适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统的制作方法

本发明涉及聚变堆高温环境的冷却系统领域，具体是一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统。

背景技术：

以国际热核聚变试验堆托卡马克的物理诊断软x射线相机为例，为保证托卡马克真空室真空度，在实验前需要对托卡马克进行烘烤处理。在托卡马克装置烘烤期间，环境温度将高达250℃，即使在非烘烤期间，软x射线相机探测器所处的环境温度也将超过75℃，而探测器的正常工作温度一般低于75℃，此外，温度会影响探测器的性能，一般来说，探测器温度每升高10℃，其暗电流就会加倍。所以为了适应托卡马克环境，冷却系统不可缺少。如果使用水作为冷却介质，在核聚变堆这样严重的核环境下，作为冷却介质的水由于处于堆芯位置，将会被很严重的活化。同时氦气在相同的辐照条件下，其活化远远低于水的活化水平。因此选用氦气作为一种冷却介质就是一种很好的选择，可同时满足低活化和冷却的需求。而在远离堆芯位置的辐照强度相对较弱的位置，可以使用水最为冷却介质冷却氦气。这种设计既可以采用较易获得的水作为最终的冷源，同时可以大大降低总体的活化水平。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，以解决在核聚变堆严苛复杂的物理核环境中冷却系统设计面临的有限的制冷剂中子活化等问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，其特征在于：包括有隔膜式压缩机、储气罐，隔膜式压缩机的进气端与储气罐的气体出口通过管道连接，隔膜式压缩机的进气端与储气罐之间的管道上设有隔断阀、电动稳压阀，隔膜式压缩机的出气端与储气罐的出口、换热器一的热端的一个端口分别通过管道连接，隔膜式压缩机的出气端与储气罐之间的管道上设有泄压阀，隔膜式压缩机的出气端与换热器一之间的管道上设有排气阀，换热器一的冷端的两个端口与冷水机连接，换热器一的热端的另一端口与冷却池的一端通过管道连接，换热器一与冷却池之间的管道上设有流量计、压力计一、温度计一，冷却池中置有待冷却物体，冷却池的另一端与换热器二的热端的一个端口通过管道连接，冷却池与换热器二之间的管道上设有压力计二、温度计二、吸气阀，吸气阀所在管道与流量计所在管道的两个管道之间连接有一分支管道，所述分支管道上设有旁通阀，换热器二的热端的另一端口通过管道与隔膜式压缩机的进气端连接，所述隔膜式压缩机还分别与换热器一、二的冷端两端口通过管道连接。

所述的一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，其特征在于：所述储气罐的气体入口还通过管道连接有补气罐，所述管道上设有补气减压阀。

所述的一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，其特征在于：所述冷却池中设有真空计、热电偶，冷却池还与机械泵、分子泵连接，所述机械泵和分子泵用于维持待冷却物体的环境真空度，真空计用于检测待冷却物体的环境真空度，热电偶用于检测待冷却物体的温度。

所述的一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，其特征在于：所述储气罐、补气罐中置有制冷剂，制冷剂采用氦气。

本发明中的隔膜式压缩机、储气罐、电动稳压阀、隔断阀、泄压阀、热交换器二、温度计二、压力计二等，构成了初级气冷制冷回路，本发明中的冷水机、热交换器一、排气阀、流量计、压力计一、温度计一等，构成了次级水冷制冷回路。初级气冷制冷回路中的气体制冷剂与次级水冷制冷回路中的液体制冷剂在两个热交换器中进行热交换，初级制冷回路中的气体制冷剂可以由电动稳压阀控制从储气罐中向初级气冷回路中进行补充或回收，当储气罐气体不足时，可由补气罐进行补充；初级气冷制冷回路中的热电偶、温度计、压力计、流量计和真空计负责监测冷却系统的运行状态；初级气冷制冷回路中的隔膜式压缩机提供气体压力源；初级气冷制冷回路为闭回路，其氦气可重复循环利用；次级制冷回路中的冷水机组向热交换器和隔膜式压缩机提供循环可重复循环使用的冷却水。

