一种用于聚变堆内部部件性能测试的高温高压氦冷系统的制作方法

本发明涉及核能技术领域，尤其涉及一种用于聚变堆内部部件性能测试的高温高压氦冷系统。

背景技术：

磁约束核聚变能被认为是未来最有可能解决人类能源危机的途径。托卡马克核聚变装置（如iter等）是研究磁约束核聚变能最富有成效的手段之一。包层和偏滤器作为托卡马克核聚变装置中直接面对等离子体的核心部件，要承受来自中心等离子体的粒子流和热流，其第一壁表面承受的热功率达千兆瓦量级，可以预见，包层和偏滤器的表面热负荷高达几兆瓦每平方米到几十兆瓦每平方米。包层或偏滤器在此高热负荷条件下运行，容易造成损坏，且在聚变堆内进行维护更换极为不便，因此，首先对不同材料、结构或冷却方式的包层或偏滤器等内部部件进行性能测试，保证内部部件性能满足要求具有重要意义。

目前，聚变堆内部部件采用的冷却方式主要有水冷、氦冷、液态金属冷却以及熔盐冷却等，其中，氦气作为惰性气体，具有不易与其它物质发生化学反应，与其他材料的相容性较好，可避免处理采用液态金属锂作冷却剂时所引起的磁流体动力学问题；较水和液态金属锂这类冷却剂而言，氦气的中子穿透性强得多，有利于氚的产生等优点。国内外研究学者也开展了氦冷偏滤器和氦冷包层的研究，对氦冷内部部件进行测试时都需要一定温度和压力的氦气冷却剂，因此，可建立高温高压氦冷回路系统，以验证未来聚变堆内部部件设计方案（氦冷包层和氦冷偏滤器）的性能，本发明就是在这样的背景下产生的。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于聚变堆内部部件性能测试的高温高压氦冷系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于聚变堆内部部件性能测试的高温高压氦冷系统，包括有氦气主回路、氦气辅助回路、氦气补偿回路及氦气补偿辅助回路，所述的氦气主回路包括有气体压缩机，气体压缩机的出口依次连接手动调节阀一、流量控制阀一、热交换器一、手动调节阀二、电加热器一、手动调节阀三、手动调节阀四、电加热器二、手动调节阀五、手动调节阀二十四、电加热器三、手动调节阀二十六、气体混合器一、流量控制阀二、手动调节阀六进入热测试台，热测试台的出口依次连接手动调节阀九、热交换器一、流量指示仪表一、气体混合器二、空气冷却塔、过滤器、流量控制阀三、手动调节阀十和所述的气体压缩机的进口，在手动调节阀二和手动调节阀三之间并联有手动调节阀十一，在手动调节阀四和手动调节阀五之间并联有手动调节阀十二，在手动调节阀二十四和手动调节阀二十六之间并联有手动调节阀二十五；

所述的氦气辅助回路为：所述的流量控制阀一的出口还通过流量控制阀四与气体混合器一的进口连接，流量控制阀一的出口还分别连接流量控制阀十和流量控制阀十二，流量控制阀十二与气体混合器二的进口连接，流量控制阀十的出口连接冷测试台的进口，冷测试台的出口连接手动调节阀十一的进口，手动调节阀十一的出口连接气体混合器二的进口；流量控制阀三的出口还连接手动调节阀十三，手动调节阀十三依次连接手动调节阀十四、水冷系统的进口，水冷系统的出口依次连接手动调节阀十五、热交换器二和手动调节阀十四的进口，手动调节阀十五的出口还连接手动调节阀十六的进口，手动调节阀十六的出口连接气体压缩机的进口；

所述的氦气补偿回路包括有储气罐和储气瓶，储气罐的一个出口依次连接流量指示仪表二、流量控制阀十四和流量控制阀一的进口，储气瓶的出口依次连接手动调节阀十七、压力泄放阀、压力调节阀一、流量控制阀十三和所述的储气罐的进口，在所述的压力泄放阀的进口还连接有手动调节阀二十，手动调节阀二十的进口连接有供氦气的接口，在压力调节阀一的两端还并联有手动调节阀十八；

所述的氦气补偿辅助回路为：所述的储气罐的一个出口分别连接流量控制阀十五、流量控制阀十六、流量控制阀十七的进口，流量控制阀十六的出口连接真空系统，流量控制阀十七的出口连接有净化系统，流量控制阀十五的出口分别连接压力调节阀二和安全阀三，压力调节阀二的出口连接氦气排放接口。

