一种W字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构的制作方法

本发明属于中性束束线工程以及实验研究中的极限热负荷设备领域，具体涉及一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构。

背景技术：

在不可再生资源日益匮乏的情况下，新能源研究日益蓬勃发展，核聚变能源作为一种清洁、可靠的可再生能源，得到了各国的重视。磁约束核聚变研究装置即托克马克装置由于初始放电的等离子体能量较低，无法达到自持点火所需的温度，需要配备大功率辅助加热装置。中性束加热系统是托克马克装置最重要的外围辅助加热系统之一，有着加热机理简单、功率密度高、能量传递效率高的特点，但由于中性束能量过于集中，对装置的热负荷有着极高的要求。主动水冷量热靶是中性束注入器热负荷最高的装置，承担着引出束40％以上的能量。极限热负荷量热靶的设计，对中性束注入器至关重要，对类似的工程及实验装置也有重要的参考意义。

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，求出束散角；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。量热靶的结构以及材料特性直接影响束参数测量精度和测量范围。

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。被动冷却量热靶又称作为惯性量热靶，需要的水流量与主动冷却量热靶相比要小很多。对于脉宽1秒以下的短脉冲束，一般采用惯性冷却，对于脉宽几秒的长脉冲束，通常需采用即时冷却。量热靶通常有几种结构形式。一种是模块式结构，它由若干块标准化的紫铜板拼接而成，紫铜板背面焊有强水冷的总冷却管，这种结构有利于减小热应力。另一种是集管式结构，它由若干根通有冷却水的紫铜管排列起来吸收束功率。

最为常见的量热靶结构通常采用3-5个平面铜板，拼组成v字型结构，平面铜板与束截面轴线的夹角由最高束功率密度分布决定。hl-2a装置中性束注入器的量热靶就是采用这种结构。量热靶采用平滑的铜板为主体结构，铜板内置水管，采用即时水冷方式。四个v字型靶板分别对应四个离子源，铜板内置热电偶阵列，可以通过热电偶信号即时监测铜板温度，并可根据温度信号拟合出铜板承受的热负荷功率密度分布。这是中性束注入器最常用的量热靶结构。

常规结构的量热靶有着结构简单，加工难度低的优点，但同样存在一些难以改进的缺陷：

1)在高热负荷的情况下，如果要降低量热靶表面的功率密度，必须减小铜板与束截面轴线的夹角。在空间限制比较严格的情况下，过度减小夹角会给空间造成比较大的压力。

2)铜片尺寸相对较大，热量容易沿着表面传递，在长脉冲时会给功率密度测量带来一定误差。

3)铜片内置的冷却水路较为复杂，加工难度相对较高，在表面承受高功率热负荷的情况下对水路设计的要求较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，从而可以在极限热负荷状态下工作。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，包括以下方面的设计：

(1)栅板的结构形式

每根栅板的尺寸为1020mm×80mm×25mm，40根栅板组合形成w字形结构；w字形结构分为2个v字形，每个v字形结构分为对称的2排栅板，每排栅板有10根，两个v字形结构相互对称；

w字形结构根据“w”形状分为大口和小口，大口位置朝向离子源，由栅板的前表面组成；小口位置背离离子源，由栅板的后表面组成；相邻的两个栅板之间的间隙不大于1mm，以控制其相互绝热；

(2)与离子源之间的配合设计

与该量热靶结构配合的离子源共4个，左右对称设置，每侧为上下两个；左右两侧离子源的nbi加热束轴线之间的夹角为6.7°在同侧的上下2个离子源的nbi加热束轴线相互平行；

栅板的布局与离子源汇聚方向对应，两个v字形结构的角平分面之间的夹角与左右两侧离子源的nbi加热束轴线之间的夹角一致；

离子源的nbi加热束的束截面功率密度分布呈高斯分布，通过调整nbi加热束轴线方向与每根栅板之间的夹角来控制每根栅板上的束功率密度一致；

(3)冷却水管道的设计

在每根栅板中布置包括一个进水管和一个出水管以及设置在进水管和出水管之间的u字型进出水结构；u字型进出水结构的外边缘距离栅板的前表面的距离为6.5mm；

进水管、出水管以及u字型进出水结构共同组合形成内径同为12mm、彼此之间连通的冷却水通道；

(4)热偶的设置

每个v字形结构的两排栅板中处于顶角位置的两根栅板中，每根栅板上沿栅板的长度方向布置10个热偶，用于检测垂直方向的束流功率密度和汇聚偏差；在其它36根栅板上各根据系统计算确定一个束功率密度最高的位置，在该位置布置1个热偶，用于检测水平方向的束流功率密度。

进一步的，如上所述的一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，栅板为模块式结构，可拆卸、可更换、可根据不同热负荷的情况调整角度和数量。

进一步的，如上所述的一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，栅板的材料为以下材料中的一种：铜、钼。

