專利名稱:一種利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到聚變反應堆，尤其涉及一種利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)。
背景技術：
現(xiàn)代磁約束聚變實驗裝置大都采用石墨材料作為面對等離子體第一壁材料。在現(xiàn)階段石墨材料因其優(yōu)良的抗熱沖擊、對等離子體低污染以及大量實驗數(shù)據(jù)為大部分國家采用。但是在未來反應堆高參數(shù)等離子體運行條件下，使用石墨有其不可克服的弱點由于化學濺射會使石墨每年腐蝕率大于10厘米，使用壽命降低和等離子體芯部的雜質(zhì)水平升高； 中子輻照引起石墨的熱物理和力學性能的快速衰變(特別是熱導值較大幅度的降低)；燃料再沉積碳層中高氚滯留量所導致的裝置的經(jīng)濟性與安全運行問題等等。
雖然目前國際熱核聚變實驗堆(ITER)第一壁材料采用鈹一鎢一石墨混合體以適應不同熱負荷區(qū)的各種工況，但由于聚變等離子體對低Z材料(如鈹和石墨)的高腐蝕率， ITER裝置只能短時間脈沖運行，不能勝任長時間連續(xù)運行。目前在ITER D-T燃料運行條件下，鎢的腐蝕率每年小于O. I毫米。未來磁約束聚變堆可能的被選材料只有鎢材料能夠勝任反應堆工況下連續(xù)運行，能提供每年小于I毫米的腐蝕率，并在大于350度壁溫條件下實現(xiàn)接近零燃料滯留率的條件，從而保證10年不換第一壁材料的可能性。
未來反應堆需要將高達10MW/m2的熱負荷從偏濾器部件上將熱能快速以走，使用高熱導率、高性能的駱鋯銅作為冷卻熱沉是最好的選擇，它能起到快速移能的功能。同時由于反應堆中高通量中子輻照，選擇低活化的馬氏體/鐵素體鋼作為結(jié)構(gòu)材料以成為國際聚變界的共識。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種利用純度大于99.5%、厚壁大于 20毫米的金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
一種利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，磁約束反應堆的真空室按所受熱負荷分為低負荷區(qū)和高熱負荷區(qū)，低負荷區(qū)包括高場區(qū)和低場區(qū)，高熱負荷區(qū)包括偏濾器區(qū)，其特征在于磁約束反應堆所有真空室內(nèi)部第一壁材料全部為純度大于99. 5%、厚壁大于20毫米的金屬鎢，整個第一壁結(jié)構(gòu)可在350度條件下穩(wěn)定運行；在高熱負荷區(qū)，采用第一壁材料金屬鎢與中間冷卻熱沉材料及后支撐材料按三明治結(jié)構(gòu)熱等靜壓焊接而成，中間冷卻熱沉材料為厚度大于50毫米的鉻鋯銅，后支撐材料為厚度大于300毫米的低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，中間冷卻熱沉材料、后支撐材料都分布有冷卻通道，以便來自等離子體的熱負荷快速移走，在金屬鎢和鉻鋯銅之間有O. 5毫米左右的中間適配層，其原材料構(gòu)成為10-20%重量的鎢粉合金粉和80-90%重量的鉻鋯銅合金粉；在鉻鋯銅和低活化馬氏體 /鐵素體不銹鋼之間，有O. 5本發(fā)明的特征還在于所述的第一壁材料金屬鎢的形狀與等離子體最外磁面相同；所述的后支撐材料低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼的形狀與真空室形狀相同；所述的中間冷卻熱沉材料鉻鋯銅中均勻分布直徑為12毫米的冷卻通道，后支撐材料低活化馬氏體 /鐵素體不銹鋼中均勻分布直徑為15毫米的冷卻通道；所述的熱等靜壓焊接工藝參數(shù)為 100-120Pa壓力，900度，持續(xù)4_5小時，在高熱負荷區(qū)，要快速冷卻按每分鐘一度降至350 度，后冷卻至常溫20-30度；在低負荷區(qū)不需快速冷卻，直接冷卻至常溫20-30度；焊接結(jié)束后的快速冷卻是確保鉻鋯銅晶粒不變并使其性能不變的必要條件，實施過程中必須嚴格執(zhí)行；所述適配層原材料的合金粉在熱等靜壓過程中，當溫度超過400度時，開始漸漸融化，當溫度到達900度，全部融化，實現(xiàn)有效焊接。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明使用了純度大于99. 5%、厚度大于20mm的金屬鎢作為第一壁材料，在低熱負荷區(qū)使用了低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，整體采用熱等靜壓工藝焊接，在高熱負荷區(qū)使用了低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼和鉻鋯銅，整體采用三明治結(jié)構(gòu)熱等靜壓工藝焊接，整個第一壁結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定的運行在350度條件下，使磁約束反應堆在燃料再循環(huán)接近零滯留的條件下，滿足對低材料腐蝕、低燃料滯留的長時間穩(wěn)態(tài)運行的要求。


