【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及核聚变领域，具体涉及一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块及其制备方法。
技术介绍
1、偏滤器是核聚变托卡马克装置的核心部件，直接面对强烈的粒子流和高温热流的冲击。偏滤器作为装置的超高热负荷部件，其热负荷排除能力是最为核心的技术评价指标。国际上主要的聚变实验装置，如国际热核聚变实验堆（iter）、东方超环（east）、法国的west和日本的jt-60sa等，以及主要的聚变堆装置，如欧盟的eu-demo、日本的ja-demo和韩国的k-demo等，其偏滤器热负荷排除能力设计均能承受稳态10 mw/m2。偏滤器热负荷排除能力越强，就越有利于维持高约束性能的等离子体稳态运行，这对于实现高效的聚变反应至关重要。对于中国聚变工程实验堆（cfetr），偏滤器需要具备承受稳态20 mw/m2的能力，但进一步提升则受制于当前偏滤器工程技术水平。
2、穿管型（monoblock）和平板型（flat tile）是偏滤器两种基本的冷却模块。以下以聚变实验装置当前主要应用的材料为例，介绍两种基本模块结构。如图1所示：穿管型模块是用铬锆铜水管将一个个块状钨串联起来，在水管和钨之间铺垫一层无氧铜材料作为连接两种金属的热应力缓解层。穿管型具有较高的热稳定性和结构强度，应用于主要的聚变实验装置和聚变堆装置，其能够承受稳态10 mw/m2热负荷。平板型模块如图2所示：以一定厚度的长方体钨片，在一层无氧铜作为热应力缓冲层的过渡下，直接与铬锆铜热沉复合在一起，热沉之内开设冷却通道带走热量。平板型模块相比穿管型模块具有更强的换热能力，更低的制作成
3、现有技术中穿管型模块相比平板型模块更为可靠，一般不会有钨串解体导致铬锆铜和相邻钨串侧面部位暴露于等离子体之下的风险，但此模块构型对高热负荷的承载力有限。随着热负荷的提高，虽然模块表面上没有明显破坏，但若温度超过铜过渡层的许用值，可能导致铜层熔化，进一步导致单个部位传热失效进而发生模块破损；此外管内冷却水在面对临界热流时，会出现相态转换，水管本身有被烧透漏水的风险。east自 2021 年下偏滤器升级改造以来，在钨串型靶板上观测到了内部水管破裂现象，造成实验停机维护的严重后果。平板型模块虽然承受热负荷较高，但是在实际服役过程中钨片与热沉的热机械稳定性相对不足，表现出钨片翘起和崩裂，严重的会甚至导致钨铜片脱落。这些现象均制约了聚变堆堆芯稳态运行。
技术实现思路
1、为解决以上技术问题，本专利技术融合了两种模块的优势，通过将穿管型和平板型模块组合设计，不仅集两者优点于一身，在满足稳态20 mw/m2高热负荷前提下，能够防止钨片和钨铜片脱落，提升组合性结构的可靠性；更特别有助于减少钨铜片的温差，降低热应力，从而显著提升了组合型结构的使用寿命。
2、本专利技术提供一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，包括：钨块、基体、无氧铜层、热沉和冷却水管；在钨块的内壁加工无氧铜层形成钨铜块；所述钨铜块与热沉连接；所述热沉与基体连接；所述基体与冷却水管连接，冷却水管采用一进一出设置。
3、与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
4、（1）针对现有技术的不足，本专利技术制作的“马鞍形”钨铜块能够防止钨片和钨铜片脱落，满足了穿管型模块功能且节省了一半的钨材料，同时承受的热负荷达到了平板型模块稳态20 mw/m2，在热负荷不降低的前提下提升组合型结构的可靠性，作为偏滤器高热负荷模块性能更为优异。
5、（2）穿管型模块和平板型都存在两顶角温度高于中间温度，本专利技术制作的“马鞍形”钨铜块通过模具加工，钨块厚度在中间厚度方向可以方便的进行增加，从而增加中间区域温度，有限元分析结果表明曲面设计有助于减少钨铜块的最大温差和降低最大热应力，同时侧面的钨块结构可以更好保护侧面承受等离子体瞬态热流，从而显著提升了组合型结构的使用寿命。
6、（3）本专利技术制备的“马鞍形”钨铜块增加钨与无氧铜的结合面积，采用的无氧铜表面激光阵列处理工艺提升了钎焊液的表面吸附性，采取的真空烘烤和纳米涂层工艺获得了极高质量的无氧铜焊接表面；采取的涂层工艺和真空包套工装获得了高质量的焊接界面，整体上提升了结合面连接质量。
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1.一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于，包括：钨块、基体、无氧铜层、热沉和冷却水管；在钨块的内壁加工无氧铜层形成钨铜块；所述钨铜块与热沉连接；所述热沉与基体连接；所述基体与冷却水管连接，冷却水管采用一进一出设置。
