一种产氚包层的制作方法

1.本发明属于核材料技术领域，具体涉及一种产氚包层。


背景技术：

2.聚变能源是未来人类社会的主要能源，包层是聚变堆核能转化为热能的核心部件。包层位于聚变堆真空室内部，是面向等离子体的部件。包层需要承受来自等离子体的高热负荷，以及将聚变能源高效的转化为热能，以及产生足够聚变堆自持燃烧的燃料氚等重要功能。然而，由于真空室内部热负荷高，聚变中子能量高，真空室内部包层空间极其有限和珍贵。如何有效的利用有限的包层空间，达到承受等离子体的高热负荷、将核聚变能源转换为高品质热能，产生聚变自持燃烧所需的氚，以及为中子屏蔽等目的，一直是包层设计和优化的重要内容。
3.氦冷包层由于氦气与材料的相容性好，氦气可以产生高品质热能(进出口温度高)，没有磁流体效应等优点被认为是未来聚变堆的重要候选概念。当前，主流的氦冷包层结构设计是将真空室内包层空间分割成数百个小型包层模块。对于每个包层模块，径向方向上(等离子体到真空室方向)，分别为第一壁，增殖区，背板，屏蔽板组成。氦气冷却剂由包层背部(靠近真空室侧)进行分流而后冷却第一壁，之后再流入背部进行汇集，然后再分别流入子模块冷却增殖区，最后流入背部的集流腔室，最后流出堆外。而对于氚的提取，是由背部进行分流载走增殖区内的氚，之后再背部汇集，而后流出堆外。
4.这种包层结构有以下技术缺点：(1)非常复杂。这种包层结构由第一壁、冷却板、集流板、分流板、格架，盖板等一系列子部件组成；(2)加工制造难度大。包层模块单个部件的加工以及整个包层模块的集成，从加工制造到无损探伤等难度均非常大；(3)包层氚增殖率低。背部的分离腔室和汇流腔室占据了大量宝贵的包层空间，不利于包层的产氚性能等；(4)提氚气体存在死角，导致死角区域产生的氚无法有效提取；(5)无法单独替换第一壁和产氚材料。第一壁和增殖区设计为一个整体，而实际上第一壁由于靠近等离子体其寿期远低于增殖区，第一壁的破坏将导致整个包层模块进行更换；中子倍增球床的消耗远低于氚增殖球床的消耗。无论对于产氚材料(正硅酸锂)还是易损的第一壁，常规的包层设计无法做到对于易损部件进行更换和对消耗材料进行替换，只能替换整个包层，造成材料的大量浪费和增加具有放射性的包层材料后处理成本；(6)包层模块替换难度大。聚变堆包层模块数量达到100-200个，众多的包层模块不利于聚变堆的快速维护，降低了聚变堆的有效运行时间，降低了聚变堆的经济性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种产氚包层，该产氚包层结构简易、产氚率高、维护简便，能够有效提高包层的氚增殖率，降低消耗材料经济成本。
6.实现本发明目的的技术方案：
7.一种产氚包层，所述产氚包层包括第一壁、套管、中子倍增剂容器和屏蔽板，屏蔽
板支撑于真空室一侧，中子倍增剂容器支撑于屏蔽板远离真空室的一侧，第一壁套设于中子倍增剂容器的外部，第一壁的自由端通过焊接固定连接于屏蔽板上，套管位于中子倍增剂容器内部，并且多个套管间隔分布于中子倍增剂容器内部。
8.所述第一壁包括第一壁分流板、第一壁前壁、增殖区分流板。第一壁分流板位于中子倍增剂容器的上方，增殖区分流板位于中子倍增剂容器的下方，第一壁前壁位于中子倍增剂容器远离屏蔽板的一侧，第一壁前壁的两端分别与第一壁分流板和增殖区分流板通过焊接贯通连接。
9.所述第一壁前壁由空心方管组成，空心方管与第一壁分流板和增殖区分流板贯通连接。
10.所述套管由内层管道和外层管道组成，内层管道与外层管道之间为氦气工质流道，内层管道内为氚增殖材料，外层管道外侧为中子倍增剂材料。
