一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构

本发明涉及聚变堆氦冷固态包层设计，具体涉及一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构。

背景技术：

1、产氚包层是聚变堆的核心部件之一，其主要功能包括聚变燃料氚增殖、能量获取以及辐射屏蔽，氦冷固态包层是聚变堆的重要候选包层方案。

2、目前氦冷固态包层被认为最有可能在未来聚变示范堆中实现应用，这主要因为氦冷固态包层采用氦气作为冷却剂，既避免了液态金属冷却剂的磁流体动力学压降问题，又不存在液态金属对结构材料的严重腐烛问题。

3、在包层设计方面，现有氦冷固态包层设计方案的产氚性能仍存在着较大优化空间，可通过改变增殖区布置方案、几何参数与材料属性，在满足热工、流体、结构设计限值的条件下，进一步提升其产氚性能使得聚变堆能够更好地满足氚自持的需求是包层设计的重点与难点。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，是针对于聚变堆氦冷固态增殖包层增殖区的新型结构概念设计方案，沿用初始设计方案全堆包层轮廓线与布局，在包层增殖区内部布置一种新型的紧密排布的蜂巢式栅元结构模型，新型氦冷固态包层在满足热工水力和结构方面的要求的前提下，具有更好的氚增殖比。

2、为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案予以实施：

3、一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，在聚变堆氦冷固态包层轮廓线内的增殖区采用蜂巢式氦冷固态包层增殖区2；

4、所述蜂巢式氦冷固态包层增殖区2由多个六棱柱栅元阵列并紧密排布组成，位于上盖板1、包层第一壁3、下盖板4、侧板5与背板6围成的腔体内，多个六棱柱栅元垂直于包层第一壁3，固定于包层第一壁3与背板6之间；

5、所述六棱柱栅元由内到外依次包括内中子倍增剂填充区7、氦气内冷却流道8、氚增殖剂填充区9、氦气外冷却流道10、外中子倍增剂填充区11；所述氦气内冷却流道8和氦气外冷却流道10贯通为一体，其中流过氦气用以冷却填充区的功能材料，氦气通过靠近背板6的氦气内冷却流道入口进入氦气内冷却流道8，然后通过靠近包层第一壁3的贯通内外氦气冷却流道的连接部位进入氦气外冷却流道10，最后由氦气外冷却流道出口流出。

6、所述内中子倍增剂填充区7中填充中子倍增剂be小球，氚增殖剂填充区9中填充氚增殖剂li4sio4小球，外中子倍增剂填充区11中填充中子倍增剂be小球。

7、所述氚增殖剂填充区9釆用单一尺寸li4sio4小球作氚增殖剂，小球直径为1-2mm，球床填充率为58.5-62％；所述内中子倍增剂填充区7和外中子倍增剂填充区11采用两种尺寸be小球作中子倍增剂，两种be小球直径为0.8-1.2mm，球床填充率为70％-80％。

8、所述中子倍增剂填充区7的半径为0.1-1cm，氦气内冷却流道8的壁厚为0.1-2cm，氚增殖剂填充区9的厚度为1-2.5cm，氦气外冷却流道10的壁厚为0.1-2cm，气体流道厚度为0.1-1cm，中子倍增剂填充区11的厚度为1-3cm。

9、所述包层第一壁3的外侧涂覆有钨作为铠甲。

10、与现有技术相比，本发明有如下突出优点：

11、1.本发明的蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层增殖区的结构设计相比于混合球床的包层方案，氚增殖剂li4sio4的许用温度限值为1173k,中子倍增剂be的许用温度限值为923k，混合球床的包层方案中,中子倍增剂be与氚增殖剂li4sio4混合放置，故混合球床的许用温度限值要以较低的中子倍增剂be的923k许用温度为限值，因此对冷却要求更高，需要插入更多的冷却管或冷却板，而蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层增殖区的结构设计将中子倍增剂be与氚增殖剂li4sio4分区放置，蜂巢式栅元的内外贯通为一体的氦气冷却流道将li4sio4区域内外包围，内外冷却流道对li4sio4区域进行二次冷却，对包层内冷却要求最严格的li4sio4的冷却效果更好，更容易满足包层热工水力的设计要求，并且由于较少的冷却管道，为功能材料留出更多布置空间，有利于氚增殖。

12、2.本发明的蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层增殖区的结构设计相比于分层式的包层方案，分层式的包层方案中氚增殖剂li4sio4与中子倍增剂be交替排布，由结构材料制成的冷却板隔开，而蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层增殖区的结构避免了分层式的包层方案的冷却板中复杂的小冷却通道的工艺制造难度，并且避免了分层式的包层方案的冷却板中冷却剂所需要的高压降的冷却氦气，更具有工程可行性和经济性。

技术特征：

1.一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，其特征在于：在聚变堆氦冷固态包层轮廓线内的增殖区采用蜂巢式氦冷固态包层增殖区(2)；

2.根据权利要求1所述的一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，其特征在于：所述内中子倍增剂填充区(7)中填充中子倍增剂be小球，氚增殖剂填充区(9)中填充氚增殖剂li4sio4小球，外中子倍增剂填充区(11)中填充中子倍增剂be小球。

3.根据权利要求2所述的一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，其特征在于：所述氚增殖剂填充区(9)釆用单一尺寸li4sio4小球作氚增殖剂，小球直径为0.8-1.2mm，球床填充率为58.5％-62％；所述内中子倍增剂填充区(7)和外中子倍增剂填充区(11)采用两种尺寸be小球作中子倍增剂，两种be小球直径为0.8-1.2mm，球床填充率为70％-80％。

4.根据权利要求1所述的一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，其特征在于：所述中子倍增剂填充区(7)的半径为0.1-1cm，氦气内冷却流道(8)的壁厚为0.1-2cm，氚增殖剂填充区(9)的厚度为1-2.5cm，氦气外冷却流道(10)的壁厚为0.1-2cm，气体流道厚度为0.1-1cm，中子倍增剂填充区(11)的厚度为1-3cm。

5.根据权利要求1所述的一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，其特征在于：所述包层第一壁(3)的外侧涂覆有钨作为铠甲。

技术总结一种蜂巢式的聚变堆氦冷固态包层的增殖区结构，采用蜂巢式氦冷固态包层增殖区，蜂巢式氦冷固态包层增殖区中每个六棱柱栅元内设有内外布置的氦气冷却流道，其余区域布置功能材料，通过在聚变堆氦冷固态包层的增殖区内部布置紧密排布的蜂巢式氦冷固态包层增殖区，能够解决聚变堆氦冷固态包层产氚率低，冷却效率低的问题，并能够充分利用增殖区内部空间，提高功能材料的所占份额，减少结构材料的占比，在满足热工水力限值及工程可行性的前提下，具有更好的氚增殖比。技术研发人员：贺清明,李艺飞,曹良志,吴宏春受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23