[发明专利]用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法

说明书

本发明属于核聚变工程技术，具体公开了用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法，首先在真空室外连接气体加热循环系统，控制氮气压力，加热管道内的氮气，提高部件冷却通道入口氮气温度，当真空部件整体温度达到热氦检漏要求后，进行热氦检漏；上述气体加热循环系统包括与真空室内检测部件连接的入口管道、出口管道和换热器，入口管道上安装电加热器，换热器与电加热器连接，换热器还与冷却器和增压泵一次连接，借用真空室内冷却通道，采用高速流动的氮气或氦气与管道壁面间的强制对流换热，实现快速均匀加热和冷却，相较于传统真空加热可以极大的缩短加热和冷却部件的时间，大大节省了试验成本，从而间接缩短真空室内部件制造周期。

技术领域

本发明属于核聚变工程技术，具体涉及一种聚变堆真空室内部件进行高精度热氦检漏时的气体加热循环系统和快速加热冷却方法。

背景技术

第一壁、包层和偏滤器是核聚变反应堆的核心部件，在运行中承受高热负荷和强中子沉积的核热，属真空室内部件。为及时将热量移出，使部件材料工作在允许温度范围内，部件内部设计了复杂的气体或液体冷却通道，以在运行中均匀冷却部件，避免部件材料承受不可接受的热应力。为维持核聚变等离子体稳定燃烧，冷却介质是不允许有些许泄漏的。对于国际热核实验堆(ITER)，要求真空室内部件冷却通道的氦泄漏率低于1x10-10Pa.m3/s。这些部件的冷却通道含有许多封闭的焊缝，在完成制造、水压试验后，需要对其进行高温高压下的真空氦检漏试验，以验证真空室内部件在正常工作条件下的密闭性和可靠性。试验时，ITER要求部件需经历一次高温循环(<80℃至250±20℃再至<80℃)和冷却通道内部氦气压力的多次循环(100Pa至4.2±0.2MPa)，以防加工制造过程中的某些外来物质堵塞冷却通道壁中的缺陷而造成误判。在整个热循环中需监测部件的漏率值，并满足要求。

目前国内外还没有满足上述要求的热氦检漏设备，设计制造此设备的主要挑战是如何实现高温下的低于要求漏率的精确检测。这些部件尺寸大，一般长宽度达到1～2米，厚度有数百毫米。为进行热氦下的真空检漏，需要建立容积达数个立方的真空室，具有很大的内表面积，高温下真空室器壁和室内部件表面将因此释放大量气体，严重影响热氦检漏系统真空室的本底漏率，使其达不到小于部件漏率从而保证可检漏率水平的要求。另一方面，该类部件单体重量约1～3吨，由钨、铜合金和不锈钢等材料组成，其具有较大的热容量，如果采用外部加热方式，不但会出现上述情况，而且在真空环境中将部件从常温加热至250℃再冷却至常温仅能靠热辐射进行，加热冷却缓慢。虽然可加大加热功率以提高加热效率，但部件中的温度梯度将会增加，热应力将会因此升高到材料难以承受的水平。ITER为此要求部件任意部位加热速率小于10℃/h，经验表明单个部件的加热和冷却耗时将长达十天以上，这大大增加了真空氦检漏试验的成本，且也无法满足真空室主要部件的制造进度要求。为解决上述问题，需改进加热和冷却方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法，实现高效加热和冷却真空室部件，满足部件热应力和部件氦检漏漏率指标的技术要求。

本发明的技术方案如下：

一种用于热氦检漏的快速加热冷却方法，首先在真空室外连接气体加热循环系统，之后的操作步骤如下：

1)将热氦检漏被检测部件放置于真空室中，将被检测部件的冷却通道与气体加热回路连接；

2)控制气体加热循环系统管道内的氮气压力，保持压力为3～5MPa,氮气流量为0.3～0.4kg/s；

3)加热管道内的氮气，保持入口氮气温度为70～77℃，持续1～2小时；

4)监测被测部件最低温度和最高温度，控制其温差为52～55℃，并提高部件冷却通道入口氮气温度到达某一温度A；

5)保持入口氮气温度在上述温度A，直至部件最低温度达到250℃；