[发明专利]一种具有阻氚功能的聚变堆偏滤器部件

说明书

本发明公开了一种具有阻氚功能的聚变堆偏滤器部件，包括有多个钨瓦块、适配层、冷却流道管，各钨瓦块并排放置且中部均开有同轴、同直径的通孔，相邻钨瓦块之间设有阻氚部件，通孔内壁上固定有适配层，所述冷却流道管穿入各钨瓦块的适配层中，冷却剂从所述冷却流道管中通过。本发明制造过程不需要大幅改变原有制造工艺，可有效控制成本。通过本发明提出的阻氚结构的实施，偏滤器运行时可以在承受~10MW/m²稳态热流以及~10²⁴m^‑2s^‑1稳态粒子流的同时兼具防氚渗透功能，减少放射性同位素氚进入冷却剂，缓解聚变堆氚水后处理的负荷，增加安全性；同时加速聚变堆氚循环过程，有望减小氚工厂规模，提升聚变堆的经济性。

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变领域，具体内容是一种具有阻氚功能的聚变堆偏滤器部件。

背景技术

现代磁约束聚变堆普遍采用偏滤器位形，该位形可以有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰。偏滤器面向等离子体部件（PFC）则是由耐高温的面向等离子体材料（如钨）以及热导率较高的结构材料（如铜合金或钢）制造。目前国际热核聚变反应实验堆ITER以及部分聚变堆偏滤器部件设计中，为了缓解偏滤器部件受到的热应力和电磁力作用，均不采用大面积整体钨块作为面向等离子体材料，而是采用穿管（monoblock）结构，即钨瓦块穿焊在热沉管上，瓦块之间留有缝隙，缝隙底部结构材料裸露于外部真空室。

氚作为聚变燃料之一，极其昂贵且有放射性。氚主要以等离子体的形式被磁场约束在芯部，但部分氚粒子（包括离子和原子态）仍可能通过横越磁力线的扩散以及电荷交换过程轰击偏滤器的表面；在偏滤器打击点，氚离子和原子更是直接与面向等离子体部件剧烈地相互作用。虽然这些缝隙与磁力线有一定夹角，避免了带电粒子沿磁力线进入，但边界等离子体中还有高通量的中性氚原子不受磁场约束，可能通过缝隙直接轰击PFC底部的结构材料，并以超渗透方式进入冷却回路。由于氢同位素在结构材料中的扩散率和渗透率相对于作为面向等离子体材料的钨更高，且管道壁厚较小，氚从该捷径渗透进入PFC的速度和通量都将远高于轰击钨表面的情况，进而影响聚变堆的经济性和安全性。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种具有阻氚功能的聚变堆偏滤器部件。

本发明采用的技术方案是：

一种具有阻氚功能的聚变堆偏滤器部件，包括多个钨瓦块、适配层、冷却流道管，所述各钨瓦块并排放置且中部均开有同轴、同直径的通孔。所述相邻钨瓦块之间设有阻氚部件，所述通孔内壁上固定有适配层，所述冷却流道管穿入各钨瓦块的适配层中，冷却剂从所述冷却流道管中通过。所述钨瓦块为平整式钨瓦块，平整式钨瓦块的表面光洁。所述适配层的材料为无氧铜，无氧铜利用浇铸或者热等静压工艺附着在所述的钨瓦块的孔壁上。所述冷却流道管的材料为铜合金或者低活化钢，冷却流道管通过热等静压或者钎焊工艺与适配层结合。

所述相邻钨瓦块之间缝隙中填入有阻氚环或者凸台式钨瓦块作为阻氚部件，防止冷却流道管直接暴露于堆内环境，从而实现阻氚功能。若阻氚部件为阻氚环，则阻氚环尺寸能完全覆盖相邻钨瓦块之间缝隙处的冷却流道管，在部件整体的热等静压或者钎焊连接工艺中，阻氚环兼具控制钨瓦块缝隙尺寸精度的定位作用，阻氚环由氢同位素渗透率低的钨、钼材料制成。若阻氚部件为凸台式钨瓦块，则各凸台式钨瓦块的相同侧带有一环形凸台，环形凸台的尺寸能完全覆盖相邻钨瓦块之间缝隙处的冷却流道管。

本发明带来的有益效果如下：