一种托卡马克装置强场侧束透区热沉背板及其加工方法与流程

本发明涉及磁约束核聚变装置，具体涉及一种托卡马克装置强场侧束透区热沉背板及其加工方法。

背景技术：

1、在托卡马克装置中，第一壁是真空室内直接面对等离子体的结构，用于保护真空室内壁及位于真空室内的诊断设备。强场侧第一壁位于真空室中心柱内壁上，在托卡马克装置实验运行时要承受来自电子及等离子体的热负荷，并且强场侧束透区第一壁还要承受来自中性束注入加热系统的热负荷，该区域的热负荷更高，更易发生烧蚀损坏。因此强场侧束透区第一壁需要有足够的排热能力，将来自等离子体及中性束的热负荷及时传导至真空室外；同时还需要有足够的强度，承受装置运行时的电磁力及热应力。

2、强场侧第一壁采用高纯石墨作为面向等离子体材料，石墨瓦通过螺钉紧固在热沉背板之上，最后再采用螺钉将热沉背板紧固在真空室内壁的支撑上。由于强场侧束透区是承受热量较多的区域，在实验运行过程中需要将热量及时带走，故需在热沉背板上设置冷却水流道，通过冷却水带走热量。

3、现有的设计方案是在热沉背板内圆弧面上开槽，将冷却水管弯制成热沉背板槽的形状，再安装到热沉背板槽内，然后采用氩弧焊将冷却水管与热沉背板焊接固定在一起。热沉背板热量通过冷却水管与热沉背板槽的接触部位和焊缝传导到冷却水管，再由冷却水管中的冷却水带走。该方案存在工艺性差，加工难度大，结构可靠性低等问题。如冷却水管弯制与热沉背板槽难以匹配，冷水水管与热沉背板槽之间只有局部点接触及焊缝接触，有效传热面积较小，不利于传热；因焊接等原因，热沉背板的加工精度难以保证；冷却水管与热沉背板之间缝隙狭小，难以进行超高真空清洁。

技术实现思路

1、基于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种托卡马克装置强场侧束透区热沉背板及其加工方法，该热沉背板的工艺性好、加工难度低、加工成本较低，热量可以直接通过热沉背板传导到冷却水，传热性能更好。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种托卡马克装置强场侧束透区热沉背板，包括热沉背板本体，所述热沉背板本体为弧形板壳结构；

4、在所述热沉背板本体中心厚度处沿弧面轴向加工有多条轴向冷却水流道及焊接坡口，各条轴向冷却水流道相互连通为一个整体；所述热沉背板本体上加工有与所述轴向冷却水流道连通的冷却水进口和冷却水出口；

5、在所述热沉背板本体的上下端面处均铣削有环向冷却水流道及焊接坡口。

6、本发明的热沉背板取消了在热沉背板内圆弧面上的凹槽结构，零件变形小，尺寸更易控制；同时取消了热沉背板内圆弧面上的凹槽埋管结构，降低了加工量和加工难度，且冷却水直接从热沉背板中流过带走热量，传热效率更高，性能也更稳定可靠；而且热沉背板焊接量少，焊接影响也更小，热沉背板的外形无狭小的缝隙，更易保证超高真空清洁度要求。因此本技术的热沉背板的工艺性好、加工难度低、加工成本较低，热量直接通过热沉背板传导到冷却水，传热性能更好。