进一步的，如上所述的一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，v字形结构中，定义其顶角处为内，开口处为外；每排栅板中10根栅板与nbi加热束轴线的角度由内而外依次为6°,6.5°,7.0°,8.0°,9.0°,10.0°,12.0°,14.0°,18.0°,23.0°，所有栅板上截获的束功率密度相同。

进一步的，如上所述的一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，v字形结构中，定义其顶角处为内，开口处为外；每排栅板中10根栅板与nbi加热束轴线的角度由内而外依次为6°,6.5°,7.0°,8.0°,9.0°,10.0°,12.0°,14.0°,18.0°,23.0°，所有栅板上截获的束功率密度都是为1kw/cm²。

本发明经过大量的模拟计算，采用了全新的靶板结构，具有如下有益效果：

1.将v字型靶板改进为w字型靶板，模块式结构，栅板结构合理，根据功率密度的分布情况，中心栅板与束截面轴线的夹角较小，由于引出束功率密度呈现高斯分布趋势，功率密度向两侧逐渐递减，所以夹角向外依次递增，令栅板面的功率密度分布保持一致。在束功率密度较大的中心区域，栅板表面与束截面轴线的角度较小，在外侧区域角度较大，有效的节省空间。

2.将板式拼接结构改改为栅板结构；相邻栅板之间有一定距离，彼此绝热，保证栅板之间绝热，增加温度测量的精度，避免栅板间因热应力而产生挤压。

3.每个栅板采用单独的水路，水路结构简单，便于加工，增强冷却效果。

附图说明

图1为本发明w字形多板主动水冷结构量热靶的基本结构示意图；

图2为本发明w字形多板主动水冷结构量热靶中栅板的结构示意图；

图3为本发明w字形多板主动水冷结构量热靶的总体图。

图中：1w形状大口，2w形状小口，3栅板进水管，4栅板出水管，5两个v字形结构的角平分面。

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。

本发明一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构，用于大型托克马克装置hl-2m配套的中性束注入器，经过前期的热负荷计算以及机械设计，最终确定结构，其设计包括以下方面：

(1)栅板的结构形式

如图1-3所示，每根栅板的尺寸为1020mm×80mm×25mm，40根栅板组合形成w字形结构；w字形结构分为2个v字形，每个v字形结构分为对称的2排栅板，每排栅板有10根，两个v字形结构相互对称；

w字形结构根据“w”形状分为大口和小口，大口位置朝向离子源，由栅板的前表面组成；小口位置背离离子源，由栅板的后表面组成；相邻的两个栅板之间的间隙不大于1mm，以控制其相互绝热；

在本实施例中，栅板为模块式结构，可拆卸、可更换、可根据不同热负荷的情况调整角度和数量；栅板的材料可以为常用的铜，也可以为熔点更高的钼。

(2)与离子源之间的配合设计

与该量热靶结构配合的离子源共4个，左右对称设置，每侧为上下两个；左右两侧离子源的nbi加热束轴线之间的夹角为6.7°在同侧的上下2个离子源的nbi加热束轴线相互平行；

栅板的布局与离子源汇聚方向对应，两个v字形结构的角平分面之间的夹角与左右两侧离子源的nbi加热束轴线之间的夹角一致；

离子源的nbi加热束的束截面功率密度分布呈高斯分布，通过调整nbi加热束轴线方向与每根栅板之间的夹角来控制每根栅板上的束功率密度一致；

v字形结构中，定义其顶角处为内，开口处为外；每排栅板中10根栅板与nbi加热束轴线的角度由内而外依次为6°,6.5°,7.0°,8.0°,9.0°,10.0°,12.0°,14.0°,18.0°,23.0°，所有栅板上截获的束功率密度都是为1kw/cm²。

(3)冷却水管道的设计

在每根栅板中布置包括一个进水管和一个出水管以及设置在进水管和出水管之间的u字型进出水结构；u字型进出水结构的外边缘距离栅板的前表面的距离为6.5mm；

进水管、出水管以及u字型进出水结构共同组合形成内径同为12mm、彼此之间连通的冷却水通道；

(4)热偶的设置

每个v字形结构的两排栅板中处于顶角位置的两根栅板中，每根栅板上沿栅板的长度方向布置10个热偶，用于检测垂直方向的束流功率密度和汇聚偏差；在其它36根栅板上各根据系统计算确定一个束功率密度最高的位置，在该位置布置1个热偶，用于检测水平方向的束流功率密度。

本发明本质上是一种即时水冷的量热器。它具备常规即时水冷量热靶的优点，即结构简单，冷却及时，保证靶板最高温度在安全范围内；又具有模块化的优点——栅板拥有单独的水路，彼此独立，其数量可以根据束流截面的尺寸进行增减，栅板与束流截面的角度也可以根据极限功率密度分配来调节。本发明结构清晰简单，与常规量热靶相比，更易于加工和调节，可以用于各种极限热负荷的场合。