一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构的制作方法

本发明属于磁约束核聚变研究托克马克装置中性束注入器量热靶的水冷管道以及其他工程设备中的高真空条件下狭窄空间内的水网连接技术领域，具体涉及一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构。

背景技术：

中性束注入(nbi)用以加热磁约束等离子体，是提高离子温度或者电子温度的最有效方法之一，同时nbi也用来驱动等离子体电流并且控制等离子体性能。包括离子源在内的中性束注入器是中性束加热系统的核心系统，主要包括：离子源，注入器真空室，置于真空室内部的中性化室，离子吞噬器，偏转磁体，束边缘刮削器，量热靶，高抽速真空泵等。主要完成等离子体产生，离子束引出和加速，离子束中性化，残留离子束偏转，中性束几何汇聚，中性束注入等物理过程。同时注入器还将具有束性能诊断，束功率测量，部件安全监测，高抽速真空运行等功能。

量热靶是一种用量热法测量束功率的器件。束粒子打到量热靶上以后沉积的热量由冷却水带走，测出水的出口和入口的温差和水的流量，即可计算出接受到的束功率。除此而外，它还有以下功能：通过测量嵌装在量热靶上的热电偶阵列的温升，测出束分布，诊断出束发散角；用于监测束的对中情况；离子源锻炼时，用于截断束，将束功率吸收。束量热靶分为主动冷却量热靶和被动冷却量热靶，主动冷却量热靶采用大流量冷却水，在运行束脉冲内及时将沉积的能量带走，也就是在运行脉冲内，通过瞬时流体热交换，令量热靶表面温度处于安全平衡温度。被动冷却量热靶则是在束脉冲间歇内由冷却水缓慢的带走 沉积在量热靶中的能量。主动水冷量热靶是承担中性束注入器最高热负荷的部件。

与hl-2m托克马克装置配套的5mw中性束注入器在单独调试运行时，需要采用量热靶进行束功率测量和束功率密度分布诊断，在这种工况下，量热靶承担约60％的引出功率，极限值达到3mw，热负荷极高，中心区域功率密度甚至可以达到6.5kw/cm³，因此必须配备大流量冷却水路即时的转移沉积在其中的高能量。中性束量热靶采用多板主动水冷结构，一共40根铜条栅板，每根栅板采用一进一出的冷却水路结构，即合计40道进水水路、40道出水水路。

5mw中性束注入器内部空间有限，各部件排列得非常紧凑，留给量热靶冷却水路的空间只有850mm(长)×800mm(宽)×400mm(高)左右。在如此狭窄的空间内要分布40道进水水路、40道出水水路合计80根水管，又要留出充分的装配空间，对水路结构的设计有较高的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构，从而满足hl-2m装置5mw中性束注入器长脉冲主动水冷量热靶所需的大流量冷却水要求，并留出充分的水管装配空间。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构，应用于hl-2m托卡马克装置的5mw-nbi加热束线核心部件—主动水冷量热靶，作为5mw-nbi加热束线量热靶的一个组成部分，与w字形多板主动水冷结构量热靶板及升降和导向机构结合共同完成整个量热靶的所有功能；

(1)量热靶的进出刚性主水管接入循环水系统，包括主进水管和主出水管，二者的尺寸都是dn80；

(2)量热靶包括40根铜条栅板，每根铜条栅板的顶端采用一进一出的管路结构分别设置一根进水管和一根出水管，在每根铜条栅板的内部设置u形冷却管道，u形冷却管道的直径与进水管和出水管的直径一致；冷却水自进水管进入铜条栅板后流入u形冷却管道，再从出水管流出；

(3)上下平行分布的w形分水器，分水器包括上层汇水器、下层分水器；

每个w形分水器都采用一进多出的结构，包括一个w形板和与w形板相互垂直的40个dn12的管道；w形板和40个管道相互连通；w形板的压力等级与主进水管的压力等级一致；

冷却水首先通过主进水管进入下层分水器中的w形板，下层分水器中40个管道分别与量热靶40根铜条栅板中的进水管连通，冷却水通过下层分水器中40个管道流入量热靶40根铜条栅板中的进水管，进而流入量热靶的40根铜条栅板中进行冷却；

