一種主動水冷離子吞噬器結構的製作方法

2023-05-11 03:52:27

本發明屬於磁約束聚變裝置高功率中性束注入(nbi)加熱系統核心部件—高熱負荷離子吞噬器的流體熱交換結構和水路連接技術領域，具體涉及一種主動水冷離子吞噬器結構。

背景技術：

中性束注入(nbi)用以加熱磁約束等離子體，是提高離子溫度或者電子溫度的最有效方法之一，同時nbi也用來驅動等離子體電流並且控制等離子體性能。包括離子源在內的中性束注入器是中性束加熱系統的核心系統，主要包括：離子源，注入器真空室，置於真空室內部的中性化室，離子吞噬器，偏轉磁體，束邊緣刮削器，量熱靶，高抽速真空泵等。主要完成等離子體產生，離子束引出和加速，離子束中性化，殘留離子束偏轉，中性束幾何匯聚，中性束注入等物理過程。同時注入器還將具有束性能診斷，束功率測量，部件安全監測，高抽速真空運行等功能。離子吞噬器是中性束注入器不可缺少的核心部件之一，其功能是吞噬未中性化的離子束流。離子束經過與中性化氣靶發生作用後，仍然有40％左右的離子，離子成分有全能氘(氫)離子，半能氘(氫)離子，1/3能量氘(氫)離子，全能分子離子等，這些離子必須通過偏轉磁體進入離子吞噬器。

受hl-2m裝置的nbi加熱窗口尺寸限制，只有在每一條nbi加熱束線將裝備4套離子源條件下，束線的注入中性束功率能夠達到5兆瓦，為滿足未中性化離子束(也稱殘留離子束)的吞噬，需要對應注入器的總體結構布置4套離子吞噬器。按照整個注入器的整體空間規劃和物理結構設計，採用偏轉磁體 將殘留離子束偏轉180°。因此，有必要研製一種採用變化夾角的v字形主動水冷無氧銅板結構，增加束流轟擊面積來滿足超高熱負荷要求，來滿足準穩態nbi運行需求。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種主動水冷離子吞噬器結構，從而為hl-2m託卡馬克裝置的5mw-nbi加熱束線研製安裝在注入器真空方箱內的主離子吞噬器。

為了實現這一目的，本發明採取的技術方案是：

一種主動水冷離子吞噬器結構，應用於hl-2m託卡馬克裝置第1條5mw-nbi加熱束線的主離子吞噬器，通過該主動水冷離子吞噬器結構吞噬由偏轉磁體偏轉的全能h1+或者d1+離子束；

根據hl-2m裝置nbi加熱束線的布局，主動水冷離子吞噬器結構包括4套離子吞噬器，4套離子吞噬器分為上下兩層，每層分為左右兩套；

每套離子吞噬器採用5塊主動水冷板組成v字形吞噬結構，包括4塊v字形側板和1塊底板；

底板的尺寸為30mm×268mm×455mm，通過專用支架懸掛設置在對應nbi加熱束傳輸方向的真空室內壁上，並與真空室內壁所在平面相互垂直，用於吞噬偏轉角小於180°的nbi加熱束；

4塊v字形側板組成的v形結構的v形截面與底板所在平面相互平行，v字形吞噬結構的開口位置對應離子源發射的偏轉離子束的位置；v字形側板和底板在v字形吞噬結構的開口位置處的面為轟擊表面；

上層兩套離子吞噬器中，4塊v字形側板的上端與底板固定連接；下層兩套離子吞噬器中，4塊v字形側板的下端與底板固定連接；

4塊v字形側板包括兩個芯部主動水冷板、兩個外側主動水冷板；兩個芯部主動水冷板之間的夾角為α＝2×10°，每塊芯部主動水冷板的尺寸為30mm×220mm×580mm；兩個外側主動水冷板之間的夾角為β＝2×15°，每塊外側主動水冷板的尺寸為30mm×220mm×580mm；