2.根据权利要求1所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：钨铜块形状设计为“马鞍形”，所述钨块内部高度方向上与无氧铜层配合面为非直平面设计，为曲面或折面，使得钨块高度从两侧向中间不断增厚；所述钨铜块底部设计为凸条结构，与热沉侧面的凹槽卡扣。
3.根据权利要求2所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：所述无氧铜层与钨块内表面贴合，无氧铜层厚度1-2mm，顶部配合面设置圆角。
4.根据权利要求1所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：所述热沉由铜合金材料制作，基体选用不锈钢材料，热沉和基体连接成复合热沉；所述复合热沉内部设有冷却流道，流道顶部设置翅片。
5.根据权利要求4所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：所述翅片高度从两边向中间不断减小，翅片侧面为斜面，
6.一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的平板和穿管组合型偏滤器冷却模块制备方法，其特征在于：所述钨块材料选择纯钨或者钨合金，采用粉末冶金法或机械合金法形成“马鞍形”钨块；所述钨铜块通过模具将无氧铜熔铸至钨块内表面制成，经真空热处理及热等静压工序，形成钨铜块；所述钨铜块采用线切割或铣削的方式，将无氧铜层内表面尺寸加工到位；所述钨铜块采用激光阵列处理工艺，在无氧铜层表面形成微米级的微孔阵列，提升钎焊液的表面吸附性；所述钨铜块焊接前通过真空烘烤和纳米涂层工艺，获得无氧铜焊接表面。
8.根据权利要求7所述的平板和穿管组合型偏滤器冷却模块制备方法，其特征在于：选择沉淀强化铜合金CuCrZr或者弥散强化铜合金ODS-Cu作为热沉材料，选择316L或者低活化钢作为基体结构材料，采取爆炸焊将热沉和基体焊接成复合热沉；爆炸焊焊接前热沉和基体板材表面通过涂层工艺，焊接时采取真空包套工装，获得焊接界面。
9.根据权利要求8所述的平板和穿管组合型偏滤器冷却模块制备方法，其特征在于：所述复合热沉侧面加工凹槽，将热沉卡扣连接面加工到位。
10.根据权利要求9所述的平板和穿管组合型偏滤器冷却模块制备方法，其特征在于：将一定数量的钨铜块滑入复合热沉，连接面装配到位，通过真空钎焊连接；在复合热沉内部加工冷却流道和翅片结构，焊接冷却水管。
...【技术特征摘要】
1.一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于，包括：钨块、基体、无氧铜层、热沉和冷却水管；在钨块的内壁加工无氧铜层形成钨铜块；所述钨铜块与热沉连接；所述热沉与基体连接；所述基体与冷却水管连接，冷却水管采用一进一出设置。
2.根据权利要求1所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：钨铜块形状设计为“马鞍形”，所述钨块内部高度方向上与无氧铜层配合面为非直平面设计，为曲面或折面，使得钨块高度从两侧向中间不断增厚；所述钨铜块底部设计为凸条结构，与热沉侧面的凹槽卡扣。
3.根据权利要求2所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：所述无氧铜层与钨块内表面贴合，无氧铜层厚度1-2mm，顶部配合面设置圆角。
4.根据权利要求1所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：所述热沉由铜合金材料制作，基体选用不锈钢材料，热沉和基体连接成复合热沉；所述复合热沉内部设有冷却流道，流道顶部设置翅片。
5.根据权利要求4所述的一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块，其特征在于：所述翅片高度从两边向中间不断减小，翅片侧面为斜面，与壁面平行间距2-4mm，翅片宽度2-4mm保持不变，每个翅片宽度方向上间距5-10mm。
6.一种平板和穿管组合型偏滤器冷却模块制备方法，其特征在于，包括以...
【专利技术属性】
技术研发人员：许铁军，薛瑞华，贺欣程，徐瀚，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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