组合的中子护罩和螺线管的制作方法

本发明涉及托卡马克核聚变反应堆的领域。特别地，本发明涉及在托卡马克装置(尤其是球形托卡马克装置)的中心柱中使用的组合的中子护罩和螺线管。

背景技术：

托卡马克装置具有强大的环形磁场、高等离子体电流以及通常较大的等离子体体积和显著的辅助加热功能，可提供稳定的高温等离子体。这允许托卡马克装置产生条件，从而可以发生核聚变。需要辅助加热(例如，通过数十兆瓦的高能h、d或t的中性束注入)将温度升高到发生核聚变所需的足够高的值，和/或保持等离子体电流。

问题是，由于通常需要大尺寸、大磁场和高等离子电流，因此建造成本和运行成本很高，并且工程设计必须坚固耐用以应对磁体系统和等离子体中存在的大量存储的能量，大量存储的能量具有“破坏”的风险-在极不稳定的情况下，兆安培数量级的电流会在千分之几秒内减小到零。

可以通过将常规托卡马克装置的甜甜圈状圆环收缩至其极限，并使其具有空心苹果的外观，即“球形”托卡马克(st)，以改善这种情况。该概念在库勒姆(culham)的start托卡马克装置(starttokamak)中首次实现，证明了效率的极大提高-容纳高温等离子体所需的磁场可以减少10倍。此外，等离子体的稳定性得到改善，并且建造成本降低。

为了获得经济发电所需的核聚变反应(即输出功率远多于输入功率)，传统的托卡马克装置必须足够大，以使能量约束时间(与等离子体体积大致成正比)足够大，以便等离子体可能很热，足以发生核聚变。

wo2013/030554描述了一种替代方法，包括使用紧凑的球形托卡马克装置作为中子源或能量源。球形托卡马克装置中低纵横比的等离子体形状改善了颗粒约束时间，并允许在更小的机械中产生净功率。但是，必须使用小直径的中心柱，这对等离子体约束容器和相关磁体的设计提出了挑战。

在启动托卡马克装置的初始阶部段，必须将填充约束容器的中性气体电离以产生等离子体。该过程称为“击穿”、“形成”或“初始化”，是通过使时变电流流过托卡马克装置的环形缠绕极向场(pf)线圈来实现的。这种时变电流会在容器内部产生一个“回路电压”，当该电压足够大时，该电压会导致气体击穿并形成等离子体。产生的回路电压是环形励磁线圈的位置和电流的时间变化的函数。除了在容器内部产生回路电压外，还将在任何其他环形缠绕的导电回路(例如，等离子体或封闭容器壁)中感应出电流。

最常见的等离子体形成技术使用缠绕在托卡马克装置的中心柱中的螺线管来承载时变电流并产生回路电压。该方法是众所周知的，可靠的，并且在大多数托卡马克装置中使用。但是，球形托卡马克装置的紧凑几何形状使该方法的实现成为问题-圆环的中心的空间有限，并且该空间用于环形磁场线圈、冷却和中子屏蔽装置都需要。由于球形托卡马克装置的尺寸和效率与中心区域的尺寸有关，因此螺线管所占据的空间直接影响该效率。当前的球形托卡马克装置，如mast和nstx，使用螺线管-但由于需要额外的屏蔽装置，下一代核聚变反应堆中预期的增加的中子负荷将使用于这些托卡马克装置的设计不切实际。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了用于托卡马克装置核聚变反应堆的中心柱的中子屏蔽装置。中子屏蔽装置包括导电的中子吸收材料。中子屏蔽装置被布置成使得导电的中子吸收材料形成螺线管，以用于在托卡马克装置内引发等离子体。

进一步的实施例在权利要求2等中描述。

附图说明

图1和图2示出了根据示例性构造的屏蔽部段。

图3示出了可以如何布置根据示例性构造的图1和图2的部段以形成电磁线圈。

图4示出了可以如何布置根据示例性构造的图1和2的部段以形成完整的屏蔽层。

图5示出了根据示例性构造的彼此重叠的两个这样的屏蔽层。

具体实施方式

使用用于中子屏蔽装置的导电材料能够在单个单元中构造中子屏蔽装置和螺线管。换句话说，中子屏蔽装置可以以螺线管的形式构造，并且提供电源，使得可以通过该螺线管驱动等离子体引发电流。合适的材料必须既具有导电性(例如在300k时导电率大于1ms/m)又具有中子吸收性。中子屏蔽装置可以被构造为使得沿着中心柱存在螺旋电流路径，从而形成螺线管。如果存在多个屏蔽层，则交替的层可能具有不同旋转方向的螺旋线，以使这些层可以在顶部和底部交替连接以形成单个螺线管，类似于传统的绕线螺线管中的层。

