一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元及其制备方法制造方法及图纸

一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元及其制备方法，涉及可控核聚变装置内部偏滤器部件先进设计制造应用领域，包括等离子体负载区

【技术实现步骤摘要】
一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元及其制备方法


[0001]本专利技术涉及可控核聚变装置内部偏滤器部件先进设计制造应用领域，具体是涉及一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元及其制备方法
。

技术介绍

[0002]能源危机是新世纪人类发展所面临的主要问题之一，可控核聚变是目前解决人类能源问题的重要途径之一
。
偏滤器作为可控核聚变装置中的核心部件，芯部高能粒子会将巨大的热量负载至偏滤器表面，偏滤器需快速高效的将热载进行传导输送
。
因此偏滤器在服役载荷的可靠性对可控核聚变装置的运行具有至关重要的意义
。
如何有效地排出等离子体产生的高热量和降低单元结构热应力成为偏滤器结构设计和制备的最大挑战
。
高质量快速低成本的实现偏滤器一体化制备是当前可控核聚变装置的迫切需求
。
[0003]在现有技术中，偏滤器结构单元形式主要有穿管型和平板型两类，通过烧结法或机械合金法结合热等静压
、
机加工等后处理手段来实现，主要缺点是研制成本极高
、
周期长，同时结构单元由于制备方法的局限使换热效率受到很大程度限制
。
[0004]本专利技术提出了一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元，通过冷却通道设计达到了换热效率最大化，同时实现了高质量
、
快速低成本制备
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元及其制备方法，基于最大换热效率对偏滤器单元结构冷却通道进行了设计，通过本专利技术中的区域结构形式，采用多材料
SLM
技术有效的实现偏滤器结构单元的制备，达到了很好的热传导效果，同时省去了热等静压等后处理工序，大大缩短了制备周期和成本
。
对可控核聚变装置的研制提供了强有力的支撑
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元，包括等离子体负载区
、
过渡区和热沉换热区，所述热沉换热区设计有冷却介质入口，入口环流腔，非有序弥散通道，出口汇流腔以及冷却介质出口；冷却介质经入口先流到入口环流腔，起到冷却介质稳流作用，冷却介质流经弥散通道进行换热后到达出口汇流腔时，起到冷却介质整流作用，便于后续串联偏滤器结构单元冷却介质的流场稳定控制
。
[0008]作为本专利技术的优选技术方案，所述非有序弥散通道由通道Ⅰ区，通道Ⅱ区
、
通道Ⅲ区
、
通道Ⅳ区
、
通道
Ⅴ
区和通道
Ⅵ
区组成，在热沉换热区中依次顺序远离等离子体负载区排布
。
[0009]作为本专利技术的优选技术方案，所述等离子体负载区所用材料为纯钨或钨基合金，过渡区所用材料为镍基合金
、
无氧铜
、
钨弥散铜材料中一种，热沉换热区所用材料为铜基合金
。
[0010]另外，本专利技术还提出了该可控核聚变装置的偏滤器结构单元的制备方法，包括如
下步骤：
[0011]首先，通过超声波控制铜基合金粉末即组元
A
配送，形成粉末床，
SLM
成形设计有冷却通道的热沉换热区；
[0012]然后，启动粉末更换系统对组元
A
进行收集及清洁度检测，通过超声波信号控制无氧铜
、
镍基合金
、
钨弥散铜材料中一种即组元
B
配送，
SLM
成形过渡区；
[0013]最后，更换为纯钨或钨基合金粉末即组元
C
并实施配送，完成等离子体负载区的
SLM
成形
。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果如下：
[0015]1、
本专利技术所提出的偏滤器结构单元主要包括等离子体负载区
、
过渡区
、
热沉换热区
。
等离子体负载区采用区域分散的结构形式，在有效承载稳态及瞬态高热通量以及高粒子通量的同时疏散制备过程中应力集中区，增强结构稳定性
。
所述过渡区采用剖面渐缩结构，能实现稳态及交变热载荷下偏滤器等离子体负载区和热沉换热区的可靠连接
。
[0016]2、
