一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法

摘要

本发明公开了一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，在第一壁材料零件侧面底部开有一定深度和宽度的狭槽，插入与之匹配的连接细条，将不同第一壁材料零件快速组装在一起形成聚变装置面对等离子体的城堡形部件结构；通过调整狭槽位置、细条宽度等可以控制部件缝隙宽度、深度，通过对零件侧面、棱角和顶部进行适当裁切，可以获得不同的缝隙剖面和表面形状。将组装好的零件样品装于具有梯形槽的样品座中，表面齐平，通过侧面螺丝挤压，形成与样品座底部的良好接触。

说明书

技术领域

本发明涉及核聚变装置领域，具体是一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法。

背景技术

为了在高热负荷作用下具有可靠的结构稳定性和热移出能力，以及对电磁力的抑制，工程上PFC通常设计成小瓦块结构，即所谓的城堡形结构（Castellation structure）。

聚变装置中的燃料滞留问题一直被广泛关注，这主要是由于ITER和未来的聚变装置将以有放射性的氚为原料。从安全的角度考虑，ITER中所允许的氚滞留量为700克。较高的燃料滞留将严重限制安全放电的次数，从这一点来说，只有能够去除ITER装置中的氚，ITER计划进行的D-T聚变反应才能持续进行。对氢同位素滞留的有效监测和评估，尤其是对瓦块缝隙处滞留的有效控制是ITER设计阶段和未来物理实验中面临的严峻问题之一。针对这个问题首先需要理解城堡形结构缝隙中的杂质沉积和其引起的燃料滞留的基本特征和机制。此外，这种城堡形结构中被缝隙分割的小瓦块零件正对磁力线的部分形成所谓的突出棱角，而制造和安装过程中不可避免的微小误差，使小瓦块表面不能完全齐平，可能加剧突出棱角的问题。在此处极易形成热点（hot spots），造成局部过热甚至熔化。通过对小瓦块零件棱角或表面进行适当的裁切，可以减少这种过热，保护瓦块棱角，延长城堡形结构部件的寿命。这些优化设计需要在聚变装置中进行实验验证。

聚变装置中的部件材料的事后分析需要在实验室仪器中进行，这些仪器对分析样品的尺寸形状有着严格的要求，无法对缝隙中的杂质和燃料粒子进行检测，而在聚变装置实验结束后对整块瓦块进行切割会产生粉尘污染，切割时的局部温度升高也会使样品氧化，这些都会严重影响事后仪器分析结果的准确性。

发明内容 本发明的目的是提供一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，以解决现有技术核聚变装置中城堡形结构存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，其特征在于：在第一壁材料零件侧面底部水平开有一定深度和宽度的狭槽，插入与之匹配的连接细条，将不同第一壁材料零件快速组装在一起形成聚变装置面对等离子体的城堡形部件结构；通过调整狭槽位置、连接细条宽度控制城堡形部件结构缝隙宽度、深度，通过对第一壁材料零件侧面、棱角和顶部进行适当裁切，获得不同的缝隙剖面和表面形状；将组装好的城堡形部件结构样品装于具有梯形槽的样品座中，表面齐平，通过侧面螺丝挤压，形成与样品座底部的良好接触。

所述的一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，其特征在于：所述的第一壁材料零件、连接细条材质为用于托卡马克装置面对等离子体材料或基层结构材料，可以为石墨、或碳纤维增强碳、或钨、或钼、或铍、或不锈钢、或铜。

所述的一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，其特征在于：第一壁材料零件侧面狭槽和连接细条的截面基本形状为矩形，端面可为平面或弧面，连接细条可为单长条，也可为多种垂直或平行条结合在一起形成十字或丰字形状，连接多个第一壁材料零件形成一个整体城堡形部件结构；改变狭槽位置和细条宽度，使城堡形部件结构中的缝隙具有不同的深度和宽度。

所述的一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，其特征在于：第一壁材料零件的侧面可以竖直也可以倾斜，形成矩形、梯形的缝隙截面；第一壁材料零件的棱角和表面可以为平面、斜面、圆弧，也可以为多边形，形成具有不同表面形状特征的城堡形部件结构。

所述的一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，其特征在于：对外围第一壁材料零件外侧面进行裁切，使组装后的城堡形部件结构截面为正梯形，与样品座中的梯形槽配合，在样品座梯形槽的侧面设计有螺丝孔，通过旋紧螺丝顶住梯形城堡形部件结构样品外侧面，在另外一场梯形槽侧面的配合下，产生向下压力，使城堡形部件结构样品与梯形槽底部具有良好的热电接触性能。

本发明提供了一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，能够将不同第一壁材料零件快速组装在一起形成聚变装置面对等离子体的城堡形部件结构；可以根据实验要求灵活控制部件缝隙宽度、深度，获得不同的缝隙剖面和表面形状。组装好零件样品可装于具有梯形槽的样品座中，表面齐平，与样品座底部的接触良好。安装于样品座中的城堡形部件样品可与其他正常面对等离子体瓦块一起固定在托卡马克装置不同位置，实验结束后可方便拆卸成符合事后仪器分析形状尺寸要求的小样品，获得不同城堡形结构顶部、缝隙侧面和底部的杂质沉积和燃料滞留特征；该种结构在装置中还可以配合托卡马克装置上的红外相机等诊断，可以获得不同城堡形结构的温度分布特征，评估不同城堡形结构的工程设计效果。