尽管以下描述适用于屏蔽任何托卡马克装置的中心柱，但由于球形托卡马克装置的设计对中心柱的宽度施加了限制，因此这对于球形托卡马克装置特别有利。

可以在屏蔽装置内提供电绝缘材料以限定电流路径。该绝缘材料本身可以是中子屏蔽装置，或者可以具有有限的中子屏蔽作用或没有中子屏蔽作用。在后一种情况下，应使用多层中子屏蔽层，多层中子屏蔽层布置成不存在从等离子室通过绝缘材料到达中心柱的“视线”(即，没有从等离子室到中心柱的中子可沿其移动的直线路径)。可替代地，中子屏蔽装置可以被构造为使得即使仅使用单层也没有视线。否则，中心柱的具有到等离子室的视线的区域将经受更高并可能具有损坏性的辐射剂量。

中子屏蔽装置可以由几个部段的导电的中子吸收材料构成，几个部段的导电的中子吸收材料连接在一起以形成螺旋电流路径。例如，这可以通过连接几个部段(每个部段是一个部段的螺旋)或通过堆叠几个水平的环形圆弧部段来实现，每个水平的环形圆弧部段都竖直地连接到下一个水平的环形圆弧部段以形成近似螺旋形的路径(如图3的示例中详细示出的，如下所述)。

这些部段可以通过互锁的协作特征部来连接，以提供电连接和结构刚性。可替代地，可以存在提供结构连接和电连接中的每一个连接的分离特征(例如，不导电的一组互锁协作特征部，该不导电的一组互锁协作特征部将各部段保持在适当位置处，使得导电面之间存在接触)。提供结构连接的特征部的剪切强度可以大于导电的中子吸收材料的剪切强度。

所述部段可以具有绝缘层以防止部段之间的不期望的电接触，或者可以在中子屏蔽装置的构造期间单独地提供绝缘层。所述部段可以包括电阻率比被放置成促进电连接的导电的中子吸收材料的电阻率低的材料。

现在将描述示例性构造。然而，特别是鉴于将硬质合金或烧结碳化物铸造成各种形状的能力，对于本领域技术人员将显而易见的是，许多其他构造是可能的。

图1和图2示出了根据示例性构造的屏蔽部段1。屏蔽部段具有形成环形圆弧的顶部2和底部3，并且屏蔽部段具有在顶面和底面之间大致竖直延伸的侧面。在除了该部段连接到螺旋中的下一个部段的位置之外，绝缘层4设置在该部段的顶面上，并且设置在该部段的一个端部表面上。使用位于顶面的一个端部处和位于底面的相反端部处的互补互锁特征部(例如凸起5和相应的凹部6)，可以与下一个部段进行连接。凸起5由具有以下特征的材料制成：该材料具有比导电的中子吸收材料更高的剪切强度，从而为各个部段提供额外的刚度。可替代地，可以在顶面和底面上的每个部段中设置凹部，并且将销或类似的连接件插入两个凹部中以连接各个部段。

通过使用顶面的导电区域7来实现电连接，该导电区域在与绝缘材料相同的水平高度上延伸(否则，在导电的中子吸收材料和一定厚度的绝缘层之间会出现间隙)。这可以是导电的中子吸收材料的延伸部，或者可以是不同的导电材料的片区，例如具有比中子屏蔽装置的其余部分的导电率更高的导电率的导电材料，例如铜。

图3示出了如何将这些部段布置成形成螺线管线圈，其中每个部段的突起或销5被锁定到下一个部段的孔中，并被布置成形成近似螺旋形状。如图4所示，在弧角略小于180°的情况下，通过设置两个“系列”的部段1a和1b，可提供完整的屏蔽层，每个部段均限定一个单独的螺旋线。图4还展示了部段如何围绕中心柱的低温恒温器8布置。