本专利技术引入偏滤器结构单元功能性多材料融合结构设计的体系思想，采用特定冷却通道使偏滤器热结构单元沉换热区的换热量达到最大，同时等离子体负载区采用区域分散的结构形式，结合
SLM
实现了偏滤器多材料的快速制备，突破了传统制备方法对偏滤器结构功能的限制，本专利技术为可控核聚变装置偏滤器的研制提供了支撑
。
[0017]3、
本专利技术提出的偏滤器结构单元中，冷却通道以最大换热量为设计目标进行结构设计而成，通道走向异形但使用平面设计，在高效换热下降低流阻；所述冷却通道使用非均匀分层弥散的形式；所述冷却通道分布密度随与等离子负载区的距离增大而减小
。
相较现有结构，换热效率得到了提升，在
10MW/m2热流密度下，部件温度降低
300℃
以上
。
同时界面处温度梯度小，温度分布更加均衡，提高了结构单元的稳定性，提升了部件的服役寿命
。
[0018]4、
本专利技术采用
SLM
多种材料一体制备，免去了热等静压等后处理工序，缩短了周期，提高了产品可靠性，同时大大降低制备成本
。
本专利技术在保证高效热传导的前提下，减小了冷却介质的流量，拓宽了大比热容冷却介质的选用范畴，一定程度上节约了资源
。
附图说明
[0019]图1是本专利技术偏滤器结构单元剖视图
。
[0020]图2是本专利技术偏滤器结构单元透视图
(
正视
)。
[0021]图3是本专利技术中弥散通道Ⅰ区分布透视图
(
俯视
、
省略入
、
出口环流腔
)。
[0022]图4是本专利技术中弥散通道Ⅱ区分布透视图
(
俯视
)。
[0023]图5是本专利技术中弥散通道Ⅲ区分布透视图
(
俯视
)。
具体实施方式
[0024]请参阅图1和2所示，本专利技术提出了一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元，包括等离子体负载区
1、
过渡区6和热沉换热区7，热沉换热区7设计有冷却介质入口2，入口环流腔3，非有序弥散通道，出口汇流腔5以及冷却介质出口4；冷却介质经入口先流到入口环流腔，起到冷却介质稳流作用，冷却介质流经弥散通道进行换热后到达出口汇流腔时，起到冷却介质整流作用，便于后续串联偏滤器结构单元冷却介质的流场稳定控制
。
[0025]其中，等离子体负载区1中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可控核聚变装置的偏滤器结构单元，其特征在于，包括等离子体负载区
(1)、
过渡区
(6)
和热沉换热区
(7)
，所述热沉换热区
(7)
设计有冷却介质入口
(2)
，入口环流腔
(3)
，非有序弥散通道，出口汇流腔
(5)
以及冷却介质出口
(4)
；冷却介质经入口先流到入口环流腔，起到冷却介质稳流作用，冷却介质流经弥散通道进行换热后到达出口汇流腔时，起到冷却介质整流作用，便于后续串联偏滤器结构单元冷却介质的流场稳定控制
。2.
如权利要求1所述的可控核聚变装置的偏滤器结构单元，其特征在于，所述等离子体负载区
(1)
中单体模块
(14)
的尺寸为
4.5
～
5.4mm
×
4.3
～
5.1mm
，单体模块间隔跨距为
0.1
～
0.5mm。3.
如权利要求1所述的可控核聚变装置的偏滤器结构单元，其特征在于，所述过渡区
(6)
采用剖面渐缩结构，等值界面倾角范围为
40
～
70
°
，过渡区
(6)
高度为
1.5
～
3mm。4.
如权利要求1所述的可控核聚变装置的偏滤器结构单元，其特征在于，所述非有序弥散通道总截面积与冷却介质入口
(2)
截面积比为
1∶5
～
1∶3。5.
如权利要求1～4任一项所述的可控核聚变装置的偏滤器结构单元，其特征在于，所述非有序弥散通道由通道Ⅰ区
(8)
，通道Ⅱ区
(9)、
通道Ⅲ区
(10)、
通道Ⅳ区
(11)、
通道
Ⅴ
区
(12)
和通道
Ⅵ
区
(13)
组成，在热沉换热区
(7)
中依次顺序远离等离子体负载区
(1)
排布
。6.
如权利要求5所述的可控核聚变装置的偏滤器结构单元，其特征在于，所述非有序弥散通道Ⅰ区
(8)
与过渡区
(6)/
热沉换热区
(7)
界面距离为
3.5
～
4.5mm
，呈平面分布；流体域占比
30
～
50
％，Ⅰ区进出主通道
(15、16)
直径为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉程，鲁碧为，王亚光，张小强，刘家琴，马冰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：