一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置

摘要

本发明公开一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置。所述方法包括获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入；确定偏滤器基本结构模型；所述偏滤器基本结构在部件满足结构强度的前提下，弱化偏滤器中子屏蔽的能力，确定靶板部件结构模型；确定混合偏滤器包层最终结构模型，包括取消安装在偏滤器和真空室之间的屏蔽块；确定氚增值率提升数量。所述装置，包括：底部包层、外靶板部件、Dome部件和内靶板部件；所述外靶板部件、Dome部件、内靶板部件直接与底部包层连接。本发明包层产氚区域扩大，经过数值模拟评估，预计能提升至少0.04的氚增值率，这可以弥补加热和诊断系统对包层开孔带来的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及核聚变领域，具体涉及一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置。

背景技术

氚自持是未来聚变堆商用运行的必备条件之一。CFETR(中国聚变工程实验堆)通过研究和发展氚增殖技术，使得聚变堆满足氚自持条件，即氚增值率大于1。聚变堆通过包层产氚。对于CFETR包层，由于氚提取过程中的损耗，包层部件应满足氚增值率大于1.1。CFETR包层在设计上存在氦冷和水冷两种方案。现阶段工程设计方案评估结果：1)氦冷包层基准包层氚增值率约为1.177；2)水冷包层基准包层氚增值率约为1.165，在考虑加热和诊断等系统开孔后，氚增值率约为1.115。

发明人发现，现有CFETR设计方案中至少存在下述问题：包层氚增值率仅略高于部件自身要求，但依靠现有包层结构改变来提升氚增值率已非常困难；偏滤器下部的空间一般需要安装屏蔽块，以弥补偏滤器自身屏蔽中子能力不足，底部宝贵空间没有有效利用。CFETR偏滤器设计同样存在氦冷和水冷两种方案。偏滤器采用模块化设计，单个模块主要由靶板部件和支撑盒体组成，其中靶板部件又分为内靶板部件、Dome(穹顶靶板)部件和外靶板部件。大家以往没有考虑在偏滤器底部安装包层来提升氚增值率的方法，主要原因是偏滤器区域中子壁负载相对较低，偏滤器设计其中功能之一就是用来屏蔽中子，即中子经过偏滤器屏蔽后，偏滤器后部的磁体等部件满足核热指标低于一定限值，因此现有设计方案利用偏滤器底部包层增殖的效果就会很有限。

发明内容

本发明改变现有偏滤器其中用来屏蔽中子的功能，反其道而行之，在偏滤器满足结构强度的前提下，弱化自身屏蔽中子的能力，提供一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置。

本发明实施例提供一种提升聚变堆氚增值率的方法，包括以下步骤：

获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入；

根据所述聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入和增加氚增值率的要求，确定偏滤器基本结构模型；

所述偏滤器基本结构模型无支撑盒体，靶板部件采取正面遥操作安装和拆卸方案；

所述偏滤器基本结构在部件满足结构强度的前提下，弱化偏滤器中子屏蔽的能力，确定靶板部件结构模型；

根据所述靶板部件结构模型，确定混合偏滤器包层最终结构模型，包括取消安装在偏滤器和真空室之间的屏蔽块；

所述屏蔽块区域由包层取代，包层扩大到与靶板部件相接，确定靶板部件与包层两者之间水管和支撑接口；

根据所述混合偏滤器包层最终结构模型，确定氚增值率提升数量。

在一个实施方式中，根据以下原则弱化偏滤器中子屏蔽的能力：

根据内靶板部件、Dome部件、外靶板部件屏蔽中子能力的差别，重点优化Dome部件；

根据所述靶板部件，所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成，其中钨合金平板厚度2-6mm，无氧铜过渡层厚度1-1.5mm，铜合金平板厚度8-25mm，低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸，例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少。

根据所述靶板部件，将承载部件优化成一长窄条形状单元，内部具有冷却通道，对Dome承载部件开抽气通道；

根据所述靶板部件，改变Dome承载部件结构钢水比例，钢的体积比例80％-85％，初始厚度20-30mm，中间设置冷却剂通道，通道直径8-12mm。

本申请实施例还提供一种提升聚变堆氚增值率的装置，包括：底部包层10、外靶板部件11、Dome部件12、内靶板部件13。所述外靶板部件11、Dome部件12、内靶板部件13直接与底部包层10连接。所述外靶板部件11与底部包层10支撑在极向上采用四点支撑，内靶板部件13与底部包层10支撑在极向上采用三点支撑，Dome部件12和底部包层10支撑在极向上采用两点支撑，三者和底部包层水管接口采用都采用一进一出设置。