在所述的储气罐的一个出口上还连接有手动调节阀十九，在储气罐上还连接有过载保护接头三。

在所述的手动调节阀二和电加热器二的出口端分别连接流量控制阀五和流量控制阀六；在手动调节阀九的出口还分别连接有流量控制阀七和流量控制阀八，所述的流量控制阀七的出口连接有真空系统。

所述的真空系统包括有真空泵，真空泵的出口连接有流量控制阀十八，流量控制阀十八的出口连接有排气口，所述的流量控制阀十六的出口和流量控制阀七的出口分别连接所述的真空泵的真空接口。

所述的净化系统包括有净化器，净化器的进口和出口分别连接有手动调节阀二十二和手动调节阀二十三，所述的流量控制阀十七的出口连接所述的手动调节阀二十二的进口。

所述的水冷系统包括有依次连接的冷却塔、手动调节阀二十一和水泵，所述的冷却塔的进口连接所述的手动调节阀十四，水泵的出口连接所述的手动调节阀十五。

将安全阀一和安全阀二连接后分别连接在流量控制阀一的出口和热交换器一的出口处。

在所述的电加热器三上连接有过载保护接头一，在电加热器三上连接有过载保护接头二。

本发明的优点是：本发明的氦气主回路系统和氦气补偿回路系统的共同作用且相互独立，可提供一定温度和压力的氦气，以满足未来聚变堆内部部件性能测试的需求，具有稳定、安全、可靠、高效等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为真空系统结构图。

图3为净化系统结构图。

图4为水冷系统结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于聚变堆内部部件性能测试的高温高压氦冷系统，包括有氦气主回路、氦气辅助回路、氦气补偿回路及氦气补偿辅助回路，所述的氦气主回路包括有气体压缩机，气体压缩机的出口依次连接手动调节阀一2、流量控制阀一3、热交换器一4、手动调节阀二5、电加热器一6、手动调节阀三7、手动调节阀四8、电加热器二9、手动调节阀五11、手动调节阀二十四87、电加热器三12、手动调节阀二十六89、气体混合器一14、流量控制阀二15、手动调节阀六16进入热测试台17，热测试台17的出口依次连接手动调节阀九21、热交换器一4、流量指示仪表一22、气体混合器二23、空气冷却塔24、过滤器25、流量控制阀三26、手动调节阀十27和所述的气体压缩机1的进口，在手动调节阀二5和手动调节阀三7之间并联有手动调节阀十一28，在手动调节阀四8和手动调节阀五11之间并联有手动调节阀十二29，在手动调节阀二十四87和手动调节阀二十六89之间并联有手动调节阀二十五88；

所述的氦气辅助回路为：所述的流量控制阀一3的出口还通过流量控制阀四30与气体混合器一14的进口连接，流量控制阀一3的出口还分别连接流量控制阀十50和流量控制阀十二53，流量控制阀十二与气体混合器二23的进口连接，流量控制阀十的出口连接冷测试台51的进口，冷测试台51的出口连接手动调节阀十一52的进口，手动调节阀十一52的出口连接气体混合器二23的进口；流量控制阀三26的出口还连接手动调节阀十三43，手动调节阀十三43依次连接手动调节阀十四44、水冷系统45的进口，水冷系统45的出口依次连接手动调节阀十五47、热交换器二46和手动调节阀十四44的进口，手动调节阀十五47的出口还连接手动调节阀十六49的进口，手动调节阀十六49的出口连接气体压缩机1的进口；

所述的氦气补偿回路包括有储气罐60和储气瓶54，储气罐60的一个出口依次连接流量指示仪表二61、流量控制阀十四62和流量控制阀一3的进口，储气瓶54的出口依次连接手动调节阀十七55、压力泄放阀56、压力调节阀一58、流量控制阀十三59和所述的储气罐60的进口，在所述的压力泄放阀56的进口还连接有手动调节阀二十73，手动调节阀二十73的进口连接有供氦气的接口74，在压力调节阀一58的两端还并联有手动调节阀十八57；

