【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁约束核聚变偏滤器，具体涉及一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块及冷却靶板结构。
技术介绍
1、偏滤器(divertor)是环形聚变装置的重要组成部分，其不仅可以排除聚变反应过程中所产生的氦灰，屏蔽来自器壁的杂质，减少杂质对中心等离子体的污染，还可以排除聚变等离子体所产生的能流及粒子流，这将导致偏滤器靶板上产生很高的热负载，对偏滤器部件造成损伤，从而影响偏滤器的使用寿命。偏滤器作为聚变堆面对等离子体部件，需要具有能够承受超高的热负荷并将热量带走的功能，偏滤器靶板部件采用的是主动冷却的方法，即通过冷却通道的方式带走热量。
2、在偏滤器靶板结构中，直接接触热流的材料为直接面对等离子体材料，钨(w)因其具有高熔点(3410±20℃)、高热导率、低溅射产额、低核反应活性和低氢同位素滞留等优点，被认为是未来核聚变堆中最有可能全面使用的面向等离子体材料；直接与钨连接的是无氧铜中间层，起缓释直接面对等离子体材料和结构材料之间热应力的作用；冷却剂由冷却管包裹，冷却管道需兼备热沉材料和部件结构材料的双重功能，因此需要其在具备优良的热传导性能的同时还具有一定的强度；与冷却管道相连的是结构材料，承担了提升结构整体强度的功能。
3、综上，偏滤器靶板模块是由若干种材料“堆叠”而成的复杂结构，由于这些材料各不相同的热力学性能，在高热流下的偏滤器模块的温度分布和应力分布不均匀，如何降低模块的应力水平，提升材料和模块的疲劳寿命是研究的热门方向。
4、目前，世界范围内有两种偏滤器靶板模块被广泛使用和研究：平板模块和
5、但是对于未来聚变堆，等离子体热流将会更高，出于安全角度的考虑，常将20mw/m2的稳态热流作为评估偏滤器设计结构可靠性的热加载条件。国内外的模拟、实验结果表明，在10mw/m2热负荷下，类iter穿管模块的靶板温度将达到1000℃，而在20mw/m2热负荷下，靶板的温度将达超过1800℃，极有可能引起偏滤器面向等离子体材料和部件的损伤，譬如材料会发生严重的再结晶、表面塑性变形和局部熔化、产生宏观大裂纹，部件则有可能发生界面塑性变形和开裂，最终导致部件的失效，从而影响偏滤器部件的使用寿命和装置的安全运行。
6、因此，发展新型的能同时保证降低模块的温度和应力、延长模块疲劳寿命及保证偏滤器靶板模块安全性的结构模块，是未来聚变堆偏滤器部件及材料研发的重点与趋势之一。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块及冷却靶板结构，通过结合平板模块的高效换热能力和穿管模块的安全性，降低偏滤器靶板模块的温度、应力并延长模块疲劳寿命，同时保证偏滤器靶板模块的安全性，避免在高热负荷下靶板材料发生脱落而污染堆芯等离子体。
2、本专利技术通过下述技术方案实现：
3、一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，包括复合模块，所述复合模块包括面向等离子体部件以及过渡层，所述面向等离子体部件位于外围且用于与等离子体接触，所述面向等离子体部件中设置有匹配所述过渡层的通孔，所述过渡层冶金连接在所述通孔内，所述过渡层内冶金连接冷却管，冷却剂流过所述冷却管内以带走聚变引起的热量；
4、其中，所述过渡层的外侧形状为上平下圆的u形结构，所述过渡层的内侧形状为圆形结构。
5、在本方案中，复合模块的过渡层的外侧形状为上平下圆的u形结构及内侧为圆形结构，而iter穿管模块的过渡层内外侧形状均为圆形结构，这样的设计可以有效增加过渡层与面向等离子体部件的比重，整体提升复合模块的导热能力，缓解复合模块的应力及应变集中问题。
6、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述过渡层的u形上平面朝向聚变中心方向，进一步减小热流加载过程中产生的塑性变形。
7、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述面向等离子体部件为长方体结构，有效降低面向等离子体表面的平均热流量。
8、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述面向等离子体部件的宽度为22mm～35mm，所述面向等离子体部件的高度为25mm～35mm，所述面向等离子体部件的厚度为8mm～15mm，进一步降低面向等离子体部件表面的平均热流量。
9、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述过渡层的u形上平面与u形下弧面之间倒圆角，过渡层与面向等离子体部件的u形上平面与u形下弧面之间倒圆角结构能更均匀有效导出来自等离子体能量，使面向等离子体部件表面到冷却管之间的温度梯度也更小，同时缓解面向等离子体部件表面温度最高点处带来的热应力集中现象。
10、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述过渡层的u形上平面与u形下弧面之间的倒圆角半径为0mm～8mm，进一步缓解面向等离子体部件表面温度最高点处带来的热应力集中现象。
11、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述面向等离子体部件的材料为钨，所述过渡层的材料为无氧铜ofhc，所述冷却管的材料为锆铬铜合金cucrzr，提高本模块的换热能力以及提高了模块结构的可靠性。
12、作为所述复合模块的进一步技术方案，所述通孔内侧壁面与所述面向等离子体部件上朝向聚变中心方向的外表面之间的最大距离为5mm～8mm，降低由热量分布不均匀引起的热应力集中现象。
