一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板的制作方法

本发明涉及偏滤器，具体涉及一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板。

背景技术：

1、核聚变能由于具有高效、清洁、安全等优点被认为是未来能源的最终解决方案。核聚变装置在运行时，芯部将达到1亿摄氏度以上的高温，流向边缘区域的高热流密度将达到10mw/m2以上，未来聚变堆甚至会达到约20mw/m2。

2、偏滤器作为核聚变装置的关键部件，承担着将边缘区域的高热流排除的重要任务，若不能及时排除偏滤器区域的高热流，可能导致对聚变堆主机部件造成严重损害，故而偏滤器部件的良好排热能力对聚变堆稳定运行至关重要。

3、当前多数核聚变装置采用水冷偏滤器，水冷偏滤器具有高效的热排除效率、较高稳定性等优点，但随着核聚变装置的参数提升，水冷偏滤器将面临水气化带来压力突变对结构稳定性下降及高温水对结构损伤较大等问题，特别是针对未来聚变堆而言，水的较低运行温度不利于高效的热电能量转换，水对中子具有较强的慢化作用不利于氚的增殖。

4、为了避免上述问题，氦冷偏滤器的概念被提出，氦冷偏滤器由于冷却剂采用化学性质稳定的氦气，具有性质稳定、高排热能力、高热电转换效率等优点。

5、当前氦冷偏滤器主要有三种靶板单元概念设计，分别为指状靶板单元、t形靶板单元及平板靶板单元。

6、指状靶板单元形状酷似一根手指，以极小的尺寸设计和顶部多针孔喷射冷却方式，能满足15mw/m2以上热流负载排除；t形靶板单元形状似字母“t”，以较小的尺寸设计和内外筒比例调节实现12mw/m2以上的热流冷却能力；平板靶板单元形状似长方体，具有较大尺寸，能以较小的数量满足偏滤器区域的全覆盖同时满足10mw/m2以上的热流排除。

7、随着聚变科学的研究，聚变装置的参数和尺寸越来越大，偏滤器区域的热流负载也越来越高，研究者已经对氦冷偏滤器的指状和t形靶板单元经过一系列的设计优化，使它们的冷却能力进一步提升了约3～5mw/m2，已接近未来聚变堆的排热能力需求。

8、但未来聚变堆偏滤器具有上百平米的靶板面积，所需要的指状或t形靶板单元数量也将达到十万乃至百万数量，这将对加工、焊接等制造工艺提出当前制造技术难以实现的要求；而平板单元由于结构简单、制造工艺可行性高，对于工程实际应用而言更具有优势，但其冷却能力却相对较弱，尚不能完全满足未来高参数运行聚变堆的高热流排除需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，解决现有的氦冷偏滤器无法同时兼顾高热流排除效果、制造工艺可行性及结构稳定性三个方面的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，包括：集合管，所述集合管包括高热流部和低热流部，所述高热流部连通有第一进气管和第一排气管，所述低热流部连通有第二进气管和第二排气管；多个t形靶板单元，全部所述t形靶板单元呈矩形阵列分布于所述高热流部的顶部，所述t形靶板单元的进气口通过所述高热流部与所述第一进气管连通，排气口通过所述高热流部与所述第一排气管连通；多个平板靶板单元，全部所述平板靶板单元平行设置于所述低热流部的顶部，所述平板靶板单元的进气口通过所述低热流部与所述第二进气管连通，排气口通过所述低热流部与所述第二排气管连通；所述平板靶板单元所在直线与所述t形靶板单元所成的矩形阵列的行或列所在的直线平行设置；所述平板靶板单元的吸热面与所述t形靶板单元的吸热面共面。

4、可选地，所每列所述t形靶板单元中的每个所述t形靶板单元的进气口通过所述高热流部并联；列与列通过所述高热流部依次串联。

5、可选地，所述高热流部线性设有多个汇集腔，所述汇集腔分隔为进气流道和排气流道，前一个所述汇集腔的所述排气流道与后一个所述汇集腔的所述进气流道连通；所述第一进气管的内端与第一个所述汇集腔的所述进气流道连通，所述第一排气管的内端与最后一个所述汇集腔的所述排气流道连通；所述t形靶板单元的列数与所述汇集腔的数量相同并一一对应，每列所述t形靶板单元中的每个所述t形靶板单元的进气口与对应的所述汇集腔的所述进气流道连通，出气口与对应的所述汇集腔的所述排气流道连通。

6、可选地，所述汇集腔为矩形腔，所述汇集腔的长边和宽边分别与所述t形靶板单元所成的阵列的行和列所在的直线平行设置；所述汇集腔任意一条长边所在的内壁密闭围设有匚形的隔框，以于所述隔框的内部形成所述进气流道，并于所述隔框的外部形成所述排气流道。