所述的氦气补偿辅助回路为：所述的储气罐60的一个出口分别连接流量控制阀十五63、流量控制阀十六67、流量控制阀十七68的进口，流量控制阀十六67的出口连接真空系统37，流量控制阀十七68的出口连接有净化系统70，流量控制阀十五63的出口分别连接压力调节阀二65和安全阀三64，压力调节阀二65的出口连接氦气排放接口66。

在所述的储气罐60的一个出口上还连接有手动调节阀十九72，在储气罐上还连接有过载保护接头三71。

在所述的手动调节阀二5和电加热器二9的出口端分别连接流量控制阀五31和流量控制阀六32，流量控制阀五31和流量控制阀六32之间连接有测温系统35，用于测量气体温度；在手动调节阀九21的出口还分别连接有流量控制阀七33和流量控制阀八34，所述的流量控制阀七33的出口连接有真空系统37，流量控制阀八34的出口连接有气体分析系统38，用于气体分析。

如图2所示，所述的真空系统37包括有真空泵78，真空泵78的出口连接有流量控制阀十八79，流量控制阀十八79的出口连接有排气口80，所述的流量控制阀十六67的出口和流量控制阀七33的出口分别连接所述的真空泵78的真空接口86。

如图3所示，所述的净化系统包括有净化器82，净化器82的进口和出口分别连接有手动调节阀二十二81和手动调节阀二十三83，所述的流量控制阀十七68的出口连接所述的手动调节阀二十二81的进口。

如图4所示，所述的水冷系统包括有依次连接的冷却塔77、手动调节阀二十一76和水泵75，所述的冷却塔77的进口连接所述的手动调节阀十四44，水泵75的出口连接所述的手动调节阀十五47。

将安全阀一39和安全阀二40连接后分别连接在流量控制阀一3的出口和热交换器一4的出口处。

在所述的电加热器三9上连接有过载保护接头一10，在电加热器三12上连接有过载保护接头二13。

在所述的热测试台17的进口和出口处分别连接手动调节阀七18和手动调节阀八20，手动调节阀七18和手动调节阀八20均连接有备用系统19。

在过滤器与流量控制阀三26之间连接流量控制器九41。

所述的氦气主回路工作原来为：打开手动调节阀一2、二5、三7、四8、五11、二十四87、二十六89、六16、九21、十27，同时打开并调节流量控制阀一3、二15、三26，关闭流量控制阀四30、八34、七33、六32、五31、十二53、十一52、十50、九41、十四62和手动调节阀十一28、十二29、七18、八20、十三43、十四44、十五47、十六49，低温氦气经气体压缩机1加压后成为高压氦气，流经手动调节阀一2、流量控制阀一3、热交换器一4、手动调节阀二5、电加热器一6、手动调节阀三7、手动调节阀四8、电加热器二9、手动调节阀五11、手动调节阀二十四87、电加热器三12、手动调节阀二十六89，经三级加热后进入气体混合器一14，在气体混合器一14内将加热后温度不均匀气体充分混合，流出的氦气为高温高压气体，温度300℃-550℃，压力8-10mpa，经流量控制阀二15、手动调节阀六16进入实验台上的样件（偏滤器或包层1︰1原型件）并流出，再经手动调节阀九21、热交换器一4、流量指示仪表一22、气体混合器二23进入空气冷却塔24，在空气冷却塔24内高温氦气被充分冷却泄压后，在气体压缩机1的作用下，经空气冷却塔24冷却后的氦气流经过滤器25、流量控制阀三26、手动调节阀十27被重新加压后参与氦气主回路循环。

氦气主回路中部分元件的作用如下：

气体压缩机1：将流经的氦气加压。

热交换器一4：使流经的高温氦气和低温氦气进行热交换，低温氦气被加热，高温氦气被冷却。

气体混合器一14和二23：使加热或冷却后的氦气充分混合，温度一致。

所述氦气主回路的辅助回路如下：

a)当气体混合器一14中的氦气温度过高需要调节时，打开并调节流量控制阀四30，流过流量控制阀一3的低温气体分开两部分，大部分参与氦气主回路循环被加热，一小部分流经流量控制阀四30进入气体混合器一14，在气体混合器一14中，可利用低温氦气调节氦气的整体温度。

b)根据实验需求，可通过打开或者关闭手动调节阀二5、三7、四8、五11、二十四87、二十六89、十一28、十二29和二十五88的方式，使用一个、两个或者三个电加热器（电加热器一6、电加热器二9、电加热器三12）对氦气主回路中的氦气进行加热。