进一步地，所述外靶板部件11、Dome部件12和内靶板部件13在满足结构强度的前提下，弱化自身中子屏蔽的能力，包括：

根据所述靶板部件，所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成，其中钨合金平板厚度2-6mm，无氧铜过渡层厚度1-1.5mm，铜合金平板厚度8-25mm，低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸，例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少。

根据所述靶板部件，将承载部件优化成一长窄条形状单元，内部具有冷却通道，对Dome承载部件适当开抽气通道；

根据所述Dome靶板部件，改变Dome承载部件结构钢水比例，钢的体积比例80％-85％，初始厚度20-30mm，中间设置冷却剂通道，通道直径8-12mm。

进一步地，所述外靶板部件11、Dome部件12和内靶板部件13实现正面(等离子体测)遥操作安装和拆卸。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：提供一种提升聚变堆氚增值率的方法及装置，采用该方法及装置后，包层产氚区域扩大，经过数值模拟评估，预计能提升至少0.04的氚增值率，这可以弥补加热和诊断系统对包层开孔带来的影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种提升聚变堆氚增值率的方法的流程示意图；

图2为CFETR真空室内部部件截面图；

图3为CFETR方案Dome部件示意图；

图4为一种提升聚变堆氚增值率的装置；

图5为混合偏滤器包层方案Dome部件示意图。

附图标记：1、真空室；2、上部包层；3、支撑盒体；4、CFETR方案外靶板部件；5、CFETR方案Dome部件、6、CFETR方案内靶板部件；7、屏蔽块；8、CFETR方案Dome承载部件；9、CFETR方案Dome靶板；10、底部包层；11、混合偏滤器包层方案外靶板部件；12、混合偏滤器包层方案Dome部件；13、混合偏滤器包层方案内靶板部件；14、混合偏滤器包层方案Dome承载部件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明实施方式作进一步详细的描述，本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例提供一种提升聚变堆氚增值率的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：获取聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入。

如图2所示，以CFETR设计方案为例，其中偏滤器几何位形指CFETR方案外靶板部件4、CFETR方案Dome部件5和CFETR方案内靶板部件6面向等离子的第一壁表面几何边界，真空室界面指真空室1内壁面几何边界，包层界面指上部包层2的最下端几何边界。

偏滤器遥操作维护策略指偏滤器遥操作安装和拆除的策略，分为模块整体维护和靶板部件单独维护两种策略，这其中后者与前者相比有如下优点：1)可直接对易损的靶板部件正面维护，不会影响到模块内部正常部件和周围偏滤器模块，能极大缩短偏滤器维护时间，预计从2个月缩短到2周左右；2)减少备件数量，特别是支撑盒体；3)减轻遥操作维护工具负载或简化维护方案。

偏滤器材料路线图指适合聚变堆使用的偏滤器材料的发展规划，工程阶段需要采用市场上成熟的材料，总体上第一壁材料将采用ZrC弥散钨、钾钨等钨合金，热沉材料将采用ODS铜为主的铜合金，结构材料采用ODS低活化钢等。

偏滤器载荷输入包括偏滤器电磁载荷、热流载荷、核热载荷、地震载荷、冷却参数、粒子排除抽速要求等。

S102：根据所述聚变堆偏滤器几何位形、真空室及包层界面、偏滤器遥操作维护策略、偏滤器材料路线图、偏滤器载荷输入和增加氚增值率的要求，确定偏滤器基本结构模型；

如图2所示，CFETR设计方案采用整体模块式设计，单个模块主要由靶板部件和支撑盒体3组成，各靶板部件安装在支撑盒体3上，维护方案采用通过对支撑盒体3进行遥操作方案，兼顾各靶板部件单独遥操作方案。由于偏滤器自身屏蔽中子能力不足，在支撑盒体3和真空室1之间安装了屏蔽块7。偏滤器靶板部件由靶板和承载部件组成，以Dome部件为例，如图3所示，Dome靶板部件由CFETR方案Dome承载部件8和CFETR方案Dome靶板9组成。