7、可选地，所述汇集腔位于所述隔框的框口处开口设置，以形成所述进气流道的入口；所述汇集腔远离所述隔框的框口的一侧开口设置，以形成所述排气流道的出口；上一个所述汇集腔的所述排气流道的出口与下一个所述汇集腔的所述进气流道的入口连通。

8、可选地，所述进气流道和所述排气流道的底板沿气流的流动方向向上倾斜设置。

9、可选地，相邻的所述汇集腔中的所述隔框交错设置，以使所述高热流部中的气流呈蛇形轨迹流动。

10、可选地，全部所述平板靶板单元通过所述低热流部依次串联。

11、可选地，所述低热流部设有多个转换腔；所述第二进气管与第一个所述转换腔连通，所述第二排气管与最后一个所述转换腔连通；第一个所述平板靶板单元的进气口与第一个所述转换腔连通，出气口通过第二个所述转换腔与第二个所述平板靶板单元的进气口连通，最后一个所述平板靶板单元的出气口与最后一个所述转换腔连通。

12、可选地，相邻的所述平板靶板单元的进气口与排气口反向交错设置；全部所述转换腔设置为两列，两列所述转换腔交错设置；所述集合管包括干流部，所述干流部设于所述低热流部下方，所述干流部分隔为进气仓和排气仓，所述进气仓的顶部与第一列的第一个所述转换腔的底部连通，所述排气仓的顶部与第二列的最后一个所述转换腔的底部连通；所述第二进气管的内端与所述进气仓连通，所述第二排气管的内端与所述排气仓连通。

13、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

14、本发明提供的一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，通过设置集合管，于其集成设置高热流部和低热流部，分别用于应对高热负荷区和低热负荷区，使该适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板能够针对不同区域的热量负荷进行适应性兼容调整，通过设置第一进气管、第一排气管、第二进气管及第二排气管，分别用于为高热流部和低热流部供、排不同温度、流量、压力的氦气，以分别应对不同热量负荷的区域；在此基础上，通过设置多个t形靶板单元和多个平板靶板单元，使t形靶板单元和平板靶板单元分别与高热流部及低热流部连通，利用排热性能较强的t形靶板单元应对高热流部的热量负荷，而利用平板靶板单元在保证有效应对低热流部热量负荷的前提下有效降低偏滤器的复杂程度，使偏滤器在保证冷却性能的前提下有效提高制造工艺的可行性；通过上述各特征的相互配合，使该适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板能够有效解决现有的氦冷偏滤器无法同时兼顾高热流排除效果、制造工艺可行性及结构稳定性三个方面的问题。

技术特征：

1.一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，每列所述t形靶板单元(20)中的每个所述t形靶板单元(20)的进气口通过所述高热流部(11)并联；列与列通过所述高热流部(11)依次串联。

3.根据权利要求2所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，所述高热流部(11)线性设有多个汇集腔，所述汇集腔分隔为进气流道(111)和排气流道(112)，前一个所述汇集腔的所述排气流道(112)与后一个所述汇集腔的所述进气流道(111)连通；

4.根据权利要求3所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，所述汇集腔为矩形腔，所述汇集腔的长边和宽边分别与所述t形靶板单元(20)所成的阵列的行和列所在的直线平行设置；

5.根据权利要求4所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，所述汇集腔位于所述隔框的框口处开口设置，以形成所述进气流道(111)的入口；

6.根据权利要求5所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，所述进气流道(111)和所述排气流道(112)的底板沿气流的流动方向向上倾斜设置。

7.根据权利要求6所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，相邻的所述汇集腔中的所述隔框交错设置，以使所述高热流部(11)中的气流呈蛇形轨迹流动。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，全部所述平板靶板单元(30)通过所述低热流部(12)依次串联。

9.根据权利要求8所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，所述低热流部(12)设有多个转换腔(121)；

10.根据权利要求9所述的适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，其特征在于，相邻的所述平板靶板单元(30)的进气口与排气口反向交错设置；

技术总结本发明公开了一种适用于聚变堆的氦冷偏滤器靶板，包括集合管、多个T形靶板单元及多个平板靶板单元，集合管包括高热流部和低热流部，高热流部连通有第一进气管和第一排气管，低热流部连通有第二进气管和第二排气管；全部T形靶板单元呈矩形阵列分布于高热流部的顶部；全部平板靶板单元平行设置于低热流部的顶部；平板靶板单元所在直线与T形靶板单元所成的矩形阵列的行或列所在的直线平行设置；平板靶板单元的吸热面与T形靶板单元的吸热面共面。其能够解决现有的氦冷偏滤器无法同时兼顾高热流排除效果、制造工艺可行性及结构稳定性三个方面的问题。技术研发人员：黄文玉,张龙,刘宽程,卢勇,赖春林,侯吉来,刘雨祥,蔡立君,刘健,秦紫薇受保护的技术使用者：核工业西南物理研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/23