阅读说明：本技术 一种可遥操作维护的托卡马克偏滤器靶板部件 (Tokamak divertor target plate component capable of being remotely operated and maintained ) 是由 许铁军 姚达毛 李磊 曹磊 韩乐 田焜 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可遥操作维护的托卡马克偏滤器靶板部件,包括：靶板、连接机构、承载部件、支撑部件、内部连接管路和主支撑保护结构；靶板和主支撑保护结构与承载部件通过连接机构连接,主支撑保护结构安装于承载部件上方靶板开槽区域；承载部件通过支撑部件固定于偏滤器支撑盒体或真空室；靶板、主支撑保护结构和承载部件内部流道与内部连接管路形成冷却系统；靶板部件在低热负荷区设计维护通道,实现靶板部件主支撑结构和水管正面遥操作维护；靶板部件以主支撑结构固定为主,辅助支撑结构配合主支撑结构固定和限位。(The invention relates to a target plate component of a tokamak divertor capable of being remotely operated and maintained, which comprises: the device comprises a target plate, a connecting mechanism, a bearing part, a supporting part, an internal connecting pipeline and a main support protection structure; the target plate and the main support protection structure are connected with the bearing part through a connecting mechanism, and the main support protection structure is arranged in a target plate slotting area above the bearing part; the bearing component is fixed on the divertor support box body or the vacuum chamber through the support component; the target plate, the main support protection structure, the internal flow channel of the bearing part and the internal connecting pipeline form a cooling system; a maintenance channel is designed for the target plate part in a low thermal load area, so that the remote operation maintenance of the main supporting structure of the target plate part and the front side of the water pipe is realized; the target plate part is mainly fixed by the main supporting structure, and the auxiliary supporting structure is fixed and limited by the main supporting structure.)

一种可遥操作维护的托卡马克偏滤器靶板部件

技术领域

本发明涉及核聚变领域，具体涉及一种正面(面对等离子体面)可遥操作维护的托卡马克偏滤器靶板部件。

背景技术

聚变能是人类理想的能源，是未来研究新能源的热点。但目前人们只能在氢弹***的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，其中托卡马克装置目前被认为是最有前途的受控核聚变装置。偏滤器用于控制杂质、排灰和排出能量，是托卡马克核聚变堆中最为核心的部件之一。聚变堆偏滤器目前采用模块化设计，单个模块主要由内靶板、Dome靶板、外靶板，与靶板配套的承载部件，单个支撑盒体和冷却系统等组成。由于聚变堆偏滤器本身处于强中子、高热负荷和复杂电磁环境，偏滤器靶板还直接面对等离子体的轰击，在聚变堆服役过程中，需要对损坏的偏滤器部件，特别是易损的靶板进行拆装等维护操作。由于聚变堆反应产物(中子)对材料的活化作用，即使在聚变堆停堆后，真空室内仍然存在着辐射，辐射剂量会远超过人体允许的数值，必须采用遥操作方式来维护。

目前遥操作维护方案都是通过对偏滤器盒体进行操作，采用将单个模块作为整体维护。典型代表如ITER(国际热核聚变实验堆)偏滤器的维护方案，对于单个模块在真空室内的维护周期需要约2个月。维护周期长的主要原因是偏滤器模块数量多，而维护窗口有限。最困难维护的是最远端偏滤器模块，维护时需要先将就近靠近维护窗口的所有偏滤器模块从背面下窗口维护后，最远端偏滤器模块才能环向移动到指定位置后维护。考虑到偏滤器模块整体维护周期长，加上偏滤器损坏主要是靶板损坏，其余部件损坏可能性较小，迫切需要一种能够实现靶板正面单独遥操作维护，在维护时不会影响到模块内部正常部件和周围偏滤器模块的维护结构。此外，整体维护对遥操作工具提出了极高的要求，经测算，目前CFETR(中国聚变工程实验堆)偏滤器单个模块的重量约10吨，其中支撑盒体占总重量的约75％。

专利公开号CN 109780010 A公布了一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其只考虑了偏滤器支撑盒体的维护，结构设计也不能实现正面维护偏滤器模块的功能。

实现靶板正面可直接遥操作维护一直是偏滤器设计的难点，困难主要在于须如何避免等离子体对维护区域的损伤和如何实现对冷却水管的维护。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可遥操作维护的托卡马克偏滤器靶板部件，可直接正面对易损靶板进行维护，缩短维护时间和减轻遥操作维护工具负载或简化维护方案。