本发明的冷却系统可以将待冷却物体环境真空控制在10^-2pa，可以将物体或者环境温度从250℃降低到50℃；可以利用温度自动反馈，从而调节旁通阀开度控制初级气体回路流量，使得温度稳定在设定值。

本发明的冷却系统利用初级气冷制冷回路的气体置换出核聚变堆中物体的热量，然后在次级水冷制冷回路中用冷却水置换气体的热量，有效地避免了核聚变堆中子辐照导致冷却水被活化的问题。

本发明优点为：

1、本发明使用了多种传感器监控系统运行状态，实现系统的自动化以及数据的实时监控；

2、本发明使用了气冷水冷混合制冷方式，避免了核聚变堆中子辐照导致冷却水被活化的问题。

附图说明

图1为本发明结构框图。

具体实施方式

如图1所示，一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，包括有隔膜式压缩机14、储气罐15，隔膜式压缩机14的进气端与储气罐15的气体出口通过管道连接，隔膜式压缩机14的进气端与储气罐15之间的管道上设有隔断阀12、电动稳压阀13，隔膜式压缩机14的出气端与储气罐15的出口、换热器20的热端的一个端口分别通过管道连接，隔膜式压缩机14的出气端与储气罐15之间的管道上设有泄压阀16，隔膜式压缩机14的出气端与换热器20之间的管道上设有排气阀19，换热器20的冷端的两个端口与冷水机21连接，换热器20的热端的另一端口与冷却池3的一端通过管道连接，换热器20与冷却池3之间的管道上设有流量计6、压力计7、温度计8，冷却池3中置有待冷却物体，冷却池3的另一端与换热器11的热端的一个端口通过管道连接，冷却池3与换热器11之间的管道上设有压力计2、温度计1、吸气阀10，吸气阀10所在管道与流量计6所在管道的两个管道之间连接有一分支管道，分支管道上设有旁通阀9，换热器11的热端的另一端口通过管道与隔膜式压缩机14的进气端连接，隔膜式压缩机11还分别与换热器20、11的冷端两端口通过管道连接。

储气罐15的气体入口还通过管道连接有补气罐18，管道上设有补气减压阀17。

冷却池3中设有真空计7、、热电偶8，冷却池3还与机械泵22、分子泵23连接，。机械泵22和分子泵23用于维持待冷却物体3的环境真空度，真空计7用于检测待冷却物体3的环境真空度，热电偶8用于检测待冷却物体3的温度。

储气罐15、补气罐18中置有制冷剂，制冷剂采用氦气。

本发明的闭环再循环气水混合冷却系统采用一台隔膜式压缩机14作为压力源，压缩后的气体进入一个换热器20供冷却系统使用，使用后的气体再次经过另一个换热器11降温，一台冷水机21组为冷却系统提供冷源，降温后的气体在闭环初级回路中循环利用。一个储气罐15供由电动稳压阀13控制，当系统开始运行需要充气或者是封闭环路中气体压力不足时，对闭环初级回路内进行气体补充。当任务结束，需要回收气体时，同样也由电动稳压阀13控制将气体回收至储气罐15。在系统进行过程当中时，为了控制初级回路气体流量，采用了一个旁通阀9用于调节分流。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种适用于聚变堆高温环境的闭环再循环气水混合冷却系统，利用初级气冷制冷回路的气体置换出核聚变堆中物体的热量，然后在次级水冷制冷回路中用冷却水置换气体的热量，有效地避免了核聚变堆中子辐照导致冷却水被活化的问题，可以将待冷却物体环境真空控制在10‑2Pa，能够长期地提供连续冷却气体和冷却水，并快速冷却具有较高温度或环境温度的物体。

技术研发人员：陈晔斌;胡立群;张胜;张斌;詹俊程;俞红
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2017.05.09
技术公布日：2017.09.29