圖I為磁約束反應堆內(nèi)部第一壁材料的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為低負荷區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為聞熱負荷區(qū)結(jié)構(gòu)不意圖。
具體實施方式
一種利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，磁約束反應堆的真空室 I按所受熱負荷分為低負荷區(qū)和高熱負荷區(qū)，低負荷區(qū)包括高場區(qū)4和低場區(qū)5，高熱負荷區(qū)包括偏濾器區(qū)2和3，其特征在于磁約束反應堆所有真空室I內(nèi)部第一壁材料全部為純度大于99. 5%、厚壁大于20毫米的金屬鎢6，所述的第一壁材料金屬鎢6的形狀與等離子體 14最外磁面相同，整個第一壁結(jié)構(gòu)可在350度條件下穩(wěn)定運行；在高熱負荷區(qū)，采用第一壁材料金屬鎢6與中間冷卻熱沉材料及后支撐材料按三明治結(jié)構(gòu)熱等靜壓焊接而成，中間冷卻熱沉材料為厚度大于50毫米的鉻鋯銅7，后支撐材料為厚度大于300毫米的低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼8，所述的后支撐材料低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼8的形狀與真空室I 形狀相同，中間冷卻熱沉材料鉻鋯銅7中均勻分布有直徑為12毫米的冷卻通道9，后支撐材料低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼8中均勻分布有直徑為15毫米的冷卻通道10，冷卻通道便于來自等離子體的熱負荷快速移走，在金屬鎢6和鉻鋯銅7之間有O. 5毫米左右的中間適配層11，其原材料構(gòu)成為10-20%重量的鎢粉合金粉和80-90%重量的鉻鋯銅合金粉；在鉻鋯銅7和低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼8之間，有O. 5 — I毫米左右的中間適配層12，其原材料構(gòu)成為30-40%重量的鉻鋯銅合金粉和60-70%重量的不銹鋼粉，中間適配層是實現(xiàn)不同材料間可靠焊接的保障；整體結(jié)構(gòu)在焊接時，壓力為100-120Pa，溫度為900-950攝氏度， 持續(xù)4-5個小時，然后按每分鐘一度的速度快速冷卻至350攝氏度，后冷卻至常溫20-30攝氏度，焊接結(jié)束后的快速冷卻是確保鉻鋯銅晶粒不變并使其性能不變的必要條件，實施過程中必須嚴格執(zhí)行；在低負荷區(qū)，由第一壁材料金屬鎢6與后支撐材料熱等靜壓焊接而成， 所述的后支撐材料為厚度大于300毫米的低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼8，其間分布有直徑為15毫米的冷卻通道10，在金屬鎢6和低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼8之間，有O. 5毫米左右的中間適配層13，其原材料構(gòu)成為10-20%重量的鎢粉合金粉和80-90%重量的不銹鋼合金粉，整體結(jié)構(gòu)在焊接時壓力為100-120Pa，溫度為900-950攝氏度，持續(xù)4_5個小時， 然后冷卻至常溫20-30攝氏度，不用快速冷卻。上述適配層原材料的合金粉在熱等靜壓過程中，當溫度超過400度時，開始漸漸融化，當溫度到達900度，全部融化，實現(xiàn)有效焊接。
權利要求