在下层分水器的w形板中设置圆形孔洞阵列，上层汇水器中40个管道穿过这些圆孔，分别与量热靶40根铜条栅板中的出水管连通，冷却水在量热靶40根铜条栅板中循环流通后通过40个出水管汇入上层汇水器的w形板中，冷却水在w形板中汇合后进入主出水管。

进一步的，如上所述的一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构，主进水管和主出水管的压力等级都设置为循环水泵出口压力的两倍。

进一步的，如上所述的一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构，上层汇水器、下层分水器分别放置在平板上，放置上层汇水器、下层分水器的平板之间通过连接杆连接。

本发明技术方案的有益效果在于：

(1)中性束注入器量热靶作为磁约束聚变实验装置以及未来聚变工程推 nbi加热系统内部必不可少的部件，用于检测大面积的强流束功率及功率密度分布测量。本发明是量热靶不可或缺的组成部分之一，为量热靶提供充分有效的大流量冷却水回路。

(2)hl-2m装置将发展3条5mw-nbi加热束线，本发明可以直接与后两条束线的量热靶配套使用，为磁约束核聚变研究提供条件。

(3)本发明是针对5mw中性束注入器真空环境狭窄空间设计的异形水路机构，也可应用于其它处于狭窄空间中难以进行水管装配的设备。

附图说明

图1和图2主动水冷量热靶异形水路机构示意图。

图中：1主进水管、2主出水管、3上层汇水器、4下层分水器、5上层汇水器管道、6下层分水器管道、7平板、8连接杆、9量热靶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构，应用于hl-2m托卡马克装置的5mw-nbi加热束线核心部件—主动水冷量热靶，作为5mw-nbi加热束线量热靶的一个组成部分，与w字形多板主动水冷结构量热靶板及升降和导向机构结合共同完成整个量热靶的所有功能；

(1)量热靶的进出刚性主水管接入循环水系统，包括主进水管和主出水管，二者的尺寸都是dn80；

(2)量热靶包括40根铜条栅板，每根铜条栅板的顶端采用一进一出的管路结构分别设置一根进水管和一根出水管，在每根铜条栅板的内部设置u形冷 却管道，u形冷却管道的直径与进水管和出水管的直径一致；冷却水自进水管进入铜条栅板后流入u形冷却管道，再从出水管流出；

(3)上下平行分布的w形分水器，分水器包括上层汇水器、下层分水器；

每个w形分水器都采用一进多出的结构，包括一个w形板和与w形板相互垂直的40个dn12的管道；w形板和40个管道相互连通；w形板的压力等级与主进水管的压力等级一致；

冷却水首先通过主进水管进入下层分水器中的w形板，下层分水器中40个管道分别与量热靶40根铜条栅板中的进水管连通，冷却水通过下层分水器中40个管道流入量热靶40根铜条栅板中的进水管，进而流入量热靶的40根铜条栅板中进行冷却；

在下层分水器的w形板中设置圆形孔洞阵列，上层汇水器中40个管道穿过这些圆孔，分别与量热靶40根铜条栅板中的出水管连通，冷却水在量热靶40根铜条栅板中循环流通后通过40个出水管汇入上层汇水器的w形板中，冷却水在w形板中汇合后进入主出水管。上层分水器的出水管道与下层分水器的出水管道排列整齐，没有错位和机械干扰，在水管装配时，扳手可从外侧伸入，转动扳手时不会被相邻的水管阻拦。

上层汇水器、下层分水器分别放置在平板上，放置上层汇水器、下层分水器的平板之间通过连接杆连接。

在本实施例中，中性束注入器水网配备的主循环水泵的出口压力20公斤可调，主进水管和主出水管的压力等级都设置为循环水泵出口压力的两倍即40公斤。整个水路具备两倍水压的工程余量，密封采用真空密封标准，保证水管在真空环境下不发生泄漏。经过计算，水路可以提供120m3/h的冷却水，能够做到即时冷却。

本发明异形水路机构占用的空间仅为842.5mm(长)×770mm(宽)×479mm(高)。在狭窄的空间内分布有80个dn12的冷却水管道，交错排列成与量热靶相同的w形，留给水管连接的装配空间充分。