7、进一步的，所述环向冷却水流道处安装有端面堵头和端面盖板。

8、其中，端面盖板可以为端部为圆弧形的长条结构，顶部加工焊接坡口。

9、其中端面堵头可以为螺钉形状，顶部加工焊接坡口。

10、进一步的，所述热沉背板本体的内圆弧面上还加工有石墨瓦安装沉孔、两端加工有安装面，两个安装面上均加工有圆型安装孔和/或腰型安装孔。

11、第二方面，本技术提供一种上述热沉背板的加工方法，包括以下步骤：

12、s1.原料预处理；

13、s2.粗铣内外圆弧面，加工工艺凸台；

14、s3.加工轴向冷却水流道，采用深孔钻将热沉背板本体沿圆弧面轴向完全贯穿，加工出轴向冷却水道及焊接坡口；

15、s4.铣削上下端面的环向冷却水流道及焊接坡口，并在热沉背板内圆弧面上加工冷却水进口和冷却水出口；

16、s5.铣削端面盖板、端面堵头；

17、s6.焊接端面盖板、端面堵头、进水管和出水管；

18、s7.真空热处理；

19、s8.打气压及真空氦检漏；

20、s9.半精铣内外圆弧面；

21、s10.真空热处理；

22、s11.精铣内外圆弧面；

23、s12.加工石墨瓦安装沉孔、热沉背板安装面、热沉背板圆型安装孔及热沉背板腰型安装孔；

24、s13.钳修后得到成品。

25、其中，热沉背板本体的材质可以为奥氏体不锈钢316l，焊接采用的焊丝材质为ernicrmo-3，成品所有区域的相对磁导率均小于1.04。

26、其中，步骤s7真空热处理的方法为：将焊接完成的热沉背板本体放进真空电炉进行热处理，热处理的参数为：在1050℃～1100℃的温度条件下保温60～90分钟，达到保温时间后出炉空冷。

27、进一步的，步骤s2粗铣内外圆弧面，加工工艺凸台的具体方法为：

28、s21.铣基准面，精铣见光；

29、s22.粗铣外圆弧面和内圆弧面；在粗铣内圆弧面和外圆弧面时，留出工艺凸台作为后续加工的装夹部位。

30、进一步的，步骤s4铣削上下端面的环向冷却水流道及焊接坡口，并在热沉背板内圆弧面上加工冷却水进口和冷却水出口的具体方法为：

31、s41.分别将热沉背板本体上下端面向上进行装夹，加工上下端面环向冷却水流道及焊接坡口；

32、s42.将热沉背板本体上/下端面向上进行装夹，在热沉背板内圆弧面上加工冷却水进口和冷却水出口。

33、进一步的，步骤s6焊接端面盖板、端面堵头、进水管和出水管的具体方法为：

34、s61.分别将热沉背板本体上下端面向上进行装夹，焊接端面盖板、端面堵头；

35、s62.将热沉背板内圆弧面向上进行装夹，焊接进水管和出水管。

36、进一步的，步骤s8打气压及真空氦检漏的方法为：

37、s81.将热沉背板本体进水口连接的进水管和出水口连接的出水管连接到打压气路，气压为1mpa，保压时间为0.5小时，若未出现压降，则通过该测试；若出现较大压降，则需要检查缺陷并修复；

38、s82.通过打气压测试后，将热沉背板本体进水口连接的进水管和出水口连接的出水管连接到真空氦检漏回路，对其进行负压氦检漏，要求单点漏率小于9×10-10pa·m3/s。

39、进一步的，步骤s10真空热处理的方法为：将半精铣后的热沉背板放进真空电炉进行热处理消应力，热处理参数为：在400℃～500℃的温度条件下保温2小时，达到保温时间后出炉空冷。

40、进一步的，步骤s12加工石墨瓦安装沉孔、热沉背板安装面、热沉背板圆型安装孔及热沉背板腰型安装孔的方法为：

41、s121.将热沉背板本体上/下端面向上进行装夹，加工石墨瓦安装沉孔；

42、s122.保持上一步的装夹状态，继续加工热沉背板安装面、热沉背板圆型安装孔及热沉背板腰型安装孔。

43、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

44、本发明的热沉背板取消了在热沉背板内圆弧面上的凹槽结构，零件变形小，尺寸更易控制；同时取消了热沉背板内圆弧面上的凹槽埋管结构，降低了加工量和加工难度，且冷却水直接从热沉背板中流过带走热量，传热效率更高，性能也更稳定可靠；而且热沉背板焊接量少，焊接影响也更小，热沉背板的外形无狭小的缝隙，更易保证超高真空清洁度要求。