本发明技术解决方案：一种可遥操作维护的托卡马克偏滤器靶板部件，其主要特点在于：靶板部件在低热负荷区设计维护通道，实现靶板部件主支撑结构和水管正面遥操作维护；靶板部件以主支撑结构固定为主，辅助支撑结构配合主支撑结构固定和限位。

所述托卡马克偏滤器靶板部件遥操作部件包括靶板、连接机构、承载部件、支撑部件、内部连接管路、主支撑保护结构；所述靶板和主支撑保护结构与承载部件通过连接机构连接；所述主支撑保护结构安装于承载部件上方靶板开槽区域，用于保护维护通道；所述承载部件通过支撑部件固定于偏滤器支撑盒体或真空室；所述靶板、主支撑保护结构和承载部件内部流道与内部连接管路形成冷却系统。

进一步地，所述靶板为多块超高热负载(即稳态热负荷范围为10-20MW/m²)平板型单元，每块单元包括面对等离子体的钨合金平板、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层、作为热沉结构的ODS铜和低活化钢***焊接复合平板；所述钨合金平板和无氧铜过渡层之间通过铸造、热等静压、热扩散焊、化学气相沉积、***焊等工艺连接；所述无氧铜过渡层和***焊接复合平板之间通过钎焊、热等静压、热扩散焊、***焊等工艺连接；所述单元在靶板开槽两侧相邻区域设置朝开槽区域倾斜一定角度，防止等离子体打到靶板侧面。

进一步地，所述连接机构包括固定座、销、支撑座；所述固定座焊接于靶板；所述支撑座焊接于承载部件；所述固定座和支撑座之间通过销连接。

进一步地，所述承载部件不仅是将靶板电磁力传递到支撑部件上，而且也是结构单独拆卸和流体流通的重要纽带，包括基板、流体进管切割和焊接通道组件、流体出管切割和焊接通道组件、主固定结构拆装通道固定桶、流体进管、流体出管；所述流体进管切割和焊接通道组件，流体出管切割和焊接通道组件和主固定结构拆装通道固定桶分别焊接于基板流体进管切割和焊接通道、流体出管切割和焊接通道和主固定结构拆装通道；所述流体进管切割和焊接通道组件与流体进管连接；所述流体出管切割和焊接通道组件与流体出管连接。

进一步地，所述基板内部具有流道，低热负荷(即稳态热负荷小于1MW/m²)区设计主固定结构拆装通道、流体进管切割和焊接通道、流体出管切割和焊接通道。

进一步地，所述流体进管切割和焊接通道组件可以实现正面单独遥操作维护流体进管，包括进管冷却封盖、进管冷却水管、进管连接水管；所述进管冷却封盖是进管冷却水管的末端封盖，在封盖上设有遥操作接口；所述进管冷却水管为直管段，是切割和焊接的主体，在水管上设有遥操作接口；所述进管连接水管为U型段，连接进管冷却水管和流体进管。

进一步地，所述流体出管切割和焊接通道组件可以实现正面单独遥操作维护流体出管，包括出管冷却封盖、出管冷却水管、出管连接水管；所述出管冷却封盖是出管冷却水管的末端封盖，在封盖上设有遥操作接口；所述出管冷却水管为直管段，是切割和焊接的主体，在水管上设有遥操作接口；所述出管连接水管为U型段，连接出管冷却水管和流体出管。

进一步地，所述支撑部件包括主支撑结构和辅助支撑结构；所述主支撑结构和辅助支撑结构分别螺纹连接和焊接于基板。

进一步地，所述主支撑结构可以实现正面单独遥操作维护主支撑，包括安装桶、主支撑螺钉、弹性垫圈组；所述安装桶通过螺纹连接固定于主固定结构拆装通道固定桶；所述主支撑螺钉配合弹性垫圈组连接固定于偏滤器支撑盒体或真空室。

进一步地，所述辅助支撑结构为耳朵型挂钩结构，通过内部卡槽固定和限位于偏滤器支撑盒体或真空室。

进一步地，所述主支撑保护结构可以防止低通量中性粒子对通道损伤，包括保护结构瓦块、保护结构过渡层、保护结构热沉、螺钉固定组件；所述保护结构瓦块通过螺钉固定组件固定于保护结构热沉；所述保护结构过渡层位于保护结构瓦块和保护结构热沉两者之间。