11.所述中子倍增剂容器的上方和下方设置有上分流板与下分流板，上分流板的一侧、下分流板的一侧分别焊接固定于屏蔽板的一侧；第一壁分流板位于上分流板与中子倍增剂容器之间，增殖区分流板位于下分流板与中子倍增剂容器之间。
12.所述中子倍增剂容器的上方还设置有增殖区汇流板，增殖区汇流板位于第一壁分流板与中子倍增剂容器之间，增殖区汇流板的一侧焊接固定于屏蔽板的一侧。
13.所述外层管道穿过中子倍增剂容器，与增殖区分流板、增殖区汇流板相连；所述内层管道与上分流板和下分流板相连。
14.所述上分流板包括左侧上分流板和右侧上分流板，右侧上分流板内设有上分流汇集板，右侧上分流板对应的内层管道与上分流汇集板和下分流板相连。
15.所述内层管道与外层管道之间构成的套管流道设置有节流结构，节流结构可根据流量分配需求设置为不同孔径的节流孔，用于调整套管间的流量分配。
16.所述中子倍增剂容器为方形或者香蕉型薄壁容器，用于容纳中子倍增剂。
17.所述屏蔽板由钢和水组成，用于中子、伽马射线等的屏蔽。
18.本发明的有益技术效果在于：
19.1、本发明提供的一种产氚包层结构简单，加工制造容易。包层主要结构是第一壁方形管道，套管，以及相应的汇流/分流板组成。结构为工业技术成熟结构，没有相关加工制造难度。
20.2、本发明提供的一种产氚包层的第一壁与中子倍增剂容器分离，当第一壁损坏时，可以仅仅更换第一壁，而包层其他模块可以继续使用，避免了材料的浪费和放射性材料的后处理成本。
21.3、本发明提供的一种产氚包层无氚提取死角。产氚材料放置于套管内层管道内侧，本发明结构不会造成提氚死角。
22.4、本发明提供的一种产氚包层可以快速安装、维护。包层模块尺寸大，便于快速安装和维护，提高聚变堆的经济性。可以将聚变堆一个扇区(22.5
°
)的包层数量降低为2个，一个内包层和一个外包层，大大提高了包层的更换速率，降低了包层进出口管道接口的复杂性。
23.5、本发明提供的一种产氚包层的产氚材料可更换。产氚材料放置于套管内管道内侧，与流道完全隔离。当产氚材料需要更换时，可以直接更替产氚材料。
24.6、本发明提供的一种产氚包层的氚增殖率高。包层分流版/汇流板结构简单，主要的分流装置位于套管内部(节流装置)，为包层节省了大量的流道空间、分流/汇流空间，降低了包层结构材料比重，提高了包层的氚增殖率。
附图说明
25.图1为本发明所提供的一种产氚包层的结构示意图；
26.图2为本发明所提供的一种产氚包层的截面立体图；
27.图3为本发明所提供的一种产氚包层的截面俯视图；
28.图4为图3中区域a的放大图；
29.图5为本发明所提供的一种产氚包层的侧视剖面图；
30.图6为本发明所提供的一种产氚包层的冷却及提氚流程示意图；
31.图7为本发明所提供的一种产氚包层的提氚过程示意图；
32.图8为本发明所提供的一种产氚包层的第一壁更换过程示意图；
33.图9为本发明所提供的一种产氚包层的产氚材料更换过程示意图。
34.图中：1-第一壁；2-套管；3-中子倍增剂容器；4-屏蔽板；5-上分流板；6-下分流板；7-增殖区汇流板；11-第一壁分流板；12-第一壁前壁；13-增殖区分流板；21-内层管道；22-外层管道。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