本发明的优点是：能够避免实验后对样品进行再加工而带来的样品污染，通过快速装配和拆卸样品零件，即可获得符合事后仪器分析形状尺寸要求的小样品。可灵活控制城堡形结构中的缝隙宽度、深度、截面和表面形状，获得不同城堡形结构顶部、缝隙侧面和底部的杂质沉积和燃料滞留特征；该种结构在装置中还可以配合托卡马克装置上的红外相机等诊断，可以获得不同城堡形结构的温度分布特征，评估不同城堡形结构的工程设计效果。

附图说明

图1为本发明中第一壁材料零件与连接细条组装示意图。

图2为本发明中城堡形部件结构与样品座组装示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种用于核聚变装置城堡形部件结构研究的样品设计方法，在第一壁材料零件1-6侧面底部水平开有一定深度和宽度的狭槽，插入与之匹配的连接细条7，将不同第一壁材料零件1-6快速组装在一起形成聚变装置面对等离子体的城堡形部件结构8；通过调整狭槽位置、连接细条7宽度控制城堡形部件结构8缝隙宽度、深度，通过对第一壁材料零件1-6侧面、棱角和顶部进行适当裁切，获得不同的缝隙剖面和表面形状；将组装好的城堡形部件结构样品装于具有梯形槽的样品座中，表面齐平，通过侧面螺丝挤压，形成与样品座9底部的良好接触。

第一壁材料零件1-6、连接细条材质为用于托卡马克装置面对等离子体材料或基层结构材料，可以为石墨、或碳纤维增强碳、或钨、或钼、或铍、或不锈钢、或铜。

第一壁材料零件1-6侧面狭槽和连接细条的截面基本形状为矩形，端面可为平面或弧面，连接细条可为单长条，也可为多种垂直或平行条结合在一起形成十字或丰字形状，连接多个第一壁材料零件1-6形成一个整体城堡形部件结构8；改变狭槽位置和细条宽度，使城堡形部件结构8中的缝隙具有不同的深度和宽度。

第一壁材料零件1-6的侧面可以竖直也可以倾斜，形成矩形、梯形的缝隙截面；第一壁材料零件的棱角和表面可以为平面、斜面、圆弧，也可以为多边形，形成具有不同表面形状特征的城堡形部件结构8。

对外围第一壁材料零件1-6外侧面进行裁切，使组装后的城堡形部件结构8截面为正梯形，与样品座9中的梯形槽配合，在样品座9梯形槽的侧面设计有螺丝孔，通过旋紧螺丝10、11顶住梯形城堡形部件结构8样品外侧面，在另外一场梯形槽侧面的配合下，产生向下压力，使城堡形部件结构样品与梯形槽底部具有良好的热电接触性能。

本发明中，用于核聚变装置面对等离子体城堡形结构研究的可快速拆装样品设计方法，在第一壁材料零件1-6的侧面底部开有一定深度和宽度的狭槽，插入与之匹配的连接细条7，将不同第一壁材料零件快速组装在一起形成聚变装置面对等离子体的城堡形部件结构8；通过调整狭槽位置、细条宽度等可以控制部件缝隙宽度、深度，通过对零件侧面、棱角和顶部进行适当裁切，可以获得不同的缝隙剖面和表面形状。将组装好的城堡形部件结构样品装于具有梯形槽的样品座9中，表面齐平，通过侧面旋紧螺丝10和11挤压，形成与样品座底部的良好接触，完全组装后的瓦块12具有和标准瓦块同样的外形尺寸，方面聚变实验装置内的安装。

本发明包括具有狭槽的城堡形部件结构1-6，用于连接组装和收集缝隙底部沉积粒子的连接细条7，具有螺丝锁紧结构的样品座9。根据实验需要可以设计不同结构的第一壁材料零件1-6，以及与之匹配的连接细条7，组装之后外形尺寸与样品座9配合，保证表面齐平，底部接触良好。

第一壁材料零件1-6和连接细条7、样品座9，材质安装实验要求可以为石墨、碳纤维增强碳（CFC）、钨、钼、铍、不锈钢、铜等用于托卡马克装置面对等离子体材料或基层结构材料及其组合。

第一壁材料零件1-6侧面狭槽和连接细条的截面基本形状为矩形，端面可为平面或弧面，连接细条7可为单长条，也可为多种垂直或平行条结合在一起形成“十”字或“丰”字等形状，连接多个零件形成一个整体城堡形结构部件。改变狭槽位置和细条宽度，使城堡形结构部件中的缝隙具有不同的深度和宽度。

第一壁材料零件1-6的侧面可以竖直也可以倾斜，形成矩形、梯形等缝隙截面；第一壁材料零件1-6的棱角和表面可以为平面、斜面、圆弧，也可以为多边形，形成具有不同表面形状特征的城堡形结构。

第一壁材料零件1-6四周外侧面可以进行裁切，使组装后的城堡形结构部件截面为正梯形，与样品座9中的梯形槽配合，在基座梯形槽的侧面设计有螺丝孔，通过旋紧螺丝10和11顶住梯形样品部件外侧面，在另外一场梯形槽侧面的配合下，产生向下压力，使城堡形结构样品与梯形槽底部具有良好的热电接触性能。