[发明专利]一种低环场波纹度的国际热核聚变实验堆实验包层模块

说明书

技术领域

本发明属于国际热核聚变实验堆(ITER)的实验包层模块(TBM)技术领域，具体涉及一种可以降低实验包层模块中的铁磁性材料引起的环向磁场波纹度的低环场波纹度的国际热核聚变实验堆实验包层模块。

背景技术

国际热核聚变实验堆(ITER)计划是规划建设中的一个为了验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的国际磁约束托克马克实验装置。实验包层模块(TBM)是ITER国际合作组织各成员国自行发展、在ITER上开展物理和工程实验的部件，用来模拟和测试与未来聚变堆包层相关的技术。

实验包层模块将采用一种铁磁性材料——低活性铁素体/马氏体钢(RAFM)作为结构材料，主要是考虑到它优异的抗中子辐照性能。按照ITER计划，将有六个采用铁磁性的RAFM作为结构材料的TBM模块被安装在ITER环向场线圈之间的水平窗口内，而这会对ITER环向场引入较大的扰动，也就是增大了ITER环向磁场的波纹度，进一步影响ITER物理目标的实现。

国外托克马克装置上的一些波纹度试验显示总体环向场波纹度大于0.5％会显著影响等离子体高约束模的实现，比如会显著降低等离子体环向旋转速度、约束时间等。为了解决TBM对波纹度影响的问题，ITER从确保ITER物理目标实现的角度对TBM设计角度提出了三种对策：一、将TBM铁磁性材料质量减少到650kg左右；二、后移TBM位置；三、采用补偿线圈。其中后移TBM位置，对减少波纹度影响作用非常有限，且会导致中子通量大幅下降，使TBM失去价值；而采用补偿线圈将带来一系列的工程技术问题，解决的可能性比较小。而目前各国的TBM模块的RAFM设计质量都在1吨以上，比如欧洲的TBM模块RAFM质量为1.3吨左右，日本的TBM模块RAFM质量为1.8左右，中国的TBM模块RAFM质量也在1.4吨以上，将TBM铁磁性材料质量减少到650kg需要对TBM模块的构造和设计进行改进。

通常固态TBM模块由内含冷却管道的U形第一壁、上下或左右盖板和格板、氚增殖区(欧洲采用增殖单元，中国采用氚增殖区，日本采用球床分区)、后板组成，中国将用于TBM参试的固态增殖剂TBM(CN HCCB TBM)的具体结构可参考实用新型专利说明书《用于氚增殖和能量提取的实验包层测试模块》(专利号为：201020581226.2)。其中后板起到分流和支撑的作用，也是TBM模块中铁磁性物质使用最多的部分，但据计算，此处的中子辐照对材料造成的损伤很小，在整个ITER满功率运行过程中，小于0.22dpa，该辐照损伤是在一般316L钢的抗辐照能力范围内，因此此处采用抗中子辐照的RAFM钢意义不大。因此可以考虑在后板采用非铁磁性的316LN代替铁磁性的RAFM，但是用非铁磁性的316LN代替铁磁性的RAFM的技术方案中316LN与RAFM的异材连接问题一直难以解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不对现有TBM模块整体设计进行大幅改动的基础上减少TBM铁磁性物质的使用，从而降低TBM引起的托克马克装置环向磁场波纹度，满足TBM功能要求的新型国际热核聚变实验堆实验包层模块。

为了实现这一目的，本发明的技术方案是一种低环场波纹度的国际热核聚变实验堆实验包层模块，实验包层模块的前端结构包括第一壁、氚增殖区、上下盖板和隔架的材料都采用RAFM钢(低活性铁素体/马氏体钢)作为结构材料；实验包层模块后板采用非铁磁性材料316LN材料作为主体结构材料；前端结构与后板之间的界面连接采用中间过渡层结构，该中间过渡层在工况温度为300～400℃时为镍合金，工况温度为400～500℃时为镍合金和316LN材料的复合材料层。

进一步的，如上所述的一种低环场波纹度的国际热核聚变实验堆实验包层模块，其中：中间过渡层设置在第一壁、氚增殖区、上下盖板和隔架上，分别在以上各部件与后板的管道接口处，该中间过渡层为镍合金与316LN材料的梯度复合渐变层。

进一步的，如上所述的一种低环场波纹度的国际热核聚变实验堆实验包层模块，其中：镍合金与316LN材料的梯度复合渐变层，在沿从前端结构到后板的方向上由三部分组成，分别是厚度为2mm的纯镍合金层、厚度为2mm复合层、厚度为1mm纯316LN材料层；其中在复合层中，在沿从前端结构到后板的方向上，镍合金所占的摩尔分数的变化梯度为-50％/mm，316LN材料所占的摩尔分数的变化梯度为50％/mm。