每塊芯部主動水冷板內沿長度為220mm的邊長方向布置10根通徑為6mm的並聯冷卻水道，相鄰的兩根並聯冷卻水道之間的距離為15mm，並聯冷卻水道與轟擊表面的距離為5mm；10根並聯冷卻水道並接到芯部主動水冷板中通徑為20mm的總水道上；

每塊外側主動水冷板內沿長度為220mm的邊長方向布置11根通徑為6毫米的並聯冷卻水道，相鄰的兩根並聯冷卻水道之間的距離為15mm，並聯冷卻水道與轟擊表面的距離為5mm；11根並聯冷卻水道並接到外側主動水冷板中通徑為20mm的總水道上；

4塊v字形側板中處於同側的一個芯部主動水冷板和一個外側主動水冷板的總水道之間採用串接方式，串接水管的直徑為25mm，設置在遠離底板的一側；串接後處於同側的一個芯部主動水冷板和一個外側主動水冷板分別在靠近底板的一側通過直徑為25mm的連接管與通徑為50mm的支路連接；通徑為50mm的支路與通徑為80mm的主進水管和通徑為80mm的主出水管連接；

每塊底板內沿長度為268mm的邊長方向布置11根通徑為6毫米的並聯冷卻水道，相鄰的兩根並聯冷卻水道之間的距離為15mm，並聯冷卻水道與轟擊表面的距離為5mm；11根並聯冷卻水道並接到底板內通徑為25mm的總水道；底板中的總水道與通徑為50mm的支路連接；通徑為50mm的支路與通徑為80mm的主進水管和通徑為80mm的主出水管連接。

進一步的，如上所述的一種主動水冷離子吞噬器結構，離子吞噬器採用的 主動水冷板是多孔水冷無氧銅板。

進一步的，如上所述的一種主動水冷離子吞噬器結構，主進水管和主出水管的管路中採用高水壓波紋軟管，最大承受水壓30kg。

本發明技術方案的有益效果在於：

1)離子吞噬器作為磁約束聚變實驗裝置以及未來聚變工程推nbi加熱系統注入器內部必不可少的部件，用於吞噬未中性化的離子束。

2)該離子吞噬器已經安裝就位於hl-2m裝置的第1條5mw-nbi加熱束線的注入器真空室內，經過了真空檢漏和30kg水壓測試，測試結果滿足設計要求。

3)hl-2m裝置將發展3條5mw-nbi加熱束線，該離子吞噬可以直接用於後面的兩條nbi加熱束線，為hl-2m裝置開展高β聚變等離子體物理實驗提供了必須的硬體系統。

附圖說明

圖1為5mw-nb注入器離子吞噬器結構總圖；

圖2為v字形吞噬器主動水冷板；

圖3為離子吞噬器v字形夾角結構；

圖4為離子吞噬器進出水路結構。

圖中：1—1#離子束吞噬器，2—2#離子束吞噬器，3—3#離子束吞噬器，4—4#離子束吞噬器，5—主進水管，6—主出水管，7—高水壓波紋軟管，8—專用支架，9—對應3#離子吞噬器的v字形左外側主動水冷板，10—對應3#離子吞噬器的v字形左芯部主動水冷板，11—對應3#離子吞噬器的v字形右芯部主動水冷板，12—對應3#離子吞噬器的v字形右外側主動水冷板，13—對應3#離子吞噬器底板，14—總水道，15—並聯冷卻水道，16—支路，17—連接管，18—串接水管。

具體實施方式

下面通過附圖和具體實施例對本發明技術方案進行進一步詳細說明。

本發明一種主動水冷離子吞噬器結構，應用於hl-2m託卡馬克裝置第1條5mw-nbi加熱束線的主離子吞噬器，通過該主動水冷離子吞噬器結構吞噬由偏轉磁體偏轉的全能h1+或者d1+離子束；