13、一种偏滤器冷却靶板结构，采用上述技术方案中任一项所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块依次沿轴向方向串联在一起成为一个单通道冷却模块，多个所述单通道冷却模块并联形成结构整体。
14、作为所述冷却靶板结构的进一步技术方案，每一个所述单通道冷却模块中的所述冷却管内贯穿设置有增强换热效率的扰流片。
15、本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
16、1.本专利技术通过适当增加过渡层材料与面向等离子体部件材料的比重，有效地降低模块温度并均匀化面对等离子体表面的温度分布，由此可以达到降低面向等离子体部件上半部分高温区的应力水平、降低面向等离子体部件塑性形变的目的。
17、2.本专利技术由于采用了穿管模块的概念，因此本专利技术复合模块的结构可以避免由于局部焊接缺陷引起的靶板材料脱落的问题，同时由于采用了平板模块的概念，其面对等离子体材料的温度分布更均匀，在聚变堆循环热负载的作用下靶板钨材料中部位置在冷却阶段产生的巨大拉应力位置向两侧移动，且最大值大幅度降低，热流本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，包括复合模块(1)，所述复合模块(1)包括面向等离子体部件(11)以及过渡层(12)，所述面向等离子体部件(11)位于外围且用于与等离子体接触，所述面向等离子体部件(11)中设置有匹配所述过渡层(12)的通孔，所述过渡层(12)冶金连接在所述通孔内，所述过渡层(12)内冶金连接冷却管(2)，冷却剂(3)流过所述冷却管(2)内以带走聚变引起的热量；
2.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述过渡层(12)的U形上平面朝向聚变中心方向。
3.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述面向等离子体部件(11)为长方体结构。
4.根据权利要求3所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述面向等离子体部件(11)的宽度为22mm～35mm，所述面向等离子体部件(11)的高度为25mm～35mm，所述面向等离子体部件(11)的厚度为8mm～15mm。
5.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征
6.根据权利要求5所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述过渡层(12)的U形上平面与U形下弧面之间的倒圆角半径为0mm～8mm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述面向等离子体部件(11)的材料为钨，所述过渡层(12)的材料为无氧铜OFHC，所述冷却管(2)的材料为锆铬铜合金CuCrZr。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述通孔内侧壁面与所述面向等离子体部件(11)上朝向聚变中心方向的外表面之间的最大距离为5mm～8mm。
9.一种偏滤器冷却靶板结构，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一项所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块依次沿轴向方向串联在一起成为一个单通道冷却模块，多个所述单通道冷却模块并联形成结构整体。
10.根据权利要求9所述一种偏滤器冷却靶板结构，其特征在于，每一个所述单通道冷却模块中的所述冷却管(2)内贯穿设置有增强换热效率的扰流片(4)。
...【技术特征摘要】
1.一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，包括复合模块(1)，所述复合模块(1)包括面向等离子体部件(11)以及过渡层(12)，所述面向等离子体部件(11)位于外围且用于与等离子体接触，所述面向等离子体部件(11)中设置有匹配所述过渡层(12)的通孔，所述过渡层(12)冶金连接在所述通孔内，所述过渡层(12)内冶金连接冷却管(2)，冷却剂(3)流过所述冷却管(2)内以带走聚变引起的热量；
2.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述过渡层(12)的u形上平面朝向聚变中心方向。
3.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述面向等离子体部件(11)为长方体结构。
4.根据权利要求3所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述面向等离子体部件(11)的宽度为22mm～35mm，所述面向等离子体部件(11)的高度为25mm～35mm，所述面向等离子体部件(11)的厚度为8mm～15mm。
5.根据权利要求1所述的一种聚变堆偏滤器穿管-平板复合模块，其特征在于，所述过渡...
【专利技术属性】
技术研发人员：金羽中，练友运，封范，王建豹，刘翔，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：
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