c)水冷回路，当经空气冷却塔24冷却后的氦气温度仍较高时，关闭手动调节阀十27，打开手动调节阀十四44、十五47和二十一76，在水泵75的作用下，冷却塔77中的冷水被抽出，流经手动调节阀二十一76、水泵75、手动调节阀十五47、热交换器二46、手动调节阀十四44，再回到冷却塔77，这样，流经热交换器二46的氦气会被再次冷却。

d)当电加热器一6、电加热器二9、电加热器三12或者实验台上的样件出现故障或者需要停止运行时，关闭手动调节阀十一28、二5、九21及流量调节阀八34、七33、四30、十50、十一52，打开流量控制阀十二53，这样，流经流量控制阀一3的高压氦气直接经流量控制阀十二53流向气体混合器二23，进而被空气冷却塔24冷却泄压。

e)当需要低温高压氦气进行实验时，关闭手动调节阀十一28、二5、九21和流量控制阀八34、七33、四30、十二53、十四62，打开流量控制阀十50、十一52，流经手动调节阀一2、流量控制阀一3的低温高压氦气直接经流量控制阀十50流向冷测试台51，后经流量控制阀十一52流出。

f)抽真空回路一：在氦气主回路运行前，打开手动调节阀一2、二5、十一28、三7、四8、十二29、五11、二十四87、二十五88、二十六89、六16、九21、十27和流量控制阀一3、二15、三26，关闭手动调节阀十三43、十六49和流量控制阀八34、六32、五31、九41、十四62，将真空系统接口一37和真空系统接口86连接，同时打开流量控制阀七33和十八79，这样，在真空泵78的连续作用下，氦气主回路被抽真空。当氦气主回路不抽真空时，将真空系统从真空系统接口86处断开。

所述的氦气补偿回路的工作原理为：当氦气主回路系统中的氦气经实验损耗需要补偿时，关闭流量控制阀十七68、十六67、十五63、十三59和手动调节阀十九72，打开流量控制阀十四62，储气罐60中的高压氦气经流量指示仪表二61和流量控制阀十四62向主回路供氦气。当储气罐60中的氦气经使用也需要补偿时，关闭流量控制阀十七68、十六67、十五63、十四62和手动调节阀十八57，二十73，十九72，打开手动调节阀十七55和流量控制阀十三59，高压氦气从氦气瓶中流出，经手动调节阀十七55、压力泄放阀56、压力调节阀一58、流量控制阀十三59进入储气罐60。

氦气补偿回路中部分元件的作用如下：

压力泄放阀56：起安全阀的作用。

压力调节阀一58：调节氦气补偿回路中的压力，当需要使用时，打开手动调节阀十八57，当不需要使用时，关闭手动调节阀十八57。

压力调节阀二65：调节储气罐60中的压力，当需要使用时，打开流量控制阀十五63，当不需要使用时，关闭流量控制阀十五63。

安全阀三64：背压式的泄压阀门。

所述氦气补偿回路的辅助回路如下：

a)抽真空回路二：在储气罐储存氦气之前，关闭流量控制阀十四62、十五63、十七68和手动调节阀十九72、十七55、二十73，打开流量控制阀十三59和十六67，将流量控制阀十六67和真空系统接口86连接，在真空泵78的连续作用下，氦气补偿回路被抽真空；当氦气补偿回路不抽真空时，将真空系统从真空系统接口86处断开。

b)氦气净化回路：当储气罐中的氦气含有杂质需要净化时，关闭流量控制阀十四62、十三59、十六67、十五63和手动调节阀十九72，打开流量控制阀十七68和手动调节阀二十二81、二十三83，将净化系统接口70和净化系统接口85连接，净化系统接口84连接储气罐60，这样，在净化器82（活性炭等）连续作用下，氦气经净化后返回储气罐60。

c)当储气罐60中的压力过高，关闭流量控制阀十四62、十三59、十七68、十六67和手动调节阀十九72，打开流量控制阀十五63，通过压力调节阀二65调节储气罐中的压力。

在氦气主回路系统和氦气补偿回路系统的共同作用下，可初步提供温度25℃-550℃和压力的氦气5-10mpa，以满足未来聚变堆内部部件性能测试的需要。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。