进一步地，所述主支撑保护瓦块正面具有0.5-1mm厚度的钨涂层。

进一步地，所述保护结构热沉内部具有流道，在主体上设计主固定结构拆装通道、流体进管切割和焊接通道、流体出管切割和焊接通道。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：提出了一种托卡马克偏滤器靶板部件，首次实现靶板正面遥操作维护。该部件通过维护通道设计，将部件的主固定，流体进、出分别集成于单独组件结构，并实现了各组件结构可正面易于被遥操作工具接近和操作；然后通过对维护通道的保护结构设计，又能防止维护通道被中性粒子直接打到。

采用该方案后，1)可直接对易损的靶板部件正面维护，不会影响到模块内部正常部件和周围偏滤器模块，不仅能缩短偏滤器维护时间，预计从2个月缩短到2周左右；2)减少备件数量，特别是支撑盒体；3)减轻遥操作维护工具负载或简化维护方案。

附图说明

图1为靶板部件正面单独遥操作维护结构示意图；

图2为真空室截面图；

图3为靶板结构示意图；a为靶板部件俯视图；b为靶板部件左视及局部放大图；

图4为连接机构示意图；a为连接结构三维图；b为连接结构截面图；

图5为承载部件示意图；a为承载机构仰视图；b为承载机构截面图；

图6为主支撑结构示意图；a为主支撑结构三维图；b为主支撑结构截面图；

图7为辅助支撑结构示意图；a为左辅助支撑结构三维图；b为右辅助支撑结构三维图；

图8为主支撑保护结构示意图；a为主支撑保护结构俯视图；b为主支撑保护结构截面图；

图9为另一种靶板正面单独遥操作维护结构示意图。

图中：靶板1、连接机构2、承载部件3、支撑部件4、内部连接管路5、主支撑保护结构6、支撑盒体7、真空室8、冷却系统9、钨合金平板10、无氧铜过渡层11、ODS铜和低活化钢***焊接复合平板12、固定座13、销14、支撑座15、基板16、流体进管切割和焊接通道组件17、流体出管切割和焊接通道组件18、主固定结构拆装通道固定桶19、流体进管20、流体出管21、进管冷却封盖22、进管冷却水管23、进管连接水管24、出管冷却封盖25、出管冷却水管26、出管连接水管27、主支撑结构28和辅助支撑结构29、安装桶30、主支撑螺钉31、弹性垫片组32、保护结构瓦块33、保护结构过渡层34、保护结构热沉35、螺钉固定组件36。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明实施方式作进一步详细的描述，本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明一种托卡马克偏滤器靶板部件遥操作装置，包括靶板1、连接机构2、承载部件3、支撑部件4、内部连接管路5、主支撑保护结构6；靶板1和主支撑保护结构6与承载部件3通过连接机构连接；主支撑保护结构6安装于承载部件3上方靶板开槽区域，用于保护维护通道；如图2所示，承载部件3通过支撑部件4固定于偏滤器支撑盒体7或真空室8；靶板1、主支撑保护结构6和承载部件3内部流道与内部连接管路5连通形成冷却系统9。

如图3所示，靶板1为多块超高热负载平板型单元，每块单元包括面对等离子体的钨合金平板10(厚度2-8mm)、作为热应力缓冲的无氧铜过渡层11(厚度1-1.5mm)、作为热沉结构的ODS铜和低活化钢***焊接复合平板12；钨合金平板10和无氧铜过渡层11之间通过铸造、热等静压、热扩散焊、化学气相沉积、***焊等工艺连接；无氧铜过渡层11和***焊接复合平板12之间通过钎焊、热等静压、热扩散焊、***焊等工艺连接；在靶板1开槽两侧相邻区域单元设置朝开槽区域倾斜一定角度，本发明经过反复试验取10-15度，具体取决于开槽间距，磁力线角度和***焊接复合平板厚度，防止等离子体打到单元的侧面。

如图4所示，连接机构2包括固定座13、销14和支撑座15；固定座13焊接于靶板1；支撑座15焊接于承载部件3；固定座13和支撑座15之间通过销14连接。

如图5所示，承载部件3不仅是将靶板电磁力传递到支撑部件上，而且也是结构单独拆卸和流体流通的重要纽带，承载部件3包括基板16、流体进管切割和焊接通道组件17、流体出管切割和焊接通道组件18、主固定结构拆装通道固定桶19、流体进管20和流体出管21；流体进管切割和焊接通道组件17实现正面单独遥操作维护流体进管，流体出管切割和焊接通道组件18实现正面单独遥操作维护流体出管；流体进管切割和焊接通道组件17，流体出管切割和焊接通道组件18和主固定结构拆装通道固定桶19分别焊接于基板16流体进管切割和焊接通道、流体出管切割和焊接通道和主固定结构拆装通道；流体进管切割和焊接通道组件17与流体进管20连接；流体出管切割和焊接通道组件18与流体出管21连接。

