適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統的製作方法

2023-10-27 06:10:42 2

本發明涉及聚變堆高溫環境的冷卻系統領域，具體是一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統。

背景技術：

以國際熱核聚變試驗堆託卡馬克的物理診斷軟x射線相機為例，為保證託卡馬克真空室真空度，在實驗前需要對託卡馬克進行烘烤處理。在託卡馬克裝置烘烤期間，環境溫度將高達250℃，即使在非烘烤期間，軟x射線相機探測器所處的環境溫度也將超過75℃，而探測器的正常工作溫度一般低於75℃，此外，溫度會影響探測器的性能，一般來說，探測器溫度每升高10℃，其暗電流就會加倍。所以為了適應託卡馬克環境，冷卻系統不可缺少。如果使用水作為冷卻介質，在核聚變堆這樣嚴重的核環境下，作為冷卻介質的水由於處於堆芯位置，將會被很嚴重的活化。同時氦氣在相同的輻照條件下，其活化遠遠低於水的活化水平。因此選用氦氣作為一種冷卻介質就是一種很好的選擇，可同時滿足低活化和冷卻的需求。而在遠離堆芯位置的輻照強度相對較弱的位置，可以使用水最為冷卻介質冷卻氦氣。這種設計既可以採用較易獲得的水作為最終的冷源，同時可以大大降低總體的活化水平。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統，以解決在核聚變堆嚴苛複雜的物理核環境中冷卻系統設計面臨的有限的製冷劑中子活化等問題。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為：

一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統，其特徵在於：包括有隔膜式壓縮機、儲氣罐，隔膜式壓縮機的進氣端與儲氣罐的氣體出口通過管道連接，隔膜式壓縮機的進氣端與儲氣罐之間的管道上設有隔斷閥、電動穩壓閥，隔膜式壓縮機的出氣端與儲氣罐的出口、換熱器一的熱端的一個埠分別通過管道連接，隔膜式壓縮機的出氣端與儲氣罐之間的管道上設有洩壓閥，隔膜式壓縮機的出氣端與換熱器一之間的管道上設有排氣閥，換熱器一的冷端的兩個埠與冷水機連接，換熱器一的熱端的另一埠與冷卻池的一端通過管道連接，換熱器一與冷卻池之間的管道上設有流量計、壓力計一、溫度計一，冷卻池中置有待冷卻物體，冷卻池的另一端與換熱器二的熱端的一個埠通過管道連接，冷卻池與換熱器二之間的管道上設有壓力計二、溫度計二、吸氣閥，吸氣閥所在管道與流量計所在管道的兩個管道之間連接有一分支管道，所述分支管道上設有旁通閥，換熱器二的熱端的另一埠通過管道與隔膜式壓縮機的進氣端連接，所述隔膜式壓縮機還分別與換熱器一、二的冷端兩埠通過管道連接。

所述的一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統，其特徵在於：所述儲氣罐的氣體入口還通過管道連接有補氣罐，所述管道上設有補氣減壓閥。

所述的一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統，其特徵在於：所述冷卻池中設有真空計、熱電偶，冷卻池還與機械泵、分子泵連接，所述機械泵和分子泵用於維持待冷卻物體的環境真空度，真空計用於檢測待冷卻物體的環境真空度，熱電偶用於檢測待冷卻物體的溫度。

所述的一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統，其特徵在於：所述儲氣罐、補氣罐中置有製冷劑，製冷劑採用氦氣。

本發明中的隔膜式壓縮機、儲氣罐、電動穩壓閥、隔斷閥、洩壓閥、熱交換器二、溫度計二、壓力計二等，構成了初級氣冷製冷迴路，本發明中的冷水機、熱交換器一、排氣閥、流量計、壓力計一、溫度計一等，構成了次級水冷製冷迴路。初級氣冷製冷迴路中的氣體製冷劑與次級水冷製冷迴路中的液體製冷劑在兩個熱交換器中進行熱交換，初級製冷迴路中的氣體製冷劑可以由電動穩壓閥控制從儲氣罐中向初級氣冷迴路中進行補充或回收，當儲氣罐氣體不足時，可由補氣罐進行補充；初級氣冷製冷迴路中的熱電偶、溫度計、壓力計、流量計和真空計負責監測冷卻系統的運行狀態；初級氣冷製冷迴路中的隔膜式壓縮機提供氣體壓力源；初級氣冷製冷迴路為閉迴路，其氦氣可重複循環利用；次級製冷迴路中的冷水機組向熱交換器和隔膜式壓縮機提供循環可重複循環使用的冷卻水。

