一种受控磁约束聚变实验装置第一壁的制作方法

本发明涉及磁约束核聚变装置设备，具体涉及一种受控磁约束聚变实验装置第一壁。

背景技术：

1、当前受控磁约束聚变实验装置主要进行百千万乃至上亿度的高温等离子体运行研究，实验中会向附近的壁面辐射大量的热量，若不能有效的处理高热负载排除的问题，这将对装置重要部件如真空室、诊断部件、磁体线圈等部件造成严重的损害，从而影响装置正常运行，大大降低装置使用寿命。第一壁作为直接面向高温等离子体的部件，介于等离子体与真空室之间，承担及时排除大量热量的任务，从而对真空室及装置其他内部件起到保护作用，是大多数受控磁约束聚变装置不可缺少的关键部件。第一壁的设计必须满足能够承受高热负荷的同时具有一定的结构强度，能够在等离子体发生不稳定位移事件或大破裂时承载较大电磁力。另外第一壁的设计必须满足多种诊断设备、加热系统、加料、辉光等数十种辅助设备安装及运行所需空间的要求。常见的受控磁约束聚变实验装置如球马克、托卡马克、仿星器等。

2、目前，一些已运行或在建的磁约束聚变装置上的第一壁主要采用金属钨、cfc(碳纤维复合材料)、高纯石墨等材料，金属钨和cfc由于其焊接性能良好，具有较高的熔点以及不错的热传导性能，广泛地应用在磁约束聚变装置中，能承受较高热负荷(＜20mw/m2)。但在第一壁的大多数区域热负荷较低(＜0.35mw/m2)，如托卡马克装置的弱场侧第一壁，若全部采用钨或cfc作为第一壁材料，由于材料昂贵，下部支撑和水冷管道设计复杂、焊接难度大等原因，将使得装置的第一壁研发预算高、空间占用大、制造和安装周期较长。采用高纯石墨的第一壁设计方案主要是将较大的石墨块内部凿孔以避让内部件，石墨通过螺母与焊接在真空内壁上的螺柱进行连接。由于真空室内部件种类多样，第一壁的制造难度极大增加，材料浪费量巨大，研发周期较长，同时不利于隐藏在其中的诊断部件灵活调整及维护等。

3、为了更早实现聚变能资源的利用，有一些更先进磁约束聚变装置正在新建或升级，更多更灵活的诊断部件设计也正在研发中，且装置的研发周期也期望变的更短。故而在热负荷相对较低区域，采用一种结构简易、造价较低、方便制造安装和维护的第一壁是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种受控磁约束聚变实验装置第一壁，采用单/双腿模块组合，满足受控磁约束聚变实验装置不同位置不同诊断部件所需空间的灵活避让需求；同时，本发明通过空间占用小的支撑结构，留下充足的第一壁下空间，为其他内部件的安装、调节、维护提供了充足空间。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种受控磁约束聚变实验装置第一壁，包括若干单腿模块和双腿模块；

4、所述单腿模块和双腿模块均包括有第一壁主体以及用于支撑第一壁主体的支撑组件，若干所述单腿模块和双腿模块上的第一壁主体沿环向和极向依次拼接合围形成环向壁；所述环向壁上带有若干内外贯通的观察孔，所述双腿模块中的第一壁主体两侧均带有用于组成所述观察孔的异型槽；

5、所述第一壁主体的内侧为背板层，所述背板层包括若干沿环向和极向拼接的背板；

6、所述单腿模块的支撑组件包括第一过渡支撑，所述第一过渡支撑包括底面，所述底面一侧向外延伸扩散有若干爪面，所述底面一侧通过若干爪面和每一块所述背板连接，所述底面另一侧和第一支撑墩连接；

7、所述双腿模块的支撑组件包括第二过渡支撑，所述第二过渡支撑包括平面板，所述平面板一侧紧靠于所述背板层，并和每一块所述背板连接，所述平面板另一侧通过两个支脚分别和一个第二支撑墩连接。

8、相对于现有技术中，由于真空室内部件种类多样，第一壁的制造难度极大增加，材料浪费量巨大，研发周期较长，同时不利于隐藏在其中的诊断部件灵活调整及维护等问题，本发明提供了一种结构简易、造价较低、易于制造安装和维护，同时为其他内部件提供灵活调节空间的第一壁，采用本方案，通过采用单/双腿模块组合，满足受控磁约束聚变实验装置不同位置不同诊断部件所需空间的灵活避让需求；同时，本发明通过空间占用小的支撑结构，留下充足的第一壁下空间，为其他内部件的安装、调节、维护提供了充足空间。具体方案中，第一壁有若干单腿模块和双腿模块中的第一壁主体沿沿环向和极向依次拼接而成，其中极向是指第一壁竖向长度方向；故通过上述若干结构依次拼接，各部件均采用简单的机械连接方式，能通过机床批量加工和极少的焊接处理，大大缩短第一壁制造和安装的周期，使得本发明造价低且易于维护。其次，由于需要为诊断设备等内部件提供直接观察等离子体所需要的空间，故在环向壁上带有若干内外贯通的观察孔，通过在真空室设置若干监测仪器，即可通过观察孔观察等离子体；其中观察孔设置于双腿模块处，即在第一壁主体两侧设置异型槽，也可在单腿模块的第一壁主体底部局部设置和异型槽相连的轮廓，通过相互拼接使异型槽轮廓相连从而构成观察孔。另外，在单腿模块和双腿模块均带有用于支撑的支撑组件，为提供足够的安装空间，支撑组件的占用空间需足够小，故在第一过渡支撑中，底面一侧向外扩散延伸若干爪面，以连接若干背板，类似于伞状，在能连接到每个背板的同时，通过爪面向底面收缩为一点，以连接在第一支撑墩上进行支撑；由于双腿模块两侧尺寸缩小，故需要通过两个第二支撑墩进行稳定支撑，即平面板在能连接到每个背板的同时，通过两个支腿分别连接在两个第二支撑墩上，此时两个支腿之间也能留出足够的空间，故通过上述伞状的第一过渡支撑和c型的第二过渡支撑，通过空间占用小的支撑结构，留下充足的第一壁下空间，为其他内部件的安装、调节、维护提供了充足空间。

9、为承受来自装置芯部的高热负载轰击，并将第一壁沉积热量排除，所述背板层远离所述支撑组件的一侧带有石墨瓦层，所述背板层和石墨瓦层之间夹持有石墨纸层；所述石墨瓦层包括有若干沿环向和极向依次拼接的石墨瓦；所述石墨纸层包括若干石墨纸，每片石墨瓦均对应设置一张石墨纸。本方案中，在受控磁约束聚变装置运行时，面对等离子体的第一壁表面将承受来自装置芯部的高热负载轰击，使热量大部分沉积到石墨瓦，石墨瓦再将热量传递给石墨纸、背板、过渡支撑、支撑墩、真空室，最后由真空室将热量排除，从而将第一壁沉积热量排除。同时，第一壁面对等离子体表面的石墨瓦将限制等离子体位形，防止大量等离子体轰击其他内部件和真空室内壁从而造成这些部件的损坏。

10、作为一种相互拼接时的可拆卸连接方式，还包括压棒螺母和压棒螺钉，所述石墨瓦侧边开有环向通孔，依次对应的所述石墨瓦、石墨纸和背板上均带有依次连通的垂向通孔，所述压棒螺母插入所述环向通孔内以连接并列布置的至少两个石墨瓦；所述压棒螺钉依次穿过垂向通孔将所述石墨瓦、石墨纸和背板依次连接。

11、为提供足够的空间使得长螺钉能避开石墨，所述爪面和平面板均通过长螺钉和所述背板连接，位于所述长螺钉位置处的所述石墨瓦开有避让所述长螺钉的避让槽。

12、为减少结构整体承受的电磁载荷而增加结构稳定性，相邻两个所述背板之间的交界处均设有狭缝。

13、为阻挡高热离子并留出支撑固定位置，所述单腿模块的背板层顶部边沿带有挡板；所述双腿模块的背板层顶部向下延伸有延伸段。本方案中，背板近窗口端具有方形边沿挡板，以防止来自芯部的高热粒子通过此处缝隙打击到真空室内壁；背板在远离单腿模块的一端具有延伸段，延伸段具有多个螺纹孔，延伸段为功能预留区，能为其他真空室内部件提供支撑或固定的位置，延伸段宽度和厚度可根据实际需要灵活调节。

14、作为一种第一过渡支撑和第一支撑墩的具体结构形式，所述第一过渡支撑还包括若干斜面，所述底面通过斜面和所述爪面连接，所述斜面向外倾斜的一端和所述爪面连接，所述斜面向内倾斜的一端和所述底面连接；所述第一支撑墩包括第一矩形表面和垂直位于所述第一矩形表面两侧的第一侧面，所述第一矩形表面和所述底面相平行，并和所述底面螺栓连接；所述第一矩形表面法线正对等离子体芯部。

15、为灵活调节过渡支撑到真空室内壁的距离，所述爪面和所述背板之间、所述平面板和所述背板之间均设有厚度可调的调节块；所述第一支撑墩和所述底面之间、所述第二支撑墩和所述平面板之间均设置有厚度可调的调节垫板。其中调节块和调节垫板的调节可通过采用预备若干不同厚度的调节块或调节垫板，通过灵活选用实现。

16、作为第二过渡支撑和第二支撑墩的具体结构形式，所述第二过渡支撑还包括位于所述平面板两侧的第二侧面，所述平面板通过第二侧面和所述支脚连接；所述第二侧面从靠近所述平面板一端到靠近所述支脚的另一端方向尺寸逐渐减小；所述第二支撑墩包括第二矩形表面和两个垂直于所述第二矩形表面的第三侧面，两个所述第三侧面位于所述第二矩形表面两侧之间；所述第二矩形表面通过螺栓和所述支脚连接。

17、防止在装置运行期间模块承受较大的电磁载荷而造成模块结构损伤，同时能减少过渡支撑下方其他诊断部件的电磁干扰，其中一个所述支脚和所述第二矩形表面之间设有绝缘板，所述支脚通过所述绝缘板和所述第二矩形表面绝缘连接，且所述支脚上的通孔内带有绝缘套筒，所述第二矩形表面通过螺栓和绝缘套筒连接。上述方案中，若两个支脚处均不绝缘，则在自身会形成电磁回路，形成较大的电磁干扰，故在其中一个支脚处绝缘连接，能减少过渡支撑下方其他诊断部件的电磁干扰并降低电磁载荷。

18、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

19、1.本发明提供的一种受控磁约束聚变实验装置第一壁，整个第一壁连接到真空室内的支撑仅为空间占用较小的支撑墩，过渡支撑所占用的空间相对于第一壁与真空室间总空间(第一壁后空间)而言也比较少，故而提供了充足的空间资源给第一壁后区域的各种内部件(如诊断、送气、加料、加热等)的设计、安装、维护提供了充足的空间资源。

20、2.本发明采用单/双腿模块组合，满足受控磁约束聚变实验装置不同位置不同内部件(如诊断、加热、送气等)所需空间的灵活避让需求。单腿模块和双腿模块的组合设计可根据受控磁约束装置的运行要求适当调整其数量占比，甚至可仅采用单腿模块或双腿模块中的一种模块作为第一壁基本重复单元。