36.如图1-4所示，本发明提供一种产氚包层，该产氚包层包括第一壁1、套管2、中子倍增剂容器3和屏蔽板4，屏蔽板4支撑于真空室一侧，中子倍增剂容器3支撑于屏蔽板4远离真空室的一侧，第一壁1套设于中子倍增剂容器3的外部，第一壁1的自由端通过焊接固定连接于屏蔽板4上，套管2位于中子倍增剂容器3内部，并且多个套管2间隔分布于中子倍增剂容器3内部。
37.第一壁1包括第一壁分流板11、第一壁前壁12、增殖区分流板13。第一壁分流板11位于中子倍增剂容器3的上方，增殖区分流板13位于中子倍增剂容器3的下方，第一壁前壁12位于中子倍增剂容器3远离屏蔽板4的一侧，第一壁前壁12的两端分别与第一壁分流板11和增殖区分流板13通过焊接贯通连接。第一壁前壁12由空心方管组成，空心方管与第一壁分流板11和增殖区分流板13贯通连接。
38.套管2由内层管道21和外层管道22组成，内层管道21与外层管道22之间为氦气工质流道，内层管道21内为氚增殖材料(例如正硅酸锂)，外层管道22外侧为中子倍增剂材料(例如铍)。
39.中子倍增剂容器3的上方和下方设置有上分流板5与下分流板6，上分流板5的一侧、下分流板6的一侧分别焊接固定于屏蔽板4的一侧。第一壁分流板11位于上分流板5与中子倍增剂容器3之间，增殖区分流板13位于下分流板6与中子倍增剂容器3之间。
40.中子倍增剂容器3的上方还设置有增殖区汇流板7，增殖区汇流板7位于第一壁分流板11与中子倍增剂容器3之间，增殖区汇流板7的一侧焊接固定于屏蔽板4的一侧。
41.外层管道22穿过中子倍增剂容器3，与增殖区分流板13、增殖区汇流板7相连。内层
管道21与上分流板5和下分流板6相连。
42.上分流板5包括左侧上分流板和右侧上分流板，右侧上分流板内设有上分流汇集板，右侧上分流板对应的内层管道21与上分流汇集板和下分流板6相连。
43.内层管道21与外层管道22之间构成的套管流道设置有节流结构，节流结构可根据流量分配需求设置为不同孔径的节流孔，用于调整套管间的流量分配。
44.中子倍增剂容器3为方形或者香蕉型薄壁容器，用于容纳中子倍增剂。
45.屏蔽板4由钢和水组成，用于中子、伽马射线等的屏蔽。
46.如图5所示，氦气工质冷却过程具体如下：
47.工质首先以300℃流入第一壁分流板11，通过第一壁分流板11分流，流入第一壁前壁12，带走来自等离子体的表面热负荷，而后以380℃的温度流入增殖区分流板13。
48.然后，流入套管流道，通过套管流道内的节流结构实现套管间流量的分配。之后氦气工质带走中子倍增剂和产氚材料的核热沉积，而后以500℃的温度流入增殖区汇流板7，最后流出堆外。
49.如图7所示，提氚过程具体如下：
50.提氚气体首先流入上分流板5的左侧上分流板，之后流入左侧上分流板所对应的套管内层管道21内侧(产氚材料区)，而后流入下分流板6右侧；
51.然后流入右侧所对应的套管内层管道21内侧(产氚材料区)，之后在上分流板5的右侧上分流板汇集，最后流出堆外。
52.如图8所示，第一壁更换过程如下：
53.将将要失效的第一壁前壁12沿着与第一壁分流板11和增殖区分流板13连接的端部位置切开，分别在第一壁分流板11和增殖区分流板13的端部焊接新的第一壁前壁12。
54.如图9所示，产氚材料(例如正硅酸锂球床)的更换过程具体如下：
55.当正硅酸锂随着燃耗的加深，丰度不足时，将上分流板5或下分流板6沿着与内层管道21连接的位置切割。将套管内层管道21的正硅酸锂倒出并填充新的正硅酸锂球床。最后沿着切割位置重新焊接。
56.上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。