如图5所示，基板16内部具有流道，低热负荷区(即稳态热负荷小于1MW/m²)设计主固定结构拆装通道、流体进管切割和焊接通道、流体出管切割和焊接通道，位置分别对应于流体进管切割和焊接通道组件17、流体出管切割和焊接通道组件18、主固定结构拆装通道固定桶19，具体表现形式为通孔，方便遥操作维护工具接近操作对象。

如图5所示，流体进管切割和焊接通道组件17实现正面单独遥操作维护流体进管，包括进管冷却封盖22、进管冷却水管23和进管连接水管24；进管冷却封盖22是进管冷却水管23的末端封盖，在封盖上设有遥操作接口；进管冷却水管23为直管段，是切割和焊接的主体，在水管上设有遥操作接口；进管连接水管24为U型段，连接进管冷却水管23和流体进管20。

如图5所示，流体出管切割和焊接通道组件18可以实现正面单独遥操作维护流体出管；流体出管切割和焊接通道组件18包括出管冷却封盖25、出管冷却水管26和出管连接水管27；所述出管冷却封盖25是出管冷却水管26的末端封盖，在封盖上设有遥操作接口；所述出管冷却水管26为直管段，是切割和焊接的主体，在水管上设有遥操作接口；所述出管连接水管27为U型段，连接出管冷却水管26和流体出管21。

如图1，6，7所示，支撑部件4包括主支撑结构28和辅助支撑结构29；主支撑结构28和辅助支撑结构29分别螺纹连接和焊接于基板16。

如图2，6所示，主支撑结构28实现正面单独遥操作维护主支撑，主支撑结构28包括安装桶30、主支撑螺钉31、弹性垫圈组32；安装桶30通过螺纹连接固定于主固定结构拆装通道固定桶19；所述主支撑螺钉31配合弹性垫圈组32连接固定于偏滤器支撑盒体7或真空室8。

如图7所示，辅助支撑结构29为耳朵型挂钩结构，通过内部卡槽固定和限位于偏滤器支撑盒体7或真空室8。

如图8所示，主支撑保护结构6可以防止低通量中性粒子对通道损伤，包括保护结构瓦块33、保护结构过渡层34、保护结构热沉35和螺钉固定组件36；保护结构瓦块33通过螺钉固定组件36固定于保护结构热沉35；保护结构过渡层34位于保护结构瓦块33和保护结构热沉35两者之间。

主支撑保护瓦块33正面具有0.5-1mm厚度的钨涂层。

保护结构热沉35内部具有流道，流道与基板16内部流道通过内部连接管路(5)连通，设计主固定结构拆装通道、流体进管切割和焊接通道、流体出管切割和焊接通道，位置分别对应于流体进管切割和焊接通道组件17、流体出管切割和焊接通道组件18、主固定结构拆装通道固定桶19，具体表现形式为通孔，方便遥操作维护工具接近操作对象。

靶板部件遥操作安装步骤(拆卸与安装为反过程，是同理)：

(1)遥操作工具拆除保护结构瓦块；

(2)遥操作工具通过流体切割和焊接通道拆除水管的冷却封盖；

(3)遥操作工具切割水管；

(4)遥操作工具通过水管通道固定结构接口抓取靶板后，遥操作工具拆除主支撑螺钉；

(5)靶板部件通过遥操作工具，绕辅助支撑结构旋转一定角度，靶板部件与辅助支撑结构脱开，遥操作工具转运靶板部件至真空室外。

实施例2

如图9所示，本发明提供了另一种托卡马克偏滤器靶板部件遥操作部件，包括靶板1、连接机构2、承载部件3、支撑部件4、内部连接管路5、主支撑保护结构6；靶板1和主支撑保护结构6与承载部件3通过连接机构连接；主支撑保护结构6安装于承载部件3上方靶板开槽区域，用于保护维护通道；承载部3件通过支撑部件4固定；靶板1、主支撑保护结构6和承载部件3内部流道与内部连接管路5连通。

后续介绍与实施例1基本一致。

与实施例1的区别点在于靶板1分成两个部分，本发明不限制于靶板的分块数量。与实施例1的区别点在于支撑部件4中的辅助支撑结构分成两组，靶板部件在遥操作维护过程中的运动轨迹取消了转动，改成平动，本发明不限制于辅助支撑结构的数量，不限制于辅助支撑结构与基板之间安装的角度。