聚变堆偏滤器靶板冷却领域，具体涉及一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板。包括面向等离子体材料层，应力缓冲层，微通道和超汽化复合结构热沉以及不锈钢盖板；微通道和超汽化复合结构热沉中与靶板的打击点区域相对应的采用微通道冷却，微通道和超汽化复合结构热沉中与靶板的其余区域相对应的采用超汽化通道冷却。本发明专利技术可以显著降低靶板打击点区域的面向等离子体材料表面温度，延长偏滤器靶板的服役寿命；能够更高效转移出沉积在偏滤器靶板打击点区域的超高热负荷，保证面向等离子材料温度低于材料的重结晶温度。面向等离子材料温度低于材料的重结晶温度。面向等离子材料温度低于材料的重结晶温度。

【技术实现步骤摘要】
一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板


[0001]本专利技术属于聚变堆偏滤器靶板冷却领域，具体涉及一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板。

技术介绍

[0002]人类文明的进步与能源的发展密切相关，相较于裂变能，聚变能燃料储备充分，并且产物对大气无污染且放射性较低，因此是人类基础能源的一个极佳选择。聚变反应的实现主要通过引力约束、惯性约束以及磁约束，其中基于磁约束托卡马克(Tokamak)是最有希望实现可控热核聚变反应的装置。偏滤器是托卡马克装置中的一个重要组成部分，来自等离子体内的粒子受到偏滤器内部磁场的作用，被约束在偏滤器中。偏滤器可以有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰。
[0003]偏滤器在工作过程中外壁面单侧直接面对等离子体，受到来自等离子体的高热负荷的辐照。近年来，中国聚变工程实验堆(CFETR)对偏滤器靶板表面提出了更高的热负荷能力需求，特别是在打击点区域的高热负荷区域，稳态时的热流密度最大值可达20MW/m2，瞬态可到40MW/m2。因此，面对偏滤器靶板热流密度分布不均匀，局部受到超高热流密度的工作环境，须采取合适的冷却方式对偏滤器靶板进行冷却，保证热负荷被高效排出。而目前的平板型偏滤器靶板采用单一的超汽化结构，该结构虽然可以使近壁面流体提前到达饱和温度发生汽化，进而带走大量的汽化潜热，但依然不能满足局部20MW/m2热流密度的散热需求。因此为了有效排除沉积在偏滤器靶板打击点区域20MW/m2超高的热流密度，需要引入更高换热效率的冷却通道结构。微通道热沉具有表面积与体积比大、单位面积散热效率高、临界热流密度高等优点，可以对打击点区域的偏滤器靶板进行高效的冷却，提升聚变装置运行的安全性和可靠性。
[0004]中国专利申请公布号CN110729058 A公开了一种基于微通道相变冷却的聚变堆偏滤器高热负荷单元部件，该专利技术采用了微通道热沉作为偏滤器靶板的散热器件，利用微通道热沉的微尺度效应和沸腾传热特性，可以快速有效地移除偏滤器靶板表面的热负荷。但是在实际应用中，偏滤器靶板总体的热负荷很大，需要较高的工质流量来降低流体的温升，微通道在较高的流量下会产生很大的流动阻力，不适合在偏滤器靶板上单独使用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板，用于解决聚变堆偏滤器靶板打击点区域面向等离子体材料温度过高的问题。本专利技术在超汽化通道结构靶板中设置微通道结构用于打击点区域散热，并且优化超汽化通道翅片形状和连接方式，提高整体换热性能，最终得到最优化的偏滤器靶板；本专利技术特别适用于磁约束核聚变托卡马克装置偏滤器靶板，能有效降低靶板打击点区域工作时的表面温度。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器
靶板，包括面向等离子体材料层，应力缓冲层，微通道和超汽化复合结构热沉以及不锈钢盖板；
[0007]微通道和超汽化复合结构热沉中与靶板的打击点区域相对应的采用微通道冷却，微通道和超汽化复合结构热沉中与靶板的其余区域相对应的采用超汽化通道冷却。
[0008]进一步，所述面向等离子体材料层为平板状结构，厚度为1
‑
10mm，材料为钨或者钨合金。
[0009]进一步，应力缓冲层为平板状结构，厚度为1
‑
5mm，材料为无氧铜。
[0010]进一步，微通道和超汽化复合结构热沉材料为铬锆铜CuCrZr或者氧化物弥散强化铜合金ODS
‑
Cu。
[0011]进一步，所述微通道具有双层通道，上层通道为微通道，其水力直径为0.1
‑
2mm，下层通道采用不带内肋的平滑通道，上层通道的翅片和上、下层通道之间的分割层的上表面之间留有间隙。