根據hl-2m裝置nbi加熱束線的布局，主動水冷離子吞噬器結構包括4套離子吞噬器，4套離子吞噬器分為上下兩層，每層分為左右兩套；

每套離子吞噬器採用5塊主動水冷板組成v字形吞噬結構，包括4塊v字形側板和1塊底板；在本實施例中，離子吞噬器採用的主動水冷板是多孔水冷無氧銅板。

底板的尺寸為30mm×268mm×455mm，通過專用支架懸掛設置在對應nbi加熱束傳輸方向的真空室內壁上，並與真空室內壁所在平面相互垂直，用於吞噬偏轉角小於180°的nbi加熱束；總體結構見圖1所示。

4塊v字形側板組成的v形結構的v形截面與底板所在平面相互平行，v字形吞噬結構的開口位置對應離子源發射的偏轉離子束的位置；v字形側板和底板在v字形吞噬結構的開口位置處的面為轟擊表面；

上層兩套離子吞噬器中，4塊v字形側板的上端與底板固定連接；下層兩套離子吞噬器中，4塊v字形側板的下端與底板固定連接；

離子吞噬器的的工程設計受兩個重要的條件約束，一是芯部束功率密度高於8kw/cm2的準高斯束吞噬器熱負荷，需要及時主動水冷，二是狹小的真空室內空間限制條件。為此我們設計一種具有及時主動水冷的離子吞噬器。為滿足注入器真空室中安裝空間條件，採用變角度的v字形結構，具體為：

4塊v字形側板包括兩個芯部主動水冷板、兩個外側主動水冷板；兩個芯部主動水冷板之間的夾角為α＝2×10°，每塊芯部主動水冷板的尺寸為30mm×220mm×580mm；兩個外側主動水冷板之間的夾角為β＝2×15°，每塊外側主動水冷板的尺寸為30mm×220mm×580mm；通過這樣的設計使得芯部離子轟擊面積相對於束縱向截面增加了約5.76倍，外側板離子轟擊面積相當於束縱向截面增加了3.86倍，從而保證了吞噬板表面上的束功率密度小於無氧銅銅板的極限熱負荷功率密度。

如圖2所示，每塊芯部主動水冷板內沿長度為220mm的邊長方向布置10根通徑為6mm的並聯冷卻水道，相鄰的兩根並聯冷卻水道之間的距離為15mm，並聯冷卻水道與轟擊表面的距離為5mm，以保證及時水冷需要的水流量和快速的水冷熱交換；10根並聯冷卻水道並接到芯部主動水冷板中通徑為20mm的總水道上；

每塊外側主動水冷板內沿長度為220mm的邊長方向布置11根通徑為6毫米的並聯冷卻水道，相鄰的兩根並聯冷卻水道之間的距離為15mm，並聯冷卻水道與轟擊表面的距離為5mm；11根並聯冷卻水道並接到外側主動水冷板中通徑為20mm的總水道上；

如圖3所示，4塊v字形側板中處於同側的一個芯部主動水冷板和一個外側主動水冷板的總水道之間採用串接方式，串接水管的直徑為25mm，設置在遠離底板的一側；串接後處於同側的一個芯部主動水冷板和一個外側主動水冷板分別在靠近底板的一側通過直徑為25mm的連接管與通徑為50mm的支路連接；通徑為50mm的支路與通徑為80mm的主進水管和通徑為80mm的主出水管連接；

每塊底板內沿長度為268mm的邊長方向布置11根通徑為6毫米的並聯冷卻水道，相鄰的兩根並聯冷卻水道之間的距離為15mm，並聯冷卻水道與轟擊表面 的距離為5mm；11根並聯冷卻水道並接到底板內通徑為25mm的總水道；底板中的總水道與通徑為50mm的支路連接；通徑為50mm的支路與通徑為80mm的主進水管和通徑為80mm的主出水管連接。

如圖4所示，上層兩套離子吞噬器共用一路通徑50mm的支路水管，下層兩套離子吞噬器共用一路通徑50mm的支路水管，最後上下離子吞噬器匯入通徑80mm的主水路中；單套離子吞噬器水流量約25立方/小時。

主進水管和主出水管的管路中採用高水壓波紋軟管，最大承受水壓30kg，可以兼顧水路連接和真空連接，消除水冷板，支撐架，主水管之間管路件的加工和安裝誤差。