由于支撑盒体3对于中子屏蔽能力很强，如图4所示，在所述偏滤器基本结构模型无支撑盒体3，靶板部件只能采取正面(等离子体测)遥操作安装和拆卸方案。

S103：根据所述偏滤器基本结构，在部件满足结构强度的前提下，弱化偏滤器中子屏蔽的能力，确定靶板部件详细结构模型。

S104：根据所述靶板部件详细结构模型，确定混合偏滤器包层最终结构模型，包括取消安装在偏滤器和真空室1之间的屏蔽块7。所述屏蔽块7区域由包层取代，并扩大到与靶板部件相接，确定靶板部件与包层两者之间水管和支撑接口。

如图3所示，混合偏滤器包层最终结构模型由底部包层10、混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12和混合偏滤器包层方案内靶板部件13组成。根据部件重量和受电磁力情况，混合偏滤器包层方案外靶板部件11与底部包层10支撑在极向上采用四点支撑，混合偏滤器包层方案内靶板部件13与底部包层10支撑在极向上采用三点支撑，混合偏滤器包层方案Dome部件12和底部包层10支撑在极向上采用两点支撑，三者和底部包层10水管接口都采用一进一出设置。

S105：根据所述混合偏滤器包层最终模型，确定氚增值率提升数量。

在一个实施方式中，根据以下原则弱化偏滤器中子屏蔽的能力：

根据内靶板部件、Dome部件、外靶板部件屏蔽中子能力的差别，重点优化Dome部件；

根据所述靶板部件，所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成，其中钨合金平板厚度2-6mm，无氧铜过渡层厚度1-1.5mm，铜合金平板厚度8-25mm，低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸，例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少。

根据所述靶板部件，如图4所示，将承载部件优化成一长窄条形状单元，内部具有冷却通道，对Dome承载部件适当开通道，通道截面最大400mmx300mm，方便抽气和中子通过，优化后的混合偏滤器包层方案Dome承载部件14如图5所示；

根据所述Dome靶板部件，改变Dome承载部件结构钢水比例，钢的体积比例80％-85％，初始厚度20-30mm，中间设置冷却剂通道，直径8-12mm。

在一个实施方式中，采用二维模型初步分析评估后，氚增值率提升的范围为4.197％-8.194％；采用简化三维模型初步分析评估后，氚增值率提升约6.58％。因此，如果能将偏滤器下部利用，安装底部包层10，预计能提升至少0.04的氚增值率，这可以弥补加热和诊断系统对包层开孔带来的影响。

本申请实施例还提供一种提升聚变堆氚增值率的装置，包括：底部包层10、混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12、混合偏滤器包层方案内靶板部件13。所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12、混合偏滤器包层方案内靶板部件13直接与底部包层10连接。所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11与底部包层10支撑在极向上采用四点支撑，所述混合偏滤器包层方案内靶板部件13与底部包层10支撑在极向上采用三点支撑，所述混合偏滤器包层方案Dome部件12和底部包层10支撑在极向上采用两点支撑，三者和底部包层水管接口都采用一进一出设置。

进一步地，所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12和混合偏滤器包层方案内靶板部件13在满足结构强度的前提下，弱化自身中子屏蔽的能力，包括：

根据所述靶板部件，所述靶板部件由靶板和承载部件组成。其中靶板由面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的铜合金和低活化钢爆炸焊接复合平板组成，其中钨合金平板厚度2-6mm，无氧铜过渡层厚度1-1.5mm，铜合金平板厚度8-25mm，低活化钢平板厚度10-20mm。减少靶板部件各组成材料在厚度方向上尺寸，例如钨合金平板厚度为6mm、5mm、2mm依次减少。例如无氧铜过渡层厚度为1.5mm、1.2mm、1mm依次减少。例如铜合金平板厚度为25mm、20mm、15mm、12mm、8mm依次减少。例如低活化钢平板厚度为20mm、15mm、10mm依次减少；

根据所述靶板部件，将承载部件优化成一长窄条形状单元，内部具有冷却通道，对Dome承载部件适当开通道，通道截面最大400mmx300mm；

根据所述Dome靶板部件，改变Dome承载部件结构钢水比例，钢的体积比例80％-85％，初始厚度20-30mm，中间设置冷却剂通道，直径8-12mm。

进一步地，所述混合偏滤器包层方案外靶板部件11、混合偏滤器包层方案Dome部件12和混合偏滤器包层方案内靶板部件13实现正面(等离子体测)遥操作安装和拆卸。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。