本發明的冷卻系統可以將待冷卻物體環境真空控制在10-2pa，可以將物體或者環境溫度從250℃降低到50℃；可以利用溫度自動反饋，從而調節旁通閥開度控制初級氣體迴路流量，使得溫度穩定在設定值。

本發明的冷卻系統利用初級氣冷製冷迴路的氣體置換出核聚變堆中物體的熱量，然後在次級水冷製冷迴路中用冷卻水置換氣體的熱量，有效地避免了核聚變堆中子輻照導致冷卻水被活化的問題。

本發明優點為：

1、本發明使用了多種傳感器監控系統運行狀態，實現系統的自動化以及數據的實時監控；

2、本發明使用了氣冷水冷混合製冷方式，避免了核聚變堆中子輻照導致冷卻水被活化的問題。

附圖說明

圖1為本發明結構框圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種適用於聚變堆高溫環境的閉環再循環氣水混合冷卻系統，包括有隔膜式壓縮機14、儲氣罐15，隔膜式壓縮機14的進氣端與儲氣罐15的氣體出口通過管道連接，隔膜式壓縮機14的進氣端與儲氣罐15之間的管道上設有隔斷閥12、電動穩壓閥13，隔膜式壓縮機14的出氣端與儲氣罐15的出口、換熱器20的熱端的一個埠分別通過管道連接，隔膜式壓縮機14的出氣端與儲氣罐15之間的管道上設有洩壓閥16，隔膜式壓縮機14的出氣端與換熱器20之間的管道上設有排氣閥19，換熱器20的冷端的兩個埠與冷水機21連接，換熱器20的熱端的另一埠與冷卻池3的一端通過管道連接，換熱器20與冷卻池3之間的管道上設有流量計6、壓力計7、溫度計8，冷卻池3中置有待冷卻物體，冷卻池3的另一端與換熱器11的熱端的一個埠通過管道連接，冷卻池3與換熱器11之間的管道上設有壓力計2、溫度計1、吸氣閥10，吸氣閥10所在管道與流量計6所在管道的兩個管道之間連接有一分支管道，分支管道上設有旁通閥9，換熱器11的熱端的另一埠通過管道與隔膜式壓縮機14的進氣端連接，隔膜式壓縮機11還分別與換熱器20、11的冷端兩埠通過管道連接。

儲氣罐15的氣體入口還通過管道連接有補氣罐18，管道上設有補氣減壓閥17。

冷卻池3中設有真空計7、、熱電偶8，冷卻池3還與機械泵22、分子泵23連接，。機械泵22和分子泵23用於維持待冷卻物體3的環境真空度，真空計7用於檢測待冷卻物體3的環境真空度，熱電偶8用於檢測待冷卻物體3的溫度。

儲氣罐15、補氣罐18中置有製冷劑，製冷劑採用氦氣。

本發明的閉環再循環氣水混合冷卻系統採用一臺隔膜式壓縮機14作為壓力源，壓縮後的氣體進入一個換熱器20供冷卻系統使用，使用後的氣體再次經過另一個換熱器11降溫，一臺冷水機21組為冷卻系統提供冷源，降溫後的氣體在閉環初級迴路中循環利用。一個儲氣罐15供由電動穩壓閥13控制，當系統開始運行需要充氣或者是封閉環路中氣體壓力不足時，對閉環初級迴路內進行氣體補充。當任務結束，需要回收氣體時，同樣也由電動穩壓閥13控制將氣體回收至儲氣罐15。在系統進行過程當中時，為了控制初級迴路氣體流量，採用了一個旁通閥9用於調節分流。