[0012]进一步，所述上层通道内形成的流道为平直矩形排列、渐扩矩形排列、正交网络结构、树状分形结构、肺泡状结构中的任意一种。
[0013]进一步，所述超汽化通道上表面一体设有多个平行设置的横向肋片，横向肋片底部和超汽化通道底面之间留有间隙，横向肋片两端和超汽化通道两侧的内壁之间预留空间形成沟槽，横向肋片横向截面的形状为矩形、圆角矩形、正弦曲线及三角形中的任意一种。
[0014]进一步，所述超汽化通道与微通道采用U型流道连接或直接连接。
[0015]进一步，当超汽化通道与微通道采用U型流道连接时，微通道和其两侧的超汽化通道采用分体加工，超汽化通道下侧对应的不锈钢盖板与微通道相邻的部分内加工有横截面呈矩形的U型通道，微通道和超汽化通道相邻的端部设有端板，通过端板和U型通道的配合，使得超汽化通道与微通道实现U型流道连接。
[0016]进一步，所述应力缓冲层两侧分别与面向等离子体材料层以及微通道和超汽化复合结构热沉焊接，微通道和超汽化复合结构热沉以及不锈钢盖板之间焊接。
[0017]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0018](1)本专利技术利用微通道冷却技术对打击点区域进行散热，该技术结合了微尺度效应和沸腾换热特性，具有高效的换热能力和极高的临界热流密度，可以有效降低偏滤器靶板打击点区域的温度，提高靶板的使用寿命。
[0019](2)本专利技术设计了一种双层微通道结构热沉用于偏滤器靶板打击点区域，该热沉既有高效的换热效率，又能在大流量下维持较小的压降。
[0020](3)本专利技术采用复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板设计方法，可以显著提升偏滤器靶板的整体性能。
[0021](4)本专利技术通过U形流道将微通道结构和超汽化结构相连，使得气液两相流在U形流道内充分混合，从而实现汽泡在过冷液体中的完全冷凝，避免了汽泡进入微通道结构引起的通道堵塞。
附图说明
[0022]图1为本专利技术复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板实施例1示意图，其中a为靶板结构整体示意图，b为超汽化通道区域截面图，c为微通道区域截面图。
[0023]图2为实施例1为超汽化通道区域和微通道区域连接处三维透视图。
[0024]图3为本专利技术复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板实施例2示意图，其中a为靶板结构整体示意图，b为超汽化通道区域截面图，c为微通道区域截面图。
[0025]图4为本专利技术实施例1的偏滤器靶板数值仿真结果图，其中a为对称面的温度云图，b为对称面的速度矢量图。
[0026]附图标记说明：
[0027]1‑
面向等离子体材料层，2
‑
应力缓冲层，3
‑
微通道和超汽化复合结构热沉，31
‑
微通道，32
‑
超汽化通道，33
‑
微通道结构上层通道，34
‑
微通道结构下层通道，4
‑
不锈钢盖板，5
‑
靶板的打击点区域，6
‑
靶板的其余区域，7
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合微通道和超汽化结构冷却的偏滤器靶板，其特征在于，包括面向等离子体材料层(1)，应力缓冲层(2)，微通道和超汽化复合结构热沉(3)以及不锈钢盖板(4)；微通道和超汽化复合结构热沉(3)中与靶板的打击点区域(5)相对应的采用微通道(31)冷却，微通道和超汽化复合结构热沉(3)中与靶板的其余区域(6)相对应的采用超汽化通道(32)冷却。2.根据权利要求1所述的偏滤器靶板，其特征在于，所述面向等离子体材料层(1)为平板状结构，厚度为1
‑
10mm，材料为钨或者钨合金。3.根据权利要求1所述的偏滤器靶板，其特征在于，应力缓冲层(2)为平板状结构，厚度为1
‑
5mm，材料为无氧铜。4.根据权利要求1所述的偏滤器靶板，其特征在于，微通道和超汽化复合结构热沉(3)材料为铬锆铜CuCrZr或者氧化物弥散强化铜合金ODS
‑
Cu。5.根据权利要求1所述的偏滤器靶板，其特征在于，所述微通道(31)具有双层通道，上层通道(33)为微通道，其水力直径为0.1
‑
2mm，下层通道(34)采用不带内肋的平滑通道，上层通道(33)的翅片和上、下层通道之间的分割层的上表面之间留有间隙。6.根据权利要求5所述的偏滤器靶板，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雪梅，鲁铭翔，李强，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：