为了防止视线穿过绝缘层，可将屏蔽部段的第二层12覆盖在第一层11上，如图5所示。第二层的部段的内半径对应于(或略大于)第一层的部段的外半径，并且与第一层的互补互锁特征部相类似，第二层的部段的互补互锁特征部设置在上表面/下表面的相反的两端上。这允许第二层包裹在第一层周围，并确保第二层以相反的旋转方向缠绕。这样，第一层和第二层可以在顶部或底部连接以形成单个螺线管。可替代地，第二层能够以相同的方式缠绕并且并联连接。第二层在轴向和旋转方向上与第一层偏移，以避免穿过绝缘层的任何视线。

导电的中子吸收材料有几种可能性。先前的工作表明烧结碳化物、硼化物或硼碳化物的适用性，例如碳化钨作为中子屏蔽材料(请参阅wo2016/009176a1)。这些材料是导电的(由于金属粘合剂，而碳化物/硼化物的聚集体通常是导电的)。烧结碳化物是一种金属基质复合材料，在该金属基质复合材料中，碳化物的颗粒充当聚集体，金属粘合剂充当基质。烧结碳化物是通过烧结工艺形成的，在该工艺中，材料被加热到粘合剂为液态的温度，但碳化物的颗粒保持固态。碳化物颗的粒因此被嵌入液态的粘合剂中，液态的粘合剂然后被固化。这导致了质量优于单独使用的碳化物或粘合剂的一种材料。可延展的粘合剂抵消了碳化物陶瓷的自然脆性，并且碳化物的颗粒使所产生的复合材料比单独的粘合剂坚硬得多。由于使用了金属粘结剂，烧结碳化物通常具有较高的导热性，从而降低了由于加热不均匀而使材料承受的热应力。烧结碳化物或硼化物的线性热膨胀系数通常在4至5×10^-6的范围内。烧结材料还耐溅射(高能粒子烧蚀材料的外表面)。例如，烧结的碳化钨通常具有纯钨的溅射速率的四分之一。

烧结硼化物是等效的，但使用硼化物的颗粒，而不是碳化物的颗粒，作为聚集体。也可以使用碳化硼的颗粒。

碳化物/硼化物和粘合剂的选择将取决于反应堆中的条件。承受高中子流量的需要阻止了许多元素和同位素的使用，例如钴和镍，这些元素和同位素由于中子暴露而具有放射性。因为使用铁磁材料时产生的力会在反应堆内引起很大的应力，所以使用铁磁材料时，需要针对高磁场考虑结构上的事项。选择碳化物时也有类似的考虑。而且，材料当然必须能够减小到达屏蔽装置后面的部件的中子流量。碳自然会充当减速剂，减慢裂变中子的速度，这使其他可能使用的元素具有更大的选择自由度(因为与快中子相比，更多的元素是慢中子的有效吸收剂)。硼-10是有效的中子吸收剂。

因为碳化钨对中子的吸收是有利的，并且已经对碳化钨的力学性能进行了充分的研究，碳化硼将碳的减速特性与硼的中子吸收特性结合在一起，所以碳化物的最有可能的候选材料是碳化钨、硼化钨和碳化硼。为了平衡材料的结构和中子学性质，可以使用多种碳化物。另外，除了碳化物之外，还可以将其他物质添加到烧结材料中，例如可以将硼化物添加到主要的碳化物复合物中，以便将硼引入到屏蔽装置中，反之亦然。在烧结的碳化钨中添加硼化钨可以提高抗腐蚀性。可以使用的硼碳化物包括硼碳化钨，特别是三元硼碳化钨。可以添加到材料中的其他物质包括氧化物和氮化物，例如，可以添加氮化钛以改善材料的结构特性。

碳化钨或碳硼化钨的其他替代物包括与元素周期表的第六周期(或更高周期)对应的元素的硼化物和/或碳化物。元素的熔点在整个第六周期中增加，在第六族(钨)达到峰值。因此，主要的候选元素是铪、钽、钨和铼。铂系金属在理论上可能适合于中子屏蔽装置，但由于锇化合物具有剧毒，并且由于铱和铂的成本过高，因此铂系金属被认为不太有用。铼也非常昂贵且非常稀有。因此，三种最可能的候选元素是铪、钽和钨。其中，钨(包括其化合物)是最便宜，使用最广泛的，并且易于通过粉末方法进行加工。

其他合适的屏蔽材料包括元素周期表的第六周期的纯金属，以及包含那些金属的合金或化合物，包括包含导电粘合剂的复合材料和包含此类金属的非导电化合物的聚集体。