1.一種利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，磁約束反應堆的真空室按所受熱負荷分為低負荷區(qū)和高熱負荷區(qū)，低負荷區(qū)包括高場區(qū)和低場區(qū)，高熱負荷區(qū)包括偏濾器區(qū)，其特征在于磁約束反應堆所有真空室內(nèi)部第一壁材料全部為純度大于99. 5%、 厚壁大于20毫米的金屬鎢，整個第一壁結(jié)構(gòu)可在350度條件下穩(wěn)定運行；在高熱負荷區(qū)，采用第一壁材料金屬鎢與中間冷卻熱沉材料及后支撐材料按三明治結(jié)構(gòu)熱等靜壓焊接而成， 中間冷卻熱沉材料為厚度大于50毫米的鉻鋯銅，后支撐材料為厚度大于300毫米的低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，中間冷卻熱沉材料、后支撐材料都分布有冷卻通道，在金屬鎢和鉻鋯銅之間有O. 1-0. 15毫米左右的中間適配層，其原材料構(gòu)成為10-20%重量的鎢粉合金粉和80-90%重量的鉻鋯銅合金粉；在鉻鋯銅和低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼之間，有O. I -O.15毫米左右的中間適配層，其原材料構(gòu)成為30-40%重量的鉻鋯銅合金粉和60-70%重量的不銹鋼粉；在低負荷區(qū)，由第一壁材料金屬鎢與后支撐材料熱等靜壓焊接而成，所述的后支撐材料為厚度大于300毫米的低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼，其間分布有冷卻通道，在金屬鎢和低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼之間，有O. 15毫米左右的中間適配層，其原材料構(gòu)成為10-20%重量的鎢粉合金粉和80-90%重量的不銹鋼合金粉。
2.根據(jù)權利要求
I所述的利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的第一壁材料金屬鎢的形狀與等離子體最外磁面相同；所述的后支撐材料低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼的形狀與真空室形狀相同。
3.根據(jù)權利要求
I所述的利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的中間冷卻熱沉材料鉻鋯銅中均勻分布直徑為12毫米的冷卻通道，后支撐材料低活化馬氏體/鐵素體不銹鋼中均勻分布直徑為15毫米的冷卻通道。
4.根據(jù)權利要求
I所述的利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的熱等靜壓焊接工藝參數(shù)為100-120Pa壓力，900-950攝氏度，持續(xù)4-5小時， 在高熱負荷區(qū)，要快速冷卻按每分鐘一度降至350度，后冷卻至常溫20-30度；在低負荷區(qū)不需快速冷卻，直接冷卻至常溫20-30度。
5.根據(jù)權利要求
I所述的利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述適配層原材料的合金粉在熱等靜壓過程中，當溫度超過400度時，開始漸漸融化，當溫度到達900度，全部融化，實現(xiàn)有效焊接。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種利用金屬鎢作為磁約束反應堆的第一壁材料的結(jié)構(gòu)，第一壁材料采用金屬鎢，高熱負荷區(qū)由第一壁材料、中間冷卻熱沉材料和后支撐材料按三明治結(jié)構(gòu)熱等靜壓焊接而成，在金屬鎢與中間冷卻熱沉材料之間和中間冷卻熱沉材料與后支撐材料之間分別設有中間適配層，在中間冷卻熱沉材料和后支撐材料上都分布有冷卻通道；低熱負荷區(qū)由第一壁材料和后支撐材料熱等靜壓焊接而成，在第一壁材料與后支撐材料之間設有中間適配層，后支撐材料上分布有冷卻通道；所述的中間冷卻熱沉材料為鉻鋯銅，后支撐材料為馬氏體/鐵素體不銹鋼。本發(fā)明使磁約束反應堆在燃料再循環(huán)接近零滯留的條件下，滿足對低材料腐蝕、低燃料滯留的長時間穩(wěn)態(tài)運行的要求。
文檔編號G21B1/13GKCN102610285SQ201210069674
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月16日
發(fā)明者姚達毛, 李建剛, 羅廣南, 胡建生 申請人:中國科學院等離子體物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan